Vom Anfang und Ende der Welt I: Der Mikrokosmos

 Vom Anfang und Ende der Welt - Elementarteilchen und Kosmologie

Bauteile des Mikrokosmos

Wenn man reduktionistisch denkt, dann versucht man alle Vorgänge und Dinge dieser Welt auf grundlegende Eigenschaften weniger Objekte zurückzuführen.In der Physik gelingt es weitestgehend mit vier Grundkräften (elektrische, schwache, starke Kraft und Gravitation) und wneigen Objekten ("Teilchen" genannt) auszukommen. Biologische Vorgänge lassen sich auf chemische Porzesse zurückführen.

Reduktionisten sind sich sicher, dass auch das Denken nund Fühlen letztlich auf grundlegende materielle Prozesse zurückgeführt werden können.

Viele Menschen haben vor so einer Vorstellung Angst. Ich finde es dagegen faszinierend.

Gehen wir in den Mikrokosmos.

Vom Atom zum Quark: Theoretische Phyisk Uni Münster

 Um die Vielfalt unseres Universums zu verstehen, benötigt man lediglich vier sog. Elementarteilchen, die man als Teilchen der 1.Generation bezeichnet:

u- Quark

d-Quark

Elektron

Elektronenneutrino

Zwei weitere Generationen treten nur bei sehr hohen Energien auf, also auch unmittelbar beim Urknall. Sie wandeln sich sehr schnell in die vier Teilchen der 1.Generation um. Man könnte sie als Eltern und Großeltern der jetzigen, stabilen, Generation bezeichnen.

Das Wort Elementarteilchen darf nicht missverstanden werden: Es handelt sich hier um Quanten, d.h. um Ansammlungen lokalisierbarer Eigenschaften, nicht um teilchenartige Objekte.

 Diesen Quanten muss man nun noch weitere Eigenschaften als u, d, e oder ν zuordnen, um die Komplexität der Welt zu verstehen:

Elektrische Ladungen: Damit bezeichnet man die Fähigkeit Photonen auszusenden und dadurch miteinander in Wechselwirkung zu treten. Nur das Neutrino kann das nicht. Es ist neutral.

Alle Teilchen machen die Wechselwirkungen der darunter liegenden Schichten mit (KIT)

Schwache Ladungen:  Nur sog. Linkshändige Teilchen tragen eine schwache Ladung. Linkshändig ist ein Teilchen, wenn es die Linke-Hand-Regel erfüllt: Daumen in Bewegungsrichtung, Finger bescheiben die Richtung der Spindrehung.

Neutrinos kommen nur linkshändig vor, alle anderen Teilchen können sowohl linkshändig als auch rechtshändig sein.

Aber nur linkshändige Teilchen spüren einen weitere Kraft, die schwache Kraft. Diese Wechselwirkung kann linkshändige u-Quarks in linkshändige d-Quarks umwandeln.

Dadurch wandeln sich Neutronen in Protonen um und umgekehrt (so entsteht die Betastrahlung).

Diese Prozesse sind im  Kosmos notwendig , um neutronenreiche Elemente zu den bekannten 92 natürlichen Elementen umzuwandeln.

Farbladungen: Quarks tragen weitere Eigenschaften, die man mit r (rot),g (grün) und b (blau) bezeichnet.

Von diesne Eigenschaften (man nentn sie auch Farbladungen) geht die starke Kraft aus, die Quarks aneinander bindet und Protonen, Neutronen und letztlich Atomkerne zusammenhält.

Quarks müssen sich immer so zusammenfinden, dass ihre Gesamtfarbe weiß ergibt, sie tragen dann nach Außen keine Farbladung und können somit keine starke Kraft ausüben.

Dadurch ist die Reichweite der starken Kraft beschränkt. 

Das ist wichtig, sonst würde alles zusammenklumpen. 

So sieht es in einem Proton aus...

Außerdem verschwindet die starke Kraft  in großer Nähe. 

Dadurch tritt die starke Kraft im Urknall nicht gleich auf, erst später, wenn durch die Expansion die Abstände zwischen den Quarks größer werden, spüren sie sich und binden sich zu Protonen und Neutronen.

Dann wäre da noch das Higgs-Teilchen. Das erst vor wenigen Jahren entdeckte Objekt sorgt durch seine Wechselwirkung dafür, dass alles langsamer und träger abläuft. Wir nennen das Resultat dieses "Ausbremsens"  Masse und Trägheit. Das Higgs-Teilchen erzeugt also die Massen der Elementarteilchen.

 Das ist alles, was notwendig ist, um ein Universum sich entwickeln zu lassen.

Das ganzen Zeugs, die ganzen Kraftobjekte und das Higgs-Teilchen müssen durch sehr viel Energie in riesigen Mengen nur zusammengeschüttet werden. Dann muss man das Ganze auseinander blasen, damit die Quarks anfangen sich gegenseitig anzuziehen und Protonen und Neutronen bilden können.

Die kosmische Expansion wäre so etwas wie ein  Motor der Evolution...

 Das alles hat vor 14 Milliarden Jahren stattgefunden. 

Aber auf diese Art kann man heute auch in den Teilchenbeschleunigern solche Prozesse in Gang bringen.

Leider (oder zum Glück?) hat man dort aber so wenig Teilchen, dass nicht viel passiert...ein Kosmos kann dort nicht entstehen.

Das ist bisher nur einmal vor 14 Milliarden Jahren passiert, nicht uns....