Beck Wissen - Materie - Von der Urmateria zum Leben

sich aus einem quantenphysikalischen Anfangszustand der Materie aufgebläht hat, der allerdings immer schon bestanden hat. Über alle diese heutigen Modelle des Kosmos läßt sich aber nur auf den Grundlagen der  Hochenergiephysik  und  Quantenfeldtheorien  präzise sprechen. Dort wird nämlich ein Materiebegriff entwickelt, der von der klassischen Physik abweicht und wesentlich differenzierter und komplizierter ist als die traditionellen philosophischen Vorstellungen von Materie.

 
     
IV. Materie in der Quantenphysik
     
     
    In der frühen Quantentheorie wurden noch anschauliche Atommodelle nach dem Muster von Planetensystemen benutzt. Eine physikalische Erklärung liefert erst die Quantenmechanik. In den Quantenfeldtheorien wird der Begriff des Materiefeldes eingeführt, mit dem das dynamische Verhalten von sehr vielen gleichartigen, untereinander in Wechselwirkung stehenden Elementarteilchen beschrieben wird. In der kosmischen Evolutionstheorie wird die Materialisation von Elementarteilchen, Atomen und Molekülen aus anfänglicher Strahlung und Energie erklärbar.
     
     
1. Atommodelle in der frühen Quantentheorie
     
    Max Planck (1858–1947) wurde 1900 zur Einführung seines nach ihm benannten minimalen Energiequantums h veranlaßt, als eine klassische Beschreibung der Spektralverteilung eines schwarzen Hohlraumstrahlers (z.B. erhitzter Ofen) versagte. 1905 erklärte Einstein den photoelektrischen Effekt mit diskontinuierlichen Lichtquanten. Aus einer mit ultraviolettem oder Röntgenlicht bestrahlten Metallplatte treten nämlich Elektronen aus, deren Energie gleich oder weniger als h mal Strahlungsfrequenz v ist. Nach Einsteins Lichtquantenhypothese lassen sich also die diskreten Linien im Spektrum als Folge eines Austausche gequantelter Energie verstehen. Ein Atom kann nur ganz bestimmte Übergänge von einem Energieniveau zu einem anderen ausführen, wobei eine bestimmte Energiemenge emittiert oder absorbiert wird, die derjenigen der emittierten oder absorbierten Strahlung entspricht.
    Erste Informationen über den Aufbau der Atome lieferten Rutherfords Experimente mit α-Teilchen, die er auf eine hauchdünne Goldfolie aufprallen ließ. Würde Materie aus massiven Kugeln bestehen, so hätten alle α-Teilchen an den dichtgepackten Atomen abprallen müssen. Tatsächlich wurden aber nur wenige abgelenkt bzw. zurückgeworfen. Diese Beobachtung und weitere Versuche führten zu der Vorstellung, daß das Atom aus einem Kern dichter Materie mit positiver elektrischer Ladung und einer aus negativ geladenen Elektronen gebildeten Hülle besteht, die zum größten Teil leeren Raum umfaßt.
    Damit das Modell mit den Atomspektren vereinbar ist, nahm Niels Bohr (1885–1962) eine Quantisierungsbedingung an. Er verknüpfte den Bahndrehimpuls des Elektrons mit dem Planckschen Wirkungsquantum h. Dabei ergaben sich charakteristische ganze Zahlen 1, 2, ... (‚Hauptquantenzahlen‘) als Vielfache von h, die jeweils einer bestimmten Umlaufbahn mit diskretem Energieniveau des Atoms entsprechen. Der stabilste Zustand eines Atoms ist der Zustand niedrigster Energie. Höhere Bahnen bzw. Zustände heißen angeregt. Nach Bohr sindÜbergänge zwischen verschiedenen Bahnen möglich, wenn die Energiemenge, die der Energiedifferenz zwischen den betreffenden Zuständen entspricht, entweder absorbiert oder in Form von elektromagnetischer Strahlung (Photonen) ausgestrahlt wird. Bohr berechnete nach diesem Modell ein theoretisches Spektrum von Wasserstoff, das in guter Übereinstimmung mit dem gemessenen Spektrum stand. {31} Allerdings reichte Bohrs Modell nicht aus, um die Übergänge in schwereren Atomen zu erklären. Trotz Verbesserungen blieben die Atommodelle ad-hoc-Verfahren, denen die Erklärung durch eine grundlegende Materietheorie der Physik fehlte. Im Unterschied zur klassischen Physik war nämlich die Materie nach diesen Modellen mikrophysikalisch durch ,Quantensprünge‘ bestimmt, bei denen sich die Energie unstetig um kleine, unteilbare Beträge (Quanten) ändert bzw. quantisiert ist.
     
     
2. Materie in der Quantenmechanik
     
    Im Alltag und in der klassischen Physik unterscheiden wir zwischen Wellen- und Teilcheneigenschaften der Materie. Eine Wasseroberfläche kräuselt sich als Welle mit einer bestimmten Frequenz. Billardkugeln haben zu jeder Zeit einen bestimmten Ort und Impuls. Ob etwas eine Wasserwelle oder Billardkugel ist, steht fest, bevor wir Eigenschaften wie z.B. Frequenz oder Ort messen. Demgegenüber