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Vakuum Chaos

Standardmodell
Lichtkegel



Vakuum
Um ein gutes Vakuum zu erzeugen, ist ein relativ großer Aufwand im Labor erforderlich. Die Teilchendichten für die niedrigsten im Laboratorium erzeugten Drücke liegen noch viele Zehnerpotenzen über der Teilchendichte zwischen den Planeten im Sonnensystem. Sogenannte technische Vakua werden für viele Anwendungen benötigt. Elektrische Geräte wie Glühlampen wären ohne ein Hochvakuum nicht herzustellen oder zu betreiben. Das gleiche gilt für Elektronenröhren, Röntgenröhren und Fernsehbildröhren. Auch bei Teilchenbeschleunigern der Elementarteilchenphysik und Massenspektrometern müssen extreme Vakuumbedingungen vorliegen.
Im strengen Sinne des Wortes wäre ein Vakuum ein völlig leerer materiefreier Raum. Im normalen Sprachgebrauch dagegen bezeichnet man als Vakuum z.B. einen abgeschlossenen Behälter, in dem ein Druck herrscht, der geringer ist als der Druck der uns umgebenden Luft. Wenn man aus diesem Behälter alle Atome entfernt, wäre dieser Behälter dennoch nicht leer. Er wäre von elektromagnetischer Strahlung erfüllt. Die Frequenz bzw. Energie dieser Strahlung ist von der jeweiligen Temperatur der Strahlung abhängig. Diese verbleibende Strahlung heißt Hohlraumstrahlung. Sie existiert auch am absoluten Nullpunkt und hat eine endliche Energiedichte. Sie ist also stets als sogenannte "Nullpunktsenergie" vorhanden.
Was nennen wir VakuumJedes Volumen, egal ob es nun Atome oder andere Teilchen enthält, ist von Photonen der Hohlraumstrahlung durchdrungen. Auch das Weltall enthält so pro Kubikzentimeter etwa 375 solcher Photonen. Ihre Wellenlänge beträgt λ = 1,1 mm, was einer Temperatur von 2,7 Kelvin entspricht. Darüber hinaus enthält ein von allen realen Teilchen befreiter Raum außer Photonen der Hohlraumstrahlung auch eine große Zahl von so genannten virtuellen Teilchen. Das sind im vorliegenden Fall Teilchen, die nur kurzfristig existieren. So entstehen z.B. ein Elektron und ein Positron aus dem Nichts und vergehen sogleich auch wieder. In Hochenergiebeschleunigern läßt sich das realisieren. Dort werden gezielt Teilchen auf Antiteilchen geschossen. Über die bei solchen Zusammenstößen frei werdende Energie können diese im Vakuum verborgenen Teilchen sichtbar gemacht werden. Meist läßt sich deren Wirkung in einem starken Magnetfeld messen.
Die Krümmung von Raum und Zeit hängt gemäß Einsteins Äquivalenzprinzips und der Gravitation von der Energieverteilung im Weltall ab. Wenn nun im Vakuum Energie oszilliert, so hat das bestimmte Auswirkungen auf die Krümmung des vierdimensionalen Raums. Auch Raum und Zeit pulsieren also. Von dem Beitrag und der Wirkung der verschiedenen virtuellen Teilchen zur Raum-Zeitfluktuation kann damit auch beeinflusst werden, ob sich das Weltall für immer ausdehnt, ob die Ausdehnung einfach zum Stillstand kommt oder ob das Weltall irgendwann wieder in sich zusammenfällt.
Die Fragen rund um das Vakuum gehören damit zu den aktuellen ungelösten Rätseln der Physik.












Chaos
Beim bekannten Fadenpendel hängt an einem relativ dünnen, langen Faden ein Körper von kleinem Volumen und großer Masse. Der Körper aus schwerem Metall soll nur der Schwerkraft unterliegen. Der Körper hat in der Ruhelage des Pendels seine tiefste Lage. Wir lenken das Pendel aus der Ruhelage aus und überlassen den Körper sich selbst.
Fadenpendel oder mathematisches PendelEine Rückstellkraft wirkt proportional zur Auslenkung. Im Idealfall schwingt der Körper in einer durch seinen Aufhängepunkt verlaufenden senkrechten Ebene. Die Schwingungen werden geringer. Sie klingen wegen der Dämpfung langsam ab, bis sie ganz zur Ruhe kommen und der Körper wieder seinen tiefsten Punkt erreicht hat. Das beschriebene Geschehen ist exakt berechenbar und eindeutig vorhersagbar. Beim Fadenpendel haben ähnliche Ursachen ähnliche Wirkungen. Der Körper schwingt ständig in bestimmter Weise hin und her.










Wir lenken in einem anderen Beispiel das dargestellte Magnetpendel aus und lassen den Körper schwingen. Wir können nicht vorhersagen, wie sich der Körper bewegen wird. Wir können auch nicht vorhersagen, bei welchem Magneten das Pendel letztendlich stehen bleibt.
MagnetpendelDas Geschehen ist ungeordnet und nicht vorhersagbar. Das Magnetpendel zeigt wie manche andere Systeme in Natur und Technik ein chaotisches Verhalten. Mit der Beschreibung solcher Vorgänge befasst sich die Chaostheorie, was schon im Namen zum Ausdruck kommt.










Das nächste einfache Beispiel eines tropfenden Wasserhahns ( in der Abbildung ) verdeutlicht, dass ein und dasselbe System sowohl regelmäßiges wie auch chaotisches Verhalten zeigen kann. Bei Erhöhung der Ausströmgeschwindigkeit des Wassers durch weiteres Öffnen des Hahns geht die anfangs gleichmäßige Reihe von Tropfen in eine chaotische Folge von Tropfen über.
Der tropfende WasserhahnDas ungeordnete Verhalten läßt sich hauptsächlich auf die große Zahl der Flüssigkeitsmoleküle zurückführen. Die Wassermoleküle wechselwirken miteinander. Beim vorherbestimmten oder deterministischen Chaos wird von einer zumindest schwachen Kausalität ausgegangen. Trotzdem können ähnliche Ursachen zu unterschiedlichen Wirkungen führen. Das Geschehen wird durch nichtlineare mathematische Gleichungen beschrieben. In der nichtlinearen Physik werden sogenannte Rückkopplungssysteme untersucht, welche meist ein regelloses zeitliches Verhalten aufweisen. Außerdem können sie empfindlich auf äußere Störungen reagieren. Die Erkenntnisse der nichtlinearen Physik führen auch in anderen Wissensgebieten zu verbesserten Einsichten. Auch dort sind sie also hilfreich.














Stroemung zwischen zwei PlattenTurbulente Strömungen von Gasen und Flüssigkeiten zeigen ein nichtlineares Verhalten. Bei der laminaren oder schlichten Strömung gleiten die einzelnen Gasschichten oder Flüssigkeitsschichten parallel aneinander vorbei. Auch bei unterschiedlichsten Geschwindigkeiten findet keine Durchmischung der Atome oder Moleküle statt. Das Verhalten der Strömung wird durch innere Reibung bestimmt. Langsame Luftströmungen zeigen z.B. ein solches Verhalten. Diese Strömungen lassen sich durch einfache und glatte Stromlinien beschreiben. Diese Stromlinien geben in jedem Augenblick die Richtung der strömenden Teilchen wieder.
Ganz im Gegensatz dazu steht die turbulente Strömung. Diese Strömung ist nicht stationär, das Abbild solcher Strömung ändert sich ständig. Die Strömung artet zu einer gänzlich ungeordneten Bewegung aus. Durch eine Wirbelbildung findet eine starke Durchmischung der Atome oder Moleküle statt. Aneinander liegende Teilchen bleiben nicht miteinander verbunden. Bei der turbulenten Strömung von Flüssigkeiten und Gasen  werden ursprünglich benachbarte Teilchen weit voneinander weg getrieben.
Laminarer und turbulenter Bereich der Stroemung
Wirbel bei Wetter- und KlimabildungAuf diese Weise entstehen Wirbel wie in der Abbildung links.











Standardmodell
Viele der sehr unterschiedlichen Elementarteilchen werden nach lateinischen und griechischen Buchstaben benannt. Man findet Elementarteilchen in der kosmischen Strahlung bzw. Höhenstrahlung. Auf der Erde werden sie in den Labors der Hochenergiephysik gewonnen. Dazu läßt man in Teilchenbeschleunigern und Speicherringen geladene Kernbausteine mit hoher Energie zusammentreffen. Dabei werden Geschwindigkeiten erreicht, die nahe der Lichtgeschwindigkeit liegen.
Elementarteilchen sind die Bausteine aller Stoffe. Atome könnten aus noch kleineren als den uns bereits bekannten Elementarteilchen zusammengesetzt sein. -- Eine rasante Entwicklung fand schon in den letzten knapp hundert Jahren auf dem Gebiet der Elementarteilchen statt: Bis etwa 1932 galten die damals bekannten Bausteine von Atomhülle und Atomkern als fundamental. Die uns umgebende Materie schien aus Elektronen, Protonen, Neutronen und Photonen aufgebaut zu sein. Auch das Positron war gerade zu jener Zeit in der kosmischen Strahlung gefunden worden. Das Positron hat die gleiche Masse wie das Elektron aber eine entgegengesetzte Ladung wie dieses. Damit gilt das Positron als erstes gefundenes Antiteilchen, nämlich als Antiteilchen des Elektrons. Im Jahre 1937 fand man weiterhin das Myon µ in der kosmischen Strahlung. Das Myon kommt positiv und negativ geladen vor. Es ist 207- mal so schwer wie ein Elektron -- und hat eine durchschnittliche Lebensdauer von 2,2 µs.
Die Existenz vieler Elementarteilchen wurde aufgrund theoretischer Überlegungen vorhergesagt. Solche Teilchen konnten dann erst um Jahre später experimentell nachgewiesen werden. Zu diesen Elementarteilchen gehören das Neutron, das Positron und das Pion. Erst im Jahre 1955 wurde das 1930 postulierte Neutrino ν gefunden. Wegen seiner äußerst geringen Masse hielten einige Wissenschaftler das Neutrino sogar lange Zeit für masselos. Trotz der großen Schar von Elementarteilchen weiß man auch nicht, ob uns viele weitere Elementarteilchen noch unbekannt sind.
Elementarteilchen haben beachtenswerte Eigenschaften. Einige sind nicht stabil. Sie zerfallen oft in andere und sie haben äußerst unterschiedliche Lebensdauern. Die Elementarteilchen besitzen unterschiedliche Quantenzahlen, Ruhemassen und elektrische Ladungen. Allerdings kann man für Elementarteilchen die klassischen Erhaltungssätze wie die der Ladung, der Energie und des Impulses anwenden.
Etwa ab 1950 wurde begonnen, die Eigenschaften vieler Elementarteilchen systematisch zu studieren. Man hoffte durch Systematisierung eine Struktur  in die gefundene Vielfalt der Elementarteilchen-Schar hereinzubringen. Vielleicht ging man dabei sogar so weit, auf ein "periodisches System" der Elementarteilchen zu hoffen. Immerhin gelang es irgendwann zwischen mehreren Teilchenfamilien zu unterscheiden. Bei dieser Art von Systematisierung mussten die Kernbausteine besonders berücksichtigt werden.
Wechselwirkungen der ElementarteilchenElementarteilchen lassen sich nach ihren unterschiedlichen Wechselwirkungen aufgrund der Experimente ordnen. Gemäß der Abbildung werden vier Wechselwirkungen unterschieden. So vermittelt das Photon γ den Elektromagnetismus und die Bosonen übertragen die schwache Wechselwirkung.






Untersuchungen im Jahre 1964 führten zu dem Ergebnis, dass es Teilchen mit gebrochenen Werten für die Elementarladung geben müsse. Diese Bausteine wurden Quarks genannt.
Die Familie der QuarksDie Quarks sind Punktkörper, deren Ladung "1/3 e" oder "2/3 e" beträgt. Bisher unterscheidet man die sechs verschiedenen Quarks in der Abbildung. Zu jedem dieser Quarks gehört auch ein Antiquark. Trotz größter experimenteller Anstrengungen und intensiver Suche konnte kein freies Quark nachgewiesen werden. Es existiert somit bislang kein ungebundenes Quark. Wahrscheinlich sind Quarks auch aus noch elementareren Bausteinen zusammengesetzt.


Die Theorie für das Verhalten geladener Teilchen und ihrer Wechselwirkung miteinander lässt sich in der Quantenelektrodynamik beschreiben. Sie wird im Laufe der Jahre immer mehr verfeinert.
Proton und NeutronMan fand heraus, dass die Kernbausteine Proton und Neutron aus je drei Quarks bestehen.







Alle Erkenntnisse über den Aufbau und die Zusammensetzung der elementaren Bestandteile der Materie sind in einem so genannten Standardmodell zusammengefasst. Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die Eigenschaften und Wechselwirkungen der uns bekannten Elementarteilchen. Nach dem Standardmodell hat auch fast jedes Teilchen ein Antiteilchen. Das Standardmodell gilt mit recht guter Genauigkeit. Alle uns bekannten Stoffe bestehen aus drei Elementarteilchen: den Protonen und Neutronen mit je drei Quarks im Atomkern. Weiterhin den Elektronen in Bahnen um den Raumbereich des Kerns herum. Hinzu kommt außerdem das Neutrino ν, eigentlich Elektroneutrino, ein sehr leichtes, elektrisch neutrales Elementarteilchen aus der Familie der Leptonen. Neutrinos können gewaltige Massen wie den Erdkörper durchdringen, ohne überhaupt in Erscheinung zu treten. Sie werden nicht absorbiert. Sie tragen nichts zum Aufbau der Atome bei und stehen mit anderen Teilchen nur in schwacher Wechselwirkung.
Das Standardmodell hat seine Grenzen bei dem Bemühen die Welt zu verstehen. Es kann die Wirkung der Gravitation nicht erklären. Nach dem Standardmodell haben die Teilchen keine Masse.

Lichtkegel

In der Abbildung sehen Sie die Wellen auf der Oberfläche eines Teiches, nachdem man in ihn einen Stein geworfen hat. Die Wellen breiten sich bekanntlich kreisförmig aus. Und die Kreise werden mit der Zeit immer größer.
Wellen auf einem TeichWir stellen uns das Geschehen als dreidimensionales Modell vor. Das Modell zeigt uns die zweidimensionale Oberfläche des Teiches und eine weitere Dimension, die Zeit. Die sich ausbreitenden Wellen bilden einen Kegel, dessen Spitze den Ort und den Zeitpunkt bezeichnet, an dem der Stein ins Wasser fiel.













In der vierdimensionalen Raumzeit bildet das von einem Ereignis ausgesandte Licht einen dreidimensionalen Kegel. Dieser Kegel wird als Zukunftskegel des Ereignisses bezeichnet. Wir ergänzen diesen Kegel in der Abbildung durch einen weiteren Kegel, den Vergangenheitskegel.
Drei Regionen der RaumzeitDer Vergangenheitskegel kennzeichnet die Gesamtheit der Ereignisse, von denen aus ein Lichtimpuls das betreffende Ereignis erreichen kann. Das Ereignis unterteilt die Raumzeit in drei Regionen: in die Vergangenheit, die Gegenwart und die Zukunft. Die absolute Zukunft ist der Bereich innerhalb des Zukunftslichtkegels von P. Sie ist die Gesamtheit aller Ereignisse, die durch das Geschehen in P beeinflußt werden können. Die absolute Vergangenheit von P ist der Bereich innerhalb des Vergangenheitslichtkegels. Sie ist die Gesamtheit der Ereignisse, von denen aus Signale P erreichen können. Damit umfasst dieser Bereich alle Ereignisse, die auf P einwirken können. Ereignisse in einer Region der Raumzeit, die außerhalb eines Kegels von P liegen, können die Ereignisse in P weder beeinflussen noch von ihnen beeinflußt werden.









Würde die Sonne aufhören zu scheinen, würde dieses Geschehen im selben Augenblick noch nicht bemerkt werden, da sich dieses Ereignis außerhalb des Lichtkegels befände.
Die Sonne erlischtErst acht Minuten später würden wir davon erfahren. Das ist genau die Zeit, die das Licht braucht, um von der Sonne zur Erde zu gelangen. Erst dann würde dieses Ereignis im Zukunftskegel des Ereignisses liegen.
Ebensowenig wissen wir, was in diesem Augenblick in fernen Regionen des Universums geschieht. Das Licht ferner Galaxien, das wir erblicken, verließ dieses vor Jahrmillionen. Das am weitesten entfernte Objekt, das wir bisher wahrgenommen haben, verließ als Licht seine Quelle vor etwa acht Milliarden Jahren. Wir können also immer nur ein bereits vergangenes Stadium des Universums betrachten.









Wird fortgesetzt.