LE IDEE CHE CAMBIANO IL MONDO
Wenn wir uns auf einen Holztisch stützen, die Füße gegen den Boden drücken oder mit dem kleinen Zeh gegen die Bettkante stoßen, vermittelt uns unsere Wahrnehmung eine einzige Gewissheit: Materie ist fest, kompakt und vollständig ausgefüllt.
Doch die moderne Physik zeigt uns, dass diese Gewissheit eine Illusion unseres Geistes ist. Auf atomarer Ebene besteht alles, was wir berühren, einschließlich unseres Körpers, fast vollständig aus Nichts.
Wenn das so ist, warum können wir dann nicht einfach durch eine Wand gehen oder die Hand durch einen Tisch bewegen? Die Antwort liegt in den unsichtbaren Kräften, die die Quantenwelt beherrschen. Schauen wir uns deshalb gemeinsam an, woraus Materie besteht.
Der Aufbau der Materie: Wie groß ist ein Atom?
Um zu verstehen, wie “leer” Materie ist, müssen wir den Maßstab wechseln und den Aufbau des Atoms betrachten. In dem vereinfachten Modell, das wir in der Schule lernen, besteht das Atom aus einem zentralen Kern (Protonen und Neutronen), umgeben von einer ihn umkreisenden Elektronenwolke.
Um die tatsächlichen Größenverhältnisse zu veranschaulichen, nutzen wir ein Gedankenexperiment. Stellen wir uns ein Atom als Fußballstadion mit 80.000 Plätzen vor. Der Kern wäre eine Fliege in der Mitte des Spielfelds und die Elektronen winzige Staubkörnchen, die über die Tribünen flitzen. Und der gesamte übrige Raum? Vollkommen leer.
Das bedeutet, dass die Materie um uns herum zu mehr als 99,9999999% ihres Volumens leer ist. Könnten wir den gesamten leeren Raum in den Atomen entfernen, aus denen die Menschheit besteht, würden alle 8 Milliarden Menschen auf der Erde bequem in das Volumen eines Zuckerwürfels passen.
Wenn alles leer ist, warum erscheint uns Materie fest?
Wenn Atome leere Hüllen sind, was verhindert dann, dass die Atome unserer Hand zwischen den leeren Atomen einer Ziegelwand hindurchgleiten?
Der erste Grund ist elektromagnetischer Natur. Elektronen tragen eine negative elektrische Ladung. Näherst du deine Hand einer Wand, kommt die Elektronenwolke deiner Atome derjenigen der Wandatome nahe. Da sich gleichnamige Ladungen mit einer Kraft abstoßen, die umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands ist, entsteht eine gewaltige elektrostatische Abstoßung.
Tatsächlich hast du in deinem Leben noch nie etwas berührt. Wenn du glaubst, einen Gegenstand zu “berühren”, nimmst du lediglich die Abstoßungskraft zwischen deinen Elektronen und denen des Gegenstands wahr. Du schwebst buchstäblich auf einem Polster elektromagnetischer Kraft in einem unendlich kleinen Abstand.
Paulis “Ausschlussprinzip”
Die elektrische Abstoßung ist jedoch nur die halbe Geschichte. Der eigentliche Grund, warum du nicht durch Wände gehen kannst, ist ein grundlegendes Prinzip der Quantenphysik, das der Physiker Wolfgang Pauli entdeckt hat: das “Ausschlussprinzip”.
Die grundlegenden Bausteine der Materie (etwa Elektronen) gehören zu einer Teilchenfamilie namens Fermionen. Eines der unverletzlichen Gesetze des Universums besagt, dass zwei identische Fermionen nicht gleichzeitig am selben Ort denselben Quantenzustand einnehmen können. Drückst du deine Hand gegen eine Wand, versuchst du, die Elektronen deines Körpers in dieselben Energieräume zu zwingen, die bereits von den Elektronen der Wand besetzt sind.
Die Quantenmechanik setzt diesem Versuch einen unüberwindbaren Widerstand entgegen. Die “Festigkeit”, die wir wahrnehmen, ist nicht der Kontakt zweier starrer Oberflächen, sondern die Folge eines mathematischen Gesetzes des Universums, das die Überlagerung von Teilchen verbietet. Ohne das Ausschlussprinzip würde die Schwerkraft alle Atome deines Körpers zu einem unendlich dichten Punkt zusammenfallen lassen, und du würdest ins Erdzentrum sinken.