Dimensionen der Welt
Teil 1

Wenn wir uns in unserer Umwelt bewegen, stellen wir unbewusst ständig Vergleiche an. Stehen wir vor einem Haus, denken wir vermutlich "Aha, es ist etwa 5-mal so hoch wie ich selbst", also vielleicht 10 [m]. Jedes Mal beziehen wir uns bei allem was wir sehen auf eine bekannte, "begreifbare" Vergleichsgröße. Die Abmessungen einer Stecknadel, eines Autos, Hauses, Baumes oder Berges sind uns geläufig, unser Gehirn speicherte die Vergleichsgrößen seit frühester Kindheit. Das ist unsere gewohnte Alltagswelt, in der es uns nicht schwer fällt sie zu visualisieren.

Was aber, wenn sich die Dimensionen ändern? Wenn wir im Flieger sitzen, "spüren" wir weder die Geschwindigkeit von 900 [km/h] noch die Flughöhe von 10 000 [m] in irgendeiner Weise. Können wir uns diese Distanz zum Erdboden überhaupt noch richtiggehend vorstellen? Wohl eher nicht. In diesem Kapitel wird beschrieben, dass die Welt, in der wir leben, noch ganz andere Größenordnungen enthält. Völlig klar erfassen können wir diese mit unseren Sinnesorganen nicht mehr, dazu fehlen die erlernten Vergleichsgrößen. Dennoch sind es Dimensionen, die unser Leben bestimmen und sogar überhaupt ermöglichen. Hierzu vorab ein Beispiel:

3 578 138 291 Jahre

benötigen! Über 3½ Milliarden Jahre. Eine nicht mehr vorstellbare Entfernung! Dabei zählt Polaris noch zu unseren näheren "Nachbarn" im All...

Doch beginnen wir mit etwas Kleinerem! Morgen können Sie vom Spaziergang vielleicht eine kleine Handvoll Heu mitbringen. Am besten von einer ehemals überschwemmten Wiese, der Versuch gelingt aber auch mit "normalem", getrocknetem Gras. Man legt es in ein großes Glas, füllt dieses zu etwa 1/3 mit Wasser auf und wartet 1, 2 Tage. Dann können wir einen Tropfen dieses Heuaufgusses auf ein Objektträgerglas platzieren. Wer ein Aquarium besitzt, kann auch einfach dort einen Tropfen Wasser entnehmen, oder aus einem Teich.

Mit freundlicher Genehmigung von Eckart Hillenkamp, weitere Informationen unter www.mikroskopieren.de

Eine andere Möglichkeit für eigene Experimente: man suche sich ein Stück Moos, am besten von einer kalkhaltigen Wand. Über Nacht legt man es mit dem Grün nach unten in eine Schale mit Wasser.

Copyright und weitere Informationen: www.baertierchen.de

Wir haben jetzt (oberflächlich!) gesehen, dass neben "unserer Welt", die wir alltäglich erleben, in ein paar Tropfen Wasser eine eigene, völlig fremde belebte Welt existiert. Doch um solche Welten zu entdecken, ist nicht einmal Wasser vonnöten...

Wenn Sie heute Nacht zu Bett gehen, untersuchen Sie Ihre Bettwäsche lieber nicht mit dem Mikroskop. Sonst könnten Sie durch Anblicke wie nebenstehend um Ihren Schlaf gebracht werden! Wir sehen REM- Aufnahmen von Hausmilben, die sich durchaus auch in Ihrem Bett tummeln. Solch ein "Minimonster" ist nur etwa 400 Mikrometer (0,4 [mm]) groß und wiegt gerade einmal rund 8 Mikrogramm (= 0,000008 [g]!). Diese netten Gesellen, denen so mancher Zeitgenosse eine Allergie verdankt, nehmen täglich die Hälfte ihres eigenen Gewichts an Nahrung auf - in Form von menschlichen Hautschüppchen! Davon verliert ein Mensch in einer Nacht etwa 0,5 Gramm, das ist ausreichend, um rund 120 000 Milben täglich artgerecht satt zu bekommen. Mehr zu diesen interessanten Tierchen unter Milben

Dies ist natürlich nur ein winziger Einblick in die Welt der "Minilebewesen". Nicht angesprochen haben wir die Mikroflora, z.B. die vielfältigen Moose, Flechten und Pilze, die überall die Erde bevölkern. Man mag es vielleicht nicht glauben, aber ein Stückchen Moos oder eine Flechte an einem Ast ist die Heimat für Tausende verschiedener Lebewesen, eine uns meist unbekannte Welt, weil wir sie nicht sehen können. Erst durch unsere Technik können wir Einblicke gewinnen. Ein Löffel Gartenerde bietet Platz für Millionen von Individuen, ein Komposthaufen ist ein Paradies, wenn es um Artenvielfalt geht. Im Rahmen dieses Beitrags ist es kaum möglich, auf all diese Lebensformen einzugehen, bitte holen Sie bei Interesse dazu eigene Informationen ein. Doch stellen Sie sich einmal vor, was eine Ameise, ein Bärtierchen oder gar ein Pantoffeltierchen empfinden würde, wenn es bewusst den Blick zu einem Menschen oder gar zum nächtlichen Sternenhimmel erheben könnte...

Gehen wir einen Schritt weiter in noch kleinere Dimensionen. Hier treffen wir auf den fast unübersehbaren Artenreichtum der Bakterien. Damit stoßen wir in einen Bereich vor, in welchem die Lebewesen nur noch eine Ausdehnung im Bereich von Tausendstel Millimetern (1 [µm] = 0,001 [mm]) haben.

Hier sehen wir in zwei Aufnahmen, die mit einem Rasterelektronenmikroskop ("REM") gewonnen wurden, einige Bakterien auf einem verrottenden Blatt. Diese einzelligen Lebewesen besitzen keinen Zellkern und man zählt sie deshalb zu den Prokaryonten, im Gegensatz zu den schon oben erwähnten Amöben oder Pantoffeltierchen, die einen Zellkern aufweisen und man sie deshalb als Eukaryoten bezeichnet. Zwar können wir die Tierchen nicht sehen (obwohl es Ausnahmen bis zu 2 mm Größe gibt), aber sie beherrschen vollständig unser Leben. Unser Mund ist genauso von ihnen bevölkert wie unser Darm, in welchem sie uns durchaus gute Dienste leisten. In der Luft, im Wasser und im Boden - Bakterien findet man praktisch überall. Beide Aufnahmen: © B.Wiedemann http://www.bewie.de/

Übrigens: Es ist gar nicht so schwer, sich ein eigenes Rastertunnelmikroskop herzustellen, mit dem man die Welt des Kleinsten selbst erforschen kann! Nähere Informationen siehe unter http://sxm4.uni-muenster.de/stm-de/.

Plagt uns einmal ein Magengeschwür, legen wir uns durch einen Zeckenbiss eine Borreliose zu oder "erfreut" sich der Mensch an der Cholera - jedes Mal sind Bakterien die Verursacher. Die vielen Arten können kugelförmig, als Stäbchen oder Spiralen erscheinen. Manche von ihnen bilden Dauerstadien in Form von Sporen, die extremste Umweltbedingungen aushalten. Grob unterscheiden kann man Bakterien noch in aerobe Arten, die Sauerstoff benötigen, sowie anaerobe, für die Sauerstoff Gift ist. Letztere Lebewesen dürften übrigens die ersten gewesen sein, die unsere Erde bevölkerten, denn die damalige Atmosphäre enthielt noch keinen Sauerstoff.

Viren, womit jetzt keine der allzu "beliebten" Computerviren gemeint sind, bringen uns noch eine Ebene tiefer in die Nanowelt. Die Ausdehnungen bewegen sich im Bereich von Nanometern, wobei 1 [nm] = 0.000 001 [mm] oder 10^-9 [m] entspricht.

Quelle: http://www.uct.ac.za/depts/mmi/stannard/linda.html
Copyright Linda M. Stannard, 1995

Viren sind für vielerlei Krankheiten verantwortlich, genannt seien hier nur HIV und Hepatitis. Aber auch an den unangenehmen Lebensmittelvergiftungen tragen sie ihren Anteil. Unter den Viren finden sich Spezialisten, die zu ihrer Vermehrung Bakterien benötigen. Man nennt sie Phagen. Mit einem Lichtmikroskop können wir diese Winzlinge nicht mehr sehen, dazu bedarf es eines Rasterelektronenmikroskops. Allgemein sind Viren zwischen etwa 20 und 300 [nm] groß, man betrachtet sie als Partikel, die aus einer Proteinhülle bestehen, in welcher die Erbinformationen in Form einer Nukleinsäure (als DNA, Desoxyribonukleinsäure oder RNA, Ribonukleinsäure) gespeichert sind.

Quelle: Timothy S. Baker

Weitere, gut verständliche Informationen zu Viren unter http://www.biokurs.de/skripten/13/bs13-9.htm.

Verlassen wir nun die belebte Mikrowelt und werfen noch einen Blick auf die zukunftsträchtige Nanotechnologie.

Quelle: http://www.bionanoresearch.chem.ufl.edu

Quelle: Courtesy Sandia National Laboratories, SUMMiTTM Technologies

Die Nanotechnologie ist mittlerweile fester Bestandteil unseres täglichen Lebens. In einer unübersehbaren Anzahl von Produkten werden solche Partikel eingesetzt, die wir alle nutzen, doch niemand weiß, welchen Einfluss sie auf den menschlichen Körper oder die Umwelt haben...

Noch sind wir längst nicht am Ende unserer Stippvisite in die Welt des Kleinsten angelangt. Vor uns liegt jetzt das Reich der Moleküle und Atome. Moleküle, die Zusammenlagerung mehrerer oder vieler, gleicher oder unterschiedlicher Atome, können in ihren Abmessungen sehr unterschiedlich sein. Das uns allen bekannte Wassermolekül - H₂O - weist einen Durchmesser von nur einem Zehnmillionstel Millimeter auf, währenddessen man organische Riesenmoleküle kennt, in denen Millionen von Atomen lange Ketten oder Netze bis in den Millimeterbereich ausbilden.

Bild: Thomas Terry, The Biology Place

Das elektrisch negativ geladene Elektron (e^-) "umkreist" dabei das positive Proton (p⁺) in relativ großem Abstand, so dass das Atom nach außen hin elektrisch neutral erscheint. Würde man ein solches Atom auf einen Durchmesser von 100 [m] "aufblasen", so wäre der Atomkern nur 1 [cm] groß, kaum sichtbar. Das Elektron, rund 2000- fach leichter als das Proton, umgibt den Atomkern in Form einer Wolke. Wir könnten niemals aufgrund der Unschärferelation sagen, wo gerade sich das Elektron aufhält. An diesem einfachen Beispiel sehen wir jedoch leicht, dass der größte Teil eines Atoms aus - Nichts besteht! Ein kleiner, aber relativ schwerer Kern, der fast allein für die Masse des Atoms verantwortlich ist, ist umgeben von einem Vakuum, und erst in großem Abstand sehen wir eine Elektronenwolke, Orbitale genannt, in der sich irgendwo mit großer Wahrscheinlichkeit das Elektron aufhält.

Quelle: Siemens

Bisher sprachen wir nur von der elektrischen Ladung der Teilchen, welche Rolle spielt eigentlich die Gravitation im Atom? Keine! Gravitation ist die schwächste aller Naturkräfte und nur verschwindend gering im Vergleich zur hier dominierenden elektrischen Anziehungskraft. Es soll nun an dieser Stelle nicht weiter auf die Struktur und den Aufbau der einzelnen Atomsorten ("chemische Elemente") eingegangen werden, dazu gibt es genug andere Informationen im Web, z.B.:

http://www.chemlin.de/chemie/atomtheorie.htm
http://www.chemie.uni-giessen.de/dl/det/froeba/297/
http://www2.uni-wuppertal.de/FB8/groups/Teilchenphysik/oeffentlichkeit/Animationen/Atomaufbau.html

Sie haben richtig geraten, wenn Sie meinen, dass wir immer noch nicht in die allerkleinsten Bereiche der Natur vorgestoßen sind! Als der griechische Philosoph Demokrit das Atom benannte (á-tomo, das Unteilbare), war dies für die damalige Zeit eine herausragende Leistung menschlichen Geistes. Auch heute noch gilt, dass ein Atom durch chemische Methoden nicht weiter geteilt werden kann.

Die Physiker haben jedoch eine Art "Messer" erfunden, mit dem man auch Atome teilen kann. Man wusste z.B., dass bestimmte schwere Elemente wie Uran oder Plutonium durch Beschuss mit einem Neutron in zwei Atom"hälften" zerfielen. Dabei wurden dann wiederum Neutronen freigesetzt. Bringt man genügend Material eines solchen Elementes zusammen (kritische Masse), so verläuft der Prozess autark, wir haben es mit einer Kettenreaktion zu tun. Weil dabei große Energiemengen freigesetzt werden, will der Experimentator nicht gerne selbst in der Nähe sein, deshalb teilt er die kritische Masse in zwei Hälften auf, die dann irgendwo mittels einer chemischen Sprengladung zusammengeführt werden. Der Beschuss mit nur einem Neutron ist dann ausreichend, um der Natur gewaltig ins Handwerk zu pfuschen - erstmalig geschehen durch die Hiroshima- Bombe! Nähere Informationen hierzu:
http://chemie7b2002.tripod.com/christian_balau.html.

Es gibt allerdings auch friedlichere Lösungen dieses Prinzips, verwirklicht in unseren nicht sehr geliebten Atomkraftwerken. Indem man darauf achtet, die freigesetzten Neutronen alsbald einzufangen und die entstehende Wärme abzuführen ist eine sanfte Spaltung der Atomkerne durchaus nutzbringend. Doch welche Gefahren diese Technologie in sich birgt, sahen wir ja im Fall der Katastrophe von Fukushima. Atomkraftwerke sollten deshalb von unserem Planeten verschwinden und besser durch natürliche Energien (Wind, Sonne usw.) ersetzt werden.

Aber wir wollen ja nicht nur Atome zertrümmern, sondern möglichst noch ihre "Bauteilchen". Ist das überhaupt noch möglich? Im Falle des Elektrons wohl nicht mehr, es wird heute allgemein als fundamentales Teilchen betrachtet. Protonen und Neutronen dagegen können wir durchaus noch auf den Pelz rücken!

Protonen und Neutronen sind nicht elementar, sondern theoretisch noch weiter teilbar. Schon 1964 vorausgesagt, konnten die Hochenergiephysiker in ihren Teilchenbeschleunigern die wirkliche Existenz der so genannten Quarks nachweisen, aus denen Protonen und Neutronen bestehen. Der Name hat nichts mit Milchprodukten zu tun, sondern ist eher zufällig.

Man kennt 6 verschiedene Quarks mit den seltsam anmutenden Namen up, down, charme, strange, bottom und top, von den Physikern humorvoll als Geschmack (flavour) bezeichnet (wahrscheinlich dachten sie dabei doch an Erdbeer- oder Vanillequark). Sie unterscheiden sich nicht nur durch ihre elektrische, sondern auch durch eine "Farbladung" (rot, grün, blau). Zu jedem Quark existiert auch ein Antiquark, welches dann antirot, antigrün oder antiblau ist.

Leider sind Quarks keine freien Teilchen, sie kommen niemals einzeln vor. Vielmehr werden sie von so genannten Gluonen (engl. glue= Klebstoff) derart zusammen gehalten, dass es nicht möglich ist, ein einzelnes Quark isoliert zu beobachten.

Bildquelle: DESY

Wie "groß" ist eigentlich solch ein Quark? Nun, es ist noch tausendmal kleiner als das Proton, misst also rund 10^-18 [m] im Durchmesser. In derselben Größenordnung treffen wir wieder auf ein uns schon geläufiges Teilchen, das Elektron. Würden wir ein Quark auf 1 [mm] Größe bringen, hätte das Proton einen Durchmesser von 1 [m] und ein Atom wäre bereits 100 [km] groß!

Bis heute geht man davon aus, dass die Quarks und Elektronen die fundamentalen Bauteilchen der Materie sind, sie lassen sich nicht weiter zertrümmern. Ganz sicher ist man sich allerdings noch nicht, eventuell sind Quarks aus noch kleineren Subteilchen zusammengesetzt, die bisher unbekannt sind. Die Zukunft wird es zeigen!

Ja verflixt, dürfte mancher sagen, jetzt muss aber langsam Schluss sein mit der Reise in immer kleinere Welten. Gerade deshalb, weil doch vielleicht Quarks nicht weiter teilbar sind? Leider haben wir aber das Ende der Skala noch nicht erreicht!

Zum Schluss unseres Ausflugs in die Welt des Kleinsten müssen wir jetzt nämlich den gewaltigsten Sprung überhaupt vornehmen: In die Quantenwelt. Wir stoßen an die unterste Grenze der Physik, die durch die so genannte Plancklänge definiert ist, einer "Strecke" von nur noch 10^-35 [m]. Etwas sinnvoll Kleineres gibt es nun nicht mehr. Doch was könnten wir überhaupt erwarten, auf diesen Skalen sehen zu können (wirklich sehen kann man hier nun in der Tat nichts mehr, hier versagt selbst die ausgefeilteste Technik)?

Wir aber besitzen ein imaginäres Supermikroskop und betrachten den "leeren" Raum zwischen den uns nun schon bekannten Teilchen. Dieses Vakuum ist nicht einfach leerer Raum, uns fallen sofort ungezählte Teilchen auf, die plötzlich aus dem Nichts entstehen! Es sind virtuelle Teilchenpaare, bestehend z.B. aus je einem Elektron und Positron oder einem Photon und Antiphoton. Um zu existieren, leihen sich diese Teilchen die zu ihrer Entstehung notwendige Energie quasi vom Vakuum und geben sie alsbald wieder zurück, indem sie sich gegenseitig wieder vernichten. Die Zeichnung verdeutlicht den Vorgang:

Quelle: University of Oregon/ Encyclopedia Britannica

Wir sehen hier keinen "glatten", leeren Raum, sondern vielmehr eine Art brodelnden "See", in dem ständig Teilchenpaare entstehen und wieder vergehen. Virtuelle Teilchen, und seien sie auch noch so groß, kann man im Gegensatz zu reellen nicht sehen oder "vermessen". Denn bei einem solchen Vorgang würden sie allein durch die Beobachtung so viel an Energie gewinnen, dass sie sofort zu einem reellen Teilchen und entfliehen würden. Diesen brodelnden See nennen wir auch Quantenschaum und können uns diesen auch als ein ständigen Fluktuationen ausgesetztes Vakuum vorstellen. Dem Vakuum wohnt eine gewisse Energie inne, die an einer Stelle in einem Moment positiv, im nächsten Augenblick aber schon wieder auf negative Werte abgerutscht sein kann - dargestellt durch die virtuellen Teilchenpaare - sie verkörpern quasi die Vakuumenergie. Aus diesem ständigen Auf und Ab, Kommen und Gehen soll sich eine schaumartige Struktur ergeben.

Wenn wir schon so "tief abgerutscht" sind auf die Ebene der Plancklänge, dann müssen hier auch noch kurz die Strings angesprochen werden. Trifft diese Theorie zu, dann bestehen nämlich alle Teilchen aus feinsten Fädchen.
Hoch gespannt schwingen sie hin und her wie eine angezupfte Gitarrensaite, daher auch ihr Name. Je nachdem, wie schnell und in welcher Art sie schwingen, stellen sie die verschiedenen Teilchen dar wie wir sie schon kennen: Elektronen oder Quarks, Gluonen und alle anderen Teilchen.

Strings können als offene Fädchen auftreten, jedoch auch als geschlossene Schleifen. Korrekterweise spricht man nicht von der, sondern von den Stringtheorien, denn es gibt davon mehrere Unterarten. Zusammengefasst werden sie in der so genannten M- Theorie, wonach wir es nicht mehr mit schwingenden Saiten, sondern mit branes, auch Brane genannt (abgeleitet von Membran), zu tun haben. Nachteil all dieser Theorien ist, dass zu ihrer Beschreibung mindestens 7 zusätzliche Dimensionen, die völlig unsichtbar winzig klein aufgerollt sein sollen, benötigt werden. Noch eklatanter ist, dass diese Theorien bisher keine nachprüfbaren Vorraussagen machen können. Am Ende könnte dennoch daraus eine Theorie der Quantengravitation resultieren, mit deren Hilfe wir z.B. Schwarze Löcher viel besser verstehen könnten.

Bilder und weitere Informationen:superstringtheory.com

Sehen wir uns nun an, wie es um die großen Dimensionen bestellt ist!