Eine Folge der Einsteinschen Formel ist die Erkenntnis, dass sich Masse in Energie verwandeln kann und umgekehrt. Allerdings muss man für diese Erkenntnis nicht unbedingt Physiker sein. Beinahe jeder, der etwas zuviel Körpergewicht auf die Waage bringt, oder der auch nur glaubt, dass er zu dick sei, wird diesen Zusammenhang erklären können. Unser Körper wandelt bekanntlich die ihm zugeführte feste oder flüssige Nahrung in Energie um. Kann er aus der bereitgestellten Nahrung mehr Energie gewinnen, als er gerade benötigt, dann macht er aus den Energieträgern Fettpolster als Reserve für schlechte Zeiten. Wenn die schlechten Zeiten ausbleiben und sich die Reserven verfestigen, dann können sie zu Problemzonen werden. Wie wir sehen, aus Masse in Form von Nahrung wird Energie oder eben wieder Masse in Form von Fettgewebe. Wenn sich diese Umwandlung von Masse in Energie ebenfalls nach der Formel E=mc² vollzieht, dann ist klar, dass man eine ganze Menge Kilometer laufen muss, um ein Kilogramm Fett loszuwerden. Wir sollten uns noch einmal mit dieser Formel befassen.

Einsteins Formel ist von Physikern vielfältig geprüft und für richtig befunden worden. Ferdinand plagte jedoch die Frage, warum die Lichtgeschwindigkeit in dieser Formel eine derart herausgehobene Rolle spielt. Er glaubte, das dies mit einem Missverständnis zusammenhängt, das in der Geschichte der Physik seine Wurzeln hat. Lange Zeit hatte nämlich die Untersuchung des Lichts eine zentrale Rolle in den Überlegungen der Physiker gespielt. Als es gelang, dessen Geschwindigkeit mit hoher Präzision zu bestimmen, galt dies als Meilenstein. Außerdem war die These, dass die Lichtgeschwindigkeit die höchste aller möglichen Geschwindigkeiten sei, zu einer Kernaussage der modernen Physik geworden. Nach und nach wurde jedoch klar, dass neben den Photonen auch andere „Teilchen“, wie Elektronen oder Neutrinos, sich ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Das gemeinsame Merkmal dieser „Teilchen“ besteht darin, dass sie nicht aus noch kleineren Bausteinen aufgebaut sind, weshalb sie, im Unterschied zu Teilchen, die eine innere Struktur besitzen, hier als Energiepartikel bezeichnet werden sollen. So gesehen ist „c“ nicht nur die Geschwindigkeit des Lichts, sondern allgemein die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Energie.

Es entsteht allerdings die Frage, wieso die aus Masse resultierende Energie so exorbitant viel größer ist (c²) als die Energie, die sich in ihrer Ausbreitung (c) zeigt? Um uns dieser Frage zu nähern, sollten wir erst einmal sortieren, woraus sich die Energie eines solchen Partikels zusammensetzt. Energie, das ist Bewegung. Also, welche Bewegungen vollführt ein Energiepartikel? Da haben wir die Expansionsbewegung, das heißt, die Bewegung mit der sich Energie im Raum ausbreitet. Man kann den Energiegehalt dieser Bewegung in ihrer Geschwindigkeit messen. Sie ist für alle Energiepartikel, „normale“ Bedingungen vorausgesetzt, durch die Lichtgeschwindigkeit charakterisiert. Eine zweite Bewegung der Partikel ist ihr Spin, das heißt ihre Drehbewegung um sich selbst. Die Geschwindigkeit dieser Drehbewegung, ihre Frequenz, ist nicht bei allen Partikelarten gleich. Die Frequenz kann auch bei ein und derselben Partikelart, wie den Photonen, variieren. Je schneller sie sich drehen, desto höher ist ihr Energiegehalt. Energiereiche Strahlung kann Stoffe stärker durchdringen als energieärmere, vermutlich weil durch die höhere Frequenz dieser Partikel ihre äußere Form stabiler wird. Neben der Frequenz ist der Spin auch durch die Drehrichtung charakterisiert. Sie kann nach links oder nach rechts gerichtet sein und so die Partikel als zur Materie oder zur Antimaterie gehörend bestimmen. Außerdem wissen wir von den Quarks, dass sie sich durch die Drehung nach oben oder nach unter unterscheiden, was weitere Varianten hervorbringt.

Die Expansionsbewegung ist für alle Energiepartikel durch die Lichtgeschwindigkeit bestimmt. Die Frequenz des Spins kann, wie wir von den Photonen wissen, für die selbe Partikelart variieren. Außerdem kann die Drehrichtung des Spins unterschiedlich sein, und dies in zwei Dimensionenen. Die Partikel können natürlich auch in Raum und Zeit, das heißt in ihrer Größe und ihrer Lebensdauer, unterschiedlich sein. Für den Energiegehalt der Partikel ist jedoch die Frage wichtiger, ob wir bereits alle ihre Bewegungen erfasst haben. Die Expansionsbewegung ist die Ausbreitung im Raum, der Spin ist die äußere Bewegung der Partikel, doch was ist mit den Bewegungen in ihrem Inneren? Diese inneren Bewegungen könnten zum Beispiel mehr oder weniger stark verdichtet sein. Je größer die Energiedichte im Innern eines Partikels ist, umso größer wäre dessen Masseäquivalent, vergleichbares Volumen vorausgesetzt. Außerden würde in einem solchen Fall die Form des Partikels kompakter werden. Partikel mit einer geringeren Energiedichte sollten aus dem gleichen Grund andere Stoffe leichter durchdringen. Das scheint jedoch nicht immer der Fall zu sein. Die Masse eines Photons wird mit Null angegeben. Da ein Photon Energie verkörpert, kann dies nicht richtig sein, auch wenn die aus seiner Energie abgeleitete Masse äußerst gering ausfallen wird. Im Gegensatz dazu ordnet man dem Neutrino heute eine Masse zu. Demnach sollte das Neutrino eine höhere Energiedichte aufweisen als das Photon. Trotzdem durchdringt das Neutrino Stoffe, die die Photonen nicht zu durchdringen vermögen. Die Fähigkeit, andere Stoffe zu durchdringen, kann also nicht nur von der Energiedichte der Partikel abhängen. Neben der Frequenz des Spins, der hier ebenfalls eine Rolle spielt, könnte auch die Struktur der inneren Bewegungen, das heißt, die Art und Weise, mit der sich die Energie im Innern des Partikels verwirbelt, Einfluss haben.

Nehmen wir uns dazu noch einmal die Neutronen vor. Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die Neutronen als aus zwei down-Quarks und einem up-Quark bestehend. Damit vereinen die Neutronen mehr Energie in sich als die Protonen. Die Außenwirkungen der Neutronen müssten somit eigentlich stärker sein als die der Protonen. Das sind sie aber nicht. Die Ursache dieses Phänomens muss mit dem zweiten down-Quark zusammenhängen, das da gern mal zerfällt. Beide down-Quarks werden mit dem gleichen energetischen Wert angegeben. Das heißt, die Dichte ihrer inneren Energie sollte sich nicht unterscheiden. Da sie sich aber verschieden verhalten, denn nur eines zerfällt, muss ihre innere Struktur, mithin die Struktur der Bewegungen, aus denen sie gebildet werden, unterschiedlich sein. Während das eine down-Quark, das analog auch im Proton vorkommt, eine vergleichsweise konsistente Struktur aufweist, entpuppt sich das zweite down-Quark als Unruhegeist. Seine innere Struktur ist etwas chaotisch, mit teilweise der Hauptbewegungsrichtung entgegengesetzten Anteilen. Die unterschiedlichen Bewegungsanteile stören einander und vermindern die Außenwirkung des Quarks und in der Folge auch die des Neutrons. Wirkt keine genügend große Kraft, die diesen chaotischen Haufen zusammenhält, oder stören äußere Einflüsse den Gesamtzusammenhang, dann trennen sich die unterschiedlichen Bewegungsanteile des zweiten down-Quarks. Das Neutron wird zum Proton, wobei das nun überschüssige Elektron und die der Hauptbewegungsrichtung entgegengesetzte Energie in Form eines Anti-Neutrinos ihrer Wege gehen.

zuletzt geändert: 07.06.2019