Bei uns gab es ein geflügeltes Wort, das von meiner Frau zu gern und mit einem Schmunzeln gebraucht wurde: „Schatz der 2. Hauptsatz der Thermodynamik hat wieder zugeschlagen“. Gemeint war: „Alter, du müsstest mal wieder Staub wischen.“ Entstanden war das Ganze, weil ich irgendwo einen Artikel über Entropie und den 2. Hauptsatz der Thermodynamik gelesen hatte, in dem es sinngemäß hieß, dass die Entropie, das heißt die Menge der nicht in Strukturen gebundenen Teilchen, tendenziell zunimmt. Als sehr anschauliches Beispiel war der Staub angeführt, der sich trotz aller Putzerei in Windeseile wieder und wieder ausbreitet. Davon habe ich meiner Frau erzählt, was sich als taktischer Fehler herausstellte.

Trotzdem ist das mit der Entropie spannend. Es geht schon damit los, dass man keine allgemein akzeptierte Erklärung darüber findet, was Entropie überhaupt ist. Vielleicht kommen wir ein Stück weiter, wenn wir uns ein wenig mit Strukturen und ihrem Gegenteil,  dem Chaos, beschäftigen, denn irgendwie, so scheint es, hat auch die Entropie etwas damit zu tun. Wie wir wissen, entstehen Strukturen dadurch, dass Teilchen Bindungen eingehen und sich dabei in einer bestimmten Anordnung formieren. Auslöser für diesen Prozess sind Kräfte der Anziehung und Abstoßung, die diese Teilchen aneinander binden und gleichzeitig auf eine gewisse Distanz halten, so dass Bewegungen innerhalb der Struktur möglich bleiben. Führt man einer solchen Struktur nun Energie zu, so verstärkt sich die Bewegung ihrer Teilchen, bis sie irgendwann mit ihrem Bewegungsdrang die Bindungen, die die Strukturen zusammenhalten, sprengen. Von ihren strukturellen Fesseln befreit, wirbeln die Teilchen nun in chaotischer Weise auseinander. Chaos und Struktur könnten kaum gegensätzlicher sein. Der Faktor, der letztlich den Unterschied ausmacht, ist die Bewegung sprich die Energie der Teilchen. In dem Maße wie ihr Energiegehalt steigt oder sinkt, verändert sich auch die Relation von zu Chaos drängender Bewegung auf der einen Seite und Festigkeit der Strukturen auf der anderen.

Gibt es Strukturen ganz ohne Bewegung? Kelvin hatte seinerzeit den absoluten Nullpunkt bestimmt, an dem eine Struktur keinerlei Energie, sprich Bewegung mehr verzeichnet. Der absolute Nullpunkt ist ein Grenzwert, dem man sich annähern, den man aber nicht erreichen kann. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass es keine Struktur ganz ohne Bewegung gibt. Die Bewegungen verkörpern aber das chaotische Moment, was wiederum bedeutet, dass sich keine Struktur findet, die nicht ein chaotisches Moment als Keim der Zerstörung in sich tragen würde. Wenn Struktur und Chaos einen Gegensatz bilden, dann müsste nach dem Verständnis der Dialektik auch die Umkehrung gelten, nämlich dass Chaos nicht ohne Struktur existieren kann. Nehmen wir wieder die Moleküle des Wasserdampfs als Beispiel. Sie folgen in ihren Bewegungen keiner erkennbaren Struktur, trotzdem ist der Vorgang des Verdampfens reversibel. Wenn Wasserdampf durch Entzug von Energie wieder Wasser wird, dann muss es auch für den Wasserdampf einen irgendwie gearteten strukturellen Zusammenhang geben, der die Umkehrung des Verdampfens ermöglicht. Aber welchen?

Jede Struktur ist Bestandteil einer übergeordneten Struktur ist, in letzter Konsequenz des Universums. Gleichzeitig besteht jede Struktur aus Bausteinen, die selbst eine Struktur besitzen. Löst sich nun eine bestimmte Struktur auf, so gilt das noch lange nicht für ihre Bestandteile. Sie bleiben samt der ihnen eigenen Struktur erhalten. Darüber hinaus bleiben diese Bestandteile auch weiterhin Teil übergeordneter Strukturen. Nehmen wir als Beispiel einmal an, es hätte geregnet und auf dem Hof hätten sich Pfützen gebildet. Da bald darauf die Sonne schien, dauerte es nicht lange und das Wasser war verdunstet. Das heißt, der im Wasser vorhandene strukturelle Zusammenhang hatte sich durch die von der Sonne gespendeten Energie aufgelöst. Mit dem Verschwinden der Pfütze hörten aber die Wassermoleküle nicht auf zu existieren. Sie schwirrten nun ohne den Verbund der Pfütze durch die Luft. Gelangt der Wasserdunst dabei in höhere Luftschichten, so werden die Moleküle feststellen, dass es dort kälter ist als in Bodennähe. Ihnen wird Energie entzogen, so dass sie sich wieder in größeren Strukturen, wie Wassertröpfchen, Schneeflocken oder gar Eiskörner, zusammenfinden müssen. Damit sich gasförmige Wassermoleküle wieder zu Wasser oder Eis formieren können, muss ihnen jedoch nicht nur Energie entzogen werden, es müssen auch genügend solcher Moleküle vorhanden sein, damit sich diese gegenseitig anziehen und eine gemensame Struktur bilden können. Das wird durch die übergeordnete Struktur gewährleistet. In unserem Beispiel ist das die Erde mit ihrer Athmosphäre, die ein Entschwinden der Moleküle gen Weltraum verhindert. Irgendwann und irgendwo wird aus den auf diese Weise entstandenen Wolken ein Regenschauer niedergehen, so dass sich wieder Pfützen bilden. Wie dem auch sei, festzuhalten bleibt, dass im Falle der Auflösung einer Struktur ihre Bestandteile, die ebenfalls eine Struktur besitzen, erhalten bleiben. Sie gehören nach wie vor zu einem der aufgelösten Struktur übergeordneten Ganzen, in dem sich die „freien“ Teile in neuer Weise zu Strukturen finden können. Mit anderen Worten, Strukturen sind allgegenwärtig, während Chaos nur in begrenzten Bezugssystemen möglich ist.

Chaos beruht auf Bewegung. Die Moleküle im Wasserdampf verwirbeln sich ununterbrochen, dabei breiten sie sich in alle Richtungen aus und zwar in dem Maße, wie es ihre Energie zulässt. Die Schneeflocke hingegen, die einmal ihren Platz gefunden hat, bleibt dort liegen, wo sie liegt. In beiden Fällen soll von äußeren Einflüssen abgesehen werden. Die Schneeflocke hat also ihre Ruhe gefunden. Ruhe ist das Gegenteil von Bewegung. Trotz dieser äußerlichen Ruheist die Bewegung der Atome und Moleküle innerhalb der Schneeflocke nicht erstorben. Außerdem bewegt sich unsere Schneeflocke samt der Erde um deren Achse und darüber hinaus um die Sonne. Das heißt, auch Ruhe ist relativ, auf ein definiertes Bezugssystem begrenzt, wohingegen Bewegung allgegenwärtig ist. Unterm Strich sind also Strukturen und Bewegungen universelle Erscheinungen, während Chaos und Ruhe auf bestimmte Bezugsebenen beschränkt bleiben.

Ausgangspunkt der Überlegungen war die Entropie. Wir hatten gehofft, dass das Nachdenken über Struktur und Chaos uns dem Verständnis der Entropie näher bringt. Dabei haben wir festgestellt, dass die Bestandteile einer Struktur Energie aufnehmen können, mit der sie ihre eigene Bewegung intensivieren. Dies geht aber nur bis zu einem bestimmten Punkt, nämlich bis die Bewegungen dieser Teile so heftig werden, dass sie die Struktur sprengen. Die Teile müssen fortan als Einzelkämpfer ihren Weg suchen. Wird ihnen wieder Energie entzogen, können sie zu einem Strukturverbund zurückfinden. Es gibt allerdings auch Strukturen, die permanent Energie abgeben, wie unsere Sonne. Sie ist im Universum nur eine von vielen, die durch die Auflösung oder Veränderung eigener Strukturen Energie freisetzen. Energie ist immer an Teilchen gebunden, das heißt, wenn Energie freigesetzt wird, werden energetische Teilchen, wie die Photonen, ins All geschleudert. So gesehen ist die Freisetzung von Energie immer mit der Erhöhung der Entropie verbunden, während die Einbindung von Energie in Strukturen das Gegenteil bewirkt. Wieso soll aber die Entropie aufs Ganze gesehen zunehmen? Das hängt offensichtlich mit der Expansion des Universums zusammen, die durch den Urknall in Gang gesetzt wurde. Mit der Ausdehnung des Universums werden die Abstände zwischen seinen Strukturelementen größer, was zu einer Schwächung des Zusammenhalts führt, so dass sich der Expansionsprozess beschleunigen kann. Die dafür erforderliche Energie kann unterm Strich nur aus der Auflösung von Strukturen resultieren, so dass die Zahl der nicht in Strukturen gebundenen Teilchen tendenziell wächst. Die Expansion des Universums und die zunehmende Entropie sind demnach zwei Seiten der selben Medaille. Während das Streben nach Ausgleich der Energieniveaus die Stabilität der Strukturen stärken soll, bewirkt die Entropie das genaue Gegenteil.

Bild: wdr.de

 zuletzt geändert: 02.06.2019

Nun sage jemand, Physiker hätten keinen Humor. Ich nehme jedenfalls an, dass das Wort vom Teilchenzoo durch einen Physiker geprägt wurde. Wie dem auch sei, einmal in die Welt gesetzt, hat es sich fröhlich verbreitet. Wahrscheinlich auch deshalb, weil es dem interessierten Laien und geneigten Zuhörer einer Sonntagsvorlesung eine ungefähre Vorstellung davon gibt, was es mit der Teilchenvielfalt auf sich hat. Eigentlich wollten die Physiker die Grundbausteine der Welt finden, herausgekommen ist jedoch diese kaum überschaubare Vielfalt anTeilchen. Wie konnte das passieren?

Angefangen hat alles mit dem Standardmodell der Teilchenphysik, das uns die Welt der kleinsten Bausteine erklären will. Ursprünglich handelte es sich um eine eng begrenzte Zahl solcher Teilchen. Es gab Protonen und Neutronen, die den Atomkern bilden, und Elektronen, die diesen umkreisen. Fertig war´s. Irgendwann stellte sich heraus, dass Neutronen mitunter zerfallen, und zwar in ein Proton, ein Elektron und ein Anti-Neutrino. Es hat den Anschein, als wären Neutronen aus der Vereinigung eines Protons mit einem Elektron entstanden, um einen neutralen Mikrokosmos zu bilden. Allein gebliebene Protonen sind hingegen auf „fremde“ Elektronen angewiesen, die sie in ihren Bann ziehen müssen, um einen energetischen Gegenpol zu erhalten. Wenn wir in Betracht ziehen, dass das Neutron zerfallen kann, dann haben wir wieder drei Grundbausteine, aus denen alle Atome aufgebaut sind: Protonen, Elektronen und Anti-Neutrinos. Eine Eigenschaft der Teilchen besteht darin, dass sie eine elektrische Ladung tragen. Den Elektronen ordnet man die elektrische Ladung von minus eins zu, den Protonen von plus eins. Die elektrische Ladung der Neutrinos wird mit null angegeben. Eine weitere Eigenschaft der Elementarteilchen ist ihr Spin. Der Spin bezeichnet die Bewegung der Teilchen um sich selbst. Er wird sowohl für Protonen als auch für Elektronen und Neutrinos mit 1/2 angegeben. Damit haben wir die Grundbausteine und die Strukturprinzipien eines Atoms beisammen. Aber wo ist deren Masse?

Die Masse des Atoms muss im Kern, das heißt in den Protonen und Neutronen stecken. Sie sind die Kolosse unter den Elementarteilchen. Es entsteht allerdings die Frage, ob diese Kolosse nicht ihrerseits strukturiert, das heißt aus kleineren Teilchen aufgebaut sind. Tatsächliche hat man kleinere Bestandteile gefunden, die als Quarks bezeichnet werden. Ein Proton beziehungsweise ein Neutron ist aus jeweils drei dieser Quarks aufgebaut, wobei man die Quarks in zwei Arten differenziert, die sich in ihrem Spin unterscheiden. Das eine spinnt langsam und nach unten, das andere schneller und nach oben. Damit hätten wir jetzt vier Grundbausteine, aus denen alle Atome aufgebaut sind: Elektron, Anti-Neutrino, up-Quark und down-Quark. Und da alle diese Teilchen einmal linksdrehend und einmal rechtsdrehend auftreten können, Physiker nennen das Materie und Antimaterie, verdoppelt sich die Anzahl der Grundbausteine auf acht. Richtiger sollte man sagen, es sind vier Teilchen in jeweils zwei alternierenden Ausprägungen. Nur, wie entsteht der Teilchenzoo?

Eine Möglichkeit wäre, dass Teilchen, die selbst eine innere Struktur besitzen, in ihre Bestadteile zerfallen. Manche, wie die Neutronen, tun das freiwillig, bei anderen muss man ein wenig nachhelfen. Außerdem könnte man Schöpfer spielen und Teilchen miteinander kombinieren, die sonst vielleicht nie zueinander gefunden hätten. Eine weitere Möglichkeit bestünde darin, den Teilchen Energie zuzuführen oder auch zu entziehen und sie auf diese Weise zu modifizieren. Jedenfalls konnten auf die eine oder andere Weise bereits rund 300 Arten dem Teilchenzoo hinzugefügt werden. Viele dieser Teilchen entstehen nur bei extremen Bedingungen und das für äußerst kurze Zeit, so dass ihre praktische Relevanz wohl begrenzt bleiben wird. Böse Zungen bezeichnen den Teilchenzoo gar als Ansammlung von Mutanten und Chimären.

Bleiben wir lieber noch ein wenig bei den Grundbausteinen, aus denen alle Atome aufgebaut sind. Obwohl alle Atome die gleichen Grundbausteine besitzen, sind sie nämlich nicht alle gleich. Auf der Erde kennen wir immerhin 94 natürliche Elemente, das heißt 94 verschiedene Arten von in der Natur vorkommenden Atomen. Man könnte zirka 20 Elemente hinzuzählen, die auf künstlichem Wege erzeugt wurden. Die Elemente unterscheiden sich in erster Linie durch die Anzahl ihrer Protonen, wobei eine gleiche Anzahl von Neutronen und Elektronen das jeweilige Atom vervollständigen. Das ist jedenfalls das Grundprinzip, von dem jedoch Abweichungen möglich sind. So kann zum Beispiel die Zahl der Neutronen variieren, was zu geringfügigen Unterschieden in den Eigenschaften der daraus resultierenden Isotope führt. Offensichtlich sind es aber die Protonen und die Elektronen, die die Eigenschaften der Atome maßgeblich bestimmen. Jedes Proton braucht ein Elektron als energetischen Gegenpart, damit eine stabile Struktur entstehen kann. Die Elektronen ziehen ihre Bahnen in Bewegungsräumen, die wie Schalen um den Kern gelegt sind. In jedem Bewegungsraum findet nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen Platz. Die jeweils äußeren Elektronen sind, da sie sich am weitesten von der kontrollierenden Kraft des Kerns befinden, für äußere Einflüsse anfällig. Sie lassen sich schon mal auf ein Techtelmechtel mit anderen Stoffen ein. Dabei können Elektronen abgegeben werden oder dazukommen, manchmal werden sie auch von mehreren Atomen gemeinschaftlich genutzt. Die Elektronen bestimmen auf diese Weise die Außenbeziehungen des Atoms.

Aber zurück zum Kern, der, wie wir wissen, aus Protonen und Neutronen besteht und diese wiederum aus Quarks. Die Quarks haben selbst keine Bestandteile oder Strukturelemente, das heißt, sie sind strukturlos, gewissermaßen Energie pur. Trotzdem zeigen sie mitunter Eigenschaften von Teilchen. Wie geht das zusammen? Wir wissen bereits, dass sie in up- und down-Quarks unterschieden werden. Darüber hinaus haben sie einen unterschiedlichen Spin, das heißt eine unterschiedliche Drehzahl in der Bewegung um sich selbst. Hinzu kommt ihre unterschiedliche Drehrichtung. Wie kommen all diese Unterschiede zustande, wenn es sich doch um strukturlose Energie handeln soll, die ja nicht über einen eigenen Korpus verfügt? Was dreht sich da eigentlich? Ein Grundsatz der Dialektik ist, dass Inhalt und Form eine widersprüchliche Einheit bilden. Verkürzt könnte man sagen, es gibt keine Form ohne Inhalt, gleichzeitig existiert kein Inhalt ohne Form. Auf unsere Fragestellung bezogen heißt das, die Quarks, die selbst keine Bestandteile haben, quasi reine Energie darstellen, brauchen ebenfalls eine wie auch immer geartete Form ihrer Existenz. Da diese Form weder eine äußere Hülle noch eine innnere Struktur haben kann, muss sie in ihrer Energie, in der Spezifik ihrer inneren Bewegungen zu suchen sein. Naheliegend ist, dass diese Bewegungen einer wie auch immer gearteten Endlosschleife ähneln. Hier sind einige mathematische Modelle, um diese Überlegung etwas anschaulicher werden zu lassen.

Durch die Art und Weise dieser Bewegung erhält die Energie eine Form, die wiederum eine äußere Bewegung, einen Spin, ermöglicht. Damit wäre gleichzeitig ein Erklärungsansatz für die ansonsten nur schwer fassbare Zwitterstellung dieser „Teilchen“ gegeben. Sie sind einerseits Portionen oder Quanten purer Energie, die andererseits Eigenschaften von Partikeln offenbaren. Um die beiden gegensätzlichen Seiten dieser „Teilchen“ deutlich zu machen, werden sie im weiteren als Energiepartikel bezeichnet. Zu diesen Energiepartikeln zählen zum Beispiel auch Elektronen, Neutrinos und Photonen.

Eine weitere Grundeinsicht der Dialektik besagt, dass sich nichts nur aus sich selbst erklären lässt, immer ist das Gegenteil in die Erklärung einzubeziehen. In Bezug auf die Bewegungen hatten wir bereits gesehen, dass sich jede Bewegung einerseits in einer bestimmten Zeitspanne vollzieht und dass sie sich andererseits aus Zeitpunkten von Bewegungslosigkeit zusammensetzt. Hinsichtlich der Strukturen stellen wir nun fest, dass sie einerseits eine räumliche Ausdehnung besitzen, dass sie andererseits jedoch aus Partikeln bestehen, die Raum nur punktuell und dann auch nur flüchtig besetzen können.

Bild: spektrum.de

 zuletzt geändert: 03.06.2019

Wärme ist Ausdruck von Energie, Licht ebenfalls. Wärme nimmt man über die Haut wahr, Licht über die Augen. Man kann Wärme mit Hilfe einer speziellen Kamera auch für die Augen sichtbar machen. Um die Wärme des Lichts auf der Haut zu spüren, braucht man nur sein Gesicht in die Sonne zu halten. Mit anderen Worten, bereits die Sinnesorgane bezeugen die Ähnlichkeit von Wärme und Licht. Allerdings braucht man für das „Sehen“ von Wärme ein Hilfsmittel. Außerdem gibt es „kaltes“ Licht, das die Haut nicht erwärmt. Das heißt, Wärme und Licht sind nicht identisch. Sie müssen also etwas Gemeinsames haben und etwas, in dem sie sich unterscheiden.

Ferdinand meinte, ich sollte jetzt Kaffee kochen. Dafür braucht man heißes Wasser beziehungsweise einen Wasserkocher. So ein Wasserkocher wird mit Strom betrieben. Strom, das sind Elektronen, die in die Heizplatte fließen und dort zur Erwärmung führen. Die Heizplatte wiederum erwärmt das Wasser, was nichts anderes heißt, als dass die Wassermoleküle ihre Bewegung intensivieren. Sie werden derart stark angeregt, dass sich Moleküle aus dem Verbund des Wassers lösen und in einen gasförmigen Zustand wechseln. Da sich die Heizplatte am Boden des Wasserkochers befindet, entsteht dort, das heißt am Boden des Wasserkochers, das Gas, der Wasserdampf. Er ist leichter als das Wasser und steigt nach oben. Dabei stoßen die Moleküle des Wasserdampfs die Wassermoleküle an. Das Wasser beginnt zu wackeln. Ein wenig noch, und schon kocht es. Ich kann den Kaffee aufgießen und mich wieder in aller Ruhe den Phänomenen von Wärme und Licht zuwenden. Beide sind Ausdruck von Energie, das heißt von Bewegung. Die Unterscheidung, ob man Energie als Wärme oder als Licht wahrnimmt, muss also irgendwie mit der Spezifik ihrer Bewegung zusammenhängen.

Ferdinand ließ mir aber keine Ruhe, denn narürlich entsprang seine Anregung zum Kaffeekochen nicht reiner Sorge um mein Wohlbefinden. Er wollte, dass ich darüber nachdachte, was beim Erhitzen des Wassers tatsächlich geschieht. Die Elektronen, die durch den elektrischen Strom zum Metall der Heizplatte gelangten, führten dazu, dass sich diese erhitzte. Ist das wirklich so? Wandern tatsächlich massenhaft Elektronen vom Stromkabel in die Heizplatte? Das würde ja bedeuten, dass sowohl die Strukturen im Stromkabel wie auch die in der Heizplatte ständig Elektronen aus ihrem Verbund entlassen und neue Elektronen einbauen müssten. Dieser ständige Wechsel könnte sich zu einem ziemlich instabilen Gerangel auswachsen, was ja niemand will, auch die Atome und Moleküle nicht. Daher wird es wohl eher so sein, dass den Elektronen mit dem, was wir als Strom bezeichnen, Energie, das heißt Bewegung, von außen zugeführt wird, die sie aber nicht brauchen können. Sie haben deshalb nichts Besseres im Sinn, als die empfangene Energie so schnell wie möglich weiterzugeben. Vereinfacht könnte man vielleicht sagen, ein Elektron schubst das nächste an und diese Bewegung pflanzt sich fort.

Sich massenhaft fortpflanzende Bewegungen nehmen häufig eine Wellenform an, was man im Wasser oder in der Luft sehr gut beobachten kann. Deren Bestandteile bewegen sich in Schwingungen, die sich zu Wellen vereinen. Wenn sich Elektronen in ähnlicher Weise ausbreiten, würde eine elektromagnetische Welle entstehen, so die Überlegung. Das Ganze hat jedoch einen Haken. Würden sich die Elektronen in Form von Schwingungen bewegen, müssten sie mit den Schwingungen zusätzliche Wege zurücklegen, die bei der Bestimmung ihrer Geschwindigkeit zu berücksichtigen wären. Analoges gilt für Photonen. Das heißt, wenn sich Elektronen oder Photonen mit Lichtgeschwindigkeit im Raum ausbreiten, dann wäre bei der Bestimmung ihrer Gesamtbewegung auch der Weg, den die Schwingungen beschreiben, zu berücksichtigen. Er wäre damit deutlich länger als der Weg, der mit der reinen Ausbreitung im Raum absolviert wird. Das würde jedoch bedeuten, dass die Gesamtgeschwindigkeit des Photons höher sein müsste als die Lichtgeschwindigkeit, die ja nur die Ausbreitung im Raum erfasst. Eine höhere Geschwindigkeit als die Lichtgeschwindigkeit gilt jedoch als ausgeschlossen. Nun haben wir ein Problem. Vielleicht ließe es sich lösen, wenn wir die Bewegung des Lichts als zusammengesetzte Bewegung, das heißt als zwei von einander unabhängige Bewegungen betrachteten. Da es sich aber bei der Ausbreitung und der Schwingung des Photons um Bewegungen ein und desselben Teilchens handelt, kann dieser Ansatz nicht greifen.

Will man bei der These von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts als höchste mögliche Geschwindigkeit bleiben, muss man also eine andere Erklärung finden. Wir wissen, dass die Bewegungen von Elektronen und Photonen eine Frequenz besitzen, also zyklisch sind. Außer durch Schwingungen kann dieses Kriterium auch durch Drehungen um sich selbst, durch einen Spin, erfüllt werden. Die Drehbewegung hätte den Charme, dass mit ihr kein zusätzlicher Weg zurückgelegt wird. Wird dem Elektron von außen Energie zugeführt, dann wird es beschleunigt, das heißt, die Frequenz seines Spins erhöht sich. Da das Elektron Bestandteil einer Struktur ist, eines Atoms zum Beispiel, würde diese zusätzliche Energie nur stören, vielleicht sogar die Stabilität des Atoms oder Moleküls in Frage stellen. Deshalb versucht das Elektron, die überschüssige Energie schnell weiterzugeben. Diese Weitergabe ist jedoch davon abhängig, dass es genügend andere frei bewegliche Elektronen gibt, die die Bewegungen aufnehmen können. Was passiert, wenn solche Elektronen nicht vorhanden sind? Nicht viel. Legt man zum Beispiel einen elektrischen Strom an eine Keramikmanschette, dann sind praktisch keine frei beweglichen Elektronen, die die Drehbewegung in ausreichender Dichte weitergeben könnten, verfügbar. Nichts passiert, kein Strom nirgends. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass das Material, welches die Energie aufnimmt, diese nicht in der gleichen Geschwindigkeit abgeben kann, wie es sie aufnehmen muss. Man könnte dies als Widerstand gegen die Weiterleitung der Energie bezeichnen. In dem aufnehmenden Material verbleibt auf diese Weise ein Energieüberschuss, der in Form von Photonen beziehungsweise als Wärme den Weg nach außen sucht. Auf diese Weise bringt auch die Heizplatte des Wasserkochers das Wasser zum Sieden.

An dieser Stelle müssen wir auf den Unterschied von Licht und Wärme zurückkommen. Beide beruhen auf der Wahrnehmung von Photonen, einmal über die Augen und das andere mal über die Haut. Beide Sinnesorgane können nur Photonen mit bestimmten Frequenzen registrieren. In den Frequenzbereichen, die sie wahrnehmen, gibt es Überschneidungen und Bereiche, die nur einem von beiden vorbehalten sind. Licht, das wir sehen, kann zum Beispiel gleichzeitig wärmen, muss es aber nicht. Es gibt auch „kaltes“ Licht, das kein Wärmegefühl verursacht, das die Wärmesensoren unserer Haut nicht anspringen lässt. Eine Wärmebildkamera wiederum wandelt die Wärmestrahlung, die unsere Augen nicht registrieren können, in sichtbares Licht um. Die strahlenden Objekte können damit aus der Distanz wahrgenommen werden, wozu unsere Haut nur sehr begrenzt in der Lage ist. Damit unsere Haut überhaupt Unterschiede in der Wärme von Objekten aus der Distanz wahrnehmen kann, muss deren Energie schon in großer Intensität bei ihr ankommen. Einen gut geheizten Kachelofen können wir immerhin aus einiger Entfernung spüren.

Was geschieht eigentlich, wenn wir einen Raum beheizen? Nehmen wir als Beispiel eine mit warmem Wasser betriebene Heizungsanlage. Das Wasser wird mit einem Brenner erwärmt. Die Elektronen der Wassermoleküle nehmen die Energie auf und verstärken ihre Bewegungen. Nun wird das Wasser durch die Heizungsanlage gepumpt und erhält die Chance, überschüssige Energie an die Heizungsrohre und Heizkörper abzugeben. Auch die Heizkörper wollen die Energie wieder loswerden und geben sie an die Luft ab. Nur leider, die Luft ist träge. Ehe sie die Energie im Raum verbreitet, können Stunden vergehen. Und dann steigt die warme Luft auch noch nach oben, wo wir uns doch höchst selten aufhalten. Hauptsache die Fliegen an der Decke haben es schön warm. Wieso wärmt aber die Sonne selbst bei frostigen Temperaturen mein Gesicht, während die Heizung Stunden braucht, ehe die Wärme bei mir ankommt? Auch ein Kachelofen wärmt mich, so dass ich den Pullover ausziehen kann, obwohl das Thermometer, das etwas abgeschirmt neben mir liegt, schlappe 15° C anzeigt.

Nehmen wir noch einmal den Wasserkocher zur Hilfe. Beim Wasserkocher hatten wir gesehen, wie die Heizplatte die aufgenommene Energie so schnell wie möglich wieder abgeben wollte. Das Wasser war ihr Opfer, das zum Kochen gebracht wurde. Wie ist das mit der Wärme der Sonne? Bei der Sonnenstrahlung, die ihren Weg durch das Weltall findet, sind Stoffe, über die die Energie weitergeleitet werden könnte, nicht vorhanden. Auch die Strahlungswärme des Ofens nimmt ihren Weg offenbar nicht über die Luft, denn seine Strahlung wirkt beinahe unabhängig von deren Temperatur. Da haben wir es. Es muss einen Unterschied zwischen der Wärmestrahlung und der Weiterleitung von Wärme über andere Stoffe geben. Bei der Strahlung wird die Energie offensichtlich nicht über unzählige Stationen weitergeleitet, die Energie wird vielmehr auf direktem Wege an einen zufällig den Weg kreuzenden Empfänger abgegeben. Im Weltraum ist die Gefahr solcher Zusammenstöße relativ gering, weshalb große Mengen von Photonen die Erde erreichen. Die Menge ist jedenfalls groß genug, dass trotz der Absorption durch die Atmosphäre genügend von ihnen meine Haut erwärmen. Nicht alle Dinge, die mit Photonen beglückt werden, können deren zusätzliche Energie brauchen. Sie wollen diese möglichst schnell wieder loswerden. Weiße Pigmente, zum Beispiel, reflektieren Licht besonders intensiv, das heißt, sie geben die aufgenommene Energie sofort wieder ab, indem sie selbst Photonen emittieren. Andere Stoffe sind nicht so zimperlich und nehmen die ankommend Strahlungsenergie vollständig in sich auf. Wir nehmen sie als schwarz wahr. Wieder andere gehen selektiv vor. Sie absorbieren beziehungsweise reflektieren Energie jeweils in ausgewählten Frequenzbereichen. Diese Unterschiede der Stoffe im Umgang mit ankommender Lichtenergie offenbart sich uns in einer Vielfalt von Farben.

Die Sonne setzt sehr viel Energie frei, die sie in Form von Photonen durch das All schickt. Aber nicht nur die Sonne spendet Energie. Auch die Erde mit allem, was darauf ist, strahlt Energie in den Weltraum ab. In kalten und klaren Nächten merkt man dies besonders, wobei man auch feststellt, dass nicht alle Stoffe in gleicher Weise Energie abgeben. Stoffe, die sich nur langsam erwärmen, halten die Wärme auch längere Zeit. So kühlen Gegenstände aus Metall oder Glas stärker aus als die Luft oder der Erdboden. Autofahrer wissen, dass in solchen Nächten Feuchtigkeit am Auto kondensiert und manchmal sogar gefriert, obwohl auf dem Boden kein Eis zu sehen ist. Ist der Himmel bedeckt, wirken die Wolken als Isolierschicht, die die schnelle Auskühlung der Erde und der Autos darauf verhindert. Warum strahlt die Erde überhaupt Wärme ab? Die Ursache dafür ist wohl in dem allgemeinen Bestreben der Stoffe nach Ausgleich der Energieniveaus zu suchen.Dieses Bestreben zielt eine Erhöhung der Stabilität der Strukturen. Da das Energieniveau der Erde im Vergleich zum „kalten“ Weltraum hoch ist, strahlt sie Energie ab. Wir Erdenbewohner sind jedoch durch mindestens zwei Faktoren begünstigt. Erstens haben wir mit der Sonne einen freigiebigen und nahezu unerschöpflichen Energiespender in unserer Nähe und zweitens reguliert die Atmosphäre der Erde den Energieaustausch, so dass uns die Sonne am Tage nicht verbrennt und die Nacht uns nicht erfrieren lässt. Dieser energetische Vorteil war es, der die Entstehung von Leben ermöglichte. Wird die Isolierschicht jedoch verdichtet, sei es durch Vulkanasche oder durch Abgase, dann kann es ungemütlich werden. Vulkanasche absorbiert die Photonen der Sonne und es wird kalt, Abgase behindern das Abstrahlen von Energie, so dass der Erde warm wird.

Bild: meinpaket.de

zuletzt geändert: 02.06.2019

Joseph Luis Gay-Lussac hatte 1802 festgestellt, dass sich Gase bei Energiezufuhr ausdehnen, und zwar bei gleichbleibenden Druck proportional zur Steigerung der Temperatur. Das daraus formulierte physikalische Gesetz wurde nach ihm benannt. Dieses Gesetz würde hier kaum Erwähnung finden, wenn neben der Ausdehnung der Gase nicht noch etwas anderes zu bedenken wäre. Will man ein Gas erhitzen, so muss man ihm Energie zuführen. Diese Energie regt die Gasatome oder Gasmoleküle an, deren Bewegungen nun heftiger werden. Das Gas dehnt sich aus, denn es braucht mehr Raum für seinen Bewegungsdrang. Gleichzeitig schafft sich das Gas diesen Raum, in dem es mit seiner gewachsenen Energie die Kräfte der Anziehung überwindet und sich ausdehnt.

Bewegung schafft Raum. Diese Beobachtung gilt nicht nur für Gase, auch feste und flüssige Stoffe dehnen sich bei Zuführung von Energie aus. Der Grad der möglichen Ausdehnung ist dabei je nach Material unterschiedlich. Er hängt von der Art der Verbindungen zwischen den Atomen oder Molekülen ab. Kristallstrukturen sind weniger flexibel als Metalle oder Flüssigkeiten, deren Bestandteile leicht verschiebbar sind. Die Feststellung „Bewegung schafft Raum“ gilt aber nicht nur für Atome und Moleküle, sie gilt genauso für das Universum als Ganzes. Man weiß, dass sich das Universum permanent ausdehnt. Offensichtlich bildete sich nach dem Urknall kein Massemittelpunkt, so dass sich seine Bestandteile beinahe ungehindert in alle Richtungen ausbreiten können. Im Prozess des Auseinandertreibens vergrößert sich der Bewegungsraum des Universums, es schafft sich Raum.

Man könnte einwenden, dass der Raum, der durch die nun stärkere Bewegung besetzt wird, auch schon vorher existierte. Das stimmt, und auch wieder nicht. Nehmen wir noch einmal unser umtriebiges Gas zur Hilfe. Erhitzt man das Gas innerhalb eines abgeschlossenen Behälters, dann kann es sich ausdehnen und den ganzen Raum im Behälter besetzen, während es vorher nur am Boden herumgelungert hatte und auch nur dort mit anderen Stoffen reagieren konnte. Den Raum, den es sich innerhalb des Behälters neu erschließen kann, der war als Raum des Behälters natürlich bereits vorhanden. Das heißt, das sich ausdehnende Gas besetzt einerseits einen in der übergeordneten Struktur, dem Behälter, bereits vorhandenen Raum, andererseits ist dieser Raum für das Gas neu, denn es war vorher dort nicht präsent. Wie ist das mit dem Universum? War der Raum, den das Universum durch seine Ausdehnung neu besetzt vorher vorhanden? Für das Universums war er nicht vorhanden, denn es gilt das Gleiche wie für das Gas, nur der eigene Bewegungsraum zählt. Ob es eine dem Universum übergeordnete Struktur gibt, wissen wir nicht. Es spielt für uns auch keine Rolle, da wir von Ereignissen außerhalb unseres Universums nicht tangiert würden. Selbst ein Ereignis am Rand unseres Universums wäre für uns ohne Belang, da die Erde beim Eintreffen einer entsprechenden Nachricht respektive Wirkung längst nicht mehr existieren würde.

Da Ferdinand immer wieder den dialektischen Ansatz beachtet wissen wollte, müssen wir auch nach der Umkehrung der These „Bewegung schafft Raum“ fragen. Die Umkehrung der These wäre die Aussage „Wo keine Bewegung ist, da ist kein Raum“. Woran kann man diese Aussage festmachen? Das ist schwierig, weil es in der Natur bekannterweise nichts gibt, das ohne Bewegung ist. Der absolute Nullpunkt wird eben deshalb nicht erreicht, weil etwas völlig Bewegungsloses nicht existieren kann. Hinzu kommt, dass ein Stoff, der bis nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt wurde, noch immer Bestandteil einer übergeordneten Struktur, der Erde zum Beispiel, und ihrer Bewegungen ist. Aber wie kommen wir nun mit unserer These weiter? Wenn man nicht weiter weiß, dann besteht immer die Möglichkeit, bei den alten Griechen nach Anregungen zu suchen. Sie haben vieles schon einmal diskutiert, was uns noch heute beschäftigt. Jetzt kommt die Schildkröte ins Spiel. Zenon war folgende scheinbar paradoxe Überlegung aufgefallen: Achill bestreitet einen Wettlauf mit einer Schildkröte. Die Schildkröte erhält einhundert Meter Vorsprung. Beide laufen gleichzeitig los. Wenn Achill an dem Punkt ankommt, von dem die Schildkröte gestartet ist, also nach einhundert Metern, dann hat die Schildkröte in der gleichen Zeit sagen wir zehn Meter zurückgelegt. Eine Schnellläufer-Schildkröte halt. Beide laufen natürlich weiter. Wenn Achill die zehn Meter zurückgelegt hat, ist die Schildkröte wieder einen Meter davongezogen und so weiter. Das heißt, immer wenn Achill an dem Punkt ankommt, von dem die Schildkröte losgelaufen ist, dann ist diese ein kleines, ein immer kleiner werdendes Stückchen voraus. Dies kann man bis zur Unendlichkeit fortsetzen. So gesehen, könnte Achill die Schildkröte nicht überholen. Er überholt sie trotzdem. Wieso?

Die Logik spielt uns hier einen Streich. Mathematisch ist das Ganze einfach. Man kann den Punkt genau errechnen, an dem Achill die Schildkröte überholt. Einerseits kann man den Abstand zwischen Achill und der Schildkröte unendlich kleiner werden lassen, andererseits gibt es einen genau bestimmbaren Grenzwert, einen Punkt, an dem Achill an der Schildkröte vorbeizieht. Ein Grenzwert in der Unendlichkeit! Offensichtlich haben Mathematiker kein Problem damit, die Unendlichkeit mittels ihres Gegenteils, eines konkreten Grenzwertes zu definieren. Ihre Methode hat sich ja auch in der Praxis als zutreffend erwiesen. Auf unseren Wettlauf bezogen heißt das, der Punkt, an dem Achill die Schildkröte überholt, kann keine räumliche Dimension mehr haben, denn dann gäbe es immer eine noch kleinere, die zurückzulegen wäre. Da dieser Punkt keine räumliche Dimension hat, kann er keine Bewegung verkörpern. Er ist ein Zeit-Punkt der Bewegungslosigkeit. Man kann die Ausgangsdaten für die Berechnung eines solchen Grenzwertes ganz beliebig wählen. Jeder Punkt einer Bewegung kann auf diese Weise als Grenzwert in Erscheinung treten. Mit anderen Worten, die Bewegung setzt sich aus Zeit-Punkten der Bewegungslosigkeit zusammen. Die Punkte der Bewegungslosigkeit müssen gleichzeitig, da sie in ihrer Gesamtheit die Bewegung ausmachen, ein die Bewegung konstituierendes Moment in sich tragen.

Eigentlich ist es merkwürdig, dass Bewegungen aus Zeitpunkten der Bewegungslosigkeit bestehen sollen. Was heißt merkwürdig, immerhin handelt es sich um eine Grundeinsicht der Dialektik, dass nichts nur aus sich selbst erklärt werden kann, sondern dass immer das Gegenteil in die Erklärung einbezogen werden muss. Heraklit hat dies vor 2 500 Jahren so formuliert: „Alles Erkennen, das also diese Identität des Gegensatzes mit sich selbst nicht erfasst hat, die Dinge vielmehr für bloß identisch mit sich selbst und ihr Gegenteil nur ausschließend, somit für beharrende statt prozessierende hält, ist daher ein von dem Allgemeinen und Objektiven abweichendes subjektives Meinen, das keine Wahrheit haben kann…“. Vielleicht wird dieser Gedanke etwas klarer, wenn man bedenkt, dass wohl niemanden zu erklären ist, was „dunkel“ bedeutet, wenn er keine Vorstellung davon hat, was mit „hell“ gemeint ist. Das eine definiert sich aus dem Gegensatz zum anderen.

Doch zurück zu unserer Raumfrage. Eindrucksvoll haben Achill und die Schildkröte gezeigt, dass es dort, wo keine Bewegung ist, auch kein Raum sein kann. Bleibt noch die Frage, was das alles mit dem Ende der Zeit zu tun hat. „Ich bin der Geist der stets verneint! / Und das mit Recht; denn alles was entsteht / Ist wert dass es zu Grunde geht…“ lässt Goethe den Mephisto sagen. Was ist dieses „alles“, das entsteht und zugrunde geht? „Alles“, das sind letztlich alles Strukturen, egal ob Moleküle oder Planeten, ob Pflanzen, Tiere oder Menschen. Alle entstehen irgendwann und, wenn ihre Zeit um ist, zerfallen sie wieder in ihre Bestandteile. Sie zerfallen am Ende ihrer Zeit. So gesehen ist die Zeit etwas Konkretes, nämlich die Spanne vom Werden bis zum Vergehen der jeweiligen Struktur. Alles hat seine Zeit.

Genauso wie jede Struktur Bestandteil einer übergeordneten Struktur ist, so ist auch die Zeit dieser Struktur Bestandteil einer übergeordneten Zeit. Die Zeit der Schildkröte geht in die Zeit der Erde als Planeten ein. Die Erde wird nicht aufhören zu existieren, nur weil die Schildkröte das Zeitliche segnet. Sollte allerdings die Zeit der Erde aus irgendeinem Grund abrupt zu Ende gehen, dann hilft es der Schildkröte nicht, dass sie eigentlich noch jung an Jahren ist und ihre Zeit daher noch nicht gekommen wäre. Sie geht mit der Erde, deren Bestandteil sie ist, unter. Die Erde wiederum ist Bestandteil des Sonnensystems und dieses gehört zur Milchstraߟe, unserer Galaxis. Letztlich sind alle Strukturen Bestandteil des Universums und damit der universellen Zeit. Die universelle Zeit entsteht mit dem Universum und irgendwann wird sie mit ihm zu Ende gehen.

Fassen wir zusammen. Bewegung schafft Raum und sie setzt sich aus Zeitpunkten der Bewegungslosigkeit zusammen. Diese Zeitpunkte der Bewegungslosigkeit können selbst keine räumliche Dimension haben, sie tragen jedoch das konstituierende Moment für Raum und Bewegung insich. Außerdem haben wir festgestellt, dass die Zeit mit den Strukturen entsteht und wieder vergeht. Nun fehlt noch die Frage, wie die kleinsten Bestandteile der Welt, die Grundbausteine aller Strukturen beschaffen sind. Wenn Bewegungen aus Zeitpunkten der Bewegungslosigkeit bestehen, dann müssten Strukturen aus Raumpunkten, die selbst strukturlos sind, aufgebaut sein. Wie ist das zu verstehen?

Bild: terryrotter.de

zuletzt geändert: 02.06.2019

Diese Weisheit über die Eheschließung scheint aus einer anderen Zeit zu sein. Sie hat den Beigeschmack eines Handelsgeschäfts, bei dem Umtausch ausgeschlossen ist und das deshalb gründlicher Prüfung bedarf. Heute lässt man, zumindest in unserer Gesellschaft, nur die Liebe als Grund für eine Heirat gelten. Sie ist die natürliche Art der Gattenfindung, was nicht zwangsläufig besagt, dass sie auch die vernünftigste ist. Nüchtern betrachtet, sprechen wir von Liebe, wenn bei zwei Menschen gleichzeitig die Hormone verrückt spielen und die Beteiligten zur Vereinigung drängen. Das bleibt häufig nicht ohne Folgen, so dass die Verpflichtung entsteht, für die sich einstellenden Nachkommen zu sorgen. Irgendwann ist dieser in der Natur der Sache liegende Zweck erfüllt. Die Partner können nun, aus Gewohnheit oder weil sie sich gut verstehen, zusammenbleiben, sie können aber auch ein neues Abenteuer beginnen, einer neuen Liebe eine Chance geben.

Mit den chemischen Elementen ist das nicht viel anders. Die 94 natürlichen Elemente gehen die unterschiedlichsten mehr oder weniger zeitweiligen Verbindungen ein. Schuld daran sind vor allem die Elektronen, die das jeweilige Atom umtriebig machen. Allerdings sind auch in diesem Punkt nicht alle Atome gleich. Es gibt Phlegmatiker, wie die Edelgase, und wilde Teufel, wie Magnesium und Kalzium, die sich sehr schnell in die Arme anderer Elemente werfen. Aber der Reihe nach. Die erste Frage ist, wie aus der relativ kleinen Zahl von natürlichen Atomvarianten die riesige Vielfalt von Stoffen, von denen immerhin etwa 20 Millionen bekannt sind, entstehen konnte. Die Antwort muss in der Struktur der Atome zu suchen sein. Auf der einen Seite ist diese durch ein Gleichgewicht der Kräfte, der Kräfte der Anziehung und des Auseinandertreibens, gekennzeichnet. Diese Kräfte verleihen dem Atom sowohl Stabilität als auch Dynamik. Die Stabilität des Atoms ist jedoch relativ, da seine jeweils äußeren Elektronen gefährdet sind. Das gilt insbesondere dann, wenn deren Bewegungsraum nicht die optimale Anzahl von Elektronen versammelt. Trifft ein Atom, das aus diesem Grunde dazu neigt, ein äußeres Elektron abzugeben, auf ein Atom, das dringend ein weiteres Elektron für seine Stabilität sucht, dann kann es gut sein, dass diese Atome eine Partnerschaft eingehen. Diese Partnerschaften können unterschiedlich gestaltet sein. Sie lassen sie jedoch in drei vorherrschende Formen zusammenfassen:

1. die Atombindung, bei der einzelne Elektronen von mehreren Atomen gemeinsam genutzt werden,
2. die Ionenbindung, bei der ein Atom ein oder mehrere Elektronen komplett an ein anderes Atom abgibt und
3. die Metallbindung, bei der sich viele gleichartige Atome mit einer gemeinsamen Wolke aus Elektronen umgeben.

Zum wohl einfachsten Fall einer atomaren Bindung kommt es, wenn sich zwei Wasserstoffatome paaren. Sie nähern sich einander an, bis sie einen Punkt erreichen, da Anziehungs- und Abstoßungskräfte im Gleichgewicht sind. An diesem Punkt bilden die beiden Elektronen eine gemeinsame Hülle um den Doppelkern, der damit einen stabilen Zustand erreicht. Partnerschaften von Atomen, die gemeinsame Elektronen nutzen, nennt man Moleküle. Moleküle werden nicht nur von gleichartigen Atomen gebildet, die große Mehrheit von ihnen geht aus der Verkupplung unterschiedlicher Partner hervor, so dass eine große Vielfalt chemischer Verbindungen ensteht.

Eine andere Form der Partnerschaft, vielleicht sollte man an dieser Stelle besser sagen „einer Schicksalsgemeinschaft“,  ist die Ionenbindung. Auf der einen Seite nimmt das eine Atom, zum Beispiel ein Chloratom, einem anderen Atom, zum Beispiel einem Natrium-Atom, ein Elektron ab. Beiden geht es besser, da sie eine höhere Stabilität erreichen. Dafür zahlen sie auf der anderen Seite einen hohen Preis, denn sie müssen nun beieinander bleiben. Allein sind sie nicht mehr komplett. Sie organisieren sich deshalb in einer größeren Struktur, in unserem Fall in einem Salzkristall. Solche auf Ionenbindung basierenden Kristallstrukturen sind weit verbreitet. Der größte Teil der Gesteine weist eine Kristallstruktur auf.

Die dritte Form der Bindung ist die Metallbindung. Metalle sind meist hart und dennoch biegsam. Darüber hinaus sind sie gute Leiter von Energie. Diese Eigenschaften resultieren nicht zuletzt daraus, dass Metallatome bereit sind, ihre Elektronen ziehen zu lassen. Wenn diese Atome mit Artgenossen zusammenkommen, dann entsteht eine Wolke sich relativ frei zwischen den Atomkernen bewegender Elektronen. Die Kerne und die Elektronenwolke bilden auf diese Weise ein Ganzes, das jedoch nicht starr und spröde wie ein Kristallgitter ist, sondern verschiebbar, flexibel und damit formbar. Die relativ freie Beweglichkeit der Elektronen begünstigt auch die Aufnahme und Weiterleitung von Energie.

Kommen wir noch einmal auf den Anfang zurück. Es sind zwei Gleichgewichte, die das Atom und seine Bindungen bestimmen. Zum einen muss ein Gleichgewicht von Struktur und Bewegung, von Masse und Energie erreicht werden. Deshalb muss die Anzahl der Protonen und der Elektronen in der jeweiligen Struktur übereinstimmen. Das Wechselspiel von Kräften der Anziehung und der Abstoßung bewirkt zum anderen, dass in jedem Bewegungsraum nur eine begrenzte Anzahl von Elektronen Platz findet. Ist diese Grenze erreicht, hat dieser Bewegungsraum gleichzeitig seine größte energetische Stabilität erhalten. Weitere Elektronen müssten einen anderen, weiter außen liegenden Bewegungsraum nutzen. In diesem weiter außen liegenden Bewegungsraum sind jedoch die vom Kern ausgehenden Anziehungskräfte geringer. Deshalb sind es diese Elektronen, die am ehesten auf Einflüsse von Dritten reagieren. Für diesen äußeren Bewegungsraum gilt allerdings ebenso, dass er eine optimale Besetzung mit Elektronen anstrebt, um die Stabilität der Struktur zu vergrößern. Wird zum Beispiel im Rahmen einer Ionenbindung ein Elektron abgezogen, um dem Atom eine höhere Stabilität zu verschaffen, dann entstehen bei den beteligten Atomen gleichzeitig Ungleichgewichte im Verhältnis von Protonen und Elektronen. Diese Defizite respektive Überschüsse können innerhalb eines Kristalls, das heißt innerhalb der übergeordneten Struktur, ausgeglichen werden. Ähnliches gilt für die andere, durch Atombindung oder Metallbindung entstandene atomare Partnerschaften. Wie in einer guten Ehe halt.

Partnerschaften sind ansich schon kompliziert genug, trotzdem tauchen immer noch Dritte auf, die sich einmischen und mit ihrer Energie alles durcheinanderbringen. Das ist bei den Elementen nicht anders als im wirklichen Leben. Den Energiehalt der Stoffe geben wir häufig als Temperatur an. Die Temperatur eines Stoffes zeigt an, mit welcher Intensität sich die Atome und Moleküle in ihm bewegen. In einem Kristallgitter sind die Räume eng bemessen. Jedes Teilchen hat seinen festen Platz, an dem es ein wenig zittern oder ähnliches vollführen kann. Viel Spielraum haben sie nicht, weshalb diese Stoffe, Eis zum Beispiel, eine feste Konsistenz und eine niedrig Temperatur aufweisen. Die Energie der Teilchen reicht einfach nicht aus, um die Anziehungskräfte, die das Gitter formiert haben, zu überwinden. Was passiert, wenn man der Struktur von außen Energie zuführt? Die Bewegung der Teilchen wird heftiger, bis sie irgendwann das Gitter sprengen. Die feste Form ist dahin, die Temperatur des Stoffes steigt. Unser Eis wird zu Wasser. Das Wasser ist aber noch immer ein Verbund. Die Moleküle sind zwar beweglicher, aber sie bleiben zusammen. Wird immer weiter Energie zugegeben, dann werden die Anziehungskräfte vollends überwunden und die ehemaligen Partner verflüchtigen sich. Aus dem Wasser wird Dampf, der schnell das Weite sucht. Wieviel Energie erforderlich ist, um eine Partnerschaft zu sprengen, ist von Stoff zu Stoff unterschiedlich.

Natürlich kann auch der umgekehrte Fall eintreten. Wenn unser Wasserdampf eine kalte Glasscheibe berührt wird ihm augenblicklich Energie entzogen und er setzt sich als Wassertröpfchen auf der Scheibe ab. Ist es richtig kalt, entsteht sogar eine mehr oder weniger dünne Eisschicht. Die Wassermoleküle haben sich wieder in die relativ starre Kristallstruktur begeben, nicht freiwillig, wie man nun weiß.

Neben der Temperatur, die uns einen Hinweis auf den Energiegehalt der Stoffe liefert, existiert noch ein weiterer Aspekt, der den Punkt, an dem die Stoffe erstarren oder zu sieden beginnen, beeinflusst – der von außen wirkende Druck. Die meisten wissen vielleicht, dass auf dem Mount Everest Wasser bereits bei weniger als 100° Celsius siedet, da der Luftdruck geringer ist als auf Höhe des Meeresspiegels. Das heißt, die Wassermoleküle brauchen eine geringere Energiezufuhr, um die Kraft, die sie zusammenhält, zu überwinden. Diese Kraft setzt sich demnach aus der inneren Anziehungskraft, die auf dem Mount Everest keine andere ist als an der Nordseeküste, und den äußeren Kräften, die auf den Erhalt der Bindung hinwirken, hier dem Luftdruck, zusammen. Nimmt dieser äußere Druck ab, wird die Summe der Kräfte, die den Verbund zusammenhält, geringer, so dass weniger Energie für die Sprengung der Struktur erforderlich ist.

vgl. auch: GEO kompakt Nr. 31

Bild: visiantis.com

zuletzt geändert: 31.05.2019