Licht in der Astronomie

Relativitätstheorie für Anfänger


Inhaltsverzeichnis 
   Atommodelle 
   Entstehen und Verlöschen von Licht 
   Die Raumkrümmung 
   Die Zeitkrümmung 
   Was relativ ist 
   Energie und Masse - Antimaterie 
   Massenzunahme bei Bewegung 
   Schwarze Löcher 
   Glossar 

Einsteins Spezielle Relativitätstheorie (die erst später zur Allgemeinen Relativitätstheorie verfeinert wurde) geht auf die Annahme zurück, daß sich Licht im Vakuum (also in den Weiten des Weltalls) nur mit einer festen, konstanten Geschwindigkeit fortpflanzt. Alles weitere war genaugenommen das, was heute jeder Schüler in der Schule lernt - nämlich das Umformen von und Einsetzen in Gleichungen. Ich möchte damit auf keinen Fall Einsteins Leistung schmälern - eher das Gegenteil: Das wahre Genie zeigt sich normalerweise in der erschreckenden Einfachheit. Kepler, Newton und Galileo Galilei hatten allerdings ihre Schlüsse aus eigenen Beobachtungen gezogen, die sie in Formeln ausdrückten. Einstein mußte sozusagen die bekannten Formeln richtig deuten und anwenden. Seine Zeit war dabei um ein Vielfaches „mathematikfeindlicher“ als irgend eine andere: Die Beweistechniken, die heute an Universitäten gelehrt werden, vor allem aber der Zwang, jede Behauptung extra beweisen zu müssen, gehen auf diese Zeit zurück. Im traditionellen Konflikt der Physiker und Mathematiker hatte man sich gegenseitig Vorwürfe der (scheinbaren) Unkorrektheit gemacht. Die Mathematik geriet zwar nicht als Wissenschaft ins Wanken, sie erfuhr aber etwas, das man heute als „midlife crisis“ bezeichnen könnte. Vor dieser Zeit wäre erst niemand auf die Idee gekommen, 2 + 2 = 4 beweisen zu wollen oder gar zu müssen. Der Konflikt, der mehr als nur eine aus heutiger Sicht amüsante Anekdote zeitigte, wurde durch Einsteins Theorie natürlich noch verschärft - es ging um das Weltbild. Umso mehr gilt mein Respekt dem Patentamtsangestellten, der in gerade so einer Phase das Selbstbewußtsein aufbrachte, eine so ungeheuerliche und revolutionierende Theorie zu veröffentlichen – praktisch als Nobody!

Atommodelle

Um zu verstehen, wie Licht entsteht oder absorbiert wird, ist es hilfreich zu wissen, wie man sich Atome vorzustellen hat.

Das Unglückliche an Atomen ist, daß sie so schrecklich klein sind. Logischerweise sind die Bestandteile eines Atoms noch einmal kleiner. Um sich also dem tatsächlichen Aufbau eines Atoms (man sollte dazu sagen: Wie man sich Atome heutzutage vorstellt) annähern zu können, untersucht man die Bestandteile, aus denen ein Atom besteht. Im wesentlichen hat man durch Beobachtungen ziemlich schnell festgestellt, welche Teilchen das im wesentlichen sein könnten: Protonen, Neutronen und Elektronen. Die Art der Feststellung war dabei vergleichsweise simpel: Man beobachtet, was „dabei herauskommt“, wenn etwas das Atom verläßt: Bei Radioaktivität nämlich.

Im wesentlichen gibt es drei Arten von radioaktiver Strahlung: Die Alpha-Strahlung (bei der eine Kombination aus jeweils zwei Protonen und Neutronen als Ganzes abgestrahlt wird), die Beta-Strahlung (bei der ganze Elektronen das Atom verlassen und abgestrahlt werden) und die Gamma-Strahlung. Die letztere zeichnet sich dadurch aus, daß praktisch kaum Masse das (Mutter-)Atom verläßt, wie alle anderen Formen der radioaktiven Strahlung verändert sich durch die Abgabe der Strahlung der Charakter des abstrahlenden Atoms: Es verändert seine Eigenschaften zu denen eines anderen Elementes. Man spricht deshalb auch gerne vom Mutteratom (vor Abstrahlung) und vom Tochteratom (danach). Es sei bereits an dieser Stelle angemerkt, daß sich in der Astronomie niemand so wirklich für die genaue Art der Gamma-Strahlung interessiert. Tatsächlich haben Gamma-Strahlung und Röntgen-Strahlung viele Gemeinsamkeiten und gehen auch fließend ineinander über.

Nach Beobachtung dieser verschiedenen Sorten radioaktiver Strahlung (und vielen weiteren Forschungen) kamen die ersten Atommodelle zur Welt. Neben der bewußten Unterschlagung des „Dynamidenmodells“ (1903) entstand im gleichen Jahr das Thomsonsche Atommodell, auch genannt „Rosinenkuchenmodell“. Nach dieser Theorie besteht das Atom aus einer mehr oder minder gleichmäßig verteilten Masse, in der sich positive und negative Ladungen wie die Rosinen in einem Kuchen verteilt befinden. Nachteil der Theorie: Sie kann nicht so recht erklären, weshalb sich die Elektronen als die für chemische Reaktionen wichtigen Bestandteile darstellen. Nachdem dies erkannt wurde, folgte 1911 das Rutherfordsche Atommodell. Es besagt, daß sich rund um einen positiv geladenen Kern, der wesentlich kleiner als das Atom als Ganzes ist, negativ geladene Elektronen befinden. Dies war zumindest die notwendige Erklärung dafür, daß geladene Teilchen nachweislich durch ein Atom hindurchfliegen können.

Als Erweiterung des Rutherfordschen Atommodells kann man das Bohrsche Atommodell (1913) sehen, das besagt, daß die Elektronen auf kugelförmigen Bahnen um den Atomkern kreisen, so ähnlich wie ineinander verschachtelte Zwiebelschalen.

Auch das Bohrsche Atommodell wurde noch weiter verfeinert (Details siehe unten), aber im wesentlichen nicht mehr verändert: Es besagt, daß sich um einen positiv geladenen Kern (der nur etwa ein Zehntausendstel des Durchmessers des gesamten Atoms in Anspruch nimmt) negativ geladene Elektronen auf bestimmten Bahnen bewegen, die verschiedenen Energieniveaus entsprechen und die man mit Fug und Recht als „verschieden hoch“ bezeichnen kann. Mit Zwiebelschalen kann man sich das wohl am einfachsten vorstellen (und wer ganz korrekt sein will kann sich ja gerne merken, daß in Wirklichkeit alles ganz anders ist).

Entstehen und Verlöschen von Licht

Licht entsteht z.B. bei dem Sprung eines Elektrons von einem höheren auf ein niederes Orbital. Das Elektron, das den Atomkern vorher schon umkreist hat, springt auf eine (energetisch) niedere Bahn, und da es nicht schneller „fliegen“ kann, gibt es seine überschüssige (Bewegungs-) Energie in Form von Licht ab. Dieses Licht hat wiederum nur eine bestimmte Geschwindigkeit, kann aber verschieden schnell schwingen: Man sieht dies als Farbe. Weißes Licht, wie wir es als Sonnenlicht kennen, ist dabei nur ein Gemisch aus Licht aller sichtbaren Wellenlängen; diese Wellenlängen entsprechen der Geschwindigkeit der Schwingungen. So lassen Lichtstrahlen, die ein Stern aussendet, Rückschlüsse auf die Elemente zu, die dieses Licht produzieren (und die es durchdringen muß).

Etwas anders verhält es sich bei der Absorption von Licht: Da Licht (wie oben gesehen) eine Energieform ist, kann es nicht einfach verschwinden, sich aber in eine andere Energieform umwandeln. Dabei sind die Absorbenten (die Stoffe, die Licht absorbieren) wählerisch: Während beispielsweise Methan grünes Licht kalt läßt, wird es bei rotem Licht richtig warm (im buchstäblichen Sinne, da diese Absorbenten sich dabei erwärmen; übrigens gibt dieser Effekt sowohl Uranus wie auch Neptun ihre charakteristischen Farben).

Die Wellenlängen des Lichts sind übrigens keineswegs konstant. Der Dopplereffekt bewirkt, daß sich entfernende Lichtquellen langwelligeres Licht abzustrahlen scheinen und sich nähernde Quellen kurzwelligeres. Dies läßt sich natürlich nur bei enormen Geschwindigkeiten der Quellen nachweisen. Den Effekt selbst kennt aber jeder aus dem Alltag: Ein sich näherndes Auto scheint höher zu brummen, solange es sich nähert, als nach dem Vorbeifahren - ein Effekt, der wegen der Empfindlichkeit des menschlichen Ohres mit höheren Tonlagen immer auffälliger wird (z.B. bei Sirenen). Das liegt daran, daß sich Schall in der Atmosphäre (wie auch Licht im Weltall) nur mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausdehnen kann.

Die Raumkrümmung

Eine der wesentlichsten Eigenschaften von Licht ist, daß es sich im Vakuum nur geradlinig ausbreitet, wenn es nicht an den Oberflächen von verschiedenen Stoffen reflektiert oder gebrochen wird. Wie sich Licht in der Nähe massereicher Punkte verhält, wurde Anfang des zwanzigsten Jahrhundert bei einer totalen Sonnenfinsternis in Südamerika untersucht: Es scheint sich zu krümmen. Man konnte Sterne direkt neben dem Rand der verdeckten Sonnenscheibe erkennen, die eigentlich selbst durch die Scheibe verdeckt sein müßten. Licht kann sich aber nur geradlinig fortpflanzen. Des Rätsels Lösung: Der Raum muß gekrümmt sein. Dies hatte Einstein in seiner Arbeit über den photoelektrischen Effekt so vorhergesagt, weshalb auch nur diese Beobachtung in Südamerika angestellt wurde.
   Ganz am Rande: Ein Professor der Theoretischen Physik, Claudio Maccone, hat ein unglaubliches Teleskop vorgeschlagen; er möchte eine Sonde in den Weltraum schicken, die sich an der Stelle positionieren soll, an dem die Sonne wie eine gigantische Linse wirkt: Durch die Raumkrümmung, die von der Sonne ausgeht, würden die Lichtstrahlen auch tatsächlich gebündelt. Einziges Problem (von der Finanzierung einmal abgesehen): Dieser Punkt befindet sich weit außerhalb unseres Sonnensystems.

Eigentlich kann man sich nur mit dem gekrümmten Raum abfinden. Wer sich unbedingt vorstellen will, wie das aussieht, braucht schon eine Menge Phantasie; Einstein selbst war mit den Folgen seiner Realtivitätstheorie überfordert, so glaubte er nicht an die Quantenmechanik, die aber fast unmittelbar aus seiner Relativität folgt. Eine Möglichkeit, die noch von Einstein selbst stammt, sind die „Gravitationstöpfe“. Wenn man sich aus dem uns umgebenden, dreidimensionalen Raum eine Dimension wegdenkt, bleibt eine Ebene übrig. An den Stellen, an denen diese Ebene einen massereichen Punkt (also einen Stern oder die Sonne) schneidet, befindet sich ein Art Einbuchtung wie bei einem Trampolin, auf dem eine Kugel liegt. Kommt nun eine leichtere Kugel in die Nähe dieser großen Kugel, wird sie in diesen Topf hineingezogen (wieder wie bei unserem Trampolin). Tatsächlich ziehen sich die Kugeln gegenseitig an; allerdings ist wegen der Massenträgheit die kleinere Kugel leichter zur größeren Kugel zu bewegen, sind aber beide Kugeln groß genug, rollt auch die größere Kugel etwas auf die kleinere zu. Newton machte diese Beobachtung mit seinem berühmten Apfel, der auf die Erde fiel. Woher weiß der Apfel, daß er auf die Erde zu fallen hat? Es konnte nur die (bekannte) Lösung geben: Apfel und Erde ziehen sich gegenseitig an, und beide bewegen sich (im Rahmen ihrer Möglichkeiten) auf den jeweils anderen zu. Physikalisch ausgedrückt erfahren beide (Apfel und Erde) eine Beschleunigung, und zwar beide in gleichem Maße. Der Apfel ist wesentlich leichter zu bewegen als die Erde als Ganzes, und deshalb fällt der Apfel auf die Erde, bevor die sich so richtig angezogen fühlen kann. So hat Newton das Wesen der Gravitation erkannt.

Die Erkenntnis des gekrümmten Raums ist allerdings auch noch nicht lange gesichert. Bis in die sechziger Jahre des zwanzigsten Jahrhunderts hielt sich alternativ dazu die Meinung, daß das Licht (das unter bestimmten Versuchsbedingungen Teilchencharakter hat) tatsächlich einer Gravitation unterliegt, die Teilchen also „von der Gravitation angezogen“ werden. Dies konnte allerdings mit Versuchen in Zyklotronen widerlegt werden, auf die wir später noch zu sprechen kommen.

Die Zeitkrümmung

Einstein hat seine Relativitätstheorie auf Grundlage von (längst bekannten) mathematischen Formeln entwickelt. Die Krümmung des Raumes in Gravitationsfeldern ist dabei nicht die einzige Erkenntnis: Ein wesentlich größeres Problem ist dabei die Auswirkung auf die Zeit. So recht kann kein Mensch sagen, was Zeit überhaupt ist; man kann sie zwar messen (genaugenommen mißt man dabei das Vergehen der Zeit), aber was es genau mit der Zeit auf sich hat, weiß keiner. Einstein hat errechnet, daß die Zeit in der Nähe massereicher Punkte (also in Schwerkraftfeldern) langsamer vergeht. Auch dies wurde experimentell bewiesen; zwei absolut gleich schnell tickende Atomuhren wurden synchronisiert (also „auf dieselbe Zeit“ eingestellt) und anschließend getrennt. Die eine wurde im Meer versenkt und die andere auf einen hohen Berg verfrachtet. Nach zwei Wochen brachte man die Uhren wieder zusammen und stellte fest, daß sie unterschiedliche Zeiten gemessen haben (der Unterschied betand zwar nur aus millionstel Sekunden, aber es war entschieden zuviel für eine simple Fehlfunktion - und die Erde besteht ja auch nicht aus unendlich viel Masse). Es scheint, als würde die Zeit nur abhängig von der Lage im Gravitationstopf vergehen.

Damit aber noch nicht genug. Eine Folge dieser Eigenschaften ist (mathematisch), daß ein Objekt, das sich sehr, sehr schnell bewegt, an Masse zunimmt (Beweis siehe unten). Dieser Effekt ist allerdings nur bei wirklich enormen Geschwindigkeiten nachzuweisen; man berücksichtigt diesen Effekt rechnerisch erst ab einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit, also ab etwa 30.000 Kilometer pro Sekunde. Es ergibt sich aber dadurch eine kuriose Situation: Plötzlich wird die Zeit langsamer vergehen, wenn man sich nur schnell genug bewegt. Ist aber die Zeit „langsamer“ und bleibt die Geschwindigkeit gleich hoch, wird eine Strecke dementsprechend in dem gleichen Maß, in dem die Zeit langsamer vergeht, länger. Was also vorher einen Meter lang war, wird kürzer. Wie soll man sich das noch vorstellen können?

Was relativ ist

Wie man also eine Länge mißt, hängt vom Beobachter ab, wenn man richtige Ergebnisse haben will - das gleiche gilt für die Zeit. Sie ist relativ. Daher der Name der Theorie. Sie galt übrigens nicht überall. Natürlich hat diese Theorie durch ihre weitreichenden Konsequenzen zunächst erst einmal nur Widerspruch provoziert (der ja auch heute noch andauert). Durch die experimentellen Ergebnisse aber wurde sie bewiesen (alle Versuche, sie zu widerlegen, sind bislang gescheitert, und das ist auch besser so; sollte dies tatsächlich einmal der Fall sein, müßte die mathematische Beschreibung der Welt verändert werden, und das käme einem viel größerem Umbruch gleich als die Relativitätstheorie selbst). Es gab aber eine Zeit, da wurden auch die Beweise nicht anerkannt: Das Dritte Reich war eine unrelativistische Phase der Menschheitsgeschichte; sogar die größten Köpfe mußten der Relativität abschwören - und taten dies auch (siehe Lennard - „deutsche Physik“). Der Wahn, die Naturwissenschaften hingen von der Nation ab, in der sie betrieben werden, dürfte aber (vielleicht mit Ausnahme einiger Buschvölker, die andere Probleme haben als sich um die Lichtgeschwindigkeit zu kümmern) mittlerweile Geschichte sein.

Energie und Masse - Antimaterie

Ganz und gar nicht der Geschichte angehörig ist eine andere Erkenntnis, weil sie erst kürzlich (am 24. Februar 1999 am Fermilab in Chicago) amtlich bestätigt wurde: Es gibt Materie. Um auch diesem Beweis folgen zu können, holen wir ein bißchen aus.

Wie Licht entstehen kann, haben wir ganz am Anfang bereits gesehen; im wesentlichen strahlt ein Elektron seine überschüssige Energie ab. Es gibt noch einen weiteren Weg, der auch ungleich stärkere Strahlung verursacht: Die Kollision von Teilchen. In riesigen Kernteilchenbeschleunigern (sog. Zyklotronen) werden Teilchen auf ungeheure Geschwindigkeiten beschleunigt und anschließend zur Kollision gebracht. In manchen Fällen verschwinden dabei die Teilchen und es entsteht elektromagnetische Strahlung. Wenn E = m · c 2 gilt, heißt das auch, daß m = E / c2, wenn man einfach auf beiden Seiten durch c2 teilt. Die zweite Gleichung bedeutet (sehr frei formuliert), Energie durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit ist Masse. Es muß also möglich sein, Energie (wie sie zum Beispiel in Form von elektromagnetischen Wellen auftritt) in Masse umzuwandeln (und umgekehrt), weil die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von ihrer Umgebung ist. Diese sehr theoretische Überlegung füllt sich etwas mit Fleisch, wenn man sich vor Augen führt, was Wissenschaftler bereits im Versuch damit erreichen konnten: Wenn Strahlen (natürlich in einer bestimmten Art und Weise) auf einander treffen, kann es vorkommen, daß sie sich gegenseitig „auslöschen“. Die Energie kann natürlich nicht im Nichts verschwinden, nein, es werden daraus tatsächlich Teilchen. Diese Teilchen (es entstehen immer eine gerade Anzahl an Teilchen) sind sich jeweils entgegengesetzt. Durch ihre Entstehung erhalten sie einen Schwung, der sie aus einander treibt. Wäre dem nicht so, würden sie sich sofort wieder mit einander vereinigen und in einem Strahlenbündel „verbrennen“. Diese paarweise entstehenden Teilchen sind die Bestandteile von Materie und Antimaterie. Entsteht also bei so einer Strahlenkollision ein Elektron e-, dann zwangsläufig auch ein Anti-Elektron e+. Dasselbe gilt für die Paare Proton p+ und Anti-Proton p-. Etwas verzwickter ist es bei Neutronen: Wie sollte man ein Neutron und ein Anti-Neutron von einander unterschieden? Bei den ersten beiden Paaren war die elektrische Ladung und die Masse eigentlich Kennzeichen genug, aber bei den Neutronen sind Massen und Ladungen gleich (meines Wissens hat auch noch nie ein Versuch in einem Zyklotron dieses Paar erzeugt). Woher aber kommt die Materie dann? Wo befindet sich die dazugehörige Antimaterie? Nunja, wie bereits angekündigt: Kürzlich fand man die Lösung. Die Materie ist „schwerer“ (soll heißen: sie besitzt mehr Masse) als die Antimaterie. Man nimmt an, daß die bestehende Materie ein zehn milliardstel der ursprünglich vorhandenen, also durch den Urknall entstandenen ist.

Massenzunahme bei Bewegung

Zyklotrone haben auch eine bedeutende Rolle beim bereits angekündigten Beweis für das Zunehmen der Masse bei sehr hoher („relativistischer“) Geschwindigkeit gespielt. An sich handelt es sich bei diesen Zyklotronen um riesige Anlagen, in denen Partikel auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden können. Reibung ist da natürlich völlig fehl am Platze, weil sie nur unnötig bremst. Um sie nach Möglichkeit völlig auszuschalten, erzeugt man geeignete Felder (in der Regel Magnetfelder), die die beschleunigten Partikel auf Abstand zur Röhrenwand halten, in der sich diese Partikel bewegen. Es bildet sich so eine Art Luftkissen ohne Luft um die Partikel (um die Luftreibung auch minimal zu halten und bestenfalls völlig wegzubekommen, werden diese Röhren natürlich evakuiert). Interessant ist nun die Reaktion, die sich einstellt, wenn man ein Partikel auf eine relativistische Geschwindigkeit, also über ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit, beschleunigt: Es nimmt an Masse zu. Entsprechend der Eigenschaft der Massenträgheit müßte ein beschleunigtes Partikel seine Geschwindigkeit beibehalten (es soll ja keine Reibung geben), aber genau das Gegenteil geschieht: Es verlangsamt sich stärker als bei niedrigeren Geschwindigkeiten. Die einzig mögliche Erklärung: Es muß eine Art Reibung geben, die von der Materie unabhängig ist; der aufmerksame Leser wird es bereits ahnen: Es ist die „Reibung am Raum“. Der Gravitationstopf, der sich durch die zunehmende Masse bei der hohen Geschwindigkeit bildet, stellt eine Art Reibung dar, da er natürlich der Masse in ihrer Bewegung folgt. Und das, obwohl der Topf genauso klein ist wie das Partikel! Wie auch immer sich Gravitation mitteilt: Sie bietet eine Reibung. q.e.d. (lat. für „was zu beweisen war“ - Naseweisjargon)

Schwarze Löcher

Man hatte ursprünglich angenommen, daß Schwarze Löcher bei der Entstehung des Universums eine tragende Rolle gespielt hatten. Die in der Nähe Schwarzer Löcher besonders häufigen Strahlenkollisionen hätten Materie und Antimaterie entstehen lassen, wobei die Antimaterie in das Schwarze Loch gestürzt sein könnte und auf diese Weise nur die Materie überdauert hätte. Die Theorie hat wenigstens zwei offensichtliche Schwachstellen: Woher hätte die Materie stammen sollen, die ein solches Schwarzes Loch entstehen lassen könnte? Und ist der Zufall bei dieser Theorie nicht ein bißchen überstrapaziert? Durch die Entdeckung, daß Materie „schwerer“ als Anti-Materie ist, kann sich sozusagen ein Überhang an Materie bilden, obwohl die gesamte Antimaterie sich wieder in Strahlung oder eine andere Energieform zurückverwandelt hat - bei Kontakt mit Materie, denn dazu sind gleiche Massen ausreichend. Allerdings bleiben auch hierbei noch Fragen offen: Welche Rollen spielen die Bestandteile der Atomteilchen, die Quarks, bei diesem Szenario? Und insbesondere: Woraus bestehen die Strahlen und die Teilchen? Es muß wohl etwas sein, das sich jeweils in das andere umwandeln kann. Mir ist schon klar, daß die Äther-Theorie widerlegt ist, aber liegt das an der gesamten Theorie und nicht nur an bestimmten Annahmen?

In der Zwischenzeit wurde diese Seite das eine oder andere Mal gelesen. Hin und wieder wurde sie sogar verstanden (was dem Autoren noch nicht möglich war ;-).

Abschließend sei noch bemerkt: Was (abgesehen von Entstehen und Vergehen) für Licht gilt, ist natürlich auch für elektromagnetische Wellen gültig, also z.B. für Wärme- oder Röntgenstrahlen. Aus diesem Grunde sind Röntgenteleskope unter Umständen sogar hilfreicher als optische Teleskope für unser Verstehen des Weltraumes und seiner Gesetze. Für die Entstehung von Materie und Antimaterie ist jedenfalls ausschlaggebend, daß die Energie, die „zusammengetragen“ wird, ausreichend ist, um eben Teilchen entstehen zu lassen.


Einsteins Relativitätstheorie wird gern mit dem Beispiel des Menschen erklärt, der sich in einem fahrenden Zug in Fahrtrichtung nach vorne bewegt. Für ihn läuft laut Relativitätstheorie die Zeit - wenn auch unmerklich - langsamer ab als für denjenigen Menschen, der sich außerhalb des Zuges befindet. Zusammengefasst bedeutet das, dass die Zeit in einem sich schnell bewegenden Objekt langsamer vergeht. Die schnellste Sache ist das Licht, das etwa 300.000 Kilometer in der Sekunde zurücklegt. Es ist so schnell, dass es nicht mehr beschleunigt werden kann. Wollte man also in einem fahrenden Zug mit Hilfe diverser Leuchten Licht nach vorne richten - egal, ob mit Hilfe von Taschenlampen, Energiesparlampen oder Halogenglühbirnen - wäre das Licht ebenso schnell, als würde der Zug stehen. Wollte man einen schweren Körper so weit wie Licht beschleunigen, hätte man ein Problem. Denn dafür bräuchte man aufgrund der Masse zu viel Energie.

Dementsprechend kann auch ein Mensch unmöglich schneller sein als das Licht, obgleich es eher so wirkt, als würde es stillstehen, während man selbst andauernd in Bewegung ist. Dies liegt daran, dass die Geschwindigkeit des Lichts für unsere Auge gar nicht wahrnehmbar ist. Vielleicht ist ein Sternenhimmel auch deshalb so faszinierend, weil er wie eine Ansammlung gebündelter Lichtpunkte wirkt. Mit einem stabilen Podeste Aufbau an geeigneter Stelle und einem guten Teleskop lässt sich jedoch leicht erkennen, dass es sich dabei um einen Trugschluss handelt. Gerade das macht die Astronomie für viele Menschen so interessant.



Glossar

Atomkern
In der Mitte jedes Atoms befindet sich der Atomkern oder Nukleus. Der Atomkern besitzt praktisch die gesamte Masse des Atoms, weil die Hülle aus Elektronen im Verhältnis zum Kern fast keine Masse hat. Atomkerne bestehen ausschließlich aus Protonen und Neutronen.
Elektron e-
Negativ geladenes Elemantarteilchen, das sich normalerweise auf einer Umlaufbahn um einen Atomkern befindet. Abhängig vom umkreisten Kern und den physikalischen Verhältnissen kann sich das Elektron mehr oder weniger leicht vom Kern lösen und auf andere Atomkerne übergehen. Durch die elektrische Ladung ist dann das verlassene Atom positiv geladen und das Atom, dem das Elektron „zulief“, negativ; es entsteht eine elektrische Spannung. Dementsprechend ist elektrischer Strom ein tatsächlicher Fluß von Eletronen und elektrische Spannung einer Art Sog von Elektronen, um den Unterschied der elektrischen Ladungen auszugleichen. Im Vergleich zu Protonen und Neutronen sind Elektronen ausgesprochen winzig.
Fluchtgeschwindigkeit altmodisch: „Entweichgeschwindigkeit“
Eine rein rechnerische Größe, die versucht, die Schwerkraftverhältnisse unterschiedlicher Körper in Beziehung zu einander zu setzen. Es handelt sich dabei um die (wie gesagt rechnerische) Geschwindigkeit, die ein Körper an der Oberfläche annehmen muß, um der Schwerkraft zu entfliehen. Dabei werden alle anderen Faktoren (wie z.B. Luftwiderstand o.ä.) völlig ignoriert. Zu dieser vergleichenden Qualität schleicht sich eine weitere Bedeutung: Die Berechnungen von Fluchtgeschwindigkeiten führten zu ersten Überlegungen, was eigentlich passiert, wenn diese erforderliche Fluchtgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit wird; abgesehen von der unglaublich dichten Massenkonzentration, die diese Eigenschaft mitbringen würde, entstünde ein Objekt, das nicht mehr zu sehen wäre, da reflektiertes (oder abgestrahltes) Licht von der Gravitation (genauer gesagt: der dadurch hervorgerufenen Raumkrümmung) gefangengehalten werden würde. Dieser Eigenschaft verdanken diese Objekte ihren Namen: Schwarze Löcher.
Gewicht
Gewicht ist im Gegensatz zur Masse eine mittelbare Eigenschaft der Materie. Abhängig davon, wie dicht sie versammelt ist, krümmt Masse den sie umgebenden Raum dergestalt, daß sich Massen, sobald sie nahe genug bei einander liegen, gegenseitig anziehen. Genaugenommen „fallen“ die beiden Massen in eine Art Raumtrichter (sog. „Gravitationstöpfe“) und nehmen diese Töpfe sozusagen gleich mit. Nach dem „alten“ Weltbild ist Gewicht die Kraft, die auf zwei Körper ausgeübt wird, sobald sie einander nahe genug sind.
Isotope
Verschieden schwere Arten eines chemischen Elementes nennt man Isotope. Sie unterscheiden sich nur in der Anzahl ihrer Neutronen im Atomkern, nicht in der Anzahl ihrer Protonen. So gibt es zum Beispiel verschiedene Wasserstoffisotope, deren Kerne nur aus einem Proton, aus einem Proton und einem Neutron (sogenannter „schwerer Wasserstoff“ oder Deuterium) oder aus einem Proton und aus zwei Neutronen („überschwerer Wasserstoff“ oder Tritium) bestehen. Unterschiedliche Isotope haben zwar vielleicht unterschiedliche Massen (und verhalten sich insofern physikalisch unterschiedlich), sie besitzen aber grundsätzlich identische chemische Eigenschaften.
Masse
Als Eigenschaft von Materie ist die Masse fein säuberlich vom Gewicht zu unterschieden.
Materie
Die alten Griechen hatten, aus theoretischen Überlegungen heraus, sich ein Weltbild geschaffen, in dem alles bis auf ein Kleinstes aus Bausteinen zusammengesetzt ist. Diese an sich philosophische Überzeugung wurde durch die Plancksche Quantenmechanik zwischenzeitlich dramatisch bestätigt. Leider war man bei der Benennung etwas voreilig (und man wüßte auch heute noch nicht endgültig zu sagen, ob es nicht etwas voreilig wäre) und nannte die seinerzeit kleinsten Bestandteile „Atome“ (die lateinische Entsprechung ist ganz am Rande „Individuum“, beides heißt übersetzt „Unteilbares“).
Heutzutage denken wir da etwas anders, nicht zuletzt, weil wir Beweise dafür gefunden haben, daß sich auch Atome weiter zerlegen lassen; bei der Materie sind dies (zunächst) die Atomhülle und der Atomkern. Die Atomhülle besteht dabei ausschließlich aus Elektronen, der Atomkern in der Regel aus Protonen und Neutronen.
Neutron n0
Elektrisch neutrales Kernteilchen. Mit Ausnahme vom Wasserstoffisotop 1H besitzen alle chemischen Elemente ein oder mehrere Neutronen, die zusammen mit den Protonen den jeweiligen Atomkern bilden. Die Anzahl der Neutronen in einem Atomkern übersteigt übrigens ab Lithium die Anzahl der Protonen, das heißt, daß nur die Elemente Wasserstoff, Helium und ein bestimmtes Lithium-Isotop weniger Neutronen als Protonen enthalten. Etwas seltsam ist, daß Neutronen geringfügig schwerer sind als Protonen (allerdings immer noch leichter als ein Proton und ein Elektron zusammen), aber warum dem so ist, wird meines Wissens noch erforscht.
Orbital
Umlaufbahn eines Elektrons um einen Atomkern. Es gibt verschieden „hohe“ und verschieden „geformte“ Orbitale, die aber alle einem bestimmten Energieniveau entsprechen. Mit „hoch“ meint man dabei in der Regel den durchschnittlichen Abstand zum Atomkern, mit „geformt“ die Bahn, auf dem sich das Elektron aufhält. Tatsächlich ist es nicht möglich, gleichzeitig den Ort und
Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons
Bild 1: Aufenthalt eines Elektrons
um einen Atomkern
Mit freundlicher Genehmigung
des Thieme Verlags, Stuttgart;
Abbildung aus: Charles Mortimer,
Grundlagen der Chemie
die Geschwindigkeit eines Elektrons zu bestimmten („Heisenbergsche Unschärferelation“, siehe Bild 1), sodaß man immer nur eine Gegend ausmachen kann, in der sich ein Elektron zu einem bestimmten Zeitpunkt aufhält. Die Summe dieser Orte nennt
Grenzflächendiagramme der 2p-Orbitale
Bild 2: Grenzflächendiagramme für die 2p-Orbitale
Mit freundlicher Genehmigung des Thieme Verlags, Stuttgart;
Abbildung aus: Charles Mortimer, Grundlagen der Chemie
man dann Orbital.
   Naiv stellt man sich solche Orbitale zunächst kugelförmig vor. Tatsächlich hängt die „Form“ vom Energieniveau (der „Höhe“) ab. Zunächst einmal sollte man wissen, daß die Orbitale schalenförmig in einander verschachtelt sind. Da sich die Elektronen gegenseitig abstoßen (sie sind ja gleichartig elektrisch geladen), versuchen sie, möglichst weit von ihren „Artgenossen“ entfernt zu sein. Bei bis zu zwei Elektronen pro Schale ist das weiter kein Problem: Der größte Abstand ist der beste, und so liegen sich diese Elektronen auch tatsächlich genau gegenüber (und umkreisen den Atomkern auf kugelförmigen Bahnen - den S-Orbitalen). Ein drittes Elektron muß von den beiden anderen einen respektvollen Abstand halten (und diese natürlich auch vom dritten), was dieses dritte auf eine etwas seltsamer geformte Bahn zwingt (ein sogenanntes P-Orbital - siehe Bild 2). Diese P-Orbitale, es gibt sie erst ab der zweiten Schale, können ebenfalls bis zu zwei Elektronen aufnehmen, und sie können sich in drei Dimensionen ausrichten; macht also zusammen vier Bahnen in der zweiten Schale mit bis zu acht Elektronen. Dazu kommen die beiden aus der untersten Schale, also insgesamt zehn Elektronen. Es gibt aber auch Elemente, die noch mehr Elektronen aufnehmen können müssen; die weiteren Eletronen auf zusätzlichen Orbitalen (die in der dritten Schale also zunächst einmal schon - theoretisch - drei S- und neun P-Orbitale aufgefüllt haben) haben nun echte Schwierigkeiten, Bahnen zu finden, ohne daß diese sich den bereits vorhandenen
Grenzflächendiagramme der 3d-Orbitale
Bild 3: Grenzflächendiagramme für die 3d-Orbitale
Mit freundlicher Genehmigung des Thieme Verlags, Stuttgart; Abbildung entnommen aus:
Charles Mortimer, Grundlagen der Chemie
annähern. Dementsprechend kompliziert sind die Orbitale. In Bild 4 sind die Grenzflächen der D-Orbitale dargestellt; man sollte sich beim Betrachten vor Augen halten, daß diese Orbitale eine gewisse Wahrscheinlichkeit darstellen, an ihren Oberflächen ein Elektron beim Suchen „zufällig“ anzutreffen.
Wie bereits oben angedeutet sind die einzelnen Orbitale in einander verschachtelt. Eine grafische Darstellung der Verschachtelung der D-Orbitale stelle ich mir unmöglich vor; die Anordnung der S- und P-Orbitale fällt da schon etwas leichter (Bild 5). Auffällig ist dabei,
Verschachtelung verschiedener Orbitale
Bild 4: Die Verschachtelung
verschiedener Orbitale in einander
Mit freundlicher Genehmigung
des Thieme Verlags, Stuttgart;
Abbildung aus: Charles Mortimer,
Grundlagen der Chemie
daß sich Orbitale durchaus auch schneiden können, genaugenommen ja sogar müssen.
Am Rande sei noch bemerkt, daß die Elektronen keineswegs zwangsläufig die Orbitale von innen nach außen auffüllen. Tatsächlich suchen sie sich das „energetisch günstigste“ Orbital aus, und das muß - vor allem bei mehreren Schalen - nicht unbedingt das „innerste“ sein – man denke nur an die elektrische Ladung von Elektron und Atomhülle.
Proton p+
Positiv geladenes Kernteilchen. Teilweise zusammen mit Neutronen bilden sie die Atomkerne sämtlicher Materie im Universum. Protonen können in der Natur auch einzeln vorkommen, und zwar als positiv geladenes Wasserstoffatom; die bei weitem meisten Wasserstoffatome besitzen nur ein Proton und ein Elektron, es gibt aber auch andere Isotope, zum Beispiel Deuterium (zusätzlich ein Neutron im Atomkern) und Tritium (mit zwei Neutronen).
Schwarze Löcher
Objekte, deren Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit übersteigt, sind naturgemäß „unsichtbar“. Egal, ob Licht von einem derart massereichen Objekt abgestrahlt oder reflektiert wird, es könnte den Körper nicht verlassen, sondern würde nach innen in den Körper hineingezogen werden. Dies allerdings ist schon eine Anpassung an unser nicht-relativistisches Weltbild. Genaugenommen ist lediglich der „Gravitationstopf“ so steil, daß nicht einmal Licht aus ihm entweichen kann. Naturgemäß würde in einem bestimmten Abstand ab der Oberfläche der Masse die erforderliche Geschwindigkeit zum Entweichen die Lichtgeschwindigkeit wieder unterschreiten; die Grenze, ab der die Geschwindigkeit des Lichts zum Verlassen des Schwerkrafttrichters ausreichen würde, nennt man Ereignishorizont (engl.: event horizon). Über die Vorgänge (oder Zustände) innerhalb dieses Ereignishorizonts kann eigentlich nur spekuliert werden, da die Zeit in der Nähe massereicher Punkte langsamer vergeht. Denkbar wäre beispielsweise, daß innerhalb des Ereignishorizontes die Zeit stehenbleibt. Nach dem Energieerhaltungssatz wiederum kann Energie nicht einfach verschwinden; dies führte zur Theorie der „Weißen Löcher“, die durch „Wurmlöcher“ mit den Schwarzen Löchern verbunden sind und deren überschüssige Energie abstrahlen. Diese Theorie ist allerdings fraglich, denn es müßte sich um eine Art „Energieeinbahnstraße“ handeln. Wie sollte so eine „interstellare Energiediode“ aussehen bzw. welche Eigenschaften soll sie haben?
   Einer anderen Wurmlochtheorie zufolge sind Schwarze Löcher selbst durch Wurmlöcher verbunden (also an beiden Ende des Wurmlochs befindet sich ein Schwarzes Loch) – die Raumkrümmung könnte bzw. müßte dafür ausreichen. Wie oben aber schon angedeutet, es ist sehr fraglich, ob in Schwarzen Löchern überhaupt noch etwas passiert; Grundlage jeden Vorgangs ist, daß er in einer bestimmten Zeitspanne vonstatten geht, und wenn ein Objekt schon so massereich ist, daß die Fluchtgeschwindigkeit unerreichbar hoch ist, stellt sich schon die Frage, ob unsere Anschauungen der Welt für das Reich innerhalb eines Ereignishorizontes noch Gültigkeit haben.
Wurmloch
Theoretisch vielleicht mögliche Verbindung zwischen zwei Schwarzen Löchern oder einem Schwarzen und einem Weißen Loch. Der Tatsache, daß ihre Existenz rechnerisch (bzw. mathematisch) nicht widerlegt werden kann, und dem Umstand, daß unser Weltbild für das Innenleben von Schwarzen Löchern und naturgemäß erst recht deren Verbindungen mit einander nicht ausreicht, ist es zu verdanken, daß phantasievolle Autoren auf die Idee kamen, man könnte durch diese Wurmlöcher der Lichtgeschwindigkeit ein Schnäppchen schlagen und dennoch schneller sein. Mr. Spock, übernehmen Sie!

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Impressum, © 1999 bis 2009 by Michael Wapp; zuletzt ergänzt: 27. Februar 2016