Lichtwellen und Radiowellen sind beides elektromagnetische Wellen – unterschiedlicher Frequenz. Je höher die Frequenz, desto mehr Energie steckt in einer Welle. Röntgenstrahlung ist nun eine elektromagnetische Welle mit noch höherer Frequenz. Die Frage ist nun, wie sie erzeugt werden kann. Licht durch Hitze (oder Halbleiter bei LED), Radiowellen in Antennen, und für Röntgenstrahlung braucht man Elektronen, die man auf Metall ballert. Wilhelm Konrad Röntgen hat diese “Bremsstrahlung” 1895 entdeckt, X-Strahlung genannt – auf Englisch heißt Röntgenstrahlung heut noch X-Rays – und 1901 hat er dafür den Nobelpreis erhalten. Röntgenstrahlen durchdringen übrigens Gegenstände, wird teilweise von ihnen aufgenommen (absorbiert) und so entstehen die Röntgenbilder, die Auskunft aus dem Inneren des Körpers geben.
Diese Texte sind Starthilfen zum Lernen. Sie geben Ihnen einen Einblick, worum es bei dem Thema geht. Die Idee. Achtung: Es ist möglicherweise nicht unbedingt genau das, was Ihr:e Prüfer:in darüber hören möchte. Es ist auch nicht der ganze Stoff. Machen Sie sich nach dem Lesen des Textes ein eigenes Bild mit Ihren Büchern und den anderen Quellen. Ein freies Online-Schulbuch aus Österreich: https://physikbuch.schule, aus Deutschland: https://www.leifiphysik.de/. Weitere empfehlenswerte Schulbuchreihen der Oberstufe aus Österreich: Big Bang, Sexl, Physik kompakt.
Ein Elementarteilchenbschleuniger bringt kleine Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten, bevor sie aufeinander stoßen. Es entstehen neue Teilchen und Hinweise auf Kräfte.
LHC ist eine Abkürzung natürlich, und zwar für “Large Hadron Collider”. Large – groß. Riesig sogar. Collider: es geht um Kollisionen, und Hadron, das ist eine Art von Elementarteilchen, Protonen sind gemeint. Die werden im LHC aufeinander geschossen, so, dass sie kollidieren. Zusammenstoßen. Dabei entstehen Trümmer, neue Teilchen, und an der Häufigkeit dieser Ereignisse kann man auf Kräfte und Zutaten der Materie schließen. Die ganze Anlage heißt LHC, sie befindet sich im CERN, im Zentrum für Elementarteilchenforschung in der Schweiz. Es wird im LHC nach einem ganz bestimmten Teilchen gesucht, dem sogenannten Higgs-Boson. Wenn es existiert, kann man gut erklären, wie alle anderen Teilchen dieses Universums zu ihrer Masse kommen. Und wie es aussieht, hat man dieses Higgs-Boson tatsächlich gefunden.
Link: Zum Weiterlesen über LHC und die Suche nach dem Higgs-Boson empfiehlt sich dieser Artikel von Leo Ludick (PDF)
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Strahlung aus dem Weltraum erzählt uns etwas, was im Weltraum passiert. Es gibt Sterne. Sie leuchten. Die Lichtstrahlen erzählen uns über den Stern. Es gibt Teilchenstrahlen – zum Beispiele Elektronen und Protonen von der Sonne – sie erzählt uns, was auf der Sonne gerade passiert.
Und es gibt die kosmische Hintergrundstrahlung. Ein ganz bestimmtes Rauschen. Es erzählt uns vom Anfang des Universums. vom Urknall.
Der Cobe-Satellit kann diese Strahlung feststellen. Er wurde genau dafür gebaut. Cobe bedeutet: “Cosmic Background Explorer”.
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Wer zur Sonne schaut, sieht helles Licht. Es sieht “weiß” aus, und wenn dieses Licht zerlegt wird, sehen wir alle Regenbogenfarben. Licht kann in einem Wassertropfen zerlegt werden, oder in einem Glasprisma. Isaac Newton hat das gemacht.
Wer sich die Regenbogenfarben genau ansieht, sieht eine ganze Bandbreite verschiedener Farben, die ineinander übergeben. Von Blau bis Rot, dazwischen Gelb und Grün. Wer ganz genau hinsieht, bemerkt, dass in verschiedenen Bereichen schwarze Linien sind. Da fehlt eine ganz bestimmte Farbe. Wer hat sie entfernt? Sie müsste ja da gewesen sein?
Es sind ganz bestimmte Atome, deren Elektronen in der Hülle ganz bestimmte Energien verschlucken können, wenn sie diese bekommen. Licht ist nun Energie, und eine bestimmte Farbe von Licht ist eine ganz bestimmte Energie. Somit kann man feststellen, wenn eine ganz bestimmte Farbe fehlt, dann wird ein ganz bestimmtes Atom dafür verantwortlich sein.
Wasserstoff zum Beispiel. Und davon gibt es auf der Sonne ja mehr als genug.
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Wer in den Himmel sieht, sieht die Sterne in unserer Nachbarschaft. Das Universum ist aber groß. Wie groß? Unendlich? Und gibt es daher unendlich viele Sterne?
Mit allen Informationen, die Astrophysiker bisher gesammelt haben, können sie die Sterne in Gruppen einteilen. Je nachdem, aus welchen Farben ihr Licht zusammengesetzt ist (Spektralanalyse), und wie hell sie dabei leuchten. Es entstand das Hertzsprung Russel-Diagramm.
Von User:Sch – derived from Image:HR-sparse.svg by User:Rursus. Text translated to German, some cosmetics applied, position of Sun corrected (spectral class G, not K), CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3670343
Erfindungen
Das Fernrohr ist wohl die erste Erfindung, mit der man den Himmel besser beobachten kann, als nur mit dem Auge. Vorsicht. Nie in die Sonne damit schauen, es würde die Augen so schädigen, dass man erblindet. Nicht nur sichtbares Licht kann man beobachten, sondern auch elektromagnetische Strahlung mit anderen Wellenlängen. Da brauchen wir Radioteleskope. Besser geht die Beobachtung noch außerhalb der Erdatmosphäre. Weltraumteleskope beobachten den Himmel, oder Röntgensatelliten, oder Infrarotsatelliten, und so weiter und so fort. Elektrektromagnetische Strahlen aller Wellenlängen erzählen uns, wie das Universum ist.
Wie es aussieht, gibt es nicht unendlich viele Sterne. Es gibt 70 Trilliarden Sterne. 7 mal 10 hoch 22 Sterne. Eine Sieben mit 22 Nullen. Das Universum ist also nicht unendlich. Es ist im Urknall entstanden und hat sich seither ausgedehnt. Was außerhalb ist, wissen wir: nichts. So ein “nichts”, was Sie gerade hinter sich sehen, wenn Sie nach vorne schauen. So ist es logisch, dass die Menge der Sterne begrenzt ist, auch wenn es viele sind. In der Stadt sehen Sie vielleicht 100 Sterne in der Nacht, am Land vielleicht 5000. In der Milchstraße, unserer Heimatgalaxie, gibt es 100-300 Milliarden Sterne. Es gibt hunderte Milliarden Galaxien wie die Milchstraße, die in Haufen auftreten, und diese Haufen wiederum in Superhaufen. Und so kommen wir dann hochgerechnet auf diese große Zahl von 10 hoch 22 Sternen im Universum.
Das Universum ist ein für mich unvorstellbarer großer Raum, den man weder sehen noch berechnen kann. Im Universum befindet sich ein Kosmos, von dem vor allem Albert Einstein durch Überlegungen und Berechnungen herausgefunden hat, dass sich in diesem Kosmos unendlich viele Galaxien (Sonnensysteme) befinden müssen; eines davon ist unser Sonnensystem. Aber was ist ein Sonnensystem? Wieder eine für uns unendliche, unfassbare, aber schon berechenbare- und beobachtbare Anzahl von Planeten und Sternen, dennoch wissen wir auch hier noch nicht alles von (unserem) einen Sonnensystem. – Johanna Gudden / Studierende am Abendgymnasium Wien, Nov. 2010
Definitionen
Sterne sind leuchtende Himmelsobjekte. Ihre Energie beziehen sie aus Kernfusion. Sie verschmelzen leichte Atome (Wasserstoff). Einen Teil der Masse dieser Atome wandeln sie in Energie um. Laut Einsteins Gleichung E=mc^2 ist das möglich. Die meisten Sterne treten nicht alleine auf, sondern in Doppelsternsystemen. Viele von ihnen haben Planeten, die sie umkreisen, wir sprechen dann von einem Sternsystem. Viele Sternsysteme zusammen werden Galaxie genannt. Astrophysiker untersuchen die physikalischen Grundlagen des Universums. Sie analysieren dabei die elektromagnetischen Wellen (Licht; Radiowellen) die aus dem Universum zu uns kommen. Kosmologen entwickeln daraus ein Weltbild über die Entstehung und die Entwicklung des Universums.
Wie viele Sterne wir sehen, hängt ganz davon ab, wo wir uns befinden. In der Stadt gibt es viel Licht, das das Sternenlicht überdeckt. Wir sprechen von Lichtverschmutzung. Am Land sehen wir mehr Sterne in der Nacht, weil es dunkel ist. Auf der Nordhalbkugel der Erde sehen wir nur einen Teil, einen Ast unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße. Auf der Südhalbkugel der Erde, sehen wir mehr von der Milchstraße, deswegen sehen wir dort auch mehr Sterne. Die Himmelskuppel über uns wird auch Hemisphäre genannt. Das Licht der Sterne, das wir dort als Punkte sehen, ist oft schon lange unterwegs. Der nächste Stern außerhalb unseres Sonnensystems heißt Proxima Centauri und ist 4,24 Lichtjahre entfernt. Ein Lichtjahr ist dabei keine Zeitangabe, sondern eine Entfernungsangabe. Mit 300.000 km pro Sekunde ist Licht 4,24 Jahre unterwegs. So weit ist Proxima Centauri entfernt. Das Licht, das von dort bei uns ankommt, ist also schon 4,24 Jahre alt. So weit sehen wir in die Vergangenheit zurück, wenn wir Proxima Centauri beobachten. Es gibt aber natürlich noch viel größere Entfernungen.
Die Frage, ob es unendlich viele Sterne gibt, hat nicht nur Kinder beschäftigt. Kennen Sie das Olberssche Paradoxon? Die Idee dabei ist: wenn es unendlich viele Sterne gibt, müsste der Himmel gleißend hell sein, so wie unsere Sonne. Denn wie in einem Wald überdecken die Baumstämme ab einer bestimmten Entfernung den gesamten Blick. Wenn es unendlich viele Sterne gibt, dann müsste auch unser Himmel von Sternoberflächen bedeckt sein. Aber: das Universum ist im Urknall entstanden, dann hat es sich ausgedehnt, es gibt nicht unendlich viele Sterne und wir sehen auch nicht das gesamte Licht, einige Sterne sind sogar schon wieder erloschen. Mit der Idee des Olbersschen Paradsoxons hat man eine gute Gelegenheit, das gesamte Bild vom Universum zu überprüfen, das Wissenschaftler – Kosmologen – davon entwickelt haben.
Die Reise ist noch nicht zu Ende. Kosmologen untersuchen derzeit, ob das Universum wieder zu einem Punkt zusammenfallen wird (Big Crunch), oder ob es sich weiter ausdehnen wird. Sterne vergehen und Sterne entstehen. Nach wie vor. Wir bestehen – soviel ist sicher – alle aus Sternenstaub. Das ist eine romantische Vorstellung für viele Menschen.
Wie geht die Reise weiter?
Fragen?
Kennen Sie sich noch nicht ganz aus? Gibt es einen Fehler? Schicken Sie eine E-Mail. Wir sammeln Ihre Fragen und helfen gerne weiter.
Text: Lothar Bodingbauer, Foto Stars: Juskteez Vu, Unsplash. Grundlage: Wikipedia Artikel der Stichworte, wie sie oben dargestellt werden.
Letzte Aktualisierung: 6. Juli 2020
PHS192 – Dunkle Materie, aber echt jetzt – Es ist schon wieder was passiert. Irgendwie passt die Idee mit der Dunklen Materie nicht ganz so gut zusammen mit, dem, was man rundherum sieht. Das erzählt Gerhard Hensler vom Insitut für Astronomie der Uni Wien.
In der Natur bietet der Sternenhimmel in der Nacht Möglichkeiten zur Orientierung. Der Polarstern befindet sich im Norden. Um diesen Stern dreht sich w?hrend der Nacht der gesamte Sternenhimmel. Menschen, die viel Zeit draußen verbringen, kennen diesen Stern sehr gut. Sie kennen auch viele Sternbilder – die Anordnung von Sternen zu Figuren. Den Großen Waagen.
Sie selbst
Schauen Sie sich am Abend mal den Himmel an. Erkennen Sie den Mond? Probieren Sie es aus: suchen Sie jeden Tag einmal den Mond. Bemerken Sie, wie er langsam seinen Platz am Himmel verändert? Wie er anders aussieht? Welche Lichtpunkte sehen Sie am Himmel? Haben Sie schon einmal die Milchstraße gesehen? Bemerken Sie am Lagerfeuer, wie der Sternenhimmel sich dreht? Vielleicht möchten Sie einmal eine Vorführung im Planetarium sehen. Dort können Sie die Zusammenhänge erklärt bekommen. Und wenn Sie vielleicht einmal viel Geld gewinnen: besuchen Sie die S?dhalbkugel der Erde, sehen die Sonne im Norden, und bewundern Sie das “Kreuz des Südens”. Es gibt dort ganz andere Sternbilder als bei uns.
Albert Einstein hat für die Erklärung dieses Experiments den Nobelpreis erhalten. Den gibt es nämlich nur für konkrete Sachen, Experimente, nicht für Theorien. Einstein erklärte die Ergebnisse eines Experimentes so: “Licht besteht aus Teilchen”.
Konkret wird beim Experiment mit dem Photoeffekt eine Zinkplatte elektrisch aufgeladen, indem Elektronen darauf gepackt werden. Sie wird sich über den Tag hinweg langsam wieder entladen, weil Elektronen durch die Luft entkommen können. Aber man kann diesen Effekt beschleunigen, indem man Licht darauf strahlt. Interessanterweise nicht rotes Licht, sondern bei blauem Licht. Man weiß, dass blaues Licht höherfrequent ist, dass es mehr Energie hat. Die bisherige Theorie – Licht ist eine Welle – würde vorhersagen lassen, dass man rotes Licht einfach nur länger hinstrahlen müsste, bis die Energie zusammenkommt, die Elektronen brauchen, um zu entkommen, aber genau das passierte nicht.
Ein Vergleich zeigt, was passiert: Sie stehen unter einem Regenschirm und es hagelt. Kleine Hagelkörner (rotes Licht, rote Lichtteilchen) haben zu wenig Energie, um Löcher in den Schirm zu stoßen, da kann es noch so lange hageln, summiert sich das nicht auf. Aber bei einer bestimmten Hagelkerngröße (blaues Licht, energiereiche Lichtteilchen) reißen Löcher. Hagelt es mehr, gibt es mehrLöcher. Intensiveres blaues Licht lässt die Platte schneller entladen.
Mit dem Photoelektrischen Effekt und seiner Erklärung – Licht besteht aus einem Strom von Photonen unterschiedlicher Energiemengen, je nach Farbe/Frequenz – und dem Doppelspaltexperiment – Licht ist eine Welle, die durch zwei Löcher gleichzeitig gehen kann – spannt sich ein Widerspruch auf, der nicht auflösbar ist. Deshalb sagt man: Licht ist beides. Wir sprechen vom Welle-Teilchen-Dualismus. Manche Experimente zeigen die eine Seite des Lichts, andere Experimente zeigen die andere Seite.
Hinweis: Die Farben dünner Schichten sind durch das Wellenmodell von Licht erklärbar. Sie entstehen durch das Phänomen Interferenz.
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Das Doppelspaltexperiment gehört zur Quantenphysik. Es sind diese erstaunlich anderen Gesetze in der Welt der kleinsten Teilchen, die in diesem Teilgebiet der Physik faszinieren. Üblicherweise kann man ja nicht durch zwei Türen gleichzeitig gehen. Das gilt in unserer Welt, in unserer großen Welt. In der Quantenwelt ist genau das möglich. Photonen, Elektronen und andere Teilchen gehen gleichzeitig durch zwei Spalten, wenn man nicht hinsieht. Wenn man sie beobachtet, entscheiden sie sich für eine Spalte. Das klingt rätselhaft – so rätselhaft, dass Erwin Schrödinger die Geschichte mit der Schrödinger-Katze erfand, die ebenso zwei Sachen gleichzeitig macht: sie ist lebendig und tot zu gleich. “Du spinnst”, sagten die Leute. Aber Schrödinger machte ja mit dieser Katze kein wirkliches Experiment sondern nur ein Gedankenexerperiment. Quantenteilchen würden sich so benehmen.
Young zeigte schon 1802 die Wellennatur von Licht, indem er es auf einen Doppelspalt (zwei Löcher/Schlitze) scheinen ließ. Dahinter gab es ein Interferenzmuster. Licht erreichte Stellen, an die es auf direktem Weg nicht hinkommen würde. Einstein würde 1905 dann etwas anderes mit dem Photoelektrischen Effekt zeigen: dass Licht aus Teilchen – den Photonen – besteht. Was ist Licht nun: Welle oder Teilchen? DAs ist ein Widerspruch, der sich nicht auflösen ließ, und so sagt man: Licht ist beides. Welle und Teilchen zugleich. Der sogenannte Welle-Teilchen-Dualismus. nicht nur bei Licht, sondern auch bei Materieteilchen ist das der Fall. Elektronen sind nicht nur Teilchen sondern auch Wellen – das zeigt sich bei Elektronenmikroskopen, die nicht mit Lichtwellen sondern mit Elektronenwellen funktionieren.
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Einstein formuliert in seiner Relativitätstheorie einen interessanten Gedanken. Wer schnell unterwegs ist, wird eine andere Zeit messen, als jemand, der im Vergleich dazu in Ruhe ist. Diese Effekte treten spürbar ab der halben Lichtgeschwindigkeit auf, man muss also schon wirklich sehr schnell sein, um den zeitverlängerten Effekt schneller Reisen zu bemerken. Aber eigentlich müsste man das auch bei niedrigen Geschwindigkeiten messen können, wären die Messgeräte nur genau genug. Bewegte Uhren gehen langsamer. Kann man das auch in unserer Welt zeigen?
Atomuhren sind sehr genaue Uhren: sie können Zeitunterschiede von 30 ns (Nanosekunden) leicht messen. In dieser Größenordnung war der vorhergesagte Unterschiede in den Zeiten, wenn man eine Atomuhr in ein Flugzeug packt, und eine andere am Boden lässt. Der Effekt wurde von Hafele und Keating 1971 gemessen. Somit konnten sie zeigen, dass ein wesentlicher Teil der Relativitätstheorie vorhersagbar und messbar ist – die Veränderung der Zeit bei Bewegung. Diesen Effekt gibt es auch in unterschiedlichen Höhen. Auch das konnte gemessen werden.
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Magnetische Kräfte haben nichts mit elektrischen Kräften zu tun. Vorderhand. Zunächst. Magnetische Kräfte wirken zwischen Magneten, und elektrische Kräfte zwischen Teilchen mit der Eigenschaft “Ladung”. Oersted fand in seinem Labor aber heraus, dass es eine Verbindung zwischen den beiden Welten gibt. Nur mit dieser Verbindung ist es möglich, Generatoren und Motoren zu bauen, und in der Folge auch elektromagnetische Wellen in Sendern und Empfängern zu senden und empfangen.
Schritt 1: Wenn ein Elektron ruhig im Kabel sitzt, weil der Stromkreis unterbrochen ist wird sich ein Magnet – vielleicht eine Kompassnadel – völlig unbeeindruckt vom Elektron zeigen. Die magnetische Nadel zeigt zum Nordpol, dorthin, wo das Erdmagnetfeld zeigt. Wird der Stromkreis aber geschlossen, beginnt sich das Elektron zu bewegen. Und ein bewegtes Elektron “benimmt” sich wie ein kleiner Magnet. Man sagt, es erzeugt ein Magnetfeld, das eben die Kompassnadel spüren kann, sie beginnt sich in eine bestimmte Position zum Kabel hinzudrehen. Wird der Stromkreis wieder unterbrochen, ist das künstliche Magnetfeld wieder weg, und die Kompassnadel zeigt nach Norden.
Das war der Versuch von Oersted.
Es gibt dann in der Folge noch zwei weitere Experimente, die spannend sind: Bringt man nämlich einen Magneten mit, und lässt Elektronen in einem Kabel fließen, das in dessen Magnetfeld liegt, so entsteht eine Kraft. Das Kabel fliegt einem um die Ohren. Es ist die Lorenzkraft die entsteht. Strom plus Magnetfeld ergibt eine Kraft. Aus elektrischer Energie wird mechanische Energie. Das Motorprinzip.
Und das zweite: aus mechanischer Energie kann elektrische Energie werden. Eine Leiterschleife wird in einem Magnetfeld gedreht. Durch die Drehung werden die Elektronen in eine bestimmte Richtung im Kabel gedrängt, man sagt, es werde eine “Spannung induziert”. Das Generatorprinzip. Aus Drehung in einem Magnetfeld entsteht Spannung.
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Die Frage war: Was trägt die Lichtstrahlen. So wie Wasser Wasserwellen transportiert müsste ein “Äther” die Lichtwellen transportieren. Da aber im Universum Vakuum ist – “Nichts” – und das Licht trotzdem durchgeht, müsste also der Äther das Universum erfüllen, extrem dünn sein, durchsichtig extrem, aber gleichzeitig sehr “zäh”, so wie Stahl, denn je dichter, zäher das Material, desto schneller die Wellen, die durchgehen. Und Licht ist ziemlich schnell.
Michels und Morley machten sich also auf die Suche nach dem Äther mit einer Idee. Die Erde kreist um die Sonne, da müsste doch so etwas wie ein Ätherwind entgegenkommen. Sie bauten einen drehbaren Tisch und ließen Licht einmal gegen diesen Ätherwind laufen, und wieder retour, und einmal senkrecht dazu und wieder retour. Wenn es Unterschiede in den Laufzeiten gibt, dann könnten sie damit zeigen, dass der Äther existiert.
Nun: es gab keinen Unterschied. Und somit fanden Michelson-Morley heraus: es gibt keinen Äther. Es gibt somit kein absolut ruhendes Bezugssystems as das Universum erfüllt, und somit können alle Geschwindigkeiten nur “relativ” zueinander angegeben werden. Die Relativitätstheorie entstand.
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Wenn Sie wissen möchten, was in Ihrem Kuchen drin ist, welche Möglichkeiten haben Sie?
Zerkrümeln. Sie brauchen dazu eine Hand in der Größenordnung des Kuchens. Nachteil: Sie wissen danach nicht, wie die Einzelteile angeordnet waren.
Zerschneiden. Sie brauchen dazu ein Messer von der Größenordnung des Kuchens.
Etwas draufschießen. Sie brauche dazu kleine Geschoße. Je nachdem, ob sie ihre Flugbahn auf dem Weg durch den Kuchen ändern, sind sie auf etwas Festes gestoßen oder nicht.
Der dritte Punkt war die Strategie Ernest Rutherfords, 1911. Zu diesem Zeitpunkt wusste man schon, dass es positive und negative Ladungen im Atom gibt, man glaubte aber, ein Atom wäre wie ein Kuchen, also vollständig ausgefüllt.
Rutherford fand heraus, dass das Atom aus einem positiv geladenen Kern (Protonen, Neutronen kannte man noch nicht) besteht, der sehr klein und massereich ist, dann kommt ziemlich viel „Nichts“, und dann die Hülle mit den Elektronen, deren Masse nur 1/2000 der eines Protons ist.
Das Experiment funktionierte mit Heliumkernen (positiv geladen, keine Elektronen), die auf eine sehr dünne Goldfolie geballert wurden. Die meisten dieser Kerne flogen ziemlich geradlinig durch das die dünne Goldfolie (die Goldatome), wurden vielleicht etwas abgelenkt, und selten wurde ein Heliumkern arg zurückreflektiert, so als ob es auf ein großes Hindernis geprallt wäre. Ja, das war ein Treffer mit einem Atomkern.
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Dieses Experiment ist ein großartiges Beispiel, wie man durch Geschick und Überlegung die Natur so am Bauch kitzeln kann, dass sie feine Details von sich erzählt. Millikan hat für dieses Experiment de Nobelpreis erhalten, den es wirklich nicht für Alles gibt.
Konkret geht es um die Frage, wie groß die kleinste elektrische Ladung ist. Dass es eine kleinste gibt, war damals, 1917, schon bekannt, und die kleinste Ladung trägt das Elektron. Die Elementarladung. Negativ. Die Überlegung war, dass man auf kleine Tröpfchen von Öl Vielfache dieser Elementarladung packen kann, und wenn man misst, wie viel Ladung dann da oben sitzt, sieht man, dass sich die unterschiedlichen Mengen um genau die Stufen von Elementarladungen unterscheiden.
Im Prinzip: Alle Preise auf Packungen im Supermarkt. Sie unterscheiden sich durch die „Elementargeldladung“, nämlich Cent.
Und jetzt kommt die schlaue Überlegung. Wir haben es mit elektrischer Wechselwirkung zu tun, wenn Ladungen sich anziehen (+ und -) oder sich abstoßen (++ oder – -). Elektrischen Kräften. Was aber jede Masse zusätzlich mitbringt, ist ihre Empfänglichkeit für die Schwerkraft.
Ich lasse also feine Tröpfchen, die elektrisch geladen sind, durch die Schwerkraft nach unten sinken, und wenn ich oben jetzt eine positiv geladene Platte habe, deren Ladung ich fein regulieren kann, entsteht eine Gegenkraft, die das Tröpfchen schweben lässt. Zuviel Spannung, und es steigt nach oben, zuwenig, und es sinkt.
Im Detail spielt noch Auftrieb und Reibung in Luft eine Rolle, und der Versuch wird zweistufig durchgeführt, erst Schwebenlassen, dann die Geschwindigkeit beim Absinken messen, um die Größe der Kügelchen zu ermitteln. Aber im Wesentlichen kan man die Rechnungen gut nachvollziehen, wenn sie einem jemand schön erklärt.
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Wir müssen zwei Ebenen betrachten, wenn wir die experimentelle Arbeit Galileo Galileis würdigen möchten.
Einerseits die inhaltliche Ebene: Er hat sich mit der Frage beschäftigt, ob schwere Dinge schneller fallen, als leichte. Bei einer Feder und einem Stein wäre das eindeutig zu sehen. Es ist aber nicht die Masse, die den Unterschied ergibt, sondern der Luftwiderstand. Das Experiment der beiden fallenden Gegenständen würde am Mond – ohne Luft – eben ganz anders verlaufen, Feder und Stein kommen gleichzeitig am Boden an.
Wie soll man das aber auf der Erde zeigen? Das ist die zweite Ebene – die Kunst, oder vielmehr schon, der Wille, sich die Luft wegzuexperimentieren oder eben wegzudenken. Das war eine zu dieser Zeit sehr unübliche Denkweise, denn wozu würde man das machen? Galileo Galilei steht also am Beginn der modernen Naturwissenschaft.
Galileo Galilei ließ zwei gleich große, aber unterschiedlich schwere Gegenstände vom Turm von Pisa fallen – das ist die Geschichte, ob es wirklich so war, kann man bezweifeln. Eher ließ er sie eine schiefe Ebene hinunterrollen. Da man nicht sehen kann, was schneller rollt, befestigte er kleine Glöckchen, die beim Vorbeilaufen der Kugel ein “Klein” hören lassen – er stammt aus einer Musikerfamilie. Hat man zwei schiefe Ebenen mit zwei verschieden schweren Kugeln, hört man gleichzeitig die beiden “Klings”. Die Schiefe Ebene immer steiler gestellt führt dann zum Freien Fall.
Das Fallgesetz wurde entwickelt: “Alle Körper fallen gleich schnell.” Luftwiderstand ausgenommen. Also besser: “Alle Körper fallen im Vakuum gleich schnell”.
Beim Pendel sieht man das auch. Befestigt man gleich große, aber unterschiedliche Massen an einer Schnur und lässt sie hin und her pendeln, dauert einmal hin- und her in beiden Fällen gleich lang.
Darüber hinaus beschäftigte sich Galileo Galilei mit den Jupitermonden, die er mit einem Fernrohr beobachtete. Fernrohre waren damals keine Methode des Wissenserwerbs, weil sie noch unbekannt waren, und so dauerte es eine Weile, bis die Menschen das in ihr Weltbild einbauen konnten, was sie durch ihre Fernrohre sahen.
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Welche Hinweise gibt es, dass das Universum expandiert?
Beginnen wir mit der zweiten Frage. Die Galaxien, die Sterne, die wir im Universum beobachten zu können, sind ein bisschen zu “rot”, wie sie sein sollten. Wir nennen das “Rotverschiebung”. Das kann man gut erklären. Alle leuchtenden Objekte, die sich von uns wegbewegen, haben diese Rotverschiebung. Genau so, wie ein hörbares Objekt, ein Krankenwagen, tiefere Töne hat, wenn er sich von uns wegbewegt. Niedrigere Frequenzen – röter. Beim Klang – tiefer.
Ein weiterer Hinweis auf die Expansion ist das kosmische Hintergrundrauschen. Das “Echo des Urknalls” wird gesagt, ist hier zu beobachten. Tatsächlich zu messen, und nicht anders zu erklären.
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Das Universum ist vor etwa 13,8 Milliarden Jahren entstanden. Im Urknall. Seither dehnt es sich aus, es expandiert.
Es wird immer gesagt, dass das Universum zum Zeitpunkt des Urknalls in einem Punkt war. Aber so klar ist das nicht. Es kann einfach keine Aussage für diesen Zeitpunkt Null gemacht werden. Was man sehr wohl sagen kann, ist, dass das Universum nach einigen hundertausend Jahren “durchsichtig” geworden ist. Licht konnte sich ausbreiten.
Anfangs glaubte man, das Universum wäre ein fester statischer Raum. Jetzt weiß man, dass dieser Raum expandiert. Derzeit ist fraglich, ob diese Expansion anhält, zunimmt, oder abnimmt.
Im Urknall ist also Raum und Zeit entstanden. Drei Dimensionen plus eine. Wir gehen davon aus, dass das Universum weiter expandiert, es gibt aber auch Möglichkeiten, dass diese Expansion stoppt, das Universum dann wieder zusammenfällt (Big Crunch), und alles wieder neu beginnt. Wer weiß.
Im Standardmotdell des Universums ist auch Dunkle Energie und Dunkle Materie dabei. Man kann sie nicht beobachten, es muss sie aber geben, damit die Beobachtungen mit den Simulationen am Computer übereinstimmen.
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