Woher kommt die Masse, wenn Atome fast leer sind? - Vom Atom zum Quark: Der Abstieg zum Fundament der Materie | Fakten zum Einschlafen - Das Universum

0:04 Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum. Wenn wir die Hand auf einen Tisch legen, spüren wir einen klaren Widerstand. Das Material fühlt sich durchgehend hart und massiv an. Doch diese scheinbare Festigkeit ist eine der größten Täuschungen unserer Sinne. Die Folge begibt sich auf einen Abstieg von der alltäglichen Oberfläche bis zu den fundamentalen Bausteinen der Realität und erklärt, warum gewöhnliche Materie fast vollständig aus Leere besteht. Die Episode zeichnet den Weg von Molekülen und Atomen über den winzigen, dichten Kern bis hin zu Quarks und Glyonen nach. Dabei wird deutlich, dass selbst die vertraute Vorstellung von Teilchen als winzigen, festen Kugeln nicht standhält. Ein zentraler Punkt ist die Herkunft

0:58 der Masse. Die Masse der Clarks macht nur etwa ein Prozent eines Protons aus. Der restliche, weitaus größere Teil entsteht durch die enorme Energie der starken Wechselwirkung, die diese Teilchen in ihrem winzigen Volumen einschließt. Festigkeit ist somit kein Merkmal durchgehender Substanz, sondern das Resultus elektromagnetischer Abstoßung und quantenmechanischer Felder. Bei der Arbeit an dieser Episode kehrte ich immer wieder zu einer einfachen Frage zurück. Was bedeutet es eigentlich, wenn wir sagen, ein Gegenstand besteht aus etwas? Unsere Alltagssprache suggeriert oft eine Hierarchie wie bei russischen Matroschka Puppen, bei der jede Schicht einfach eine kleinere Version des Ganzen ist. Mich fasziniert, wie

1:48 sehr die moderne Physik dieses Bild umstürzt. Jede Ebene der Materie gehorcht ihren eigenen Regeln. Und was wir am Ende vorfinden, sind keine massiven Bausteine, sondern Anregungen von Feldern. Es ist ein beruhigender Gedanke, dass die feste Welt um uns herum weniger ein ruhendes Fundament ist, sondern vielmehr eine dynamische Errungenschaft der Naturgesetze. Der Tisch unter deiner Hand fühlt sich fest an. Er fühlt sich durchgehend an. Er fühlt sich unverrückbar an. Und doch berührst du, wenn du deine Finger zusammendrückst, im Grunde nichts. Was dir Widerstand leistet, ist nicht dichtgepackte Materie. Es ist Leere, die von Kraftfeldern starr gehalten wird. Und die Masse, die du spürst, ist nicht das Gewicht von

2:43 Substanz. Sie ist die Energie des Eingeschlossenseins selbst. Lege deine Hand auf einen Tisch. Drücke leicht. Die Oberfläche leistet Widerstand. Sie fühlt sich fest an, durchgehend. Unverrückbar. Diese Festigkeit ist so selbstverständlich, dass wir sie kaum hinterfragen. Doch diese scheinbare Festigkeit ist eine der irreführendsten Erfahrungen, die unsere Sinne uns liefern. Was du berührst, ist in keinem wörtlichen Sinn durchgehendes Material, das von der Oberfläche bis zum Kern gefüllt ist.

3:21 Die Frage, der diese Folge nachgeht, ist einfach zu formulieren und schwer zu verinnerlichen. Woraus besteht gewöhnliche Materie tatsächlich? Und wo endet die Kette des Aufbaus? Der Tisch unter deiner Hand besteht aus irgendeinem Stoff. Vielleicht aus Holz. Oder aus Kunststoff, Metall, einem Verbundwerkstoff. Die Chemie sagt uns, dass jeder solche Stoff aus Molekülen besteht.

3:51 Moleküle sind Atome, die durch das Teilen oder Austauschen von Elektronen aneinander gebunden sind. Das ist der erste Abstieg. Und er weicht bereits von der Anschauung ab. Die Festigkeit des Tisches ist nicht wie die Festigkeit einer Ziegelmauer in einer Kinderzeichnung. Sie ist keine durchgehende Substanz, die den Raum füllt.

4:15 Sie ist eine gewaltige Anordnung einzelner Einheiten, die durch elektromagnetische Kräfte zwischen Elektronen in festen, relativen Positionen gehalten werden. Die Atome berühren sich nicht so, wie wir es uns vorstellen. Sie halten Abstand durch die Abstoßung ihrer Elektronenwolken. Was sich wie das Drücken gegen feste Materie anfühlt, ist tatsächlich das Drücken gegen elektromagnetische Felder. Was also ist ein Atom? Das vertraute Bild ist ein Miniatursonnensystem. Ein Kern im Zentrum. Elektronen, die wie Planeten kreisen.

4:57 Dieses Bild ist in wichtigen Punkten falsch. Aber es erfasst eine wesentliche Tatsache. Das Atom ist fast vollständig leer. Würde man ein Atom auf die Größe eines Stadions vergrößern, wäre sein Kern eine Murmel im Zentrum. Der Rest, das Volumen, das die Größe des Atoms bestimmt, ist von Elektronen besetzt. Aber nicht von etwas, das wir als festes Material bezeichnen könnten.

5:28 Die Elektronen selbst sind keine kleinen Kugeln, die umhersausen. Sie existieren als Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Sie existieren als quantenmechanische Muster, die bestimmen, wo sie zu finden sind. Die Größe des Atoms wird durch diese Quantenmuster festgelegt. Nicht durch die physische Ausdehnung fester Teile.

5:52 Der Tisch fühlt sich fest an, weil sich die Elektronenverteilungen abstoßen, wenn man Atome zusammendrückt. Die Leere zwischen den Atomen und in ihrem Inneren ist gewaltig. Diese Lehre wurde nicht immer verstanden. Das Atom mit Kern entstand aus Experimenten, die Ernest Rutherford und seine Mitarbeiter in Manchester zwischen 1909 und 1911 durchführten.

6:18 Sie schossen Alpha -Teilchen, Heliumkerne, auf eine dünne Goldfolie. Die meisten flogen geradewegs hindurch. Aber ein kleiner Teil perlte scharf zurück. Sie perlten in Winkeln zurück. die unmöglich erschienen, wenn das Atom ein diffuser Pudding aus positiver Ladung wäre, wie manche damals glaubten. Russ Herford beschrieb dies später als das unglaublichste Ereignis seines Lebens.

6:48 Es war, als würde man eine 15 -Zoll -Granate auf Seidenpapier abfeuern und sie käme zurück und träfe einen selbst. Die Erklärung war, dass die positive Ladung des Atoms und fast seine gesamte Masse in einem Kern konzentriert war. Dieser Kern war etwa hunderttausendmal kleiner als das Atom selbst. Der Rest war leerer Raum, durchquert von Elektronen. Der Kern ist also der Ort, an dem sich die Materie zu sammeln scheint.

7:21 Aber woraus besteht der Kern? Aus Protonen und Neutronen, zusammengehalten durch die starke Kernkraft. Protonen tragen positive Ladung. Neutronen sind elektrisch neutral. Zusammen bilden sie einen dichten Verbund. Dieser Verbund ist etwa 10 .000 Billionen Mal dichter als gewöhnliche Materie in ihrer Gesamtheit. Diese Dichte macht Kernreaktionen so energiereich. Sie treibt Sterne an. Sie macht Kernwaffen möglich. Aber Protonen und Neutronen sind nicht das Ende des Abstiegs.

8:04 Sie sind selbst zusammengesetzt. Dies wurde durch Experimente in den späten 1960er Jahren am Stanford Linear Accelerator Center, SLAC, enthüllt. Forscher schossen hochenergetische Elektronen auf Protonen und beobachteten, wie die Elektronen gestreut wurden. Das Streumuster zeigte, dass das Proton harte, punktförmige Bestandteile enthielt. Es zeigte keine gleichmäßige Ladungsverteilung, sondern innere Struktur. Diese Bestandteile waren Quarks, zusammengehalten durch Gluonen, die Träger der starken Kraft. Ein Proton enthält zwei Upquarks und ein Downquark. Ein Neutron enthält zwei Downquarks und ein Upquark. Aber diese einfache Zählung ist... irreführend. Das Innere des Protons ist kein ruhiger Beutel mit drei Murmeln. Es ist

9:05 ein brodelndes, dynamisches System. In diesem System erzeugen und vernichten Gluonen ständig Quark -Antiquarkpaare. Die Bestandteile sind in ständiger Bewegung. Sie sind gebunden, aber niemals in Ruhe. Hier begegnen wir der zentralen Korrektur dieser Folge. Es ist diejenige, die unser anschauliches Bild am gründlichsten umstürzt.

9:32 Der größte Teil der Protonenmasse stammt nicht von den Massen seiner Quarks. Die O - und Daumquarks haben sehr kleine Ruhemassen. Zusammen machen sie nur etwa 1 % der Protonenmasse aus. Die übrigen 99 % stammen aus der Energie der starken Wechselwirkung selbst. Sie stammen aus der kinetischen Energie der Quarks und Chloronen. Sie stammen aus der Energie der Gluon -Felder, die sie binden. Masse ist, mit anderen Worten, nicht einfach Additiv.

10:07 Es ist nicht so, dass das Proton schwer ist, weil es schwere Dinge enthält. Das Proton ist schwer, weil das Einschließen von Clarks und Gluonen in einem kleinen Volumen enorme Energie erfordert. Und Energie, durch Einsteins Masse Energie -Äquivalenz, zeigt sich als Masse. Die Festigkeit des Tisches, die Masse, die du spürst, wenn du ihn anhebst, ist größtenteils die Masse eingeschlossener Energie. Das ist eine tiefgreifende Abkehr vom anschaulichen Bild der Materie als Stoff. Es ist eine Abkehr vom Bild der Substanz, die Masse hat, weil sie aus massiven Teilen besteht.

10:50 Die Masse gewöhnlicher Objekte entsteht aus der Dynamik ihrer Bestandteile. Sie entsteht aus der Energie ihrer Bindung und Bewegung. Ein Proton ist kein Behälter, der zufällig energetische Dinge enthält. Seine bloße Existenz als stabiles Teilchen mit seiner bestimmten Masse ist eine Folge der Dynamik der starken Wechselwirkung.

11:15 Die Masse ist emergent. Wo also endet der Abstieg? Quarks und Elektronen sind, soweit die gegenwärtige Evidenz zeigt, elementar. Kein Experiment hat eine innere Struktur im Elektron offenbart. trotz Suchen auf außerordentlich kleinen Skalen. Dasselbe gilt für Quarks. Allerdings lassen sie sich wegen einer Eigenschaft namens Konfinement nicht isolieren und direkt untersuchen. Die starke Kraft zwischen Quarks wird mit zunehmender Entfernung nicht schwächer. Das Auseinanderziehen von Quarks erfordert daher genug Energie, um neue Quark -Anti -Quark Paare zu erzeugen, statt einzelne Quarks zu befreien. Das Standardmodell der Teilchenphysik ordnet, was wir wissen. Gewöhnliche Materie ist aus einer kleinen Gruppe von Teilchen der ersten

12:11 Generation aufgebaut. Diese Gruppe umfasst Abquarks, Downquarks, Elektronen und Elektron -Neutrinos. Die Neutrinos durchqueren Materie fast ohne Wechselwirkung. Sie bilden nicht den Tisch, obwohl Billionen von ihnen jede Sekunde durch deine Hand fliegen. Gebunden zu Protonen und Neutronen plus die Elektronen, die die Kerne umgeben, sind das vollständige Inventar gewöhnlicher Materie. Aber das Wort Elementar erfordert hier eine sorgfältige Einschränkung.

12:48 Diese Teilchen sind nach gegenwärtiger Evidenz elementar bis hinab zu den Skalen, die Experimente untersucht haben. Das ist keine Behauptung, dass sie absolut unteilbar, ewig oder in irgendeinem metaphysischen Sinn einfach sind. Es ist eine Aussage darüber, was Experimente gefunden haben und was nicht. Die Geschichte der Physik legt Demut gegenüber solchen Behauptungen nahe. Atome galten einst als unteilbar. Das Wort selbst bedeutet unzerschneidbar. Protonen und Neutronen galten einst als elementar. Die Grenze zwischen zusammengesetzt und elementar hat sich schon einmal verschoben.

13:33 Sie könnte sich wieder verschieben. Was wir mit Zuversicht sagen können ist, dass keine Evidenz derzeit eine Substruktur in Quarks oder Elektronen stützt. Das Standardmodell beschreibt alle bestätigten Teilchenwechselwirkungen erfolgreich, ohne eine solche Substruktur zu benötigen. Die letzte Ebene der Neuausrichtung betrifft die Frage, was diese Teilchen eigentlich sind. Sie sind trotz unserer hartnäckigen Anschauung keine winzigen festen Kugeln. Sie sind Anregungen fundamentaler Felder.

14:10 Das Elektronenfeld füllt den Raum. Ein Elektron ist eine lokalisierte Anregung dieses Feldes. Es ist eine Welle mit bestimmten Eigenschaften. Die Quarkfelder füllen ebenfalls den Raum. Quarks sind Anregungen dieser Felder. Die Felder sind die fundamentaleren Entitäten. Teilchen sind die Art, wie diese Felder unter bestimmten Umständen in Erscheinung treten. Das ist nicht bloß philosophische Interpretation. Es ist der Arbeitsrahmen der modernen Physik. Er wird gestützt durch die mathematische Struktur der Quantenfeldtheorie und durch den Vorhersageerfolg des Standardmodells. Die Wendung besteht aus, erfordert daher ihre eigene Klärung.

15:00 Wenn wir sagen, ein Proton besteht aus Quarks, meinen wir nicht, dass Quarks kleinere feste Teile sind, die physisch in ihm stecken wie Kerne in einem Granatapfel. Wir meinen, dass das Proton eine zusammengesetzte Struktur mit inneren Bestandteilen ist, organisiert durch die starke Wechselwirkung. Seine Eigenschaften gehen aus der Dynamik dieser Bestandteile hervor. Wenn wir sagen, der Tisch besteht aus Atomen, meinen wir einen hierarchischen Aufbau. Atome sind organisiert zu Molekülen.

15:38 Moleküle sind organisiert zu Materialien. Auf jeder Ebene gibt es Eigenschaften, die nicht einfach die Summe der Eigenschaften darunter sind. Festigkeit, Farbe, Leitfähigkeit, chemische Reaktivität. Das sind emergente Eigenschaften. Es sind keine Eigenschaften einzelner Quarks oder Elektronen. Diese Unterscheidung ist wichtig, weil unsere Sprache über Materie mit Annahmen aus der makroskopischen Welt gesättigt ist. Wir sagen, Dinge bestehen aus anderen Dingen. Und wir stellen uns russische Matroschka -Puppen vor. Jede Schicht enthält eine kleinere Version derselben Art von Ding. Die tatsächliche Struktur ist anders. Auf jeder Ebene verändert sich die Natur dessen, was existiert. Moleküle sind nicht

16:31 einfach kleine Versionen von Materialien in ihrer Gesamtheit. Atome sind nicht einfach kleine Versionen von Molekülen. Der Kern ist kein Miniaturatom mit weniger Elektronen. Das Proton ist kein Miniaturkern. Das Quark ist kein Miniaturproton. Die Feldanlegung ist kein Miniaturquark. Jede Ebene hat ihre eigenen Regeln. Jede Ebene hat ihre eigenen relevanten Beschreibungen. Jede Ebene hat ihre eigenen emergenten Eigenschaften. Kehren wir mit diesem angesammelten Verständnis zum Tisch zurück. Der Tisch besteht aus Stoffen, die Anordnungen von Molekülen sind.

17:20 Moleküle sind gebundene Systeme aus Atomen. Jedes Atom ist ein nahezu leeres Volumen mit einem dichten Kern im Zentrum, umgeben von Elektronen. Das Quantenverhalten der Elektronen bestimmt die Größe des Atoms und seine chemischen Eigenschaften. Der Kern enthält Protonen und Neutronen. Protonen und Neutronen sind selbst zusammengesetzte Systeme aus Quarks, und Gluonen in dynamischer Wechselwirkung.

17:50 Der größte Teil der Protonenmasse stammt nicht von den Quarkmassen. Er stammt von der Energie des Einschlusses durch die starke Kraft. Die Quarks und Elektronen sind nach gegenwärtiger Evidenz elementar. Sie sind Anregungen fundamentaler Felder. Die Festigkeit des Tisches, seine Masse, sein Widerstand gegen deine Hand sind emergente Phänomene. Sie entstehen aus elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen Atomen. Sie entstehen aus der starken Kraft, die Quarks bindet. Sie entstehen aus der Feldnatur der Teilchen selbst.

18:31 Der Hörer sollte mehrere Unterscheidungen verstehen, die diese Folge etabliert hat. Gewöhnliche Materie ist von dunkler Materie verschieden. Dunkle Materie wird aus Gravitationseffekten in Galaxien und Galaxienhaufen erschlossen. Aber sie wechselwirkt nicht elektromagnetisch. Und sie besteht nicht aus den Quarks und Elektronen, aus denen Tische, Menschen und Sterne aufgebaut sind. Antimaterie ist von negativer Masse verschieden. Antimaterieteilchen wie Positronen haben positive Masse und vernichten sich bei Kontakt mit gewöhnlicher Materie. Negative Masse ist zwar in manchen Kontexten eine theoretische Möglichkeit. Aber sie ist kein Merkmal irgendeines bestätigten Teilchens. Sie ist von Energie im

19:26 Allgemeinen verschieden. Uemasse ist die Masse, die ein Teilchen in seinem eigenen Uesystem hat. Die Gesamtenergie eines Systems umfasst dagegen kinetische Energie, Bindungsenergie und Feldenergie. Die Protonenmasse ist größtenteils Letzteres. Was bleibt ungewiss? Ob Quarks oder Elektronen eine Substruktur auf Skalen jenseits der gegenwärtigen experimentellen Reichweite haben, ist unbekannt.

19:57 Die philosophische Interpretation von Quantenfeldern bleibt umstritten. Was sie ontologisch sind, jenseits ihrer mathematischen Beschreibung und ihres Vorhersagerfolgs, ist offen. Die präzise Berechnung der Protonenmasse aus ersten Prinzipien mithilfe der Gleichungen der Quantenchromodynamik ist technisch anspruchsvoll. Sie wird weiter verfeinert, obwohl Gitter -Gredet -Berechnungen erhebliche Fortschritte gemacht haben. Das sind keine Fehler des Rahmens. Es sind Hinweise auf seine Tiefe und die Grenzen der gegenwärtigen Technik. Das Versprechen dieser Folge war, vom Vertrauten zum Fundamentalen hinabzusteigen.

20:44 Es war zu zeigen, wo die Kette des Aufbaus endet. Und es war, das anschauliche Bild auf dem Weg dorthin zu korrigieren. Die Hand auf dem Tisch ist noch da. Sie fühlt sich noch immer fest an. Aber was Festigkeit bedeutet, hat sich verwandelt. Es ist nicht die Festigkeit durchgehender Substanz, gefüllt von der Oberfläche bis zum Kern. Es ist die Festigkeit elektromagnetischer Abstoßung zwischen Atomen. Es ist die Festigkeit des Einschlusses durch die starke Kraft in Kernen. Es ist die Festigkeit von Feldeinregungen, die durch Quantenregeln zu stabilen, komplexen Strukturen organisiert sind. Der Tisch ist nicht feste Substanz bis ganz nach unten. Er ist eine Hierarchie zusammengesetzter Strukturen, aufgebaut aus einer Handvoll elementarer

21:41 Teilchen. Diese Teilchen sind selbst Anregungen von Feldern. Ihre Masse und Struktur gehen aus ihren Wechselwirkungen hervor. Die Festigkeit, die Masse, die bloße Existenz der vertrauten Welt, wie wir sie erleben, sind auf der fundamentalen Ebene keine Gegebenheiten. Sie sind Erhungenschaften der Dynamik. Sie sind emergent aus den Regeln, die die kleinsten Bestandteile regieren, die wir bisher gefunden haben.