Willkommen in der Planckwelt

Die Ladungstrennung beim Wasserstoffatom

Was hält die Welt im Innersten zusammen ? Warum sind Atome radioaktiv und zerfallen. Atome sollten doch unteilbar sein .
Anfang des 20. Jahrhunderts wurde der erste radioaktive Zerfall beobachtet.
Nach 100 Jahren sind wir jetzt bei den kleinsten Teilchen angekommen, bei den Quarks, Leptonen und Bosonen. Auf ihnen beruht das Standardmodell der Elementarteilchen.

Das Standardmodell bildet alle Messwerte mit hoher Präzision ab. Das funktioniert aber nur, wenn 18 experimentell gefundene Werte in die Gleichungen eingegeben werden. Hierzu gehören u.a. die Massenwerte der Quarks und Leptonen. Warum nur diese Massenwerte funktionieren, ist eines der größten Rätsel der Elementarteilchenphysik.

Was ist der Ursprung der Masse ? Warum gibt es eine Massenhierarchie ?

Wie konnte aus dem heißen Nichts das Wasserstoffatom entstehen ?

Warum ist das Wasserstoffatom so stabil und was hält es im Innersten zusammen ?

Die Welt begann mit dem heißen Urknall . Seit 13.7 Milliarden Jahren kühlt sich das Weltall ab von 10^32 °K auf jetzige 2.7 °K . Die Urknalltheorie wurde mit der Entdeckung der Mikrowellenstrahlung bei 2.7 °K durch den COBE – Satelliten bestätigt.

Den Urknall wollen die Physiker jetzt mit dem LHC simulieren. Sie lassen Protonen mit den höchsten jemals erreichten Energien von je 7 TeV aufeinanderprallen. Sie kommen dabei auf den Bruchteil einer Sekunde dem Urknall nahe.

Beim vorhergehenden Beschleuniger TeVatron hat man bereits alle Leptonen, Quarks und Bosonen des Standardmodells experimentell nachgewiesen, bis auf das Higgs-Boson. Sind wir mit den Quarks und Leptonen bei den elementaren Teilchen angekommen oder gibt es darunter noch eine Substruktur ?

Die Annahme einer Substruktur der Quarks, Leptonen und Bosonen würde zu einem besseren Verständnis der Zusammenhänge führen. Demnach wären die Teilchen des Standardmodells aus Ladungen zusammengesetzt.

Quarks und Leptonen bestehen aus bis zu 6 Ladungen. Bosonen vermitteln zwischen den Ladungen. Die üblichen Darstellungen der Teilchen des Standardmodells berücksichtigen nicht konsequent alle Ladungen. So wie die über 100 Atome im Periodensystem der Elemente mit 2 Zahlen angegeben werden, so könnte man die über 200 verschiedenen Quarks und Leptonen mit 6 Zahlen angeben.

Nach heutigem Verständnis wird das Elektron als unteilbares Elementarteilchen angesehen. Neue Forschungsergebnisse am Weizman-Institut zeigen, dass in Quantendrähten aufgereihte Elektronen mit abwechselnden Spin einzelne Elektronen den Spin wechseln können. Solche überraschenden Ergebnisse lassen sich dann erklären, wenn Elektronen eine Ladungssubstruktur besitzen. Die Spinladung kann beim Elektron umschlagen.

Ladungen sind Quelle und Senke der Kräfte. Zu den 6 Ladungen gehören 6 Kräfte: Die magnetische Kraft, die schwache Kraft, die elektrische Kraft, die starke Farbkraft, die schwere Kraft und die Lepton- Baryon-Kraft. Hierzu gibt es 6 Ladungserhaltungssätze.

Warum ist das Wasserstoffatom stabil mit einer Lebensdauer von über 10^30 Jahren ?

Im stabilen Wasserstoffatom sind die 6 verschiedenen Ladungen getrennt , und es gelten die 6 Ladungs- Erhaltungssätze. Was rekombinieren die getrennten Ladungen nicht ? Warum zerstrahlt das Wasserstoffatom nicht ?

Im Allgemeinen versteht man unter Ladungstrennung nur die Trennung von positiver und negativer elektrischer Ladung. Durch die Trennung entsteht ein elektrisches Potential, das Arbeit zu leisten vermag. Aktuell ist die elektrische Ladungstrennung bei der Photovoltaik.

Am Anfang des 20. Jahrhunderts war die positive elektrische Ladung des Wasserstoffkerns und die negative elektrische Ladung des umkreisenden Elektrons ein heiß diskutiertes Thema . Warum gibt das umkreisende Elektron keine Strahlungsenergie ab und stürzt dann in einer Spirale in den Kern ?

Erst mit der Quantenmechanik auf der Basis des Wirkungsquantums h konnte das Rätsel gelöst werden .

Das Elektron hat im Grundzustand einen Bahndrehimpuls, der nicht kleiner werden kann als das Wirkungsquantum h . De Broglie brachte ein Jahrzehnt später eine noch plausiblere Erklärung . Das Elektron verhält sich wie eine Wahrscheinlichkeitswelle . Der Wellencharakter des Elektrons hindert das Elektron daran, in das Proton hineinzustürzen. Der Wellencharakter führt auch dazu, dass der Begriff der Elektronenbahn aufgegeben wurde, und die Aufenthalts-Wahrscheinlichkeit des Elektrons sich über eine Kugelschale verteilt.

Im Proton werden die schwache Ladung des up-Quarks des down-Quarks durch das schwere W-Boson getrennt. Die Spinladungen der 3 Quarks und der Spin des Elektrons sind erhalten . Die 3 Quarks des Protons mit je 1/3 Baryonladung ergeben zusammen die Baryonladung. Erst wenn sich zu jeder Baryonladung die Leptonladung des Elektrons gesellt, entsteht ein Wasserstoffatom. Das Elektron hat dann einen Drehimpuls , der genau gleich der Naturkonstanten h ist. Da der Drehimpuls nicht kleiner werden kann als h, bleibt das Wasserstoffatom stabil. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektron ist auf einer Kugelschale mit dem Proton in ihrem Mittelpunkt. Das Elektron des Wasserstoffatoms hat im klassischen Sinn eine Umlaufgeschwindigkeit von 1/137 c, und 1/137 ist auch die Kopplungskonstante der elektromagnetischen Wechselwirkung. Ist das Zufall ?

Die Erklärung der schweren Ladungen der 3 Quarks und des Elektrons sind das Top-Thema der gegenwärtigen Physik. Warum ist die Elektronmasse e^-2/3 MeV ? Die Elektronmasse ist als kleinste Masse die zentrale Masse auf der Massenskala. Es fällt auf, daß auf der logarithmischen Zahlengeraden die Massenwerte nicht willkürlich verteilt sind, sondern gleiche Abstände haben. Sie erfüllen die Skalensymmetrie. Die Elementarteilchenfamilien sind selbstähnlich und gehorchen damit dem Bauprinzip der Natur. Sie haben die gleiche elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkung. Sie unterscheiden sich nur in den Massen. Wäre Materie aus fernen Galaxien aus den Quarks und Leptonen der 2. Und 3. Familie aufgebaut, dann könnte man das nur durch die stärkere Gravitationswirkung erkennen. Oder man postuliert dann die Dunkle Materie.

Die 6 verschiedenen Ladungen sind Freiheitsgrade. Und Freiheitsgrade sind Dimensionen. Das erinnert an die Kaluza-Klein- Theorie. Kaluza hatte in den 20-iger Jahren die Allgemeine Relativitätstheorie mit 5 Dimensionen durchgerechnet und entdeckte, dass die 5. Dimension die Maxwellsche Theorie enthält und die elektromagnetische Wechselwirkung beschreibt. Klein hat die 5. Dimension dann so interpretiert, als ob sie unsichtbar aufgewickelt wäre . Nach einiger Zurückhaltung war Einstein dann begeistert von dieser Idee. Die Kaluza-Klein-Theorie war aber bald vergessen, weil die schwache Kraft und die starke Kraft entdeckt wurden, die Quantentheorie ihre Triumphe feierte und die KK-Theorie keine neuen Voraussagen machen konnte.

Mit der Stringtheorie wurde dann der Gedanke zusätzlicher Dimensionen wieder aufgegriffen.

Die aktuell diskutierte Stringtheorie hat 11 Dimensionen , eine Zeitdimension und 10 Raumdimensionen . Die Bedeutung der 6 zusätzlichen kompaktifizierten Raumdimensionen der Stringtheorie kann so richtig niemand erklären. Da die Theoretiker nicht wissen, wie die 6 einzelnen Raumdimensionen der Stringtheorie aufgewickelt sind, gibt es unzählige Lösungen. Der Stringtheorie fehlt die Eindeutigkeit. Bei der Stringtheorie müssen zusätzliche geometrische Räume unter halb der Planckschwelle von 10^-35m aufgewickelt sein.

Wenn Ladungen auch Dimensionen sind, dann bekommen die 6 kompaktifizierten Dimensionen der Stringtheorie einen Sinn. In 100 Jahren langer mühevoller experimenteller Arbeit wurde dem Wasserstoffatom Ladung um Ladung abgerungen, wie Zwiebelschalen , bis man bei den Quarks angekommen ist. Sie sollen selbst immer noch eine Ausdehnung von 10^-18 haben. Im Unterschied zur Stringtheorie gibt das Standardmodell vor, wie die einzelnen Zwiebelschalen der Ladungen in der Planckwelttheorie abgewickelt werden.

Innerhalb von 150 Jahren haben wir gelernt, elektrische Ladungen voneinander zu trennen und sie industriell zu nutzen. Die 5. Dimension Kaluzas haben wir für uns nutzbar gemacht. Mobiltelefone und Internet vermitteln uns das Gefühl einer neuen Raumzeit, die mit der Raumzeit der Gravitation nicht mehr viel zu tun hat.

Die Energiewende 2011 ist auch eine Frage nach neuer Ladungstrennung. Deutschland steigt aus aus der nuklearen Ladungstrennung und steigt um auch auf die elektrische Ladungstrennung bei der Photovoltaik.

Die Natur geht konsequent den Weg der Ladungstrennung, um immer mehr Komplexität in der Evolution zu schaffen. Im Mittelpunkt steht das asymmetrische Kohlenstoffatom, das die Trennung der Spinladungen erst möglich macht. Die Zucker der DNS sind rechtspolarisiert, die Aminosäuren der Proteine sind linkspolarisiert. Durch die Ladungstrennung wird in kompakter Form biologische Energie angereichert und gespeichert, und das seit 3.5 Milliarden Jahren.

Für Hoimar v. Ditfurth war am Anfang der Wasserstoff. Das Wasserstoffatom ist der kleinste Massenpunkt der Allgemeinen Relativitätstheorie. Es gibt kein kleineres stabiles Masseteilchen. Unter 10^-14 m beginnt der Gültigkeitsbereich der Quantenmechanik. Im Wasserstoffatom gelten die 6 Ladungserhaltungssätze. Die negative Ladung des Elektrons und die positive Ladung des Protons sind in ihrem Wert exakt gleich, so dass die elektrischen Ladungen nach außen exakt abgeschirmt sind . So unterliegen Wasserstoffwolken nur der schwachen Gravitationskraft und werden verdichtet. Aus riesigen Wasserstoffwolken entstehen die Sterne.

Aber was war vor dem Anfang ?

Wie konnten aus dem kosmischen Feuer bei einer Temperatur von 10^32°K , aus dem Nichts, das wir Vakuum nennen, Wasserstoffatome entstehen ?

Vor dem Anfang war das thermische Chaos . Es war ein Zustand höchster Symmetrie. Es gab weder Raum noch Zeit noch Information. Beim Abkühlen kam es dann zu verschiedenen Symmetriebrechungen. Es entstanden die einzelnen Phasen des Vakuums mit Ihren Phasengrenzen. An diesen Phasengrenzen wurden die Ladungen getrennt.

Die erste Ladung war die Wärmeladung . Ihr wissenschaftliche Name ist Entropie. Aus dieser Urladung sind beim Abkühlen nach und nach die anderen Ladungen durch asymmetrische Ladungstrennungen hervorgegangen.

Nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik steigt die Entropie an. In offenen Systemen , die Energie mit der Umgebung austauschen, nimmt die Entropie auch ab. Anders kann man das Entstehen und die Evolution lebender Materie nicht erklären. Entropie disproportioniert. Es gibt positive und negative Äste der Entropie. Erwin Schrödinger prägte erstmals den Begriff Negentropie. Er setzte die negative Entropie mit Information gleich. Lebewesen nehmen nach seiner Vorstellung Nahrungsenergie und Information aus der Umgebung auf und erhalten damit ihre Struktur. Informationen benötigen einen Träger und das sind die Ladungen.

Energie bleibt am Anfang dann erhalten, wenn es positive und negative Wärmeladungen gibt. Wir haben also am Anfang Wärme und Information.

Das Vakuum kühlt sich weiter ab und die Raumsymmetrie wird gebrochen. Spinladungen links und rechts drehend entstehen. Damit der Drehimpulssatz erhalten bleibt, muss ein Skalarboson zwischen den beiden Spinnladungen vermitteln.

Die Raumsymmetrie wird weiter gebrochen . Linksdrehenden Spinladungen werden polarisiert. Es entstehen die Isospinladungen up and down . Das entstehende Boson vermittelt die schwache Kraft. Die schwache Kraft vermittelt nur zwischen linkspolarisierten Teilchen. Rechtspolarisierte Teilchen spüren die schwache Kraft nicht.

Aus der Isospinladung entstehen die elektrischen Ladungen + und - . Mit der Trennung der elektrischen Ladungen wird auch die Zeitsymmetrie gebrochen.

Bei der folgenden Ladungstrennung entstehen die Farbladungen grün, blau und rot und die jeweiligen Antifarben mit den unterschiedlich möglichen Kombinationen.

Die Masseladung ist der nächste Freiheitsgrad.

Beim weiteren Abkühlen entstehen die 3 Familien mit ihren unterschiedlichen schweren Ladungen. Diese Ladungstrennung sollte es theoretisch gar nicht geben. Alle Teilchen sollten die Masse 0 haben und sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen , wenn die Gleichungen des Standardmodells eichsymmetrisch sein sollten. Ein Masseterm in den Gleichungen zerstört die Eichsymmetrie. Wir stehen hier vor dem größten Rätsel der gegenwärtigen Physik. Die Frage nach dem Ursprung der Masse. Wozu benötigt die Natur die Masse ? Die Lösung des Problems soll ein skalares Hintergrundfeld sein , das nach seinem Entdecker Peter Higgs auch Higgsfeld genannt. Die masselosen Elementarteilchen koppeln an das Hintergrundfeld in unterschiedlicher Stärke und erhalten dadurch ihre Masse. Jetzt haben wir statt den gemessenen Massewerten unterschiedliche Kopplungsfaktoren, die nach der herrschenden Lehre wieder nicht das Massenspektrum erklären können.

Für Prof. Heuer, dem Direktor des CERN stellt sich ‚ stellt sich Ende 2012 die Frage „ Sein oder Nicht-Sein des Higgs“ . Bis Juli 2011 wurden alle Teilchen des Standardmodels nachgewiesen und das Standardmodell bestätigt. Etwa 10 % der Reaktionen, die auf das Higgs-Teilchen schließen, wurden registriert und ausgewertet. Jetzt verbleiben noch 1.5 Jahre um die restlichen 90 % der Higgs-relevanten Reaktionen nachzuweisen. Kann das Higgs nicht mit der erforderlichen statistischen Sicherheit nachgewiesen werden, steht die Physik vor einem großen Loch. Eine Alternative zum Supraleitungsmodell von Higgs wird und wurde nicht weiterverfolgt.

Sowohl die Quarks als auch die Leptonen und die Bosonen der schwachen Wechselwirkung tragen die Masseladungen. Im logarithmischen Maßstab sind die Massen der Quarks und Leptonen quantisiert. Quarks und Leptonen bewegen sich mit einer Geschwindigkeit kleiner als die Lichtgeschwindigkeit. Die unterschiedlichen Massen bestimmen die Zerfallsreihen. Beim Zerfall der schweren Teilchen in leichtere Teilchen müssen dabei die Ladungserhaltungssätze beachtet werden.

Die Massenträgheit ist die Voraussetzung dafür, dass es beim weiteren Abkühlen zur letzten Ladungstrennung kommt. Das Quark erhält seine 6. Ladung , die Baryonenladung 1/3 . Und jedes Lepton erhält seine Leptonenladung 1 . Der Baryonenerhaltungssatz führt dazu, dass 3 Quarks sich zu einem Baryon vereinen. Die Quarks werden im Baryon durch die Farbkräfte zusammengehalten. Die Quarks haben dabei die elektrischen Ladungen +2/3 und -1/3 . Die Kraft zwischen Leptonladung und Baryonladung führt dazu, dass das Wasserstoffatom entsteht. Dabei wird Energie frei. Das Elektron umrundet im klassischen Sinne den Wasserstoffkern mit der Geschwindigkeit v<c. Das Verhältnis v/c = 1/137 entspricht gerade der Kopplungskonstanten der elektromagnetischen Wechselwirkung. Aus der Sicht der Quantenmechanik umrundet das Elektron den Kern nicht auf einer Bahn, sondern das Elektron hält sich mit hoher Wahrscheinlichkeit in einer Kugelschale auf.

Beim weiteren Abkühlen verbinden sich 2 Wasserstoffatome zu einem Wasserstoffmolekül . Und jetzt gelten alle Ladungserhaltungssätze. Die Spins erhalten den Eigendrehimpulssatz. Die schwachen Isospin-Ladungen sind erhalten. Die elektrische Ladungserhaltung mit dem negativ geladenen Elektron und dem positiv geladenen Proton gilt exakt . Die Farbladungen sind erhalten innerhalb des Protons. Leptonen und Baryonen ziehen sich gegenseitig an. Es wirkt nur noch eine Kraft über das Wasserstoffmolekül hinaus, die Gravitation. Sie ist jetzt die einzige Kraft, die nicht abgeschirmt wird. Konsequenz ist, dass sich die Wasserstoffmoleküle anziehen und sich zusammenballen in riesigen Wasserstoffwolken. Sind die Wasserstoffwolken groß genug, dann entsteht ein Stern. Die Gravitation ist also durchaus eine Kraft, die im Mikrokosmos wirkt. Sie entsteht als überschüssige Kraft, wenn alle anderen Kräfte abgeschirmt sind durch die verschiedenen Ladungserhaltungssätze.

Das Wasserstoff-System ist genau abgestimmt. Die Masse des Elektrons und die Masse des Protons stehen in einem bestimmten Verhältnis 1:1840 , dessen Zahlenwert von Anfang an den Physikern unerklärlich erscheint, wie manch andere Konstanten auch. Er ist ca e^e^2 .

Wir wissen inzwischen, dass das Proton ein sehr komplexes Gebilde ist. Der Spin ist schwer zu bestimmen. Es gibt neben den 3 Valenzquarks u,u,d in Abhängigkeit von der Energie Quark-Anti-Quarks . Offenbar zwingt das Elektron mit seinem Bahndrehimpuls über die Naturkonstante h dem Proton seine Struktur mit seiner Masse auf.

Was hindert das Proton daran , nahezu punktförmig zu sein wie das Elektron ? Warum ist sein Durchmesser ca. 10^-16 , nicht größer aber auch nicht kleiner ?

Sind es die Gluonen im Proton, die masselos sind, sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und die die Farbkräfte übertragen ? Sie brauchen Raum. Sind Gluonen die Strings der Stringtheorie, wie es Leonard Susskind in seinem Buch „Der Krieg um das Schwarze Loch „ behauptet. Gluonen als Strings haben eine enorme Spannkraft und erklären das Confinement, das die Farbkräfte in den Raum des Protons einschließt .

Was ist neu an der Planckwelttheorie ?

Sie stellt nicht die Frage „ Wo ist die Antimaterie geblieben ? „

sondern „ Wie entstand aus dem kosmischen Feuer durch asymmetrische Ladungstrennung der Wasserstoff ?“ .

Die Ladungstrennung ist asymmetrisch. Neutrinos spüren die elektrische Kraft nicht . Rechtsdrehende Spinladungen spüren nicht die schwache Kraft. Elektronen spüren nicht die starke Kraft. Masseladungen sind nur positiv. Baryonen haben keinen Bahndrehimpuls.

Zu lösen ist das spannendste Puzzle , das die Physik derzeit zu bieten hat.

Können einfache Ladungszahlen in Verbindung mit wenigen Naturkonstanten das Massenspektrum der Elementarteilchen erklären? Geben Sie einen Hinweis auf den Ursprung der Masse ?