Kristallstrukturanalyse

Simulation des Zerfalls eines Higgs-Boson am CMS-Detektor des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN in der Schweiz.

Elementarteilchen (eng. elementary particles) bilden nach Ansicht der modernen Physik die elementare Grundlage der Materie und der in der Natur wirkenden Kräfte. Die Bezeichnung „Teilchen“ ist insofern irreführend, als es sich dabei aus Sicht der Quantenfeldtheorie nicht um winzige stoffliche Dinge, sondern um die untersten Anregungsstufen bestimmter physikalischer Kraftfelder handelt. Da sie aus purer Energie erzeugt und auf vielfältige Weise durch Energieeinwirkung ineinander umgewandelt werden können, sind sie keineswegs als „unzerstörbare Bausteine“ der physischen Welt, sondern vielmehr als elementare Formbildekräfte aufzufassen.

Das Standardmodell der Teilchenphysik

Die Elementarteilchen des Standardmodells:
violett: Quarks;
grün: Leptonen;
rot: Austauschteilchen;
gelb: Higgs-Boson

Nach dem gegenwärtigem, durch entsprechende Experimente gut belegten Standardmodell der Teilchenphysik (SM) gibt es folgende Elementarteilchen:

• sechs Arten Quarks, die drei verschiedene Arten von „Farbladungen“ tragen können, durch die Kräfte der starken Wechselwirkung, die sog. Kernkräfte, auf sie wirken.
• sechs Arten von Leptonen, von denen drei eine (negative) elektrische Ladung tragen (Elektron $e^{-}$, Myon $\mu ^{-}$, τ-Teilchen $\tau ^{-}$) und die drei ihnen zugeordneten Neutrinos elektrisch neutral sind (Elektron-Neutrino $\nu _{e}$, Myon-Neutrino $\nu _{\mu }$ und Tau-Neutrino $\nu _{\tau }$)
• zwölf Arten von Eichbosonen (Austauschteilchen, Wechselwirkungsteilchen), die drei der vier Grundkräfte der Physik - ausgenommen der Gravitation - vermitteln.
• das Higgs-Boson, das als Feldquant des allgegenwärtigen Higgs-Feldes durch den sog. Higgs-Mechanismus massebehafteten Teilchen ihre Masse verleiht.

Die Protonen und Neutron, die den Atomkern aufbauen, zählen nicht zu den Elementarteilchen, da sie ihrerseits durch je drei Quarks gebildet werden.

Teilchen und Antiteilchen

Jedes Teilchen kann in zwei Formen existieren, die als Teilchen und Antiteilchen bezeichnet werden, in gewissen Fällen allerdings auch miteinander identisch sein können. Trifft ein Teilchen mit seinem zugehörigen Antiteilchen zusammen, so kommt es mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Annihilation (lat.: annihilatio „das Zunichtemachen“) oder Paarvernichtung, bei der aus der dem Teilchenpaar innewohnenden Energie andere Teilchen gebildet werden. So zerstrahlt etwa ein Elektron zusammen mit seinem Antiteilchen, dem Positron, zu zwei oder drei Photonen und aus einem Proton und einem Antiproton entstehen mehrere Pionen ($\pi$-Mesonen).

Die Bildung eines Teilchen-Antiteilchen-Paars, z.B. die Erzeugung eines Elektrons $e^{-}$ und eines Positrons $e^{+}$ aus einem energiereichen Photon $\gamma$, wird als Paarbildung oder Paarerzeugung bezeichnet.

Bosonen und Fermionen

Wichtig ist die Untergliederung der Elementarteilchen in Bosonen und Fermionen, die sich durch ihren Spin (eine Art von abstrakt gefasstem „Drehimpuls“) unterscheiden:

• Fermionen haben einen halbzahligen Spin, also ${\tfrac {1}{2}}\hbar$, ${\tfrac {3}{2}}\hbar$ etc. Sie folgen der sog. Fermi-Dirac-Statistik und gehorchen dem Pauli-Prinzip, welches besagt, dass zwei Fermionen nicht gleichzeitig am selben Ort einen identischen Quantenzustand annehmen können. Sie bewirken dadurch die räumliche Ausdehnung der Materie und sind in diesem Sinn als fundamentale „Materieteilchen“ die eigentlichen „Bausteine“ der materiellen Welt.
• Bosonen haben einen ganzzahligen Spin, also $0,\hbar ,2\hbar$ usw. Sie folgen dementsprechend der Bose-Einstein-Statistik und unterliegen nicht dem Pauli-Prinzip. Sie können dadurch in unbegrenzter Zahl am selben Ort einen identischen Quantenzustand annehmen und sich dadurch quasi unendlich dicht zusammendrängen und vermitteln auf diese Art die fundamentalen physikalischen Wechselwirkungskräfte. Sie sind gleichsam die elementaren „Kraftteilchen“.

Elementarteilchen sind keine winzigen Dinge, sondern gesetzmäßig wirkende Form

Schon der österreichische Quantenphysiker Erwin Schrödinger betonte, dass es sich bei den „Elementarteilchen“ um eine reine, gesetzmäßig wirkende Form - also de facto um geistige Gestaltungskräfte - handelt. Dass sie in der Vorstellung gerne zu kleinen materiellen Dingen vergegenständlicht werden, gemahnt ein wenig an eine moderne Form des naiven Gespensterglaubens.

„Bis in die jüngste Zeit haben, soviel mir bekannt, die Atomtheoretiker aller Jahrhunderte die in Rede stehende Charakteristik von den sichtbaren und greifbaren Teilen der Materie auf die Atome übertragen, welche sie weder sehen, noch tasten, noch sonstwie einzeln beobachten konnten. Heute sind wir in der Lage, einzelne Elementarteilchen zu beobachten, wir sehen ihre Bahnspuren in der Nebelkammer sowie - bei Versuchen, von denen oben nicht die Rede war - in einer photographischen Emulsion, wir stellen die praktisch gleichzeitigen Entladungen fest, die ein einzelnes schnelles Teilchen in zwei oder drei Geigerschen Zählrohren auslöst, welche in mehreren Metern Entfernung hintereinander aufgestellt sind. Dennoch sind wir genötigt, dem Teilchen die Würde eines schlechthin identifizierbaren Individuums abzuerkennen. Wenn früher ein Physiker gefragt wurde, aus welchem Stoff denn die Atome selbst bestünden, durfte er lächeln und ausweichend antworten. Wenn aber der Frager durchaus wissen wollte , ob er sie sich als kleine unveränd erliche Stückchen von gewöhnlicher Materie vorstellen dürfe, so wie sie sich dem vorwissenschaftlichen Denken darstellten, durfte man ihm sagen, das habe zwar wenig Sinn, aber es könne nichts verschlagen. Die ehedem bedeutungslose Frage hat heute Sinn bekommen. Die Antwort ist ein entschiedenes Nein. Dem Atom fehlt das allerprimitivste Merkmal, an das wir bei einem Stück Materie im gewöhnlichen eben denken. Manche ältere Philosophen würden, wenn ihnen der Fall vorgelegt werden könnte, sagen: eure neumodischen Atome bestehen überhaupt aus keinem Stoff, sie sind reine Form.“ (Lit.: Schrödinger, S. 135f)

Der Quantenphysiker Hans-Peter Dürr, ein langjähriger enger Mitarbeiter von Werner Heisenberg, einem der Pioniere der modernen Quantenmechanik, bringt es auf den Punkt:

„In der schwerer begreifbaren Tiefe sind in der Welt des Kleinsten die "Dinge" überberhaupt keine Dinge - deshalb will die Revolution nicht in die Köpfe: "Es gibt keine Dinge, es gibt nur Form und Gestaltveränderung: Die Materie ist nicht aus Materie zusammengesetzt, sondern aus reinen Gestaltwesen und Potentialitäten. Das ist wie beim Geist", schließt Dürr etwas riskant: "Im Grunde gibt es nur Geist, aber er verkalkt, und wir nehmen nur den Kalk wahr, als Materie."“ (Lit.: Dürr 1998)

Sehr ähnlich drückte sich auch Rudolf Steiner aus:

„Und dann wird man noch weitergehen müssen, daß man in allem verdichteten und gebildeten Geist zu sehen hat. Materie gibt es nicht! Was Materie ist, verhält sich zum Geist wie Eis zum Wasser. Lösen Sie das Eis auf, so gibt es Wasser. Lösen Sie Materie auf, so verschwindet sie als Materie und wird Geist. Alles, was Materie ist, ist Geist, ist die äußere Erscheinungsform des Geistes.“ (Lit.:GA 56, S. 59)

„Spiritisten berufen sich darauf, daß sie Geister fotografiert haben. Das Fotografieren ist ein äußerer Vorgang, und ich will mich hier nicht weiter darüber verbreiten, ob man Geister fotografieren kann oder nicht. Aber mit nicht mehr Recht als die Spiritisten behaupten, daß sie Geister fotografiert haben, berufen sich heute gewisse Physiker darauf, daß sie die Konfiguration der Atome fotografiert haben. Gewiß, man kann Kristalle mit Röntgenstrahlen bewerfen, man kann diese Röntgenstrahlen zur Reflexion, die reflektierten Strahlen zur Interferenz bringen und dann fotografieren, und man kann behaupten, man fotografiere die Konfiguration der Atome. Die wesentliche Frage ist nur: Fotografiert man hier wirklich die atomistischen Agenzien oder fotografiert man gewisse Wirkungen, die vom Makrokosmischen herkommen und die sich nur an den Punkten zeigen, an denen man glaubt, daß die Atome vorhanden sind? Es kommt überall darauf an, daß man Denk- und Vorstellungsarten findet, die in der richtigen Weise von den Erscheinungen zu dem Wesen der Dinge zu gehen vermögen.“ (Lit.:GA 73a, S. 43)

Siehe auch

• Elementarteilchen - Artikel in der deutschen Wikipedia

Literatur

1. Erwin Schrödinger: Was ist ein Naturgesetz?: Beiträge zum naturwissenschaftlichen Weltbild, Oldenburg Verlag, München 1987, ISBN 978-3486586718
2. Interview mit Hans-Peter Dürr in DER STANDARD, 12. November 1998, Materie ist Kruste des Geistes
3. Hans-Peter Dürr (Hrsg.): Rupert Sheldrake in der Diskussion, Scherz-Verlag, Bern München Wien 1997, S 227ff
4. Hans-Peter Dürr: Geist und Natur, Scherz Verlag, Bern, München, Wien 1989, S 38
5. Werner Heisenberg: Der Teil und das Ganze, 7. Aufl. München: Piper, 2002, ISBN 3492222978
6. Rudolf Steiner: Die Erkenntnis der Seele und des Geistes, GA 56 (1985) pdf pdf(2) html mobi epub archive.org English: rsarchive.org
7. Rudolf Steiner: Fachwissenschaften und Anthroposophie, GA 73a (2005), ISBN 3-7274-0735-2 pdf pdf(2) html mobi epub archive.org English: rsarchive.org

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