Gegen Wände laufen tut weh

Wenn zwei Galaxien miteinander kollidieren, dann läuft das ziemlich unspektakulär ab. Galaxien bestehen in erster Linie aus ziemlich leerem Raum. Die Abstände zwischen den einzelnen Sternen sind so gewaltig groß, dass sie kaum jemals zusammenstoßen. Die Galaxien können einander friedlich durchdringen, ohne dass dabei etwas kaputtgeht.

Wie ist das mit uns selbst? Wir bestehen aus Atomen, die aus Elektronen und Atomkernen zusammengebaut sind. Was ist dazwischen? Bestehen wir nicht auch in erster Linie aus Nichts? Warum tut es dann weh, wenn wir versuchen, durch andere Leute hindurchzulaufen oder durch die Wand ins Nachbarzimmer zu hüpfen?

Fast die gesamte Masse eines Atoms ist im Atomkern vereint. Rundherum ist noch eine Menge Platz für kleine herumflitzende Elektronen. Insgesamt ist das Atom billionenfach größer als der Atomkern. Oft liest man plastische Vergleiche zu diesem Thema: Wäre ein Atomkern so groß wie eine Kirsche, dann wäre das ganze Atom so groß wie ein Fußballstadion, und die Elektronen würden irgendwo draußen in der obersten Zuschauertribüne einsam ihre Bahn ziehen – doch solche Bilder sind eher verwirrend als nützlich. Wenn man sich Atome wie Kirschen im Fußballstadion vorstellt, dann lässt sich wirklich nicht begreifen, warum sich die Welt so fest und solide anfühlt.

Die Sache wird noch viel verwirrender: Auch der Atomkern ist keine homogene, feste Kugel. Er besteht aus Protonen und Neutronen, und die wiederum setzen sich jeweils aus drei Quarks zusammen. Diese Quarks sind Elementarteilchen – die fundamentalsten, kleinsten Bausteine unseres Universums. Bei ihnen kann man überhaupt nicht mehr von einer Ausdehnung sprechen. Man kann sie sich als punktförmig denken, als unendlich klein. So betrachtet wäre also die gesamte Materie auf genau null Prozent des Volumens konzentriert, der Rest von hundert Prozent wäre freier Raum. Also was jetzt? Die gesamte Materie braucht überhaupt keinen Platz? Warum ist die Straßenbahn dann jeden Morgen so voll?

Bei solchen Überlegungen macht man den Fehler, winzig kleine Teilchen mit viel größeren Alltagsobjekten zu vergleichen. Teilchen sind aber nun mal etwas ganz anderes.

Die Größe einer Kirsche lässt sich sehr klar definieren. Es gibt einen Bereich, in dem sich die Kirsche aufhält, und gleich daneben ist eindeutig kirschenloses Territorium. Die Kirsche ist ein kleiner Ort von ganz ausgeprägter Kirschigkeit, die am Kirschenrand sehr abrupt auf null sinkt. Es gibt keinen sanften Übergang, keinen halbkirschigen Raum dazwischen.

Teilchen muss man sich allerdings quantenphysikalisch als Welle vorstellen, die nicht an einem präzise definierten Ort sitzt, sondern ein Stück des Raumes ausfüllt. Man könnte sagen, ein Teilchen gleicht weniger der Kirsche als ihrem Duft, der sie diffus umgibt. Die Elektronen eines Atoms sind nicht winzige Punkte, die um den Atomkern kreisen, wie Fruchtfliegen um eine Kirsche, sie erfüllen das Volumen des Atoms, sie sind gewissermaßen eine Eigenschaft dieses Raums. Die Gegend in der Nähe des Atomkerns ist ziemlich elektronig, ein Stück weiter weg wird der Raum eher unelektroniger. Und diese verteilte Elektronigkeit nennt man Elektron.

Zwischen den Elektronen und dem Atomkern wirken elektromagnetische Kräfte – wie zwischen zwei Magneten. Diese Kräfte gehören untrennbar zu den Teilchen dazu, man kann die Kraft nicht von dem Teilchen losgelöst denken. Dort wo sich Materie aufhält, ist der Raum voll von solchen Kräften. Insofern unterscheidet sich der Raum zwischen einem Atomkern und den Elektronen sehr deutlich vom leeren Raum irgendwo draußen im Weltall, wo praktisch keine Kräfte wirken. Von einem Vakuum innerhalb des Atoms, zwischen Atomkern und Elektron, kann keine Rede sein.

Im Atom kreisen nicht kleine Elektronen um einen Atomkern wie Planeten um eine Sonne, Atome sind ein ausgedehnter Ort wildflimmernder Teilchenwellen und Kraftwirkungen. Bringt man nun die Atom-Flimmerwolken zweier Atome nah aneinander, dann kommt es zu einer Abstoßung. Das hat ganz wesentlich mit dem sogenannten Pauli-Verbot zu tun: Zwei gleichartige Masseteilchen dürfen sich nicht exakt im gleichen quantenphysikalischen Zustand befinden. Sie müssen sich durch irgendetwas unterscheiden – zum Beispiel eben durch ihren Aufenthaltsort. Daher leisten sie Widerstand, wenn man sie langsam an denselben Ort drängen will.

Genau dieses Wellengeflimmer, das sich in jedem Atom abspielt, ist Materie. Manche Leute verstehen das falsch und behaupten, die Quantenphysik hätte bewiesen, dass es gar keine Materie gibt, sondern nur welliges Quantengeflimmer. Das ist natürlich ein Irrtum – denn beides ist dasselbe. Wenn sich diese Leute Materie nur als kleine, langweilige, solide Kügelchen vorstellen können und nicht als wilde, wellenartige Wabbelfelder, dann fehlt ihnen einfach ein bisschen Phantasie. Aber das ist deren Problem, der Materie kann das egal sein.

Wenn wir jemandem die Hand schütteln, dann entsteht der Widerstand nicht bloß durch einen plumpen Zusammenstoß der Teilchen unserer Hände, wie bei einer Kollision von Billardkugeln, sondern unsere Teilchenwellen geraten in innigen Kontakt. Das ist doch eine deutlich poetischere Sichtweise. Eigentlich gefällt mir das sogar besser als der faszinierende kosmische Tanz von Galaxien, die kollisionsfrei durcheinander hindurchfliegen. Die tauschen zwar auch allerlei Gravitationskräfte aus, aber was ist das schon gegen eine ordentliche Umarmung!

Florian Aigner ist Physiker und Wissenschaftserklärer. Er beschäftigt sich nicht nur mit spannenden Themen der Naturwissenschaft, sondern oft auch mit Esoterik und Aberglauben, die sich so gerne als Wissenschaft tarnen. Über Wissenschaft, Blödsinn und den Unterschied zwischen diesen beiden Bereichen schreibt er jeden zweiten Dienstag in der futurezone.