Sie haben sicher schon Videos gesehen, in denen Figuren wie Geister durch Wände gehen. Bei genauerer Betrachtung bestehen Atome zu einem sehr großen Teil aus Leere. Warum also ist die physikalische Realität so anders?
Atome, die grundlegenden Bausteine der Materie, bestehen hauptsächlich aus leerem Raum. Der extrem kleine Kern ist von sich bewegenden Elektronen umgeben. Trotz dieser überwiegend leeren Struktur widerstehen feste Objekte dem Durchdringen aufgrund fundamentaler Kräfte.
Die elektrostatische Abstoßung verhindert, dass sich Atome einander nähern. Die negativ geladenen Elektronen, die jeden Atomkern umgeben, stoßen sich gegenseitig ab, wenn sie sich nähern. Dieses Phänomen ähnelt der Abstoßung zwischen zwei Magneten mit gleichen Polen. Es erhält die Festigkeit der Materialien, indem es jede atomare Überlappung verhindert.
Das Pauli-Ausschlussprinzip verstärkt diese Unmöglichkeit. Da Elektronen Fermionen sind, können sie nicht denselben Quantenzustand einnehmen. Selbst wenn man sich zwei sich überlappende Elektronenwolken vorstellt, verbietet dieses Prinzip diese Konfiguration. So verschmelzen Atome selbst unter Druck nicht und bewahren die Integrität der Materie.
Doch die Quantenmechanik führt eine theoretische Ausnahme mit dem Tunneleffekt ein. Ein Teilchen kann eine Energiebarriere mit einer winzigen Wahrscheinlichkeit überwinden. Für ein makroskopisches Objekt wie einen Menschen mit so vielen Atomen und Teilchen ist diese Wahrscheinlichkeit praktisch null. Sie ist so gering, dass sie im Alter des Universums nicht auftreten würde.
Im Atom, zwischen Kern und Elektronenwolke, Leere, viel Leere.
Diese Prinzipien erklären, warum wir nicht durch Wände gehen können. Sie gewährleisten die Stabilität unserer alltäglichen Welt. Ohne sie hätte Materie keine definierte Form, und das Universum wäre radikal anders.
Was ist elektrostatische Abstoßung?
Die elektrostatische Abstoßung ist eine Kraft, die Teilchen mit gleicher Ladung voneinander wegdrückt. Sie ergibt sich aus dem Coulombschen Gesetz des Elektromagnetismus.
Diese Kraft wirkt über Distanz und hängt von der Größe der Ladungen und ihrem Abstand ab. Sie erzeugt viele Eigenschaften, wie die Struktur von Atomen und Molekülen. Bei festen Materialien verhindert sie, dass sich Atome über eine bestimmte Grenze hinaus zusammendrücken. So trägt sie zur Steifigkeit und Härte von Objekten bei.
Das Verständnis dieser Kraft hilft zu erklären, warum Wechselwirkungen auf mikroskopischer Ebene das makroskopische Verhalten bestimmen.
Wie funktioniert der quantenmechanische Tunneleffekt?
Der Tunneleffekt ist ein Quantenphänomen, bei dem ein Teilchen eine Energiebarriere durchdringt, die es klassisch nicht überwinden können sollte. Es resultiert aus der Wellennatur der Teilchen.
Die Wellenfunktion des Teilchens verschwindet nicht sofort an der Barriere, sondern klingt exponentiell ab. Wenn die Barriere ausreichend dünn ist, besteht eine nicht verschwindende Wahrscheinlichkeit, das Teilchen auf der anderen Seite wiederzufinden.
Obwohl kontraintuitiv, ist es experimentell gut belegt und hat wichtige technologische Anwendungen.