Wie ist Materie aufgebaut? Kann Materie unendlich geteilt werden?

Wenn Sie ein Stück Materie in zwei Hälften schneiden, werden daraus zwei Materiestücke. Nimmt man ein Stück und schneidet es noch einmal in zwei Hälften, lässt es sich wieder in zwei Stücke teilen. Wenn Sie dies weiterhin tun, können Sie es dann unendlich weiter teilen?

Das ist eine interessante Frage. Viele Menschen haben sich seit der Grundschule ähnliche Fragen gestellt. Es ist auch eine alte Frage. Aufzeichnungen ähnlicher Fragen lassen sich bis ins antike Griechenland vor über 2.800 Jahren zurückverfolgen. Natürlich gab es damals noch keine Wissenschaft, und die Menschen konnten über dieses Problem nur auf einer philosophischen Ebene nachdenken. Durch die Beantwortung dieser Frage wollten die Menschen den Ursprung aller Dinge erforschen. Uns bekannte altgriechische Gelehrte wie Pythagoras und Thales haben ihre Ansichten zu dieser Frage geäußert. Unter ihnen steht Demokrits Ansicht der modernen Wissenschaft am nächsten. Er glaubt, dass Materie nicht unendlich teilbar ist und dass es „kleinste Materie“ auf der Welt gibt.

Obwohl Demokrit das Konzept der „kleinsten Substanz“ vorschlug, geschah dies nur auf philosophischer Ebene. In den Jahren vor der Geburt der modernen Wissenschaft hatte er keine Möglichkeit, die Frage zu beantworten, was die „kleinste Substanz“ sei. Jetzt haben wir die Antwort.

Die Welt besteht aus verschiedenen Arten von Materie. Die Tische, Stühle, Bänke und elektrischen Geräte um uns herum, die Felsen, Bäume, Brücken und das fließende Wasser vor dem Fenster und sogar die verschiedenen Himmelskörper im riesigen Universum bestehen alle aus Materie. Diese makroskopischen Substanzen können geteilt werden, und zwar viele, viele Male, bis sie in einzelne Moleküle zerlegt sind. Die meisten Substanzen bestehen aus Molekülen und viele Substanzen bestehen direkt aus Atomen. Nehmen wir zum Beispiel Wasser: Es besteht aus Wassermolekülen.

Wassermoleküle sind extrem klein. Generell gilt, dass ein Tropfen von etwa 0,05 ml Wasser etwa 100 Billionen Wassermoleküle enthält.

Das Wassermolekül ist sehr klein, aber es ist nicht die grundlegendste Form der Materie. Wir können das Wassermolekül weiter zerlegen und werden feststellen, dass das Wassermolekül aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom besteht. Sauerstoff ist ein Gas, mit dem wir besser vertraut sind, weil wir jeden Moment atmen müssen und die Atmung untrennbar mit Sauerstoff verbunden ist. Das Sauerstoffmolekül besteht aus zwei Sauerstoffatomen. Ist das Sauerstoffatom also die kleinste Einheit der Materie? Noch nicht. Wir können das Sauerstoffatom weiter zerlegen und werden feststellen, dass das Sauerstoffatom aus zwei Grundkomponenten besteht, nämlich dem Kern und 8 extranuklearen Elektronen. Können wir es weiter aufteilen? fähig.

Wenn wir den Atomkern öffnen, stellen wir fest, dass er Protonen und Neutronen enthält. Nehmen wir beispielsweise den Sauerstoffkern: Dieser enthält 8 Protonen und 8 Neutronen.

Diesmal muss es vorbei sein, oder? Tatsächlich glaubten Wissenschaftler zunächst, dass Protonen und Neutronen unteilbar seien, doch später fragten sich die Wissenschaftler: Was würde passieren, wenn Protonen und Neutronen mit Hochgeschwindigkeitsteilchen bombardiert würden? Als die Wissenschaftler dies tatsächlich taten, stellten sie fest, dass die bombardierten Protonen und Neutronen in drei verschiedenen Winkeln abgelenkt wurden. Das bedeutet, dass sich in den Protonen und Neutronen noch etwas anderes befand, sodass die Protonen und Neutronen dennoch gespalten werden konnten. Was ist also kleiner als Protonen und Neutronen? Es sind Quarks. Diesmal ist es nicht mehr teilbar, was bedeutet, dass Quarks die kleinsten Einheiten der Materie sind und daher auch als „Elementarteilchen“ bezeichnet werden.

Natürlich gibt es auf der Welt mehr als eine Art von Elementarteilchen. Das Elektron außerhalb des Kerns ist ebenfalls ein unteilbares Elementarteilchen, und es gibt noch viele weitere davon. Es ist also eine Theorie entstanden, die alle Elementarteilchen, aus denen Materie besteht, beschreiben kann. Sie wird als „Standardmodell“ bezeichnet.

Dem Standardmodell zufolge gibt es nicht weniger als 61 bekannte Elementarteilchen, die in zwei Typen unterteilt werden können, nämlich Fermionen und Bosonen. Man kann sagen, dass alle Materie der Welt aus diesen Elementarteilchen besteht. Welche Rolle spielen Fermionen und Bosonen bei der Zusammensetzung der Materie? Fermionen sind die kleinsten Einheiten, aus denen Materie besteht, und umfassen die gerade erwähnten Elektronen und Quarks. Interessanterweise hat Materie Masse, sei es Materie in der makroskopischen Welt oder Moleküle und Atome, aber Elementarteilchen sind masselos.

Wie bilden masselose Elementarteilchen massive Materie? Hier kommen Bosonen ins Spiel.

Zu den Bosonen zählen Photonen, Gluonen, W-Bosonen, Z-Bosonen und Higgs-Bosonen. Bosonen sind ebenfalls Elementarteilchen und haben von Natur aus keine Masse, aber Bosonen wirken als „Klebstoff“ im Aufbau der Materie. Ihre Hauptfunktion besteht in der „Übertragung von Wechselwirkungen“, und die Wechselwirkung zwischen Teilchen verleiht der Materie Masse. Wenn beispielsweise mehrere Quarks unter der Bindungswirkung von Gluonen ein Proton bilden, hat dieses Masse. Alle heute auf der Welt bekannte Materie ist auf diese Weise zusammengesetzt. Man erkennt, dass Materie nicht unendlich teilbar ist und die kleinste Einheit der Materie, also die Elementarteilchen, unteilbar sind.

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