Dunkle Materie - ein herausragendes Porträt

"Molecule Man" (Berlin, 2013)
(Credit: Avda, via Wikimedia Commons)

Alles, was wir jeden Tag um uns herum sehen, mag auf den ersten Blick unglaublich vielseitig und verschieden aussehen. Die Straße unterscheidet sich deutlich vom nächsten Mitmenschen, der auf ihr geht. Das Gebäude nebenan sieht so ganz anders aus als die Sonne. Dein elektronisches Gerät, das diesen Text soeben darstellt, scheint in erster Linie gar nichts mit der umgebenden Luft, die es zur Kühlung verwendet, zu tun zu haben.

Obwohl in unserer makroskopischen Welt natürlich grundverschieden, so sind all diese Dinge auf der kleinsten Ebene nicht wirklich unterschiedlich - sie alle bestehen aus den subatomaren Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik. Die Protonen und Neutronen in den Atomkernen werden aus drei noch kleineren Teilchen aufgebaut, den sog. "Quarks" (1). Neben den Quarks gibt es noch die sog. Leptonen, deren wohl berühmtester Vertreter das Elektron ist - jener Atombestandteil, der wesentlich die physikalischen und chemischen Eigenschaften von all dem Zeug in der Welt bestimmt. Quarks und Leptonen müssen noch durch jene Teilchen, die die vier Grundkräfte der Natur (2) kommunizieren, und durch das Higgs-Teilchen (3) erweitert werden, um das soeben erwähnte Standardmodell der Teilchenphysik zu bilden. Zählt man dessen Teilchen erst einmal ab, kommt man auf insgesamt 61 Stück (4). Das klingt einerseits nach einer großen Menge Teilchen, andererseits ist es doch erstaunlich, dass es uns gelungen ist, die gesamte uns bekannte, materielle Welt auf diese paar Teilchen zu reduzieren. (Falls jemand von dieser Kurzzusammenfassung des Standardmodells eben nichts verstanden hat, macht das nichts. Ab jetzt wirds schon wieder einfacher!)

Obwohl wir alles, was wir im Universum sehen können, nun zumindest im Prinzip kennen, können wir uns wohl kaum auf unserem Erfolg ausruhen, denn wir wissen heute, dass die physikalischen Modelle nur etwa 4,9 Prozent seines gesamten Materie- bzw. Energieanteils zu beschreiben vermögen.

Wie schnell müsste man auf eine rote Ampel zufahren, damit diese grün wird? (Whiteboard-Skizze II)

Werner Heisenberg wird von einem Polizisten aufgehalten, weil er mit seinem Auto zu schnell unterwegs war.
Der Polizist: "Mein lieber Herr, wissen Sie eigentlich, wie schnell sie gefahren sind?"
Heisenberg: "Nein, denn es ist mir wichtiger zu wissen, 'wo' ich bin."

Zu diesem mehr oder weniger bekannten Physiker-Witz, der auf die Heisenberg'sche Unbestimmtheitsrelation anspielt, kommt heute eine weitere physikalische "Ausrede" für Verletzungen der Straßenverkehrsordnung, für die Polizisten vermutlich auch kein offenes Ohr haben - berechtigterweise.

Skipisten-Wissenschaft: Die Frage nach der Skibrillen-Farbe

Eben war Weihnachten, der Winter hat zumindest für diejenigen begonnen, die auf der Nordhalbkugel leben, viele haben Ferien. Und einige von euch wird es vermutlich auf die Skipisten ziehen!
SkifahrerInnen wissen, dass diverse Schutzkleidung (Helm etc.) ratsam ist. Insbesondere hilfreich beim Skifahren ist auch eine Skibrille - sie dient als Schutz vor gefährlicher Sonnenstrahlung, vor Wind und Schnee und zur Verbesserung der Umgebungswahrnehmung.
Doch welche Farbe der Skibrille sollte man wählen? Welche Tönung der Scheibe sieht am besten aus? - Tja, tatsächlich ist die Frage der Farbwahl keine Geschmackssache, sondern eine Frage der Physik und der Anatomie des menschlichen Auges.
Inwiefern können diese beiden Disziplinen beim Thema Skibrillen mitreden? - Darüber werde ich im Folgenden etwas erzählen.

Dieser Skifahrer trägt eine Skibrille.
Ob er sonst noch (Schutz-)Kleidung trägt, ist auf diesem Bild nicht zu erkennen, aber für den weiteren Verlauf des Artikels sowieso unerheblich.
(Quelle: http://www.photorack.net)

Warum und wie eine Skibrille Wind, Schnee, usw. von den Augen abhalten kann, ist relativ einsichtig und klar, denke ich. Viel interessanter werden die Überlegungen, wenn man sich zum Ziel setzt, dass eine Skibrille (neben Schutz vor schädlicher Sonnenstrahlung) auch die Wahrnehmung der Umgebung verbessern sollte. Mit Skibrillen sollte man im Schnee also irgendwie "besser sehen" können.

Um zu verstehen, wie dieses Ziel zu erreichen ist, könnten wir uns zuerst fragen, wie wir eigentlich unsere Umgebung wahrnehmen.

"Das ist einfach!", werdet ihr euch denken, "Das von der Umgebung reflektierte Licht trifft in unsere Augen, worauf wir irgendwie mit Hilfe unseres Gehirns ein Bild der Außenwelt erstellen." Und so ist das auch richtig: Licht, das von der Sonne kommt, wird an allem Möglichen gestreut, bevor es die Netzhaut in unseren Augen erreicht. Dort löst es verschiedene Reize aus, die in Form von elektrischen Signalen über den Sehnerv in die dahinter befindliche große Rechenmaschine - das Gehirn - gelangen, um zu etwas für uns Sinnvollem verarbeitet zu werden.
Man kann das Sonnenlicht in seine verschiedenen Wellenlängen aufspalten und sich ansehen, wie viel Licht für jede Wellenlänge auf der Erde ankommt. Dabei verändert die Atmosphäre die spektrale Zusammensetzung des Sonnenlichts deutlich, wie man in der folgenden Abbildung sieht (vgl. extraterrestrische und terrestrische Sonnenstrahlung).

Die extraterrestrische Sonnenstrahlung kann näherungsweise mit einem idealen schwarzen Strahler von 5900 Kelvin beschrieben werden.
Für unsere Überlegungen spielt allerdings nur das Spektrum der terrestrischen Strahlung eine Rolle, davon insbesondere der sichtbare Bereich des Lichts, der zwischen ultraviolettem (UV) und infrarotem (IR) Licht eingezeichnet ist.
(Credit: Degreen / Quilbert, via Wikimedia Commons)

Warum es vielerorts zu "Einschnitten" im terrestrischen Spektrum kommt, habe ich in schon einmal erklärt. (Dort könnt ihr auch nachlesen, wie man die chemische Zusammensetzung von fernen Sternen herausfinden kann.)


Wie bereits erwähnt, wird Sonnenlicht an allem Möglichen reflektiert - nicht nur an Gegenständen und am Boden, sondern auch an Teilchen in der Luft. Mit Hilfe des Modells der Rayleigh-Streuung kann man erklären, warum der Himmel blau ist: Die Luftmoleküle und "Luftteilchen" streuen blaues Licht stärker und öfter als z. B. rotes. Deshalb treffen stets blaue Lichtstrahlen auf unsere Netzhaut, egal in welche Himmelsrichtung wir blicken.
Es ist somit vergleichsweise viel blaues Licht in unserer Atmosphäre unterwegs. Das ändert sich auch kaum, wenn die Witterungsverhältnisse schlecht sind und der Boden mit Schnee bedeckt ist.
(Ich habe übrigens ein Paper namens "Optical Properties of Snow"[1] gefunden - da drinnen könnt ihr vermutlich alles über Skipisten-Licht nachlesen.)

Fürs Erste merken wir uns also:
Auf der Skipiste gibt es viel blaues Licht.

Auf der Skipiste gibt es viel blaues Licht!
Dass ich gerade hier ein so blaulastiges Foto eingefügt habe, ist natürlich reiner Zufall!
(Quelle: http://www.photorack.net)

Nun machen wir einen Abstecher in den Bereich der Anatomie des menschlichen Auges und versuchen, uns einen Eindruck von der Funktionsweise unseres Sehorgans zu verschaffen!

Im Erdkern sitzt ein riesiger Stabmagnet, oder?

Betrachtet man das Magnetfeld der Erde in größerer Entfernung, so sieht es aus, als ob dieses von einem riesigen, gekippten Stabmagneten kommt, der um ca. 450 Kilometer aus dem Erdmittelpunkt in Richtung 140° östlicher Länge verschoben ist.¹ Und obwohl eine Kompassnadel immer nach Norden zu zeigen scheint, stimmen die magnetischen Pole nicht ganz mit den geographischen Polen überein. Der "Magnet" im Inneren der Erde ist momentan um etwas mehr als 11° gegenüber der Erdrotationsachse geneigt.

Bild des Erdmagnetfeldes, welches gegenüber der Erdachse geneigt ist.
(Credit: Universität Bremen, von Wikimedia Commons)

Doch wie kommt dieses Magnetfeld überhaupt zustande? Sitzt wirklich ein gigantischer Stabmagnet mit einer roten und einer grünen Hälfte inmitten des Erdballs? (Sind seine Hälften womöglich sogar mit "N" und "S" beschriftet?)
Wissen wir eigentlich etwas über die Ursache unseres globalen Magnetfeldes? Ich meine, das tiefste Loch, das Menschen jemals gegraben haben, ist nur ein paar lächerliche Kilometer tief - nichts im Vergleich zu den etwa 6400 Kilometern bis zum Erdmittelpunkt! Noch nie konnte also jemand direkt in den Erdkern schauen und einen großen Stabmagneten sehen.
Naja, dass ein Stabmagnet, wie man ihn aus den Physikschulbüchern kennt, tatsächlich in dieser Form im Inneren der Erde steckt, ist von vornherein wohl eher unwahrscheinlich. Doch wäre eine andere Form eines solchen Magneten denkbar, die das gleiche Magnetfeld erzeugt und natürlich entstanden sein könnte?

Nun ja... Da wir, wie es aussieht, nicht hinuntergraben und nachsehen können, müssen wir versuchen, den Ursprung des Erdmagnetfelds auf eine andere Art herauszufinden.