Vor nicht allzu langer Zeit, hatten wir die 4 Grundkräfte: Wasser, Feuer, Luft und Erde, mit denen wir unsere Welt versucht haben zu beschreiben. Heute sind unsere 4 Grundkräfte: Elektromagnetische Wechselwirkung, die starke Kernkraft, die schwache Kernkraft und die Gravitation.

Es gibt aktuell 2 Theorien auf welche unser Weltbild fußt:

Die Relativitätstheorie: Das Licht hat immer die gleiche Geschwindigkeit, immer, und für jeden.

Und die Quantenmechanik: Es gibt eine kleinste Energie Einheit, und alles unter dieser entzieht sich unserer messbaren Wirklichkeit. Dies kleinste Wirkungseinheit nennt man das Plancksche Wirkungsquantum welches $h=6,62607015*10^{-34}$ Elektronen-Volt beträgt. Außerdem muss Alles zu einen gewissen Grad unbestimmt sein, sonst muss etwas passieren um die Unbestimmtheit wieder herzustellen. Und dabei ist der Zufall ein elementarer Bestandteil. Dies beschreibt man mit der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation.

Heute wissen wir, dass, egal in welche Richtung wir am Sternenhimmel schauen, sich alles von uns wegbewegt (außer z.B. die Andromeda Galaxie, diese bewegt sich auf uns zu, und unsere Galaxie wird eines Tages mit ihr verschmelzen, und natürlich unsere Asteroiden, Planeten und Monde e.t.c.), sprich das Universum dehnt sich aus. Wenn man das jetzt zurückdenkt, kommt man auf diverse Zustände des Universums, aufgrund der Dichte, wo Dinge passiert sind welche man heute noch messen kann. Es gibt aber einen Punkt an denen alle Formeln unendlich ergeben, so was ist in der Mathematik etwas ganz natürliches, man nennt es eine Singularität und bedeutet nichts weiter als, dass die Formeln ihren Gültigkeitsbereich verlässt. Den Punkt in der Zeit wo das passiert, nennen wir Urknall:

Relativitätstheorie

Unsere Universum hat nicht nur 3 Raumdimension (x-Achse = links oder rechts | y-Achse = rauf oder runter | z-Achse = vor oder zurück) sondern auch noch eine 4te Zeitdimension, das nennen wir Raumzeit. Alles im Universum fällt immer mit Lichtgeschwindigkeit durch die Raumzeit, allerdings Teilt sich diese Lichtgeschwindigkeit auf alle 4 Dimensionen der Raumzeit auf, das heißt: Wenn man sich nicht durch den Raum bewegt, vergeht die Zeit mit maximaler Geschwindigkeit. Andererseits, wenn man sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegt, bleibt für einen die Zeit stehen, weil man seine „Lichtgeschwindigkeit“ sozusagen aufgebraucht hat.

Da Licht an sich keine Masse hat, kann es sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, und man bezichtigen diese Geschwindigkeit mit „c“. Aber eigentlich kommt dieser Wert durch den „c“ Wert der Lorentztransformation, welche das mathematische Grundgerüst der Relativitätstheorie darstellt. Da es aber die Vakuum Geschwindigkeit des Lichts darstellt, spielt es keine Rolle. Da Licht aber obwohl es keine Masse hat, eine Energie besitzt und man diese in Energie umrechnen kann (e=m.c²) , wirkt dennoch eine Kraft auf das Licht, und deshalb kann es z.B. von einen schwarzen Loch absorbiert werden.

e=m.c² (Energie = Masse x Lichtgeschwindigkeit²)

Quantentheorie

Als Max Planck die Wärmestrahlung von einen schwarzen Körper berechnen wollte, was zu dieser Zeit unmöglich war, da man egal was man tat immer unendliche Energien herausbekam (Ultraviolett Katastrophe), kam er auf die Idee anzunehmen, dass es eine kleinste Energieeinheit geben könnte, und entdeckt so das Plancksche Wirkungsquantum: „h“.

e=h.f (Energie = Plancksches Wirkungsquantum x Frequenz)

Die Geschichte hinter der Quantenmechanik ist sehr interessant, wen das interessiert sollte sich das Buch: „Die Hintertreppe zum Quantensprung“ besorgen.

Es gab einmal ein Paper von Einstein, Rosen und Podolsky, das berühmte ERP-Paradox. In diesen Paper hat Einstein mit seinen Kollegen, alle Effekte der Quantenmechanik postuliert welche wir heute u.A. in Quantencomputern einsetzen, aber weil sie meinten, dass dies gegen den gesunden Menschenverstand verstößt müsse die Quantenphysik falsch sein. Aber an sich hatten die 3 sie sehr gut Verstanden, nur war die Technik damals leider nicht so weit um zu zeigen, dass ihre Berechnungen stimmten.

Einstein, Rosen und Podolsky haben auch nicht am Bau der Atombombe mitgewirkt. Einstein hat die Entwicklung dieser aber unbeabsichtigt ins rollen gebracht, da er den damaligen amerikanischen Präsidenten davor warnte, dass die Nazis vermutlich gerade eine entwickeln.

Wie auch immer, m.M. nicht nur jeder Österreicher sollte diese Buch lesen: Einsteins Spuk von Anton Zeilinger. Es ist eine exzellente und niederschwellige Einführung in die Quantenphysik, wo er seinen 2 fiktiven Studenten Alice und Bob anhand, des wirklich existierenden Versuchsaufbaus mit Glasfaserkabeln unter der Donau zur Quantenverschränkung, Quanten-Teleportation und Quanten-Kryptographie erklärt, was u.A. unerlässlich für das Verständnis von Quantencomputern ist.

Das wohl berühmteste Experiment in der Quantenphysik ist das sagenumwobene Doppelspalt Experiment:

Chemie

Wenn man die Physik am Kasten hat, weiß man jetzt um die Existenz von Elektronen welche um einen Atomkern „kreisen“. Harld Lesch sagt oft: Wenn man in einen Olympia Fußballstadium, in die Mitte des Anstoß-Kreises ein Reiskorn hinlegt, bewegen sich ganz außen auf der letzten Reihe der Drehbühne die Elektronen drumherum. Also ein Atom besteht zum Großteil aus leeren Raum, und der Atomkern in der Mitte, dort wo die Protonen und Neutronen sind, ist winzig klein, hat aber einen Großteil der Masse.

(Bild: Elektronen Orbitale eines Wasserstoff-Atoms)

Außerdem darf man nie vergessen, dass unsere Alltagserfahrung in der sogenannten "makroskopischen Welt", also Alles in den Größenmaßstäben in denen sich unser tägliches Leben abspielt wo alles mit rechten Dingen zugeht, sich nicht auf die Quantenwelt anwenden lässt. Dort gilt der Heisenberg: solange keiner hinschaut, kann das „Teilchen“ überall sein, und man muss es als Welle beschreiben, sobald man aber es zwing einen Zustand einzunehmen, indem man es z.B. beobachtet oder es mit anderen Teilchen wechselwirkt „kollabiert die Wellenfunktion“ und es ist genau an einen Ort. (Die Wellenfunktion welche bei Interaktion kollabiert, berechnet man übrigens mit der Schrödinger Gleichung. Dieser Erwin Schördinger war der Österreicher welcher am 1000Schilling Schein abgebildet ist.)

Jedenfalls, will ein Atomkern möglichst die gleiche Anzahl Neutronen und Protonen haben, und jedes Proton hätte gerne genau ein Elektron und eine voll besetzte äußer Hülle, das haben aber nur Edelgase. Um dennoch dieses Ziel zu erreichen, gehen Atome mehr oder weniger gerne Bindungen ein, und hier beginnt die Magie der Chemie:

📽️ https://www.youtube.com/@musstewissenChemie/videos (auf "älteste" klicken, damit die Reihenfolge richtig ist)