Hallo Jochen!
Hallo Bobok !
Ich wollt nicht zu kleinlich sein, darum hab ich vorher nichts gesagt, als du mich Bobok nanntest. Bobok ist eine Bohne und dient mir als Grussformel wie z.B. Servus, regards, viele Gruesse, etc. Bitte nenn mich Semjon!
Mir kam noch eine konkrete Frage, die ich dir gerne stellen würde:
Du schreibst, daß ein bewegtes Atom insgesamt - als System - mehr Energie hat, also auch die
Elektronen. Wenn man nun absichtlich statistische Effekte beiseite läßt und ein isoliertes Atom im
Vakuum betrachtet, welches man beschleunigt, sagen wir gaaaanz doll: springen dann die
Elektronen irgendwann von ganz alleine auf höhere Energieniveaus ?
Zuerst ganz klassisch ala Newton und Galilei:
Im „Laborsystem“:
Von der Energieerhaltung waere moeglich, dass ein Elektron angeregt wird und dafuer das Atom als ganzes an Geschwindigkeit verliert. Wegen der Impulserhaltung gehts aber doch nicht.
Im „Ruhesystem“ (System, in dem das Atom „im Moment vor der Anregung“ in Ruhe ist):
Das Atom hat hier vorher keine Geschwindigkeit. Bei Anregung muesste es eine negative kinetische Energie erhalten, was wegen E=1/2*m*v^2 schwer moeglich erscheint. Hier scheitert das ganze Unterfangen bereits an der Energieerhaltung, von der Impulserhaltung wollen wir erst gar nicht reden.
Interessant ist, dass einmal die Energieerhaltung verletzt ist, und das andere Mal nicht, obwohl doch nur das Beobachtungsbezugssystem anders ist. Meiner bescheidenen Meinung nach deutet sich hier bereits die Einheit von Raum und Zeit in der speziellen Relativitaetstheorie an, die ja Energie E und Impuls p=(px,py,pz) zu einem 4-Impuls-Vektor (E/c,px,py,pz) zusammenfasst. Hier gilt dann die Erhaltung des 4-Impulsvektors.
Anmerkung: Die Energie ist die „kanonisch konjugierte Groesse“ zur Zeit, und der Impuls entsprechend zum Raum. Die Erhaltung der Energie folgt aus der Tatsache, das die physikalischen Gesetze sich nicht aendern, wenn man Experimente zu verschiedenen Zeiten macht. Die Impulserhaltung folgt aus der Tatsache, dass der Ort des Experiments egal ist.
Wenn dem so wäre würde sich ein relativistisches Problem anschließen - denn das arme Atom kann
ja nicht wissen, wie schnell es ist. Aus der Sicht des Kerns bewegen sich die Elektronen ja nicht
schneller als von jeher. Relativ zum Atom bleibt das Atom also im Grundzustand. Ich, der ich
außenvor bin und das Atom mit 0.85c an mir vorbeirasen sehe, sehe aber ein angeregtes Atom
vorbeihuschen. Hmmm, Ist nicht nur Zeit und Raum relativ, sondern auch Energie ?
Das Relativitaetsprinzip gilt bereits eingeschraenkt fuer die Newtonsche Mechanik, denn auch hier erweisst es sich als nuetzlich, dass sich die physikalischen Gesetze fuer alle Inertialsysteme nicht unterscheiden (siehe meine Argumentation oben). Die Existenz eines ausgezeichnenten Bezugssystems haette aber zu keinen wirklichen Widerspruechen in der Theorie gefuehrt. Allerdings haette dies zur Folge gehabt, dass sich die Naturgesetze je nach Inertialsystem unterscheiden. Man koennte nicht mehr davon ausgehen, dass sich ein relativ zu diesem Bezugssystem bewegtes Atom genauso verhaelt wie ein dort ruhendes.
Zum Ursprung der Relativitaetstheorie:
Als Ende des letzten Jahrhunderts von James C. Maxwell die Gesetze der Elektrodynamik erstmals vollstaendig und in sich konsistent hingeschrieben wurden, stellte sich durch einfache Rechnung heraus, dass sich elektromagnetische Wellen mit einer Geschwindigkeit bewegen, die erstaunlich genau mit der Geschwindigkeit von sichtbarem Licht uebereinstimmte. Der Schluss lag nahe, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist. Das Problem war nur, relativ zu welchem Bezugspunkt sich diese Geschwindigkeit c=300000km/s denn nun bezieht.
Das beruehmte Experiment von Michelson und Morley sollte Aufschluss ueber die Existenz eines Aethers bringen, also eines Mediums, in dem sich Licht bewegt in Analogie zu Schallwellen in der Luft. Das Bezugssystem, in dem dieses Medium ruht, waere so ein „ausgezeichnetes Bezugssystem“, und damit haette man gut leben koennen.
Das Experiment zeigt aber im Gegenteil, dass die Geschwindigkeit von Licht immer gleich c ist, egal mit welcher Geschwindigkeit sich der Beobachter relativ zu einem hypothetischen Aether bewegt. Der Aether kann also nicht existieren.
Einstein stellte hierauf die Hypothesen auf, die zu seiner speziellen Relativitaetstheorie fuehrten, naemlich
- Es ist unmoeglich, durch irgendwelche Experimente festzustellen, ob sich ein Bezugssystem gegenueber einem anderen (ruhenden) Bezugssystem bewegt oder ob es genau andersrum ist. (Gleichheit der physikalischen Gesetze in gleichfoermig bewegten Bezugssystemen = Relativitaetsprinzip)
- Die Geschwindigkeit von Licht ist in jedem Bezugssystem konstant, naemlich c=300000km/s.
Aus diesen 2 Annahmen folgt dann der ganze mathematische Formalismus der spez. Reltheorie, Laengenkontraktion, Zeitdilatation etc etc
Im Unterschied zur Newtonschen Mechanik kann hier auf das Relativitaetsprinzip nicht mehr verzichtet werden, es ist ja einer der Grundpfeiler der Theorie.
Bei unserem Beispiel haben wir konkret das Problem, dass wir einerseits mit quantenmechanischen Zustaenden argumentieren, andererseits mit klassische oder auch relativistischer Mechanik und deren Transformationen (Galilei- bzw. Lorentz-Transformation). Du fraegst jetzt, was du siehst, wenn ein Atom mit 0.85 c vorbeifliegt, das in seinem eigenen Ruhesystem im Grundzustand ist. Wenn du von der Modellvorstellung ausgehst, dass das Elektron in einer „Wahrscheinlichkeitswolke“ um den Kern verteilt ist, dann musst du diese raeumliche Verteilung per Lorentztransformation aus dem Ruhesystem in dein Beobachtungssystem transformieren. Entsprechend der Laengenkontraktion ist diese Elektronenwolke zusammengestaucht. (*)
Hand in Hand damit erhalten die elektrostatischen Felder des Kerns und des Elektrons jetzt auch magnetische Anteile (durch die Lorentztransformation des elektromagnetischen Feldes), die, im Laborsystem berechnet, zu genau dieser gequetschten Elektronenverteilung fuehren.
Diese gequetsche Elektronenwolke muss man nun mit einem quantenmechanischen Zustand identifizieren, wobei noch diese magnetischen Beimischungen zu beachten sind.
Alles in allem ist das aber immer noch der Grundzustand, und so sollte alles beim Alten bleiben. Und wenn sie nicht gestorben sind…
(*) Das ist auch der Ursprung der Laengenkontraktion fuer ein beliebiges Objekt. Ein Meterstab wird durch elektromagnetische Kraefte (oder allgemein lorentzinvariante Kraefte) zusammengehalten, und wenn die Elektronenwolken zusammengestaucht sind, dann sind auch die Bindungen zwischen den Atomen kuerzer, und der ganze Stab ist kuerzer.
Bobok und regards
Semjon.