The invisible motion of still objects - Ran Tivony

Übersetzung: Johannes Duschner Lektorat: Angelika Lueckert Leon

Many of the inanimate objects around you probably seem perfectly still.

Viele unbewegliche Objekte um uns, scheinen vollkommen reglos zu sein.

But look deep into the atomic structure of any of them,

Blickt man aber tief in den atomaren Aufbau dieser Objekte,

and you'll see a world in constant flux.

wird man eine Welt in ständigem Wandel erkennen:

Stretching,

sich dehnende,

contracting,

sich zusammenziehende,

springing,

federnde,

jittering,

drifting atoms everywhere.

zitternde,

wandernde Atome überall.

And though that movement may seem chaotic, it's not random.

Und obwohl diese Bewegungen wirr erscheinen, sind sie nicht zufällig.

Atoms that are bonded together,

Atome, die miteinander verbunden sind,

and that describes almost all substances,

und das beschreibt fast alle Stoffe,

move according to a set of principles.

bewegen sich gemäß einer Reihe von Grundsätzen.

For example, take molecules, atoms held together by covalent bonds.

Zum Beispiel: Moleküle; Atome, die eine Elektronenpaarbindung zusammenhält,

There are three basic ways molecules can move:

können sich auf drei grundsätzliche Arten bewegen:

rotation,

Drehung,

translation,

Verschiebung

and vibration.

und Schwingung.

Rotation and translation move a molecule in space

Drehungen und Verschiebungen bewegen ein Molekül im Raum,

while its atoms stay the same distance apart.

während die Atome den selben Abstand behalten.

Vibration, on the other hand, changes those distances,

Schwingungen, andererseits, verändern diese Abstände,

actually altering the molecule's shape.

und wandeln wirklich die Form des Moleküls.

For any molecule, you can count up the number of different ways it can move.

Für jedes Molekül kann man die Anzahl der Bewegungsmöglichkeiten abzählen.

That corresponds to its degrees of freedom,

Das entspricht den Freiheitsgraden,

which in the context of mechanics

die im Rahmen der Mechanik

basically means the number of variables we need to take into account

die Anzahl der Variablen meint, die wir berücksichtigen müssen,

to understand the full system.

um das ganze System zu verstehen.

Three-dimensional space is defined by x, y, and z axes.

Drei-dimensionaler Raum wird durch die x-, y-, und z-Achse umrissen.

Translation allows the molecule to move in the direction of any of them.

Die Verschiebung ermöglicht dem Molekül sich auf jedes andere zuzubewegen.

That's three degrees of freedom.

Das sind drei Freiheitsgrade.

It can also rotate around any of these three axes.

Es kann sich auch um jede dieser drei Achsen drehen.

That's three more,

Das sind drei weitere,

unless it's a linear molecule, like carbon dioxide.

außer es ist ein lineares Molekül, wie Kohlendioxid.

There, one of the rotations just spins the molecule around its own axis,

Da wirbelt die Drehung das Molekül nur um seine eigene Achse herum,

which doesn't count because it doesn't change the position of the atoms.

was nicht zählt, weil damit nicht die Position des Atoms verändert wird.

Vibration is where it gets a bit tricky.

Bei Schwingungen wird es ein wenig heikel.

Let's take a simple molecule, like hydrogen.

Nehmen wir ein einfaches Molekül wie Wasserstoff.

The length of the bond that holds the two atoms together is constantly changing

Die Länge der Bindung, die die zwei Atome zusammenhält, ändert sich ständig,

as if the atoms were connected by a spring.

so als ob die Atome durch eine Feder verbunden wären.

That change in distance is tiny, less than a billionth of a meter.

Diese Änderung des Abstands ist winzig, weniger als ein einmillionstel Meter.

The more atoms and bonds a molecule has, the more vibrational modes.

Je mehr Atome und Bindungen ein Molekül hat, desto mehr Schwingungsformen hat es.

For example, a water molecule has three atoms:

Beispielsweise hat ein Wasseratom drei Atome:

one oxygen and two hydrogens, and two bonds.

Ein Sauerstoffatom, zwei Wasserstoffatome und zwei Bindungen.

That gives it three modes of vibration:

Das ergibt drei Schwingungsformen:

symmetric stretching,

Symmetrische Streckschwingung,

asymmetric stretching,

Asymmetrische Streckschwingung

and bending.

und Scher-Schwingung.

More complicated molecules have even fancier vibrational modes,

Kompliziertere Moleküle haben sogar noch ausgefallenere Schwingungsformen:

like rocking,

Schaukel-Schwingung,

wagging,

Wipp-Schwingung,

and twisting.

und Dreh-Schwingung.

If you know how many atoms a molecule has, you can count its vibrational modes.

Weiß man, wie viele Atome ein Molekül hat, kann man die Schwingungsformen zählen.

Start with the total degrees of freedom,

Man fängt mit den Gesamt-Freiheitsgraden an,

which is three times the number of atoms in the molecule.

indem man die Anzahl der Atome im Molekül mal drei nimmt.

That's because each atom can move in three different directions.

Und zwar deshalb, weil jedes Atom sich in drei Richtungen bewegen kann.

Three of the total correspond to translation

Drei davon ergeben sich aus der Verschiebung,

when all the atoms are going in the same direction.

wenn sich alle Atome in dieselbe Richtung bewegen.

And three, or two for linear molecules, correspond to rotations.

Drei oder zwei bei linearen Molekülen, ergeben sich aus der Drehung.

All the rest, 3N-6 or 3N-5 for linear molecules,

Der ganze Rest, 3N-6 oder 3N-5 für lineare Moleküle,

are vibrations.

sind Schwingungen.

So what's causing all this motion?

Was verursacht die ganzen Bewegungen?

Molecules move because they absorb energy from their surroundings,

Moleküle bewegen sich, da sie Energie aus ihrer Umgebung aufnehmen,

mainly in the form of heat or electromagnetic radiation.

hauptsächlich in Form von Wärme oder elektromagnetischer Strahlung.

When this energy gets transferred to the molecules,

Wenn diese Energie auf die Moleküle übertragen wird,

they vibrate,

schwingen sie,

rotate,

drehen sie sich,

or translate faster.

oder verschieben sich schneller.

Faster motion increases the kinetic energy of the molecules and atoms.

Schnellere Bewegung erhöht die kinetische Energie der Moleküle und Atome.

We define this as an increase in temperature and thermal energy.

Man definiert das als Anstieg von Temperatur und thermischer Energie.

This is the phenomenon your microwave oven uses to heat your food.

Die Mikrowelle nutzt dieses Phänomen, um Mahlzeiten zu erhitzen.

The oven emits microwave radiation, which is absorbed by the molecules,

Die Mikrowelle gibt Mikrowellen- Strahlung ab, die Moleküle aufnimmt,

especially those of water.

insbesondere die des Wassers.

They move around faster and faster,

Sie bewegen sich immer schneller,

bumping into each other and increasing the food's temperature and thermal energy.

stoßen ineinander und erhöhen die Temperatur und die thermische Energie.

The greenhouse effect is another example.

Der Treibhaus-Effekt ist ein anderes Beispiel.

Some of the solar radiation that hits the Earth's surface

Etwas von der auf der Erde auftreffenden Sonnenstrahlung

is reflected back to the atmosphere.

wird in die Atmosphäre zurückgeworfen.

Greenhouse gases, like water vapor and carbon dioxide absorb this radiation

Treibhausgase wie Wasserdampf und Kohlendioxid nehmen diese Strahlung auf

and speed up.

und beschleunigen die Bewegung.

These hotter, faster-moving molecules emit infrared radiation in all directions,

Diese heißeren, sich schneller bewegenden Moleküle geben infrarote Strahlung ab,

including back to Earth, warming it.

die die Erdoberfläche aufheizt.

Does all this molecular motion ever stop?

Hört diese Molekularbewegung irgendwann auf?

You might think that would happen at absolute zero,

Man könnte meinen, das geschehe am absoluten Nullpunkt,

the coldest possible temperature.

der tiefsten möglichen Temperatur.

No one's ever managed to cool anything down that much,

Niemandem ist es jemals gelungen, etwas soweit abzukühlen,

but even if we could,

aber selbst wenn man es könnte,

molecules would still move due to a quantum mechanical principle

würden die Moleküle sich weiter bewegen, gemäß einem Prinzip der Quantenmechanik,

called zero-point energy.

genannt Nullpunktsenergie.

Anders gesagt: Alles bewegt sich seit den allerersten Augenblicken des Universums

In other words, everything has been moving since the universe's very first moments,

and will keep going long, long after we're gone.

und es wird so weitergehen, lange nachdem wir verschwunden sind.