Unsere Alltagswelt spielt sich auf Längen von etwa einem Millimeter bis hin zu maximal einigen Tausend Kilometern ab. Mit den Messgeräten der Physik wurde der Erfahrungsbereich stark erweitert: Allerkleinste Materiebausteine sind weit unter der Größe eines Atoms bekannt, und die Grenze des beobachtbaren Universums lässt sich im Mikrowellenbereich erkennen. Zwischen den Längenextremen der Physik liegen 47 Größenordnungen!
In diesem Abschnitt wird die Physik in den Extremen der Längenskalen beleuchtet: Das Allerkleinste (und ein paar etwas größere Zusammensetzungen wie Atome) sowie das Allergrößte, womit wir die Objekte des Weltalls bis hin zum ganzen Universum meinen.
Für die greifbare Kommunikation über die typischen Eigenschaften bei unterschiedlichen Längen-, Zeit-, Massen- und Energieskalen in diesen Extrembereichen haben Forschende oft eigentümliche Einheiten entwickelt, ohne die wir in diesem Abschnitt nicht auskommen: So wird die Masse im Bereich der Elementarteilchenphysik in Energie geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit im Quadrat angegeben. Dahinter steckt der Zusammenhang zwischen Masse und Energie, E = mc2. Doch damit nicht genug, die Energie wird in einer „typischen“ Energie angegeben, nämlich in der Energie, die ein gebräuchliches Teilchen – das Elektron – besitzt, nachdem es durch ein elektrisches Feld der Spannung 1 Volt beschleunigt wurde: ein Elektronenvolt. Diese Energie ist im Alltagsmaßstab winzig, doch für Teilchen eine handliche Größe.
In der Praxis der Teilchenphysik wird allerdings mit deutlich höheren Energien gearbeitet. Das schwerste Elementarteilchen „wiegt“ 173 Milliarden Elektronenvolt geteilt durch c2. Beschleuniger bringen Protonen auf einige Billionen Elektronenvolt. Die Zehnerpotenzen werden dabei mit Einheitenvorsätzen angegeben, von denen einige auch im Alltag geläufig sind: Milli-, Zenti-, Kilo-, Mega- und Giga-. Das zuvor genannte Quark hat dann die Masse 173 GeV/c2, der Beschleuniger bringt es auf Energien von 7 TeV.
Die Astrophysik hat sich ebenfalls Einheiten gebaut, die sich aus der Natur ihrer Forschungsobjekte ergeben. Sternmassen werden in Vielfachen oder Teilen der Sonnenmasse angegeben, Planetenabstände von ihrem Zentralgestirn in der Astronomischen Einheit, die praktischerweise genau den Abstand Erde–Sonne auf 1 setzt. Für Abstände zwischen Sternen kommt – wie zuvor schon für die Teilchenmassen – die Lichtgeschwindigkeit mit ins Spiel: Dort werden Lichtjahre verwendet, die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt. Ein anderes Entfernungsmaß ist das Parsec, das mit etwas mehr als 3,26 Lichtjahren die Entfernung angibt, bei der der sichtbare Abstand Erde-Sonne genau eine Winkelbogensekunde beträgt. Längen kommen im Maßstab der kosmologischen Entfernungen oft mit den Einheitenvorsätzen Mega oder Giga im Gepäck, also als etwa Megaparsec, kurz Mpc. Kein:e Astronom:in wird das ohne kurz nachzudenken in Meter umrechnen können, aber weiß trotzdem genau, was gemeint ist.
