Der Raum so weit, so groß die Welt: Von der Suche nach dem Elementaren im Kleinsten und Größten
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Über dieses E-Book
Die Physik steht heute so unangefochten dar, wie nie zuvor. Sie kennt anscheinend souverän Antworten auf jede Grundsatzfrage der Natur. Doch tatsächlich sind die entscheidenden Fragen weiter ungelöst. Vielleicht braucht es nur wenige, aber entscheidende Veränderungen, um wieder Bewegung in das Ganze zu bringen.
Der Autor setzt sich hier kritisch mit den grundlegenden Theorien der Physik auseinander und sucht Ideen und Wege, die Welt im Größten und Kleinsten zu begreifen.
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Buchvorschau
Der Raum so weit, so groß die Welt - Christian Hermenau
Einleitung
Ein kleiner Junge saß im Sand, abseits von den anderen Kindern auf dem Spielplatz, harkte, ordnete die Körner zu Linien, ebnete die für ihn so chaotischen Sandhäufchen, diese vielen kleinen unregelmäßigen Hügel zu einem flachen gleichmäßigen Feld. Hin und her fuhren die Harke und die Schippe, bis alles seinen Ansprüchen genügte. Dann nahm er seinen geliebten massigen Trecker aus Holz und bewegte das schwere Fahrzeug langsam durch den ebenen, gerade so mühevoll bearbeiteten Sand. Den Trecker hatte ihm sein Onkel gebaut. Mit viel Liebe hatte er ihn geduldig aus Blech und Holz für seinen Neffen zusammengebastelt. Nun lag der Neffe auf der Seite im Sand, kämpfte sich kraftvoll mit dem Trecker immer tiefer hinein und brummte versonnen vor sich hin. Er war weit weg mit seinen Gedanken, beobachtete konzentriert die Bewegung und fühlte der Kraft nach, die sich ihm entgegensetzte.
Im Hintergrund lachten und johlten die anderen Kinder auf dem Spielplatz, kämpften ihre Schlachten, eroberten Teile des Spielplatzes, teilten sich auf in Gut und Böse, verteidigten die Rutsche, schossen mit Stöcken auf ihre Angreifer, brüllten und kreischten und hatten ihren Spaß dabei. Nicht so unser Junge mit dem Trecker. Krieg spielen war nicht sein Fall und die vielen anderen Kinder machten ihn eher nervös, als dass er mit ihnen zusammen sein wollte. So wie die anderen ihr lautes Zusammensein liebten, das Spiel mit ihresgleichen, so genoss er den kühlen Sand unter sich, die leisen Geräusche die der Traktor machte, ja sogar das Alleinsein gefiel ihm. Er hatte seine Ruhe, keine Aufgaben, keine Verpflichtungen, musste an nichts denken, er fühlte sich frei und geborgen.
Er war ein hübsches Kind mit einem zu eckigen Hinterkopf, wie seine Mutter fand. Leider sprach er erst spät, nur wenig und wenn formulierte er gleich komplette, wohlgeformte Sätze, die er sich sicherheitshalber zuerst einmal leise selbst aufsagte, bevor er sie laut aussprach. Zudem brauchte er oft recht lange für eigentlich einfache Überlegungen, so dass seine Eltern schon Sorge hatten, ihr Sohn könne etwas zurückgeblieben sein. „Albert! Deine Lehrerin ist da", rief seine Mutter, eine sehr fürsorglich, disziplinierte Frau, voll von großen Erwartungen, was ihren kleinen verträumten Liebling betraf. So sollte er schon, bevor er in die Schule kam, von einer Hauslehrerin unterrichtet werden. Er war ihr Augenstern, aber sie hatte auch genaue Vorstellungen, was aus ihm später werden sollte und dazu gehörte eine gute Ausbildung. Aus ihm sollte mal ein gebildeter Mann werden, auch studieren sollte er, und das wollte sie nicht dem Zufall überlassen. Zum Glück waren da noch sein Vater und der Onkel, die das Leben nicht ganz so ernsthaft angingen. Die Beiden wussten über die neusten Entwicklungen der Elektrotechnik Bescheid und liebten es, das Kind in die geheimnisvolle Welt der Elektrizität mitzunehmen. Sie erklärten ihm geduldig, stundenlang die Phänomene der Spannung und des Stroms. Das war, in den Augen des kleinen Jungen, die wirklich aufregende Welt. In einer Zeit, wo die Straßen noch von Fuhrwerken befahren wurden, waren die Elektrizität und der Magnetismus das spannendste, was ein Junge damals entdecken konnte. Für ihn war es die moderne große, weite Welt. Es brannte in ihm, die Geheimnisse der Elektrizität und des Magnetismus zu beobachten und zu verstehen.
Die Einsteins - eine liberale, liebevolle, kleine Gemeinschaft. Vater Hermann war ein Freidenker, der sich wenig respektvoll über Dogmen und Rituale äußerte. Starres Obrigkeitsdenken waren Hermann und Pauline Einstein fremd. Sie dachten fortschrittlich, pflegten das gemeinschaftliche Gespräch bei Tisch, förderten Belesenheit und die Musik. In diesem harmonischen, geborgenen Familienumfeld konnte sich der kleine Albert frei entwickeln oder sich einfach nur wohl fühlen. Seine übermäßige Phantasie fand in der Familie immer wieder neue Nahrung und sein Gehirn wurde fortwährend angeregt, bis sich sein Geist langsam zu dem späteren Genie entwickelte. Nicht die verhasste Schule war es, die aus ihm das machte, was später aus ihm wurde. Im Gegenteil, man muss fast sagen, trotz der Schule hat er seine unkonventionelle Art zu denken beibehalten. Denn die Schule im 19. Jahrhundert war, aus der Sicht eines kleinen, sensiblen Jungen, brutal. Sie versuchte eher kleine folgsame Untertanen hervorzubringen, als kreative und kritische Menschen zu fördern. Disziplin und Ordnung waren auch hier das oberste Gebot. Der Staat brauchte Bürger, die mit Feuereifer, in den Krieg ziehen würden, wenn das Vaterland bedroht wurde und so wundert es nicht, dass der kleine Einstein die autoritäre Strenge und Gewalt hasste und jedes Interesse am Unterricht verlor. So brach er als 15-Jähriger die Schule ab und reiste seinen Eltern nach Mailand hinterher, wo er ein Jahr lang ohne Unterricht oder Ausbildung lebte.
Albert Einstein war ein außergewöhnlicher Mensch, der nicht nur wegen seiner großen Leistungen so berühmt wurde, sondern auch wegen seiner Originalität. Er verkörperte, wie kaum ein anderer, den Traum von Unabhängigkeit und Freiheit im Geist, der vielen als Vorbild dient. Bis heute prägt Einstein noch das Bild vom zerstreuten Physiker, der vergeistigt die Welt betrachtet.
In seiner frühen Kindheit zeichnete sich eine derartige Entwicklung zunächst nicht ab. Und als er dann noch als Jugendlicher das Gymnasium verließ, hätte man ihm wohl eher das Ende seiner Karriere vorausgesagt.
Sein Vater und sein Onkel legten vielleicht den Grundstein für sein technisches und naturwissenschaftliches Interesse und seine Mutter gab ihm den Ehrgeiz, Großes zu leisten und die Liebe zur Musik mit auf den Weg. Doch reicht das, um sein Genie zu erklären? Im Fall von Einstein hätte wohl niemand zu prophezeien vermocht, dass aus ihm mal der bekannteste Physiker des 20. Jahrhunderts werden würde.
Die Anfänge der Physik
Einstein steht mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie und seinen Arbeiten zur Quantentheorie genau an der Schwelle zur modernen Physik. Die klassische Physik vor Einstein wurde von vielen bedeutenden Physikern, wie Galilei, Newton oder Maxwell, geprägt. Die Zahl der großen Persönlichkeiten, die mithalfen das Gebäude der klassischen Physik zu errichten, ist lang, zu lang um sie alle aufzuzählen. Dabei liegen die Ursprünge der Physik, in ihrer wissenschaftlich strengen Form, bei Galileo Galilei, der nur 200 Jahre vor Einstein wirkte.
Es gab auch schon in der Antike zahlreiche Gelehrte, die sich mit Naturphänomenen beschäftigten und diese zum Teil auch mathematisch beschrieben, doch war die antike Physik noch hauptsächlich eine Natur beschreibende Physik. Gute Kenntnisse hatte man, beispielweise über die Luftdichte, den Aufstieg von warmer Luft und die magnetische Anziehung. Das Gesetz vom Auftrieb, nach Archimedes, wird selbst heute in der Schule genau so gelernt. Besonders die Vorstellung von Licht als geometrischer Erscheinung bei der Spiegelung und Brechung waren genauestens bekannt und nährten den Verdacht, dass in der Natur mathematische Regeln in ihrer Idealform stecken. Aristoteles, 384 Jahre v. Chr. geboren, nannte sein Werk schlicht „Physik". Damit prägte er den Namen Physik, auch wenn seine Naturbeschreibung noch nicht der heutigen wissenschaftlichen Form entsprach. Trotzdem waren seine Erkenntnisse, bis in die frühe Neuzeit, für den Wissenschaftsbetrieb maßgeblich. Noch im späten Mittelalter und in der Renaissance mussten sich die Naturwissenschaften mit der aristotelischen Naturlehre auseinandersetzen. Über einen Zeitraum von 2000 Jahren prägte die aristotelische Naturphilosophie das Weltbild der Menschen mit.
Die heutige Form der physikalischen Weltbetrachtung wird durch das alles entscheidende Instrument der Physik, dem Experiment, vervollständigt. Alle Ideen, jede Vermutung, jede Hypothese und Theorie, müssen empirisch überprüft werden. Damit unterscheidet sich die Physik von der Philosophie und von der Theologie, aber auch von allen metaphysischen Lehren. Die entscheidenden Punkte der Behauptung müssen genauestens herausgearbeitet werden und in einem möglichst idealen, jederzeit wiederholbaren, allgemeingültigen Experiment, überprüft werden. Erst dadurch unterscheidet sich eine physikalische Theorie von einer Fiktion. Jahrtausende lang war dies keineswegs selbstverständlich. Anders als unsere technologische, rational aufgeklärte Gesellschaft, verschwammen Wissen und Vorstellung. Der Alltag war von phantasievollen, gefühlt sinnvollen Beschreibungen bestimmt. Vermutlich hätten die Menschen mit Unverständnis darauf reagiert, Sachverhalte die selbstverständlich waren zu hinterfragen oder gar aufwendig zu überprüfen. Das Denken sah diese Option gar nicht vor. Das reformierte sich erst in der Neuzeit grundlegend. Mit der Entdeckung neuer Länder und der rasanten Zunahme an Wissen durch den Buchdruck, veränderte sich das Weltwissen jedes Einzelnen. Immer mehr Persönlichkeiten stellten die alte Ordnung in Frage und öffneten sich den neuen Entdeckungen, mit Hingabe.
In diesem Kontext wundert es nicht, dass auch ein Mann wie Galilei anfing, das bisherige Wissen, die Physik der Alten, systematisch im Experiment zu überprüfen und so zu ganz neuen Bewertungen und Einschätzungen über die Natur kam. Schöpfung und Naturgesetze wurden nicht mehr als eine von Gott so gewollte, in einem Schöpfungsakt entworfene und realisierte Welt angesehen, die man fraglos hinnahm, sondern es wurden Messungen und Analysen vorgenommen, aus denen sich Gleichungen und Axiome ergaben. Die Freiheit des Phantastischen, die vielen Möglichkeiten, die uns unser Gehirn auch als realistische Einschätzung aufzeigt, wurden gestutzt auf eine überprüfbare Endlichkeit und eine geordnete Gesetzmäßigkeit der Natur, mittels Formeln und Gleichungen. Unsere Welt wurde dadurch zunächst viel kleiner und enger, aber wie wir wissen, entwickelten sich aus dieser Methodik neue, völlig ungeahnte Welten und letztendlich eine so unglaubliche Technik, dass sie die Vorstellungskraft der Alten von dem was man bewerkstelligen kann, bei weitem übertraf.
Galilei hatte das Experiment in der Physik, mit seiner Autorität, fest installiert und damit die Physik von Aristoteles und Sokrates, durch die Empirie vervollständigt. Damit wurde sie zu einer echten modernen Naturwissenschaft. Jede Idee, jede Hypothese und jede Theorie musste an der Natur wiederholbar überprüft werden und es kamen plötzlich immer mehr Geheimnisse ans Licht, die in den Naturerscheinungen schlummerten und erst durch das Experiment entdeckt wurden. So entwickelte sich ein eigener Zweig der Physik, die Experimentalphysik, die entweder die Theorien zu bestätigten versuchte, bekannte Größen und Konstanten immer genauer bestimmte oder sogar Neues erforschte, bzw. entwickelte, also echte Grundlagenforschung betrieb. Die Befunde der experimentellen Physik waren dann wieder Anlass für die theoretische Physik, die Hypothesen und Theorien zu verbessern oder ganz neu aufzustellen.
Damit kann Galileo Galilei vielleicht als Vater der heutigen Physik bezeichnet werden, falls man überhaupt eine Einteilung vornehmen will. Verblüffend ist, dass sich seine allgemeingültigen Gesetze, im Vergleich zu Aristoteles, aus ungenauen Verallgemeinerungen ergaben. Aristoteles konnte den Kreis zur vollkommensten Form der Bewegung erheben und darauf die Bewegungen der Gestirne aufbauen. Stützt man sich auf Experimente, so sind diese immer unvollkommen, erst recht mit den Mitteln der damaligen Zeit. Will man trotzdem universelle Gesetze daraus ableiten, muss man sie in Gedanken idealisieren. Beispielsweise stellt man sich in Gedankenexperimenten den Raum luftleer oder reibungsfrei vor und bezieht das in seine Experimente mit ein. Auf diese Weise kommt man zu Zusammenhängen, die zwar so nur für den Idealfall gelten, in denen aber doch das Wesen der Natur in Form eines Gesetzes steckt.
Natürlich hatte Galilei auch die Persönlichkeit und die Anerkennung der Fachwelt hinter sich, um das Naturwissen ganz von der Philosophie zu lösen und damit auf eine neue Stufe zu stellen. Trotz seiner Schwierigkeiten mit der Obrigkeit, genoss er, besonders außerhalb von Italien, in Fachkreisen hohes Ansehen und mit seinem Werken über die Mechanik nahm der Weg der Physik bei ihm seinen Anfang.
Inzwischen hat sich das gesellschaftliche Bild von der Physik und ihrer Bedeutung für die Gesellschaft, sowie auch für die Philosophie, komplett gewandelt. Was die Frage nach dem Ursprung allen Seins betrifft, ist heute nicht mehr die Theologie die Instanz, die als einzige, neben der Philosophie, antworten auf die Grundsatzfragen gibt, die anerkannt werden. Bislang stand die Physik immer im Schatten der Mathematik und der Philosophie und musste sich aus den übergeordneten Schöpfungsfragen heraushalten. Die Theologie gab die Grundlagen vor, daran hatte sich der Mensch zu halten. In der Philosophie wurden akademische Fragen über das Denken, auch das Naturgeschehen betreffend, theoretisch diskutiert und es wurde versucht die Klarheit der Mathematik und der Logik in den Aufbau der Welt mit einzuarbeiten. Doch der Durchbruch, der Physik als exakte Wissenschaft, gelang ihr erst, als auch das Denken jedes Einzelnen, kritischer und rationaler wurde. Erst nachdem die Menschen anfingen sich selbst zu erkennen, sich ihrer Individualität bewusst wurden, war es ihnen möglich die biblische Schöpfung in Frage zu stellen. Ab dann, konnten sie die Gesetzmäßigkeiten in der Natur analytisch, sachlich, nüchtern begreifen und verstehen.
Musste der Italiener noch um die Reputation seiner Person als Physiker in der allgemeinen Gesellschaft kämpfen, so genießt ein Physikprofessor inzwischen großes Ansehen, selbst wenn er unbekannt bleibt. Heute würde niemand darüber spötteln, wenn sich jemand als Physiker vorstellt.
Physiker stehen für Intelligenz und Klugheit. So heißt es, dass Physiker komplexe Sachverhalte verstehen und Lösungen dafür finden können. Sie sind diejenigen, die heute über den Ursprung des Universums nachdenken, sich über die ganz großen Weltfragen Gedanken machen und die Entscheidung darüber fällen, was als anerkannte Meinung akzeptiert wird und was nicht. Nicht mehr die Theologie und auch nicht mehr die Philosophie findet heute in der gesellschaftlichen Diskussion über das Woher und Wohin so viel Respekt und Gehör wie die Physik. Ob zu Recht oder zu Unrecht und ob man wirklich jeden Physiker ernst nehmen sollte, ist eine andere Frage. Allein schon die verwirrenden, fremdartigen Formeln und Gleichungen, mit ihren vielen abstrakten Zeichen, haben etwas Achtung gebietendes. Gleichungen die eine ganze Tafellänge beanspruchen und Umformungen, Beweise und Rechnungen, die sich in einer Vorlesung über viele große Tafeln erstrecken, sind selbst für Physiker ermüdend und schwer zu verfolgen, haben aber eine respekteinflößende Wirkung.
Der Weg zum Physiker ist lang und mühevoll und die wirklich spannenden Themen werden oft nur kurz behandelt oder verschwinden wieder aus der Anschaulichkeit in die Mathematik. Das Physikstudium bietet wenig Raum für philosophische Betrachtungen. Meistens bleibt die Ausbildung sehr sachlich und nüchtern, mit einem hohen Maß an Spezialisierung.
Die Physik ist eine Grundlagenwissenschaft. Auf ihren Erkenntnissen bauen die weiterführenden Naturwissenschaften und die Technik auf. Es steht weder die Anwendungsbezogenheit im Vordergrund noch ob es für den Menschen wichtig ist, ob es ihm in irgendeiner Weise Nutzen bringt. Sie beschäftigt sich mit den grundlegenden Phänomenen in der Natur und versucht ihre Eigenschaften und ihr Verhalten, in Modellen und Gesetzmäßigkeiten zu erklären. Liest man über die großen Entdeckungen in der modernen Physik, dann wird man angeregt, sich selbst über elementare Dinge wie die Materie oder den Raum Gedanken zu machen. Studiert man später Physik, fällt gleich auf, wie wenig das Erhabene im Studium eine Rolle spielt und wie sachlich die Lehre mit dem Geheimnisvollen, dem Unbekannten umgeht. Auch im späteren Tätigkeitsfeld eines Physikers, wird nicht mehr über die großen, offenen Fragen diskutiert, als in anderen Bereichen der Gesellschaft. Mit den wirklich großen, spekulativen Fragen der Physik beschäftigt sich beruflich später nur ein äußerst kleiner, fast elitärer Kreis, an den großen Grundlagen-Laboratorien und in den bedeutenden Universitäten. Vielen Physikern, aber auch fachfremden Menschen, die sich Gedanken über den Aufbau der Welt machen, ist dieser Zugang meist verwehrt. Gehör findet nur, wer Einlass zu den alles bestimmenden akademischen Zeitschriften der Physik hat. Dafür braucht man Reputation. Es muss ein angesehenes Institut oder ein großes Forschungslabor hinter ihm stehen. Außenstehende haben da keine Chance. Es geht nicht darum über falsche Ideen und kreativen Gedanken sich weiterzuentwickeln, sich hoch zu irren, etwas auszuprobieren und daraus zu lernen, sondern wer den Zugang hat, wer ganz oben steht, der gibt den Weg vor, er bestimmt was richtig und was falsch ist. Doch auch innerhalb der Fachkreise werden Kritiken oder aufgedeckte Fehler nicht als Bereicherung auf dem Weg zu neuem Erkenntnisgewinn gesehen, sondern sie werden wie ein Angriff auf die eigene Person gewertet. Mitstreiter gelten als Konkurrenten auf die wenigen Karriereposten.
Die scheinbar so objektive Physik wird in den großen, spekulativen Fragen von einigen wenigen festgelegt und selbst wenn die zunehmenden Ungereimtheiten schwer auf ihr lasten, so bauen sich weiter die Karrieren innerhalb der Physik, auf die bewährten Standardmodelle auf, die fest in der Hand der alten Ordnung liegen.
Galilei stritt sich noch mit der über Jahrhunderte alles bestimmenden Autorität der Kirche und den gesellschaftlich hoch im Ansehen stehenden Theologen - er, als kleiner Mathematicus, gegen die Kardinäle Roms. Heute sind es die Mechanismen der Physik selber, die zwar zweifellos höchste Standards hervorgebracht haben, nun aber wegen der Qualität ihrer Ergebnisse und dem Establishment, in Reglosigkeit erstarren.
Wie in allen Bereichen im Miteinander von Menschen, geht es auch in der Physik nicht nur um die Wahrheit, selbst wenn sie von naturwissenschaftlich denkenden Menschen als Alibifunktion herhalten muss, sondern auch hier geht es um Einfluss und Macht, um Karrieren, den Ruf und das Geld. Auch die Physik des 21. Jahrhunderts ist nicht frei davon und wir sollten weiter kritisch mit den anerkannten Lehren sein.
Galilei, Newton, Einstein
Zu Galileis Zeiten sah die Welt, aus der heutigen Sicht, noch viel einfacher aus. Er musste nur die Obrigkeit davon überzeugen, dass sich die Erde um ihre eigene Achse dreht und nicht das Universum um die Erde. Doch ist das wirklich so einfach zu erklären? Warum merken wir denn nichts von der Bewegung der Erde, obwohl sie in nur 24 Stunden, am Äquator, ihren gesamten Umfang zurücklegt. Müssten wir denn nicht weggeschleudert werden? Warum wird uns nicht schwindelig bei diesen hohen Drehgeschwindigkeiten?
So oder so ähnlich argumentierten die Kritiker und waren sich ganz sicher, dass sie Recht hatten. Man müsse es irgendwie fühlen, wenn sich die Erde unter den Füßen bewegt. So etwas bräuchte man auch nicht zu überprüfen - es wäre einfach klar!
Auf der Suche nach einem unwiderlegbaren Beweis dafür, dass sich die Erde dreht und wir trotzdem nicht davon fliegen oder die Bewegung spüren, entdeckte Galilei die Trägheit von Körpern. Er beobachtete genau, wie sich Massen verhielten, wenn sie gleichmäßig bewegt werden, immer und immer wieder. Dann verallgemeinerte er seine Beobachtungen auf den Idealfall und entwickelte daraus eine Gesetzmäßigkeit für alle Körper die sich gleichmäßig bewegen, die er Trägheit nannte. So bemerkte er, über die Untersuchung der Bewegung, dass physikalischen Gesetze unabhängig von dem Bewegungszustand des Bezugssystems sind. Also definierte er zum einen, das Inertialsystem als ein Bezugssystem, das kräftefrei ist und zum anderen das Relativitätsprinzip, das alle Inertialsysteme gleichwertig sind. Zusätzlich entwickelte er eine Koordinatentransformation, um die verschiedenen Bezugssysteme ineinander überführen zu können. Galilei geometrisierte die Welt. Ja er selber ging in seiner Euphorie so weit, die Welt selber, als die Geometrie anzusehen und war mit diesem Grundgedanken überaus erfolgreich.
Nur wenige Generationen später stellte, auf den Erkenntnissen Galileis zu den Relativsystemen, den Fallgesetzen, den Beschleunigungen und den Planetenbewegungen des Nikolaus Kopernikus, in England, Isaak Newton, einer der bedeutendsten Physiker, sein universelles Gravitationsgesetz auf. Newton erkannte als erster den Zusammenhang zwischen dem, dass ein Stein immer nach unten fällt, weil sich die Masse der Erde und der kleine Stein anziehen und dem, dass der Mond und die Erde sich anziehen. Der Mond fällt immerzu um die Erde herum. Es gelang ihm dafür ein Gesetz zu finden, das für alle Massen gilt und anscheinend universelle Gültigkeit besitzt. Zusammen mit den Bewegungsgesetzen legte Newton damit den Grundstein der klassischen Mechanik.
Im Jahre 1686 veröffentlichte Newton sein Werk, die „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica", in dem er erstmals sein Gravitationsgesetz vorstellte. Seitdem bestimmte es den Lauf der Gestirne, Kometen und aller sonstigen Himmelskörper. Es wurde zum unangefochtenen Gesetz, dem sich die ganze Physik und besonders die Himmelsmechanik unterwarfen. Erst zweihundert Jahre später zeigten sich im Detail