Explodierende Vielfalt: Wie Komplexität entsteht

Verstehen wir die Welt?

Wie ist unsere Welt entstanden? Warum gibt es so viel Materie und so wenig Antimaterie? Wie bildeten sich die weiträumigen Strukturen in unserem Universum? Und wie entstanden aus der unbelebten Materie die ersten reproduktionsfähigen Lebewesen? Welcher Anpassungsdruck erzeugte die Artenvielfalt und letztlich die Hominiden? Wie entwickelten sich Bewusstsein, Kreativität, Religion?

In dem vorliegenden Buch beantworten herausragende Wissenschaftler diese und viele weitere spannende Fragen und erklären, wie aus einfachen Anfängen und simplen Regeln immer wieder komplizierte Strukturen entstanden sind. Diese sogenannte Selbstorganisation wird an Beispielen aus den verschiedensten Disziplinen demonstriert – sei es bei der Geburt des Universums, auf der Ebene der Quarks und der Atome, bei der Entstehung des Lebens und bei seiner Ausdifferenzierung in die Vielzahl der Lebensformen bis hin zum Menschen selbst, mit seinen kulturell und wissenschaftlich immer höher entwickelten Gesellschaften.

Interessierte Leser können mit Hilfe dieses Buches nachvollziehen, mit welchen Erkenntnissen und Thesen die Wissenschaft heute erklärt, wie die Natur mit einfachen Grundbausteinen und Gesetzen solch komplexe Gefüge geschaffen hat.  

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Springer
• Erscheinungsdatum: 27. Sept. 2019
• ISBN: 9783662583340

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© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019

E. Klempt (Hrsg.)Explodierende Vielfalthttps://doi.org/10.1007/978-3-662-58334-0_1

Einleitung

Eberhard Klempt¹  

(1)

Helmholtz-Institut für Strahlen und Kernphysik, Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Bonn, Deutschland

Eberhard Klempt

Email: [e-mail]

Unsere Welt erscheint ungeheuer komplex. Um die Fülle der Erscheinungen zu ordnen und zu verstehen, suchen wir in ihr seit Beginn des menschlichen Denkens einfache Gesetzmäßigkeiten, anschauliche Deutungen. Sehr frühe Erkenntnisse beziehen sich vermutlich auf den Kreislauf des Jahres, die Wanderungen der Tiere und auf die Einsicht, dass Sommer und Herbst Samen und Früchte hervorbringen. Die regelmäßige Abfolge von Tag und Nacht, von Sommer und Winter wurde vermutlich zum ersten Mal mit der Himmelsscheibe von Nebra vor etwa 4000 Jahren bildlich festgehalten. Die klassische Physik entdeckte die Gesetze der Mechanik und Elektrodynamik, die moderne Physik reduziert die Vielfalt aller Erscheinungen auf die Wechselwirkung zwischen Quarks und Leptonen. Die Welt begann aber nicht in der vollen Komplexität, wie wir sie heute beobachten, sondern aus einfachsten Anfängen: Aus einem mathematischen Punkt entstand die Fülle der Sterne, aus einer Zelle entwickelte sich der Formenreichtum des Lebens, aus unbewusstem Sein wurde der die Außen- und Innenwelt reflektierende Mensch. Die modernen Wissenschaften bemühen sich zu verstehen, wie sich aus archaischen Anfängen und einfachen Regeln immer kompliziertere Strukturen entwickelt haben. Dieses Buch zeigt an vielen Beispielen aus den verschiedensten Disziplinen, wo die Wissenschaft heute steht und welche Antworten sie zu geben hat.

Die Geschichte des modernen Menschen, des modernen Homo sapiens, überstreicht einen Zeitraum von etwa 200.000 bis 300.000 Jahren oder von etwa acht- bis zwölftausend Generationen.¹ Im Laufe der Jahrtausende beschleunigte sich die Folge von Erfindungen, Entdeckungen und die Veränderung der Lebensbedingungen von Generation zu Generation, und jede stand vor ihren eigenen Herausforderungen. Vor rund 100.000 Jahren oder etwa 4000 Generationen begann der moderne Mensch, die Welt außerhalb Afrikas zu besiedeln. Funde in Höhlen der Schwäbischen Alb wie die Venus vom Hohle Fels und der Löwenmensch vom Hohlenstein-Stadel, beide aus Mammut-Elfenbein, sowie die ersten Musikinstrumente aus Knochenflöten belegen eine hochstehende menschliche Kultur in der Zeit vor etwa 1500 Generationen (35.000–40.000 v. Chr.). Die Höhlenbilder von Lascaux mit Darstellungen von Stieren, Pferden, Auerochsen und anderen Tieren (und Menschen) entstanden vor etwa 16.000 Jahren oder vor sechshundert Generationen. Vor nur etwa vierhundert Generationen, um 9600 v. Chr., richteten nomadische Jäger und Sammler im südostanatolischen Göbekli Tepe monolithische, T-förmige Pfeiler auf: diese Steinkreisanlagen scheinen dem Ahnenkult oder der Verehrung von Wesen aus einer anderen Welt gedient zu haben und bezeugen die Sehnsucht der Erbauer nach einem über ihre eigene Existenz hinausweisenden Sinn ihres Lebens. Die ersten Stadtkulturen und die arbeitsteilige Gesellschaft entstanden wenige Generationen später; ihre komplexe Verwaltung erzwang vor etwa einhundertfünfzig Generationen (3000 v. Chr.) die Entwicklung der Hieroglyphen und der Keilschrift, um Informationen festzuhalten, über die Zeit zu bewahren und über Entfernungen hinweg mitzuteilen. Die ersten wissenschaftsbasierten Weltbilder wurden vor siebzig bis achtzig Generationen in Griechenland beziehungsweise Süditalien entwickelt: von Thales von Milet (um 625–545), Pythagoras (um 570–510), Hippokrates (um 459–350), Thukydides (vor 454–ca. 398), Platon (428–347), Aristoteles (384–322), Aristarch von Samos (etwa 310–230), Archimedes (287–212) und vielen weiteren Gelehrten. Die Geburt Christi vor sechzig Generationen definiert eine Zeitenwende, die die gesamte Kultur des Abendlandes bis heute nachhaltig geprägt hat. Vierundzwanzig Generationen später, um 800 n. Chr., schuf Karl der Große ein Reich, das wir heute noch als kulturelle Einheit empfinden und als Kerneuropa bezeichnen. Gleichzeitig blühte die islamische Kultur auf, die die wissenschaftlichen Erkenntnisse aus Babylon und Griechenland aufnahm und weiterentwickelte. Vor fünfzehn Generationen entdeckte Columbus Amerika. Diese Zeit, die Renaissance, steht für den Aufbruch in eine neue Welt und in eine neue Zeit. Sie steht aber auch für den Glauben an den Wert humanistischer Bildung und den Wert der eigenen Persönlichkeit. Vor sieben Generationen (etwa um 1800) schließlich entwickelte James Watt die erste einsatzfähige Dampfmaschine; durch den schnelleren Austausch von Gütern und Ideen forcierte die Dampfschifffahrt die Dynamik der technischen Revolution. Vor vier Generationen erhielt Thomas Edison sein Patent für die elektrische Glühlampe, und vor etwas über zwei Generationen baute Konrad Zuse den ersten Computer. Jeder dieser und vieler ähnlicher Schritte markiert bedeutende Innovationen und resultiert in signifikanten Änderungen der menschlichen Gesellschaft. Wohin uns unser eigenes Zeitalter führen wird, können wir erst in Ansätzen erkennen.

Auch der Menschheit ging ein langer Entwicklungsprozess voraus. Das plötzliche Auftauchen von ersten Systemen, denen wir Leben zusprechen, ist bis heute nicht eindeutig geklärt. Erstes primitives Leben auf unserer damals noch jungen Erde entstand vor drei bis vier Milliarden Jahren aus komplexen organischen Molekülen, vermutlich durch spontane Strukturbildung im thermodynamischen Ungleichgewicht von heißen Quellen im Meeresboden. Auch wenn lebendige Organismen aus organischer Materie entstehen (und wieder in sie zerfallen), so ist Leben doch etwas grundsätzlich Neues. Man spricht von Emergenz: Obwohl Lebewesen aus toter Materie bestehen, tragen sie doch Merkmale in sich, die über ihre materiellen Bestandteile weit hinausweisen. Das Ausdifferenzieren des genetischen Codes in immer komplexere Lebensformen folgt dann einer eigenen Gesetzmäßigkeit, deren Mechanismus Charles Darwin (und Alfred R. Wallace) aufspürten. Im Wechselspiel aus zufälliger Variation, evolutionärer Innovation und Natürlicher Selektion entstanden neue Lebensformen, die erfolgreich ökologische Nischen besetzten oder abstarben. Durch die zunehmende Differenzierung entwickelten sich immer komplexere Arten, bis vor etwa 200.000 Jahren eine „Eva" zur Urmutter aller heutigen Menschen wurde. Die Universalität des genetischen Codes aller Lebewesen weist auf einen gemeinsamen Ursprung allen Lebens. Heute wissen wir, wie groß das genetische Erbe ist, das wir aus der Entwicklungsgeschichte des Lebens übernommen haben. Trotz dieser Kontinuität: Im modernen Homo sapiens vollzog sich ein weiterer qualitativer Sprung, die Entwicklung eines Bewusstseins des eigenen Ichs, die Fähigkeit, über sich selbst und über die Entstehung der Welt nachzudenken, aber auch die Fähigkeit, sich die Zukunft vorzustellen, längerfristige Ziele anzustreben und zu verwirklichen. Haben wir als Individuen die Kraft, unser Leben zu gestalten, haben wir einen freien Willen? Können wir hier von Emergenz sprechen? Sind diese Eigenschaften etwas qualitativ Neues, die vielleicht sogar über das Kreatürliche hinausweisen und den Keim für weitere Schritte der Evolution in sich tragen?

Auch die Menschheit als Gesamtheit hat einen langen Entwicklungsprozess durchgemacht. Der Übergang vom mobilen Leben als Jäger, Sammler und Fischer zum sesshaften Bauern in der neolithischen Revolution vor etwa 10.000 Jahren markiert einen der wichtigsten Umbrüche in unserer Geschichte. Im Laufe der Jahrtausende hat der Mensch den Nutzen der Kulturpflanzen und der Haustiere durch kontinuierliche Züchtung erheblich gesteigert. So wuchs die Bevölkerung und veränderte die Welt. Schon in der Antike wurden Wälder rücksichtslos gerodet: für neue Siedlungen, für den Schiffsbau und als Brennstoff, zum Beispiel für die zahlreichen Warmwasserthermen. Dort, wo die Wälder abgeholzt wurden, erodierte der Boden, und eine verkarstete Steinwüste blieb zurück. Heute sind unsere Eingriffe in die Natur viel schwerwiegender, und die Folgen sind weniger überschaubar. Die in Jahrmillionen entstandenen Vorräte an Öl, Erdgas und Kohle werden heute in wenigen Jahrzehnten verbraucht und als CO2 in die Atmosphäre entlassen – mit unabsehbaren Folgen für das Klima der Erde. Die hohe Besiedlungsdichte, das dichte Straßennetz und die intensive Landwirtschaft nehmen zahlreichen Pflanzen und Tieren ihren Lebensraum, die Biodiversität nimmt beschleunigt ab. Genetisch veränderte Pflanzen sind weniger anfällig für Krankheiten, führen trotz höherer Erträge zu geringeren Umweltbelastungen und bieten dadurch die Chance, die noch immer schnell wachsende Erdbevölkerung ausreichend zu ernähren. Trotzdem ist der Einsatz der grünen (pflanzlichen) Gentechnik umstritten: Sie beschleunigt den Wandel von vielen verschiedenen Kulturpflanzen hin zu wenigen Hochleistungspflanzen. Die rote (medizinisch-pharmazeutische) Gentechnik ist in manchen Bereichen der Medizin akzeptiert, in anderen hoch umstritten: Schon seit 1982 wird ohne jede Diskussion Humaninsulin zur Bekämpfung der Zuckerkrankheit gentechnisch produziert; dagegen stehen die Präimplantationsdiagnostik und die Gen- und Stammzelltherapie häufig im Fokus der Kritik.

Auch die menschliche Gesellschaft und ihre Werte haben sich im Laufe der Zeit erheblich verändert. Lupus est homo homini (der Mensch ist dem Menschen ein Wolf) schrieb der römische Komödiendichter Titus Maccius Plautus. Die damit angesprochene Gewaltbereitschaft des Menschen einzudämmen, ist ein wichtiges Ziel jeder staatlichen Ordnung. Welche Wege die Stammesgesellschaft der Steinzeit gefunden hat, Konflikte innerhalb der Gemeinschaft zu entschärfen beziehungsweise mit anderen Gruppen auszutragen, wissen wir nicht. Die ältesten überlieferten Gesetzestexte stammen aus dem sumerischen Ur und entstanden um 2100 v. Chr. Prägend für Europa wurden die Gesetzestafeln, die Moses seinem Volk Israel offenbarte. Das römische Reich war berühmt für sein Gesetzgebungswerk, das bis heute das moderne bürgerliche Recht prägt. Aber erst der moderne Verfassungsstaat ist verpflichtet, die Menschenrechte jedes seiner Bürger zu schützen und – notfalls mit Gewalt – durchzusetzen.

Lange Zeit galt das Recht nur innerstaatlich: Kriege zu führen war das souveräne Recht jeden Staates. Heute unterliegen die Beziehungen zwischen den Staaten zwar dem Völkerrecht, die Fähigkeit der Staatengemeinschaft, Rechtsbrüche zu verhindern oder zu ahnden, ist aber gering. Noch eingeschränkter ist die Möglichkeit der Staatengemeinschaft, die Menschenrechte des Einzelnen innerhalb autoritär regierter Staaten gegen deren Führung durchzusetzen. Die Vereinten Nationen als Garant der Freiheitsrechte jeden Weltbürgers – das ist heute (noch?) eine Utopie.

Auch in der Entwicklungsgeschichte des Universums gibt es neben einer kontinuierlichen Entwicklung immer wieder qualitative Sprünge hin zu größerer Komplexität, aus denen sich völlig neue Strukturen entwickeln. Die inflationäre Phase des Universums unmittelbar nach dem Urknall formte durch Fluktuationen des die Expansion treibenden Feldes die großräumigen Strukturen des Universums. Aus dem bei dem Zerfall dieses Feldes entstandenen sogenannten Quark-Gluon Plasma bildeten sich Wasserstoffkerne (Protonen) und Heliumkerne (alpha-Teilchen), die sich später mit Elektronen zu Atomen verbanden. Ohne das Zusammenballen von Materie zu Sternen und Sonnensystemen und ohne die Entstehung von Planeten wie der Erde könnte es kein Leben geben – aber Leben gäbe es auch nicht ohne die explosiven Verbrennungsprozesse in Supernovae. Hierbei entstehen die Atomkerne, die schwerer als Eisen und ebenfalls Voraussetzung komplexerer Lebensformen sind. Teile von uns allen waren mindestens einmal Teil einer Explosion am Ende eines Sternenlebens!

In jedem Bereich des Lebens erkennen wir, wie sich aus einfachen Strukturen und einfachen Regeln oder Gesetzen neue und immer komplexere Strukturen entwickeln. Das gilt für das Universum, auf der Ebene der Quarks und der Atome, bei der Entstehung des Lebens und bei seiner Ausdifferenzierung in die Vielzahl der Lebensformen bis hin zum menschlichen Leben in kulturell und wissenschaftlich immer höher entwickelten Gesellschaften. Doch wir mussten erleben, dass der zivilisatorische Fortschritt nicht notwendigerweise auch zu einem ethischen führt. Anfang des 20. Jahrhunderts machte die Fortschrittsgläubigkeit blind gegen die Gefahren eines industrialisierten Krieges; der Rassenwahn des Nationalsozialismus wurde als Aufbruch in eine neue, bessere Welt proklamiert! In den vergangenen hundert Jahren hat die Fähigkeit des Menschen, seine Umwelt und sich selbst zu ändern, ein Niveau erreicht, auf dem sprunghafte Durchbrüche und Neuerungen in eine existenzielle Bedrohung umschlagen können. Heute ist es dem Menschen möglich, seine eigene Zukunft auf dem Raumschiff Erde zu vernichten oder zumindest die Lebensgrundlagen so zu zerstören, dass jede Zivilisation in der heutigen Form unmöglich wird. Unsere Gesellschaft hat sicher die Fähigkeit, sich die Zukunft vorzustellen; vermag sie aber auch, sich auf längerfristige Ziele zu einigen und ihre Entwürfe gemeinsam zu verwirklichen?

Fußnoten

1

Ein Nachfahre in der 77. Generation nach Konfuzius (Kǒng Fūzǐ), geb. 551 vor Christi Geburt, ist derzeit der Sprecher des Kǒng’schen Familienverbandes. Daraus errechnen sich drei Generationswechsel in 100 Jahren. Für die Zeit vor 3000 vor Christi Geburt nehme ich vier Generationen pro Jahrhundert an.

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E. Klempt (Hrsg.)Explodierende Vielfalthttps://doi.org/10.1007/978-3-662-58334-0_2

Die Einheit der Physik

Von der Komplexität der Vorgänge zur Einheit der Wirklichkeit

Hermann Nicolai¹  

(1)

Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik Albert-Einstein-Institut, Potsdam, Deutschland

Hermann Nicolai

Email: [e-mail]

Nach allem, was wir wissen, ist das Universum vor ungefähr 13,7 Milliarden Jahren in einer ungeheuren Explosion – dem Urknall (Big Bang) – entstanden. Dabei hat sich nicht nur die Materie geformt, sondern diese Explosion bildet den Ursprung von Raum und Zeit selbst. In der ersten Phase danach, der sogenannten Planck-Ära, die nur 10−43 Sekunden währte, waren, so wird vermutet, die bekannten Kräfte (Gravitation und Elektromagnetismus, sowie die starken und schwachen Kernkräfte) und möglicherweise weitere noch unbekannte Kräfte zu einer einzigen Urkraft vereint und nicht voneinander unterscheidbar. Nach einer extrem kurzen Phase der exponentiellen („inflationären ) Expansion, in der sich das Universum gigantisch aufblähte – auf eine Größe von etwa zehn Zentimetern – und sich dabei extrem aufheizte („reheating), entstanden die Grundbausteine der Materie, die wir heute im Universum vorfinden: Quarks, Leptonen, Eichbosonen und möglicherweise weitere noch unentdeckte Elementarteilchen. Seither expandiert das Universum und kühlt sich immer weiter ab bis zur heute im Weltall herrschenden Temperatur von 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Hierbei spaltete sich die Urkraft in die bekannten Kräfte auf, in einem kaskadenhaften Prozess der Symmetriebrechung, aus der die Welt hervorging, so wie wir sie jetzt um uns wahrnehmen. Es ist ein einzigartiger Triumph menschlichen Erkenntnisstrebens, dass sich diese Vorgänge mit den heute bekannten Gesetzen der Physik, die auf Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie und der Quantenfeldtheorie in Form des Standardmodells der Elementarteilchenphysik beruhen, bis auf Bruchteile von Sekunden zum Anfang zurückverfolgen und quantitativ korrekt beschreiben lassen. So verstehen wir zum Beispiel, wie in dem extrem heißen Universum des Anfangs Quark-Antiquark-Paare in einem Quark-Gluon Plasma fortlaufend erzeugt und vernichtet wurden und wie sich aus dieser Ursuppe Nukleonen und Mesonen bildeten, teilweise in zunächst hochangeregten Zuständen, die sofort wieder zerfielen. Schließlich blieben Protonen, Neutronen, Elektronen, Positronen, Neutrinos und Photonen. Aus den Protonen und Neutronen bildeten sich die ersten Atomkerne, die Atomkerne und die freien Elektronen verbanden sich zu Atomen und weiter zu den chemischen Elementen, deren Vorkommen und Häufigkeit im Weltall wir ebenfalls quantitativ erklären können – etwa, warum die sichtbare Materie zu 74 Prozent aus Wasserstoff und zu 24 Prozent aus Helium besteht. Nach weiterer Abkühlung konnten Photonen entweichen, die seither frei durchs Universum strömen und sich heute in der Hintergrundstrahlung nachweisen lassen.

Dieser Beitrag soll sich jedoch weniger um die frühe Geschichte des Universums (siehe die Beiträge von Christof Wetterich und Matthias Bartelmann) oder andere Detailfragen der modernen Physik drehen. Vielmehr geht es um die grundsätzliche Frage, warum Physiker überhaupt an eine über die bekannte Physik hinausgehende letztgültige Vereinheitlichung der Naturgesetze glauben. Wie könnte sich die vermutetete Einheit der Physik am Ursprung des Universums manifestieren, und auf welchen Wegen können wir zu einer Theorie gelangen, welche diese Vereinheitlichung bewerkstelligt? Und wie müsste eine Formel aussehen, welche die gesamte Physik subsumiert? Im weiteren Sinne geht es damit auch um die „Einheit der Wirklichkeit", die wir hier gleichsetzen mit der möglichen noch zu findenden Einheit der naturgesetzlichen Weltbeschreibung.

Unter „Wirklichkeit wollen wir hier stets die „objektive Wirklichkeit verstehen, das heißt diejenige, die empirisch, messbar ist. Um diese zu erfassen, bedient sich der Physiker der reduktionistischen Methode, auf der nahezu sämtliche Fortschritte der Naturwissenschaft beruhen. Dafür sucht er nach den einfachen Gesetzmäßigkeiten durch Zerlegen (Reduktion) von komplizierten Vorgängen auf wenige möglichst einfache Sachverhalte. Wichtigstes Kriterium für die Richtigkeit einer Aussage ist, dass sie durch Experiment und Beobachtung reproduzierbar oder aber falsifizierbar ist. Das heißt, einmal festgestellte Gesetzmäßigkeiten müssen sich durch wiederholte Beobachtungen beziehungsweise Messungen immer wieder nachprüfen und bestätigen lassen. Ziel ist es dann, allgemein gültige Naturgesetze aufzustellen, die selbst wieder Vorhersagen für zukünftige Abläufe erlauben.

Eines der ersten Beispiele für diese reduktionistische Methode war Galileis Fallexperiment am schiefen Turm zu Pisa. Dass Gegenstände herunterfallen, ist eine alltägliche Erfahrung. Aber warum tun sie das, und nach welcher Gesetzmäßigkeit? Galilei wollte zunächst nachweisen, dass alle Körper gleich schnell fallen. Auf den ersten Blick scheint dies aller Anschauung zu widersprechen: Eine Feder fällt in der Luft langsamer als ein Stein. So war es bei diesem vermutlich ziemlich ungenauen Experiment wohl mehr die geniale Intuition von Galileo Galilei, die bei der Findung des Fallgesetzes nachgeholfen hat. Heute können wir indes sehr genau prüfen, dass diese Aussage richtig ist: In Fallrohren, in deren Innerem sich nicht Luft, sondern Vakuum befindet, fällt eine Feder genauso schnell wie eine Stahlkugel.

Von so einfachen Beispielen bis zur Einheit der Naturgesetze ist der Weg jedoch weit. Angesichts der Vielfalt und Komplexität der Vorgänge um uns herum scheint vielmehr eine „Einheit der physikalischen Wirklichkeit" zunächst völlig abwegig. Das zeigt schon ein kurzer Blick in jedes Schulphysikbuch: Dort sind die beobachteten Phänomene auf viele Unterkapitel verteilt (Mechanik, Hydrodynamik, Wärmelehre, Elektrizität und Magnetismus, Atomphysik, Kernphysik, etc.), die auf den ersten Blick wenig miteinander zu tun haben.

Betrachten wir jedoch als ein einfaches Beispiel einmal die Bewegung der Himmelskörper. Im Weltsystem nach dem griechischen Geografen, Astronomen und Mathematiker Claudius Ptolemäus war die Erde der Mittelpunkt, um den sich alle Körper einschließlich der Sonne herum bewegen. Um dies zu beschreiben, versuchte man, sich der Elementargeometrie zu bedienen – in Form der geometrisch vollkommensten Figur, des Kreises. Aber die Unzulänglichkeit dieser Beschreibung war unmittelbar klar: Von der Erde aus gesehen bewegen sich die Planeten keineswegs auf Kreisbahnen, sondern vollführen viel kompliziertere Bewegungen, was sich zum Beispiel an den scheinbaren Schleifenbahnen des Jupiter feststellen lässt. Eine näherungsweise Beschreibung gelang schließlich nur durch eine erhebliche Verkomplizierung des Modells: Einfachen Kreisen wurden immer neue Kreise überlagert – zum Schluss benötigte man für die bekannten Planeten 80 Zyklen und Epizyklen. Das Erklärungsschema wurde so umständlich, dass es am Ende gar nichts mehr erklärte – heutzutage gilt das Ptolemäische System geradezu als Paradebeispiel dafür, wie eine gute Theorie nicht beschaffen sein sollte! Dennoch hielt sich das Ptolemäische Weltbild über mehr als 1000 Jahre, bis endlich der Astronom und Mathematiker Nikolaus Kopernikus die Sonne in den Mittelpunkt stellte. Der entscheidende Fortschritt gelang dem Gelehrten Johannes Kepler, der die nach ihm benannten Gesetze formulierte, denen zufolge sich die Planeten auf elliptischen Bahnen bewegen, wobei die Umlaufzeit T und der Bahnparameter a durch die einfache Relation T²/a³ = const verknüpft sind. Hinzu kam Isaac Newtons ebenso geniale wie einfache Einsicht: Dass der Apfel vom Baum fällt und der Mond um die Erde kreist und die Erde um die Sonne, hat ein und dieselbe Ursache, nämlich das universelle Gesetz der Gravitation. Dem zufolge ist die Kraft, welche zwischen zwei Massen wirkt, proportional zu deren Produkt, radial gerichtet und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands. Schnell wurde klar, dass sich mit dieser neuen Theorie nicht nur die einfachen (elliptischen) Bewegungen der Planeten, sondern nahezu alle Phänomene der Himmelsmechanik höchst genau beschreiben lassen: So wurde die Existenz des Planeten Neptun aufgrund von Unregelmässigkeiten der Uranus-Bewegung zuerst rechnerisch vorhergesagt, noch bevor Neptun tatsächlich entdeckt wurde. Heute noch erlaubt die Newton’sche Mechanik extrem genaue Vorhersagen wie die von Sonnen- und Mondfinsternissen über Jahrhunderte im Voraus. Ebenso zuverlässig lassen sich damit Bahnen von Sonden zu entfernten Planeten in ihrem gesamten Zeitverlauf bestimmen. Solche Fortschritte haben uns jüngst unter anderem fabelhafte Ausblicke auf die Eisgebirge der Pluto-Oberfläche ermöglicht.

Ein zweites Bespiel für die Einheit der Naturgesetze ist der Elektromagnetismus. Elektrizität und Magnetismus waren schon im Altertum bekannt: Blitze, Elektroschocks durch Fische, magnetisches Gestein. Lange Zeit wurden sie aber als voneinander völlig unabhängige Phänomene angesehen. Erst Anfang des 19. Jahrhunderts gelang dem englischen Naturforscher und Experimentalphysiker Michael Faraday der Nachweis, dass Elektrizität und Magnetismus eng miteinander verknüpft sind, wie er durch zahlreiche raffinierte Versuche belegen konnte („convert magnetism into electricity). Dennoch dauerte es weitere Jahrzehnte, bis der Schotte James Clerk Maxwell dies mathematisch ausformulierte und so eine völlige „Vereinigung von Elektrizität und Magnetismus erreichte. Speziell konnte Maxwell durch mathematische Analyse die Existenz elektromagnetischer Wellen beweisen – und damit die vielleicht wichtigste Schlussfolgerung der neuen Theorie ableiten, nämlich dass Licht nichts anderes ist als eine elektromagnetische Welle! Die Maxwell’sche Theorie gilt als Krönung der Physik des 19. Jahrhunderts. Heute wissen wir, dass die Maxwell’schen Gleichungen einen riesigen Bereich von Phänomenen beschreiben: Das Spektrum elektromagnetischer Wellen reicht von den Röntgenstrahlen über das sichtbare Licht bis zu Radio- und Mikrowellen. Wie bei der Himmelsmechanik gelingt es so, völlig verschiedenartige physikalische Phänomene einheitlich und auch einfach zu beschreiben. Diese Erkenntnisse ermöglichten beispiellose technische Fortschritte, von denen wir bis heute profitieren.

Basierend auf dem großen Erfolg der Newton’schen Mechanik gab es bereits Anfang des 19. Jahrhunderts Ansätze, die Wirklichkeit einheitlich zu verstehen: Nach Pierre Simon Laplace ist die Welt nichts als ein Uhrwerk, das – einmal von einem Schöpfer in Gang gesetzt – vollständig vorhersagbar nach den Regeln der Newton’schen Mechanik abläuft. Mit dem durchschlagenden Erfolg der Maxwell’schen Theorie verbreitete sich dann am Ende des 19. Jahrhunderts die Auffassung, dass mit diesen beiden Theorien alle Phänomene mehr oder weniger verstanden seien. So wird über Max Planck berichtet, er habe vor Beginn seines Studiums in München den Physikprofessor Philipp von Jolly um Rat gefragt. Dieser beschied ihn, es lohne sich nicht mehr, Physik zu studieren, denn im Wesentlichen sei alles schon verstanden!

Planck indes ließ sich nicht entmutigen – und behielt recht. Denn mit den Erkenntnissen von Newton und Maxwell ließ sich eben nicht alles erklären: Es blieben ominöse Risse im Gebäude der Physik. Darauf deuteten Unstimmigkeiten in den Erklärungsversuchen für die Schwarzkörperstrahlung hin, ebenso wie das gerade erst entdeckte Phänomen der Radioaktivität, das sich allen Erklärungsversuchen durch die klassische Physik hartnäckig widersetzte. Das Nachbohren bei all diesen ungelösten Fragen war schließlich der Anlass für die völlige Umwälzung der Physik. Den Anfang machten die Entdeckung der Quantentheorie durch Max Planck im Jahre 1900 sowie die kurz darauf von Albert Einstein aufgestellte Lichtquantenhypothese, der zufolge Licht nicht nur Welle, sondern gleichzeitig Teilchen ist. Die schon vorher vermutete Körnigkeit von Materie und Strahlung, welche sich unter anderem in der Existenz von Atomen und Atomkernen manifestiert, wurde damit Gewissheit.

Die Entdeckung der Quantentheorie und deren Ausformulierung durch Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und Paul Dirac in den 1920er-Jahren lieferte eine völlig neue Sicht auf die physikalische Wirklichkeit, jedoch um den Preis immer größerer Unanschaulichkeit. Nicht nur erforderte die Quantenmechanik eine neue Mathematik (Funktionalanalysis), sondern sie beruht auf viel abstrakteren Begrifflichkeiten als die klassische Physik. So wird die „Wirklichkeit im Atom nicht mehr durch im klassischen Sinne anschauliche Bewegungen von Objekten im Raum erfasst. Ein Elektron bewegt sich nicht auf einer quasiklassischen Bahn um den Atomkern, sondern es bildet eine „Wahrscheinlichkeitswolke. Alle Information über das System steckt in der Wellenfunktion, die durch die Schrödinger-Gleichung bestimmt wird. Anders als im Laplace’schen Weltbild ist es in der Quantenwelt prinzipiell nicht mehr möglich, Einzelereignisse vorherzusagen, sondern nur noch Wahrscheinlichkeiten von Ereignissen. Beim Zerfall eines Atoms lassen sich zum Beispiel genaue Vorhersagen nur für das statistische Mittel einer Vielzahl von Ereignissen mittels der sogenannten Halbwertszeit machen. Die Wirklichkeit der Quantenwelt ist somit eine völlig andere als die Wirklichkeit unserer Anschauung. Dafür stehen Begriffe wie „Verschränkung und „Superposition, und die Überlagerung von scheinbar unvereinbaren Zuständen – veranschaulicht durch „Schrõdingers Katze, die gleichzeitig tot und lebendig ist. Dank zahlreicher Experimente, die die Quantenmechanik immer wieder bestätigen, bezweifelt heute kein Physiker mehr, dass die quantenmechanische Beschreibung die „wirkliche Wirklichkeit besser abbildet als unsere Anschauung. Der entscheidende Umstand ist für uns heute nicht mehr die Unverständlichkeit der Quantenwelt, sondern die Frage, wie sich aus dieser „wirklichen Wirklichkeit" die Wirklichkeit unserer Makrowelt ergibt – dieser Übergang ist eines der großen ungelösten Rätsel der modernen Physik!

Der Erfolg der Quantentheorie setzt sich bis heute fort. An erster Stelle muss hier die Entwicklung des Standardmodells der Teilchenphysik genannt werden, welches die für die Radioaktivität verantwortliche schwache Kernkraft mit dem Elektromagnetismus vereinigt, und welches in allen Experimenten bisher immer wieder und immer genauer bestätigt wird. Aber auch im Alltag hat sich die Quantentheorie ihren festen Platz erobert, denn ohne sie gäbe es zahlreiche „High-Tech" Anwendungen gar nicht (wie z. B. Laser-Scanner an der Supermarkt-Kasse). Schliesslich bietet sie faszinierende Ausblicke auf künftig mögliche technische Anwendungen, wie etwa Quantencomputer und Quantenkryptographie.

Nahezu gleichzeitig mit der Quantentheorie erfolgte im November 1915 mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie eine weitere Revolution der Physik. Hiernach bilden Raum und Zeit nicht mehr nur die Bühne, auf der sich die physikalischen Vorgänge abspielen, sondern Raum und Zeit nehmen selbst teil am dynamischen Geschehen. Wie die Quantentheorie führt auch diese Entdeckung weit über unsere Anschauung hinaus: Ihr zufolge können Raum und Zeit so „verbogen" werden, dass sich daraus in starken Gravitationsfeldern ganz neuartige Phänomene ergeben. Zu den spektakulärsten davon zählen Schwarze Löcher, die nach neuesten Erkenntnissen in großer Zahl im Weltall existieren. Erst vor Kurzem hat der direkte Nachweis von Gravitationswellen Einsteins Erkenntnisse triumphal bestätigt. Darüber hinaus kommt die moderne Kosmologie ohne Einsteins Gleichungen nicht mehr aus, denn diese sind unerlässlich, um die Dynamik und Evolution des Universums zu beschreiben. Und es ist die Kombination der Einsteinschen Theorie mit den Erkenntnissen der Quantentheorie und Teilchenphysik, die es uns erlaubt, die Entstehung und Entwicklung des Kosmos fast ganz vom Beginn an zu verstehen, wobei auch die neuesten Erkenntnisse vom Large Hadron Collider (LHC) in Genf eine zentrale Rolle spielen.

Über die technischen Anwendungen hinaus hat die wissenschaftliche Methode es uns so ermöglicht, die Vorgänge der Natur über einen ungeheuren Abstandsbereich zu verstehen. Die „Einheit der Wirklichkeit bedeutet damit auch, dass die Gesetze der Physik, soweit wir sie kennen, in weit entfernten Galaxien und über den gesamten Zeitverlauf des Universums genau so Gültigkeit haben, wie wir sie hier auf der Erde kennen, worauf bisher alle Beobachtungen hindeuten. Und doch wissen wir, dass Quantenfeldtheorie und Allgemeine Relativitätstheorie nicht das letzte Wort sein können: beide Theorien tragen den Keim ihrer Unvollständigkeit bereits in sich. Bei der Relativitätstheorie zeigt sich diese in der Form von „Raumzeit-Singularitäten, während das Standardmodell der Teilchenphysik (jenseits der Stõrungstheorie) in einem strengen mathematischen Sinne überhaupt nicht existiert. Die Risse, von denen wir im Zusammenhang mit der Physik des 19ten Jahrhunderts gesprochen hatten, zeigen sich nun auch im Fundament der modernen Physik!

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