Klassische Fotomaterie

Antwort auf eine ORF-Anfrage, 21. 12. 2004

Gebhard Grübl
Institut für Theoretische Physik der Universität
Technikerstr. 25
A-6020 Innsbruck, Austria


 

ORF Redakteur Urbanek fragt:

1) In der Physik hat man es regelmäßig mit "Feldern" zu tun: Elektromagnetische Kräfte, die Gravitation und anderes mehr werden durch Felder vermittelt. Was aber ist eigentlich ein Feld? Etwas Reales oder eine mathematische Abstraktion?

2) Eigenartig finde ich, dass sich elektromagnetische Signale auch im Vakuum fortpflanzen können. Wenn der Raum leer ist, wie kann sich dann ein Signal in einem Feld ausbreiten?

Siehe auch: http://science.orf.at/science/ays/131325

 
Mein Versuch einer Antwort:

Zunächst sind fast alle Begriffe in einer guten Theorie so, dass sie etwas da draußen, außerhalb unserer Gedankenwelt darstellen sollen. Zwischen einem Feld der klassischen Physik und jenem eines Bauern ist kein grundsätzlicher Unterschied. Beiden Begriffen entspricht etwas Reales. Unsere Begriffe von der Welt aber sind nicht die Welt. Was das da draußen "wirklich" ist, das wissen wir nicht. Die Mathematik hat in der Physik die Funktion das Denken schlüssiger zu machen, als dies im Alltag üblich ist, gibt diesem Denken aber keine grundsätzlich andere Qualität.

Typische Felder der klassischen Physik sind etwa eine Massendichte oder ein elektr(omagnet)isches Feld. Während bei der Massendichte jeder denkt, dass sie ein Maß für die Verteilung von Materie ist, die sich in einem Raumgebiet befindet, ist dies bei einem elektrischen Feld nicht so verbreitet.

Bis ca. 1905 dachte man, es sei eine Auslenkung aus der Gleichgewichtslage einer sehr dünnen, sonst nicht weiter greifbaren Materie (Äther), welche die ganze Welt erfüllt, und dass ein elektrisches Feld nichts mit An- oder Abwesenheit von Materie zu tun hat. Man hatte das Bild einer Seilschwingung vor Augen. Das Seil ist ähnlich dem Äther immer da; es kann schwingen - oder auch nicht. Wenn der Äther in meinem Auge schwingt, sehe ich Licht und sonst nicht.

Seit der Relativitätstheorie Einsteins stellen sich wohl die meisten Physiker vor, dass ein elektrisches Feld selbst das mathematische Bild einer eigenen Art von Materie ist. Klassisches elektrisches Feld ist(!) Kontinuumsmaterie, die nicht aus Massenpunkten zusammengesetzt ist und die selbst keine (oder in einer Variante der Standardtheorie nur eine bisher unmessbar kleine) Masse hat. Dort wo das Feld von Null verschieden ist, zeigt es das Vorhandensein dieser Materie an und stellt darüber hinaus den Materiezustand im Detail dar. Dort, wo das Feld über eine endliche Zeitspanne hinweg Null ist, dort ist entweder höchstens (ungeladene) Massenpunktsmaterie, oder dort ist lokales Vakuum.

Das Feld kann ähnlich wie ein Massenpunkt durch den ansonsten leeren Raum laufen. Wie ein Massenpunkt braucht es dazu kein Medium. Was das "wirklich" ist, das da läuft, das wissen wir genau so wenig wie, was Masse eigentlich "wirklich" ist. Wir haben Begriffe, deren Relationen in Parallelität zu unserer Wahrnehmung der Welt stehen. Immer jedoch wird eine Kluft zwischen Denken und Wirklichkeit bestehen bleiben. Die Kluft verschiebt sich zwar mit der Entwicklung von Theorien, scheint aber grundsätzlich unüberbrückbar.

Diese lichtartige, selbst ungeladene Feldmaterie ist oft an Ladungen (und Ströme) gebunden und in der Nähe von diesen, kann sich aber auch als Strahlungsfeld von den Ladungen loslösen und eigenständig davonlaufen. Trifft sie auf Ladungen, kann sie an diese wiederum gebunden, also gleichsam von diesen verschluckt werden. Dabei ändern die absorbierenden Ladungen ihren Zustand. Die Ladungen können dabei beschleunigt werden, oder ihre Bindung aneinander kann geschwächt bis gebrochen werden. Das Eintreffen dieser ohne Ladungen nicht greifbaren "Feldmaterie" kann so zur Signalübertragung ausgenützt werden. Etwas vereinfachend aber einprägsam: Das Feld kann mit geringem Aufwand erzeugt und vernichtet werden; Feldmaterie ist nicht wie (klassische) Massenpunktsmaterie durch Erhaltungssätze zur ewigen Existenz gezwungen.

Wenn ein von Null verschiedenes elektrisches Feld vorliegt, ist also der Raum nicht leer. Materie ist da. Das vielleicht merkwürdigste an dieser Materie ist, dass sie, einmal von ihrer Quelle losgelöst, sich mit einer unveränderlichen Geschwindigkeit von etwa 300 Millionen Metern in der Sekunde ausbreitet.

Mit der Quantentheorie des elektrischen Feldes hat sich dieses Lorentz-Einsteinsche Bild im Detail gründlich gewandelt. Der Atomismus hielt Einzug auch im elektromagnetischen Feld. Das allgemeine Schema ist jedoch geblieben. Lichtartige, masselose und ungeladene Materie wird in Wechselwirkung mit geladenener erzeugt und vernichtet. Wird sie in einem kleinen Raumgebiet erzeugt, läuft sie von dort weg, bis sie von einem Hindernis verschluckt wird und sei es erst nach 16 Milliarden Jahren im Detektor einer Astronomin, welche die kosmische Hintergrundstrahlung vermisst. Im Zusammenhang der Quantentheorie wird diese lichtartige Materie, photonisch genannt. Im Bereich der klassischen, Lorentz-Einsteinschen Elektrodynamik hat sie keinen allgemein benützten Namen. Mit der "Abschaffung" des Äthers, den man ursprünglich für den materiellen Träger der elektrischen Felder hielt, kam dieser Art von Materie leider auch ihr Name abhanden. Einer meiner Physiklehrer hat sich des einfachen und bildhaften Namens Fotomaterie bedient. Aber auch der Name Äther in seiner veränderten Bedeutung stünde ihr gut an.

Nun wird Mancher vielleicht fragen: Wenn sich die anschauliche Vorstellung davon, was ein elektrisches Feld ist, mit der Abschaffung des Äthers so drastisch gewandelt hat, wer schützt ihn davor, seine Vorstellung morgen wieder ändern zu müssen? Ich fürchte niemand. Vermutlich gibt es keine wahre Theorie, sondern nur schlechtere und bessere.

 

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