Die Welt der Physik für den Blick aus der Ferne

Vortrag, 16. 6. 1999, IG-Forum Alpbach

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


 

Physik sucht nach Regelmäßigkeiten in den Ereignissen, die uns umgeben. (Sonnenfinsternis nur bei Neumond, Mondfinsternis nur bei Vollmond.) Physik sucht nach erklärenden Vorstellungen, im größeren Stil Theorien genannt, für Regelmäßigkeiten. Sonnenfinsternis deshalb nur bei Neumond, weil sie dann eintritt, wenn der (zu dieser Zeit kaum sichtbare) Mond die Lichtausbreitung von der Sonne zur Erde blockiert.

Rigiderer Anspruch der Physik:

  1. Regelmäßigkeit ist etabliert, falls (soweit bekannt) ausnahmslos gültig. Illustration:
    1. Stein hochwerfen - er kommt wieder. Unter genauer festgelegten Umständen (z.B. kein Sprengsatz im Stein!) ausnahmslos gültig.
    2. Gebe unbekanntem Passanten Fußtritt. Breite Palette von Reaktionen. Genauere Festlegung der Umstände (Körpergrößen) schränkt Palette ein, aber keine strengen Regeln bekannt. Ereignisgebiet zählt daher (noch?) nicht zur Physik sondern Psychologie.
  2. Scharfe Unterscheidungskriterien für das Eintreten von Ereignissen sind nötig. Illustration:
    Reaktionsoptionen des Passanten Lächeln/Ohrfeige sind klar zu unterscheiden. Rempler/Fausthieb nicht so klar. Private Konventionen über Rempler/Fausthieb Unterscheidung unzureichend. Einsichten in Regelmäßigkeiten sollen mitgeteilt (und über Generationen weitergegeben) werden können, denn ansonsten ist keine Einigung über Gültigkeit einer Regel möglich. Physik ist kollektives Produkt. So wird Unsinn unwahrscheinlicher. Bsp: Davis & Barnes (Columbia Univ, PR37 1931) Regelbarer Apparat erzeugt Lichtblitze auf Leuchtschirm. Im verdunkelten Raum sind schwache Lichtblitze zu zählen, helle bilden Störsignal und sind zu ignorieren. Bei einigen bestimmten Reglerstellungen wurde ein Vielfaches an schwachen Blitzen gezählt, gegenüber dem Normalwert beim Großteil der Reglerstellungen. Beobachtung verschwand bei Entkopplung des Reglers vom Beobachter. Dieser hat also Halluzinationen gezählt. Konsequenz: menschliche Zählung durch Apparat & weniger zweifelhafte Wahrnehmung ersetzen.
  3. Regeln der Begleitumstände ist unumgänglich:
    Im Normalfall sind Regelmäßigkeiten schwer zu erkennen, da keine Wiederholungen derselben Situation erlebt werden. Strategie: Relevante(?!) Begleitumstände müssen gleich sein, daher geplantes Experimentieren. Bsp. Wo kommt Stein wieder? Das hängt von der Wucht des Abwurfes, der Richtung, Wind & Wetter, Steinsorte, ... ab. Daher: Künstliche Ereignisse besser als unbeabsichtigt eingetretene zur Herausarbeitung von Regelmäßigkeiten geeignet.

Erklärung einer Regelmäßigkeit besteht in mehr oder weniger weitläufigem, begrifflichen Modell. Analog zum architektonischen Modell gibt das physikalische nicht immer alle Details wieder, aber zumindest jene auf die es ankommt. Physikalische Modelle sind nicht aus Pappe und Klebstoff, sondern aus Gedanken. Präzisierung des Denkens mündet über kurz oder lang unweigerlich in Mathematik (manchmal sogar in dafür eigens geschaffener wie im Fall von Newtons Differential- & Integralrechnung).

Illustration (Mechanik): Gegenstände werden durch Teilmengen eines Raumes von "Punkten" modelliert. Lageänderungen von Gegenständen durch "Bewegungs"-Gleichungen eingeschränkt. Relevante Eigenschaften von Gegenständen bestimmen die Bewegungsgleichungen mit. Masse, Ladung, Form, ... Die Bewegung von Gegenständen (Punktmengen) wird auf die Bewegung der einzelnen Punkte zurückgeführt. Jeder Punkt wird dabei von jedem anderen nach einer Regel beeinflusst, die auch dann gilt, wenn der Körper nur die beiden Punkte enthält. (Punktpaarkräfte legen das Verhalten von Vielpunktkörpern fest; Mehrteilchenkräfte scheinen unbedeutend zu sein.) Große Anwendung: Planetenörter werden mit hoher Präzision durch dieselben Gesetzmäßigkeiten wiedergegeben, wie Bewegung von Gegenständen auf der Erde. (Reichweite und Allgemeinheit der Gesetze sind erstaunlich!)

Ein Modell wird nur dann als für die Physik relevant betrachtet, wenn Umstände vorstellbar sind, unter denen man sagen würde: "ja, wenn das so ist, dann ist unser Modell völlig falsch!" Wenn ein Modell diese Möglichkeit nicht zulässt, sagt es offenbar nichts über die Welt des mit den fünf Sinnen Erfahrbaren aus. (Religion, Mathematik)

Mechanik schafft den Prototyp einer reduktionistisch, deterministischen Erklärung: Alles ist aus standardisierten Einheitsobjekten aufgebaut. Diese haben einige wenige unbegründete Elementareigenschaften und sie wirken aufeinander in streng geregelter Weise ein und bestimmen so wechselweise ihr Gesamtverhalten. Das von der Mechanik gezeichnete Bild der Welt enthält als unerklärte Annahme den Zustand des Universums zu einer Zeit. Zu allen anderen Zeiten sind die Ereignisse in dieser Welt dann vollkommen festgelegt. (Welt als Uhrwerk.)

Trotz schöner Erfolge der Mechanik bleiben viele Details unverstanden. Worin besteht der Unterschied zwischen den Punkt-Bausteinen ("Atomen") von Luft und jenen von Eisen? Dünnere Packung?
Chemie klärte diese Fragen: Um 1900 sind ca. 90 Punktbausteine verschiedener Sorte identifiziert; Stoffvielfalt wird als Verbindungsvielfalt verstanden. Chemie trug so erheblich zur Festigung des mechanischen Bildes der Materie als Punktschwarm bei. Bsp. für ein Resultat des Zusammenspiels von Physik und Chemie: Statistische Mechanik und die chemische Vorstellung vom Aufbau der Stoffe erklären, warum eine große Zahl von aneinander gebundenen Eisenatomen mit 6/5 mal so viel Energie beheizt werden muss, um denselben Temperaturanstieg zu bewirken, wie dies bei einem Beheizen von derselben Anzahl von weitgehend freien Atompaaren (z.B. Luft-Molekülen) der Fall ist.

Ein von Mechanik nicht erfasster Bereich: An Licht & anderen elektromagnetischen Strahlen hoher Intensität ist keine Punktzusammensetzung erkennbar. Licht wurde bis 1900 als unzusammengesetztes Kontinuumsphänomen (Wellenmodell des elektromagnetischen Feldes) in einer der Mechanik gleichwertigen Tiefe und Präzision verstanden. Gegenseitige Beeinflussung von Licht und handfesten Stoffen ("Materie") war bis 1900 gut untersucht. Vieles erschien verstanden, an einigen Stellen blieben jedoch Widersprüche zwischen Theorie und Realität. Elektrizität und Magnetismus bewegter Körper; Aufnahme und Abgabe von Licht durch Atome (Linienspektren, Hohlraumstrahlung); Licht geringer Intensität (Photoelektrischer Effekt). Verträglichkeit zweier Theorien an ihren Berührungspunkten ist i.a. nicht gegeben und zwingt zur Modifikation. Darin liegt die Kraft des Strebens nach Einheitlichkeit.

Zusammenfassung 1900: Ein Verständnis der Welt nach einem Baukastenprinzip reicht weit und schafft unübertroffene quantitative Präzision. Einflüsse sind über große Entfernung ohne Überträger möglich, werden aber mit zunehmender Entfernung schwächer. Teile der Welt können vom Rest entkoppelt werden und ihre Geschichte wird dann unabhängig davon, was in diesem Rest so passiert. Dies erklärt, warum es möglich ist, kontrollierte Begleitumstände zu schaffen.

Widersprüche zwischen Mechanik und Realität werden um 1900 zunehmend deutlich: großteils Ereignisse, die von einzelnen Atomen ausgelöst werden.

  1. Atome scheinen selbst zusammengesetzt und befolgen Gesetze der Mechanik nicht. (Elektronenhülle/ Atomkern).
  2. Auch das Verhalten der Atombestandteile folgt Mechanik nicht. Regelmäßigkeiten sind nur für Häufigkeiten auszumachen. (Vorläufiges) Ende des Siegeszuges des deterministischen Programms.

Krise der klassischen Physik (Mechanik & Elektrizität) mündete in neue Theorie von Raum & Zeit, Elektrizität & Licht und von Atomen, die Relativitäts- & Quantentheorie.Zentrale Resultate:

  1. Einflüsse nur mittels Überträgern, diese sind nie schneller als Licht.
  2. Ereignisfolgen im atomaren Bereich sind nicht steuerbar, ihre Häufigkeiten sind es aber.
  3. Einzelne Punktbausteine können nur entweder hier oder dort ein von Menschen wahrnehmbares Ereignis auslösen, scheinen jedoch von den Bedingungen in weit voneinander entfernten Gebieten beeinflußt werden zu können. Metapher für Doppelspaltexperiment:

    Jeden Tag gelangt ein Pilger aus südlicher Richtung durch die menschenleere Wüste abends zur heiligen Stadt. Diese hat zwei Tore, eines im Westen und eines im Osten. Am südlichsten Punkt der Stadtmauer angelangt, schlägt der Pilger, bereits im Schutze der Dunkelheit, entweder den Weg zum westlichen, oder jenen zum östlichen Tor ein. Unbemerkt betritt er die schlafende Stadt und sucht eine von mehreren immer gänzlich unbelegten Herbergen zur Nächtigung auf. Welche er wählt, liegt bei ihm. Am nächsten Morgen, nach erlösendem Gebet, wird er vom Propheten Mohammed in den Himmel geholt.
    Nach fünfhundert Jahren beschließt die Stadtverwaltung aus Gründen der Sparsamkeit nur mehr eines der beiden Tore nächtens geöffnet zu halten. Um aber keinen der Zimmervermieter ungebührlich zu benachteiligen, entscheidet ein allmorgendlicher Münzwurf darüber, welches der beiden Tore am kommenden Abend zum Einlass des heranrückenden Pilgers offenzuhalten sei. Unsere gottesfürchtigen Pilger jedoch erfahren nichts von den geänderten Öffnungsmodalitäten, und die Hälfte von ihnen bezahlt die städtischen Einsparungen teuer. Versucht nämlich einer dieser armen Büßer die Stadt beim geschlossenen Tor zu betreten, so wird er unverzüglich vom Propheten in die Unterwelt geholt. Jene hingegen, die beim geöffneten Tor nach Einlass suchen, gelangen wie eh und je in die Stadt, um nach vollzogener Läuterung tags darauf in den Himmel zu fahren.
    Nach ein paar hundert Jahren regt sich unter einigen Wirten unüberhörbarer Unmut über Umsatzeinbrüche. Andere hingegen schweigen verdächtig. Die Stadtverwaltung beschwichtigt und bittet um Geduld. Erst nach tausend Betriebsjahren wird schließlich dieselbe Besucherzahl erreicht sein, wie in den fünfhundert Jahren zweitorigen Offenhaltens.
    Doch als die tausend Jahre verstrichen sind, steht zweifellos fest: Die Nächtigungszahlen einiger Hotels haben im Vergleich zu den ersten fünfhundert Jahren ab- und jene der anderen im Gegenzug zugenommen. Als sich dies herumspricht, werden sogar tourismusferne Priester und Schriftgelehrte von Unruhe erfasst. Sie können nicht begreifen, wie die eingelassenen Pilger in ihrem Verhalten von der Tatsache beeinflusst werden, ob das von ihnen nicht benützte, weit entfernte Tor offen oder geschlossen ist!

  4. Punktbausteine sind ineinander umwandelbar. Bild: Wasseroberfläche; dort wo Wellen sind, ist Materie. Wellen entstehen und vergehen. Fusion von Relativitäts- und Quantentheorie führt auf Quantenfelder als elementare Konstruktionseinheiten für komplexe Materiezustände.
  5. Raum & Zeit könnten von endlicher Ausdehnung und von weitaus abwechslungsreicherer Art sein, als bislang in Erwägung gezogen. (Neue Kosmologie)

Am Boden der neuen Theorien wurden zunächst die Zusammengesetztheit von Atomkernen und in der Folge in mehreren Stufen tiefere Schichten von zunehemend schwieriger zu manipulierenden Bausteinen entdeckt (Elementarteilchenphysik). Gegenwärtiger Stand: Die Nachkommen der mechanischen Punktbausteine sind diverse Sorten von "Schwingungen". Es sind dies die Quantenfelder, die mit Elektronen, Photonen, Quarks, Neutrinos, Gluonen etc. assoziiert sind. Auch im modernen Standardmodell des Materieaufbaus gilt: Die Zusammensetzung weniger Konstituenten mit wenigen Grundtypen wechselseitiger Beeinflussung erklärt die Vielfalt von Stoffen, die uns umgeben.

Zusammenfassung: Das reduktionistische Baukastenprinzip, das Abklingen von Einflüssen mit der Entfernung und die Lichtgeschwindigkeit als Grenzgeschwindigkeit bei der Ausbreitung von regelbaren Einflüssen sind auch in der Physik des Jahres 1999 intakt. Die Entkopplung eines Teils der Welt vom Rest der Welt gelingt weiterhin, ist aber nicht so klar verstanden, wie im klassischen Bild. (Astrologie, Homöopathie & Co bleiben unplausibel. Haupteinwand ist aber magere Faktenlage!)

Nach so viel euphorischer Propaganda, ein Hinweis auf zwei grundsätzliche, dauerhafte Probleme der Physik:

  1. Menschen sind nach physikalischer Vorstellung Teil der materiellen Welt und funktionieren, ob sie dies wollen, oder nicht, nach den Gesetzen der Physik. Wie verträgt sich dies mit der Wahrnehmung, entscheiden zu können? Ist diese Wahrnehmung eine Täuschung?
  2. Wie können die subjektiven Qualitäten von Sinneswahrnehmungen der Physik zugänglich gemacht werden? Wie können zwei Personen ihre Grün-Empfindungen vergleichen?


© Gebhard Grübl. Comments to: Gebhard.Gruebl@uibk.ac.at