Die Grenzen der Physikalischen Erkenntnis

Astrophysik

Harald Lesch

• Verlag: Komplett-Media Verlag
• Jahr: 2011
• eBook-ISBN: 9783831256228
• Thema: Scienze fisiche
• Thema: Astronomia e astrofisica

Ausgehend von den am besten etablierten Theorien der modernen Physik wird das Panorama der Grenzen der Physik aufgezeigt. Quantenmechanik und Relativitätstheorie beschränken das Reich der Möglichkeiten physikalischen Wissens. Damit werden der Anfang des Universums und der Aufbau der Materie, also das allergrößte und das allerkleinste miteinander eng verwoben. Am Ende stehen heute Theorien, die mehr verlangen als nur einen dreidimensionalen Raum und eine eindimensionale Zeit. Sie brauchen mindestens 11 Dimensionen und eine "Urkraft". Die Suche danach geht weiter …

Die Planck-Welt

Also, was ich Ihnen jetzt erzähle, das ist so ziemlich das Limit von dem, was man jemandem überhaupt sinnvoll, vernünftig, verbindlich erzählen kann, der nicht tief in der Mathematik komplexer Systeme steckt. Ich spreche schon mal tief, weil ich möchte, dass Sie sich beruhigen, dass Sie sich entspannen, denn das was Sie jetzt sehen kriegen, ist nicht der Rand des Wahnsinns, sondern der Rand der Wissenschaft, der Rand der Forschung. Wenn man einen Schritt zu weit geht, dann fällt man in einen klaffenden Abgrund und in den sollen wir ja nicht hineinfallen.

Eine Physik in einer Natur

Es wird darum gehen, das Allerkleinste mit dem Allergrößten zu verbinden. Die Theorie von allem, „theory of everything“. Mit anderen Worten: Was dahintersteckt ist die Vorstellung: Es gibt eine Natur und zu dieser einen Natur gibt es eine Physik, eine richtige Physik. Es kann viele falsche Physiken geben, aber es gibt nur eine richtige Physik. Und diese eine richtige Physik ist so, dass man am Anfang etwas hat, was Eins war und das, was wir heute in der Welt sehen, ist die Ausformung dieses Einen.

Wie heißt es bei Mephisto? Mephisto spricht das bei Faust, „Der Tragödie erster Teil“: „Ich bin ein Teil des Teils, der anfangs alles war“. Diese Vorstellung werden wir jetzt einmal systematisch durchgehen und es wird sich dabei herausstellen… Es wird didaktisch nicht ganz einfach, sodass man immer wieder vorwärts und rückwärts springen muss in der Zeit einerseits – wann hat man eigentlich was entdeckt, wie beurteilen wir das von heute aus, die Entdeckungen von damals, und wo sind Fehler gemacht worden oder wie könnte man das besser machen? Das ist die eine Seite. Und auf der anderen Seite aber auch den Platz des Menschen im Universum, wenn er zum Beispiel in der Zeit zurückschaut hin zum Urknall, also zum Beginn des Universums. Wie hängt die Physik des Urknalls – des Anfangs des Universums – nun mit dem zusammen, was wir hier heute im Labor im Experiment machen? Wie kommt man von einem Large Hadron Collider in der Schweiz – wo man ja nach den Higgs-Teilchen sucht, zum Anfang des Universums vor 13,7 Milliarden Jahren? Und ich will Ihnen gleich eines sagen. Ich weiß ganz genau, was Sie denken, ich kenne das ja inzwischen. Beim Anfang des Universums stellt man sich sofort die Frage: Was war davor?

Was ist die Antwort? Keine Ahnung, wie soll ich es wissen? Ich bin kausalitätssüchtiger Naturwissenschaftlicher. Was vor dem Universum ist, dazu weiß ich nichts zu sagen. Wir werden aber sehen, dass wir extrapolieren können. Wir sind ja im Heute und wir werden systematisch hin zum Urknall zurückgehen. Wenn wir die Theorien, die wir heute kennen, bis an den Urknall zurück extrapolieren und vielleicht sogar soweit sind, einmal durch den Urknall durchzugehen, könnten wir aus dem Erfolg der Theorie hier eventuell vielleicht darauf schließen, was vor dem Urknall gewesen sein könnte. Das ist aber eigentlich Quatsch, denn wir können es nicht überprüfen. Na, ist es soweit klar?

Grenzen der Erkenntnis

Also fangen wir einmal an mit den Limits. Ich nenne das einfach mal ganz kurz „Grenzen der Erkenntnis“ und diese Grenzen der Erkenntnis sind uns durch drei große Entdeckungen gegeben. Die eine Entdeckung ist die Entdeckung, die Max Planck im Jahr 1900 gemacht hat. Planck hatte ein Problem mit der Wärmestrahlung. Eigentlich etwas ganz banales: Wie ist eigentlich das Strahlungsspektrum von einer Glühwendel in einer Straßenlampe? Also wirklich – banaler geht es gar nicht. Glühwendel, also da hat man ein Metall, das Metall ist heiß und dann strahlt es. Was man bis dahin nicht verstanden hat, war, wie ein Spektrum von einem strahlenden heißen Körper eigentlich zustande kommt. Also: Wird die Energie kontinuierlich abgegeben? Wenn sie von diesem strahlenden Wendeldraht kontinuierlich abgegeben wird, dann versteht man das Spektrum nicht. Das ist ganz einfach.

Energie-Quanten

Planck kam mit der Idee: Energie muss quantisiert, also in Paketen abgegeben werden. Die Quantentheorie ist damit noch nicht erfunden, sondern Planck teilt 1900 lediglich mit: Energieabgabe eines heißen Körpers, eines sogenannten Schwarzen Strahlers ist grundsätzlich quantisiert. Also haben wir hier eine erste Erkenntnisgrenze. Es gibt Energie nämlich nur in Paketform. Wie soll ich sagen? – Zum Beispiel ein Cent. Sie können keinen halben Cent kriegen. Cents gibt es nur in voller Paketform: 1, 2, 3. Man kann zwar rechnen mit 1,5 … 1,4 … 2, 7 usw., aber bezahlen kann man nur mit ganzen Cent.

Also, die Paketform der Energie. Da geht es nicht darunter. Wenn wir einen Cent haben, weniger als eine Energieeinheit in diesen Einheiten des Planckschen Wirkungsquantums, dessen Zahl uns jetzt gar nicht interessieren soll. Ich sage es Ihnen trotzdem nur am Rande: Es ist eine sehr kleine Zahl. Gott sei Dank, denn wenn die größer wäre, was glauben Sie, was wir für Probleme hätten? Die Pakete der Energie sind eine Erkenntnisgrenze, unter die ich nicht mehr komme – Ende.

1905 – also fünf Jahre später – hat Albert Einstein einen Effekt erklärt, den man vorher schon kannte und experimentell nachgewiesen hat, dass nicht nur die Abgabe von Energie in Paketform stattfinden muss, sondern auch die Aufnahme. Also wenn Sie zum Beispiel eine Photovoltaik-Anlage auf dem Dach haben, wo das Sonnenlicht auf Metall trifft und dabei offenbar Elektronen aus dem Material herausgeschlagen werden und diese herausgeschlagnen Elektronen als elektrischer Strom von der Anlage abgegriffen werden, dann benutzen Sie den Fotoeffekt. Dafür hat er übrigens den Nobelpreis bekommen, für die theoretische Erklärung des photovoltaischen Effekts. Einstein und Planck haben ganz klar gemacht: Pakete der Energie, das ist eine Grenze, unter die wir nicht kommen.

Die Theorie von der absoluten Lichtgeschwindigkeit

Einstein ist ja noch für eine andere Geschichte zuständig, auch im Jahr 1905. Das war die Geschichte mit der Relativitätstheorie. In der Relativitätstheorie ist eigentlich ja alles irgendwie relativ. Da hat man zwei Bezugssysteme – Höhe, Länge, Breite. Dieses Bezugssystem ist Bezugssystem Nr. 1 und dann habe ich noch eines. Wenn die beiden Bezugssysteme miteinander kommunizieren wollen, über Uhren oder über Lineale, dann müssen sie sich Informationen zukommen lassen. Und deswegen heißt die Relativitätstheorie Relativitätstheorie, denn sie ist immer relativ zwischen zwei Bezugssystemen.

Man könnte die Relativitätstheorie auch „Theorie von der absoluten Lichtgeschwindigkeit“ nennen. Denn obwohl in der Relativitätstheorie die Begriffe Raum und Zeit relativ werden, nämlich abhängig sind vom Bewegungszustand des jeweiligen Bezugssystems, hat die Relativitätstheorie eine absolute Größe – die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen. Die Lichtgeschwindigkeit gibt uns ebenfalls eine Grenze der Erkenntnis an. Schneller als Licht kann sich nämlich nichts bewegen. Also, Quantenmechanik, Relativitätstheorie. Das sind erst einmal die beiden wesentlichen Theorien, die uns tatsächlich Grenzen der Erkenntnis liefern. Ich schreibe hier „SRT“ hin für Spezielle Relativitätstheorie.

Die Spezielle Relativitätstheorie gibt uns eine Grenze der Erkenntnis an, wenn es um sogenannte gleichförmig bewegte Bezugssysteme geht. Aber es gibt ja nicht nur gleichförmig bewegte Bezugsysteme. Denken Sie an Ihr Auto. Sie sitzen im Auto und geben Gas. Was machen Sie dann? Bewegen Sie sich dann gleichförmig? Natürlich nicht, Sie beschleunigen. Also muss man auch noch eine Theorie haben für beschleunigte Bezugssysteme, und das ist die Allgemeine Relativitätstheorie.

Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Gravitation. Es stellte sich nämlich heraus – das werden Sie nicht glauben, denn man merkt es ja nicht. Ich meine, wir sind auf dem Planeten Erde, wir stehen hier immer, also Sie sitzen hoffentlich oder liegen gar. Hinter der Kamera sind Leute, die das jetzt aufnehmen. Ich stehe hier davor. Hier wird doch nichts beschleunigt, würde man sagen. Hey, hier ist doch alles ruhig. Aber Einstein konnte zeigen, zunächst mathematisch und später dann auch im Experiment – daran war er nicht beteiligt, aber viele andere haben im Experiment nachgewiesen, dass ein Gravitationsfeld, also ein Schwerkraftfeld mit einem beschleunigten Bezugssystem identisch ist. Mit anderen Worten: Wenn Sie in einem Kasten sind, der von der Welt völlig abgeschottet ist, können Sie nicht unterscheiden, ob Sie in einem Schwerefeld stehen, also auf einem Planeten oder zum Beispiel in einem beschleunigten Fahrstuhl. In beiden Fällen würden Sie Ihr Gewicht spüren. Und solange Sie keine Informationen über die Außenwelt haben, würden Sie davon gar nichts mitkriegen.

Gravitation

Also, die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft, die Gravitation. Das sieht ja schon mal ganz gut aus. Wir haben hier offenbar Theorien, die ganz ordentlich sind: Allgemeine Relativitätstheorie, Spezielle Relativitätstheorie, Quantentheorie.

Bei der Gravitation ist die Grenze der Erkenntnis durch den Radius gegeben, den ein Körper unterschreiten muss, um zu einem Schwarzen Loch zu werden. Die Sonne zum Beispiel, mit ihren 300.000 Erdmassen, muss auf 3 Kilometer zusammenschrumpfen. Sie hat heute einen Radius von 700.000 km. Aber machen Sie sich keine Gedanken, das passiert nicht. Sie ist viel zu leicht für ein schwarzes Loch, aber wir haben auch hier eine Informationsgrenze.

Wenn man nun diese drei, also die Spezielle Relativitätstheorie, die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie miteinander verbindet, dann bekommt man den kleinsten kausal sinnvollen Zusammenhang für Raum und Zeit. Noch einmal: Die drei Theorien zusammen geben die kleinste kausal sinnvolle Welt, die man sich überhaupt mit unserer heutigen Physik errechnen kann. Das ist doch schon mal nicht schlecht. Kausalität ist ja Ursache- und Wirkungszusammenhang. Eine Ursache verursacht eine Wirkung, diese Wirkung kann selbst wieder Ursache für eine weitere Wirkung sein. Entscheidend ist aber, dass ich immer noch zwischen Ursache und Wirkung unterscheiden kann. Das ist Naturwissenschaft. Die Suche nach Ursachen, die irgendwelche Wirkungen erzeugt haben. Zum Beispiel die berühmte Frage: „Was hat das Universum ausgelöst?“. Also die ganz große Frage über alles, der Anfang von allem, der Tag ohne gestern, dieses merkwürdige Ereignis, vor dem nichts war. Zumindest kausal nichts, denn es kann ja etwas gewesen sein. Nur, wir werden es nie erfahren, niemals. Die Betonung liegt auf niemals, „never“, also keine Chance.

Der Beginn

Wie hängt nun dieser Anfang, diese unglaublich kleine Welt, wie sich herausstellen wird, mit dem zusammen, was wir heute auf der Welt sehen? Diese Theorien hier – Quantentheorie, Spezielle Relativitätstheorie und Allgemeine Relativitätstheorie – kann man zwar verwenden für den Beginn des Kosmos. Aber so weit wollen wir eigentlich noch gar nicht gehen. Ich hab Ihnen nur schon einmal gesagt, was für ein Arsenal wir zur Verfügung haben. Daraus ergibt sich die sogenannte Planck-Welt, der Beginn des Kosmos. Das führt zum Urknall. Nennen wir es „Der Beginn“.

Jetzt stellt sich natürlich die Frage – kann ich Ihnen eine Zahl zumuten? Sie können sich das ja einmal überlegen. Zahlen sind ja erst einmal neutral. Denken Sie nicht an Ihren Mathematikunterricht usw… Ich sage Ihnen einfach mal eine Zahl. Ich kann sie Ihnen ja zuerst einmal sagen, dann kann ich gucken, wie die Wirkung ist. Nein, das kann ich nicht. Ich kann ja nicht herausfinden, wie die Wirkung bei Ihnen ist.

Diese Planck-Welt. Soll ich mal? Na gut, ich mache einfach mal … Sie können ja weggucken. Wenn Ihnen die Zahlen nicht gefallen, gucken Sie einfach weg oder hören Sie weg. Die Planck-Welt ist 10^-35

Meter groß. Ja, jetzt ist es raus. Sie kennen vielleicht die Schreibweise. Dieses Minus hier oben, das ist 1 geteilt durch 10³⁵, also eine sehr kleine Zahl. Und wenn wir jetzt noch die 10^-35 Meter durch die Lichtgeschwindigkeit teilen – Lichtgeschwindigkeit sind 300.000 Kilometer pro Sekunde – dann landen wir bei 5 x 10^-44 Sekunden. Ja, so ist das. Das ist die kleinste kausal sinnvolle Zeiteinheit im Universum. Meter ist Raum – ja? Ein Meter ist klar. Und Sekunden ist Zeit. Man könnte also auch davon sprechen: Diese beiden Einheiten 10^-35 Meter und 5 x 10^-44 Sekunden, das ist die Körnigkeit von Raum und Zeit.

Also Raum und Zeit selbst sind gar nicht kontinuierlich, wie man es erlebt. Wenn man sich hier so bewegt, dann denkt man ja: „Mensch, der Raum ist doch kontinuierlich.“ Sondern auf der allerelementarsten Ebene müsste die Welt gekörnt sein – in elementare Einheiten. Was natürlich damit zu tun hat, dass wir Grenzen der Erkenntnis haben. Wir kommen nicht an jeden beliebigen Punkt im All, wir kommen nicht an jeden beliebigen Punkt in der Zeit. Da ist nichts zu machen.

„Atomos“ – das Unteilbare

Jetzt sind Sie schon einmal vorbereitet auf das, was jetzt passiert. Nämlich jetzt kommt der große Hammer. Neben diesen ganzen Fundamentalbetrachtungen über die Welt und über das Sein als Ganzes usw. hat man ja auch eine große Untersuchung angestellt: „Was ist die Welt?“ Aus was besteht sie eigentlich? In der Zeit, in der die Quantentheorie, die Allgemeine und die Spezielle Relativitätstheorie aufgetaucht sind – sagen wir einmal, im Jahr 1900 fing die Quantentheorie an, aber de facto wurde sie erst richtig massiv in den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts – in den ersten 25 Jahren des 20. Jahrhunderts begann die Physik Fahrt aufzunehmen. Während man im 19. Jahrhundert noch dachte, die wesentlichen Fragen der Physik seien eigentlich längst geklärt, begann die Physik im 20. Jahrhunderts dann aber derartig Fahrt aufzunehmen, dass wir seitdem nie wieder irgend jemandem, der zu uns kommt uns sagt „Ich würde gerne Physik studieren – würden Sie das empfehlen?“ antworten: „Nein, wir haben eigentlich so soweit schon alles beantwortet.“ Das leisten wir uns nie wieder, weil wir ganz genau wissen, es gibt einen Tag, wo es wieder heißen wird „Wir wissen so gut wie nichts“. Das kann ich Ihnen am Ende auch noch einmal erz...

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