Große Ideen der Wissenschaft: Teil 1

Wissenschaftsgeschichte

Ernst Peter Fischer

• Verlag: Komplett-Media Verlag
• Jahr: 2011
• eBook-ISBN: 9783831256556
• Thema: Geschichte
• Thema: Weltgeschichte

Das Atom ist trickreich, denn da es erklären soll, wie die Dinge sind, kann das Atom selbst kein Ding sein. Aber was ist es dann? Auf jeden Fall hat es eine faszinierende Form. DAS QUANTUM Der Quantensprung sorgt zwar dafür, dass die Welt stabil bleibt. Aber mit dieser Unstetigkeit muss die Welt ganz anders erklärt werden als vorher. Sie hält damit zumindest besser zusammen. DIE ENERGIE Wie kann es sein, dass die Energie konstant ist - also weder erzeugt noch vernichtet werden kann -, wenn sie nicht von Anfang an in der Welt war? Woher ist die Energie dann wohl gekommen? DIE ENTROPIE Neben der Energie brauchen die Physiker die Entropie, um zu verstehen, wie Maschinen Arbeit leisten. Mit dieser wissenschaftlichen Erfassung von Ordnung in der Welt bekommt die Zeit eine Richtung und läuft nur nach vorne, und zwar überall, im Kosmos und im Leben. Wie kann man das verstehen? DIE EVOLUTION Nur nach vorne verläuft anscheinend auch die Evolution, die auf ihre Weise unentwegt Neues in die Welt bringt. Wie macht die Natur das, wenn sie Lebensformen nicht nur ihrer Umwelt anpasst, sondern dafür sorgt, dass diese Adaptionen auch vererbt werden?

Das Atom

Das Atom gehört zu den ältesten Ideen, mit denen Menschen versuchen, die Welt um sich herum zu beschreiben. Das Atom, der Gedanke, das Wort, ist vor etwa zweieinhalbtausend Jahren im antiken Griechenland in die Welt gekommen. Ein Philosoph namens Demokrit oder Demokritos hat damals versucht, zu verstehen, was passiert, wenn er ein Ding nimmt und das immer teilt und teilt und teilt.

Sie können sich gerne eine Zeitungsseite nehmen, die Sie teilen, wieder teilen, dann ein Achtel, ein Sechzehntel, ein Zweiunddreißigstel machen. Und immer teilen Sie, bis Sie zum Schluss etwas bekommen, was offenbar nicht mehr geteilt werden kann.

Gemeint ist nicht, dass Sie das mechanisch nicht mehr teilen können, sondern es muss ja doch irgendwann einmal etwas sein, was übrig bleibt, was der Urbestand dessen ist, aus dem die Zeitung und aus dem die anderen Dinge bestehen. Das nannte man das „Unteilbare“, auf Griechisch das „Atomos“ oder eben das Atom.

Das Atom ist das älteste Wort, das wir kennen, um die Welt zu beschreiben und es ist auch eines der am besten verbreiteten Wörter. Die meisten von uns kennen und benutzen das Wort. Sie verstehen auch, wenn die Soziologen von der Atomisierung der Gesellschaft sprechen. Sie haben alle Sorgen wegen der Atomkraft. Das Wort Atom ist Ihnen eingängig. Sie haben keine Probleme, wenn Sie es benutzen sollen. Sie wissen auch, dass die Welt aus Atomen aufgebaut ist. Das hat man Ihnen so gesagt. Sie denken, Sie wüssten auch, was das ist, ein Atom. Ein Atom ist das Ding, aus dem die Dinge aufgebaut sind. Das Problem ist nur, ob das so sein kann. Es ist ein logisches Problem.

Zunächst einmal: Wenn das Atom das Ding ist, das die Dinge aufbaut, dann kann das Atom ja kein Ding sein, denn Sie wollen die Dinge ja erst aufbauen. Es macht keinen Sinn, die Welt dadurch zu erklären, dass Sie das, was Sie erklären wollen, voraussetzen. Wenn Sie z. B. die Entstehung von Rationalität im Denken erklären wollen, können Sie die auch nicht voraussetzen. Sie müssen dann zuerst eine Irrationalität haben und daraus irgendwie durch Kombinationen oder durch Wachsen von Irrationalitäten das rationale Denken erklären.

Es macht keinen Sinn, Rationalität dadurch zu erklären, dass ich sie voraussetze und es macht keinen Sinn, die Dinghaftigkeit der Welt, die Objekte, die wir in der Welt finden, dadurch zu erklären, dass ich sie voraussetze.

Die Logik des bohrschen Atommodells

Das Atom kann also kein Ding sein. Aber was ist es dann? Das ist das schwierige Problem, das die Physiker vor etwa 100 Jahren zum ersten Mal voll in Angriff genommen haben. Sie wissen bis heute eigentlich nicht, was ein Atom ist, obwohl sie eine Menge schöner Modelle dafür gemacht haben.

Ich nehme an, dass Sie alle ein Atommodell kennen – das ist das Atommodell, das ein Ding oder ein Gebilde zeigt, das auf keinen Fall mehr unteilbar ist. Im Gegenteil: Das Atom besteht aus zwei Teilen, nämlich aus einer Hülle, in der negativ geladene Teilchen namens Elektronen, unterwegs sind und aus einem Kern, in dem positiv geladene Teilchen wie Protonen und neutrale Teilchen wie Neutronen zusammen gehalten werden.

Dann hat man diese schöne klassische Vorstellung, die etwa aus dem Jahre 1912 stammt, dass es einen Atomkern gibt, um den sich die Elektronen auf so genannten Umlaufbahnen herumbewegen.

Das ist das „bohrsche Atommodell“, von Niels Bohr, dem dänischen Physiker vorgeschlagen. Es konnte eine wunderbare Erklärung von bestimmten Fähigkeiten und Eigenschaften der Materie geben, sodass man damit sehr zufrieden war. Nur: Von Anfang an war auch da wieder ein kleines logisches Problem, denn letzten Endes wollen wir ja die ganze Welt verstehen, in der wir sind und das ist auch das Planetensystem. Wenn wir im Atom schon ein Planetensystem haben – denn wenn wir einen Kern haben, um den Elektronen kreisen, haben wir ein Planetensystem im Kleinen – dann ist das auch wieder so, als ob wir voraussetzten, was wir erklären wollen. Wir wollen ein Planetensystem – das Sonnensystem – erklären und setzen es im Atom voraus.

Das ist also auch nicht richtig. Die Atome müssen anders sein als die Dinge, die wir kennen. Sie dürfen keine Ausdehnung haben in dem Sinne, wie ein Tisch eine Ausdehnung hat. Sie dürfen auch keine Farben haben. Sie dürfen auch eigentlich keine Umlaufbahnen haben wie Planeten um die Sonne. Die Atome müssen irgendetwas ganz anderes sein, etwas ganz Merkwürdiges und die große Frage ist: Was sind sie eigentlich?

Die andere Frage, die sich bei Atomen von Anfang an gestellt hat ist: Angenommen ich habe hier ein Atom, was habe ich dann daneben? Was ist denn neben dem Atom? Die Griechen hatten dafür eine einfache Lösung. Sie haben gesagt: Neben den Atomen gibt es den leeren Raum. Und die ganze Welt besteht aus Atomen und dem leeren Raum.

Allerdings waren nicht alle Griechen der Meinung, dass das richtig ist. Der große Philosoph Aristoteles war der Meinung, dass das überhaupt nicht sein kann. Er wusste auch nicht, was ein leerer Raum sein soll. Wir können uns heute vorstellen, wenn ein Zimmer leer ist, wenn die Menschen hinausgegangen sind. Aber dann ist natürlich immer noch die Luft drin, sind die Stühle drin. Was wirklich Leere sein soll, was „Nichts“ sein soll, konnte er sich nicht vorstellen. Weil er sich das „Nichts“ nicht vorstellen konnte, wollte er auch nicht, dass es Atome gibt.

Also sagte Aristoteles: Es gibt weder Atome noch den leeren Raum... Ja, was gibt es dann? Heute sind wir sicher, dass es in irgendeiner Form Atome gibt. Der Nachweis dafür, dass es Atome gibt, stammt auch aus dem 20. Jahrhundert, er geht auf Albert Einstein zurück. Der Nachweis konnte dadurch geführt werden, dass man Atome zählen kann. Nun will ich das Verfahren nicht vorführen, aber klar ist, dass man Atome zählen kann. Und wenn man Atome zählt, kommt heraus, dass sie ungeheuer klein sind oder man kann auch sagen, dass es ungeheuer viele von ihnen gibt.

Die Atome Caesars

Es ist natürlich ganz schwer, sich solche Zahlen, die Mathematiker und Physiker ausrechnen können, die große Exponenten haben, also 10²⁰, 10²³, 10³⁰ Atome, die in irgendeinem Glas vorhanden sind, vorzustellen. Aber man kann sich ein paar einfache Dinge zur Veranschaulichung vorstellen. Wenn Sie z. B. ein Glas mit Wasser nehmen und dieses Glas irgendwo in München oder in Hamburg oder in Los Angeles ausschütten und dann warten, bis sich dieses gesamte Wasser in der ganzen Welt – in allen Wolken, in allen Meeren, in allen Flüssen, in allen Badezimmern, in allen Wassergläsern – verteilt hat und dann an irgendeinen Wasserhahn gehen, meinetwegen in Moskau und dann das Wasserglas wieder füllen, dann können Sie fragen: Wie viele von den Atomen oder Molekülen, die ursprünglich in dem Wasserglas waren sind jetzt wieder in diesem Wasserglas? Sie werden wahrscheinlich denken: Gar keins. Die Antwort ist: Tausend. Tausend Moleküle sind dann da drin, das ist für mich eine ungeheure Überraschung.

Es gibt noch die andere, einfache Fragestellung: Als Caesar ermordet wurde, da hat er ja bekanntlich „Auch du mein Sohn Brutus“ ausgehaucht. Wenn man „Brutus“ sagt, dann strömt etwas Luft aus. Wenn sie jetzt die Atome, die in diesem letzten Hauch von Caesar waren, nummerieren und markieren könnten und dann fragen: Wie viele von den Atomen, die Caesar ausgehaucht hat, sind in dem Raum, in dem ich jetzt bin? Dann würden sie sagen: Überhaupt keins. Die Antwort ist: Doch, etwa hundert. Das heißt: Wir sind hier von hundert „Caesar-Atomen“, die er ausgehaucht hat umgeben. Von den anderen will ich gar nicht erst sprechen. Also, Atome sind ungeheuer klein, ungeheuer vielfältig. Aber was sind sie jetzt in Wirklichkeit? Wie kann ich sie anfassen? Kann ich ein Atom betrachten?

Klar ist, das weiß man auch seit etwa hundert Jahren, dass Atome tatsächlich geteilt werden können. Sie bestehen aus dem Kern, von dem ich gesprochen habe, dem Atomkern, in dem die meiste Masse vorhanden ist und einer Hülle. Und ich kann die Teilchen, die in der Hülle sind, die Elektronen, aus dem Atom entfernen und ich kann nachweisen, dass es diese Dinge im Einzelnen gibt. Aber was genau machen die Elektronen eigentlich, wenn sie den Kern umkreisen?

Tatsächlich hat man immer gedacht, dass die Physik erlaube, die Bahnen dieser Elektronen auszurechnen. Bis man eines Tages auf die Idee kam, dass man da einen gravierenden Fehler machte. Die entscheidende Einsicht, welche die Physiker dazu gebracht hat, das Atom zu verstehen, ist einem jungen Physiker namens Werner Heisenberg gelungen. Sie ist ihm dadurch gelungen, dass er den eigentlichen Gedanken bei diesem Atommodell umgedreht hat. Er war erst 24 Jahre alt und der Gedanke ist ihm in München gekommen: Die Bahn des Elektrons gibt es eigentlich gar nicht, denn ein Elektron hat wahrscheinlich gar nicht die Eigenschaft, eine Bahn zu haben.

Ich hatte ja schon gesagt: Wir dürfen nicht voraussetzen, dass die Sachen, die wir erklären wollen, schon am Anfang in den Dingen sind, mit denen wir die Sachen erklären wollen. Also ist Heisenberg auf die Idee gekommen – da wir aber natürlich nur das Atom in seiner Dynamik verstehen müssen – dass die Bahn des Elektrons dadurch entsteht, dass wir sie erfinden, dass wir sie beobachten.

Naturgesetze sind das, was wir der Natur vorschreiben

Mit anderen Worten: Ein Atom wird plötzlich im Rahmen der modernen Atomphysik die Form, mit deren Hilfe wir die Natur verstehen können. Das Atom ist tatsächlich eine Erfindung von Menschen, die Bahn des Elektrons ist auf diese Weise etwas, was keine konkrete Bahn mehr hat, die ich stoppen kann, sondern eine Verteilung von Zuständen, die ein Atom einnehmen kann. Das Fantastische ist dabei, dass diese moderne Atomphysik genau gezeigt hat, was die große Philosophie von Immanuel Kant im 18. Jahrhundert vermutet hat: dass die Naturgesetze nicht etwas sind, was in der Natur ist, sondern die Naturgesetze das sind, was wir der Natur vorschreiben.

Die Atome sind also eine merkwürdige Größe. Sie müssen auch ganz anders verstanden werden, als wir uns das normalerweise denken.

Sie können sich das noch an einem anderen, einfachen Beispiel überlegen: Sie wissen alle, dass die Elektronen negativ geladen sind, der Kern ist positiv geladen. Schon denken Sie, dass da natürlich ein elektrisches Feld in dem Atom sein muss. Aber für einen Physiker ist es ganz schwierig, da über ein elektrisches Feld zu sprechen, denn ein Feld kann nur dadurch definiert werden, dass man einen Probekörper in das Feld hält, um die Kraft, die auf ihn ausgeübt wird, zu messen. Aber genau das können wir mit einem Atom nicht mehr tun.

Ein Atom ist also etwas ganz anderes, als wir uns denken können. Das Fantastische ist nur, dass wir über das Atom etwas wissen. Das wirklich Spannende ist, dass wir an dem Begriff des Atoms festhalten, also an dem Begriff des „Unteilbaren“, obwohl wir wissen, dass es teilbar ist.

Mein Verdacht ist deswegen, dass Atom eigentlich nicht etwas ist, was man empirisch bestimmen kann, was man logisch bestimmen kann, was man quantitativ bestimmen kann, sondern was ein Urgedanke des menschlichen Konzepts von Natur überhaupt ist. Die Psychologen sprechen ja manchmal von einem archetypischen Verständnis der Welt. Ich glaube, dass die Atome archetypisch in uns enthalten sind, um so die Welt zu verstehen. Deshalb sind sie auch schon ganz früh bei den Griechen gefunden worden und deshalb glauben wir ganz fest, dass der Satz, dass die Welt aus Atomen aufgebaut ist, stimmt, obwohl er in dieser Form nicht haltbar ist.

Das Quantum der Wirkung

Eines der spannendsten Konzepte, das die Wissenschaft im 20. Jahrhundert erfunden hat, ist die Idee des „Quantums“ oder des „Quantensprungs“. Korrekt spricht man von einem Quantum der Wirkung. Wirkung ist aber eine merkwürdige Größe, die sich aus Energie und Zeit zusammensetzt. Entdeckt hat das der Physiker Max Planck etwa zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Er hat es zum ersten Mal im Jahre 1900 vorgeschlagen.

Planck wollte damals etwas scheinbar sehr einfaches erklären, nämlich das, was passiert, wenn man einem Metall oder einem festen Körper Wärme zuführt. Immer mehr Wärme bis er anfängt zu glühen, erst rötlich, dann gelblich dann weißlich, bevor er sich auflöst. Die Frage ist: Kann ich das Entstehen dieses Lichtes, dieser Farben durch die Physik erklären?

Es gab Theorien, die erklären konnten, was am Anfang passiert. Es gab Theorien, die konnten erklären, was am Ende passiert, aber es gab keine physikalische Theorie, die diese Strahlung, die durch Wärmezufuhr eines Körpers erzeugt wird, durchgängig erklären konnte.

Bis Planck sich im späten 19. Jahrhundert dieser Frage annahm und dann im Jahr 1900 durch genaue Prüfung von Messungen fand, wie man diese beiden Erklärungen von links und rechts, oder von kleinen zu großen Wellenlängen verbinden konnte und das ging mit Hilfe einer diskontinuierlichen Größe, die er Quantum der Wirkung nannte.

Er musste annehmen, dass die Energie des Lichtes, die von den erwärmten Körpern ausgeht in kleinen Päckchen abgegeben wird, nicht kontinuierlich, sondern in Päckchen. Diese Energie ist durch die Frequenz des Lichtes und durch eine zweite Größe gegeben, eben diese von Planck eingeführte Konstante, das Quantum der Wirkung.

Quantensprünge

Da hatte man so etwas wie Quantensprünge. Und diejenigen Elemente oder Gebilde in der physikalischen Welt, die diese Quantensprünge ausführen, sind die Atome. Man muss oder darf sich jetzt in diesem Aspekt die Atome immer noch in einer einfachen Weise vorstellen: ein Atomkern und um diesen Atomkern herum irgendwie jene Gebilde, die wir Elektronen nennen. So können wir uns der Anschaulichkeit halber ruhig vorstellen, dass diese Elektronen in einer Quantenbahn unterwegs sind.

Man stelle sich vor, dass die Elektronen eine Art Wolke um den Atomkern herum bilden, dass sie Aufenthaltsbereiche haben. Diese Aufenthaltsbereiche gehen nicht kontinuierlich ineinander über sondern nur sprunghaft. Man kann gewissermaßen, wie das jemand einmal freundlich formuliert hat, „Schwupp di wupp und mit Elan auf die nächste Quantenbahn“ springen. Aber man kann nicht zwischen zwei Quantenbahnen, man kann nicht zwischen zwei solchen Zuständen sein und dabei kommt es eben zu einem Quantensprung, bei dem Licht ausgesendet wird.

Wenn ein Atom einen Quantensprung macht, dann wird dabei Licht generiert, was im Übrigen ein rätselhaftes Phänomen ist. Tatsächlich, wenn es jetzt diese Quantensprünge der Atome gibt, dann kommt das Licht in Form von Quanten. Das Licht hat selbst die Form von Quanten und das hat jetzt wieder eine merkwürdige Konsequenz. Es ist immer wieder so in der Physik, wenn Sie ein Problem lösen, taucht ein anderes, manchmal noch gravierenderes auf.

Welle oder Teilchen...

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• Das Atom