Große Ideen der Wissenschaft

Ernst Peter Fischer

• Verlag: Komplett-Media Verlag
• Jahr: 2018
• ISBN:
  9783831269884
• Auflage: 1
• Thema: Biowissenschaften
• Thema: Wissenschaft Allgemein

Die Naturwissenschaft arbeitet mit grundlegenden Begriffen, die sehr berühmt sind und die wir alle zumindest schon einmal gehört haben. Aber was bedeuten sie? Ernst Peter Fischer erklärt große Ideen wie Atom, Energie, Raumzeit und Evolution auf ebenso prägnante wie elegante Weise und macht deutlich, dass die Naturwissenschaften grandios sind, aber auch geheimnisvoll bleiben.

ENERGIE

»Etwas, das in Arbeit ist.«

Das Wort »Energie« benutzen wir alle: Wir »bringen verbrauchte Energie zurück«, wir »tanken Energie«, wir »leben von Energie«, wir »leiden unter Energiemangel«. Wir scheinen mit Energie also unheimlich vertraut zu sein. Wir haben überhaupt kein Problem mit diesem Wort. Trotzdem möchte ich Sie darauf hinweisen, dass Sie wahrscheinlich gar nicht wissen, was damit gemeint ist. Ich übrigens auch nicht.

Es gibt ein berühmtes Lehrbuch über die Energie, das fängt mit dem Satz an: »Wir können mit der Energie so ziemlich alles machen, wir können sie umwandeln, wir können sie verteuern, wir können sie umschichten, wir können mit Energie Maschinen betreiben, wir können alles Mögliche damit machen, wir können nur nicht sagen, was das ist, diese Energie.«

Es ist ein schönes, wunderbares Konzept, das in der Physik des 19. Jahrhunderts ganz plötzlich große Bedeutung bekommt und sich als Wort dann irgendwie aus diesem wissenschaftlichen, akademischen Kontext löst und in den allgemeinen Sprachgebrauch übergeht, wo wir es heute in allen erdenklichen Formen kennen. Wir kennen es als physikalische Energie, als psychische Energie. Energie ist ganz wichtig. Dabei hat das Wort am Anfang Schwierigkeiten gehabt, überhaupt akzeptiert zu werden.

In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts sprachen die Physiker meistens noch von »Kraft«. Wenn Sie einmal Lust haben sollten, die Literatur um 1800 zu lesen, vielleicht auch Romane aus dieser Zeit, dann wird das Wort »Energie« kaum auftauchen. Da wird »Kraft« und »Wucht« und so etwas erscheinen. Die Autoren meinen aber etwas, das später in diesen wunderbaren Begriff der Energie eingeflossen ist. »Energie« hat natürlich, wie soll es anders sein, einen griechischen Ursprung. Es gibt das schöne Wort »energeia«. Einfach übersetzt heißt das: »etwas, das in Arbeit ist«.

Energie drückt also etwas Energetisches, etwas Treibendes, etwas Dynamisches aus. Die einfachste Definition von Energie ist die Fähigkeit eines Gerätes oder einer Person, Arbeit zu verrichten. Die Physiker würden natürlich jetzt fragen: »Sagen Sie mal, was ist denn dann Arbeit?« Das wird dann in der Physikstunde definiert mit »Kraft mal Weg«. Aber das lassen wir jetzt.

Ich nehme einfach an, dass wir die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, intuitiv verstehen. Wir haben dafür auch Maschinen, die das können. Bei diesen Maschinen müssen wir jetzt versuchen, möglichst günstig Arbeit zu bekommen. Wir möchten möglichst wenig Energie hineinstecken und möglichst viel Arbeit rausholen.

Deshalb fingen die Physiker im 19. Jahrhundert an, sich tiefere Gedanken über die Erscheinungsformen der Energie zu machen. Das ist eine der spannendsten Sachen.

Sie wissen alle, dass es eine Bewegungsenergie gibt. Das spüren Sie spätestens, wenn Sie mit Ihrem Auto gegen eine Wand fahren, denn dabei verwandelt sich die Bewegungsenergie in die elastische Energie der Motorhaube, nur in die falsche Richtung. Sie wissen, dass es Bewegungsenergie gibt. Sie müssen Kraft aufwenden, um aus dem Stillstand in eine Bewegung zu kommen, das nennt man dann »kinetische Energie«. Wenn Sie die kinetische Energie, zum Beispiel beim Werfen eines Balles, benutzen, um diesen auf ein Dach zu werfen, dann hat der Ball anschließend auf dem Dach potenzielle Energie. In der Physik heißt das, er hat eine »Lageenergie«. Er kann jederzeit heruntergestoßen werden. Wenn er fällt, verwandelt sich die Lageenergie wieder in Bewegungsenergie, die dann auf dem Boden auftrifft und sich in elastische oder »Formenergie« verwandelt. Dadurch verformt sich der Ball und er springt wieder hoch. Damit geht die Umwandlung wieder zurück in die kinetische Energie. Dabei wird Ihnen auffallen, dass er nicht ganz so hoch springt, wie er zuvor runtergefallen ist. Das liegt daran, dass ein Teil der Energie in Wärmeenergie verwandelt worden ist, die durch Reibung oder durch die ganzen mechanischen Belastungen zustande kommt. Diese Wärmeenergie ist gewissermaßen für die Bewegung verloren, sodass der Ball irgendwann aufhört zu springen.

Sie können also offenbar Bewegungsenergie in Wärme umwandeln. Wärmeenergie wiederum kann zum Beispiel durch ein Feuer in Bewegungsenergie umgewandelt werden. Sie können auch potenzielle Energie in chemische Energie verwandeln. Das ist alles ganz sorgfältig und in jedem Detail zu Beginn des 19. Jahrhunderts vermessen worden. Wir haben noch, als ich zur Schule ging, diese Versuche durch Bestimmung sogenannter »mechanischer Wärmeäquivalente« mühevoll nachgemacht. Darauf will ich jetzt aber nicht eingehen.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik: Energieerhaltung

Dann kam plötzlich jemand auf die Idee, dass man all diese Formen der Energie, die Bewegung, die Wärme, die Reibung, die chemische und was es noch alles gibt, zusammenfassen kann. Dabei bemerkte er, dass dabei eine Gemeinsamkeit besteht. Das ist spätestens 1847 durch den großen Berliner Physiker Hermann von Helmholtz als »Satz von der Erhaltung der Kraft«, wie das noch bei ihm hieß, formuliert worden.

Wir nennen es heute den »Satz von der Erhaltung der Energie« oder manchmal auch etwas feiner und vornehmer ausgedrückt, den »ersten Hauptsatz der Wärmelehre« oder den »ersten Hauptsatz der Thermodynamik«. Der besagt in seiner universellen Form, dass die Energie der Welt konstant ist. Mit anderen Worten, die Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet, sondern nur verschoben werden. Wie ich schon angedeutet habe, von Lageenergie in Bewegungsenergie, von Bewegungsenergie in elastische Energie, von elastischer Energie in Wärmeenergie und die vielen Möglichkeiten, die da sind.

Dieser erste Hauptsatz der Thermodynamik, dieser Satz von der Erhaltung der Energie, ist von den Physikern des 19. Jahrhunderts quasi als eine heilige Verkündigung der Natur verstanden worden. Max Planck hat gedacht, dass das der große, heilige Satz sei. Die Physiker haben versucht, alles daranzusetzen, um diesem Satz in jeder Hinsicht gerecht zu werden. Dabei haben sie irgendwie bemerkt, dass es nicht ganz leicht zu sagen ist, was denn diese Energie überhaupt ist.

Und tatsächlich: So schön und triumphierend dieser erste Hauptsatz der Wärmelehre ist, wenn er sagt, dass Energie nicht erzeugt und vernichtet werden kann, dann verbirgt sich dahinter eine merkwürdige Falle: Wenn die Energie nicht erzeugt oder vernichtet werden kann, muss sie immer schon da gewesen sein. Mit anderen Worten, wenn Sie die Entstehung der Welt erklären wollen, müssen Sie Energie schon vorgeben. Sie können die Welt gar nicht erklären, ohne dass die Energie schon da gewesen ist. Wenn aber die Energie schon da war, brauchen Sie die Entstehung der Welt nicht mehr zu erklären. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik sagt Ihnen mit anderen Worten, dass es keine Entstehung einer Welt gegeben haben kann.

Die Konsequenz ist, dass nicht das abendländische Denken versteht, wie die Welt entstanden ist, sondern vielleicht sogar besser das asiatische Denken. Aber das ist nur ein Hinweis für Leute, die auch einmal andere Sichtweisen verstehen möchten.

Also, der erste Hauptsatz der Energie ist fantastisch – er wirkt, er erlaubt alle Berechnungsmöglichkeiten, aber es ist ein großes Rätsel, wie man mit ihm umgehen soll. Die Wichtigkeit der Energie zeigt sich dann übrigens nochmals zu Beginn des 20. Jahrhunderts, als die Physiker allmählich anfingen zu verstehen, wie die Atome aufgebaut sind.

Das Merkwürdige ist, dass bei den Atomen plötzlich Sprünge auftauchen. Bei diesen Quantensprüngen geht ein Atom von einem Zustand in einen anderen über, indem sich eine elektronische Konfiguration in eine andere verwandelt oder ein Elektron von einer Bahn in eine andere übergeht. Die Frage ist: Ist bei dem Übergang auch noch der Energiesatz erhalten oder kann es sein, dass da irgendwo bei den atomaren Prozessen das vielleicht nicht kontinuierlich durchgängig, sondern nur statistisch, kontingent, zufällig erfüllt ist?

Das war tatsächlich eine Annahme der Physiker, bis der junge Werner Heisenberg kam und sagte: »Das kann überhaupt nicht sein. Ich nehme diesen Energiesatz, ich halte ihn für wahr, ich halte ihn für durchgängig wahr.« Mithilfe dieses Energiesatzes hat er den Weg zu den Atomen und zur modernen Quantenmechanik gefunden, mit der wir heute den Aufbau der Welt verstehen, mit der wir heute auch an der Welt etwas ändern können. Zum Beispiel, wenn wir Transistoren bauen, die wir dann in Chips einsetzen, mit denen wir Computer konstruieren. Das ist entstanden aus dem Festhalten an der Idee, dass die Energie eine Erhaltungsgröße ist, dass die Energie immer vorhanden ist.

Zeittranslations-Invarianz

Wir können auch heute, nachdem die Physik durch ihre Mathematisierung eine ungeheure Erweiterung erfahren hat, tiefer begründen, warum die Energie eine Erhaltungsgröße sein muss, warum die Energie immer erhalten sein muss. Die eigentliche, tiefe Begründung liegt darin, dass die Gesetze der Physik – wie man so schön sagt – unabhängig von dem Zeitpunkt sind, an dem sie gelten. Man spricht dann von »Zeittranslations-Invarianz«. Ob Sie ein Experiment um 9.00 Uhr morgens anfangen oder um 4.00 Uhr nachmittags, das Ergebnis muss dasselbe sein. Wo Sie den Nullpunkt der Zeit festlegen, muss egal sein. Wenn Sie die Zeit in dieser Form verschieben, dann darf sich das Naturgesetz nicht ändern.

Wenn es aber eine solche Symmetrie in der Verschiebung gibt – das kann man beweisen –, muss es eine Erhaltungsgröße in der Welt geben. Und diese Erhaltungsgröße ist die Energie. Die Energie ist erhalten, wenn wir beim Wählen des Zeitpunktes und des Experimentes frei sind. Das ist eine merkwürdige, tiefe Einsicht in die ganz grundlegenden Zusammenhänge, auf die ich nur hinweisen kann. Sie ist eine tiefe philosophische Frage über die Fähigkeit des Menschen, Konzepte zu finden, mit denen er die Natur beschreiben kann.

Energie – ein Archetypus menschlichen Denkens

Wenden wir uns jetzt noch einmal kurz der Frage zu, was denn Energie eigentlich ist. Für die Maschine ist es die Fähigkeit, Arbeit zu definieren, aber für uns ist es wahrscheinlich eine grundlegende Größe, ohne die wir gar nicht versuchen können, mit der Welt umzugehen. Ich würde gerne postulieren, dass die Energie etwas ist, was archetypisch zum menschlichen Denken gehört, so wie das Atom und das Quantum. Das sind grundlegende Konzepte, die wir einfach haben, durch die wir einen kontinuierlichen Zusammenhang generieren. Denn die Energie, wie gesagt, kann weder erzeugt noch vernichtet werden, sie ist immer da. Ohne Energie wären wir auch nicht da. Diese Energie sorgt dafür, dass wir in kein Loch fallen, weil sie uns immer auffangen und retten würde.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Wissenschaft entsteht natürlich nie in einem luftleeren Raum, in einem interessenfreien Bereich, sondern Wissenschaft hat immer gesellschaftliche, politische und andere Entwicklungen hinter sich. Wenn man jetzt fragt, was die spannendste Entwicklung im 19. Jahrhundert war, dann ist es wohl die Industrialisierung.

Es wurden immer mehr Fabriken mit immer mehr Maschinen gebaut. Diese Maschinen wollte man natürlich so gut wie möglich betreiben. Maschinen sind Einrichtungen, die Energie, die man hineinsteckt, in die Arbeit verwandeln, die herauskommt. Die Frage ist: Kann man das optimieren, kann man den Wirkungsgrad der Maschinen verbessern?

Entropie – Streben nach dem Maximum

Als die Physiker, Techniker und Ingenieure anfingen, das zu untersuchen, fiel ihnen auf, dass nicht alle Energie in Arbeit umgewandelt werden kann, was man natürlich auch schon vorher gewusst hatte. Es gab immer nur einen Teil der Energie, die dafür zur Verfügung steht, und dafür hat sich irgendwann der Name »freie Energie« eingebürgert. Freie Energie ist das, was eine Maschine umsetzen kann in das, was sie tun soll: ein Auto, das sich bewegt, eine Mühle, die etwas mahlt usw. Aber die Restenergie bleibt übrig.

Man versuchte, dem Unterschied zwischen der freien Energie und der Restenergie auf die Schliche zu kommen. Dabei entdeckte man, dass es eine eigene Größe gibt, die man dafür definieren kann.

Der Physiker, der sich darum besonders verdient gemacht hat, war ein Deutscher namens Rudolf Clausius. Er wollte die Größe, die diese freie Energie von der Gesamtenergie unterscheidet, auch durch ein Wort ausdrücken, das so ähnlich klingt wie »Energie«. Es sollte möglicherweise auch drei Silben haben, es sollte griechischen Ursprungs sein, damit es wissenschaftlich gebildet klingt und den Laien eventuell abschreckt. Schließlich hat er entschieden, diese Größe »Entropie« zu nennen.

Und seitdem haben wir neben der Energie noch die Entropie. Sie ist eine fantastisch erfolgreiche Größe, man kann sie messen, man kann sie verfolgen, man kann sie durchschauen. Aber – es ist immer wieder dasselbe – man kann nicht genau sagen, was Entropie eigentlich ist.

Entropie – ein Maß für die Ordnung der Welt?

Entropie hat irgendetwas mit Ordnung zu tun. Entropie hat damit zu tun, dass eine Sache nicht irgendeine Form von »Selbststrukturen« annimmt, sondern dass man zur Generierung von Strukturen möglichst Energie einbringen muss.

Die Entropie ist übrigens eine Größe, die mit der Wärme, die man einem System zuführt, zusammenhängt. Clausius hat dann später überlegt, was diese Größe »Entropie«, die inzwischen eine große Karriere in der philosophischen und sozialen Debatte gemacht hatte, bedeuten könnte. Er hat bemerkt, dass die Entropie die Eigenschaft hat, bei spontanen Prozessen zuzunehmen. Deshalb hat er versucht, für die Größe der Entropie einen Satz zu formulieren, der allgemein ausdrückt, was bei Prozessen, bei denen Arbeit geleistet oder bei denen Bewegung generiert wird, passieren soll. Dabei ist er auf die Idee gekommen, einen zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu formulieren, der besagt, dass die Entropie immer nur zunehmen kann. Clausius hatte eine Neigung zu universalen Formulierungen. Deshalb sagte er: »Die Entropie der Welt strebt einem Maximum entgegen.«

Damit haben wir jetzt zwei Hauptsätze der Thermodynamik. Der erste Hauptsatz besagt, dass die Energie konstant ist, und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie eines Systems oder die Entropie der Welt einem Maximum entgegenstrebt. Man merkt sofort, dass es einen wesentli...

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