Die 42 größten Rätsel der Physik

Vom Quantenschaum bis zum Rand des Universums

Ilja Bohnet

• Verlag: Franckh-Kosmos Verlags-GmbH & Co. KG
• Jahr: 2020
• ISBN:
  9783440502143
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Physik

Woraus besteht das Universum und wie funktioniert die Welt? An diesen Fragen arbeiten Physiker weltweit, denn noch immer gilt es, die großen Rätsel der Physik zu lösen. Woraus besteht die ominöse Dunkle Materie? Besitzt das Universum weitere Dimensionen, sind Zeitreisen möglich und existiert eine symmetrische Spiegelwelt? Aus erster Hand beschreibt dieses Buch die Herausforderungen und Abenteuer, vor denen die Forschenden heute stehen. Ein kurzweiliger, verständlicher Überblick für alle, die in Sachen Astronomie und Physik mitreden möchten.

TEIL 1

DIE KLASSISCHE MECHANIK

Wo die Welt der Physik noch in Ordnung zu sein scheint

Die klassische Mechanik ist das Teilgebiet der Physik, das die Bewegung von Körpern unter dem Einfluss von Kräften beschreibt – zum Beispiel von Kreiseln oder Pendeln bis hin zum Planetenlauf um die Sonne. Sie basiert auf fundamentalen physikalischen Größen wie Raum, Zeit, Masse und Kraft. Die Grundlage der klassischen Mechanik sind die drei Newtonschen Gesetze. Das erste ist das Trägheitsprinzip, das besagt, dass Masse träge ist und ohne äußere Krafteinwirkung in Ruhe verbleibt oder ihre Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit nicht ändert. Das zweite Newtonsche Gesetz ist das Aktionsprinzip, es beschreibt den grundlegenden Zusammenhang zwischen Kraft, Masse und Beschleunigung: Kraft ist Masse mal Beschleunigung. Das dritte Gesetz sagt aus, dass jede Kraft eine gleichgroße, aber entgegengesetzte Gegenkraft erzeugt. Der Stoß einer Kugel aus einem Katapult erzeugt einen gleichgroßen Rückstoß. Das ist das Prinzip von »Actio und Reactio«.

Für den englischen Naturforscher Isaac Newton stellt sich das Universum im 17. Jahrhundert als ein ausgezeichnetes (also »besonderes«) physikalisches System dar, als ein absoluter Raum, der stets gleich und unbeweglich bleibt. Auch die Zeit vergeht darin überall und für jeden Beobachter stets gleichförmig. Newton formuliert auch das Gravitationsgesetz, wonach die Gravitationskraft zwischen zwei Massekörpern mit ihrem Abstand voneinander quadratisch abnimmt – bei Verdopplung der Entfernung sinkt die Kraft auf ein Viertel des ursprünglichen Wertes. Obwohl Newton die Gravitationskraft auf diese Weise beschreiben kann, bleibt ihm schleierhaft, wie ihre Wirkung übertragen wird. Erst im 20. Jahrhundert zieht Albert Einstein aus Newtons selbstkritischen Gedanken die richtigen Schlussfolgerungen, aber dazu später mehr.

FRAGE 1: IST DIE NATUR ÜBERHAUPT DURCH PHYSIK BESCHREIBBAR?

Worin das Wesen der Physik ergründet wird und sich offenbart, dass das Dreikörperproblem Freiheit verheißt.

Die Frage mutet zunächst etwas philosophisch an, sie hat aber einen praktischen Bezug. Wir möchten wissen, inwieweit und wie genau physikalische Gesetzmäßigkeiten die Realität abzubilden vermögen. Inwiefern stellen die physikalischen Gesetze nicht eine Idealisierung dar, die der Wirklichkeit gar nicht entspricht? Oder ist es noch schlimmer? Die Physik gerät nämlich selbst unter idealisierten Annahmen schnell an ihre Grenzen. Zur Erläuterung schauen wir uns das sogenannte Zweikörperproblem in der klassischen Mechanik an: die Bewegung zweier punktförmiger Massen, die durch die Gravitationskraft miteinander wechselwirken. Dank des Newtonschen Gravitationsgesetzes lässt sich das Problem exakt lösen. Der Trick besteht darin, den Ursprung des Koordinatensystems in den Schwerpunkt der beiden Massen zu verlegen und die Relativbewegung von der Bewegung des Schwerpunkts zu separieren, damit also das Zweikörperproblem im Grunde auf ein Einkörperproblem zu reduzieren. Ein Beispiel für ein solches Zweikörperproblem ist die Bewegung eines Planeten um die Sonne. Doch stellt das Zweikörperproblem in Form zweier punktförmiger, sich umeinander bewegender Teilchen schon eine Idealisierung der Wirklichkeit dar. Überdies besteht die Welt überwiegend aus Systemen mit mehr als zwei Körpern, denken wir nur an unser Sonnensystem mit seinen acht Planeten und unzähligen Kleinplaneten. Ende des 19. Jahrhunderts konnte der französische Mathematiker Henri Poincaré nachweisen, dass es schon im Fall von drei miteinander in Wechselwirkung stehenden Teilchen keine geschlossene mathematische Lösung mehr gibt. Die physikalische Beschreibung des Dreikörperproblems ist nicht mehr exakt, sondern nur noch numerisch und damit näherungsweise lösbar. Punkt.

Der Experimentalphysiker Thomas Naumann vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg sieht das gelassen. Für ihn ist das Dreikörperproblem ein wunderschönes Beispiel dafür, dass sogar die klassische Mechanik fundamentales Chaos erzeugen kann. »Es hängt von den Massen, Abständen und Impulsen der drei Körper ab, ob sich das System in einem Zustand von Stabilität, Wiederholbarkeit und quasi-deterministischem, also festgelegtem Verhalten oder in einem fundamental chaotischen Zustand befindet.« Eine beliebig kleine Störung kann zu völlig unterschiedlichen Systemreaktionen führen. Diese Nichtvorhersagbarkeit bedeutet Instabilität und Chaos. Die damit verbundenen Nichtlinearitäten und daher komplexen Zusammenhänge sind zwar numerisch beschreibbar, aber eben nicht mehr durch eine einfache, prägnante Formel.

Naumann sieht darin einen herrlichen Widerspruch zum Anspruch der klassischen Mechanik und der aufstrebenden Mathematik ab der Zeit der Französischen Revolution, die es sich damals ambitioniert zum Ziel gemacht hatte, die Bahnen der Planeten genauso präzise zu berechnen wie die von Artilleriegeschossen – was wegen des Mehrkörperproblems nicht gelang. »Das kratzte natürlich kräftig am Erkenntnisoptimismus der Aufklärung im ausgehenden 18. Jahrhundert und der Französischen Revolution, die damals enorm progressiv ausgerichtet war. So soll Pierre-Simon Laplace auf die Frage Napoleons, wo denn Gott in seinen mathematischen Überlegungen stecke, selbstbewusst geantwortet haben, dass er dieser Hypothese nicht bedürfe.« Der Mathematiker Laplace vertrat die Ansicht, wer die Lage und Impulse aller Objekte im Universum genau kenne, könne den Zustand der Welt von der Vergangenheit bis in alle Zukunft exakt berechnen. Für Thomas Naumann hat dieser Laplacesche Determinismus eine fatalistisch-pessimistische Komponente. »Das wäre doch schrecklich«, sagt Naumann, »wenn alles tatsächlich derart vorherbestimmt wäre. Erst Chaos, Instabilität und Nichtvorhersagbarkeit machen unsere Zukunft fundamental offen. So sehr wir das Chaos fürchten – es ist eine Quelle der Freiheit. Nur aus ihm kann Neues entstehen.«

Doch welche Rolle spielen dann die Gesetze der Physik, wenn sie bloß innerhalb eines gewissen Bereichs und unter bestimmten Annahmen gültig sind? Diese Frage beantwortet Thomas Naumann ganz pragmatisch: »Es gibt in der Physik keine absolute Wahrheit. Es gibt nur relative Wahrheiten. Relativ zu ihrem Gültigkeitsbereich.« Das ist für ihn aber kein Makel. Für Naumann muss ein Gesetz, eine Theorie, eine Formel gut in ihrem Gültigkeitsbereich funktionieren. »Das Gesetz muss dabei möglichst einfach, effizient und minimal sein und mit einer minimalen Menge an Voraussetzungen und Informationen auskommen. Eine schöne Formel sollte kurz sein, also wenige Zeichen beinhalten. Das ist ein objektives Kriterium für Einfachheit und Eleganz. Und wie in der Kunst und der Ästhetik spielen in der Physik auch Symmetrien eine wichtige Rolle. Einfachheit, Funktionalität und Symmetrie sind eng mit Wahrheit und Schönheit verbunden.« Der Begriff des Gesetzes ist nach Auffassung von Naumann in der Physik von besonderer Bedeutung. »Wichtig für ein physikalisches Gesetz ist seine experimentelle Überprüfbarkeit und deren Wiederholbarkeit. Die Grenzen eines Gesetzes liegen zunächst einmal in den Grenzen der Genauigkeit.« Mitunter komme es in der Physik zu Paradigmenwechseln, bei denen ganze Theorien auf den Kopf gestellt würden, weil sie außerhalb eines gewissen Bereiches eben nicht mehr gelten, wie beispielsweise im Fall des Übergangs von der klassischen Mechanik und Elektrodynamik zur Relativitätstheorie. »Aber das ist kein Problem, denn wir nähern uns der Wahrheit immer nur asymptotisch, also ganz langsam an.«

Die Idee des Gesetzes hat nach Thomas Naumann im alten Judentum Form angenommen. »In der Heiligen Schrift gab Gott Moses am Berge Sinai die Tafeln mit den Gesetzen. Damals waren das moralische Gesetze. Der Philosoph Immanuel Kant hat diese beiden Arten von Gesetzen sauber auseinandergehalten und gesagt, zwei Dinge erfüllten ihm das Gemüt mit Bewunderung und Ehrfurcht: der bestirnte Himmel über ihm und das moralische Gesetz in ihm.« Naumann zufolge habe sich zunächst im Judentum und später im Christentum der Gedanke herausgebildet, dass ein Gesetz hinter den Phänomenen des Universums stehen müsse. Während sich der griechische Gelehrte Aristoteles noch darauf beschränkte zu sagen, dass »die Dinge sind, wie sie sind«. Für Thomas Naumann ist das der typische Standpunkt eines Experimentalphysikers. »Der Gedanke, dass es hinter den Dingen ein Gesetz gibt, ist idealistisch und wurde von Aristoteles’ Lehrer Platon vertreten.« Die Physiker versuchen also, das Gesetz hinter den Dingen zu erkennen. Und die Erkenntnistheorie fragt, ob sich die Natur überhaupt physikalisch beschreiben lässt. Für Nauman führt das zu der Frage, was die Rolle des Menschen in der Natur ist. »In uns, unseren Köpfen, unserer Wissenschaft, unserer Kultur reflektiert die Natur sich selbst. Sie macht ein Abbild ihrer selbst, gegossen in die abstrakte Form des Gesetzes.« Nach Naumann hat die Vorstellung des Gesetzes über das alte Israel Eingang in unsere abendländische Kultur gefunden. Die griechische Kultur steuerte Philosophie und Mathematik bei. Es folgten Renaissance und Aufklärung, in der Individuen begannen, frei zu denken, und dann die Mathematik ab der Zeit der Französischen Revolution bis hin zu unserer modernen Technokultur, von und in der wir heute leben. »Das entscheidende Erfolgsrezept«, sagt Thomas Naumann, »ist meines Erachtens die Vorstellung, dass es hinter den Dingen erstens ein Gesetz gibt und dass wir zweitens dieses Gesetz erkennen können.« Diese Vorstellung wird uns auch im Folgenden weiter begleiten.

TEIL 2

DIE THERMODYNAMIK

Wo Ordnung und Chaos gegeneinander antreten

Die Thermodynamik beschreibt Prozesse, in denen Energie in Form von Wärme vorkommt. Darunter versteht man die ungeordnete Bewegung von Atomen und Molekülen. Die klassische Thermodynamik verknüpft Materieeigenschaften wie Druck, Temperatur, Volumen, spezifische Wärme, Reaktionswärme oder geleistete Arbeit miteinander. Sie basiert auf drei grundlegenden Postulaten, den Hauptsätzen der Thermodynamik. Der erste besagt, dass die Energie eines abgeschlossenen Systems konstant ist. Verschiedene Energieformen können sich ineinander umwandeln, zum Beispiel mechanische Energie in Wärme. Jedoch kann Energie weder vernichtet noch aus dem Nichts erzeugt werden.

Der zweite Hauptsatz trifft Aussagen über die Richtung des »freiwilligen« Wärmeflusses und seiner Folgen: Ohne Zutun von außen wird Wärme stets von heiß nach kalt transportiert. Der Satz ist eng verknüpft mit dem Begriff der Entropie, der häufig etwas irreführend als »Unordnung« eines Systems beschrieben wird. Der Zustand der größten Entropie ist die vollständige Durchmischung. In einem geschlossenen System kann die Entropie nicht abnehmen. Prozesse, bei denen sie gleich bleibt, bezeichnet man als umkehrbar (oder reversibel). Nimmt die Entropie zu, sind sie irreversibel – was bei makroskopischen Prozessen eigentlich immer der Fall ist. Zu einer anschaulichen Deutung der Entropie über die Anzahl von möglichen Mikrozuständen – wie den Anordnungsmöglichkeiten von Molekülen in einer Flüssigkeit oder einem Gas – kommt es in der statistischen Mechanik. Der Zusammenhang zwischen der Wahrscheinlichkeit eines makroskopischen Zustands und seiner Entropie wird zuerst von Ludwig Boltzmann im 19. Jahrhundert erkannt. Demnach ist der wahrscheinlichste Zustand eines Systems die größte Unordnung (die maximale Entropie). Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist nicht allgemein beweisbar, er entspricht schlicht Erfahrungstatsachen und ist daher empirisch begründet.

Der dritte Hauptsatz besagt, dass die Entropie eines Reinstoffs mit perfekter Kristallstruktur, der sich in einem inneren Gleichgewicht befindet, mit sinkender Temperatur gegen Null strebt. Der absolute Nullpunkt der Temperatur kann demnach nicht erreicht werden.

FRAGE 2: WIE LÄSST SICH UNSERE TURBULENTE WELT VERSTEHEN?

Worin gezeigt wird, dass sich unser (kosmisches) Leben aus dem Chaos heraus selbst organisiert.

In der Natur tritt das Chaos sehr häufig in Form von Turbulenz auf. Dies ist zum Beispiel der Fall in einem Wasserfall oder in Luftwirbeln der Erdatmosphäre. Im Unterschied zu einer gleichförmigen (laminaren) Strömung in Flüssigkeiten oder Gasen zeichnet sich eine turbulente Strömung durch unregelmäßige Geschwindigkeiten und Druckschwankungen aus. Sie zeigt sich in Form von Wirbeln und führt zu verstärkter Durchmischung. Das Phänomen der Turbulenz ist noch nicht grundsätzlich verstanden. Der theoretische Physiker Uwe Thiele von der Universität Münster spricht in diesem Zusammenhang von offenen chaotischen Systemen. »Da gibt es Stoffe, die in das System hinein- und herausfließen und viele natürliche Prozesse antreiben, bei denen sich zeitabhängige räumliche Strukturen bilden. Man versteht bisher noch nicht richtig, was die eigentlichen Grundprinzipien dahinter sind. Mit anderen Worten: Man kann jedes einzelne turbulente System für sich betrachtet gut untersuchen und dafür einzelne Modelle erstellen, aber ein grundsätzliches, allgemeines Konzept für strukturbildende turbulente Systeme fehlt noch.«

Turbulente Vorgänge werden häufig mit dem Begriff der Selbstorganisation verknüpft – ein Wort, das auch im Bereich der Biophysik vorkommt. Dabei geht es um das Phänomen, dass sich Systeme selbstständig strukturieren. Entsprechend versuchen die Physiker, in jedem betreffenden System zu verstehen, wie die Reihenfolge der Strukturübergänge aussieht. »Fängt ein System zunächst an zu oszillieren, also mit einer bestimmten Periode zu schwingen, kommt danach vielleicht die Überlagerung einer zweiten und dritten Schwingung hinzu«, beschreibt Thiele ein Beispiel. »Ab wann verhält sich das System nun chaotisch? Ab der dritten Schwingung? Oder beobachtet man nahezu beliebig viele Perioden?«

Der Ansatz der Turbulenzforschung ist, unterschiedliche Systeme experimentell zu untersuchen und zu simulieren. Dabei bedient man sich der Grundgleichungen der Hydrodynamik (der Strömungslehre für Flüssigkeiten) mit dem Ziel, die experimentellen Ergebnisse zu reproduzieren. »Die Theorie versucht, die Eigenschaften der Turbulenz möglichst grundsätzlich zu beschreiben. Aber hier ist die Theorie tatsächlich noch nicht sehr weit. Entsprechend individuell fallen die Lösungsansätze für viele experimentell untersuchte turbulente Systeme aus – spezifische Modelle für konkrete Experimente, ohne dass sich im eigentlichen Sinne die Abfolge der Strukturen verstehen lässt, die man experimentell beobachtet.« Das Problem besteht darin, dass Turbulenzen in der Regel Strukturen betreffen, die sich über viele Längen- und Zeitskalen erstrecken und demnach im ganz Kleinen ebenso wirken wie im ganz Großen. Statistische Ansätze sind daher extrem schwierig anzuwenden.

Während sich ein typisches thermodynamisches Gleichgewicht, das globale Größen wie Druck und Temperatur beinhaltet, in der klassischen Thermodynamik sehr gut beschreiben lässt, sind Modelle für Nicht-Gleichgewichtsphänomene dagegen noch wenig entwickelt. »Dafür fehlen uns die thermodynamischen Grundgesetze.« Für Uwe Thiele sind die Gesetze der klassischen Thermodynamik deshalb im Grunde Gesetze des Gleichgewichts. Die eigentliche Thermodynamik des Nicht-Gleichgewichts wurde erst später begründet, von Wissenschaftlern wie Lars Onsager in den 1930er- und 1940er-Jahren oder Ilya Prigogine in den 1960er-Jahren. Uwe Thiele sieht einen Lösungsansatz in der Entschlüsselung des Phänomens der Selbstorganisation....

Inhaltsverzeichnis

• Grußwort
• Prolog
• 1 Die klassische Mechanik
• 2 Die Thermodynamik
• 3 Die Elektrodynamik
• 4 Die Relativitätstheorie
• 5 Die Quantentheorie
• 6 Die Atomphysik
• 7 Die Physik der kondensierten Materie
• 8 Die Molekül- und Biophysik
• 9 Die Hadron- und Kernphysik
• 10 die Teilchenphysik
• 11 Die Astrophysik
• 12 Die Kosmologie
• Danksagung
• Weiterführende Literatur
• Impressum