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 - Tagung 2000 -

© 1998 - 2009 Wolfgang Neundorf
Stand:12.04.2009

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Frühjahrstagung 2000 der DPG - Fachverband Didaktik der Physik in Dresden

TUDresden

Die Frühjahrstagung des Fachverbandes Didaktik der Physik fand 2000 an der Technischen Universtität Dresden statt

 

Wer will was Lebendigs erkennen und beschreiben,
sucht erst den Geist herauszutreiben,
dann hat er die Teile in seiner Hand,
fehlt leider! nur das geistige Band.

Goethe, aus Faust I

 

Zur Dominanz der Elektrodynamik bei der Erarbeitung der Quantenphysik

 

Inhalt

  1. Abstract
  2. Vorbemerkungen
  3. Hundert Jahre Quantenphysik
  4. Ausgangspunkt der Quantenphysik
  5. Quantenphysik und Erkenntnis
  6. Zur Rolle der Elektrodynamik
  7. Quanten und Atome
  8. Auf dem Weg zur einheitlichen Theorie?
  9. Resümee
  10. Nachtrag

 

Abstract

Den Ausgangspunkt für die Entwicklung der Quantenphysik bildete die Elektrodynamik. Alle anfänglichen Überlegungen bezogen sich auf die Problematik der Spektralverteilung der thermischen Strahlung. Die Lösungsansätze zur theoretischen Erfassung dieser Verteilung konnten zunächst nicht befriedigen. Erst Max Planck überzeugte mit einer Strahlungsformel, die er Ende 1900 bekanntgab. Dass es einen Zusammenhang zwischen der Struktur der Atome und der Quantenhypothese geben musste, wurde erst später erkannt und spielte bei den ursprünglichen Überlegungen keine Rolle. Die Elektrodynamik, als ältere physikalische Disziplin, bestimmte vollständig den Verlauf der Entwicklung der Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts.

 

Vorbemerkungen

Die Physik - so leider der Eindruck - hat etwas von ihrem einstigen Glanze eingebüßt. Und die Zahl der Studienanfänger in diesem Fach hat auch schon drastisch abgenommen. Weit entfernt, hier irgendwelche Ursachen angeben zu können, möchte ich - aus aktuellem Anlass gewissermaßen und das ursprüngliche Thema dieses Beitrages ein wenig überschreitend - einige ergänzende Gedanken äußern, die im Hinblick auf mögliche Ursachenforschung vielleicht eine ganz kleine Hilfestellung bieten könnten. Und die Haltung „Schuld haben stets die anderen" (wer auch immer), beruhigt kurzfristig diejenigen vielleicht, die einen solchen Standpunkt vertreten, scheint jedoch - langfristig und im „gesamtgesellschaftlichen Zusammenhang" betrachtet - nicht sonderlich konstruktiv zu sein.

Ob die Wissenschaft im Dialog mit dem Versuch der erstmaligen konkreten Umsetzung dieses Vorhabens zum Jahr der Physik einen gewissen Erfolg bringen wird, bleibt unbestimmt; und ich maße mir hierbei kein allgemein- und endgültiges Urteil an, wenngleich ich einige Zweifel hege. Doch wird hierbei der Physik - und darauf kommt es schließlich an - trotz allem eine wegweisende Bedeutung zuerkannt. Die fundamentale Naturwissenschaft war, ist und bleibt sie allemal. Zu begrüßen ist sie auf alle Fälle, diese Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Jedoch die Äußerung

Physik ist nämlich keine auslaufende Wissenschaft, wie manche glauben, sondern sie ist nach wie vor eine gute Investition in die Zukunft.

der Ministerin Edelgard Bulmahn  am 18. Januar in einer Rede anlässlich der Eröffnung des Jahres der Physik ausgesprochen, sollte zum Nachdenken anregen. Auch wenn man in dieser Rede das Wort „manche" nicht expliziert, so bietet allein die Tatsache, dass eine Aussage dieses Inhaltes überhaupt formuliert wird (oder formuliert werden muss?) genügend Motivation zur Nachdenklichkeit.

In jener Rede jener Ministerin tauchten weitere Hinweise auf:

Der Naturforscher Alexander von Humboldt hat das auf den Punkt gebracht, als er eine “Demokratisierung von Wissen und Wissenschaft” forderte. Er ging dabei auch mit gutem Beispiel voran, als er in der damaligen Berliner Singakademie seine berühmten Kosmos-Vorlesungen für “alle sozialen Schichten” hielt. Er trug dabei das naturwissenschaftliche Wissen seiner Zeit in allgemeinverständlicher Weise vor und faszinierte damit Adelige und einfache Bürger gleichermaßen. Das war Wissenschaft im Dialog bereits Anfang des 19. Jahrhunderts! ... Mit dem Jahr der Physik nehmen wir diesen Gedanken wieder auf. Nur haben wir heute angesichts der Explosion unseres Wissens keine Universalgelehrten mehr wie Humboldt, sondern müssen interdisziplinär und im Team arbeiten. ... Auch was wir uns im Jahr der Physik vorgenommen haben,  kann nur mit einer effizienten Arbeitsteilung gelingen.

Hier wird auf das 19. Jahrhundert verwiesen und die Tatsache hervorgehoben, dass - und dies erscheint mir wichtig und erwähnenswert - zu jener Zeit das wissenschaftliche Geschehen noch überschaubar war und möglicherweise auch in nachvollziehbarer Weise vermittelbar.

Wenn wir jetzt - im Jahr 2000 - vom Jahr der Physik sprechen, so kann das 19. Jahrhundert durchaus als das Jahrhundert der Physik gelten. Ungeachtet der gerade im 20. Jahrhundert erzielten technischen Fortschritte und der Erfolge bei der Erarbeitung der neuen Theorien zeichnete sich das 19. Jahrhundert nun einmal dadurch aus, dass es gelang, das physikalische Weltbild - im Rahmen des damaligen Erkenntnisstandes - zu vereinheitlichen. Noch galt die Mechanik im Verständnis der Mehrheit der Physiker als die Grundlage der gesamten Physik, auch wenn noch nicht alle Phänomene (Stichwort “Elektrodynamik”) auf mechanische Relationen reduziert werden konnten. Carl Friedrich v. Weizsäcker beschrieb diesen Sachverhalt (im Kontext mit dem Energiesatz) vor geraumer Zeit auf  folgende Weise:

Trotzdem hat gerade der Energiesatz am meisten zur Ausbreitung derjenigen “mechanischen Naturauffassung” beigetragen, die der Meinung war, alle Phänomene der beobachtbaren Natur würden durch rein mechanische Wirkungen der kleinsten Teile der Materie (und des hypothetischen Äthers) hervorgebracht; ja eine physikalische Theorie stelle noch keine wirkliche Erklärung der von ihr behandelten Erscheinungen dar, solange sie diese Erscheinungen nicht auf Mechanik zurückgeführt habe.

    C. F. v. Weizsäcker, Zum Weltbild der Physik, Aufsatz: Die Auswirkung des Satzes von der Erhaltung der Energie in der Physik, S. 58, Stuttgart 1990

Dass es zum Ende des 19. Jahrhunderts auch kritische Stimmen gab (z.B. Ernst Mach, erwähne ich nur der Vollständigkeit halber.

Jedenfalls befand sich die Physik des 19. Jahrhunderts voll im Trend der Aufklärung, jener geistig-kulturellen Strömung des 17. und 18. Jahrhunderts, die ihrerseits auf Traditionen und Erfolge der Naturwissenschaften aufsetzen konnte. Bei Kant (1784) war die Aufklärung

Ausgang des Menschen aus seiner selbstverschuldeten Unmündigkeit.

So gesehen ging es nicht einfach “nur” und ausschließlich um die Beantwortung irgendwelcher einzelner konkreter Fragen, sondern darum auch, dass man dem Ziel, eines naturwissenschaftlichen rational begründeten „Welt"-Bildes habhaft zu werden, sich schon recht nahe wähnte. Und auch damit setzte man sich auseinander, von alten Dogmen und Autoritäten (z.B. Religion, Kirche) sich zu trennen, und als einzige “Autorität” (die eigene) Vernunft und Ratio gelten zu lassen.

Folgende Punkte widerspiegeln vielleicht einige Seiten des Verständnisses von den Naturwissenschaften im 19 Jahrhundert:

  1. Die “Welt” ist auf (grundsätzlich) nachvollziehbare Weise rational erklärbar. - Die “Welt” umfasst(e) stets das, was man von ihr zu (er)kennen glaubt(e).
  2. Die Naturwissenschaften - insbesondere die Physik - haben wesentliche Zusammenhänge des realen Geschehens bereits erfassen können.
  3. Das Verständnis von den Naturwissenschaften beinhaltete auch deren aufklärerische Wirkung im Kampf gegen Aberglauben und sonstige Irrationalismen.

Jedenfalls war man, was den Erkenntnisstand anbelangte, sehr optimistisch - zu optimistisch, wie sich bald herausstellen sollte. Max Planck äußerte sich rückblickend zu diesem Thema 1924 in einer Vorlesung :

Als ich meine physikalischen Studien begann und bei meinem ehrwürdigen Lehrer Philipp von Jolly wegen der Bedingungen und Aussichten meines Studiums mir Rat erholte, schilderte mir dieser die Physik als eine hochentwickelte, nahezu voll ausgereifte Wissenschaft, die nunmehr, nachdem ihr durch die Entdeckung des Prinzips der Erhaltung der Energie gewissermaßen die Krone aufgesetzt sei, wohl bald ihre endgültige stabile Form ngenommen haben würde. Wohl gäbe es vielleicht in einem oder dem anderen Winkel noch ein Stäubchen oder ein Bläschen zu prüfen und einzuordnen, aber das System als Ganzes stehe ziemlich gesichert da, und die theoretische Physik nähere sich merklich demjenigen Grade der Vollendung, wie ihn etwa die Geometrie schon seit Jahrhunderten besitze.

    Zitiert aus: F. Herneck, Bahnbrecher des Atomzeitalters, Aufsatz: Max Planck - Die Geburt der Quantenvorstellung, S. 130, Berlin 1970

Nun wissen wir, dass Planck diesen sicherlich gut gemeinten Rat nicht befolgte und dennoch bei seiner Entscheidung blieb, Physiker zu werden. Ein ziemlich erfolgreicher - als Hochschullehrer und Forscher - war er außerdem geworden. Ihn als “Revolutionär wider Willen” zu charakterisieren, ist gewiss nicht einmal falsch. Jedenfalls war es u.a. sein Anliegen, die Maxwellsche Elektrodynamik und die Thermodynamik nahtlos miteinander zu verbinden. Diese Fusion gelang, aber - zu seinem Leidwesen - nicht gerade nahtlos. Es zeichnete sich ein Bruch ab zur bislang sehr erfolgreichen Physik, die, aus unserem retrospektiven Blickwinkel, das Attribut “klassisch” erhielt.
(Und damit wären wir - über einen ganz kleinen Umweg - doch noch zum eigentlichen Thema vorgedrungen.)

 

Hundert Jahre Quantenphysik

Nach einem Jahrhundert Zwischenbilanz zu ziehen, sollte durchaus gestattet sein. In den folgenden Darlegungen versuche ich einige - m.E. nicht unwesentliche - Problempunkte andeutungsweise herauszustellen. Das Thema ist wohl etwas weiter zu fassen, als es aus der Überschrift hervorgehen mag. Nun ist es gerade die Quantenphysik, die relativ wenig um ihre Legitimität besorgt sein muss - zumindest was die praktische Bedeutung der Erkenntnisse anbelangt. Im Hinblick auf den Anspruch der Physik, die Basis zu bilden für die “rationale Welterkenntnis an sich” sind einige kritische Anmerkungen vielleicht dennoch angebracht. Der aktuelle Stand der Quantenphysik scheint also durch technische Nutzanwendungen - vielleicht auch künftige - bestimmt und gerechtfertigt zu sein. Kaum ein anderes physikalisches Gebiet - von der Elektrodynamik einmal abgesehen - prägt unseren Alltag (von Otto Normalverbraucher meist unbemerkt) in dem Maße wie all jene Erscheinungen und auch technischen Errungenschaften, die in irgendeiner Weise mit der Quantenphysik in Verbindung gebracht werden können.

Das Akzeptieren der bekannten Paradoxien der Quantenphysik mit Blick auf die formal mathematische und  technische Beherrschung des Gegenstandes darf man durchaus selbst ohne näheres Hinterfragen akzeptieren. Man kann aber auch Überlegungen nach deren Ursprung anstellen. Den Pragmatiker scheint all dies nicht zu berühren. Dennoch sind Überlegungen bezüglich der Wurzeln der hinlänglich diskutierten Schwierigkeiten m.E. nicht nur nicht überflüssig, sondern durchaus notwendig, wollen wir, dass “Der Traum von der Einheit des Universums” von der Fiktion zur Realität avancieren soll.

    “Der Traum von der Einheit des Universums” ist der Titel eines Buches, das vom Nobelpreisträger Steven Weinberg geschrieben wurde und 1993 als deutsche Ausgabe erschien.

 

Ausgangspunkt der Quantenphysik

Die Ursprünge der Quantenphysik finden wir im Erkenntnisstand des 19. Jahrhunderts. Und dieses Jahrhundert brachte uns, wie schon angedeutet, einige Schritte der Erfüllung des “Traumes von der Einheit” näher. So schien es zunächst. Betrachtet man auch nur einige Ergebnisse der Forschung eben jenes Jahrhunderts, so wird klar, dass es zwischen den einzelnen physikalischen Forschungsgebieten Zusammenhänge geben muss. Wir kennen letztendlich keine physikalische Disziplin, die nicht in irgendeiner Beziehung zu irgendeinem anderen Fachgebiet steht. Und so ist es nicht verwunderlich, dass die Erfolge der Physik im 19. Jahrhundert die Vermutung nahelegten, dass die wesentlichen Erkenntnisse bereits gewonnen wurden und die weitere physikalische Forschungstätigkeit sich mit der Ausarbeitung mehr oder weniger (un)wesentlicher Details begnügen müsse.

Doch schon die - anscheinend so simple, weil alltägliche - Tatsache, dass ein erwärmter Körper in der Lage ist, elektromagnetische Strahlung (mit einer bestimmten spektralen Verteilung) auszusenden, brachte die Physiker seinerzeit in arge Bedrängnis. Experiment und Theorie wollten nicht so recht zusammenpassen. Schon das schlichte Licht einer Glühlampe (der zur Weißglut erhitzte Wolframdraht z.B.) birgt - für den “Eingeweihten” jedenfalls (der Laie sieht dort keine Probleme) - einige rätselhafte physikalische Phänomene, die heute genau so wenig verstanden werden, wie sie damals - vor hundert Jahren etwa - auch nicht so recht verstanden wurden. Versuche, das “Wirkungsquantum” in die klassische Physik zu integrieren waren von vornherein zum Scheitern verurteilt. Ungeachtet dieser Tatsache war Plancks Strahlungsformel in der Lage, den experimentellen Ergebnissen gerecht zu werden.

    Probleme werden erst dann als solche erkannt, wenn Erwartung und Wirklichkeit nicht übereinstimmen wollen. Bei alltäglichen Phänomenen treten solche Divergenzen gewöhnlich nicht auf. Von einem erhitzten Körper (vorausgesetzt, er übersteht diese Prozedur) erwartet man nichts anderes, als dass er mit steigender Temperatur zunächst dunkelrot glüht, dann immer heller strahlt, und schließlich fast weißes Licht aussendet. Das Erkennen von Problemen setzt hier einen gewissen Kenntnisstand voraus.

 

Quantenphysik und Erkenntnis

Doch hatte man sich arrangiert. Die Anwendung der nunmehr fast hundertjährigen Quantenhypothese sowie die Ausarbeitung der maßgeblichen Theorien (im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts ungefähr) führten zu einer - so möchte ich es fast nennen - fatalistischen Haltung den neuen Erkenntnissen gegenüber. Dem gesunden Menschenverstand (was immer sich dahinter ganz genau verbergen möge) wird jegliches Vetorecht abgesprochen; und die Logik hat ebenfalls kein Mitspracherecht mehr. Die mathematischen Formalismen sind das Einzige, was die Realität und unser Wissen über sie verbindet. Karl Popper sprach gar von einem “ deprimierenden und antirationalen Einfluss”.

Aus Zeitgründen kann ich hier nicht auf alle Schwierigkeiten eingehen. Nicht einmal andeutungsweise auf einige nur. Doch folgende Fragen seien vielleicht erlaubt:

  • Was wollen wir - was will die Physik?
  • Was kann die Physik?

Die Antwort auf die zweite Frage ist spielend leicht beantwortet, indem wir nur einige technische Realisierungen aufzuzählen brauchen: von der Glühlampe bis zur Atomuhr; vom Transistor bis zum Mikroprozessor; von der Laserdiode im CD-Laufwerk bis zum Hochleistungslaser.

Die möglichen Aussichten auf mögliche künftige weitere Nutzanwendungen will ich gar nicht erst nennen. Dem Pragmatiker werden die Argumente mit Sicherheit nicht ausgehen. Die Quantenphysiker sind auf alle Fälle Vertreter einer physikalischen Zunft, die nicht unter jenem Rechtfertigungsdruck stehen, wie es bei den Teilchenphysikern möglicherweise der Fall ist.

Letztere sind mittlerweile ins Gerede gekommen. Nicht erst in jüngster Zeit. So stoppte der amerikanische Kongress Ende 1993 ein gigantisches Projekt, welches ”Superconducting Super Collider” (SSC) genannt wurde. Von einem wohl zweistelligen Milliardenbetrag war zu jener Zeit die Rede - in US-Dollar, versteht sich. Auch das DESY in Hamburg bleibt nicht von Kritik verschont. Es geht hier nicht vordergründig um die in Aussicht gestellte praktische Nutzanwendung dieser oder jener Erkenntnis, sondern um die Erkenntnis selbst. Gigantische Beschleuniger - so auch die Ansicht o.g. Nobelpreisträgers - sind eine wichtige Voraussetzung, den “Traum von der Einheit des Universums” zu verwirklichen. (Ich weiß nicht, ob die Quantentheoretiker auch einen solchen Traum träumen. Doch, so scheint es, träumt man hier nicht, sondern handelt. Man kann schließlich Ergebnisse vorweisen.)

Für den Außenstehenden - und das Jahr der Physik soll gerade auch für Außenstehende interessant sein - bietet sich ein recht zwiespältiges Bild, zumindest, wenn er sich dafür interessiert. Einerseits gibt es das - überhaupt nicht in Frage zu stellende - Bestreben, die Vielfalt der Naturerscheinungen in einem möglichst einheitlichen Bild erfassen zu können, auch wenn dieses “Bild” gern auf  “Formel” reduziert wird. Erkenntnisgewinnung ist Selbstzweck! Nach potenziellen Nutzanwendungen zu fragen, scheint vordergründig nicht angebracht.

Doch andererseits finden bekannte Forschungsgebiete - hier ist es die Quantenphysik - gerade durch ihren näheren Praxisbezug ihre Legitimation und vielleicht auch größere Akzeptanz. Nach dem Wert “rationaler Erkenntnis an sich” wird nicht gefragt.

 

Zur Rolle der Elektrodynamik

In diesem Kontext ist gerade die Elektrodynamik von entscheidender Bedeutung. Zum einen waren es die magnetischen und elektrischen Phänomene, die im 19.Jahrhundert eine herausragende Rolle in der physikalischen Forschung spielten. Genau diese Erscheinungen waren relativ leicht - mit geringem technischen Aufwand  - zu untersuchen. Und zum zweiten wurde - auch im 19. Jahrhundert - der Nachweis erbracht, dass Magnetismus, Elektrizität, Licht und Wärme(strahlung) nur Aspekte der Beschreibung einer einheitlichen Natur waren.

Dies war - wie schon eingangs bemerkt - die Ausgangssituation, in der sich die Physik am Ende des 19. Jahrhunderts befand. Alles schien klar. Und von den bestehenden Erkenntnissen konnte keine auch nur andeutungsweise in Frage gestellt werden. Und somit musste man einen Anknüpfungspunkt finden, die klassische Elektrodynamik mit den experimentellen Befunden der thermischen Strahlung in Einklang zu bringen.

Unter der Voraussetzung, dass das Maxwellsche Gleichungssystem - als mathematisches Äquivalent des elektromagnetischen Feldes verstanden - wirklich das homomorphe Abbild einer eigenständigen materiellen Entität ist , mussten die neuen Quantengesetze als etwas völlig Fremdartiges erscheinen.

Die Alternative wäre es, in den bekannten mathematischen Formalismen Analogiemodelle zu sehen, die zwar in der Lage sind, bestimmte quantitative Relationen - innerhalb ihres Gültigkeitsbereiches - abzubilden, aber nicht als Eins-zu-eins-Abbild materieller Strukturen betrachtet werden sollten. Eine solche Vorstellung scheint angesichts der Erfolge der Elektrodynamik völlig unannehmbar zu sein.

Indizien für den Quantencharakter (hier der elektromagnetischen Strahlung) gab es noch weitere. Die empirischen Befunde waren nicht zu ignorieren. Andererseits hatte sich bis dato die „Kontinuumsphysik" bewährt; und ohne diese Darstellungsform (beispielsweise die Maxwellschen Gleichungen) waren nun einmal Interferenzen - wo auch immer sie auftreten mochten - schwerlich zu erklären.

Der Ausweg: Die Quanten wurden als etwas fundamental Neues betrachtet; und der Widerspruch zwischen der klassischen Physik und der Quantenphysik wurde dergestalt relativiert, dass der klassischen Physik ad hoc ein Gültigkeitsbereich zugewiesen wurde. Die Erfolge der bisherigen Physik (hier vordergründig der Elektrodynamik) verhinderten es, im nachhinein alle empirischen Fakten in einem Gesamtzusammenhang betrachten zu können oder auch nur zu wollen. Der Bruch war vollzogen.

Auf die Idee, dass Atome möglicherweise ein multistabiles Verhalten bezüglich bestimmter Parameter aufweisen, konnte Planck damals überhaupt nicht kommen; für ihn existierten die Elektro- und die Thermodynamik sowie die empirisch gegebenen Fakten der thermischen Strahlung. Dieses Wissen bildete die Basis seiner Überlegungen. Und genau dieses - als sicher angenommenes - Wissen sprengte er mit der logisch zwingenden Quantenhypothese.

 

Quanten und Atome

Desweiteren reifte die Erkenntnis, dass die Atome - als materielle “Bausteine der Materie” - tatsächlich existierten, aber letztendlich wirklich unteilbar nicht sind. Auch die Tatsache, dass Wärme - als ungeordnete Bewegung der Atome (respektive Moleküle) verstanden - das Anwendungsgebiet der Mechanik erweiterte und damit eine weiteres Indiz lieferte dafür, auf dem rechten Weg zu einer einheitlichen Naturbeschreibung zu sein, schien keine allzu großen Probleme zu aufzuwerfen.

Wie auch immer man die konkreten Erkenntnisse bewerten möge, und wie wenig man von all dem tatsächlich verstand und versteht, eines scheint klar: Die Atome spielen die zentrale Rolle, geht es um den Zusammenhang von Wärme und elektromagnetischer Strahlung. Als es zu konkreteren Vorstellungen kam, die Struktur der Atome verstehen zu wollen, gab es seit Ende 1900 längst die Quantenhypothese, die ihrerseits bei Einstein (1905) eine konkrete Entsprechung in den Lichtquanten (Photonen) fand. Das Rutherfordsche Atommodell (1911) erfuhr durch Bohr (1913) eine Vervollkommnung, indem die (modifizierte) Quantenhypothese zur Anwendung kam.

Somit umfasst der Quantenbegriff (in historischer Reihenfolge) diese Inhalte (Man sollte wirklich einmal versuchen, diese begrifflichen Inhalte im Zusammenhang zu sehen. Dies ist sehr schwierig bis unmöglich.) :

  1. Quanten als diskrete Energiezustände elektromagnetischer Resonatoren (Planck 1900) - Anknüpfung an die Elektrodynamik. Diese historische Ausgangsposition spielt bei der Vermittlung des Wissens keine bedeutende Rolle, sondern wird meist nur noch als geschichtliche Tatsache erwähnt. Quanten werden vorrangig im Zusammenhang mit den Mikrostrukturen eingeführt.
  2. Quanten als materielle Objekte (Photonen, “Atome des Lichtes”), die mit Materie auf spezifische Weise in Wechselwirkung treten (Einstein 1905) - Widerspruch zur “Kontinuums-Physik”. - Hier finden wir auch eine „Querverbindung" zur Speziellen Relativitätstheorie, die Masse und Energie auf die bekannte Weise verknüpft. In diesem Sinne verkörpern die Lichtquanten „reine Energie" und damit auch Masse. Dabei aber ist zu beachten, dass die Basis der SRT eben wieder die Maxwellsche Elektrodynamik bildete, die einerseits auch bei der Quantentheorie die tragende Rolle spielte, jedoch letztendlich zu unauflösbaren Widersprüchen führte.
  3. Quanten als Differenzen diskreter Energiniveaus in den Atomen (Bohr 1913) - Der Widerspruch zur Elektrodynamik (Stichwort “beschleunigte Ladung”) wurde mit Hilfe einer Ad-hoc-Hypothese beseitigt, die jedoch durch die vorausgegangenen Arbeiten von Planck und Einstein gerechtfertigt schien.
  4. Quanten als Vermittler der Wechselwirkungen in den Quantenfeldtheorien, speziell die Photonen in der Quantenelektrodynamik (Pauli, Jordan und Heisenberg 1928-1930). - Die Photonen sind die “Feldquanten des elektromagnetischen Feldes”.

Die Struktur und das Verhalten der Atome erfuhr letztlich (auf die weitere Entwicklung der Quantenphysik gehe ich nicht weiter ein) eine Begründung durch das quantenphysikalische Verständnis, welches sich zu einer eigenständigen physikalischen Disziplin mit eigenständigen - als fundamental angesehenen - Prämissen entwickelte.

Zurückschauend sollte es - trotz aller bisherigen Bestrebungen - vielleicht doch erlaubt sein, folgende Frage zu stellen:

Repräsentieren die Quantengesetze tatsächlich fundamentale Prinzipien oder ist es vielleicht doch denkbar, dass sich die Grundlagen der Quantenphysik (und die der klassischen Physik gleichermaßen) aus allgemeineren - uns noch unbekannten - Voraussetzungen ableiten lassen?

Die historische Reihenfolge der Entdeckungen und Erarbeitung der Theorien muss nicht unbedingt die objektiven Erfordernisse reflektieren. Tatsache jedoch scheint: Der konkrete historische Verlauf des konkreten physikalischen Erkenntnisprozesses ist bestimmend für die relevanten (oder als relevant akzeptierten) Fragestellungen, die ihrerseits den weiteren Verlauf der Forschung determinieren. Auch die Entscheidung darüber, was als fundamental gelten soll oder was nicht, ist im historischen Zusammenhang zu treffen. Als fundamental neu galten stets Phänomene, die sich der Integration in das bestehende Theoriensystem widersetzten.

Sind nicht vielleicht die Struktureigenschaften der Atome die fundamentaleren, aus denen die konkreten Quantengesetze ableitbar wären? Gibt es möglicherweise sogar Struktureigenschaften, die - hierarchieübergreifend - allgemeingültig sind?

Diese Fragen mögen als heuristische Fingerzeige verstanden werden und nicht als Basis konkreter Hypothesen. Doch könnte man, das Atom als nichtlineares multistabiles System mit einer Reihe (meta)stabiler Zustände verstanden, zu abgewandelten Fragestellungen gelangen, die ich an dieser Stelle nicht weiter verfolgen möchte, weil sie den Rahmen meiner bisherigen Darlegungen sprengen würden. Nur soviel: Dass sich nichtlineare Systeme u.U. auch unstetig verhalten können, ist so umwerfend neu nun auch wieder nicht. Schon die Schaltelemente der Digitalelektronik - als herausragende technische Realisierung - zeigen ein durch Rückkopplung verursachtes unstetiges (hier bistabiles) Verhalten. Für nichtlineare Systeme der genannten Art gilt, dass der Übergang von einem (meta)stabilen Zustand zu einem anderen Zustand eine zwar sehr kurze, aber dennoch endliche Zeit benötigt. Anders die “Quantensprünge”, die per definitionem - weil als fundamental betrachtet - in “Null-Zeit” vonstatten gehen.

 

Auf dem Weg zur einheitlichen Theorie?

Im vergangenen Jahr (1999) tauchte - wieder einmal - die Metapher von der Weltformel in der Presse auf. Der Anlass: Eine Tagung, die vom 19. bis 24. Juli 1999 in Potsdam stattfand. “Strings ’99” hieß diese Veranstaltung, an der die internationale Prominenz der Stringtheoretiker teilnahm. Der Gastgeber war das MPI für Gravitationsphysik in Potsdam.

Der zurzeit wohl berühmteste Physiker auf unserem Planeten, Stephen Hawking, äußerte auf dieser Tagung:

1980 habe ich gesagt, dass unsere Chancen 50 zu 50 stünden, bis Ende des Jahrhunderts eine solche allumfassende Theorie zu finden. Obwohl wir in den vergangenen 20 Jahren große Fortschritte gemacht haben, sind wir jedoch unserem Ziel offenbar bisher nicht näher gekommen.

Hawking jedoch bleibt bei seiner ursprünglichen Aussage - mit einer “ganz kleinen” Korrektur:

Die 20 Jahre beginnen erst jetzt.

Einer einheitlichen Physik müssten zunächst allgemeingültige - also fundamentale - Prinzipien zu Grunde liegen. Im Sinne der aktuellen Physik gehören die Quantengesetze zu genau diesen grundlegenden theoretischen Strukturen, wie ebenso die Eigenschaften der Elementarteilchen dazu zu zählen sind. Und dass man in der Hierarchie der Materiestrukturen sich mittlerweile weiter vorangekämpft hat, beweisen die Stringtheoretiker mit ihren - nun ja, sehr abstrakten - Theorien. Dies aber ist nicht mein Thema. Es geht “ganz einfach” um folgende Fragen:

  1. Welches sind die fundamentalen Prinzipien?
  2. Hat die Physik davon einige schon erfasst?
  3. Welches könnten die Kriterien sein, um bewerten zu können, was fundamental ist und was abhängig ist von anderen - vielleicht noch unbekannten grundlegenderen - Prinzipien?

Tatsache ist: Die Spezialisierung der physikalischen Forschung schreitet immer weiter voran. Die materiellen und personellen Aufwendungen werden - zumindest was die Forderungen angeht - immer gewaltiger. Das Problem: Ist eines der zurzeit gegebenen Forschungsgebiete - die Quantenphysik inklusive - überhaupt in der Lage, die Basis einer einheitlichen Physik abzugeben. Die klassische Mechanik - das wissen wir in der Rückschau - war dazu nicht in der Lage, obwohl im 19. Jahrhundert dies angenommen wurde und dazu auch berechtigte Hoffnung bestand. Der ursprünglichen Elektrodynamik - wesentliche Determinante der Quantenphysik - wurde nachträglich ebenso ein “Gültigkeitsbereich” zugewiesen.

Es gibt keine Möglichkeit - dies meine unmaßgebliche Überzeugung -, die uns gegebene Physik wieder zu “kitten”. Meine Meinung: “Der Traum von der Einheit des Universums” wird leider ein Traum bleiben. Dem unkontrollierten fraktalen Wachstum der Physik sind anscheinend keine Grenzen gesetzt, oder jene Grenzen nur, die jedem exponentiellen Wachstum irgendwann und irgendwie im Wege stehen.

Dies hat auf die aktuelle Forschung und Lehre keinen unmittelbaren Einfluss. Langfristig jedoch könnte die Beschäftigung mit solch oder ähnlich gelagerten Fragen möglicherweise überlebensnotwendig sein für die Physik als die exakte Wissenschaft schlechthin, Vorbild für alle anderen Naturwissenschaften.

 

Resümee

Der historische Verlauf der Entwicklung der Physik ist uns gegeben, wie er nun einmal ist. Und die Akteure der Physik (von Galileo Galilei bis Stephen Hawking) sind in diese Entwicklung eingebettet. Sie konnten - und können - dem Verlauf dieser Entwicklung gedanklich nicht vorauseilen, auch wenn Hawking sich schon einmal (mit äußerst mäßigem Erfolg allerdings) als Prophet versuchte. Die Interpretation der empirischen Fakten konnte - und kann - immer nur auf Grundlage des gegebenen Wissensstandes erfolgen. (Diese Aussage ist trivial.)

Nicht trivial hingegen erscheint mir die Tatsache, dass rückblickend die historische Genese der Physik nicht die gebührende erkenntnistheoretische und methodologische Beachtung findet. So sollte man stets auch die Entwicklung der Quantenphysik vor dem Hintergrund der vorausgegangenen Forschungen verstehen. Die klassische Elektrodynamik gilt “innerhalb ihres Gültigkeitsbereiches” als jenseits jeglicher Diskussionswürdigkeit. Die Arbeiten von Heinrich Hertz (ab 1886) hatten das letzte Mosaiksteinchen in jenes Bild eingefügt, welches seitdem (“innerhalb des Gültigkeitsbereiches”) als vollendet gilt.

Hier entspricht die Einschätzung Karl Poppers, dass Theorien nie endgültig verifizierbar sind, jederzeit aber falsifizierbar, nicht ganz der Realität. Nimmt man die erkenntnistheoretische Haltung Poppers ernst - und ich persönlich neige durchaus dazu, sie ernst zu nehmen -, so wäre mit den Erfahrungstatsachen, die im Zusammenhang mit der Quantenhypothese stehen (z.B. photoelektrischer Effekt und Compton-Streuung) der Anlass gegeben, die Interpretation der Elektrodynamik - beispielsweise - noch einmal grundlegend zu überdenken, indem versucht werden sollte, alle Tatsachen in einen Zusammenhang zu bringen. Dies ist bislang nicht gelungen. Und es gibt meines Wissens auch keine diesbezüglichen Bestrebungen, weil solche und artverwandte Überlegungen ohnehin als sinnlos deklariert und damit gar nicht erst angestellt werden. Jede physikalische Disziplin hatte sich ja bisher (innerhalb ihres Gültigkeitsbereiches) bewähren können.

Folgende Probleme (eine Auswahl, am Beispiel der Quantenphysik ansatzweise herausgearbeitet) zeichnen sich m. E. somit ab:

  1. Die Fragmentierung der Physik wurde zum Prinzip erhoben. “Die Physik” als homogene Wissenschaft gibt es genau genommen nicht mehr, sondern nur noch eine Vielzahl einzelner Wissens- und Forschungsgebiete.
  2. Die formalen quantitativen (mathematischen) Aspekte der Physik gewannen (etwa seit Ende des 19. und dem Beginn des 20. Jahrhunderts) gegenüber den qualitativen Inhalten immer mehr die Oberhand. Es wird nicht zwischen qualitativer Aussage (Erkenntnis) und quantitativem Modell unterschieden. Für die Beschreibung bestimmter Phänomene sind sogar verschiedene (disjunkte) Modelle erforderlich.
  3. Die Physik ist nicht mehr in (grundsätzlich) nachvollziehbarer Weise vermittelbar.
  4. Die pragmatische Sicht als „Generalargument" zur Rechtfertigung der “unanschaulichen Aspekte” der Physik hat kaum noch eine Beziehung zum einstigen aufklärerischen Anspruch der Naturwissenschaften und speziell der Physik.

Zum Abschluß noch einige Sätze aus der Rede der Ministerin Bulmahn vom 18. Januar:

Keppler, Galilei und Newton haben seit dem 17. Jahrhundert unser Weltbild auf eine - wie wir heute sagen würden - physikalisch-rationale Basis gestellt. Es war der Anfang einer Entmythologisierung unserer Welt, die in die Aufklärung mündete und die die Grundlage für unsere heutiges Denken ist. Max Planck, Albert Einstein und andere haben weitere großartige Beiträge für die Fortentwicklung unseres Weltbildes geleistet.

Es könnte durchaus sein, dass mit fortschreitender Spezialisierung auch der physikalischen Forschung Anspruch und Realität immer weiter divergieren. (Ist man nicht dabei, alte Mythen durch neue zu ersetzen?) Das (“elitäre”) Spezialistentum fordert seinen Tribut: Entweder man glaubt den Autoritäten  - oder man lässt es sein.

Meine ganz persönliche Einschätzung: Die Suche nach dem “geistigen Band” verlief bislang nicht sonderlich erfolgreich.

 

Nachtrag

  • Wichtige geistige und kulturelle Aufgabe der Naturwissenschaften bestand in ihrer aufklärerischen Wirkung.
    Wie ist es dann zu erklären, dass (beispielsweise) der Aberglaube nicht endgültig beseitigt werden konnte? (Die Zeitungshoroskope sind die wohl harmloseste Erscheinungsform dieses sozialen Phänomens.)
  • Der naturwissenschaftliche Unterricht ist seit Jahrzehnten unverzichtbarer Bestandteil modernen Bildungswesens.
    Wie kommt es dann, dass relativ wenig SchülerInnen für die an ich sehr spannenden naturwissenschaftlichen Fächer Interesse zeigen? - Physik und Chemie “streiten!” sich meines Wissens um die letzten beiden Plätze auf der Beliebtheits-Skala. Liegt das wirklich nur an der Art und Weise der Vermittlung des Wissens oder nicht etwa doch - zumindest teilweise - an den zu vermittelnden Inhalten selbst?
  • Das Leben in den modernen Industrieländern ist in eminent hohem Maße von der Technik geprägt.
    Wie ist dann diese gewisse Technikfeindlichkeit zu erklären, die in den letzten drei Jahrzehnten (so etwa) große Teile der Bevölkerung erfasst hat?

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