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Das Wissen dieser Welt aus den Hörsälen der Universitäten.

Fachbereich
ASTROPHYSIK

Die Grenzen der physikalischen Erkenntnis

Von Prof. Dr. Harald Lesch

 

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