Kitabı oxu: «Die Elemente Naturphilosophie Relativitätstheorie Quantenmechanik»

KULTUR GESCHICHTE DER ELEMENTE

Hier ist die Rede von den großen Männern der griechischen Philosophie, die auf die Frage „Was ist die Welt“ geantwortet haben: Wasser, Luft Feuer, Erde. Es geht um den Anfang der Naturforschung, denn Naturwissenschaften sind die griechische Art über die Natur nachzudenken.

WAS IST DIE WELT? Die moderne Antwort auf eine alte Frage. Die Welt besteht aus Atomen, die wiederum nicht unteilbar sind sondern aus Neutronen, Protonen und Elektronen bestehen. Das ist aber immer noch nicht elementar. Aus Demokrits Atomen wurden Quarks und Leptonen.

AM ANFANG WAR DIE KRAFT: Vier Grundkräfte regieren die Welt der Dinge: Schwerkraft, starke Kernkraft, schwache Kernkraft und Elektromagnetismus. Das Spiel dieser Kräfte hat alles erschaffen was ist: Galaxien, Sterne, Planeten, Lebewesen und Gehirne.

DER GROSSE ZUSAMMENHANG: Naturwissenschaften können viel, aber nicht alles erklären. Wie hängt in dieser Welt auf diesem Planeten Element mit Element zusammen. Was macht das System Erde aus? Ein Blick über die Fächergrenzen hinaus zur Methodik der Wissenschaft.

Informations-Explosion

Wir leben in einer Zeit, in der das Wissen explodiert, so heißt es zumindest.

Ich persönlich bin da ganz anderer Meinung. Ich habe eher den Eindruck, die Informationsmengen explodieren, von Wissen kann noch nicht die Rede sein.

Wissen, das ist etwas ganz Anderes.

Wirklich etwas zu wissen, das ist schon enorm. Das hängt nämlich nicht nur davon ab, was man alles an einzelnen Erkenntnissen über etwas hat, sondern dass man diese Erkenntnisse miteinander verknüpft.

Heute ist es in der Tat so, dass wir vor einer riesigen Flut von Informationen stehen. Häufig bleiben wir völlig bedröppelt in diesem Regen an Informationen, die wir nicht zusammenkriegen, stehen. Auch aus den naturwissenschaftlichen Bereichen gibt es ungeheuer viele Nachrichten. Da hat wieder derjenige was gefunden, und die Gruppe hat da was entdeckt... und so weiter und so fort.

Wir leben wirklich in einer Zeit der Explosionen, vor allem der Informations-Explosionen.

Eine Wissensexplosion, das ist etwas ganz anderes.

Thales von Milet

Es gab eine Zeit, in der das Wissen der Menschheit tatsächlich explodiert ist, ungeheuer explodiert. Nicht die Informationen, die waren schon alle da, sondern das Wissen darüber, die Verknüpfungen. Die sind auf einmal ganz neu geworden. Das hatte man vorher nicht so gesehen. Durch einen genialen Lichtblitz kam gewissermaßen neues Wissen in die Welt.

Es war im 6. Jahrhundert vor unserer Zeitrechnung. Da stand jemand an der Küste von Kleinasien, der heutigen Türkei, in der Stadt Milet, und hat sich Folgendes überlegt: „Ist es möglich, dass man die Welt verstehen kann, ohne die Götter zu Hilfe zu nehmen? Ist es möglich, die Dinge und Vorgänge, die um uns herum passieren, mit dem eigenen, gesunden Menschenverstand zu verstehen, ohne Hilfe vom Jenseits, vom Himmel?“

Dieser Mann hieß Thales.

Thales von Milet war der erste Philosoph, der erste Freund der Weisheit. Dieser Mann hat etwas getan, das vorher niemand gemacht hat. Er hat sich überlegt, ob es neben den Göttern, die durchaus für ihn immer noch da waren, etwas Allgemeines gibt, etwas Ewiges, in das hinein sich alles erklären lässt, was auf dieser Welt passiert? Thales hat gesagt: „Alles in dieser Welt ist letztlich auf Wasser zurückzuführen.“

Wasser.

Wasser löst Dinge auf, Wasser löst Gesteine auf. Aus dem Wasser heraus wachsen Dinge. Wasser, das Feuchte, war für ihn das erste und allgemeinste Prinzip.

Was Thales da gemacht hat, steht am Anfang der griechischen Philosophie.

Naturwissenschaften, die modernen Naturwissenschaften, sind das Resultat der Anfänge der griechischen Philosophie. Mit anderen Worten: Naturwissenschaft ist die griechische Art über die Welt nachzudenken.

Man nimmt einfach das, was da ist, und versucht es mit dem eigenen Menschenverstand zu erklären. Nun hatten die Griechen noch keine Elementarteilchen-Beschleuniger. Sie hatten noch keinen elektrischen Strom. Aber sich hatten ihre Augen und ihren Kopf. Sie sahen und hörten von den Dingen, die passierten, vor allem auch von den Dingen, die sich am Himmel abspielten und wollten ein ganzes neues Weltbild kreieren.

Für sie war es zunächst einmal nicht neu. Sie wollten einfach wissen. Sie wollten die Dinge zusammenbringen.

Die vier Elemente

Thales brachte das Wasser als Urelement in die Welt. Dann aber ging es weiter. Andere bestritten, dass das Wasser das Urelement sei. Andere waren der Meinung, es gäbe ein viel wichtigeres Element: die Luft. Wenn Wasser zu heiß wird, dann löst es sich in Luft auf. Die Luft würde alles auflösen. Luft sei ohnehin auch leichter als Wasser. Deswegen sei die Luft das wichtigste Element überhaupt. Zumal man ohne Luft gar nicht leben könne. Die Luft sei auch etwas, das die Seele benetzt. Bei den Griechen war die Seele im Zwerchfell. Also, die Luft sei das wirklich Wichtige.

Ein Dritter wiederum, Heraklit in dem Fall, war der Meinung, die Luft ist es nicht. Die Luft kann es gar nicht sein. Das Feuer ist das Element, um das es geht. Das Feuer kann alles verzehren, auch die Luft. Das Feuer ist das einzig richtige .

Für Heraklit war das Feuer auch das Symbol für die ständige Verwandlung, die in der Welt stattfindet. Pausenlos verändern sich die Dinge. Deswegen ist das Feuer das einzige grundlegende Element.

Jetzt haben wir schon Wasser, Luft und Feuer. Dann gab es jemanden, den Empedokles, der sagte: Jetzt haben wir Feuer, Wasser, Luft. Was fehlt uns noch? Das, worauf wir stehen, Gaja, die Mutter Erde.

Vorsokratiker

Wir haben vier Elemente: Feuer, Wasser, Luft und Erde. Diese Elemente werden miteinander verbunden oder voneinander getrennt. Das war hoch interessant. Empedokles brauchte noch etwas, das die Elemente ineinander verwandeln konnte, beziehungsweise durch Mischung der verschiedenen Anteile der Elemente verschiedene Dinge kreierte. Zum Beispiel: feuchte Erde, trockene Erde, feuchte Luft, trockene Luft, Wasser, das flüssig ist oder zu Eis gefroren. Empedokles meinte dann:

„Was haben wir dann? Liebe und Hass.“

Je nach Mischungsverhältnis zwischen den Elementen und den jeweiligen Liebes- und Hasskomponenten setzen sich die Dinge der Welt zusammen.

So dachten die Vorsokratiker, die Männer vor Sokrates. Sie haben vor der Zeit von Sokrates über die Welt nachgedacht. Sie alle waren Naturphilosophen. Im Grunde genommen Physiker, meine Kollegen sozusagen. Früher war Physik experimentelle Philosophie.

Nun haben die damals noch keine Physik betrieben, das nicht. Aber es waren Philosophen, die darüber nachgedacht haben: Was ist die Welt, aus was besteht sie?

Die Elemente-Lehre - Feuer, Wasser, Luft und Erde - ist der menschliche Blick auf die Welt. Wir sind heutzutage ja von einem ganz anderen Welt- oder Naturbild umgeben. Da ist von Atomen die Rede. Übrigens auch eine Idee, die aus der griechischen Philosophie stammt, dass es unteilbare Teilchen gibt.

Was die Griechen da gemacht haben, war die Verbindung ihres Geistes mit ihrer Anschauung. Sie haben die Dinge so beschrieben, wie es ihrer Anschauung gemäß war. Die Anschauung ist das, wonach unter anderem auch unser Erkenntnisapparat im Kopf geschult worden ist.

Um uns herum gibt es Phänomene wie zum Beispiel die Luft, die sich bewegt. In der Atmosphäre der Luft entwickeln sich Wolken. Feuer, das verbrennt. Wasser, das verdunstet, kocht oder gefriert. Das ist alles der Anschauung gemäß. Die Erde als das stabilste unter unseren Füßen, das ist alles das, was wir direkt spüren können. Das heißt, wir haben direkte Sinneseindrücke. Die griechischen Vorsokratiker haben ihren Geist mit ihren Anschauungen verknüpft.

Platon

Der nächste Schritt ist mit dem Philosophen Platon verbunden.

Das ist schon die nächste Qualität in dieser Wissensexplosion, die sich dann beschleunigt hat.

Platon hat nämlich behauptet, die vier Elemente – Feuer, Wasser, Luft und Erde – die Dinge, die wir hier sehen, die sind nur das „Hier“. Es gibt aber eine ideale Welt wo anders, die wir gar nicht erkennen können. Da finden sich die wirklichen Urprinzipien, die der Welt zugrunde liegen, das Wirkliche, die wirklichen Ideale, das, was die Welt wirklich ist, der Kern der Welt, der Kern der Dinge. Was wir hier sehen ist nur der Abglanz.

So hat Platon die Elemente mit verschiedenen Körpern, mit regelmäßigen Polyedern zusammengebracht. Für ihn war die Mathematik, die in diesen Körpern steckt, diese Symmetrie, diese Gleichmäßigkeit, Ausdruck für die Kraft, die in den Elementen steckt.

Dabei waren ihm die Symmetrien in der idealen Welt wichtiger, als die Elemente hier auf dieser Welt. Ein Idealist eben. Er hat vor allen Dingen noch ein fünftes Element eingeführt, weil es für Platon eigentlich undenkbar war, dass die vier Elemente – Feuer, Wasser, Luft und Erde – nicht in einem Urelement zusammen zu fassen wären.

Dieses Urelement, aus dem alles heraus geflossen ist, nannte er den Äther. Er hat den Äther durchaus mit einem Urprinzip verglichen. Danach stammen die vier Elemente letztlich alle aus einem Urzustand, der mit einem fünften Element verbunden ist.

Aristoteles

Platons Schüler Aristoteles hat sich ebenfalls mit den Elementen beschäftigt. Zu den Elementen hat er noch Gründe in die Welt gebracht, in die Philosophie-Welt, warum Dinge passieren.

Aristoteles hat zum Beispiel von einer causa finalis gesprochen, dem Zweck, weshalb etwas passiert. Übersetzt heißt causa finalis die Letztbegründung, sozusagen das Ziel, auf das es hinausläuft. Aber es weiß schon von vorne herein, wo es hin will.

Das kennen wir heutzutage in den Naturwissenschaften nicht mehr, wir kennen keine Letztbegründungen mehr. Aristoteles hat noch andere Gründe gefunden. Die causa effizienz, ist das, was da tatsächlich passiert. Die causa formalis, das was zur Form gehört, und die causa materialis, also das, was es ist.

Aristoteles hat also völlig anders über die Vorgänge nachgedacht als die Sokratiker oder die Vorsokratiker, die sich gemäß ihrer reinen Anschauung darum gekümmert haben, aus was die Welt besteht.

Platon hat sich nur damit beschäftigt, wenn es um die Elemente ging. Wie kriege ich diese Elementvorstellung aus dieser Welt? Das was um uns herum ist, und was uns auch heute noch im Grunde genommen wirklich anspricht, nämlich die Elemente, die uns ausmachen. Wie bekommt man diese Elemente in seine Welt der Ideale hinaus? Aristoteles erklärte die Welt tatsächlich als eine Zweckgerichtete.

Er war ein ganz großer Beobachter der Umwelt, tatsächlich auch er ein Mann der Anschauung. Bei Lebewesen hat er sofort gesehen, dass sie sich gemäß dem Zweck entwickeln. Das Lebewesen will leben. Es ist kein Stein, der einfach nur rumliegt.

Heraklit

Die Kulturgeschichte der Elemente ist eine einzige große Wissensexplosion. Man hatte verschiedene Einzelteile, von denen man zunächst einmal völlig überzeugt war, dass diese Einzelteile es sind, die die Welt beschreiben.

Am Beispiel von Heraklit will ich noch einmal genauer erläutern, worum es eigentlich geht.

Heraklit ist derjenige unter den Vorsokratikern, der offenbar am deutlichsten gespürt und gesehen hat, was sich in der Natur als Prinzip durchsetzt. Das Prinzip der Veränderung.

Es gibt einen ruhigen Fluss von Zuständen, von Möglichkeiten, die sozusagen immer gleich bleiben. Das stimmt. So schnell verändert sich die Natur nicht. Es passiert nicht pausenlos etwas. Wenn Sie eben noch das Haus betreten haben und im nächsten Moment hinaus gucken, dann stehen da draußen keine anderen Bäume. Nein, es ist ein langer, ruhiger Entwicklungsstrom, der sich dort abspielt. Aber man kann ihn spüren.

Heraklit hat gemeint: „Du steigst niemals in denselben Fluss. Wenn du einmal aus dem Wasser gestiegen bist, dann ist das Wasser weiter geflossen.“ Das ist für Heraklit der Ausdruck der ständigen Veränderung.

An der Oberfläche dieses ständigen Veränderungsflusses gibt es allerdings immer kleine Kräuselungen, Wellen, so dass sich hier und da mal wieder leichte Veränderungen andeuten, das Ganze langsam aber sicher in neue Formen gerät. Dieser Begriff der Veränderung ist bei Heraklit mit dem Wort Feuer verbunden, der Kraft der Veränderung, der Dynamis. Heutzutage verstehen wir darunter den ganz allgemeinen Begriff der Evolution.

Die Natur scheint ein Kraftfeld zu sein, das pausenlos alle möglichen Möglichkeiten, die es hat, auszuprobieren sucht. Welche dieser Möglichkeiten sich durchsetzen, hängt davon ab, wie die Umwelt darauf reagiert. Wenn die Umwelt sozusagen zu scharf und zu hart für diese neue Möglichkeit ist, dann wird die Möglichkeit niemals anwachsen. Dann war es eben nur ein netter Versuch.

Aber eine Möglichkeit, die im entscheidenden Moment die richtigen Vorteile liefert, die kann sich durchsetzen. So ist die ganze Geschichte der Menschheit, die ganze Geschichte der Natur gewissermaßen immer das Aufspüren von neuen Möglichkeiten.

Diejenigen, die das zum aller ersten Mal klar und deutlich gedacht haben, das waren die, die die Wissensexplosion bei den Griechen hervorgebracht haben. Am Anfang stand tatsächlich das Wasser.

Die Welt

Was ist die Welt?

Diese Frage, von einem Physiker gestellt, führt natürlich zu der Frage: Aus was besteht die Welt? Was die Welt wirklich ist, in ihrer Gesamtheit, oder wie es so schön heißt, in ihrer Ganzheit, in ihrer Gänze, das wissen wir sowieso nicht. Die Grenzen wissenschaftlichen Tuns, sind da schon erkennbar. Lessing hat ja auch gesagt:

„Die wirkliche Wahrheit, das ist nur etwas für die Götter.“ Das was uns antreibt, ist im Gegenteil gar nicht so die Wahrheit - von der wissen wir inzwischen, dass wir sie nicht erreichen können - sondern es sind die Lücken, die Wissenslücken. Das ist gewissermaßen die Vitaminspritze, mit der die Wissenschaften angetrieben werden.

Etwas, was wir nicht wissen, ist das, was die Wissenschaft tatsächlich nach vorne bringt. Das ist übrigens der große Unterschied zu Weltbildern und Ideologien, die ja immer vollständig sind, etwas ganz ohne Lücken anbieten. Ideologien und Religionen sind geschlossene Denksysteme. Die Wissenschaften hingegen sind völlig offen und vor allen Dingen ständig in Veränderung.

Die Naturwissenschaften bieten auch kein Weltbild, sondern nur ein Naturbild an. Also das, was die Welt mit ihren teilweise völlig unnaturwissenschaftlichen Erfahrungen insgesamt ist. Davon weiß die Naturwissenschaft häufig nichts zu sagen und auch nichts zu erklären.

Das ist auch nicht unser Punkt. Heute, hier und jetzt, geht es nur um das, was in der Welt tatsächlich drin ist, also die Materie. Aus was besteht die Welt? Machen wir es ganz einfach. Machen wir es so, wie es auch tatsächlich passiert ist. Benutzen wir nur das, was uns tatsächlich zur Verfügung steht, ohne irgendwelche Hilfsmittel. Benutzen wir unser Gehirn und fangen an, etwas zu teilen. Dann hat man zwei Hälften. Eine Hälfte kann wieder geteilt werden.

Man kann teilen und teilen und teilen. Gedanklich kann man sich das gut vorstellen. Etwas wird immer kleiner. Es wird kleiner und kleiner, und es kann noch viel kleiner werden.

Atomos

Für Demokrit und Leukipp, für diese beiden griechischen Philosophen aus dem 5. vorchristlichen Jahrhundert war klar, dass es etwas gibt, das nicht mehr weiter teilbar ist: Atomos. Da ist Schluss. Das kannst du nicht noch mal aufteilen.

Mit diesem atomistischen Weltbild haben sie ein materialistisches Modell geschaffen. Hier ist nicht mehr die Rede von irgendwelchen Prinzipien, die da möglicher Weise durch Hass und Liebe Elemente zusammenbringen. Letztlich besteht alles aus unteilbaren Teilchen, die nichts von der restlichen Welt wissen, sondern nur aufgrund der Zusammenstöße aneinander hängen bleiben. Dann gibt es ein festes Ding oder wenn sie nicht so fest aneinander hängen, dann hat man es mit Luft zu tun. Wenn sie ganz leicht sind, hat man es mit Feuer zu tun.

Eine ganz materialistische Vorstellung, warum die Welt so ist, wie sie ist. Weil sie aus Atomen besteht. Die unteilbaren Teilchen können durchaus verschiedene Formen haben. Die einen sind Kugeln, natürlich die klarste und reinste aller Formen. Die anderen sind vielleicht Würfel. Letztlich bleibt es bei der Unteilbarkeit der Atome. Dieses Bild von den Atomen, dass am Ende der materiellen Welt Teilchen übrig bleiben, die nicht mehr zu teilen sind, das prägte bis in das 18. Jahrhundert das Bild der Naturwissenschaften.

Protonen, Neutronen, Elektronen

Im 19. Jahrhundert stellte man fest: Da gibt es nicht nur eine Sorte von Atomen, da gibt es viele. Es entstand das Periodensystem der Elemente. Man unterteilte chemische Elemente nach ihren besonderen Eigenschaften.

Da gibt es zunächst die fundamentale Eigenschaft, Metall oder nicht Metall. Dann gibt es die Gase. Dann gibt es die Edelgase, die mit nichts in Verbindung treten. Wiederum andere, die so genannten Alkalimetalle, das Natrium oder Lithium, die verbinden sich sofort mit allem Möglichen. Dann gibt es die Halogene, Chlor oder Fluor. Dann gibt es noch die Kohlenstoff-Sauerstoff-Gruppe.

Auf jeden Fall hatte man eine Klassifikation von chemischen Elementen. Noch nicht sehr viele, aber doch immerhin einige. Man stellte fest: Es gibt nicht nur eine Sorte von Atomen, sondern viele. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts ging es dann richtig los. Ein Teilchen wurde entdeckt: Das Elektron, ein elektrisch negativ geladenes Teilchen. Dann entdeckte man, dass es offenbar im Atom nicht nur ein Elektron, sondern noch etwas Anderes gibt. Atome sind ja nach außen hin elektrisch neutral. Da das Elektron negativ geladen ist, muss es in diesem Atom noch irgendetwas Positives geben. Der Entdecker des Atomkerns war Ernest Rutherford.

Der entdeckte tatsächlich, dass in einem Atom in einem verschwindend geringen Volumen positive Ladung versteckt ist.

Um eine Ahnung zu vermitteln, folgender Vergleich:

Das Atom ist so groß wie ein Bundesliga-Stadion. Das Elektron saust dann um den Atomkern, auf dem obersten Tribünenrang, kurz vor den Würstchenständen herum. Der Atomkern wäre jetzt so groß wie ein Reiskorn am Anstoßkreis. Das Atom ist offenbar im Wesentlichen ein Nichts. Wenn es Wasserstoff ist, gibt es ein Elektron, das ist das erste Element im Periodensystem. Und es gibt im Atomkern genau ein Proton.

Dann wusste man natürlich, dass ein Atom teilbar ist. Man kann so einem Atom das Elektron wegnehmen. Man muss es ionisieren, dann ist das Elektron weg. Dann bleibt nur noch der Atomkern übrig.

Dann stellte man fest, dass es bei größeren Atomkernen noch ein Teilchen gibt. In diesen Kernen eines Atoms gibt es nicht nur positiv geladene Protonen, sondern da gibt es auch noch elektrisch ungeladene, also neutrale Neutronen. Im Atomkern gibt es offenbar immer noch weitere Teilchen. Die Vorstellung, es gibt unteilbare Teilchen stimmt. Aber die haben wir noch nicht gefunden. Bis jetzt - wir sind jetzt gerade im Jahre 1930 angelangt - haben wir Protonen, Neutronen und Elektronen. Das ist aber noch nicht das Ende der Veranstaltung.

Quarks

Die Materie besteht offenbar noch aus viel mehr. Wie sich dann nämlich herausstellt, sind die Protonen und Neutronen ihrerseits zusammengesetzt aus Quarks und zwar aus Up-und Down-Quarks.

Ein Neutron ist zusammengebaut aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark. Ein Proton ist zusammengesetzt aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark. Die Details brauchen uns hier gar nicht zu interessieren. Entscheidend ist, dass man heute, nach 100 Jahren intensivster Forschung an der Unteilbarkeit von materiellen Teilchen zum ersten Mal der Meinung ist, man hätte tatsächlich elementare Teilchen vor sich.

Elementarteilchen

Lassen wir die Quarks mal bei Seite, schauen wir uns ein Elektron an, das jeder von uns kennt. Das Elektron ist nach dem Stand der Dinge heute ein Elementarteilchen. Dass heißt, es lässt sich nicht weiter teilen.

Ich möchte es aber genau wissen. Dann muss ich mit irgend einer Art von Mikroskop sehr genau auf das Elektron schauen, um heraus zu finden, ob das Elektron – sagen wir mal – ein Jackett an hat, oder hat es doch noch einzelne innere Strukturen, ist da noch etwas?

Wie macht man das? Wie schaut man denn in der Welt der Teilchen auf die Teilchen? Mit was? Das Mikroskop der Elementarteilchenphysik, das moderne Mikroskop, um die Struktur der Materie herauszufinden, ist neben dem Gehirn derjenigen, die Elementarteilchen-Physik betreiben, das Licht, genauer und richtiger gesagt die elektromagnetische Strahlung. Licht ist eine besondere Form von elektromagnetischer Strahlung. Für uns besonders wichtig, weil unsere Sensoren ja besonders sensibel auf sichtbares Licht reagieren.

Jetzt muss man Folgendes wissen: Die Frequenz der Strahlung ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge. Wenn etwas eine hohe Frequenz hat, hat es eine kleine Wellenlänge. Wenn sehr viele Schwingungen auftauchen, ist die Wellenlänge einfach extrem klein.

Jetzt ist so ein Elektron wahnsinnig klein. Ich sage Ihnen mal eine Zahl, 10 hoch Minus 18 Meter. Das ist wirklich klein, also richtig klein. Das kann man sich nicht vorstellen. Wie guckt man da hin?

10 hoch Minus 18 Meter hat man auch nicht mehr zwischen den Fingern, es ist winzig. Man braucht eine Strahlung, deren Wellenlänge genau da liegt, besser noch kleiner ist. Jetzt gibt es aber ein Problem. Hohe Frequenz, also winzig kleine Wellenlängen bedeuten hohe Energien.

Ich nehme einfach mal eine Erkenntnis aus der Quantenmechanik, dass nämlich Energie proportional zur Frequenz ist. Mit anderen Worten, wenn man das Elektron sehr genau mit elektromagnetischer Strahlung anschaut, dann stößt man das Elektron weg. Man betrachtet mit sehr hoher Energie das Elektron. Wenn man das tatsächlich tut, dann kommt noch was viel Schlimmeres ins Spiel. Nicht nur die Quantenmechanik, sondern die Relativitätstheorie. Denn was jetzt passiert, das ist sozusagen das große Geheimnis der Materie am letzten Punkt: E = mc².

Wenn ich etwas zu genau anschaue, das heißt, mit einer sehr, sehr kleinen Wellenlänge, also mit einer sehr, sehr hohen Frequenz, also mit einer extrem hohen Energie, dann werden aus der Strahlung, mit der ich das Objekt beobachte, Teilchen. Materie und Antimaterie.

Kurz und gut, ein genaues Betrachten des Elektrons ist nicht möglich. Weil, wenn ich es zu genau anschaue, umgibt dieses Elektron ein waberndes Geflecht von Materie und Antimaterie. Das ist ein Zeichen dafür, dass ein Teilchen elementar ist.

Wenn also nichts mehr möglich ist, ohne dass man es sozusagen mit Materie umgibt, die aus der Energie gewonnen wurde, mit der man das Teilchen angeguckt hat.

Genau das gleiche passiert beim Quark auch. Da findet man keine Unterstruktur mehr. Nichts mehr. Am Ende besteht alles aus Materie, alle Materie besteht aus Energie. Und vor allem, wissen wir nicht, wie wir da hinschauen sollen.

Naturwissenschaftlich sind wir hier an einem Punkt angekommen, der hochgradig dramatisch ist. Wir können nämlich nicht mehr irgendetwas beobachten, ohne das Beobachtete durch unsere Beobachtung zu verändern. Wir sehen die Dinge gar nicht mehr so, wie sie sind, ohne unsere Beobachtung, sondern wir sehen sie nur noch in dem präparierten Zustand, der dadurch zustande kommt, dass wir das Ding beobachten.

Energiebrei

Um wieder zurück zu kommen zur Frage: Was ist die Welt? Die Welt, die sich um uns herum auftut, so lange sie nicht zu kompliziert ist, ist das, was wir mit unseren normalen Sinneseindrücken wahrnehmen und verstehen. Das ist eine gute Welt. Wenn ich aber sehr tief in die Materie einsteige, dann lerne ich zunächst: Da ist ein Atom. Es gibt Atome von verschiedenen chemischen Elementen. Wir haben heute ein vollständiges Bild von den materiellen Bestandteilen des Universums.

Wenn wir aber ganz genau wissen wollen, aus was das Universum besteht, und hier in dem speziellen Fall die Elemente auf unserem Planeten, dann geraten wir echt in eine Bredouille. Die Dinge, die wir anschauen wollen, werden genau dadurch dramatisch verändert.

Wie gesagt, ein Atom ist riesig im Vergleich zum Atomkern. Will ich etwas vom Atomkern wissen, dann muss ich da einsteigen. Protonen und Neutronen kann ich auch noch einiger Maßen gut greifen. Aber so bald ich an die Quarks komme, die da innen drin offenbar die Teilchen tatsächlich aufbauen, dann ist es vorbei.

Alles, was aus Atomen besteht, besteht aus Up- und Down-Quarks und aus Elektronen. Daneben gibt es in der Elementarteilchen-Theorie noch vier weitere Quarks und noch einige Leptonen, die allerdings in unserem heutigen Universum gar nicht auftreten. Die waren nur früher wichtig, als das Universum gerade entstand. Zu einer Zeit, als noch keine Fragen gestellt werden konnten, weil noch niemand da war, der irgendwelche Fragen stellen konnte. Auf keinem Planeten dieses Universums, weil es auch noch keine Planeten gab.

Das Universum war ein einziger Energiebrei. Es war das, wo Platon uns schon immer gerne hingehängt hätte, eine ideale Welt, in der alles gleich war. Alle Kräfte und alle Teilchen, die in diesem Universum irgendwann wirksam waren und sind, waren zu einem verschmolzen. Damals gab es sechs Quarks und sechs Leptonen. Daraus bestand die Welt.

Heute besteht sie noch aus zwei Quark-Familien, den Up- und Down-Quarks und den Elektronen.

Die vier Kräfte

Aber möchten Sie eigentlich, dass die Welt Ihnen so erklärt wird? Ist es nicht viel schöner, einfach mal raus zu gehen? Sich anzuschauen, was da ist? Was alles da so lebt und strebt? Zu sehen, wie wunderbar die Welt ist. Ist das nicht ein viel schönerer Anblick, als sich zu überlegen, dass Ihr Gegenüber eine Mischung von Up- und Down-Quarks und ein paar Elektronen ist? Das reicht eigentlich nicht.

In diesem Sinne hat Lessing schon Recht gehabt. Die wirkliche Wahrheit ist nur etwas für die Götter.

Vielleicht sollten wir einfach etwas vorsichtiger sein. Die Welt besteht aus Dingen. Die Dinge bestehen aus Teilchen, und die Teilchen bestehen wiederum aus Teilchen. Und manche der Teilchen bestehen wiederum aus Teilchen, und so weiter. Die materiellen Bestandteile der Welt stehen fest. Da gibt es die Protonen, die Neutronen, die Elektronen und manchmal, vor allem in der Frühphase des Universums, tauchen auch noch ganz andere Teilchenfamilien auf. Aber das reicht nicht, um zu erklären, was sich in dieser Welt abspielt, das sind eigentlich nur die Schauspieler. Aber wer sind die Regisseure? Wer hat hier das Drehbuch geschrieben?

Und wer sagt, wann welcher Schauspieler wo auf die Bühne der Weltgeschichte zu treten hat? Die Regisseure, also diejenigen, die sagen, wo es lang geht, das sind die Kräfte. Zumindest nach naturwissenschaftlicher Erkenntnis sind die Kräfte diejenigen, die die Teilchen dazu veranlassen, gewisse Strukturen zu bilden.

Interessanter Weise gibt es entsprechend der griechischen Vorstellung der vier Elemente -Feuer, Wasser, Luft und Erde – heute vier Kräfte. Das ist doch lustig. Das ist vielleicht nur eine Koinzidenz, die nichts zu sagen hat, also blanker Zufall.

Aber es ist interessant, dass hier wieder die Zahl „4“ auftaucht. Wir haben vier Elemente, wir haben vier Kräfte. Welche vier Kräfte gibt es?

Die elektromagnetische Kraft

Die einfachste Kraft, die auf diesem Planeten unmittelbar wirksam ist, die im ganzen Universum von aller größter Bedeutung ist, die Königin der Kräfte, obwohl sie die schwächste von allen ist, das ist die Schwerkraft.

Aber ich fange nicht mit der Schwerkraft an. Ich fange mit einer Kraft an, die wir gut verstehen. Dann arbeiten wir uns bis zur Schwerkraft durch.

Die elektromagnetische Kraft. Positive Ladung, negative Ladung. Die beiden Ladungen ziehen sich an. Zusammen genommen ergeben sie nach außen, für den äußeren Betrachter, ein neutrales Ding, weil positive und negative Ladung sich ausgleichen. Die Gesamtladung von einem Atom wie Wasserstoff ist wie folgt: Proton in der Mitte, positiv geladen, Elektron saust irgendwie um das Proton herum, negativ geladen. Die zwei zusammen haben die Ladung “0“. Deswegen ist ein Wasserstoffatom in dem Fall nach außen elektrisch neutral.

Gleichnamige Ladungen stoßen sich allerdings ab. Jetzt gibt es Atomkerne, die bestehen nicht nur aus einem Proton wie beim Wasserstoff, sondern da sind viele Protonen drin. Nehmen wir das nächste Element, Helium. Da gibt es zwei Protonen im Atomkern, auch noch zwei Neutronen, aber die sind nicht geladen.

Diese zwei Protonen sind in einem außerordentlich kleinen Körper, nämlich dem Atomkern, zusammengesteckt. In der elektromagnetischen Theorie heißt es: Wenn die Ladungen das gleiche Vorzeichen haben und sehr, sehr, sehr nah zueinander kommen, dann wirkt eine extrem starke Kraft auf sie, um sie wieder auseinander zu treiben. Die stoßen sich nämlich umso stärker ab, je näher sie einander kommen. Nun sehen Sie schon das Problem. Die Atomkerne müssen ganz offenbar von einer anderen Kraft reguliert und dirigiert werden als bloß von der elektromagnetischen. Sonst würden die Kerne nämlich auseinander fliegen.

Starke und schwache Kernkraft

Es muss also neben der elektromagnetischen Kraft, die unter anderem für Strom und Licht zuständig ist, noch eine Kraft geben, die die Atomkerne zusammenhält. Das ist die stärkste Kraft, die es überhaupt im Universum gibt. Das ist die starke Kernkraft.

Das ist übrigens die Kraft, die viel Energie freisetzt, wenn man große Atomkerne teilt.

Wir sind von der elektromagnetischen Kraft ohne Probleme zur Kernkraft gekommen, weil die elektromagnetische Kraft dieses Problem der Abstoßung gleichnamiger Ladungen hat. Da wir ja aus Atomen bestehen und die Atome wiederum aus Atomkernen und Elektronen, muss zunächst einmal geklärt werden: Wie können die Atomkerne eigentlich existieren? Dafür gibt es eine Kraft. Wir haben schon mal zwei Kräfte. Wir behalten uns aber im Hinterkopf: Da gibt es noch eine dritte Kraft, die Gravitation.

Und wo ist die vierte? Die vierte Kraft hat etwas damit zu tun, dass sich in manchen Atomkernen, nicht in allen, die Teilchen, nämlich die Protonen oder die Neutronen, ineinander verwandeln können. Das führt dann zum radioaktiven Zerfall.

Es gibt verschiedene Zerfallsarten. Immer, oder fast immer, ist eine Verwandlung von Neutronen oder Protonen daran beteiligt. Was ist das für eine Kraft? Diese Kraft nennt man schwache Kernkraft. Die wirkt nur innerhalb der Nukleonen, also innerhalb der Kernbausteine. Die hat eine außerordentliche kleine Reichweite. Übrigens genau so wie die starke Kernkraft. Die wirkt auch nur im Atomkern.

Die schwache Kernkraft führt dazu, dass manche Neutronen sich in Protonen und manche Protonen sich in Neutronen verwandeln können, wobei wir wissen, dass Protonen und Neutronen ihrerseits wieder aus Up- und Down-Quarks bestehen.

Das heißt, innerhalb der Neutronen müsste sich ein Down-Quark in ein Up-Quark verwandeln, und innerhalb eines Protons müsste sich ein Up-Quark in ein Down-Quark verwandeln. Komische Verwandlungsprozesse, die sich da abspielen, und jedes Mal hängt es mit einer Kraft zusammen.

Gravitation

Jetzt haben wir alle vier Kräfte zusammen. Ich habe allerdings noch nicht erklärt, was Gravitation ist, ich weiß. Das ist auch nicht so einfach. Aber bleiben wir mal bei dem, was man erklären kann, und dann schauen wir am Ende mal bei dem, was man möglicher Weise nicht so einfach erklären kann.

Die Reichweite. Es geht um die Reichweite der Kräfte. Die schwache Kernkraft reicht nur innerhalb eines Kernbausteins. Die starke Kernkraft reicht innerhalb eines Atomkerns. Die haben endliche Reichweiten. Endlich heißt, die reichen nicht unendlich weit.

Die elektromagnetische Wechselwirkung, also die Kraft zwischen zwei Ladungen, hat im Prinzip unendliche Reichweite.

Unendliche Reichweite bedeutet aber: Die Kraft muss von einem besonderen Übertragungsmechanismus sein. Die Gravitationskraft, jetzt bin ich endlich wieder da, hat auch eine unendliche Reichweite.

Aber bei der Gravitationskraft gibt es keine unterschiedlichen Ladungen. Die Gravitationskraft, die Schwerkraft, die schwächste aller Kräfte, ist immer anziehend. Immer. Das macht ihre Stärke aus. Integriert über die Entwicklungszeit des Universums, gewinnt die Gravitation immer. So bald irgendwo eine Verdichtung ist, also ein bisschen mehr Masse als in der Umgebung, fängt dieses etwas mehr Masse an, die ganze Umgebung anzuziehen. Das Material läuft genau dahin, wo vorher die Verdichtung war. Das wird noch dichter, die Gravitationskraft wird stärker, weil die Gravitationskraft proportional zur Masse ist.

Je mehr da ist, umso stärker wird sie. So entleert sie das Universum.

Dass Sie nachts Sterne sehen, also da draußen Lichter, die sehr, sehr weit von uns entfernt sind, Lichtkugeln, Gasbälle, das hat nur etwas mit der Gravitation zu tun. Aber nicht nur, weil die Sterne so entstanden sind, also Gas, das unter seinem eigenen Gewicht zusammengefallen ist.

Manche Sterne, die wir sehen sind viele tausend Lichtjahre von uns entfernt. Da muss man sich doch mal die Frage stellen: Wie kommt das Licht eigentlich zu uns?

Gut, es ist mit 300.000 Kilometern pro Sekunde, also mit Lichtgeschwindigkeit, sehr schnell unterwegs. Aber wieso wird das Licht dabei nicht verschluckt?

Antwort: Ganz einfach, zwischen uns und diesem Lichtball, diesem Lichtgeber da draußen, ist nichts, was das Licht verschlucken kann. Mit anderen Worten: Zwischen uns und einem Stern, der zum Beispiel 25.000 Lichtjahre von uns entfernt ist, ist nichts, was das Licht absorbiert. Das Universum ist also leer, ziemlich leer.

Für diese große Leere des Universums ist die Schwerkraft zuständig. Denn ursprünglich war die Materie im Universum gleichmäßig verteilt. Nur hier und da und dort gab es einige Verdichtungen. Diese Verdichtungen haben dazu geführt, dass das Material, das eigentlich einiger Maßen gleichmäßig verteilt war, in diese Verdichtungen reingelaufen ist, wie in ein Bassin. Alles rein.

Die ganze Materie hat sich an einigen wenigen Stellen verdichtet. Daraus wurden Galaxienhaufen und Galaxien. Aber der größte Teil des Universums ist leer. Selbst innerhalb der Galaxien ist so gut wie nichts. Das ist die Wirkung der Gravitation.

Die Übertragung der Kräfte

Was die Gravitation wirklich ist, lässt sich nur ganz schwer sagen. Vor allen Dingen im Vergleich zu den anderen drei Kräften. Elektromagnetische Wechselwirkung, starke Kernkraft, die sehr stark ist, weil sie die Kerne zusammen hält gegen die elektromagnetische Abstoßung, und dazwischen die schwache Kraft, die dafür sorgt, dass manche dieser Kerne tatsächlich auch wieder radioaktiv zerfallen. Was ist das? Wie funktionieren diese Kräfte?

Nun, es ist ganz einfach so, dass der Austausch der Kraft in einem Atomkern sich mit einem Teilchen oder mit einem Übertragungsmechanismus vollzieht, der einer endlichen Masse entspricht.

Mit anderen Worten, es werden tatsächlich Teilchen ausgetauscht. Man kann sich das so vorstellen: Zwei Leute in einem Ruderboot werfen sich einen Ball zu. So kriegen die etwas voneinander mit. Dieser Ball hat natürlich eine gewisse Masse. Wenn Masse aufgenommen wird, kommt es zum Schubs. Auf diese Weise spüren die beiden etwas voneinander, weil etwas ausgetauscht wird, was schwer ist. Starke Kernkraft und schwache Kernkraft werden durch Teilchen vermittelt, durch Makler, die eine endliche Masse besitzen. Dadurch, dass sie eine endliche Masse besitzen, können sie nicht beliebig weit wirken, sondern nur in einem winzig kleinen Bereich.

Diese Teilchen, die da vermittelt werden, sind sehr schwer. Und sie sind fast nicht sichtbar zu machen. Die elektromagnetische Wechselwirkung dagegen hat keine Ruhemasse, überhaupt keine, nichts. Deswegen kann sie unendlich weit reichen. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist im Prinzip eine unendlich reichende Wechselwirkung. Eine Kraft, die überall wirkt. Aber durch die Tatsache, dass sie zwei Ladungen hat, ist sie dann letztlich doch beschränkt.

Die Gravitation, also die Schwerkraft, müsste in diesem Bild, das dem modernen Bild der Elementarteilchenphysik entspricht, mit einem Teilchen verbunden sein, das ebenfalls keine Ruhemasse besitzt. Man kann sich nicht so ohne weiteres vorstellen, was da eigentlich wirklich am Werk ist. Da sind ja keine Gummibänder.

Was hält denn dann die Planeten auf den Bahnen? Das immerhin seit 4,5 Milliarden Jahren. Wenn das nicht so gewesen wäre, wären wir gar nicht hier. Wir sind der Beweis für die Stabilität des Sonnensystems. Also möchte man doch gerne wissen: Welche Kräfte sind denn da am Werk? Das ist doch wichtig, zumindest für die Naturwissenschaft. Newton hat schon große Probleme mit seinem Gravitationsgesetz gehabt. Er hat sich überlegt: Wenn Gravitation immer nur anziehend ist, also wirklich alles zu sich zieht, wieso gibt es dann überhaupt noch irgendetwas? Wieso ist nicht schon längst alles zusammengefallen?