Auch Physik ist ´nur´Modell
Moderne Physik zu verstehen,
So glaubte Newton dass okkulte Impulse aus dem Welthintergrund den Apfel zu Boden fallen ließen und den Mond auf eine Umlaufbahn um die Erde zwangen. Die Hintergrundimpulse sollten dabei stärker sein als die von der Erde zurück kommenden Impulse. Newton war von der Existenz dieser Impulse überzeugt, doch er fragte nicht nach ihrer Herkunft. Okkulte Impulse eben. Es genügte ihm mit diesem Modell die Anziehungskraft der Erde sehr gut berechnen zu können. Seine Formel stimmt heute noch (in den meisten Fällen), aber das zugehörige Weltbild hielt nicht lange.
Andererseits können wir uns ein solches Impulsmodell irgendwie vorstellen. Was ein Impuls ist, das haben wir schließlich im Alltag bei verschiedenen Gelegenheiten erfahren. Wir können zwar diese auf Erde und Mond einwirkenden Impulse nicht sehen, auch nicht wie sie mit Erde und Mond interagieren. Aber da sowohl die Erde als auch der Mond tatsächlich ´anziehend´ sind und die Newtonsche Formel zu korrekten Prognosen führt, erschien dieses Modell zunächst plausibel.
Ungleich schwieriger ist sich vorzustellen wie es zu Zeitdilatation und zur Längenkontraktion kommt. Die Aussagen aus Einsteins Relativitätstheorien (SRT, ART) und auch der Quantenmechanik sind zwar vielfach bestätigt, aber wir haben kein Modell welches diese Theorien mit uns bekannten Begriffen veranschaulicht.
Gibt es ein Modell, welches die Relativitätstheorien und die Quantenmechanik mit geläufigen Alltags-Begriffen beschreibt? Die Physiker sagen klar: Nein!
Auf den folgenden Seiten versuchen wir es trotzdem.
Rätselhaftes
Seit mehr als 100 Jahre ist es eine Naturkonstante: die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Leider gelingt es nicht eine Vorstellung zu bekommen, wie es dieses Licht macht, dass es bei uns immer gleich schnell ankommt, egal ob die Lichtquelle auf uns zufliegt oder sich von uns entfernt.
Rätselhaft ist das.
Doch Rätsel lösen macht Spaß.
Ein anderes Rätsel ist z.B. die Unvereinbarkeit der Theorie der Gravitation (ART) mit der Standardtheorie der Elementarteilchen.
Die Standardtheorie (oder das Standardmodell) vereinigt drei Wechselwirkungen (WW) in sich: die starke WW, die schwache WW und die elektromagnetische WW.
Die vierte Wechselwirkung ist die Gravitation, die aber partout nicht mit dem Standardmodell zu vereinigen ist.
Doch all diese Theorien haben sich vielfach bewährt! Ohne sie zu benutzen würde kein Navigationsgerät gut funktionieren, kein Mobiltelefon u. v. A. mehr.
Wozu aber zwei Theorien? Wir haben doch nur eine Welt!
Rätselhaft.
Rätsel geben uns auch immer wieder neue Beobachtungen auf. So zeigte sich um das Jahr 2000, dass entweder unsere Annahmen zur Verteilung von Materie im Kosmos sehr, sehr falsch sind oder Einsteins Gravitationstheorie ist gelinde gesagt ´unvollständig´.
Schließlich entschied sich die Wissenschaft mehrheitlich für das Erste. Der Widerspruch zwischen Beobachtung und der Allgemeinen Relativitätstheorie wurde umgangen, indem man zu der uns geläufigen Materie zusätzlich die Dunkle Materie und die Dunkle Energie einführte.
Noch vor 30 Jahren wäre jeder Physikstudent für eine derartige ´Lösung´ des Problems ausgelacht worden. Heute stehen diese beiden Dunklen für mehr als 95% der Energie des gesamten Universums! Und das obwohl wir von Beiden nichts Anderes ´sehen´, als ihre attraktive oder repulsive Wirkung auf die ´richtige´ Materie im Raum.
Der Urknall ist heute ein zwar ungeliebtes, aber scheinbar ´alternativloses´ Weltmodell´. Nicht nur dieser bedeutende Quantenphysiker formulierte seine Zweifel. Mehr dazu hier.
Leider werden die neuen Theorien immer komplexer. Die mathematischen Formulierungen sind schon sehr schwierig und was die Vorstellbarkeit der Lösung betrifft, schweigen wir lieber.
Oder können Sie sich eine 11-dimensionale Welt (Stringtheorie) oder gar eine Welt mit unendlich vielen Dimensionen vorstellen? (E10)
Doch nicht nur Einsteins Gravitationstheorie lässt Fragen offen. Auch die Standardtheorie der Elementarteilchen ist nicht ´perfekt´. Die ursprünglich sehr überschaubare Zahl der Elementarteilchen wächst und wächst. Unangenehm sind auch manche mathematischen Kunstgriffe, um Unendlichkeiten in den Formeln zu vermeiden.
Weshalb muss man das Elektron in der Quantenmechanik unbedingt renormieren, also seine Masse =0 setzen, um zu guten Prognosen zu kommen? Elektronen haben doch eine Masse! Rätselhaft. Was eigentlich ist Materie?
Die Physiker haben uns in den Jahrzhunderten sehr viele Antworten gegeben, doch bleiben heute mehr Fragen als je zuvor.
Wie weiter ?
Weil es etwas aufwändig ist ein anschauliches Weltbild zu skizzieren, hören Pessimisten hier wohl auf. Die Neugierigen lesen weiter. Rätsel lösen macht schließlich Spaß!
Um die ersten Rätsel zu lösen entwerfen wir eine Wechselwirkung zwischen einem energiegefüllten leeren Raum und der in ihm befindlichen Materie. Hans-Peter Dürr nannte die Vermittler im Vakuum ´Wirks´, doch dazu später mehr. Wir verwenden geläufigere Begriffe. Jeder von uns kennt Billardkugeln. Sie können Drehimpuls haben und wenn man sie wirft oder auffängt, spüren wir deutlich ihren ´linearen´ Impuls. Diese Wechselwirkung wird zwar an Newton´s okkulte Impulse erinnern, ist dann aber doch ein ´klein wenig´ anders.
Um sich dieser Einheit von Raum <-> Materie zu nähern, kann man hier beginnen oder sich mit Nichts beschäftigen oder hier das QM-Prinzip der WW anschauen.
Oder oben rechts irgend etwas anderes öffnen.
Generelles
Alle Wissenschaft - nicht nur die Physik - arbeitet mit Modellen der Wirklichkeit. Sofern die daraus entwickelten Theorien gute Prognosen ermöglichen, bezeichnen wir die Theorien als richtig. Treten Differenzen zwischen der Prognose und der tatsächlichen Beobachtung auf, wird die Theorie in Frage gestellt oder verworfen. Theorien werden oft nur ergänzt und nur selten von anderen Theorien wirklich ersetzt. Doch auch diesen Neuen liegt ein abstrahiertes, letztlich unvollständiges Modell der Wirklichkeit zu Grunde. Das wird so bleiben, denke ich. Ein vollständiges Abbild der Wirklichkeit, eine Theorie ´von Allem´, die werden wir Menschen nie haben.
Kurze Bemerkung zu den verschiedenen Stilen, die Ihr auf den Seiten hier findet: In meinem Buch ´Überall ist die Mitte´ aus 2003 habe ich mich an junge Neugierige gewendet. (Auszüge blau unterlegt im Menü rechts). Eigentlich wollte ich in einfacher Sprache formulieren, aber ich fürchte das gelang nicht immer. Seid also bitte nachsichtig.