Übersicht Teil 1
Klassische Physik
Entwicklung der Quantenphysik
Dualismus Teilchen – Welle
Unschärferelation
Doppelspaltversuch
Superposition
Die Welt besteht aus Energie
Übersicht Teil 2
Quarks
Die Faust auf dem Tisch
Verschränkte Teilchen (EPR-Phänomen)
Schlussfolgerung
Digitale Physik und Virtuelle Realität
Max Planck zum Wesen der Materie
Die klassische (Newtonsche) Physik
Zu Zeiten Galileos (1564-1642), Keplers (1571-1630) und Newtons (1642-1726) war die Welt noch in Ordnung. Da hat man sich gestritten, ob die Erde oder die Sonne im Mittelpunkt unseres Planetensystemes steht, ob die Planeten auf kreisförmigen oder eben elliptischen Bahnen ziehen. Ansonsten war jedoch die Welt einigermassen logisch und verständlich. Die klassische Physik ist die mechanische Physik, sie klärt Fragen wie die Hebelgesetze und Fallgeschwindigkeit. Sie wird benötigt zum Bau von Maschinen usw.. Sie ist die „handfeste“ Physik und handelt von der Welt, die wir sehen und anfassen können.
Die klassische Physik sieht unsere Welt und unser Universum wie eine riesige berechenbare Maschine. Alles ist eindeutig. Dieselbe Ursache hat immer dieselbe Wirkung. Die physikalischen Gesetze sind überall gleich im ganzen Universum. Ein Teilchen wie z.B. ein Stein mit einer Masse von 100g ist und bleibt ein Stein, er kann nicht leichter werden, er kann nur nach unten fallen, nie nach oben, und er wird sich nur durch Zufuhr einer sehr hohen Energie verflüssigen können. Wenn man den genauen Zustand jedes Teilchen des Universums in der jetzigen Sekunde kennen würde, könnte man die Zukunft des Universums eine Stunde oder 1 Woche später genau berechnen. Allerdings nur, wenn auch die Lebewesen und insbesondere der Mensch sich genau nach den Gesetzen der klassischen Physik verhalten würde, und das ist nicht sicher.
Es gibt ein par merkwürdige Ausnahmen von diesem Gesetzen: Jeder Stoff dehnt sich aus, wenn er erwärmt wird, und zieht sich zusammen, wenn er abkühlt. Nur für Wasser gilt dieses Gesetz nur zwischen 4° und 100°, es verhält sich zwischen 0° und 4° Celsius andersherum. Diese Anomalie des Wassers ist lebenswichtig für die Lebewesen: Wenn ein See abkühlt, hat das Wasser bei 4° das kleinste Volumen und sinkt an die tiefste Stelle des Sees, bei weiterer Abkühlung auf 0° steigt es wieder nach oben, und wenn es zu Eis gefriert, dann nur an der Oberfläche. Auf diese Weise können Lebewesen im Süsswasser auch im Winter überleben. Wenn Wasser sich anders verhalten würde, würde ein See von unten nach oben zufrieren und würde zu einem einzigen Eisblock, kein Fisch könnte das überleben. Es ist, als ob jemand bei der Festlegung des Temperaturverhalten des Wassers die Fische voraus geplant hätte.
Auch wenn die klassische Physik nur einen Teil unserer Welt erklären kann, bestimmt sie auch heute noch unser Weltbild und unsere Denkweise, auch in vielen Bereichen der Wissenschaft.
Entwicklung der Quantenphysik
Mit der heutigen Quantenphysik ist das anders. Die wissenschaftliche Beschreibung der kleinsten Bausteine unserer Welt mutet eher an wie Zauberei.
Den Anfang machte Max Planck 1900, als er entdeckte, dass Wärmestrahlen ihre Energie nur stückchenweise, als „Quanten“, eben quantenweise, abgeben können.
Dualismus Teilchen – Welle
Entdeckungen von Einstein und von de Broglie 1923 führten zu dem Konzept des Dualismus Teilchen/Welle, das besagt, dass jedes Teilchen (Atom, Proton, Elektron…) gleichzeitig ein winziger Körper mit einem Gewicht (Masse) ist und gleichzeitig eine elektromagnetische Welle.
Eine Welle kann man mit den Wasserwellen vergleichen, die ein Stein erzeugt, den man ins Wasser wirft. Wasserwellen bestehen aus Bewegungen von Wassermolekülen, Schallwellen aus Bewegungen von Luft-Molekülen. Die Wellen formen Kreise und bilden bestimmte Muster. Die elektromagnetischen Wellen, zu denen auch Lichtwellen gehören, folgen denselben Prinzipien wie Wasser- und Schallwellen, bilden also Kreise und Muster. Aber die elektromagnetischen Wellen bestehen nicht aus Bewegungen von Teilchen, sondern bestehen im Nichts, im luftleeren Vakuum, sie pflanzen sich auch im Weltall fort.
Sie haben kein Gewicht und sind vollkommen immateriell. Sie sind auch nicht lokalisierbar, sie sind gleichzeitig an mehreren Orten, haben also keine exakte Lokalisation. Ein Teilchen hat indessen zu einem bestimmten Zeitpunkt eine exakte Lokalisation.
Die Theorie des Dualismus Welle/Teilchen sagt nun, dass jedes Teilchen in unserem Universum gleichzeitig eine Welle sein kann, während jede Welle in unserem Universum gleichzeitig auch ein Teilchen sein kann.
Die Theorie des Dualismus Welle/Teilchen erklärt, dass selbst die immateriellen Lichtstrahlen ein winziges Gewicht (Photonen) haben und durch Schwerkraft abgelenkt werden können. Daher kann man „schwarze Löcher“ im Weltall nicht sehen, denn sie haben eine so immense Anziehungskraft, dass selbst die Photonen der Lichtstrahlen zu schwer sind, um diese Anziehungskraft zu überwinden und ins All hinein zu strahlen.
Die Wellennatur des Lichts erklärt wiederum den Regenbogen, dass sind Muster aus den verschiedenen Wellenlängen des Lichts. Das frappierende und widersprüchliche an dieser Theorie ist, dass elektromagnetische Wellen, Lichtstrahlen oder auch Wärmewellen beides ZUGLEICH sind, lokalisierbare Teilchen mit einem Gewicht und zugleich nicht lokalisierbare Welle ohne Gewicht. Das widerspricht dem Prinzip der Eindeutigkeit in der klassischen Physik, aber es gilt für jedes Teilchen und für jedes Atom.
Unschärferelation
Und nun weiter mit den zauberhaften Aspekten der Quantenphysik: 1927 kam die Heisenbergsche Unschärferelation dazu. Bei einem Teilchen wie zum Beispiel einem Elektron ist es prinzipiell unmöglich, sowohl den genauen Ort als auch die Geschwindigkeit gleichzeitig zu bestimmen. Wird zu einem bestimmten Zeitpunkt der Ort nanometer-genau bestimmt, kann die Geschwindigkeit nicht mehr ermittelt werden und umgekehrt.
Wenn ich aber in meinem Auto in eine Radarfalle fahre und mit 65 km/h in der Stadt geblitzt werde, dann steht auf dem Bussgeldbescheid sowohl der genaue Ort als auch die genaue Geschwindigkeit (na ja, vielleicht nicht gerade auf den Nanometer genau). Warum ist das bei Elektronen nicht genauso? Das Elektron ist nicht mehr eindeutig, es wird schwammig, es entzieht sich einer exakten Bestimmung und ist nur noch statistisch erfassbar.
Doppelspaltversuch
Das ist ein sehr bekanntes und geheimnisvolles physikalisches Experiment. Es wurde 1802 zum ersten Mal durchgeführt, um zu beweisen, dass Licht eine Welle ist. Licht wird auf eine Platte geschickt, die nur 2 schmale Spalte hat, durch die das Licht hindurchgehen kann. Wenn man so eine Doppelspaltplatte mit Teilchen bombardieren würde, z. B. mit einer Schrotflinte, dann würde man auf der anderen Seite 2 schmale Streifen von Schrotkugeln sehen, eben da, wo die Kugeln oder Teilchen aufgrund der schmalen Spalte noch hinfliegen können. Schickt man aber Licht durch diese Spalte, dann sieht man auf der anderen Seite ein Muster von vielen Streifen, weil eben das Licht aus den beiden Spalte nach den Gesetzen der Wellenausbreitung sich an bestimmten Stellen verstärkt und anderswo abschwächt, also Muster bildet. Thomas Young konnte mit diesem Experiment beweisen, dass Licht eine Welle ist, weil sich viele Streifen nach einem Muster bilden.
In einer modernen Modifikation des Experimentes schickte man sehr kleine Teilchen, einzelne Photonen, auf den Doppelspalt. Überraschenderweise sah man dann aber keine Streifen, sondern ein Wellenmuster. Wie kann nun ein Photon gleichzeitig durch beide Spalte fliegen und mit sich selbst ein Wellenmuster bilden?<
In einer weiteren Variante des Doppelspaltversuches hat man Messinstrumente aufgestellt, um festzustellen, durch welchen der beiden Spalte ein Teilchen gerade geflogen ist. Und Schwupps, kaum wurde tatsächlich gemessen, dann gabs auf einmal kein Wellenmuster mehr, sondern 2 Streifen wie beim Schrotflinten-Muster. Wenn nur das Messinstrument da war, die Messungen aber nicht aufgezeichnet wurden, war es wieder eine Welle. Woher kann nun das Photon wissen, dass es hinterher gemessen wird, und kann sich dann plötzlich anders verhalten? Ist es für das Photon wichtig, ob es beobachtet wird oder nicht? Verändert alleine der Wille, eine Messung durchzuführen, den Vorgang? Ist das Bewusstsein, den Vorgang messen zu wollen, stärker als die Physik? Bis heute konnte niemand dieses Rätsel vollständig klären.
Richtig rätselhaft wird die neueste Variante dieses Experimentes (1999), das „Delayed Choice Quantum Eraser Experiment“ (Quanten-Löschung durch nachträgliche Auswahl): zu dem Zeitpunkt, an dem das Elektron durch den Spalt geht, liegt noch gar nicht fest, ob es danach gemessen wird oder nicht. Trotzdem verhält sich das Elektron genauso wie oben beschrieben: wird es nicht beobachtet, entsteht das Interferenzmuster einer Welle, wird aber gemessen, durch welchen Spalt es fliegt, erzeugt es den Streifenabdruck eines Teilchens. Es ist so als ob es in die Zukunft sehen könnte bzw. als ob das Messen des Elektrons in der Zukunft sich auf die Vergangenheit auswirkt.
Es ist wie ein Versteckspiel: kaum wollen wir das Teilchen genauer betrachten, kaum wollen wir seinen Ort messen, da verschwindet es schon und wird zu einer Energiewelle. Das grosse Rätsel der Physik bleibt: warum spielt die Aufstellung eines Messinstrumentes, also die Beobachtung des Teilchens, eine so grosse Rolle? Die Beobachtung ist eine menschliche Handlung. Wenn wir Menschen – gemäss der materialistischen Ansicht des Neo-Darwinismus – lediglich eine clever programmierte und komplizierte Ansammlung von Molekülen wären, dann gäbe es für dieses Phänomen keine Möglichkeit einer Erklärung.
Skeptiker verteidigen die materielle Weltanschauung und versuchen, den Experimenten der Quantenphysik ihre Rätselhaftigkeit zu nehmen. Es oft zitiertes Skeptiker-Argument ist folgendes: Es gäbe eben Gesetze für die kleine Welt der Teilchen und andere für die grosse sichtbare Welt, das wäre soweit wissenschaftlich legitim. Das Geheimnis des Doppelspalt-Experimentes sei lediglich, dass durch die Tatsache der Messung der Photonen die kleine Welt mit der grossen Welt verbunden würde und daher die Gesetze der grossen Welt statt der kleinen Welt gelten müssten. – Dieses Argument ist ein verzweifelter Versuch, das althergekomme zu retten, es entbehrt aber jeder Logik. Wieso soll ein Messgerät für den Spaltdurchtritt die beiden Welten verbinden, der Detektor für die Photonen, der ja in beiden Fällen da sein muss, aber nicht? In beiden Fällen schauen wir schliesslich als Elemente der „grossen Welt“ auf die Geschehnisse in der „kleinen Welt“ und müssten dieselben Ergebnisse haben! Das Wheeler-Experiment arbeitet anstelle des Doppelspaltes mit halbdurchlässigen Spiegeln und bringt dieselben rätselhaften Ergebnisse wie das Doppelspalt-Experiment, aber es verwendet keinen zusätzlichen Detektor, sondern einen zusätzlichen halbdurchlässigen Spiegel. Nach Meinung der Skeptiker müsste dann ein einziger Spiegel die Welt des kleinen und des grossen getrennt lassen, zwei Spiegel würden aber die beiden Welten verbinden. Was für ein Unsinn!
Superposition
So klar und handfest, wie uns unsere 3-D-Welt erscheinen mag, so unklar sind die Teilchen, aus denen sie besteht. Elektronen haben einen Spin, also eine Drehrichtung, und sie können sich rechtsrum oder linksrum drehen. Dummerweise drehen sie sich aber gleichzeitig rechtsrum und linksrum. Wenn sie nicht beobachtet sind. Diese beiden Zustände (Drehrichtungen) überlagern sich, sie sind nicht festgelegt. Das nennt man „Superposition“. Erst wenn man mit irgendeiner Messvorrichtung den Spin feststellen will, dann legt sich das Elektron auf eine Richtung fest. Nur wenn man hinschaut.
In einem Blog eines Physikers folgert dieser aus Widersprüchen des Messproblems im Zusammenhang mit Superpositionszuständen und der Schrödinger-Gleichung die Existenz einer geistigen Welt.
Die Welt besteht aus Energie
Die Atome, aus denen unsere Welt besteht, sind leere Hüllen: in der Mitte ein Atomkern aus Neutronen und Protonen, darum herum eine Hülle mit einem Radius 10 000 mal so gross wie der Kern, dann die Elektronen, die nur ein 2000-stell des Kerns wiegen. Alles andere ist leer, es besteht aus Anziehungskräften und Abstossungskräften, die die Kernteile und die Atome verbinden, und aus Energiefeldern. Ich habe einmal gelesen, wenn man die Atome unserer Weltkugel ganz dicht zusammenpackt, so dass alle Protonen und Neutronen dicht an dicht liegen und zusammen mit den Elektronen verklebt sind, dann wäre unsere Erdkugel nur so gross wie ein Glasstecknadelkopf. Das gilt natürlich auch für die Moleküle, aus denen ein Mensch besteht. Im Grunde besteht er nur aus Energiefeldern. Und selbst der winzige Rest an Materie, der dann theoretisch noch zurückbleibt (Protonen, Neutronen, Elektronen) ist, wie wir jetzt wissen, ebenfalls Energie in Form einer elektromagnetischen Welle, das heisst die kleinsten Teilchen sind zugleich materielle Teilchen und zugleich Energie-Wellen. Um die Masse eines Teilchens in die Energie einer Welle zu überführen, gibt es die berühmte Gleichung E=mc². Wir bestehen also aus reiner Energie. Wir und unsere ganze Welt sind eine besondere Form von Energie, sozusagen abgebremste Wellen, wir sind „schockgefrorenes Licht“. Das ist das Konzept der modernen Physik.