Beim Wort Wellen fallen einem die auf einer Wasserfläche sich bildenden und immer größer werdenden Kreise ein, etwa wenn ein Stein in einen Weiher geworfen wird. Man hat dann den Eindruck, es würde sich Wasser über die Oberfläche vom Zentrum wegbewegen. Ein auf dem Wasser schwimmendes Blatt oder Stückchen Holz zeigt aber, daß nur Auf- und Abbewegungen vorkommen, die auch schnell abklingen und eine Folge der Trägheit sind. Es liegt eine sehr gedämpfte Transversalwelle vor.
Beim Wort Wellen fallen einem die auf einer Wasserfläche sich bildenden und immer größer werdenden Kreise ein, etwa wenn ein Stein in einen Weiher geworfen wird. Man hat dann den Eindruck, es würde sich Wasser über die Oberfläche vom Zentrum wegbewegen. Ein auf dem Wasser schwimmendes Blatt oder Stückchen Holz zeigt aber, daß nur Auf- und Abbewegungen vorkommen, die auch schnell abklingen und eine Folge der Trägheit sind. Es liegt eine sehr gedämpfte Transversalwelle vor.
In unserer täglichen Erfahrung haben die Begriffe Teilchen und Welle nichts Mysteriöses an sich, sie scheinen eine feste Bedeutung zu haben. Ein Stein, der ins Wasser geworfen wird, und die Wellen, die sich daraufhin an der Wasseroberfläche bilden, haben nur eines gemeinsam, die Fähigkeit, Energie und Impuls von einem Ort zum anderen zu übertragen. Die klassische Physik, die die „physikalische Realität“ unserer Sinneseindrücke widerspiegelt, behandelt Teilchen und Wellen als getrennte Komponenten der Realität. Die Mechanik der Teilchen und die Wellenoptik sind traditionellerweise unabhängige Disziplinen, jede hat ihre eigenen Experimente und Hypothesen. Und doch hat die physikalische Welt, wie wir sie sehen, ihre Ursache in Phänomenen, die sich in der mikroskopischen Welt der Atome und Moleküle, der Elektronen und Kerne abspielen. In dieser Welt gibt es weder Teilchen noch Wellen, die unseren herkömmlichen Vorstellungen entsprechen. Wir bezeichnen Elektronen als Teilchen, da sie elektrische Ladung und Masse besitzen und sich in alltäglichen Apparaten (etwa in einer Fernsehröhre) nach den Gesetzen der Punktmechanik verhalten. Wir werden jedoch sehen, daß genau soviel dafür spricht, ein Elektron als Wellenerscheinung wie als Manifestation eines Teilchens zu deuten. Wir bezeichnen elektromagnetische Wellen als Wellen, weil sie unter geeigneten Umständen Beugung, Interferenz und Polarisation zeigen. In ähnlicher Weise werden wir sehen, daß unter anderen Bedingungen elektromagnetische Wellen sich verhalten, als ob sie aus einem Strom von Teilchen bestünden. Gemeinsam mit der speziellen Relativitätstheorie ist die Dualität von Welle und Teilchen wesentlich für das Verständnis der modernen Physik; in diesem Buch gibt es nur wenige Argumente, die von diesen fundamentalen Prinzipien nicht Gebrauch machen.
Gibt es das Leere oder gibt es das Leere nicht? Diese Frage hat Wissenschaftler und Philosophen seit der Antike umgetrieben. Während etwa Demokrit behauptete, dass es nur Atome und den leeren Raum gebe, haben einflussreiche Gelehrte, vor allem Aristoteles, das Dogma des horror vacui verkündet, die Scheu der Natur vor der Leere. Es ist nicht erstaunlich, dass diese Frage im 17. Jahrhundert an Dringlichkeit gewann, hat man damals doch damit begonnen, solche Fragen experimentell zu entscheiden. Wie Klaus Liebers in diesem Heft diskutiert, sind nach den ersten Experimenten von Evangelista Torricelli vor allem die Untersuchungen von Blaise Pascal von Bedeutung. Wir wissen natürlich, dass auch in den Experimenten Torricellis und Pascals der Raum nicht völlig leer ist, da noch immer einige Flüssigkeits- oder Gasmoleküle vorhanden sind. Die interessante Frage ist, ob sich der Raum zumindest im Prinzip leeren lässt. In der Technik spricht man von einem Hochvakuum, wenn der Druck der verbleibenden Moleküle unter etwa 10−7 Hektopascal fällt, was mit dem Atmosphärendruck unter Normalbedingungen von etwas über 1013 Hektopascal zu vergleichen ist. Im interplanetaren Raum hat man weniger als 10−18 Hektopascal. Hier kommt ganz entscheidend die Quantentheorie ins Spiel. Als Vakuum bezeichnet man dort üblicherweise den Grundzustand des Hamilton-Operators, also den Zustand niedrigster Energie. Bei der Berechnung dieser Energie hat man mit mathematischen Schwierigkeiten zu kämpfen, da sich für diese Energie zunächst der unsinnige Wert unendlich ergibt. Das hat mit den Nullpunktschwankungen zu tun, die wegen Heisenbergs Unbestimmtheitsrelationen unvermeidbar sind. Das Problem lässt sich (zunächst) lösen, indem man nur die endlichen Differenzen zur Grundzustandsenergie betrachtet und letztere willkürlich auf null setzt. Überraschungen lassen nicht lange auf sich warten. So erkannte der niederländische Physiker Hendrik Casimir schon 1948, dass das Einbringen zweier paralleler Platten im leeren Raum dazu führt, dass diese sich anziehen, was einer negativen Grundzustandsenergie entspricht. Experimentell ist dieser Casimir-Effekt wohletabliert. Er zeigt, dass das Vakuum recht ungewöhnliche Eigenschaften hat. Die Überraschungen verstärken sich noch, wenn man einen Beobachter betrachtet, der sich mit gleichförmiger Beschleunigung a durch das Vakuum bewegt. Wie der kanadische Physiker William Unruh 1976 feststellte, sieht dieser Beobachter keinen leeren Raum, sondern nimmt einen thermischen Zustand mit der Temperatur ħa/2πkBc wahr. Hierin bedeuten ħ das Wirkungsquantum, kB die Boltzmann-Konstante und c die Lichtgeschwindigkeit. Grund dafür ist die verschränkte Natur des Grundzustands, die sich bei gleichförmiger Beschleunigung thermisch äußert. Obwohl dieser Unruh-Effekt experimentell noch nicht etabliert ist, wird er allgemein akzeptiert. Wir verdanken unsere Existenz dem Vakuum Eng verwandt damit ist ein nach dem britischen Physiker Stephen Hawking bezeichneter Effekt. Wie Hawking 1974 theoretisch herausfand, strahlen Schwarze Löcher mit einer Temperatur ħκ/2πkBc, wobei κ die Oberflächenbeschleunigung des Schwarzen Loches ist. Auch nach diesem Effekt wird experimentell gefahndet. Während in der Quantenfeldtheorie nur die Differenzen zur Grundzustandsenergie messbar sind, ist für die Gravitation tatsächlich die absolute Energie von Bedeutung, da jeder Energie nach E = mc2 eine Masse zugeordnet ist, die ein Gravitationsfeld erzeugt. So sollte etwa der Grundzustand des mit dem Higgs-Teilchen verknüpften Feldes ein beträchtliches Gravitationsfeld erzeugen, von dem aber nichts zu spüren ist. Zu spüren ist aber eine im Vakuum vorhandene, viel kleinere Energie, die als Kosmologische Konstante oder Dunkle Energie zu einer beschleunigten Expansion des Universums führt. Der Ursprung dieser Vakuumenergie ist bisher nicht geklärt. Nach den gängigen Vorstellungen der Kosmologie lassen sich die Strukturen im Universum, Galaxien und Galaxienhaufen, auf die Nullpunktschwankungen von Feldern im frühen Universum zurückführen, die durch eine äußerst schnelle Expansion (inflationäre Phase) quasi zum Leben erweckt werden. So verdanken auch wir unsere Existenz dem Vakuum, vor dem die Natur keine Scheu hat. Claus Kiefer ist Professor für theoretische Physik an der Universität zu Köln, wo er sich vornehmlich der Quanten- und Gravitationsphysik widmet.
Es ist eine schon fast zum Gemeinplatz gewordene Wahrheit, daß alle Naturerkenntnis nur auf dem Wege der sinnlichen Erfahrung gewonnen werden kann. Was man dann Erklärung der Erscheinungen zu nennen pflegt, ist im Grunde nichts anderes, als deren möglichst vollständige und einfache Beschreibung1). Um diese richtig liefern zu können, muß vorhergehen, was Mach so treffend Anpassung der Gedanken an die Tatsachen genannt hat2). Oder wie Hertz 3) es ausspricht: „Wir machen uns Scheinbilder oder Symbole (Vorstellungen) der äußeren Gegenstände, und zwar machen wir sie von solcher Art, daß die denknotwendigen Folgen der Bilder stets wieder Bilder seien von den naturnotwendigen Folgen der abgebildeten Gegenstände.“ Bis zu welchem Grade dies gelingt, hängt in erster Reihe davon ab, in welchem Maße die Tatsachen der Beobachtung durch die Sinne zugänglich sind. Selbst dort, wo dies in vollkommener Weise der Fall ist, wird das Bild den Stempel der Persönlichkeit desjenigen tragen, der es entworfen hat; um so mehr dann, wenn die Grenzen unserer Sinne dazu zwingen, unmittelbar nicht wahrnehmbare Züge der
Das folgende Interview wurde von J .Bobr, dem Lehrbeauftragten fur Wissenschaftstheorie der Naturwissenschaften und philosophische Grenzfragen der Physik an der Hochschule fur Philosophie, Mdnchen-Pullach, fur den ungarischen Digest ,,M&rleg'' (Herder Verlag, Wien) durchgefuhrt, in dem es in ungarischer Sprache gleichzeitig veroffentlicht wird.B o 6 r : Sie beteiligten sich maRgeblich an der Ausarbeitung der Kopenhagener Deutung der Quantentheorie, iiber die Sie selbst geschrieben habenl): ,,Diese gilt einerseits bei vielen Leuten als positivistisch oder subjektivistisch (oder . . .idealistisch), anderseits als teilweise dunkel.Diese Urteile gehen . . .von falschen Alternativen aus; aber eben diese Alternativen werden selten klar angegeben."Darf ich Sie bitten, diese Alternativen klar anzugeben?V o n W e i z s a c k e r : Ja, das ist so eine Frage.Ich kann naturlich versuchen, in knappen Worten zu sagen, was ich da meine.Wenn ich es versuche, muR ich zunachst sagen, daO ich das Wort ,,idealistisch", so wie es hier gebraucht wird, nicht verstehe.Ich kenne seine Bedeutung nicht.Ich weiR sehr wohl, wie es definiert wird, aber die Worte, rnit deren Hilfe es definiert wird, verstehe ich genau so wenig.Ich wiirde sagen, es ist eine falsche Alternative, ob man in der Interpretation der Physik realistisch oder idealistisch denkt, um es einmal so zu nennen, und wenn man die Alternative deuten will, daR man in der Physik davon ausgeht, dal3 die Gegenstande der Physik existieren, oder davon ausgeht, daR sie gewul3t werden.Ich finde, das ist iiberhaupt keine Alternative, denn die Physik ist eine Wissenschaft, und die Wissenschaft enthalt nur das, was man wein; das, was man nicht weiR, davon gibt es keine Wissenschaft.Wissen bedeutet aber: wissen, daR etwas so ist, wie es ist, und nicht nur sich einbilden, es sei so.Insofern kann ich mit der ganzen Gegeniiberstellung zwischen einem Ausgehen von den Dingen, wie sie sind, und einem Ausgehen vom Wissen gar keinen Sinn verbinden.B o 6 r : Und als Philosoph?V o n W e i z s a c k e r : Als Philosoph genau so wenig.Nur, ich wiirde sagen, auch als Physiker nicht.Und das klassische Problem der Philosophie, wenn Sie so wollen, ist gerade die Frage, was man unter Wissen versteht: Es gibt selten jemanden, der sich daruber klar ist, da5 das keine wirklichen Alternativen sind.Ich lese manchmal mit Erstaunen, ich sei Idealist oder ich sei, ich weiR nicht was alles, und dann mu6 ich immer sagen, der Mann, der das geschrieben hat, ist offenbar kluger als ich; ich habe nie gewuRt, daR ich Idealist bin.B o 6 r : Nicht nur die materialistische, sondern auch die thomistische Philosophie wendet Ihnen ein, daR Sie idealistisch eingestellt sind.V o n W e i z s a c k e r : Ich verstehe eigentlich den Einwand nicht.Denn ich wiirde sagen: das,
ZusammenfassungAlice ging in den Wald und wanderte unter Bäumen, bis sie zu einer Wegegabelung kam. An der Kreuzung war zwar ein Wegweiser, aber der schien nicht hilfreich. Auf dem Pfeil nach rechts stand A, auf dem nach links B und sonst nichts. „Dies ist der nutzloseste Wegweiser, der mir je begegnet ist“, schimpfte Alice erbittert. Sie blickte umher, um auf irgendwelche Hinweise zu stoßen, wohin die Wege führten. Ein wenig war sie schon erschrocken, als da plötzlich Schrödingers Katze vor ihr auf einem Baum saß.