4.1 Die Krise der Physik

In der Geschichte der Physik unterscheidet man zwei Phasen:

• die "klassische Physik" bis etwa zum Jahr 1900 und
• die "moderne Physik" ab etwa dem Jahr 1900

Die schulischen Lerninhalte, die Sie bislang kennengelernt haben, gehören zur "klassischen Physik". Die Grundidee der "klassischen Physik" wird beschrieben durch den Laplaceschen Dämon. Der Mathematiker Pierre-Simon Laplace hat im Jahr 1814 folgende Aussage in seinem Aufsatz "Essai philosophique sur les probabilités" niedergeschrieben:

„Wir müssen also den gegenwärtigen Zustand des Universums als Folge eines früheren Zustandes ansehen und als Ursache des Zustandes, der danach kommt. Eine Intelligenz, die in einem gegebenen Augenblick alle Kräfte kennt, mit denen die Welt begabt ist, und die gegenwärtige Lage der Gebilde, die sie zusammensetzen, und die überdies umfassend genug wäre, diese Kenntnisse der Analyse zu unterwerfen, würde in der gleichen Formel die Bewegungen der größten Himmelskörper und die des leichtesten Atoms einbegreifen. Nichts wäre für sie ungewiss, Zukunft und Vergangenheit lägen klar vor ihren Augen.“

Die Physik der Atome war am Ende des 20. Jahrhunderts weitgehend unerforscht, man war sich aber sicher, dass auch die Atome den Gesetzen Newtons, Maxwells,... gehorchen. Sobald geeignete Geräte zur Verfügung stünden und man damit Messdaten in der atomaren Welt sammeln könnte, würden die bekannten Gesetze die atomaren Vorgänge richtig beschreiben. Daher galt in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts die Physik als weitgehend abgeschlossene Wissenschaft. Als fleißiger Experimentalphysiker konnte man Tabellenbücher weiter füllen, aber wirklich Neues, Bedeutendes gäbe es nicht mehr zu entdecken. Als Max Planck, einer der Begründer der modernen Physik, seinen Wunsch äußerte Physik zu studieren, wurde ihm von einem Münchner Physikprofessor davon abgeraten, denn es sei schon fast alles erforscht und es gelte, nur noch einige unbedeutende Lücken zu schließen.

Als neue Geräte entwickelt wurden, mit denen Experimentalphysiker*innen Messdaten in der atomaren Welt sammelten, wurde die Physik beim Versuch, diese Messdaten mit den klassischen Gesetzen zu erklären, in die größte aber zugleich auch produktivste Krise ihrer Geschichte gestürzt. Die Krise war die Geburtstunde der "modernen Physik", die heute mit den beiden Begriffen "Quantenfeldtheorie" und "Allgemeine Relativitätstheorie" benannt wird.

Im Kerncurriculum des Leistungskurses Physik wird der Übergang der Physik vom klassischen zum modernen Paradigma nicht aufgeführt. Vielmehr werden im Thema "Quantenphysik" Aussagen zu Quantenobjekten aneinandergereiht. In diesem Kurs weichen wir von der vorgeschlagenen Reihenfolge des Kerncurriculums ab. Sie werden Experimente kennenlernen, welche die Krise des klassischen physikalischen Weltbilds ausgelöst haben und Ihnen wird mit historischem Bezug aufgezeigt, wie experimentelle Messdaten dieser Experimente nur mit neuen, seltsam anmutenden Modellen beschrieben werden konnten.

Angefangen hat die Krise mit dem Thema, mit welchem wir das Thema "Schwingungen und Wellen" beendet haben: Licht.

Licht, das Sie im letzten Thema als elektromagnetische Welle kennengelernt haben, ist der Ausgangspunkt für die Krise der Physik am Ende des 19. Jahrhunderts, dem Jahrhundert der Dampfmaschinen und der Gasbeleuchtung. Dampfmaschinen transportierten Menschen und Güter und waren der Antrieb für die Maschinen in den Fabrikhallen. Straßen und Häuser wurden mit Gaslampen beleuchtet. Beide Technologien erzeugten Schmutz und waren gefährlich. Dampfkessel in Dampfmaschinen und Gas konnten explodieren, was beides leider immer wieder vorkam.

Das Ende des 19. Jahrhunderts war eine Epoche großer Umbrüche. 1862 entwickelte Otto den ersten Gas-Viertaktmotor, der ohne explosiongefährdeten Dampfkessel auskam. 1883 wurde der erste mit Benzin betriebene Viertakt-Motor vorgestellt und bald darauf fuhr das erste Automobil. In den USA wurden ab 1880 die ersten Gebäude mit Glühlampen beleuchtet und eine dafür notwendige Infrastruktur an Kraftwerken und Stromnetzen entwickelt. In Fabriken wurden die Werkshallen bald mit elektrischem Licht beleuchtet. Die ersten Glühlampen benötigten viel elektrische Energie, von der sie die meiste Energie in Wärme umwandelten. Da elektrische Energie sehr teuer war, wurde bald klar, dass diejenigen im Vorteil waren, die möglichst effizient elektrische Energie in Lichtenergie umwandeln konnten, um die Beleuchtungskosten deutlich zu senken. Das Thema "Licht" wurde an den Universitäten intensiv erforscht.

In Glühlampen wird ein Glühdraht so stark erhitzt, dass er zu glühen beginnt. 1897 wurde von Thomson das Elektron entdeckt und die Physiker*innen lernten bald, dass Licht ausgesendet wird, wenn Elektronen beschleunigt werden. Im Glühdraht werden die Elektronen stark beschleunigt, da sie ständig mit den stark schwingenden Metallatomen wechselwirken. Bei diesen Beschleunigungsvorgängen senden die Elektronen Licht aus. Wenn man es schaffen könnte, dass weniger elektrische Energie in Wärmeenergie und mehr Energie in Lichtenergie umgewandelt wird, dann könnten Glühbirnen effizienter und damit kostengünstiger betrieben werden. Bald erkannte man, dass die Wärme, welche eine Glühbirne aussendet, auch Licht ist: das unsichtbare Infrarotlicht, was auch Wärmestrahlung genannt wird. Wärmestrahlung und Licht sind beides elektromagnetische Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen. Wenn man es also schaffte, dass ein glühender Körper weniger Infrarotlicht aussendet und mehr sichtbares Licht, dann könnten Fabrikhallen kostengünstiger beleuchtet werden.

Der Zusammenhang zwischen der Temperatur eines Körpers und dem von diesem Körper ausgesandten Lichts wurde intensiv experimentell untersucht, so dass den theoretischen Physiker*innen bald viele Messdaten für ihre Überlegungen zur Verfügung standen. In der folgenden Simulation wird der Zusammenhang zwischen der ausgesandten Farbe einer Lichtquelle, also der Wellenlänge \(\lambda\) und der Intensität \(I\) der Farbe bei einer bestimmten Temperatur des Körpers dargestellt.

Ein Ziel der PhysikerInnen war es, diese Meßkurve mathematisch zu beschreiben. Gesucht war also eine Formel, in welche bei konstanter Temperatur \(T\) die Wellenlänge \(\lambda\) eingesetzt werden kann, so dass die Formel die Energiedichte \(u\) für diese Wellenlänge berechnet. Eine erste Formel wurde von Rayleigh hergeleitet, im Jahr 1900 veröffentlicht und lautete:

\[ u(\lambda) = \frac{8 \pi \cdot k \cdot T}{c} \cdot \frac{1}{\lambda^2}\]

Dabei ist \(u(\lambda)\) = Energiedichte in Abhängigkeit der Wellenlänge \(\lambda\), \(k\) = Boltzmannkonstante, \(T\) = Temperatur in Kelvin, \(\lambda\) = Wellenlänge. (Mit Hilfe der Boltzmannkonstante \(k\) kann die mittlere Energie eines einatomigen freien Teilchens beschrieben werden: \(E = \tfrac{3}{2} \cdot k \cdot T\).)

Sie können sofort sehen, dass die Formel von Rayleigh die experimentellen Daten nicht richtig beschreibt. Wenn man die Wellenlänge gegen Null gehen läßt, dann gehen die y-Werte, also die Energiedichten gegen unendlich. Dieses Problem nannten die PhysikerInnen Ultraviolett-Katastrophe und meinten damit, dass ein Körper, der immer heißer wird, irgendwann unsichtbar sein müsste, da vor allem Licht im nicht sichtbaren Wellenlängenbereich ausgesendet werden würde. Das konnnte man aber nicht beobachten.

Max Planck in Berlin beschäftigte sich im Jahr 1900 mit diesem Problem und fand eine Formel, welche zu den experimentellen Daten passte:

\[ u(\lambda) = \frac{8 \pi \cdot h}{\left( e^{\frac{h \cdot c}{k \cdot T \cdot \lambda}} - 1 \right) \cdot \lambda^3}\]

Dabei ist \(u(\lambda)\) = Energiedichte in Abhängigkeit der Wellenlänge, \(k\) = Boltzmannkonstante, \(T\) = Temperatur in Kelvin, \(c\) = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, \(\lambda\) = Wellenlänge.

Zusätzlich zu den bekannten Größen verwendete Planck in dieser Formel eine Hilfsgröße \(h\), die einen Zahlenwert von \(6,6 \cdot 10^{-34}\) bekam. Max Planck formulierte mit Hilfe dieser Hilfsgröße eine revolutionäre Annahme:

Die Größe einer Energieportion (Quant) kann mit Hilfe der Hilfskonstante \(h\) aus der Wellenlänge \(\lambda\) berechnet werden:

\[ E = h \cdot \frac{c}{\lambda}\]

Rechnet man die Wellenlänge \(\lambda\) in die Frequenz \(f\) mit \(c = \lambda \cdot f\) um, dann folgt:

\[ E = h \cdot f\]

Mit der Annahme, dass Elektronen Licht nur in Energieportionen aussendet, konnte er mit mathematischen Methoden der statistischen Physik seine Strahlungsformel herleiten, welche bestens zu den experimentellen Meßdaten passte. Planck hatte die Konstante \(h\) als eine Hilfskonstante angesehen (daher wahrscheinlich auch der Buchstabe \(h\)) und ging davon aus, dass \(h\) nach weiteren Forschungsarbeiten im Rahmen einer verbesserten Theorie wieder ersetzt werden könnte. Es sollte sich aber bald herausstellen, dass \(h\) eine grundsätzliche Bedeutung hat. Die Ideen von Planck lösten eine fundamentale Krise der klassischen Physik aus, in deren Folge eine völlig neue Theorie, die Quantentheorie entwickelt wurde.

Die Beleuchtung von Fabriken war ein Auslöser für fortlaufende Forschungen zur Elektrotechnik. Bald wurden Geräte entwickelt, mit deren Hilfe man atomare Strukturen untersuchen konnte (Vakuumröhren, Elektronenstrahlröhren, Röntgenröhren, Nebelkammern, Zählrohre für radioaktive Strahlung,...). Die atomare Welt wurde experimentell zugänglich. Direkt kann man Atome oder atomare Objekte nicht beobachten, denn unsere Sinne sind dazu viel zu grob. Eine Beobachtung der atomaren Strukturen ist nur mit Hilfe von Messgeräten möglich, die Spannungswerte erzeugen, welche mit Hilfe geeigneter Anzeigen abgelesen werden können. Die Messung von mikroskopisch kleinen Objekten der atomaren Welt führt zu Herausforderungen, die ganz anders sind als in der makroskopischen Welt. Dazu ein Gedankenexperiment:

Angenommen, Sie möchten den Impuls \(p = m \cdot v\) eines Autos messen. Sie stellen sich an den Rand einer Straße, markieren auf dem Gehsteig eine Startlinie und drücken den Startknopf der Stoppuhr, wenn ein Auto diese Startlinie passiert. Sobald das Auto die Ziellinie erreicht hat, drücken Sie auf Stopp. Die Weglänge durch die dafür benötigte Zeit ist dann die Geschwindigkeit des Autos. Sie sehen, wann das Auto den Startpunkt und den Zielpunkt erreicht und reagieren dann. Um den Impuls \(p = m \cdot v\) zu berechnen, multiplizieren Sie die Masse \(m\) des Autos, welche Sie dem Fahrzeugschein entnehmen, mit der gemessenen Geschwindigkeit \(v\).

Solche Messungen sind in der makroskopischen Welt leicht durchzuführen, denn das Licht, welches wir für die Messung verwenden, steht überall zur Verfügung. Ein Auto besteht aus einer unvorstellbar großen Anzahl von Atomen und wenn Sie das Auto sehen, dann wird Licht vom Auto reflektiert und erreicht unser Auge.

Angenommen, Sie wollen jetzt den Zustand eines einzelnen Elektrons messen. Um kleine Strukturen in der atomaren Welt zu messen, wie z.B. den Abstand von Netzebenen in einem Kristall, benötigt man Röntgenlicht, das aus Licht mit einer sehr kleinen Wellenlänge \(\lambda\) und damit einer sehr hohen Frequenz \(f\) besteht. Nach der Erkenntnis von Max Planck ist Licht mit sehr kurzer Wellenlänge \(\lambda\) und damit einer hohen Frequenz \(f\) sehr energiereich: \(E = h \cdot f = h \cdot \frac{c}{\lambda}\). Das Licht ist um so energiereicher, je kleiner die Wellenlänge des Lichts ist. Wenn ein einzelnes Elektron von Licht getroffen wird, dann wissen wir, dass es Energie aufnimmt und beschleunigt wird.

Wenn wir also kurzwelliges Licht auf ein Elektron schicken, um es zu beobachten, dann ändert das Licht den Zustand des Elektrons. Übertragen auf die makroskopische Welt wäre das so, als würde man herausfinden wollen, wann ein Auto die Ziellinie der Messung erreicht, indem man regelmäßig Kanonenkugeln über die Ziellinie schießt. Wenn eine Kanonenkugel abgelenkt wird, weiß man, dass das Auto die Ziellinie erreicht hat. Der Preis für das Messergebnis ist aber, dass das Auto zerstört wird.

Im Jahr 1995 konnte etwas ähnliches in der atomaren Welt nachgebaut werden:

Albert Einstein sagte zusammen mit dem indischen Physiker Satyendranath Bose voraus, dass bei einer Temperatur knapp über dem absoluten Temperaturnullpunkt bei -273,15°C die Atome nahezu still stehen und ununterscheidbar werden. Dieser Zustand bekam einen neuen Name: das Bose-Einstein-Kondensat. Die ersten Bose-Einstein-Kondensate wurden im Juni und September 1995 an zwei amerikanischen Instituten erzeugt, indem Atome mit Hilfe der Laser-Kühlung und der evaporativen Kühlung (die jeweils schnellsten Atome werden entfernt) immer weiter verlangsamt wurden.

Woher wissen die PhysikerInnen, dass sie ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugt haben? Ein Bose-Einstein-Kondensat ist ein Zustand, in dem sich Atome befinden, nachdem man den Atomen mühevoll alle Energie entzogen hat. Die Atome stehen praktisch still. Wenn man versucht ein Photo von dem Bose-Einstein-Kondensat zu machen, muss man Licht auf das Bose-Einstein-Kondensat schicken. Sobald aber Licht auf das Bose-Einstein-Kondensat fällt, wird dem Kondensat Energie zugeführt und es verdampft augenblicklich.

Der Versuch, das Bose-Einstein-Kondensat zu beobachten/zu messen, führt augenblicklich zu dessen Zerstörung.

In der Welt der Atome zeigen sich viele weitere seltsam anmutende Phänomene, die Sie in den nächsten Kapiteln kennenlernen werden. Manche sind so seltsam, dass manche WissenschaftlerInnen sich darauf konzentrieren, diese ausschließlich mathematisch zu beschreiben.

Weitere Krisen, wie z.B. die Detektor-Krise, werden Sie in den nächsten Kapiteln kennenlernen.

Mit der Weiterentwicklung der Technik nahmen immer mehr Institute Anlagen in Betrieb, mit denen z.B. Protonen auf hohe Energien beschleunigt werden konnten und die Protonen dann zur Kollision gebracht wurden (z.B. CERN). Bei der Kollision zweier Protonen entdeckte man Objekte, die noch sehr viel kleiner als die Protonen waren. Man sah schließlich ein, dass in der atomaren Welt nicht nur Elektronen, Protonen und Neutronen existieren, die Sie in ihrer Schulausbildung bislang kennengelernt haben, sondern dass es sehr viel mehr Bausteine unserer Welt gibt.

Jahrzehntelange Forschung lieferte die Erkenntnis, dass alle beobachtete Materie aus einer kleinen Anzahl von Partikeln aufgebaut sind, die miteinander wechselwirken (also Energie, Impuls,... austauschen). Man hat 12 verschiedene elementare Partikel (die wir Quantenobjekte nennen werden) und 6 Wechselwirkungen zwischen diesen Quantenobjekten identifiziert.

Elementare Quantenobjekte

• Quarks: Es gibt 6 unterschiedliche Arten von Quarks: up-, down, charm-, strange, top-, bottom-Quark. Aus Quarks sind z.B. das Neutron und das Proton aufgebaut.

• Geladene Leptonen: Es gibt drei Arten von elektrisch negativ geladenen Quantenobjekten, die man bislang nicht weiter teilen konnte: Elektron, Myon, Tauon. Diese drei haben die gleiche Ladung aber unterschiedliche Massen.

• Ungeladene Leptonen: Und schließlich gibt es drei elektrisch neutrale, nicht weiter zerlegbare Quantenobjekte: Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino und Tauon-Neutrino.

Nach jetzigem Kenntnisstand besteht das sichtbare Universum aus diesen 12 Quantenobjekten. Diese Quantenobjekte wechselwirken miteinander, so dass z.B. Atome zusammenhalten, Protonen und Neutronen stabil sind, Energie zwischen Elektronen ausgetauscht werden kann,...

Wechselwirkungen

Die PhysikerInnen unterscheiden 6 verschiedene Wechselwirkungen. Beschrieben wird eine Wechselwirkung dadurch, dass die Quantenobjekte Austauschteilchen miteinander austauschen. Die Austauschteilchen übermitteln zwischen den Quantenobjekten Zustandsänderungen (Änderungen von Energie, Impuls, Spin,...). Die 6 Austauschteilchen sind die folgenden:

• Das Photon wird zwischen elektrisch geladenen Quantenobjekten wie Protonen und Elektronen ausgetauscht und vermittelt die elektromagnetische Wechselwirkung.

• Das Gluon wird zwischen Quarks ausgetauscht und sorgt dafür, dass Protonen und Neutronen stabil sind und auch, dass Atomkerne nicht auseinanderfallen. Die von Gluonen vermittelte Wechselwirkung wird starke Wechselwirkung genannt.

• Das Z-Boson und W-Boson wird zwischen elektrisch geladenen und ungeladenen Quantenobjekten ausgetauscht und vermittelt Zustandsänderungen, wie die Umwandlung eines Neutrons in ein Proton beim Beta-Zerfall oder die Umwandlung eines Protons in ein Neutron bei der Kernfusion. Die vom Z- und W-Boson vermittelte Zustandsänderung wird schwache Wechselwirkung genannt.

• Das Higgs-Boson wird zwischen den Quantenobjekten und dem Higgsfeld ausgetauscht und vermittelt die träge Masse der Quantenobjekte, also deren Widerstand gegenüber Beschleunigung. Zu beachten ist hier allerdings, dass die Gesamtmasse eines Atoms nicht nur aus der Wechselwirkung der Quantenobjekte mit dem Higgsfeld resultiert, sondern dass die Bindungsenergie wegen \(E = m \cdot c^2\) einen erheblichen Teil zur Masse beiträgt.

• Das Graviton wird zwischen allen Quantenobjekten ausgetauscht und vermittelt die schwere Masse der Quantenobjekte, also deren gegenseitige Anziehung unbhängig von der Ladung der Quantenobjekte. Das Graviton ist im Moment rein hypothetisch. Es konnte noch nicht nachgewiesen werden, dass die Gravitationskraft bzw. Raumzeitkrümmung quantisiert wäre.

Quantentheorien

Die Theorien, welche diese Wechselwirkungen beschreiben, wurden von den PhysikerInnen wie folgt benannt:

• Die Quantenchromodynamik beschreibt die starke Wechselwirkung, also den Austausch von Gluonen zwischen den Quarks.

• Die Quantenelektrodynamik beschreibt die elektromagnetische Wechselwirkung, also den Austausch von Photonen zwischen geladenen Quantenobjekten.

• Die Quantenflavordynamik beschreibt die schwache Wechselwirkung, also den Austausch von W- und Z-Bosonen zwischen den Quantenobjekten.

• Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Gravitation, also den freien Fall von Objekten in der Umgebung von Massen, welche die Raumzeit gekrümmt haben.

Quantenfeldtheorie

Die PhysikerInnen arbeiten daran, diese Theorien zusammenzuführen. In der vereinten Quantenfeldtheorie dem sogenannten Standardmodell der Elementarpartikelphysik werden die Quantenchromodynamik, die Quantenelektrodynamik und die Quantenflavordynamik zusammengefasst. Nur die Gravitation kann im Moment noch nicht mit dem Standardmodell der Elementarpartikelphysik zusammengeführt werden.

Bevor die moderne Quantenfeldtheorie entwickelt wurde, gab es die Quantenmechanik als ersten Versuch die atomare Welt zu modellieren. Da die Quantenmechanik leichter zugänglich ist als die Quantenfeldtheorie, werden Sie in der Schule die Quantenmechanik kennenlernen. Zur Studienorientierung werden Ihnen in diesem Lehrgang an passender Stelle Ausblicke auf die Quantenfeldtheorie vorgestellt.

Eine Quelle für diese Ausblicke ist der Videokanal "Urknall, Weltall und das Leben" von Joseph Gaßner auf Youtube. Joseph Gaßner ist Diplom-Mathematiker und Diplom-Physiker und lehrt an der Hochschule Landshut. In seinem Videokanal gibt es die legendäre Playlist "Von Aristoteles zur Stringtheorie", in der Joseph Gaßner die Geschichte der physikalischen Modelle von den Anfängen bis zur modernen Physik erzählt. Diese Geschichte hat er im Buch "Können wir die Welt verstehen? Meilensteine der Physik von Aristoteles zur Stringtheorie." zusammengefasst. Im folgenden Lehrgang zur Quanten-, Atom- und Kernphysik wird Ihnen ab und zu an passender Stelle ein Video aus der Video-Playlist von Joseph Gaßner empfohlen werden.

Video-Empfehlung zum aktuellen Kapitel: Das Plancksche Wirkungsquantum.