Felder und Teilchen: Was Materielles zum Jahreswechsel

Dieser Beitrag ist Teil einer Auseinandersetzung mit diesem Artikel, ausgelöst durch diese Verlinkung und hier im Kommtarteil angeregt.

Eigentlich hatte ich im Zug, auf der Fahrt zurück nach Berlin, schon einen längeren, nur noch der Überarbeitung erwartenden Artikel über den Aufbau der Materie geschrieben - nun, rückschauend, möchte ich einen etwas anderen als den dort vertretenen, ziemlich klassischen Ansatz wählen. Schließlich verkündet der in Frage stehende Artikel von psychophysik.com selbst, dass es an der Zeit wäre, „Newton” auf seinen richtigen Platz zu verweisen; nur, um anschließend eben dieses Versprechen nicht einzulösen, sondern über weite Strecken immer noch unsere klassische Anschauung von Materie zu vertreten, ohne diese richtig zu stellen. Dieser Beitrag beschäftigt sich daher mit dem Hauptteil der Darstellung über Materie. Die Richtigstellung der Folgerungen und der vollkommen verfehlten Darstellung des 2004er Experiments erfolgt in einem folgenden Beitrag.

Betrachten wir also, analog zu psychophysik.com, einen Würfel Gold, wie ich ihn gerade (war ja Weihnachten) in den Händen halte. Ich spüre seine Masse, die sich in Trägheit und Gewicht äußert (und Gold ist schwer, aber hallo). Der Goldwürfel hat eine Ausdehnung, so dass ich ihn kaum umgreifen kann. Und er hat die Festigkeit und das Aussehen, wie ich es von Gold erwarten kann: eben Eigenschaften, die mich diesen Würfel als „golden” erkennen lassen (und wir gehen hier mal von reinem Gold aus, nicht den verschiedenen Legierungen, die man seiner Verlobten als Gold verkaufen will). Zusammenfassend also drei Qualitäten, die offenbar naturwissenschaftlich erklärbar zu sein haben: Masse, Ausdehnung und die materialphysikalischen bzw. chemischen Eigenschaften des Goldes.

Es ist nicht verwunderlich, wenn wir die Eigenschaften des Goldwürfels in seinen Atomen verorten wollen. Wie sich zeigt, ist das jedoch eine naive Annahme, die wir nicht aufrechterhalten können. Auf eine erste Schwierigkeit stoßen wir, wenn wir uns die chemischen Eigenschaften besehen: Farbe, Festigkeit, Dichte etc.

Von anderen Stoffen wissen wir, dass sie in verschiedener Stofflichkeit vorkommen. Graphit z. B. ist genauso reiner Kohlenstoff wie Diamant, beide sind also aus denselben Atomen aufgebaut, unterscheiden sich aber in ihren Eigenschaften drastisch voneinander. Das liegt daran, dass die Molekülstruktur, zu der sich die C-Atome zusammenschließen, eine andere ist. Allein dieses Beispiel zeigt, dass Andeutungen wie die Folgende sinnlos sind:

Ob nun vielleicht der Atomkern bis zum Rand mit Gold gefüllt ist oder wie auch immer man sich Gold innerhalb des Atoms vorstellen soll, keine Ahnung.

Alle unseren makroskopischen Bestimmungen von dem, was Kohlenstoff oder Gold ist, haben keine Berechtigung, wenn wir uns unterhalb der atomaren Ebene bewegen. Sie sind eben Teil der Chemie, vermittelt von Anzahl und Energieniveaus der Elektronenschalen, ihrerseits wieder bedingt durch den Atomkern - aber eben durch nichts, was den Atomkern ausmacht. Im Inneren eines Gold-Atomkern noch so etwas wie „Goldhaftigkeit” ausmachen zu wollen, ist so sinnvoll, wie im Inneren eines Legosteins „Legohaftigkeit” zu vermuten. Die Phänomene, die wir Gold zuschreiben, eben Farbe und Festigkeit, werden durch die Molekülstruktur hervorgerufen. Von einem Gold-Atomkern zu sprechen, ist nur noch insofern von Bedeutung, als dass sein Aufbau die spätere Chemie verursacht; von einem Gold-Nukleon, also einem Baustein dieses Gold-Atomkerns zu sprechen, hätte keine Bedeutung mehr: die „Goldhaftigkeit” ergibt sich aus der Anzahl der Bausteine, die den Kern bilden, aus nichts in den Bausteinen selbst.

Es bleiben zwei noch zu erklärende Phänomene, Masse und Ausdehnung, die es zu trennen gilt. Und genau das macht psychophysik.de nicht. In ungelenktem Eifer sucht man vermeintlich nach dem, was wir in alltäglicher Anschauung Materie nennen, im Inneren von Atomen. Aber das ist Unsinn, und darum geht es der Seite ja auch: zu zeigen, wie wenig unsere alltägliche Vorstellung mit dem tatsächlichen Aufbau von Materie übereinstimmt. Nur leider beschränkt sie sich darauf, Unstimmigkeiten hervorzuheben, und kommt nicht darauf, Ursachen oder Hintergründe zu erklären.

Woher kommt unsere Vorstellung von Materie als ausgedehnter Masse? Aus unserer alltäglichen Anschauung, dass beides zusammen auftritt, dass ein ausgedehntes Gebilde Masse und ein massereiches Gebilde Ausdehnung hat; eben wie unser Goldwürfel.

Diese Anschauung lässt sich in der Quantenphysik nicht mehr halten, jedenfalls ist sie alles andere als so selbst-evident, für die wir sie halten.

Schreibe ich einem Teilchen Masse zu, so sage ich damit nur, dass es der gravitativen Wechselwirkung unterliegt; es wird somit mit anderen massereichen Teilchen eine anziehende Wechselwirkung eingehen. Über die Ausdehnung dieses „Teilchens” sage ich damit gar nichts aus. Und tatsächlich kann ich das nicht. Es scheint heute zumindest so, als wären zumindest Elektronen vermutlich punktförmig, also eben ohne Ausdehnung, obwohl sie eine Masse tragen. Und für alle anderen Elementarteilchen mag dasselbe zutreffen.

So gesehen sind Atome also tatsächlich „leer”, wenn wir darauf beharren, Ausdehnung in Elementarteilchen zu finden.

Wenn das zutrifft, warum haben Atome (und damit makroskopische Körper) überhaupt Ausdehnung? Warum schiebt sich die Masse nicht einfach auf einen Punkt zusammen? Weil Masse nicht die einzige Eigenschaft von Teilchen ist. Eine andere ist Ladung. Wiederum, um Ladung zu tragen, muss ein Elementarteilchen keine Ausdehnung haben: siehe das Elektron. Ladung beschreibt wieder nur die Möglichkeit einer Wechselwirkung, in diesem Fall die elektro-magnetische, die im Gegensatz zur Gravitation auch abstoßend wirken kann. Unsere Atome lassen sich also deshalb nicht übereinander schieben, weil die Ladungen in den Atomkernen jeweils positiv sind und darum eine abstoßende Kraft aufeinander ausüben, die größer wird, je näher wir die beiden Atome zueinander bringen. In Ruhe nehmen die Atome so einen mittleren Abstand zueinander ein, der durch die Abstoßung der Atomkerne und die Attraktion, die sich aus der chemischen Bindung mittels Elektronen ergibt, vorgegeben wird: unser makroskopischer Körper hat eine Ausdehnung.

Was wir also in naiv alltäglicher Sicht als massereichen, ausgedehnten Körper wahrnehmen und mit dem Begriff Materie zu beschreiben versuchen, beruht auf zwei unterschiedlichen Ursachen. Wollen wir unsere naiven Materiebegriff im Atom verorten, dann müssen wir allerdings feststellen, dass es leer erscheint. Aber das ist es mitnichten. Selbst, wenn wir Elementarteilchen keine Ausdehnung zuschreiben und uns auch nicht von der Ausdehnung der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten dieser Teilchen beeindrucken lassen, so gibt es noch etwas anderes, was unseren Raum ausfüllt: Felder. Ein Feld ist ein anderes Bild für die Wechselwirkungen, die unsere Teilchen miteinander ausüben können. [1] Felder sind uns aus alltäglicher Anschauung wenig vertraut, aber mathematisch sind sie so streng beschrieben und real wie makroskopische Körper; sie haben messbare Eigenschaften und, da sie Energie tragen, haben sogar eine bestimmbare, normalerweise aber vernachlässigbare Masse

Greifen wir makroskopisch nach unserem Goldwürfel, glauben wir vielleicht, die Berührung, die wir merken dadurch erklären zu können, dass die Materie unserer Hand an der Materie des Goldes langt. In Wirklichkeit gibt es aber keine klassische Materie: was wir fühlen, sind die Kraftfelder der Atome, die sich überlappen, die abstoßenden Kräfte zwischen den Atomen.

 

Der verlinkte Artikel von pyschophysik.com beschreibt das Ganze jetzt als Problem der Materie und ergeht sich in Beschreibungen, wie rätselhaft die sei. Aber das Problem liegt eindeutig bei der naiven Übertragung unseres Materiebegriffes auf die Natur von Atomen. Es ist durchaus verständlich, warum ein rein evolutionär entstandenes Säugetier wie der Mensch einen makroskopisch hilfreichen Materiebegriff entwickelt hat — und danach erstaunt ist, dass die Wirklichkeit komplizierter ist.

Nun mögen einem Felder und punktförmige Teilchen tatsächlich mysteriös vorkommen. Man mag sogar, um vorweg zu greifen, das Ganze mit „Geist” verwechseln. Aber auch hier muss man sagen: die mathematischen Grundlagen, die nicht (oder weniger) an die Anschaulichkeit unserer evolutionär entstandenen Vernunft gebunden sind, interessiert das alles wenig. Wir können gerne unsere Sprache missbrauchen und perfekt verstandene Wechselwirkungen mit „Geist” benennen: Am Ende gewinnt man gar nichts daraus, dass man seine eigenen Anschauungsprobleme mit esoterischen oder gar religiösem Vokabular als Erkenntnis verschleiert. Im Grunde nimmt man eine weitere Bestätigung, dass die Anschaulichkeiten von Menschen durch seine Evolution geformt und darum jenseits der Ebene natürlicher Auslese Missverständnissen ausgesetzt sind — und verwandelt sie in ein Mysterienkabinett, hinter dem man dann doch nur wieder seinen eigenen Antropozentrismus wiederfinden möchte.

Die wirkliche Auseinandersetzung mit dem von psychophysik betriebenem Sprach- und Physikverwirrung erfolgt im nächsten Post.

 

[1] Wenn die Physik von Bildern spricht, mag sich das für den ungeübten Betrachter wie die Verwendung eines „Gleichnisses” ausnehmen. Tatsächlich braucht die Physik die Bilder nicht zwingend: die Realität wird durch die Mathematik umfassend und (nach bestem Wissensstand) korrekt wiedergegeben. Die Bilder kommen nur ins Spiel, weil es manchmal verschiedene Wege gibt, mathematisch denselben Sachverhalt zu beschreiben — und dann vor allem, weil wir Menschen sind, Geschichtenerzähler und Kulturgeschöpfe, denen die pure mathematische Lösung nicht genügt und die nach „Anschauung” streben, ob wir jetzt Rezipienten oder Gestalter wissenschaftlichen Fortschritts sind.