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Folgenreiche Entdeckung des Mikrokosmos

„Was sich auf die Wirklichkeit bezieht, ist nicht sicher, und was sicher ist, ist nicht wirklich“

(Albert Einstein)

Eines muss hier gleich vorweg gesagt werden: Was in den letzten Jahrzehnten im Bereich der Atome, ihrer Bestandteile und Eigenschaften entdeckt wurde, entzieht sich nicht nur unserer Alltagserfahrung, sondern fordert unser Vorstellungsvermögen in radikalster Weise heraus. Das hat zur Folge, dass bei der Beschreibung der Phänomene im Mikrokosmos unsere im Alltag gewachsene Sprache versagt und mit mehr oder weniger tauglichen Bildern eine Annäherung an diese neu entdeckte Wirklichkeit versucht werden muss, für die eigentlich nur noch die Sprache der Mathematik adäquat ist – eine Mathematik, die in höheren Sphären angesiedelt ist. Dennoch sei versucht, einen kleinen Überblick zu vermitteln, da die Implikationen auf unser Weltbild, auf Philosophie und Theologie nicht gerade gering sind.

Wieweit kann man etwas zerteilen bis es nicht mehr teilbar ist? Wann ist man beim allerletzten Stäubchen Materie angelangt? Der Grieche Demokrit (470 vor Christus) scheint der Erste gewesen zu sein, der sich dieser Frage annahm. Von ihm stammt das Wort „Atom“, was „das Unteilbare“ bedeutet. Aus unteilbaren Elementen sei die ganze Materie aufgebaut, lehrte er. Diese Vorstellung hatte erstaunlicherweise zweitausend Jahre lang Bestand.

Im 19. Jahrhundert gelang es dank Fortschritten in der Geräteentwicklung endlich, die Größe des Atoms zu bestimmen: 1 Hundertmillionstel eines Zentimeters; anders ausgedrückt: Hundert Millionen Atome aufgereiht ergeben eine Länge von einem Zentimeter! War das nun das Letzte, das Unteilbare? Man stellte Versuche an, um zu wissen, wie es im Innern eines Atoms aussah. Konnte man überhaupt in etwas hineinschauen, das für sich als unteilbar galt?

Das zu überprüfen schickte sich der Neuseeländer Ernst Rutherford an, in dem er Heliumatome (sogenannte Alpha-Teilchen) auf eine dünne Goldfolie schoss und dahinter vermaß, wie sich die Teilchen verhielten. Meist schafften es die Alpha-Teilchen, ungehindert durch die Folie zu kommen, immer aber wurden einzelne Teilchen abgelenkt. Also mussten sie auf etwas Festes gestoßen sein. Aufgrund dieses Effektes fand man heraus, dass es im Innern des Atoms einen Kern gibt – eben dieses Feste -, in dem sich praktisch die gesamte Materie eines Atoms (99 %) befindet und der selber zehntausendmal kleiner als das ganze Atom war. Und der ganze Rest des Atoms war also leer! Unglaublich. Außen die Elektronen, die um diesen winzigen Kern schwirrten.

Im Vergleich: Um eine Kugel von der Größe eines Fußballs kreisen in einer Entfernung von einem Kilometer die Elektronen, dazwischen Leere! Das heißt also, dass die uns bekannte Welt – egal ob Baum, Tisch, Stern oder Mensch – fast ausschließlich aus leerem Raum besteht! Wenn man aus unseren Körpern den leeren Raum eliminieren würde, hätte die ganze Menschheit in einem Kubus in der Größe eines Zuckerwürfels Platz.

Weiter wurde nach und nach herausgefunden, dass

 Der Atomkern (in seiner einfachsten Ausführung) aus einem positiv geladenen Proton und einem elektrisch neutralen Neutron besteht

 Das Elektron eine negative Ladung aufweist, die gleich stark wie jene des positiv geladenen Protons ist

 Die Elemente sich dadurch unterscheiden, dass sie eine unterschiedliche Zahl von Protonen, Neutronen und Elektronen besitzen, also eine unterschiedliche Kombination der Grundbausteine aufweisen.

 Die Elektronen in festen Bahnen resp. Energie-Niveaus um den Kern kreisen. Es gibt mehrere solcher Energie-Niveaus. Nur diese sind erlaubt; der Übergang von einem Niveau zu einem anderen verläuft ohne Zwischenstufen, die eben nicht erlaubt sind. Dieser Übergang – wieder etwas Seltsames – erfolgt „instantan“, also nicht einmal mit Lichtgeschwindigkeit, die ein sanftes Hinstreben mit Zwischenstufen erlauben würde.

 Führt man einem Elektron Energie zu, begibt es sich sofort auf ein höheres Niveau; gibt es Energie ab, sinkt es auf ein tieferes Niveau. Energie abgeben, heißt auch: Strahlung abgeben. So entstehen die Röntgenstrahlung und auch die radioaktive Strahlung.

Bis etwa 1932 mussten sich die Physiker mit diesen drei sogenannten „Elementarteilchen“ – Proton, Neutron und Elektron – zufrieden geben, wozu als viertes meist noch die Photonen, die Träger des Lichtes, dazu gezählt wurden. Dann aber explodierte die Zahl der Elementarteilchen, als es gelang, mit Teilchenbeschleunigern und ihren hohen Energien das Atom weiter zu zerteilen, ja geradezu zu zertrümmern. Als Folge kennt man heute einige Hundert solcher Teilchen mit zum Teil bizarren Eigenschaften. Hier nur einige Beispiele:

So gibt es zu jedem Teilchen auch ein Anti-Teilchen, also zum Beispiel ein positiv geladenes „Elektron“, das man „Positron“ nennt. Sobald ein Anti-Teilchen auf ein Teilchen der „echten Welt“ trifft, vernichten sie sich gegenseitig und setzen Energie frei.

Dann gibt es das „Neutrino“, das, weil es keine Masse besitzt, alles durchdringen kann; die Sonne, die Erde und unsern Körper. Jede Sekunde werden wir von einem Schauer von Milliarden von Neutrinos durchdrungen – schadlos. Wir spüren nichts, weil das Neutrino mit keinem anderen Teilchen eine sogenannte „Wechselwirkung“ eingeht, also stur „ledig“ bleibt.

Da alle subatomaren Teilchen nur bestimmte Energiewerte annehmen können, also gequantelt sind, spricht man von Quanten. Ihr Verhalten wird mit der „Quantentheorie“ einzufangen versucht. Und dieses Verhalten bringt neue Seltsamkeiten mit sich: Die Partikel können sowohl Teilchen als auch Welle sein, was man als „Welle-Teilchen-Dualismus“ bezeichnet. Das ist nun allerdings wiederum etwas, das mit unserer Vorstellung nicht mehr vereinbar ist. Wir können uns ein Teilchen vorstellen, auch eine Welle, aber etwas, das praktisch gleichzeitig beides sein soll, unmöglich! Und dennoch ist es Realität, eine Realität, von der wir täglich Nutzen ziehen. Denken wir nur an technische Produkte, die wir ständig nutzen. Radiowellen, die sich im Raum so ausbreiten, dass wir je nach Frequenz hunderte von Radio- und Fernseh-Übertragungen empfangen können; oder das kabellose Telefon, das Handy, mit dem wir Töne und gar Bilder übertragen können; oder an das GPS, das uns an ein Ziel lotst.

Eng mit dem „Welle-Teilchen-Dualismus“ verbunden ist die vom Physiker Heisenberg stammende „Unschärferelation“. Konkret heißt das, dass wir den genauen Aufenthaltsort eines Elektrons (als Beispiel für alle anderen Partikel, die sich genauso verhalten) zu einem bestimmten Zeitpunkt nie feststellen können. Also muss die oben geschilderte Vorstellung von festen Bahnen, auf denen die Elektronen um den Atomkern kreisen aufgegeben werden. Man kann gemäß den Regeln der Quantenmechanik nur noch eine Wahrscheinlichkeit berechnen, wo sich ein Elektron befindet. Die „Bahn“ des Elektrons verschmiert sich im Raum, sagt man.

Analog verhält es sich, wenn versucht wird, die Geschwindigkeit (resp. den Impuls) eines Partikels zu messen. Auch da verliert sich die Genauigkeit im Nebel der Wahrscheinlichkeit. Und wenn eine Momentaufnahme des Ortes oder der Geschwindigkeit gemacht wird, ist es völlig unmöglich vorauszusagen, wie sich die Situation im nächsten Moment verhält.

Ungemütlich für alle, denen die Gesetze der Mechanik, wie sie Newton postuliert hat, vertraut sind. Die Bahn eines Tennisballs lässt sich genau berechnen, in den Dimensionen der Quanten ist das nicht mehr möglich. Beim Tennisball kann ich mit den Grundparametern Geschwindigkeit und Winkel des Abschlages ausrechnen, wo er sich zu jeder Zeit befindet. Ein Quant irrlichtert irgendwo herum, nicht fassbar mit Gleichungen der Mechanik. Etwas anders ausgedrückt: Wenn ein Partikel sich als Welle manifestiert, dann bewegt sich diese Welle mit Wellenbergen und Wellentälern mit einer bestimmten Geschwindigkeit in eine gemeinsame Richtung, wie wir das von Wasserwellen kennen. Wo aber ist nun das Teilchen? Was wir messen können, ist die Geschwindigkeit, nicht aber den Ort des Teilchens!

Gegen diese Welt der Wahrscheinlichkeiten wehrte sich Albert Einstein zeit seines Lebens. Mit zahlreichen Überlegungen suchte er, die Quantenphysik ad absurdum zu führen – erfolglos. Seine Überzeugung kulminiert in der berühmten Aussage: „Mein innere Stimme sagt mir, dass das noch nicht der wahre Jakob ist. Die Theorie liefert viel, aber dem Geheimnis des Alten bringt sie uns kaum näher. Gott würfelt nicht.“

Für ihn war klar, dass es noch eine Ebene geben musste, die es noch zu entdecken galt und in der Ursache und Wirkung wieder so funktionierten wie in der Makrowelt.

Weitere Phänomene strapazierten den sogenannten „gesunden“ Menschenverstand: Zum Beispiel die zeitverzugslose Fernwirkung von zwei weit voneinander befindlichen Partikeln. Völlig unerklärlich ist auch die Entdeckung, dass quasi aus dem Nichts Teilchen auftauchen und wieder verschwinden. Darauf muss ich später noch zurückkommen, da sie Anlass für einige Physiker ist, eine übernatürliche Schöpfung auszuschließen.

Physiker sind immer noch daran, die Unbestimmtheit des Mikrokosmos mit der Berechenbarkeit resp. der Verlässlichkeit des uns vertrauten Makrokosmos zu vereinen. Denn es kann ja nicht sein, dass was im Kleinsten geschieht, nicht auch mit der uns vertrauten Welt zu tun hat. Aber wo sind die Zusammenhänge und wo sind die Übergänge? Allgemein anerkannte Antworten auf diese Fragen gibt es immer noch nicht. Das weist auf eine besondere Geschichte der Naturwissenschaft, insbesondere der Physik hin.

Ursprünglich gelang es, aus Beobachtungen Gesetze abzuleiten, nach denen sich die Naturerscheinungen verhielten. Alsdann suchte man überall in der Natur gezielt nach weiteren Gesetzen. Die Erfolge verleiteten zu der Überzeugung, dass alles in der Natur durch Gesetze bestimmbar, determiniert sei. Für jede Wirkung gab es eine Ursache.

Doch nun kam mit dem Studium des Atoms und seiner Bestandteile Zufall und Chaos hinein, denen man nur noch mit Wahrscheinlichkeitsrechnungen zu Leibe rücken konnte. Die Physik musste nach diesen Erschütterungen erst wieder Tritt fassen.

Vor allem der Zufall wirkte verstörend. Es war ja nicht jener Zufall, der aufgeschlüsselt werden kann, wenn alle Rahmenbedingungen bekannt sind. Wenn sich zwei Menschen anscheinend zufällig begegnen, dann können die Gründe, warum sie sich zur gleichen Zeit am gleichen Ort befinden, herausgefunden, zurückverfolgt werden. Der quantenmechanische Zufall ist anders; er kann aus nichts abgeleitet werden. Bei ihm ist die Verbindung von Ursache und Wirkung aufgehoben. Er ist die totale Antithese des Determinismus.

Ein ganzes Bündel von Fragen wirft die Tatsache auf, dass jeder Versuch einer Messung auf der Quantenebene einen Eingriff durch die Messvorrichtung bedeutet. Anders ausgedrückt: Jede Beobachtung eines Quants hängt vom Beobachter ab. Somit zeigt sich ihm nie der unbeeinflusste, objektive Zustand. Nicht nur das: Man könnte sogar sagen, dass die Realität der Welt vom Bewusstseinszustand eines Beobachters abhängig ist. Einstein bemerkte einmal scherzhaft: „Wo ist der Mond, wenn wir nicht hinschauen?“

Nehmen wir also nicht die objektive Realität der Welt wahr? Ist unsere Vorstellung nur eine Projektion unserer Wahrnehmung? Gibt es von da eine Verbindung der Realität der Welt zu unserem Geist? Wird die Realität überhaupt erst durch unsere Wahrnehmung geschaffen? In welcher Beziehung stehen Geist und Bewusstsein zur Materie? Gibt es hier einen Weg zu Transzendenz?

Die Quantenphysik und die damit einhergehende Verunsicherung in bisherigen Weltkonstrukten hat dazu geführt, dass Physiker zu Philosophen wurden, die sich mit letzten Fragen der menschlichen Existenz in einer Welt beschäftigten, von der man nicht weiß, was an ihr real ist. Überraschenderweise kommt es bei diesen Fragen auch zu einer Begegnung von Quantenphysikern mit dem Buddhismus. In der Quantenphysik tauchte ja das Problem des Zufalls und – noch schlimmer – des Aufbrechens von Ursache und Wirkung auf.

Die sogenannte „Kopenhagener Deutung“ (Kopenhagen weil einer der größten Quantenphysiker, Nils Bohr, dort lebte und wirkte) besagt, dass die Gleichungen der Quantenmechanik die physikalische Welt insofern vollständig beschreiben, als wir über deren Realität nicht mehr wissen können. Wenn die Quantenphysik demnach von Unbestimmtheit, von Zufall und Wahrscheinlichkeit geprägt sei, dann entspreche das eben der Wirklichkeit und es gäbe nichts anderes dahinter.

Einige buddhistische Philosophen (auch der Dalai Lama) vertreten – wie Einstein – ein anderes Konzept. Unbestimmt und von Zufall durchsetzt sei die Quantenphysik überhaupt nicht, denn es gebe noch eine verborgene Wirklichkeit, die noch zu entdecken sei und die alle Wirkungen wieder auf eine Ursache zurückführten, die Welt also wieder zur Bestimmbarkeit, also zum Determinismus zurückführe. Es brauche dazu nur die geeignete Erleuchtung.

Ich bitte um Nachsicht, wenn ich dieses Thema nicht weiter ausführe. Ein Theologe schrieb, dass es ohnehin nur ganz wenige Menschen gebe, die sowohl den Buddhismus wie auch die Quantenphysik gründlich verstünden. Zu diesen Menschen gehöre ich nicht.

Konklusion: Auf der Quantenebene verschwimmt uns die Gewissheit und die Sicherheit, die uns von jener Welt bekannt ist, in der wir leben. Die Welt ist anders, als wir meinten, verfügt über Dimensionen, die uns irgendwie ratlos lassen. Sie verfügt über Eigenschaften, die wir nicht begreifen können, die unser Vorstellungsvermögen in die Ecke stellen. Man fühlt sich irgendwie blind und hilflos, jedenfalls vorsichtig, wenn man darin Orientierung über den Standort des Menschen finden will.

Wie aber komme ich mit einem Glauben an einen Schöpfergott zurecht, wenn mich die Welt im Kleinsten derart unsicher macht? Ich sehe keine andere Lösung, als von jener Welt auszugehen, in der wir Menschen leben, die wir wahrnehmen – also der Makrowelt. Auch wenn ich nach den Erkenntnissen der Atomphysik zu weit über 90 % aus leerem Raum bestehe, auch mein Hirn. Aber das ist bei Physikern, Theologen und Philosophen nicht anders. Irgendwie tröstlich.

Dennoch: Auch die Mikrowelt ist Teil der Schöpfung. Sollte es aus dem Studium der erfahrbaren Realität Hinweise auf einen Schöpfer geben, dann dürfte die Beschaffenheit der Mikrowelt daran auch ihren Anteil haben. Darauf ist zurückzukommen.