Читать книгу Das Modell des Konsequenten Humanismus - Hans Widmer - Страница 8
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Elementarteilchen:
Wirbel und Resonanzen im Kleinsten
Trägheit und Gravitation sind Äußerungen von Masse weitab von deren inneren Struktur; das Vordringen physikalischer Experimente in diese zu Beginn des 20.Jahrhunderts brachte Eigenschaften von Materie an die Oberfläche, die die damalige Wissenschaft aus den Angeln hob.
Induktive Physik: von Quanten-Phänomenen überrascht
Mit Begriffen und Erfahrungen des Alltags ließen sich diese Eigenschaften nicht mehr erklären; statt der erwarteten, bloß immer kleineren Materiekügelchen, die sich wie große verhalten, stellte sich Materie als nicht eingrenzbar heraus. Experimente zeigten:
–es gibt im Kleinsten keinen Stillstand, sondern permanente Bewegung;
–Teilchen werden gestreut wie Lichtwellen;
–ungeachtet der Masse eines sich drehenden Teilchens hat sein Drehimpuls stets den universell gleichen Wert oder ein Vielfaches davon;
–Teilchen überwinden Energiehürden, obwohl sie dazu zu wenig Energie haben;
–für Wechselwirkungen gibt es nur Wahrscheinlichkeiten, keine Vorhersagen;
–Strahlung kann nur bestimmte Frequenzen haben.
Ein unerklärbares Verhalten zeigten Atome:
–die Kerne bersten trotz der sich gegenseitig elektrisch abstoßenden Protonen nicht auseinander;
–die Elektronen e- halten sich nur in ganz bestimmten Abständen vom Kern auf;
–Atome ziehen einander an und gehen Verbindungen zu Molekülen ein, obwohl sie elektrisch neutral sind (gleiche Anzahl Elektronen wie Protonen);
–Protonen p+ und Neutronen no können in »angeregte Energiezustände« gebracht werden; was bedeutet, dass sie selbst eine innere Dynamik haben, insbesondere zusammengesetzt sein müssen.
Helium-Atom*
Die große Theorie der Physik, die diese Phänomene mathematisch erfasst, heißt Quantenmechanik (QM) und besteht aus:
–Wirkungsquantum ħ, Planck 1900 für die bestimmten (»diskreten«) Energien;
–de-Broglie-Einstein-Relationen für den Zusammenhang von Energie und Frequenz, Einstein 1905 für Photonen, de Broglie 1924 für Elektronen;
Max Planck, 1858–1947; Louis de Broglie, 1892–1987; Erwin Schrödinger, 1887–1961; Werner Heisenberg, 1901–1976
–Schrödinger-Gleichung 1926 für die Berechnung aller Wahrscheinlichkeiten und Zustände;
–Unschärferelation, Heisenberg 1927 für die Unmöglichkeit, Ort und Impuls eines Teilchens zugleich zu kennen.
Aus der Erkenntnis, dass sich Ereignisse in atomaren Dimensionen nur mit Wahrscheinlichkeiten voraussagen lassen, konzentrierten sich die Pioniere der QM auf deren Berechnung und erklärten die entsprechenden Formeln zu fundamentalen Naturgesetzen. Skeptiker wie Einstein – »Gott würfelt nicht« – belehrten sie dahingehend, die Vorgänge seien eben objektiv unbestimmt.
Quantenmechanik in diesem Geist
–ordnet jeder Masse eine Welle mit Frequenz und Wellenlänge zu (abhängig von Geschwindigkeit nach de Broglie-Einstein);
–deutet die Intensität der Welle als Wahrscheinlichkeit für den Aufenthalt der Masse;
–berechnet stabile Zustände mit der »black box« der Schrödinger-Gleichung – jedoch höchst genau: auf eine Haaresbreite im Verhältnis zur Strecke New York–Los Angeles;
–hält das Standardmodell der Elementarteilchen-Physik zusammen;
–kann jedoch keines ihrer Axiome und Gesetze herleiten.
Richard Feynman,
1918–1988
Richard Feynman, einer der Begründer der Elementarteilchen-Physik, schrieb: »Weil das Verhalten der Atome so ganz außerhalb unserer normalen Erfahrung liegt, ist es sehr schwierig, sich daran zu gewöhnen, und es erscheint [selbst] … dem erfahrenen Physiker seltsam und geheimnisvoll … Wir können das Geheimnis nicht erklären … nur berichten, wie es funktioniert.«
Deduktive Physik: Quanten-Phänomene unausweichlich
Weil die Massendynamik strahlt (Wellen aussendet), kommt es in atomaren Abständen zu Überlagerungen von Wellen und dadurch zu Interferenzwellen. Diese entsprechen den statistischen Wellen der QM. Sie werden durch das Kontinuum übertragen wie Schallwellen durch Luft (Wellenberg gleich Überdruck, Wellental gleich Unterdruck gegenüber Ruhe).
Das Verständnis elementaren Verhaltens von Wellen öffnet den Zugang zu allen Quantenphänomenen. Diese haben nichts mit der Idee von »atomos« (unteilbar) zu tun, sondern allein mit der Interferenz von Strahlungen. Den augenfälligsten Interferenzen begegnet man im Alltag bei Musikinstrumenten, beispielsweise der Orgelpfeife: Eine Schallwelle will aus der Pfeife austreten und wird zurückgeworfen. Da Unordnung in der Pfeife mehr Energie bräuchte als Ordnung, schwingen die eingehende und die ausgehende Welle synchron, auf gleiche Wellenlänge und darauf ein, dass ihre Knoten an derselben Stelle liegen. Ergebnis ist eine Stehende Welle: Die Welle muss in die Pfeife passen* – und dies ist schon der Quanteneffekt!
Eine Welle kann mathematisch durch eine Sinusfunktion dargestellt werden. Zur Berechnung der Überlagerung zweier solcher Wellen braucht es eine einfache trigonometrische Relation2, die ergibt, dass sich zwei Wellen zu einer einzigen addieren, die das Produkt eines Sinus mal eines Kosinus ist. Dabei ist der Sinus eine Umhüllende (keine Zeitabhängigkeit): der abstrakte Rahmen für den Kosinus, der darin real in der Zeit schwingt.
Wenn, anders als in der Orgelpfeife, zwei interferierende Wellen unterschiedlich ausgebildet sind, bleibt die Interferenzwelle nicht stehen. Hat das umhüllte Wellen-Paket eine Geschwindigkeit v, ergibt einfache Mathematik, dass die Umhüllende nur mit v/2 läuft. 3
Allein aus diesem Tatbestand leiten sich fundamentale Gesetze der QM ab:
–die de-Broglie-Einstein-Relationen;4
–die Ruhfrequenz5 einer Masse (Dirac 1928);
–die Unbestimmtheit.6
Weiter erklären sich
–Wirkungsquantum7, Wasserstoffatom8 und Harmonischer Oszillator9 aus Resonanz von mechanischer und quantenmechanischer Frequenz (analog der Resonanz eines schlecht ausgewuchteten Rades, wenn seine Umlauffrequenz und die Eigenfrequenz der Radaufhängung gleich sind);
–die Nullpunktsbewegung aus der Umwandlung in kinetische Energie von Strahlungsenergie, die durch Interferenz gelöscht wird;10
–die Schrödinger-Gleichung aus der Superposition der Lorentz-Kontraktionen aus Relativgeschwindigkeit und Potentialfeld;11
–die Dirac-Gleichung aus Ruhfrequenz, Energie- sowie Spinerhaltung auf jeder Raumachse;12
–Kernkräfte aus der Auslöschung von Feldenergie durch Interferenz von Teilchen in Abständen von Wellenlängen;13
–die Quantenverschränkung (Einstein: »spukhafte Fernwirkung«) dadurch, dass alles mit allem über das Kontinuum verbunden ist.14
Paul Dirac,
1902-1984
Quantenphänomene erscheinen nur rätselhaft, wenn Alltagserwartungen auf die Oberfläche atomarer Vorgänge projiziert werden. In Unbestimmtheit etwa hat die Philosophie geradezu Abenteuerliches gelegt – bis hin zum Freien Willen – und die von der Relativitätstheorie herrührende Verunsicherung potenziert. Auch ist der geheimnisvolle Begriff »Dualismus« Welle/Partikel unnötig: Das Teilchen wechselwirkt wohl, als ob es eine Welle wäre, aber es bleibt stets das Teilchen, das es in Ruhe ist – wie das Boot, das Wellen verursacht, und doch stets das Boot bleibt.
Wohlverstanden: Quantenmechanik ist eine unermessliche Schöpfung; nur weil sie vorliegt, ist deduktive Physik möglich.15
Dynamik von Elementarteilchen
Elementarteilchen
Elementarteilchen bilden die innere Dynamik davon, was nach außen als Masse mit Trägheit und Gravitation, allenfalls Ladung erscheint. Induktive Elementarteilchen-Physik kann den Zusammenhang zwischen dem Innern und dem Äußeren nicht herstellen. Die deduktive Physik sucht jedoch in den Elementarteilchen keinen Proton-Bonsai, der schon Trägheit, Gravitation, Spin, Ladung etc. mitbringt, sondern die Dynamik, die diese Phänomene erzeugt. In der Graphik ist die gesuchte Dynamik durch drei Punkte symbolisiert, die sich als Wirbel im Kontinuum herausstellen und den Quarks im Standardmodell entsprechen.
Wenn Kontinuum konzentrisch auf einen Punkt zuströmt, resultiert ein Schwarzes Loch (die Erde hätte, zu einem Schwarzen Loch verdichtet, die Größe einer Kirsche). Elementarteilchen sind jedoch keine Schwarzen Löcher: Kontinuum strömt bei Elementarteilchen nicht radial, sondern tangential zu und bildet so einen Wirbel. Die Rotationsfrequenz und die quantenmechanische Frequenz treten in Resonanz, was zu einem Drehimpuls von ħ führt, der den Radius eines Nukleons wie dem Proton bestimmt.16 Das Verhältnis des Wirbelradius des Protons zum Radius, den es als Schwarzes Loch hätte, ist 1038*: Es liegen demnach, bei gleicher Zustrommenge, radikal andere Gebilde vor.
Strukturen
Im mit einem Kontinuum der Eigenschaften c, G, ħ angefüllten Raum organisieren sich Elementarteilchen selbst:
–es bilden sich Wirbel analog einem Hurrikan (der aus Luft und Regen besteht, aber nicht Luft und Regen ist, sondern Dynamik davon; Wirbel entsprechen den Bausteinen der Elementarteilchen-Physik: den Quarks);
–die Durchmesser der Wirbel werden durch Resonanzen bestimmt;
–die Wirbel strahlen ab, was ihnen zuströmt (analog »Massendynamik«): Zwischen den Strahlungen gibt es Interferenzen und Resonanzen wie in der Orgelpfeife; deren diskrete Töne entsprechen bei Elementarteilchen bestimmten Frequenzen und damit bestimmten Energien.
Die Wirbel sind einzeln nicht lebensfähig (es wurde noch kein Quark isoliert), sie ziehen einander durch Interferenzen an (Auslöschen von Feldenergie), sie bilden zu zweit die höchst kurzlebigen Mesonen, sie stehen zu dritt senkrecht zueinander (Energieminimierung) und bilden Baryonen sowie Leptonen, darunter das stabile Proton, das stabile Elektron und das relativ stabile Neutron.
Erhaltungsgrößen17
Drei orthogonale Wirbel
Physik gründet auf Erhaltungsgrößen wie Energie, Impuls, Ladung, die in einem Vorgang erhalten bleiben und mit denen gerechnet werden kann. Elementarteilchen-Physik hat zusätzliche Erhaltungsgrößen eingeführt: Quantenzahlen. Sie ordnet jedem Teilchen von vornherein einen Satz von Quantenzahlen zu, die bei jedem Teilchenzerfall und bei jeder -kollision erhalten bleiben. Analog: Eine Anzahl Herren (Teilchen), einige mit Melone, andere mit Schirm oder Mappe oder beidem (Quantenzahlen), tritt in ein Sitzungszimmer ein und kommt nach der Sitzung (Teilchenkollision) wieder heraus – sämtliche Melonen, Schirme, Mappen sind jedoch anders auf die Herren verteilt.
Die deduktive Physik führt diese Quantenzahlen auf die Erhaltung von Wirbeln und deren Strukturen zurück. Weil
–die Wirbel Produkte von Resonanz und Energieminimierung sind, bleiben sie in allen Prozessen bestehen. Sie bilden das Fundament aller Permanenz von Materie;
–Wirbel nur in Strukturen zu dritt bestehen können, bleibt auch die Topologie erhalten, was insbesondere bedeutet, dass die Wirbel auf jeder der drei Achsen erhalten bleiben, (dafür hat das Standardmodell das Gesetz erfunden, die ein Teilchen bildenden Quarks müssten drei verschiedene »Farben« tragen, die erhalten bleiben);
–die Strukturen, die elektrische Felder hervorbringen, erhalten bleiben, bleiben auch Ladungen erhalten.
In der deduktiven Physik entspricht die Vielzahl von Teilchen, die bei Hochenergie-Kollisionen in Beschleunigern wie dem LHC in Genf auftreten, einer morphologisch begrenzten Anzahl von Kombinationen einzelner Strukturmöglichkeiten (ähnlich der Einordnung der Elemente in das Periodische System).
Elektrizität/Ladung
»Ladung« ist eine Unterstellung: Was erfahren wird, ist allein das elektrische Kraft-Feld. Diesem ordnete die Physik eine Ursache zu – analog der Zuordnung Masse/Gravitationsfeld. In der deduktiven Physik hingegen wird Ladung durch die Massendynamik hervorgebracht und ist nicht schon im Quark als rätselhafte Drittel- oder Zweidrittelladung18 angelegt. Es gibt ja keine Ladungen ohne Masse als Trägerin.
Das elektrische Feld besteht aus Hohlwirbeln, deren Drehimpuls den elementaren Wert ħ hat, die von einer Masse abgestrahlt werden19 (induktive Physik: »virtuelle Photonen«). Elektrizität ist ein Resonanz-, also ein quantenmechanisches Phänomen, keine weitere Größe aus dem Nichts.
Begegnen sich zwei Strahlungen frontal, so annihilieren sie einander, wenn sie gegenläufig drehen, was den Effekt der Anziehung analog jener von Quelle und Senke hat. Drehen sie im gleichen Sinn, so verdrängen sie einander mit dem Effekt der Abstoßung.
Die Maxwell-Gleichungen von 1864 beschreiben im Grunde die Mengen- und die Bewegungs-Buchhaltung der virtuellen Photonen, und die deduktive Physik kann sie herleiten. Wird die eine in die andere eingesetzt, resultiert die Wellengleichung für die Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung (Licht). Magnetismus resultiert aus Wirkungsverzögerung des elektrischen Feldes und ist folglich ein relativistisches Phänomen. Das Verhältnis der Ruhenergie einer Masse mc2 zur Feldenergie von deren Ladung entspricht der Feinstruktur-Konstante α = 1/13720, was den rein geometrischen Zusammenhang zwischen elektrischem Feld und Massendynamik deutlich macht.
Elektrische Kräfte
Moleküle
James Clerk Maxwell,
1831–1879
Moleküle bringen zusätzliche Komplexität: Nun »wollen« Atome zusammenkommen und nähern sich wunderlicherweise doch bloß bis zu einem gewissen Abstand. Die Protonen und die Elektronen stoßen einander ab und ziehen einander übers Kreuz an. Hinzu kommt die »Zentrifugalkraft« der Elektronen, die von ihren (Kreis-) Bewegungen herrührt, die sich überdies gegenseitig elektromagnetisch beeinflussen. Man kann die Verhältnisse nicht genau berechnen und behilft sich mit der Annäherung durch Berechenbares. Hingegen kann man präzis messen: die Bindungsenergie ist etwa ein Drittel4.5 eV der Bindungsenergie eines Elektrons an das Proton beim einzelnen Wasserstoffatom. Die Größenordnung ist plausibel, wenn man die Abstände bedenkt: Zwischen den beiden Protonen liegen zwei Bohrradien plus 1%, also zweimal der Abstand zum Proton, in dem sich das einzelne Elektron aufhält.
Niels Bohr,
1885–1962
Molekulare Strukturen. Die Atome in H2O zum Beispiel bilden einen Winkel von 105 Grad, und dieser Winkel hat eine Lage im Raum definiert also eine Ebene. Im Beispiel von Methan, CH4, schmiegen sich die vier Wasserstoffatome in einem vollkommenen Tetraeder um das Kohlenstoffatom. Kristalle bilden ebenfalls Strukturen, und was über Moleküle gesagt wird, gilt ebenso für diese. Bindungsenergien sind von Molekül zu Molekül verschieden; in der belebten Natur sind jene mit den niedrigsten Bindungsenergien vorzufinden. Molekulare Strukturen bilden auch die Grundlage aller Information, also von Leben und schließlich Geist.
Energie und Geist
Von der »rohen« Ruhenergie einer Masse zur Bindungsenergie eines Atomkerns geht es um einen Faktor hundert hinunter; von da zur Bindungsenergie eines Elektrons an sein Proton im Wasserstoffatom um eine Million Mal; von da zu jener der Wasserstoffbrücke um einen weiteren Faktor hundert. Wasserstoffbrücken bestimmen die Strukturen von DNA und RNA mit und repräsentieren damit eine »Vorstufe« zu Geist.
»Materie hat fast keine Struktur – Geist hat fast keine Energie.«
Größenordnungen
Der Mensch zwischen Planck-Länge und Ereignishorizont
Aus den Fundamentalkonstanten c, G und ħ allein gehen weder der Radius eines Protons noch des Universums (»Ereignishorizont«) hervor. Beides muss gemessen werden. Die String-Theorie baut auf einer noch kleineren Größe auf: der »Planck-Länge«, deren Formel alle Fundamentalkonstanten enthält und als »kleinste sinnvolle Länge« betrachtet wird.21
Alle Größen sind relativ, nur Verhältnisse sind absolut. Logarithmisch aufgetragene Verhältnisse, mit dem Menschen als Referenzgröße, zeigen diesen ungefähr in der Mitte zwischen wahrnehmbar Kleinstem und Größtem. Ebenso sind Raum und Zeit nur als Verhältnisse absolut: als Lichtgeschwindigkeit – was beides daran erinnert, dass Abbildungen grundsätzlich nur Relationen dazustellen vermögen.
Planck-Länge wie Ereignishorizont sind durch die Lichtgeschwindigkeit bestimmt, in beiden Fällen kann wegen der Strömung des Kontinuums ins leere Universum, bzw. ins Schwarze Loch, kein Licht mehr zum Beobachter dringen.
Mensch zwischen Größtem und Kleinstem
Fundament für das Verständnis von allem
Was sich als Materie manifestiert, beruht auf Rotation von Kontinuum in Resonanz; das Unbegreifliche reduziert sich auf die zwei Vorstellunge von leerem Raum und spezifischem Kontinuum – und bleibt fundamental unbegreiflich. Der Rest ist Deduktion – doch was wissen wir, wenn wir alles abgeleitet haben? Wir wissen, dass
es ohne jeden Sinn ist, verstehen zu wollen:
–was Raum, Zeit, Kontinuum »an sich« sind,
–warum es überhaupt etwas gibt und nicht nichts,
–zu welchem Zweck es alles gibt;
vollständig einzusehen ist, wie sich alles verhält:
–Ungleichgewichte im Kontinuum stehen am Anfang von allem und führen zu Dynamiken,
–Wechselwirkungen der Dynamiken bringen Strukturen hervor,
–Menschen nehmen Strukturen in der Form von Materie wahr und nicht als Kontinuum an sich,
–das Universum ist eine Dynamik desselben Kontinuums,
–alle Strukturen einschließlich des Universums haben Anfang und Ende – während Raum, Zeit und Kontinuum als Werkzeuge der Vorstellung permanent sind;
es ein Fundament für das Verständnis von allem gibt, was Menschen wirklich bewegt – unerschütterlich, klar, rein, frei von aller Spekulation, denn
–Strukturen sind die Basis von Leben,
–Leben steigert sich über biologische Datenverarbeitung zu Bewusstsein,
–bewusste Wesen bringen kollektiv die Kultur hervor, die die Individuen prägt, und in der sich diese entfalten.
