Neue Fortschritte der Naturwissenschaft

Einstein und die moderne Physik

Im 20. Jahrhundert erlebte die wissenschaftliche Gemeinschaft tiefgreifende Veränderungen. Die Zahl der aktiven Forscher nahm erheblich zu, und das Spektrum der behandelten Themen und Forschungsrichtungen wurde deutlich erweitert. Diese Expansion erfasste sämtliche Forschungsbereiche, besonders jedoch die Naturwissenschaften und deren technische Anwendungen. Sowohl zivile als auch militärische Industriezweige wurden zunehmend vom Entwicklungsstand naturwissenschaftlicher Forschung abhängig.

Wir bieten hier einen kurzen Überblick über die Entwicklung der modernen Physik und richten unser Augenmerk besonders auf jene Aspekte, die neue philosophische Fragestellungen hervorgebracht haben.

Ausgangspunkt ist die galileisch-newtonsche Physik. Sie bildete die Grundlage eines mechanistischen Weltbildes, das davon ausging, dass alle Naturphänomene strengen Kausalzusammenhängen unterliegen. Dieses Weltbild zeichnete sich zudem durch eine spezifische erkenntnistheoretische Haltung aus: Es wurde angenommen, dass das Subjekt den Gegenstand so wahrnimmt, wie er tatsächlich ist, mit seinen sogenannten primären Eigenschaften wie Gewicht, Länge oder Höhe. Sekundäre Eigenschaften hingegen wurden als subjektive Phänomene betrachtet, die im Beobachter entstehen, wenn er sinnliche Eindrücke wahrnimmt. Diese Erkenntnistheorie wird oft als “Realismus“ bezeichnet, da sie behauptet, dass wir das beobachten, was “wirklich existiert“. Sie wurde von Empiristen wie Berkeley und Hume sowie von Kant kritisiert.

Mit dem Übergang von der klassischen zur modernen Physik vollzog sich auch eine epistemologische Transformation. Früher ging man davon aus, dass der Forscher die natürlichen Prozesse so erkennt, wie sie existieren, und dass die Natur gemäß Prinzipien verstanden werden kann, die in technisch verbundenen Phänomenen wie dem Gleichgewicht von Körpern oder dem Fallen von Kugeln sichtbar werden. Nach der epistemologischen Transformation der modernen Physik erscheinen Naturereignisse als Produkt des Funktionierens unserer experimentellen und beobachtenden Geräte. Dieses Produkt ist so stark von der verwendeten Technik und dem technologischen Entwicklungsstand abhängig, dass die realistische Prämisse infrage gestellt wird. Wissenschaftler begannen systematisch, mathematische Modelle zur Interpretation von Beobachtungen einzusetzen, und einige verabschiedeten sich von der Annahme, dass das Beobachtete unabhängig von den Konzepten und Geräten existiert, die zu seiner Messung und Beobachtung verwendet werden.

Die unvermeidliche Wirkung “subjektiver“ Faktoren auf das “Objekt“ berührt auch unsere Begriffsbestimmungen. In der euklidischen Geometrie existiert zwischen zwei Punkten nur eine gerade Linie. Wird jedoch der Begriff der Geraden operationell definiert, etwa durch Messungen mit Lichtstrahlen, hängt die Definition der Geraden von den eingesetzten Operationen ab. Je nach Art der Operationen gibt es daher unterschiedliche operationelle Definitionen der Geraden. Aus operationeller Sicht können also zwischen zwei Punkten mehrere “gerade Linien“ existieren.

Ein bedeutendes Resultat dieser epistemologischen Transformation ist, dass wir als Forscher mit unseren Geräten und unseren operationellen Definitionen an der Konstitution des untersuchten Objekts beteiligt sind. In diesem Sinne hatte Kant recht! Doch die epistemologische Transformation widerspricht auch Kants Ansicht, dass die euklidische Geometrie wahr ist und die Arten der Objektkonstitution unveränderlich sind. In der modernen Physik existieren vielmehr verschiedene operationelle Ansätze, die unterschiedliche Wege zur Konstitution von Objekten eröffnen.

Wesentlich für die Entwicklung der modernen Physik waren die Forschungen zum Atom. 1911 bewies Ernest Rutherford, dass der Atomkern von Elektronen umkreist wird. Sein Schüler, der dänische Physiker Niels Bohr, entwickelte diese Modellvorstellung weiter. Gemäß Bohrs Atommodell bewegen sich Elektronen auf verschiedenen Bahnen. Sie emittieren Energie, wenn sie von einer äußeren auf eine innere Bahn wechseln, und absorbieren Energie beim entgegengesetzten Übergang. Diese Energieübertragungen erfolgen in diskreten Einheiten — den Quanten. Weitere Untersuchungen zeigten, dass Elektronen sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften besitzen. Einige Physiker erklären dies damit, dass das Objekt der Forschung durch unsere Begriffe und Methoden geformt wird. Je nach experimentellen Bedingungen erscheinen Elektronen entweder als Wellen oder als Teilchen. Laut Bohr sind diese Eigenschaften komplementär, was bedeutet, dass eine Beschreibung der Versuchsergebnisse die experimentellen Bedingungen mit einbeziehen muss.

Werner Heisenberg, der in den 1920er Jahren im Institut von Bohr arbeitete, wies auf ein weiteres epistemologisches Prinzip hin. Auf Mikroebene beeinflussen die Bedingungen von Beobachtung und Messung das untersuchte Objekt. Daher können Impuls und Ort eines Teilchens nicht gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit bestimmt werden. Diese “Unschärferelation“ und die diskreten Quantensprünge führten einige Wissenschaftler zu einer statistischen Auffassung von Kausalität, wonach Ursachen nicht für einzelne Ereignisse, sondern nur für statistisch signifikante Mengen von Ereignissen gesucht werden.

Wie die klassische Physik in ihrer Entstehungszeit zu intensiven philosophischen Diskussionen führte, so hat auch die moderne Physik weitreichende philosophische Debatten angeregt. Unter dem Einfluss der Quanten- und Relativitätstheorie entstand der logische Positivismus, die dominierende Philosophie der Wissenschaft zwischen den Weltkriegen. Viele bedeutende Naturwissenschaftler, darunter Heisenberg, Bohr und Einstein, beschäftigten sich persönlich mit den philosophischen Fragen der neuen Physik.

Die moderne Physik ist das Ergebnis internationaler Zusammenarbeit zahlreicher Forscher. Besonders hervorgehoben werden sollte jedoch Albert Einstein.

Albert Einstein (1879—1955) wurde in eine jüdische Familie in Deutschland geboren. Nach einem Aufenthalt in der Schweiz wurde er 1914 Professor und Leiter des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik in Berlin, wo er bis 1932 tätig war. Mit der Machtübernahme der Nationalsozialisten emigrierte Einstein in die Vereinigten Staaten, wo er sich an der Princeton University niederließ. Im Jahr 1905 entwickelte er die sogenannte spezielle Relativitätstheorie, 1916 folgte die allgemeine Relativitätstheorie, und 1921 wurde ihm der Nobelpreis für Physik verliehen — nicht für seine Arbeiten zur Relativitätstheorie, sondern für seine Beiträge zur Quantenmechanik.

Einstein war Pazifist und stand der Politik des deutschen Kaiserreichs während des Ersten Weltkriegs kritisch gegenüber. Er setzte sich für individuelle Freiheit und internationalen Frieden ein, insbesondere für die Ziele des Völkerbunds. Früh erkannte er die existenzielle Bedrohung des Nationalsozialismus und war der Überzeugung, dass dieser auch mit militärischen Mitteln, notfalls durch den Einsatz von Atomwaffen, aufgehalten werden müsse. Zu Beginn des Zweiten Weltkriegs gelangte er zu der Einsicht, dass die Physik in der Lage sei, atomare Waffen zu entwickeln. In einem Brief an den US-Präsidenten Franklin D. Roosevelt regte er die Erforschung solcher Waffen an. Einstein selbst war jedoch nicht an der Entwicklung der Atombombe beteiligt. Nach dem Krieg setzte er sich entschieden gegen die Weiterentwicklung und Erprobung von Kernwaffen ein und engagierte sich dafür, Physiker im Kampf gegen das nukleare Wettrüsten zu vereinen.

Einstein trug zur Gründung der Hebräischen Universität in Jerusalem bei, lehnte jedoch ein Leben dort ab. Ebenso wies er 1952 das Angebot zurück, Präsident Israels zu werden. Trotz seines jüdischen Hintergrunds und einer religiösen Prägung glaubte Einstein nicht an einen personalen Gott. Für ihn offenbarte sich das Göttliche in den Gesetzen der Physik — eine Sichtweise, die an die Philosophie Spinozas erinnert. Zeit seines Lebens beschäftigte er sich mit den philosophischen Aspekten der Physik.

Die Relativitätstheorien Einsteins bieten eine neue Deutung von Raum und Zeit. Die spezielle Relativitätstheorie beschreibt gleichförmige, geradlinige Bewegungen und zeigt auf, warum Beobachter, die sich relativ zueinander bewegen, zu denselben invarianten Formulierungen physikalischer Gesetze gelangen. Die allgemeine Relativitätstheorie erweitert dies auf beschleunigte Bewegungen und interpretiert Gravitation als Eigenschaft der vierdimensionalen Raumzeit.

Unsere Messergebnisse hängen von den verwendeten Messinstrumenten ab. Ein Maßband aus Gummi liefert beispielsweise unterschiedliche Werte, je nachdem, wie stark es gedehnt wird. Selbst ein Metallstab verändert seine Länge in Abhängigkeit von der Temperatur. Einstein führte Begriffe wie “Längenkontraktion“ und “Zeitdilatation“ ein. Ein Stab, der von einem Beobachter in Bewegung gemessen wird, erscheint kürzer als in Ruhe. Ebenso ist das Zeitintervall zwischen zwei Ereignissen kleiner, wenn es von einem ruhenden Beobachter gemessen wird, als von einem bewegten. Diese Effekte der speziellen Relativitätstheorie wurden experimentell bestätigt. So zeigt sich, dass instabile Teilchen eine längere Halbwertszeit besitzen, wenn sie sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen, als wenn sie relativ zur Erde ruhen.

Die spezielle Relativitätstheorie widerspricht dem klassischen Gesetz der Geschwindigkeitsaddition. Selbst eine unendliche Kraftanwendung kann ein Objekt nicht über die Lichtgeschwindigkeit hinaus beschleunigen, da diese als fundamentale physikalische Konstante gilt. Die Masse eines Körpers ist dabei nicht konstant, sondern wächst mit seiner Geschwindigkeit. Bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit strebt die Masse gegen unendlich, was physikalisch bedeutet, dass kein Objekt schneller als Licht sein kann.

Einige Philosophen, wie Hans Blumenberg, deuteten dies als grundlegende Grenze menschlicher Erkenntnis. Da die Dimensionen des Universums so groß sind, dass Milliarden von Lichtjahren vergehen müssten, um Antworten auf bestimmte Fragen zu erhalten, bleibt vieles für immer unerreichbar. Die menschliche Spezies wird zu diesem Zeitpunkt längst erloschen sein, wodurch solche Antworten für uns an Bedeutung verlieren.

Einstein stellte auch die Gleichung E = mc^2 auf, die die Äquivalenz von Masse und Energie ausdrückt. Lichtwellen besitzen Energie und damit eine Bewegungsmasse, die sie zu anderen Massezentren hinzieht, wodurch ihre Bahnen gekrümmt werden. Diese Krümmung des Raums, beschrieben durch eine nicht-euklidische Geometrie, führt zu neuen Definitionen von “geraden Linien“ im Raum.Die allgemeine Relativitätstheorie erklärt die Bewegung massiver Körper unter Gravitationseinfluss als geometrische Eigenschaft der Raumzeit. Sie lässt keine Unterscheidung zwischen gleichförmiger Beschleunigung und Bewegung in einem Gravitationsfeld zu. Beobachtbare Effekte, wie die Ablenkung von Sternenlicht durch die Sonne während einer Sonnenfinsternis (1919), stützen diese Theorie. Weitere Bestätigungen wurden in den 1960er Jahren erbracht.

Die moderne Physik erfordert eine enge Verzahnung von Theorie und Experiment. Großanlagen wie der Teilchenbeschleuniger im CERN sind notwendig, um Forschung auf höchstem Niveau zu betreiben. Solche Projekte erfordern immense finanzielle Mittel und die Zusammenarbeit großer Teams aus Wissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern. Technologie, Wirtschaft und Verwaltung werden so zu integralen Bestandteilen wissenschaftlicher Arbeit. Interdisziplinäre Kooperation und forschungspolitisches Management schaffen neue Herausforderungen.

Die Physik ist heute ein wesentlicher Bestandteil der modernen Gesellschaft, die zunehmend von wissenschaftlichen Konzepten, technologischen Produkten und wissenschaftsgeleiteten Lösungen durchdrungen wird. Dennoch lebt die Menschheit unter der Bedrohung durch militärische Konflikte, ökologische Krisen, soziale Ungleichheit und den Zerfall gesellschaftlicher Institutionen. Wie können wir unser Verständnis dieser Situation verbessern — theoretisch und praktisch?