Physik

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Carlo Rovelli: Sieben kurze Lektionen über Physik

Für Laien über Physik zu schreiben, ist nicht einfach. Carlo Rovelli, Professor für Theoretische Physik an der Uni Marseille, versucht sich gleich am Meisterstück: Eine Kurzeinführung in die komplexesten Themen der Physik für Menschen ohne Vorkenntnisse. Das gelingt ihm auch durchaus passabel. Gravitation, Quanten und Kosmologie sind nur drei seiner Themen. Vieles ist dem Wissenschaftsinteressierten natürlich bekannt, trotzdem sieht man neue Zusammenhänge und bekommt neue Einsichten. Über Quantengravitation etwa erfahre ich viel Neues. Rovelli stellt seine theoretischen Steckenpferde allerdings etwas irreführend so dar, als seien sie bereits physikalischer Mainstream, was allerdings gar nicht zutrifft. Auch wenn er ins Philosophische abdriftet und etwa plötzlich über Heidegger schwadroniert, schadet das dem Buch mehr als es ihm nützt. Trotzdem habe ich selten eine so konzise und gut verständliche Darstellung von Einsteins Relativitätstheorien gelesen.

Carlo Rovelli: Sieben kurze Lektionen über Physik. (Rowohlt)

Wie alles begann – Von Galaxien, Quarks und Kollisionen

Naturhistorisches Museum 2.11. 2016

Eine kleine, aber feine Ausstellung. Sie führt den Besucher nicht nur in wichtige kosmologische, astrophysikalische Themen ein, sondern auch in die Teilchenphysik. Optisch und didaktisch ist die Darstellung sehr ansprechend. Nicht nur werden beeindruckende Hubble-Aufnahmen hübsch präsentiert. Es gibt auch die Videosimulation einer „Reise“ durch das Weltall, in der man beispielsweise die Milchstraße durchquert. Auch der Urknall ist so zugänglich dargestellt, wie das für ein so komplexe Ereignis möglich ist: Man kann an der Entstehung des Universums quasi entlang entgehen. Das CERN bekommt ebenfalls eine ausführliche Station. (Bis 1.5.)

Marcus du Sautoy: What We Cannot Know

Die Lektüre des Buches lässt mich mit gemischten Eindrücken zurück, weil meine Erwartungshaltung nur teilweise getroffen wird. Ich kaufe das Buch vor allem wegen des erkenntnistheoretischen Aspekts, also die Frage nach der Möglichkeit wissenschaftlichen Wissens überhaupt. Du Sautoy begibt sich aber nur selten auf dieses Abstraktionsniveau. Stattdessen schreibt er eine – durchaus gelungene – Einführung in den aktuellen Stand der Wissenschaft. Das passt zu seiner akademischen Berufung: Er ist als Mathematiker seit 2008 in Oxford Inhaber des Lehrstuhls Public Understanding of Science und genau diese Aufgabe erfüllt er in What We Cannot Know sehr kompetent.

In sieben Edges genannten Kapiteln nähert sich du Sautoy seinem Thema. Behandelt werden alle großen Probleme der Naturwissenschaften, von mathematischen Grundsatzfragen über die Atomtheorie zur zeitgenössischen Physik. Auch die Frage nach dem Wesen des Bewusstseins fehlt ebenso wenig wie die aktuellen Diskussionen in der Kosmologie. Wissenschaftshistorische Herleitungen sind ebenfalls zu finden. Das ist alles sehr solide und kompetent geschrieben, so wie man es auch in Dutzenden anderen Sachbüchern zu lesen bekommt. Aus didaktischen Gründen geht der Autor oft von Alltagsgegenständen aus, etwa von Würfeln auf seinem Schreibtisch oder von seinem Cello, was auf mich als sehr konstruiert wirkt.

Insgesamt fehlt mir das „gewisse Etwas“, was What We Cannot Know von anderen guten Wissenschaftsbüchern unterscheiden würde.

Marcus du Sautoy: What we cannot know. Explorations at the Edge of Knowledge (4th Estate)

Die Physik und die Zeit

Seit Jahrtausenden denken Philosophen über das Wesen der Zeit nach und auch für die moderne Physik ist sie natürlich ein wichtiges Konzept. Deshalb ist es erwähnenswert, wenn mit Lee Smolin einer der klügeren theoretischen Physiker einen Paradigmenwechsel vorschlägt. In seinem neuem Buch Time Reborn: From the Crisis in Physics to the Future of the Universe plädiert er, anders als Einstein, dafür die Zeit als ontologisch realen Gegenstand zu verstehen.

James Gleick schreibt in seiner umfangreichen Rezension Time Regained! in der New York Review of Books darüber:

His argument from science and history is as provocative, original, and unsettling as any I’ve read in years. It turns upside-down the now standard view of Wells, Minkowski, and Einstein. It contravenes our intellectual inheritance from Newton and, for that matter, Plato, and it will ring false to many of Smolin’s contemporaries in theoretical physics.

[…]

For Smolin, the key to salvaging time turns out to be eliminating space. Whereas time is a fundamental property of nature, space, he believes, is an emergent property. It is like temperature: apparent, measurable, but actually a consequence of something deeper and invisible—in the case of temperature, the microscopic motion of ensembles of molecules. Temperature is an average of their energy. It is always an approximation, and therefore, in a way, an illusion. So it is with space for Smolin: “Space, at the quantum-mechanical level, is not fundamental at all but emergent from a deeper order”—an order, as we will see, of connections, relationships. He also believes that quantum mechanics itself, with all its puzzles and paradoxes (“cats that are both alive and dead, an infinitude of simultaneously existing universes”), will turn out to be an approximation of a deeper theory.

For space, the deeper reality is a network of relationships. Things are related to other things; they are connected, and it is the relationships that define space rather than the other way around. This is a venerable notion: Smolin traces the idea of a relational world back to Newton’s great rival, Gottfried Wilhelm Leibniz: “Space is nothing else, but That Order or Relation; and is nothing at all without Bodies, but the Possibility of placing them.” Nothing useful came of that, while Newton’s contrary view—that space exists independently of the objects it contains—made a revolution in the ability of science to predict and control the world. But the relational theory has some enduring appeal; some scientists and philosophers such as Smolin have been trying to revive it.

David Deutsch: The Beginning of Infinity

Boshaft gesagt, gibt es derzeit zwei grundsätzliche Arten des professionellen Philosophierens. Eine gibt sich damit zufrieden, originell klingende und schwer zu verstehende Texte zu produzieren. Laien sind damit leicht zu beeindrucken, wird doch in unseren Breiten immer noch gerne sprachliche Dunkelheit mit philosophischem Tiefsinn verwechselt. Mit dieser „postmodernen“ Art des Philosophierens (die Markennamen für diese Verbaldampf-Produktion werden alle paar Jahre ausgewechselt), setzte ich mich bereits vor über 10 Jahren in meinem Postmoderne-Essay auseinander.
Die andere Art, Philosophie zu betreiben, ist mehr an den Naturwissenschaften orientiert und steht (im weitesten Sinn) in der Tradition der analytischen Philosophie, die sich unter anderem zum Ziel setzte, eine klare Fachsprache zu entwickeln. Kognitions- und Neurophilosophie wären aktuelle Beispiele.

David Deutsch ist Quantenphysiker an der Oxford University und wurde mit seinem Buch The Fabric of Reality einem breiteren Publikum bekannt. Bescheidenheit ist seine Sache nicht, legt er in seinem Buch doch eine philosophischen Entwurf vor, der kein Thema auslässt, von der Ontologie über die Ästhetik bis hin zur Geschichtsphilosophie. Selbst Außerirdische werden nicht vergessen. Das imponiert in einer Zeit der Spezialisierung, wenn es auch nicht in jedem Fall gelingen kann.

Deutsch ist kritischer Rationalist, ist philosophisch also von Popper geprägt. Auch mir scheint dieser epistemologische Ansatz sehr plausibel zu sein, weil sein Erklärungspotenzial sehr groß ist, ohne von diffusen Hypothesen auszugehen. So sind denn für Deutsch die beiden wichtigsten Kriterien für gute Philosophie und gute Wissenschaft gehaltvolle Erklärungen. Diese zeichnen sich darin aus, dass sie spezifisch, schwer zu variieren und falsifizierbar ist. Wissensproduktion ist für ihn der Schlüssel zum Verständnis des Universums. Wissen wird durch zwei sich ergänzende Mechanismen produziert: Kreativität und Kritik.

Kreativität in der Welterklärung gab es seit die Menschen zu denken anfingen. Die überlieferten Ergebnisse, etwa die antiken Mythologien sind intrinsisch auch sehr beeindruckend. Ihre Erklärungskraft sei aber von der Realität abgekoppelt. Der Grund dafür ist plausibel: Man hat sie nie empirisch-kritisch an der Wirklichkeit getestet. Dieses Verfahren war zwar seit der griechischen Naturphilosophie bekannt, konnte sich aber erst mit der wissenschaftlichen Revolution ab dem 16. Jahrhundert durchsetzen. Seitdem sei die Menschheit auf dem richtigen Pfad zu immer Wissen. Voraussetzung dafür seien dynamische Gesellschaften, eine Weiterentwicklung von Poppers offenen Gesellschaften. Nur sie garantierten menschlichen Fortschritt und ein dauerhaftes Überleben der Menschheit durch ihre Fähigkeit auch unerwartete Probleme lösen zu können, zumindest potenziell.

Deutsch ist ein kritischer Optimist. Er hält prinzipiell alle Probleme durch Wissen für lösbar. Die Wissenschaft steht für ihn erst ganz am Anfang. Er argumentiert ausführlich, warum es keine grundsätzlichen Erkenntnisbarrieren geben könne. Dabei ist der Professor aus Oxford alles andere als naiv. Sein Blick auf die Welt ist kritisch und nüchtern, etwa wenn er Naturschutzromantiker oder Utopiker kritisiert. Seiner Meinung nach wird es immer schwierige Probleme geben, die zu lösen sein werden. Problemfreiheit könne es immer nur für sehr kurze Phasen geben.

Sehr überzeugend ist Deutsch ebenfalls, wenn er die Vorzüge einer dynamischen im Vergleich zu einer statischen Gesellschaft erläutert. Statische und konservative Gesellschaften waren und sind strukturell nicht in der Lage, bei unerwarteten Krisen das notwendige Wissen für deren Beseitigung zu produzieren. Deshalb sind nur dynamische, wissenschaftsorientierte Gesellschaften zukunftsfähig. Die Vorteile neuer Technologien und neuen Wissens überwiegten die Nachteile bei weitem. Ein in sein Buch eingeschobener fiktiver sokratischer Dialog über die Unterschiede der Gesellschaft Athens und Spartas veranschaulicht das hervorragend.

Am stärksten ist Deutsch selbstverständlich dort, wo er fachlich zuhause ist, nämlich in der theoretischen Physik. Sein ausführliches Kapitel über Quantentheorie (er ist ein Anhänger der Multiversums-Interpretation) zählt zum für Laien verständlichsten, was ich bisher zum Thema las.

Fachphilosophen seien noch vorgewarnt: Deutsch gibt kaum „technische“ Erläuterungen seiner philosophischen Argumente. Das Buch ist für Laien geschrieben.

Selbst wenn Deutsch mit seinem Ansatz in machen Fällen zu enthusiastisch ist (etwa wenn er ihn auf die Ästhetik anwendet), so zeigt sein Buch brillant, wie man heutzutage gute Philosophie betreiben kann und soll.

David Deutsch: The Beginning of Infinity. Explanations that transform the world. (Viking)

Stringtheorie unter Kritik

Unter Physikern wird derzeit eine heftige Debatte ausgetragen: Man streitet sich über den Stellenwert der Stringtheorie. Kritiker werfen ihr zu wenig empirischen Gehalt und mangelnde Falszifizierbarkeit vor, was von den Anhängern dieser populären kosmologischen Lehre bestritten wird. Zugespitzt könnte man fragen: Ist die Stringtheorie eine pseudowissenschaftliche Theorie?

Lee Smolin ist einer der führenden Kritiker und hat nun ein sehr diskussionswürdiges Buch vorgelegt: The Trouble with Physics (Amazon Partnerlink)

Was die Welt im Innersten zusammenhält…

… ist auch nach dem letzten, von erstaunlichen physikalischen Innovationen und „Revolutionen“ gekennzeichneten Jahrhundert unter theoretischen Physikern stark umstritten. Freeman Dyson schrieb für die New York Review of Books 8/2004 einen lesenswerten Artikel* zum Thema, in dem er sich mit dem neuen Buch von Brian Greene, einem Proponenten der Stringtheorie, beschäftigt: „The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality“. Diese Theorie ist zumindest mathematisch in der Lage, eines der größten physikalischen Probleme unserer Zeit zu lösen, nämlich die Inkonsistenz zwischen Relativitäts- und Quantentheorie. Greene kann das sehr schön erläutern:

Superstring theory tells a different story. It does not deny the key role played by electrons, quarks, and the other particle species revealed by experiment, but it does claim that these particles are not dots. Instead, according to superstring theory, every particle is composed of a tiny filament of energy, some hundred billion billion times smaller than a single atomic nucleus (much smaller than we can currently probe), which is shaped like a little string. And just as a violin string can vibrate in different patterns, each of which produces a different musical tone, the filaments of superstring theory can also vibrate in different patterns. But these vibrations don’t produce different musical notes; remarkably, the theory claims that they produce different particle properties. A tiny string vibrating in one pattern would have the mass and the electric charge of an electron; according to the theory, such a vibrating string would be what we have traditionally called an electron. A tiny string vibrating in a different pattern would have the requisite properties to identify it as a quark, a neutrino, or any other kind of particle. All species of particles are unified in superstring theory since each arises from a different vibrational pattern executed by the same underlying entity.

Leider hat dieser elegante Ansatz einen großen Haken, der mit der Art und Weise zu tun hat, wie Naturwissenschaften funktionieren, nämlich dass kein Experiment denkbar ist, das fundamentale Aussagen über den Wahrheitsgehalt der Stringtheorie erwarten lässt: Sie ist empirisch nicht testbar. Ähnliches gilt für den Nachweis von Gravitonen (den postulierten Schwerkraft-Teilchen):

I propose as a hypothesis to be tested that it is impossible in principle to observe the existence of individual gravitons. I do not claim that this hypothesis is true, only that I can find no evidence against it. If it is true, quantum gravity is physically meaningless. If individual gravitons cannot be observed in any conceivable experiment, then they have no physical reality and we might as well consider them non-existent. They are like the ether, the elastic solid medium which nineteenth-century physicists imagined filling space. Electric and magnetic fields were supposed to be tensions in the ether, and light was supposed to be a vibration of the ether. Einstein built his theory of relativity without the ether, and showed that the ether would be unobservable if it existed. He was happy to get rid of the ether, and I feel the same way about gravitons.

Das ist ein Grund, warum Dyson auf dem unorthodoxen Standpunkt beharrt, dass Relativitäts- und Quantentheorie gut nebeneinander existieren können, und man nicht krampfhaft nach einer vereinheitlichenden Theorie suchen müsse.

* Der Artikel ist mittlerweile Teil des kostenpflichtigen NYRB-Archivs

Die Materie im Universum…

…präsentiert sich nach dem aktuellen theoretischen Stand der Astrophysik folgendermaßen (Spektrum der Wissenschaft 10/2003):

  • Baryonische Materie (Neutronen und Protonen): 5%
  • Kalte dunkle Materie: 25%
  • Dunkle Energie: 70%
  • Strahlung: 0,005%
  • Heiße Dunkle Materie: 0,3%
  • Timothy Ferris: The Whole Shebang. A State-Of-The-Universe(s) Report

    Simon & Schuster Paperback (Amazon Partnerlink)

    Was zeichnet ein hervorragendes wissenschaftliches Sachbuch aus? Der Autor muss nicht nur sein Thema souverän beherrschen und ein guter Didakt sein, er darf auch keinesfalls seine Leser unterschätzen und komplexe Materien unzulässig vereinfachen.
    Ferris‘ dichtes Buch über den aktuellen Stand der kosmologischen Forschung erfüllt diese Kriterien alle. Besonders hervorzuheben ist, dass Ferris seine Leser an der wissenschaftlichen Entwicklung quasi teilnehmen läßt, in dem er nicht nur prägnant alternative Theorien, ihre Schwächen und Stärken vorstellt, sondern auch dichte wissenschaftshistorische Exkurse in die Geschichte der Astrophysik des 20. Jahrhunderts unternimmt. Ferris, emeritierter Professor an der University of California, kannte viele der Protagonisten persönlich, was zur Lebendigkeit seiner Darstellung beiträgt.

    Durch diese Vorgehensweise erhalten auch wissenschaftstheoretisch unvorbelastete Leser einen guten Eindruck, wie moderne Naturwissenschaft funktioniert, wie aufregend experimentelle Forschung sein kann, wie elegant theoretische „Hirngespinste“ oft experimentell von verschiedenen Seiten bestätigt werden.
    Die Themenfülle ist überwältigend, es gibt kaum eine Fragestellung, die nicht zumindest (fundiert) angerissen wird. Die Lektüre wirkt aufklärend im besten Sinn des Wortes. Wer wissen will, in welchem Universum wir leben (genauer: welche Hypothesen und Theorien über die Natur des Universums und vieler seiner Phänomene derzeit wissenschaftlich am besten bestätigt sind), wird aus der Lektüre großen Nutzen ziehen.

    Werner Heisenberg – Ein Widerstandskämpfer?

    Es kommt selten vor, dass Dramatiker einen konkreten Beitrag zur Wissenschaftsgeschichte leisten. Michael Frayn gebührt diese Ehre, da sein Stück „Kopenhagen“ eine heftige Debatte auslöste und nun zur Publikation neuer Materialien führte. Der Gelehrtenstreit spielte sich vor allem in der „New York Review of Books“ ab*, zuletzt in der Ausgabe 5/2002. Das Niels Bohr Archiv veröffentlichte vor ein paar Monaten überraschend unbekannte Briefe Bohrs, die das ominöse Treffen zwischen ihm und Heisenberg zum Thema haben. Nun ziehen Michael Frayn und Thomas Powers eine Bilanz der Diskussion. Powers ist einer der heftigsten Verteidiger von Heisenberg und vertritt die These, der Physiker habe bewusst den Bau einer Atombombe verhindert. Die Mehrheit der Experten weist diese Ansicht strikt zurück, so Gerald Holton und Jonothan Logan in ihren ausführlichen Repliken in Nr. 6/2002.

    Siehe die ingesamt über drei Jahre (!) laufenden Beiträge zum Thema: The Unanswered Question (Rezension von K/Copenhagen, 9/2000. May), Heisenberg in Copenhagen (16/2000, October), Heisenberg in Copenhagen: An Exchange (2/2001, Feb.), ‚Copenhagen‘ Revisited (5/2002, March), What Bohr Remembered (5/2002, March), ‚Copenhagen‘: An Exchange (6/2002, April), Copenhagen, cont’d. (8/2002, May), A Letter from Copenhagen (13/2003, August)

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    „Die Presse“ meint:

    "Aber das Internet ist nicht schuld daran, dass Zeitungen reihenweise ihre Literaturseiten „gesundschrumpfen“. Vielmehr hat es das Monopol der traditionellen Medien auf seriöse Literaturkritik gebrochen. Blogs wie die „Notizen“ des promovierten österreichischen Literaturwissenschaftlers Christian Köllerer (koellerer.net) zeigen: Es gibt genug Qualität, man muss sie nur suchen."
    (5. Januar 2013)

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