1. Die Prinzipien der klassischen Physik

Eine sehr gelungene Darstellung der konzeptionellen Grundlagen der klassischen Physik findet sich bei Einstein und Infeld (1956). Eine Einführung in die Naturphilosophie, die viele der im Folgenden benutzten Begrifflichkeiten erläutert, gibt Drieschner (2002).

Bereits der für alle Naturwissenschaften grundlegende Begriff der Masse ist nicht unproblematisch. Es besteht nach dieser Definition eine gewisse Zirkularität zwischen den Begriffen der Masse und der Kraft. Dies hat insbesondere Ernst Mach dazu bewegt, ein festeres Fundament zur Begründung dieser zentralen physikalischen Größe zu suchen, siehe Mach (1988). Eine herausragende Analyse der Entwicklung des Massebegriffs über die Geschichte der Naturwissenschaften gibt Max Jammer in Jammer (1961).

Genau genommen kann man aus diesen Zusammenhängen keine Gleichheit, sondern nur eine Proportionalität von träger und schwerer Masse ableiten. Die hierbei auftauchende Proportionalitätskonstante lässt sich aber in der Gravitationskonstante „verstecken“, so dass man beide als gleich betrachten kann.

Zu diesen Formulierungen gehören die auch in der Quantentheorie wichtigen und uminterpretierten Darstellungen gemäß dem Hamilton- und dem Lagrange-Formalismus. Auch die Quantenmechanik kennt verschiedene Formulierungen. Da uns jedoch der interpretative Gehalt interessiert, wird dies in der weiteren Diskussion keine Rolle spielen.

Die Korrespondenz führte Newton nicht selbst, da er und Leibniz sich nicht sonderlich grün waren. Die Schärfe ihrer Auseinandersetzung, die auch theologische Argumente beinhaltete, wird daran ersichtlich, dass sie erst mit Leibniz’ Tod 1716 endete.

Beim Dreikörperproblem betrachtet man drei sich gegenseitig anziehende Objekte wie etwa Sonne, Erde und Mond, die einander umkreisen. Die Bewegung selbst eines solch einfachen Systems lässt sich nicht exakt in aller Allgemeingültigkeit berechnen.

Der Begriff „Objekt“ entspringt dem lateinischen ob-iacere; dem entspricht im Deutschen das Wort „Gegen-stand“. Eine ähnliche, sprachlich interessante Paralle findet sich zwischen „Eigen-schaft“ und dem englischen proper-ty, vom lateinischen proprietas.

Den Begriff der starken Objektivierbarkeit werden wir weiter unten im Zusammenhang mit der Quantenmechanik noch genauer erläutern, siehe Kap. 4.​2.​1

Die genaue wissenschaftliche Analyse dieser Probleme im Rahmen der Theorie nichtlinearer Systeme und der Chaostheorie hat diesen Begriff des Determinismus vor allem in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts deutlich relativiert. Die Chaostheorie beschäftigt sich mit Systemen, deren Verhalten so komplex ist, dass es sich nicht mit herkömmlichen Methoden ergründen lässt. Es hat sich herausgestellt, dass selbst bei elementar einfachen Systemen, wie z. B. beim Billardspiel, bereits unglaublich kleine, gar infinitesimale Änderungen des Anfangszustandes innerhalb endlicher Zeit (und oftmals sogar in sehr kurzer Zeit) beliebig große Änderungen des Endzustandes bewirken können, ja dass Bewegungsbahnen sogar völlig unberechenbar werden. In der Meteorologie beispielsweise ist dies als Schmetterlingseffekt bekannt. Der winzige Flügelschlag eines Schmetterlings kann zumindest rein theoretisch die mittelfristige Wettervorhersage auf der anderen Seite des Globus beeinflussen. Auch wenn das Prinzip des schwachen Determinismus, dass gleiche Anfangsbedingungen gleiche Endzustände hervorrufen, weiterhin erfüllt ist, muss das Prinzip des starken Determinismus, dass ähnliche Anfangszustände ähnliche Endzustände hervorrufen, als überholt betrachtet werden. Zu diesen und anderen Punkten vergleiche Mainzer und Schirmacher (1994). Lediglich für bestimmte, oftmals technisch wichtige Klassen von Problemstellungen sind die Bedingungen des starken Determinismus erfüllt. Da aber auch die Voraussetzungen des schwachen Determinismus nur einer nicht realisierbaren Abstraktion und rein mathematischen Analyse der klassischen Mechanik entspringen und oft nicht praktisch durchführbar sind, wird deutlich, dass sich auch in der klassischen Mechanik der strenge Determinismus der Grundgesetze nicht auf all ihre Modellsysteme und Anwendungen übertragen lässt. Dieser Determinismus wird beschränkt durch die Grenzen der Mess- und Berechenbarkeit. Der Determinismus in der klassischen Physik ist also aus heutiger Sicht in erster Linie ein Determinismus der Gesetze, der unter den komplexen Bedingungen in der realen Welt durchaus chaotisches, nicht prognostizierbares Verhalten hervorbringen kann. Der Laplacesche Dämon allerdings lächelt über solche technischen Probleme natürlich nur leicht spöttisch.

Im Wort „Kategorie“ ist das Trennende schon enthalten, wie sich an seiner Abstammung vom griechischen ablesen lässt, das „Anklage auf dem Versammlungsplatz“ bedeutet.

Dies deutet auf einen evolutionären Vorteil hin, denn in der Makrowelt ist dieses Prinzip ja auch hervorragend zur Beschreibung der natürlichen Phänomene geeignet; mehr hierzu im Teil über Evolutionäre Erkenntnistheorie.

Es ist angesichts der beträchtlichen kulturellen Differenzen zwischen der westlichen und der östlichen Philosophie hochinteressant zu sehen, dass etwa der japanische Physik-Nobelpreisträger Hideki Yukawa unter anderem in seinem Aufsatz „Facts and Laws“ Positionen entwickelte, die mit den Prinzipien der Kopenhagener Deutung und zudem mit dem weiter unten erarbeiteten Konzept der epistemischen Zirkularität in erstaunlich guter Deckung stehen. Yukawas intellektuelle Wurzeln liegen in der chinesischen Philosophie, und dort vor allem bei Zhuangzi und Laotse, wobei er sich aber auch in der antiken griechischen Naturphilosophie sehr gut auskannte. Auch seine anderen Aufsätze und Vorträge geben einen eindrucksvollen Überblick über die Forschungspraxis und das philosophische Selbstverständnis von Naturforschern im asiatischen Kulturkreis, siehe Yukawa (1973). Tiefschürfende Vergleiche zur philosophischen Rezeption naturwissenschaftlicher Erkenntnisse in verschiedenen Kulturkreisen sind jedoch leider ein recht unterentwickeltes Gebiet in der Wissenschaftsphilosophie. Eine solche „vergleichende Wissenschafts-Anthropologie“ könnte zweifelsohne viele interessante Einsichten in die verschiedenen kulturellen Bedingtheiten bei der Durchdringung neuer Sachverhalte liefern. Neben Hideki Yukawa sticht in dieser Hinsicht auch das Werk von Abdus Salam heraus, des ersten pakistanischen und muslimischen Nobelpreisträgers. Er ist wie Yukawa einer der herausragenden theoretischen Physiker des 20. Jahrhunderts und hat ebenfalls umfangreiche Reflexionen über Wissenschaft und Wirklichkeit angestellt; zudem hat er sich sehr für die Bildung der armen Schichten und das friedliche Zusammenleben der Völker eingesetzt. In Salam (1989) gibt er sehr lesenwert Aufschluss über das Selbst- und Naturverständnis eines Wissenschaftlers und praktizierenden Muslims. Nicht nur in seinem Aufsatz „Scientific Thinking: Between Secularisation and the Transcendent“ stellt er die häufig geäußerte Ansicht in Frage, die moderne Wissenschaft sei ein Kind der westlichen, griechisch-jüdisch-christlichen Tradition. Eine solche Sicht übergeht völlig die eigenständigen Leistungen der orientalischen Gelehrsamkeit. Nicht nur waren die antike babylonische und ägyptische Mathematik und Astronomie entscheidende Inspirationen für die Geburt der griechischen Wissenschaft. Zudem begann die systematische mathematische Durchdringung natürlicher Phänomene – und damit die Physik im engeren Sinne – erst nach dem Tod des Aristoteles im Jahr 332 v. Chr., als sich das wissenschaftliche Zentrum des Mittelmeerraums von Athen nach Alexandria verschob. Die aristotelische Schule war noch stärker dem qualitativen Erfassen der Natur verhaftet. So schloss Aristoteles scharfsinnig aus der Tatsache, dass der Nachthimmel an verschiedenen Orten unterschiedlich aussieht, auf die Kugelgestalt der Erde. Er nutzte dieses Wissen jedoch nicht dazu, den Erdradius zu bestimmen – etwas, das Eratosthenes, vielseitiger Gelehrter und ein halbes Jahrhundert lang Leiter der Bibliothek von Alexandria, rund hundert Jahre später dann in bemerkenswerter Präzision durchführte. Auch im Mittelalter war die arabische Wissenschaft im gesamten Mittelmeerraum über Jahrhunderte führend. Noch im stauferischen Silizien an der bedeutenden medizinischen Schule von Salerno – nach Ansicht einiger Forscher die erste echte Universität – gaben sich Gelehrte aus führenden Wissenschaftsnationen wie Syrien oder Afghanistan die Klinke in die Hand, während man die nordeuropäischen Schüler ob ihres unkultivierten Gebarens wohl eher selten höherer akademischer Weihen würdig wähnte. Interessanterweise ist diese Schule laut ihrem Gründungsmythos gemeinsam von einem Griechen, einem Latiner, einem Juden und einem Araber ins Leben gerufen worden.

Einstein (1905b).

Einstein hatte zwar den entscheidenden Durchbruch zur Speziellen Relativitätstheorie geschafft; es wäre aber unzutreffend, ihn als alleinigen Vater dieser Theorie darzustellen. Max Born etwa sah diese Theorie als gemeinsames Werk einiger brillanter Forscher, insbesondere von Hendrik Lorentz, Henri Poincaré und Hermann Minkowski.

So bemerkte Einstein in bezug auf die kantsche Philosophie, die den euklidischen Raumbegriff als notwendiges Apriori im abendländischen Denken etabliert hatte: „Der verhängnisvolle Irrtum, dass der euklidischen Geometrie und dem zugehörigen Raumbegriffe eine aller Erfahrung vorangehende Denknotwendigkeit zugrunde liege, beruhte darauf, dass die empirische Basis, welche der axiomatischen Konstruktion der euklidischen Geometrie zugrunde liegt, in Vergessenheit geraten war. … Solche ‚Hypostasierung‘ (Verselbständigung) von Begriffen gereicht nicht notwendig der Wissenschaft zum Nachteil, es entsteht aber leicht der Irrtum, solche Begriffe, deren Ursprung in Vergessenheit geraten ist, für denknotwendig und damit für nicht veränderbar anzusehen, was zu einer ernsten Gefahr für den Fortschritt der Wissenschaft werden kann.“ Aus dem Aufsatz „Physik und Realität“ von 1936, zitiert nach Einstein (1984), S. 73 ff. Die Philosophie Kants kann als herausragender Versuch angesehen werden, ein umfassendes erkenntnistheoretisches und ethisches System zu entwickeln, das die Erkenntnisse der newtonschen Physik aufnimmt und diese in ein umfassendes Weltbild einbettet. In Kants Philosophie erfahren die Begrifflichkeiten der newtonschen Physik eine Umdeutung von theoretischen Prinzipien der Naturdeutung in denknotwendige Kategorien und Anschauungsformen der menschlichen Vernunft. Ist in der Relativitätstheorie Kants Vorstellung von Raum und Zeit hinfällig geworden – worauf Einstein in diesem Zitat anspielt –, so wurden in der Quantenphysik die kantschen Begriffe von Kausalität und Substanzialität revidiert. Aus der Reflexion über die evolutionäre Entstandenheit des Menschen schließlich resultieren neue Einsichten in das Gewordensein und in die Geltung der Kategorien menschlicher Vernunft. Dass diese erkenntnistheoretischen und begrifflichen Wandlungen durchaus in einem Zusammenhang stehen, der sich aus kulturellen Entwicklungsprozessen ergibt, wird u. a. in Kap. 11.​3.​6 anhand der Überlegungen Ludwig Boltzmanns ersichtlich.

Die Ursachen hierfür sind vielfältiger Natur: Vom Festhalten am liebgewordenen Weltbild der newtonschen Physik, über Borniertheit oder überzogenen Konservativismus bis hin zu Karrieredünkel, Machtstreben oder gar offenem Antisemitismus sind alle erdenklichen Motivationen vertreten.

An erster Stelle sei hier der Einfluss Ernst Machs auf den jungen Einstein zu erwähnen. Die einsteinsche Revolution im Verständnis von Raum und Zeit wurde wesentlich durch philosophische und grundlagenphysikalische Überlegungen von Mach vorbereitet, der für die erwähnte Verabsolutierung des euklidischen Raumbegriffs keine hinreichenden Gründe erkennen konnte. Die Positivisten nahmen viele nicht eindeutig belegbare Ansichten in der Beschreibung von Wirklichkeit zurück und beschränkten ihr Weltbild, vereinfacht gesagt, auf das, was uns über unsere Sinne zugänglich ist und sich durch denkökonomische Theorien verknüpfen lässt.

Beispielsweise wurde die gravitative Anziehung auch fernster Himmelskörper als Kraft angesehen, die sich schlagartig durch das ganze Universum hindurch fortpflanzte. Das Weltbild der newtonschen Physik war also nichtlokal! Die Tatsache, dass Kräfte mit der Entfernung abnehmen, etwa in quadratischer Weise wie die Gravitationskraft, erlaubt es aber, entferntere Einflüsse als zunehmend vernachlässigbar zu betrachten und auf diese Weise die „relevanten“ Wirkungen als mehr oder weniger lokal anzunehmen.

Im Vergleich zu den üblichen irdischen Geschwindigkeiten ist die Lichtgeschwindigkeit allerdings sehr groß, weswegen es auch so lange dauerte, bis die neuen Effekte nachgewiesen werden konnten.

Auf diesen Sachverhalt weist Manfred Stöckler hin, siehe Stöckler (1995).

Zumindest wenn wir außer Acht lassen, dass im Mikrobereich der Atome natürlich Quantengesetze gelten sollten, und deswegen auf die Quantenstatistik verzichten. In der Tat ist die Vernachlässigung dieser Effekte außer bei recht exotischen Fällen eine erstaunlich gute Näherung.

Zu Grundlagen, Interpretationen und Fehlinterpretationen der Relativitätstheorie siehe das Standardwerk von Reichenbach (1928) sowie Hentschel (1990).

Aus dem Aufsatz „Physik und Realität“, zitiert nach Einstein (1984), S. 90. Die Gleichung verknüpft Raumzeit und Masseverteilung der Materie so, dass aus dem Ist-Zustand die künftige Entwicklung beider berechnet werden kann. Die linke Seite der Grundgleichung der Allgemeinen Relativitätstheorie beinhaltet den sogenannten metrischen Tensor und damit die Struktur der Raumzeit, die rechte den Energietensor und damit die Masseverteilung der Materie in einer rein phänomenologischen, deskriptiven Darstellung. Eine bessere Beschreibung der Materie kann die Relativitätstheorie nicht angeben. Die Aufklärung der Struktur der Materie ist bis heute eine Domäne der Quantenphysik.

Vergleiche hierzu auch Kap. 19.​5

Jammer (1993), S. 214.

Einen schönen Überblick über die grundlegenden physikalischen Problemstellungen zur Zeit der Entstehung von Relativitätstheorie und Quantenphysik gibt Henri Poincaré mit seiner Abhandlung „Der gegenwärtige Zustand und die Zukunft der mathematischen Physik“ in Poincaré (1906), S. 129–159. Poincaré hat in diesem Text schon zentrale Strukturen der kommenden revolutionären Entwicklungen mit bewundernswerter analytischer Schärfe vorhergesehen.

Der begrenzende Mechanismus ist als Greisen-Zatsepin-Kuzmin-Limit bekannt. Oberhalb dieses Limits sollte uns keine Strahlung mehr erreichen, da sie auf kosmologisch kurzen Strecken durch bestimmte Prozesse schnell abgeschwächt werden sollte.