„Habe nun ach! Philosophie, Juristerei und Medizin, und leider auch Theologie! durchaus studiert mit heißem Bemühn. Da steh ich nun, ich armer Tor! und bin so klug als wie zuvor; heiße Magister, heiße Doktor gar, und ziehe schon an die zehen Jahr herauf, herab und quer und krumm meine Schüler an der Nase herum – und sehe, dass wir nichts wissen können!

Das will mir schier das Herz verbrennen!“ 

- Faust I, S. 354–365

Henning Genz: Die Entdeckung des Nichts

Mit beispielhafter Geduld und eingängiger Sprache, fast im Plauderton, erzählt Genz die Geschichte der Idee des leeren Raums von Thales bis Hawking. Dazu übersetzt er die Fachsprache der Philosophie in die Alltagssprache des Lesers, sei er nun Laie oder Physiker, und außerdem verwandelt er mathematische Formeln in zugängliche und oft originelle Wortbilder. Beides gelingt ihm glänzend.“ – Hans Christian von Baeyer, Physikalische Blätter

Dieser Meinung, zu finden auf dem hinteren Einband des Buches, möchte ich mich nicht anschließen. Man kann die Fachsprache der Philosophen (und auch der in diesem Zitat vergessenen Physiker) gar nicht so in „Alltagssprache“ umsetzen, dass jedermann alles versteht, sonst wären diese Berufsgruppen ja nicht mehr notwendig. Und selbst für die Experten dieser Wissenschaften gibt es zum „Nichts“ mehr Fragen als Antworten, siehe dazu weiter unten. Das Vorwort umreißt das Thema des Buches wie folgt:

Dieses Buch ist der Frage gewidmet, ob es einen von den Dingen unabhängigen Raum gibt. Einen, der in dem Sinn absolut wäre, dass er wie eine Bühne unbeeinflusst von den in ihm ablaufenden Vorgängen sowieso vorhanden und immer derselbe ist. Einen, der leer sein und für alle Zeiten leer bleiben kann. Solch ein Raum wäre das „Leere“ oder das „Nichts“, das nach Auskunft antiker Naturforscher und Philosophen in sich so widersprüchlich ist, dass er nicht einmal gedacht werden kann. Diese Leere ist im Verlauf der Jahrtausende zu dem Vakuum – dem leeren Raum – der Physik geworden, die ihn mit den Ausgeburten der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativitätstheorie angefüllt hat: Wie leer kann ein Raum im Einklang mit den Naturgesetzen sein?

Nachdem Henning Genz so das Thema vorgestellt hat, beginnt er folgerichtig sein Buch auch mit der Schilderung der Theorien der alten Griechen (Anaxagoras, Demokrit, Pythagoras, Platon, Aristoteles). Endlich einmal wird beschrieben, was denn die Vorstellungen Demokrits tatsächlich gewesen sind, der ja stets als einer der Väter der Atomtheorie genannt wird. Verglichen mit unserem heutigen Erkenntnisstand lag er mit seinen Ideen meilenweit daneben. So weit, dass man vermuten kann, dass diejenigen, die ihn immer und immer wieder in den Schulbüchern erwähnen, entweder nichts von ihm gelesen oder nichts von der modernen Physik verstanden haben:

Die Elementarteilchen werden oft als die modernen Atome bezeichnet. Das stimmt und stimmt zugleich nicht. … Ob die Elementarteilchen wie das Elektron oder die Quarks weiter teilbar sind, wissen wir nicht. Auch nicht, ob sie eine Struktur besitzen – ob ihre Ladung bei allen künftigen Experimenten so wirken wird, als sei sie in einem Punkt konzentriert. Die Wahrscheinlichkeit aber, ein Elementarteilchen anzutreffen, ist teilbar. Bezieht man die Wahrscheinlichkeitsverteilungen ein, haben die modernen Atome, anders als die der Atomisten, also keinen scharfen Rand, der Seiendes – sie selbst – vom Nichtseienden – dem leeren Raum – trennt.

Beginnend in der Renaissance ging die Untersuchung des Themas von der Philosophie auf die Physik über. Hier begegnet man im Buch dann Personen wie Galilei, Torricelli, Guericke, Boyle, Leibniz und Newton, und ihren Gedankengebäuden, Experimenten und den Schlussfolgerungen daraus.

 

Heute wissen wir, dass jedes Raumgebiet (reelle) Teilchen und Strahlung enthält. Wenn man alle Teilchen entfernt, entsteht ein Vakuum. Dieses Vakuum kann zusätzlich noch abgekühlt werden, zum Beispiel indem man die an den Wänden auftreffende Wärmestrahlung abführt. Aber die physikalischen Gesetze sagen dann, dass der so entstehende Raum immer noch nicht „absolut“ leer sein kann.

Die Wärmebewegung der Atome und Moleküle hört bei der Temperatur absolut Null „soweit wie möglich“ auf. Dass sie nicht ganz aufhören kann, ist eine Konsequenz der Unschärferelation: Auch Atome und Moleküle können nicht ihre ganze Energie abgeben. Sind sie in einen Kristall eingebaut, können sie nicht einfach an Stellen minimaler Lageenergie fest im Kristallgitter sitzen, sondern müssen, bildlich gesprochen, um sie herumtanzen. Folglich und wie bereits beschrieben besitzen sie sowohl Bewegungs- als auch Lageenergie. Die Summe beider ist die Nullpunktsenergie der Atome und Moleküle in dem Kristall.

Und für das Vakuum selbst gilt:

Das Vakuum können wir heute so charakterisieren: es ist das, was bleibt, wenn aus einem Raumgebiet alle Teilchen und Felder entfernt worden sind, die überhaupt entfernt werden können. Dass es die elektromagnetische Nullpunktsstrahlung im Vakuum gibt, bedeutet, dass das Vakuum Photonen, die zu den elektromagnetischen Federn gehörenden Teilchen enthält. Da es in ihm Elektron-Positron-Paare gibt, verschwinden die zugehörigen Felder im Vakuum nicht. Dasselbe gilt für die anderen Teilchen des Teilchen-Zoos, die Quarks, Antiquarks, Neutrinos, Antineutrinos, Müonen, Antimüonen sowie die W- und Z-Bosonen und die Gluonen.

Das alles fliegt, wabbelt, kreiselt im vermeintlich leeren Raum herum; alles zugleich, und mit ihm alle möglichen Konfigurationen, die es bilden kann. Je mehr Masse mit einer Anregung verbunden ist, desto kürzer lebt sie und in desto kleinerem Volumen ist sie konzentriert. Die Anregungen des Vakuums kommen und gehen, sind Fluktuationen, Schwankungen. Das Vakuum, von dem ich ein Bild zu malen versuche, heißt zu Recht fluktuierendes Vakuum.

Im Mittel aber verschwinden alle im Vakuum herumschwirrenden Felder, als einzige von Null verschiedenen Beobachtungsgröße bleibt die Energie über. Zum Beispiel ist die Ladung des Vakuums im Mittel Null; genauso sein Impuls. Versucht man aber, die Energie des Vakuums zu berechnen, kann man das nicht – die Beiträge mancher Teilchen sind positiv unendlich, die anderer negativ unendlich; die Summe bleibt als unendlich minus unendlich unbekannt.

Der experimentelle Nachweis des Casimir-Effektes ist ein Beweis dafür, dass diese soeben erwähnten virtuellen Teilchen tatsächlich existieren und reelle Kräfte ausüben können. Dazu werden zwei Platten im Vakuum sehr nahe zusammengebracht. Zwischen den beiden Platten können weniger virtuelle Teilchen als im Außenbereich entstehen: Der Energie eines Teilchens ist nach dem Welle-Teilchen-Dualismus eine Wellenlänge zugeordnet und im Innenraum sind nicht alle Wellenlängen zulässig, sondern nur solche, deren Schwingungen ganzzahlig in diesen Raum passen. In der Konsequenz werden die Platten innen von weniger Teilchen als von außen getroffen. Makrophysikalisch gesehen, ist der auf die Platten ausgeübte Strahlungsdruck innen kleiner als außen, die Platten werden zusammengedrückt. Dabei befinden wir uns im Vakuum bei einer Temperatur von 0K!

Wollen wir die Platten auseinander ziehen, müssen wir über die gesamte Wegstrecke eine Kraft ausüben, wir verrichten Arbeit bzw. führen Energie zu. Oder anders gesprochen: Vorher haben wir einen Raum, der absolut leer ist und eine Temperatur von 0K hat. Wir führen Energie zu und erhalten einen Raum, der absolut leer ist und eine Temperatur von 0K hat. Natürlich kann man den Effekt auch umkehren und sich die Platten einander nähern lassen. Aus „führen Energie zu“ wird so „ziehen Energie ab“. Der Energieerhaltungssatz gilt insofern, als eine Art Lageenergie im Abstand der Platten enthalten ist und daraus wiedergewonnen werden kann. (Deshalb fallen auch alle Maschinen, die die Nullpunktenergie anzapfen wollen, in die Kategorie Perpetuum Mobile.)

Der Casimir-Effekt ist experimentell bestätigt und führt zu neuen Fragen. Die für mich naheliegenste (und vielleicht eher philosophische): Warum bezeichnet man die virtuellen Teilchen als virtuell, wenn sie ganz reelle und messbare Wirkungen haben? Ihre (kurzfristige) Existenz hinterlässt sehr langfristige Wirkungen in der reellen Welt. Im Beispiel benötigen wir reelle Energie, um die Platten auseinander zu ziehen.

Viele weitere Fragen werden von Genz selbst gestellt, zum Beispiel die, ob der leere Raum gekrümmt ist: Nach der Quantentheorie besitzen die virtuellen Teilchen Masse und Energie. Nach der speziellen Relativitätstheorie sind Energie und Masse äquivalent. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie krümmen Massen den Raum oder, umgekehrt, nehmen wir eine Krümmung des Raums als das Vorhandensein von Massen wahr. Die bereits weiter oben zitierte derzeitige Unmöglichkeit, die Energie des Vakuums zu berechnen, bedeutet, dass wir nicht wissen, ob und wie leerer Raum gekrümmt ist. Mit Hilfe der virtuellen Teilchen können sich die Physiker auch um die philosophische Frage herum mogeln, ob es im absolut leeren Raum eine Zeit gibt, wenn keine Vorgänge ablaufen, anhand derer man Zeit messen könnte – weil die Physik genau diesen absolut leeren Raum nicht kennt. Die großen kosmologischen Fragen bezüglich Urknall, Raum und Zeit bleiben aber genau deshalb unbeantwortet.

Im Buch werden viele weitere Dinge diskutiert, die ich nicht oder nur in Ansätzen verstanden habe, z.B. die Theorien um das Higgs-Teilchen und die damit verbunden Felder, die Bedeutung für die Erzeugung der Masse und die Symmetriebrüche in den Teilcheneigenschaften. Oder die Dialektik von Naturgesetzen und Anfangsbedingungen beim Beginn ihrer Wirkung: Physik als das Bestreben, universalere Gesetze zu finden und damit die Zahl der ad hoc eingeführten notwendigen Anfangsbedingungen zu verringern, die für das Wirken der Naturgesetze vorausgesetzt werden müssen.

Für mich ein sehr interessantes aber zugleich sehr schwieriges Buch. Um „eingängige Sprache“, „Plauderton“ und „zugängliche und oft originelle Wortbilder“ genießen zu können, wie es Hans Christian von Baeyer im Klappentext zum Buch versprochen hat, muss man wahrscheinlich selbst theoretischer Physiker sein. Für einen Nichtphysiker ist es schwere Kost.

Gastbeitrag von: Dr. Ralf Poschmann

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