„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

1. Teilchenphysik

Die Teilchenphysik widmet sich als Disziplin der Physik der Erforschung und Beschreibung der Teilchen. Teilchen sind relativ kleine Körper, wie etwa Moleküle, Protonen und Quarks.

Befasste sich die klassische Teilchenphysik noch mit Nukleonen und größeren Teilchen, so liegt der Forschungsschwerpunkt der modernen Teilchenphysik auf Neutronen und noch kleineren Teilchen, den Elementarteilchen. Diesen Fortschritt verdankt die Teilchenphysik vor allem den sogenannten Teilchenbeschleunigern. In diesen großen Geräten lässt man kleine Teilchen mithilfe magnetischer Felder beschleunigen und oft miteinander kollidieren. Im Rahmen solcher Experimente werden Messergebnisse gewonnen, die dann theoretisch ausgewertet werden und zu neuen Versuchsanordnung führen. Ein fortdauernder Zyklus von praktischer zur theoretischen Physik und wieder zurück. Den aktuellen Stand innerhalb der Disziplin umfasst das hochsystematische Standardmodell der Elementarteilchenphysik.

2. Elementarteilchenphysik

Elementarteilchen sind definiert als: Die kleinsten bekannten Fermionen; oder: Als nicht weiter teilbare Fermionen, d.h. sie bestehen selbst nicht aus noch kleineren Materieteilchen. Beide Definitionen unterscheiden sich fundamental voneinander. Während die erste unter einem Elementarteilchen ein nach gegenwärtigem Kenntnisstand kleinstes Teilchen versteht, beschränkt sich die zweite Definition nicht mit dem aktuellen Kenntnisstand. Für sie sind Elementarteilchen nur diejenigen Teilchen, die tatsächlich die fundamentalsten Bausteine unseres Universums sind.

Nach der ersten Definition, also nach unserem bisherigen Wissen, gibt es zwei Arten von kleinsten Teilchen bzw. Elementarteilchen: Quarks und Leptonen. Aus Quarks setzen sich beispielsweise die Nukleonen Proton und Neutron zusammen. Das bekannteste Lepton ist das Elektron.

Quarks und Leptonen aber auch im Sinne der zweiten, engeren Definition als Elementarteilchen zu bezeichnen, ist schwierig. Wie ich im folgenden Abschnitt mithilfe einiger philosophischer Argumente zeigen möchte.

2.1. Elementarteilchenphysik - eine mögliche Unmöglichkeit?

·      Das Atommodell

#Wenn man mal tief „in die Materie steigt“..,

stößt man irgendwann auf ein Ende?

Die griechischen Philosophen waren die ersten Europäer, die sich über solcherlei Fragen den Kopf zerbrachen. Woraus besteht die Welt im Kleinsten? Empedokes schlug die vier Elemente Erde, Feuer, Luft und Wasser vor. Aus denen sollte sich alles andere zusammensetzen. Leukipp entstammt die Vorstellung eines Atoms und Demokrit arbeitete das Konzept vom „unzerschneidbaren“ átomos weiter aus. In der Postantike war dann ziemlich lange Stille, konnte man die ganzen tollen Postulate doch nicht empirisch nachweisen. Bis Antoine Lavoisier die ersten Elemente in der Chemie nachwies und wiederrum einige Zeit später klar wurde, dass sich die Elemente aus Atomen zusammensetzen müssen. Im letzten Jahrhundert erst entdeckte man die Protonen und Neutronen und Ende der 60er stellte sich heraus, dass selbst die aus noch kleineren Teilchen – den Quarks – bestehen.

Die feingliedrigsten Materiekonstituenten, die wir kennen, sind diese relativ unscheinbaren Quarks und die Leptonen. Doch sind sie auch die elementaren Bestandteile alles Dinglichem schlechthin? Können wir uns überhaupt irgendwann, unter irgendwelchen Umständen sicher sein, die elementaren Bestandteile der Welt gefunden zu haben? Ich bezweifle beides:

Ein auch noch so kleines Teilchen muss, um den Status eines bloßen Postulats der Theorie zu überwinden, empirisch detektiert werden. Dies geschieht, indem mindestens eines seiner physikalischen Größen durch eine Messung quantitativ nachgewiesen wird. Bei der Größe kann es sich etwa um eine Masse, eine Ladung oder eine räumliche Ausdehnung handeln. Diese Größe müsste wie jede andere auch wieder weiter teilbar sein, wodurch immer noch kleinere Felder bzw. Teilchen zumindest nicht ausgeschlossen werden können. Das Argument mit der Quantisierung bestimmter Größen (siehe: Planck-Einheiten) und deren damit einhergehenden Unteilbarkeit ist zunächst nur als Vermutung einzustufen. Auch bei dem Atom ging man lange Zeit davon aus, dass es nicht weiter teilbar sei und es war es doch. Es gibt generell überhaupt keinen logischen Grund dafür anzunehmen, dass nicht jedes Teilchen in weitere Konstituenten aufgespalten werden können sollte. In gewissem Sinne stößt man auch hier wieder auf das Problem der Letztbegründung.

 

Durch das experimentelle Erfassen eines Teilchens sollte man irgendwann auch bestimmen können, ab welcher Temperatur und ab welchem Druck es anfängt zu existieren. Weiterhin gehen wir davon aus, dass Druck und Temperatur nahe dem Urknall gegen unendlich gingen. Nach dem Standardmodell der Kosmologie gab es zu einem relativ frühen Stadium im Universum irgendwann einmal relativ frei herumschwirrende Quarks, daraus bildeten sich dann mit abnehmender Temperatur bzw. abnehmendem Druck Atomkerne, irgendwann Moleküle usw. Doch woraus sollten sich diese Quarks gebildet haben, wenn nicht aus einem noch kleineren Teilchen X? Woraus sollte sich das Teilchen X gebildet haben, wenn nicht aus einem noch kleineren Teilchen Y usw.? Ersetzt man im vorigen Satz „gebildet“ durch „besteht“, fallen die Parallelen zum ersten Argument auf.

3. Verweise

  • Emergentismus und Reduktionismus: Wie kann es sein, dass Quarks keine Eigenschaften wie Druck oder Farbe kennen, unsere Alltagswelt aber schon? Wo doch nahezu alles aus Quarks besteht?

 

  • Falsifikationismus: Der Falsifikationist hat kein Problem mit der Behauptung, Quarks seien Elementarteilchen. Für ihn sind alle wissenschaftlichen Behauptungen zunächst einmal nichts weiter als Thesen, die es zu widerlegen gilt.

 

  • Feld: Genauso gut wie Teilchen als Bausteine der Materie betrachtet werden können, lassen sie sich auch als minimale Anregungen von Feldern interpretieren.

 

  • Higgs-Boson: Das kürzlich entdeckte Higgs-Boson soll durch einen komplizierten Mechanismus den Elementarteilchen ihre Masse verleihen.

 

  • Quantengravitation: Im ganz Kleinen fehlt uns noch die Beschreibung einer ganz wichtigen Grundkraft: Der Gravitation. Eine Theorie, die die Gravitation in der Welt des ganz Kleinen einbettet, nennt man eine Quantengravitationstheorie. Derzeit gibt es zwei erfolgsversprechende Ansätze zu einer solchen Theorie: Die Stringtheorie und die Loop-Schleifengravitation. Die Loop-Schleifengravitation behält Einsteins Überzeugungen weitgehend bei, führt jedoch die Quantelung von Raum und Zeit ein. Die Stringtheorie indes stellt das komplette Physikverständnis der letzten Jahrzehnte auf den Kopf.

 

  • Quarks: Der römische Philosoph Lukrez kam bereits vor über zweitausend Jahren zu dem Schluss, dass die kleinsten Bestandteile der Materie nicht alleine existieren können, sondern nur als ein untrennbarer Teil einer höhergeordneten Einheit. Dieses „Kriterium“ erfüllen Quarks: Sie sind nie alleine beobachtbar, sondern stets nur im Zusammenschluss, beispielsweise zu Protonen oder Neutronen, mit weiteren Quarks.

 

  • Standardmodell: Hier finden sich alle „Elementarteilchen“, systematisiert nach dem derzeitigen Forschungsstand.

 

  • Stringtheorie: Laut der Stringtheorie ist das Ende der Elementarteilchensuche bereits absehbar. Sie postuliert winzig kleine, eindimensionale Strings. Diese Energiefäden seien die kleinsten, physikalisch beschreibbaren Objekte überhaupt und diese Strings könnten unterschiedlich schwingen und je nachdem, wie sie schwingen, bilden sie ein anderes Materieteilchen. Wenn die String-Theoretiker wirklich Recht behalten, wären infolgedessen die antiken radikalen Atomisten widerlegt. Diese dachten noch, ein átomos, heute würde man sagen Elementarteilchen, also ein unteilbares Teilchen, müsste punktförmig sein. Denn würden sie Raum einnehmen, wären sie zumindest im Prinzip teilbar und damit nicht elementar. Strings aber wären eindimensional.

 

  • Teilchenbeschleuniger: Die Teilchenphysik versucht einige der größten (philosophischen) Fragen der Menschheit zu lüften. Was hält die Welt im Innersten zusammen? Oder eben: Besteht die Welt aus kleinsten Konstituenten? Ihr hilfreichstes Instrument dabei ist der Teilchenbeschleuniger. In diesem werden minimale Effekte mit gewaltigen Hilfsmitteln gemessen. Der bekannteste Teilchenbeschleuniger ist der LHC bei Genf.

 

Stand: 2014

Kommentare: 1
  • #1

    WissensWert (Mittwoch, 08 Februar 2017 00:53)

    Wenn wir mit unserem abendländischen rational-kausalen analytischen Denken ins Kleinste, in die Welt der "Teilchen"-Physik schauen, stoßen wir auf Dinge, die unserem (Primaten-)Verstand nicht mehr zugänglich sind, die wir (im wahrsten Sinne des Wortes) nicht "begreifen" können. Sie passen nicht in unser Weltbild von Rationalität und Kausalität.

    Schon die Entdecker der quantenmechanischen Gesetze, die man laut Heisenberg nur in der Sprache der Mathematik, aber nicht in der menschlichen Sprache beschreiben kann, quälten sich mit philosophischen Interpretationsansätzen:

    "Ich erinnere mich an viele Diskussionen mit Bohr, die bis spät in die Nacht dauerten und fast in Verzweiflung endeten. Und wenn ich am Ende solcher Diskussionen allein einen Spaziergang im benachbarten Park unternahm, wiederholte ich immer und immer wieder die Frage, ob die Natur wirklich so absurd sein könne, wie sie uns in diesen Atomexperimenten erschien."
    Werner Heisenberg

    "Wir dachten immer, wenn wir Eins kennen, dann kennen wir auch Zwei, denn Eins und Eins sind Zwei. Jetzt finden wir heraus, daß wir lernen müssen, was und bedeutet.
    (Sir Arthur Eddington, engl. Astronom, Physiker, Mathematiker und Philosoph 1882-1944)

    "Wer über die Quantentheorie nicht entsetzt ist, der hat sie nicht verstanden."
    (Niels Bohr; Nobelpreis 1922)

    "Wenn es bei dieser verdammten Quantenspringerei bleiben soll, so bedaure ich, mich mit der Quantentheorie überhaupt befaßt zu haben".
    (Erwin Schrödinger 1926 gegen die stochastische Deutung)

    "Wenn mir Einstein ein Radiotelegramm schickt, er habe nun die Teilchennatur des Lichtes endgültig bewiesen, so kommt das Telegramm nur an, weil das Licht eine Welle ist."
    (Niels Bohr, Nobelpreis 1922)

    Um schließlich zur Feststellung zu kommen, dass sie nicht begreifbar ist:

    "Wer sagt, er hat die Quantenmechanik verstanden, der hat sie nicht verstanden!"
    (Physik-Nobelpreisträger Richard Feynman)

    Bereits Niels Bohr fand Zusammenhänge zur östlichen Philosophie. Sehr gut dargestellt hat dies Christian Thomas Kohl in Buddhismus und Quantenphysik: Schlussfolgerungen über die Wirklichkeit

    http://www.amazon.de/Buddhismus-Quantenphysik-Schlussfolgerungen-über-Wirklichkeit/dp/386410033X

    hier zusammengefasst:

    http://www.raum-und-zeit.com/r-z-online/bibliothek/bewusstsein/quantenphysik-und-spiritualitaet/

    In Einklang mit aktuellen Erkenntnissen von Evolutionsbiologie und Hirnforschung über den menschlichen Verstand führt es dazu, dass wir zu perfekter Selbsttäuschung, zu zu stark vereinfachendem Denken und zum Ausblenden von Widersprüchen und Komplementarität neigen, sozusagen empistemologisch (erkenntnistheoretisch) impotent sind.

    Viele "retten" sich aus der Misere der Quantenmechanik, indem sie sie eben in statistisches Rauschen im bedeutungslosen subatomaren Bereich ohne Bedeutung für unser tägliches Leben verbannen. Aber abgesehen davon, dass sie die Grundstruktur des Raumzeit-Kontinuums bestimmt, in dem wir leben, davon, dass wir längst technologisch Quanteneffekte in Halbleitertechnik nutzen und noch viele Anwendungen z.B. in der Kryptographie vorstellbar sind, hat man entdeckt, dass wir die Quanteneffekte sogar in den größten Objekten unseres Universums wiederfinden: in der Struktur der Supercluster von Galaxien und der Hintergrundstrahlung:

    http://www.astronews.com/news/artikel/2013/07/1307-019.shtml


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