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Okay, pass auf, lass uns mal hier einen Podcast-Skript draus machen, so richtig schön locker und flockig, ja?
Also, wo fangen wir denn an? Ach ja, bei den Wurzeln. Krass, ne? Wir sprechen hier über Quantengravitation und fangen bei irgendwelchen alten Griechen an, vor 26 Jahrhunderten! Ich weiß, klingt erstmal komisch, aber hey, ich verspreche euch, das macht Sinn. Wartet's ab.
Weißt du, wenn man verstehen will, wo wir heute stehen, muss man halt auch mal gucken, wo wir herkommen. Viele von den Ideen, die für unser Weltbild echt wichtig sind, die haben ihren Ursprung schon vor über zweitausend Jahren. Und wenn wir uns das mal kurz anschauen, dann wird das Ganze, was danach kommt, auch gleich viel klarer und verständlicher.
Und außerdem, es gibt Fragen, die wurden schon in der Antike gestellt, die sind bis heute relevant. Einige der neuesten Ideen über die Struktur des Raumes, die greifen auf Konzepte und Fragen zurück, die schon echt alt sind. Und wenn wir über diese alten Ideen sprechen, dann werde ich auch immer mal wieder drauf hinweisen, welche Fragen für die Quantengravitation besonders wichtig sind.
Man kann also sagen, bei der Quantengravitation, da gibt's so zwei Arten von Ideen: Die einen, die sind uns vielleicht nicht so bewusst, die reichen aber bis zu den allerersten Anfängen des wissenschaftlichen Denkens zurück. Und die anderen, die sind halt wirklich komplett neu. Und wir werden sehen, wie eng die Fragen der alten Wissenschaftler mit den Antworten von Einstein und der Quantengravitation zusammenhängen. Echt faszinierend!
Also, erstmal zu den ganz kleinen Dingen. Da gibt's so eine Legende, dass um 450 vor Christus irgendwer ein Schiff von Milet nach Abdera genommen hat. Klingt jetzt nicht so aufregend, aber das war ne wichtige Reise für die Wissenschaft.
Der Typ wollte wahrscheinlich vor den politischen Unruhen in Milet fliehen, da haben sich die Reichen gerade gegenseitig die Macht abgenommen. Milet war damals so eine richtig fette griechische Stadt, vielleicht sogar die wichtigste überhaupt, bevor Athen und Sparta so richtig durchgestartet sind. War halt ein wichtiges Handelszentrum, hat fast hundert Siedlungen und Handelsdörfer kontrolliert, vom Schwarzen Meer bis nach Ägypten. Da kamen Karawanen aus Mesopotamien und Schiffe aus dem Mittelmeer an, und so haben sich natürlich auch jede Menge Ideen verbreitet.
In Milet, da hat sich in dem Jahrhundert davor so eine Art Revolution abgespielt, zumindest im Kopf. Da haben ein paar Denker angefangen, anders über die Welt nachzudenken. Der Größte von denen war Anaximander.
Seitdem es Texte gibt, oder zumindest seitdem wir Texte haben, fragen sich die Menschen: Wie ist die Welt entstanden? Woraus besteht sie? Warum ist alles so ordentlich? Warum gibt es Naturphänomene? Und jahrtausendelang gab's immer die gleichen Antworten: Irgendwelche Geschichten über Geister, Götter, Fantasiegestalten, sowas halt. Keilschriften, chinesische Schriftzeichen, Hieroglyphen in Pyramiden, Mythen der Sioux, alte indische Texte, die Bibel, afrikanische Legenden, Geschichten der australischen Ureinwohner… Klingt ja alles ganz nett, aber im Grunde ist es halt immer dasselbe. Irgendwelche gefiederten Schlangen, heilige indische Kühe, Götter, die mal wütend, mal freundlich sind, die im Himmel rumhusten oder mit "Es werde Licht!" die Welt erschaffen oder aus nem Ei zaubern.
Aber dann kamen Thales und seine Schüler Anaximander und Hekataios und ihre Schule in Milet im 5. Jahrhundert vor Christus. Die haben einen anderen Weg gefunden, um Antworten zu finden. Diese Denkrevolution hat so ein neues Modell von Wissen und Verständnis geschaffen, so ne Art Morgendämmerung des wissenschaftlichen Denkens.
Die Leute von Milet, die haben gecheckt, dass man die Welt besser verstehen kann, wenn man genau beobachtet und logisch denkt. Anstatt irgendwelche Fantasien, alte Mythen oder Religion zu bemühen. Und das Wichtigste war, kritisch zu denken, um so neue Aspekte der Realität zu entdecken, die in den gängigen Meinungen versteckt sind. Und so neue Dinge zu finden.
Vielleicht noch wichtiger war, dass die eine neue Art zu denken gefunden haben: Die Schüler mussten nicht mehr die Ideen ihres Meisters einfach nur befolgen und gut finden, sondern konnten die Ideen weiterentwickeln, ohne Angst haben zu müssen, dass sie etwas verändern oder kritisieren. Das war so der Mittelweg, zwischen blinder Anhängerschaft und totaler Ablehnung. Das war super wichtig für die Entwicklung der Philosophie und der Wissenschaft. Von da an ist das Wissen dann immer schneller gewachsen. Klar, auch weil es schon Wissen gab, aber vor allem, weil man kritisch sein und das Wissen verbessern und das Verständnis vertiefen konnte. Hekataios hat sein Geschichtsbuch mit so nem krassen Satz angefangen, der genau das aussagt: "Ich schreibe das, was mir richtig erscheint, denn die Darstellungen der Griechen sind widersprüchlich und unlogisch."
Es gab ja die Geschichte, dass Herakles von Kap Tenaro in die Unterwelt abgestiegen ist. Hekataios ist dahin gefahren und hat gecheckt, dass es da keine unterirdischen Gänge oder irgendwas gibt, was zur Unterwelt führt. Also hat er gesagt, die Geschichte ist Quatsch. Das war der Beginn einer neuen Zeit.
Diese neue Methode, Wissen zu erlangen, die hat echt was gebracht. Innerhalb von ein paar Jahren hat Anaximander gecheckt, dass die Erde im Raum schwebt, dass sich der Himmel unter der Erde fortsetzt, dass Regen durch Verdunstung von Oberflächenwasser entsteht, dass man die verschiedenen Stoffe der Welt durch eine einfache, einheitliche Substanz verstehen kann, die er "Apeiron" genannt hat, was so viel wie "unbegrenzt" bedeutet. Und dass sich Tiere und Pflanzen weiterentwickeln und sich an die Umwelt anpassen, und dass der Mensch sich wahrscheinlich aus anderen Tieren entwickelt hat. So ist langsam die Grundgrammatik entstanden, um die Welt zu verstehen, und die gilt im Großen und Ganzen bis heute.
Milet war halt so ein Knotenpunkt zwischen der neuen griechischen Zivilisation und den alten Reichen Mesopotamiens und Ägyptens, die ihr Wissen weitergegeben haben. Gleichzeitig gab's in Griechenland halt auch politische Freiheit. Es gab keine Könige oder mächtige Priester, und die Bürger konnten auf dem Marktplatz frei über ihr Schicksal diskutieren. In Milet konnten die Menschen zum ersten Mal gemeinsam Gesetze machen. Das erste offizielle Treffen der Geschichte fand in Panionion statt, das war so ne Art Versammlung der ionischen Delegierten. Und gleichzeitig haben die Leute angefangen zu bezweifeln, ob wirklich nur Götter die Geheimnisse der Welt erklären können. Durch Diskussionen konnte man die besten Entscheidungen für die Gemeinschaft treffen. Und durch Diskussionen konnte man die Welt verstehen. Das ist das wertvolle Erbe von Milet, die Wiege der Philosophie, der Naturwissenschaften, der Geografie und der Geschichte. Man kann ohne Übertreibung sagen, dass die ganze wissenschaftliche und philosophische Tradition, vom Mittelmeer bis heute, ihre Wurzeln in den Ideen der Denker von Milet im 6. Jahrhundert vor Christus hat.
Aber dann ist Milet leider untergegangen. 494 vor Christus sind die Perser eingefallen, der Widerstand ist gescheitert, die Stadt wurde zerstört und viele Einwohner wurden versklavt. In Athen hat der Dichter Phrynichos das Theaterstück "Der Fall von Milet" geschrieben, das die Athener so traurig gemacht hat, dass es verboten wurde, weil es zu viele schmerzhafte Erinnerungen geweckt hat. Aber zwanzig Jahre später haben die Griechen die Perser zurückgeschlagen, und Milet ist wieder auferstanden. Die Leute sind zurückgekommen, und die Stadt ist wieder ein Handels- und Ideenzentrum geworden, das seine Ideen und seinen Geist verbreitet hat.
Dieser Typ, von dem wir am Anfang gesprochen haben, der muss von diesem Geist echt begeistert gewesen sein. Er ist um 450 vor Christus von Milet nach Abdera aufgebrochen. Sein Name war Leukipp. Wir wissen nicht viel über ihn. Er hat ein Buch namens "Die Große Kosmologie" geschrieben, und in Abdera hat er eine Schule gegründet, in der er Wissenschaft und Philosophie unterrichtet hat. Kurz darauf hat er einen jungen Schüler namens Demokrit aufgenommen, der die Ideen der Welt stark beeinflussen sollte.
Die beiden Denker haben gemeinsam das große Gebäude der klassischen Atomlehre gebaut. Leukipp war der Lehrer, und Demokrit war sein genialer Schüler, der viele Bücher über alle möglichen Wissensgebiete geschrieben hat. Seneca hat ihn den "weiseesten der Alten" genannt. Und Cicero hat gefragt: "Wie groß war er nicht nur durch seinen Geist, sondern auch durch seine Moral. Wer kann ihm gleichkommen?"
Was haben Leukipp und Demokrit entdeckt? Die Leute aus Milet wussten, dass man die Welt durch die Vernunft verstehen kann. Sie waren sich sicher, dass man die Naturphänomene auf etwas Einfaches zurückführen kann, und sie haben versucht herauszufinden, was das sein könnte. Sie haben sich eine Art Grundstoff vorgestellt, aus dem alles besteht. Anaximenes aus Milet hat sich vorgestellt, dass sich dieser Stoff zusammenzieht und ausdehnt, um so aus einem Element ein anderes zu machen. Das war der Beginn der Physik, auch wenn es noch sehr grob und einfach war, aber die Richtung hat gestimmt. Jetzt brauchte man noch eine geniale Idee und einen weiteren Blick, um die verborgene Ordnung der Welt zu verstehen. Leukipp und Demokrit hatten diese Idee.
Die Idee von Demokrit war total einfach: Das ganze Universum besteht aus leerem Raum und unendlich vielen Atomen, die sich darin bewegen. Der Raum ist unendlich, es gibt kein Oben und Unten, keine Mitte und keine Grenzen. Die Atome haben keine Eigenschaften, außer ihrer Form. Sie haben kein Gewicht, keine Farbe und keinen Geschmack. "Süß ist, was man so nennt, bitter ist, was man so nennt, heiß ist, was man so nennt, kalt ist, was man so nennt, Farbe ist auch nur so ne Sache, in Wirklichkeit gibt es nur Atome und leeren Raum."
Die Atome sind unteilbar. Sie sind die kleinsten Teilchen, aus denen alles besteht. Sie können nicht weiter geteilt werden. Sie bewegen sich frei im Raum und stoßen zusammen. Sie haken sich aneinander fest und ziehen sich gegenseitig an. Ähnliche Atome ziehen sich an.
So ist die Welt aufgebaut, so ist die Realität. Alles andere ist nur ein Nebenprodukt dieser Bewegung und der Verbindung von Atomen, zufällig und unvorhersehbar. Die unendliche Vielfalt der Stoffe in der Welt entsteht einfach nur durch die Art, wie sich die Atome verbinden.
Wenn sich Atome verbinden, dann sind nur noch die Form, die Anordnung und die Reihenfolge der Verbindung wichtig. So wie man mit Buchstaben ein Theaterstück schreiben kann, egal ob Komödie oder Tragödie, oder ein Gedicht, so können die Atome die Welt verändern. So hat Demokrit das erklärt.
Dieser ewige Tanz der Atome, der hat kein Ende und keinen Sinn. Wir und der Rest der Natur sind nur eines von vielen Nebenprodukten dieses endlosen Tanzes, alle durch zufällige Verbindungen entstanden. Die Natur probiert immer wieder neue Formen und Strukturen aus. Wir und die Tiere sind nur zufällige Produkte der Zeit. Unser Leben ist die Verbindung von Atomen, unsere Gedanken bestehen aus feineren Atomen, Träume sind auch nur Atome. Hoffnungen und Gefühle werden durch Atomverbindungen ausgedrückt. Das Licht, das wir sehen, besteht auch aus Atomen. Das Meer besteht aus Atomen, Städte und Sterne auch. So ein weiter Blick und so unglaublich einfach, diese Macht ist erstaunlich. Das ganze Wissen der Zivilisation sollte später darauf aufbauen.
Darauf aufbauend hat Demokrit viele Bücher geschrieben, in denen er ein großes System erklärt hat, das Physik, Philosophie, Ethik, Politik und Kosmologie behandelt hat. Er hat über das Wesen der Sprache, die Religion, den Ursprung der menschlichen Gesellschaft usw. geschrieben. Sein Buch "Kleine Kosmologie" fängt mit dem beeindruckenden Satz an: "In diesem Werk untersuche ich alles." Aber alle diese Werke sind verloren gegangen. Wir wissen nur durch Zitate anderer antiker Autoren und durch ihre Zusammenfassungen von Demokrits Ideen, was er gedacht hat. Seine Gedanken zeigen einen starken Humanismus, Rationalismus und Materialismus. Nachdem er die Überreste des Mythos beseitigt hatte, wurde Demokrit von einem einfachen Naturalismus inspiriert, interessierte sich für die Natur, kümmerte sich um die Menschen und hatte eine tiefe moralische Sorge um das Leben. Das war fast zweitausend Jahre früher als ähnliche Ideen in der Aufklärung des 18. Jahrhunderts. Demokrits moralisches Ideal war, durch Mäßigung und Ausgeglichenheit, durch das Vertrauen auf die Vernunft, nicht von Emotionen beherrscht zu werden und so zu innerer Ruhe zu gelangen.
Platon und Aristoteles kannten Demokrits Ansichten und waren dagegen. Sie hatten andere Ansichten, die das Wachstum des Wissens in der Folgezeit behinderten. Sie lehnten Demokrits naturalistische Erklärung entschieden ab und befürworteten eine teleologische Sicht der Welt, d.h. sie glaubten, dass alles einen Zweck hat. Diese Denkweise, die Natur zu verstehen, ist sehr irreführend, da sie menschliche Angelegenheiten mit der Natur verwechselt, indem sie teleologisch in Kategorien von Gut und Böse denkt.
Aristoteles hat Demokrits Ansichten ausführlich und mit Respekt erörtert, während Platon Demokrit nie zitiert hat. Heutige Gelehrte glauben, dass dies nicht daran lag, dass Platon seine Werke nicht kannte, sondern dass er dies absichtlich tat. Die Kritik an Demokrits Ansichten ist in Platons Texten sehr subtil, so wie seine Kritik an den Physikern. In "Phaidon" formuliert Platon durch Sokrates' Mund eine Kritik an allen Physikern, die für die Nachwelt nachhaltige Folgen hatte. Er beklagte sich darüber, dass die Physiker die Erde als rund erklärten. Er war dagegen, weil er sich nicht vorstellen konnte, welchen Nutzen die Rundung der Erde haben sollte. Der Sokrates, den Platon zeichnet, erzählt, wie er anfangs voller Erwartungen an die Physik war, aber wie er schließlich keine Illusionen mehr hatte:
"Ich hoffte, er würde mir sagen, ob die Erde flach oder rund ist. Und dann erklären, warum die Erde flach oder rund ist, was notwendig ist. Er sollte mir sagen, was gut daran ist, warum die Erde am besten so ist, wie sie jetzt ist. Wenn er sagen würde, dass die Erde das Zentrum des Universums ist, müsste er sagen, warum es am besten ist, dass die Erde im Zentrum steht."
Der große Platon war völlig auf dem Holzweg!
Gibt es eine Grenze der Teilung?
Richard Feynman, einer der größten Physiker des 20. Jahrhunderts, schrieb zu Beginn seiner Physikvorlesung:
"Wenn durch eine Katastrophe das gesamte wissenschaftliche Wissen verloren ginge und nur ein Satz an die nächste Generation weitergegeben werden könnte, wie könnte man dann mit möglichst wenigen Worten die meisten Informationen vermitteln? Ich glaube, dieser Satz wäre die Atomhypothese (oder die Atomtheorie, wie auch immer man es ausdrücken will): Alle Körper bestehen aus Atomen – das sind winzige Teilchen, die sich ständig bewegen. Wenn sie sich leicht voneinander entfernen, ziehen sie sich an, wenn sie zu nahe beieinander sind, stoßen sie sich ab. Wenn man ein wenig nachdenkt, wird man feststellen, dass dieser Satz eine riesige Menge an Informationen über die Welt enthält."
Ohne Kenntnisse der modernen Physik kam Demokrit zu dem Schluss, dass alles aus unteilbaren Teilchen besteht. Wie hat er das gemacht?
Seine Argumentation beruhte auf Beobachtungen: So vermutete er beispielsweise, dass die Abnutzung von Rädern oder das Trocknen von Kleidung darauf zurückzuführen ist, dass Holz- oder Wasserteilchen langsam wegfliegen. Außerdem hatte er philosophische Argumente. Auf diese werden wir uns konzentrieren, weil diese Argumente bis zur Quantengravitation weitergeführt werden können.
Demokrit entdeckte, dass Materie keine kontinuierliche Gesamtheit sein kann, weil der Satz "Materie ist eine kontinuierliche Gesamtheit" einen Widerspruch enthält. Dank der Überlieferung des Aristoteles können wir Demokrits Argumentation nachvollziehen. Demokrit sagte, wenn Materie unendlich teilbar wäre, würde das bedeuten, dass sie unendlich oft geteilt werden kann. Stellen wir uns vor, wir teilen ein Stück Materie unendlich oft. Was bleibt dann übrig?
Bleiben winzige Teilchen mit Dimensionen übrig? Nein, denn in diesem Fall wäre die Materie nicht unendlich geteilt worden. Es blieben also nur Punkte ohne Dimensionen übrig. Aber lasst uns diese Punkte jetzt zusammensetzen: Wenn man zwei Punkte ohne Dimensionen zusammensetzt, erhält man nichts mit Dimensionen, auch nicht mit drei oder vier Punkten. Egal wie viele Punkte man zusammensetzt, man erhält keine Dimension, weil die Punkte selbst keine Dimension haben. Wir glauben daher, dass Materie nicht aus Punkten ohne Dimensionen bestehen kann, weil wir, egal wie viele Punkte wir zusammensetzen, nichts mit Dimensionen erhalten. Demokrit schloss daraus, dass die einzige Möglichkeit darin besteht, dass jede Materie aus einer begrenzten Anzahl von nicht-kontinuierlicher Materie besteht, die nicht mehr teilbar ist und eine begrenzte Größe hat: nämlich Atome.
Dieses ausgeklügelte Argumentationsmuster ist älter als Demokrit. Es stammt aus der Region Cilento in Süditalien, einer kleinen Stadt namens Velia. Im 5. Jahrhundert vor Christus war dies eine blühende griechische Siedlung namens Elea. Dort lebte Parmenides, der als Philosoph den Rationalismus von Milet und die dort entstandene Idee erbte: Die Vernunft kann uns zeigen, wie die Dinge wirklich sind, und nicht wie sie erscheinen. Parmenides entwickelte eine Methode, um durch reine Vernunft zur Wahrheit zu gelangen, und behauptete, dass alle Erscheinungen Illusionen sind, wodurch er eine Denkweise aufzeigte, die sich allmählich von dem entfernte, was später als "Naturwissenschaften" bezeichnet werden sollte. Sein Schüler Zeno, ebenfalls aus Elea, entwickelte ausgeklügelte Argumente, um diesen Rationalismus zu beweisen, und widerlegte vehement die Glaubwürdigkeit der Erscheinungen. Zu diesen Argumenten gehört eine Reihe von Paradoxien, die später als "Zenos Paradoxien" bezeichnet wurden; diese Paradoxien versuchten zu zeigen, dass alle Erscheinungen unwahr sind, und behaupteten, dass das übliche Konzept der Bewegung absurd ist.
Eines von Zenos berühmtesten Paradoxien wird in Form einer Fabel dargestellt: Eine Schildkröte fordert Achilles
[1]
zu einem Wettlauf heraus, wobei die Schildkröte mit einem Vorsprung von zehn Metern startet. Kann Achilles die Schildkröte einholen? Zeno behauptet, dass die strenge Logik zeigt, dass er die Schildkröte nie einholen kann. Bevor er die Schildkröte einholen kann, muss Achilles diese zehn Meter zurücklegen, und das wird einige Zeit dauern. In dieser Zeit wird sich die Schildkröte ein Stück weiterbewegt haben. Um diese Strecke aufzuholen, muss Achilles noch etwas Zeit aufwenden, aber gleichzeitig wird sich die Schildkröte weiterbewegt haben, und so weiter. Achilles benötigt also unendlich viele solcher Zeitabschnitte, um die Schildkröte einzuholen, und Zeno glaubte, dass unendlich viele Zeitabschnitte unendlich viel Zeit bedeuten. Nach strenger Logik benötigt Achilles also unendlich viel Zeit, um die Schildkröte einzuholen; wir werden ihn nie dabei beobachten können. Wir können aber sehr wohl beobachten, wie Achilles die Schildkröte einholt und er so viele Schildkröten überholen kann, wie er möchte. Also ist das, was wir sehen, unlogisch, eine Illusion.
Offen gesagt, ist dies schwer zu glauben. Wo liegt das Problem? Eine mögliche Antwort ist, dass Zeno sich irrt, weil es nicht richtig ist, dass man durch die Anhäufung einer unendlichen Anzahl von Dingen etwas Unendliches erhält. Stellen wir uns vor, wir nehmen ein Stück Seil, schneiden es in der Mitte durch und schneiden dann die Hälfte wieder ab, und das unendlich oft. Am Ende erhält man unendlich viele kleine Seilstücke. Die Summe dieser unendlich vielen Stücke ist jedoch begrenzt, da sie nur die Länge des ursprünglichen Seils ergeben. So wird aus einer unendlichen Anzahl von Seilstücken ein Seil von begrenzter Länge, und aus einer unendlichen Anzahl von sich allmählich verkürzenden Zeitabschnitten wird eine begrenzte Zeit. Unser Held muss zwar eine unendliche Anzahl von Strecken zurücklegen, aber er kann dies in einer begrenzten Zeit tun und so die Schildkröte einholen.
Das Paradox scheint gelöst zu sein. Die Lösung liegt in der Vorstellung vom Kontinuum – beliebig kleine Zeitabschnitte können existieren, aber eine unendliche Anzahl solcher Zeitabschnitte wird zu einer begrenzten Zeit. Aristoteles war der Erste, der dies intuitiv erkannte, und die antike und moderne Mathematik haben dies später weiterentwickelt.
[2]
Aber ist das wirklich die Antwort in der realen Welt? Gibt es wirklich ein beliebig kurzes Seil? Können wir ein Stück Seil wirklich beliebig oft teilen? Gibt es unendlich kleine Zeiten? Das ist genau die Frage, mit der sich die Quantengravitation auseinandersetzen muss.
Der Legende nach traf Zeno Leukipp und wurde sein Lehrer. Leukipp kannte Zenos Rätsel sehr gut, aber er entwickelte eine andere Lösung. Leukipp schlug vor, dass es vielleicht kein beliebig kleines Ding gibt und dass die Teilung eine Untergrenze hat.
Das Universum ist getrennt und nicht kontinuierlich. Wenn es unendlich kleine Punkte gäbe, könnten keine Dimensionen entstehen – wie Demokrit argumentierte und Aristoteles zitierte. Daher muss ein Seil aus einer begrenzten Anzahl von Objekten mit begrenzter Größe bestehen. Wir können ein Seil nicht so oft schneiden, wie wir wollen; Materie ist nicht kontinuierlich, sie besteht aus einzelnen Atomen mit begrenzter Größe.
Unabhängig davon, ob dieses abstrakte Argument richtig ist oder nicht, enthält seine Schlussfolgerung – soweit wir heute wissen – viele Fakten. Materie hat tatsächlich eine atomare Struktur. Wenn ich einen Tropfen Wasser halbiere, erhalte ich zwei Tropfen Wasser. Ich kann diese beiden Tropfen immer wieder teilen, und so weiter. Aber ich kann nicht unendlich oft teilen. An einem bestimmten Punkt bleibt nur noch ein Molekül übrig, und das war's. Es gibt keinen kleineren Wassertropfen als ein Wassermolekül.
Woher wissen wir das? Wir haben über Jahrhunderte hinweg Beweise gesammelt, die meisten davon aus der Chemie. Chemische Substanzen entstehen durch die Verbindung verschiedener Elemente, und zwar in ganzzahligen Verhältnissen. Chemiker haben eine Denkweise über Materie entwickelt, die davon ausgeht, dass Materie aus Molekülen besteht und dass ein bestimmtes Molekül aus Atomen in einem festen Verhältnis besteht. Wasser – H2
O – besteht beispielsweise aus zwei Teilen Wasserstoff und einem Teil Sauerstoff.
Aber das sind nur Anhaltspunkte. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts gab es immer noch viele Wissenschaftler und Philosophen, die die Atomhypothese nicht für glaubwürdig hielten, darunter der berühmte Physiker und Philosoph Ernst Mach, dessen Raumvorstellungen Einsteins Weltbild maßgeblich beeinflusst haben. Ludwig Boltzmann hielt einen Vortrag in der Wiener Akademie der Wissenschaften, und gegen Ende des Vortrags erklärte Mach öffentlich: "Ich glaube nicht an die Existenz von Atomen!" Das war 1897. Viele Wissenschaftler wie Mach verstanden chemische Symbole lediglich als eine gängige Methode zur Zusammenfassung der Gesetze chemischer Reaktionen, nicht als Beweis für die tatsächliche Existenz von Wassermolekülen, die aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom bestehen. Sie sagten, man könne Atome nicht sehen, Atome könnten nie gesehen werden, und dann fragten sie: Wie groß sind Atome überhaupt? Demokrit hat die Größe von Atomen nie gemessen...
Aber jemand konnte es tun. Die genauen Beweise für die "Atomhypothese" wurden erst 1905 von einem erst fünfundzwanzigjährigen, rebellischen jungen Mann gefunden, der Physik studierte, aber keine Stelle als Wissenschaftler bekam und seinen Lebensunterhalt als Angestellter im Berner Patentamt verdiente. In diesem Buch werde ich viel über diesen jungen Mann und die drei Artikel schreiben, die er an die damals maßgebliche Fachzeitschrift für Physik – Annalen der Physik – schickte. Der erste dieser Artikel enthielt den entscheidenden Beweis für die Existenz von Atomen und berechnete die Größe von Atomen, womit er ein Problem löste, das Leukipp und Demokrit dreiundzwanzig Jahrhunderte zuvor aufgeworfen hatten.
Dieser fünfundzwanzigjährige junge Mann hieß bekanntlich Albert Einstein.
Wie hat er das gemacht? Seine Idee war erstaunlich einfach, und seit Demokrits Zeiten hätte es jeder machen können, der so schlau ist wie Einstein und sich gut mit Mathematik auskennt, um nicht ganz einfache Berechnungen durchzuführen. Seine Idee war folgende: Wenn wir sehr kleine Teilchen genau beobachten, wie z. B. Staub- oder Blütenstaubkörner, die in der Luft oder in Flüssigkeiten schweben, sehen wir, dass sie vibrieren und springen. Durch die Vibration bewegen sie sich zufällig, driften langsam ab und entfernen sich allmählich von ihrer ursprünglichen Position. Diese Bewegung von Teilchen in einer Flüssigkeit wird als Brownsche Bewegung bezeichnet, benannt nach dem Biologen Robert Brown, der dieses Phänomen im 19. Jahrhundert ausführlich beschrieben hat. Die typische Bahn eines solchen Teilchens ist in Abbildung 1.4 dargestellt. Es scheint, als ob das Teilchen zufällig in alle Richtungen gestört wird. Tatsächlich wird es aber nicht nur "scheinbar" gestört, sondern tatsächlich gestört. Das Teilchen vibriert, weil es von Luftmolekülen gestört wird, die von links und rechts mit dem Teilchen zusammenstoßen.
Abbildung 1.3 Albert Einstein
Abbildung 1.4 Typische Brownsche Bewegung
Der Clou kommt erst noch. In der Luft gibt es eine große Anzahl von Gasmolekülen. Es stoßen genauso viele von links auf das Teilchen wie von rechts. Wenn die Gasmoleküle unendlich klein und unendlich viele wären, würden sich die Einwirkungen von links und von rechts ausgleichen, sich in jedem Moment gegenseitig aufheben und sich das Teilchen nicht bewegen. Da die Moleküle aber eine begrenzte Größe und eine begrenzte Anzahl haben – und nicht unendlich viele sind –, kommt es zu Fluktuationen (das ist das Schlüsselwort): Das heißt, die Stöße gleichen sich nie vollständig aus, sondern heben sich nur größtenteils auf. Stellen wir uns vor, dass in einem bestimmten Moment die Anzahl der Moleküle begrenzt und ihr Volumen groß ist. Das Teilchen wird zufällig von einem deutlich spürbaren Stoß getroffen; mal von links, mal von rechts. Zwischen den beiden Stößen bewegt es sich deutlich hin und her, wie ein Fußball, der von Kindern auf einem Spielplatz getreten wird. Andererseits gilt: Je kleiner die Moleküle sind, desto kürzer ist der Abstand zwischen den Stößen, desto leichter lassen sich die Stöße aus verschiedenen Richtungen ausgleichen und gegenseitig aufheben, und desto weniger bewegt sich das Teilchen.
Mit ein wenig Mathematik kann man dies berechnen und von der beobachtbaren Bewegung der Teilchen auf die Größe der Moleküle schließen. Wie ich bereits erwähnt habe, gelang dies Einstein im Alter von fünfundzwanzig Jahren. Durch die Beobachtung von Teilchen, die in einer Flüssigkeit driften, und durch die Messung, wie viel sie "driften" – wie viel sie sich von einer Position entfernen – berechnete er die Größe von Demokrits Atomen, die Größe der grundlegenden Teilchen, aus denen Materie besteht. Dreitausenddreihundert Jahre später lieferte er den Beweis für Demokrits Erkenntnis: Materie ist gleich Teilchen.
Über das Wesen der Dinge
"Solange die Welt besteht, werden Lukrez' Verse nicht vergehen."
– Ovid
Ich war immer der Meinung, dass der Verlust aller Werke des Demokrit
[3]
die schmerzhafteste intellektuelle Tragödie des Zusammenbruchs der klassischen Zivilisation ist. Wenn man sich in den Fußnoten die Liste seiner Werke ansieht und sich vorstellt, was uns an antikem wissenschaftlichem Denken entgangen ist, kann man nicht anders als frustriert sein.
Die Werke des Aristoteles sind vollständig erhalten geblieben, und auf ihnen wurde das westliche Denken wieder aufgebaut, nicht auf denen des Demokrit. Vielleicht wäre die Ideengeschichte unserer Zivilisation besser verlaufen, wenn alle Werke des Demokrit erhalten geblieben wären und alle Werke des Aristoteles verloren gegangen wären...
Die von einem monotheistischen Glauben dominierten Jahrhunderte sollten Demokrits Naturalismus jedoch nicht überleben. 390 erließ Kaiser Theodosius ein Dekret, das das Christentum zur einzigen rechtmäßigen Religion erklärte und Andersgläubige brutal unterdrückte. Die alten Schulen von Athen und Alexandria wurden geschlossen und alle Texte, die nicht mit den christlichen Lehren übereinstimmten, wurden vernichtet. Heiden, die an die Unsterblichkeit der Seele oder an einen ersten Beweger glaubten, wie Platon und Aristoteles, konnten von den siegreichen Christen toleriert werden, Demokrit jedoch nicht.
Ein Werk überlebte jedoch die Katastrophe und wurde vollständig überliefert. Dank ihm haben wir ein wenig Einblick in die klassische Atomlehre und vor allem in den wissenschaftlichen Geist. Dieses Werk ist das großartige Gedicht "Über das Wesen der Dinge" des römischen Dichters Lukrez.
Lukrez folgte der Philosophie des Epikur, der ein Schüler eines Schülers des Demokrit war. Epikur interessierte sich mehr für ethische als für wissenschaftliche Fragen. Er erreichte nicht die Tiefe des Demokrit und erklärte die Atomlehre des Demokrit manchmal etwas oberflächlich, aber seine Sicht der natürlichen Welt stimmte im Großen und Ganzen mit der des großen Philosophen von Abdera überein. Lukrez drückte die Atomlehre des Epikur und des Demokrit in Gedichtform aus und bewahrte so eine Philosophie von so tiefgreifender Bedeutung vor der intellektuellen Verwüstung des dunklen Zeitalters. Lukrez besang die Atome der Natur, die Meere und den Himmel. Er drückte philosophische Fragen, wissenschaftliche Ansichten und ausgeklügelte Argumente in weisen Versen aus.
"...Ich werde auch enthüllen, welche Kräfte die Natur als Steuermann lenken, um die Sonne zu bewegen und die Reise des Mondes zu verfolgen, damit wir nicht meinen, sie würden aus freiem Willen Jahr für Jahr ihre Bahnen beschreiten...oder damit wir nicht meinen, sie würden nach dem Willen der Götter gelenkt."
Die Schönheit des Gedichts liegt in der Wahrnehmung des Wunders der atomistischen Weltsicht, in der Wahrnehmung der tiefen Einheit aller Dinge, die auf der Erkenntnis beruht, dass wir und die Sterne und die Meere aus derselben Substanz bestehen:
"Wir alle stammen aus demselben Samen,
haben denselben Vater,
die Erde, die uns wie eine Mutter nährt,
die klare Regentropfen empfängt,
hellen Weizen hervorbringt,
üppige grüne Bäume,
und Menschen,
und alle Arten von Tieren,
die Nahrung liefern, Lebewesen nähren,
ein glückliches Leben führen,
Nachkommen zeugen..."
Das Gedicht vermittelt ein Gefühl von Ruhe und Frieden, das aus der Erkenntnis resultiert, dass es keine unberechenbaren Götter gibt, die von uns verlangen, extrem schwierige Dinge zu tun und uns zu bestrafen. In einer lebhaften und unbeschwerten Atmosphäre würdigt der wunderbare Beginn des Gedichts Venus, die lebendige Figur, die die Schöpferkraft der Natur symbolisiert:
"Vor dir, Göttin, wenn du erscheinst,
fliehen die tosenden Winde und die gewaltigen Wolken,
für dich lässt die listige Erde duftende Blumen wachsen,
für dich lächelt die ruhige Meeresoberfläche,
und der ruhige Himmel sendet dir auch leuchtenden Glanz!"
Es gibt eine tiefe Akzeptanz der Einheit aller Dinge:
"Die Menschen verbringen ihre äußerst kurzen Jahre.
Sie können nicht sehen, dass die Natur nichts anderes verlangt,
als Schmerz fernzuhalten, vom Körper fernzuhalten,
als den Geist zu erfreuen, sorgenfrei zu sein."
Es beinhaltet auch die ruhige Akzeptanz des unvermeidlichen Todes, der alles Böse beseitigt und daher keine Angst erfordert. Für Lukrez ist Religion Unwissenheit, die Vernunft ist die Fackel, die Licht bringt.
Lukrez' Werk wurde nach mehreren Jahrhunderten der Vergessenheit im Januar 1417 von dem Humanisten Poggio Bracciolini in der Bibliothek eines deutschen Klosters entdeckt. Poggio war Sekretär mehrerer Päpste und wurde, um Francesco Petrarca berühmte Wiederentdeckung nachzueifern, selbst zu einem begeisterten Sammler antiker Bücher. Das von ihm entdeckte Werk des Quintilian vervollständigte den Studiengang des gesamten europäischen Kollegs; das von ihm entdeckte Werk des Vitruv über die Architektur verbesserte die Art und Weise, wie Gebäude entworfen und gebaut wurden, aber sein größtes Verdienst war die Wiederentdeckung des Lukrez. Das von Poggio gefundene alte Manuskript ist verloren gegangen, aber eine von seinem Freund Niccolo Niccoli angefertigte Kopie ist noch vollständig in der Biblioteca Laurenziana in Florenz erhalten.
Als Poggio das Buch des Lukrez wieder ans Licht brachte, war der Boden für die Aufnahme neuer Dinge bereits bereitet. Seit Dante konnte man deutlich andere Stimmen hören:
"Deine Augen durchdringen mein Herz,
erwecken meine schlafenden Gedanken.
Sieh, lass die Liebe, die mein Leben in Stücke reißt,
ich bin so verzweifelt und wahnsinnig."
Die Wiederentdeckung von "Über das Wesen der Dinge" hatte einen tiefgreifenden Einfluss auf die italienische und europäische Renaissance und spiegelt sich direkt oder indirekt in den Werken vieler Autoren wider, von Galileo bis Kepler, von Bacon bis Machiavelli. Ein Jahrhundert nach Poggios Entdeckung von "Über das Wesen der Dinge" leuchten die Atome noch in Shakespeares Stücken auf:
"Mercutio: Oh, ich sehe die Elfenkönigin Mab mit dir zusammen:
Sie ist die Hebamme der Elfen; ihr Körper ist nur so groß wie ein Achat auf dem Finger eines Amtsmanns; ein paar winzige Pferde von der Größe einer Ameise ziehen ihren Wagen und überqueren die Nasenrücken schlafender Menschen..."
Montaignes Essays zitieren Lukrez mindestens hundert Mal, und der direkte Einfluss des Lukrez erstreckt sich bis zu Newton, Dalton, Spinoza, Darwin und sogar Einstein. Einsteins Idee, dass die Brownsche Bewegung winziger Teilchen in einer Flüssigkeit die Existenz von Atomen offenbart, lässt sich möglicherweise auf Lukrez zurückführen. Hier ist eine Passage von Lukrez, die anschauliche Beweise für die Vorstellung von Atomen liefert:
"Über die Tatsache, die ich hier beschreibe,
gibt es eine ähnliche Situation, die uns oft vor Augen geführt wird:
Schau, jedes Mal, wenn das Sonnenlicht hereinfällt,
schräg durch die dunklen Säle des Hauses,
wirst du viele Partikel auf vielfältige Weise vermischt sehen.
In dem von Licht erleuchteten Raum,
stoßen sie wie in einem ewigen Krieg unaufhörlich aufeinander,
kämpfen in Haufen, ohne Unterbrechung,
mal treffen sie aufeinander, mal trennen sie sich, werden hoch- und runtergeschoben.
Von diesem Anblick kannst du erahnen:
Wie eine ewige, unaufhörliche Bewegung
in diesem weitläufigen Raum stattfindet.
Zumindest insofern, als eine Kleinigkeit auf das Große hindeuten kann,
kann dieses Beispiel dich dazu bringen, nach dem Wissen zu suchen.
Auch deshalb
solltest du diese Objekte auf