Zusammenfassung
Die moderne Physik taugt nicht zur Begründung religiöser oder areligiöser Einstellungen. Das liegt an ihrem Erkenntnisgegenstand – der Energie-Materie-Welt – und an ihren Erkenntnismethoden – dem oft durchaus spielerischen Experimentieren, der sorgfältigen Auswertung von Messergebnissen und dem Entwurf mathematischer Modelle zur Beschreibung der Messergebnisse. Die sprachliche Deutung der Modelle enthält oft Aussagen, die unserer Alltagsvernunft höchst verwunderlich, ja widersprüchlich erscheinen. Beispiele aus der Relativitäts- und Quantentheorie belegen das. Die Zeit ist nicht absolut, sondern mit dem Raum verbunden, und ihr Verstreichen hängt vom Bewegungszustand des Beobachters ab. Je nach Experiment zeigt sich ein Teilchen als Welle oder als Korpuskel. Ort und Impuls eines Teilchens können nicht gleichzeitig scharf gemessen werden. In der mikroskopischen Welt der Atome und Moleküle regiert der Zufall. „Schrödingers Katze“, eingeschlossen in einem Kasten mit einer durch radioaktiven Zerfall aktivierbaren Tötungsmaschine, ist gleichzeitig tot und lebendig, solange man nicht nachsieht – so wenigstens in einer der statistischen Interpretationen der Quantentheorie. Ein Teilchen, das auf eine Barriere aufprallt, durchdringt sie mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit und mit der dazu komplementären Wahrscheinlichkeit wird es reflektiert. Das macht sich auch im Fließen von makroskopischen elektrischen Strömen bemerkbar. Die fundamentalen Naturgesetze sind nicht deterministisch. Dennoch können wir in unserer makroskopischen Alltagswelt dem zuverlässigen Funktionieren unserer Technik in der Regel vertrauen. Aus den Wechselwirkungen subatomarer Teilchen in den modernen Beschleunigern der Hochenergiephysik sucht man die Dynamik des Kosmos kurz nach dem Beginn der Zeit zu verstehen. Winzige Quantenfluktuationen in der Frühgeschichte des Universums bestimmen heute Verteilung und Größe der Galaxien – der größten Objekte im Universum. Das Vakuum wimmelt von virtuellen Teilchen, die innerhalb der Energie-Zeit-Unschärferelation auftauchen und verschwinden und zur Strahlung Schwarzer Löcher wie zur Supraleitung in Kristallen beitragen. Energieumwandlung und Entropieproduktion bestimmen die Entwicklung des Lebens, wie auch die von Wirtschaft und Gesellschaft. Deshalb ist bei allem Streben nach Freiheit auch die Beachtung von Beschränkungen notwendig.
„Das Leben des theoretischen Naturforschers ist schwer, denn die Natur, oder genauer das Experiment, ist ein unerbittlicher und strenger Richter seiner Arbeit. Sie sagt niemals ‚Ja‛ zu einer Theorie, sondern bestenfalls ‚Vielleicht‛ und in den meisten Fällen einfach ‚Nein‛. Wenn ein Experiment mit der Theorie übereinstimmt, heißt es ‚Vielleicht‛, wenn nicht, dann heißt es ‚Nein‛.“
Albert Einstein, 1879–1955
Allen, die die im Abschnitt „Die Energie-Materie-Welt“ angesprochenen Erkenntnisse aus Relativitäts- und Quantentheorie noch vertiefen möchten, wird Helmut Satz‘ „Gottes unsichtbare Würfel“, C. H. Beck, München, 2013, empfohlen. Dieses Werk erhielt ich leider erst während der Drucklegung meines Buchs.
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Notes
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Spannend beschreibt das Eric Larson in „Marconis magische Maschine“, Fischer Taschenbuch Verlag, 2009.
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Ihre Einheiten sind Meter (m), Kilogramm (kg), Sekunde (s), Ampere (A), Kelvin (K), Mol (mol) und Candela (cd).
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Vatikanische Kardinäle weigerten sich dem Vernehmen nach, durch Galileis Fernrohr die Mondberge zu betrachten. Hatte Aristoteles doch gelehrt, dass alle Himmelskörper ideal rund seien.
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Entsprechend werden Physiker für trockene Zeitgenossen gehalten. So trat während der für ausländische Studenten ausgerichteten Willkommensparty der katholischen Hochschulgemeinde St. John’s an der University of Illinois at Champaign-Urbana eine nette junge Dame auf mich zu und fragte freundlich: „And which field are you in?“ Ich antwortete: „Physics.“ Darauf sie: „Oh no! “, drehte sich um und verschwand. Als Jungverheirateter, dessen Frau noch in Deutschland weilte, trug ich’s mit Fassung.
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Dass die kopernikanisch-keplerschen Planetenbahnen um die Sonne so viel einfacher zu berechnen sind als die Planetenbahnen der Ptolemäi’schen Epizykel-Exzenter-Theorie, war ein wichtiger Grund für die Verdrängung des geozentrischen Weltbilds durch das heliozentrische, noch bevor die Entdeckung der Fixstern-Aberration das Letztere tatsächlich bewies.
- 6.
Das zeigt sich auch formal in den Differenzialgleichungen der relativistischen Physik und der Elektrodynamik, die von hoher, ästhetisch befriedigender Symmetrie in den räumlichen und zeitlichen Koordinaten sind.
- 7.
Seltsamerweise bezeichnet man umgangssprachlich mit „Quantensprung“ eine besonders große Veränderung technischer oder gesellschaftlicher Art, wohingegen physikalisch ein Quantensprung die energetische Änderung eines atomaren Zustands darstellt, die nach den Maßstäben unserer Alltagswelt winzig klein ist.
- 8.
genauer: \(h/2\pi\).
- 9.
Genauer gesagt: Das Betragsquadrat einer Wellenfunktion \(\psi(\vec r,t)\) gibt die Dichte der Wahrscheinlichkeit dafür an, dass man in einem Messprozess das Materieteilchen am Ort \(\vec{r}\) zur Zeit t antrifft.
- 10.
Für die meisten der sogenannten konventionellen Supraleiter liegt T C nicht mehr als etwa 20 K über dem absoluten Nullpunkt. Für Zinn ohne Magnetfeld ist \(T_C= 3,7\) K. In den neuen, theoretisch noch unverstandenen Hochtemperatursupraleitern erreicht T C mehr als 100 K über dem absoluten Nullpunkt.
- 11.
Diese Teilchen sind hier Phononen, d. h. Schwingungen des Kristallgitters, die aus dem Nichts entstehen und während kurzer Zeiten, die durch Heisenbergs Energie-Zeit-Unschärferelation begrenzt sind, zwischen den Elektronen zur Paarung ausgetauscht werden.
- 12.
Das ist so ähnlich wie beim Schlittschuhlauf vieler Paare, die mit ineinander verschränkten Armen eine Kette bilden. Stolpert einer der vielen Paarpartner über eine Unebenheit im Eis, fällt er nicht hin, sondern wird vom Kollektiv am Laufen gehalten.
- 13.
Der nach Josephson benannte Suprastrom wird von der Differenz der Phasen des supraleitenden Ordnungsparameters rechts und links der Barriere getrieben, obwohl dieser Ordnungsparameter in der Barriere völlig verschwindet. Freimütig hat Bardeen beschrieben, wie der junge Josephson ihn erst in langen Diskussionen von der Bedeutung der Phasenkohärenz in inhomogenen Supraleitern überzeugen konnte.
- 14.
Wie man später feststellte, kann auch flüssiges Helium einen makroskopischen Quantenzustand einnehmen, der Phänomene zeigt, die dem Josephson-Effekt entsprechen.
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Teilhard de Chardin (1881–1955), umfassend gebildeter Naturwissenschaftler und vom Glauben an den Gott des Evangeliums erfüllter Christ, hat versucht zu zeigen „wie alle Linien der Entwicklung von der Materie hin zum Leben (der Biosphäre), dann zum Denken (der Noosphäre), schließlich zum höheren Leben konvergieren, in dem das Universum sich personalisiert, um sich zuletzt im ‚Punkte Omega‛ zu vereinigen. In diesem letzten Ziele treffen auch die Wissenschaften und der religiöse Glaube zusammen“ (Klappentext zu [80]). Teilhard de Chardin hat sich dem kirchlichen Publikationsverbot seines Werkes gehorsam unterworfen. Erst nach seinem Tode wurde es veröffentlicht. Wie immer man zu seinen Thesen stehen mag: Die kirchliche Zensur hat den falschen Eindruck verstärkt, christlicher Glaube und Evolutionslehre passten nicht zusammen.
- 16.
Pro Sekunde werden rund \(\Updelta m\) = 4.200.000 Tonnen Materie, das ist in etwa die Differenz zwischen den Gesamtmassen der Wasserstoffkerne vor der Fusion und der Heliumkerne danach, in Energie E umgewandelt gemäß Einsteins Gleichung \(E =\Updelta m \cdot c^2\); c = Lichtgeschwindigkeit. Die resultierende elektromagnetische Strahlungsleistung, die solare Photoluminosität, beträgt \(L =3,845\cdot 10^{26}\) Watt. Über Neutrinos wird zusätzlich die Leistung 0,023 L emittiert.
- 17.
Reaktorradius 140.000 km, Sonnenradius 700.000 km.
- 18.
Sonnenmasse = 2\(\times 10^{30}\) kg.
- 19.
Genauer: das Isotop 56Fe.
- 20.
Dieser Absatz stützt sich hauptsächlich auf [83].
- 21.
Ähnlich sah es Ignatius von Loyola in seiner Vision von der Erschaffung der Welt, siehe Abschn. 2.2.
- 22.
Die Celsius(°C)-Temperaturskala hat ihren Nullpunkt bei 273,15 Grad über dem Nullpunkt der absoluten Kelvin(K)-Temperaturskala.
- 23.
Aus der experimentell beobachteten Rotverschiebung des Lichts, das einer Galaxie entstammt, die sich im Abstand d von uns befindet, folgt, dass diese Galaxie sich mit der Geschwindigkeit v = Hd von uns wegbewegt. \(H\approx\) 20 km/(s\(\cdot 10^6\) Lichtjahre) ist die Hubble-Konstante. Während seit dem Urknall t 0 Sekunden vergingen, hat sich diese Galaxie von uns (und von jedem anderen Punkt des Universums) mit v um d entfernt: \(vt_0 = d \rightarrow t_0=d/v= d/Hd = 1/H \approx 4,29\cdot 10^{17}\) s = 13,8 \(\cdot10^9\) Jahre. Ein häufiger Fehlschluss aus diesem Alter und der unüberschreitbaren Lichtgeschwindigkeit ist, dass das beobachtbare Universum dann eben auch eine Ausdehnung von 13,8 Lichtjahren haben müsse. So steht es beipielsweise auf einer Tafel am Rose Center for Space and Earth in New York. Doch das Universum expandiert. Berücksichtigt man diese Expansion und die Tatsache, dass wir nur solches Licht sehen können, das nicht früher als zu der Zeit ausgesandt wurde, als Materie und Strahlung sich entkoppelten, liefern die plausibelsten Abschätzungen einen Durchmesser des beobachtbaren Universums von etwa 93 Mrd. Lichtjahren [84].
- 24.
Zur Supernova kommt es auch in einem Doppelsternsystem, in dem ein Partner zu einem „Weißen Zwerg“ geworden ist. Damit bezeichnet man einen ausgebrannten Stern mit etwa der Masse unserer Sonne und der Größe der Erde. Er kann aufgrund seiner Gravitation Materie von seinem Nachbarn absaugen. „Erreicht er 1,4 Sonnenmassen, wird er instabil und eine rasante Fusion frisst sich von der Oberfläche durch den kompletten Weißen Zwerg.“ Er explodiert in einer Supernova vom sog. Typ Ia, die als „Standard Kerze“ der Messung astronomischer Entfernungen dient [85].
- 25.
Die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher mit millionen- bis milliardenfachen Sonnenmassen, die in den Zentren der meisten Galaxien vermutet werden, wie auch mittelschwerer Schwarzer Löcher mit etlichen Tausend Sonnenmassen und Durchmessern von rund tausend Kilometern, ist noch Gegenstand der Forschung.
- 26.
Zu den virtuellen Teilchen gehören virtuelle Lichtquanten (Photonen). In konventionellen Supraleitern vermitteln, wie schon oben gesagt, virtuelle Schallquanten (Phononen) die Anziehung zwischen den Elektronenpaaren.
- 27.
Einschläge massereicher Meteoriten, die zwar überwiegend, doch nicht nur aus unserem Sonnensystem stammen, können allerdings gravierende Folgen für das Leben haben. Deshalb, und wegen der unten behandelten Emissionsproblematik, ist es schade, dass es um die Pläne zur Besiedlung und Industrialisierung des erdnahen Raumes [86] still geworden ist.
- 28.
Die Theologie hat sich der thermodynamischen Hauptsätze noch wenig angenommen. Liegt es an deren Sprödigkeit? Oder ähnelt die Frage, warum Gott seine Schöpfung dem Gesetz von der Zunahme der Entropie unterworfen hat, zu sehr der unlösbaren Frage, warum Gott in seiner Schöpfung das Leiden und das Böse zulässt?
- 29.
Die ökonomischen Gewichte von Produktionsfaktoren heißen fachökonomisch Produktionselastizitäten. Dabei gibt die Produktionselastizität eines Produktionsfaktors – grob gesprochen – das prozentuale Wachstum der Wirtschaft an, wenn der Produktionsfaktor um ein Prozent wächst, während die anderen Faktoren konstant bleiben. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts lag in Deutschland die mittlere Produktionselastizität der Energie zwischen 0,4 und 0,5, die des Kapitals zwischen 0,3 und 0,4 und sowohl die der menschlichen Arbeit als auch die der – mit zeitlichen Veränderungen zusammenhängenden – Kreativität jeweils zwischen 0,1 und 0,2 [87]. Diese Produktionselastizitäten widersprechen der noch herrschenden neoklassischen Volkswirtschaftslehre, derzufolge die Produktionselastizität eines Faktors gleich seinem Kostenanteil sein sollte, wobei die Anteile der Kosten zur Produktion des Bruttoinlandsprodukts für die Energie nur rund 0,05, fürs Kapital 0,25 bis 0,30 und für die menschliche Routinearbeitarbeit 0,65 bis 0,70 betragen. Doch besonders unter Ingenieuren und naturwissenschaftlich gebildeten Ökonomen setzt sich die Einsicht durch, dass die Annahme der orthodoxen Wirtschaftstheorie, jeder Produktionsfaktor könne nahezu vollständig durch jeden anderen Produktionsfaktor ersetzt werden, falsch ist, dass wegen technologischer Beschränkungen Produktionselastizitäten und Faktorkostenanteile im Allgemeinen nicht gleich sein können und dass die ökonomische Schlüsselrolle der Energie für die Wirtschafts- und Sozialpolitik gar nicht überschätzt werden kann.
- 30.
Die physikalischen Details beschreibt das Kapitel „Entropy“ in [87]. Es fasst auch die naturgesetzlichen Grundlagen des anthropogenen Treibhauseffekts und Antworten auf Einwände der inzwischen still gewordenen „Klimaskeptiker“ zusammen.
- 31.
Vielleicht gelingt es auch, mittels der kontrollierten Kernfusion das Sonnenfeuer auf die Erde zu holen. Doch schwerlich wird es vor der Mitte des 21. Jahrhunderts dazu kommen.
- 32.
Als 1989 in Deutschland erstmals auf die Möglichkeit der CO2-Rückhaltung und -Entsorgung hingewiesen worden war [91], berichtete die Frankfurter Allgemeine Zeitung darüber. Anschließend publizierte sie einen Leserbrief des Inhalts, dass a) CO2 völlig harmlos sei und b) wenn man es schon den Rauchgasen der Kraftwerke entzöge, dann möge man es doch bitte in den Hohlköpfen der Würzburger Physiker endlagern, über deren Publikation die Zeitung berichtet habe. Etwas später fand im Bundesministerium für Forschung und Technologie eine Expertenanhörung zur CO2-Rückhaltung und -Entsorgung statt. Eröffnet wurde sie von einem Ministerialbeamten mit den Worten: „Ich bin beauftragt worden, diese Anhörung zu leiten. Aber ich sage Ihnen gleich, dass ich von der ganzen Thematik nichts halte. Das Klimaproblem lösen wir mit Kernenergie.“
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Das ist so ähnlich wie beim Lotto. Selbst wenn man am Anfang alle Lottokugeln ordentlich sortierte, liegen sie doch nach etlichen Umdrehungen der Lottotrommel in völlig zufälliger Reihenfolge vor dem glückbringenden Ausgang.
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Jedes in einem Ordnungszustand mithilfe von Beschränkungen präparierte System strebt nach Aufhebung der Beschränkungen dem Zustand maximal möglicher Unordnung zu. Wäre das nicht auch bedenkenswert für Lehrer von Recht und Moral? Wir kommen darauf im Zusammenhang mit dem Anna-Karenina-Prinzip zurück.
- 35.
Pluto wurde 2006 der Planetenstatus aberkannt.
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Spezialisierung, und die damit zugleich verbundene Beschränkung der Anpassungsfähigkeit, entscheiden wesentlich über den Erfolg einer Spezies in der Evolution. Beim Menschen hat die Entwicklung sich auf das Gehirn konzentriert und den Extremitäten große Flexibilität belassen. Wird das „Säugetier“ Mensch diesen bisherigen evolutionären Vorteil auch in Zukunft zu nutzen wissen?
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Sogenannte „Klimaskeptiker“ haben längere Zeit bestritten, dass es ein Klimaproblem gibt. Zwar sind die meisten von ihnen inzwischen still geworden. Haben doch wesentliche Teile der Großindustrie, die zeitweise die „Grand Climate Coalition“ gebildet hatten, ihre frühere Unterstützung zurückgezogen. Doch manche von ihnen versuchen noch bisweilen, in an sich seriösen Publikationen Stimmung zu machen. Typisch dafür ist der ehemalige Sektionsleiter Ornithologie der Zoologischen Staatssammlung München und Honorarprofessor an der TU München Dr. Josef H. Reichholf. Er schreibt in „zur Debatte – Themen der Katholischen Akademie in Bayern 3/2013“ auf S. 44 über die deutschen Wälder: „Das Waldsterben haben sie bestens überstanden, obwohl vorhergesagt worden war, dass es zur Jahrtausendwende in Deutschland keinen Wald mehr geben wird. Wo also liegt dann ‚das Problem‛ der Klimaerwärmung?“ Offenbar rechnet Reichholf damit, dass sich seine Leser nicht mehr daran erinnern, dass die Schwefeldioxidemissionen und die Stickoxidemissionen, die die deutschen Wälder schwer geschädigt hatten, durch die Mitte der 1980er-Jahre erlassene Großfeuerungsanlagen-Verordung und die Einführung des Katalysators für Kraftfahrzeuge stark reduziert wurden. Zudem wurden nach der Wende 1990 die emissionsintensiven Kraftwerke und Fabriken der ehemaligen DDR und der Tschechischen Republik stillgelegt oder umgerüstet, so dass seitdem bei Ostwind nicht mehr die vorher üblichen Atemwegsreizungen durch Schwefeldioxid und Stickoxid in Nordbayern auftreten. Mit der Reduktion der Emissionen wurden auch ihre waldschädlichen Auswirkungen reduziert. Darum geht es dem deutschen Wald noch relativ gut. Oder sollte man Herrn Reichholf so verstehen, dass seiner Meinung nach Anfang der 1980er-Jahre vor einem Waldsterben aufgrund des Klimawandels gewarnt wurde – er also seine Leser gar nicht für dumm verkaufen will, sondern schlecht informiert ist? Aufschlussreich ist in diesem Zusammenhang auch ein Artikel von Stefan Rahmstorf vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung in der Zeitschrift Universitas (9/2007), der u. a. den „Fall Reichholf“ anspricht; s. auch http://www.pik-potsdam.de/stefan/klimahysterie.html.
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Die Nazis, die mit moderner Propagandatechnik und Terror das deutsche Volk 12 Jahre lang wirkungsvoll manipuliert und in Krieg und Verbrechen getrieben hatten, konnten allerdings nur durch den militärischen, wirtschaftlichen und moralischen Zusammenbruch Deutschlands entmachtet werden. Doch wie wäre die Weltgeschichte verlaufen, wenn ein Braunauer Jüngling namens Adolf Hitler 1907 und 1908 mit seinen Bewerbungen um Aufnahme als Kunstmaler in die Wiener Kunstakademie nicht gescheitert wäre? Und hätte sein Vater Alois Hitler als unehelicher Sohn von Maria Anna Schicklgruber zeitlebens deren Namen getragen und nicht nach 39 Jahren den Namen seines Stiefvaters erhalten – welche Wirkung hätte ab 1933 ein Deutscher Gruß „Heil Schicklgruber!“ gehabt?
- 39.
Bei der Untersuchung, wie sehr die Verfügbarkeit domestizierbarer Tiere die Entwicklung der vorindustriellen Zivilisationen auf den verschiedenen Kontinenten beeinflusst hatte, wandte Diamond das Anna-Kerenina-Prinzip auf Haus- und Wildtiere an: „Domesticable animals are all alike; every undomesticable animal is undomesticable in its own way.“
- 40.
Matthäus 7, 12.
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Kümmel, R. (2015). Natur. In: Die Vierte Dimension der Schöpfung. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-55350-9_3
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