The Cell Division and Branching Interpretation of Quantum Theory

© mario wingert 2008 studio für art I design I science www.anatomy-of-emptiness.de
The Cell Division & Branching Interpretation of Quantum Physics
A new physical principle and the failure of the atom and elementary particle hypothesis (2008)
anatomy of emptiness
studio for art l design l science
www.anatomy-of-emptiness.de
www.human-robotx.com
Quantum Top Secret The Solution of the Quantum Enigma.
Metamorphose of a Worldview
Popular Science Book for the
general reader (only in german now)
504 pages, 75 figures & pictures
ISBN 978-3000-242526
www.amazon.de
© Mario Wingert 2010 / Abstract Physical Concept (derived from "Quantum Top Secret", 2008)
Young's Experiment is the key experiment of all physics. It shows that fields at the double slit are subjected to a kind
of splitting, altough the emitted field energy interacts effective ever as a whole and pointlike-local. This is evident for
light and matter and is called the wave/quantum paradox; a contradiction which is not resolveable with the known
physical models of reality. Here is argued that a new physical model of reality is not only possible but also easy to
have: At the double slit happens a bifurcation process, which is non-mechanical and therefore by holistic nature,
what could be understood as cell divison and branching of fields. The reversal is a field structure melting process
in the sense of the Bose-Einstein-condensation and a precondition for local effective events. This absorption event
underlies a symmetry condition which is identical with Einstein's definition of simultaneity in Special Relativity. Thus
Young's experiment delivers the proof both of the utterly failure of the atom and elementary particle hypothesis
(Democritus undivisibility concept) and of the body concept of mechanics, and unveils the true constitution of nature
and reality: It shows that light and matter consist of non-local branched field structures, and that structural interactions should be modelized with holistic field division and fusing processes. This new field structure model unifies
physics, chemistry, and biology and guides us to a new understanding of perception, language and cognition.
I. Einleitung (text in german)
Anhand des Doppelspaltexperiments
und damit eng verwandter Spiegelund Polarisationsexperimente wird
hier der Versuch unternommen, die
Beschaffenheit der Realität zu begreifen und die Physik auf eine neue kognitive und begriffliche Grundlage zu stellen. Ausgangspunkt ist die Quantenhypothese des Lichts, mit der Einstein
1905 eine Struktur des elektromagnetischen Feldes postulierte, die er trotz
beharrlicher Suche nach einem neuen
physikalischen Prinzip nie aufklären
konnte. Hier wird gezeigt, dass sich das
gesuchte Prinzip direkt aus den genannten Experimenten entnehmen und als
Feldverzweigungsprozess
verstehen
lässt. Das erlaubt eine widerspruchsfreie Interpretation der Quantentheorie
und führt zu einer Revolution unserer
Natur- und Realitätsvorstellungen.
In Abschnitt 2 möchte ich zunächst einführend skizzieren, wie sich die Barriere
der Erkenntnis - das kognitive Drama
der modernen Physik und die ambivalente Rolle der quantenmechanischen
Interpretation - rational verstehen
lässt. In Abschnitt 3 wird gezeigt, wie
leicht sich diese Barriere mit Hilfe von
Youngs Experiment, der Interferenzbedingung und der sich daraus ergebenden Bifurkationshypothese überwinden läßt. Abschnitt 4 ruft die Intentionen von Avogadro, Faraday, Maxwell
und Einstein in Erinnerung und skizziert
das Scheitern mechanistischer Denkmodelle, was Anfang des 20. Jahrhunderts zu zwei Interims­theorien führte:
Der Speziellen Relativitätstheorie und
der Quantenmechanik. Es wird gezeigt,
dass die verbleibenden ontologischen
Verständnisschwierigkeiten bezüglich
der Struktur des elektromagnetischen
Feldes und dem Relativprinzip aus der
Missachtung von Youngs Experiment
und der Interferenzbedingung folgen,
was eine unreflektierte Verwendung
des Körperbegriffs der Mechanik und
des mechanischen Konzepts der Bewegung weiterhin möglich macht. Das
Scheitern der Raum- und Zeitvorstellungen - und nun auch des Körperbegriffs der Mechanik - lässt sich ganz im
Sinne Einsteins auf axiomatische Setzungen zurückführen, die direkt aus der
sinnlichen Denkwahrnehmung stammen. In letzter Konsequenz bedeutet
das, dass solche Vorstellungen nicht
vorausgesetzt werden dürfen, wenn es
um die Modellierung der Beschaffenheit
der Realität, um ihre wahre Physis oder
Physik geht. In Abschnitt 5 wird anhand
von Spiegel- und Polarisationsexperimenten gezeigt, dass der Begriff der
Bewegung in der Quantentheorie nicht
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mehr im Sinne der Mechanik, sondern
nur noch im Sinne von Strukturveränderung verstanden werden kann - als
qualitative Änderung einer Feldstruktur, die nichtlokal (global), symmetrisch
und ganzheitlich erfolgt. Das ändert die
physikalische Bedeutung der Konstante
c, der sogenannten Lichtgeschwindigkeit, und führt Verschränkung und
Spin auf enantiomorphe Eigenschaften
verzweigter, kohärenter (= zusammenhängender) Feldstrukturen zurück.
Dieses neue physikalische Konzept
zeigt, wie Quanten- und Relativitätstheorie auf der Basis eines experimentell begründeten Feldverzweigungsprozesses miteinander verschmelzen
könnten. Abschnitt 6 gibt eine Zusammenfassung und verweist auf die Konsequenzen des neuen Realitätsmodells
für andere Wissenschaftszweige.
II. Die Barriere der Erkenntnis
Im Grunde dürfte kein Zweifel daran
bestehen, dass Youngs Doppelspaltexperiment (wie die gesamte Quantenphysik) demonstriert, dass die bekannten
physikalischen Modelle der Beschaffenheit der Realität, das Körpermodell der
Mechanik und das Wellenmodell der
Elektrodynamik, auf die Natur und Realität nicht zutreffen können. Aufgrund
der quantenmechanischen Interpretation halten es viele Physiker jedoch für
prinzipiell oder nahezu unmöglich, ein
neues, widerspruchsfreies Modell der
Beschaffenheit der Realität zu entwerfen. Sie folgen damit der Auffassung
von Bohr, Heisenberg und Born, die - im
Gegensatz zu Einstein - schon 1927 der
Meinung waren, dass eine Auflösung
des Welle / Quanten-Paradoxons weder
möglich, noch nötig sei. Dahinter steht
die Annahme, dass der Teilchenbegriff
der Mechanik und das Wellenmodell der
Elektrodynamik für die Physik weiterhin nützlich und unverzichtbar seien,
die eigentliche Ursache dieses Dilemmas in der "Natur der Sprache" liege
und das Denken, evolutionär geprägt,
nicht reformierbar sei. Die Botschaft
der Kopenhagener Deutung, dass ein
tieferes Natur- und Realitätsverständnis vor allem an der Art und Weise
des menschlichen Denkens scheitert,
trifft ohne Zweifel den Kern des Problems. Dennoch stellt die Natur der
Sprache, das Phänomen der Kognition,
keine natürliche oder gar unüberwindbare Barriere der Erkenntnis dar, wie
die quantenmechanische Interpretation implizit behauptet. Im Gegenteil,
die individuelle Barriere der Erkenntnis, die jeden Menschen gleichermassen betrifft und direkt aus der Funktionsweise der Denkwahrnehmung folgt,
wird erst durch die flächendeckende
Akzeptanz der quantenmechanischen
Deutung zu einer sozial vereinbarten
Erkenntnisbarriere. Denn erst die Quantenmechanik schließt eine vernünftige, widerspruchsfreie Erklärung des
Doppelspaltexperiments mit einzelnen
Lichtquanten, Elektronen oder Atomen
- und damit die Notwendigkeit neuer
kognitiver Konzepte der Beschaffenheit von Licht und Materie - prinzipiell
aus. Auf diese Weise werden nicht nur
die entscheidenden experimentellen
Tatsachen und Theorie-Widersprüche
ausgeblendet, sondern neue, widerspruchsfreie physikalische Realitätsmodelle generell unmöglich gemacht!
Anhand des Doppelspaltexperiments
und der partiellen Reflexion lässt sich
jedoch zeigen, dass ein neues, widerspruchsfreies physikalisches Realitätsmodell nicht nur möglich, sondern auch
einfach zu haben ist:
Dazu ist nur die uneingeschränkte
Akzeptanz der experimentell und theoretisch eindeutig gesicherten Interferenzbedingung nötig. Die Quantenmechanik weicht dieser Konsequenz
mit dem sogenannten logischen Drahtseilakt aus, um den Körperbegriff der
Mechanik und die Atom- und Elementarteilchenhypothese retten zu können - obwohl das Experiment nur eine
logische Schlussfolgerung zuläßt: Was
immer durch den Doppelspalt geht,
muss beide Öffnungen gleichzeitig
passieren. Das aber bedeutet, dass die
Interferenzbedingung weder mit dem
Körperbegriff der Mechanik, noch mit
der Unteilbarkeitshypothese vereinbar ist. Diese Einsicht führt zwanglos zu einer exakten physikalischen
Problemkonfiguration
und
einem
neuen, widerspruchsfreien Realitätsmodell; sie erzwingt nur eine Revolution unserer geistigen Vorstellungen.
Youngs Experiment zeigt demzufolge
nicht das Versagen des naturwissenschaftlichen Realitätskonzeptes, sondern das Scheitern paradigmatischer
Vorstellungen an der Natur und Realität: Der Körper-, Objekt- und Dingvorstellungen des Geistes, des Körperbegriffs der Mechanik und der Atom- und
Elementarteilchenhypothese.
Mit dieser Einsicht erscheint nicht nur
die Ideengeschichte der Physik, sondern auch das Problem der Kognition in
einem neuen Licht: Youngs Experiment
beweist, dass die sinnliche Körpervorstellung nur ein Produkt der speziellen
Wahrnehmungsweise sein kann, die wir
Denken nennen. Das ist kein Grund, an
der Existenz einer Realität zu zweifeln:
Steine, Bäume und Planeten existieren nach wie vor völlig real - sie können nur nicht mehr physikalisch als
Körper der Mechanik und diskret exis-
tierende Entitäten verstanden werden.
Erst aus dieser Perspektive wird klar,
dass die Quanten­physik nicht nur die
Frage nach der wahren Beschaffenheit
der Elementarstrukturen von Licht und
Materie, sondern auch nach der Natur
des denkenden Geistes stellt - und darauf eine ganz neue Antwort jenseits
aller Mechanik verlangt.
III. Youngs
Doppelspaltexperiment
Thomas Young konnte schon 1807 mit
seinem Doppelspaltexperiment zeigen,
dass Newtons An­nahme, dass Licht
aus Teilchen besteht, auf die Natur
nicht zutreffen kann. Das Experiment
erzeugt ein Lichtstreifenmuster, das
nur entsteht, wenn beide Schlitze offen
sind. Daraus folgt, dass Licht beide Öffnungen gleichzeitig passieren muß (das
ist die Interferenzbedingung) und demzufolge nicht aus Teilchen bestehen
kann (Abb. 1, nächste Seite). Um die
Bildung des Streifenmusters und dessen Hellig­keits­verteilung erklären zu
können, entwarf Young ein mathematisches Modell, das auf Huygens Konzept beruhte, dass Licht die wellen­
artige Anregung eines unsichtbaren
Mediums sei. Die Wellen sollten beide
Schlitze gleichzeitig passieren und
dabei zwei neue, halbkreisförmige
Sekundärwellen ausbilden, die sich
wie Wasserwellen überlagern, verstärken oder auslöschen und so die Streifen des Musters bilden (Abb. 2). Obwohl
Youngs Interpretation die einzige widerspruchsfreie Erklärung zu liefern vermochte, setzte sie sich erst nach zwanzig Jahren durch, nicht zuletzt durch
die noch umfassendere Wellen­optik
Fresnels (1827). Seitdem gilt Youngs
Experiment als Nachweis der "Wellen-
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Verstärkung
Auslöschung
Streifenmuster
(2 Schlitze = Interferenz)
Normaler Lichtfleck
(1 Schlitz = keine Interferenz)
Auffangschirm mit
Interferenzstreifen
Blende mit zwei
Schlitzen
Abbildung 1 Youngs Doppelspaltexperiment
Zwei Öffnungen oder Wege, die der Strahlung zur Verfügung stehen, erzeugen ein Interferenzmuster auf dem Schirm. Im
Doppelspaltexperiment besteht das Interferenzmuster immer aus senkrechten, hellen Lichtstreifen (es gibt noch andere,
zum Beispiel ringförmige Interferenzmuster, wie sie in Spiegelexperimenten entstehen). In den dunklen Zwischenräumen löscht sich das Licht durch Überlagerung selbst aus, in den mittleren Streifen verstärkt sich die Helligkeit nach ganz
bestimmten Regeln. Das gleiche Muster aus senkrechten Streifen entsteht, wenn die Öffnungen kreisförmig sind; es
hängt also nicht von der Form der Öffnungen ab. Es hat auch nichts mit der Art des verwendeten Lichts zu tun; das Licht
muss nur „kohärent“ (zusammenhängend) sein. Young führte das Experiment 1801/1807 mit Sonnenlicht aus, andere
Forscher später mit schwachem Kerzenlicht (Taylor 1909). Heute führt man das Experiment mit Lasern aus, die einen intensiven, stark gerichteten und kohärenten Lichtstrahl aussenden. Zwar kann man mit dem Wellenmodell erfassen, dass
das Licht immer beide Öffnungen zugleich passiert - das ist die sogenannte Interferenzbedingung. Und doch wirkt das
Licht immer punktartig auf dem Schirm, was mit der Wellentheorie unverständlich bleibt (und Young noch nicht wissen
konnte). Obwohl sich die Streifen aus winzigen Lichtpunkten zusammensetzen, kann Licht aufgrund der Zwei-WegeInterferenzbedingung nicht aus Teilchen im Sinne der Mechanik oder aus räumlich konzentrierten Energieportionen
im Sinne von Einsteins provisorischer Quantenhypothese des Lichts bestehen. Das gleiche gilt für Materie. Das ist das
Quantenrätsel: Youngs Experiment und die Quanteneigenschaften der Natur lassen sich weder mit dem Wellenmodell,
noch mit dem Körperbegriff der Mechanik verstehen. Die eigentliche physikalische Frage, die das Experiment damit stellt,
lautet: Wie kann sich etwas teilen, aber dennoch ein Ganzes bleiben? Solange nicht klar ist, wie dieser Bifurkationsprozess
zu verstehen ist, verbirgt die Natur ihr wahres Gesicht - und das Geheimnis der Denkwahrnehmung.
Youngs Doppelspaltexperiment mit einem Laser © mario wingert 2008 studio für art I design I science www.anatomy-of-emptiness.de
Abbildung 2
Youngs Doppelspaltexperiment
(Wellentheorie)
Abbildung 3
Universale Interferenzmuster und
Intensitätsverteilungen im Doppelspaltexperiment
(bei Licht und Materie)
Helligkeit / Intensität
(Zahl der Auftreffpunkte)
natur" des Lichts. Knapp hundert Jahre
später (1905) machte Einstein mit der
Quantenhypothese des Lichts jedoch
deutlich, dass mit dem Wellenmodell
etwas nicht stimmen konnte. Er vermutete diskrete, punktartige Energie­
übertragungen auf Materie und dahinter eine Struktur des elektromagnetischen Feldes. Die Annahme, dass
Licht in energetischen Portionen auf
Elektronen wirkt, konnte 1915 experimentell bestätigt werden, wurde aber
erst ab 1923 akzeptiert. Ab 1926 wurde
sie als neue Teilchenhypothese interpretiert: Licht schien nun aus räumlichlokal konzentrierten Energie­mengen zu
bestehen, die immer als Ganzes emittiert und absorbiert werden, einen
Impuls tragen und sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den leeren Raum
bewegen. Damit wurde Youngs Experiment auch zum Schlüssel­experiment
der Quantentheorie. Der Widerspruch
bestand nun zwischen einer Welle, die
sich am Doppelspalt problemlos zweiteilen kann, und einem teilchenartigen
Lichtquantum, das sich am Doppelspalt
nicht zweiteilen kann. Einstein sah sich
vor allem aufgrund der Energieerhaltung im Absorptionsereignis zu dieser Schlussfolgerung gezwungen - und
setzte damit die Ganzheit der lokalen
energetischen Wirkung des Feldes mit
der Ganzheit (Unteilbarkeit) eines Körpers der Mechanik gleich. Diese Analogie ist aufgrund der Interferenzbedingung physikalisch und logisch jedoch
nicht zulässig, was Einstein und allen
anderen Physikern damals durchaus noch bewusst war. Seine Analogie diente nur dazu, die energetischen
Eigenschaften der Strahlung quantitativ erfassen und behelfsmässig modellieren zu können. Physikalisch war sie
natürlich unhaltbar; es fehlte noch ein
widerspruchsfreies qualitatives Modell
der Beschaffenheit der Struktur des
Feldes, das in der Lage sein müsste, die
Interferenzbedingung und das punktartig-lokale Absorptionsereignis adäquat abzubilden. Deshalb sprach Einstein auch stets sehr bewusst davon,
dass Strahlung sich nur so verhalte,
"als wenn sie aus Teilchen bestünde".
Das gleiche Teilungsproblem dehnte
sich 1924 auf die Beschaffenheit der
Materie aus, als Elektronen plötzlich
"Wellen­charakter" offenbarten, was
nichts anderes bedeutete, dass Youngs
Experiment - zumindest in Gedanken auch mit einzelnen Elektronen durchführbar sein sollte. 1926 wurde klar,
dass das ebenso für Atome gelten sollte,
was absolut keinen Sinn zu ergeben
schien - denn atomos bedeutet: das
Unteilbare. Bohr, Heisenberg und Born
zogen aus diesem "absurden" Quantenverhalten der Natur den Schluss, dass
das Welle / Quanten-Paradoxon nicht
auflösbar sei und interpretierten nur
noch dessen Unlösbarkeit. Da Einstein
trotz seines Unbehagens über diesen
Umgang mit extremen physikalischen
Widersprüchen weder ein neues physikalisches Modell, noch eine alternative
Interpretation anbieten konnte, setzte
sich die quantenmechanische Interpretation schon um 1932 durch.
Erst viele Jahrzehnte später konnten Doppel­spaltexperimente und damit
eng verwandte Versuche mit einzelnen
Lichtquanten, Elektronen, Atomen und
Molekülen tatsächlich durchgeführt
werden. All diese Experimente beweisen, dass die Zwei-Wege-Interferenzbe Doppelspaltexperiment mit Elektronen:
Jönsson 1959 / mit einzelnen Elektronen:
Merli, Missiroli, Pozzi 1974 / mit einzelnen
Atomen: Mlynek & Carnal 1991 / mit Molekülen: Arndt, Zeilinger 2003
dingung auch für einzeln ausgesendete
Lichtquanten, Elektronen, Atome und
Moleküle gilt. Sie zeigen weiter, dass
zwischen Licht und Materie kein prinzipieller Unterschied existiert: Führt man
das Experiment viele Male hintereinander aus, bilden die punktartig-lokalen
Wirkungen sowohl bei Licht als auch
Materie das bekannte Interferenzmuster auf dem Schirm oder in entsprechenden Detektor­anordnungen (Abb.3).
Interessant ist nun, dass diese Experimente als Bestätigung der quantenmechanischen Interpretation, des WelleTeilchen-Dualismus-Konzepts und der
Atom- und Elementarteilchenhypo­
these gewertet werden. Das ist schon
sehr erstaunlich, da Youngs Experiment die quantenmechanische Interpretation eindeutig widerlegt: Denn die
Annahme, dass die Ganzheit der energetischen Wirkung von Lichtquanten,
Elektronen oder Atomen mit der Ganzheit eines Körpers der Mechanik gleichgesetzt werden kann, ist wie bei Einsteins provisorischer Lichtquantenhypothese aufgrund der Interferenzbedingung physikalisch-ontologisch und
logisch nicht zulässig!
Was zeigt das Experiment also wirklich? Ohne bestimmte Hypothesen zur
Beschaffenheit von Licht und Materie
voraussetzen zu müssen, die das Experiment ja gerade in Frage stellt, kann
Folgendes als experimentell gesichert
gelten:
• Am Doppelspalt gilt eine Interferenzbedingung, die besagt, daß die ausgesandte Strahlungsmenge immer beide
Öffnungen zugleich passieren muß.
• Die ausgesendete Strahlungsmenge
wirkt immer ganzheitlich-lokal.
Diese beiden Tatsachen sollten eigentlich jeder Interpretation zugrunde liegen, die einen naturwissenschaftlichen
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Lokaler Kollaps
?
?
Auffangschirm (Materie)
Verzweigte, sich teilende
Wellenfunktion
Emission von
Materie oder Licht
Abbildung 4
Doppelspaltexperiment, Quantentheorie
und die Interferenzbedingung
Das zeigt das Experiment, wenn die Quantenhypothese des Lichts und die Interferenzbedingung uneingeschränkt akzeptiert werden:
Felder, die sich ganzheitlich teilen und wieder
miteinander verschmelzen können
Absorption (Materie)
Verschmelzung
Doppelspalt
Verzweigung
Emission (Materie)
Anspruch erhebt; d.h. die Beschaffenheit (Physik) der Natur zu ergründen sucht. Aus diesen beiden Prämissen folgt zwingend, dass sich im Experiment etwas nicht-mechanisch, also
ganzheitlich geteilt haben muss - und
das können nur Felder sein. Das ist die
einzig mögliche logische Schlußfolgerung, die das Experiment zulässt. Es
zeigt damit klar und deutlich, dass wir
es in der Realität nicht mit Teilchen,
sondern nur noch mit Feldern zu tun
haben können; mit Feldern, die sich
ganzheitlich teilen können - und im
Zuge des Absorptionsprozesses wieder miteinander verschmelzen. Das
ist ohne Zweifel ein Bifurkations- und
Verzweigungsprozess, der offenbar
reversibel ist (Abb. 4). Das Experiment
weist uns damit den Weg, wie die Quanteneigenschaften der Realität zu verstehen und zu interpretieren sind. Es
ermöglicht uns auch, die Geschichte der
Physik neu zu bewerten. Und es erlaubt
uns, andere Theorien und Hypothesen
am Experiment zu überprüfen. Wird der
Verzweigungsprozess nicht ausgeblendet, widerlegt das Experiment sofort
Die quantenmechanische Interpretation ignoriert die Interferenzbedingung mit
dem sogenannten logischen Drahtseil­akt,
mit dem Einzelereignisse, also die gleichzeitige Passage des Doppelspalts durch
einzelne “Quanten” oder “Teilchen”, aus der
physikalischen Betrachtung prinzipiell ausgeklammert werden. Auf diese Weise versucht sie, den Körperbegriff der Mechanik
für die Physik und das Ontologieverständnis
zu retten. Theoretisch findet die Interferenzbedingung zwar ihre Anerkennung (mit
der Wellengleichung); in der Interpretation wird diese Anerkennung jedoch sofort
widerrufen: Da Teilchen sich nicht ganzheitlich teilen können, kann dieser Wellenfunktion nichts Reales mehr entsprechen; auch
keine Feldrealität. Daraus folgt die “prinzipielle” Unmöglichkeit eines widerspruchsfreien Natur- und Realitätsverständnisses.
die Atomos-Hypothese. Das gleiche gilt
für den Körperbegriff der Mechanik,
denn ganzheitliche Teilungsprozesse
kennt die Mechanik grundsätzlich nicht.
Das Wellenmodell kann ebenfalls nicht
stimmen, denn es kann lokale, energetisch diskrete Absorptionsereignisse
nicht abbilden. Und die mechanistische
Lichtquantenhypothese stimmt nicht,
weil sie die Interferenzbedingung
ignoriert. Youngs Experiment widerlegt damit auch die quantenmechanische Interpretation und das seltsame
Wissenschaftsverständnis, das seit 80
Jahren die Physik beherrscht.
IV. Das Scheitern der Mechanik
Das Problem ist eben nie die "Absurdität" der Natur; es sind immer unsere
Glaubensgrundsätze, Paradigmen, Theorien und Modelle, die an der Beschaffenheit der Realität, im Experiment,
kläglich scheitern. Das betrifft nun
Demokrits Atomhypothese, den Körperbegriff der Mechanik, die Wellentheorie und - auf den ersten Blick vielleicht nicht erkennbar - Einsteins Spezielle Relativitätstheorie. Dabei geht es
allerdings nicht um das Relativprinzip
und die Definition der Gleichzeitigkeit,
die beide durch das Experiment sogar
eindeutig bestätigt werden, sondern um
die Interpretation der Konstante c als
Bewegung im Sinne von Ortsveränderung. Auf diese Weise konfrontiert uns
Youngs Experiment mit einer "neuen"
Realität, in der Ganzheit & Teilbarkeit
grundlegende physikalische Charakteristika sind, während der Körperbegriff
der Mechanik jede ontologische Bedeutung verliert. So etwas kennen wir bisher nur aus der Biologie - wenn auch
nur metaphorisch, solange die Atomhypothese gilt. Bleibt nur die Frage:
Wie konnten wir ein so offensichtliches
Naturprinzip so lange übersehen?
4.1. Avogadros Hypothese
Zweifel an der Körpermechanik und den
mathematischen Prinzipien der Naturphilosophie gab es bereits zu Newtons
Lebzeiten; schon Newton selbst kannte
die Schwächen seines Modells. Thomas Young war jedoch der Erste, der
experimentell beweisen konnte, dass
Newtons Mechanik auf die Natur nicht
zutreffen konnte - zumindest nicht auf
die Natur des Lichts. Amadeo Avogadro
war der Zweite; schon vier Jahre später
(1811) argumentierte er experimentell
begründet, dass die Elementarbausteine
der Elemente, die Dalton 1810 Atome
genannt hatte, teilbar seien. Am Beispiel der Reaktion von Chlor und Wasserstoff demonstrierte er, dass sich die
Atome von Chlor und Wasserstoff während der Reaktion geteilt und verdoppelt haben müssen, was sich weder mit
Demokrits Atomhypothese, noch mit
Newtons Körperbegriff der Mechanik
vertrug (Abb.5). Avogadro vermutete,
dass chemische Elemente in ganzen
Proportionen und Volumenverhältnissen reagieren, weil sich Elementarstrukturen teilen können. Diese Überlegung führte zu Avogadros Hypothese:
Sobald es um qualitative, also physikalische Eigenschaften von Licht
und Materie geht, dokumentiert die
gesamte Ideen- und Entwicklungsgeschichte der Physik das Scheitern der
mechanistischen Denkansätze. Dahinter verbirgt sich vor allem das Versagen
zweier Schlüsselbegriffe: des Körperbegriffs der Mechanik und der mechanischen Bewegung. Das zeigt sich in
Newtons Physik, Avogadros Hypothese,
Faradays Feldtheorie, Maxwells Felddynamik, Einsteins Lichtquantenhypothese und in der Relativitätstheorie.
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tarstrukturen der Materie Wellencharakter offenbarten. Das bedeutet, dass
sie am Doppelspalt dem Bifurkationsoder Teilungsprinzip unterliegen müssen, also tatsächlich nicht unteilbar
sind. Obwohl seitdem akuter Bedarf
an neuen Realitätsmodellen besteht
und Avogadros Zahl eine nicht zu übersehende Schlüsselrolle in der Quantenphysik und Chemie spielt, konnten sich die Physiker bis heute nicht an
Avogadros Originalhypothese erinnern,
vom Teilchenbegriff der Mechanik trennen und die Interferenzbedingung physikalisch akzeptieren.
Abbildung 5 Avogadros Originalhypothese
Chlor geteilt (1 Cl2) + Wasserstoff geteilt (1 H2) = verschmelzen zu Chlorwasserstoff (2 HCL)
Verschiedene Gase gleichen Volumens
enthalten bei gleichem Druck und gleicher Temperatur die gleiche Anzahl von
Molekülen. Avogadro verstand darunter offenbar Elementarstrukturen der
Materie (und des Äthers), die durch
Teilungs- und Verschmelzungsprozesse
entstehen. Nur Metalle seien nicht
teilbar, sie bestünden aus Atomen im
ursprünglichen Sinne. Auf diese Weise
führte Avogadro den Begriff MOLEKÜL
in die physikalische Chemie ein. Die
erste Anti-Atomos-Hypothese der neuzeitlichen Wissenschaft wurde 50 Jahre
lang kaum beachtet, bis Avogadros
Originalhypothese 1860 von Canizarro
Amadeo Avogadro: Versuch einer
Methode, die Massen der Elementarmolekeln der Stoffe und die Verhältnisse, nach
welchen sie in Verbindungen eintreten,
zu bestimmen. In: Wilhelm Ostwald: Die
Grundlagen der Atomtheorie. Ostwalds
Klassiker 3/8; Leipzig Akademische Verlagsgesellschaft 1902 (Original: Journal de
Physic 73, 58; 1811).
auf dem ersten Chemikerkongress
in Karlsruhe im Sinne des Atomkonzepts Demokrits und der newtonschen
Mechanik zu einer additiven Doppelatom-Hypothese umgedeutet wurde.
Ausgerechnet Avogadro, neu interpretiert, schien den atomistischen Denkansatz der kinetischen Gastheorie
nun besonders zu stärken, so dass die
gesamte Chemie nun die Atomhypothes zu stützen schien. Tatsächlich
wurde jedoch Avogadros Gedanke passend gemacht, um die Atomhypothese
zu stützen. Dass der mechanistische
und atomistische Denkansatz tatsächlich nicht haltbar war, stellte sich erst
mit der Entdeckung des Elektrons, der
radioaktiven Strahlung und der Entwicklung quantentheoretischer Modelle
der Materie zwischen 1915 und 1924
heraus. Sie zeigten nicht nur, daß die
gedachten Atome noch gar nicht die
"richtigen" Atome gewesen sein konnten, sondern auch, dass alle Elemen-
4.2. Faradays Programm
Michael Faraday führte 1831 einen
ontologischen Feldbegriff ein, den er
mit Feldlinien visualisierte. Elektrische
und magnetische Felder sollten real
existieren, Raum konditionieren, ineinander umwandelbar sein und so die
elektromagnetische Induktion erzeugen. Seine elektrochemischen Experimente zeigten, dass Materie von elektrischen und magnetischen Kräften
zusammengehalten wird und Kräfte
zwischen entfernten Materiestrukturen durch elektrische und magnetische
Felder (und natürlich Licht) vermittelt
werden. Faraday demonstrierte, dass
auch Metallatome (elektrolytisch) teilbar waren und dabei elektrisch entgegengesetzt geladene Ionen entstehen.
Die kleinste messbare Ionen­ladung
identifizierte Faraday als elementarste
Ladungsgrösse (die 50 Jahre später
Elektron genannt werden sollte). Licht
stellte sich Faraday als vibrierende
Linien eines Feldes vor, das Materiestrukturen
miteinander
verbindet.
1845 entdeckte Faraday die "Magnetisierung des Lichts", die Verbindung
zwischen Elektrizität, Magnetismus
und Licht. Er konnte zeigen, dass polarisiertes Licht durch magnetisierbare
optische Materialien gedreht wird, auch
Faraday Effekt oder Faradays Rotation genannt (die Magnetfelder bewirken eine Rotation der Polarisations­
ebene des Lichts). Später erkannte
man, dass Licht sich in optischen Materialien in zwei entgegengesetzt polarisierte Teilstrahlen aufspreizt und
beim Austritt wiedervereinigt (ganz
offensichtlich ein Verzweigungs- und
Verschmelzungsprozess). Faraday vermutete, dass Magnetfelder auch in der
Quelle des Lichts, in der Materie, solche ´Rotationen´ verursachen. Diese
Hypothese führte 1896 zur Entdeckung der Aufspaltung und Polarisation von Spektrallinien im Magnetfeld
(Zeeman) und 1925 zum Elektronenspin (Uhlenbeck/Goudsmith).
Faraday hielt den Körperbegriff
der Mechanik und das Atomkonzept für
experimentell nicht begründbare Hypothesen und vermutete schon 1844,
dass zwischen Materie und Feldern kein
prinzipieller Unterschied existiert, dass
Materie selbst nur aus extrem konzentrierten elektrischen und magnetischen
Feldern besteht. Ein stoffliches Ätherkonzept hielt Faraday für überflüssig.
Im Grunde seien elektrische, magnetische und gravitative Felder, die sich
von einer Materiestruktur weit in den
Raum hinein erstrecken, theoretisch
sogar unbegrenzt, immer noch Teil der
Materiestruktur - die an ihrer "stofflich" erscheinenden Konturgrenze also
nicht wirklich zu Ende sei. Faradays
Programm - der Gedanke einer einheitlichen Feldtheorie von Elektrizität,
Magnetismus, Licht, Materie und Gravitation - wurde von Maxwell und Einstein weiterverfolgt und ist noch heute
das strategische Ziel der Physik.
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Abbildung 6
Faradays Felder
und das Induktionsprinzip
4.3. Maxwells Felddynamik
James C. Maxwell übersetzte Faradays
Programm 1864 in eine Theorie der
Dynamik des elektromagnetischen
Feldes, die Elektrizität, Magnetismus und Licht auf eine gemeinsame Ätherfeld-Grundlage stellte. Er
schlussfolgerte aus Faradays Experimenten und dem Wissen seiner Zeit,
dass sich elektrische und magnetische
Felder nach bestimmten Regeln anziehen, abstossen, bewegen, verformen
und ineinander transformieren, die
sich mathematisch darstellen, definieren, modellieren und zu Berechnungen
nutzen lassen. Unter elektromagnetischen Feldern verstand Maxwell den
Teil des Raumes, der Materie in elektrischen oder magnetischen Zuständen
enthält und umgibt; er sollte nicht leer
sein, sondern stark verdünnte Materie enthalten. Er hielt es aus mehreren
Gründen für zweckmässig, die Äthervorstellung mit den Feldvorstellungen
Faradays zu verknüpfen. Zum einen,
wie er selbst anmerkte, weil ein echtes
Vakuum nur eine Idealisierung sei, zum
anderen, um die verwickelten Bewegungen des Feldes und die elektromotorischen Phänomene besser illustrieren zu können; aus früheren Versuchen
sehr wohl wissend, dass mechanische
Metaphern nicht wirklich geeignet
sind, die Topologie der komplizierten
Bewegungen des elektromagnetischen
Feldes zu erfassen. Und nicht zuletzt
auch deshalb, weil es nach Faradays
Auffassung keinen prinzipiellen Unterschied zwischen Licht und Materie
geben sollte. Maxwell modellierte, wie
sich dieses grundlegende Feld bewegt
J. Clerk Maxwell: A Dynamical Theory
of the Electromagnetic Field. Philosophical
Transactions of the Royal Society of London, 1864
und verformt und dadurch elektrische
und magnetische Phänomene, auch in
der kompakten Materie, produziert,
die wiederum auf das Feld zurückwirken und dieses verformen. Um die endliche Geschwindigkeit der Ausbreitung
von Licht und Wärme erklären zu können, ersetzte Maxwell die bis dahin von
Coulomb, Amperè, Faraday, Weber und
anderen postulierten elektrischen und
magnetischen Fernwirkungen zwischen
Materiestrukturen durch eine Nahwirkungstheorie, in der das grundlegende
Feld für die Entstehung, Übertragung
und Speicherung von elektrischer und
magnetischer Energie eine ebenso
grosse Rolle spielen sollte wie die kompakten Materiekörper selbst. Maxwell
unterschied drei verschiedene Arten
der Bewegung des Feldes:
1) eine wellenförmige, zyklisch fortschreitende Anregungsbewegung, die
Wärme- und Lichtenergie zwischen
Materiestrukturen übertragen sollte
(Youngs Wellen),
2) eine Art Rotation, welche die Drehung der Polarisationsebene des Lichts
durch Magnetfelder (Faradays Rotation), aber auch die Wirkung elektrischer auf magnetische Felder und
umgekehrt verständlich machen sollte
(Faradays Induktion),
3) eine elektromotorische Verschiebung, Verdrängung oder Aufspreizung
(Maxwell: "Displacement"), bei der
Magnetfelder ein elektrisches Feld induzieren, das wiederum eine elektrische
Polarisierung, Ladungstrennung oder
Ladungsverschiebung in der Materie
oder im Äther-Feld bewirkt (auch als
Verzweigungs- und Teilungsprozess des
elektrischen Feldes interpretierbar).
Maxwell bezeichnete diesen Prozess
als einen beginnenden, aber noch keinen richtigen Strom, und erfaßte damit
die elektrische Dipolbildung von Molekülen und die elektrische Polarisierung nichtleitender Materie, auch des
grundlegenden Äther-Feldes. Die elektromotorische Bewegung ist reversibel; die Umkehrung des Teilungsoder Verschiebungsprozesses bringt
elektrische
Ströme
umgekehrten
Vorzeichens hervor (und kann als
Verschmelzungsprozess
eines
verzweigten elektrischen Feldes gelesen
werden). Die elektromotorische Kraft,
der sogenannte Displacement- oder
Verschiebungsstrom, modelliert verschieden starke plastisch-elastische
Verformungen eines viskosen Mediums
durch Verschiebung, Verdrängung oder
Aufspreizung in positive und negative Feldbestandteile, was Ursache der
Elastizität des Äther-Feldes sei. Auf
diese Weise soll Energie durch Verformung, Ladungstrennung und dielektrische Verschiebungen (= Feldverzweigungen) in der Materie gespeichert, die
Bewegung von Teil zu Teil des zusammenhängenden
Feldes
übertragen
und die Ausbreitung von Wärme und
Licht im Äther-Feld auf eine endliche
Geschwindigkeit verzögert werden.
Dieser Betrachtungsweise liegt wie
schon bei Avogadro der naturphilosophische
Gedanke zugrunde, daß zwischen Äther und
Materie keine echte Trennung existiert; daß
auch der Lichtäther aus Elementarstrukturen (Molekülen) besteht. Daß die Strukturbeschaffenheit von Materie und Feldern dieselbe ist, ist ein Gedanke, der 40 Jahre später (1905) in Einsteins Quantenhypothese
des elektromagnetische Feldes wieder auftaucht und weitere 20 Jahre später (1925)
für die Quantennatur der Materie bestätigt
wurde, ohne daß diese gemeinsame Strukturbeschaffenheit bis heute begriffen werden konnte.
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Maxwell vermutete, dass der Prozess
der elektrischen Polarisierung von Isolatoren oder Dielektrika (z.B. Glas,
Schwefel, Luft, aber auch des ÄtherFeldes) durch Magnetfelder im Prinzip
der magnetischen Polarisierung von
elektrisch leitenden Materialien (z.B.
Eisen) gleiche: Jede Elementarstruktur
im dielektrischen Medium sollte lokal
eine entgegengesetzte Polarisierung
annehmen, die sich kettenartig ausbreitet und insgesamt zu einer spürbaren polaren Aussenwirkung führt;
im einen Fall elektrischer, im anderen magnetischer Natur. Verursacht
wird die elektromotorische Kraft entweder durch eine Bewegung der Materie relativ zum (elektro-) magnetischen
Feld, oder durch eine Veränderung der
Stärke oder Richtung dieses Feldes
selbst. Sie induziert dann entweder
einen Strom und erhitzt die Materie je
nach Widerstand, oder sie zerlegt die
Materie wie in Faradays Experimenten,
oder sie polarisiert nichtleitende Materie durch elektrische Ladungstrennung
in elastisch-plastischen Verformungsprozessen, die sich je nach Material
mehr oder weniger schnell von selbst
umkehren, sobald die induzierende
Kraft verschwindet.
Im mathematischen Modell erscheint
die elektromotorische Kraft als polarisiertes elektrisches Feld, gedämpft
durch Materialeigenschaften. Dahinter
scheinen sich Verzweigungs- und Verschmelzungsprozesse von Feldern zu
verbergen, was in Maxwells Wellenbild
nur als An- und Abschwellen der elektrischen Feldstärke erscheint. Das trifft
ebenso auf das Magnetfeld zu, dessen
Feldstärke gleichzeitig mit der elektrischen Feldstärke schwankt. Beide
Felder und ihre Veränderungen werden
als Transversalwellen aufgefasst; sie
stehen (wie Verzweigungen) quer zur
Hauptbewegungsrichtung des Lichts.
Mathematisch wird das durch zwei
orthogonal zueinander und zur Ausbreitungsrichtung des Lichts stehenden Feldvektoren visualisiert, die damit
auch eine Art ontologische "Entgegengesetztheit" oder "Orthogonalität" ausdrücken (Abb. 7). In Maxwells Modell
lässt sich dann ein zyklischer Prozess
erkennen, in dem sich ein zunächst
neutrales Feld durch ein Magnetfeld
elektrisch polarisiert (ganzheitlich teilt
und räumlich verzweigt), durch eine
elastische Gegenkraft wieder zusammenfällt (verschmilzt) und dabei ein
dem ursprünglichen Magnetfeld entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt.
Die Gesamtheit aller Bewegungen,
Grössen und physikalischen Begriffe
definierte Maxwell in 20 Gleichungen
mit 20 Variablen als dynamische Feldtheorie, wobei die Dynamik, die Veränderung der Feldstruktur, trotz der Vorbehalte Maxwells noch immer als Bewegung im Sinne der Mechanik erscheint.
Die Gleichungen beschreiben die Änderung der elektrischen und magnetischen
Polarisation zeit- und ortsabhängig als
fortschreitende Punkt-zu-Punkt-Bewegung in einem zusammenhängenden,
sich durch die Bewegung selbst ständig verändernden Feldkontinuums. Die
Ausbreitung der "Welle" erfolgt jedoch
nicht als gerichteter, gewellter Lichtstrahl, sondern isotrop und homo­gen in
alle Raumrichtungen zugleich, also in
Kugelform, mit konstanter Geschwindigkeit. Wie man sich diese blasenartige Ausbreitung im Raum, verknüpft
mit Transversalwellen, Aufspreizungen
und Rotationen anschaulich-widerspruchsfrei vorstellen sollte, konnte
Maxwell wie gesagt nie klären, sondern
eben nur behelfsmässig mechanistisch
illustrieren. In Bezug auf seine Aussagen zu den energetischen Zusammenhängen wollte Maxwell jedoch wörtlich verstanden werden: Die Energie
des elektromagnetischen Feldes sei
oszillierende mechanische Energie, zur
Hälfte bestehend aus potentieller Energie, die durch Strukturbildung im Feld
und in der Materie temporär gespeichert und als elastisches Rückstellvermögen wirksam wird, und kinetischer Energie, die durch die Anregung benachbarter Bereiche als Wellenbewegung kontinuierlich im Raum
fortschreitet. Die Ausdehnungsgeschwindigkeit der Kugelfront identifizierte Maxwell als die des Lichts. Maxwell hat diese Geschwindigkeit allerdings nicht gemessen, sondern aus der
Elastitzität des Äther-Feldes berechnet,
die vom Verhältnis zweier Kenngrössen
abhängt, die den Displacement- oder
Verschiebungsterm bestimmen. Die
eine Grösse betrifft Magnetfelder und
wird ziemlich willkürlich definiert; die
andere betrifft elektrische Felder, wird
experimentell ermittelt und ist eine Art
Materialkoeffizient für das Polarisationsvermögen der Materie, auch des
grundlegenden Feldes (Äthers; Vakuums; freien Raumes). Die Relation
beider Grössen stellt nach Maxwell und
noch heute allgemein gültiger Auffassung eine Geschwindigkeitsgrösse dar,
die mit der des Lichts identisch ist.
µ (nü)
ε (eta)
µ (nü): Magnetische Permittivität
Mass für das Durchlassvermögen des Äthers
(Vakuums, freien Raumes) und der Materie für Magnetfelder (eine Aussage über
die Magnetisierbarkeit). Ist eine definierte
Konstante. Ursprung: Amperès Kraftgesetz. Zweck: Verknüpfung der Einheit der
Die Übereinstimmung seiner Berechnungen mit rein elektrostatischen Messungen an einem Kondensator durch
Weber und Kohlrausch veranlaßte
James C. Maxwell zu seiner berühmten
Hypothese:
"... dass Licht selbst (inklusive Wärmestrahlung und andere Strahlung, falls
vorhanden), nichts anderes als eine
elektromagnetische Störung in Form
von Wellen sei, übermittelt durch das
elektromagnetische Feld gemäss den
elektromagnetischen Gesetzen” .
Stromstärke (Ampere) mit mechanischen
Einheiten wie Masse, Länge und Zeit.
Ermöglicht damit auch eine elektromagnetische Definition der Konstante c, der aus
der Optik bekannten Lichtgeschwindigkeit,
als c=1/√µε. Auch Vakuum-Perme­abilität,
Induktionskonstante oder Influenzkonstante genannt. Neuerdings nur noch als
Magnetische Feldkonstante bezeichnet,
um keine ontologischen Sinnfragen mehr zu
provozieren (z.B. was bedeutet das physikalisch für das Feldkonzept?).
ε (eta): Elektrische Permittivität
Mass für das Durchlassvermögen des
Äthers und nichtleitender, isolierender
Materie (Dielektrika) für elektrische Felder.
Kennzeichnet das elektrische Polarisationsvermögen eines Dielektrikums und die daraus folgende Reduktion des einwirkenden
elektrischen Feldes. Variable Größe, wird
experimentell bestimmt. Maxwells dielektrische Verschiebung (= elektrische Polarisation) hängt von dieser Materialkenngröße
und der Stärke des elektrischen Feldes ab.
Auch Dielektrizitätskonstante des Vakuums
oder freien Raumes genannt, also auch
ein “Materialkoeffizient” für die elektrische
Permeabilität (Durchlässigkeit) des Vakuums. Da auch hier deutlich physikalisch
Bedeutungen mitschwingen, die nach einer
Beantwortung der ontologischen Sinnfrage
verlangen (die in der momentanen Interpretation der Relativitäts- und Quantentheorie ausgeklammert wird), nennt man
diese Größe neuerdings auch Elektrische
Feldkonstante
J. Clerk Maxwell: A Dynamical Theory of
the Electromagnetic Field, S.466 (20)
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- für alle praktischen Zwecke nahezu
perfekt. Sie wurden von Heavyside
und Hertz auf vier elementare Grundgleichungen reduziert und durch eine
Schreibweise modernisiert, die komplexe Zahlen verwendet.
Abbildung 7 Maxwells Feld-Dynamik in Wellenform
In dieser Skizze wird ein symbolischer Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Feldern und der Ausbreitungsrichtung des Feldes in der
Zeit hergestellt. Die Verzweigung und Verschmelzung des elektrischen Feldes durch die elektromotorische Kraft - die elektrische Polarisation - wird hier
nicht explizit dargestellt, sondern als wellenartiges
An- und Abschwellen des elektrischen Feldes symbolisiert. Auch die Umkehrung des Magnetfeldes während der Verschmelzung des elektrischen Feldes wird
hier nicht sichtbar (Skizze des Autors, nach Maxwell).
Die hier gegebene Zusammenfassung
folgt direkt Maxwells eigener Darstellung, was seine Intentionen erst richtig deutlich macht. Spätere Interpretationen versuchen mehr oder weniger
bemüht, das grundlegende Äther-Feldkonzept Maxwells zu meiden und als antiquiert erscheinen zu lassen, wodurch
die eigentliche Tiefe und Brillanz der
maxwellschen Vorstellungen jedoch
verloren geht. Maxwells Gleichungen,
in denen auch das Wissen seiner Vorgänger (Galvani, Coulomb, Amperè,
Ørstedt, Faraday, Gauss, Weber) und
Nachfolger steckt (Heavyside, Hertz,
Lorentz usw.) sind noch heute gültig
und beschreiben elektromagnetische
Felder - auch ohne Substanzgrundlage
Klar ist heute, dass es ein echtes
Vakuum tatsächlich nicht gibt, da
Felder immer vorhanden sind - und
selbst Materie aus substanzlosen Feldern besteht. Maxwells Anliegen ist
damit nach wie vor aktuell, falls man es
noch für nötig hält, die Topologie des
elektromagnetischen Feldes und seine
Wechselwirkungen mit Materie wirklich zu verstehen. Und vor allem, wenn
man gezwungen ist, die Existenz eines
nicht-feldfreien Universums oder eines
grundlegendes Feldes im Universum
zu akzeptieren. Klar sollte inzwischen
auch sein, dass jede vernünftige Kosmologie hintergrundunabhängig sein
sollte, was bedeutet, dass Raum- und
Zeitvorstellungen - wie schon in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie
- nicht mehr axiomatisch vorausgesetzt werden können. Offensichtlich
haben wir Faradays Programm nur
noch nicht konsequent genug umgesetzt: Wir wissen noch immer nicht,
wie sich die Dichotomie zwischen Feldern und Teilchen, das Welle / QuantenParadoxon, auflösen lässt (die offizielle Lehrmeinung hält das weder für
nötig noch möglich), und demzufolge
auch nicht, wie sich kompakte, stofflich erscheinende Materie aus nichtstofflichen Feldern bildet; oder wie sich
die Quantenphysik als Strukturtheorie
mit Feldvorstellungen widerspruchsfrei - ohne Teilchen - verknüpfen lassen soll. Es fehlt nach wie vor an neuen
physikalischen Vorstellungen, welche
die mechanischen Behelfs­illustrationen
ersetzen könnten. Wie man am Original auch erkennen kann, ging es
Maxwell bereits um ein universelles
ontologisches Feldmodell, das mit sich
selbst inter­agiert und dabei strukturell-topologisch verändert; seine Prinzipien gelten für Materie und Felder.
Die Verzögerung bei der Übertragung von Licht und Wärme versuchte
Maxwell einerseits mit einer polaren
Strukturbildung des Feldes, andererseits mit einer mechanischen Bewegung zu erklären10. Auch das Gravitationsproblem und seine Verwandschaft
zu den elektromagnetischen Kräften
erwähnte Maxwell bereits, konnte dazu
aber keine Vorstellungen entwickeln.
Deutlich sichtbar wird nun auch, dass
sich hinter dem Verschiebungs- oder
Displacement-Term elektrische und
magnetische
Polarisationsprozesse
verbergen, die auch als ganzheitliche
Feld-Bifurkationen verstanden werden
könnten - was auch für den Induktionsprozeß selbst zu vermuten ist. Man
könnte den Verschiebungsterm also
durchaus als reversiblen Verzweigungsterm auffassen, der Teilungs- und Verschmelzungsprozesse von Feldern –
ohne Unterschied zwischen Licht und
Materie - modelliert.
Obwohl Maxwells Theorie theoretisch
und praktisch ausserordentlich erfolgreich war (so wie die Quantentheorie
heute), führten die substanzartige
Äther­vorstellung und die Wellentheorie
schon bald zu tiefen konzeptionellen
10 Wie wir später sehen werden – und
das Kondensatorbeispiel bereits andeutet - bedarf es einer mechanischen Bewegung des Feldes dazu nicht. Das löst auch
das Problem des absoluten Bezugssystems
und ermöglicht die Existenz eines grundlegenden Feldes, das ´das Universum´ ist.
Widersprüchen - obwohl Heinrich Hertz
die Existenz von Wellen 1888 experimentell scheinbar eindeutig nachgewiesen hatte. Zum einen erschwerte
die Unanschaulichkeit der Topologie
der Felddynamik ein echtes Verständnis der physikalischen Beschaffenheit
des Feldes, seiner Kenngrößen und seiner Transformationen, auch in Materie.
Zweitens ließ sich die postulierte Bewegung der Wellenanregung - die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit - nicht
mit dem Bewegungsbegriff der Mechanik vereinbaren. Und drittens war die
Kontinuumshypothese, die dem ätherbasierten Wellenmodell zugrunde liegt,
mit dem Energieerhaltungsprinzip nicht
verträglich, wie Max Planck 1900 feststellen mußte.
Plancks Gleichung der Wärmestrahlung
besagte statt dessen, dass Energie nicht
kontinuierlich, sondern nur in bestimmten Mengen vom elektromagnetischen
Feld an Materie und umgekehrt übertragen wird. Planck nannte sie Wirkungsquanten (Quantum: lateinisch für
Menge) und gedachte, dafür die Eigenschaften der Materie verantwortlich zu
machen, ohne die maxwellsche Theorie
oder die Kontinuität des elektromagnetischen Feldes in Frage zu stellen.
Albert Einstein kam 1905 (knapp 26
Jahre alt) jedoch zu dem Schluss, dass
mit dem Kontinuums­konzept des Feldes
etwas nicht stimmen konnte. Zur gleichen Erkenntnis kam er in Bezug auf
Newtons Raum- und Zeitvorstellungen. Und er erkannte, dass zwischen
beiden Problemen ein Zusammenhang
besteht. Aus diesem Konflikt entstanden nahezu parallel zwei scheinbar
voneinander unabhängige Theorien,
die Quantenhypothese des Lichts und
die Spezielle Relativitätstheorie.
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4.4. Einsteins Quantenhypothese
Da Einsteins Lichtquantenhypothese
selbst von namhaften theoretischen
Physikern nicht immer korrekt wiedergegeben oder interpretiert wird, sollen die mit ihrer physikalischen Bedeutung verknüpften Probleme hier etwas
genauer dargestellt werden. In seiner
Quantenhypothese des Lichts stellte
Einstein fest, dass Plancks Herleitung
der Strahlungsgleichung in sich selbst
widersprüchlich war; sie war mit einer
Theorie, in der sich die Energie des
Feldes kontinuierlich und kugelartig
im Raum (Äther; Vakuum) ausbreiten
soll und stetig auf Materie übertragen
werden kann, nicht vereinbar. Einstein
behandelte das Strahlungsproblem mit
statistischen Methoden der Mechanik
und Thermodynamik und entwickelte
eine Analogie zwischen einem materiellen Molekül-Gas und einem "Lichtquanten-Gas". Einstein schlussfolgerte
aus Energie- und Entropieprinzipien,
bei denen Avogadros Hypothese (in
ihrer mechanistischen Form) eine
Schlüsselrolle spielte, dass das elektromagnetische Feld eine nichtkontinuierliche Struktur besitzen muss. Mit
anderen Worten: Die Lichtquantenhypothese behauptet, dass das elektromagnetische Feld wie Materie real existiert und eine Struktur hat, die ebenfalls aus Elementarstrukturen bestehen
muss. Diese entsprechen bestimmten
Energiemengen - Plancks Wirkungsquanten - und übertragen als "Lichtquanten" Energie auf Materie. Einstein
vermutete deshalb, dass Max­wells
Theorie die "Mikro­struktur der Strahlung" nicht abbilden könne. Das irritiert
etwas, denn an Mikrostruktur hat Maxwells Theorie wahrhaftig jede Menge zu
bieten - man denke nur an die Palette
elektromotorischer
Verschiebungen,
die Verformungen des Feldes und die
Polarisation dielektrischer Materiestrukturen. Man könnte eher sagen,
daß Maxwells Theorie nicht vollständig ist; sie kann die qualitative Struktur der Strahlung (bzw. des Feldes) und
Absorptionsereignisse nicht abbilden.
Einstein geht also vom Problem der
Energieerhaltung bei der Wechselwirkung des elektromagnetischen Feldes
mit Materie aus. Anschaulich illustriert sieht das Problem etwa so aus:
Die gleichförmige Ausdehnung der
maxwellschen Feldkugel "im Raum"
(auch im Äther oder Vakuum) müsste
theoretisch Wechselwirkungen zwischen Feld und Materie an allen Punkten der Kugel­oberfläche erlauben, auch
mit mehreren, ja beliebig vielen Materiestrukturen gleichzeitig. Das widerspricht jedoch dem Energieerhaltungsprinzip, denn die ausgesendete Energiemenge ist nicht nur begrenzt, sondern auch portioniert (in der Speziellen Relativitätstheorie wird Einstein
feststellen, dass diese Vorstellung die
Aufgabe der newtonschen Gleichzeitigkeit erfordert). Ausserdem müssten
diese Wechselwirkungen nach Maxwell von der Intensität der Strahlung
am jeweiligen Ort der Materie abhängen, da sich die Lichtkugel immer weiter ausdehnt und die Energie sich entsprechend verdünnen würde. Plancks
Gleichung und Lenards Experimente
hatten jedoch gezeigt, dass die Energieübertragung nicht von der lokalen
Helligkeit oder Intensität der "Strahlung", sondern nur von der Frequenz
des Lichts abhängt und energetisch
portioniert sein muss. Das aber bedeutete, wie Einstein erkannte, daß mit
der kontinuierlichen Ausbreitung der
Strahlungsenergie und den Vorstellungen zur homogenen Beschaffenheit
des Feldes etwas nicht stimmen konnte
(was auch für Felder ohne Äther, Raum
oder Vakuum gelten würde). Aus diesen Gründen schlussfolgerte Einstein,
dass das elektromagnetische Feld eine
noch unbekannte ontologische Struktur besitzen müsse, die aus bestimmten Mengen Lichtenergie besteht - was
dann zu individuellen, energetisch portionierten Wechselwirkungen mit Materie führt (Abb. 8 Maxwells Lichtkugel).
Einsteins Lichtquanten-Begriff bezeichnet also sowohl Struktur­elemente­ des
freien elektromagnetischen Feldes, die
man eigentlich noch nicht "Licht" nennen kann, als auch lokal wirkende Energieportionen, die wir zu Recht Licht und
Wirkungsquanten nennen dürfen. Diese
Doppeldeutigkeit ist nicht immer klar;
auch nicht die Folgen einer unscharfen
Verwendung des Begriffes "Licht" als
Synonym für das noch nicht wechselwirkende, aber strukturierte elektromagnetisch Feld. Das betrifft sowohl
die Verständnisprobleme der Quantenals auch der Relativitätstheorie.
Erst nachdem Einstein die Hypothese einer wie auch immer gearteten
Struktur des Feldes abgeleitet hatte,
machte er sich daran zu untersuchen,
ob auch die Emissions- und Absorptionsprozesse von Licht so beschaffen
sind, als ob sie aus solchen Energiequanten bestünden. Um das mathematisch-quantitativ fassen zu können,
entwarf er ein Hilfsmodell der Strahlung, in dem er die Wirkungsmenge
´Lichtenergie´ ausdrücklich heuristisch
und provisorisch, wie er auch später
noch mehrfach betonte, als räumlich
Abbildung 8 Maxwells Lichtkugel & Einsteins Lichtquantenhypothese
Nach Maxwells Theorie könnten alle beteiligten Materiestrukturen gleichzeitig mit dem sich kugelartig
ausbreitenden Feld wechselwirken. Nach Einsteins Lichtquantenhypothese wirkt das elektromagnetische Feld
jedoch immer nur punktartig-lokal in bestimmten Energieportionen (hier auf dem rechten Schirm).
10
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eng konzentrierte Energie­portion auffassen und damit wie ein diskretes Teilchen der Mechanik behandeln konnte.
Einstein behauptete nun, dass "die sich
bewegen, ohne sich zu teilen, da sie
immer nur als Ganze absorbiert oder
erzeugt werden können". Diese teilchenartigen Lichtquanten sollten dann
mit Elektronen, ganz wie in der Mechanik üblich, modellhaft in Form von
Stössen wechselwirken. Behelfsmässig
war das mechanistische Modell deshalb,
weil die energetische Ganzheit dieser
Lichtquantenvorstellung - als "Unteilbarkeit" aufgefasst - mit der Inter­
ferenzbedingung absolut nicht verträglich war. Um die Zwei-Wege-Bedingung
im Doppel­spaltexperiment berücksichtigen zu können, war das Wellenmodell
(und dabei vor allem der Prozess der
Zweiteilung) nach wie vor unverzicht­
bar. Das wusste damals noch jeder
Physiker, natürlich auch Einstein. Das
mechanistische Behelfsmodell für die
gesuchte Struktur des elektromagnetischen Feldes stand dermassen offensichtlich im Widerspruch zu Youngs
Experiment und dem Interferenzphänomen, dass es 20 Jahre dauerte, bis
sich die Quantenhypothese des Lichts
durchsetzen konnte. Millikans Experimente lieferten 1915 die ersten quantitativen Beweise und zwangen selbst
ihn, einen hartnäckigen Skeptiker,
die Richtigkeit der Lichtquantenhypo­
these anzuerkennen. Und das, obwohl
ein widerspruchsfreies physikalisches
Modell der Struktur des Feldes, das
sowohl der Interferenzbedingung als
auch der punktartig-lokalen Absorptionsbedingung genügen müsste, noch
immer fehlte. Daran hat sich bis heute
nicht das Geringste geändert. Einstein sah in diesem Widerspruch - im
Gegensatz zu vielen anderen Physikern
nach ihm - jedoch immer das "grösste
Problem der theoretischen Physik" und
versuchte ein Leben lang, das eigentliche Problem zu verstehen und zu
lösen. Wenn sich Physiker heute also
darauf berufen, dass Einstein behauptet
hätte, dass elektromagnetische Felder
aus punktartigen, räumlich konzentrierten Energieportionen bestünden
oder Licht eine "atomistische" Struktur hätte, haben sie seine Arbeit, seine
Intentionen, seine Gedanken, seine
Suche und vor allem das Problem noch
nicht verstanden - oder ganz bewusst
"das Handtuch geworfen" (Feynman).
Erstaunlich ist nur, dass vielen Physikern überhaupt nicht bewusst ist, dass
sie die Physik in eine Sackgasse manövrieren, wenn sie einem Grundsatzproblem der Physik - und des Naturund Realitätsverständnisses - auf diese
Art ausweichen. Sie verwechseln dann
ein bestimmten Zwecken dienendes
quantitatives Modell, das zudem auch
noch ausdrücklich als Behelfsmodell
gekennzeichnet ist, mit einer physikalischen Theorie, die nach wie vor unvollkommen ist, weil sie nicht in der Lage
ist, ein widerspruchsfreies qualitatives,
eben physikalisch-ontologisches Modell
des elektromagnetischen Feldes und
der punktartigen Wechselwirkungen zu
liefern. Bestärkt werden sie in dieser
Attitüde von der quantenmechanischen
Interpretation, die ein utilitaristisches
Wissenschaftsverständnis propagiert
- eben weil Einstein, Bohr, Heisenberg
und Born das Problem nicht lösen konnten. Im Gegensatz zu Bohr, Heisenberg
und Born war Einstein jedoch klar, was
eine gute physikalische Theorie zu leisten hat und was ihm dazu noch fehlt was ihn nicht daran gehindert hat, das
revolutionäre Potential seines Konzepts
schon 1905 zu begreifen. Konsequen-
terweise blieb das Welle / QuantenParadoxon, das ein echtes Verständnis der wahren Beschaffenheit der Elementarstrukturen der Natur blockiert,
für Einstein immer das Hauptproblem der theoretischen Physik. Mit dieser Beurteilung des Quantenproblems
stand er jedoch schon um 1930 so gut
wie allein.
4.5. Einsteins Relativprinzipien
In der Speziellen Relativitätstheorie,
der zweiten grossen Theorie des Jahres 1905, verfolgte Einstein das Ziel,
den Widerspruch aufzulösen, der sich
aus der scheinbaren Unvereinbarkeit
des Bewegungsbegriffs der Elektrodynamik mit dem Bewegungsbegriff der
Mechanik ergab. Es geht im Grunde um
das gleiche Problem, das schon in der
Lichtquantenhypothese eine Schlüsselrolle spielt: Die gleichförmige Ausdehnung der maxwellschen Lichtkugel im Raum, die theoretisch Wechselwirkungen mit beliebig vielen Materiestrukturen gleichzeitig erlauben sollte.
Das widerspricht zwar dem Energieerhaltungsprinzip in der Quantentheorie,
schien aber mit dem newtonschen
Axiom der Gleichzeitigkeit vereinbar.
Dass die Vorstellung von einer im Universum geltenden Einheitszeit jedoch
aufgegeben werden muss, war eine der
Schlussfolgerungen der Speziellen Relativitätstheorie. Einstein hoffte damit,
das Bewegungsproblem lösen zu können. Vermutlich war es Einstein selbst
noch nicht klar - aber praktisch hat er
mit dieser Theorie sämtliche Vorstellungen von einer mechanischen Bewegung des Feldes im Raum aufgehoben.
Deutlich bewusst war ihm jedoch, dass
das Bewegungsproblem mit klaren und
einleuchtenden Prinzipien behandelt
und formal gelöst werden kann, ohne
damit schon Anspruch auf Anschaulichkeit oder ein umfassendes Verstehen
erheben zu können. Die Beschränkung
auf eine formal-mathematische Lösung
hat vermutlich damit zu tun, dass Einstein nun wieder einen Schritt zurückgeht: Er behandelt das elektromagnetische Feld in der Speziellen Relativitätstheorie wieder ganz "klassisch",
ohne Bezug auf seine Lichtquantenhypothese oder eventuelle Korrekturen
an Maxwells Theorie zu nehmen. Dennoch erfährt das max­wellsche Konzept
auch in der Relativitätstheorie eine
Veränderung. Maxwells Äther-Feld wird
als überflüssig und unnötig verworfen, obwohl Maxwells Feldvorstellung
eine grundlegende Einheit des Universums impliziert, die im Grunde unverzichtbar ist. Einstein hielt es offenbar aufgrund hartnäckiger Widersprüche für ökonomischer, nur dem Anregungsteil des Feldes eine Realität im
Sinne Faradays zuzugestehen. Und
damit beginnen die ersten Irritationen:
Bei Einstein breitet sich nun ein elektromagnetisches Feld, von der Materie punktartig startend, kugelförmig
´im Raum´ oder ´Vakuum´ mit Lichtgeschwindigkeit aus. Doch in Wirklichkeit – sowohl für die Theorie als auch
für die anschauliche Vorstellung - spielt
diese gedachte Bewegung physikalisch
überhaupt keine Rolle. Wie in der Lichtquantenhypothese gibt es auch in der
Relativitätstheorie eine noch aufzuklärende Diskrepanz zwischen Wort und
Tat; zwischen dem, was die Theorie
aussagt, und den Bildern, die wir uns
- wie Einstein auch - davon zu machen
suchen. Folgende Äusserung zeigt, wie
und warum Einstein den Äther verwirft. Damit kann aber noch nicht ausgeschlossen werden, daß ein grundlegendes Feld existiert:
11
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"Die Einführung eines ´Lichtäthers´
wird sich insofern als überflüssig erweisen, als nach der zu entwickelnden
Auffassung weder ein mit besonderen
Eigenschaften ausgestatteter ´absolut ruhender Raum´ eingeführt, noch
einem Punkt des leeren Raumes, in
welchem elektromagnetische Prozesse
stattfinden, ein Geschwindigkeitsvektor zugeordnet wird."
Das insofern Überflüssige ist natürlich
Newtons Behälterraum, egal ob mit
einem Medium gefüllt oder nicht. Es
gibt also kein Aquarium, in dem sich die
Welt befindet. Es gibt kein natürliches
Raumbezugssystem, schon gar kein
absolutes. Das bedeutet, dass Bewegung und Veränderung nicht mehr in
Bezug auf einen gegebenen räumlichen
und zeitlichen Rahmen formuliert werden kann. Das beeinhaltet aber noch
keine negative Aussage über die Möglichkeit eines universellen Feldes, das
sich auf sich selbst bezieht. Der zweite
Teil dieser Äusserung betrifft den
Ereignispunkt, der immer als ruhend
betrachtet werden kann. Und das heisst
ganz praktisch: Zwischen Feld und
Materie gibt es im Moment der Emission und Absorption keine Relativbewegung - im Sinne der Mechanik. Das
könnte natürlich auch bedeuten, dass
das elektromagnetische Feld seinen
Ort nicht verändert, aber seine Struktur - und es bewegt sich doch, wenn
auch auf andere Weise. Es könnte dann
ebensowenig als ruhend aufgefasst
werden, wie es als absolutes Bezugssystem dienen könnte. Das würde sich
mit einem grundlegenden Feld, in dem
Materie und elektrische und magnetische Felder gleichermassen Manifestationen dieses Feldes sind, durchaus vertragen. In einer umfassenden
Feldtheorie (auch ohne Äther, Raum,
Vakuum) muss es theoretisch sogar
ein grundlegendes Feld im Symmetriezustand geben, das durch Störungen
– sprich Asymmetrien - angeregt werden kann, was ganz im Sinne Maxwells
zu den elektrischen und magnetischen
Phänomenen führen würde. Da es nicht
stofflich ist, wäre es nur scheinbar eine
Art Nichts, aber zugleich Potential für
Alles: Es wäre ohne effektive Wechselwirkungen (Strukturveränderungen in
der Materie) weder nachweisbar, noch
als ´Licht´ wahrnehmbar, aber dennoch real vorhanden – genau so wie
Einsteins Lichtquanten (die Feldstruktur) vor einem Absorptionsereignis.
Erstaunlich, dass Einstein diese Perspektive nicht einnehmen konnte, die
mit seinen beiden Theorien voll verträglich gewesen wäre. Einige Physiker
verfolgten solche Vorstellungen weiter,
was lange als Irrweg galt. Doch heute
ist diese Vorstellung wieder voll akzeptabel – sie taucht nur unter neuen
Namen auf, zum Beispiel als Quantenfluktuation, Nullpunktenergie und
Nullmessung.
Um beurteilen zu können, ob diese
Auslegung nicht etwas zu weit geht,
sollten wir uns die Ausgangssituation
zu Beginn des 20. Jahrhunderts noch
einmal vergegenwärtigen: Wenn Newtons absoluter Raum wie ein Aquarium mit einem stofflichen Medium
gefüllt wäre, müsste sich jede Bewegung einer Materiestruktur feststellen und ihre Geschwindigkeit relativ zu
diesem Medium - und damit zum absoluten Raum - messen lassen. Für den
leeren Raum (Newtons Behälterraum)
war das bekanntlich unmöglich, was
Galilei zum Relativprinzip der Mechanik geführt hatte. Es lautet: Es ist ohne
ein weiteres Bezugssystem unmöglich
festzustellen, ob und wie sich ein Körper bewegt, solange in diesem System
keine Kräfte wirken. Ein solches Bezugssystem nennt man ein Intertialsystem
(inert: träge). Diese Situation kann von
einem ruhenden System nicht unterschieden werden; also macht es keinen
Sinn mehr, von einer absoluten Bewegung (gegenüber dem Raum) zu sprechen. Bewegung im Sinne der Mechanik, also Ortsveränderung pro Zeiteinheit, kann deshalb nur relativ zu anderen Bezugssystemen sinnvoll definiert
werden. Es lässt sich ohne wirkende
Kräfte ("Beschleunigungen") jedoch
nicht entscheiden, welches von beiden
sich "wirklich" bewegt. Jedes der beiden kann sich demzufolge als ruhend
betrachten, wenn es die Bewegung des
anderen relativ zu sich beschreibt. Die
Frage war nun: Galt ein solches Symmetrieprinzip auch in der Elektrodynamik? Für elektrische und magnetische Felder, also für Faradays Induktion? Und für die Bewegung der Lichtkugel relativ zu Materiekörpern? Wenn
sich ein Materiekörper im leeren Raum
oder Medium bewegt und damit relativ
zu einer Lichtkugelfront, müsste ihm
die Geschwindigkeit dieser Kugelfront
variabel erscheinen, abhängig von seiner eigenen Geschwindigkeit - vorausgesetzt natürlich, dass er sie sehen
kann (was natürlich nicht der Fall ist;
also ein rein fiktives Problem darstellt).
Dahinter stand im Grunde die Frage, ob
die Elektrodynamik Maxwells Galileis
Relativprinzip und damit die Mechanik
ein- oder ausschliesst; im zweiten Fall
wäre die Mechanik revisionsbedürftig
und müsste der Elektrodynamik untergeordnet werden. Deshalb galt die
genaue Messung der Lichtgeschwindigkeit quer und längs zur Bewegungsrichtung der Erde zwischen 1880 und 1915
als Schlüsselexperiment, erbrachte
aber kein Ergebnis: Die Lichtgeschwindigkeit erschien immer konstant. Einstein schlussfolgerte daraus, aber mehr
noch aus der Relativität der Bewegung
von Magnet und elektrischem Leiter
beim Induktionsvorgang, dass ein solches Relativprinzip der Bewegung auch
in der Elektrodynamik gelten müsse.
Stimmt das wirklich? In Bezug auf das
Induktionsprinzip leuchtet das sofort
ein; in Bezug auf die fiktive Lichtkugel
und das Bewegungsproblem noch nicht.
Die theoretische Frage war für Einstein
nicht, was das für die Beschaffenheit
des elektromagnetischen Feldes und
seine Bewegungen bedeutet; sondern
eher die Frage, ob sich die Elektrodynamik - so wie sie "klassisch" war - aufgrund von Symmetrieprinzipien mit der
Mechanik vereinbaren läßt.
Dass das Bewegungsproblem nicht trivial ist, zeigen auch die Irritationen,
die sich aus der Interpretation des
Induktions­prinzips in der maxwellschen
Theorie und in ihrer Erweiterung durch
Antoon Lorentz ergaben. Lorentz versuchte zwischen 1895 und 1904, die
Theorie Maxwells über eine Theorie
bewegter, körperhafter Elektronen mit
der Mechanik zu verknüpfen. Ob elektrische oder elektromotorische Kräfte
auftraten, schien nun davon abzuhängen, welches von beiden Systemen sich
"wirklich" (relativ zum Äther) bewegt:
Bewegt sich der Magnet, während sich
der elektrische Leiter in Ruhe befindet, induziere der Magnet ein elektrisches Feld im Raum, das dann die
Elektronen im Leiter in eine Richtung
in Bewegung setze und so elektrischen
Strom erzeuge (falls es in der Realität zwei entgegengesetzte Richtungen
zugleich wären, hätten wir es mit der
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elektromotorischen Kraft zu tun, mit
einer Polarisierung oder Bifurkation
des elektrischen Feldes; müssten
"Strom" also ganz anders definieren).
Ruht der Magnet jedoch und bewegt
sich der elektrische Leiter, entsteht
nach Lorentz in diesem kein reales
elektrisches Feld, sondern ein beginnender, aber noch kein richtiger Strom,
Maxwells Verschiebungsstrom - das ist
die elektromotorische Kraft, welche die
Elektronen dann quer zur Bewegungsrichtung des Leiters in Bewegung setzen soll (wieder in eine Vorzugsrichtung). Wie man Maxwells Gleichungen
physikalisch und anschaulich interpretiert, hängt also vor allem davon ab,
was man unter "Verschiebung" und
"Polarisation" versteht. Das wiederum
bestimmt, was man unter Feldern,
Elektronen, Strom und Bewegung versteht, und ob dieses Phänomen überhaupt eine Richtung hat, oder eher als
Ladungstrennung und Polarisation im
Sinne eines Bifurkationsprozesses zu
interpretieren ist, der ein elektrisches
Feld in entgegengesetzte Richtungen
zugleich aufspreizt – was noch gar
kein Strom, sondern nur eine elektrische Spannung wäre. Wie auch
immer, offenbar genügte diese Interpretation weder dem Relativprinzip
Faradays (bei ihm war noch alles symmetrisch), noch der Mechanik; also
auch nicht dem galileischen Symmetrieprinzip des Standpunktes von Intertialsystemen, kurz Relativität der
Bewegung genannt. Und dazu kommen nun noch die Irritationen mit dem
Gesamtgebilde "Lichtkugel": Nach Einstein ändert die maxwellsche Lichtkugel ihren Standort nicht, bewegt sich
also nicht wirklich - nur die elektromagnetische Störungsfront breitet sich
wie eine Blase im leeren Raum aus (als
gäbe es doch ein grundlegendes Feld
oder "den Raum"), während die Materiestruktur sich innerhalb dieser Kugel,
nur sehr viel langsamer, weiter bewegt,
oder sich noch ausserhalb dieser Kugel
befindet. Dieses Bild steht jedoch,
wie Einstein völlig klar war, im Widerspruch zum galileischen Relativprinzip,
denn die Ausdehnungsgeschwindigkeit
der Kugel kann für beliebige bewegte
Systeme aufgrund des Additionstheorems von Bewegungen oder Geschwindigkeiten in der Mechanik nicht konstant erscheinen - wiederum vorausgesetzt, man kann eine solche Feldkugel
überhaupt sehen, was nicht der Fall
ist. Dennoch war Einstein aufgrund des
faradayschen Induktionsprinzips davon
überzeugt, dass das gleiche Relativund Symmetrieprinzip sowohl für Feld
und Materie als auch für elektrische
und magnetische Felder gelten muss.
Wie lassen sich Mechanik und Elektrodynamik dann geometrisch miteinander
verknüpfen - oder relationale Beziehungen zwischen "bewegten" Entitäten
ungeklärter Struktur herstellen? Wie
lässt sich eine Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (oder, wie wir auch fragen könnten, ein invariantes Verhältnis
von 1/√µε, von magnetischer und elektrischer Permittivität) für jedes beliebige Inertialsystem (das keine Kräfte,
Beschleunigungen oder effektive Wirkungen, auch nicht durch Licht, erfahren darf) sicherstellen? Einsteins praktische Antwort: Wir müssen Geschwindigkeiten offenbar ganz anders definieren - und addieren - als in der Mechanik. Wenn das Verhältnis von Weg und
Zeit immer gleichbleiben soll, müssen
sich Längen- und Zeitmassstäbe eben
passend verhalten - also indirekt proportional so ändern, dass der Quotient
aus Weg und Zeit immer gleich bleibt.
Die Idee war nicht neu: Die Massstäbe
eines bewegten Systems könnten sich
proportional zur Geschwindigkeit des
Systems verkürzen (Fitzgerald 1889),
während die Zeit sich entsprechend
dehnt (Larmor 1897) – oder umgekehrt. Lorentz griff diese Ideen auf und
leitete daraus modifizierte Transformationsgleichungen ab, die das Nullergebnis des Michelson-Morley-Experiments
auch theoretisch sicherstellen sollten.
Praktisch würde sich ein Materiekörper
in Bewegungsrichtung proportional zur
Geschwindigkeit tatsächlich verkürzen.
Aber wie können sich Körper nur durch
eine Bewegung, die nicht definierbar
und feststellbar ist, verkürzen – noch
dazu, wenn auf sie per Definition keine
Kräfte wirken?
Einstein hat über ein Jahr damit verbracht, eine Lösung für dieses schwierige Rätsel zu finden, konnte aber nie
erklären, wie er seine Lösung eines
Tages, nach einem Gespräch mit seinem Freund Besso, plötzlich über
Nacht fand. Offenbar war der Schritt,
wie er es nannte, eine neue Symmetriekonfiguration des denkenden Geistes, die sich unbewusst von selbst einstellt, was als bewusste Eingebung
registriert wird. Dementsprechend ist
ein kreativer Akt nur schwer rational
zu beschreiben; bekannt durch seine
Äusserungen ist nur, dass er die Vorstellung von einer gleichförmig verstreichenden Zeit - der Gleichzeitigkeit im Universum - als Hauptursache
aller Denkschwierigkeiten ausmachte.
Das Problem liegt dann in den Raumund Zeitvorstellungen des denkenden
Geistes, die in Newtons Mechanik als
göttlich gesetzte Axiome auftauchen:
Bei ihm gibt es einen absoluten Raum
und eine absolute Zeit; beides notwen-
dige Voraussetzungen, um Bewegung
überhaupt als Ortsveränderung pro
Zeiteinheit und Gleichzeitigkeit für alle
Orte des Welten-Raumes definieren zu
können. Einstein wurde klar, dass der
Zeitbegriff - oder der Begriff Dauer –
immer eine Festlegung von Zeitpunkten voraussetzt, die im Grunde immer
nur Aussagen über gleichzeitige Ereignisse an einem Ort zu einer (von einer
Uhr an diesem Ort) bestimmten Zeit
sein können. Das sind Lokalzeiten; um
Aussagen über die zeitliche Anordnung
von singulären Ereignissen an verschiedenen Punkten "des Raumes" machen
zu können, müssen die beteiligten Systeme erst noch physikalisch miteinander wechselwirken - also Licht austauschen. Einstein erkannte an diesem Tag
vermutlich schlagartig, dass Lorentz´
Definition der lokalen Zeit exakt der
Synchronisation von verschiedenen
Ortszeiten durch Lichtsignale mit konstanter Geschwindigkeit entspricht - und
das eigentlich schon alles ist, was man
zur Definition von Zeit in der beschreibenden Physik benötigt. Die konstante
Laufzeit des Lichts spielt dann die Rolle
einer Symmetriebedingung (Wege und
Zeiten hin und zurück sind gleich; oder
gleichbedeutend - die Gesamtstrecke
ist immer durch 2 teilbar). Damit wird
das Relativprinzip und die Konstante c
universell gültig.
Ein ebenso wichtiger Grund für Einstein war die vorbereitende Einsicht,
dass Galileis Prinzip eine Aussage über
die universelle Gültigkeit von Regelmässigkeiten ("Naturgesetzen") macht: Es
spielt keine Rolle, wo sich ein System
im Universum befindet und wie schnell
es sich bewegt; Gegenstände verhalten sich - solange keine Kräfte wirken
- entsprechend der Erfahrung überall
gleich, als wären sie in Ruhe. Aus die-
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sen beiden Gründen erklärte Einstein
die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit
neben Galileis Relativprinzip zu einem
zweiten, grundlegenden Symmetrieprinzip, das universell, an jedem Ort
des Universums, für Mechanik, Elektrodynamik und Optik gilt - und definierte Gleichzeitigkeit auf diese Weise
strikt lokal, gültig nur für individuelle
Emissions- und Absorptionsereignisse.
Daraus folgt, dass Zeit- und Längenmessungen in kräftefreien Systemen
immer in Relation zu den Massstäben des eigenen, als ruhend betrachteten Bezugssystems (Längen und
Zeiten) und zur Konstante c als "Einheitsmassstab" definiert werden müssen. Bei Messungen von Längen in
anderen, bewegten Intertialsystemen
mit Hilfe der Laufzeit des Lichts ergeben sich dann die gewünschten kürzeren Längen und gedehnten Zeitdauern, die eine konstante Lichtgeschwindigkeit sicherstellen. Beides sind nun
Größen, die praktisch nur noch von
der Differenz der Geschwindigkeit des
bewegten Systems zur Lichtgeschwindigkeit abhängen. Die Verkürzung der
Massstäbe und die Dehnung der Zeit
sind rein kinematische Effekte, die aus
der Definition der Messung relativ zur
Geschwindigkeit der Lichtkugelfront
folgen. Sie ergeben sich zwanglos aus
seinen beiden Axiomen und sind nicht
etwa als reale Verkürzungen durch
Kräfte zu verstehen (wenn das der
Fall wäre, könnte man nicht mehr von
einem Intertialsystem sprechen, hätte
es also mit Dynamik zu tun). Damit hat
Einstein die kräftefreie Bewegung im
Grunde ganz neu definiert: Nicht mehr
als Bewegung gegenüber einem absoluten Raum, dem Äther oder einem
Vakuum, sondern als Bewegung relativ zu einer gedachten expandierenden
Lichtkugel – und damit auch zu einer
nach wie vor ungeklärten Struktur des
elektromagnetischen Feldes.
Einstein problematisierte mit der Speziellen Relativität also vor allem die
Frage, wie das Konzept der Bewegung und das Bewegungsproblem - ohne axiomatische Raum-, Zeit- und Äthervorstellungen, aber unter Etablierung eines
universellen, für Felder und Materie
gleichermassen geltenden Symmetrieoder Invarianzprinzips gelöst werden
kann. Die konstante "Geschwindigkeit"
des Lichts ist dabei ausdrücklich eine
axiomatische Setzung, die sich nicht
wirklich überprüfen lässt - da wir ohne
Licht und seine Wechselwirkungen mit
Materie keine Möglichkeit haben, Zeitpunkte und Zeitdauern zu definieren.
Aber es ist empirisch gesichert, dass
Licht- und Wärmeübertragung dauert,
so dass sich die mechanistische Interpretation der Bewegung und Struktur
des "Lichts" (des Feldes) bislang nicht
vernünftig in Frage stellen liess. Die
nach der Quantenhypothese des Lichts
ebenso naheliegende Frage, ob die
ganzheitliche Natur der energetischen
Wechselwirkung zwischen einem strukturierten elektromagnetischen Feld
und Materie nicht der Hauptgrund für
individuelle und deshalb nichtgleichzeitige Ereignisse ist, hat Einstein jedoch
nicht problematisiert. Sie ist aber
ebenso interessant: In einer Quantenoder Strukturtheorie des Feldes kann
die maxwellsche Lichtkugel eines einzelnen Emissionsereignisses nur registriert oder wahrgenommen werden,
wenn Materie effektiv, also strukturverändernd mit ihr wechselwirkt, also
eine bestimmte Menge Energie – eben
ein Lichtquantum - absorbiert. Da das
aufgrund der Energieerhaltung immer
nur ein individuelles Ereignis sein kann,
gibt es auch nach der Quantentheorie
keine Gleichzeitigkeit für Absorptionsereignisse oder effektive Wechselwirkungen mit mehreren Materiestrukturen zugleich. Das muss auch auf
elektromagnetische Felder zutreffen,
die aus mehreren Quanten bestehen,
da jede Materiestruktur pro Absorptionsereignis nur ein Quantum Energie absorbieren kann - dann muss die
Maxwellkugel (verändert) erhalten bleiben. Anschaulich gesprochen: Materiestrukturen "sehen" immer das gleiche, aber niemals dasselbe Licht - also
nie gleichzeitig dasselbe Emissionsereignis. Jedes Absorptionsereignis (bei
Einstein und in der Quantenmechanik
auch salopp "Beobachtung" genannt)
besteht aus einer effektiven Wechselwirkung zwischen Feld und Materie, bei
der sich die Struktur des elektromagnetischen Feldes um eine Elementarstruktur verringert, während sich die
Materiestruktur durch die Assimilation
eben dieses Lichtquants verändert. Es
wird in Strukturmasse umgesetzt, was
Einstein bereits in der Speziellen Relativität als Massezunahme bzw. als Masseverlust bei der Emission von Strahlung erkannte.
Der Schlüssel zum Bewegungsproblem ist meiner Meinung nach deshalb die Frage, ob sich das elektromagnetische Feld bzw. seine Anregung
überhaupt im Sinne der Mechanik,
also im Sinne von Ortsveränderung
bewegt, oder ob es sich doch um Fernwirkungen handelt, bei denen die Zeitdauer zwischen Emission und Absorption im Prozess der Strukturbildung
eines grundlegenden, gemeinsamen
Feldes selbst begründet liegt. Was Einstein nicht problematisiert zu haben
scheint: Emissions- und Absorptions-
ereignisse sind einer effektiven Krafteinwirkung oder Beschleunigung in der
Mechanik äquivalent. Das aber bedeutet, dass wir es im Falle strukturverändernder Wechselwirkungen nicht mehr
mit Intertialsystemen zu haben können, denn die Definition eines Intertialsystems (oder eines isolierten oder
noch nicht wechselwirkenden Systems)
schließt jede Krafteinwirkung per Definition aus - auch die durch Licht. In
diesem Fall können die Bezugssysteme
also keine starren Materiekörper mehr
sein und Uhren nicht mehr gleichmässig
ablaufende Prozesse verkörpern!
Dennoch lassen sich Einsteins Relativprinzipien auf die Quantentheorie
übertragen, denn auch in der Quantentheorie gibt es Zustände, die noch
nicht effektiv miteinander wechselwirken, also Intertialsystemen äquivalent wären: Das sind die sogenannten Kohärenzzustände, modelliert zum
Beispiel durch die (verzweigte) Wellenoder besser Zustandsfunktion am Doppelspalt, Materiefeldzustände, wie sie
durch Schrödingers Wellengleichung
modelliert werden, oder die Reflexion
von Licht. Und es gibt Emissions- und
Absorptionsereignisse, die Kohärenzund Interferenzzustände verändern,
also effektive Strukturveränderungen,
die das elektromagnetische Feld und
die Materie gleichermassen und vor
allem gleichzeitig betreffen. Berücksichtigt man diese Unterscheidung,
ist es möglich, Einsteins Relativprinzipien konsistent von nicht-effektiven
auf effektive Strukturveränderungen
zu übertragen. Der Unterschied zwischen effektiven und nicht-effektiven
Wechselwirkungen läßt sich am besten
anhand der partiellen Reflexion einzelner Lichtquanten verdeutlichen, wie
der folgende Abschnitt zeigt.
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V. Bewegung als Strukturveränderung. Ein neues physikalisches Prinzip
5.1. Die Verzweigung des Lichts
Wie für Youngs Experiment gibt es auch
für die partielle Reflexion bis heute
kein überzeugendes physikalisches
Modell. Wird die Interferenzbedingung jedoch uneingeschränkt akzeptiert, erkennt man sofort, dass sich
auch einzelne Lichtquanten verzweigen müssen. Bei Dauerbestrahlung,
zum Beispiel mit einem Laser, wird
diese Verzweigung des Lichts deutlich
sichtbar (Abb. 9). Wird das Experiment
mit einzelnen Lichtquanten ausgeführt,
kann man die Verzweigung des Feldzustandes nicht mehr sehen, sondern
nur noch im Geiste erkennen - da ein
Quantum Feldenergie eben nur durch
den Absorptionsprozess sichtbar oder
registrierbar und damit zu "Licht" wird
(Abb. 10 ). Damit wird auch klar, was die
Wellenfunktion physikalisch bedeutet:
Sie modelliert ein elektromagnetisches
Feld, das sich am Doppelspalt, an einer
Glasscheibe oder am halbdurchlässigen
Spiegel teilt und eine zusammenhängende, verzweigte Feldstruktur ausbildet. Der Abstand zwischen den beiden
"Spitzen" der Wellenfunktion kann beliebig gross werden, ja sogar Lichtjahre
betragen, dennoch hängen die beiden
Zweige oder Feldzellen immer zusammen - denn sie können durch Spiegel
jederzeit wieder zusammengeführt und
zur Interferenz gebracht werden. Aufgrund dieses Zusammenhangs (Kohärenz genannt) müssen wir physikalisch
von einem nichtmechanischen, ganzheitlichen Teilungsprozess und einem
verzweigten elektromagnetischen Feld
sprechen - was Maxwell und Einstein
noch nicht erkennen konnten.
Diese Feldstruktur ist enantiomorph
beschaffen; sie besteht aus entgegengesetzten Zweigen (Lichtstrahlen) oder
Feldzellen (Maxwells Kugel, gezellteilt,
Abb. 11 ). Diese Entgegengesetztheit
wird mathematisch durch komplexe
Zahlen und ihre Orthogonalität ausgedrückt. Ihre Bedeutung geht über
die euklidische Rechtwinkligkeit räumlicher Dimensionen weit hinaus; sie ist
ontologisch zu verstehen: Die Struktur
des verzweigten Feldes besteht qualitativ aus negativer und positiver Feldenergie. Das läßt sich auch anschaulich
illustrieren: Enantiomorphe sind ganzheitliche Asymmetriestrukturen, die
in sich selbst eine entgegengesetzte
Symmetrie bewahren und erkennen
lassen; sie bestehen aus spiegelbildlichen, invers kongruenten "linken"
und "rechten" Hälften. Der ganzheitliche Teilungsprozess macht daraus ein
ontologisches Symmetrie- und Relativprinzip. Physikalisch ist die Ganzheit
des verzweigten Feldes also nur Ausdruck einer Symmetrie- und Energieerhaltungsbedingung; sie bleibt solange
erhalten, bis eine energieübertragende
Wechselwirkung stattfindet. Das beantwortet die Frage nach der Struktur des
elektromagnetischen Feldes, die Einstein in seiner Quantenhypothese aufgeworfen hatte: Sie besteht aus einer
enantiomorphen, kohärenten Feldverzweigung. Die Quantisierung des Feldkontinuums erfolgt durch ganzheitliche
Teilungs- und Verzweigungsprozesse,
die eine Zellstruktur erzeugen. Das
zeigt, dass die Natur nicht würfelt, sondern vollständig determiniert ist. Beide
Möglichkeiten werden durch Feldstrukturbildung gleichzeitig realisiert, was
eine Ganzheitlichkeit der Natur ausdrückt, die auf Energieerhaltungsprinzipien beruht.
Abb. 9 Partielle Reflexion 1:
Die Verzweigung als neues
physikalisches Prinzip
Das Experiment zeigt
deutlich, dass Licht sich an
einer Glasscheibe teilt und
verzweigt. Aufgrund der Interferenzbedingung muss
das auch für einzelne Lichtquanten gelten. Wir haben
es dann mit einem neuen
physikalischen Prinzip zu
tun: Einer Verzweigung
des Feldes. Beide Zweige
hängen zusammen (sind
kohärent), aber interferieren nicht miteinander (auf
den Schirmen sind keine
Interferenzringe zu sehen).
Glasscheibe
(halbdurchlässiger Spiegel)
Detektor A
Lichtquelle
Detektor B
Abb. 10 Partielle Reflexion 2: Verzweigung (Interferenzbedingung) & Absorption (Quantenbedingung)
Die mathematische Zustandsfunktion eines Lichtquantums berücksichtigt die Interferenzbedingung zumindest theoretisch - so als würde sich das Lichtquantum an der Glasscheibe teilen und beide Wege gleichzeitig
nehmen. Effektiv wirkt die Lichtenergie jedoch immer nur lokal und als Ganzes, hier bei A oder B. Daraus folgt
zwingend ein neues Modell der Beschaffenheit der Realität:
1) Das Feld muß sich nicht-mechanisch, also ganzheitlich teilen bzw. verzweigen.
2) Der Körperbegriff der Mechanik und Einsteins provisorische Quantenvorstellung versagen am Experiment.
3) Für energieübertragende Wechselwirkungen gilt eine lokale Symmetrie- und Energieerhaltungsbedingung:
Beide Zweige müssen gleichzeitig am Punkt der Absorption eintreffen und die Energie als Ganzes übertragen.
4) Punkt 3 ist die Absorptionsbedingung. Sie entspricht exakt der Definition der Gleichzeitigkeit, die Einstein in
der Speziellen Relativitätstheorie als Konstanz der Lichtgeschwindigkeit gegeben hat.
5) Daraus folgt, dass die Relativitätstheorie und die Konstante c neu interpretiert werden müssen.
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Abstand zwischen A und B kann Lichtjahre betragen
nicht verträglich. Doch das Experiment
zeigt nun weiter, daß für das Absorptionsereignis ebenfalls eine Energie- und
Symmetrieerhaltungsbedingung gelten
muß - und die ist mit der Definition der
Gleichzeitigkeit in der Speziellen Relativitätstheorie völlig identisch:
)
(Ψ er
R
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Lichtquelle
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Detektor oder
Materiestruktur A
e
B
Detektor oder
Materiestruktur B
Abb. 11 Partielle Reflexion 3: Die Zellteilung der maxwellschen Kugel
Die maxwellsche Lichtkugel (das Feld) teilt sich an einer Glasscheibe ganzheitlich und verzweigt sich
enantiomorph. Diese Wechselwirkung zwischen Feld und Materie ist nicht-effektiv; es wird noch keine Energie
übertragen. Die verzweigte, kohärente Feldstruktur liegt dann bei A und B gleichzeitig an, kann aber nur bei A
oder B effektiv zur Wirkung kommen. Daraus folgt, daß dem Absorptionsereignis eine Strukturverschmelzung
vorausgehen muß, die als Umkehrung des Verzweigungs- oder Zellteilungsprozesses verstanden werden kann.
Diese realistische physikalische Erklärung steht im Gegensatz zur quantenmechanischen Interpretation, die in
diesem Experiment - weil sie den Verzweigungsprozeß nicht (an-) erkennt
und statt dessen mit den Körpervorstellungen der Mechanik operiert einen absoluten Zufall und ein vollständiges Versagen der Kausalität in der
Natur zu erkennen glaubt. Die Quantenmechanik hat aber nur das Problem,
daß sie diesem Zustand keine äquivalenten Prozesse in der Realität zuordnen kann - und will. Zum einen wegen
dem Körperbegriff der Mechanik (da
sich der Körper aufgrund der Interfe-
renzbedingung teilen müßte, was er
wegen der ganzheitlich lokalen Wirkung aber nicht kann); zum anderen,
weil die beiden Zweige der Wellenfunktion im Falle einer effektiven energetischen Wechselwirkung instantan am
Punkt der Absorption zusammentreffen müßten, was mit einer konstanten Laufzeit des Lichts nicht vereinbar
ist - und auch die Wellentheorie nicht
abbilden kann. Das ist der Kollaps der
Wellenfunktion, das zentrale Interpretationsproblem der Quantentheorie,
auch als "Problem der Messung" oder
"Beobachterproblem" bekannt - und
mit der Relativitätstheorie scheinbar
1) Beide Lichtstrahlen, Energiezweige
oder Feldzellen müssen gleichzeitig am
Ort der Absorption, am Ort des "Beobachters" eintreffen (das ist die Definition der Gleichzeitigkeit nach Einstein),
2) und zur energetischen Ganzheit der
Energieübertragung beitragen (das ist
Einsteins Licht-Wirkungsquantum).
Einsteins Definition des wirkenden
Lichtquantums stellt demzufolge nicht
nur eine energetische Symmetrie- und
Absorptionsbedingung für elektromagnetische Felder dar, sondern erfüllt
auch die Definition der Gleichzeitigkeit, die das Fundament der Speziellen
Relativitätstheorie und der Interpretation der Konstante c als Lichtgeschwindigkeit bildet. Diese Interpretation als Ortsveränderung des elektromagnetischen Feldes pro Zeiteinheit - muß
nun in Frage gestellt werden: Aufgrund
der Interferenzbedingung, die es offensichtlich deshalb gibt, weil zusammenhängende Feldzweige oder Feldzellen
existieren, die sich räumlich und zeitlich beliebig weit ausdehnen könnten
(oder bereits ausgedehnt sind), aber
jederzeit - also unabhängig von Raum
und Zeit - zur Interferenz gebracht
werden können, ist es nicht mehr möglich, das instantane Zusammentreffen
der beiden Zweige am Ort der Absorption mit einer konstanten Geschwindigkeit des "Lichts" oder einer Bewegung
der maxwellschen Kugelfront durch
Raum und Zeit zu erklären!
Für Bohr, Born und Heisenberg war
die Vermeidung einer Kollision mit der
Speziellen Relativitätstheorie ein wichtiges Argument für die instrumentalistische Auslegung der Quantentheorie.
Abbildung 10 zeigt das Problem: Strahl
A müßte sich um 90 Grad drehen, um
mit Strahl B im Moment der Absorption
kongruent sein zu können, oder sich
in der Zeit rückwärts - also mit Überlichtgeschwindigkeit - bewegen. Abb.
11 offenbart jedoch, daß sich dahinter
eine räumliche Transformation der verzweigten Zellstruktur des Feldes verbergen könnte, die sich als Umkehrung
des Verzweigungs- oder Zellteilungsprozesses verstehen ließe. Sie würde
die räumliche Trennung aufheben und
so der lokalen Energie- und Symmetrieerhaltungsbedingung für Absorptionsereignisse genügen.
Die Relativitätstheorie widerlegt die
Verzweigungshypothese also nicht (wie
könnte sie auch, denn das ist die Interferenzbedingung), sondern beweist
nun Hand in Hand mit dem Experiment,
daß c nicht mehr als Geschwindigkeit
im Sinne der Mechanik - zumindest
nicht innerhalb eines kohärenten oder
interferierenden Systems - verstanden
werden kann. Konsequent interpretiert
bedeutet das, daß sich das Lichtquantum oder Feld an einer Glasscheibe oder
einem halbdurchlässigen Spiegel teilen muß, ohne sich im Sinne von Ortsveränderung zu bewegen - also genau
umgekehrt zu dem, was sich Einstein
1905 unter seinen Lichtquanten provisorisch vorgestellt hatte (...welche sich
bewegen, ohne sich zu teilen).
Das hat Konsequenzen für die mathematische Ableitung der Absolutbetragsregel Max Borns und ihrer Inter-
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pretation als Aufenthalts- und Auftreffwahrscheinlichkeit von Partikeln beides kann nicht richtig sein; außerdem sind punktartige mathematische
Lösungen unmöglich. Das betrifft nicht
die statistische Verteilung der Absorptionsereignisse, die empirisch gesichert ist. Statt dessen existiert nun
ein physikalischer Zusammenhang zwischen dem Absorptionsereignis, einer
Reversibilität der Struktur des elektromagnetischen Feldes und der Relativitätstheorie. Erkennbar wird nun auch,
daß Maxwells Theorie den Verzweigungsprozeß in Form der elektromotorischen Verschiebungen und Polarisationen bereits zum zentralen Gegenstand
hat, ihn aber nicht explizit als ganzheitlichen Feldteilungsprozeß erkennt und
vor allem deshalb an der Interpretation der Konstante c als Bewegung im
Sinne der Mechanik krankt - was auch
bedeutet, daß die Relativitätstheorie
neu interpretiert werden muß.
Wie wir gesehen haben, bleibt c auch in
der ganzheitlichen Teilungs- und Verzweigungsinterpretation eine Invariante, eine Symmetriebedingung. Die
Konstante c ist nur nicht das, was wir
dachten: Sie sagt nichts, aber auch
nicht das Geringste über die wahre
Geschwindigkeit des Lichts aus (was
Einstein durchaus bewußt war), und
damit auch nichts über eine Bewegung
des elektromagnetischen Feldes durch
"Raum" und "Zeit". Sie definiert nur die
Absorptionsbedingung des elektromagnetischen Feldes als "Licht"; als gleichzeitiges Ein- oder Zusammentreffen
beider Zweige oder Zellen lokal (an
einem "Punkt") und die energetische
Ganzheit, Kohärenz und Relativität dieser beiden Zweige oder Zellen. Das ist
eine Symmetriebedingung, die nicht
nur global für die Strukturbeschaffenheit des Feldes, sondern auch lokal für
Wechselwirkungen mit Materie erfüllt
sein muß. Die Konstante c stellt damit
eine
universelle
Symmetriebedingung sowohl für feldstrukturverändernde Wechselwirkungen als auch für
ontologisch verzweigte Feldzustände
dar; für Zustände, in denen qualitativ
positive und negative Felder (wie eine
linke und rechte Hand) immer parallel
und zusammenhängend koexistieren.
Das ist ein universelles Kohärenzprinzip
und bedeutet Ganzheitlichkeit des Universums. Es wirft auch ein neues Licht
auf das Materie / Antimaterie-Symmetrieproblem und gibt dem Relativprinzip nun eine ontologische Grundlage.
Das Experiment verlangt damit eine
drastische Änderung unserer Vorstellungen von Raum, Zeit und Bewegung,
die über Einstein noch hinausgeht - es
kann jetzt nicht mehr um eine Nahwirkungstheorie im Sinne Maxwells, sondern nur noch um globale Feldstrukturveränderungen über beliebig große
Distanzen gehen.
5.2. Die Verzweigung und Wiedervereinigung des Lichts
Die lokale Symmetrie- und Absorptionsbedingung, die nun offenbart, daß
der Verzweigungsprozess des Feldes
reversibel sein muß, wirft auch ein
Licht auf die Probleme der Wellentheorie. Die Wellentheorie ist nicht in der
Lage, lokale Verschmelzungen von
geteilten Wellenzügen und damit den
lokalen Kollaps der Wellenfunktion zu
modellieren. Das wiederum verweist
auf das Problem der Zeitsymmetrie. Es
hat direkt mit der Bedeutung der komplexen Zahlen für die Modellbildung in
der Physik und dem Problem der Über-
lichtgeschwindigkeit in der Relativitätstheorie zu tun. Die maxwellschen Gleichungen drücken physikalisch eigentlich eine Spiegelsymmetrie des elektromagnetischen Feldes aus, die noch nicht
wirklich als enantiomorphe Feldstruktur verstanden ist: Es gibt in diesem
komplexzahligen System immer zwei
Lösungen, eine reelle und eine imaginäre, die - wenn beide berücksichtigt
würden - auf eine Zeitsymmetrie der
maxwellschen Gleichungen hindeuten.
Wenn man die reelle Lösung wie üblich
als "positive" und physikalisch normale
Zeiten, Längen und Energien auffaßt,
verlangt die imaginäre, spiegelbildliche
Lösung die Existenz "negativer" Zeiten,
Längen und Energien. Das scheint keinen physikalischen Sinn zu ergeben.
Zum einen deshalb, weil eine "negative"
Zeit rückwärts laufende Wellen bedeuten würde; also Wellen, die ankommen,
bevor sie ausgesendet werden. Das ist
sinnlos, widerspricht dem Kausal- und
Energieerhaltungsprinzip und macht
den Begriff der mechanischen Bewegung, auch der Lichtgeschwindigkeit,
obsolet. Die negative Zeit kann deshalb nicht sinnvoll als Zeitumkehr oder
"Umkehr" einer mechanischen Bewegung interpretiert werden. Zum anderen wirft die imaginäre, spiegelsymmetrisch "negative" Lösung die Frage
auf, was negative Energien und Längen
bedeuten sollen. Dieser Frage stand
auch schon Einstein in der Speziellen
Relativitätstheorie gegenüber: Wenn
die Geschwindigkeit des Körpers größer
als die Lichtgeschwindigkeit wird, ergeben sich aus den Maxwell-Lorentz-Gleichungen imaginäre Lösungen. Bildlich
gesprochen, schießt der Materiekörper
(ein Längenmaßstab mit der Länge null
bei Lichtgeschwindigkeit) dann aus der
maxwellschen Kugel heraus und wächst
wieder, nun mit einer negativen Länge.
Einstein hielt die imaginären Lösungen
deshalb, wie die meisten Physiker vor
und nach ihm, für physikalisch sinnlos
und interpretierte die Lichtgeschwindigkeit als absolute, unüberschreitbare
Grenzgeschwindigkeit für materielle
Körper, um diesem Problem aus dem
Weg gehen zu können. Ebenso ging
die Quantenmechanik mit imaginären
Lösungsmengen um; sie wurden als
physikalisch irrelevant verworfen.
Erst Pauli interpretierte die Komplexen Zahlen 1925 als Ausdruck einer
Spiegelsymmetrie und modellierte auf
diese Weise das Phänomen der Verzweigung eines "Atomstrahls" durch ein
Magnetfeld im Stern-Gerlach-Versuch.
Dirac kam 1928 im Zusammenhang
mit der relativistischen Bewegungsgleichung des Elektrons auf die Idee,
daß beiden Lösungen eine Eigenschaft
der Realität entsprechen könnte und
identifizierte die imaginären Lösungen
erstmalig physikalisch-ontologisch und
relativistisch als gespiegelte Materie,
als Antimaterie. Auf diese Weise führte
er das Anti-Elektron, das später Positron genannt werden sollte, in die Physik ein. Diese Merkwürdigkeiten rund
um die imaginären Zahlen waren trotz
Diracs Ideen noch Jahrzehnte später
ein weiterer wichtiger Grund für Bohr,
Heisenberg und Born, ein vernünftiges
Realitätskonzept für prinzipiell unmöglich zu erklären.
Doch nun kann das Problem der
Spiegelsymmetrie neu gesehen werden: Die imaginäre Lösung wird nicht als
echte Zeitumkehr, sondern als gespiegelter Verzweigungsprozeß, als Strukturverschmelzung des Feldes interpretiert. Dieser Prozeß läßt sich dann ganz
normal in der normalen Zeitrichtung als
strukturelle Veränderung von Feldzu-
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ständen betrachten. Wir erkennen dann
(ganz im Sinne Avogadros) geteilte,
verzweigte Feldzustände, die entstehen und vergehen. Deutlich wird dann
auch, daß die Strukturverschmelzung
exakt der Bose-Einstein-Kondensation
entspricht und für Licht und Materie
die gleichen physikalischen Prinzipien
gelten. Bose entdeckte, ohne sich dessen bewußt zu sein, daß die Elementarstrukturen des elektromagnetischen
Feldes nicht mehr wie Teilchen der
Mechanik behandelt werden können. Er
führte Lichtquanten mit zwei entgegengesetzten Eigenschaften ein, 1924 eine
noch unverständliche, aber mathematisch notwendige Merkwürdigkeit, die
später "Spin" genannt wurde. Dadurch
bekommen Lichtquanten spiegelsymmetrische Eigenschaften, sind ununterscheidbar und nehmen als Ganzes
ein niedrigeres Energieniveau ein - was
physikalisch nur als Strukturverschmelzung eines verzweigten elektromagnetischen Feldes verstanden werden
kann. Neu war auch, daß Lichtquanten
nicht unabhängig voneinander existieren können, wie Einstein noch angenommen hatte, und ihre Anzahl bei solchen Übergängen nicht erhalten bleibt.
16
8
Daraus ergab sich Boses neue Statistik
des Lichtquanten-Gases. Das bedeutet
physikalisch: Das elektromagnetische
Feld an sich verschwindet dabei nicht,
sondern verliert nur an Struktur. Bose
konnte das nur statistisch, nicht physikalisch-anschaulich modellieren, da die
Teilchen-Behelfsvorstellungen klarere
Bilder verhindern. Einstein erkannte
den Wert dieses Konzepts sofort und
übertrug es umgehend auf die Struktur der Materie (noch vor Heisenbergs
Matrizen- und Schrödingers Wellenmechanik), konnte jedoch nicht erkennen, daß seine neue Strukturtheorie
der Materie, die er damit skizzierte, die
Atom- und Elementarteilchenhypothese
widerlegt (das Prinzip der Unteilbarkeit der Elementarstrukturen von Licht
und Materie) und Avogadros Originalhypothese beweist. So mußte er sich
erneut mit provisorischen Quantenvorstellungen und statistischen Aussagen
begnügen, während seine Prognosen
zum temperaturabhängigen Verhalten
"bosonischer" (spiegelsymmetrischer)
Materiestrukturen vier Jahre später am
Beispiel des Heliums glänzend bestätigt wurden. Bemerkt wurde das allerdings erst 10 Jahre später.
4
2
Abb. 12 Bewegung als Strukturveränderung: Die Zellteilung der Maxwell-Kugel (reverse Sequenz)
1
Die Bewegung des elektromagnetischen Feldes läßt sich als Zellteilung einer abstrakten Maxwell-Kugel verstehen. Dabei entsteht eine Feldstruktur, die aus räumlich-enantiomorphen Verzweigungen besteht (Transformation von rechts nach links). Der umgekehrte Prozeß kann dann als Verzweigungskollaps und Strukturverschmelzung des elektromagnetischen Feldes verstanden werden (Transformation links nach rechts).
Materiestruktur A
(tiefer strukturiert
nach Absorption)
Verzweigungspunkt
Totalreflektion
an C
Reflexkugel
um C
C
ur
sp
rü
ng
lic
he
Materiestruktur B
Zelle L
reflektiert an
Glasscheibe
(oder halbdurchlässigen
Spiegel)
Ma
xw
ell
-Ku
ge
l
Zelle R
nach Passage
der Glasscheibe
L
R
Glasscheibe mit
Verzweigungs punkt
Lichtenergiequelle
emittiert “potentielles Licht”
Abb. 13 Effektive Wechselwirkung und Absorptionsprozeß
Die gesamte Energie des Lichtquantums, die in der enantiomorphen Feldverzweigung erhalten bleibt, wird im
Falle einer effektiven Wechselwirkung vollständig durch die Materie absorbiert (hier bei A). Die elektromagnetische Feldstruktur setzt dabei um eine Stufe zurück, während das Quantum Energie gleichzeitig und spiegelsymmetrisch eine neue, tiefere Verzweigung der Materie-Feldstruktur bewirkt. Auf diese Weise wird die Energie des
Lichtquantums in Materieenergie transformiert, was einer Zunahme der trägen Masse entspricht.
Ein anschauliches physikalisches Verständnis der Strukturverschmelzungsprozesse dürfte auch für die Interpretation der Experimente mit einzelnen oder korrelierten Lichtquanten
von entscheidender Bedeutung sein.
Das Problem: Obwohl der Abstand zwischen A und B Lichtjahre betragen
kann und beide Systeme damit theoretisch Einsteins Separabilität unterliegen, spielen Zeit, Entfernung und
Lichtgeschwindigkeit innerhalb dieses
Systems keine Rolle (Abb. 10 /11). Das
ganze System ist ein Ort, ein gleichzeitiger Raum, ein kohärentes Feldsystem (Abb. 11 /12 /13); der Kollaps der
Feldverzweigung findet in einem solchen System instantan statt. Abbildung 11 zeigt eine Maxwell-Kugel, die
sich ganzheitlich geteilt hat und so eine
räumlich verzweigte, kohärente Feldstruktur ausbildet, die aus zwei spiegelsymmetrischen Zellen besteht. Abbildung 12 zeigt ein sich veränderndes
elektromagnetisches Feld mit Struktur (=Lichtquantengas nach Debye) in
Form der abstrakten Maxwellkugel, die
sich mehrfach teilt. Von rechts nach
links zeigt die Sequenz Strukturbildung
durch Zellteilung, von links nach rechts
eine Strukturverschmelzung.
Dieses Modell ist maßstabslos, man
kann sich darunter ein Feld, ein Molekül oder ein ganzes Universum vorstellen. Das erinnert an Everetts RelativeStates Interpretation der Quantentheorie (1957). Er interpretierte die
Wellenfunktion als Verzweigungsprozeß
einer grundlegenden Zustandsfunktion
von Allem. Der Kollaps der Wellenfunktion wird jedoch geleugnet, so daß die
doppelte Absorptionsbedingung (Energieerhaltung plus Gleichzeitigkeit), das
Problem der Lichtgeschwindigkeit, die
Struktur des Feldes, das Problem der
Bewegung und die Umkehrung des Verzweigungsprozesses in dieser Interpretation überhaupt keine Rolle spielen.
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Im Zellteilungsprozeß entsteht also,
wenn die Verzweigungshypothese stimmig ist, eine kohärente enantiomorphe
Struktur. Dieser Prozeß wird nun, einer
biologischen Zellteilung folgend, physikalisch in etwa so modelliert: Ein
homogenes Ganzes wird in zwei entgegengesetzte Hälften geteilt (verdoppelt und invertiert) und mit einer räumlichen Drehung der beiden entstehenden Zellen gekoppelt (in der Mathematik der Quantentheorie scheint sich eine
ähnliche Operation - Verdopplung und
Invertierung - bereits hinter der komplexen Konjugation des Quantenzustandes zu verbergen). Danach sind die
beiden Zellen in gewisser Weise räumlich getrennt, aber hängen noch immer
zusammen. Sie bilden einen gleichzeitigen Raum - oder auch "Baum". In
den Experimenten mit Lichtstrahlen
und halbdurchlässigen Spiegeln können wir eine solche Verzweigung ganz
offen erkennen; auf den ersten Blick
jedoch nicht erkennbar ist, daß die beiden Zweige dann ontologisch entgegengesetzter Natur sind. Das beweisen erst Experimente, mit denen sich
feststellen läßt, daß die Zweige relativ
zueinander und zum Ursprungsstrahl
tatsächlich entgegengesetzte Eigenschaften haben, die man als Polarisation und Spin bezeichnet.
Mit dem Modell eines physikalisch real
stattfindenden Feldverzweigungs- und
Zellteilungsprozesses lassen sich nun
zwei der drei Bewegungsformen des
maxwellschen Feldes in einem Prozeßbild vereinen: Zum einen die elektrische
Polarisation im Sinne von elektromotorischer Bewegung, Verschiebung, Verdrängung oder eben spiegelsymmetrisch-räumlicher Feldverzweigung, zum
anderen die magnetische Polarisation.
Das elektrische Feld entsteht also erst
durch Verzweigungsprozesse und ist
immer polar (das bedeutet auch, daß
elektrische Ladungen nicht separat
existieren können). Gleichzeitig entsteht ein dazu entgegengesetztes Feld,
das Magnetfeld. Diese magnetische
Polarisierung dürfte dann die Entgegengesetztheit des neuen Verzweigungsensembles relativ zum ursprünglichen
Hauptzweig ausdrücken, was auf eine
Strukturhierarchie des verzweigten
Feldes hindeutet. Dieser neu entstehende polare oder enantiomorphe
Zusammenhang bewirkt eine Neuorientierung, Drehung oder Justierung
der beiden neuen Zweige oder Zellen
relativ zum Ursprungszweig bzw. zur
Struktur der Feldumgebung.
Eine Wellenbewegung ist hier noch
nicht erkennbar, selbst wenn man die
Wellengleichung jetzt als Synonym
für Verzweigungen auffassen möchte.
Es gibt - bis auf den Prozeß der Entstehung - noch keine zyklischen (zeitlichen) Schwankungen der Feldstärken. Im Gegenteil: Durch diesen Verzweigungsprozeß entsteht ein stabiler,
spiegelsymmetrischer
Feldzustand,
in dem die beiden Zellen oder Zweige
noch nicht miteinander wechselwirken
können, da sie ontologisch verschieden
sind - ansonsten würden sie sich auslöschen. Das ist ein reiner Kohärenzzustand, der das Ausschließungsprinzip
physikalisch etwas einsichtiger macht
(es galt ursprünglich nur für Elektronen, offenbart nun aber einen universellen Verzweigungsprozeß). Wie man
im Verzweigungsexperiment (Abb. 9)
überprüfen kann, gibt es in diesem
Zustand tatsächlich noch keine Interferenzringe, was auch für einzelne Quantenereignisse gelten muß. Der räum-
lich verzweigte Feldzustand kann demzufolge noch nicht als Überlagerungsoder Interferenzzustand bezeichnet
werden. Dazu ist erst noch eine komplette Spiegelung (Invertierung) des
Verzweigungszustandes nötig. Das hat
natürlich Folgen für die Wellentheorie:
Wenn diese Verzweigungshypothese
richtig ist, können das Doppelspaltexperiment und die partielle Reflexion nicht
mehr mit Wellen erklärt werden (falls
sie nicht richtig ist, kann es nur um die
Ausgestaltung von Details gehen, denn
eine realistische Interpretation der
Quantentheorie ist nach Anerkennung
der Interferenzbedingung nur noch
auf Basis ontologischer Feldverzweigungen möglich). In der Wellentheorie
gibt es auch schon ohne Auffangschirm
ein Interferenzmuster im Raum; in der
Verzweigungshypothese jedoch nicht.
Sicher ist bisher nur, daß die Absorptionsbedingung eine Aufhebung der
räumlichen Trennung der Feldstruktur
verlangt, um die energetische und zeitliche Symmetriebedingung erfüllen zu
können; wiederum ohne sich im Sinne
von Ortsveränderung zu bewegen. Das
kann mit der räumlichen Transformation
modelliert werden, die der Umkehrung
der Zellteilung entspricht (in Abb. 12
von Zustand 2 auf 1), oder im Strahlenbild als lokales Zusammentreffen
und Verschmelzen beider Lichtzweige
(in Bild 10 entspricht die Transformation der Drehung von Zweig A um 90°).
Die Strukturverschmelzung des Feldes
ist aber nur eine Vorbedingung für das
effektive Absorptionsereignis. Dahinter
verbirgt sich ein spiegelsymmetrischer
Prozeß: Auf der einen Seite besteht er
aus einem Strukturkollaps des elektromagnetischen Feldes, auf der anderen
Seite aus einer neuen Materiefeldverzweigung (Abb. 13).
5.3. Polarisation, Spin & Raum
Für Physiker, die mit der Vorstellung
von teilchenartigen Lichtquanten operieren, ist die Polarisation des Lichts
ein ebenso mysteriöses Rätsel wie das
Doppelspaltexperiment oder die partielle Reflexion. Denn die Kohärenz-,
Interferenz- und Struktureigenschaften
der Realität lassen sich weder mit dem
Körperbegriff der Mechanik, noch mit
Wellenvorstellungen verstehen. Daß
dieses Problem - inzwischen über 80
Jahre alt - bisher nicht mit einem neuen
physikalischen Modell gelöst werden
konnte, ist schon sehr erstaunlich.
Denn auch die folgenden Polarisationsexperimente beweisen, daß einzelne
Lichtquanten einem Verzweigungsund Verschmelzungsprozeß unterliegen
und solche Prozesse weder von Raum-,
noch von Zeitbezugssystemen abhängen können, da sie strukturell reversibel sind. Diese Experimente werfen auch ein Licht auf das Spin-Phänomen und zeigen, daß die Spin-Eigenschaft nichts mit rotierenden Teilchen
zu tun hat, sondern eine ontologische
Eigenschaft des gesamten Feldes ist.
Sie drückt nur die entgegengesetzte
Beschaffenheit
verzweigter,
ganzheitlich geteilter - eben polarisierter
- Felder aus. Polarisationsebenen und
Raumrichtungen haben dabei nur eine
relative Bedeutung, sie beziehen sich
nicht auf "den Raum", sondern auf die
Beschaffenheit von Feldstrukturen, die
sich immer in Kräftenormalen (mathematisch "Orthogonalität") äußern. Erst
aus diesen physikalischen Prinzipien
und Prozessen entsteht unsere dreidimensionale, euklidische Raumvorstellung; allerdings hat dieser dreidimensionale Raum - wie der Körperbegriff der
Mechanik - keine Entsprechung in der
physikalischen Realität.
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In den folgenden Versuchen wird sichtbares Licht durch Polarisationsfilter
geleitet, die immer nur 50% der einfallenden Lichtenergie durchlassen (die
andere Hälfte wird demnach entweder reflektiert oder absorbiert). Das
durchgelassene Licht ist danach polarisiert. Das bedeutet nun nichts weiter, als daß wir es nur noch mit einem
Zweig eines verzweigten elektromagnetischen Feldes zu tun haben. Dieser Lichtzweig hat jetzt Eigenschaften,
die sich mit einem Spin kennzeichnen
und relativ zu den Eigenschaften anderer Zweige unterscheiden lassen. Das
heißt, daß dieser Zweig als ontologisch
entgegengesetzt zum anderen Zweig
und zum ursprünglichen Lichtstrahl,
zum "Stamm" der Verzweigung, aufgefaßt werden muß. So einfach das
ist - und so offensichtlich darin eine
maxwellsche Polarisierung des Feldes
sichtbar wird - so klar wird nun auch,
daß man dieses Phänomen physikalisch
und ontologisch bisher noch nicht als
Feldverzweigung verstanden hat.
Interessant ist nun, wie diese Entgegengesetztheit zu Raumrichtungen in
der Physik des Lichts wird: Passiert ein
bereits polarisierter Lichtstrahl einen
zweiten Polfilter zu 100%, schreibt
man diesem Licht eine "Vorzugsrichtung" quer bzw. transversal zur Ausbreitungsrichtung des Lichtsstrahls zu,
eine "Raumrichtung der Wellenebene",
Polarisationsebene genannt. Das beruht
auf der Vorstellung, daß Maxwells Wellen irgendwie wirklich als "Wellen" im
Raum existieren, aber jetzt nur noch
in einer Ebene schwingen, und der Polfilter eine Art Gitter sei, das Licht nur
durchlasse, wenn die Wellenebene parallel zu den Gitterstäben steht. Um eine
Lage der Polarisationsebene im Raum
definieren zu können, werden die Pol-
0°
0°
-45°
45°
-90°
90°
-135°
-90°
135°
-45°
45°
90°
-135°
45°
-90°
90°
135°
-/+ 180°
hung relativ zum ersten, feststehenden Polfilter, kann man das Licht stufenlos dimmen: Bei einer Stellung von
45° passiert nur noch die Hälfte des
einfallenden Lichts, bei 90° gar keins
(Abb. 14). Dreht man weiter auf 135°,
passieren wieder 50% des Lichts, bei
180° wieder 100%. Dreht man in die
andere Richtung, passiert genau das
Gleiche. Soweit zum Prinzip, jetzt zum
eigentlichen Problem: Wird vertikal
polarisiertes Licht durch einen zweiten
Polfilter geleitet, der gegenüber dem
ersten um 90° ��������������������������
verdreht ist, beträgt der
Lichtdurchlaß 0%. Wird nun ein dritter Polfilter dazwischengeschoben, der
auf 45° eingestellt ist, kann das Licht
den 90° Filter passieren, was vorher
unmöglich war (Abb. 15). Offenbar darf
die Stellung des folgenden Filters um
maximal 45° variieren, aber nicht um
90°, damit das Licht noch passieren
kann. Setzt man das weiter fort, ergibt
sich eine Kette, bei der die durchgelassene Lichtintensität bei jedem Polfilter
0°
-45°
-135°
-/+ 180°
135°
-/+ 180°
Abb. 14 Polarisation & Raumrichtung
Polarisiertes Licht scheint eine bevorzugte Raumrichtung zu haben: Wird es erneut durch einen Polarisationsfilter geleitet, entscheidet die Stellung des Polfilters darüber, wieviel Licht durchgelassen wird.
filter mit einem Richtungsanzeiger oder
einer Skala markiert. Läßt der zweite
Polfilter 100% des bereits polarisierten
Lichts durch, wird diese Stellung als
parallel oder antiparallel (auf dem Kopf
stehend) zur Raumrichtung des ersten
Polfilters definiert - die Abweichung zwischen beiden Raumrichtungen beträgt
in diesem Fall per Definition 0°, was
100% Transmission entspricht. Über
eine bevorzugte Raumorientierung der
Lichtdurchlass 0 %
0°
beiden Polfilter ist damit noch nichts
gesagt, sie könnten noch immer parallel in alle möglichen Richtungen zeigen.
W���������������������������������������
erden die beiden Polfilter zur Erleichterung der Orientierung nun so eingestellt, daß der zweite Polfilter senkrecht nach oben zeigt, wenn er 100%
des bereits polarisierten Lichts passieren läßt, nennt man das Licht vertikal
polarisiert. Verändert man die Stellung
des zweiten Polfilters nun durch Dre-
Lichtdurchlaß 50 %
-45°
Lichtdurchlaß 25 %
0°
45°
-45°
45°
0°
-45°
-90°
90°
-90°
0°
0°
-45°
-45°
45°
-135°
Lichtdurchlaß 50 %
45°
135°
-135°
-/+ 180°
135°
90°
90°
-/+ 180°
-90°
90°
-135°
-135°
45°
135°
135°
-/+ 180°
Lichtdurchlaß 100 %
-90°
135°
-/+ 180°
-90°
0°
-45°
-90°
-135°
45°
90°
90°
0°
-/+ 180°
-45°
45°
-135°
135°
-/+ 180°
-90°
90°
-135°
135°
-/+ 180°
Abb. 15 Polarisation in 45° Schritten
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jeweils um die Hälfte reduziert wird.
Der eingespeiste, bereits polarisierte
Lichtzweig bringt 100% der Lichtintensität ein (würde der andere, in diesem
Versuch nicht berücksichtigte Zweig
beachtet, wären es nur 50%). Der
zweite Polfilter läßt davon wieder die
Hälfte passieren, der dritte davon wieder die Hälfte, also 25% - und so würde
es weitergehen. Die Polfilter verhalten
sich damit im Grunde wie halbdurchlässige Spiegel, die den Lichtstrahl jedesmal in zwei Hälften teilen; nur das wir
nicht genau wissen, was mit der jeweils
anderen Hälfte geschieht - ob sie wirklich absorbiert oder reflektiert wird
(meist nimmt man an, daß der Polfilter diesen Lichtzweig absorbiert). Das
bedeutet physikalisch: In diesen Experimenten betrachten wir immer nur
einen der beiden Hauptzweige des
Lichts, den wir durch entsprechend
eingestellte Polfilter weiter verzweigen, und davon jedesmal wieder nur
einen der beiden Zweige verfolgen.
Aber Polarisationsexperimente zeigen
noch etwas mehr: Das Licht wird dabei
immer in zwei zueinander senkrecht
stehende "Richtungen" zerlegt, unabhängig davon, in welche Raumrichtung
der Polfilter wirklich zeigt. Das gilt auch
für einzelne Lichtquanten.
Da Lichtquanten wegen ihrer energetisch ganzheitlichen Wirkung nicht
teilbar sein sollen, kann der Quantenmechaniker den Verzweigungsprozeß nicht erkennen und zieht sich wieder auf eine nicht-reale Wellenfunktion und statistische Beschreibungen
effektiver Wirkungen zurück. Auf diese
Weise entgeht dem Quantenmechaniker auch die Erkenntnis, daß Verzweigungen des Feldes kausal durch nichteffektive Wechselwirkungen mit Mate-
Detektor A
Detektor B
Polarisation 90° (h)
Polarisation 0° (v)
0°
0°
-45°
45°
-90°
Polfilter
90°
-135°
-45°
45°
90°
-90°
135°
-135°
-/+ 180°
135°
-/+ 180°
Kristall
0°
-45°
Polarisation 45°
45°
-90°
90°
-135°
Polfilter
135°
-/+ 180°
Abb. 16 Polarisation, Raumrichtung & Spin (Polarisationsexperiment mit einzelnen Lichtquanten)
Das Experiment zeigt, daß 1) sich einzelne Lichtquanten beliebig oft weiter verzweigen können (das Feld berücksichtigt alle Freiheitsgrade möglicher Wechselwirkungen); 2) diese Verzweigung mit einer Polarisation des
gesamten Feldes identisch ist; 3) daß Verzweigungen kausal durch Hindernisse (Materie) verursacht werden; 4)
dabei noch keine Energie an Materie übertragen wird; 5) die durch die Verzweigung bzw. Polarisation des Feldes
entstehenden Feldeigenschaften als ontologischen entgegengesetzt zueinander und zum Ursprungsstrahl definiert werden müssen (spin genannt); 6) ein kohärentes, enantiomorphes Feld entsteht, in dem Gleichzeitigkeit
herrscht; 7) effektive Wechselwirkungen entweder nur bei A oder bei B stattfinden können, so daß Absorptionsereignisse einer Symmetrie- und Absorptionsbedingung unterliegen, die unabhängig von den Weglängen zwischen Kristall und Detektoren ist; 8) die Konstante c keine mechanische Bewegung (Geschwindigkeit) sein kann
rie verursacht werden, auf Energieerhaltungsprinzipien zurückgehen, vollständig determiniert sind, real existieren und ganzheitliche Feldstrukturen
darstellen, die das Symmetrie-, Kohärenz- und Relativprinzip in sich vereinen! Ebenso entgeht dem Quantenmechaniker das Verständnis des Absorptionsereignisses, denn daraus folgt
zwangsläufig, daß er die Idee nicht entwickeln kann, daß effektiven Wechselwirkungen zwischen Feld und Materie
ein Strukturkollaps des verzweigten
elektromagnetischen Feldes zugrundeliegen muß. Damit wird noch einmal klar, warum die Quantenmechanik
das Absorptionsereignis, das Scheitern
des Körperbegriffs der Mechanik, der
raumzeitlichen Vorstellungen und der
Wellengleichung nicht erklären kann.
Und das, obwohl Experimente mit Kalzitkristallen die Verzweigung und Wiedervereinigung des Lichts anhand einzelner Lichtquanten eindeutig beweisen: In diesem Experiment (Abb. 16)
wird 45° polarisiertes Licht in die Versuchsanordnung eingespeist. An einem
Kalzitkristall verzweigt - polarisiert sich das Feld, was bei Dauerbestrahlung deutlich sichtbar wird. Es treten
zwei räumlich getrennte, rechtwinklig zueinander polarisierte Teilstrahlen
aus, die aufgrund der 45° Einspeisung
vertikal (v) und horizontal (h) polarisiert genannt werden. Die Polarisation
der "Photonen", die auf diesen beiden
Kanälen unterwegs sein sollen, wird
mit Polfiltern gemessen, die auf 90°
für horizontal und 0° für vertikal eingestellt sind. Am Ende eines jeden Strahlenganges steht ein Detektor, der das
Lichtwirkungsquantum entweder bei A
oder B registriert. Die quantenmechanische Interpretation geht nun davon
aus, daß sich ein winziges, teilchenartiges Lichtquantum oder eine räumlich konzentrierte Energieportion mit
Lichtgeschwindigkeit durch den Versuchaufbau bewegt und bei A oder B
registriert werden kann. Wenn es im
Detektor A eintrifft, muß es, da der
Polarisationsfilter in diesem Kanal auf
horizontal eingestellt ist, eine horizontale Polarisation gehabt haben. Wenn
es bei B eintrifft, eine vertikale. Allerdings ist es unmöglich, dem "Photon"
diese Eigenschaft von vornherein zuzuschreiben, sondern erst nach einer
"Messung" - zuerst am Kristall, dann
durch den anschließenden Nachweis
eines solchen "Teilchens" im Detektor. Nach Bohr ist die Passage des Teilchens durch den Kristall bereits eine
21
Das zeigt deutlich, daß man die Interferenzbedingung noch nicht verstanden
hat. Auch die Kopenhagener Deutung
versteht sie nicht, aber glaubt, sie mit
einem unlogischen Drahtseilbalanceakt
umgehen zu können: Einerseits wird sie
in der mathematischen Wellenfunktion
theoretisch berücksichtigt, andererseits praktisch vollkommen ignoriert,
in dem man sich nach wie vor Teilchen
vorstellt. Deshalb glaubt der Quantenmechaniker auch, daß sich ein Lichtquantum bei der Passage des Kristalls
wieder rein zufällig dafür entscheide,
ob es sich nach links oder nach rechts
bewege, oder daß er mit der Registrierung eines Teilchens eine "Information
über den Weg des Teilchens" gewonnen habe. Das unvorhersagbare Verhalten des Teilchens wird wieder dem
absoluten Zufall und dem Versagen
der Kausalität zugeschrieben - und das
Experiment gilt als Beweis dafür. Das
hat allerdings nichts mit Logik zu tun:
Die meisten Physiker haben bereits als
Studenten gelernt, die Interferenzbedingung ohne Nachzudenken zu ignorieren - das gehört zu den primären
methodischen Anweisungen der quantenmechanischen Interpretation, auch
bekannt als "Shut up and calculate".
Für einen aufmerksamen Beobachter
läßt das Experiment auch keinen Zweifel daran aufkommen, daß die Polarisation des Feldes durch eine nichteffektive Wechselwirkung mit dem Kristall erzeugt wird und wie im Doppelspaltexperiment und in der partiellen
Reflexion eine ganzheitliche Teilung
des Feldes bewirkt. Das bedeutet, daß
Bohrs Definition der Messung hinfällig
ist: Am Polarisator wird nichts gemessen (quantifiziert), sondern eine qualitative Strukturveränderung des Feldes
erzeugt. Daß diese Strukturveränderung eine enantiomorphe Verzweigung und diese reversibel ist, beweist
das nächste Experiment, das wieder
mit einem kontinuierlichen Lichtstrom
und einzelnen Lichtquanten ausgeführt
werden kann:
Dazu wird ein zweiter Kalzitkristall aufgestellt, allerdings umgekehrt. Die
Wirkung ist verblüffend - das am ersten Kristall verzweigte Licht (auf jeden
Zweig entfallen 50% der Lichtintensität) vereinigt sich im zweiten Kalzitkristall und tritt als einzelner Strahl
aus, der wieder seine ursprüngliche 45°
Polarisation und 100% Lichtintensität
hat (Abb. 17). Das gilt auch für einzelne
Lichtquanten - praktisch im Experiment
und theoretisch in der Zustandsfunktion. Die Verzweigung, die Polarisation
h/v (oder ganz allgemein links / rechts)
ist also spurlos verschwunden. Die
Quantenmechanik kann das nicht erklären - weder die Wiedervereinigung zur
vollen Intensität, noch die Wiederherstellung der ursprünglichen 45° Polarisation. Denn nach der quantenmechanischen Interpretation müßten statistisch 50% der austretenden Photonen
-45° Polarisation zeigen, die anderen
50% eine +45° Polarisation. Und eine
Polarisation 45°
Kristall
Polarisation 0° (v)
In Wirklichkeit beweist das Experiment
natürlich, daß die Elementarstrukturen von Licht und Materie nicht unteilbar, sondern ganzheitlich teilbar sind und von einem Versagen der Kausalität keine Rede sein kann, denn das Feld
nimmt vollständig determiniert eine
verzweigte Form an ("geht beide Wege
zugleich"). Und erst mit dieser Erkenntnis, daß im Experiment physikalisch
reale Feldverzweigungsprozesse stattfinden, wird einsichtig, warum es keinen Sinn mehr macht, von Körpern der
Mechanik zu sprechen - oder sich den
Kopf darüber zu zerbrechen, ob Einsteins provisorische Teilchen eine Entsprechung in der Realität haben oder
nicht: Aufgrund der Interferenzbedingung war diese Diskussion von Anfang
an überflüssig. Nimmt man sie uneingeschränkt zur Kenntnis, können Teilchen keine Realität haben, sondern nur
untaugliche sinnliche Vorstellungen
des denkenden Geistes sein - sie scheitern nachweisbar an der Realität, im
Experiment. Realität hat das Feld, das
sich ganzheitlich teilen kann - und sich
damit "non-lokal" verhält - aber immer
nur lokal ("punktartig") wirkt. Es macht
auch nicht viel Sinn, die Interferenzbedingung zum "Superpositionsprinzip"
von "virtuellen Teilchen" umzutaufen
und anschließend mit dem Experiment
zu beweisen, daß das Superpositionsprinzip richtig ist. Ebenso sinnvoll ist
es, einer bestimmten Energiemenge,
nachdem sie zur Wirkung gekommen
ist, rückwirkend eine reale Existenz
als Teilchen zuzuschreiben. All das sind
nur verzweifelte Versuche, den Körperbegriff der Mechanik, die Atom- und
Elementarteilchenhypothese und die
Interpretation der Lichtgeschwindigkeit als Bewegung im Sinne der Mechanik zu retten.
Polarisation 90° (h)
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Art Messung, die darüber entscheidet,
welchen Spin das Teilchen annimmt rein zufällig, ohne physikalische Ursachen. Es hat viele Versuche gegeben,
die Eigenschaft der Polarisation einzelnen Photonen als verborgene Eigenschaft zuzuweisen, um so eine physikalische Erklärung dafür finden zu können, wie sich Photonen für den linken
oder rechten Kanal entscheiden. Denn,
falls Lichtquanten Teilchen sind, müssen sie sich für einen der beiden Wege
entscheiden.
Kristall
Polarisation 45°
Polfilter
Abb. 17 Die Verzweigung & Wiedervereinigung des Lichts
Wiedervereinigung zweier Photonen,
die beide Wege zugleich nehmen, kann
definitionsgemäß nicht vorkommen, da
ja immer nur ein Photon in den Versuch
eingespeist wird und sich per absoluten Zufall entweder für den linken oder
rechten Kanal entscheidet...
In der Realität passiert jedoch etwas
anderes: Das Lichtquantum - das Feld teilt sich am ersten Polarisator in zwei
Hauptzweige. Wir verfolgen also wieder nur einen der beiden Hauptzweige
(Polarisation hier 45°), der sich am ersten Kristall erneut verzweigt. Er teilt
sich in links- und rechtshändige Zweige
(hier 90° / 0°), die zusammenhängen
und ein Ganzes bilden - genau wie
unsere Hände: Die beiden Lichtzweige
sind räumlich spiegelsymmetrisch und
ontologisch entgegengesetzt, also trotz
22
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Gleichheit verschieden. Die Energiesumme muß dabei immer gleichbleiben
- was qualitativ entgegengesetzte Feldenergien zwingend voraussetzt. Um
solche spiegelsymmetrischen Entitäten
zur Deckung bringen zu können, ist in
unserer dreidimensionalen Raumvorstellung eine räumliche Invertierung,
eine "Rotation" in der vierten Dimension
nötig - so wie man einen linken Handschuh durch Umkrempeln zu einem
rechten macht. Da die Zellen aber ein
Ganzes darstellen, also keinen offenen
Rand haben (wie ein Handschuh), kann
dieser Prozeß nur eine geschlossene,
ganzheitliche Teilung bzw. die Umkehrung eines solchen Prozesses sein. Die
vierte Dimension, die wir dazu benutzen, ist die sogenannt Zeit - und zwar
auf eine ganz spezielle Weise. Ein solcher Prozeß, der die räumliche Trennung der beiden Zweige oder Zellen
aufhebt, muß im zweiten, umgekehrt
aufgestellten Kristall stattfinden: Beide
Zweige verschmelzen wieder zu einem
Ganzen ohne Struktur. Auf diese Weise
beweist das Experiment eindeutig die
Existenz von Verzweigungs- und Verschmelzungsprozessen, auch bei einzelnen Lichtquanten.
Die Quantenmechanik sieht sich nach
wie vor außerstande, solche Versuche,
die das Teilchenkonzept (die Mechanik) eindeutig widerlegen, physikalisch
vernünftig zu erklären. Man muß sich
an dieser Stelle noch einmal darüber
im Klaren werden, daß alle Interpretationsprobleme aus der Tatsache der
ganzheitlichen Teilung folgen, wie sie in
diesem Experiment überdeutlich sichtbar wird: Nichtlokalität, Verschränkung,
Polarisation "einzelner Teilchen", Indeterminismus, Kausalitätsverlust, Kollaps der Wellenfunktion, das Problem
der Messung, das Problem der Lichtge-
schwindigkeit und die Einführung eines
bewußten Beobachters. Dahinter steht
das Versagen der raumzeitlichen Vorstellungen der Mechanik, das nur konstatiert, aber nicht verstanden wird:
Der Abstand zwischen den beiden Kristallen kann im Prinzip wieder beliebig
groß sein, ja sogar Lichtjahre betragen. Auf diese Weise zeigt auch dieses
Experiment, daß verzweigte Feldstrukturen und Feldstrukturveränderungen
von Raum- und Zeitmaßstäben unabhängig sein müssen. Die Wiedervereinigung des Licht kann irgendwo und
irgendwann stattfinden; dazu müssen
nur die kausalen Bedingungen stimmen, die eine Strukturverschmelzung
ermöglichen. Das beweist auch, daß
dem realen Geschehen ein strukturiertes elektromagnetisches Feld zugeordnet werden muß. Die Zustands- oder
Wellenfunktion versucht also durchaus, eine zugrundeliegende Feldrealität
abzubilden - und sobald sie ganzheitliche Teilungs- und Verschmelzungsprozesse abbilden kann, darf sie auch
beanspruchen, ein Modell der Beschaffenheit der Realität liefern zu können.
5.4. Gleichzeitigkeit und die Zeit
Die gesamte Quantenphysik zeigt auf
diese Weise, daß der euklidische Raum,
eine lineare Zeit und der Körperbegriff
der Mechanik nur Fiktionen des denkenden Geistes sind. Das heißt jedoch
nicht, daß wir unser Natur- und Realitätsverständnis nicht verbessern,
erweitern, vertiefen oder grundlegend
umwälzen könnten, im Gegenteil: Alles
deutet darauf hin, daß wir unsere Vorstellungen von der Beschaffenheit der
Realität nur unseren Naturbeobachtungen und Faradays Programm anpassen müssen.
Offenbar haben wir es mit einem physikalischen Zeitbegriff zu tun, der nicht
linear angewendet werden kann - und
damit unserem intuitiven Zeitgefühl
ziemlich nahe kommt. Und mit Materiestrukturen, die im Grunde nur aus
extrem konzentrierten Feldern bestehen, die sich ganzheitlich teilen und
wieder miteinander verschmelzen können - so wie wir es in der Natur jeden
Tag auch beobachten können. Wie sich
das am einfachsten modellieren läßt,
zeigt das Modell der Zellteilung: Das
elektromagnetische Feld und dessen
Struktur läßt sich mit zusammenhängenden "Räumen" und "Zeiten" modellieren, wobei diese Räume natürlich
enantiomorphe Feldzellen sind, die mit
sich selbst und ihrer Feldumgebung
immer zusammenhängen. Die beiden
Räume oder Feldzellen müssen dann
mit spiegelsymmetrischen Koordinaten gekennzeichnet werden und stehen
selbst in einem orthogonalen Zusammenhang zu ihrem Verzweigungsursprung. Das sind die Moleküle im
ursprünglichen Sinne Avogadros - die
wahren Elementarstrukturen von Licht,
Materie und Raum. Wir wissen nur
nicht, wo sie "zu Ende" sind - sie haben
keine ontologische Kontur, wie der
gedachte Körper der Mechanik; existieren also nicht diskret oder ontologisch
vollkonturiert. Der Prozess des Entstehens und Vergehens von elementaren
(immer gleichen, also invarianten)
Feldstrukturen läßt sich mit dem komplexen Hilbert-Raum auch physikalisch
als räumlich-ontologisch verzweigte,
vieldimensionale Feldhierarchiestruktur verstehen. Das hat mit dem dreidimensionalen Raum unserer Vorstellungswelt - ob positiv als Körper oder
negativ als Raumhintergrund gedacht natürlich nichts mehr zu tun. Die beste
Vorstellung ist nun die eines mehr oder
weniger komplexen Zellhaufens, der
aus unsichtbaren Feldern besteht. Auch
die Zeit ist dann eine komplexzahlige
Größe, die verzweigte Zustände und
ihre Veränderungen mit spiegelsymmetrischen Hilfskoordinaten begleitet.
Verwenden wir sie in diesem Sinne,
stellt sie gar keine Zeit mehr dar, sondern nur eine neue, vierte "Dimension"
- einen neuen Freiheitsgrad, der eine
neue "Raumrichtung" beschreibt, die
immer entgegengesetzt zu allen anderen vorhandenen Raumrichtungen ist und seien es unendlich viele.
Die reelle ("positive") vierte Dimension
wird dazu verwendet, die Entstehung
neuen Raumes durch Feldverzweigungsprozesse, eines Zwillingsraumes,
zu kennzeichnen. Die normale Zeit darf
sich an diesem Punkt verzweigen, was
wegen der Spiegelsymmetrie der beiden Bezugssysteme nun aber Zeitlosigkeit oder Gleichzeitigkeit bedeutet: Da Kohärenz- und Interferenzzustände des Feldes effektive (strukturverändernde) Wechselwirkungen ausschließen, vergeht für verzweigte Feldzustände keine Zeit. Beide Feldformen
existieren gleichzeitig, zusammenhängend und damit zeitlos - bis zur nächsten effektiven, strukturverändernden
Wechselwirkung, dem Absorptionsereignis. Es gibt physikalisch keine Möglichkeit, in offenen Systemen wie dem
Universum oder in der Natur diesem
Feldzustand zwischen Emission und
Absorption eine absolute "Zeitdauer"
zuzuordnen, es sei denn, man kann die
möglichen Freiheitsgrade der potentiellen Wechselwirkungen des Feldes so
einschränken, daß man Emissions- und
Absorptionsereignisse wie im Polarisationsexperiment eindeutig korrelieren
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("normieren") kann, und so subjektive
Zeiten zuordnen kann. Die imaginäre
(relativ dazu "negative") vierte Dimension drückt einen physikalisch umgekehrt ablaufenden Prozeß aus, die Verschmelzung von verzweigten Räumen,
den Verlust von Zwillingsraum, von
Dimensionen oder Freiheitsgraden des
Feldsystems. Das ist keine Zeitumkehr
im Sinne der Mechanik und der Symmetrie ihrer Bewegungsgleichungen
(was bedeutet, daß auch Bewegung
im Sinne der Mechanik nichtlinear ist),
sondern eine Zeitmessung, so wie sie
in der Physik auch praktisch verstanden wird: Es ist unmöglich, "der Zeit"
unabhängig von physikalischen Ereignissen Linearität und eine Existenz
zuzusprechen (wie Newton es getan
hat); die Zeitmessung beginnt und
endet immer mit Ereignissen, die physikalische Strukturen verändern. Die
idealisierte, klassische Zeitvorstellung besteht dagegen aus einer linearen Aneinanderreihung von festgelegten Zeitdauern oder Zyklen, die Einstein kurz "Uhren" nennt. In der Realität werden Strukturzustände jedoch
durch effektive, strukturverändernde
Ereignisse begrenzt, sie beginnen und
enden. Das kann nur durch nichtlineare
Zeitmessungen, so wie Einstein sie im
Grunde definiert hat, reflektiert werden: Ausschnitte, abgegrenzt durch
effektive Strukturveränderungen, die
jedoch vom Menschen wahrgenommen
oder registriert werden müssen, um
überhaupt Aussagen zu Veränderungen
in der Realität machen zu können.
Physikalisch-ontologisch gesehen gibt
es dann gar keine Zeit, sondern nur
physikalische Kohärenzzustände, die
immer in einem Zustand der Gleichzeitigkeit oder Zeitlosigkeit existieren, die
durch strukturverändernde Ereignisse
nur unterbrochen werden. Da solche
Ereignisse immer an konkreten, individuellen Materie- oder Feldstrukturen stattfinden, gibt es keine Gleichzeitigkeit für effektive (energieübertragende) Wechselwirkungen, also für
verschiedene, absorbierende Materiestrukturen. Deshalb ist eine gleichzeitige Wahrnehmung von "Licht" durch
mehrere Beobachter unmöglich; das
hat aber nichts damit zu tun, daß im
Universum im gleichen Moment noch
andere Materiestrukturen existieren,
was man durchaus "Gleichzeitigkeit"
nennen kann - es ist nur für den physikalisch-methodischen Zeitbegriff, der
Strukturveränderungen in einen kausalen Zusammenhang zwischen individuellen Materiestrukturen bringt, irrelevant. Diese Zeitfestlegungsmethode
ist sozusagen "subjektiv", vom jeweiligen Bezugssystem abhängig: Der
Beobachter definiert Zeit über Ereignispunkte, die für ihn gleichzeitig sind;
über die Absorption von Licht, das aus
zwei verschiedenen Quellen oder Orten
zugleich sein Auge erreicht. Dahinter
verbirgt sich ganz abstrakt die Absorptionsbedingung, die für alle Materiestrukturen gilt.
Im Michelson-Morley-Experiment wird
übrigens keine konstante Laufzeit des
Lichts gemessen, sondern nur, daß in
einem interferierenden System kein
Unterschied in der Laufzeit des Lichts
existiert. Wie haben es mit einem System der Gleichzeitigkeit zu tun, mit
einem kohärenten System, daß aus
verzweigten und gespiegelten Lichtstrahlen besteht. Die Bewegung der
Erde oder die Raumorientierung des
zusammenhängenden Systems spielt
keine Rolle. Wir haben es wieder mit
der lokal und global gültigen Kohärenzund Symmetriebedingung zu tun, die
auch Voraussetzung für Interferenz ist
- deshalb ist ein Laufzeitunterschied
ebensowenig meßbar wie beim Absorptionsereignis. Und damit auch nicht, ob
sich das elektromagnetische Feld im
Sinne von Ortsveränderung überhaupt
bewegt.
Die Zeitsymmetrie der maxwellschen
Gleichungen ist also keine echte Symmetrie der Zeit, sondern nur ein Hilfsmittel, um Feldverzweigungs- und Verschmelzungsprozesse als spiegelsymmetrisch zusammenhängend modellieren zu können. Dennoch können beide
Prozesse als Veränderung der Feldstruktur in der normalen Zeitrichtung
angeordnet werden; was voraussetzt,
daß der Mensch an diesem System physikalisch durch die Absorption von Licht
beteiligt ist. Zuerst findet die Verzweigung statt, dann die Verschmelzung.
Wie groß der zeitliche und räumliche
Abstand zwischen diesen beiden Ereignissen ist, läßt sich jedoch nicht sagen,
wenn wir nicht wissen oder beobachten
können, wann und wo (im Universum)
der Verschmelzungsprozeß stattfindet.
Genau so verstehen wir Zeit intuitiv,
auch in der Naturbeobachtung: Als
wahrnehmbaren Wandel, als Veränderungsprozeß. Mal scheint die Zeit überhaupt nicht zu vergehen - weil nichts
passiert, manchmal überschlagen sich
die Ereignisse, so daß die Zeit im Fluge
vergeht. Die Aneinanderreihung von
Zeitdauern ist deshalb kein Kontinuum;
diese Art Zeit schreitet weder gleichförmig voran noch fließt sie absolut
dahin; sie hat auch keinen Anfang und
kein Ende. Die "Länge" ihrer Einheiten
wird durch strukturverändernde Ereig-
nisse bestimmt - und das sind immer
konkrete, auf individuelle Strukturen bezogene Ereignisse. Der physikalisch nutzbare Zeitbegriff ist demzufolge nichtlinear und relativ; er kennzeichnet die Längen der Abstände zwischen qualitativen Zustandsveränderungen relativ zu zyklischen Prozessen, die der Beobachter für seine Zeitmessungen gerade verwendet. Ohne
effektive Wechselwirkungen verharren
verzweigte Feldstrukturen logischerweise in einem Zustand der Kohärenz
und Gleichzeitigkeit (= Zeitlosigkeit).
In der Realität unterbrechen qualitative Zustandsänderungen - die eine
Zeitfestlegung erst ermöglichen - aber
nicht die zeitlose Existenz einer globalen kohärenten Struktur, eines Systems der Gleichzeitigkeit.
Wenn der Prozeß zwischen Emission und
Absorption nicht instantan stattfindet,
sondern dauert, kann diese Dauer nur
auf die Strukturbildung eines elektromagnetischen Feldes zurückgeführt
werden, was dann als "Entfernung"
interpretiert wird. Dahinter schimmern
variable Maßstäbe durch: Werden die
Maßstäbe kürzer - oder vervielfachen
sie sich durch Verzweigungsprozesse wird die so bestimmte Strecke scheinbar länger. Das scheint mit Strukturveränderungen kompatibel zu sein; vielleicht lassen sich damit Feldzusammenballungen modellieren, die kompakte,
räumlich konzentrierte Materie bilden.
So führt die Emission eines Lichtquantes zur Strukturverringerung der Materie und einer Strukturvermehrung des
elektromagnetischen Feldes, während
die Verschmelzung einer elektromagnetischen Feldstruktur zu einer Verzweigung in der dazu entgegengesetzten Feldstruktur, in der Materie führt.
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Obwohl die Zahl der Elementarstrukturen dabei zu- oder abnimmt, bleiben
Verzweigungen als Konnektions-Prinzip
zwischen Elementarstrukturen immer
erhalten. Von Dekohärenz, einem nichtmehr-Zusammenhängen, kann demzufolge keine Rede sein. Verzweigungsprozeß und Verzweigungsstruktur des
Feldes erweisen sich damit als grundlegendes physikalisches Organisationsund Naturprinzip. Es gilt natürlich auch
für Materie und ihre Feldstrukturen
(mehr dazu in meinem Buch Quantum
Top Secret).
6. Kognition, Wahrnehmung und
die Natur der Sprache
Die übliche Frage lautet nun: Warum
kann man solche Teilungsprozesse
oder Quantenüberlagerungen nicht auf
klassischer Ebene beobachten? Warum
teilen sich makroskopische Körper Steine, Planeten, Menschen und Bäume
- nicht? Übersetzt man diese Frage,
lautet sie: Warum kann man in dieser
Welt, wenn man sie durch die Brille der
Mechanik betrachtet, keine sich ganzheitlich teilenden Materiekörper beobachten? Mit Blick auf lebende Materiestrukturen wird sofort klar, daß diese
Frage sich nun von selbst erledigt: Solche ganzheitlichen Teilungsprozesse
finden durchaus statt, wir können sie
sogar beobachten: Zum einen als Zellteilung (unter dem Mikroskop), zum
anderen, wie sich Bäume und Pflanzen räumlich verzweigen - jeden Tag,
direkt vor unseren Augen. Makroskopische Materiestrukturen teilen sich
also durchaus, nur kann die Mechanik
das nicht abbilden - eine ganzheitliche
Teilung kennt sie aus Prinzip nicht. Deshalb fragt sich der Mechaniker, wo die
Verdopplungen bleiben, die er im Expe-
riment - zumindest virtuell - zu erkennen glaubt. Weil der Mechaniker solche
Prozesse nicht (er-) kennt, schließt er
seine Augen vor der Natur. Öffnet er sie
nun wieder, zeigen Doppelspaltexperiment, partielle Reflexion und Polarisation, daß solche Teilungsprozesse überall, auch in der nichtbelebten Materie,
stattfinden: Bei elektromagnetischen
Feldern, Elektronen, Neutronen, Protonen, Atomen und Molekülen - ohne
Ausnahme. Es gibt keinen prinzipiellen
physikalischen Unterschied zwischen
den Feldstrukturen von Licht und Materie oder belebter und unbelebter Natur.
Das, was früher die Atom- und Elementarteilchenhypothese liefern sollte ein grundlegendes Naturprinzip - leistet nun, experimentell begründet, das
Verzweigungsprinzip.
Die eigentliche Frage ist dann, wie
weit man die Experimente noch treiben kann: Ob es eines Tages möglich
sein wird, auch Staubkörner, Glaskugeln, Stühle oder Menschen durch den
Doppelspalt zu schicken, in einen (verzweigten) Kohärenzzustand zu versetzen und an zwei Orten zugleich beobachten zu können. Aber auch hier hilft
ein Blick auf das Experiment und die
Natur: Wer hat im Experiment jemals
zwei Photonen, Elektronen oder Atome
an zwei verschiedenen Orten gleichzeitig gesehen? Natürlich niemand; das
waren ja nur virtuelle Gespensterteilchen, reine Einbildungen, eine mechanistische Illustration der noch unverstandenen, verzweigten Feldfunktion.
Statt dessen ist ein solcher Teilungsund Kohärenzzustand in der Materie
bereits strukturell und permanent realisiert: Materie besteht aus verzweigten
Feldenergiehierarchien
und
bindet
damit gewaltige Mengen elektromagnetischer Feldenergie in Form träger
Masse auf engstem Raum. Solche Strukturen existieren in gewisser Weise an
zwei Orten zugleich, die eigentlich ein
Ort sind. Sie sind enantiomorph strukturiert; also sowohl räumlich als auch
energetisch spiegelsymmetrisch organisiert. Sie bestehen aus Form (rechts)
und Antiform (relativ dazu links, komplett invertiert). Abstrakt physikalisch
formuliert: Sie bestehen aus Materie
und Antimaterie zugleich. Das ist es,
was wir auf jeder Ebene der Energieund Feldhierarchie mit einem Stereokoordinatensystem erfassen könnten
- und als bilaterale Symmetrie und
Chiralität wahrnehmen. Zum Beispiel
als Elektron und Positron, als Spin, als
positiver Atomkern und negative Elektronenhülle, oder als Doppelatom und
Molekül. Das zeigt, daß für Materie
und Felder die gleichen grundlegenden
Strukturprinzipien gelten und das Welle / Quanten-Paradoxon - trotz Mehrheitsmeinung und massivem, passiven
Widerstand - problemlos
auflösbar
ist. Faradays Programm hat also noch
immer Potential: Es kommt nun darauf
an zu zeigen, wie Materie aus Feldern
(aus "Licht") entsteht und sich räumlich extrem konzentrierte Feldstrukturen bilden, die dann als stofflich kompakte Materie erscheinen.
Für Kognitions-, Wahrnehmungsund Sprachtheorien hat dieses neue
Strukturverständnis ebenfalls große
Bedeutung: Es öffnet einen neuen
Zugang zum Verständnis der sinnlichen
Wahrnehmungen - und der Wahrnehmung durch Denken. Das dürfte für
Biologen, Biochemiker, Biophysiker,
Neurologen, KI-Forscher, Robotiker
und Psychologen äußerst fruchtbar
sein. Die verzweigte, kohärente Feldstrukturbeschaffenheit beweist, daß
sowohl der Körperbegriff der Mechanik
als auch die sinnlichen Körper-, Objektund Dingvorstellungen mit der Beschaffenheit der manifesten Strukturen der
Realität nichts mehr zu tun haben
können. Wir haben es also mit einer
ontologischen Illusion zu tun, die unser
Gehirn erzeugt, in dem es denkt. In der
Natur, rein physikalisch, hat die diskrete, mechanistische oder auch euklidische Körper- und Objektvorstellung
experimentell nachweisbar keine Existenzberechtigung mehr. Deshalb mußte
Niels Bohr einen bewußten Beobachter
in die Physik einführen - nicht um die
Dinge aus dem Nichts materialisieren
zu können, sondern um den Körperbegriff der Mechanik und sinnliche Körpervorstellungen überhaupt in die Physik einführen zu dürfen! Mangelndes
Reflexionsvermögen und die Ablehnung
naturphilosophischer Betrachtungsweisen, die bis Ende des 19. Jahrhunderts
noch Allgemeingut der humanistischen
Bildung waren, haben die Physiker bis
heute erfolgreich daran gehindert, den
eigentlichen Witz dieser Geschichte zu
begreifen...
Erst das Scheitern der Körpervorstellungen im Experiment offenbart,
daß solche Vorstellungen nur das Produkt von Denk- und Wahrnehmungsprozessen sein können. Diese Einsicht
erlaubt es uns, über den Schatten des
Geistes zu springen und neue funktionale und operationale Modelle der
Denkwahrnehmung zu entwerfen, die
kognitive Natur der Sprache zu verstehen und mit Strukturmodellen der
neuronalen Organisation zu verknüpfen. Und sie führt zu einem neuen Verständnis der Quantentechnologien und
ihrer Möglichkeiten, die heute als Quantencomputer und Einstein-Bose-Kondensate die vorderste Front der Grundlagenforschung bilden.
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