Die Wandlungsfähigkeit der Materie

Der berühmte amerikanische Festkörperphysiker und Nobelpreisträger Philip Anderson beklagte im Jahre 1994 in einer Einleitung für einen Tagungsbericht, dass es in der öffentlichen Aufmerksamkeit für physikalische Forschungsergebnisse ein großes Missverhältnis gibt:  Kosmologische Fragen und das Schicksal von Theorien für fundamentale Wechselwirkungen würden zuhauf in Büchern und Zeitungen diskutiert und unter dem Schlagwort  "Reduktion"  werde publikumswirksam eine "Theorie für Alles" als Ziel propagiert.  Dabei könnten sich höchstens 20% der Physiker als Kosmologen oder Teilchenphysiker bezeichnen, die große Mehrheit der Physiker weltweit sei dagegen mit praktischen Anwendungen der Physik oder Phänomenen beschäftigt, die zu komplex seien, um sie direkt mit einfachen Folgerungen aus den Gesetzen für die fundamentalen Kräfte bzw. Wechselwirkungen erklären zu können.  
Als Festkörperphysiker gehört Anderson zu dieser Mehrheit, er ist einer ihrer hochkarätigen und prominentesten Vertreter und hat u.a. Bedeutendes  zur Theorie der Supraleitfähigkeit beigetragen.  In diesem  Kampf um öffentliche Aufmerksamkeit – insbesondere mit Blick auf Politiker, die über die Vergabe von Fördergeldern entscheiden – versucht er mit einem anderen Schlagwort zu punkten, das ebenso  wie "Reduktion"  bei allen, die sich für die Fortentwicklung unseres Weltbildes durch die Naturwissenschaften interessieren,  untergründige Emotionen hervorruft:  "Emergenz".  Und Robert B. Laughlin, ein ebenso prominenter Festkörperphysiker und Nobelpreisträger, unterstützt dieses mit einem sehr erfolgreichen Buch, in dem er die Suche nach einer Weltformel  in Form einer "Theorie für Alles" als "quasireligiöse" Marotte verurteilt und Emergenz  als Prinzip hinter jedem Naturgesetz walten sieht.
Wenn man unabhängig von einer Sorge über öffentliche Aufmerksamkeit  oder finanzielle Förderung die Sachlage betrachtet, muss man sagen, dass Anderson und Laughlin auf eine wichtige Richtung der Physik hinweisen, die in der Tat bei allen interessierten Laien weniger Aufmerksamkeit genießt als es ihr von ihrer Bedeutung für unser Leben her gebührt.  Alles, was wir sind und alles, womit wir umgehen, sind komplexe Systeme, bestehend letztlich aus sehr, sehr vielen Konstituenten, ob dies nun  Zellen, Moleküle oder Atome sind. Solche Systeme zeigen Phänomene und Fähigkeiten, die man aufgrund der Eigenschaften der einzelnen Konstituenten nicht erwarten kann, die  erst durch das Zusammenspiel der Konstituenten und durch die Umgebungsbedingungen zustande kommen können.  Man nennt sie deshalb emergente Phänomene. In meinem Beitrag "Emergenz" habe ich dafür einige Beispiele aus der Physik ausgeführt und viele weitere  findet man heute im Internet, wenn man unter diesem Stichwort sucht.
Es ist aber kein Zufall, dass komplexe Systeme bisher vergleichsweise  stiefmütterlich in der Öffentlichkeit behandelt wurden. Unserem Geist erschließen sich ja  zunächst nur einfache Systeme, die aus wenigen Teilen zusammen gesetzt betrachtet werden können, so dass wir Regelmäßigkeiten in wenigen und übersichtlichen  Relationen festhalten können.  Das System Sonne-Planet ist auch solch ein einfaches System, obwohl ja doch Sonne und Planet eigentlich höchst komplexe Gebilde sind. Aber um die Bewegung eines Planeten um die Sonne zu erklären,  muss man nicht die Vorgänge auf und in der Sonne und auch nicht auf dem Planeten verstehen, so dass man beide  jeweils als ein einziges Objekt betrachten darf. Die Klärung dieser Bewegung durch Isaac Newton markiert bekanntlich auch den Beginn der Physik, ja einer Naturwissenschaft überhaupt.
Aber nicht immer hat man es mit einem solch einfachen Zwei-Körper-System zu tun.  Ein  Gas lässt sich nur als Ganzes betrachten oder als eine Ansammlung von sehr vielen Konstituenten, und erst im letzteren Fall wird man interessante Relationen zwischen seinen Eigenschaften feststellen, z.B. wie sich der Druck mit der Temperatur ändert, wenn man das Gas in einem festen Volumen eingesperrt hält.  Mit so vielen Konstituenten in einem System kann man aber nur in statistischer Weise fertig werden, so entstand neben der Thermodynamik, die auf einer rein phänomenologischen Basis die Relationen studierte, die Statistische Mechanik. 

In diesen beiden Gebieten hat man  sich aber natürlich auch nur zunächst mit den einfachsten Systemen  beschäftigt, nämlich mit solchen, auf die die Umgebung gar keinen oder nur einen sehr übersichtlichen Einfluss ausübt.  Am allereinfachsten sind die Verhältnisse bei  einem abgeschlossenen  System , z.B. bei einem Gas zu verstehen, das sich  in einem festen Gefäß mit  idealer Wärmeisolierung  befindet.  Wie immer auch zunächst die Konstituenten auf verschiedene Regionen  des Gefäßes verteilt sein mögen und wie unterschiedlich  auch immer die durchschnittliche Energie der Konstituenten in  verschiedene Regionen sei,  mit der Zeit wird sich ein ganz bestimmter Zustand des Gases einstellen und das Gas wird in diesem Zustand verharren:  Energie und Konstituenten sind dann gleichverteilt über das gesamte Gefäß –  es ist ein Zustand ohne Struktur, mit maximaler Unordnung.  Man nennt ihn "Gleichgewichtszustand", weil immer dann, wenn man das Gas durch einen äußeren Einfluss aus diesem Zustand kurzzeitig heraus treibt, sich dieser spontan wieder einstellt.  Gleichgewichtszustände besitzen also so wenig Struktur wie möglich und sind der Endpunkt einer jeden dynamischen Entwicklung eines thermodynamischen Systems, das abgeschlossenen sich selbst überlassen bleibt.
Die etwas vage  Vorstellung  von "Unordnung"  und "strukturlos" kann man in der Physik durch den Begriff "Entropie" quantitativ fassen.  In einem abgeschlossenen System wächst also die Entropie,  bis sie im Gleichgewichtszustand ihr Maximum erreicht hat.  In meinem Beitrag "Emergenz" habe ich z.B. etwas ausführlicher den Entropiebegriff erläutert.
Es gibt noch andere Szenarien von System und Umgebung, bei denen sich ein Gleichgewichtszustand spontan einstellt.  Entfernt man z.B. bei dem oben genannten Gefäß die ideale Wärmeisolierung,  steht das Gas in dem Gefäß mit der Umgebung in einem so genannten "thermischen Kontakt". das Gas nimmt mit der Zeit die Temperatur der Umgebung an, (diese selbst sei so "groß", dass sich ihre Temperatur dadurch nicht ändert.)  So stellt sich, wie immer auch der Anfangszustand des Gases ist, mit der Zeit ein Gleichgewichtszustand mit einer bestimmten, von der Umgebung vorgegebenen Temperatur ein.   Ähnlich kann man z.B. Gleichgewichtssysteme mit einem bestimmten Druck präparieren.
Lange Zeit standen solche Gleichgewichtsszenarien in der Thermodynamik  bzw. Statistischer Mechanik  im Mittelpunkt. Man dachte, dass alle Systeme irgendwann ins Gleichgewicht geraten  und somit letztlich immer alle Strukturen und alle Ordnung zerfallen.  Systeme oder Prozesse, in denen dagegen Ordnung entsteht oder aufgebaut wird, wie z.B. das Phänomen des Lebens, konnte man auf diese Weise nicht verstehen.  Hier gab es große weltanschauliche Kämpfe, ein Lager von Wissenschaftlern und Philosophen, die glaubten, irgendwann werde man dieses Phänomen auf der Basis naturwissenschaftlicher Gesetze verstehen und das Lager der "Vitalisten" ,  von Theologen und Philosophen und sogar auch einigen wenigen Biologen, die von einer eigenständigen Lebenskraft, von einer  "vis vitalis"  ausgingen.
 
Die Menge der Möglichkeiten, wie eine Umgebung auf ein System wirken kann, war aber in keiner Weise ausgereizt. Der österreichische Biologe und Systemtheoretiker Ludwig von Bertalanffy erkannte, dass lebende Organismen als offene  Systeme zu betrachten sind, also als solche,  bei denen der Austausch von Stoffen und Energie in verschiedenster Form auftritt, und er prägte dem Namen "Fließgleichgewicht"  für eine besondere Form eines offenes Systems, in dem das System in einem stationären Zustand ist, dabei aber ständig Energie oder Stoffe aus der Umgebung aufnimmt und diese in veränderter Form wieder an die Umgebung abgibt.  
Unsere Erde ist in einem solchen Fließgleichgewicht und wir verdanken diesem Tatbestand, dass Leben auf unserem Planeten möglich geworden ist.  Von der Sonne empfängt die Erde einen Energiestrom in Form einer kurzwelligen Strahlung, die charakteristisch ist für die Temperatur von 5800 K auf der Sonnenoberfläche.  Die gleiche Menge an  Energie strahlt die Erde auch in den gesamten Weltraum wieder ab, aber als langwellige Strahlung, die der mittleren Temperatur von 288 K der  Erdoberfläche entspricht.  Bezüglich der Menge der Energie ist die Erde also in einem stationären Zustand. Was sie insgesamt an Energie empfängt, gibt sie auch wieder ab.  
Die von der Umgebung  zur Verfügung gestellte Energie ermöglicht auf der Erde chemische Reaktionen, die eine Energiezufuhr benötigen, um überhaupt von statten gehen zu können. Die einfachste dieser Reaktionen ist der Prototyp der Photosynthese, bei der aus Kohlendioxid und Wasser mit Hilfe der Sonnenenergie  Sauerstoff und ein Molekül  größerer Ordnung, nämlich  Glucose, entsteht.  Das ganze Leben der Pflanzenwelt wird dadurch bestimmt, man kann diese  Reaktionen als Prozesse auf einer ersten Stufe der Schöpfung von Strukturen und geordneten Systemen auf der Erde betrachten.  Natürlich streben auch solche Systeme wieder dem Gleichgewicht, d.h. dem Zerfall von Ordnung und Struktur zu, geben dabei wieder Energie zurück und  erhöhen  die Entropie im System.  Der Prototyp dieses Abbaus ist die Umkehrung der Photosynthese,  bei der Sauerstoff und Glucose spontan in Kohlendioxyd und Wasser übergehen.  Diese ist der einfachste Fall einer Atmungsreaktion.
Erst durch die Zufuhr  von Energie können also in dem System Erde Prozesse ablaufen, die lokal zur Strukturbildung, zu Objekten höherer Ordnung bzw. niedriger Entropie führen.  Werden diese sich selbst überlassen, zerfallen sie wieder und die dabei entstehende Entropie wird letztlich mit der entsprechenden Energie in die Umgebung abgegeben.  
Bei einem stationären System, wie es die Erde ist, muss nicht nur die Energie sondern auch die Entropie im System stets gleich bleiben.  Da der "Zahn der Zeit" ständig an allem nagt, alle Ordnung ständig bröckelt und zerfällt, wird aber ständig Entropie, meistens in Form von Wärme, erzeugt. Die Erde muss also mit der Energieabstrahlung sehr viel mehr Entropie exportieren als wie sie bei dem Empfang der Sonnenenergie aufnimmt. Die abgestrahlte Energie ist also mit mehr Entropie "beladen", ist also in Form großer Unordnung,  die sich darin manifestiert, dass sie in Form von Wärme in einer  anderen Wellenlänge  vorliegt.  Dass die Energie nach dem gesamten Fluss durch das System Erde so "entwertet" ist, kann man gut verstehen, wenn man die Energieströme jeweils  in der Anzahl von Photonen misst.  Hochenergetische (kurzwellige) Photonen treffen auf die Erde,  niedrigenergetische (langwellige) Photonen verlassen sie wieder.  Da insgesamt gleich viel Energie einströmt wie ausströmt, muss also die Anzahl  der abgestrahlten Photonen viel größer sein.  Die Verteilung der gleichen Menge an Energie auf mehr Photonen bedeutet  aber auch, dass weniger  Struktur und Ordnung im dem Energiestrom vorhanden ist.

Lebewesen auf der Erde kann man als Akteure auf einer zweiten Stufe der Schöpfung verstehen, denn  Leben wird  erst von den Objekten niedrigerer Entropie, entstanden auf der ersten Stufe,  ermöglicht.  Die Redeweise, dass wir Menschen uns durch "negative Entropie" [1] ernähren, hat sich eingebürgert . Dabei meint man, dass jedes Lebewesen im stationären Zustand energiereiche Nahrung zu sich nehmen muss, die eine vergleichsweise hohe Ordnung und Struktur aufweist. Die Entropie, die bei der Verwertung der Energie in Form von Arbeit oder Stoffumwandlungen im Innern entsteht, wird wieder in Form von Wärme und Ausscheidung von ungeordneteren Stoffen abgegeben.  Auf einer rein energetischen und entropischen Betrachtungsebene gleicht ein Lebewesen also einer Maschine.  
Wollte man im Bild der Schöpfung bleiben, könnte man die Entstehung des Bewusstseins und des Geistes als deren dritte Stufe ansehen.  Nur wissen wir noch nicht so genau, in welcher Form sich diese aus der zweiten ergibt.  Auch die Vorstufe, auf der das Sonne-Erde System entstand, auf der es allgemein zur Sternbildung,  zu den Inseln hochwertiger Energiequellen im Universum und damit zu diesen Möglichkeiten des Lebens gekommen ist, erweckt nun  Interesse.  

Das Studium komplexer Systeme ist also ein genau so großes Gebiet wie beiden anderen, die sich mit den kleinsten bzw. den größten Dingen dieser Welt beschäftigen.  Nicht nur die Physik fester Körper mit ihren ungewöhnlichen Materiezuständen wie z.B. die Supraleitfähigkeit  gehört zu ihren Themen sondern auch Phänomene wie Strukturbildung, Selbstreproduktion, Leben und Bewusstsein, die ja ein gemeinsames Thema von  Physik, Chemie, Biologie und Physiologie sind.  Hier geht es nicht um die Erkundung der Natur sondern um das Verständnis ihrer Fähigkeiten, und da wir selbst ein Produkt dieser Fähigkeiten sind, ist ein Interesse dafür eigentlich selbstverständlich. 

[1 ] E. Schrödinger: Was ist Leben, Serie Piper, Ausgabe 1989

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Josef Honerkamp war mehr als 30 Jahre als Professor für Theoretische Physik tätig, zunächst an der Universität Bonn, dann viele Jahre an der Universität Freiburg. Er hat er auf den Gebieten Quantenfeldtheorie, Statistische Mechanik und Stochastische Dynamische Systeme gearbeitet und ist Autor mehrerer Lehrbücher sowie des Sachbuchs: "Die Entdeckung des Unvorstellbaren". Nach seiner Emeritierung im Jahre 2006 möchte er sich noch mehr dem interdisziplinären Gespräch widmen. Er interessiert sich insbesondere für das jeweilige Selbstverständnis einer Wissenschaft, für ihre Methoden sowie für ihre grundsätzlichen Ausgangspunkte und Fragestellungen und kann berichten, zu welchen Ansichten ein Physiker angesichts der Entwicklung seines Faches gelangt. In seiner "Freizeit" versucht er, im klassischen Stil zu komponieren und seine Kompositionen auch mit Hilfe moderner Software zu produzieren. Insgesamt versteht er sich heute als Physiker und "wirklich freier Schriftsteller und Tonsetzer".

12 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Mehr Popularität

    Ich beobachte auch etwas besorgt das unverhältnismäßige aufkommen populärwissenschaftlicher Bücher die schöne Theorien von Multiversen bewerben. Leider gibt es meines Wissens nur Laughlins “Abschied von der Weltformel: Die Neuerfindung der Physik” über das sich durch aus streiten lässt. (siehe: http://www.scienceblogs.de/…schlechte-bucher.php ). Vielleicht haben Festkörperphysiker einfach zu wenig Zeit um populärwissenschaftliche Bücher zu schreiben? Den am Inhalt kann es wahrlich nicht liegen.

  2. Zustände

    Der Begriff ´Fließgleichgewicht´ ist auf jeden Fall zutreffender als ´Gleichgewichtszustand´.
    Denn ein Gleichgewichtszustand wäre ein Perpetuum Mobile.

  3. @RD und Chris

    Vielen Dank für die Links. Herr Laughlin nutzt wohl sehr intensiv seine Narrenfreiheit als Nobelpreisträger. Da ist Phil Anderson doch viel tiefsinniger und kultivierter.

  4. @KRichard

    “Denn ein Gleichgewichtszustand wäre ein Perpetuum Mobile.” Wieso? Ein Gleichgewichtszustand ist der Endzustand eines jeden abgeschlossenen Systems. Das hat nichts mit einem Perpetuum mobile zu tun. Ein Fließgleichgewicht ist dagegen ein Zustand eines offenen Systems.

  5. Wie Sie selbst schreiben, dachten ja auch die Fachleute lange Zeit, das alles auf irgendwelche Gleichgewichtszustände hinaus läuft. Das dem nicht so ist scheint also auch in der Fachöffentlichkeit noch eine relativ neue Erkenntnis zu sein. Deshalb wird es wohl auch noch eine Weile dauern, bis die auch in populärwissenschaftlichen Werken breiten Eingang gefunden hat. Dabei hoffe ich aber auch, dass diese Weile eher kurz ausfällt, so das auch die populärwissenschaftliche Literatur in ca. 10 Jahren sowohl über das ganz Grosse/Kleine als auch das viele dazwischen aufklärt.

  6. “A Different Universe” – Rezension

    Anderson hatte für die Zeitschrift Nature eine kompetente Rezension von Laughlins hier angesprochenem Buch verfasst. Wen es interessiert, jemand hat den Text im Web gepostet: [PDF]

  7. Entropie, Information, Algorithmus

    Eine wichtige Gruppe von komplexen Systemen sind diejenigen, die sich selbst erhalten, also in einem Fliessgleichgewicht stehen. Dazu gehören auch Lebewesen und Maschinen. Und für diese sind ewig laufende schrittweis ausgeführte Programme entscheidend, womit wir beim Begriff des Algorithmus, bei der Informationstheorie und wiederum bei der Entropie angelangt sind.

    Irgendwann wird eine verallgemeinerte Form der Informationstheorie auch in der Physik eine wichtige Stellung erhalten, davon bin ich überzeugt. Und zwar nicht nur als Hilfsmittel und Calculus sondern als Mittel um zentrale physikalische Begebenheiten zu verstehen.

  8. @Martin Holzherr

    „Eine wichtige Gruppe von komplexen Systemen sind diejenigen, die sich selbst erhalten, also in einem Fliessgleichgewicht stehen. Dazu gehören auch Lebewesen und Maschinen“.
    Der Stichwort Selbsterhaltung stimme ich zu. Jedoch ist nicht jedes selbsterhaltendes System n einem Fließgleichgewicht, z. B. die Entstehung eines Sterns – der Protostern, der schon eine Selbsterhaltung besitzt, die in feiner Abstimmung der Gravitation, des Gasdrucks und der Rotationsimpulses sich äußert. Der Stern dagegen befindet sich schon in einem Fließgleichgewicht.
    Auch nicht jedes System in Fließgleichgewicht eine Selbsterhaltung besitzt. Ein Auto ist in einem Fließgleichgewicht. Jedoch hat es keine Selbsterhaltung. Hier auch meine Frage: welche Maschinen kennen Sie, die Selbsterhaltung besitzen?!

  9. @Joseph Honerkamp

    „Auf einer rein energetischen und entropischen Betrachtungsebene gleicht ein Lebewesen also einer Maschine.“ Daher die Menschen, die diese Betrachtungsweise annehmen, weil sie „tiefgründiger“ ist, oft sind unfähig den Unterschied zwischen Maschine und Menschen zu erkennen. Sie bekommen eine Art blinden Flecks. Wenn man aber grundsätzliche Unterschiede in der Maschine und dem Lebewesen sieht und keinen Antwort von dieser fundamentaleren Ebene bekommt, fragt man, in wieweit gerechtfertigt ist, diese Unterschiede auf „eine rein energetische und entropische Betrachtungsebene“ zu betrachten. Hier lande ich wieder mal bei R. Laughlin, dessen Hauptsatz ist, dass sich ständig neue Ebenen bilden, die neue Spielregeln entwerfen. So sind im Leben der Stoffwechsel, die Fortpflanzung, die Mutation neue Gesetze. Es bedeutet nicht, dass die alte Gesetze abgeschafft wurden, sie werden aber kanalisiert, gekonnt gegeneinander aufgespielt, so dass nach außen her treffen neuartige Merkmale und Gesetzmäßigkeiten auf.
    Dass das Leben gehorcht den Grundgesetzen der Natur, war vielleicht mal eine Offenbarung. Jetzt aber damit ist nichts gesagt. Welches Mechanismus steckt hinter der Wandlung der Materie? Die Materiewandlung passiert in dem Strom der Entropie. Wenn wir das W-W-Netz der Lebewesen betrachten, werden wir feststellen müssen, dass die Evolution auf die Minderung der Entropie ausgerichtet ist: es entstehen die Sinne, die von Lebewesen verursachten Störungen der Umwelt wahrzunehmen beginnen, die Kreisläufer des Lebens etc. Das Stichwort ist – das Deuten. Man beginnt die Störungen des e/m Feldes zu deuten. Man beginnt die Hinterlassenschaften der anderen Lebewesen zu deuten: Reviergrenzen, Fortpflanzungsbereitschaft. Man deutet anderen Lebewesen als potentielle Nahrung u. s. w. Das gleiche auf einzellige Ebene. Man deutet die wachsende Sauerstoffkonzentration und beginnt nach die Strategien zu suchen es zu verwerten u. s. w.
    Wenn wir aber eine Deutung in Analyse einbeziehen müssen, dann verabschieden wir mit der Physik. Mit der elementaren Deutung, wie z. B. eines Elektrons, der die e/m Ladung deutet, und die erlaubt begrenzte Zahl der Antworten (positiv, negativ, neutral), kann Physik noch umgehen. Wenn aber die Deutungsfreiheit wächst, tut sie sich schwer es zu anerkennen.
    „Die Verteilung der gleichen Menge an Energie auf mehr Photonen bedeutet aber auch, dass weniger Struktur und Ordnung im dem Energiestrom vorhanden ist.“ Das sehe ich anders. Hier muss aber das gesamte System Sonne betrachtet werden. Mit der Erde und anderen Planeten wird es höchstkomplexes Muster des e/m Stromes geschafft, der eine nie davor gewesene Struktur und Ordnung aufweist. Und wer weiß, vielleicht gibt es ein anderes System, das diese Struktur zu deuten vermag?! -:)

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