Nicht beim Sein, beim Sosein – da stellen sich die Fragen

BLOG: Die Natur der Naturwissenschaft

Ansichten eines Physikers
Die Natur der Naturwissenschaft

Ende dieses Jahres  wird man wissen, ob es Higgs-Bosonen wirklich gibt.  Das behauptete der  Direktor des CERN in der Süddeutschen Zeitung vom 28.7.2011. Ich kenne die Hypothese, dass es ein solches Teilchen gibt, schon seit meiner Jugend, als ich im Bereich der Teilchenphysik promovierte.  Es war die Zeit, als man die Bedeutung der so genannten Eichtheorien erkannt hatte.  In der heute als "Standard-Modell"  geltenden  Quantenfeldtheorie für die elektromagnetische und schwache Wechselwirkung  spielen diese Eichtheorien eine "tragende" Rolle.  Der Haken war nur, dass in solchen Theorien die mit den Quantenfeldern einhergehenden Teilchen keine Massen haben können, sie diese aber aus physikalischen Gründen haben müssen.  
Wer die Geschichte der Physik nicht gut kennt und dem Wortlaut nach auf Poppers Prinzip schwört, dass eine falsche Voraussage einer Theorie schon ihr Scheitern bedeutet,  würde hier sofort folgern, dass man deshalb auf die Eichtheorien wohl verzichten müsste.  So schnell hat man aber in der Geschichte der Physik noch nie aufgegeben, es kann ja immer noch weitere Umstände geben, mit denen man die widersprüchlich erscheinenden Ziele doch erreichen kann. So entstand die Hypothese, dass es ein Teilchen und damit ein zugehöriges Quantenfeld geben müsse, das, in den Gleichungen für das Standard-Modell geeignet eingebaut, dazu führt,  dass jenen Quanten, die durch die Eichtheorien vorher gesagt wurden, nun doch eine Masse zugeordnet werden konnte, ohne dass eine wesentliche Eigenschaft der Eichtheorien aufgegeben werden musste . Der britische Physiker Peter Higgs hat einen solchen Ausweg als erster postuliert, deshalb heißt das zugehörige Teilchen Higgs-Boson.  Aus theoretischen Überlegungen weiß man weiterhin, dass die Masse dieses Higgs-Bosons in einem bestimmten Bereich liegen muss und dass man jetzt am CERN mit dem LHC-Beschleuniger mit den dort zur Verfügung  stehenden Energien solch ein Teilchen finden müsste.
Das Higgs-Boson ist nicht das einzige hypothetische Teilchen unserer Zeit. Man glaubt, dass es im Universum noch eine so genannte dunkle Materie geben muss, und zwar in einem erheblichen Ausmaß. Nur so könnte man sich die hohe Umlaufgeschwindigkeit der Sterne bei der Rotation der Galaxien in deren Randbereichen erklären.  Schließlich gibt es noch die Hypothese, dass das Universum zum größten Teil mit so genannter dunkler Energie gefüllt ist, d.h. man weiß hier nicht einmal, in welcher Form diese Energie vorliegen soll.

Eine Liste früherer Hypothesen
Es mag nicht gerade von großer Kreativität zeugen, wenn man für die Erklärung eines beobachteten Phänomens gleich die Existenz  eines  neuen Teilchens  postuliert, das  hat man in der Geschichte der Physik schon häufiger  getan.  Der Äther und das Caloricum werden in dem Zusammenhang immer zuerst genannt, weil diese Hypothesen auf die Dauer nicht erfolgreich waren. Die bekannteste,  aus der Naturphilosophie übernommene  und über viele Jahrhunderte verfolgte Hypothese war die von  der Existenz von Atomen.  Aber es gab noch viele andere Hypothesen:  Als man die elektrischen Effekte genauer untersuchte, machte man für das Phänomen der Aufladung und  Entladung Flüssigkeiten verantwortlich, die auch irgendwie aus Teilchen bestehen mussten.  Albert Einstein stellte im Jahr 1905 die Hypothese auf, dass das Licht aus einem Strom von so genannten Lichtquanten besteht.  Er nannte sie vorsichtig Energiepakete, die nur als Ganze absorbiert und emittiert werden können. Heute nennt man sie Photonen.  Wolfgang Pauli  postulierte 1930 ein elektrisch neutrales Teilchen, bald Neutrino genannt, um den Energieerhaltungssatz bei dem so genannten Betazerfall von Atomkernen zu retten,  und ich kann mich noch an die Zeit entsinnen, in der die Idee aufkam, dass die damals so genannten Elementarteilchen wiederum aus identifizierbaren Bestandteilen zusammengesetzt seien, die man Quarks nannte.  So reihen sich die heutigen Hypothesen über das Higgs-Boson und die dunkle Materie gut ein in die hier keineswegs vollständige Liste der Hypothesen über neue Formen der Materie, und es ist lehrreich, sich  das Schicksal der früheren Hypothesen genauer anzusehen.
Eine grobe Sichtung der Liste zeigt schon, dass es Erfolgsmeldungen gibt, aber offensichtlich auch Versager, und wenn man sich das Schicksal der Hypothesen genauer anschaut, dann kann man bei jeder  eine gewisse Entwicklung erkennen.  Diese beginnt  mit einer reinen Behauptung, dass man zu einer bestimmten Erklärung eines Phänomens die Existenz dieser Substanz oder dieses Teilchens braucht.  Dann können weitere Phänomene dazu kommen, deren Erklärungen durch die Existenz plausibel wird.  Im weiteren Stadium  können Eigenschaften  der Substanz bzw. des Teilchens aufgrund experimentelle Befunde postuliert werden  und wenn es gut geht, dann fügen sich diese nach und nach zu einem kohärenten  Bild.  Schließlich kann man von einer experimentellen Bestätigung reden, wenn man Signale in einem Detektor gemessen hat, die man nach allen Regeln der experimentellen Kunst und nach allen theoretischen Berechnungen als Ausweis der Existenz der Teilchen ansehen kann.

Eine kurze Geschichte der Hypothesen
Bei der Vorstellung von einem Caloricum, einem Stoff also, der die Wärme verursachen soll,  ist man nie über das erste Stadium hinaus gekommen, man hatte zwar einige Zeit Erfolg, aber mehr als dass es dieses Substanz geben sollte, konnte man auch nicht über sie sagen.  Mit dem Äther ist man schon etwas weiter gekommen, es gab bis ins 19. Jahrhundert verschiedenste Äthermodelle, die aber alle ihre Schwierigkeiten hatten. Dem Äther wurden unterschiedlichste Eigenschaften zugesprochen, die sich zum Teil widersprachen, und insbesondere bei der Diskussion der Phänomene, die sich bei der Bewegung gegen den Äther zeigen mussten, kam man nicht zu einer Klärung. Als Albert Einstein auf der Basis von zwei einfachen Prinzipien eine einheitliche Theorie der Bewegung bei mechanischen und elektrodynamischen  Phänomenen entwickeln konnte, die ganz ohne den Begriff des Äthers auskam, wirkte das wie eine Befreiung.
Große Schwierigkeiten hatte man auch mit den frühen Theorien für die Erklärung des elektrischen Stroms, aber diese Geschichte verlief ganz anders:  Als man zu Zeiten Benjamin Franklins die elektrostatischen Phänomene wie z.B. die Funkenentladung studierte, entwickelte man die Vorstellung von einer Substanz in der Materie, die für die Effekte verantwortlich sein musste. Diese musste fließen können und aus Teilchen bestehen, die sich gegenseitig abstoßen, von der übrigen Materie aber angezogen werden. Durch Reibung können solche Teilchen abgestreift oder aufgebracht werden, bei einem Überschuss sprach von einer positiven Ladung, bei einem Mangel von negativer Ladung.  Es gab aber noch eine andere  Theorie, die von zwei Sorten von Flüssigkeiten  sprach, einer "Glaselektrizität" und einer "Harzelektrizität". Manche Effekte konnte man besser mit der Einflüssigkeitstheorie erklären, manche mit der Zweiflüssigkeitstheorie.  Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts, also auch noch, als die Maxwellsche Theorie schon für die elektromagnetischen Phänomene anerkannt war, wusste man nicht wirklich, wie der elektrische Strom in einem Stück Draht zustande kommt.   Erst im Jahre 1897 entdeckte Joseph John Thomson bei Experimenten mit den so genannten Kathodenstrahlen, dass diese aus einem Strahl von  Objekten bestehen, die als Träger des elektrischen Stromes zu deuten sind. Man nannte solch ein Objekt "Elektron", konnte bald dessen Eigenschaften präzise bestimmen  und hatte damit  in der Tat die Erklärung des elektrischen Stromes durch eine Art Flüssigkeit im Großen und Ganzen bestätigen können.  Heute kann man mit Elektronen die raffiniertesten Experimente machen und kann ihre Eigenschaften genauestens vermessen.  
Auch mit der  Vorstellung von Atomen konnte man schließlich etwas Reales verbinden.   Als Grundbausteine  der Materie wurden sie schon im frühen Indien angesehen,  ebenso von Demokrit  und Epikur im alten Griechenland. Mit den Anfängen einer naturwissenschaftlichen Chemie entdeckte man immer mehr Regelmäßigkeiten bei chemischen Umsetzungen, die sich mit der Annahme gut erklären lassen konnten, dass es verschiedene "Elemente" d.h. Atomsorten gibt, die sich auf verschiedenste Art verbinden können.  Albert Einstein konnte mit dieser Vorstellung aus den Experimenten zur Brownschen Bewegung quantitative Schlüsse ziehen, die sinnvoll erscheinende  Aussagen zur ihrer Größe und ihrer Anzahl in bestimmten Volumen zuließen.  Aber es war immer noch nicht klar, ob es Atome wirklich gibt, oder ob hinter all den Regeln und Rechnungen, die so gut mit der Existenz von Atomen korrespondieren, nicht doch etwas ganz andres dahinter steckt.  Darüber, wie man den Aufbau des Atoms allmählich aufschlüsselte, über die Rutherfordschen Experimente, die Entwicklung des Bohrschen  Atommodells und schließlich der Quantenmechanik  ist schon viel geschrieben worden. Heute kann man mit dem Rastertunnelmikroskop Bilder von Atomen an der Oberfläche von Materialen aller Art erzeugen und sogar Atome auf Oberflächen verschieben und manipulieren.
Auch einzelne Lichtquanten, Photonen, kann man heute manipulieren.  Die Entwicklung zu diesem Begriff hat einen besonders großen Schlenker gemacht.  Bei Newton waren die Lichtteilchen noch kleine Korpuskeln, kleine klassische Teilchen, wie wir heute sagen würden, bei Young, Fresnel und Maxwell im 19.Jahrhundert bestand das Licht überhaupt nicht aus Teilchen – Licht waren Wellen, Verzerrungen im Äther. Bei Einstein schließlich waren es wieder Teilchen, aber nun Teilchen in einem ganz neuen Sinne, die man Quanten nannte.
Die Existenz vieler solcher Quanten, die man immer noch salopp als Teilchen bezeichnet, ist inzwischen in den Labors und Beschleunigern nachgewiesen worden, man spricht schon von einem Teilchen-Zoo der Hochenergiephysiker. Man hat bei ihnen viele Merkmale gefunden, nach denen man eine gewisse Ordnung und Struktur in den "Zoo" bringen kann , und wieder lässt sich diese Ordnung erklären, wenn man die Existenz bestimmter Grundbausteine   postuliert, die nun für die Teilchen des "Zoos" die gleiche Rolle übernehmen, wie die Nukleonen für die Atomkerne.  Man nennt einen solchen Grundbaustein "Quark". Das letzte Wort über die Existenz dieser Quarks ist noch nicht gesprochen, es gibt Hinweise in vielen Experimenten, aber einzelne Quarks hat man noch nicht detektieren können.  So befindet sich  die Entwicklung dieser Vorstellung noch in einem mittleren Stadium und wir kommen in unserer Liste allmählich in den Bereich, in dem noch Unklarheit herrscht über die Existenz der postulierten Teilchen. 

Nicht das Sein, sondern das Sosein ist das Problem
In der Literatur über eine bestimmte wissenschaftstheoretische Position, dem Strukturenrealismus, findet man oft die so genannte pessimistische Metainduktion erwähnt.  Bei dieser verweist man auf die Tatsache, dass man offensichtlich auch mit Teilchen, die gar nicht existieren, Erklärungserfolge haben kann, wie sich ja beim Caloricum und beim Äther gezeigt hat, und zieht daraus den Schluss, dass wir heute mit all unseren Vorstellungen über die verschiedenen Teilchen in der gleichen Lage sein könnten – nämlich, dass zukünftige Einsichten zeigen könnten, dass diese Teilchen eigentlich gar nicht existieren.  
Angesichts der Lage, dass wir mit Atomen, Photonen, Elektronen so sicher und detailliert experimentieren können, scheint mir diese Überlegung absurd zu sein. Auch wenn sie aus logischen Gründen möglich ist, verdient sie höchstens eine gelegentliche Erwähnung als Skurrilität;  dass man beim Postulieren von neuen Teilchen manchmal eine Niete zieht, ist ja nicht verwunderlich.  Beachtung verdient viel mehr, dass sich das, was wir unter einem Objekt, Ding oder Teilchen zu verstehen haben, durch die Entwicklung der Physik offensichtlich geändert hat und vermutlich in Zukunft auch noch ändern wird. Dass da "Etwas" ist, kann man nicht leugnen, wenn man dieses "Etwas" gezielt und verlässlich beeinflussen kann und ein konsistentes Netz von Regelmäßigkeiten und Eigenschaften kennt, die sich bei der Manipulation immer wieder zeigen. Aber welche Bilder, welche Vorstellungen wir von diesem "Etwas" machen sollen,  das ist das eigentlich spannende Problem.  Es geht also nicht so sehr um das "Sein", sondern um das  "Sosein".  Bei vielen ontologischen Diskussionen hat man noch zu sehr die klassische Vorstellung von Materie im Kopf und glaubt, damit das gesamte Inventar des Universums erfassen zu können.  Durch die Weiterentwicklung unserer Theorien werden wir aber in der Physik atomarer und noch kleinerer Systeme  zu  ganz neuen Begriffen geführt. Diese sind mit nichts  vergleichbar, was wir in der Welt der Größenordnungen, in der unsere Vorstellungsfähigkeit durch die biologische Evolution geprägt worden ist, kennen gelernt  haben.  Wir können mit den Symbolen für diese neuen Begriffe konsistent im Rahmen unserer Theorien umgehen und mit solchen mathematischen Überlegungen erfolgreich und verlässlich Phänomene der Natur erklären und vorhersagen. Aber mit welchem "Verständnis" für das, wofür diese Symbole stehen, sollen wir uns zufrieden geben? Was dürfen wir da überhaupt erwarten?
Zurück zur  Suche nach dem "Higgs-Boson".  Manche wünschen sich, dass man es nicht findet und dass man zum Schluss kommen muss, dass es dieses wohl gar nicht gibt. Dann würde die Frage, wie eine Theorie auszusehen hat, in der die Quanten der Eichtheorien auch jene Massen haben können, die inzwischen experimentell gemessen worden sind,  neu aufgerollt wie insbesondere auch die Frage, was es bedeutet, dass ein Objekt eine Masse besitzt.  Die Frage nach der Natur der Quanten bleibt auf jeden Fall spannend.

Veröffentlicht von

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 Lehr- und Sachbücher. 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. Insgesamt versteht er sich heute als Physiker und "wirklich freier Schriftsteller".

7 Kommentare

  1. Das wäre jedenfalls ein Fortschritt, wenn zum Higgs Mechanismus alsbald verlässliche experimentelle Ergebnisse vorliegen würden. Sollte tatsächlich ein Higgs Boson gefunden werden, dann hätte die QFT vielleicht ein Problem weniger, aber es ergeben sich daraus wieder andere Fragen, auf die man keine plausiblen Antworten hat. So würde die Selbstwechselwirkung eines omnipräsenten Higgs Feldes für physikalisch realistische Situationen einen Beitrag zum Energie-Impuls in den Einsteinschen Feldgleichungen liefern, und mit Hinblick auf die kosmologischen Friedmann Modelle hat Martinus Veltman einmal bemerkt, dass das Universum dann nicht über die Grösse eines Fussballs hinausgekommen sein dürfte — es sei denn, man postuliert einen weiteren Mechanismus, der diesen Effekt praktisch exakt kompensiert. Ein Higgs Feld hätte also auch unerwünschte, sogar eher unaesthetische Nebenwirkungen, und so ist es kein Wunder, dass mancher den “Schwarzen Peter” lieber weiterhin bei der QFT sehen möchte. Entscheiden kann hier nur das Experiment.

  2. Die Frage “Gibt es Elektronen?” ist doch aber eine Frage nach dem So-Sein, und eigentlich keine Frage nach dem Sein. Die Frage lautet genau genommen nicht: Gibt es etwas das unsere Messgeräte beeinflusst (oder das wir dazu bringen können einen leuchtenden Punkt auf einem Bildschirm zu erzeigen) und das wir Elektron nennen können? Sondern: Gibt es etwas, das so ist, wie unser Modell “Elektron” es beschreibt und das den Bildschirm genau auf diese Weise wie es unsere Modellvorstellung besagt, zum Leuchten bringt?
    Die Frage nach dem Sein eines Objektes einer Klasse ist immer die Frage nach dem So-Sein.

  3. @Chris, Jörg Friedrich

    @Chris
    Vielen Dank für den Hinweis. Ich werde mich bei meinen Kollegen danach mal erkundigen.
    @Jörg Friedrich
    Wenn Sie Ihre “richtige” Frage stellen, sind Sie ja schon einen Schritt weiter. Formulieren Sie diese mal für den Äther oder das Higgs-Boson. Da haben (oder hatten) sie doch nur theoretische Gründe. Klar, wenn man ein Phänomen sieht, geht es ums Sosein. Das war genau mein Argument.

  4. Veltman

    Der Ordnung halber hätte ich zu Martinus Veltman eine Quelle nennen sollen, hatte das aber nicht in Reichweite und nur aus dem Gedächtnis referiert. Das sei dann hier noch nachgetragen:

    M. Veltman. Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics. World Scientific, 2003.

    Der Vergleich mit dem Fussball findet sich in Ch. 10.

  5. Teilchen, Physik und Philosophie

    Also die Lichtquanten stammten meines Wissens von Herrn Plank. Er wollte damit, grob gesagt, erklären, warum es nicht zur sog. “Ultraviolettkatastrophe” kommt. So mein Wissenstand.

    Laut David Lindleys’ “Das Ende der Physik” scheint es zu einer Annäherung der Teilchenphysiker an die Kosmologen gekommen zu sein, in Folge dessen diese Suche nach neuen Teilchen zur Erklärung von Elementarkräften kam.

    Was die einzelnen Quarks angeht:
    Ist es nicht so, dass es einzelne Quarks wegen der Starken WW gar nicht geben kann, da sich immer wieder Verbände bilden? Oder sitze ich da einen Irrtum auf?
    In Übrigen, bei dem, was Sie über Popper gesagt haben, was halten Sie vom mehr empirischen Modell von Quine? Es handelt sich um einen Erkenntnistheoretiker, der auch auf den Gebiet der Logik fruchtbare Arbeit geleistet hat. Er sagt aus, dass es bei einer falschen Beobachtung nicht entschieden sei, welche Aussage einer Theorie korrigiert werden müssen, vereinfacht gesagt.

    P.S.: Was mich etwas überrascht hat, ist, dass Phlogiston gar nicht erwähnt wurde. Ist das nicht ein viel passenderes und excellentes Beispiel für ein Teilchen oder eine “Flüssigkeit”, die zwar hervorragend etwas erklärt, aber real nicht existiert?
    Ich hoffe, dass Sie auf diesen Beitrag, obwohl er sehr unordentlich verfasst ist, trotzdem eingehen werden…

  6. @Illutionius

    – “Also die Lichtquanten stammten meines Wissens von Herrn Plank.” Nun, das ist grob falsch. Herr Planck eine Abgabe von Energie in Quanten bei den Oszillatoren (Modell für die Materie der Hohlraumwände) gesprochen, und damit sein Gesetz hergeleitet. Dass die elektromagnetische Strahlung im Hohlraum selbst auch aus Quanten besteht, hat er nicht gesagt. Lichtquanten hat definitiv erst Einstein postuliert und Planck hat das 1913 noch in einem Gutachten als “Spekulation, die über das Ziel hinaus schießt” bezeichnet. Leider findet man in der populärwissenschaftlichen Literatur unglaublich viel Halbwissen.
    – “Ist es nicht so, dass es einzelne Quarks wegen der Starken WW gar nicht geben kann, da sich immer wieder Verbände bilden?” Ja, das ist so eine der üblichen Aussagen. Welchen ontologischen Status sollen die denn haben? Da liegt genau das Problem.
    – Quine: “Er sagt aus, dass es bei einer falschen Beobachtung nicht entschieden sei, welche Aussage einer Theorie korrigiert werden müssen”. Das ist natürlich so, darauf kommt aber auch jeder Physiker.
    – Ja, ich habe öfter überlegt, ob ich das Phlogiston auch noch erwähne. Aber die Tatsache, dass das ja eigentlich zur Geschichte der Chemie gehört, habe ich als Vorwand genutzt, mir das zu sparen. Das hätte ich vielleicht nicht tun sollen.

  7. @Herr Honerkamp

    “Ja, das ist so eine der üblichen Aussagen. Welchen ontologischen Status sollen die denn haben? Da liegt genau das Problem.”

    Das könnte man ganz positivistisch damit beantworten, dass man über diese Frage, mangels naturwissenschaftlicher Entscheidbarkeit, nicht nachdenken sollte.

    “Das ist natürlich so, darauf kommt aber auch jeder Physiker.”

    Naja, das ergibt sich in diesen konkreten Fall wohl mehr aus der Logik. Aber natürlich werden Physiker darauf gekommen sein, ich wollte nur den Ansatz erwähnen.

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