Kugelphysik – Die Macht der Bilder, die Ohnmacht der Zeichner

Quantenwelt

“Nehmen wir an, die Kuh sei eine Kugel”, lautet die Pointe eines Physikerwitzes. Zu recht, denn Kugeln sind unsere Lieblingsobjekte. Da sie von allen Seiten gleich aussehen, spielt ihre Orientierung im Raum keine Rolle. Wenn ihre Ladungs- oder Massenverteilung schön gleichmäßig ist, können sie in der klassischen Mechanik sogar wie Punkte betrachtet werden. Die Kinematik und Dynamik von Punktteilchen, Kugeln mit Radius Null, kennt sicher jeder aus der Schule.

Viele bunte Kugeln sieht man auch in der November-Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft. In den Infokästen zum sehr lesenswerten Artikel Weltbild vor dem Umbruch von Chris Quigg lernen wir, dass es je sechs verschiedene Quarks und Leptonen gibt. Leptonen sind gelbe Kugeln, von denen es drei ungefähr gleich große gibt und drei weitere in unterschiedlichen Größen. Quarks sind bunte Kugeln (rot,grün und blau), das Up-Quark ist die kleinste Kugel, das Top-Quark, das am LHC zum ersten mal in Europa beobachtet werden wird, die größte. Schließlich sind Bosonen unterschiedlich große graue Kugeln, von denen wir hoffen, dass sich die größte am LHC erstmals nachweisen lassen wird.

Mir und sicher auch fast allen regelmäßigen Lesern von Spektrum der Wissenschaft ist klar, was die verschiedenen Größen der Kugeln zu bedeuten haben. Ein Myon ist nicht etwa größer als ein Elektron, es hat nur mehr Masse, ist also träger und bringt mehr auf die Waage. Es ist damit sogar eher kleiner als ein Elektron, denn es lässt sich mit gleichem Aufwand auf einen kleineren Bereich lokalisieren. (Die Heisenbergsche Unschärfe sei dank.) Oder sind sie nicht eher beide punktförmig? Schließlich hat man noch keine inneren Strukturen in ihnen gefunden.

Aus vielen Diskussionen und Fragen in meinem Internetforum habe ich gelernt, dass die Vorstellung von kugel- oder gar punktförmigen Teilchen oft zu falschen Assoziationen führt: Kugeln sind in der Alltagswelt oft hart, haben immer eine feste Umrandung und sind prinzipiell zählbar. Diese Vorstellungen werden dann gerne aus der bildlichen Darstellung von Elementarteilchen als Kugeln mitgenommen. Keine dieser Vorstellungen ist richtig:

  • Elementarteilchen sind nicht hart: Photonen können völlig ungestört durcheinander durchfliegen.
  • Elementarteilchen haben keine feste Umrandung: Der Aufenthaltsbereich eines Elektrons im Wasserstoffatom nimmt nach außen hin exponentiell ab, ist also nirgends scharf begrenzt.
  • Elementarteilchen sind nicht immer zählbar: In einem Laserstrahl ist die Anzahl der Photonen pro Längeneinheit unscharf, die Photonen haben keine unabhängige Identität.

Kann man falsche Assoziationen, wie sie durch das Bild von Teilchenkugeln entstehen, verhindern? Ich denke nicht, denn ein Bild sagt mehr als tausend Worte und es ist schwer zu kontrollieren, was das Bild dem Betrachter alles mitteilt. Man kann sie sicher abschwächen, indem man in der Bildunterschrift eindeutig angibt, dass es sich um Symbole für und nicht um Bilder von Elementarteilchen handelt. Man könnte auch versuchen auf solche Bilder zu verzichten und das nicht abbildbare einfach nicht abbilden.

Vor einiger Zeit klagte mal ein Professor, die Studenten könnten in Prüfungen nicht mehr mit Worten umgehen. Um den einfachsten Sachverhalt zu beschreiben bräuchten sie Papier und Bleistift. Brauchen wir wirklich Papier und Bleistift um Elementarteilchen zu beschreiben? Braucht man einen Film von durch einen Tunnel fliegenden Punkten um zu verstehen, was die Wissenschaftler beim CERN machen? Vielleicht können oder wollen wir einfach nicht mehr mit Worten umgehen.

Joachim Schulz

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

7 Kommentare

  1. Kugelphysik

    Schicker Beitrag!

    Da seh’nse mal: die vielgescholtene “Unschärfe” der Sprache, ihre Ambivalenzen und die “Kantenfransigkeit” ihrer kategorialen Begriffe, das “Schillern” der Worte und das “Raunen” – plötzlich braucht man’s wieder, um sich der Wirklichkeit zu nähern.

    (Hatte gerade mit Herrn Foucher in “Brainlogs” ein langes Gespräch über den Wert der Metapher in der Naturwissenschaft. Schade, das von Ihnen vorgetragene Argument wäre mir dort von Nutzen gewesen).

  2. Bilder

    “Vor einiger Zeit klagte mal ein Professor, die Studenten könnten in Prüfungen nicht mehr mit Worten umgehen. Um den einfachsten Sachverhalt zu beschreiben bräuchten sie Papier und Bleistift.”

    Vor ein paar Jahren hörte ich von Leuten, die mit Kindern zu tun haben, daß sie im visuellen Bereich sehr stark und im sprachlichen eher schwach sind. Liegt wohl an viel Fernseh- und wenig Buchkonsum, um die Phantasie anzuregen und sich eigene Bilder zu schaffen. Nun sind die Kinder groß geworden.

  3. Bild-Verstärker

    Der Trend zum Bild und zur Graphik hat sich durch den Trend zur Multimedialität verstärkt. Auch Powerpoint hat da mitgeholfen.

    Kann man wieder zurück? Also Worte anstatt Bilder benutzen? Ich zweifle daran. Es gibt aber noch die Möglichkeit mehrere Bilder für das Gleiche zu benutzen, wobei jedes Bild einen Aspekt beleuchtet. Das Problem liegt vielleicht gar nicht beim Bildlichen an und für sich sondern beim Ikonenhaften des einen und immer wieder gleichen Bildes.

    Ein Beispiel:
    In letzter Zeit sieht man oft Erddarstellungen, in denen die Flächen der Länder eine statistische Eigenschaft repräsentieren, beispielsweise das BIP oder das durchschnittliche Lebensalter, was dann in stark verzerrten, aber aussagekräftigen Karten resultiert.

  4. Wissend falsch

    Ich gestehe, ich stelle mir Photonen noch immer als kurze Wellenzüge vor. Manchmal auch als wellenförmig durch’s All hüpfende Kügelchen. Ich weiß, dass beides falsch ist. Aber mein Hirn verlangt nach einem Bild, es geht nicht anders. Ich gebe ihm diese beiden mit dem Hinweis: Aber denk dran, ist falsch, gell? Und das Hirn sagt: Jaja, schon klar.

    So verstehen wir drei uns ganz gut, mein Hirn, die Photonen und ich.

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