Warum Materie hart ist

Quantenwelt

Was ist Materie? Diesen Titel schlug Michael Blume vor, als ich auf Facebook fragte, was sich meine Lesenden als Blog-Thema wünschen würden. Was-ist-Fragen sind für mich als Physiker immer etwas schwierig, ich habe mir also einen Aspekt herausgesucht, zu dem die Physik was zu sagen hat: Warum ist Materie hart?

Wir kennen Materie in drei Aggregatzuständen: Fest, flüssig und gasförmig1. Eine wesentliche Eigenschaft von Materie ist, dass sie Raum einnimmt. Wo Luft ist, kann kein Wasser sein. Wo ein fester Körper ins Wasser fällt, verdrängt er dieses. Das Verhältnis von Masse des Körpers zur Masse des verdrängten Fluids bestimmt dann, ob der Körper aufschwimmt oder untergeht.2

Nun ist aus der Atomphysik3 genau das Gegenteil bekannt. Materie, so lernen wir dort, besteht zum überwiegenden Teil aus nichts. Ein Atom hat einen Durchmesser im Bereich einiger Ångström4. Der Atomkern, in dem fast die gesamte Masse steckt, ist nur wenige Femtometer groß. Das ist nur ein Zehntausendstel des Atomdurchmessers. Und die Elektronen, die um den Kern herumflitzen, haben gar keine messbare Ausdehnung. Wie soll solch ein luftiges Objekt etwas verdrängen? Warum fällt meine Kaffeetasse nicht einfach durch die Tischplatte?

Die Experimentelle Grundlage für das Bild vom fast leeren Atom bilden Ernest Rutherfords Streuversuche. Rutherford habe ich in meinem Artikel zu Marie Curie schon erwähnt. Er zeigte erstmals, worum es sich bei der als Alphastrahlung bekannten radioaktiven Strahlung handelt. Sie besteht aus Kernen von Helium-Atomen. Das zeigte er, indem er ein radioaktives Präparat durch ein dünnes Metallfenster in ein Entladungsrohr strahlen ließ und spektroskopisch nachwies, dass sich dort Helium ansammelte.

Reine Heliumkerne ohne Elektronen können also ein dünnes  Metallfenster durchqueren, nehmen dann in dem Glasrohr Elektronen auf und können als vollständige Heliumatome nicht mehr zurück5. Für die Undurchlässigkeit von Materie sind also nicht die Kerne zuständig, sondern die Elektronen. Kerne ohne Elektronen fliegen durch Materie hindurch, Kerne mit Elektronenhülle werden aufgehalten.

Im klassischen Teilchenbild ist das völlig unverständlich. Es kann nicht an der Größe der Elektronen liegen, denn die sind unmessbar klein, während Kerndurchmesser im Femtometer-Bereich liegen. Es kann nicht an elektromagnetischer Abstoßung liegen, denn die Ladung der Kerne ist sogar größer als die der Elektronen. Außerdem ziehen vollständige Atome einander eher an, als dass ihre Ladung abstoßend wirken würde. Das Bild, nach dem im Atom größtenteils Vakuum herrscht und nur vereinzelt Elektronen um einen winzigen Kern flitzen, taugt also zum Verständnis harter Materie nicht.

Wir sollten uns Atome nicht als größtenteils leeren Raum vorstellen. Wellenfunktionen stellen wir uns besser als Verteilungswolken vor: Das Elektron ist nicht irgendwo in der Wellenfunktion, sein Aufenthaltsort wird vollständig durch die Wellenfunktion beschrieben. Damit sind Atome keine Planetensysteme. Eher sowas wie Gummibälle. Ihre Elektonenverteilung lässt sich durch Atomorbitale beschreiben. Diese sind im unbeeinflussten Zustand kugelförmig und können mit mehr oder weniger Kraft verformt werden.

Schon durch ein relativ schwaches Magnetfeld, zum Beispiel das der Erde, können Keulen- und Donut-förmige Orbitale stabilisiert werden. Unter dem Einfluss benachbarter Atome kann die Elektronenhülle eines Atoms weitgehend verformt werden, so dass komplizierte Bindungsmuster und Kristallstrukturen möglich werden. Diese Verformungen ändern aber am Volumen von Atomen nur wenig. Um ein Atom zu verkleinern oder mehr Elektronen in denselben Raumbereich zu bringen, ist einiges an Kraft nötig. Es braucht Energie, um den Platzbedarf einer Elektronenwolke zu reduzieren6.

Elektronen nehmen also Raum ein. Das scheint mit der klassischen Beobachtung in Einklang zu stehen. Aber warum können die oben erwähnten Alphastrahlen durch die Metallfolie ungehindert hindurchgehen als gäbe es dort nur die winzigen Atomkerne? Unsere Alltagsbeobachtung, dass keine zwei Materieteilchen am selben Ort sein können, ist falsch. Atomkerne können sehr wohl in einem Raumbereich sein, in dem sich schon Elektronen befinden. Der Ausschluss bezieht sich in der Quantenwelt nur auf gleichartige Teilchen. Nur Elektronen sind ein Hindernis für Elektronen.

Aber auch schnelle Elektronen gehen ungehindert durch Elektronenwolken hindurch, denn der Ausschluss bezieht sich in der Quantenwelt nicht auf den Raum allein. Er bezieht sich auf den Phasenraum, einen sechsdimensionalen Raum, der aus Ort und Geschwindigkeit gebildet wird. Zwei Elektronen, so sagt das Pauliprinzip, dürfen sich nie zugleich im selben Phasenraum-Zustand befinden. Wenn sie sich genügend in Ort oder Geschwindigkeit unterscheiden, ist alles OK. Auch wenn sie sich in ihrer weiteren Quanteneigenschaft, dem Spin, unterscheiden, können sie sich Ort und Geschwindigkeit teilen. Aber denselben Zustand nehmen zwei Elektronen niemals ein.

Gegenstände fester Materie können einander deshalb nicht durchdringen, weil der größte Teil ihres Volumens von Wolken langsamer Elektronen ausgefüllt ist. Diese Elektronenwolken sind hart. Jedenfalls für gleichartige Elektronenwolken.

Anmerkungen:
1. Das Plasma lasse ich aus verschiedenen Gründen weg. Einer davon ist, dass es im Alltag selten vorkommt. Dass wir es aus eigener Anschauung gar nicht so gut kennen.
2. Ein Fluid kann auch ein Gas sein, so dass wir Luftschiffe gleich mit abgefrühstückt haben.
3. auch Quantenmechanik genannt
4. Ein Ångström sind 10-10 Meter, also ein Zehnmilliardstel Meter.
5. Tatsächlich diffundiert auch ein bisschen atomares Helium durch das Fenster zurück und einige Heliumkerne werden vom Fenster aufgehalten. Dennoch ist das Fenster für reine Kerne viel durchlässiger als für ganze Atome.
6. Mit Quantenmechanik Vertraute können sich das durch den Wellencharakter der Elektronen erklären: Um ein kompaktes Wellenpaket zu schnüren sind kurze Wellenlängen nötig, die für hohe Energie stehen.
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".

39 Kommentare

  1. “kann nicht an elektromagnetischer Abstoßung liegen, …”
    Wo die Pünktchen, ist es für mich iwie mißverständlich.

  2. Sehr klar formuliert. Aber als Leser glaubt man nicht so recht an alle Schlussfolgerungen, die sich ergeben:
    Aussage: “Aber auch schnelle Elektronen gehen ungehindert durch Elektronenwolken hindurch,..”
    Folgerung:
    Wenn ein schneller Elektronenstrahl eine Elektronenwolke durchdrigen kann, müssen dann mit dem gleichen Argument nicht auch sehr schnelle Atome durch ruhende Atome hindurchfliegen können zumal die Kerne normalerweise gut aneinander vorbeifliegen? Kann also ein sehr schneller Strahl von neutralen Atomen durch eine Metallfolie hindurchfliegen ohne sie zu “spüren”.
    Aussage:“Schon durch ein relativ schwaches Magnetfeld, zum Beispiel das der Erde, können Keulen- und Donut-förmige Orbitale stabilisiert werden. “
    Folgerung:Neutrale Atome im Magnetfeld unterscheiden sich von Atomen ohne Magnetfeld bezüglich ihrer Elektronenorbitale. Hier stelt ich die Frage ob dieser Einfluss auf die Elektronenorbitale quantisiert oder kontinuierlich ist (das fällt wohl unter den Zeeman-Effekt)

    Wenn Elektronenorbitale Sensibelchen sind und auf alles mögliche reagieren, könnte man sich fragen ob sie auch auf Gravitationspotenziale reagieren?

    • Was ist Materie?‘Materie’ ist die Theoretisierung (“Sichtenbildung”) eines “Mutterstoffs” oder des Mütterlichen eines Systems durch ein Erkenntnissubjekt.

      • Materie ist dazu da, Gegenstand der Erkenntnis zu sein. Ohne Materie oder auch ohne Sprache (Insofern ist Sprache vom Menschen geschaffene Materie, oder: Information) gäbe es leider keine Erkenntnis.

        • ‘Materie’ ist ein Gegenstand der Erkenntnis.

          Weil’s weiter oben vermopst war, noch einmal:

          Was ist Materie?‘Materie’ ist die Theoretisierung (“Sichtenbildung”) eines “Mutterstoffs” oder des Mütterlichen eines Systems durch ein Erkenntnissubjekt.

          Die Mütterlichkeit meint hier die Herkunft oder Abstammung einer theoretischen Entität, also oft nicht Biologisches.

          Die Erkenntnis benötigt eine Art von Sprache, korrekt. Die Information wird beim Erstellenden oder Sendenden in Sprache kodiert und beim Empfangenden abstrahiert.

          Wobei diese kleinen Anmerkungen hoffentlich nicht irritieren, “Materie ist hart” war schon cool formuliert, so weit dies der Schreiber dieser Zeilen beurteilen kann.

          MFG
          Dr. W

          • v2:
            ‘Materie’ ist ein Gegenstand der Erkenntnis.

            Weil’s weiter oben vermopst war, noch einmal:

            Was ist Materie?

            ‘Materie’ ist die Theoretisierung (“Sichtenbildung”) eines “Mutterstoffs” oder des Mütterlichen eines Systems durch ein Erkenntnissubjekt.

            Die Mütterlichkeit meint hier die Herkunft oder Abstammung einer theoretischen Entität, also oft nicht Biologisches.

            Die Erkenntnis benötigt eine Art von Sprache, korrekt. Die Information wird beim Erstellenden oder Sendenden in Sprache kodiert und beim Empfangenden abstrahiert.

            Wobei diese kleinen Anmerkungen hoffentlich nicht irritieren, “Materie ist hart” war schon cool formuliert, so weit dies der Schreiber dieser Zeilen beurteilen kann.

            MFG
            Dr. W

          • Man könnte sagen wo Information kodiert ist, da ist auch (zumindest die Möglichkeit der) Erkenntnis. Je mehr Information zusammengeballt ist (oder je präziser die Sprache) desto “höher” ist die (Möglichkeit) zur Erkenntnis. Ich hab mal ein Video gesehen, in dem es um eine “Komplexitätstheorie” ging. Es wurde gesagt, dass es sogar Leute gibt die denken, dass Planeten ein Bewusstsein haben. Ich glaube das ist der Grund, warum man sowas denken könnte.

          • Hier ging’s doch um “harte Materie”, nicht um
            zu viel Flüssigkeit schon am frühen Morgen 😉

        • Sprache ist Erkenntnis. Über die Methode zur diesbezüglichen Gewinnung gilt es dann zu streiten [1], der Schreiber dieser Zeilen ist der modernen skeptizistischen Wissenschaftlichkeit verpflichtet und sieht sich in guter Umgebung.
          Die Sprachlichkeit selbst kann keine höherwertige Erkenntnis generieren.
          Differenziert sie im o.g. Sinne, liegt (hoffentlich) die o.g. Methode zugrunde.


          “Gaia”-Theorien oder -Hypothesen entziehen sich idR dem anthropozentrischen Bemühen um Erkenntnis, sind physiozentrisch motiviert und naturgemäß esoterisch. – Können aber “irgendwie” stimmen.

          MFG
          Dr. W (der sich nun ausklinkt, der sich noch einmal erlaubt einen coolen Artikel festzustellen)

          [1] streng genommen: eigentlich nicht

          • Hm ja, diese Theorien sind auf jeden Fall “irgendwie” interessant.

            Das ist doch das Lustige daran: um etwas zu verstehen muss man auch zwangsläufig dessen Gegenteil betrachten. Um also Materie wirklich zu “verstehen”, muss man auch mit überlegen was das Immaterielle ist.

            Und nicht nur, dass man das Gegenteil als solches betrachtet und feststellt, vielmehr gibt es meistens sogar eine Beziehung zwischen dem Ding und seinem Gegenteil. Philosophisch könnte man sagen, dass das Ding und sein Gegenteil eine “ideelle Quasi-Ursache, welche nicht mehr kausal ist”[1] verbindet. Diese Verbindung zu verstehen ist ein echter Mehrwert der Erkenntnis.

            [1] Deleuze, 24. Serie der Paradoxa – Von der Kommunikation der Ereignisse

            (Sie meint ferner ( ;-)), dass Sprache als solche eigentlich nur Ausdruck ist. Wenn Sprache Ausdruck und gleichzeitig Erkenntnis wäre, bräuchte man eben dieses anthropozentrische Bemühen um Erkenntnis nicht mehr – folglich hätte tatsächlich jeder Planet ein Bewusstsein?)

      • Mateirelle Objekte besitzen eine Energie und einen Impuls und können sich ändern. Dies zur Frage Was ist Materie?, die übrigens sehr gut von Josef Honerkamp in Wandlungen des Materiebegriffs abgehandelt wird oder aber im Buch von Bunge und Mahner Über die Natur der Dinge
        Ursprünglich verstand man unter Materie im physikalischen Sinn massebehaftete Dinge. So wird es auch in der Wikipedia noch definiert. Doch viele Eigenschaften, die Masse hat, haben auch masselose Objekte wie Photonen. So spüren Photonen die Gravitation und sie üben sogar selbst gravitationelle Kräfte aus.Das ist der Grund, dass Herr Honerkamp sowie Bunge und Mahner den Materiebegriff erweitert haben. Vor allem ist dieser erweiterte Materiebegriff sehr nützlich um den ontologischen Materialismus zu begründen. Dieser besagt nämlich, dass alle realen Dinge materiell sind.

        • Mateirelle Objekte besitzen eine Energie und einen Impuls und können sich ändern.

          Vermutlich war Herr Dr. Blume mit seiner Anregung eher an der physikalischen Sicht auf die Materie interessiert und nicht an der philosophischen, korrekt. – Vermutlich spielt der Materie-Begriff keine besondere Rolle mehr in der Physiklehre, sofern der Schreiber dieser Zeilen dem Subtext des Artikels korrekt folgen konnte, natürlich nur.

          • Der ontologische Materialismus Bunges und Mahners wendet sich eben gerade gegen einen Dualismus wie er im Fragment “eher an der physikalischen Sicht auf die Materie interessiert und nicht an der philosophischen” zum Ausdruck kommt. Die physikalische Sicht sollte eben auch die philosophische Sicht sein mit der Konsequenz, dass es nichts gibt, was keine materiellen Grundlagen hat. So gibt es keine Zahl Pi ohne einen Mathematiker, der diese Zahl erfunden/gefunden hat und uns andere gelehrt hat wie man mit dieser Zahl umgeht. Und weil ein Mathematiker immer ein Mensch oder eine Maschine ist und dieser Mensch oder diese Maschine aus Materie besteht, finden wir bei allem was es real gibt, materielle Grundlagen. Selbst Fiktionen existieren nicht für sich selbst sondern nur im und durch das Hirn eines Menschen.

          • Es ist der Informationsgehalt der Zahl Pi, das, was diese Zahl an Relation ausdrückt. Die Information besteht unabhängig von denjenigen, die sie Interpretieren um mit ihr zB. etwas zu berechnen. Auch wenn es keine Menschen mehr gibt, wird es trotzdem noch Kreise geben und damit die Information “Pi”. Aber ich möchte die Diskussion auch nicht in eine falsche Richtung lenken, sondern nur kurz an einer Stelle ergänzen.

          • @jade: Nein, Kreise sind mathematische Konstrukte. Die gibt es in der Natur nicht. Dessen waren sich schon die Alten Griechen bewusst, dass Dinge wie Kreise oder Linien Abstraktionen sind – und Euklid hat ja bereits Axiomensysteme für geometrische Sachverhalte aufgestellt.
            Sie sind aber nicht allein. Auch Michael Blume hat schon öfters gezeigt, dass er an die Existenz von Zahlen und anderen mathematischen Objekten in gleicher Weise wie bei Atomen glaubt.
            Der Grieche Platon glaubte aber trotz seines Wissens um die Abstraktion von mathematischen Objekten (er verlangte ja sogar ein Geometriestudium von seinen Philosophieaspiranten) an die Realität dieser Objekte, weil er das Abstrakte, die Idee, für das Wirkliche hielt und das Konkrete für ihn nur ein schwacher Abglanz des Wirklichen war.

          • Ein paar morgendliche Anmerkungen, Herr Holzherr:

            Nein, Kreise sind mathematische Konstrukte. Die gibt es in der Natur nicht.

            Aus Sicht des Konstruktivisten gibt es “Es gibt” nur in der Theoretisierung der Erkenntnissubjekte. – Realisten, gerne in der Form von Szientisten, werden dagegen Stein und Bein schwören, dass die Mathematik/Philosophie der Primaten bereits in der Natur und sozusagen vorab existiert. – Bliebe noch die Feststellung, dass “der Kreis” in der Natur als Möglichkeit existiert; allerdings ist nicht klar, was damit genau ausgesagt ist.

            Auch Michael Blume hat schon öfters gezeigt, dass er an die Existenz von Zahlen und anderen mathematischen Objekten in gleicher Weise wie bei Atomen glaubt.

            Das wäre aber schlecht, denn die Erkenntnissubjekte schaffen eigene mathematische/philosophische Welten, in denen nicht geglaubt werden muss, “wg. Logik”.

            MFG
            Dr. W (der hier mit der Zwei- oder N-teilung (“Dualismus” in Ihren Worten) bisher keine Probleme hatte)

          • Da muss ich dem Schreiber jener Zeilen recht geben. Mit der Ontologie ist es nicht so einfach, und ob Mathematiker Entdecker existierender Zusammenhänge oder Konstrukteure von Abstraktionen sind, ist eine Frage der Weltanschauung und experimentell nicht lösbar.
            Das ist der Grund, warum ich in eher experimentellen Artikeln immer versuche, ontologisch neutral zu formulieren. Ob es Wellenfunktionen wirklich gibt, ist für die hiesigen Betrachtungen unerheblich. Aber eine Meinung habe ich natürlich dazu und ganz uninteressant ist die Frage nicht.

          • Angeblich steckt die Zahl Pi in den Mäandern großer Flüsse, hab ich grad gelesen, aber das wird sicherlich irgendwie erklärbar sein.

            Philip K. Dick hat mal gesagt “Materie ist Plastik im Angesicht des Geistes” [1] Aber lehnt er deshalb die Welt ab? Vielleicht will er auch einfach jenen klar machen, dass die Welt nicht das ist was sie scheint, die sich gerade nichtsahnend mit ihrem Weltbild abgefunden haben. Diejenigen, die eine Runde in der Welt da draußen gedreht haben und denken “ok, das reicht für mich, ich bin glücklich so wie meine Welt ist.” Er lässt die Wirklichkeit bröckeln um die Leute dazu zu bewegen dahinter nach der Wahrheit zu suchen. In diesem Sinne einer großartiger “Philosoph”. Aber vielleicht ist er trotz alledem ein Realist? Sind nicht alle Philosophen Realisten, weil sie nach der einen Wahrheit suchen?

            [1] in: Valis

        • @Dr.Webbaer & Joachim Schulz
          Zitat: “Aus Sicht des Konstruktivisten gibt es “Es gibt” nur in der Theoretisierung der Erkenntnissubjekte”
          Idealisten und Konstruktivisten glauben gern die Welt entstehe erst im Kopf (oben Theoretisierung genannt), wobei philosophische Idealisten noch davon ausgehen, (Zitat Wikipedia) ” daß die Wirklichkeit in radikaler Weise durch Erkenntnis und Denken bestimmt ist” während Konstruktisten so etwas wie eine Wirklichkeit überhaupt in Zweifel ziehen.
          Der ontologische Materialismus – der so alt ist wie die Menschheit selbst – ist dagegen insoweit ein Realismus, als dass er nicht das Denken ins Zentrum stellt sondern die Realität der Dinge. Ein ontologischer Materialist glaubt also, dass die Sonnenstrahlen, die gerade seine Haut wärmen, wirklich exisiteren und man dieser Erfahrung mehr trauen kann als seinem eigenen Denken. Er glaubt sogar, dass es ohne die Welt solcher Dinge wie der Sonne, der Erde und alles was darauf kreucht und fleucht überhaupt nichts gäbe, auch kein Denken und keine Erkenntnisse.
          @Joachim Schulz: Physiker und viele Naturwissenschaftler versuchen oft – wie das Herr Honerkamp in seinen Beiträgen auch erwähnt hat – ohne jede Philosophie auszukommen und praktisch neutral zu bleiben: So kann man sich solche Sätze erklären wie: “Mit der Ontologie ist es nicht so einfach, und ob Mathematiker Entdecker existierender Zusammenhänge oder Konstrukteure von Abstraktionen sind, ist eine Frage der Weltanschauung und experimentell nicht lösbar.”

          Die obige Feststellung, dass sich Aussagen über mathematische Objekte dem experimentellen Zugang verschliessen ist einfach eine Ausflucht. Entscheidend ist, dass mathematische Objekte sicher keine physikalischen Objekte sind. Und dass Mathematik egal ob sie entdeckt oder konstruiert immer eines Mathematikers bedarfs. Und der Mathematiker ist ein physikalisches System. So gesehen gibt es Mathematik nicht für sich selbst.

          • Idealisten und Konstruktivisten glauben gern die Welt entstehe erst im Kopf (oben Theoretisierung genannt), wobei philosophische Idealisten noch davon ausgehen, (Zitat Wikipedia) ” daß die Wirklichkeit in radikaler Weise durch Erkenntnis und Denken bestimmt ist” während Konstrukti[vi]sten so etwas wie eine Wirklichkeit überhaupt in Zweifel ziehen.

            Der Konstruktivist hat keine Probleme mit der Welt, in der Erkenntnissubjekte biologisch existieren, aber deren Wesen zu erkennen überlässt er der Theoretisierung (“Sichtenbildung”), gerne auch im sozialen Verbund.
            Es ist nicht so, wie bspw. von Philip K. Dick zu Literatur gebracht, dass die Welt als Ganzes abgelehnt wird.
            BTW, die Wirklichkeit ist das, was wirkt, sie spielt philosophisch international keine Rolle, sie ist sozusagen eine Spezifität Ds, Meister Eckhart und so, es ist aus Sicht des Konstruktivisten nicht sinnvoll zwischen der Welt und einer besonderen Schicht, die ‘Wirklichkeit’ genannt wird, auch nicht stabil ist, sondern sich am Fortkommen der Erkenntnissubjekte orientiert, zu unterscheiden.

          • Ergänzung zu obigem (aus der Wikipedia):“Im engeren Sinn wird als Vertreter eines Idealismus bezeichnet, wer annimmt, dass die physikalische Welt nur als Objekt für das Bewusstsein oder im Bewusstsein existiert oder in sich selbst geistig beschaffen ist”

            Meiner Ansicht nach, kann ein Physiker und überhaupt ein Naturwissenschaftler kein philosophischer Idealist sein, denn welcher Physiker würde sagen: “Ich beschäftige mich mit dem Teil meines Bewusstseins, welches die physikalische Realität konstruiert.”
            Typischerweise glaubt ein Physiker, er beschäftige sich direkt mit der Realität und die Realität sei nicht identisch mit einem Teil seines Bewusstseins.

        • @Dr. Webbaer, 14. April 2014 6:52
          Idealisten und Konstruktivisten befinden sich meist im Lager der Naturalismus-Ablehner. Sie glauben also nicht, dass die Welt wie wir sie kennen nur durch Wirken der Naturgesetze entstehen kann.
          Meiner Meinung nach hat dieses Skepsis gegenüber den Naturgesetzten folgenden Grund:
          Viele Idealisten/Konstruktivisten haben einfach ein zu simples Bild von der Natur. Sie operieren noch mit den Vorstellungen Descartes, einem Reduktionismus, wo sich Zahnrädchen in Lebewesen drehen und sie damit am Leben erhalten. Es ist eine simplizistsiche, mechanistische Sicht, die sie den Naturalismus ablehnen lässt, denn sie glauben zurecht ihr Denken sei mehr als das Drehen von ein paar Zahnrädchen.
          Dies zum Zitat von Dr. Webbäer:” Realisten, gerne in der Form von Szientisten, werden dagegen Stein und Bein schwören, dass die Mathematik/Philosophie der Primaten bereits in der Natur und sozusagen vorab existiert. “

          Daraus spricht genau diese simplizistische Auffassung und die Annahme: “Wenn wir heute Mathematik und Philosophie betreiben dann muss es diese bereits in der Natur geben, denn aus nichts wird nichts und wenn es Mathematik nicht schon immer gegeben hat, kann sie nicht entsehen.”

          Ich sehe das hingegen so: Das ist das eigentliche Geheimnis der Natur: Obwohl die Naturgesetze simpel und “mechanisch” erscheinen, ermöglichen sie äusserst komplexe Phänomene und Gebilde, die man den Naturgesetzen nicht ohne weiteres ansieht.
          Sogar die hier von Joachim Schulz vorgestellten Elektronenorbitale sind schon kleine Wunder und übersteigen das, was durch simple Akkumulation (lineare Prozesses) entstehen kann bei weitem. Und dies obwohl sie nichts anderem als Naturgesetzen folgen. Schon Elektronenorbitale sind also Zeugen von dem, was man Emergenz nennt.

          • Idealisten und Konstruktivisten befinden sich meist im Lager der Naturalismus-Ablehner. Sie glauben also nicht, dass die Welt wie wir sie kennen nur durch Wirken der Naturgesetze entstehen kann.

            Grg.

            MFG
            Dr. W (der seinen Einstieg bei den Scilogs.de über einen Artikel von Joachim Schulz zum Konstruktivismus [1] gefunden hat (neben dem “Blumologischen”))

            [1] vielleicht war es dieser Satz: ‘Wenn jemand, wie in meinem Viele-Welten-Artikel geschehen, Metaphysik vollständig ablehnt, dann empfehle ich den Konstruktivismus als Alternative.’

        • @Dr. Webbaer 14. April 2014 10:15
          Joachim Schulz hat wohl nur einen Aspket des Konstruktivismus betrachtet als er schrieb: ‘Wenn jemand, wie in meinem Viele-Welten-Artikel geschehen, Metaphysik vollständig ablehnt, dann empfehle ich den Konstruktivismus als Alternative.’

          Hier ein Ausschnitt aus einem typischen Konstruktivistentext, der zeigt was Konstruktivisten mit Konstruktion verstehen, letztlich nämlich, dass der Mensch sich alles so zusammenkonstruiert wie er es haben möchte:

          Wir sind zwar, um mit Nelson Goodman zu sprechen (1984), in der Lage, verschiedene Weisen der Welterzeugung zu konstruieren, also z.B. die Newton’sche Realität der mechanischen Bewegungen oder die Einstein’sche Welt der relativen Bewegungen usw., wobei wir verschiedene Versionen von Welt erzeugen, die jeweils unterschiedlich zu unseren Bedürfnissen passen.
          Wir müssen offensichtlich zugleich zugestehen, dass nicht immer alles passt. Es erscheint öfter als genug etwas aus der Realität, was wir zunächst nicht konstruiert haben – z.B. Naturkatastrophen, ungeahnte Folgen unserer Experimente und Techniken, etwas nicht Vorhergesehenes usw . -, das also außerhalb unserer konstruktiven Mächtigkeit steht und erst im Nachhinein von uns symbolisch bearbeitet und damit in Vorhersehbares verwandelt werden kann .

          Es läuft letztlich auf folgendes heraus: Ich mach mir die Welt wie sie mir gefällt.

          • @ Herr Holzherr :

            Es läuft letztlich auf folgendes heraus: Ich mach mir die Welt wie sie mir gefällt.

            Das wäre die neomarxistische Sichtweise, die im Geisteswissenschaftlichem aus hier nicht klar erkannten [1] Gründen stattfindet, die aber im Bereich der Naturwissenschaft nicht funktioniert.

            MFG
            Dr. W

            [1] und der Schreiber dieser Zeilen beobachtet hier schon recht lange

        • @jade: In den Mäandern grosser Flüsse steckt noch viel mehr als die Zahl Pi, aber nur für den, der überhaupt eine Frage an die Mäander grosser Flüsse stellt.

          Genau so enthält die Wellenfunktion von Quantenobjekten eine Vielzahl von sich überlagernden und sich zeitlich entwickelnden Grössen. Doch erst wenn man eine Frage an die Wellenfunktion stellt, wenn man ein Experiment durchführt, wird etwas davon spürbare Realität. Gleichzeitig “löscht” die Beantwortung der Frage andere Möglichkeiten. Wer weiss, vielleicht lehrt uns die Wellenfunktion etwas über den Unterschied zwischen Glauben und Wissen, zwischen Potenz und Fakt. Vielleicht ist auch der Quantum Bayesianism-Ansatz nicht völlig falsch. Bei diesem Ansatz beschreibt die Wellenfunktion keine Realität sondern nur (subjektive) Annahmen über die Realität. Allerdings kann der Quanten Bayesianismus meiner Ansicht nur dann richtig sein, wenn es auch in subjektiven Annahmen etwas “Objektives” gibt.

          • Verstehe, also wenn man es so betrachtet und wirklich strikt trennt, dann findet man in der materiellen Welt in der Tat keine Fragen, sondern nur Antworten.

            Allerdings muss man dann so strikt trennen, das auch jeglicher (zeitlicher) Moment aus der materiellen Welt verschwindet, was zu Folge hätte, dass wir physikalische Größen wie z.B. eine Beschleunigung nicht berechnen könnten. Oder auch Wellen.

  3. So ist es. Wenn Sie diesen Artikel genau lesen, liegt der Schwerpunkt (so war es jedenfalls vorgesehen) nicht darin, den Begriff “Materie” zu erläutern, sondern eine bestimmte Eigenschaft, die oft mit Materie verbunden wird, in der Quantenwelt aufzuspüren. Dabei war meine Fragestellung keine ontologische. Es ist mir in diesem Zusammenhang egal, ob es die Orbitale und die Wellenfunktion wirklich gibt. Es geht um die experimentellen Grundlagen aufgrund derer wir wissen können, was für die Festigkeit der Materie verantwortlich ist. Nämlich die räumliche Verteilung der Elektronen und ihre Eigenschaft, niemals denselben Quantenzustand mit anderen Elektronen zu teilen.

    Tatsächlich würde ich auch von relativistisch schnellen neutralen Atomen erwarten, dass sie mit großer Wahrscheinlichkeit unbeschadet durch Materie hindurchgehen. Allerdings ist es schwer, neutrale Atome so stark zu beschleunigen.

    @Martin Holzherr: “Wenn Elektronenorbitale Sensibelchen sind und auf alles mögliche reagieren, könnte man sich fragen ob sie auch auf Gravitationspotenziale reagieren?”

    Das dürfte experimentell schwer nachzuprüfen sein. Die Gravitation ist viel schächer als die elektromagnetische Kraft und wirkt auf Protonen und Elektronen im gleichen Maße. Präpariert man also Atome ohne äußeres elektromagnetisches Feld, so befinden sie sich im freien Fall und die Schwerkraft bewirkt nur eine Beschleunigung des Gesamtsystems und keine Verformung der Orbitale. Das wäre nur in einem stark inhomogenen Gravitationsfeld zu erwarten.

    • Eine Reise mit fast Lichtgeschwindigeit zu einem anderen Sternsystem wäre also gar nicht so gefährlich, denn im interstelleren Raum umherschwirrende Staubteilchen würden glatt durch das Raumschiff “hindurchtunneln”.
      Das muss man wohl aus der Aussage “Tatsächlich würde ich auch von relativistisch schnellen neutralen Atomen erwarten, dass sie mit großer Wahrscheinlichkeit unbeschadet durch Materie hindurchgehen.” herauslesen.

      • Haben Sie meine fünfte Fußnote gelesen? Für Alpha-Strahlung gilt, dass sie mit großer Wahrscheinlichkeit das Atom durchquert ohne Schaden zuzufügen. Dennoch hat Alphastrahlung die größte biologische Wirksamkeit von allen Strahungsarten, weil die besonders großen Schaden anrichtet, wenn sie mal an einem Atomkern streut. Sie dürfen auch nicht ignorieren, dass gewöhnliche Materie aus sehr, sehr vielen Atomen besteht. Da summieren sich auch kleine Wahrscheinlichkeiten schnell auf.

        Eine Gefahr bei Reisen nahe der Lichtgeschwindigkeit ist übrigens, dass die kosmische Hintergrundstrahlung bei hohem relativistischen Faktor irgendwann zu Röntgen, später zu Gammastrahlung wird. Auch davon geht das meiste hindurch, was aber hängen bleibt, richtet großen Schaden an.

        • Zugegeben, dass etwas, was an Atomkernen vorbeiflitzt, nicht sehr weit kommt ( auch wenn es eine dünne Metallfolie noch durchqueren kann ) habe ich mir schon gedacht.
          Danke noch für den Hinweis, dass ein nahezu lichtschnell Reisender alle elektromagnetischen Strahlungen in den Hochenergiebereich verschoben wahrnimmt. Hab das in keimem Science Fiction Roman erwähnt gefunden.

    • Man kann Ionen relativ gut beschleunigen, das sind zwar keine neutralen Teilchen, aber bei hinreichend hoher kinetischer Energie macht das bisschen Ladung auch keinen Unterschied mehr.

      Beschleunigt man ionisierte Molekuele auf einzelne MeV und schiesst sie auf eine hinreichend duenne Folie, bleiben Elektronen uebrigens bevorzugt stecken, d.h., das Molekuel wird durch den Aufprall stark ionisiert und faellt anschliessend auseinander (Referenz habe ich gerade nicht im Kopf, war irgendein juengerer PRL). Etwas Aehnliches wuerde ich auch fuer Atome erwarten: die Valenzelektronen werden ionisiert, bis nur noch der “kleine” Atomrumpf mit fest gebundenen Elektronen uebrigbleibt, und der durchdringt dann aehnlich einem Alphateilchen einfach den Festkoerper. Das hat allerdings wenig mit Tunneln zu tun, der Vergleich zwischen einer fallengelassenen Feder und einer Stahlkugel trifft es eher.

      • Nee, mit Tunneln hat es natürlich nichts zu tun. Aber damit, dass wir bei schnellen Atomen tatsächlich von Streuung kleiner (Punkt-)Teilchen an anderen (Punkt-)Teilchen ausgehen können, während sich die Atome beim langsamen Aufprall eher wie relativ starre Bälle verhalten, die auf der Oberfläche landen und dort mit dem Raster-Tunnelmikroskop sogar direkt beobachtet werden können.

  4. Sehr schöner Artikel, lieben Dank! Den werde ich mir in Ruhe mehrmals durchlesen…

    Natürlich wäre metaphysisch die Ontologie sehr spannend, aber das ist ja eben auch das Problem: Bei diesen Fragen gehen Physik und Metaphysik erkennbar ineinander über. Reflektierte Zurückhaltung ist da sicher nicht die schlechteste Haltung.

    Dir ein schönes Wochenende!

    • Ich bin ja auch Ontologie und Metaphysik nicht grundsätzlich abgeneigt. Mit meiner Auffassung, die Wellenfunktion nicht als mathematische Wahrscheinlichkeit sondern als Eigenschaft des Elektrons zu sehen, lehne ich mich in diesem Bereich durchaus ein Stück aus dem Fenster. Allerdings ist es mir auch wichtig, die experimentellen Grundlagen dieser Deutung herauszustellen.

  5. >Er bezieht sich auf den Phasenraum, einen sechsdimensionalen Raum, der aus Ort und Geschwindigkeit gebildet wird.<
    Heißt das, dass die Physik tatsächlich eine klare Vorstellung von der vierte, fünften und sechsten Dimension hat?
    Sehr interessanter Artikel!

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