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Proseminar „Copernicanische Wende“              2 Atomismen
Atomismus und Fernwirkung                        2.1 Vorsokratisches Griechenland
 Johannes Hielscher, 25. Januar 2012, 2559       Alt-Ionischer Kosmos-Begriff Der Aufbruch vom Mythos zum Logos im
                                                 7./6. Jh. in Kleinasien (Thales et al) gilt als gemeinsamer Beginn der abendländi-
                                                 schen Tradition von Philosophie und Wissenschaft. Die Natuphilosophen begin-
1 Was heißt „copernicanisch“?                    nen, sich über die Gründe für Existenz und Vorgänge in der Natur Gedanken zu
                                                 machen, statt sie auf Götter zu schieben.
                                                    Sie nutzen den Begrif Kosmos κ´σ ος nicht mehr nur für „Ordnung und Schön-
                                                                                     ο
                                                 heit einzelner Dinge, sondern auf die Welt im Ganzen“.
                                                    Als Antriebs- und Grundstoff für alle Vorgänge, insbesondere Leben, vermuten
                                                 sie eine – durchaus stofflich-reale – Sonderrolle eines „Elements“: Thales (Wasser),
                                                 Anaximenes (Luft); Anaximander abstrahiert mit dem „Apeiron“ das Weltmedium auf
                                                 Spannungsverhältnisse (warm-kalt, trocken-feucht).
                                                    Heraklit postuliert das Logos als Grund für Existenz und Ordnung, und nur als
                                                 Metapher dafür das Feuer.
                                                    Stets bleibt die philosophische Motivation dominierend, einen Grund für die Be-
                                                 lebtheit und Ordnung der Welt zu begründen. In der Sichtweise auf die Natur als
                                                 realer Gegenstand konkreter Betrachtungen nehmen sie aber viele Gesichtspunk-
                                                 te der Naturwissenschaft voraus.


                                                 Parmenides löst das Logos aus seiner Rolle als Gerüst des Kosmos und belegt es
                                                 mit der Bedeutung des „Logischen“, der Vernunft. Er erklärt totale Abwesenheit
                                                 als unvorstellbar, unvernünftig und nicht existent.
                                                    Mit seinen Warnungen vor der Täuschbarkeit der Sinne trennt er das Logos von
                                                 der unmittelbar erfahrbaren Realität, und bindet – als Wegbereiter des Idealismus
                                                 – philosophische Leistungen an die Abstraktion von der Realität, und damit weg
                                                 von der Naturphilosophie und -„wissenschaft“


                                                 Empedokles und die Vier „klassischen“ Elemente ein Pythagoräer, führt
                                                 die Vier Elemente als „Wurzeln“ (mystischen Ursprungs und unveränderlich)ein.
                                                 Stoffe unterscheiden sich durch die Verhältnisse, zu denen sie aus diesen Elemen-
                                                 ten bestehen, und wandeln sich durch Austausch von Korpuskeln (also Element-
                                                 Quanten im weitesten Sinne) ineinander um. Der Wandel des Seins wird also mit
                                                 Austauschprozessen begründet.



                                             1
Bewegungen und Umwandlungen werden durch den mystischen Gehalt (Lie-                     Auf die Kritik, nicht robust gegenüber Sinnestäuschungen zu sein, und dass
be, Hass) der Korpuskeln, nicht durch Wechselwirkungen zwischen den Teilchen            im mechanistischen Atomismus kein Platz für den λ´γος bleibt, erwidern
                                                                                                                                                ο
vermittelt.                                                                             sie pragmatisch-materialistisch mit einer (Vor)form des modernen Kausalitäts-
  Die Zahl Vier entstammt der Zahlenmystik der Pythagoräer, die ihre Harmonie-          Gedankens: Selbst wenn alles Wahrnehmbare Schein sein sollte, muss es eine Er-
gesetze überall in der Natur suchten.                                                   klärung geben, warum es genau so und nicht anders erscheint.
                                                                                           Trotzdem hat den Demokritschen Atomismus bis ins 19. Jahrhundert der Vor-
Anaxágoras führt die Elementlehre konsequent fort, indem er zum Einen die               wurf der Seelenlosigkeit und des Atheismus verfolgt.
Existenz beliebig vieler verschiedener Elemente (kleine Bausteine von verschie-
denster Natur) vorschlägt, andererseits die Stofflichkeit des Seienden von ihrem
Geist νο˜ς trennt, und damit auch von der Notwendigkeit von mystischen Kom-
        υ
ponenten zur Erklärung der Existenz und des Verhaltens der Elemente.
  Er erschließt den Standort Athen für die griechische Philosophie, und als Dank
wird er verbannt, nachdem er (nur konsequent) der Sonne das Göttliche nimmt
und sie als „glühenden Klumpen“ bezeichnet.

                                                                                          Letztlich ist der Atomismus ein Kuriosum der griechischen Geistesgeschichte
Atomistischer Materialismus Fest mit den Namen der Parmenides-Schüler Leu-
                                                                                        geblieben. Zweitausend Jahre im Schatten von Aristoteles hat sie sich weder von
kipp und Demokrit verbunden, ist dieser eine Synthese aus
                                                                                        Philosophen noch Naturwissenschaftlern wesentlich weiterverfolgen lassen, und
   • Parmenides’ Theorie der Rückführbarkeit des Beobachtbaren auf ein höheres          war an der Entwicklung des modernen Atombegriffs bestenfalls ideell beteiligt.
     Prinzip,                                                                             Nachhaltiger ist der Erfolg von Demokrits terminologischer Präzision. Er ringt
                                                                                        Wörtern wie κίνεσις (Bewegung, Ortswechsel, aber auch qualitative Veränderung)
   • mit der Idee des Anaxagoras, die Welt aus kleinsten Teilchen aufzubauen.           eine Bedeutung für weiteres „wissenschaftliches“ Argumentieren ab.

   Diese mechanistische Weltsicht erklärt alle Vorgänge durch Wechselwirkungen
real existierender, nicht weiter teilbarer Korpuskeln ( `το ος).
                                                        α
                                                                                        2.2 Aristoteles: Positionen und Missverständnisse
   Eigenschaften und Vorgänge sind aber nicht in der Natur der Atome selbst ko-         Zu den gewichtigen Gegnern des Atomismus demokritscher Prägung zählt Aristo-
diert, sondern in deren Anordnung und Bewegung. Sie unterscheiden sich nur              teles. Er lehnt einerseits die Diskretisierung des Raums in Bereiche endlicher Grö-
quantitativ in Größe, Menge und Packung.                                                ße ab, da vom „intuitiven“ Natuverständnis alle Stoffe wie Kontinua wirken. Die
   Nur auf Grund ihrer geringen Größe können Atome nicht wahrgenommen wer-              Punktteilchen des Anaxágoras seien aber aus Argumentationen mit Unendlichkeit
den. Mit diesem Skalenproblem entziehen Leukipp und Demokrit ihre Theorie der           (kein endliches Volumen aus volumenlosen Korpuskeln!) ebenfalls problematisch.
– in Griechenland sowieso unüblichen – experimentellen Überprüfbarkeit. Sie er-            Die Zusammengesetztheit aller Stoffe aus den vier „klassischen“ Elementen er-
hält rein spekulativen Charakter, ein beliebter Angriffspunkt der „Gesunder Men-        kennt er jedoch voll an, setzt diese aber wiederum an die Pole des Gegensatzpaar-
schenverstand“ und „Beobachtbarkeit“-Argumentierer.                                     Paars heiß-kalt–feucht-trocken. Die Elemente tragen ausgeprägt kontinuierlichen
   Dazu ist die Forderung nach der Existenz der Atome in absolut leerem, aber           Charakter.
existierendem Raum ein krasser Bruch mit den Ideen ihres Lehrers Parmenides.               Veränderungen geschehen als Verwirklichungen von Möglichkeiten, also in ei-
Dieser erklärt die Leere als absurd, jene benötigen die reale Existenz leeren Vo-       ne gezielte Richtung. Im Gegensatz zum rein mechanistischen Atomismus ist dies
lumens als Raum, in dem sich die Atome bewegen können.                                  eine teleologische Sicht, die jedoch ohne „kosmische Mächte“ auskommt.



                                                                                    2
Er betreibt terminologische Grundlagenforschung. So unterscheidet er als ers-           3 Naturforschung in der Neuzeit
ter zwischen Gemengen von Stoffen und ´ , einer Durchmischung der Elemen-
                                          ιξις
te (im heutigen Sinne „chemische Verbindung“), um so die Vielfalt der Stoffe bei           3.1 Empirie
der geringen Anzahl an Elementen zu erklären.
                                                                                           Im Spätmittelalter und der Renaissance setzt zaghaft eine systematische Naturbe-
   Mit seinen häufig als naiv-oberflächlich empfundenen Naturerklärungen hat
                                                                                           obachtung ein, und ergänzt die deduktiv-theoretischen Erkenntnisse der Scholas-
Aristoteles, dessen philosophisches Werk sich mit großem Gewicht in die Geistes-
                                                                                           tik.
geschichte des Abendlandes geprägt hat, die weitere Entwicklung der Naturphilo-
                                                                                              Dass die (Himmels-)Mechanik den Befreiungsschlag der physikalischen Diszi-
sophie ausgebremst.
                                                                                           plinen in der frühen Neuzeit anführen kann, ist auch mit darauf zurückzuführen,
   Dass im Allgemeinen die Rolle des Aristoteles für die Entwicklung der Natu-
                                                                                           dass deren Skalen für die qualitative Akzeptanz mechanistischer Deutungen un-
wissenschaft als eine schädliche angesehen wird, liegt weniger an ihm, als an
                                                                                           problematisch sind – der Eindruck der himmlischen Kreise als Musterbeispiel von
der unausgewogenen Rezeption im Umfeld zweier Jahrtausende, die kaum die
                                                                                           Gleichläufigkeit hat sich (fälschlicherweise!) fest in das Vokabular antiker und mit-
Rahmenbedingungen für die Entwicklung einer ergebnisoffenen, „wissenschaft-
                                                                                           telalterlicher Physik gegraben.
lichen“ Wissenschaft liefern konnten.

                                                                                           Francis Bacon: Die induktive Methode Ein wichtiger Impuls für die Entwick-
2.3 Technik, Spätantike, Alchemie
                                                                                           lung aller natuwissenschaftlicher Disziplinen gibt F. Bacon: Er fordert das Experi-
In den handwerklich-pragmatischen Fertigkeiten, z. B. in der Werkstofftechnik,             ment als „absichtliche Erfahrung“, um die systematischen Naturgesetze auf Basis
waren bereits die alten Ägypter sehr fortgeschritten. Es kam aber bis in die Neuzeit       von Beobachtungen zu erforschen.
nie zu einer Synthese mit den „theoretischen“ Ansätzen der Philosophen.                      Die unzugänglichen Maßstäbe der Struktur von Materie verhindern jedoch ex-
  Mit und nach dem Hellenismus (Stoa, Neuplatoniker, Wiederaufkommen von                   perimentelle Fortschritte und grundlegende Durchbrüche – in den Zeiten, in de-
Mystik und „Aberglauben“, beginnende tendenziöse Auslegung der klassischen                 nen die Mechanik, Optik, andere physikalische Disziplinen, und auch die Philoso-
Texte) geraten die Ansätze zu Naturwissenschaften aus dem Blick.                           phie der Wissenschaften zu erstaunlicher Reife kommen (Descartes, Newton, Huy-
  Die Alchemie, die sich ab dem 4. Jahrhundert entwickelt, mischt Gedanken                 gens etc.).
von Empedokles, Aristoteles (und Interpretatoren) und der spätantiken Philosophie
und Mystik zu einem „esoterischen“ Bild von Substanzen und deren Umwandlun-
                                                                                           3.2 Kontroverse des 19. Jahrhunderts
gen.
  Insofern ist sie aber als Vorläufer wirklicher Naturwissenschaft einzuordnen,            Indizien für die Existenz von Atomen Im ausgehenden 18. Jhd. revolutioniert
da sie, anders als die Naturphilosophen, erstmals ihr Forschen und Handeln auf             bzw. begründet Lavoisier die „Chemie“, indem er mit der exakten, beobachtenden
die Idee stützen, dass die Beschaffenheit von Stoffen von ihrer Zusammensetzung            und quantitativen Untersuchung aus ihr eine Wissenschaft (im heutigen Sinne)
herrührt.                                                                                  macht. Er etabliert das moderne Verständnis von Elementen und Verbindungen,
  Im Laufe des Mittelalters driftet die Alchemie zusehends in eine kryptische Ge-          und ermöglicht eine Systematik, mit der die Chemie innerhalb eines Jahrhunderts
heimlehre ab. Erst mit Paracelsus, einem Zeitgenossen des Copernicus, beginnt eine         zu den weit entwickelten physikalischen Disziplinen „aufschließen“ kann.
Versachlichung der Stofflehre. Er führt Vorgänge des Lebens auf chemische Pro-                 Faraday, Ampère und Avogadro finden Hinweise auf eine reale, konstante Unter-
zesse zurück und begründet damit die Pharmazie.                                            teilung der Materie: Stoffmengen und Atommassen bei Gasen, Elektrizität und an-
  Im Wesentlichen stagnierte die Natuphilosophie im Jahrtausend zwischen                   deren Experimenten stimmen übereinstimmen. Dalton formuliert seine Atomhy-
Spätantike und Renaissance, während die Technologie, Fertigkeiten und Erfah-               pothese, nicht mehr spekulativ, sondern basierend auf den Gesetz der multiplen
rungen sich kontinuierlich(er) entwickelten.                                               Proportionen bei chemischen Reaktionen.



                                                                                       3
Maxwell und Boltzmann entwickeln die kinetische Gastheorie: Aus der mikro-             Sinne, sondern benötigt nur eine stapelbare „Überstruktur“ des Wassers.
skopischen Mechanik von Gas-Atomen lassen sich die Gesetze, mit denen sich                Es nimmt jedoch das (sich als korrekt herausstellende)
Gase beschreiben lassen, direkt ableiten.                                                 Verständnis vom Kristallaufbau um 200 Jahre vorweg.
   Ab dem späten 19. Jahrhundert bedient sich gerade die organische Chemie un-               Der Lichtwellen-Verfechter Huygens baut im glei-
bedarft einer Atomtheorie, die zentral um Geometrie der Anordnung und Symme-              chen Bild Kristalle aus verformten Kugeln auf, um Er-
trie aufgebaut ist. Ein atomistischer Aufbau der Festkörper wird plausibel.               klärungen für die Form von Bruchflächen und die Dop-
                                                                                          pelbrechung zu suchen.
Denken in Kontinua Insbesondere auf Grund der Erfolge der Wellenlehre,                       René-Just Haüy begründet Ende des 18. Jahrhunders
scheint ein Kontinuums-Ansatz dennoch der Mehrzahl der Wissenschaftler ein                die moderne Kristallographie, indem er Kristalle aus
vernünftiger (bzw. hinreichend konservativer) Ansatz zu sein, Stofflichkeit zu be-         regelmäßigen Polyedern zusammensetzt. Damit kann er geometrisch erklären,
schreiben.                                                                                warum alle Kristallflächen in festem Winkel zueinander stehen.
   Spätestens die Elektromagnetischen Wellen (Maxwell, Hertz) lassen den Streit
um die Natur des Lichts zu Ungunsten der Atomtheorie entschieden aussehen.                Durchbruch An der Schwelle zum 20. Jahrhundert Experimentiertechnik, klas-
Hier wirft sich jedoch die Frage des Fortpflanzungsmediums auf – die Äther-                sische Physik und Chemie bereits weit entwickelt, die Frage nach der eigentlichen
Hypothesen erblühen.                                                                      Natur der Stoffe aber weiterhin offen, auch wenn immer mehr Befunde für Atome
   Dem Unwohlsein in Bezug auf die pro-atomistischen Indizien entgegnen sie,              sprechen.
dass die „Atome“ lediglich als Modell zu verstehen seien, die ein leichteres Ver-            Aus dem Primat der Struktur, das die Praxis der organischen Chemie mit der
ständnis ermöglichen, aber nicht real seien (vgl. Epizykel).                              Haüyschen Kristallographie verbindet, entstehen konkrete Modelle der Atoman-
                                                                                          ordnung im Kristall.
                                                                                             Dann äußert Max von Laue 1913 die Überlegung, die Wellennatur der Röntgen-
3.3 Im Detail: Ideengeschichte des Kristalls                                              strahlen an Hand der Bestrahlung von Kristallen nachzuweisen – und beweist da-
Schon seit jeher müssen den Menschen die Regelmäßigkeit und Symmetrie der                 mit den periodischen Aufbau der Kristalle aus kleinsten Teilchen. Mit der Rönt-
Struktur von Kristallen (Eis/Schneeflocken, Edelsteine, Mineralien) aufgefallen            genbeugung steht erstmals ein Verfahren zur Verfügung, das in seiner Auflösung
sein.                                                                                     in atomare Skalen vorstoßen kann.
   Den Bergkristall (κρ´σταλλος = Eis) sehen die Griechen als permanent gefrore-
                       υ                                                                     In großem Tempo werden auch die kompliziertesten Strukturen experimentell
nes Wasser an. In der wenig systematischen antiken Stofflehre werden als „Kristal-         nachweisbar (DNA, 1953). Kristalle haben nicht nur als Objekt der Forschung,
le“ aber wahllos auch z. B. Glas gezählt.                                                 sondern auch als Hilfsmittel eine enorme Bedeutung erlangt. Der Welle-Teilchen-
   Es erscheint erstaunlich, dass gerade der Existenz kristalliner Materie, wo Auf-       Dualismus von Licht, aber auch Atomen selbst, ist mit Kristallen beobachtbar ge-
bau und Form so nahe wie sonst nirgends beieinander liegen, in früher Zeit so             worden.
wenig Beachtung bei geschenkt wurde.


Ansätze, Theorien, Hypothesen Als Nebenprodukt der Fragestellung, wie                       Beugung von Elektronen an einem Kristall (LEED).
Kanonenkugeln am sinnvollsten zu schlichten sind, erkennt Kepler sechszäh-                      Mit dieser Technik wurde die Wellennatur des
lige Symmetrien in der „dichtesten“ Packung. Daraufhin entwickelt er die                                            Elektrons nachgewiesen.
Theorie, dass Schneeflocken aus kleinen Kugeln regelmäßig zusammenge-
setzt sind. Dies ist kein „Atomismus“ im demokritschen oder alchemischen



                                                                                      4
4 Fernwirkung                                                                                                        Mitte zwischen den Sternen. Kleine Himmelskörper (Planeten) werden durch ih-
                                                                                                                     ren Auftrieb zu den Zentren der Rotation hingezogen.
4.1 Notwendigkeiten und Motivation                                                                                      Die Vermittlung der Gravitation erfolgt nach den Gesetzen der Hydrodynamik,
                                                                                                                     in einer mechanistischen Formulierung, die Descartes aus seinen (falschen) Er-
Bereits Ptolemaios liefert eine mögliche „mechanis-
                                                                                                                     kenntnissen über Stoßgesetze induziert.
tische“ Erklärung für die Bewegung der Planeten
auf Epizykel und Deferent: Die Radien sind nicht
als Stangen zu verstehen, sondern die Bahnen als
Kreise bzw. Kugeln einer transparenten, festen Ma-
terie, die aufeinander abrollen.
   Für das copernicanische System ist dieser An-
satz genauso möglich und kann eine (ebenfalls
sehr komplizierte) mechanische Theorie der Planetenbewegung liefern.
   Mit Keplers Entdeckung bzw. Forderung von Ellipsenbahnen (1. Keplersches Ge-
setz) und seiner endgültigen Verabschiedung von der Idealisierung der supraluna-
ren „Sphären“ fällt nun dieser Ansatz zur Naturerklärung weg. An seine Stelle muss
ein Effekt treten, welche die Planeten auf den Bahnen hält. Es entstehen zwei kon-
kurrierende Ansätze:

Mechanistische Deutung Der Raum ist von Substanz/Teilchen o. ä. erfüllt, die
      über die Gesetze der Mechanik die Kenntnis von der Existenz (Gravitation:
      Schwere/Masse) anderer Körper übertragen

Fernwirkung Aus den Eigenschaften eines Objekts (Masse, Ladung, Magnetisie-                                            Analog kann das Verbleiben der Monde in ihren Umlaufbahnen durch kleine
      rung. . . ) erwächst eine „Macht“, die Bewegung dafür anfälliger anderer Ob-                                   Unterwirbel um die Planeten erklärt werden. Eine quantitative Aussage, insbeson-
      jekte zu beeinflussen, auch über die Distanzen „direkter“ mechanischer                                          dere warum das 3. Keplersche Gesetz so gut eingehalten wird, liefert die Theorie
      Wechselwirkung hinaus.1                                                                                        nicht.


4.2 Descartes und die Wirbel                                                                                         4.3 Newton: Kraft
Eine erste, halbwegs konsistente Theorie, wie die gebundene Planetenbewegung                                         In Newtons epochaler Systematisierung der Naturwissenschaft (Mathematik, Dya-
zustande kommen könnte, entwickelt René Descartes im Zuge seines mechanisti-                                         mik, Masse) spielt der Begriff Kraft als Ursache der Veränderung eines Bewegungs-
schen (jedoch ausdrücklich anti-atomistischen!) Weltbildes.                                                          zustandes eine zentrale Rolle.
  Dabei ist der gesamte Raum mit Materie in verschiedener Dichte (Verklum-                                               Die Kreisbewegung verliert ihre Sonderstellung, da er die Notwendigkeit einer
pung) aufgefüllt. Die rotierenden Himmelskörper (Sterne, Sonne) versetzen ihre                                       Zentripetalkraft erkennt.
Umgebung in begrenztem Wirkungsbereich ebenfalls in Rotation. Durch die Flieh-                                           Bei seiner Beschäftigung mit der Mechanik der Himmelskörper stößt er auf die
kräfte werden die „schwereren“ Substanzen weggedrückt und sammeln sich in der                                        1/r 2 -Abhängigkeit der Schwerkraft vom Massenzentrum. Zusammen mit den Ge-

1 Die „Fernwirkung“ von Magneten ist die offensichtlichste und war seit jeher Gebiet wüstester Spekulationen. Befriedigend geklärt ist sie immer noch nicht.




                                                                                                            5
setzen der Kreisbewegung erhält er daraus die Kepler-Gesetze, die nach wie vor                 Diese Teilchen wechselwirken mit Materie, indem sie daran stoßen und abge-
aktuelle (nicht-relativistische) Beschreibung der Umlaufbahnen.                            lenkt werden. Nach den Stoßgesetzen ergibt sich ein Impulsübertrag (Kraft). Im
                                                                                           „Schatten“ eines schweren Körpers ist die Zahl der ankommenden Teilchen aber
Kräfte zwischen Himmelskörpern Damit kann bzw. muss Newton die Frage                       verringert, und so gleichen sich die Kräfte nicht völlig aus. Im Endeffekt bleibt eine
nach einer Fernwirkungskraft in einem quantitativen, wissenschaftlichen Sinne              anziehende Kraft zwischen den beiden Körpern übrig – Gravitation?
formulieren.                                                                                   Jedoch kann gezeigt werden, dass die Kraft entweder unmerklich klein, oder die
                                                                                           1/r 2 -Abhängigkeit nicht exakt erfüllt sind.
  Folgende Fragen drängen sich zum Herantasten auf eine Erklärung der Ursache
auf:

    • Wirkt die Kraft instantan? Spürt also jeder sofort, wenn sich ein anderer be-
      wegt? Oder besitzt die Fortpflanzung der gravitativen Wirkung eine endliche
      Geschwindigkeit auf?

    • Wodurch wird die Kraft vermittelt? Wird das Signal auf einer Trägersubstanz
      weitergeleitet (die aus Atomen oder kontinuierlich sein kann), oder han-
      delt es sich (ursprünglich im philosophisch-theologischen Sinne) tatsäch-
      lich um eine actio in distans, eine Verbindung zwischen den Körpern auf
      einer nicht-materiellen Ebene?

   In seiner statischen (bzw. „quasi-statischen“) Formulierung ist Newtons Gesetz          4.4 Äther?
instantan. Zur Ursache kann er nur spekulieren. Er ist mit der experimentellen Un-
zugänglichkeit der Gravitation2 sehr unzufrieden, beruft sich notfalls auf göttliche       (Un)endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit Die Frage nach der Fortpflan-
Kontrolle zur Einhaltung seiner Kraftgesetze.                                              zungsgeschwindigkeit3 einer anderen „Fernwirkung“ – nämlich des Lichts – be-
   Die Erfolge der Wellen- und Elastizitätslehre (Schall) im 17. und 18. Jhd. ermun-       antwortet Ole Rømer mit „endlich“.
tern mechanische Erklärungen, neben der Tatsache, dass sie besser in die damali-             Um die Bedeckungen der Jupitermonde zuverlässig zur Bestimmung der geo-
ge induktive Wissenschaftskultur passen.                                                   graphischen Länge nutzen zu können, entdeckt er die jährliche Periodizität in den
                                                                                           Verzögerungen, und erklärt sie als erster richtig mit der endlichen Lichtgeschwin-
                                                                                           digkeit c. Huygens bestimmt c dann mit Schätzwerten (und landet tatsächlich nur
Eine mechanische Erklärung der Gravitation Die von Fatio und Le Sage entwi-
                                                                                           um etwa ein Viertel neben dem echten Wert).
ckelte Gravitationstheorie galt (trotz unvorstellbarer Parameter) eine Zeit lang als
vielversprechender Kandidat, konnte aber schließlich durch theoretische Überle-
gungen widerlegt werden.                                                                   Theorien des Lichts Für Aristoteles folgt Licht bzw. die Sichtbarkeit eines Ob-
   Es geht davon aus, dass das ganze Universum homogen von einem dünnen,                   jekts unmittelbar aus deren Existenz; Licht-Wirkung tritt also instantan ein. Dies
durchdringenden Gas durchsetzt wird, dessen sehr leichte Teilchen sich mit enor-           übernimmt Descartes und schließt das Licht aus seiner mechanistischen Physik
men Geschwindigkeiten bewegen.                                                             quasi ganz aus.
2 die nach wie vor besteht
3 Experimentell ist sie bei der Gravitation immer noch nicht beantwortet.
4 1919/20 beweist eben dieser Effekt Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie




                                                                                       6
Newton ist davon überzeugt, dass leuchtende Körper einen Strom an Lichtteil-          sie überraschende Ähnlichkeit mit dem heutigen Kenntnisstand von den Kräfte-
chen freisetzen, und überlegt sich bereits, dass diese von Gravitation abgelenkt        Verhältnissen in der Materie (obwohl Boškovic von Quantenmechanik noch nichts
                                                                                                                                    ´
werden müssten.4                                                                        wissen konnte!):




  Bei der gewaltigen Geschwindigkeit des Lichts, spätestens mit der Beugung
und Interferenz, scheint die Frage jedoch zu Gunsten der Welle ausgefallen. Doch
worin schwingt das Licht, wenn keine Materie vorhanden ist?
  Hier wird der Äther als ein dünnes, elastisches Medium eingeführt, das den Kos-
mos durchzieht, und als Schwingungsmedium für das Licht dient, ähnlich wie Luft
bzw. Materie dem Schall zur Ausbreitung dient.


4.5 Was ist „Nahwirkung“?
Die Nahwirkung bezeichnet die Veränderung des Bewegungszustand eines Kör-
pers bei unmittelbarem Kontakt mit einem anderen (Stoß).
  Besonders in der Anfangszeit der neuzeitlichen Naturwissenschaft spielen
Stoßgesetze eine fundamentale Rolle beim Entwickeln des Physik-Begriffes. Nicht         Links: Boškovic illustriert die Abhängigkeit der Kraft vom Abstand zu Ato-
                                                                                                      ´
nur Descartes und Newton bauen ihre Theorien auf Erkenntnissen auf, die aus den         men/Kraftzentren. Rechts: Tatsächliches Potential an einer Festkörperoberfläche.
(vermeintlich) einfach und genau zu beobachtenden Gesetzen der Stöße harter
Kugeln erwachsen. Atomistische Theorien nutzen Stöße zur Übertragung von Be-
wegung und erklären so z. B. Schall.
                                                                                        4.6 Elektrische Kraft und Faradays Feldbegriff
  Auf Grund der anfangs erwähnten Skalenprobleme auf der Mikroskala bleibt              Bei der Aufgabe, aus Experimenten mit Elektrizität Gesetze zu formulieren, erweist
die Beschreibung der Ursache der Nahwirkung aber ebenso diffus wie Atomismus,           sich die Newtonsche Kraft-Formulierung als sehr nützlich. Die Verwandtschaft zu
Gravitation und Lichtäther. Da die Unmitelbarkeit der Übertragung aber Erfah-           dessen Gravitationsgesetz wird schnell offenkundig: Ladungen statt Massen, glei-
rung und einleuchtend ist, scheint hier kein wesentlicher Forschungsbedarf.             che Abstandsabhängigkeit.
  Hier beschreitet der Jesuit Boškovic einen radikalen und sehr modern anmu-
                                       ´                                                   Hierbei gelingt Faraday mit seinem (damals) unkonventionellen Bild, Kräfte als
tenden Weg, indem er jede Nahwirkung auf (kurzreichweitige) Fernwirkung zu-             Felder darzustellen, eine Weichenstellung in Verständnis und Beschreibung des
rückführt. Alle Kräfte seien auf eine einzige Wechselwirkung zwischen atomarti-         Zusammenhangs zwischen Kraft und Raum.
gen Kraftzentren zurückzuführen.                                                           Während bei Newton, Coulomb etc. die Kraft eine Eigenschaft der Wechselbezie-
  Zwar ist auch diese Theorie spekulativ, zum Einen aber stellt sie eine sau-           hung zwischen zwei Objekten darstellt, formuliert Faraday die Kräfte „einzeln“ für
ber formulierte Naturerklärung dar (sie hätte für einen Fahrplan zur weiteren           jeden Körper: Die Kraft wird zu einer kontinuierlichen Eigenschaft des des Raum-
Forschung getaugt, wäre sie nicht in Vergessenheit geraten), andererseits zeigt         es, einem Feld.



                                                                                    7
An dieses Bild schließt sich zum Einen die Potential-Formulierung und damit                                     Literatur
die zentrale Rolle der Energie an, zum Anderen vollendet Maxwell mit seinen Glei-
chungen damit die Elektrodynamik – und macht die Existenz eines Licht-Äthers                                      [1] Shmuel Sambursky. Der Weg der Physik. dtv, 1978.
überflüssig.
                                                                                                                  [2] Károly Simonyi. Kulturgeschichte der Physik. Harri Deutsch, 1990.
  Dieser Feldbegriff hat sich tief verankert, sodass wir uns heute einen „leeren“
Raum unwillkürlich nicht als leer, sondern mit Feldern5 durchsetzt vorstellen.                                    [3] Elisabeth Ströker. Denkwege der Chemie. Verlag Karl Alber, 1967.
  Die Frage nach der Fernwirkung reduziert sich somit auf die Frage nach der
Übertragungsgeschwindigkeit von Informationen durch ein Kraftfeld (von dem                                        [4] Tomaso Aste, Denis Weaire. The Pursuit of Perfect Packing. Taylor & Francis,
uns Einstein sagt, dass sie höchstens mit Lichtgeschwindigkeit stattfinden darf ).                                     2008.



5 Und heute?                                                                                                      Inhaltsverzeichnis
Die Welt des Kleinen und Kleinsten Mit der Handhabung immer größerer                                              1 Was heißt „copernicanisch“?                                                                                                 1
Energien (Radioaktivität, Kosmische Strahlung, Kernreaktoren, Teilchenbeschleu-
                                                                                                                  2 Atomismen                                                                                                                   1
niger) ist der Zugang zu immer engeren Skalen in den letzten hundert Jahren im-
                                                                                                                     2.1 Vorsokratisches Griechenland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                                             1
mer besser geworden, und hat uns ein (ziemlich) umfassendes Bild vom Aufbau
                                                                                                                     2.2 Aristoteles: Positionen und Missverständnisse . . . . . . . . . . . . . .                                              2
der Materie vermittelt: Das Standardmodell der Elementarteilchen.
                                                                                                                     2.3 Technik, Spätantike, Alchemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                                            3
  Prinzipiell erlaubt die Quantenmechanik, alle Vorgänge im Mikrokosmos zu be-
rechnen, nur scheitern wir an der endlichen Rechenkapazität (Dirac).                                              3 Naturforschung in der Neuzeit                                                                                               3
                                                                                                                     3.1 Empirie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                                      3
Gravitation Mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ist Newtons Theorie                                        3.2 Kontroverse des 19. Jahrhunderts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                                             3
nicht „widerlegt“ worden, sondern stellt sich als (besonders einfacher) Spezialfall                                  3.3 Im Detail: Ideengeschichte des Kristalls . . . . . . . . . . . . . . . . . .                                           4
heraus. Die ART ist heute der weitgehend unbestrittene Weg, die „Schwerkräfte“
zu erklären. Heute kämpfen die Astronomen weniger mit der Theorie der Gravita-
                                                                                                                  4 Fernwirkung                                                                                                                 5
                                                                                                                     4.1   Notwendigkeiten und Motivation . . . . .             .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   5
tion, als mit der Erklärung, wo die Massen sind (Dunkle Materie, Dunkle Energie).
                                                                                                                     4.2   Descartes und die Wirbel . . . . . . . . . .         .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   5
                                                                                                                     4.3   Newton: Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . .      .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   5
  Eine Verbindung zwischen den beiden „großen“ Theorien ART und Standard-
                                                                                                                     4.4   Äther? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   6
modell (Quantenmechanik, Verhalten der Elementarteilchen auf kleinen Skalen)
                                                                                                                     4.5   Was ist „Nahwirkung“? . . . . . . . . . . . .        .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   7
steht nach wie vor aus.
                                                                                                                     4.6   Elektrische Kraft und Faradays Feldbegriff           .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   7

                                                                                                                  5 Und heute?                                                                                                                  8

                                                                                                                                                                                                    25. Januar 2012, r2559


5 Elektrisches, Magnet-, Schwerefeld, letztlich auch die quantenmechanischen Wellenfelder ψ(r ) aller Teilchen.




                                                                                                            8

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  • 1. Proseminar „Copernicanische Wende“ 2 Atomismen Atomismus und Fernwirkung 2.1 Vorsokratisches Griechenland Johannes Hielscher, 25. Januar 2012, 2559 Alt-Ionischer Kosmos-Begriff Der Aufbruch vom Mythos zum Logos im 7./6. Jh. in Kleinasien (Thales et al) gilt als gemeinsamer Beginn der abendländi- schen Tradition von Philosophie und Wissenschaft. Die Natuphilosophen begin- 1 Was heißt „copernicanisch“? nen, sich über die Gründe für Existenz und Vorgänge in der Natur Gedanken zu machen, statt sie auf Götter zu schieben. Sie nutzen den Begrif Kosmos κ´σ ος nicht mehr nur für „Ordnung und Schön- ο heit einzelner Dinge, sondern auf die Welt im Ganzen“. Als Antriebs- und Grundstoff für alle Vorgänge, insbesondere Leben, vermuten sie eine – durchaus stofflich-reale – Sonderrolle eines „Elements“: Thales (Wasser), Anaximenes (Luft); Anaximander abstrahiert mit dem „Apeiron“ das Weltmedium auf Spannungsverhältnisse (warm-kalt, trocken-feucht). Heraklit postuliert das Logos als Grund für Existenz und Ordnung, und nur als Metapher dafür das Feuer. Stets bleibt die philosophische Motivation dominierend, einen Grund für die Be- lebtheit und Ordnung der Welt zu begründen. In der Sichtweise auf die Natur als realer Gegenstand konkreter Betrachtungen nehmen sie aber viele Gesichtspunk- te der Naturwissenschaft voraus. Parmenides löst das Logos aus seiner Rolle als Gerüst des Kosmos und belegt es mit der Bedeutung des „Logischen“, der Vernunft. Er erklärt totale Abwesenheit als unvorstellbar, unvernünftig und nicht existent. Mit seinen Warnungen vor der Täuschbarkeit der Sinne trennt er das Logos von der unmittelbar erfahrbaren Realität, und bindet – als Wegbereiter des Idealismus – philosophische Leistungen an die Abstraktion von der Realität, und damit weg von der Naturphilosophie und -„wissenschaft“ Empedokles und die Vier „klassischen“ Elemente ein Pythagoräer, führt die Vier Elemente als „Wurzeln“ (mystischen Ursprungs und unveränderlich)ein. Stoffe unterscheiden sich durch die Verhältnisse, zu denen sie aus diesen Elemen- ten bestehen, und wandeln sich durch Austausch von Korpuskeln (also Element- Quanten im weitesten Sinne) ineinander um. Der Wandel des Seins wird also mit Austauschprozessen begründet. 1
  • 2. Bewegungen und Umwandlungen werden durch den mystischen Gehalt (Lie- Auf die Kritik, nicht robust gegenüber Sinnestäuschungen zu sein, und dass be, Hass) der Korpuskeln, nicht durch Wechselwirkungen zwischen den Teilchen im mechanistischen Atomismus kein Platz für den λ´γος bleibt, erwidern ο vermittelt. sie pragmatisch-materialistisch mit einer (Vor)form des modernen Kausalitäts- Die Zahl Vier entstammt der Zahlenmystik der Pythagoräer, die ihre Harmonie- Gedankens: Selbst wenn alles Wahrnehmbare Schein sein sollte, muss es eine Er- gesetze überall in der Natur suchten. klärung geben, warum es genau so und nicht anders erscheint. Trotzdem hat den Demokritschen Atomismus bis ins 19. Jahrhundert der Vor- Anaxágoras führt die Elementlehre konsequent fort, indem er zum Einen die wurf der Seelenlosigkeit und des Atheismus verfolgt. Existenz beliebig vieler verschiedener Elemente (kleine Bausteine von verschie- denster Natur) vorschlägt, andererseits die Stofflichkeit des Seienden von ihrem Geist νο˜ς trennt, und damit auch von der Notwendigkeit von mystischen Kom- υ ponenten zur Erklärung der Existenz und des Verhaltens der Elemente. Er erschließt den Standort Athen für die griechische Philosophie, und als Dank wird er verbannt, nachdem er (nur konsequent) der Sonne das Göttliche nimmt und sie als „glühenden Klumpen“ bezeichnet. Letztlich ist der Atomismus ein Kuriosum der griechischen Geistesgeschichte Atomistischer Materialismus Fest mit den Namen der Parmenides-Schüler Leu- geblieben. Zweitausend Jahre im Schatten von Aristoteles hat sie sich weder von kipp und Demokrit verbunden, ist dieser eine Synthese aus Philosophen noch Naturwissenschaftlern wesentlich weiterverfolgen lassen, und • Parmenides’ Theorie der Rückführbarkeit des Beobachtbaren auf ein höheres war an der Entwicklung des modernen Atombegriffs bestenfalls ideell beteiligt. Prinzip, Nachhaltiger ist der Erfolg von Demokrits terminologischer Präzision. Er ringt Wörtern wie κίνεσις (Bewegung, Ortswechsel, aber auch qualitative Veränderung) • mit der Idee des Anaxagoras, die Welt aus kleinsten Teilchen aufzubauen. eine Bedeutung für weiteres „wissenschaftliches“ Argumentieren ab. Diese mechanistische Weltsicht erklärt alle Vorgänge durch Wechselwirkungen real existierender, nicht weiter teilbarer Korpuskeln ( `το ος). α 2.2 Aristoteles: Positionen und Missverständnisse Eigenschaften und Vorgänge sind aber nicht in der Natur der Atome selbst ko- Zu den gewichtigen Gegnern des Atomismus demokritscher Prägung zählt Aristo- diert, sondern in deren Anordnung und Bewegung. Sie unterscheiden sich nur teles. Er lehnt einerseits die Diskretisierung des Raums in Bereiche endlicher Grö- quantitativ in Größe, Menge und Packung. ße ab, da vom „intuitiven“ Natuverständnis alle Stoffe wie Kontinua wirken. Die Nur auf Grund ihrer geringen Größe können Atome nicht wahrgenommen wer- Punktteilchen des Anaxágoras seien aber aus Argumentationen mit Unendlichkeit den. Mit diesem Skalenproblem entziehen Leukipp und Demokrit ihre Theorie der (kein endliches Volumen aus volumenlosen Korpuskeln!) ebenfalls problematisch. – in Griechenland sowieso unüblichen – experimentellen Überprüfbarkeit. Sie er- Die Zusammengesetztheit aller Stoffe aus den vier „klassischen“ Elementen er- hält rein spekulativen Charakter, ein beliebter Angriffspunkt der „Gesunder Men- kennt er jedoch voll an, setzt diese aber wiederum an die Pole des Gegensatzpaar- schenverstand“ und „Beobachtbarkeit“-Argumentierer. Paars heiß-kalt–feucht-trocken. Die Elemente tragen ausgeprägt kontinuierlichen Dazu ist die Forderung nach der Existenz der Atome in absolut leerem, aber Charakter. existierendem Raum ein krasser Bruch mit den Ideen ihres Lehrers Parmenides. Veränderungen geschehen als Verwirklichungen von Möglichkeiten, also in ei- Dieser erklärt die Leere als absurd, jene benötigen die reale Existenz leeren Vo- ne gezielte Richtung. Im Gegensatz zum rein mechanistischen Atomismus ist dies lumens als Raum, in dem sich die Atome bewegen können. eine teleologische Sicht, die jedoch ohne „kosmische Mächte“ auskommt. 2
  • 3. Er betreibt terminologische Grundlagenforschung. So unterscheidet er als ers- 3 Naturforschung in der Neuzeit ter zwischen Gemengen von Stoffen und ´ , einer Durchmischung der Elemen- ιξις te (im heutigen Sinne „chemische Verbindung“), um so die Vielfalt der Stoffe bei 3.1 Empirie der geringen Anzahl an Elementen zu erklären. Im Spätmittelalter und der Renaissance setzt zaghaft eine systematische Naturbe- Mit seinen häufig als naiv-oberflächlich empfundenen Naturerklärungen hat obachtung ein, und ergänzt die deduktiv-theoretischen Erkenntnisse der Scholas- Aristoteles, dessen philosophisches Werk sich mit großem Gewicht in die Geistes- tik. geschichte des Abendlandes geprägt hat, die weitere Entwicklung der Naturphilo- Dass die (Himmels-)Mechanik den Befreiungsschlag der physikalischen Diszi- sophie ausgebremst. plinen in der frühen Neuzeit anführen kann, ist auch mit darauf zurückzuführen, Dass im Allgemeinen die Rolle des Aristoteles für die Entwicklung der Natu- dass deren Skalen für die qualitative Akzeptanz mechanistischer Deutungen un- wissenschaft als eine schädliche angesehen wird, liegt weniger an ihm, als an problematisch sind – der Eindruck der himmlischen Kreise als Musterbeispiel von der unausgewogenen Rezeption im Umfeld zweier Jahrtausende, die kaum die Gleichläufigkeit hat sich (fälschlicherweise!) fest in das Vokabular antiker und mit- Rahmenbedingungen für die Entwicklung einer ergebnisoffenen, „wissenschaft- telalterlicher Physik gegraben. lichen“ Wissenschaft liefern konnten. Francis Bacon: Die induktive Methode Ein wichtiger Impuls für die Entwick- 2.3 Technik, Spätantike, Alchemie lung aller natuwissenschaftlicher Disziplinen gibt F. Bacon: Er fordert das Experi- In den handwerklich-pragmatischen Fertigkeiten, z. B. in der Werkstofftechnik, ment als „absichtliche Erfahrung“, um die systematischen Naturgesetze auf Basis waren bereits die alten Ägypter sehr fortgeschritten. Es kam aber bis in die Neuzeit von Beobachtungen zu erforschen. nie zu einer Synthese mit den „theoretischen“ Ansätzen der Philosophen. Die unzugänglichen Maßstäbe der Struktur von Materie verhindern jedoch ex- Mit und nach dem Hellenismus (Stoa, Neuplatoniker, Wiederaufkommen von perimentelle Fortschritte und grundlegende Durchbrüche – in den Zeiten, in de- Mystik und „Aberglauben“, beginnende tendenziöse Auslegung der klassischen nen die Mechanik, Optik, andere physikalische Disziplinen, und auch die Philoso- Texte) geraten die Ansätze zu Naturwissenschaften aus dem Blick. phie der Wissenschaften zu erstaunlicher Reife kommen (Descartes, Newton, Huy- Die Alchemie, die sich ab dem 4. Jahrhundert entwickelt, mischt Gedanken gens etc.). von Empedokles, Aristoteles (und Interpretatoren) und der spätantiken Philosophie und Mystik zu einem „esoterischen“ Bild von Substanzen und deren Umwandlun- 3.2 Kontroverse des 19. Jahrhunderts gen. Insofern ist sie aber als Vorläufer wirklicher Naturwissenschaft einzuordnen, Indizien für die Existenz von Atomen Im ausgehenden 18. Jhd. revolutioniert da sie, anders als die Naturphilosophen, erstmals ihr Forschen und Handeln auf bzw. begründet Lavoisier die „Chemie“, indem er mit der exakten, beobachtenden die Idee stützen, dass die Beschaffenheit von Stoffen von ihrer Zusammensetzung und quantitativen Untersuchung aus ihr eine Wissenschaft (im heutigen Sinne) herrührt. macht. Er etabliert das moderne Verständnis von Elementen und Verbindungen, Im Laufe des Mittelalters driftet die Alchemie zusehends in eine kryptische Ge- und ermöglicht eine Systematik, mit der die Chemie innerhalb eines Jahrhunderts heimlehre ab. Erst mit Paracelsus, einem Zeitgenossen des Copernicus, beginnt eine zu den weit entwickelten physikalischen Disziplinen „aufschließen“ kann. Versachlichung der Stofflehre. Er führt Vorgänge des Lebens auf chemische Pro- Faraday, Ampère und Avogadro finden Hinweise auf eine reale, konstante Unter- zesse zurück und begründet damit die Pharmazie. teilung der Materie: Stoffmengen und Atommassen bei Gasen, Elektrizität und an- Im Wesentlichen stagnierte die Natuphilosophie im Jahrtausend zwischen deren Experimenten stimmen übereinstimmen. Dalton formuliert seine Atomhy- Spätantike und Renaissance, während die Technologie, Fertigkeiten und Erfah- pothese, nicht mehr spekulativ, sondern basierend auf den Gesetz der multiplen rungen sich kontinuierlich(er) entwickelten. Proportionen bei chemischen Reaktionen. 3
  • 4. Maxwell und Boltzmann entwickeln die kinetische Gastheorie: Aus der mikro- Sinne, sondern benötigt nur eine stapelbare „Überstruktur“ des Wassers. skopischen Mechanik von Gas-Atomen lassen sich die Gesetze, mit denen sich Es nimmt jedoch das (sich als korrekt herausstellende) Gase beschreiben lassen, direkt ableiten. Verständnis vom Kristallaufbau um 200 Jahre vorweg. Ab dem späten 19. Jahrhundert bedient sich gerade die organische Chemie un- Der Lichtwellen-Verfechter Huygens baut im glei- bedarft einer Atomtheorie, die zentral um Geometrie der Anordnung und Symme- chen Bild Kristalle aus verformten Kugeln auf, um Er- trie aufgebaut ist. Ein atomistischer Aufbau der Festkörper wird plausibel. klärungen für die Form von Bruchflächen und die Dop- pelbrechung zu suchen. Denken in Kontinua Insbesondere auf Grund der Erfolge der Wellenlehre, René-Just Haüy begründet Ende des 18. Jahrhunders scheint ein Kontinuums-Ansatz dennoch der Mehrzahl der Wissenschaftler ein die moderne Kristallographie, indem er Kristalle aus vernünftiger (bzw. hinreichend konservativer) Ansatz zu sein, Stofflichkeit zu be- regelmäßigen Polyedern zusammensetzt. Damit kann er geometrisch erklären, schreiben. warum alle Kristallflächen in festem Winkel zueinander stehen. Spätestens die Elektromagnetischen Wellen (Maxwell, Hertz) lassen den Streit um die Natur des Lichts zu Ungunsten der Atomtheorie entschieden aussehen. Durchbruch An der Schwelle zum 20. Jahrhundert Experimentiertechnik, klas- Hier wirft sich jedoch die Frage des Fortpflanzungsmediums auf – die Äther- sische Physik und Chemie bereits weit entwickelt, die Frage nach der eigentlichen Hypothesen erblühen. Natur der Stoffe aber weiterhin offen, auch wenn immer mehr Befunde für Atome Dem Unwohlsein in Bezug auf die pro-atomistischen Indizien entgegnen sie, sprechen. dass die „Atome“ lediglich als Modell zu verstehen seien, die ein leichteres Ver- Aus dem Primat der Struktur, das die Praxis der organischen Chemie mit der ständnis ermöglichen, aber nicht real seien (vgl. Epizykel). Haüyschen Kristallographie verbindet, entstehen konkrete Modelle der Atoman- ordnung im Kristall. Dann äußert Max von Laue 1913 die Überlegung, die Wellennatur der Röntgen- 3.3 Im Detail: Ideengeschichte des Kristalls strahlen an Hand der Bestrahlung von Kristallen nachzuweisen – und beweist da- Schon seit jeher müssen den Menschen die Regelmäßigkeit und Symmetrie der mit den periodischen Aufbau der Kristalle aus kleinsten Teilchen. Mit der Rönt- Struktur von Kristallen (Eis/Schneeflocken, Edelsteine, Mineralien) aufgefallen genbeugung steht erstmals ein Verfahren zur Verfügung, das in seiner Auflösung sein. in atomare Skalen vorstoßen kann. Den Bergkristall (κρ´σταλλος = Eis) sehen die Griechen als permanent gefrore- υ In großem Tempo werden auch die kompliziertesten Strukturen experimentell nes Wasser an. In der wenig systematischen antiken Stofflehre werden als „Kristal- nachweisbar (DNA, 1953). Kristalle haben nicht nur als Objekt der Forschung, le“ aber wahllos auch z. B. Glas gezählt. sondern auch als Hilfsmittel eine enorme Bedeutung erlangt. Der Welle-Teilchen- Es erscheint erstaunlich, dass gerade der Existenz kristalliner Materie, wo Auf- Dualismus von Licht, aber auch Atomen selbst, ist mit Kristallen beobachtbar ge- bau und Form so nahe wie sonst nirgends beieinander liegen, in früher Zeit so worden. wenig Beachtung bei geschenkt wurde. Ansätze, Theorien, Hypothesen Als Nebenprodukt der Fragestellung, wie Beugung von Elektronen an einem Kristall (LEED). Kanonenkugeln am sinnvollsten zu schlichten sind, erkennt Kepler sechszäh- Mit dieser Technik wurde die Wellennatur des lige Symmetrien in der „dichtesten“ Packung. Daraufhin entwickelt er die Elektrons nachgewiesen. Theorie, dass Schneeflocken aus kleinen Kugeln regelmäßig zusammenge- setzt sind. Dies ist kein „Atomismus“ im demokritschen oder alchemischen 4
  • 5. 4 Fernwirkung Mitte zwischen den Sternen. Kleine Himmelskörper (Planeten) werden durch ih- ren Auftrieb zu den Zentren der Rotation hingezogen. 4.1 Notwendigkeiten und Motivation Die Vermittlung der Gravitation erfolgt nach den Gesetzen der Hydrodynamik, in einer mechanistischen Formulierung, die Descartes aus seinen (falschen) Er- Bereits Ptolemaios liefert eine mögliche „mechanis- kenntnissen über Stoßgesetze induziert. tische“ Erklärung für die Bewegung der Planeten auf Epizykel und Deferent: Die Radien sind nicht als Stangen zu verstehen, sondern die Bahnen als Kreise bzw. Kugeln einer transparenten, festen Ma- terie, die aufeinander abrollen. Für das copernicanische System ist dieser An- satz genauso möglich und kann eine (ebenfalls sehr komplizierte) mechanische Theorie der Planetenbewegung liefern. Mit Keplers Entdeckung bzw. Forderung von Ellipsenbahnen (1. Keplersches Ge- setz) und seiner endgültigen Verabschiedung von der Idealisierung der supraluna- ren „Sphären“ fällt nun dieser Ansatz zur Naturerklärung weg. An seine Stelle muss ein Effekt treten, welche die Planeten auf den Bahnen hält. Es entstehen zwei kon- kurrierende Ansätze: Mechanistische Deutung Der Raum ist von Substanz/Teilchen o. ä. erfüllt, die über die Gesetze der Mechanik die Kenntnis von der Existenz (Gravitation: Schwere/Masse) anderer Körper übertragen Fernwirkung Aus den Eigenschaften eines Objekts (Masse, Ladung, Magnetisie- Analog kann das Verbleiben der Monde in ihren Umlaufbahnen durch kleine rung. . . ) erwächst eine „Macht“, die Bewegung dafür anfälliger anderer Ob- Unterwirbel um die Planeten erklärt werden. Eine quantitative Aussage, insbeson- jekte zu beeinflussen, auch über die Distanzen „direkter“ mechanischer dere warum das 3. Keplersche Gesetz so gut eingehalten wird, liefert die Theorie Wechselwirkung hinaus.1 nicht. 4.2 Descartes und die Wirbel 4.3 Newton: Kraft Eine erste, halbwegs konsistente Theorie, wie die gebundene Planetenbewegung In Newtons epochaler Systematisierung der Naturwissenschaft (Mathematik, Dya- zustande kommen könnte, entwickelt René Descartes im Zuge seines mechanisti- mik, Masse) spielt der Begriff Kraft als Ursache der Veränderung eines Bewegungs- schen (jedoch ausdrücklich anti-atomistischen!) Weltbildes. zustandes eine zentrale Rolle. Dabei ist der gesamte Raum mit Materie in verschiedener Dichte (Verklum- Die Kreisbewegung verliert ihre Sonderstellung, da er die Notwendigkeit einer pung) aufgefüllt. Die rotierenden Himmelskörper (Sterne, Sonne) versetzen ihre Zentripetalkraft erkennt. Umgebung in begrenztem Wirkungsbereich ebenfalls in Rotation. Durch die Flieh- Bei seiner Beschäftigung mit der Mechanik der Himmelskörper stößt er auf die kräfte werden die „schwereren“ Substanzen weggedrückt und sammeln sich in der 1/r 2 -Abhängigkeit der Schwerkraft vom Massenzentrum. Zusammen mit den Ge- 1 Die „Fernwirkung“ von Magneten ist die offensichtlichste und war seit jeher Gebiet wüstester Spekulationen. Befriedigend geklärt ist sie immer noch nicht. 5
  • 6. setzen der Kreisbewegung erhält er daraus die Kepler-Gesetze, die nach wie vor Diese Teilchen wechselwirken mit Materie, indem sie daran stoßen und abge- aktuelle (nicht-relativistische) Beschreibung der Umlaufbahnen. lenkt werden. Nach den Stoßgesetzen ergibt sich ein Impulsübertrag (Kraft). Im „Schatten“ eines schweren Körpers ist die Zahl der ankommenden Teilchen aber Kräfte zwischen Himmelskörpern Damit kann bzw. muss Newton die Frage verringert, und so gleichen sich die Kräfte nicht völlig aus. Im Endeffekt bleibt eine nach einer Fernwirkungskraft in einem quantitativen, wissenschaftlichen Sinne anziehende Kraft zwischen den beiden Körpern übrig – Gravitation? formulieren. Jedoch kann gezeigt werden, dass die Kraft entweder unmerklich klein, oder die 1/r 2 -Abhängigkeit nicht exakt erfüllt sind. Folgende Fragen drängen sich zum Herantasten auf eine Erklärung der Ursache auf: • Wirkt die Kraft instantan? Spürt also jeder sofort, wenn sich ein anderer be- wegt? Oder besitzt die Fortpflanzung der gravitativen Wirkung eine endliche Geschwindigkeit auf? • Wodurch wird die Kraft vermittelt? Wird das Signal auf einer Trägersubstanz weitergeleitet (die aus Atomen oder kontinuierlich sein kann), oder han- delt es sich (ursprünglich im philosophisch-theologischen Sinne) tatsäch- lich um eine actio in distans, eine Verbindung zwischen den Körpern auf einer nicht-materiellen Ebene? In seiner statischen (bzw. „quasi-statischen“) Formulierung ist Newtons Gesetz 4.4 Äther? instantan. Zur Ursache kann er nur spekulieren. Er ist mit der experimentellen Un- zugänglichkeit der Gravitation2 sehr unzufrieden, beruft sich notfalls auf göttliche (Un)endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit Die Frage nach der Fortpflan- Kontrolle zur Einhaltung seiner Kraftgesetze. zungsgeschwindigkeit3 einer anderen „Fernwirkung“ – nämlich des Lichts – be- Die Erfolge der Wellen- und Elastizitätslehre (Schall) im 17. und 18. Jhd. ermun- antwortet Ole Rømer mit „endlich“. tern mechanische Erklärungen, neben der Tatsache, dass sie besser in die damali- Um die Bedeckungen der Jupitermonde zuverlässig zur Bestimmung der geo- ge induktive Wissenschaftskultur passen. graphischen Länge nutzen zu können, entdeckt er die jährliche Periodizität in den Verzögerungen, und erklärt sie als erster richtig mit der endlichen Lichtgeschwin- digkeit c. Huygens bestimmt c dann mit Schätzwerten (und landet tatsächlich nur Eine mechanische Erklärung der Gravitation Die von Fatio und Le Sage entwi- um etwa ein Viertel neben dem echten Wert). ckelte Gravitationstheorie galt (trotz unvorstellbarer Parameter) eine Zeit lang als vielversprechender Kandidat, konnte aber schließlich durch theoretische Überle- gungen widerlegt werden. Theorien des Lichts Für Aristoteles folgt Licht bzw. die Sichtbarkeit eines Ob- Es geht davon aus, dass das ganze Universum homogen von einem dünnen, jekts unmittelbar aus deren Existenz; Licht-Wirkung tritt also instantan ein. Dies durchdringenden Gas durchsetzt wird, dessen sehr leichte Teilchen sich mit enor- übernimmt Descartes und schließt das Licht aus seiner mechanistischen Physik men Geschwindigkeiten bewegen. quasi ganz aus. 2 die nach wie vor besteht 3 Experimentell ist sie bei der Gravitation immer noch nicht beantwortet. 4 1919/20 beweist eben dieser Effekt Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie 6
  • 7. Newton ist davon überzeugt, dass leuchtende Körper einen Strom an Lichtteil- sie überraschende Ähnlichkeit mit dem heutigen Kenntnisstand von den Kräfte- chen freisetzen, und überlegt sich bereits, dass diese von Gravitation abgelenkt Verhältnissen in der Materie (obwohl Boškovic von Quantenmechanik noch nichts ´ werden müssten.4 wissen konnte!): Bei der gewaltigen Geschwindigkeit des Lichts, spätestens mit der Beugung und Interferenz, scheint die Frage jedoch zu Gunsten der Welle ausgefallen. Doch worin schwingt das Licht, wenn keine Materie vorhanden ist? Hier wird der Äther als ein dünnes, elastisches Medium eingeführt, das den Kos- mos durchzieht, und als Schwingungsmedium für das Licht dient, ähnlich wie Luft bzw. Materie dem Schall zur Ausbreitung dient. 4.5 Was ist „Nahwirkung“? Die Nahwirkung bezeichnet die Veränderung des Bewegungszustand eines Kör- pers bei unmittelbarem Kontakt mit einem anderen (Stoß). Besonders in der Anfangszeit der neuzeitlichen Naturwissenschaft spielen Stoßgesetze eine fundamentale Rolle beim Entwickeln des Physik-Begriffes. Nicht Links: Boškovic illustriert die Abhängigkeit der Kraft vom Abstand zu Ato- ´ nur Descartes und Newton bauen ihre Theorien auf Erkenntnissen auf, die aus den men/Kraftzentren. Rechts: Tatsächliches Potential an einer Festkörperoberfläche. (vermeintlich) einfach und genau zu beobachtenden Gesetzen der Stöße harter Kugeln erwachsen. Atomistische Theorien nutzen Stöße zur Übertragung von Be- wegung und erklären so z. B. Schall. 4.6 Elektrische Kraft und Faradays Feldbegriff Auf Grund der anfangs erwähnten Skalenprobleme auf der Mikroskala bleibt Bei der Aufgabe, aus Experimenten mit Elektrizität Gesetze zu formulieren, erweist die Beschreibung der Ursache der Nahwirkung aber ebenso diffus wie Atomismus, sich die Newtonsche Kraft-Formulierung als sehr nützlich. Die Verwandtschaft zu Gravitation und Lichtäther. Da die Unmitelbarkeit der Übertragung aber Erfah- dessen Gravitationsgesetz wird schnell offenkundig: Ladungen statt Massen, glei- rung und einleuchtend ist, scheint hier kein wesentlicher Forschungsbedarf. che Abstandsabhängigkeit. Hier beschreitet der Jesuit Boškovic einen radikalen und sehr modern anmu- ´ Hierbei gelingt Faraday mit seinem (damals) unkonventionellen Bild, Kräfte als tenden Weg, indem er jede Nahwirkung auf (kurzreichweitige) Fernwirkung zu- Felder darzustellen, eine Weichenstellung in Verständnis und Beschreibung des rückführt. Alle Kräfte seien auf eine einzige Wechselwirkung zwischen atomarti- Zusammenhangs zwischen Kraft und Raum. gen Kraftzentren zurückzuführen. Während bei Newton, Coulomb etc. die Kraft eine Eigenschaft der Wechselbezie- Zwar ist auch diese Theorie spekulativ, zum Einen aber stellt sie eine sau- hung zwischen zwei Objekten darstellt, formuliert Faraday die Kräfte „einzeln“ für ber formulierte Naturerklärung dar (sie hätte für einen Fahrplan zur weiteren jeden Körper: Die Kraft wird zu einer kontinuierlichen Eigenschaft des des Raum- Forschung getaugt, wäre sie nicht in Vergessenheit geraten), andererseits zeigt es, einem Feld. 7
  • 8. An dieses Bild schließt sich zum Einen die Potential-Formulierung und damit Literatur die zentrale Rolle der Energie an, zum Anderen vollendet Maxwell mit seinen Glei- chungen damit die Elektrodynamik – und macht die Existenz eines Licht-Äthers [1] Shmuel Sambursky. Der Weg der Physik. dtv, 1978. überflüssig. [2] Károly Simonyi. Kulturgeschichte der Physik. Harri Deutsch, 1990. Dieser Feldbegriff hat sich tief verankert, sodass wir uns heute einen „leeren“ Raum unwillkürlich nicht als leer, sondern mit Feldern5 durchsetzt vorstellen. [3] Elisabeth Ströker. Denkwege der Chemie. Verlag Karl Alber, 1967. Die Frage nach der Fernwirkung reduziert sich somit auf die Frage nach der Übertragungsgeschwindigkeit von Informationen durch ein Kraftfeld (von dem [4] Tomaso Aste, Denis Weaire. The Pursuit of Perfect Packing. Taylor & Francis, uns Einstein sagt, dass sie höchstens mit Lichtgeschwindigkeit stattfinden darf ). 2008. 5 Und heute? Inhaltsverzeichnis Die Welt des Kleinen und Kleinsten Mit der Handhabung immer größerer 1 Was heißt „copernicanisch“? 1 Energien (Radioaktivität, Kosmische Strahlung, Kernreaktoren, Teilchenbeschleu- 2 Atomismen 1 niger) ist der Zugang zu immer engeren Skalen in den letzten hundert Jahren im- 2.1 Vorsokratisches Griechenland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 mer besser geworden, und hat uns ein (ziemlich) umfassendes Bild vom Aufbau 2.2 Aristoteles: Positionen und Missverständnisse . . . . . . . . . . . . . . 2 der Materie vermittelt: Das Standardmodell der Elementarteilchen. 2.3 Technik, Spätantike, Alchemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Prinzipiell erlaubt die Quantenmechanik, alle Vorgänge im Mikrokosmos zu be- rechnen, nur scheitern wir an der endlichen Rechenkapazität (Dirac). 3 Naturforschung in der Neuzeit 3 3.1 Empirie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Gravitation Mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ist Newtons Theorie 3.2 Kontroverse des 19. Jahrhunderts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 nicht „widerlegt“ worden, sondern stellt sich als (besonders einfacher) Spezialfall 3.3 Im Detail: Ideengeschichte des Kristalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 heraus. Die ART ist heute der weitgehend unbestrittene Weg, die „Schwerkräfte“ zu erklären. Heute kämpfen die Astronomen weniger mit der Theorie der Gravita- 4 Fernwirkung 5 4.1 Notwendigkeiten und Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 tion, als mit der Erklärung, wo die Massen sind (Dunkle Materie, Dunkle Energie). 4.2 Descartes und die Wirbel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4.3 Newton: Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Eine Verbindung zwischen den beiden „großen“ Theorien ART und Standard- 4.4 Äther? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 modell (Quantenmechanik, Verhalten der Elementarteilchen auf kleinen Skalen) 4.5 Was ist „Nahwirkung“? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 steht nach wie vor aus. 4.6 Elektrische Kraft und Faradays Feldbegriff . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5 Und heute? 8 25. Januar 2012, r2559 5 Elektrisches, Magnet-, Schwerefeld, letztlich auch die quantenmechanischen Wellenfelder ψ(r ) aller Teilchen. 8