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Modelle, Vorstellungen und Wirklichkeit

Einleitung

In meinem Artikel über die Grenzen der physikalischen Erkenntnis - Der Quantenwelt, Grenzen wie die Lichtgeschwindigkeit oder kosmische Phänomene - wie schwarze Löcher oder den Urknall - habe ich versucht darzustellen, das es in unserer Welt Dinge gibt die man auch bei fortschreitender Technik nicht ergründen kann.

Die häufigste Frage, die ich auf diesen Artikel bekomme ist die ob dies denn nun wirklich sicher ist. Schließlich hat man schon in diesem Jahrhundert schon zwei umstürzende Neuentdeckungen in der Physik gehabt, die Quantentheorie und Relativitätstheorie. Die E-Mail Schreiber sind dadurch der Meinung, das eine neue Entdeckung die bisherigen Vorstellungen und festen Grenzen völlig umwerfen könnte. Bestärkt werden sie durch ab und zu durch die "populäre" Presse geisternde Meldungen wie die Entdeckung von Überlichtgeschwindigkeit oder das "Beemen" von Elementarteilchen. Doch dazu am Ende mehr. In diesem Artikel geht es vor allem darum zu erklären was Modelle in der Naturwissenschaft allgemein sind, wodurch sie sich auszeichnen und wie sie sich entwickeln. Sie sollten nach Lektüre dieses Artikels etwas kritischer sein und etwas mehr Vertrauen in unsere Vorstellungen von der Welt haben.

Was ist ein Modell?

Viele - auch Wissenschaftler - sind sich oft nicht bewusst, was ein Modell eigentlich ist. Ein Modell ist eine vereinfachte Vorstellung von etwas, einem Vorgang, einem Naturgesetz oder dem Aufbau von etwas. Es bedeutet aber nicht, das der beschreibende Gegenstand so ist, sondern das er sich nur in dem, was das Modell so beschreibt, so verhält.

Okay, das klingt sehr theoretisch, kommen wir zur Praxis. Ein einfaches Modell ist z.B. das Gravitationsgesetz. Dabei denkt man sich die gesamte Masse eines Körpers in einem Punkt konzentriert. Wenn man sich die Erde ansieht, so sieht man aber sofort, das dies nicht so ist. Es dürfte z.B. ein paar Probleme machen einen Satelliten in eine Umlaufbahn zu bringen die kleiner als der Erdradius ist. Doch auch bei höheren Bahnen wie bei geostationären Satelliten (zirka 36000 km über der Erdoberfläche) ist dies nur ungefähr gegeben. Man kann zwar beim Einschuss in diese Bahn nach dem Gravitationsgesetz arbeiten, doch der Satellit bleibt nicht in dieser Bahn, wie er es eigentlich sollte. Grund ist, das die Erde eben keine gleichmäßige Verteilung der Masse hat. Am Äquator ist der Radius höher, so das ein Satellit bestrebt ist sich von einer Äquatorbahn in eine andere Bahn zu bewegen, weil er dort einer niedrigeren Gravitationskraft ausgesetzt ist, innerhalb der Bahn um die Erde gibt es auch Senken - Punkte niedrigerer Anziehungskraft, vor allem dort wo Ozeane sind, da Kontinente ebenfalls eine höhere Dichte haben. Dadurch muss die Position von Satelliten dauert reguliert werden, wozu man Treibstoff benötigt. Über einen Zeitraum von 12-15 Jahren in etwa so viel, das ein Viertel der Satellitenmasse aus Treibstoff bestehen muss.

Ähnlich ist dies bei allen Modellen: Jedes Modell beschreibt eine Vorstellung die wir haben, innerhalb bestimmter Grenzen ist die Wirklichkeit mit den Modellvorstellungen nahezu identisch, aber jedes Modell hat auch Grenzen, ab der es nicht mehr gültig ist. Es gibt Modelle, die enge Grenzen haben, vor allem wenn wir uns an sehr kleine oder große Messstäbe - Atome oder kosmische Objekte - bewegen. Andere Modelle haben sehr weite Grenzen, wenn man z.B. eine Summenformel einer chemischen Reaktion betrachtet, so interessiert man sich nicht für die Details sondern nur Ausgangsstoff und Endstoff und Energie. Wie genau eine Reaktion eines Moleküls verläuft, ist gar nicht so einfach zu beschreiben, doch die Summe aller Reaktionen kann man in einer einfachen Formel hinschreiben. Am besten merken sie sich den Satz "Versuche nie die Speisekarte zu essen" - Verwechsele nie das Modell mit der Wirklichkeit.

Modelle gibt es nicht nur in der Physik

Am bekanntesten sind Modelle in der Physik. Jeder, der in der Schule Physik hatte, kennt die hübschen Formeln mit denen dort Naturgesetze in mathematische Zusammenhänge gegossen werden. Hinter jeder Formel steht eine Modellvorstellung wie Vorgänge ablaufen sollen. Die bekanntesten heute sind auch die komplexesten: Modelle über die Entstehung der Welt (Urknalltheorie), über Zeit und Raum (Relativitätstheorie) und den Aufbau der Materie (Quantentheorie).

Doch es gibt Modelle überall: In anderen Naturwissenschaften wie Geisteswissenschaften. In der Chemie z.B. Theorien über den Aufbau von Atomen und Molekülen und ihren Reaktionen. In der Biologie über die Evolution und das Verhalten, in der Medizin über die Arbeit und Funktion von Organen, in der Philosophie über den Menschen und die Welt...

Im allgemeinen besser dran sind Wissenschaften in denen man die Modelle durch Experimente nachprüfen kann. Man kann hier Modelle verifizieren. Wissenschaften wie Philosophie dagegen haben Probleme die Gültigkeit von Modellen zu beweisen, deswegen gibt es auch einige Modelle darüber warum Menschen lieben oder nicht... und seit Jahrhunderten diskutieren Philosophen über diese, ohne zu einem endgültigen Ergebnis zu kommen.

Die Entwicklung von Modellen - Die Antike

Angesprochen wurde schon, das viele Mails die ich bekomme, die Überzeugung vertreten das bei der fortschreitenden Entwicklung neue Modelle die alten ersetzen. Dabei sollen Schranken fallen und bisher nicht mögliches möglich werden, wie z.B. Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit. Ich werde nun erläutern warum diese Vorstellung falsch ist.

Betrachten wir einmal die Entwicklung eines Modells das jeder nachvollziehen kann: Die Vorstellung über die Gestalt der Erde. In den ältesten Kulturen finden wir hier nur wenig. Die wenigsten Kulturen machten sich eine Vorstellung über die konkrete Gestalt der Erdoberfläche. Sehr oft findet man Vorstellungen, das die Erde auf dem Rücken von großen Tieren wie Elefanten oder Schildkröten ruht. Ihre Bewegung verursachte dann Erdbeben - auch ein Modell um Naturkräfte zu beschreiben.

Bevor wir nun darüber lachen sollten wir uns eines vergegenwärtigen: Für die alten Kulturen bestand die Welt aus einem Bruchteil der Erdoberfläche. In Mesopotamien hörte die Welt bei Indien im Osten und Ägypten im Westen auf. Dazu kommt das man diese Modelle mit den beobachtbaren Phänomenen - Schiffe tauchen am Horizont zuerst mit den Masten auf, - was für eine Krümmung der Oberfläche spricht - in Einklang bringen kann, denn auch der Buckel einer Schildkröte ist gekrümmt. In keiner dieser Schilderung taucht übrigens die Vorstellung einer Scheibe auf, wie oft behauptet wird.

Die nächste Evolution war die Vorstellung der Erde als einer Kugel. Die Griechen leiteten dies auch aus der Beobachtung von verschwindenden Schiffen und dem Erdschatten bei einer Mondfinsternis her. Da dieser kreisförmig war musste die Erde eine Kugel sein. Sie konnten durch Vermessung des Winkels der Sonne am Mittag an verschiedenen Orten sogar die Größe auf 1 % genau berechnen. Obgleich in diesem Falle richtig, behinderten griechische Vorstellungen aber die Wissenschaft im Westen bis zur Renaissance. Anders als heute, haben die Griechen Wissenschaft durch Deduktion betrieben. Sie haben nicht vermessen und danach eine Theorie entwickelt. Das nennt man heute Induktion: Durch Messen und Beobachten Schlüsse ziehen und eine Vorstellung entwickeln, welche die Messergebnisse beschreibt.

Die Griechen haben solche Erfolge bei der Mathematik gehabt, die man durch einfache Sätze beschreiben konnte, das sie die Deduktion auch auf Naturwissenschaften übertrugen: Eine geistige Vorstellung wie etwas sein sollte, weil es mathematisch schön ist, auf die Natur zu übertragen. Die Griechen vertraten nicht die Ansicht die Erde sei eine Kugel, weil sie diese ausgemessen hatten und dadurch zu dem Schluss kamen, es müsste so sein. Nein sie sagten dies weil die Kugel ein vollkommener Körper ist, der mit der höchsten Symmetrie. Und - oh Wunder die Beobachtungen deuteten darauf hin, das sie recht hatten. Nun begann die schwarze Epoche in der Wissenschaft, sie übertrugen diesen Ansatz auf alle naturwissenschaftlichen Phänomene. Weil sie es für logisch hielten, das schwere Körper schneller als leichte fallen (Feder im Vergleich zu Stein) legten sie dies als Naturgesetz fest. Dabei kann man dies recht einfach widerlegen, wenn man eine Holzkugel und Bleikugel von einem Turm fallen lässt - aber die Griechen machten keine Experimente und ihre Überzeugung hielt sich, so das man auch später keine Experimente machte, und sich die Vorstellungen und die Erkenntnisse bis zum Ende des Mittelalters kaum weiterentwickelten.

Die Griechen brachten dabei erstaunliches zustande. Da in ihrer Vorstellung die Planeten auf vollkommenen Kreisen um die Erde bewegten gab es ein paar kleinere Probleme mit den wirklichen Bahnen der Planeten und der Sonne. Flugs wurde die Theorie erweitert: Die Planeten umkreisten die Erde auf Kreisen die auf einem größeren Kreis lagen. Als das noch nicht reichte auf noch kleineren Kreisen auf größeren und zuletzt auf einem Kreis. Auch wenn dies kompliziert ist, so kommt als Folge davon eine Ellipsenbahn heraus, die zwar schwer zu berechnen ist, aber die Himmelsbahnen innerhalb kurzer Zeiten genau wiedergibt.

Kolumbus hat sich auf die Griechen verlassen und dabei auch ein paar Probleme bekommen. Die genaue Bestimmung des Erdradius kam wieder in Vergessenheit und Ptolemäus, ein Verfasser einer Zusammenfassung über die Erkenntnisse über die Welt prägte ab 300 nach Christus. was wissenschaftlich erweisen war. Neue Erkenntnisse wurden abgetan mit den Worten "Ptolemäus aber sagt...". So war Kolumbus der Meinung, der Erdumfang betrage 28.000 km anstatt 40.000 km. Da er noch dazu die Entfernung nach Indien um 2000 km falsch einschätzte meinte er, nach 7000 km Fahrt nach Westen in Indien zu sein, noch heute heißen die Bewohner von Amerika daher Indianer...

Moderne Naturwissenschaft

Mit der Renaissance begann die heutige Induktive Vorgehensweise in der Wissenschaft: Vorstellungen werden gewonnen, indem man misst und versucht die Messwerte mit einer Modell - Vorstellung erklären. Gibt es einen neuen Ansatz, der nicht zu der Vorstellung passt, so muss man das Modell modifizieren oder ganz verwerfen, was aber bei Modellen hinter denen Formeln stehen selten passiert. In der Biologie gibt es aber noch aus dem letzten Jahrhundert den Fall, das man die Vorstellungen über Evolution völlig ändern musste. Die Biologie zu dieser Zeit hatte aber den Nachteil, das Evolution vom Menschen direkt nicht beobachtet bar ist - die Zeiträume waren einfach zu lang. Erst mit der Beobachtung der Auslesen von kurzlebigen Pflanzen oder Bakterien konnte man die Theorie richtig bestätigen.

Die moderne Wissenschaft hat durch Messung festgestellt, das die Erde fast eine Kugel ist, nur am Äquator durch die Rotationskraft ausbeult - auch die Erklärung ist nun möglich. Man nimmt die Gestalt nicht einfach wie bei den Griechen so hin. Man weiß warum ein Körper natürlich eine Kugel bildet und das sie durch die Rotationskraft am Äquator ausgebeult werden. Seit es Satelliten gibt, weiß man auch, das die Erdoberfläche der Nordhalbkugel etwas erhöht ist, durch die größeren Landmassen. Die Unterschiede werden dabei immer kleiner - sind es bei dem Unterschied von Pol zu Äquator noch 32 km, so sind es bei den Landmassen, die den mittleren Erdradius bestimmen noch 1-2 km und lokale Senken wie im Pazifik liegen bei wenigen Hundert Meter. Alle Werte sind bezogen auf den mittleren Erdradius, nicht die lokale Höhe die z.B. von einem Gebirge oder einem Graben bestimmt wird.

Wir sehen aber daran auch das sich Modelle evolutionär verhalten: Wenn wir sagen, die Erde ist eine Kugel so ist streng genommen falsch, aber für praktische Zwecke wie Reisen reicht dieses einfache Modell aus. Wenn wir also nicht zu hohe Genauigkeit verlangen, oder uns außerhalb den Grenzen des Modells bewegen können wir mit dem einfachen Modell arbeiten.

Deutlich wird dies an der Newtonschen Mechanik: Sie beschreibt unter anderem die Bewegung der Planeten. Newton hat auch seine Vorstellungen aus den Bewegungen der Gestirne abgeleitet. Und für Geschwindigkeiten die Planeten haben, stimmen seine Berechnungen auch. Die NASA berechnet Bahnen von Raumsonden nach Newton. Seit Einstein wissen wir, das bei hohen Geschwindigkeiten, die nahe der Lichtgeschwindigkeit sind, dies falsch ist. Aber die Abweichung ist bei allem was der Mensch in den Raum schickt so klein, das man sie vernachlässigen kann, ebenso, wie man bei einem Flug die genaue Gestalt der Erde nicht benötigt.

Alle Modelle falsch?

Klar dürfte nun sein, das der Ansatz den viele haben, neue Modelle würden die alten ablösen und bisher verbotenes nicht richtig sein kann. Wie ich schon schrieb entwickeln sich Modelle evolutionär, d.h. sie werden zunehmend verfeinert. Bei Newtons Modell wurde es erweitert um die Beschreibung was bei hohen Geschwindigkeiten passiert - darüber hatte sich Newton keine Gedanken gemacht. Bei dem Modell über die Erde, werden die Abweichungen von der Kugel immer kleiner. Die Vorstellung die viele aber haben, sind die von Umstürzen, die alte Vorstellungen ungültig machen, und dies ist einfach nicht so. Ein Umsturz wäre, wenn man nun plötzlich herausfinden würde, das die Erde in Wirklichkeit ein Würfel ist! Das ist auch so, bei der zweiten "Revolution" in unserem Jahrhundert, der Quantentheorie. Die Revolution bestand darin, das man entdeckte, das bei kleinen Teilchen Energie nur in bestimmten Vielfachen abgegeben wird. Vorher galt die Vorstellung das alle Naturgesetze kontinuierlich wären. In Wirklichkeit ist es auch eine Erweiterung. Die Quantentheorie sagt nicht, das nun bei makroskopischen Körpern alle bisherigen Gesetze ungültig sind. Auch hier ist Sie zwar prinzipiell anwendbar, aber Quanten gibt es in Vielfachen von 6.67x10-34 J, das ist ein so kleiner Wert, das er bei größeren Körpern als Molekülen völlig in dem Bereich der Messungenauigkeit untergeht.

Neue Modelle erweitern alte. In der Chemie konnte man Summenformeln schon Anfang des 19. ten Jahrhunderts aufstellen, später entdeckte man Strukturformeln - sie sagen etwas aus über die Verbindung der Atome und noch später die genaue räumliche Position der Atome. Trotzdem sind die Summenformeln nicht falsch, sie sind nur eine sehr einfache Abbildung, die aber z.B. für den Gesamtumsatz völlig ausreichen.

Feste Grenzen

Kommen wir nun zu dem Punkt der gerne nicht akzeptiert wird: feste Grenzen, vor allem die Lichtgeschwindigkeit. Es ist nun nicht so, das diese Grenzen einfach nur in der Theorie postuliert werden. Die Grenzen sind real und können im Experiment beobachtet werden und werden heutzutage auch praktisch ausgenutzt. Wären sie nicht real so gäbe es schon heute Probleme.

Nehmen wir eine Grenze die vielleicht einfacher verständlich ist: Die des absoluten Nullpunktes der Temperatur bei -273.15 °C. Sie wird von niemanden bestritten, weil sonst eine Menge Physik keinen Sinn macht. Physiker versuchen sich mit immer größerem Aufwand sich dieser Grenze zu nähern. So liegt der Temperaturrekord im negativen derzeit in Braunschweig, dort ist derzeit der kälteste Punkt im Universum zu finden. Wäre diese Grenze einfach zu überschreiten so wäre es sicher schon gelungen.

Nun warum ist der absolute Nullpunkt eine Grenze? Nun Temperatur ist physikalisch betrachtet ein Maß für die Energie die ein Körper hat. Sie drückt sich darin aus, das die Atome bewegen. Hat ein Körper keine Energie so bewegen sich die Atome nicht. Dieser Punkt ist der absolute Nullpunkt der Temperatur. Ein Körper kann aber nicht negative Energie haben, die Atome können sich nicht weniger als gar nicht bewegen, das ergibt keinen Sinn. Jeder Körper über dem absoluten Nullpunkt kann Energie abgeben, ein Körper mit negativer Energie dagegen müsste Energie aufnehmen um keine Energie zu bekommen! Oder anders ausgedrückt aus einem Körper mit negativer Energie könnte man unendlich lange Energie gewinnen. Kurzum mit der Energie, ist es wie bei anderen natürlichen Dingen : Es gibt sie nicht negativ. Es gibt nicht "minus zwei Äpfel" und es gibt keine negative Energie.

Es ist nun klar, dass das Fehlen dieser festen Grenze einen Widerspruch bedeutet, eine irrationale Welt die wir so nicht beobachten. Zu der Lichtgeschwindigkeit verweise ich auf den Aufsatz über die Grenzen der Erkenntnis von mir. Wichtiger erscheint mir an dieser Stelle, das wir schon heute Postulate von Einstein und der Quantentheorie praktisch nutzen. GPS erreicht seine Genauigkeit nur, wenn man die Signale um die relativistischen Effekte korrigiert, sonst könnte man nicht mehr als 1-2 km Genauigkeit erreichen. Die Unerreichbarkeit der Lichtgeschwindigkeit nutzt man in Beschleunigern aus indem man Elektronen und Protonen beschleunigt - sie erreichen nie Lichtgeschwindigkeit, aber werden immer schwerer. Es ist heute kein Problem ein Elektron so zu beschleunigen das es fast c erreicht, aber eben nicht ganz - dafür wiegt es 200.000 mal mehr als ein ruhendes Elektron.

Quanteneffekte sind heute schon bei Computern wichtig, je kleiner die Bauteile werden, desto wichtiger werden sie.

Sensationsmeldungen

Ab und zu rauscht es im Blätterwald. Es tauchen Meldungen auf, die sensationell sind: Professor XY hat Überlichtgeschwindigkeit erreicht, Doktor y hat die Schwerkraft aufgehoben und z hat das "Beamen" ermöglicht.

Was ist davon zu halten? Nun eine allgemeine Vorstellung von Wissenschaftlern ist, das alle seriöse Forscher sind, eifrig im Elfenbeinturm arbeitend. Das ist falsch: Wissenschaftler sind Menschen wie Du und Ich, die zwar etwas mehr über ein Gebiet wissen, aber trotzdem Irrtümern erliegen können oder von einer fixen Idee besessen. Daher mein Rat: Glauben sie nicht alles, lesen Sie quer, auch bei meinen Artikeln - suchen sie nach mindestens einer zweiten zuverlässigen Quelle.

Nun ist die Naturwissenschaftliche Welt aber streng. Normalerweise veröffentlicht man seine Ergebnisse in einer wissenschaftlichen Zeitschrift. Gerade wenn es sehr spektakulär ist, kann man sich sicher sein, das einige Dutzend Gruppen dies überprüfen und dann bestätigen oder - das ist der Normalfall - Fehler aufdecken oder ganz andere Ergebnisse rausbekommen. So werden Täuscher entlarvt wie die Gruppe die 1989 ebenfalls sensationell die "kalte Kernfusion" im Reagenzglas präsentierte um schnell an Forschungsgelder zu kommen. Mancher veröffentlicht daher gar nicht und wendet sich nur an die Medien. Dann wendet er sich aber ab von einem wichtigen Kontrollmedium in der Wissenschaft - und warum sollte man jemanden glauben, der seine Ergebnisse nicht überprüfen lassen will.

Zum Schluss gibt es noch Gruppe 3 der Sensationspresse: Dem absichtlichen Ändern des Kontextes. So hat Anton Zeilinger es geschafft den Spinzustand eines Elektrons auf ein anderes zu übertragen. In der Sensationspresse wurde dies als "Beamen" bezeichnet, als wäre das Elektron selbst bewegt. Das ist natürlich Unsinn. Es ist eine Ausnutzung der schon bekannten Quantenphysik indem man zwei kohärente Elektronen erzeugt hat, d.h. Elektronen die in ihrem Quantenzustand verbunden sind. Misst man nun den Quantenzustand eines Elektrons, so kennt man auch den des anderen, auch wenn es sich von dem ersten Elektron entfernt hat - aber das Elektron selbst wurde nicht "steleportiert" und Anton Zeilinger schließt auch aus, das dies bei einem Menschen je möglich sein werde.

Was also tun bei solchen Sensationsmeldungen: Abwarten und Tee trinken. Sind sie wahr, so werden in den nächsten Monaten neue Ergebnisse auftauchen und das ganze wird genauer erklärbar. Stimmen sie nicht, so wird es bald still. Forschung muss heute schauen, woher sie das Geld bekommt, da gibt es leider solche Blüten. Insbesondere in Amerika, da veröffentlicht die NASA schnell mal die Meldung von Bakterien in Marsmeteoriten, um ein neues Programm zur Erforschung des Mars aufzuziehen oder eine private Firma meldet verfrüht die Entschlüsselung des menschlichen Genoms, damit die Aktienkurse steigen. Daher gilt immer öfter: Augen auf und Verstand einschalten!



© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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