Die Physis der Physikerınnen

Otto Sterns Atem, Albert Einsteins Aufzug und Stephen Hawkings Gedankenreisen

Von Tanja Traxler

Es liegt mittlerweile Jahrzehnte zurück, dass ein epistemologisches Erdbeben die Physik erschüttert hat. Zuvor hatte sich die Tektonik der Physik Jahrhunderte lang kaum bemerkbar gemacht: Aufgesponnen zwischen Aristotelischer Logik, Newtonscher Mechanik und Maxwells Feldgleichungen war die klassische Physik ein Theoriegebäude, das sehr gut menschenähnliche Dimensionen beschrieb, jedoch versagte, sobald man diesen anthropozentristischen Bereich verließ. Um 1900 betrat die moderne Physik in Form zweier bis heute unvereinbarer Theorien das Parkett: Einerseits beschrieb die Relativitätstheorie Bewegungen in der Größenordnung von Himmelskörpern wesentlich genauer als die klassische Physik, andererseits setzte sich die Quantenmechanik in der Beschreibung von Phänomenen im Größenbereich von Atomen durch.

 

Die offensichtlich sehr verschiedenen Größenordnungen stechen als Unterschied zwischen klassischer und Quantenphysik besonders ins Auge, ebenso wie die verschiedenen mathematischen Formalismen der Theorien oder die Gesetzmäßigkeiten, nach denen Bewegungen erfolgen. Dennoch erachtete Niels Bohr, einer der Gründerväter der Quantentheorie, einen ganz anderen Unterschied als wesentlich: Während die beobachteten Objekte in der klassischen Physik nicht durch die Messung beeinflusst werden, bedeutet eine Beobachtung in der Quantenphysik immer auch eine Veränderung im Zustand des gemessenen Systems.

 

Deutlich wird dies etwa in einem Aufsatz von 1949: „This crucial point […] implies the impossibility of any sharp separation between the behaviour of atomic objects and the interaction with the measuring instruments which serve to define the conditions under which the phenomena appear.“ [1] Im Gegensatz zur klassischen Physik pocht Bohr auf den ganzheitlichen Charakter („Wholeness“) der Quantentheorie: Empirische Gewissheiten, die man unter bestimmten experimentellen Gegebenheiten gewinnt, können nicht abstrahiert von diesen betrachtet werden.

 

Das schließt den konkreten Aufbau der Messapparaturen ebenso ein wie die Physikerin oder den Physiker selbst. In ihrem 2007 erschienenen Buch Meeting the universe halfway (auf Deutsch ist ein Teil davon 2015 unter dem Titel Verschränkungen erschienen), schreibt Karen Barad über Bohrs Interpretation: „Im Gegensatz zu der bedeutungslosen Rolle des Beobachters in der Newton’schen Physik argumentierte Bohr, dass die Quantenphysik einen neuen logischen Rahmen erfordert, der die Beobachtungsprozesse berücksichtigt.“ [2]

 

Eine epistemologische Revolution

 

So entpuppt sich, was zunächst als subtile Differenzierung erscheinen mag, als epistemologische Revolution: Es gibt in dem Sinne keine objektive Wissenschaft als Gewissheiten, die aus einer bestimmten experimentellen Situation gewonnen wurden, nicht prinzipiell auf andere Messungen desselben Objekts übertragen werden können. Allenfalls handelt es sich bei den einst als objektiv wahren experimentellen Befunden der Physik um einzelne Ausschnitte, die sich zu einem komplementären Bild der Wirklichkeit zusammenfügen.

 

Bohr schrieb dazu: „[…] evidence obtained under different experimental conditions cannot be comprehended within a single picture, but must be regarded as complementary in the sense that only the totality of the phenomena exhausts the possible information about the objects.“ [3] Seit Jahrzehnten wird mittlerweile an der Interpretation, Reinterpretation und Fortsetzung der Bohrschen Theorien gearbeitet. Vielleicht auch deswegen scheinen Physikerınnen nicht gar so extrem wie Philosophınnen gefährdet zu sein, ihren Körper zu vergessen.

 

Und dennoch: Es besteht eine Tendenz, unter der von Bohr propagierten Wholeness eher die Performance der eingesetzten Apparaturen als die Performanz des eigenen Körpers ins Zentrum der Aufmerksamkeit zu rücken. Pointiert bringt das Marc Rölli auf den Punkt, wenn er schreibt: „Es ist ein wenig paradox. Die Wissenschaft hat lange Zeit auf Geltungsbedingungen ihrer Erkenntnisse und Wahrheiten insistiert, die wie Allgemeinheit und Notwendigkeit auf Kriterien referieren, die über den operationalen Bezugsrahmen ihrer experimentellen Praxis weit hinausreichen. Sie handelt von Körpern, von nichts als Körpern, möchte man sagen, und doch will sie diese so erkennen, wie sie kein Körper erkennen kann – von einem quasi körperlosen Ort aus, als unbeteiligter Zuschauer von oben herab.“ [4]

 

Die aktive Rolle des Beobachters oder der Beobachterin in der modernen Physik wirkt sich auch auf die Zeit- und Raumkonzeptionen der Theorie aus, wie Bernhard Waldenfels betont: „[Die] Raumvorstellung, die in der klassischen mathematischen Physik ihren Rückhalt findet, wird in der modernen Physik, in der der Beobachter eine zentrale Rolle spielt, revidiert. Das Hier taucht damit selbst in der Physik auf, also in jener Theorie, die von konkreten Lebenszusammenhängen absieht. Es taucht auf in Gestalt eines Beobachters, der nicht einfach gestrichen werden kann, sondern der zum Meßsystem hinzugehört.“ [5] Die Geringschätzung des Körpers in der Physik geringschätzend und das Körperliche nicht als empirisches Hindernis, sondern gerade als zentrales Vehikel jeder Empirie verstehend, soll im Folgenden in drei anekdotischen Annährungen an die Physis der Physikerınnen erkundet werden, was der Körper in der Physik vermag.

 

Otto Sterns Atem

 

In den ersten Februartagen des Jahres 1922 trafen sich die deutschen Physiker Otto Stern und Walther Gerlach in Göttingen zu einem ernsten Gespräch. Stern war dazu aus Rostock angereist, wo er kurz zuvor eine Professorenstelle für theoretische Physik angenommen hatte. Gerlach hatte einen weniger weiten Weg hinter sich: Er war aus Frankfurt gekommen, wo er im dortigen Physikalischen Verein über Monate hinweg gemeinsam mit Stern an einem Experiment gearbeitet hatte, mit dem die Quantisierung des Raumes nachgewiesen werden sollte.

 

Die Idee zum Experiment hatte Stern über ein Jahr zuvor an einem kalten Morgen in seinem warmen Bett [6] ersonnen: Ausgehend vom Modell des Bohrschen Magnetons hatte Wolfgang Pauli 1920 eine Theorie zur Quantisierung des Raumes aufgestellt. Stern erkannte, dass diese Quantisierung dazu führen sollte, dass sich ein Strahl von Silberatomen unter gewissen Bedingungen durch die Einwirkung eines magnetischen Feldes in zwei Strahlen aufspaltet. Im klassischen Modell dagegen würde sich der Strahl kontinuierlich verbreitern anstatt zwei diskrete Werte anzunehmen.

 

Obwohl seine Kollegen der Idee zunächst skeptisch gegenüberstanden, gelang es ihm, in Gerlach einen Mitstreiter zu gewinnen. Finanziert wurde das Experiment einige Monate lang durch die Eintrittsgelder, die bei einer Vortragsreihe von Albert Einstein über die damals populär werdende Relativitätstheorie eingenommen worden waren. Als die Mittel ausgingen, wurde Henry Goldman um Unterstützung gebeten. Der Gründer des Investmentunternehmens Goldman Sachs ermöglichte mit einem Scheck über mehrere Hundert Dollar die Weiterführung des Experiments. [7]

 

Erst nach über einem Jahr gelang es Stern und Gerlach, am Auffangschirm Silberatome sichtbar zu machen. Später erinnerte sich Stern daran – eine Erzählung, die in eindrucksvoller Weise die Performanz des Körpers Sterns in der physikalischen Messanordnung zum Ausdruck bringt: „After venting to release the vacuum, Gerlach removed the detector flange. But he could see no trace of the silver atom beam and handed the flange to me. With Gerlach looking over my shoulder as I peered closely at the plate, we were surprised to see gradually emerge the trace of the beam… Finally we realized what [had happend]. I was then the equivalent of an assistant professor. My salary was too low to afford good cigars, so I smoked bad cigars. These had a lot of sulfur in them, so my breath on the plate turned the silver into silver sulfide, which is jet black, so easily visible. It was like developing a photographic film.“ [8]

 

Es war also Sterns Atem schlechter Zigarren (und wie sich bei einem Reenactment des Experiments 2002 herausstellte, hätte jeglicher Zigarrenatem genügt [9]), der im Stern-Gerlach-Versuch eine aktive Rolle des experimentellen Setups darstellt – der herkömmlichen Vorstellung von der vernachlässigbaren Physis des Experimentators oder Experimentatorin völlig zuwiderlaufend.


Doch damit war der Nachweis der Aufspaltung in zwei Teilstrahlen noch nicht erbracht. Die monatelangen Anstrengungen dazu sollten erfolglos bleiben, und so kamen Stern und Gerlach bei ihrem Treffen in Göttingen überein, aufzugeben.

Wie es Schicksalstage an sich haben, geschah auch an diesem Tag etwas Unerwartetes: Die deutsche Bahn streikte, Gerlach saß in Göttingen fest, und um die Wartezeit auszunutzen, überlegte er trotz gegenteiliger Abmachung mit Stern, doch noch einmal, wie das Experiment verbessert werden könnte. Zurück in Frankfurt machte er sich an die Arbeit und konnte wenige Tage später in der Nacht vom 7. auf den 8. Februar die ersehnte Aufspaltung in zwei Teilstrahlen nachweisen, was Stern und Gerlach wenig später publizierten. [10]

 

Albert Einsteins Aufzug

 

Ein Mensch befindet sich in einem Aufzug. Und dieser Aufzug befindet sich im freien Fall. Spürt dieser Mensch das eigene Gewicht seines Körpers? Was passiert, wenn er einen Gegenstand in seiner Hand loslässt? Der Mensch in diesem Aufzug ist Albert Einstein. Und was wie das Szenario eines Albtraums klingt, nannte dieser seinen „glücklichsten Gedanken“. [11] Denn es war dieses Gedankenexperiments, das die Initialzündung für seine Allgemeine Relativitätstheorie lieferte.

 

Zur enormen Bedeutung, die Gedankenexperimente in Einsteins Theoriebildung einnehmen, sagt der Einsteinforscher Jürgen Renn, dass diese der „Verarbeitung von Alltagserfahrungen“ [12] dienen. Gerade bei der Entwicklung mathematischer Theorien von abstrakten Raum- und Zeitkonzeptionen bedarf es der physischen Erfahrung des Physikers oder der Physikerin als Ideengeberin. Der anscheinend rein mathematische Formalismus liegt insofern in der konkreten körperlichen Erfahrung begründet. Renn dazu: „Wenn ich Ihnen sage, stellen Sie sich vor, Sie sind in einem Aufzug, der vorübergehend fällt, dann würde ich Ihnen natürlich nicht wünschen, diese Erfahrung hier zu machen, aber nur aufgrund meiner Beschreibung können Sie sich das ausreichend vorstellen, dass man in diesem Moment schwerelos ist. Wenn Sie etwas in der Hand hätten, könnten Sie es auslassen – es fällt ja mit Ihnen. Es geht dabei beinahe um Alltagserfahrungen.“ [13]

 

Einsteins Rückführung der abstrakten Fragestellung über die Wirkkraft von Gravitation auf eine zwar imaginierte, aber dennoch körperliche Erfahrung war notwendig, um zu erkennen, dass Raum und Zeit keine absoluten Größen sind, wie es vor Einstein angenommen worden war. Der freie Fall im Aufzug ließ Einstein zu der Überzeugung gelangen, dass Gravitation weniger als Kraft zwischen Körpern aufgefasst werden kann, wie es die Newtonsche Mechanik vorsieht, sondern vielmehr als Effekt der Struktur des Raumes und der Zeit verstanden werden muss.

 

Was das bedeutet, lässt sich am Beispiel eines vom Baum fallenden Apfels verdeutlichen: Laut Newton fällt der Apfel zum Boden, weil er durch die Masse der Erde von ihrer Schwerkraft angezogen wird. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sieht aber eine andere Erklärung vor: Die Masse der Erde führt zu einer Krümmung der Raumzeit – in die so entstehende Mulde rollt der Apfel wie von selbst hinein.

 

Eine Erklärung Einsteins für seinen Sohn Eduard, warum er so berühmt sei, kann insofern auch als Gewahrwerdung gelesen werden, was die Bewusstseinswerdung seiner eigenen Körperlichkeit für seine Physik für eine Bedeutung spielt: „Siehst du, wenn ein blinder Käfer über die Oberfläche einer Kugel krabbelt, merkt er nicht, dass der Weg, den er zurücklegt, gekrümmt ist. Ich hingegen hatte das Glück, es zu merken.“ [14]

 

Stephen Hawkings Gedankenreisen

 

Dass sich die Performanz des Körpers nicht nur in physikalischen Experimenten bemerkbar macht, sondern auch das Theoretisieren des Physikers oder der Physikerin immer schon an den eigenen Körper rückgebunden ist, wird besonders auch dann deutlich, wenn der betreffende Körper von der Norm abweicht, wenn er nicht dieselben Fähigkeiten vollziehen kann wie andere Körper, wenn eine physische Einschränkung vorliegt.

 

Stephen Hawking hatte mit 21 Jahren gerade seinen PhD in theoretischer Astronomie und Kosmologie an der Cambridge University begonnen, als seine Eltern darauf bestanden, seine immer häufiger aufkommenden körperlichen Aussetzer, untersuchen zu lassen. Die für ihn niederschmetternde Diagnose lautete Amytrophe Lateralsklerose (ALS) – eine degenerative Erkrankung des motorischen Nervensystems, seine Ärzte gaben ihm noch „zwei bis drei“ Jahre zu leben. Diese Vorhersage sollte sich zwar nicht erfüllen – am 8. Jänner 2017 feierte Hawkings seinen 75. Geburtstag. Doch sein Leben sollte durch die Krankheit entscheidend gezeichnet sein. Das wird etwa deutlich, wenn Hawking über die Zeit spricht, als er die Fähigkeit zu sprechen verlor: „I […] felt trapped inside my body.“ [15]

 

Hawkings physischer Zustand machte ihn in mehrfacher Weise zu einem Ausnahmephysiker. Bedingt durch das Gefühl, nicht viel Zeit zu haben, wendete er schon in seiner Dissertation einer Frage zu, die in ihrer großen Tragweite von der Mehrheit der Physiker und Physikerinnen nicht im Laufe einer langen Karriere angegangen wird: Wie ist das Universum entstanden und braucht es dazu – physikalisch gesehen – einen Gott? Nein, sollten Hawkings Berechnungen ergeben.

 

Hervorgehoben soll an dieser Stelle eine Episode in seinem Leben werden, die der Physiker Kip Thorne als Hawkings Kollege beobachtet hat. Nachdem Hawking der Nachweis gelungen war, dass Schwarze Löcher mit der Zeit zerstrahlen, wurde er als Gastforscher an das California Institute of Technology in die Gruppe von Thorne eingeladen. Hawking saß zu dieser Zeit schon einige Jahre im Rollstuhl, doch während des einjährigen Aufenthalts musste er eine andere körperliche Fähigkeit einbüßen: das Schreiben.

 

Bis dahin war er gewohnt, seine physikalischen Ideen mit Papier und Bleistift zu entwickeln, doch da diese körperliche Praxis nicht mehr möglich war, entwickelte er andere Strategien. „[…] as he gradually lost the use of his hands, he further developed his unique ways of thinking“, [16] sagt Thorne über Hawkings Entwicklung während dieser Zeit. „He could move with the speed of light across the frontiers of knowledge and see things that nobody else could see.“ [17] Thorne macht sich eine sehr körperliche Vorstellung von Hawkings neuen Wegen, zu theoretisieren: „The disability forced him to carry himself in new ways, new directions.“ [18]

Fußnoten:

  1. ^ Bohr, Niels (2010 [1961]): Atomic physics and human knowledge. Mineola, N.Y.: Dover Publications. S. 39-40.
  2. ^ Barad, Karen (2014): Verschränkungen. Berlin: Merve. S. 17.
  3. ^ Bohr, Niels (2010 [1961]): S. 40.
  4. ^ Rölli, Marc (2014): „Spinoza gegen Descartes. Oder warum man den Körper nicht ausblenden kann.“ In: Arno Böhler, Krassimira Kruschkova, Susanne Valerie Granzer (Hrg.): Wissen wir, was ein Körper vermag? Rhizomatische Körper in Religion, Kunst, Philosophie. 1., Aufl., neue Ausg. Bielefeld: transcript (KörperKulturen), S. 163-164.
  5. ^ Waldenfels, Bernhard (2000): Das leibliche Selbst. Vorlesungen zur Phänomenologie des Leibes. Erste Auflage. Frankfurt am Main: Suhrkamp. S. 116.
  6. ^ Friedrich, Bretislav; Herschbach, Dudley (2003): „Stern and Gerlach. How a Bad Cigar Helped Reorient Atomic Physics.“ In: Physics Today 56 (12), S. 53–59.
  7. ^ Friedrich, Bretislav; Herschbach, Dudley (2003): Ibid.
  8. ^ Friedrich, Bretislav; Herschbach, Dudley (2003): Ibid.
  9. ^ Friedrich, Bretislav; Herschbach, Dudley (2003): Ibid.
  10. ^ Gerlach, Walther; Stern, Otto (1922): „Das magnetische Moment des Silberatoms.“ In: Z. Physik 9 (1), S. 353–355.
  11. ^ Einstein, Albert: Volume 7: The Berlin Years: Writings, 1918-1921. In: The Collected Papers of Albert Einstein. S. 136.Onlineressource: http://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol7-trans/; letzter Zugriff am 11. Jänner 2017.
  12. ^ Traxler, Tanja (2015): „Die Relativitätstheorie ist nicht vom Himmel gefallen“. Interview mit dem Wissenschaftshistoriker Jürgen Renn. DER STANDARD, 7. Oktober 2015. Onlineressource: http://derstandard.at/2000023308519/Historiker-Die-Relativitaetstheorie-ist-nicht-vom-Himmel-gefallen; letzter Zugriff am 11. Jänner 2017.
  13. ^ Traxler, Tanja (2015): Ibid.
  14. ^ Isaacson, Walter (2015): „Wie Einstein die Realität neu erfand“. In: Spektrum der Wissenschaften, 25. November 2015. Onlineressource: http://www.spektrum.de/news/wie-einstein-die-realitaet-neu-erfand/1378508; letzter Zugriff am 11. Jänner 2017.
  15. ^ Finnigan, Stephen (2013): Stephen Hawking: A Personal Journey. Onlineressource: https://www.youtube.com/watch?v=KxEtofitkuE; letzter Zugriff am 11. Jänner 2017.
  16. ^ Finnigan, Stephen (2013): Ibid.
  17. ^ Finnigan, Stephen (2013): Ibid.
  18. ^ Finnigan, Stephen (2013): Ibid.

 

(7.2.2017)

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