Das Modell des Konsequenten Humanismus. Hans Widmer
Elementarteilchen:
Wirbel und Resonanzen im Kleinsten
Trägheit und Gravitation sind Äußerungen von Masse weitab von deren inneren Struktur; das Vordringen physikalischer Experimente in diese zu Beginn des 20.Jahrhunderts brachte Eigenschaften von Materie an die Oberfläche, die die damalige Wissenschaft aus den Angeln hob.
Induktive Physik: von Quanten-Phänomenen überrascht
Mit Begriffen und Erfahrungen des Alltags ließen sich diese Eigenschaften nicht mehr erklären; statt der erwarteten, bloß immer kleineren Materiekügelchen, die sich wie große verhalten, stellte sich Materie als nicht eingrenzbar heraus. Experimente zeigten:
–es gibt im Kleinsten keinen Stillstand, sondern permanente Bewegung;
–Teilchen werden gestreut wie Lichtwellen;
–ungeachtet der Masse eines sich drehenden Teilchens hat sein Drehimpuls stets den universell gleichen Wert oder ein Vielfaches davon;
–Teilchen überwinden Energiehürden, obwohl sie dazu zu wenig Energie haben;
–für Wechselwirkungen gibt es nur Wahrscheinlichkeiten, keine Vorhersagen;
–Strahlung kann nur bestimmte Frequenzen haben.
Ein unerklärbares Verhalten zeigten Atome:
–die Kerne bersten trotz der sich gegenseitig elektrisch abstoßenden Protonen nicht auseinander;
–die Elektronen e- halten sich nur in ganz bestimmten Abständen vom Kern auf;
–Atome ziehen einander an und gehen Verbindungen zu Molekülen ein, obwohl sie elektrisch neutral sind (gleiche Anzahl Elektronen wie Protonen);
–Protonen p+ und Neutronen no können in »angeregte Energiezustände« gebracht werden; was bedeutet, dass sie selbst eine innere Dynamik haben, insbesondere zusammengesetzt sein müssen.
Helium-Atom*
Die große Theorie der Physik, die diese Phänomene mathematisch erfasst, heißt Quantenmechanik (QM) und besteht aus:
–Wirkungsquantum ħ, Planck 1900 für die bestimmten (»diskreten«) Energien;
–de-Broglie-Einstein-Relationen für den Zusammenhang von Energie und Frequenz, Einstein 1905 für Photonen, de Broglie 1924 für Elektronen;
Max Planck, 1858–1947; Louis de Broglie, 1892–1987; Erwin Schrödinger, 1887–1961; Werner Heisenberg, 1901–1976
–Schrödinger-Gleichung 1926 für die Berechnung aller Wahrscheinlichkeiten und Zustände;
–Unschärferelation, Heisenberg 1927 für die Unmöglichkeit, Ort und Impuls eines Teilchens zugleich zu kennen.
Aus der Erkenntnis, dass sich Ereignisse in atomaren Dimensionen nur mit Wahrscheinlichkeiten voraussagen lassen, konzentrierten sich die Pioniere der QM auf deren Berechnung und erklärten die entsprechenden Formeln zu fundamentalen Naturgesetzen. Skeptiker wie Einstein – »Gott würfelt nicht« – belehrten sie dahingehend, die Vorgänge seien eben objektiv unbestimmt.
Quantenmechanik in diesem Geist
–ordnet jeder Masse eine Welle mit Frequenz und Wellenlänge zu (abhängig von Geschwindigkeit nach de Broglie-Einstein);
–deutet die Intensität der Welle als Wahrscheinlichkeit für den Aufenthalt der Masse;
–berechnet stabile Zustände mit der »black box« der Schrödinger-Gleichung – jedoch höchst genau: auf eine Haaresbreite im Verhältnis zur Strecke New York–Los Angeles;
–hält das Standardmodell der Elementarteilchen-Physik zusammen;
–kann jedoch keines ihrer Axiome und Gesetze herleiten.
Richard Feynman,
1918–1988
Richard Feynman, einer der Begründer der Elementarteilchen-Physik, schrieb: »Weil das Verhalten der Atome so ganz außerhalb unserer normalen Erfahrung liegt, ist es sehr schwierig, sich daran zu gewöhnen, und es erscheint [selbst] … dem erfahrenen Physiker seltsam und geheimnisvoll … Wir können das Geheimnis nicht erklären … nur berichten, wie es funktioniert.«
Deduktive Physik: Quanten-Phänomene unausweichlich
Weil die Massendynamik strahlt (Wellen aussendet), kommt es in atomaren Abständen zu Überlagerungen von Wellen und dadurch zu Interferenzwellen. Diese entsprechen den statistischen Wellen der QM. Sie werden durch das Kontinuum übertragen wie Schallwellen durch Luft (Wellenberg gleich Überdruck, Wellental gleich Unterdruck gegenüber Ruhe).
Das Verständnis elementaren Verhaltens von Wellen öffnet den Zugang zu allen Quantenphänomenen. Diese haben nichts mit der Idee von »atomos« (unteilbar) zu tun, sondern allein mit der Interferenz von Strahlungen. Den augenfälligsten Interferenzen begegnet man im Alltag bei Musikinstrumenten, beispielsweise der Orgelpfeife: Eine Schallwelle will aus der Pfeife austreten und wird zurückgeworfen. Da Unordnung in der Pfeife mehr Energie bräuchte als Ordnung, schwingen die eingehende und die ausgehende Welle synchron, auf gleiche Wellenlänge und darauf ein, dass ihre Knoten an derselben Stelle liegen. Ergebnis ist eine Stehende Welle: Die Welle muss in die Pfeife passen* – und dies ist schon der Quanteneffekt!
Eine Welle kann mathematisch durch eine Sinusfunktion dargestellt werden. Zur Berechnung der Überlagerung zweier solcher Wellen braucht es eine einfache trigonometrische Relation2, die ergibt, dass sich zwei Wellen zu einer einzigen addieren, die das Produkt eines Sinus mal eines Kosinus ist. Dabei ist der Sinus eine Umhüllende (keine Zeitabhängigkeit): der abstrakte Rahmen für den Kosinus, der darin real in der Zeit schwingt.
Wenn, anders als in der Orgelpfeife, zwei interferierende Wellen unterschiedlich ausgebildet sind, bleibt die Interferenzwelle nicht stehen. Hat das umhüllte Wellen-Paket eine Geschwindigkeit v, ergibt einfache Mathematik, dass die Umhüllende nur mit v/2 läuft. 3
Allein aus diesem Tatbestand leiten sich fundamentale Gesetze der QM ab:
–die de-Broglie-Einstein-Relationen;4
–die Ruhfrequenz5 einer Masse (Dirac 1928);
–die Unbestimmtheit.6
Weiter erklären sich
–Wirkungsquantum7, Wasserstoffatom8 und Harmonischer Oszillator9 aus Resonanz von mechanischer und quantenmechanischer Frequenz (analog der Resonanz eines schlecht ausgewuchteten Rades, wenn seine Umlauffrequenz und die Eigenfrequenz der Radaufhängung gleich sind);
–die Nullpunktsbewegung aus der Umwandlung in kinetische Energie von Strahlungsenergie, die durch Interferenz gelöscht wird;10
–die Schrödinger-Gleichung aus der Superposition der Lorentz-Kontraktionen aus Relativgeschwindigkeit und Potentialfeld;11
–die Dirac-Gleichung aus Ruhfrequenz, Energie- sowie Spinerhaltung auf jeder Raumachse;12
–Kernkräfte aus der Auslöschung von Feldenergie durch Interferenz von Teilchen in Abständen von Wellenlängen;13
–die Quantenverschränkung (Einstein: »spukhafte Fernwirkung«) dadurch, dass alles mit allem über das Kontinuum verbunden ist.14
Paul