Naturkonstante Konstante Physik

DAS THEMA, DAS EINEN NOBELPREIS VERDIENT

„Alle guten theoretischen Physiker hängen sich diese Zahl (137,035999..) an die Wand und zerbrechen sich den Kopf darüber!“

Was für eine Ansage vom Nobelpreisträger Richard Feynman. Aber was ist das eigentlich für eine mystische Zahl, die er für so wichtig hält? Und warum ist sie so bedeutend, dass er sie quasi zu einem Hauptthema der theoretischen Physik macht? Etwas ist hier komisch …

Mysteriöse Konstanten – wo kommen sie her?

In der Physik existieren unterschiedliche Arten von Konstanten. Einerseits konkrete Messwerte, wie z.B. die Erdbeschleunigung g = 9,81m/s2, die für jeden der abermilliarden Himmelskörper anders ist. Andererseits gibt es auch Zahlen, von denen die Physiker annehmen, dass sie im ganzen Universum gelten, wie z.B. die Gravitationskonstante G = 0,0000000006673 m³/s2 kg. Die Einheiten Meter (m), Sekunde (s) und Kilogramm (kg) haben Wissenschaftler jedoch willkürlich festgelegt, weshalb der reine Zahlenwert dieser Konstanten für das Universum keine Bedeutung hat.

Die mysteriöse Zahl, von der Richard Feynman sprach, gehört allerdings zu den Zahlen ohne Einheit, von denen die Physiker fast sicher sind, dass sie im ganzen Weltall gelten – sogenannte Naturkonstanten. Sie entstehen aus der Kombination zweier oder mehrerer der oben genannten Konstanten, wobei sich alle Dimensionen wie Länge, Gewicht oder Zeit herausrechnen. Bis heute weiß jedoch niemand, warum sie ihre bestimmten Werte annehmen. Dennoch gibt es die Vermutung, dass sie der Schlüssel zum Verständnis der Welt sind.

Eine Frau stellt kluge Fragen – Einstein antwortet

Diese mysteriösen Naturkonstanten beschäftigten auch Ilse Rosenthal-Schneider, eine der wenigen Frauen in der Wissenschaft zu Lebzeiten Einsteins. Auch wenn der Wortlaut ihrer Fragen an ihn leider nicht überliefert sind – seine Antworten sind erhalten geblieben:

„Ich kann mir keine einheitliche und vernünftige Theorie vorstellen, die explizit eine Zahl enthält, welche die Laune des Schöpfers ebenso gut anders hätte wählen können.“

Er war überzeugt, dass Physiker Wege finden können, die Konstanten berechenbar und somit erklärbar zu machen – z.B. indem sie auf mathematische Grundzahlen wie Pi oder die Eulersche Zahl e zurückgeführt werden. Für die Gravitationskonstante G vermutete der Philosoph und Physiker Ernst Mach beispielsweise, dass sie von allen Massen des Universums abhängt, also aus ihnen berechenbar sein sollte.

Einstein ist also derselben Meinung wie Feynman, der gegenüber seinen Kollegen betonte, wie wichtig das Thema ist. Die Auflösung einer solchen Naturkonstante durch Berechnung wäre ein echter Erkenntnisgewinn würde die Physik revolutionieren.

Und was macht die moderne Physik daraus?

Leider interessieren sich heute kaum noch Physiker für diese Zahlen. Im Gegenteil: Der schnelle technische Fortschritt hat die Beobachtungsmöglichkeiten z.B. in der Astronomie und der Teilchenphysik so weit verbessert, dass sogar immer mehr solcher unerklärbaren Konstanten in den Modellen auftauchen. Doch anstatt sich dieser Konstanten anzunehmen und sie verstehen und erklären zu wollen, tun die Theoretiker die mystischen Zahlen mit noch mysteriöseren Theorien ab. Die Theorie der Paralleluniversen ist da nur ein Beispiel. Sie behauptet: Wir lebten eben just in dem Universum, wo sich alles zufällig so zusammenfügt, dass genau diese Zahlen dabei herauskommen. In anderen, parallelen Universen seien es wiederum ganz andere Werte. Was für ein Blödsinn.

Damit ist natürlich nichts erklärt und nichts gewonnen, außer einer gehypten Publicity-Story. Viele, die sich heute Physiker nennen – Lawrence Kraus, Lisa Randall oder Max Tegmark – sind in Wirklichkeit zu Märchenonkels und -tanten geworden. Was für eine dunkle Zeit der Wissenschaft! Die Physik könnte so viel mehr erreichen. Ich tröste mich da meistens mit der Lektüre eines alten Artikels von Schrödinger, Einstein oder Mach. Die haben immer noch mehr zu sagen über echte Physik.

8 Gedanken zu „DAS THEMA, DAS EINEN NOBELPREIS VERDIENT“

  1. Hängen Sie’s doch niedriger: Gemäß Quantengravitation (QG) ist die Feinstrukturkonstante nichts weiter als ein lumpiger Clebsch-Gordon-Koeffizient.

    Mit dem Photon aus der allereinfachsten nicht-trivialen Darstellung (der sog. „Adjungierten Darstellung“) erhalten wir grob überschlagsmäßig bereits die richtige Größenordnung bis auf einem Faktor um 2 herum. Einsetzen der korrekten Valenz eines Elektrons gemäß QG („Leptonukleus“ aus 2 Quanten + 1 drittes „normales“ Quant) reduziert die Abweichung auf wenige Prozent. Berücksichtigung des Umstandes (in der QG detailliert abgeklärt), dass die Trennung zwischen „dunkler“ und „normaler“ Materie im heutigen Universum längst abgeschlossen ist, reduziert die Abweichung des theoretischen Wertes vom experimentellen Wert ohne großartige Rechnung dann auf nur noch 0,08 %.

    Erst eine noch detailliertere Berechnung (Berücksichtigung weiterer Details zum „Leptonukleus“ der QG) würde einigen Aufwand erfordern. (Der erhaltene Wert ist übrigens unabhängig von der Wahl eines speziellen Universums.)

    Wen es genauer interessiert, der möge es in meinem Lehrbuch zur QG (2016) nachschlagen (www.q-grav.com).

    1. Ich glaube wir haben da grundverschiedene Ansichten. Sie nehmen zu viele Dinge, die in den Büchern stehen, für bare Münze. Die größte Gefahr ist nicht Unwissen, sondern die illusion von Wissen, wie mal jemand sagte…

  2. Hallo Dr. Unzicker,
    gestatten Sie mir wieder einige Gedanken.
    Ich muss wie immer damit beginnen, dass wir noch sehr weit vom Ziel entfernt sind, das Universum zu verstehen.
    Konstanten sind Hilfsmittel der Physiker für Ihre Berechnungen. Über Sinn und Unsinn dieser Zahlenwerte und deren Brauchbarkeit lässt sich sicherlich ewig streiten. Die Größe der Zahlenwerte der Konstanten ist natürlich abhängig vom verwendeten Maßstab. Und sicher kann mit den vielfältigen Möglichkeiten der Mathematik bei Bedarf beispielsweise die Lichtgeschwindigkeit auch die Größe „1“ ohne Einheit erhalten. Man muss nur den „Rest“ darauf ausrichten.
    Die Erdbeschleunigung und die Gravitationskonstante waren die Grundlage, die Berechenbarkeit relevanter Prozesse im Rahmen der Alltagsphysik herzustellen. Sie wurden experimentell ermittelt und hochgerechnet. Erklärt wird die Gravitation dadurch nicht.
    Ein Kriterium, ob die Erkenntnisse über Trägheit und Schwere richtig sind, besteht darin, dass Trägheit und Schwere analog beschrieben werden (und wie sie sich überlagern).”
    Dazu ein wie immer hinkender Vergleich: Mit einem spezifisch begrenzten Blickfeld können sie nicht unterscheiden, ob ein Motor- Generator gerade als Motor oder als Generator läuft.
    Motor und Generator können analog beschrieben werden. Sie funktionieren wie wir wissen umgekehrt. Bei Trägheit und Schwere funktioniert das auch so ähnlich, dass sich Ursache und Wirkung so zu sagen vertauschen.
    Mit freundlichen Grüßen
    Joachim Blechle

      1. Ein Beispiel: Wenn man im berühmtesten Term der RT c = 1 setzt, muss mann v dann ins Verhältnis zu c setzen. Das Ergebnis bleibt.
        Man kann auch bei der Gleichung E = m c² dem c² den Wert 1 zuordnen. Die Mathematik lässt das zu. Am Ende steht die Frage nach der Praktikabilität.
        Ansonsten bin ich für eine vielseitige Betrachtung aller Dinge, vom materiellen Befund über seine verbale Beschreibung, die physikalische Verarbeitung bis zur mathematischen Berechnung und zurück – als Prinzip der durchgehenden Linie – um die Dinge nicht zu vernebeln, wie Sie sich ausdrücken.
        Mit freunmdlichen Grüßen
        Joachim Blechle

  3. Zu Herrn Blechle „Erklärt wird die Gravitation dadurch nicht.“:

    „Was verstehen Sie unter „Erklärt“? „Erklären“ heißt doch rückführen auf bekanntere Aussagen – man beachte den Komparativ! Und „rückführen“ bedarf irgendeiner Logik (welcher?). Und jene anderen Aussagen – irgendwann erreichen Sie das Ende der Fahnenstange (Axiomatik, aus dem Hut gezauberte Behauptungen); was dann?

    Was verstehen Sie unter „Physik“? Besteht sie nicht aus jenen (im Grunde:) willkürlichen Axiomen plus einer wie auch immer gearteten ebenso willkürlichen Ableitungslogik?

    Da wären wir bei den „Konventionen“. Die sind willkürlich, subjektiv; in der Theologie nennt man sie „Dogmen“. Sie folgen aus einer (selektiven) Abstimmung unter Interessierten. Die legen damit fest, was (ihnen, gerade) „plausibel“ erscheint. Andere Zirkel ziehen andere „Kriterien“ vor. Welche Kultur ist die „Richtige“? Wo ziehen Sie die Grenze zwischen Physik und Philosophie?

    Und glauben Sie doch nicht, eine Mathematik sei eindeutig! Welche Mathematik?! 5 = 3 (mod 2)! Kriterium kann doch nur ein in sich konsistenter (!!!) Satz von Aussagen – und Folgerungen (!) – sein, die den Ausschnitt, den wir als „Natur“ zu beobachten glauben, „korrekt“ reproduziert.

    Aber genau dort liegt der Hase im Pfeffer: Seit einem Jahrhundert kämpft man mit Singularitäten, mit Vakuen, die nicht leer sind, usw. und so fort. Statt diese Inkonsistenzen ein für alle Mal aus dem Weg zu räumen, investiert „man“ Unsummen an Geldern und Aufwand, um jene Inkonsistenzen künstlich zu verkleistern. Und dann wundert „man“ sich, dass die so konstruierte „Physik“ nicht die Natur widerspiegelt (Strings), bzw. mit sovielen Parametern ausgestattet ist, dass man mit deren geeigneten Variationen alles fitten kann („Standard“-Modelle). (Funktionen z.B. sind Konstrukte aus unendlich vielen Parametern, vgl. ihre Taylor- und ähnliche Entwicklungen! Was also hat die Variationsrechnung mit ihren Lagrangians usw. schon für einen Aussagewert?!)

    „Gebt mir einen festen Punkt, und ich hebe die Welt aus den Angeln“ sagte schon Aristoteles – oder war es Archimedes?

    1. Hallo Herr Birkholz,
      Physik ist vor allem ein spezifisches Werkzeug, liefert aber auch einen bedeutenden Beitrag zur Erklärung des Universums. Bezüglich der Erklärung des Universums ist anzumerken, dass die gegenwärtig praktizierte relevante Physik die Fortsetzung des Erkenntnisprozesses eher verhindert als befördert.
      Die Physiker/Mathematiker haben bisher lediglich die Berechenbarkeit der Gravitation für den Nahraum hergestellt. Für die Milchstraße gilt das nicht.
      Was muss die Erklärung der Gravitation beinhalten?
      1. den materiellen Befund,
      2. seine verbale Beschreibung,
      3. seine physikalische Verarbeitung,
      4. die mathematischen Berechnungen und
      5. die Einordnung in den kosmologischen Prozess.
      In der verbalen Beschreibung muss zwingend eine Beschreibung enthalten sein, wie Gravitation funktioniert. Das Verständnis der Gravitation wird aber erst erreicht, wenn außerdem die Einordnung in den kosmologischen Prozess erfolgt.
      Es gibt unzählige Theorien über die Gravitation. Keine der Theorien erfüllt die Anforderungen, die ich als durchgehende Linie bezeichnen würde, also eine durchgehende Linie, die den materiellen Befund in exakter Übereinstimmung mit der verbalen Beschreibung, der physikalischen Verarbeitung und der mathematischen Berechnung verbindet. Computergestützte mathematische Modelle sind an der Tagesordnung, ersetzen aber nicht die fehlenden Messergebnisse.
      Mit freundlichen Grüßen
      Joachim Blechle

  4. Wenn man zwei Zitate von Albert Einstein untersucht, kommt man zu folgender Erkenntnis.
    Zitat 1 „Gott würfelt nicht.“
    Warum würfelt er nicht?
    Weil ihm eine einzige Zahl ausreicht, damit sämtliche Beteiligten in seinem Universum ihren Job vernünftig machen können, ohne dass er sich darum noch kümmern müsste. Warum sollte er also würfeln, wenn jede Würfelseite dieselbe Zahl zeigt?

    Zitat 2: „Ich glaube nicht, dass die Naturgesetze boshaft sind, sie sind nur verdammt raffiniert.“
    Das ist richtig.
    Deshalb hilft nur Bemühung, um die Naturgesetze herauszufinden.
    Dies ist sehr schwer zu schaffen.
    Weil aber die Natur nicht boshaft ist, hat sie Gesetze, die auf Teilung und Zusammenhalt basieren.
    Diese Gesetze können durch ein raffiniertes Märchen veranschaulicht werden: Die Geschichte vom Hasen und vom Igel.
    „Der schnelle Hase verspottet den langsamen Igel und bietet ihm einen Wettlauf an.
    Der Igel nimmt die Wette an.
    Um den Hasen zu besiegen, verfolgt er einen listigen Plan.
    Er läuft immer nur wenige Schritte mit dem Hasen mit und fällt natürlich bald zurück. Dennoch ist er schon vor dem Hasen am Ziel angekommen.
    Der Hase kann es nicht fassen und fordert den Igel erneut zum Wettlauf auf.
    Immer wieder rennt er die Strecke mit Höchstgeschwindigkeit hin und zurück, ohne je den Igel zu schlagen.
    Schließlich bricht er erschöpft zusammen.“
    Jedes Kind weiß, warum der Igel gewonnen hat.
    Er hat sich mit seiner Frau die Strecke geschickt geteilt.
    Dies ist gar nicht so einfach, weil sie müssen ein gutes Timing haben, sonst fliegt der Betrug auf.
    Wären die Igel nun Elektronen und der Hase das natürliche Licht, funktioniert derselbe Trick, wenn die Eigenleistung und das Timing stimmen.
    Die Eigenleistung mehrerer Beteiligter zusammenzufügen, erfordert es, dass jeder einzelne eine bestimmte Strecke oder Zeit investiert, die ein anderer wieder ausgleichen kann.
    Damit der Stärkste oder Schnellste etwas von seiner Kraft abgeben kann, benötigt er ein Ziel, dem Kraft fehlt.
    Eine exakte Differenz von Kraft.
    Jede Abweichung von dieser Exaktheit führt unweigerlich zum Kraftverlust der Schwächeren.
    Egal, ob diese Abweichung zu groß oder zu klein war.
    Diese Exaktheit ergibt sich aus der Veränderung der Eigenfrequenz bzw. der Eigenzeit um den Faktor 137.
    Deshalb ist diese Zahl so wichtig.
    Sie gewährleistet den Erhalt und das Wachstum von Kraft durch Wechselwirkung.

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