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“‘Realität’ ist, was wir als wahr annehmen. Was wir als wahr annehmen, ist, was wir glauben. Was wir glauben, basiert auf unseren Wahrnehmungen. Was wir wahrnehmen, hängt davon ab, was wir suchen. Was wir suchen, hängt davon ab, was wir denken. Was wir denken, hängt davon ab, was wir wahrnehmen. Was wir wahrnehmen, bestimmt, was wir glauben. Was wir glauben, bestimmt, was wir für wahr halten. Was wir für wahr halten, ist unsere Realität.”1 2. Naturwissenschaften
Arbeitsfelder von Imaging Science
Im Folgenden werden anhand von vier naturwissenschaftlichen Forschungs- gebieten die wissenschaftliche Nutzung diverser bildgebender Verfahren im Überblick vorgestellt. Die Wissenschaftler arbeiten auf diesem Gebiet zur Zeit weitestgehend ohne interdisziplinäre Kommunikation. Die fachübergreifenden Forschungsansätze sollen hier, soweit sie sich andeuten, besonders beachtet Der im ersten Kapitel vorgestellte Fachbereich Imaging Science stellt sich die Aufgabe, zwischen den Naturwissenschaften, in Bezug auf die jeweiligen bild- gebenden Verfahren, vermittelnd zu agieren. Denn oft sind die Problem- stellungen, z.B. auf der Softwareebene, verwandt und müßten nicht für jeden Die angewendeten bildgebenden Verfahren in der Astro- und Teilchenphysik, in der Molekularbiologie, sowie in der Gehirnforschung, sind identisch, oder zumindest eng verwandt. In der durchgeführten Literaturrecherche weist nichts auf eine interdisziplinäre Kommunikation zwischen den Forschungsbereichen bezüg- lich dieser Verfahren hin. Selbst innerhalb der einzelnen Institute und Forschungs- einrichtungen scheint es schwer, zwischen Physik, Biologie und Medizin zu vermitteln. Die Gründung des Fachbereiches Computerwissenschaften war ein erster Schritt hin zu einer verstärkten transdisziplinären Kommunikation.
1siehe G. Zukav, 1981, “Die tanzenden Wu Li Meister”, Rowohlt Verlag, Reinbekbei Hamburg, Seite 351 2.1.
KOSMOLOGIE UND TEILCHENPHYSIK
Das Arbeitsgebiet der Astronomen wird der Physik zugerechnet. Sterne, Galaxien und der Raum dazwischen werden durch die selben grundlegenden Gesetze der Mechanik, Quantentheorie, Elektro- und Thermodynamik beschrieben, wie in allen Bereichen der Physik.
Fortschritte in den kosmologischen Fragestellungen, einige werde ich im Folgenden exemplarisch und im Bezug auf die Verwendung bildgebender Verfahren vorstellen, sind offensichtlich unmittelbar mit Fortschritten in der Elementarteilchenphysik verknüpft. “Andererseits folgt aus diesem Zusammenhang aber auch, daß der Vergleich der Ergebnisse kosmologischer Modellrechnungen mit astronomischen Beobachtungen erlaubt, Ansätze und Voraussagen der theoretischen Elementarteilchenphysik zu testen. Wegen der extremen Bedingungen im Urknall erreichen solche kosmologischen Tests Energiebereiche, die von Menschenhand gebaute Beschleuniger nie erreichen Das Ergebnis dieser Entwicklung ist daher, “daß sich zwischen Astronomen, die den großräumigen Aufbau unserer Welt erforschen und den Elementarteilchenphysikern, die die Eigenschaften der kleinsten Grundbausteine unserer Welt aufzuklären versuchen, in den letzten Jahren eine überraschend enge Interessengemeinschaft und Zusammenarbeit ergab. Beobachtungen mit astronomischen Großteleskopen liefern heute bereits wichtige Anhaltspunkte für die noch unbekannten Eigenschaften der Elementarteilchen. Umgekehrt liefern Beschleunigerexperimente heute wichtige Beiträge zur Einschränkung der freien Parameter kosmologischer Weltmodelle.”3 Eingangs werden die Fragestellungen und Verfahrensweisen der Astrophysik vorgestellt. Dieses wird sehr schnell zum Forschungsgebiet der Teilchenphysik 2siehe I. Appenzeller, 1990, “Einführung”, in “Kosmologie und Teilchenphysik”,Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 83siehe I. Appenzeller, 1990, “Einführung”, in “Kosmologie und Teilchenphysik”,Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 8 führen und sich teilweise miteinander verbinden. Dieses Verfahren erscheint jedoch aus den genannten Gründen des übergeordneten Zusammenhanges dieses Fachbereiches sinnvoller, als beide separat zu behandeln.
Streng genommen erfüllt die Astronomie nicht die Kriterien einer exakten Wissenschaft, da ein sonst wesentlicher Bestandteil der Physik in der Astrophysik fehlt: das Experiment unter kontrollierten Bedingungen. “Die Astronomen müssen sich mit der Strahlung begnügen, die ihre Forschungsobjekte sozusagen freiwillig aussenden; eine Wiederholung der Messungen unter identischen Bedingungen oder eine systematische Manipulation der Meßbedingungen ist nicht möglich.”4 Leuchtkraft, Temperatur und Größe der meisten Himmelskörper sind nahezu konstant, daher läßt sich eine interessante astronomische Entdeckung meistens durch nachfolgende Beobachtungen verifizieren.
Die Wissenschaft vom Weltall ist Geschichtsforschung, da zum einen der Blick in die Tiefen immer ein Blick in die Vergangenheit ist. Ein Himmelskörper wird von uns so gesehen, wie er zu einer Zeit aussah, die seiner Entfernung in Lichtjahren entspricht.5 Zum anderen vermag die Kosmologie die Ursprünge unserer unmittelbaren kosmischen Umgebung zu ergründen und damit zentrale Fragen nach der kosmischen Wurzel der Menschheit zu beantworten. Wie sind die Erde und das gesamte Planetensystem entstanden? Woher stammen die chemischen Elemente, aus denen unsere Umwelt und unsere Körper aufgebaut sind? Was ist die Vorgeschichte der Galaxis? Diesen und ähnlichen Fragen gehen die Astronomen mit ihren immer leistungsfähigeren Instrumenten nach.
“Moderne astronomische Teleskope, hochempfindliche Lichtdetektoren und leistungsfähige Radiowellenempfänger erlauben es heute, Galaxien und 4siehe U. Borgeest, 1996, “Fragen der modernen Astrophysik”, in “Digest:Astrophysik”, Spektrum der Wissenschaft Verlag, Heidelberg, Seite 65vgl. U. Borgeest, 1996, “Fragen der modernen Astrophysik”, in “Digest:Astrophysik”, Spektrum der Wissenschaft Verlag, Heidelberg, Seite 6 Quasare in Entfernungen zu beobachten, aus denen die Lichtlaufzeit mehr als 90 Prozent des Weltalters seit dem Urknall beträgt. Im Lichte der kosmischen Mikrowellenstrahlung sehen wir unser Universum in dem Zustand, den es wenige hunderttausend Jahre nach dem Urknall hatte. Anhand der relativen Häufigkeit der leichten Elemente (Wasserstoff, Deuterium, Helium) erhalten wir sogar indirekte, aber recht zuverlässige Informationen über den Zustand unserer Welt, als diese gerade erst etwa eine Sekunde alt geworden war.”6 6siehe I. Appenzeller, 1990, “Einführung”, in “Kosmologie und Teilchenphysik”,Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 8 2.1.1. Neue Astronomie
Die traditionelle Astronomie befaßte sich damit, das Licht - optische Strahlung - von Objekten im Weltraum zu studieren. Die Neue Astronomie, eine Entwicklung der letzten zwei oder drei Jahrzehnte, erfaßt alle Strahlungen, die Himmelsobjekte aussenden: Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht, sowie Radiowellen.7 Der Wellenbereich des Lichtes ist sehr schmal. “Er umfaßt nur Strahlung von Wellenlängen, die 30 Prozent kürzer, bis 30 Prozent länger sind, als die Wellenlänge, für die unsere Augen die größte Empfindlichkeit besitzen. Die neue Astronomie erfaßt extreme Strahlungen. Die kürzesten Gammastrahlen haben Wellenlängen von weniger als einem Millionstel, die längsten Radiowellen solche von mehr als dem Hundertmillionenfachen der Wellenlänge des Lichtes. Um einen Vergleich mit dem Schall herzustellen: die traditionelle Astronomie war ein Versuch, die Symphonie des Universums mit Ohren zu hören, die nur das mittlere C und die beiden Töne davor und danach wahrnehmen konnten.”8 (In einer orchestralen Symphonie können bis zu 88 Töne verwendet werden.) Heute unterscheidet man zwischen Optischer Astronomie, Infrarotastronomie, Radioastronomie, Ultraviolettastronomie und Röntgen-/Gammastrahlen- In den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts wurden zufällig Radiostrahlen außerhalb der Erde entdeckt. Damit war bewiesen, daß nicht-optische Strahlung aus dem Weltraum existiert. Aber erst in den vergangenen Jahrzehnten wurden zwei weitere Probleme gelöst. Zum einen müssen neuartige Teleskope zur Verfügung stehen, um andere Strahlungsarten einzufangen und sie zu einem Bild zusammenzufügen. Zum anderen neue Detektoren, die das Bild registrieren und es uns auf eine Weise zeigen, die wir verstehen können. Bilder von anderen Wellenlängen als jenem des Lichtes stehen erst seit den letzten Jahren zur Verfügung. Es sind Computertechnologien entwickelt worden, um diese Bilder 7vgl. N. Henbest, 1984, “Die neue Astronomie”, Birkhäuser Verlag, Basel, Seite 68siehe N. Henbest, 1984, “Die neue Astronomie”, Birkhäuser Verlag, Basel, Seite6 “In vielen Fällen ist das optische Bild am wenigsten interessant. Dunkle Staubwolken im Weltraum verbergen völlig die Stellen, wo Sterne entstehen - Regionen, deren Einzelheiten bei Infrarot- und Radiowellenlängen mühelos sichtbar werden. Das Gas im Weltraum ist lichtdurchlässig und von optischen Teleskopen nicht erfaßbar, gibt aber Radiowellen und Gammastrahlen ab, so daß sie bei diesen Wellenlängen helleuchtend hervortreten. Ferne Galaxiehaufen halten Wolken von sehr heißem Gas mit einer Temperatur von Millionen Grad gefangen, diese sind nur durch ihre Röntgenstrahlenemission erkennbar.
Explosionen im Mittelpunkt mächtiger Galaxien schleudern strahlenförmig Elektronen hinaus, die ungeheure Säcke von Magnetfeldern aufblähen - die größten Gebilde im Universum, aber unsichtbar, außer für Astronomen, die Tatsächlich erzeugen alle Objekte irgendeine Strahlung. Je niedriger die Temperatur, desto länger die Wellenlänge der so entstehenden Strahlung.
Bei der Darstellung der astronomischen Information durch einen Computer werden im allgemeinen Farbmonitore verwendet. Durch die Farben kann die Masse an Informationen in jedem Bild herausgearbeitet werden. Farbe besteht aus Licht verschiedener Wellenlängen. “Werden Darstellungen beispielsweise bei einer Wellenlänge im Röntgenstrahlen- oder Radiobereich erzielt, besitzt Farbe keine eigentliche Bedeutung, und wir können Farbkodierung auf vielerlei neue und eindrucksvolle Art nutzen.”10 Nun können Farben auf verschiedene Weise kodiert werden, z.B. entsprechend der Wellenlänge, wenn Beobachtungen verschiedener Wellenlängen zu einer Gesamtdarstellung verbunden werden. “Diese Methode wird häufig genutzt in der Infrarotastronomie, wo Astronomen Beobachtungen desselben Objekts bei verschiedenen Wellenlängen anstellen, um Temperaturunterschiede anzuzeigen.
9siehe N. Henbest, 1984, “Die neue Astronomie”, Birkhäuser Verlag, Basel, Seite710siehe N. Henbest, 1984, “Die neue Astronomie”, Birkhäuser Verlag, Basel, Seite9 Blau stellt in der Regel die Erscheinung bei kürzester Wellenlänge dar, grün bei mittlerer und rot das Bild bei der größten Wellenlänge. Farbkodierung kann aber Am häufigsten dient die Farbkodierung dazu, Dichte anzuzeigen. “Diese Methode wird weithin bei allen Wellenlängen eingesetzt - auch bei optischen, wenn man gewöhnliche Fotografien mit dem Computer verarbeitet. Der Astronom teilt den verschiedenen Helligkeitsstufen im Bild willkürlich gewählte Farben zu. Die Ergebnisse sind nicht bloß malerisch. Sie überwinden eines der Probleme fotografischer Darstellung, nämlich, daß es unmöglich ist, Einzelheiten, sowohl im schwächsten Teil einer Galaxie oder eines Nebels, als auch im hellsten zu zeigen, der mehr als tausend mal heller sein kann. Erscheinen die erstgenannten auf einer Fotografie, sind die hellen Regionen ‘ausgebrannt’, während eine kurze Belichtung, um Einzelheiten in den hellen Regionen hervortreten zu lassen, die schwachen Teile gar nicht zeigen würde. Dichte- Farbkodierung liefert Einzelheiten von hellen und dunkleren Regionen gleichzeitig Die neuen Darstellungen haben daher oft Ähnlichkeit mit Kunstwerken; die naturgegebene Kunst des Universums wird dabei unterstützt von der Fantasie des Astronomen am Computer. Die Hauptaufgabe des Astronomen besteht aber nicht darin, die unsichtbare Schönheit des Weltraums einzufangen, sondern mit dieser neuen Information den Versuch zu unternehmen, Aufbau und Maßstab des Universums und seine Veränderung im Laufe der Zeit besser zu 11siehe N. Henbest, 1984, “Die neue Astronomie”, Birkhäuser Verlag, Basel, Seite1112siehe N. Henbest, 1984, “Die neue Astronomie”, Birkhäuser Verlag, Basel, Seite11 2.1.2. Teleskope
Seit dem 17. Dezember 1993 arbeitet das Hubble Space Telescope (HST) mit seiner vollen Leistungsfähigkeit. Dieses Weltraumteleskop erlaubt den Astronomen, das Universum noch detaillierter und noch genauer zu beobachten, als es jemals zuvor möglich war. “Das HST wurde mit dem Ziel entwickelt, eine große Zahl von sehr verschiedenen Beobachtungen über die gesamte Spannweite astronomischer Objekte von Asteroiden und Kometen im Sonnensystem bis zu supermassereichen Galaxiehaufen am Ende des Universums durchzuführen.”13 Dies sind extreme Größenunterschiede, von 500 Kilometern eines großen Asteroiden, bis zu billionenmal größeren “In seiner Umlaufbahn um die Erde kann das HST ungestört von der Atmosphäre alle Wellenlängen vom infraroten über das sichtbare Licht bis ins Die Daten der Beobachtung werden vom HST währenddessen über ein erdumspannendes Netz von Kommunikations-Satelliten nach White Sands, New Mexico, dem Kommunikationszentrum der NASA, gesendet. Von dort werden diese Daten den Astronomen über das NASA Goddard Space Flight CenterSpace Telescope Operations Control Center (STOCC) oder das Space Telescope Science Institute (STScI) via Internet oder auf Magnetband “Das HST hilft den Astronomen auch bei der Ermittlung der entscheidenden ‘Meßlatte’. Die Entfernungen zu astronomischen Objekten außerhalb des Sonnensystems können nicht direkt gemessen werden, daher kommen indirekte und oft unsichere Meßmethoden zur Anwendung. Je weiter ein Objekt entfernt ist, desto ungenauer ist in aller Regel die Schätzung seiner Entfernung. (.). Bei Abständen zwischen Sternen kann der Meßfehler in der Größenordnung von 5 13siehe S. Goodwin, 1996, “Mission Hubble. Das neue Bild des Universums”,Bechtermünz Verlag, Augsburg, Seite 1514siehe S. Goodwin, 1996, “Mission Hubble. Das neue Bild des Universums”,Bechtermünz Verlag, Augsburg, Seite 16 bis 10 Prozent liegen, während bei Galaxiehaufen auch mehr als 50 Prozent möglich sind. Mit der verbesserten Auflösung des HST können auch Sterne in viel größeren Entfernungen als früher genau vermessen werden.”15 “Die wichtigste und spannendste Aufgabe, die das HST lösen helfen soll, ist der Versuch, die Größe und Natur des gesamten Universums herauszufinden. (.).
Dehnt sich das Universum bis in alle Ewigkeit aus, oder wird es irgendwann einmal wieder in sich zusammenfallen? Wie schnell dehnt es sich aus? Wie groß ist das Universum? Das HST spielt eine wichtige Rolle bei der Lösung dieser Am 12. Februar 1997 wurde eine Acht-Meter-Antennen-Schale zu ihrer Ellipsenbahn um die Erde in 20.000 Kilometer Höhe transportiert. Sie soll mit bis zu zwanzig auf der Erde verteilten Radioteleskopen gekoppelt werden und damit das Herzstück des größten Teleskops aller Zeiten bilden. Beim Vereinen der Signale in einer Zentralstation überlagern sich die empfangenen Radiowellen, die verschieden lange Wege zurückgelegt haben.
Dadurch entstehen Interferenzen, die das endgültige Bild detailreicher machen. Je weiter entfernt die einzelnen Teleskope voneinander stehen, um so höher die Auflösung des Bildes. Von diesem ersten weltraumgestützten Radio- Interferometer erwarten die Experten neue Hinweise über die vermuteten Schwarzen Löcher und bessere Daten über Quasare.17 “Zur Klärung dieser Phänomene sind detaillierte Bilder dringend notwendig.”18 Russische Wissenschaftler arbeiten zur Zeit an einem Teleskop, das in 80.000 Kilometer Höhe eingesetzt werden soll. Damit werden in der Zukunft zehnfach kleinere Einheiten zu erkennen sein, als mit der erdgebundenen 15siehe S. Goodwin, 1996, “Mission Hubble. Das neue Bild des Universums”,Bechtermünz Verlag, Augsburg, Seite 1616siehe S. Goodwin, 1996, “Mission Hubble. Das neue Bild des Universums”,Bechtermünz Verlag, Augsburg, Seite 1617vgl. Zeitschrift GEO, Juni 1997, Gruner und Jahr Verlag, Hamburg, Seite 13918siehe E. Preuß von Bonner, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, inZeitschrift GEO, Juni 1997, Gruner und Jahr Verlag, Hamburg, Seite 139 2.1.3. Dunkle Materie
Die Forschung der letzten Jahre zeigt, daß die “Weltparameter schon in frühen Phasen des Urknalls festgelegt wurden und daß sie eng mit den Eigenschaften der Grundbausteine der Materie, also der Elementarteilchen, Die Astrophysiker sind daher bei ihrer Erforschung der frühen, nicht direkt beobachtbaren Phasen unseres Kosmos’ auf physikalische Modellrechnungen Es bleibt das wohl “größte Problem der modernen Astrophysik, wie sich Galaxien und die noch größeren Strukturen - Galaxiehaufen und sogenannte Superhaufen - bestehend aus tausenden von Sternsystemen, gebildet haben.
Auch Computersimulationen helfen nicht weiter, denn es ist unbekannt, welche Arten von Materie im Universum überhaupt vorhanden sind. Jede Galaxie enthält mehr Masse, als in Sternen und interstellarem Material direkt nachweisbar ist. Gäbe es nur diese Formen der Materie, so müßte die Fliehkraft unsere Sonne mitsamt ihren Planeten hinaus in den intergalaktischen Raum tragen. Erst unter der Annahme, daß die Galaxie zu 90 Prozent aus einer bisher unbekannten, sogenannten Dunklen Materie besteht, gibt es ein Gleichgewicht zwischen Fliehkraft und Gravitation.”21 Inzwischen haben sich die Anzeichen gehäuft, “daß der größte Teil der Masse im Universum dunkel ist: unsichtbar für heutige Teleskope oder sonstige “Die Frage nach der dunklen Materie - wieviel es davon gibt, wie sie verteilt ist und woraus sie besteht - ist eng mit den Fragen nach der großräumigen Struktur 19vgl. Zeitschrift GEO, Juni 1997, Gruner und Jahr Verlag, Hamburg, Seite 13920siehe I. Appenzeller, 1990, “Einführung”, in “Kosmologie und Teilchenphysik”,Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 821siehe U. Borgeest, 1996, “Fragen der modernen Astrophysik”, in “Digest:Astrophysik”, Spektrum der Wissenschaft Verlag, Heidelberg, Seite 922siehe L. M. Krauss, 1990 “Dunkle Materie im Universum”, in “Kosmologie undTeilchenphysik”, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 32 und der Entwicklung unseres Universums verknüpft. Da dunkle Materie wahrscheinlich die dominierende Form von Masse darstellt, muß sie die Entwicklung der heute sichtbaren Komponenten des Universums beeinflußt haben. Das Problem der kosmischen Strukturen hängt wiederrum von der engen Verbindung zwischen Makro- und Mikrophysik ab, den beiden Säulen des physikalischen Wissens, welche die Wechselwirkungen auf der größten Skala (derjenigen des Universums als ganzem) wie der kleinsten Skala (jener der Elementarteilchen, aus denen alle Materie besteht) beschreiben.”23 Die Beobachtung, daß das Universum sich ausdehnt, führt zu dieser Korrelation.
Wenn in der Astrophysik diese Expansion um zehn bis zwanzig Milliarden Jahre zurückextrapoliert wird, verschmelzen die kosmologischen und die atomaren Skalen miteinander. Denn während dieser Entstehungsphase des Universums “befanden sich die größten heute beobachtbaren Strukturen in Raumbereichen, deren Dimensionen für Elementarteilchenprozesse charakteristisch sind.”24 In den heutigen Strukturen, so vermuten die Astrophysiker, müssten Spuren der damaligen Vorgänge zu finden sein. Und so scheint es konsequent, “Beiträge zur Lösung des Problems der dunklen Materie von Fortschritten der Physik hochenergetischer Teilchen zu erwarten.”25 Es scheint, daß die Astrophysik einen Punkt erreicht hat, an dem sich Entstehung, Evolution und gegenwärtige Struktur des Universums nahtlos zu einem einzigen Problemfeld zusammenfügt. Dann wäre es nicht mehr möglich, sich nur mit einem Teil des Puzzles zu befassen - wir müßten das Ganze im Blick haben.26 Die Theorie der dunklen Materie und die Überlegungen zu Super- bzw.
23siehe L. M. Krauss, 1990 “Dunkle Materie im Universum”, in “Kosmologie undTeilchenphysik”, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 3224siehe L. M. Krauss, 1990 “Dunkle Materie im Universum”, in “Kosmologie undTeilchenphysik”, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 3225siehe L. M. Krauss, 1990 “Dunkle Materie im Universum”, in “Kosmologie undTeilchenphysik”, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 3226vgl. J. Trefil, 1990,”Fünf Gründe warum es die Welt nicht geben kann. DieAstrophysik der dunklen Materie”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 223-224 Kosmischen Strings sind Beispiele für diese Entwicklung. Es liegt die Schlußfolgerung nahe, “daß dunkle Materie in einer Form existieren muß, die wir noch nie gesehen haben und deren Eigenschaften uns völlig unbekannt Die mit diesem Problem beschäftigten Theoretiker “untersuchen eine gerade populäre Theorie über die Wechselwirkungen der elementaren Bestandteile der Materie und stellen fest, daß die Theorie die Existenz irgendeiner Art neuer Teilchen entweder erfordert, oder zumindest gestattet. Dann werden die Erfordernisse für die Beschaffenheit des noch gar nicht entdeckten Partikels untersucht, und wenn sich dabei herausstellt, daß kalte dunkle Materie (.) aus diesen Teilchen bestehen könnte, wird es als Entdeckung der grundlegenden Konstituente des Universums”28 veröffentlicht.
Diese Suchmethode veranschaulicht am besten das Ineinandergreifen von Teilchenphysik und Kosmologie. Die Existenz neuartiger Teilchen wurde ursprünglich aus Gründen vorgeschlagen, die nichts mit der Struktur des Universums zu tun hatten. “Die Untersuchungen ihrer Eigenschaften wurden allein von den Erfordernissen vorangetrieben, die sich aus den zur Erklärung der Wechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen entwickelten Theorie ergeben. Erst später erkannte man, daß diese Partikel auch in der Kosmologie eine wichtige Rolle spielen könnten.”29 27siehe J. Trefil, 1990,”Fünf Gründe warum es die Welt nicht geben kann. DieAstrophysik der dunklen Materie”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 17728siehe J. Trefil, 1990,”Fünf Gründe warum es die Welt nicht geben kann. DieAstrophysik der dunklen Materie”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 177-17829siehe J. Trefil, 1990,”Fünf Gründe warum es die Welt nicht geben kann. DieAstrophysik der dunklen Materie”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 178 2.1.4. String-Theorien
Es würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen, auf sämtliche Theorien - auch zur Standardtheorie des Urknalls gibt es Alternativen30 - und Fragestellungen im Rahmen des derzeitigen Diskussionsstandes der Astro- und Teilchenphysik einzugehen. Trotzdem möchte ich exemplarisch die Theorie der Superstrings erläutern, um eine Vorstellung der gegenwärtigen Weltmodelle in der Physik “Die bei weitem größte Zahl der exotischen Kandidaten für Dunkle Materie ergibt sich aus einem Prinzip, das unter dem Namen Supersymmetrie bekannt ist. Die Theorien, die Supersymmetrie voraussetzen, sind jene, die alle vier Grundkräfte zu vereinen suchen, also einen Zustand beschreiben, der im allerersten Moment nach dem Punkt Null geherrscht haben muß.”31 “Bis jetzt haben die theoretischen Physiker Quantentheorien für drei der vier in der Natur vorkommenden Kräfte entwickelt: für die starke, die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung.”32 Es bestand bis vor kurzem wenig Aussicht, Einsteins Theorie der Gravitation, der vierten Kraft, in den Rahmen der Quantenmechanik einfügen zu können.33 In den letzten zehn Jahren schöpften die Elementarteilchenphysiker wieder Hoffnung, begründet auf die Entwicklung einer neuen Theorie, der sogenannten Superstring-Theorie. “In der Super- string-Theorie und in jeder anderen String-Theorie stellt man sich die Elementarteilchen als Strings (Saiten) vor. (.). Da ein String ein ausgedehntes Objekt ist, kann er genau wie eine gewöhnliche Violinsaite schwingen. Die Saitenspannung bestimmt dabei die Normalschwingungen (Harmonischen) eines Strings. In der Quantenmechanik sind Wellen und Teilchen zwei zueinander 30vgl. R. Breuer (Hg.), 1993, “Immer Ärger mit dem Urknall. Das kosmologischeStandardmodell in der Krise”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg31siehe J. Trefil, 1990,”Fünf Gründe warum es die Welt nicht geben kann. DieAstrophysik der dunklen Materie”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 17932siehe M. B. Green, 1990, “Superstrings”, in “Kosmologie und Teilchenphysik”,Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 15033vgl. M. B. Green, 1990, “Superstrings”, in “Kosmologie und Teilchenphysik”,Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 150 duale Beschreibungen ein und desselben Phänomens, so daß jede Schwingungsmode eines Strings einem Teilchen entspricht. Die Frequenz der Schwingung bestimmt die Energie des Teilchens und damit seine Masse. Man faßt also die Elementarteilchen als Schwingungsmodus eines einzigen Strings Die Superstring-Theorie ist eine Kombination der String-Theorie mit der sogenannten Supersymmetrie. “Sie vermeidet nicht nur die Probleme, denen man sich bei früheren Versuchen gegenüber sah, Gravitation und Quantenmechanik zu vereinen; sie eröffnet auch die Möglichkeit, alle in der Natur vorkommenden Kräfte als verschiedene Aspekte eines einzigen Prinzips zu Man vereinheitlicht die vier Grundkräfte der Natur in dieser Theorie auf eine Art und Weise, die ausschließlich durch die logische Forderung nach innerer Konsistenz bestimmt ist. Diese Entwicklung hat die Beziehungen zwischen Mathematik und Physik außerordentlich belebt. Viele Entwicklungen der modernen Mathematik tragen zum Verständnis der String-Theorien bei; andererseits werfen diese Theorien neue mathematische Fragen auf.”35 In der Gravitationstheorie von Einstein sind Raum und Zeit zu einem vierdimensionalen ‘Kontinuum’ (= den Raum zusammenhängend erfüllende Materie) vereint, genannt Raumzeit. Diese Theorie muß in der Superstring- Theorie zumindest annäherungsweise enthalten sein. Die Gravitation ist in der Superstring-Theorie in einer “auf neun räumliche Dimensionen und die Zeit erweiterten zehndimensionalen Welt definiert.”36 Offensichtlich müssen sechs dieser zehn Dimensionen unbeobachtbar sein. Diese sechs zusätzlichen 34siehe M. B. Green, 1990, “Superstrings”, in “Kosmologie und Teilchenphysik”,Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 15035siehe M. B. Green, 1990, “Superstrings”, in “Kosmologie und Teilchenphysik”,Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 15036siehe M. B. Green, 1990, “Superstrings”, in “Kosmologie und Teilchenphysik”,Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 151 Dimensionen müssen dann so aufgewickelt sein, “daß sich die entsprechenden Strukturen nicht beobachten lassen, weil sie zu klein sind.”37 “Unmittelbar nach dem Urknall (.) müssen alle zehn Dimensionen aufgewickelt gewesen sein. Im Laufe der anschließenden Expansion des Universums müssen vier von diesen zehn Dimensionen begonnen haben, sich zu ‘entwickeln’ und auszudehnen. Eine konsistente Beschreibung dieses Prozesses könnte vielleicht eine Vorhersage von beobachtbaren Konsequenzen im heutigen “In gewisser Hinsicht verlief die Entwicklung der Superstring-Theorien in scharfem Gegensatz zur Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Im Falle der Allgemeinen Relativitätstheorie ergab sich die Struktur der Theorie aus der tiefen Einsicht Einsteins in die Logik der physikalischen Gesetze. In den Superstring- Theorien haben wir zuerst gewisse Einzelheiten verstanden, müssen uns aber noch immer um ein generelles Verständnis der Logik dieser Theorie Diese Hypothesen liefern bisher keine nachprüfbaren theoretischen Voraussagen, die experimentell oder durch Beobachtung nachzuprüfen wären.
“Die Theoretiker sind den Experimentatoren so weit vorausgeeilt, daß sie sich nicht mehr an Beobachtungen orientieren können, sondern sich auf ihren ästhetischen Sinn verlassen müssen. Noch nie zuvor wurde versucht, Wissenschaft auf diese Art zu betreiben, und es wird interessant sein zu 37siehe M. B. Green, 1990, “Superstrings”, in “Kosmologie und Teilchenphysik”,Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 15138siehe M. B. Green, 1990, “Superstrings”, in “Kosmologie und Teilchenphysik”,Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 16339siehe M. B. Green, 1990, “Superstrings”, in “Kosmologie und Teilchenphysik”,Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 16340siehe J. Trefil, 1990,”Fünf Gründe warum es die Welt nicht geben kann. DieAstrophysik der dunklen Materie”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 186 2.1.5. Kosmische Strings
Die Einführung der String-Theorie schließe ich mit einem kurzen Verweis auf die Theorie der Kosmischen Strings. Kosmische Strings sind durch ihren Namen mit den Superstrings verbunden, stellen jedoch etwas ganz anderes dar.
Superstrings wären kleiner als die kleinsten Elementarteilchen, Kosmische Strings hingegen könnten sich über weite Teile des Universums erstrecken. Laut der theoretischen Überlegung sind Kosmische Strings lange eindimensionale Objekte im Raum und unglaublich massiv und sehr dünn - “der Durchmesser eines String ist viel kleiner, als beispielsweise der eines Protons.”41 Alexander Vilenkin beschreibt die Kosmischen Strings als, “exotische, unsichtbare Gebilde, die den Theorien der Elementarteilchenphysiker entspringen. Strings sind sozusagen fadenartige Überbleibsel des Raum-Zeit- Gefüges im neugeborenen Universum. Sie sind unvorstellbar dünn und energiereich; sie bewegen sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit und krümmen den sie umgebenden Raum. Die in der Sekunde nach dem Urknall entstandenen Strings verwickeln sich in Form unendlicher Fäden zu Schleifen, die heftige Taumelbewegungen vollführen und dadurch ihre Energie nach und nach verlieren.
Niemand weiß mit Sicherheit, ob die Kosmischen Strings tatsächlich existieren.
Doch, wenn es sie gäbe, könnten sie nach Ansicht vieler Physiker die inhomogene Materieverteilung im Universum verursacht haben: besonders massereiche String-Schleifen könnten die notwendige Gravitationsanziehung aufgebracht haben, um die Keimzelle von Galaxien und Galaxienhaufen anzulegen. Da derartige Schleifen jedoch nur von recht geringer Dauer wären, müßten sie heute zum größten Teil verschwunden sein - selbst wenn sie einst das Universum durchdrungen hätten. Weniger massive Strings könnten auch heute noch existieren, doch gestaltet sich ihre Entdeckung äußerst schwierig.
Durch sorgfältige Forschungsarbeit mit immer empfindlicheren Instrumenten könnten die Astronomen in einigen Jahren dennoch imstande sein, die Existenz Kosmischer Strings zu bestätigen, oder zu widerlegen. Ihre Untersuchungen werden mit großer Spannung verfolgt, da die Entdeckung eines Strings neue 41siehe J. Trefil, 1990,”Fünf Gründe warum es die Welt nicht geben kann. DieAstrophysik der dunklen Materie”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 200 Einblicke in die elementare Natur der Materie und gleichermaßen in die Entstehung des Universums ermöglichen würde.”42 Auf der Suche nach Beweisen für die Kosmischen Strings sind erstens Computersimulationen43, zweitens eine Methode, beruhend auf der Gravitationslinse - sie befaßt sich mit möglichen Auswirkungen Kosmischer Strings auf das Licht44 - und drittens ein etwas indirekteres Verfahren, bei dem es um die Suche nach Gravitationswellen geht, die die Strings im frühen Stadium des Universums ausgesendet haben45, die heute zur Verfügung stehenden “Interessant ist, daß alle diese Modelle der Strukturbildung im Universum eine neue Grundlagenphysik erfordern. (.) Die Untersuchung der Strukturen des Universums scheint somit zu einer neuen Physik und einer neuen Astronomie zu führen.”46 Dabei wird die kosmologische Forschung nicht mehr nur von Beobachtungen der Teleskope gestützt.
42siehe A. Vilenkin, 1990, “Kosmische Strings”, in “Kosmologie undTeilchenphysik”, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Seite 16443vgl. J. Trefil, 1990,”Fünf Gründe warum es die Welt nicht geben kann. DieAstrophysik der dunklen Materie”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 200-20544vgl. J. Trefil, 1990,”Fünf Gründe warum es die Welt nicht geben kann. DieAstrophysik der dunklen Materie”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 208-21045vgl. J. Trefil, 1990,”Fünf Gründe warum es die Welt nicht geben kann. DieAstrophysik der dunklen Materie”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 210-21146siehe D. N. Schramm, 1991, “Vom Ursprung der Strukturen im Kosmos”, in“Immer Ärger mit dem Urknall. Das kosmologische Standardmodell in der Krise”,Reinhard Breuer (Hg.), 1993, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 92-93 2.1.6. Teilchenbeschleuniger
Um einen experimentellen Nachweis für die Existenz jener Teilchen zu erbringen, von denen man annimmt, daß sie mehr als 90 Prozent der Materie im Universum ausmachen, gibt es zwei verschiedene Wege. Zum einen kann versucht werden, sie in Teilchenbeschleunigern zu erzeugen, zum anderen können Instrumente konzipiert und gebaut werden, die diese Teilchen registrieren, wenn sie die Erde passieren. Die Wissenschaft setzt auf beide Methoden. Viele der Elementarteilchen, deren Existenz die Physik heute als selbstverständlich betrachtet, wurden durch Reaktionen, die von kosmischen Strahlen ausgelöst wurden, entdeckt. Zum Beispiel Teilchenschauer, die von Supernovae in der Milchstraße auf die Erde trafen. Parallel waren viele wichtige Entdeckungen Ergebnisse von Experimenten in Teilchenbeschleunigern.47 In einem Teilchenbeschleuniger werden in einem Teilchenstrahl Teilchen erzeugt, entweder Protonen oder Elektronen. Diese werden zu einem Strahl gebündelt und annähernd auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Dieser Strahl wird auf ein Target (Zielobjekt) gerichtet. Jede Ansammlung von Atomen eignet sich als Target. “In einigen der Kollisionen wird ein Teil der Energie des Strahls in die Masse neuer Teilchen umgewandelt (E=mc2). Wie gering auch immer die Wahrscheinlichkeit ist, daß in einer solchen Reaktion ein bestimmtes Teilchen erzeugt wird - wenn der Strahl nur genügend Energie hat und wir lange genug warten, wird sich das Ereignis, das wir erwarten, früher oder später einstellen.
Experimentalphysiker setzen heute ihre Hoffnung darauf, daß dies für die Suche nach Dunkler Materie genauso zutreffen wird, wie es in der Vergangenheit für das Forschen nach anderenTeilchen gegolten hat.”48 Als noch geeigneter für die Suche nach neuen Teilchen erweist sich der sogenannte Speicherring. In ihm werden die beschleunigten Teilchen nicht auf ein ruhendes Target, sondern gegeneinander geschossen. “Ein Beschleuniger 47vgl. J. Trefil, 1990,”Fünf Gründe warum es die Welt nicht geben kann. DieAstrophysik der dunklen Materie”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 21348siehe J. Trefil, 1990,”Fünf Gründe warum es die Welt nicht geben kann. DieAstrophysik der dunklen Materie”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 21 erzeugt Teilchenstrahlen, die in große Ringe eingeschlossen werden, wo starke Magnete die Teilchen auf einer kreisförmigen Bahn halten. Teilchen mit positiver elektrischer Ladung (zum Beispiel Protonen) kreisen in einer Richtung durch den Ring, während negativ geladene Teilchen (zum Beispiel Antiprotonen) sich in die andere Richtung bewegen. Der Ring ist so konstruiert, daß die beiden Strahlen an bestimmten Stellen frontal zusammenstoßen. Bei solchen Kollisionen steht die gesamte Bewegungsenergie der Geschosse für die Umwandlung in Masse zur Verfügung - ein effizienteres Verfahren ist nicht denkbar.”49 49siehe J. Trefil, 1990,”Fünf Gründe warum es die Welt nicht geben kann. DieAstrophysik der dunklen Materie”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 215 2.1.7. Atomistik
“Die Bandbreite der Abstände vom Durchmesser des Universums bis zur Größe der kleinsten Teilchen erstreckt sich über vierundvierzig Größenordnungen. Davon umfaßt das zugängliche Spektrum von 10 hoch 12 bis 10 hoch minus 10 zweiundzwanzig Größenordnungen oder anders betrachtet, die Hälfte der Schöpfung.”50 Die Möglichkeit, Atomteilchen einzufangen und zu isolieren, steht der Wissenschaft noch nicht sehr lange zur Verfügung. Die erste Fotografie eines einzelnen Atoms wurde an der Universität Heidelberg aufgenommen und 1980 veröffentlicht. 1990 waren dann weltweit etwa sechs Institute dazu in der Lage. In den achtziger Jahren wurden fünf Nobelpreise für die Entwicklung von Techniken zur Manipulation und bildlichen Wiedergabe einzelner Atome verliehen. “Indem wir zur atomaren Ebene hinabsteigen und sie unseren Sinnen zugänglich machen, zähmen wir sie. Einzelne Atome lassen sich heute zählen, fotografieren und einschließen. Wir können die Oberflächenunebenheiten von Substanzen millionenfach vergrößern, auf diese Weise Aufschluß über ihre atomare Struktur gewinnen und einzelne Atome zu synthetischen Stoffen zusammenfügen. Bald werden uns die neuen Bilder der Atome so vertraut sein wie Fotos der Das Betrachten der Atome unterscheidet sich vom Verständnis ihrer Zusammensetzung grundsätzlich. Die Physiker haben die atomare Struktur “bis in ihre kleinsten Einzelheiten erforscht und sind heute in der Lage, sie exakt und zuverlässig zu beschreiben. Nur die Begriffe, derer sie sich bedienen, um über das Innere des Atoms zu sprechen, sind nicht die vertrauten Wörter, mit denen wir unsere Sinneswahrnehmungen beschreiben. Statt dessen reden sie in der höchst exotischen Sprache der Quantenmechanik, die die Atome nicht als kleine Objekte wie Sandkörner beschreibt, sondern als immaterielle Wolken, deren 50siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 1751siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 19 Realität, um es vorsichtig auszudrücken, fraglich ist.”52 Werner Heisenberg (1901-1976), als einer der Väter der Quantenmechanik, hat ihnen ihre Wirklichkeit fast gänzlich abgesprochen. “In den Experimenten über Atomvorgänge haben wir mit Dingen und Tatsachen zu tun, mit Erscheinungen, die ebenso wirklich sind, wie irgendwelche Erscheinungen im täglichen Leben.
Aber die Atome oder die Elementarteilchen sind nicht ebenso wirklich. Sie bilden “Atome sind Grenzgänger zwischen der Welt, die wir sehen, und der Welt, die nur unserem theoretischen Wissen zugänglich ist.”54 “Die Quantenmechanik ist eine Theorie und ein Verfahren. Sie beschäftigt sich mit subatomaren Erscheinungen. Subatomare Erscheinungen sind im allgemeinen nur denen zugänglich, die über komplizierte (und kostspielige) Apparaturen verfügen. Jedoch können wir auch mit den kompliziertesten und teuersten Geräten nur die Wirkung subatomarer Phänomene sehen. Das Reich des Subatomaren liegt jenseits der Wahrnehmungsgrenzen unserer Sinne. (Ein auf ‘dunkel’ eingestelltes Auge kann ein einzelnes Photon wahrnehmen. Alle anderen subatomaren Partikel können wir nur indirekt auffinden.) Es liegt auch jenseits der Grenze rationalen Verstehens. Natürlich haben wir rationale Theorien über subatomare Phänomene, aber der Begriff ‘rational’ wurde so weit ausgedehnt, daß er jetzt Dinge einschließt, die früher als Unsinn, bestenfalls als paradox, 52siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 21953siehe W. Heisenberg, 1984, “Physik und Philosophie”, Hirzel, Stuttgart, Seite18054siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 2055siehe G. Zukav, 1981, “Die tanzenden Wu Li Meister”, Rowohlt Verlag, Reinbekbei Hamburg, Seite 108 2.1.8. Raster-Tunnel-Mikroskop
1988 veröffentlichte die Zeitschrift Physical Review Letters in der Ausgabe vom 6. Juni das Schwarzweißbild von Benzolmolekülen, die an der Oberfläche eines Streifens aus dem Metall Rhodium hafteten. “Der Durchmesser eines Moleküls wurde ungefähr mit einem milliardstel Meter angegeben, (.). Das Bild war von Wissenschaftlern am Almaden Research Center der IBM im kalifornischen San José mit einem neuartigen Gerät, dem Raster-Tunnelmikroskop (RTM), Dieses Mikrobild hatte eine interessante Frage aufgeworfen: “entgegen allem Anschein war es keine echte Fotografie, sondern eine Computerrekonstruktion (vergleichbar Computertomogrammen eines Gehirns). Sie beruhte auf Messung des elektrischen Stroms, der durch eine Nadelspitze floß, während diese über die Oberfläche des Moleküls geführt wurde. Eine verborgene Kette von Lesevorgängen, Berechnungen und Interpretationen lag zwischen der Probe und dem endgültigen Bild.”57 Bevor diese Bilder zugänglich waren, hingen die Modelle der Wissenschaftler auch von der theoretischen Interpretation verschiedener chemischer Beobachtungen ab. Wie stehen diese beiden Sehweisen in Beziehung zueinander? “Inwieweit liefert die Vorstellung ein zutreffenderes Bild der Welt? Und umgekehrt, in welchem Umfang war das Mikrobild in Wirklichkeit nur eine Vorstellung?”58 Den Erfindern des RTM, Gerd Binning und Heinrich Rohrer, wurde knapp sieben Jahre später, 1986, der Nobelpreis verliehen. Das von ihnen entwickelte Gerät ist heute im Handel als tassengroßes Modell erhältlich. Das Kernstück des RTM, die sogenannte Wolframnadel, ist seit seiner Erfindung unverändert geblieben.
Bei Betrieb des Gerätes wird die heute sehr feine Nadelspitze, meist besteht 56siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 9657siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 9658siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 97 sie aus einem unregelmäßigen Vorsprung, der nur ein paar Atome enthält, “nahe an die Metalloberfäche herangeführt und eine elektrische Spannung, ein Bruchteil eines Volts, an die Lücke angelegt, um die Elektronen zum Tunneln anzuregen.
Die Nadel wandert systematisch über die Probe. Trifft die Sonde auf einen Höcker der Oberfläche, verringert sich die Breite der Lücke, wodurch sich der Tunnelstrom verstärkt. Daraufhin wird die Sonde automatisch zurückgezogen, fort von der Probe, bis der Strom wieder auf seinen vorherigen Wert fällt, während die Bewegung der Nadel von einem Computer aufgezeichnet wird. Sinkt die Spannung dagegen, weil eine Vertiefung vorliegt, nähert sich die Sonde automatisch der Oberfläche. Auf diese Weise wird die gesamte Fläche erkundet, wobei der Tunnelstrom -und damit die Entfernung zwischen Nadelspitze und Probe- auf einem konstanten Wert gehalten wird.
Die Koordinaten der Nadel -ihr regelmäßiges Hin- und Herschwenken auf der Probe, sowie ihre senkrechten Ausschläge- zeichnet das Gerät auf. Wenn alle Daten vorliegen, rekonstruiert der Computer eine Umrißkarte der Oberfläche (.).
Schließlich wird die vollständige Umrißkarte auf einem Bildschirm gezeigt. Auf diese Weise wurden die an einem Rhodiumstreifen haftenden Benzolmoloküle 1988 zum erstenmal sichtbar gemacht.”59 In den zwanziger Jahren des 20. Jahrhunderts begann die Untersuchung der Struktur von Materie mit Hilfe von Röntgenbildern. Diese Bilder von Molekülen sind jedoch nur in einem sehr begrenzten Sinn Bilder. Röntgenstrahlen prallen von Atomen ab. Damit ließe sich indirekt, durch die theoretische Analyse von Röntgenbildern, Aufschluß über die Anordnung von Atomen in Molekülen gewinnen. “Der Wert des RTM liegt darin, daß es zum erstenmal die Architektur einzelner Moleküle, eines nach dem anderen, offenbart.”60 Aber auch die Bilder des RTM sind keine Bilder im herkömmlichen Sinne. Sie beruhen nicht auf Licht, sondern auf elektrischen Strömen und bedeuten insofern eine neue Art des Sehens.61 Die Stärke des Tunnelstroms, die der Computer 59siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 101-10260siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 102 aufzeichnet, wird durch zwei Einflüsse bestimmt, die beide nichts mit unserem optischen Sehvermögen zu tun haben. Der erste Effekt ist die Nähe der Sondennadel zur Oberfläche der Probe. Diese Beziehung gibt Aufschluß über die Atomstruktur der Probe. Der zweite Effekt wird von der elektrischen Ladung der Probe hervorgerufen und läßt sich vom ersten nicht trennen. Elektrische und strukturelle Eigenschaften sind miteinander verflochten. Das RTM mischt also diese Eigenschaften der von ihm abgebildeten Atome und Moleküle. Dieses Problem führt manchmal zu einer Verwechslung von Vertiefungen und “Unklarheit in der Interpretation von Bildern ist kein besonderes Merkmal des RTM. In der Wissenschaft ist sie eher die Regel als die Ausnahme. (.) - jede Beobachtung muß sorgfältig in ein zusammenhängendes Bild übertragen werden. Häufig müssen sich Wissenschaftler für eine von vielen miteinander konkurrierenden Interpretationen eines Bildes entscheiden, ohne die Gewißheit zu haben, daß ihre Wahl richtig ist. Nur in den seltenen Fällen, in denen sich Form, Farbe und Beschaffenheit des Bildes durch Betrachten und Berühren direkt verifizieren lassen, können wir sicher sein, daß Objekt und Bild übereinstimmen.
Doch diese Fälle verlieren für die Zielsetzung der modernen Wissenschaft immer “Insofern die Bilder, die durch Geräte wie das RTM erzeugt werden, und die Vorstellungsbilder, die der menschliche Geist auf der Grundlage nichtvisueller Information konstruiert, indirekt und mehrdeutig sind, verwischt sich die Unterscheidung zwischen technischer Bilderzeugung und menschlicher Vorstellung. Beide sind Methoden zur Erschaffung von Bildern, beide hängen von bestimmten Hintergrundinformationen ab, von versteckten Annahmen und 61vgl. H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 10262siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 10563siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 105 Den Erfindern des RTM war die Vieldeutigkeit der damit erzeugten Bilder natürlich bewußt. Aus den Überlegungen zur Verbesserung des RTM entwickelte Gerd Binning mit einem Team amerikanischer Kollegen das Kraftmikroskop (AtomicForceMicroscope). Hierbei wird die Oberfläche der Probe mit einer scharfen Diamantspitze, die auf einen Auflegearm, ähnlich der Nadel eines Plattenspielers, montiert ist, abgetastet. Der Arm verringert dabei die Kraft, mit der die Spitze gegen die Oberfläche drückt. Der Druck darf nicht zu stark sein, damit die Oberfläche nicht zerreißt. Der aus einem winzigen Streifen Aluminiumfolie bestehende Arm, ist an einem Ende fixiert und verbiegt sich unter der “unvorstellbar schwachen Kraft, die zwischen einzelnen Atomen wirkt.”64 Die Schwierigkeit bestand zu Anfang darin, die “fast unmerklichen Ausschläge der Diamantspitze bei ihrer Bewegung über winzige Höcker, wie sie von einzelnen Atomen hervorgerufen werden, zu registrieren. (.) So wurde in das ursprüngliche Kraftmikroskop ein RTM integriert, das die Auslenkung des mit dem Diamantsplitter versehenen Metallarms aufzeichnete. Das neue Mikroskop ersetzte den elektrischen Strom durch tatsächlichen Kontakt und verringerte dadurch die beim RTM auftretende Gefahr, elektrische und strukturelle Und trotzdem: es “läßt sich zwar mit dem Kraftmikroskop die grobe Ver- wechslung von strukturellen und elektronischen Eigenschaften vermeiden, unter denen das RTM leidet, doch bringt es dafür subtilere Interpretationsprobleme Denn was bedeutet tatsächlicher Kontakt? “Auf atomarer Ebene ist selbst der intuitiv einleuchtende Begriff der Berührung alles andere als einfach. Tatsächlich berührt kein reales Objekt jemals ein anderes. Wenn zwei Billiardkugeln sich 64siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 10665siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 106-10766siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 109 einander nähern, verringert sich der Abstand zwischen ihren am weitesten außen befindlichen Atomen, während im gleichen Maße die Abstoßungskräfte zwischen ihnen zunehmen und ihre Geschwindigkeit abbremsen. Schließlich halten sie einen Moment inne, prallen ab und entfernen sich voneinander. Wissenschaftlern geht es nicht um den Begriff des Berührens, sondern um die Frage, wie Bewegung zum Stillstand kommt (.). Kurzum, (.), wenn Billiardkugeln zusammenstoßen und wenn die Spitze einer Nadel auf eine Oberfläche trifft, bilden die Kräfte, die dabei ins Spiel kommen, einen gordischen Knoten aus klassischen und quantenmechanischen Effekten, und es ist unmöglich, genau zu bestimmen, welcher der vielfältigen Einflüsse letztlich verhindert, daß ein Objekt Entsprechend gibt es kein endgültiges Bild von einem Atom. Alle Erkenntnisse, die wir aus der Strukturchemie, der Quantenmechanik, den Bildern des RTM und seines Ablegers, des Kraftmikroskops, sowie aus zahllosen anderen Experimenten in der Atomphysik gewonnen haben, leisten ihren Beitrag zu unserem sich rasch formenden Bild vom Atom.”67 Der Blick von außen auf das Atom leidet also an Genauigkeit. Im Gegensatz dazu ist die Sicht aus dem Inneren des Atoms sehr detailliert, aber es läßt sich “aus ihr kein Vorstellungsbild gewinnen”68. Immer größere und schnellere Computer verbessern die quantenmechanischen Berechnungen und liefern immer zuverlässigere Wellenfunktionen der Elektronenwolken. Zwar enthalten sie prinzipiell alle Informationen, die man von einem Atom bekommen kann, “doch wenn wir uns dann bemühen, intuitiv verständliche Darstellungen des Atom’s zu fertigen, stellt sich heraus, daß wir noch nicht gelernt haben, die richtigen Fragen zu stellen. Wir wissen alles über die Struktur des Atoms, ausgenommen ihre Bedeutung.”69 Die Wissenschaft hofft auf eine Verbesserung der Sonden und 67siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 107-10968siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 11069siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 110 bildgebenden Verfahren, wie dem RTM, um weiter unter die atomare Oberfläche zu tauchen. Dabei wird die Wellenfunktion für die Interpretation dieser Bilder immer wichtiger. Ziel, so Hans Christian von Baeyer, ist die Vereinigung der beiden Perspektiven, von außen und von innen, bis sie sich schließlich “zu einem neuen Bild des Atoms vereinigen.”70 Jedoch ist die visuelle Wiedergabe der Atomstruktur, mit der sich auch der gesunde Menschenverstand zufrieden geben kann, vielleicht nicht möglich.
Wenn die Spannung am RTM erhöht und der Auslegearm des Kraftmikroskop’s verstärkt wird, um in die Bereiche des Atominneren vorzudringen, in den Bereich der Quantenmechanik, beginnen die Sonden die Proben zu verändern, deren Zustand sie nur registrieren sollen. Dann wird nicht ein Atom gemessen, wie ursprünglich geplant, sondern etwas anderes, viel komplexeres, ein aus Atom und Nadel zusammengesetztes System. Der Beobachter ist dann Teil des zu Beobachtenden, er wirkt auf das Objekt der Beobachtung ein.71 Wie läßt sich also festlegen, beweisen, daß wir auf dem Bild zum Beispiel die Oberfäche eines Atoms sehen? “Ein wissenschaftlicher ‘Beweis’ ist eine logische Folge mathematischer Sätze, an Hand derer man zeigt, daß die zur Debatte stehende Aussage logisch folgerichtig ist. Im Reich der reinen Mathematik hat eine Aussage möglicherweise überhaupt keinen Bezug zur Erfahrung.
Nichtsdestoweniger wird sie akzeptiert, wenn sie von einem in sich logisch folgerichtigen Beweis gestützt wird. Läßt sich ein solcher Erweis nicht bringen, wird sie abgelehnt. Das gleiche gilt für die Physik, nur stellt sie die zusätzliche Forderung, daß sich die Aussage auf die gegenständliche Realität bezieht.
Wir können also über den Zusammenhang zwischen der ‘Wahrheit’ einer wissenschaftlichen Behauptung und der Natur der Realität eine wichtige Aussage machen: es gibt keinen. Die wissenschaftliche Wahrheit hat nichts damit zu tun, wie die Realität ‘wirklich’ ist. Eine wissenschaftliche Theorie ist wahr, wenn sie in 70siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 11071vgl. H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 110-111 sich selbst folgerichtig ist und wenn sie Erfahrung richtig korreliert (Ereignisse zutreffend voraussagt). Kurz, wenn ein Wissenschaftler sagt, daß eine Theorie wahr ist, dann meint er, daß sie Erfahrungen in Übereinstimmung bringt und deshalb nützlich und brauchbar ist. Wenn wir das Wort ‘wahr’ jedesmal durch das Wort ‘brauchbar’ ersetzten, wird die Physik in die richtige Perspektive Können wir die bildgebenden Verfahren der Naturwissenschaften in dieser Weise sehen, als brauchbare und nicht wahre Images? 72siehe G. Zukav, 1981, “Die tanzenden Wu Li Meister”, Rowohlt Verlag, Reinbekbei Hamburg, Seite 306 2.1.9. Farben und Falschfarben
Kommen wir noch einmal zurück zu den Farben der Images. Die Verwendungsweise von Farben in den bildgebenden Verfahren der Astronomie unterscheidet sich von denen in der Mathematik. Hans Christian von Baeyer schreibt dazu, “die Farben der astronomischen Bilder sind möglicherweise von den optischen Eigenschaften der Kameras und von dem komplizierten Vorgang ihrer elektronischen Übertragung zur Erde beeinflußt, doch im Prinzip sind sie keineswegs willkürlich. Sie sind von der Natur vorgegeben, und es ist die Aufgabe der Bildtechnik, Eichverfahren zu entwickeln, die unerwünschte chromatische Verzerrungen ausschließen. In der Mathematik dagegen ist alles künstlich, nichts wirklich. Trotzdem bewährt sich die Fähigkeit der Farbe, das Gefühl anzusprechen, selbst im Kontext dieser strengen Wissenschaft.”73 Ein anschauliches Beispiel dafür sind die farbigen Darstellungen der Mandelbrot- Menge, grafische Wiedergaben von numerischen Beziehungen. Die Sammlung spezieller Punkte einer komplexen Zahlenebene, die in der Chaostheorie entsteht, wird mit Hilfe von Farben anschaulich. Die Mandelbrot-Menge ist ein numerisches Konzept, in dem Farbe gar keine Rolle spielt. In der farbigen Darstellung repräsentiert jede Farbe die Geschwindigkeit, “mit der der Rechen- vorgang seiner endgültigen Lösung für einen bestimmten Fleck des Bildes zustrebt.”74 Hier wird die Farbauswahl nach rein ästhetischen Gesichtspunkten getroffen. Da die Farben keine mathematischen oder physikalischen Bedeutungen haben, werden sie als Falschfarben bezeichnet. Dennoch scheinen die Ergebnisse die Sinne ebenso anzusprechen, “wie den mathematischen “Obwohl Falschfarben nicht die Bedeutung von echten Farben haben, können sie uns bei unseren Verständnisprozessen und Entdeckungen helfen. Indem sie das Auge leiten, können sie bislang verborgene Muster aufdecken, und indem 73siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 11674siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 11775siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 117 sie strukturelle Merkmale markieren, bieten sie dem Betrachter die Möglichkeit, ihnen durch komplexe Bildsequenzen zu folgen. Wie Gehirnchirurgen in der Computertomografie mit Falschfarben die Grenze zwischen gesundem und kranken Gewebe ermitteln, beginnen auch Physiker den Wert der Farbkodierung So lag es auch nahe, die computergenerierten Bilder des RTM in Farbe wiederzugeben. “Die Landschaft der Atome, deren Umrisse sich Anfang der achtziger Jahre zunächst in den schwarzen Strichmustern des ersten RTM von Binnig und Rohrer andeuteten, läßt sich heute in den leuchtenden Farben betrachten, wie wir sie von den Bildern aus anderen Bereichen kennen.”77 So falsch die Farbigkeit der Atome auch ist, sie gibt ihnen ein Element der Wirklichkeit. “Die Wissenschaftler, die RTM-Bilder herstellen, kolorieren sie nicht, um ihren emotionalen Reiz zu erhöhen, oder um sie realer erscheinen zu lassen.
Ein einfacher Zweck der Farbkodierung ist es, verschiedene Atomarten zu identifizieren. Wenn die Position oder andere Eigenschaften eindeutige Unterscheidungen zulassen, bekommt jedes Atom seine eigene Farbe. (.) Das Farbschema verleiht dem Bild visuelle Kontraste und sorgt dafür, daß es sich “Visuelle Modelle lassen komplexe Systeme einfacher erscheinen und tragen zu einem vollständigeren Verständnis bei. Deshalb werden Bilder der atomaren Landschaft in der Lehre eine wichtige Rolle spielen und möglicherweise sogar das Bohrsche Atommodell als populäres Symbol verdrängen.”79 “Mit dem technischen Fortschritt werden sicherlich schärfere Bilder möglich 76siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 11777siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 11778siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 11879siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 124 werden, doch eine unendlich spitze Nadel oder ein Bild mit unendlicher Auflösung kann es nicht geben. Nur in der Scheinwelt der Mathematik lassen sich Objekte in immer feinere Einzelheiten auflösen und ad infinitum unterteilen. Im Bereich der Atome wird man immer an einen Punkt gelangen, wo zwei separate Merkmale eines Objekts als ein einziges erscheinen, weil die Sonde zu plump ist, um sie Das RTM liefert Aufnahmen der Oberfläche von Atomstrukturen und zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist diese kontinuierliche Oberfläche der Atomlandschaft für das RTM undurchdringlich. “Der Elektronenmantel, der die atomaren Bausteine der Materie miteinander verbindet, verbirgt ihre fundamentale Körnigkeit. Mit dieser Erkenntnis wird klar, daß die Landschaft der Atome nicht in das Gebiet der Physik, sondern in das der Chemie fällt. Es ist die Aufgabe von Chemikern, die Struktur verschiedener Atomkombinationen zu untersuchen. (.). Doch physika- lische Fragen, die die innere Struktur des Atoms selbst betreffen, verlangen Wenn Fotografien von Dünen keinen Aufschluß über die Beschaffenheit des Sandes geben, so läßt sich dieses Ziel vielleicht dadurch erreichen, daß man ein einzelnes Korn ins Licht hält und es isoliert von seinen unzähligen Geschwistern Hans Dehmelt, deutscher Physiker an der University of Washington, Seattle, begann 1956 mit der Suche nach isolierten Teilchen, für die ihm 33 Jahre später der Nobelpreis verliehen wurde. Dehmelt setzte sich das Ziel, ein Elektron einzuschließen, konkreter formuliert, “ein einzelnes Atomteilchen, das auf Dauer bewegungslos im freien Raum schwebt”82 zu isolieren. 1973, siebzehn Jahre nachdem Dehmelt seine Idee zum erstenmal entwickelt hatte, war er erfolgreich 80siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 13081siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 130-13182siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 134 und veröffentlichte einen Artikel, “in dem die Isolierung eines einzelnen Elektrons angezeigt wurde”83. Eines der eingefangenen Elektronen blieb zehn Monate in einem Behälter, bevor es versehentlich mit einer Wand kollidierte. Diese und folgende Experimente führen uns vor Augen, schreibt von Baeyer, “daß Elektronen nicht nur bequeme mathematische Konstrukte sind, sondern im Gegensatz zur Überzeugung von Schrödinger und Heisenberg auch reale, dauerhafte Objekte, die man wie Sandkörner am Strand aussondern und Nachdem Dehmelt und seine Gruppe ein Elektron isoliert hatten, faßten sie das Atom selbst ins Auge. Dazu verwendeten sie ein Gerät von Wolfgang Paul, der dafür 1989 zusammen mit Dehmelt den Nobelpreis erhielt. An der Universität von Heidelberg gelang Dehmelt 1979 die erste Fotografie eines einzelnen Atoms. Ein Jahr später wurde in Seattle ein geladenes Bariumatom in Farbe “Das Bild eines eingeschlossenen Atoms ist seiner Natur nach etwas ganz anderes als das Bild eines Atoms unter den RTM. Letzteres wird ‘sichtbar’, wenn Tunnelelektronen durch die äußere Fläche seiner Schale dringen und als Strom aufgezeichnet werden, mit dessen Hilfe dann eine computergenerierte Reproduktion des Atoms gefertigt wird.”85 Das Bariumatom aus Seattle dagegen “absorbiert und emittiert tatsächlich blaues Licht in Form von Photonen, die das menschliche Auge sehen kann.”86 “Farbfotos und Falschfarben-Mikrobilder von Atomen unterscheiden sich voneinander wie der Schnappschuß eines Gesichtes von dem Eindruck, den man von diesem Gesicht gewinnt, wenn man seine Züge mit den Fingerspitzen 83siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 13584siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 13785siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 14086siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 140 abtastet.”87 Die verschiedenen Ansichten eines Atoms sollen helfen, ein vernünftiges Modell zu kombinieren. “Erschwert wird die Aufgabe durch den Umstand, daß die Quantentheorie, die alle Messungen und Beobachtungen im atomaren Bereich erklärt, nicht in der Alltagssprache geschrieben ist. Am Ende müssen wir immer versuchen, mit ihren intuitiv so schwer faßbaren Aussagen “Die Quantentheorie ist nicht deshalb so schwer zu erklären, weil sie kompliziert ist. Die Schwierigkeit ist vielmehr auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Wörter, auf die wir angewiesen sind, sich für die Erklärung von Quantenphänomenen nicht eignen.”89 Dieses Problem wurde auch von den Gründern der Quantentheorie diskutiert. Max Born schrieb dazu beispielsweise: “Der letzte Ursprung der Schwierigkeit liegt in der Tatsache (oder in dem philosophischen Prinzip), daß wir gezwungen sind, Wörter der gewöhnlichen Sprache zu gebrauchen, wenn wir ein Phänomen beschreiben wollen, nicht die logische oder mathematische Analyse, sondern Bilder, die das Vorstellungsvermögen ansprechen. Die gewöhnliche Sprache ist nach der alltäglichen Erfahrung gewachsen und kann diese Grenzen nie überschreiten. Die klassische Physik hat sich auf die Anwendung von Begriffen dieser Art beschränkt; durch Analyse sichtbarer Bewegungen hat sie zwei Wege entwickelt, sie durch elementare Prozesse darzustellen: sich bewegende Teilchen und Wellen. Es gibt keine andere Möglichkeit, Bewegungen bildlich zu beschreiben - wir müssen sie sogar im Bereich atomarer Vorgänge anwenden, wo die Bei der Erklärung subatomarer Phänomene stoßen die Wissenschaftler auf Schwierigkeiten bei der bildlichen Vorstellung. “Daher müssen wir es aufgeben, 87siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 14088siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 14189siehe G. Zukav, 1981, “Die tanzenden Wu Li Meister”, Rowohlt Verlag, Reinbekbei Hamburg, Seite 29490siehe M. Born, 1957, “Atomic Physics”, New York, Seite 97 Erklärungen in Begriffen der ‘gewöhnlichen Sprache’ zu liefern. Wir müssen uns auf ‘mathematische Analyse’ beschränken.”91 Müssen wir erst Mathematik studieren, um uns mit der Physik der subatomaren Phänomene befassen zu können? David Finkelstein, Direktor der School of Physics am Georgia Institute of Technology, behauptet, daß das nicht stimme. Mathematik sei eine Sprache wie Deutsch oder Englisch auch. “Das Beste, was man mit Symbolen erreichen kann, ist eine maximale, aber keine vollständige Beschreibung.”92 “Eine mathematische Analyse subatomarer Phänomene ist qualitativ nicht besser als irgendeine andere Analyse mittels eines Systems von Symbolen, da Symbole nicht den gleichen Regeln folgen, wie die Erfahrung. Sie folgen ihren eigenen Regeln. Kurz, das Problem liegt nicht in der Sprache, das Problem ist Hier liegt auch das Problem der fotografischen Darstellung eines Atoms. “Das Atom ist keine statische Struktur, sondern ein dynamischer Mechanismus, der sich in ständiger Wechselwirkung mit einer ebenso dynamischen Umgebung befindet. (.). Wenn wir das Atom verstehen wollen, müssen wir hinter die starren Bilder blicken und die Handlung eines Films einfangen.”94 “Nicht der Schatten eines Zweifels fällt auf die beiden Arten, das Atom wahrzunehmen - als winziges Sandkorn und als quantenmechanisches Phantom: das erste sehen wir, vom zweiten wissen wir, und die Kluft zwischen beiden ist tief. Die Frage lautet: was fangen wir mit ihr an? Es gibt zwei Möglichkeiten: entweder wir leben mit ihr, oder wir finden einen Weg, sie zu überbrücken.”95 Sollte sich die Quantenmechanik als das einzig 91siehe G. Zukav, 1981, “Die tanzenden Wu Li Meister”, Rowohlt Verlag, Reinbekbei Hamburg, Seite 29592siehe D. Finkelstein, Januar/1976, Tonbandaufzeichnung von der Esalen-Konferenz über Physik und Bewußtsein in G. Zukav, 1981, “Die tanzenden Wu LiMeister”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 29593siehe G. Zukav, 1981, “Die tanzenden Wu Li Meister”, Rowohlt Verlag, Reinbekbei Hamburg, Seite 29594siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 16495siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen die richtige Bild der Wirklichkeit erweisen, dann wären Wahrscheinlichkeit und Möglichkeit die angemesseneren Sprachen zur Beschreibung unserer Welt, als strenger Determinismus, “und man müßte das Gesetz aufgeben, nach dem zwei widersprüchliche Aussagen nicht gleichzeitig richtig sein können. Alle Dinge könnten miteinander verknüpft sein, und die Beziehungen zwischen Objekten würden sich als ebenso grundlegend erweisen, wie die Objekte selbst.”96 Die Atomistik, “die auf der Überzeugung beruht, daß sich physikalische Erscheinungen mit Hilfe einer endlichen Zahl von fundamentalen Bausteinen und ihren Wechselwirkungen erklären lassen, hat sich für die Untersuchung der Materie als außerordentlich erfolgreich erwiesen, doch die Quantenmechanik steht in einem grundlegenden Widerspruch zu ihr. Nach quantenmechanischer Auffassung sind atomare Teilchen potentiell und nicht aktuell, Objekte, deren Verwirklichung von den Details der zu ihrer Beobachtung verwendeten externen makroskopischen Meßeinrichtungen, das heißt von ihrer physikalischen Umgebung, abhängt. (.). Auf jeden Fall leugnet die Quantenmechanik die Möglichkeit, die Welt mit Hilfe irreduziblen Bestandteilen zu analysieren, und verstößt damit gegen den Geist der Atomistik.”97 Auch auf diese Fragestellungen in der naturwissenschaftlichen Diskussion konnte ich im Rahmen meiner Arbeit nur ansatzweise eingehen. Abschließend, als eine weitere Anregung zur Diskussion, ein Wort zu diesem Thema von Max Planck, der 1936 schrieb: “Wissenschaft (.) bedeutet rastloses Bemühen und ständig fortschreitende Entwicklung auf ein Ziel hin, das die poetische Intuition verstehen mag, das jedoch der Intellekt niemals völlig erfassen kann.”98 Welt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 28596siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 28697siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 286-28798siehe M. Planck, 1936, “The Philosophy of Physics”, New York, Seite 83 2.1.10. Quarks
An anderer Stelle wurde dargestellt, daß die moderne Astronomie nicht nach dem Universum, wie es sich der menschlichen Erfahrung darstellt, sucht, sondern vielmehr wissen möchte, wie es beschaffen ist.
“Auch im mikroskopischen Bereich vollzieht sich eine entsprechende Verlagerung der Blickrichtung. Die Biologie, die einst ausschließlich damit beschäftigt war, Tiere und Pflanzen in Kategorien einzuordnen, die der Mensch festgelegt hat, erschließt die neuen Gebiete der Biophysik und Biochemie, in denen sie versucht, lebende Organismen anhand atomarer Prozesse zu erklären. (.). Am Ende wird der Dreh- und Angelpunkt aller wissenschaftlichen Aktivitäten der universelle “In der Physik bezeichnet man ein Teilchen als elementar, wenn es keine innere Struktur besitzt, die darauf hindeutet, daß das betreffende Teilchen aus noch kleineren Objekten besteht. Diese Definition ist jedoch relativ. In verschiedenen Gebieten der Physik gibt es verschiedene Vorstellungen von Elementarität. So ist es zum Beispiel für weite Bereiche der physikalischen Chemie irrelevant, ob Atome eine spezifische innere Struktur besitzen. Es genügt, die Atome als die kleinsten Teilchen der Materie zu betrachten. Andererseits legt man in der Atomphysik Wert auf das Studium der inneren Struktur der Atome. Für den Atomphysiker bestehen die Atome aus den Elektronen in der Hülle und dem Atomkern. Der Atomkern wird vom Atomphysiker als unteilbar angenommen, gewissermaßen als elementares Objekt betrachtet. Für den Kernphysiker agieren die Nukleonen als die elementaren Objekte, die den Atomkern aufbauen.
Andererseits betrachtet der Elementarteilchenphysiker die Nukleonen als nichtelementare Systeme; sie bestehen aus den Quarks.”100 Die Frage, ob die Quarks und Leptonen aus noch kleineren Teilchen bestehen, ist bis heute unentschieden, jedoch nicht ausgeschlossen.
Anfang dieses Jahrhunderts stellten die Physiker die Frage, ob die Atome eine 99siehe H. C. von Baeyer, 1993, “Das Atom in der Falle. Forscher erschießen dieWelt der kleinsten Teilchen”, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Seite 281-282100siehe H. Fritzsch, 1981, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 207 innere Struktur haben, oder strukturlos sind. “Etwa im Jahre 1932 waren den Physikern insgesamt vier Teilchenarten bekannt, nämlich die Elektronen, Photonen, Protonen und Neutronen. Abgesehen vom Photon sind diese Teilchen die Bausteine der beobachteten Materie. Man nahm damals an, daß sie elementare Objekte sind, das heißt, nicht aus noch kleineren Konstituenten zusammengesetzt. (.); heute kennt man einige hundert Elementarteilchen, und es ist mittlerweile klar geworden, daß die meisten der sogenannten Elementarteilchen gar nicht elementar sind.”101 Bereits 1930 wurde “das wohl eigenartigste Teilchen im Zoo der Elementarteilchen”102, das Neutrino, von Wolfgang Pauli vorausgesagt. Es brauchte aber zwanzig Jahre, “bis es in der ersten Hälfte der fünfziger Jahre entdeckt wurde, und zwar durch den Nachweis von Neutrinostrahlung in der Nähe Seitdem wurden eine ganze Reihe neuer Teilchen entdeckt. “Diese Teilchen haben alle die Eigenschaft, daß sie nicht als Bestandteil der von uns beobachteten Materie fungieren, sondern nur für kurze Zeit leben”104, für Diese neugefundenen Teilchen werden von den Elementarteilchen- oder Hochenergiephysikern in verschiedene Gruppen eingeteilt. Stark wechselwirkende Teilchen werden als Hadronen bezeichnet. Von ihnen sind heute eine große Anzahl bekannt. Innerhalb der Klasse der Hadronen findet man wiederum zwei verschiedene Familien von Teilchen, die als Mesonen und Die Wissenschaftler vermuten, daß es unendlich viele Mesonen gibt, obwohl die 101siehe H. Fritzsch, 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 63102siehe H. Fritzsch, 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 63103siehe H. Fritzsch, 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 69104siehe H. Fritzsch 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 71 Experimente nicht ganz eindeutig sind.105 Mesonen sind instabil und zerfallen letztlich in Elektronen, Positronen, Photonen und Neutrinos, “das heißt, am Ende bleibt kein stark wechselwirkendes Teilchen übrig”106. Mesonen haben einen Baryonen (von ‘baryos’, im Griechischen ‘schwer’) haben einen nicht- ganzzahligen Spin. Zu ihnen gehören Nukleonen und Hyperonen. “Alle Baryonen sind instabil, mit Ausnahme des Protons, und alle Baryonen zerfallen so, daß am Ende ein Proton übrigbleibt, neben anderen nicht stark wechselwirkenden Teilchen, wie den Elektronen.”107 Und, wie im Falle der Mesonen, nehmen die Wissenschaftler an, daß es unendlich viele Baryonen mit “Es ist nützlich, neben den Mesonen und Baryonen eine weitere Gruppe von Teilchen einzuführen: die Gruppe der Teilchen, die Spin1/2 haben und nicht an der starken Wechselwirkung teilnehmen. Zu dieser Gruppe gehören natürlich das Elektron und das (.) Neutrino. Es gibt jedoch noch weitere dieser Teilchen; man bezeichnet sie als Leptonen.”108 Der Name leitet sich vom Griechischen ‘lepos’ (leicht) ab, allerdings hat sich in jüngerer Zeit herausgestellt, daß dieser Name nicht besonders sinnvoll ist, da es auch schwere Leptonen, “das heißt Leptonen, die schwerer als das Proton sind, gibt”109.
“Die Leptonen scheinen paarweise aufzutreten, wobei ein Paar aus einem Neutrino und einem geladenen Lepton besteht.”110 Es gibt also viel mehr Hadronen als Leptonen. Bis heute kennt die 105vgl. H. Fritzsch 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unserer Welt”,R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 72106siehe H. Fritzsch 19894, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 72107siehe H. Fritzsch 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 73108siehe H. Fritzsch 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 79109siehe H. Fritzsch 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 79110siehe H. Fritzsch 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 80 Elementarteilchenphysik sechs Leptonen, aber einige Hundert Hadronen.
“Hieraus mag man die Schlußfolgerung ziehen, daß die Leptonen fundamentalere Objekte als die Haronen sind. Während der siebziger Jahre hat sich herausgestellt, daß diese Idee richtig ist. Die Hadronen erwiesen sich als Systeme, die aus elementaren Konstituenten bestehen: den Quarks. Das Quarkkonzept wurde ursprünglich von Murray Gell-Mann und Georg Zweig vorgeschlagen - im Jahre 1964. Seit dieser Zeit hat sich das Quarkmodell der Hadronen von einer gewagten Hypothese zur modernen Theorie der Hadronen Die Zahl ‘3’ spielt eine besondere Rolle im Quarkmodell: das Proton besteht zum Beispiel aus drei Quarks. “Dies ist der Grund für die Bezeichnung ‘Quarks’.
Gell-Mann wählte diesen Namen unter Bezugnahme auf den Roman ‘Finnegans Alle mit dem Quarkmodell verbundenen Probleme können mit der Theorie der Chromodynamik gelöst werden. “In dieser Theorie erscheinen die Quarks als die fundamentalen Objekte der Hadronenphysik. Die Situation ist analog zur Elektrodynamik, in der das Elektron als das fundamentale Objekt fungiert. In der Theorie der Chromodynamik sind die Quarks (.) innerhalb der Hadronen permanent gebunden. Es gibt keine Möglichkeit, sie als freie Teilchen zu beobachten, wie etwa die Elektronen. Demzufolge mußten sich die Physiker spezielle Möglichkeiten einfallen lassen, um die Quarks zumindest indirekt innerhalb der Hadronen zu beobachten und zu studieren.”113 Neben den Quarks führt Harald Fritzsch noch eine weitere subnukleare Konstituente ein, die hier vollständigkeitshalber anfügt sei: die neutralen Gluonen.
Dieser Name sei nicht zufällig gewählt, da “die Gluonen die Bindung der Quarks zu den Hadronen bewirken, sie sind der ‘Klebstoff’ (im Englischen ‘glue’), der die 111siehe H. Fritzsch 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 82112siehe H. Fritzsch 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 82113siehe H. Fritzsch 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 93-94 Im Rahmen dieser Arbeit können nicht sämtliche Teilchen vorgestellt werden, die in den folgenden Jahren entdeckt wurden, deshalb sei nur noch kurz erwähnt, daß nach 1974 ein ganzer Satz neuer Teilchen, bestehend aus den sogenannten Charm-Quarks, entdeckt wurde. Damit wurde eine neue Art von Materie entdeckt, “die in der freien Natur nirgends vorkommt, ausgenommen.” [in den] “.extremen Situationen, die in den Hochenergiephysik-Laboratorien geschaffen Nach 1970 begann die Entwicklung der modernen Theorie der starken Wechselwirkung, der Quantenchromodynamik (QCD). Diese Theorie gründet sich auf der Annahme, “daß jedes Quark in drei verschiedenen Ausgaben oder Formen existieren kann”116, die als Farben bezeichnet werden, zum Beispiel in einer roten, einer grünen und einer blauen. Dabei hat jede Farbe die gleichen Rechte, keine Farbe ist gegenüber der anderen im Vorzug. So sind zum Beispiel die roten Quarks genau so oft repräsentiert, wie die grünen.117 Diese Konfigurationen werden von den Mathematikern als Farbsinguletts bezeichnet, “nämlich Singuletts unter der Farbgruppe, das heißt der Gruppe aller mathematischen Transformationen, die man im Farbraum durchführen kann.”118 “Man findet, daß Farbsinguletts die Bindungszustände der [Gruppen-] Theorie sind, [diese können wir hier nicht im Detail diskutieren] genauso wie die Ladungssinguletts die Bindungszustände in der Elektrodynamik bilden. Die Quarks haben also die Tendenz, in Farbsingulettzuständen zu existieren, falls die 114siehe H. Fritzsch 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 99115siehe H. Fritzsch 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 145116siehe H. Fritzsch 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 150117vgl. H. Fritzsch 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 150-151118siehe H. Fritzsch 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 151 Kräfte zwischen den Quarks durch die Farbladung gegeben sind. (.) Ist es möglich, eine wirkliche Theorie der Quarks und der Gluonen zu konstruieren, in der die oben erwähnte Eigenschaft realisiert ist? Im Falle der elektrischen Kräfte gibt es eine solche Theorie, nämlich die Maxwellsche Theorie und ihre quantisierte Version, die Quantenelektrodynamik (QED).”119 Die Physiker suchten also nach einem “Farbanalog der Quantenelektrodynamik, wobei die Rolle der elektrischen Ladung von den Farbladungen übernommen wird. (.) Der wesentliche Unterschied zwischen der Elektrodynamik und der Chromodynamik besteht in der Tatsache, daß es acht verschiedene Farbladungen gibt, während anderseits nur eine elektrische Ladung existiert.”120 Im Laufe der letzten zwei Jahrzehnte haben die Wissenschaftler festgestellt, daß die Theorie der Quantenelektrodynamik “die Prozesse nicht nur auf befriedigende Art und Weise beschreibt, daß sie sogar viel besser ist, als man ursprünglich erwartete. Man hat mittlerweile sehr präzise Tests der QED durchgeführt. Es hat sich herausgestellt, daß die Theorie die Phänomene viel genauer beschreibt, als zu etwa einem Tausendstel eines Prozentes. Wir können deshalb sagen, daß es bezüglich der Wechselwirkung von Elektronen und Photonen nichts Ungeklärtes gibt. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist vollkommen verstanden. Nicht nur innerhalb der klassischen Physik, sondern auch, wenn wir Quanteneffekte betrachten. Dies ist sehr wichtig, denn es zeigt, daß die Methode der theore- tischen Physiker, insbesondere die Methoden der Quantenmechanik, geeignet sind, die Natur selbst bei sehr kleinen Abständen richtig zu beschreiben.”121 Die Quantenchromodynamik dagegen zeigt Instabilitäten, sie treten bei relativ großen Distanzen auf, “das heißt groß gegenüber der Ausdehnung eines Protons (etwa 10-13 cm).”122 Konkrete Berechnungen können durchgeführt 119siehe H. Fritzsch 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 168-169120siehe H. Fritzsch 1994, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 169121siehe H. Fritzsch, 1981, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 177122siehe H. Fritzsch, 1981, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unserer werden, wenn man die Quarks und die Gluonen bei sehr kleinen Distanzen “Die zwischen den Quarks wirkenden Kräfte sind viel stärker als etwa die elektrischen Kräfte, die für die Struktur der Atome wichtig sind. Sie sind aber auch viel stärker als die Kernkräfte, die für den Aufbau der Atomkerne verantwortlich sind. Beim Studium der Hadrone begegnen uns also die stärksten bislang in der Natur beobachteten Kräfte: die chromoelektrischen Kräfte zwischen den Quarks.”124 Bei sehr kleinen Distanzen allerdings werden diese Kräfte schwach und genauso beschreibt es die Chromodynamik. Dies ist für die Physiker einer der Gründe zu glauben, daß sie mit der Chromodynamik, trotz ihrer Instabilitäten die richtige Theorie der Hadronen und der Quarks gefunden haben. Dies könne man, so Fritzsch, nicht mit absoluter Sicherheit behaupten, aber alle gefundenen experimentellen Resultate würden mit den theoretischen Voraussagen der QCD “Bis vor einigen Jahren waren die meisten Physiker der Ansicht, daß die Kernkräfte etwas Fundamentales darstellen. Heute hat sich die Situation vollständig geändert. Die Kernkräfte selbst sind keine elementaren Kräfte, sondern nur Konsequenzen der superstarken Kräfte der Chromodynamik. (.) die Kräfte, die unsere Welt im Innersten zusammenhalten.”126 Um das Quarkkonzept einzuführen, mußte ich zumindest grob auf diesen Forschungsbereich der Elemantarteilchenphysik eingehen. Die eigentliche Frage im Rahmen dieser Arbeit lautet aber: Können wir die Quarks sehen? Und wie Welt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 185123vgl. H. Fritzsch, 1981, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 190124siehe H. Fritzsch, 1981, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 193125vgl. H. Fritzsch, 1981, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 253126siehe H. Fritzsch, 1981, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 196-197 “Es gibt einen Prozeß in der Hochenergiephysik, der sich von allen anderen Prozessen durch seine Wichtigkeit unterscheidet, nämlich die Vernichtung von Elektronen und Positronen. In diesem Prozeß vernichten sich ein Teilchen und das entsprechende Antiteilchen vollständig: sie lösen sich in reine Energie auf.
Diese kann man benutzen, um alle möglichen Arten von neuen Teilchen zu produzieren.”127 In der Elektron-Positron-Vernichtung kann man aus der vorhandenen Energie im wesentlichen alles erzeugen, “was sich bei der in Frage kommenden Energie eben produzieren läßt. Man erzeugt neue Teilchen gewissermaßen aus dem Nichts, also aus dem Vakuum”128 Wenn man zwei Quarks, zum Beispiel zwei sehr schwere Quarks, voneinander entfernt, bildet sich zwischen ihnen ein Gluonband aus, und der Aufbau dieses Gluonbandes kostet Energie. Um die Quarks voneinander zu entfernen, muß also eine beträchtliche Energie aufgewendet werden. “Nun ist es so, daß das Vakuum angefüllt ist mit einer unendlichen Anzahl von virtuellen Quark-Antiquark- Paaren. Im allgemeinen bemerkt man diese nicht. Sie warten jedoch nur darauf, sich in Form von Teilchen (Hadronen) zu manifestieren. Dies ist nur möglich, wenn die nötige Energie zur Verfügung steht.”129 Und dieses System von Hadronen kann am Ende in den Teilchendetektoren nachgewiesen werden.
Mit Hilfe der Theorie der Chromodynamik ist es möglich, Voraussagen über die Verteilung der Impulse der erzeugten Teilchen zu machen. Auch ohne tiefgreifende theoretische Überlegungen kann man sich leicht vorstellen, wie das erzeugte hadronische System in der Elektron-Positron-Annihilation bei hohen Energien aussieht. Man erwartet nämlich, daß die Hadronenimpulse eng mit den Impulsen der beiden Quarks zusammenhängen. Speziell werden die Hadronen des Endzustandes erzeugt, indem die Quarks in Hadronen ‘fragmentieren’: das 127siehe H. Fritzsch, 1981, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 215128siehe H. Fritzsch, 1981, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 215129siehe H. Fritzsch, 1981, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 218 heißt, sie erzeugen Jets von Teilchen, wobei der jeweilige Quarkimpuls gleich der Summe der Impulse der Teilchen eines Jets ist. Demzufolge erwarten wir, daß man in der Elektron-Positron-Annihilation bei genügend hohen Energien das Auftreten von zwei Jets beobachtet. Da die Jets gewissermaßen die Zerfall- produkte der ursprünglich erzeugten Quarks sind, spricht man hier von sogenannten Quarkjets. In der Elektron-Positron-Vernichtung ist man also in der Lage, die Quarks zu ‘sehen’, zwar nicht direkt als wirkliche Teilchen, zumindest Experimente dieser Art werden zum Beispiel in Hamburg am DESY mit dem dortigen PETRA-Speicherring, in Genf am Europäischen Kern- forschungszentrum CERN mit dem Speicherring LEP und in Kalifornien am Forschungszentrum SLAC mit dem Speicherring PEP durchgeführt.
Neben den Elektronen und Quarks sind, nach dem heutigen Stand der Physik, die Gluonen die fundamentalen Teilchen der Materie. Auch die Gluonen werden bei Experimenten nicht als wirkliche Teilchen erzeugt, sondern die Physiker erhalten “Gluonjets. Die Gluonen fragmentieren in Hadronen, in ähnlicher Weise Die computergenerierten Bilder, zum Beispiel der Quark- und Gluonjets, stehen den Physikern zwei- und drei-dimensional zur Verfügung. Dr. Carla Grosso Pilcher, Senior Research Associate am Enrico Fermi Institute in Chicago, bestätigte mir, daß bei den bildgebenden Verfahren dieser Experimente die Farben willkürlich und von Institut zu Institut unterschiedlich gewählt werden. Die Farben der Darstellungen sind also nicht bestimmten Informationen zugeordnet, sondern nach Belieben des jeweiligen Programmierers bestimmt. Dies führt zu Kommunikationsschwierigkeiten beim internationalen Austausch von Daten der Elementarteilchenphysiker. Eine jeweils entsprechende Farblegende muß vor der Interpretation der Daten jedesmal neu studiert werden.
Wir haben gesehen, daß subatomare Erscheinungen nur denjenigen Wissenschaftlern zugänglich sind, die über die kompliziertesten und teuersten 130siehe H. Fritzsch, 1981, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 219-220131siehe H. Fritzsch, 1981, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 241 Apparaturen verfügen. Jedoch können sie auch mit diesen Maschinen nur die Wirkungen subatomarer Phänomene sehen. Denn “das Reich des Subatomaren liegt jenseits der Wahrnehmungsgrenzen unserer Sinne.”132 Zur Quantentheorie, die sich mit diesen subatomaren Erscheinungen beschäftigt, schreibt Fritzsch sogar: “Wir glauben heute, daß die Wahrscheinlichkeitsaussagen der Quantentheorie nicht einer Unkenntnis über die entsprechenden Elementar- vorgänge entspringen, sondern daß diese eine absolute Grenze an unsere Im Rahmen der Quantenmechanik ist es unmöglich, “neben einer genauen Ortsbestimmung auch eine genaue Geschwindigkeitsbestimmung durchzuführen.
In gewisser Weise sind die Größen Ort und Geschwindigkeit zueinander kom- plementär.”134 Die Relationen zwischen den jeweiligen Grenzen der Genauig- keit der verschiedenen Größen nennt man, nach Werner Heisenberg, die Was immer die Elementarteilchenphysiker also im subatomaren Bereich beobachten, “es kann einen bestimmbaren Impuls und eine bestimmbare Position haben, doch in jedem gegebenen Augenblick müssen wir uns entscheiden, welche von diesen beiden Eigenschaften wir genau bestimmen wollen. Das heißt -jedenfalls in bezug auf ‘sich bewegende Partikel’-, daß wir sie nie so sehen können, wie sie ‘wirklich sind’, sondern nur so, wie wir sie zu sehen ‘.wir müssen uns daran erinnern’, schrieb Heisenberg, ‘daß das, was wir beobachten, nicht die Natur selbst ist, sondern Natur, die unserer Art der 132siehe G. Zukav, 1981, “Die tanzenden Wu Li Meister”, Rowohlt Verlag, Reinbekbei Hamburg, Seite 108133siehe H. Fritzsch, 1981, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 18134siehe H. Fritzsch, 1981, Überarbeitete Neuausgabe “Quarks. Urstoff unsererWelt”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 21 2.2.
MOLEKULARBIOLOGIE
Die Molekularbiologie ist in der Mitte des 20. Jahrhunderts aus der Biochemie und der Molekülstrukturforschung hervorgegangen. “An exzellenten Darstellungen dieses modernen Fachgebietes mit all’ seinen Erkenntnissen und Einblicken in biologische Strukturen mangelt es nicht. Allein was fehlt, ist die Einordnung des neuen Wissens in ein allgemeines Naturverständnis.”136 Ich werde im Folgenden die gegenwärtigen Forschungsansätze der Molekularbiologie skizzieren und dabei wieder das Hauptaugenmerk auf die verwendeten bildgebenden Verfahren legen.
Einen interdisziplinären Ansatzpunkt in der Molekularbiologie bietet die Verbindung zur Neurowissenschaft. “Das Fachgebiet der Neurowissenschaft hat sich bis zu einem Punkt entwickelt, an dem sie ihre Kräfte nun mit denen der Molekularbiologie vereinigen muß. Einige der Kernfragen zu Nervenzelle und Gehirn lassen sich alleine auf der Ebene der Gene beantworten. Gene halten die erforderliche Information bereit, um Peptide und Proteine herzustellen. Diese wiederrum zeichnen für Struktur und Funktion der Nervenzellen und ihrer synaptischen Verbindungen verantwortlich, ganz zu schweigen von ihrer Bedeutung für die Entwicklung von Körper und Gehirn aus einer einzelnen befruchteten Eizelle. Unbestimmten Schätzungen zufolge beträgt die Zahl der Gene in menschlichen Chromosomen mehr als 100.000. Von diesen sind etwa 30.000 bis 50.000 ausschließlich in Zellen des Gehirns aktiv. Bislang hat man nur wenige dieser Gene beschrieben (sequenziert).137 In den Neurowissen- schaften ist eines der zentralen Themen die Identifikation von Proteinen, insbesondere der chemischen Rezeptoren in Hirnzellen.
135siehe G. Zukav, 1981, “Die tanzenden Wu Li Meister”, Rowohlt Verlag, Reinbekbei Hamburg, Seite 138136siehe M. Eigen,1993, durchgesehene Auflage “Stufen zum Leben. Die früheEvolution im Visier der Molekularbiologie”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 8137siehe R. F. Thompson, 1994, “Das Gehirn”, 2. Auflage, Spektrum AkademischerVerlag, Heidelberg, Seite 504 Der Beginn der Forschungsrichtung Molekularbiologie wird durch die 1953 veröffentlichte Entdeckung von Francis Crick und James Watson markiert. “In diesem Zusammenhang ist nicht so sehr die auf Röntgendaten basierende Festlegung der Struktur der Desoxyribonucleinsäure gemeint, sondern die Erkenntnis, daß DNA das Erbmolekül ist und seine Struktur den Schlüssel zum Verständnis des molekularen Mechanismus’ der Vererbung in sich birgt. Der lang gesuchte Übergang von der Chemie zur Biologie war gefunden. DNA per se ist eine chemische Substanz, doch sie ist mehr, als bloß ein großes Molekül. DNA ist - vermöge ihrer chemischen Natur - ein Speicher für Information. Diese über die Chemie hinausführende Eigenschaft ist es, die alles weitere Geschehen in “Die Untereinheiten der Gene sind im Sinne der Chemie ‘elementar’, Molekülgruppen, chemische Einheiten. Erst ihre Zusammenfügung im DNA- Molekül ergibt eine neuartige, für das Leben spezifische Qualität: Information. Die DNA ist in der Tat mit den hervorstechendsten Eigenschaften des Lebens begabt. Sie hat ein Gedächtnis, kann sich reproduzieren, kann mutieren und sich demzufolge evolutiv anpassen, und sie wird kraft des Stoffwechsels der Zelle gehindert, in den chemischen Gleichgewichtszustand, einen Zustand, der Leben Wenn die Molekularbiologen nach dem Ursprung des Lebens fragen, unterscheiden sie zwischen der - aufgrund von Naturgesetzen - prinzipiell möglichen und der geschichtlich wirklichen Abfolge von Ereignissen. “Die Studienobjekte des Biologen sind die Lebewesen, in denen der historische Prozeß manifest geworden ist. Die Rekonstruktion des Evolutionsverlaufes ist auf historische Zeugnisse angewiesen. Soweit diese vorliegen, deuten sie auf einen gemeinsamen Ursprung allen Lebens hin. Auf den verschiedenen Stufen des Lebens offenbaren sich neben individueller Variabilität, Übereinstimmung und 138siehe M. Eigen,1993, durchgesehene Auflage “Stufen zum Leben. Die früheEvolution im Visier der Molekularbiologie”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 9-10139siehe M. Eigen,1993, durchgesehene Auflage “Stufen zum Leben. Die früheEvolution im Visier der Molekularbiologie”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 11 Universalität der zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Ordnungsprinzipien.”140 Man könne, laut Eigen, diese Prinzipien nur erkennen, indem man von der Wirklichkeit abstrahiere; denn die Physik befasse sich nicht mit den Prozessen an sich, sondern allein mit den in den Prozessen Eigen postuliert weiter, daß Leben nicht eine der Materie schlechthin innewohnende Eigenschaft sei. Leben sei zwar an Materie geknüpft, erscheine aber nur unter sehr spezifischen Voraussetzungen und äußere sich dann in sehr vielfältigen und individuell charakteristischen Merkmalen. Es sei daher folgerichtig, die Frage nach der Natur des Lebens mit der Frage nach seiner Entstehung in Beziehung zu setzen. Das Prinzip Leben würde sich uns am ehesten erschließen, wenn wir herausfänden, wie Leben entstehen kann. Diese Frage sei an den Physiker gerichtet, ob er sich als Biophysiker, Biochemiker oder Moleku- larbiologe bezeichnet. Wie Leben allerdings wirklich entstanden ist, könne hingegen allein vermittels historischer Zeugnisse geklärt werden.142 “Die Nichtberücksichtigung der Unterschiedlichkeit beider Fragestellungen hat schon zu manchen Mißverständnissen geführt. Es gibt keine physikalische Theorie für die historische Lebenswerdung. Die Entstehung des Lebens muß als eine Kette von Ereignissen angesehen werden, deren detaillierte Abfolge weder rekonstruiert, noch vorhergesagt werden kann. Gleichwohl hat sie sich unter dem steuernden Einfluß von Naturgesetzen vollzogen.”143 140siehe M. Eigen,1993, durchgesehene Auflage “Stufen zum Leben. Die früheEvolution im Visier der Molekularbiologie”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 19141vgl. M. Eigen,1993, durchgesehene Auflage “Stufen zum Leben. Die früheEvolution im Visier der Molekularbiologie”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 19142vgl. M. Eigen,1993, durchgesehene Auflage “Stufen zum Leben. Die früheEvolution im Visier der Molekularbiologie”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 20143siehe M. Eigen,1993, durchgesehene Auflage “Stufen zum Leben. Die früheEvolution im Visier der Molekularbiologie”, R. Piper & Co. Verlag, München, Seite 20 2.2.1. DNA (Desoxyribonucleinsäure)
Für eine Rekonstruktion des historischen Ursprungs der Arten, des Lebens, benötigen die Molekularbiologen einen Stammbaum der Arten. Die Annahme einer sukzessiven Auffächerung in der Phylogenie (Phylogenesis: grch., die Stammesentwicklung) sei zwingend, schreibt Eigen, wenn man voraussetze, daß die Entwicklung der Arten tatsächlich evolutiv erfolgte und auf einen Vorläufer zurückgeführt werden kann. Für den Nachweis einer evolutiven Entwicklung müsse man dagegen fordern, daß die konsekutive Verästelung als Ergebnis aus den Daten ableitbar sei. Sie müsse dann klar von alternativen Verzweigungs- mustern - zum Beispiel büschelartigen oder vernetzten - unterscheidbar sein.144 In der Molekularbiologie wird daher nach einem Verfahren gesucht, mit dessen Hilfe sich die Topologie der Verzweigung eines solchen Stammbaumes präzise “Für eine quantitative Lösung dieses Problems hat sich eine Methode als geeignet erwiesen, die innerhalb der letzten zwei Jahrzehnte zur

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