Robert Gilmore Die geheimnisvollen Visionen des Herrn S. Ein physikalisches Märchen nach Charles Dickens Aus dem Englischen von ]ürgen Koch Springer Basel AG
Die Originalausgabe erschien 1996 unter dem Titel "Scrooge's Cryptic Caro!. Three Visions of Energy, Time and Quantum Reality" bei Sigma Press, 1 South Oak Lane, Wilmslow, Cheshire, SK9 6AR, England Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Gihnore Robert: Die geheimnisvollen Visionen des Herrn S. : ein physikalisches Märchen nach Charles Dickens / Robert Gilmore. Aus dem Eng!. von }ürgen Koch. Einheitssacht.: Scrooge's cryptic carol <dt.> ISBN 978-3-0348-6013-0 ISBN 978-3-0348-6012-3 (ebook) DOI 10.1007/978-3-0348-6012-3 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechts. 1996 Springer Basel AG Ursprünglich erschienen bei Birkhäuser Verlag 1996 Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1996 CH-4010 Basel, Schweiz Umschlaggestaltung: Sander und Krause, München Gedruckt auf säurefreiem Papier, hergestellt aus chlorfrei gebleichtem Zellstoff. ISBN 978-3-0348-6013-0 987654321
Für meine einstigen und jetzigen Freunde an der Physikalischen Fakultät der Universität Bristol
Inhal tsverzeichnis Vorwort Prolog: Marleys Geist 9 13 Der erste Besuch Kapitell: Die Herrin der Welt Kapitel 2: Der Schatten der Entropie Kapitel 3: Hitzetod.... 21 41 57 Der zweite Besuch Kapitel 4: Relativ gesehen.... Kapitel 5: Die Barriere der Lichtgeschwindigkeit Kapitel 6: Eine Frage des Standpunktes.. Kapitel 7: Das Universum - ein Uhrwerk? Kapitel 8: Vergiß das Ziel, genieße die Reise Der dritte Besuch Kapitel 9: Der Geist im Atom. Kapitel 10: Virtuell und unscharf. Kapitel 11: Das Innenleben der Atome. Kapitel 12: Per Amplitude ad astra 77 97 113 137 157 175 195 219 239 Epilog: Scrooge's Wandlung.... 259
Vorwort Auf der Suche nach dem Geheimnis Scrooge kümmerte sich nur um seine eigenen Angelegenheiten, was nur recht und billig ist. Wer sollte sich denn sonst um die eigenen Angelegenheiten kümmern, wenn nicht man selbst? Das heißt jedoch nicht, daß Scrooge die Geheimnisse der Welt um sich herum gleichgültig waren. Das Universum ist ein Geheimnis, und das wird es zu einem gewissen Grad wahrscheinlich immer bleiben. Dennoch können wir versuchen, es zu verstehen. Einer der wunderbarsten Aspekte des Universums ist, daß unserem Verstand offenbar so viel davon zugänglich ist, vor allem durch die Sprache der Mathematik. Man hört zuweilen Klagen, die Wissenschaft zerstöre die Poesie des Lebens, weil sie der Welt alles Wunderbare und Geheimnisvolle nehme. Die Menschen, die so sprechen, sind in der Regel keine Wissenschaftler. Ich glaube nicht, daß das Verstehen irgendeines Aspekts der physikalischen Welt das Wunderbare daran zerstören kann. Vielleicht läßt sich das eine oder andere Geheimnis lüften, doch dabei tauchen immer neue Geheimnisse auf. Die Wissenschaft kann vielleicht zum Verständnis einiger Aspekte der Welt beitragen, aber dabei entdeckt man, daß man Dinge nicht versteht, deren Existenz man vorher nicht einmal ahnte. Daß die Aufgabe des Verstehens offenbar nie ein Ende nimmt, mag unbefriedigend erscheinen. Auch wenn wir die physikalische Welt niemals ganz verstehen können, ist es doch unsere Bestimmung, sie zu erforschen, soweit es uns möglich ist. Wir sind nun einmal in diese Welt hineingeboren, und allein schon die Neugier (oder das Staunen, wenn Ihnen das lieber ist) treibt uns dazu, sie zu untersuchen. Auf den folgenden Seiten wird Scrooge von geisterhaften Wesen auf eine Besichtigungsreise durch die physikalische Welt geführt. Sie erfolgt in drei getrennten Besuchen. Der erste gilt der (,Wissenschaft der Vergangenheit» und einer Vision von Energie und Entropie, von Größen also, die der Wissenschaft des neunzehnten Jahrhunderts oder früherer Zeiten bereits sehr vertraut waren. Diese Vision zeigt uns eine Wissenschaft, die mehr vom (,Seim als vom (,Werden» handelt. Sie spricht von Energieerhaltung und thermodynamischem Gleichgewicht, dem Fortschreiten der Natur hin zu einem unveränderlichen Zustand.
10 Beim zweiten Besuch geht es ganz allgemein um die Zeit. Man kann ihn nicht im strengen Sinn als eine Vision der Wissenschaft der Gegenwart bezeichnen, da ja eine seiner Hauptbotschaften die ist, daß der Moment der Gegenwart, das «Jetzt.), persönlichen Charakter hat und nicht universell ist. In diesem Diskurs geht es um Bewegung, um Veränderung und um die Thermodynamik des Nichtgleichgewichts, aus der Ordnung entstehen kann. Die Gleichgewichts-Thermodynamik des neunzehnten Jahrhunderts ist nicht das letzte Wort in dieser Sache. Sie ist höchstens in dem speziellen Sinne das letzte Wort, daß sie den Hitzetod des Universums voraussagt, wo alles ein trauriges Ende nimmt in einem Zustand, in dem nichts Nennenswertes mehr geschieht. Daraus ließe sich allerdings folgern, die Nichtgleichgewichts-Thermodynamik sei das erste Wort im Sinne der biblischen Schöpfungsgeschichte. Der dritte Besuch gilt dem Quantenaspekt der Natur. Dabei handelt es sich zwar nicht um Zukunftswissenschaft, denn die Quantentheorie wurde zum großen Teil bereits um das Jahr 1930 herum entwickelt, aber auf jeden Fall ist sie eine verrückte Wissenschaft. Die Quantenphysik ist heute zwar ein zuverlässiges und alltägliches Instrument physikalischer Berechnungen geworden, aber wenn Sie nach Geheimnissen im Universum suchen, sind sie hier genau richtig. Dieses Buch erzählt, wie geisterhafte Wesen Herrn Scrooge auf eine Reise durchs Universum führen und ihm Bilder zeigen, die die Theorien der Physik veranschaulichen. Die Botschaft der Geister ist nicht immer vollkommen schlüssig, denn sie beschreiben das Bild, das die Wissenschaft - unsere Wissenschaft - von der Welt entwirft. Die Wissenschaft verändert von Zeit zu Zeit leicht ihr Bild von der Welt. Die Aussagen früherer Besucher werden abgewandelt von denen, die nach ihnen kommen. Das liegt in der Natur der Wissenschaft. Ältere Theorien, auch gut fundierte, stellen sich unter bestimmten Bedingungen nur als Annäherungen an neuere (und in der Regel ungewöhnlichere) Weltbilder heraus. Am Ende dieser Folge von Besuchen liegt Ihnen vielleicht die Frage auf den Lippen: Was ist die endgültige Wahrheit? Das ist eine vernünftige Frage, aber wie kann ich die Antwort wissen? Herr Scrooge legt auf seinen Reisen mit den verschiedenen Geistern gelegentlich große Entfernungen durch Raum und Zeit zurück, oder er schrumpft zu einem Winzling zusammen. All das ist in Wirklichkeit unmöglich. Die Demonstrationen der Geister sind Phantasiegebilde, aber sie vermitteln eine Botschaft, die den Tatsachen entspricht, soweit ich weiß. In den Kapiteln tauchen verstreut kurze Texte auf, die eingerahmt sind. Sie fassen in sachlicher Sprache bestimmte Ergebnisse zusammen, die sich auf das jeweilige Kapitel beziehen.
Vorwort 11 Mathematik Der Text dieses Buches enthält keine Mathematik. Nur in den erwähnten Informationskästchen kommt ein wenig davon vor. In Büchern für interessierte Laien sei jede Spur von Mathematik ein Unglück, wird oft behauptet. Das wäre schade, denn Wissenschaftler verwenden Mathematik nicht, um ein Publikum von Nicht-Fachleuten zu verwirren. Die mathematische Schreibweise faßt vielmehr die betreffenden Größen in einen konzentrierten Ausdruck zusammen und setzt sie vor dem Auge des Lesers in Beziehung. Die Gleichung p = mv zeigt auf einen Blick, daß der Impuls p eines Objekts gleichermaßen von der Masse m als auch von der Geschwindigkeit v bestimmt wird. Die Gleichung E = 1/2 mv 2 für die kinetische Energie zeigt, daß m und v hier ebenfalls beteiligt sind, aber die bestimmende Rolle liegt nun bei der Geschwindigkeit v. Die Schreibweise v 2 anstelle von v x v betont die Tatsache, daß die gleiche Größe mit sich selbst multipliziert wird. Damit haben wir auch schon den Grad mathematischer Kompliziertheit in diesem Buch gezeigt. Man könnte mit einem mathematischen Ausdruck noch sehr viel genauer sein. Ein Ausdruck wie dieser zum Beispiel enthält sehr viel Information für diejenigen, denen eine solche Schreibweise vertraut ist. Aber für uns ist das nichts. Die bloße Anwesenheit von Mathematik ist vor allen Dingen nicht ansteckend. Sie brauchen die Gleichungen nicht zu lesen, wenn Sie nicht wollen. Die Erklärungen im Text sind die gleichen, ob mit oder ohne Mathematik. Damit Sie sich, wenn sie wollen, auf Zehenspitzen zurückschleichen können, ohne die mathematischen Ungeheuer aufzuwecken, ist vor jeder Formel ein Warnzeichen angebracht: Achtung Mathematik! Es zeigt an, daß eine mathematische Gleichung folgt.