Vom Wesen physikalischer Gesetze – Richard Feynman (Teil II)

Passend zum Jahr des Lichts beschäftige ich mich mit Richard Feynman, der 1965 den Nobelpreis für seine Forschungen zur Theorie des Lichts und der Materie erhielt. Im ersten Teil ging es darum, was für ein Charakter Feynman war und wie er sich selbst anhand von Anekdoten in „Surely you’re joking, Mr. Feynman“ beschrieb. In diesem Teil soll es um sein Buch „Vom Wesen physikalischer Gesetze“ gehen. Was sind diese Gesetze? Welche Eigenschaften haben sie? Und: Wie findet man sie?

Vom Wesen physikalischer Gesetze - Richard Feynman

Vom Wesen physikalischer Gesetze – Richard Feynman

Das Buch entstand aus mehreren Vorlesungen, die Feynman 1964 an seiner ehemaligen Wirkungsstätte, der Cornell University, im Rahmen der seit 1924 bestehenden Messenger Lectures gab. Wer Feynman nicht nur lesen, sondern ihn in Aktion sehen möchte, kann das tun: Die Vorlesungen wurden aufgezeichnet.

Feynman ist der Meinung, dass der Satz „Alle Dinge sind aus Atomen gemacht“ (im Original: „…all things are made of atoms…“) die wichtigste Erkenntnis der Naturwissenschaft auf den Punkt bringt. Materie besteht aus Elementarteilchen, aus denen dann wiederum die Atome aufgebaut sind. Die Gesetze der Physik versuchen nun zu beschreiben, wie sich Materie verhält. Im Großen wie im Kleinen. Herausragend unter diesen Gesetzen sind die vier Grundkräfte der Physik: Gravitation, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung, starke Wechselwirkung.

Feynman beginnt sein Buch mit dem Gravitationsgesetz, um anhand dieses Beispiels ein physikalisches Gesetz zu erklären. Es sagt, dass die Anziehungskraft eines Körpers auf einen anderen abnimmt, je größer der Abstand zwischen den beiden ist. Das heißt, wäre der Mond doppelt so weit von der Erde entfernt, wäre die Anziehung zwischen den beiden deutlich geringer, und zwar um das Vierfache. Wäre der Mond viermal soweit entfernt, würde nur noch ein Sechzehntel der ursprünglichen Anziehungskraft auf ihn wirken. Daran kann man ein Muster erkennen. Zweifache Entfernung – vierfache Reduktion der Kraft. Vierfache Entfernung – sechzehnfache Reduktion der Kraft. Die Kraft nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Die Gravitation lässt sich also mathematisch beschreiben. Das ist eine Gemeinsamkeit aller Gesetze: sie sind mathematisch.

Außerdem sind die Gesetze nicht genau. „Bei allen bleibt ein Rest von Geheimnis, überall müssten wir noch etwas einflicken“. Die Theorie, welche die Dinge im Großen beschreibt – die Relativitätstheorie – , passt nicht zu jener, welche die Dinge im Kleinen beschreibt –  der Quantenmechanik. Die alles vereinheitlichende Theorie muss noch gefunden werden.

Und etwas, das in den Augen vieler theoretischer Physiker sicher sehr wichtig ist: Gesetze sind prinzipiell einfach. Die Schwerkraft hat zwar komplizierte Konsequenzen – wir sind nicht fähig, die Bewegungen aller Planeten im Sonnensystem zu berechnen, selbst wenn wir die Positionen und Geschwindigkeiten der Körper exakt kennen würden. Aber das Prinzip ist einfach. Die Anziehungskraft nimmt mit dem Quadrat des Abstands ab. Diese Einfachheit der Gesetze macht die Natur für Feynman schön und erlaubt es neue, bisher unbekannte Gesetzmäßigkeiten zu finden: „Man erkennt die Wahrheit nämlich an ihrer Schönheit und Einfachheit“.

Und auch wenn man sich auf die bekannten Gesetze verlässt, kann man neue Regeln entdecken. Newtons Gravitationsgesetz machte bestimmte Vorhersagen über die Position der Jupitermonde. Die Beobachtungen stimmten aber nicht damit überein. Die Jupitermonde waren acht Minuten zu schnell, wenn sich Jupiter nahe an der Erde befand, sie waren aber acht Minuten zu langsam, wenn der Abstand zwischen Jupiter und Erde groß war.  Der dänische Astronom Ole Rømer vertraute dennoch auf die Richtigkeit des Gravitationsgesetzes. Er kam zu dem Ergebnis, dass das Licht selbst eine Weile braucht, um die Erde zu erreichen. Ist der Jupiter weit weg, braucht das Licht länger und die Monde scheinen den Vorhersagen hinterher zu hinken. Ist Jupter der Erde näher, ist es umgekehrt. Die Entdeckung eines Gesetzes kann also zum Auffinden neuer Gesetzmäßigkeiten führen – dass z. B. das Licht nicht unendlich schnell ist!

Jupiter und seine vier großen Monde – mit ihrer Hilfe fand man heraus, dass Licht eine Geschwindigkeit hat. Quelle: Jan Sandberg.

Und wie geht es weiter? Feynman war der Meinung, dass irgendwann Schluss ist mit dem Entdecken fundamentaler Regeln, denen die Welt gehorcht. Entweder findet man die vereinheitlichende Theorie, die die Welt im Großen und im Kleinen erklärt, oder bestimmte Fragen lassen sich nur mit nicht machbaren Experimenten klären. „Auf die ein oder andere Art, scheint mir, wird das Entdecken schließlich ein Ende finden“. Auf sehr fundamentale Fragen bezogen kann ich mir das durchaus vorstellen. Und für die hat Feynman sich ja auch interessiert. Aber für die Erforschung sehr komplexer Phänomene wie die Funktionsweise des Gehirns, die Psychologie und viele andere Dinge gilt das sicher nicht so schnell. Selbst wenn eine einheitliche Feldtheorie alle Wechselwirkungen und das Verhalten von Materie exakt vorhersagen könnte, könnten wir es nicht berechnen, weil viel zu viele Wechselwirkungen mit einkalkuliert werden müssten – von Teilchen, deren Ausgangspositionen und -geschwindigkeiten wir sowieso nicht bestimmen könnten. Die Welt würde also auch nach der Entdeckungen einer einheitlichen Theorie spannend bleiben!

[Hier geht’s weiter mit Feynmans Buch zur Quantenelektrodynamik: QED – Richard Feynman (Teil III)]

 

 

 

 

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