Kosmologie/Naturgesetze und Naturkonstanten: Die feste Grundlage in einem dynamisch sich entwickelnden Universum

Naturgesetze und Naturkonstanten: Die feste Grundlage in einem dynamisch sich entwickelnden Universum

Naturgesetze sind grundlegende Prinzipien, die das Verhalten der in der Natur auftretenden Phänomenen beschreiben. Naturkonstanten sind unveränderliche Werte, die in diesen Gesetzen auftreten und charakteristisch für die physikalischen Eigenschaften des Universums sind.

Naturgesetze

Die frühesten bekannten Versuch, die Naturphänomene rational zu erklären, stammen aus der Antike (ca. 600 v.Chr. - 300 n.Chr.). Griechische Philosophen wie Thales von Milet, Anaximander, Anaximenes, Heraklit, Demokrit, Empedokles und Aristoteles erforschten Naturphänomene und postulierten verschiedene Gesetze. Über Ptolemäus und das von ihm entworfene geozentrische Weltbild, das bis in die Neuzeit hinein maßgebend blieb, wurde oben schon gesprochen.

Während des ganzen Mittelalters blieb Aristoteles in allen philosophischen und naturwissenschaflichen Fragen die maßgebende Autorität. Auf dieser Grundlage wurde das Naturgeschehen hauptsächlich durch Gelehrte wie Avicenna und Alhazen aus der islamischen Welt sowie von christlichen europäischen Denkern wie Thomas von Aquin und Roger Bacon untersucht, der als einer der ersten Verfechter empirischer Methoden gilt. Über die Bedeutung der Erfahrung und des Experiments sagte Bacon:

„In den Naturwissenschaften kann man ohne Erfahrung und Experiment nichts Zureichendes wissen. Das Argument aus der Autorität bringt weder Sicherheit, noch beseitigt es Zweifel. [...] Mittels dreier Methoden können wir etwas wissen: durch Autorität, Begründung und Erfahrung. Die Autorität nützt nichts, wenn sie nicht auf Begründung beruht: Wir glauben einer Autorität, sehen aber nichts ihretwegen ein. Doch auch die Begründung führt nicht zu Wissen, wenn wir nicht ihre Schlüsse durch die Praxis (des Experiments) überprüfen. [...] Über allen Wissenschaften steht die vollkommenste von ihnen, die alle anderen verifiziert: Es ist das die Erfahrungswissenschaft, die die Begründung vernachlässigt, weil sie nichts verifiziert, wenn nicht das Experiment ihr zu Seite steht. Denn nur das Experiment verifiziert, nicht aber das Argument.“

Die wissenschaftliche Revolution (ca. 1543 - 1687), die mit der Neuzeit einsetzte, führte zu bedeutenden Fortschritten im Verständnis von Naturgesetzen. Galileo Galilei entwickelte das Gesetz des freien Falls, während Johannes Kepler die Gesetze der Planetenbewegung formulierte und sich erstmals von dem Dogma löste, dass diese sich auf Kreisbahnen bewegen müssten. Isaac Newton veröffentlichte seine Gesetze der Bewegung und das Gravitationsgesetz in seinen "Mathematischen Prinzipien der Naturphilosophie" (1687).

Im 19. Jahrhundert wachsen Technik und Naturwissenschaft immer enger zusammen. Infolge der Erfindung der Dampfmaschine entwickelten Rudolf Clausius und William Thomson (Lord Kelvin) die Gesetze der Thermodynamik, welche die Beziehung zwischen Wärme, physikalischer Arbeit und Energie beschreiben. Michael Faraday und James Clerk Maxwell trugen wesentlich zur Entwicklung der Gesetze des Elektromagnetismus bei, was die Entwicklung elektrisch betriebener Maschinen vorantrieb. Maxwells Gleichungen beschreiben die grundlegenden Gesetze von Elektrizität und Magnetismus, die auch für die moderne Kosmologie von zentraler Bedeutung sind.

Die größte wissenschaftliche Revolution wurde mit Anbruch des 20. Jahrhunderts eingeläutet. 1905 veröffentlichte Albert Einstein die spezielle Relativitätstheorie und 1915 die allgemeine Relativitätstheorie. Seine Theorien revolutionierten unser Verständnis von Raum, Zeit und Gravitation. Zu dieser Zeit enstand auch die Quantenmechanik aus den Arbeiten von Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli und vielen anderen. Sie beschreibt das Verhalten von Teilchen auf mikroskopischer Ebene und führte zur Entwicklung von Gesetzen wie dem Unbestimmtheitsprinzip von Heisenberg und der Schrödinger-Gleichung, die unser Verständnis vom Wesen der Materie und Energie grundlegend veränderte.

Was ist ein Naturgesetz eigentlich?

Galileo Galilei – Porträt von Justus Sustermans, 1636

Galileis Unterschrift

Walter Heitler (1904-1981), war ein deutscher Physiker und Professor für theoretische Physik in Zürich. Er arbeitete hauptsächlich an der quantenmechanischen Beschreibung chemischer Bindungen und veröffentlichte auch eine Reihe naturphilosophischer und wissenschaftskritischer Bücher, in denen er die Gefahren einer einseitig mechanistisch-reduktionistischen Weltsicht aufzeigte.

Wolfgang Pauli (1900-1958)

Bei den Naturgesetzen geht es zunächst um den begrifflichen Zusammenhang der Wahrnehmungen, der sich durch das Denken aus der Naturbeobachtung und den sich daran anschließenden Experimenten enthüllt. „Ein echtes Naturgesetz ist nichts anderes als der Ausdruck eines Zusammenhanges im gegebenen Weltbilde, und es ist ebenso wenig ohne die Tatsachen da, die es regelt, wie diese ohne jenes da sind.“ Naturgesetze sind in diesem Sinn nicht willkürlich frei erfunden, sondern werden durch die Tätigkeit des Denken, das sich streng an den Tatsachen orientiert, vorgefunden. Selten gelingt das auf einen Schlag, sondern das Denken muss sich langsam Schritt für Schritt vorantasten, damit sich der ideelle Zusammenhang dem Bewusstsein offenbart, der sich in den beobachteten Naturerscheinungen geheimnisvoll verbirgt. So wie man sich in unbekanntem Gelände erst nach und nach orientieren muss und dabei manche Umwege macht, um den rechten Weg zum Gipfel zu finden, von dem aus man das unter einem liegende Land überschauen kann, so führt der Pfad zur Erkenntnis über zahlreiche Spekulationen und Hypothesen, bis schließlich der Moment wirklicher Einsicht kommt, in dem man den wahren Zusammenhang der Erscheinungen schlagartig überschaut. Um diese Einsichten klar und nachvollziehbar zu formulieren, bedient man sich heute in den Naturwissenschaften überwiegend der präzisen Sprache der Mathematik. Um diese anwenden zu können, muss allerdings die reiche Fülle der Naturphänomene auf mehr oder weniger abstrakte Zahlen reduziert werden. Das gelingt, wenn die unmittelbare sinnliche Wahrnehmung durch ein geeignet konstruiertes Messinstrument ersetzt wird.

Einer der bedeutensten Wegbereiter der neuzeitlichen Naturwissenschaft war Galileo Galilei (1564-1642), dem der bekannte Ausspruch: „Messen, was messbar ist, und messbar machen, was noch nicht meßbar ist“ (→ Messbarmachung) zugesprochen wird, der zwar in seinen Schriften in dieser Form nicht nachweisbar ist, aber seine Grundhaltung als Forscher treffend wiedergibt, die auf die Formulierung quantitativ erfasster Naturgesetze abzielt, die in mathematischen Formeln ausgedrückt werden können.

Naturgesetze sind, wie viele Physiker betonen, etwas Geistiges, da sie sich nur der geistigen Tätigkeit des Menschen erschließen, die über das bloße sinnliche Betrachten hinausgeht, weshalb der deutsche Physiker Walter Heitler (1904-1981) zurecht schrieb:

„Ein mathematisch formuliertes Gesetz ist etwas Geistiges. Wir können es so nennen, weil es menschlicher Geist ist, der es erkennt. Der Ausdruck Geist mag heute, wo ein überbordender Materialismus und Positivismus seine zum Teil recht üblen Blüten treibt, nicht sehr populär sein. Aber eben deshalb müssen wir uns darüber klar werden, was Naturgesetz und Naturerkenntnis ist. Die Natur folgt also diesem nicht-materiellen geistigen Element, dem Gesetz. Folglich sind auch geistige Elemente in der Natur selbst verankert. Zu diesen gehört die Mathematik, die zur Formulierung des Gesetzes nötig ist, sogar hohe und höchste Mathematik. Anderseits ist der Forscher der begnadet ist, eine Entdeckung zu machen in der Lage, eben dieses die Natur durchdringende geistige Element zu durchdringen. Und hier zeigt sich die Verbindung zwischen dem menschlichen, erkennenden Geist und den in der Natur existierenden transzendenten Elementen. Am besten sehen wir die Sache, wenn wir uns der Platonischen Ausdrucksweise bedienen, obwohl Plato diese Art von Naturgesetz noch nicht kannte. Demnach wäre das Naturgesetz ein Urbild, eine «Idee» - im Sinne des griechischen Wortes Eidea - dem die Natur folgt und die der Mensch wahrnehmen kann. Das ist es dann, was man den Einfall nennt. Durch dieses Urbild ist der Mensch mit der Natur verbunden. Der Mensch, der es erkennen kann, die Natur, die ihm als Gesetz folgt.“ (Lit.: Walter Heitler: Naturwissenschaft ist Geisteswissenschaft, S. 14f.)

Diese Ansicht teilten viele Quantenphysiker, wie etwa Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und insbesondere Wolfgang Pauli. Sie waren aus eigener Erfahrung davon überzeugt, dass der rationale Verstand, den sie alle meisterhaft beherrschten und ihnen ein notwendiges und wertvolles Werkzeug war, alleine nicht hinreicht, um zu wirklich neuen Erkenntnissen über die Natur zu kommen, sondern dass es dazu einer tieferen Erkenntnis bedarf, einer geistigen Wahrnehmung der in der Natur wirksamen Archetypen, die Ideen, wie sie schon Platon in seiner Ideenlehre angedeutet hat. Der österreichische Physiker und Mitbegründer der Quantentheorie Wolfgang Pauli (1900-1958) hat davon sehr deutlich etwas geahnt, wenn er in einem Brief an den Physiker Markus Fierz (1912-2006), in dem er sich auf dessen 1948 im Eranos-Jahrbuch veröffentlichten Vortrag "Zur physikalisehen Erkenntnis" bezieht, schreibt:

„Die in Ihrem Vortrag formulierten Ideen haben viele Berührungspunkte mit meinen, z. B. Komplementarität und Universalität, bzw. Physik und Psychologie, vielleicht sind da aber auch einige Unterschiede. Mein Ausgangspunkt ist, welches die Brücke sei zwischen den Sinneswahrnehmungen und den Begriffen. Zugestandenermaßen kann die Logik eine solche Brücke nicht geben oder konstruieren. Wenn man die vorbewußte Stufe der Begriffe analysiert, findet man immer Vorstellungen, die aus "symbolischen" Bildern mit im allgemeinen starkem emotionalen Gehalt bestehen. Die Vorstufe des Denkens ist ein malendes Schauen dieser inneren Bilder, deren Ursprung nicht allein und nicht in erster Linie auf die Sinneswahrnehmungen (des betreffenden Individuums) zurückgeführt werden kann, sondern die durch einen "Instinkt des Vorstellens" produziert und bei verschiedenen Individuen unabhängig, d. h. kollektiv reproduziert werden. {Dazu paßt, was Sie Seite 12 und 13 über den Zahlbegriff gesagt haben.} Der frühere archaisch-magische Standpunkt ist nur ein klein wenig unter der Oberfläche; ein geringes abaissement du niveau mental genügt, um ihn völlig "nach oben" kommen zu lassen. Die archaische Einstellung ist aber auch die notwendige Voraussetzung und die Quelle der wissenschaftlichen Einstellung. Zu einer vollständigen Erkenntnis gehört auch diejenige der Bilder, aus denen die rationalen Begriffe gewachsen sind.

Nun kommt eine Auffassung, wo ich vielleicht mehr ein Platonist bin als die Psychologen der Jungschen Richtung. Was ist nun die Antwort auf die Frage nach der Brücke zwischen den Sinneswahrnehmungen und den Begriffen, die sich uns nun reduziert auf die Frage nach der Brücke zwischen den äußeren Wahrnehmungen und jenen inneren bildhaften Vorstellungen. Es scheint mir - wie immer man es auch dreht, ob man vom "Teilhaben der Dinge an den Ideen" oder von "an sich realen Dingen" spricht - es muß hier eine unserer Willkür entzogene kosmische Ordnung der Natur postuliert werden, der sowohl die äußeren materiellen Objekte als auch die inneren Bilder unterworfen sind. (Was von beiden historisch das frühere ist, dürfte sich als eine müßige Scherzfrage erweisen - so etwa wie "Was war früher: das Huhn oder das Ei?") Das Ordnende und Regulierende muß jenseits der Unterscheidung von physisch und psychisch gestellt werden - so wie Platos "Ideen" etwas von "Begriffen" und auch etwas von "Naturkräften" haben (sie erzeugen von sich aus Wirkungen). Ich bin sehr dafür, dieses "Ordnende und Regulierende" "Archetypen" zu nennen; es wäre aber dann unzulässig, diese als psychische Inhalte zu definieren. Vielmehr sind die erwähnten inneren Bilder ("Dominanten des kollektiven Unbewußten" nach Jung) die psychische Manifestation der Archetypen, die aber auch alles naturgesetzliche im Verhalten der Körperwelt hervorbringen, erzeugen, bedingen müßten. Die Naturgesetze der Körperwelt wären dann die physikalische Manifestation der Archetypen.“ (Lit.: Meyenn, S 496f)

Naturkonstanten

Naturkonstanten sind wesentliche Bestandteile der Naturgesetze. Ihre Konstanz ist ein grundlegendes Prinzip der Physik, das jedoch immer wieder auf den Prüfstand gestellt wird. Einige der Hauptgründe, warum Wissenschaftler glauben, dass die Naturkonstanten konstant sind und sich nicht im Laufe der Zeit verändern, basieren auf experimentellen Beobachtungen und theoretischen Überlegungen:

1. Astronomische Beobachtungen: Eine Möglichkeit, die Konstanz der Naturkonstanten über große Zeit- und Entfernungsskalen zu überprüfen, besteht darin, astronomische Beobachtungen von weit entfernten Objekten im Universum zu analysieren. Beispielsweise ermöglichen Spektroskopie-Daten von Quasaren, die mehrere Milliarden Lichtjahre entfernt sind, die Untersuchung der Feinstrukturkonstante im frühen Universum. Bisherige Beobachtungen haben keine signifikanten Abweichungen von der Konstanz dieser Konstante gezeigt.
2. Laboruntersuchungen: In Laborexperimenten werden präzise Messungen der Naturkonstanten über Jahre oder Jahrzehnte hinweg durchgeführt, um mögliche zeitliche Variationen zu erkennen. Beispielsweise wurden Atomuhren verwendet, um die Konstanz der Feinstrukturkonstante und der Protonen-Elektronen-Masse-Verhältnisse im Laufe der Zeit zu überprüfen. Bisher haben diese Experimente keine signifikanten Variationen dieser Konstanten festgestellt.
3. Theoretische Überlegungen: Eine Veränderung der Naturkonstanten im Laufe der Zeit hätte weitreichende Auswirkungen auf die Struktur und die Eigenschaften des Universums. Eine Variation der Gravitationskonstante würde beispielsweise die Dynamik der kosmischen Expansion und die Entwicklung von Strukturen wie Galaxien und Sternen beeinflussen. Eine Änderung der Feinstrukturkonstante hätte Auswirkungen auf die kernphysikalischen Prozesse, die zur Bildung von leichten Elementen im frühen Universum führen. Bisherige Beobachtungen und theoretische Modelle zeigen jedoch keine Anzeichen für solche Effekte.

Obwohl die bisherigen Belege für die Konstanz der Naturkonstanten stark sind, bleibt die Frage nach möglichen zeitlichen oder räumlichen Variationen der Konstanten ein aktives Forschungsgebiet.

Es gibt auch Theorien, die vorschlagen, dass sich bestimmte Naturkonstanten im Laufe der Zeit verändern könnten. So legen etwa einige theoretische Modelle aus der Stringtheorie, der Quantengravitation oder einige kosmologische Modelle nahe, dass bestimmte Naturkonstanten wie die Feinstrukturkonstante zeitabhängig sein könnten. Solche Theorien sind jedoch spekulativ und ließen sich bisher nicht zweifelsfrei bestätigten. Beobachtungen von astronomischen Objekten wie Quasaren können dazu verwendet werden, die mögliche zeitliche Variation der Feinstrukturkonstante zu untersuchen. Einige Studien haben Hinweise auf geringfügige Variationen von α über kosmologische Zeitskalen gefunden. Andere Untersuchungen haben jedoch keine signifikante Veränderung gefunden.

Bis heute gibt es keine allgemein anerkannte theoretische Begründung für die tatsächlichen Werte der Naturkonstanten. In den meisten Fällen müssen wir die Werte dieser Konstanten als gegebene Größen akzeptieren, die durch experimentelle Messungen bestimmt werden. Diese Werte sind sogenannte "kontingente" Größen, weil sie nicht aus grundlegenden Prinzipien der Physik abgeleitet werden können.

Dennoch versuchen einige theoretische Ansätze, die Werte der Naturkonstanten aus grundlegenderen Theorien abzuleiten oder zumindest zu erklären, warum sie die Werte haben, die wir beobachten. Beispiele dafür sind:

1. Vereinheitlichungstheorien: Theorien wie die Große vereinheitlichte Theorie (GUT) oder die Stringtheorie versuchen, die verschiedenen fundamentalen Kräfte und Teilchen in einem einheitlichen Rahmen zu beschreiben. In solchen Theorien könnten die Werte der Naturkonstanten möglicherweise aus den Eigenschaften der zugrunde liegenden vereinheitlichten Theorie abgeleitet werden.
2. Anthropisches Prinzip: Das anthropische Prinzip besagt, dass die beobachteten Werte der Naturkonstanten zumindest teilweise durch die Tatsache bestimmt sind, dass wir in einem Universum leben, das die Entstehung von Leben und intelligenten Beobachtern ermöglicht. In einem Multiversum, in dem verschiedene Universen unterschiedliche Werte für die Naturkonstanten haben, könnten wir nur in denjenigen Universen existieren, in denen die Konstanten Werte haben, die die Entstehung von komplexen Strukturen, Leben und Bewusstsein erlauben. Das anthropische Prinzip hat allerdings keinen heuristischen Wert, sondern bekräftigt nur dir Tatsache, dass wir offenbar in einem so gearteten Universum leben, ohne aber dafür eine weitere Begründung geben zu können.

Einige bekannte Naturkonstanten sind:

1. Gravitationskonstante (G): Erstmals von Henry Cavendish im Jahr 1798 experimentell bestimmt, gibt diese Konstante die Stärke der Gravitationskraft zwischen zwei Massen an.
2. Lichtgeschwindigkeit (c): Die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum ist eine fundamentale Naturkonstante. Ihre genaue Messung wurde erstmals 1849 von Armand Fizeau und später von Albert A. Michelson durchgeführt.
3. Plancksches Wirkungsquantum (h): Max Planck stellte 1900 das Plancksche Wirkungsquantum vor, eine fundamentale Konstante, die in vielen Bereichen der Quantenphysik auftaucht.
4. Elementarladung (e): Die Elementarladung ist die elektrische Ladung eines Protons. Ihre genaue Messung erfolgte durch Robert A. Millikan im Jahr 1909 (Millikan, R.A., 1913. On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant. Physical Review.).
5. Feinstrukturkonstante (α): Diese Konstante ist ein Maß für die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen. Sie wurde erstmals von Arnold Sommerfeld im Jahr 1916 eingeführt.
6. Boltzmann-Konstante (k): Die Boltzmann-Konstante verbindet die mikroskopische und makroskopische Welt der Thermodynamik und wurde von Ludwig Boltzmann im späten 19. Jahrhundert eingeführt.
7. Avogadro-Konstante (NA): Die Avogadro-Konstante gibt die Anzahl der Teilchen (Atome, Moleküle, Ionen) in einem Mol einer Substanz an. Sie wurde nach Amedeo Avogadro benannt und im 19. Jahrhundert durch Johann Josef Loschmidt und Stanislao Cannizzaro bestimmt.