Physik, die Grundlage unseres modernen Lebens, hat Mühe mit den einfachsten Fragen. Reflexionen zum Internationalen Jahr der Physik, das am 13. Jänner am Sitz der UNESCO in Paris offiziell eröffnet wird.
Physik ist die Wissenschaft von den einfachen Dingen." Dieser Satz, den ich meinen jungen Studenten in der ersten Vorlesung sage, löst häufig ungläubiges Kopfschütteln aus: Physik, der Inbegriff abstrakter Ideen, Formeln, Begriffe und unverständlicher Hightech-Experimente, soll einfach sein? Und von Kollegenseite hat er mir schon harsche Kritik eingehandelt: Die eigene Wissenschaft so herabzuwürdigen, sei infam. Was soll dieser Satz? Ist er billiges Understatement oder Polemik eines von seinem Fach Frustrierten?
Die Generalversammlung der uno hat 2005 zum Internationalen Jahr der Physik erklärt "in Anerkennung der Tatsache, dass Physik eine wesentliche Grundlage für die Entwicklung unseres Naturverständnisses darstellt". Wie bei solchen Internationalen Jahren üblich wird es weltweit eine Menge von Veranstaltungen geben, von Insidern als immens wichtig erachtet, von der Öffentlichkeit aber kaum wahr genommen. Aber vielleicht ist dieser Anlass eine gute Gelegenheit, meinen anstößigen Satz etwas zu erläutern.
Was ist eigentlich Physik? Zu seinen Namen ist das Fach gekommen, als irgendein ionischer Naturphilosoph, vielleicht Anaximander (ca. 610-546 v. Chr.), einem Buch den Namen "Peri physeos" gab. Es ist verloren, wir wissen nichts über den Inhalt. Aber der Titel wirkt nach bis in die Gegenwart. Die gängige Übersetzung "Über die Natur" verschleiert mehr als sie erklärt. Physis heißt zuerst Ursprung, Entstehen, Wachsen, und das, was daraus entsteht, die Gestalt, das Wesen der Dinge, und auch die Regelmäßigkeit, nach der etwas entsteht. Und das Vorwort peri suggeriert kein Darüber-Stehen, sondern eher ein forschendes Außen-herum-Streunen. "Um das Wesentliche" wäre wohl ein erwägenswerter Übersetzungsversuch.
Was ist Physis?
Ist Physik für uns wesentlich? Vor einigen Jahren führte Peter Oswald, der damals frisch installierte Intendant des Steirischen Herbsts, in einem Vortrag über seine Pläne zu dem Avantgardefestival aus, er wolle Themen behandeln, die den Menschen unter den Nägeln brennen - und nannte als Beispiel die Quantenphysik. Als der Physikfeindlichkeit unverdächtiger Kritiker durfte ich damals anmerken, dass ich dieses Thema noch bei wenigen wirklich brennen gesehen habe. Trotz intensivem Ideenaustausch ist es leider nie dazu gekommen, dass wir in einem Herbst-Event die Probe aufs Exempel machen konnten.
Unsere Zeit neigt dazu, die Dinge nach ihrer materiellen Nützlichkeit zu beurteilen. So gesehen ist Physik für uns wesentlich: Handy wie Mikrowellenherd funktionieren mit elektromagnetischen Wellen, Flugzeuge fliegen auf Grund der Impulserhaltung, auf dem Boden bleiben wir wegen der Gravitation, die Hauptsätze der Thermodynamik wärmen (oder kühlen) unsere Wohnungen und treiben unsere Fahrzeuge, die Optik schenkt uns Sehhilfen und Videobeamer und die Akustik den Dolby-Surround-Ton dazu. Wer heute zum Arzt geht, hat (ohne es zu wissen) mehr mit Physik als mit Medizin zu tun. Ein weiterer Grund für die uno-Resolution war folgerichtig, dass "die Physik und ihre Anwendungen die Grundlage vieler heutiger technologischer Fortschritte sind". Aber kann die Grundlage all dieser modernen Technik einfach sein? Auch Physiker sind von Fernbedienungen oft überfordert.
Einstein war nur neugierig
Gerade vor hundert Jahren hat ein junger Beamter in Bern, dessen Aufgabe am Patentamt es eigentlich gewesen wäre, nützliche technische Erfindungen zu begutachten, etwas ziemlich Unnützes getan: Er hat einige wissenschaftliche Artikel veröffentlicht. Wie man die Größe von Molekülen misst (deren Existenz damals noch umstritten war). "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt". Über Staub im Wasserglas. "Zur Elektrodynamik bewegter Körper". Und schließlich E = mc2, die wohl berühmteste physikalische Formel. Nach diesen Veröffentlichungen war die Welt nicht mehr dieselbe wie vorher, sie wusste es nur noch nicht.
Albert Einstein, der junge Patentbeamte, hat später, als Nobelpreisträger, von sich gesagt: "Ich habe keine besonderen Begabungen, ich bin nur leidenschaftlich neugierig." Motiv für seine wissenschaftliche Betätigung war nicht die potenzielle Nützlichkeit, sondern kindliche Neugier, etwa die Frage: Was wäre, wenn ich dem Licht nachlaufen würde, sogar auf ihm reiten könnte? Oder: Was heißt das eigentlich, die Zeit messen? Die Zeit ist das einfachste Ding von der Welt: Sie tut nichts anderes als vergehen. Und gerade mit so einfachen Dingen beschäftigt sich die Physik. Schon Augustinus hat bekanntlich festgestellt, dass er ganz genau weiß, was Zeit ist, so lange ihn niemand danach fragt. Aber Physiker fragen, und zwar auch dort, wo andere gar keine Fragen sehen. Aber sie fragen anders als andere: Sie fragen nicht "warum?", das ist die Frage der großen Philosophen. Sie fragen schlicht: "Wie ist das, ganz genau?" Was fällt schneller, ein leichter oder ein schwerer Stein? Und sie konstruieren die Antworten zuerst im Kopf. Wie Galileo Galilei, der geantwortet hat: Stell Dir vor, die beiden Steine sind mit einem Faden verbunden. Wenn einer von ihnen schneller fällt, müsste er den anderen am Faden genauso schnell hinter sich her ziehen. Und was ist, wenn wir die zwei Steine aneinander kleben, sodass sie zusammen einen noch schwereren bilden? Dann muss der schwerere ganze Block genauso schnell fallen wie seine leichteren Teile. Also hängt die Fallgeschwindigkeit nicht vom Gewicht ab. Aber die Antwort im Kopf genügt nicht, Physiker fragen weiter. Steigen mit Galilei auf den schiefen Turm in Pisa und probieren es aus. Ganz gleich schnell sind sie doch nicht, aber so ziemlich. Die Physik, eine exakte Wissenschaft?
Die Fragen sind damit nicht zu Ende: Wie schnell fällt der Mond? So schnell wie ein Apfel vom Baum, sagt Newton. Und doch bleibt er am Himmel, das ist kein Widerspruch. Er fällt dauernd, aber eben um die Erde herum und nicht herunter. Fällt eigentlich ein Lichtstrahl auch? Und wird er dabei, wie ein fallender Stein, immer schneller? Kann er auch um einen Himmelskörper herum fallen, wie der Mond?
Lauter ganz einfache Fragen, wie aus Kindermund. Die Antworten sind schwieriger. Einfachste, alltägliche Dinge, wie das Dahineilen eines Bergbaches, bringen die Physik an die Grenzen ihrer Möglichkeiten: Die Navier-Stokes-Gleichungen beschreiben uns die turbulente Bewegung des Wassers. Bekannt sind sie seit 180 Jahren, mit der Lösung kämpft die Wissenschaft bis heute, unter Einsatz modernster Computer.
Einfache Fragen sind schwer
Vielleicht ist es das, was uns die Physik eigentlich zu sagen hat: Selbst die einfachen Dinge bringen den Menschen an seine Grenzen. Unser Geist, auf den wir (mit Recht) so stolz sind, hat größte Mühe, auch nur die elementarsten Fragen adäquat zu behandeln. Darf es uns da wundern, dass wir komplexeren Problemen ziemlich hilflos gegenüberstehen? "Das Unverständlichste am Universum ist im Grunde, dass wir es verstehen können", hat Einstein einmal gesagt.
Können wir es verstehen? Ja und nein. Wir verstehen, dass die Welt nicht willkürlich dem Zufall ausgeliefert ist, sondern Struktur und Ordnung aufweist. Diese Struktur ist unserem Forschen zugänglich, und durch die Arbeit und Intuition zahlloser Forscher haben wir kleine Teile davon begriffen. Dieses Begreifen hat uns Fortschritt gebracht, im Verständnis der Welt wie in technologischen Entwicklungen. Was wir nicht haben und nicht haben werden, ist die "Theory of everything", die uns die "letzten Geheimnisse des Universums" erklärt. Und keine Wissenschaft wird uns die Last unseres Menschseins abnehmen. Und trotzdem sind wir fasziniert von jedem neuen Schritt auf dem Weg zum Verständnis der Welt. Aber, wieder in den Worten Albert Einsteins: "Fantasie ist wichtiger als Wissen, denn das Wissen ist begrenzt."
Der Autor ist Professor am Institut für Physik der Karl-Franzens-Universität Graz und Geschäftsführer der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft. Max Lippitsch koordiniert auch die Aktivitäten zum Weltjahr der Physik in Österreich (Veranstaltungsprogramm auf www.wyp2005.at). Infos zum Weltjahr auf www.wyp2005.org
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