Emergenz und die andere Weltformel

image_pdfimage_print

800px-Andromeda_Galaxy_(with_h-alpha)Der Physiker und Autor Dr. Günter Dedié erlaubt wissenbloggt freundlicherweise, seine Aussagen zur Emergenz zu covern. Das Thema Emergenz ist sehr aktuell. Es geht um die Herausbildung von Strukturen, die nicht als Eigenschaften des grundlegenden Systems erkennbar sind ("kollektive Prozesse"). Emergente Phänomene treten in Physik, Chemie, Biologie, Psychologie, Soziologie und Neurologie auf. Die einführenden Texte sind dem Facebook-Auftritt vom Emergenz-Netzwerk entnommen und stammen von Günter Dedié (Stand 12.12.14 bzw. 6.2.15, Bild: Andromeda Galaxie, Adam Evans, Wikimedia Commons, Vergrößern durch Draufklicken).

 

Das Vakuum und der Urknall

Sie werden sich vielleicht fragen, was das Vakuum mit kollektiven Prozessen zu tun hat? Das Vakuum ist doch der völlig leere Raum, was kann da „kollektiv“ sein? So einfach ist aber nicht. Betrachten wir als Beispiel den leeren Raum im Weltall etwas genauer, weitab von den nächsten Sternen oder anderen materiellen Körpern. Er ist nicht leer, sondern wird im Mittel von ca. 400 Photonen (Licht der Sterne, Reststrahlung des Urknalls usw.) und ca. 500 Neutrinos pro cm³ durchquert, und auch von anderen Teilchen. Außerdem ist er von schwachen Feldern durchzogen, insbesondere dem der Schwerkraft. Wenn man versuchen würde, die Teilchen und Felder durch eine Art massiven Kasten (wegen der alles durchdringenden Neutrinos) auszuschließen, erzeugt man nur viel größere Schwerefelder.

Ergebnis: Das „echte“ leere Vakuum ist offenbar eine nicht realisierbare Fiktion; es gibt kein „Nichts“.

Was im Vakuum so alles passieren kann, sollen folgende Beispiele zeigen:

  • Wenn zwei Photonen hoher Energie im Vakuum zusammenstoßen, können zwei oder mehr Teilchen entstehen, immer paarweise Teilchen und Antiteilchen, z.B. ein Elektron und ein Positron (sog. Paarerzeugung). Aus purer Energie werden Teilchen!
  • Die Energie-Zeit-Unbestimmtheit der Quantentheorie erlaubt die kurzzeitige Verletzung der Energie-Masse-Erhaltung, deshalb können im Vakuum sogar ständig paarweise Teilchen und Antiteilchen entstehen, die aber äußerst schnell wieder vergehen (durch Paarvernichtung)

Ein Antiteilchen kann man sich als fehlendes Teilchen im Vakuum vorstellen, vergleichbar zu einem sog. Loch für ein fehlendes Elektron im Valenzband eines Halbleiters.

Die Physiker beschreiben das Vakuum gegenwärtig mit der sog. Quantenfeldtheorie, und zwar etwa folgendermaßen: Das Vakuum verhält sich wie ein See von virtuellen Elementarteilchen und ihren Antiteilchen. Normalerweise ist der See voll, alle virtuellen Plätze sind besetzt, so dass Teilchen „von außerhalb“ im Vakuum keinen Platz finden. Wenn dem Vakuum aber ausreichend hohe Energie zugeführt wird, oder einfach aufgrund der Unbestimmtheitsrelation, kann spontan eine Paarerzeugung stattfinden. Wie kann das sein?

  1. Energie und Zeit  bilden ein Paar von Größen, für das die Unbestimmtheitsrelation der Quantentheorie gilt.
  2. Die Energie des Vakuums schwankt ständig mehr oder weniger stark um eine mittlere Energie (sog. Quantenfluktuation). Für eine sehr kurze Zeit kann die Energie dabei so groß werden, dass sie für die Erzeugung eines Paars von Teilchen und Antiteilchen ausreicht.

Warum gerade Teilchen und Antiteilchen? Die beiden haben eine gleich große Ladung, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen. Die Naturgesetze erfordern, dass das Vakuum bei der Paarerzeugung neutral bleibt.

Daraus folgt nun, dass das Vakuum die Eigenschaften der erzeugten Teilchen „kennen“ muss! Wie sollten die Teilchen sonst gebildet werden können? Und auch die dazu gehörigen Felder muss das Vakuum kennen, denn die werden zusammen mit den Teilchen erzeugt. Beispielsweise das elektrische Feld zwischen den Ladungen von Elektron und Positron. Das gilt auch für andere Teilchen und Felder, die das Vakuum paarweise erzeugen kann. Mit anderen Worten: Das Vakuum„weiß“ wie es Teichen und Felder erzeugen kann; es hat offensichtlich eine „Blaupause“ der Naturgesetze „zur Hand“! Das muss man sich mal auf der Zunge zergehen lassen.

Bei der Paarvernichtung wird das oben genannte Antiteilchen-Loch übrigens wieder aufgefüllt. Die Energie des Vakuums wird bei der Paarerzeugung für eine kurze Zeit um die dafür notwendige Energie erhöht, und bei der Paarvernichtung wieder auf den ursprünglichen Wert erniedrigt. Alle diese Vorstellungen kann man einerseits durch Messungen (z.B. des sog. Casimir-Effekts) und andererseits durch Rechnungen auf Basis der Quantenfeldtheorie belegen.

Was dem Vakuum recht ist, ist dem Urknall billig: In der reinen Energie zu Beginn des (hypothetischen) Urknalls gab es zwar noch keine Teilchen und Felder, aber offensichtlich eine „Blaupause“ der Naturgesetze (einschließlich der Quantentheorie) sowie virtuelle Teilchen und Felder wie im Vakuum. Etwa 10-30 Sekunden nach dem Beginn des Urknalls bilden sich aus dieser „intelligenten“ Energie spontan im Rahmen eines Phasenübergangs die vier fundamentalen Teilchen u-Quarks, d-Quarks, Elektronen und Neutrinos, sowie deren Antiteilchen, in Summe etwa 1080 Stück. (Aus den Quarks entstehen später Protonen und Neutronen.) Wegen der sehr großen Energie beim Urknall können auch die relativ „schweren“ Quarks gebildet werden, für die sehr viel Energie nötig ist. Außerdem entstehen gleichzeitig mit den Teilchen durch Symmetriebrechung aus einer hypothetischen, einheitlichen Urkraft die vier fundamentalen Kräfte Starke Kernkraft, Schwache Kernkraft, Elektromagnetische Kraft und Schwerkraft. (Das Thema der sog. inflationären Ausdehnung des Alls lasse ich hier erst mal weg.)

Die aktuelle Hypothese zur Wirkung der Schwerkraft lautet folgendermaßen: Die elementaren Teilchen bestehen zwar aus viel Energie, haben aber keine Masse. Die Masse bekommen sie als Folge des sog. Higgs-Feldes. Das Higgs-Feld ist überall im Universum und wirkt auf die Teilchen wie ein spezieller zäher „Honig“, durch den sie sich bewegen müssen. Allerdings mit dem Unterschied, dass der Higgs-„Honig“ die gleichförmige Bewegung der Teilchen nicht behindert, sondern nur die Änderungen der Geschwindigkeit der Bewegungen. Wie soll man das verstehen? Betrachten wir das zweite Bewegungsgesetz von Isaac Newton

Kraft  = Masse  mal  Änderung der Geschwindigkeit

so sehen wir durch den Vergleich der Größen, dass die Kraft  des Higgs-„Honigs“ bei einer Änderung der Geschwindigkeit die Wirkung einer Masse erzeugt.

 

Emergenz und die andere Weltformel

(Das führt zu der) Frage: Emergenz? Was ist das?

Gegenfrage: Was hat ein Ameisenhaufen mit dem Weltall gemeinsam?

Genau: die Emergenz. Das ist die Kraft der spontanen Selbstorganisation, die aus Einzelteilen (Ameisen, Quantenteilchen) ein System werden lässt. (Frei nach Christoph Haenel)

Emergenz macht aus Einzelteilen (meist Elemente genannt) Systeme mit neuen kollektiven Eigenschaften und Fähigkeiten, beispielsweise aus gefrierenden Wassertröpfchen Schneeflocken. Sie wirkt immer und überall: Von den Elementarteilchen über Physik, Chemie, die Evolution des Lebens bis hinauf zum menschlichen Geist und zur menschlichen Gesellschaft, vom Urknall bis zur Gegenwart! (Bild: Wilson Bentley, Wikimedia Commons)

469px-SnowflakesWilsonBentley
Die Vielfalt der emergenten Prozesse in der unbelebten und der belebten Natur ist immens. Entsprechend groß ist die Vielfalt der unterschiedlichen Bezeichnungen dafür in den unterschiedlichen wissenschaftlichen Fachgebieten:  Emergenz, Selbstorganisation, Komplexitätstheorie, Synergetik, Holismus, Evolution, Symbiose, Autopoiesis, Unsichtbare Hand des Marktes, Spontane Sozialordnung usw. Diese heute oft weit voneinander entfernten Spezialgebiete der Wissenschaft können unter dem Aspekt der emergenten Selbstorganisation zu einem übersichtlichen Gesamtbild zusammengefügt werden. Die Emergenz schlägt als durchgängiges Prinzip beispielsweise eine Brücke zwischen der unbelebten und der belebten Natur, sie verbindet die materielle Welt mit der Welt des Geistes!

“… making emergence the most fundamental principle in the universe” (Wikipedia: Emergence)

Frage: Und was ist in dem Zusammenhang mit der Weltformel gemeint?

Die Bezeichnung Weltformel (oder (Super-)String-Theorie oder Theorie für Alles) kommt aus der Physik: Gesucht wird eine einzige einheitliche Formel, mit der man alles berechnen kann. Sie soll beispielsweise die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantentheorie vereinigen. Trotz jahrzehntelangem Bemühen vieler hochkarätiger Forscher gibt es zwar einige höchst komplizierte Ansätze in bis zu 11 (in Worten: elf) Dimensionen, aber eine Theorie, deren Gültigkeit man auch durch Beobachtungen und Messungen nachweisen kann, ist auf dieser Basis bis heute nicht in Sicht.

Die emergente Selbstorganisation ist aber schon immer und überall im Universum und auf der Erde als allgemein gültiges Prinzip wirksam. Als Formel kann man sie – etwas vereinfacht, vergleichbar mit einer chemischen Gleichung – folgendermaßen darstellen:

emergenteorganisation

Das ist die andere – und bisher einzige  – Weltformel! 

Weitere Infos finden Sie bei Bedarf in den Büchern:

(Günter Dedié hält am 10.3. und am 17.3. Vorträge über emergente Selbstorganisation in der VHS München, jeweils um 20 Uhr im Gasteig in München)

Links zum Emergenz-Netzwerk, zu den "Notizen" Das Vakuum und der Urknall und Emergenz und die andere Weltformel

Passender Link von wissenbloggt: Zweifel am materialistischen Weltbild?

Ein aktueller Link zum erwähnten Casimir-Effekt der Gravitation – Experiment soll Quantennatur der Gravitation offenbaren (Spektrum der Wissenschaft 3.3.): Ist auch die Schwerkraft "gequantelt"? Eine seltsame Eigenschaft des Vakuums könnte die Antwort liefern – und damit zur Lösung des größten Physikrätsels unserer Zeit beitragen.

Mehr zum Thema:
Dieser Beitrag wurde unter Allgemein veröffentlicht. Setze ein Lesezeichen auf den Permalink.

2 Antworten auf Emergenz und die andere Weltformel

  1. Wilfried Müller sagt:

    Im Austausch mit einem Physiker wurden mir ein paar kritische Anmerkungen zugetragen, die ich mit Erlaubnis des Befragten hier wiedergebe. Es betrifft den ersten Text, Das Vakuum und der Urknall, speziell die Paarerzeugung, die Zusammenstöße von Photonen, die "Blaupause", das Elektronenloch (vielleicht Exziton gemeint?):

    • Emergenz wird allgemein als eine Systemeigenschaft verstanden, dann nämlich, wenn das System zu Eigenschaften kommt, die seine in Beziehung stehende Elemente nicht besitzen. Beziehunhgen können dabei Stoff-, Energie- oder Informationsflüsse sein. Was aber sollte bei der Paarerzeugung das System sein? Es entstehen lediglich einzelne virtuelle Positronen und Elektronen, jedoch kein neues System mit neuen Eigenschaften.
    • Meines (des Befragten) Wissens sind Photonen "Austauschteilchen", die Kraftübertragungen zu geladenen Teilchen herstellen und in der Wechselwirkung mit Masseteilchen bei hohen Energien neue Teilchen entstehen lassen. Eine direkte Wechselwirkung unter Photonen ist mir nicht bekannt (sonst könnte das Licht auch nicht Milliarden von Lichtjahren im All ungehindert zurücklegen) und damit dürfte es auch keine Zusammenstöße unter den Photonen geben.
    • Über die Naturgesetzlichkeiten im Quantenvakuum in Dimensionen unter der Plancklänge von 1,6×10 hoch-35 m wissen wir nichts. Es ist jedoch ebenso irreführend wie in der Biologie von einer "Blaupause" im Vakuum zu sprechen. Eine Blaupause suggeriert ja einen Informationsträger, für den es keinen Beleg im Vakuum gibt. Was die Naturgesetze anlangt, so stehen zwei Meinungen im Raum: 1) Naturgesetze sind ewig, existierten also auch schon bevor es Materie gab und sind damit immateriell, da sie nicht an die Raumzeit gebunden sind. 2) Naturgesetzlichkeiten ergeben sich erst in der Wechselwirkung aus den Eigenschaften der Dinge und sind damit raumzeitgebunden. Ich präferiere die letzte Meinung.
    • Ein Antiteilchen wie das Positron ist ebenso real wie das Elektron. Bis auf die entgegengesetzte Ladung haben beide Teilchen die gleichen Eigenschaften. Ein Antiteilchen ist kein "Loch" im Vakuum und deshalb nicht mit dem Konstrukt eines "Loches" in der Halbleiterphysik zu vergleichen.
    • Aus der Heisenbergschen Energie-Zeit Unbestimmtheitsrelation ergibt sich die Existenz des Quantenvakuums. Besäße nämlich ein Raumzeitpunkt exakt die Energie Null, so wäre dort die Zeitunschärfe Unendlich, was nicht möglich ist und weshalb die Energie im Vakuum größer Null ist. Infolge dieser naturgesetzlichen Relation ist auch die äußerst kurzfristige Paarerzeung virtueller Teilchen erklärbar: für einen kurzen Augenblick steht Energie zur Teilchenerzeugung bereit.  
  2. w-blogger sagt:

    Ich bedanke mich für die konstruktiven Hinweise und antworte in der Reihenfolge der Aufzählung wie folgt:

    Der Kommentar trifft zu, die Entstehung von Teichen und Feldern aus dem Vakuum passt nicht zum üblichen Prozess der emergenten Selbstorganisation. Deshalb habe ich mir mit den „virtuellen Teilchen“ im Vakuum als Elemente geholfen, die zu den Systemen „reale Teilchen“ führen. Ich gebe zu, das ist eine etwas gewaltsame Erweiterung der emergenten Prozesse.

    Sorry, der „Zusammenstoß von zwei Photonen“ ist tatsächlich ganz falsch! Mea culpa … Es reicht ein einzelnes Photon hoher Energie für die Paarerzeugung!

    Zur Blaupause: Der Vergleich „hinkt“ wie viele Vergleiche, ist aber anschaulich.

    Zu den Naturgesetzen: Ich bevorzuge Alternative 1.

    Ein Antiteilchen ist auch ein reales Teilchen, keine Frage.

    Das Vakuum kann man sich aber nach P.A.M. Dirac und anderen Physikern als „See“ von virtuellen Teilchen und Antiteilchen vorstellen. Bei der Paarerzeugung sollen die erzeugten Teilchen dann kurzzeitig „Löcher“ im Vakuum hinterlassen. OK; das kurzzeitige  Plus an Energie ist die Folge der Quantenfluktuationen.

    Günter Dedié

Schreibe einen Kommentar