Rezension zu Rovelli Die Wirklichkeit, die nicht so ist, wie sie scheint I

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9783644052512Universum, Raumzeit, Quanten … alles so schön einfach! schreibt der Verlag zu einem anderen Rovelli-Buch. Diesmal lädt er ein zu einer Reise in die Welt der Quantengravitation. Nur dass wir natürlich längst da sind – es geht eben um die Wirklichkeit, die nicht so ist, wie sie scheint. So heißt das rezensierte Buch von Carlo Rovelli (im italienischen Original La realtà non è come ci appare. La struttura elementare delle cose).

Die "Reise" in die Welt der Quantengravitation haben sich wohl die Übersetzer ausgedacht. Gemeint ist eine Aufklärung über Zeit und Raum und Wirklichkeit, wie die Physik sie heute sieht.

Um dem Buch gerecht zu werden, liefert der wissenbloggt-Allzweck-Rezensent Wilfried Müller eine zweiteilige Rezension. Dieser erste Teil beschreibt die Grundlagen, wie Rovelli sie darstellt, und die grundlegenden Konzepte. Dabei geht es um die Vereinigung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie (Gravitationstheorie) und der Quantenphysik zur sogenannten Weltformel, speziell in der Version der Schleifenquantengravitation LQG.

Andere Theorien wie Stringtheorien, M-Theorie, Supersymmetrien geben andere Anworten, aber weil Rovelli an der Schaffung der LQG maßgeblich mitgearbeitet hat, ist das Buch auf diese Sicht der Welt fokussiert. Der Leser möge sich also nicht wundern, wenn die Welt hier anders dargestellt wird als in anderen Werken. Es geht eben um mathematische Modelle der Wirklichkeit, die man versucht in verständlicher Sprache wiederzugeben.

Erster Teil

Das ist auch die Stärke von Rovelli, sich verständlich auszudrücken. Man liest den ersten Teil, der Demokrit für seine Vorstellung der Grundsubstanz sehr lobt, während er Platon auf dem Holzweg sieht. Schon hat man 30 Seiten gelesen und alles verstanden.

Das ändert sich auch nicht bei Einsteins Nachweis, dass es Atome gibt (über die Brown'sche Bewegung) und bei dem wiedergegebenen Lehrgedicht von Lukrez, wo Rovelli seinen romantisierenden Tendenzen ein wenig nachgibt.

Im Rest des ersten Teils wird dann auf Newtons Mechanik eingegangen, womit ein erster Schlüssel zum tieferen Verständnis der Welt gefunden wurde. Das Universum besteht danach aus einem unendlich großen Raum, wo Kräfte unter den Massenelementen wirken und Zeit vergeht. Aber diese klassische Vorstellung hielt sich nicht allzulange.

Jetzt ist die Rede von Faraday und Maxwell, die Elektrizität und Magnetismus untersuchten und die das Feld und der Kraftlinien entdeckten, analysierten und als elektromagnetisches Feld in die Maxwell-Gleichungen fassten.

Zweiter Teil

Im zweiten Teil wird dann die Revolution des physikalischen Weltbilds besprochen, ganz vorne mit dabei wieder Einstein. Auf die Spezielle Relativitätstheorie wird eingegeangen, der Begriff der Gleichzeitigkeit wird veranschaulicht – eine "absolute Gleichzeitigkeit", ein objektives "Jetzt" gibt es nicht. Zu Einsteins Erkenntnissen gehört auch, dass Energie und Masse nur die beiden Seiten ein- und derselben Medaille sind und ineinander übergehen können – eine neue Ära der Erkenntnis tat sich auf.

Rovelli lobt Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie als die "schönste physikalische Theorie aller Zeiten". Sie ist zugleich einer der Eckpfeiler der Quantengraviation und das Herzstück im Buch.

Demnach ist Newtons "Raum" nichts anderes als Einsteins "Gravitationsfeld". Die Welt besteht in dieser neuen Sicht nicht mehr aus Raum und Teilchen und elektromagnetischem Feld und Gravitationsfeld. Sie besteht nur noch aus Teilchen und Feldern, sonst nichts. Kein Raum mehr als Zutat, der Raum ist von Materie nicht mehr geschieden.

Newtons flacher, bewegungsloser Raum macht dem Bild von einer wogenden, sich beugenden, sich krümmenden und biegenden Entität Platz. Es gibt also einen erheblichen Unterschied zwischen unserer Sicht der Welt und der makroskopischen (großräumigen) Wirklichkeit. In der Darstellung von Rovelli sind die Bestandteile der Welt diesem Wandel unterworfen:

Newton                               Raum           Zeit                Teilchen
                                                                                            ↙
Faraday/Maxwell            Raum           Zeit        Felder     Teilchen
                                                ↘        ↙
Einstein 1905                      Raumzeit               Felder       Teilchen
                                                        ↘                 ↙
Einstein 1915                                      Felder                         Teilchen


                                                                                  ↘                 ↙
Quantenmechanik              Raumzeit                  Quantenfelder

Nach 102 Seiten gibt Rovelli dann die erste Gleichung wieder (die Grundgleichung der Allgemeinen Relativitätstheorie, hier in der Darstellung von wiki):
                                           

Die 2. Komponente mit der kosmologischen Konstanten kam erst nach 1915 dazu. Rovelli legt dem Leser nahe, die "bestechende Einfachheit" auf sich wirken zu lassen. Bittesehr, gern weitergegeben.

Den Term mit der kosmologischen Konstanten führte Einsten ursprünglich ein, um die Konsequenz seiner Feldgleichung zu unterdrücken: Die Raumzeit dehnt sich aus, es gab einen Urknall. Inzwischen ist die Expansion des Universums bewiesen, auch hier hat Einstein wider Willen recht gehabt – Rovelli bezeugt Einstein seine Dankbarkeit.

Auch der Abschnitt über die Quanten beginnt mit Einstein, Rovelli schreibt einem von seinen Artikeln (1905, Licht als Lichtteilchen = Quanten) die wirkliche Geburtsstunde der Quantenmechanik zu. Aber auf dem Gebiet taten sich auch andere Forscher hervor: Bohr, Heisenberg und Dirac. Die beiden letzteren haben die Gleichungen der Quantenmechanik aufgestellt.

Von Heisenberg stammt die Idee, dass die Position der Teilchen auf Mikroebene nur beschrieben werden kann, wenn sie mit anderen wechselwirken. Sie existieren demnach auch nicht dauerhaft, sondern nur beim Wechselwirken. Ansonsten befinden sie sich nirgendwo. Die Unbestimmtheit gilt nicht nur für den Ort, sondern für sämtliche Variablen des Objekts.

Das besagen die Grundgleichungen der Quantenmechanik, die Heisenberg aufstellte, und die Dirac zu einem kompletten Gebäude vervollständgte. Zentrales Element ist der Indeterminismus. Es kann immer nur die Wahrscheinlichkeit berechnet werden, wo das Teilchen als nächstes erscheint – auf atomarer Ebene herrscht Zufall.

Diese Quantenfluktuationen sind mikroskopisch klein. Unsere unzureichende Wahrnehmung auf dieser Ebene beschert uns den scheinbaren Determinismus der Welt. Hier taucht wieder ein Unterschied zwischen unserer Sicht der Welt und der Wirklichkeit auf, diesmal der mikrokopischen. Sowohl der Makro- als auch der Mikrokosmos sind uns eigentlich fremd.

Die Quantennatur der Grundstruktur der Dinge drückt sich aus in einer Granularität, und das gilt für alle betreffenden physikalischen Variablen. Statt analoger Verhaltensänderungen gibt es nur gequantelte, und man kann nur die Übergangswahrscheinlichkeiten berechnen.

Diese Mathematik der Quantenmechanik ist sehr erfolgreich. Aus den berechneten Orbitalen der Elektronen lassen sich die Elemente des Periodensystems ableiten. Der zweite Teil schließt mit 3 Kapiteln zu den Quanten, Aussage: Felder wechselwirken wie Teilchen, Teilchen sind die Quanten ihrer Felder, z.B. Photonen sind die Quanten des elektromagnetischen Felds. Damit ist die Quantenfeldtheorie angesprochen, auch das Standardmodell der Teilchenphysik mit seinen ca. fünfzehn Feldern, deren Schwingungen die Elementarteilchen sind, dazu anderen, die Kräfte beschreiben (wie z.B. die elektromagnetische).

In der Darstellung oben ergibt das die unterste Zeile (Quantenmechanik), in der Felder und Teilchen zu Quantenfeldern zusammengefasst sind, während die Raumzeit von Einstein 1905 übernommen wird. Die Punkte in Quanten 1-3:

  1. Granularität – der Zahl der möglichen Quantenzustände im Phasenraum und mithin die Information ist endlich und wird durch die Planck-Konstante begrenzt.
  2. Indeterminismus, wann und wo die Quanten (Elektronen, Feldquanten, Photonen) erscheinen, ist prinzipiell unvorhersehbar, und somit auch die Zukunft.
  3. Die Realität ist Relation, sie besteht allein in Interaktion.

Demnach bestehen alle Charakteristika eines Objekts nur in Bezug auf andere Objekte, und die Fakten der Natur manifestieren sich ausschließlich in Beziehungen. Ein Objekt ist ein monotoner Prozess (der sich gleichbeibend wiederholt), ein Stein ist das Vibrieren von Quanten, das seine Struktur eine Zeitlang behält – analog zu einer Meereswelle. Wie Wellen und Objekte sind auch wir ein Fluss von Ereignissen, die für kurze Zeit monoton ablaufen.

Unterm Strich beschreibt die Quantenmechanik keine Objekte, sondern Prozesse und Ereignisse, und sie ging aus der Entdeckung von 1.-3. hervor. Aber versteht man sie wirklich? – Es gibt keinen Konsens, wie die Quantenmechanik aufzufassen sei. "An den Grenzen unseres Wissens blicken wir in ein Unbekanntes, über das die Meinungen auseinandergehen."

Dritter Teil I

Bisher läuft das unter Grundlagenphysik. Der Leser ist jetzt herangeholt an das Eigentliche, um das es Rovelli geht. Die Überschrift Quantenraum und relationale Zeit weist auf die Vereinigung von Quantenphysik und Allgemeiner Relativitätstheorie hin, um die es nun geht, also um die Quantengratitation. "So langsam verlassen wir das kleine sichere Raumschiff der Quantengewissheiten."

Die Raumzeit besteht aus Quanten, so geht es los. Die wichtigsten Köpfe werden vorgestellt, im vorigen Kapitel schon Feynman mit seinen Pfadintegralen, und nun der weniger berühmte Bronstein, der bahnbrechende Erkenntnisse bei der Teilbarkeit des Raums und dessen kleinster Länge, der Planck-Länge, beisteuerte. Hier die Formel (aus wiki entliehen):
                                   

mit den Naturkonstanten = Lichtgeschwindigkeit, = Gravitationskonstante und = reduziertes plancksches Wirkungsquantum. Die kleinste Länge beträgt ungefähr 1,616 · 10−35 m. Eigentlich sollte die Planck-Länge Bronstein-Länge heißen, befindet Rovelli. Er befasst sich noch etwas mehr mit den Meriten, dem Glück, das eine Rolle spielt (Nobelpreise für "versehentliche" Entdeckungen abseits der eigentlichen Forschungsrichtung).

Er beschreibt verbal die Probleme bei der LQG (Schleifenquantengravitation), die aus mathematischen Gesichtspunkten nicht wohldefiniert ist und schnell zu sinnlosen Ergebnissen führt. Ihre Lösungen haben ein merkwürdiges Kennzeichen: Sie hängen von geschlossenen Linien im Raum ab – Loops – daher der Name.

Das führt zur Formulierung, der Raum werde durch Knoten eines Graphen aus solchen Schleifen gebildet. Die Knoten sind die elementaren Quanten, aus denen der Raum besteht. Die Verbindungslinien oder Links verbinden diese Raumelemente. Wo sie aneinanderstoßen, bilden sie kleine gemeinsame Oberflächen. Für die Flächeninhalte gibt es eine Formel, und die wiederum enthält den Spin und korrespondiert mit den Orbitalen der Elektronen in den Atomen. Nur bestimmte Flächeninhalte existieren, die Fläche ist körnig und bestimmt die möglichen Atomsorten.

Auch der Raum muss eine Körnung besitzen, er ist ein Feld und setzt sich aus Quanten zusammen. Er ist also kein Kontinuum, sondern besteht aus "Raumatomen" die um 18 Größenordnugen kleiner sind als die kleinsten Atomkerne. Wenn der Graph aus Knoten und Verbindungslinien mit dem Volumen der Knoten und dem (halbzahligen Spin-) Wert für die Verbindungslinien versehen wird, heißt er Spin-Netzwerk.

"Im kleinsten Maßstab ist der Raum ein waberndes Gewimmel aus Gravitationsquanten, die wechselseitig aufeinender einwirken … und sich in diesen Wechselwirkungen als Spin-Netzwerke … manifestieren. Der Raum ist kein Behälter für die Dinge. Die Dinge (Quanten) liegen nicht im Raum, sondern im Umfeld der anderen Dinge", und der Raum ist "das Gewebe ihrer nachbarschaftlichen Beziehungen."

Und die Zeit existiert nicht. Sie ist zumindest anders als wir denken. Sie taucht in den Formeln nicht auf. Man kann sie sowieso nicht wirklich messen, sondern man kann nur Veränderungen miteinander vergleichen.

Im kleinsten Maßstab lassen sich Quantenereignisse nicht mehr zeitlich anordnen. Zwischen einem Ausgangszustand und einem Endzustand (also 2 verschiedenen Wechselwirkungen) gibt es keine präzise Raumzeit und keine festgelegte Bahn. Es gibt dort nur eine quantisierte "Wolke", in der alle möglichen Raumzeiten und Wege "zusammen existieren". Die Wahrscheinlichkeit, für die jeweiligen Endzustände wird durch die Summation über alle möglichen "Raumzeiten" berechnet.

Die Veranschaulichung, wenn man das so nennen darf, führt zu Spinschäumen und Gitternetzen, welche die physikalische Raumzeit annähern. Am Ende finden die Geichungen der Schleifenquantengravitation auf einem T-Shirt Platz. Das soll im 2. Teil der Rezension weiter verfolgt werden: Rezension zu Rovelli Die Wirklichkeit, die nicht so ist, wie sie scheint II


Carlo Rovelli, Die Wirklichkeit, die nicht so ist, wie sie scheint, Eine Reise in die Welt der Quantengravitation, Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg 2016, ISBN 9783498058067, Gebunden, 320 Seiten, 22,95 EUR


Ein weiterer interessanter Link: Lexikon der Astronomie: Loop-Quantengravitation (Spektrum.de 2016): Der aktuelle Stand ist, dass sowohl LQG als auch Stringtheorien erstaunliche und neue Konzepte für das Verständnis von Raum und Zeit bieten. Leider gibt es bisher keinerlei experimentelle Hinweise, die die eine oder andere Theorie favorisieren würden. Deshalb stellt sich die aktuelle Situation so dar, dass beide Theorien richtig (im Sinne von nicht falsifizierbar), nur eine von beiden richtig oder gar beide falsch sein könnten!

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