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Wie leer ist das Vakuum? Eine vergleichende Analyse des Quantenfeldvakuums

Masterarbeit 2014 107 Seiten

Philosophie - Theoretische (Erkenntnis, Wissenschaft, Logik, Sprache)

Leseprobe

Deskriptiver Abstract

Die Arbeit befasst sich mit dem physikalischen Vakuum. Die Konstruktion des Vakuums hat seit der Antike viele Veränderungen und Umwälzungen durchlaufen. Dies liegt vor allem an der bis heute nicht ganz eindeutig geklärten Definition des Vakuums – Ist das physikalische Vakuum wirklich ein völliges “Nichts”, ein absolut leerer Raum? Ziel der Arbeit ist es diese Frage, anhand einer Betrachtung der wichtigsten Vakuumkonzepte über die Zeit bis zum heutigen Stand des Quantenfeldvakuums, zu klären. Dabei wird versucht sich einer genaueren Definition des physikalischen Vakuums anzunähern. Die dabei angesprochenen Theorien teilen sich systematisch in die vor der Einführung der Quantentheorie und in die Entwicklung nach der Einführung der Quantentheorie. Eine zentrale Rolle in der Betrachtung spielt dabei das Quantenfeldvakuum, welches heutzutage als anerkannte Sichtweise gilt. Anhand der vorläufigen Konzepte und deren gravierenden Probleme soll ein Vergleich mit dem Quantenfeldvakuum angestellt werden, um so die Frage zu klären, was das Quantenfeldvakuum eigentlich ist und, ob es in Anbetracht des Vergleiches und der daraus entstehenden Kritik, überhaupt das richtige Konzept sein kann. Hierbei soll die Position stark gemacht werden, dass das Quantenfeldvakuum zwar nicht eindeutig von der Hand zu weisen ist, das jedoch hinsichtlich seiner Konzeption ein Umdenken von Nöten ist, da viele Probleme ungelöst und offen bleiben.

Descriptive Abstact

This paper deals with the physical vacuum. The construction of vaccum has gone through a lot of changes and transformation since antiquity. It may well be because of the still unsetteled definition of vacuum. Can the physical vacuum be seen as an absolute "Nothing", a totally empty space? The purpose of this paper is to clarify this question by the means of an examination of the most important concepts from ancient times to the current state of quantum field theory. Also, there is an attempt to approach a proper definition of the physical vaccum. The hereby mentioned theories can systematically be divided into those before the introducion of quantum theory and those after. The quantum field vaccum, a nowadays valid perception, is central to this observation. By the means of the temporary concepts and their serious problems, there is an attempt to draw a compairison with the quantum field vacuum in order to clarify the question of what is quantum field vacuum and if it is a proper concept based on the consideration of the compairison, its outcome and criticism. In the course of this paper, the position that quantum field vacuum is not to be denied entirely should be highlighted. Although, it is necessary to rethink its conception due to the multiple problems unsettled and open.

Inhaltsverzeichnis

I.) Einleitung ... 8

II.) Konzepte vor der Quantentheorie – Das historische und das klassische Vakuum ... 13

II.1) Historischer Abriss ... 13
II.1.1) Aristoteles „horror vacui“ ... 13
II.1.2) Eduard von Guericke und der experimentelle Nachweis des luftleeren Raumes ... 17
II.1.3) Die Theorie des Lichtäthers ... 21

II.2) Das „klassische“ Vakuum ... 25
II.2.1) Die Zurückweisung des Äthers ... 25
II.2.2) Grundsätzliche Annahmen der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie ... 28
II.2.3) Das Vakuum in der Relativitätstheorie ... 32

III.) Konzepte der Quantentheorie – Vom Dirac-Vakuum zum Quantenfeldvakuum ... 36

III.1) Das Dirac-Vakuum ... 37
III.1.1) Grundsätzliche Annahmen der Quantentheorie ... 37
III.1.2) Erste Ansätze einer Verbindung der Quantentheorie und der Relativitätstheorie ... 42
III.1.3) Die Dirac-„Hole-Theory“ ... 46
III.1.4) Das resultierende Dirac-Vakuum ... 49

III.2) Vom Quantenvakuum zum Quantenfeldvakuum ... 52
III.2.1) Probleme des Dirac-Vakuums ... 52
III.2.2) Ein „Rettungsversuch“ – Die Quantisierung und die Zweitquantisierung ... 55

III.3) Das Quantenfeldvakuum (Aktueller Stand der Physik) ... 58
III.3.1) Grundsätzliche Annahmen der Quantenfeldtheorie ... 59
III.3.2) Die Feldquantisierung ... 62
III.3.3) Das Vakuum der Quantenfeldtheorie ... 64

IV.) Das Quantenfeldvakuum und die vorläufigen Vakuumkonzepte – Ein kritischer Vergleich ... 71

IV.1) Mögliche Probleme des Quantenfeldvakuums ... 71
IV.1.1) Interpretationsprobleme des Quantenfeldvakuums ... 73
IV.1.2) Die Nullpunktenergie und das kosmologische Konstanten – Problem ... 75
IV.1.3) Mathematische Probleme des Quantenfeldvakuums ... 78
IV.1.4) Das ontologische Problem der Quantenfeldtheorie ... 81

IV.2) Das Konzept und die Methode des Quantenfeldvakuums im Vergleich ... 85
IV.2.1) Die Vakuumkonzepte in einem Vergleich bezüglich ihres Aufbaus und ihrer Vorgehensweise ... 86
IV.2.2) Die Vakuumkonzepte in einem Vergleich hinsichtlich der Interpretations­probleme ... 89
IV.2.3) Die Nullpunktenergie in einem Vergleich hinsichtlich der Vakuumkonzepte ... 91

V.) Fazit - Wie leer ist das Quantenfeldvakuum und was hat sich seit Aristoteles verändert? ... 95

Monografien ... 100
Internetseiten ... 104
Zeitschriften ... 107

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei all denjenigen bedanken, die mich bei der Anfertigung dieser Master - Thesis unterstützt haben.

Ein besonderer Dank gilt meinem Erstkorrektor und Betreuer, Prof. Dr. Michael Heidelberger, der mich durch seine hilfreichen Anregungen und seine Geduld immer wieder unterstützt hat, und mir immer mit Rat zur Seite stand. Auch danke ich meinem Zweitkorrektor Dr. Marco Giovanelli für die Bemühungen hinsichtlich meiner Masterthesis.

Des Weiteren danke ich den Beratungsstellen des philosophischen Seminars und dem Prüfungsamt der philosophischen Fakultät, vor allem Hendrik Habermann, für seine Bemühungen und seine ausführliche Beratung hinsichtlich der Masterarbeit.

Zudem möchte ich mich bei meinen Eltern bedanken, die mir mein Studium durch Ihre Unterstützung überhaupt erst ermöglicht haben.

Abbildungsverzeichnis

Grafik 1: Übersicht der Vakuumkonzepte. Quelle: Eigene Darstellung ... 12

Grafik 2: Newtons Eimerversuch. Quelle: A. Schmidt online, 2014, http://www.dreheimer.de/, Stand: 02.06.2014 ... 23

Grafik 3: Prozess der Paarentstehung und -Aufhebung im Dirac negativen Energiesee. Quelle: Wherli, online 2002: http://homepage.hispeed.ch/philipp.wehrli/Physik/Quantentheorie/Antimaterie/antimaterie.html, Stand: 10.06.2014 ... 48

Grafik 4: Wahrscheinlichkeitsamplitude eines Teilchens im Quantenfeldvakuum. Quelle: Martin Bäcker online, 2012: http://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2012/05/29/qft-fur-alle-das-vakuum/, Stand: 10.06.2014 ... 64

Grafik 5: Der Entstehungs- und Aufhebungsprozess – das virtuelle Teilchen. Quelle: Forum Naturwissenschaft online, 2014: http://pluslucis.univie.ac.at/FBA/FBA99/Abart/AbschnittC.htm, Stand: 05.06.2014 ... 66

Grafik 6: Einteilung der Energiebereiche des Quantenfeldvakuums. Quelle: Eigene Darstellung ... 68

Grafik 7: Entwicklung des Universums aus Quantenfluktuationen. Quelle: Planetarium online, 2014: http://www.planetarium-goettingen.de/Presse/Bilder/060915_CMB_Timeline300.jpg, Stand: 11.06.2013 ... 70

Grafik 8: Kritikpunkte am Quantenfeldvakuum. Quelle: Eigene Darstellung ... 72

I.) Einleitung

„Das Vakuum der Feldtheorie hat einige radikale Veränderungen erlebt, erst mit der Elimination des Äthers in der klassischen Elektrodynamik und zweitens, mit der Elimination des Dirac negativen Energie-Sees, in Quantenelektrodynamik.“1

Wie dieses Zitat von Simon Saunders aufzeigt, ist das Vakuum ein Thema, das über die Zeit hinweg zum einen viele Veränderungen und Theorieumbrüche erfahren hat und zum anderen eine bis heute nicht ganz geklärte Thematik darstellt. Es ist zentral zu verstehen, dass „[d]as Vakuum […] [ein] uraltes philosophisches und physikalisches Problem [ist] […]2, das noch immer Fragen aufwirft, auf die es keine Antwort gibt. Von der Antike bis heute ist es eine offene Debatte der Naturphilosophie, wie genau man mit dem Vakuum in seiner Begriffsbedeutung umgeht und wie das Vakuum zu definieren ist. Dabei bedeutet der Begriff Vakuum in einer ersten Analyse schlicht und ergreifend „Nichts“ und wenn man sich mit dem Vakuumzustand beschäftigt, beschäftigt man sich mit einem leeren Zustand (dem leeren Raum), dem Zustand des „Nichts“. In der Enzyklopädie für Philosophie und Wissenschaft findet man in einem Ausschnitt folgende Erläuterung zu der Leere (lat. Vacuum, engl. Void):

„Das Leere existiert oder existiert nicht; es existiert außerhalb oder innerhalb des Kosmos, und zwar entweder als zusammenhängendes (kontinuierliches) oder als diskontinuierliches L.s; es existiert aktual oder (nur) potenziell […]; es existiert von Natur aus oder nicht.“3

Genau an dieser Stelle zeigt sich jedoch ein zentrales Problem, denn was genau ist das „Nichts“ bzw. das „Leere“ bezogen auf das Vakuum, und kann das Vakuum tatsächlich ein tatsächliches „Nichts“ im Sinne völliger Leere sein. Weiter stellt sich die Frage, ob dieses „Nichts“ dann überhaupt denkbar ist, geschweige denn sich mit einem physikalischen Begriff bezeichnen lässt. Die vorliegende Arbeit soll sich nun dieser Debatte annähern und es soll geklärt werden, was genau das physikalische Vakuum eigentlich ist und, ob der Zustand eines Vakuums überhaupt so etwas wie das „Nichts“ oder das „Leere“ sein kann. Denn das „[…] Vakuum als Begriff wurde eingeführt, damit man von der Abwesenheit von Materie sprechen konnte.“ 4 Dabei sollen sowohl die wichtigsten historischen Konzepte betrachtet werden, als auch der heutige Stand der Physik – das Quantenfeldvakuum – und die Entwicklung zu diesem.

Die Beschäftigung mit dem Vakuum und dem Nichts beginnt schon bei den alten griechischen Philosophen. So bezeichneten zum Beispiel bereits die Atomisten das Nichts als den leeren Raum zwischen den Atomen (den kleinsten Teilchen), mit denen nach ihrer Vorstellung alles angefüllt war. Dem gegenüber stand die Auffassung von Aristoteles, welche zu dieser Zeit die vorherrschende Meinung war. Aristoteles vertrat den so genannten „horror vacui“, was deklarieren sollte, dass die Natur sich weigert einen Zustand, wie den des Vakuums anzunehmen. Dies untermauerte er vor allem mit der Argumentation, dass keines der bekannten Naturgesetze auch nur irgendeinen Sinn im leeren Raum haben könnte. Diese Meinung hielt sich sehr lange und konnte erst durch die Entdeckung der Luftpumpe und somit den experimentellen Nachweis des leeren Raumes ausgeräumt werden. Bei dieser Entdeckung kommt besonders Galileo Galilei, Evangelista Toricelli und Eduard von Guericke eine zentrale Stellung zu. Als eigentlicher Entdecker der Luftpumpe gilt jedoch Eduard von Guericke. Er stellte sich den Raum, wie bereits die Scholastiker jener Zeit, als eine Art Behälter aller körperlichen Dinge vor. Nach der Entdeckung dieses luftverdünnten Raumes taten sich weitere Probleme auf, denn bei experimentellen Beobachtungen stellte man fest, dass sich das Licht im Vakuum nicht so verhält, wie es die Annahmen nahelegten. Das Licht erwies sich als weiter im Vakuum leitbar und man postulierte deshalb einen „Licht – Äther“, ein Substrat, das hinter allen Dingen liegt und die beobachteten Eigenschaften im Vakuum erklären kann. Die These des Lichtäthers wurde erst durch Maxwell und Einstein widerlegt. Wichtig sind dabei vor allem die Annahmen des Vakuums zu Einsteins spezieller und allgemeiner Relativitätstheorie, die das Vakuum als einen Zustand mit Null-Energie und Null-Moment setzten und die Annahmen des klassischen Vakuums bestimmen. Somit wurde das Vakuum wieder als völlig leerer Raum angenommen.

Diese Ansicht änderte sich jedoch wieder mit dem Aufkommen der Quantentheorie. Der Fantasie scheinen hier, bis auf die verschiedenen Erhaltungssätze, wie zum Beispiel den Energieerhaltungssatz, keine Grenzen mehr gesetzt zu sein. Das sogenannte Quantenvakuum wird dabei angenommen als eine Art leeren Zustand, der jedoch voll ist von speziellen Teilchen und Quantenfluktuationen. Erste Erkenntnisse und Annahmen in diese Richtung stammen von Paul Dirac, der versuchte die Relativitätstheorie und die Quantentheorie zusammenzuführen. Für diese Zwecke verallgemeinerte er die Schrödinger-Gleichung für Fermionen, eine der elementaren Gleichungen der Quantentheorie, auf relativistische Effekte. Dirac entwickelte hierzu die so genannte „Hole Theory“, um bestehende Probleme lösen zu können. Diese Theorie setzt die Existenz von Antiteilchen in der relativistischen Quantentheorie voraus, die als Loch in einer Art See aus negativen Energieteilchen zur Existenz kommen. Das Vakuum wird somit als eine unendliche Ansammlung von Elektronen mit negativer Energie formuliert. Dabei deuten die Fluktuationen in diesem so genannten Dirac-Vakuum darauf hin, dass das Vakuum etwas Substanzielles sein muss. Das Problem das sich hieraus ergibt, ist, dass zum einen dann die Annahmen der Relativitätstheorie nicht mehr erfüllt sind und andererseits die hier postulierten Antiteilchen nicht von der Hand gewiesen werden können, seit sie experimentell nachgewiesen wurden.

Diese Probleme führten mit der Zeit zur Weiterentwicklung des Quantenvakuums zu dem so genannten „Quantenfeldvakuum“ mit der Entwicklung der Quantentheorie hin zur Quantenfeldtheorie. Das Quantenfeldvakuum stellt dabei den aktuellen Forschungsstand dar. Die Koeffizienten werden nun bezüglich des Vakuums interpretiert als Kombination der Antiteilchen-Entstehung und der Teilchen-Aufhebungsfelder. Damit ist nun bezogen auf das Vakuum ein unendlicher Term erlaubt. Dies gewährleistet unter der Annahme der Antiteilchen dennoch eine Nullpunktenergie und einen Null-Moment und erfüllt die Annahmen der allgemeinen Relativitätstheorie. Somit ist das heutige Vakuum ein leerer Zustand, der zugleich angefüllt ist mit Teilchenfluktuationen.

Der beschriebene Verlauf kennzeichnet nun die einschlägigen Erkenntnisse hinsichtlich des Vakuums bis zur heutigen Annahme des Quantenfeldvakuums. Die vorliegende Arbeit will diesen Verlauf und das hieraus resultierende Vakuum genauer definieren. Dabei wird das Hauptaugenmerk auf den jetzigen Stand der Forschung, auf das Vakuum der Quantenfeldtheorie gelegt. Jedoch ist die Betrachtung der historischen Konzepte des Vakuums für eine vergleichende Analyse sinnvoll. Die zentrale These soll sogar noch einen Schritt weiter gehen und aufzeigen, dass das Vakuum zum einen kein völliges Nichts in diesem Zusammenhang sein kann und dass zum anderen seit Aristoteles hinsichtlich der Thematik des Vakuums in seinen Grundannahmen nicht viel gewonnen wurde. Die vorläufigen Vakuumkonzepte sind hierbei eine wichtige Grundlage für die kritische Auseinandersetzung der Arbeit bezüglich des Quantenfeldvakuums und der Frage, inwieweit man dieses begrifflich bestimmen kann. Dies ist der Fall, da es so möglich wird das Quantenfeldvakuum in seiner Struktur und in seinem Aufbau mit den Vor- und Nachteilen der vorhergehenden Konzepte zu vergleichen. Wichtig ist es hierbei herauszustellen, woran die vorläufigen Konzepte scheiterten und welche Probleme das Quantenfeldvakuum davon weiter in seiner Struktur eingebunden hat. Ziel ist es also sich der Definition des aktuellen Vakuums anzunähern und dieses in zwei Schritten zu kritisieren: Erstens durch eine direkte Kritik am Quantenfeldvakuum selbst, die sich auf verschiedene wissenschaftsphilosophische Arbeiten bezieht, und zweitens durch einen übergreifenden historischen Vergleich. Die angesprochenen Vakuumkonzepte sollen in zeitlicher Abfolge bis hin zum jetzigen „Ist“-Stand besprochen werden. Die zwei grundsätzlichen Fragestellungen der Arbeit sind dann: Ist das Quantenfeldvakuum wirklich „Nichts“ und wenn nicht, wie lässt es sich dann definieren und was genau ist im Vergleich zu den vorläufigen Konzepten gewonnen worden. Aufgezeigt werden soll, dass das Vakuum in der Quantenfeldtheorie noch immer an keinem einheitlichen Punkt angekommen ist und nach wie vor gravierende Probleme verursacht. Die Physik und auch die Philosophie geraten hier in eine ernstzunehmende Krise, denn „[w]hen it comes to the vacuum of quantum field theory it is increasingly clear that we do not have the correct physical concepts.“5 Es wird zusammenfassend an dieser Stelle eine Veränderung in der Philosophie und der Physik postuliert.6 Die aufgezeigten Probleme des Quantenfeldvakuums sollen dabei direkt und durch den Vergleich mit den wichtigsten historischen Vakuumkonzepten herausgearbeitet werden.

Um dies zu verdeutlichen, wird die Arbeit die oben angesprochenen bedeutendsten Vakuumkonzepte erst einmal chronologisch näher betrachten. In einem ersten Schritt sollen die Konzepte vor der Quantentheorie besprochen werden. Dies gliedert sich in einen historischen Abschnitt, in dem Aristoteles` „horror vacui“, Eduard von Guerickes Gedanken zur Luftpumpe und die anschließende Theorie des Lichtäthers besprochen werden, und den Teil über das sogenannte klassische Vakuum, welcher eine Betrachtung des Vakuums unter dem Stand der Relativitätstheorie beinhaltet. Weiter soll dann auf das Vakuum seit der Einführung der Quantentheorie eingegangen werden. Zunächst ist es hier sinnvoll das Konzept der Quantenmechanik in der Verbindung mit dem Vakuum und die Ideen des hieraus resultierenden Dirac-Vakuums zu erläutern. Auch hier spielt das Konzept der Relativitätstheorie eine wichtige Rolle, da das Quantenvakuum erst in relativistischen Quantentheorien (Theorien, die die Relativitätstheorie und die Quantentheorie verbinden) bedeutende Änderungen erfahren hat. Anschließend werden die hier auftretenden Probleme und die daraus resultierende Überleitung zur Quantenfeldtheorie besprochen. Eine hierbei vorerst abschließende Betrachtung ist das resultierende Vakuum der Quantenfeldtheorie. Der nächste Abschnitt soll dann weiter auf die Debatte über das Quantenfeldvakuum eingehen. Als erstes werden hierbei die resultierenden Probleme eines Konzepts des Quantenfeld­vakuums selbst besprochen. Dabei wird vor allem auf das Interpretationsproblem, das kosmologische Konstanten Problem, das ontologische und das mathematische Problem des Konzepts näher eingegangen. Anschließend soll das Quantenfeldvakuum dann auf Grund dieser vorgestellten Probleme rückgreifend mit den Ergebnissen und Teilaspekten der vorhergehenden Vakuumkonzepte verglichen werden, um Ähnlichkeiten und eventuelle Entwicklungen besser aufgreifen zu können. Ziel ist es dabei aufzuzeigen, dass das Quantenfeldvakuum nie ein bloßes „Nichts“ sein kann und, dass das Vakuum in seiner jetzigen Form nicht in allen seinen Theorieteilen das richtige und endgültige Konzept des Vakuums darstellen kann.

Grafik 1: Übersicht der Vakuumkonzepte
[Dies ist eine Leseprobe. Grafiken und Tabellen sind nicht enthalten.]

II.) Konzepte vor der Quantentheorie – Das historische und das klassische Vakuum

Die Debatte um das Nichts und später das Vakuum lässt sich bis in das 5. Jahrhundert vor Christus zurückverfolgen. Vorerst ging es hier nur um Überlegungen zur Existenz des absoluten Nichts, bevor der Begriff des Vakuums selbst Einzug in die Diskussion hielt. Im Anschluss sollen nun die drei wichtigsten historischen Konzepte vorgestellt werden, um dann weiter auf das klassische Vakuum der Relativitätstheorie eingehen zu können.

II.1) Historischer Abriss

Der historische Abriss beschränkt sich auf die drei wichtigsten Meinungen und Konzepte des Vakuums vor der allgemeinen Relativitätstheorie. Hierbei soll vor allem Aristoteles` Argumentation gegen die Existenz des „Nichts“, Eduard von Guericke und der empirische Nachweis des Vakuums und die Äthertheorie diesbezüglich näher betrachtet werden. Gegenläufige Konzepte oder Argumentationen werden dabei nur insoweit angesprochen, als sie für die drei hier zentralen Theorien dienlich sind, da der historische Abriss eine vorläufige Übersicht zu der Thematik des Vakuums verschaffen soll.

II.1.1) Aristoteles „horror vacui“

Wie bereits angesprochen findet man schon konkrete Hinweise auf die Frage nach dem „Nichts“ im fünften vorchristlichen Jahrhundert. Damals bildeten sich vor allem zwei verschiedene Schulen: Die Anhänger der so genannten Kontinuumslehre sowie die der atomistischen Lehre. Aristoteles gehörte der kontinuumstheoretischen Schule an, die der Auffassung war, dass das Nichts (das Vakuum) nicht vorstellbar erschien. Der hier vertretenen philosophischen Theorie nach wäre die Welt aus den vier Elementen Erde, Wasser, Feuer und Luft aufgebaut. Alle diese Elemente hängen nach Aristoteles` Auffassung kontinuierlich und lückenlos zusammen, durchdringen unsere (einzige) Welt, ohne auch nur eine einzige Lücke freizulassen. Allein der Begriff des Raumes wurde von Aristoteles aufgrund der Welterfüllung durch die vier Elemente bereits abgelehnt. Er glaubte dabei bewiesen zu haben, dass der Raum an sich nicht existiert und folgerte daraus, dass es auch keinen leeren Raum geben kann. Aristoteles sprach also dem leeren Raum die Existenz ab. Dies tat er, indem er annahm, dass der Raum an sich nicht existiert, der als Behälter der Materie dienen kann.7 Das „Nichts“ als logisches Gegenteil zur existierenden Natur konnte also kein Bestandteil dieser sein.8 Aus dieser naturphilosophischen Denkweise entwickelte sich der bereits erwähnte Begriff des „horror vacui“9 Eines der bekanntesten Beispiele für die Behauptungen der Vertreter der Kontinuumslehre war die scheinbare Beantwortung der Frage, wieso eine Saugpumpe gegen die Schwerkraft eine Flüssigkeit aus einem Behälter befördern kann. Die Argumentation der Kontinuumslehre besagt, dass durch die Rohrwanderung keine Luft eindringen kann, das Medium Wasser deshalb eine zusammenhängende Säule bilden muss, obwohl die Flüssigkeit scheinbar zwei entgegengesetzten Kräften ausgesetzt ist10 – der nach oben gerichteten Saugkraft der Pumpe und der nach unten wirkenden Schwerkraft.11

Die atomistische Schule stellte hierzu eine Alternative dar und befasste sich mit der Zusammensetzung von Materie. Die griechischen Philosophen Plato, Demokrit und Leukipp behaupteten zum Beispiel, dass alle Körper aus unzähligen Substanzen bestehen, die zwar verschieden groß, aber immer noch so klein sind, dass der menschliche Sinn sie nicht erfassen kann. Diese Substanzen bewegen sich dann im leeren Raum, stoßen dort zusammen und berühren sich gegenseitig. Diese Gebilde nannten sie „Atome“ – die Unteilbaren. Selbst im Idealfall engster Packungen an Atomen würden nach der Argumentation dann noch Zwischenräume bestehen. Die Anhänger dieser Theorie postulierten sozusagen das Vakuum als Behälter für die Atome.12 Der Atomismus wurde jedoch von fast allen griechischen philosophischen Schulen abgelehnt, denn er entsprach nicht der antiken Auffassung vom Wesen der Welt und den religiösen Vorstellungen.13

„Die Kontinuumstheorie des Aristoteles behielt nahezu zweitausend Jahre lang großes Gewicht, die der Atomisten geriet zeitweise in Vergessenheit, fand mindestens lange Zeit wenig Beachtung.“14

Aristoteles ging dabei zur Untermauerung seiner Auffassung der Kontinuumstheorie auf verschiedene Argumentationen ein. Zum Verständnis dieser ist es hilfreich seine Definition des Raumes kurz näher zu betrachten. Er definierte den Raum eines Körpers als die Grenze zu einem angrenzenden Körper, der im Kontakt zu dem Körper ist. Seine unterstellte Definition für das Nichts lautete dann: Der Raum befreit von den Körpern. Für Aristoteles gilt, „[i]f this is nature the potency of place must be a marvelous thing and take precedence of all other things.“15 Das Nichts kann also nur ohne die anderen Dinge existieren und resultiert in einer unüberlegten Konzeption, die zu Absurditäten und Unmöglichkeiten führt.16 Einzuordnen sind diese Ausgangslage und weitere Argumente in Aristoteles` Physik und seine Kosmologie. Hier ging er von den Vorannahmen aus, dass wir in einer strukturierten, endlichen Welt leben, die gefüllt ist mit Materie. Dies ist eine Welt, in der die Resistenz des Mediums, natürliche Orte und natürliche, starke Bewegungen sich als fundamentale Konzepte darstellen. Dabei sind, wie gleich genauer aus der Argumentation hervorgehen wird, „[n]on of these vital principles and ideas […] functional and viable in void space, Aristotele sought not only to demonstrate the nonexistence of void by every means available, but also reveal how useless was the concept of empty space for the explanation of physical phenomena.“17

Eines der Hauptargumente von Aristoteles geht detaillierter betrachtet davon aus, dass der Raum dreidimensional ist und somit ein Körper wäre. Der Raum bzw. der Ort des Körpers ist aber nicht gleich der Körper selber, und so könnte es zwei Körper am selben Ort geben. Dies ist für Aristoteles eine Absurdität, denn er bezeichnet eine simultane Interpretation und Koexistenz von getrennten dimensionalen Entitäten als unmöglich. Hieraus schlussfolgerte er, dass der leere Raum nicht existieren kann.18 Dabei spielt die Identifikation des drei-dimensionalen Nichts mit einem dreidimensionalen materiellen Körper eine signifikante Rolle in der Debatte über die Existenz eines separierten Raumes19, denn „[v]oid space differs in no way from abstract dimensions of bodys that occupy […].“20 In dieser Argumentation ist es wichtig zu betonen, dass Aristoteles zeigen will, dass Bewegung in einem getrennten leeren Raum unmöglich ist und eine Absurdität entgegen der Natur darstellt.

„Zu[vörderst] nun ist zu bedenken, da[ß] man nicht fragen würde nach dem Raume, wenn es nicht eine Bewegung gäbe in Bezug auf den Raum. Darum nämlich glauben wir hauptsächlich auch den Himmel im Raume, weil er stets in Bewegung ist. Diese aber ist [theils] Ortveränderung, [theils] Wachstum und Abnahme“21

Dass die Bewegung im Nichts unmöglich wäre, folgt für ihn dabei aus der homogenen Natur des leeren Raumes, denn jeder Teil des Nichts ist identisch zu jedem anderen Teil des Nichts. Somit würden die Körper notwendigerweise zur Ruhe oder zum Stillstand kommen. Natürliche Bewegung könnte also nicht stattfinden. Die Körper im Nichts wären unbeweglich und damit auch unfähig die Region der Welt zu determinieren, in der sie ihre Möglichkeiten umsetzen könnten.22 Und selbst „[v]iolent motion [is] prevented, because in a void, the external Medium seemed essential for the continued motion of body away from its natural place would be lacking.“23Somit wäre zusammengefasst das Nichts eine Sache, die weder zur Ruhe kommen kann noch sich unendlich bewegen muss.24

Weitere Argumente von Aristoteles beruhen unter anderem auf der Abwesenheit der Resistenz im Nichts. In einem ersten Schritt argumentiert Aristoteles dabei, dass das Nichts ohne eine gewisse Resistenz in alle Richtungen reichen würde, sodass ein Körper dazu tendieren würde sich in alle Richtungen zu bewegen. In einem weiteren Schritt argumentiert Aristoteles, dass man augenblicklich Bewegung als Konsequenz der Bewegung im Nichts erhalten würde. Es gibt hier keinen Anteil, in dem das Nichts überhaupt durch einen Körper überschritten werden könnte. Somit gibt es hier auch keinen bestimmten Anteil, von dem man ausgehen kann. Hieraus folgt, dass das Nichts keinen Anteil zum Ganzen beitragen kann und deshalb kann es auch keine Bewegung als solche im Nichts geben. Als Annahme wird davon ausgegangen, dass sich etwas durch das dickste Medium in einer gewissen Distanz bewegt und dies geschieht zu einer gewissen Zeit. Dieser Körper bewegt sich dann durch das Nichts mit einer Geschwindigkeit und zwar ohne jegliche Rate (Geschwindigkeitsrate) dieser zu besitzen. Ein weiteres Argument, welches Aristoteles annimmt, besagt, dass, selbst wenn Bewegung im Nichts zum Beispiel unendlich wäre, die Körper von unterschiedlichem Gewicht in einem Nichts alle die gleiche Geschwindigkeit besitzen würden. Das Nichts kann also nicht von einem Punkt selbst unterschieden werden, und wenn weiter der Ort eines Punktes nicht von einem Punkt selbst zu unterscheiden ist, dann ist er auch nicht mehr in seiner Länge zu unterscheiden.25 Und „Aristotele in this argument appeared to assume continuous divisibility terminating the point.“26 Hieraus folgt, dass beides – die Körper und das Nichts – fortlaufend teilbar sind und deshalb jede Oberfläche des geteilten Körpers einen leeren Raum als seinen Ort besitzt. Wenn nun diese fortlaufende Teilung die ultimative Entität erreicht, würde sie direkt von dem leeren Raum, den sie besetzt, zu unterscheiden sein. Aber die Oberflächen und Körper sind in ultimativer Weise trotzdem aus ihren Punkten konstituiert. Der leere Raum dieser Oberflächen und Körper ist somit genauso ununterscheidbar von ihrem leeren Raum. Der Effekt an dieser Stelle wäre, dass „[t]he void will have no separate existence and will be utterly superfluous.“27 Aristoteles geht einen Schritt weiter und nimmt den leeren Raum folgend so an, dass er eine Größe, aber keine Körper besitzt, folgend aus den bisherigen Argumenten. Die Frage die sich nun stellt, ist, ob es sich dann noch in irgendeinem Sinne um eine reale Entität handeln kann. Dies bedeutet nach Aristoteles, dass das Nichts irgendwo sein muss, also einen Ort haben muss. Somit hat der Ort (als Behälter) quasi einen Ort – ad Infinitum – und für Aristoteles „[the] void dimensional space was incapable of existence whether understood as a separate dimension or as an entity perpetually occupied by body.“28 In dieser Argumentationsfolge gegen die Möglichkeit der Existenz des leeren Raumes versucht Aristoteles alle möglichen Ausflüchte und Gegenargumente zu beseitigen - denn selbst wenn Bewegung im Nichts stattfindet, wäre sie nicht endend und wenn sie endend wäre, würden alle Körper, egal welches Gesicht sie besitzen, gleich fallen. Somit enden alle alternativen Annahmen nach Aristoteles in Absurditäten.29

II.1.2) Eduard von Guericke und der experimentelle Nachweis des luftleeren Raumes

Die Vorgeschichte vor allem in Bezug auf religiöse Aspekte erklärt, wieso die Ansicht, die Natur habe Angst vor dem Nichts, bis hin in das 17. Jahrhundert Verfechter fand. Dies lag auch an der leichten Integrierbarkeit der Kontinuumslehre in das Lehrgebäude der katholischen Kirche. Die Argumentation Aristoteles wurde zum einen lange Zeit deshalb für plausibel als solche betrachtet und zum anderen ereigneten sich hier Zufälle in der Geschichte, die zur Erhaltung und Verbreitung von Aristoteles` Ansicht beitrugen. Die Werke des Aristoteles gelangten zum richtigen Zeitpunkt über die arabisch-jüdische Tradition Spaniens in die bedeutendsten geistigen Zentren der Zeit, wie zum Beispiel Paris, Oxford und Cambridge.30 Jedoch reduzierte sich ab dieser Zeit die Bedeutung des Begriffs des Vakuums allmählich auf den des luftleeren Raumes. Das lag vor allem an der Tatsache, dass man feststellte, dass die Luft nachweislich überall hinkam, egal welches Experiment man anstellte. Die Luft galt also gewissermaßen als eine Art Medium, das ein Vakuum gar nicht erst entstehen ließ. Dabei gab schon das Wesen der Luft hinsichtlich der Vorstellung der vier Elemente31 Rätsel auf.32 Physikalisch beschäftigte sich Johannes Kepler als erster mit der Luft, auf Grund seiner astronomischen Beobachtungen. Er schloss aus astronomischen Tabellen, dass das Sternenlicht, entsprechend seiner Einfallsrichtung zum Horizont, von einer geraden Linie abgelenkt wird. Er schrieb dies einem Brechungsvermögen der Luft zu und berechnete unter diesen Annahmen sogar die Dichte und daraus die Höhe der Atmosphäre zu etwa vier Kilometern. Er postulierte damit, dass die Luft ein mit Gewicht behafteter Stoff ist.33

Ungefähr zur gleichen Zeit wurde die Frage aktuell, warum eine Wassersäule in einer Saugpumpe nur auf die Höhe von etwa 10 Metern hochgesaugt werden kann, ohne dabei abzureißen. Galileo Galilei untersuchte dies als erster wissenschaftlich, und er war der Meinung, dass im Augenblick des „Reißens“ zwischen den Drähten ein luftleerer Raum, also ein Vakuum, entsteht, in das aber sofort Luft einströmt. Galileo hielt also das Vakuum im Sinne eines luftleeren Raumes34 für denkbar, wenn auch nur für eine sehr begrenzte Zeit. 35 Dieses Problem löste erst Galileos Schüler Evangelista Toricelli, der bei seinen Versuchen anstelle von Wasser Quecksilber verwendete. So konnte „[e]r zeig[en], dass im abgeschlossenen Teil des Rohres ein luftleerer, genauer: luftverdünnter Raum – ein Vakuum – herrscht […].“36 Durch das Auffüllen mit Wasser veränderte sich die Stellung der Quecksilbersäule nicht, woraus Toricelli schloss, dass nicht das Vakuum eine Kraft ausübte, sondern eine Kraft von außen – das Gewicht der Luft – die Säule im Rohr gegen die Schwerkraft im Gleichgewicht3] hält.38

„Die Suche nach dem Leeren, dem Vakuum, und die Bestimmung seiner Eigenschaften bildete für die Weiterentwicklung der Naturphilosophie und den zeitgleich daraus hervorgehenden Naturwissenschaften ein grundsätzliches Problem.“39

Die größte Autorität hier war zu diesem Zeitpunkt immer noch Aristoteles. Es galt also zuerst dessen Meinung ausreichend in Frage zu stellen. Dies geschah aus vielen Richtungen und die Naturphilosophen und Naturforscher gingen, in dem sie den Gedanken der Antike wieder aufgriffen, davon aus, dass es das Volle bzw. das Atom und das Leere bzw. das Vakuum gibt. Es galt an dieser Stelle das Vakuum experimentell eindeutig nachzuweisen.40

„The first vacuum pump, in the sense of a machine by which air could be progressively removed from a closed vessel, was undoubtedly that invented by Otto von Guericke somewhere about 1650, but before that, in 1644, Evangelista Toricelli had carried out his famous experiment with the barometer tubes, showing that the mercury stood at the same height whether the upper end of the tube had the ordinary form or was blown out to a sphere. From this, he correctly concluded that the space above the mercury was empty.“41

Otto von Guericke beschäftigte sich mit den Gestirnen und der Frage nach dem Ungeheuerlichen zwischen ihnen und erzielte dabei den entscheidenden Erkenntnisfortschritt. Als eine Reaktion auf das 1944 erschienene Werk von Descartes begann Guericke die dort aufgestellte Behauptung der Existenz eines Vakuums experimentell zu prüfen. Dabei stellte er sich den Raum, wie die Scholastiker zu dieser Zeit, als eine Art Behälter aller körperlichen Dinge vor. Die Frage, die Guericke sich stellte war, ob der Weltraum mit Stoff, einem Äther gefüllt war, wie Descartes dies behauptete, oder ob es tatsächlich ein vollkommenes Vakuum gab. Dabei wies Guericke den luftverdünnten Raum erstmals mit einer umgebauten Feuerspitze nach und wiederlegte so den „horror vacui“ der Natur.42

Guericke baute hierzu die von Galilei vorgezeichneten Versuche43 mit einem Zylinder und einem Kolben aus. Die Grundgeräte hierbei waren die gängige Feuerspitze oder eine Wasserpumpe. Mit diesem Gerät entleerten die Bediener einen Behälter, um das Wasser darin gezielt in einen Brandherd einzubringen. Die Annahme hierzu war, dass wenn der Behälter geschlossen ist und das Wasser dann herausgepumpt wird, der Behälter anschließend leer sein muss.44 Denn „[d]urch seine natürliche Schwere wird das Wasser unbedingt nachfolgen und im Fass einen von Luft (und folglich von jedem Körper) leeren Raum zurücklassen.“45

Die Frage war nun, nachdem man bereits wusste, dass Luft sich beim Erwärmen ausdehnte, wie ein Kontinuum sich ausdehnen kann. Unter diesem Verständnis wurden die Schröpfköpfe des Experimentes betrachtet. Schröpfköpfe sind als künstliche Blutegel beschrieben. Der Hohlraum, der in dem Aufsatz mündet, wird erhitzt und die Luft darin entweicht. Am Körper angebracht saugt ein Schröpfkopf durch den Aufsatz am Körper Luft in den erkalteten Hohlraum. Würde er dies jedoch nicht tun, würde an dieser Stelle ein Vakuum entstehen. Dabei können hier Blasebälge als Vakuumpumpen dienen. Wird hier die Öffnung zusammengedrückt, können laut Guerickes Versuchen nicht einmal etwa zwanzig Pferde (zehn auf jeder Seite) seine Teile auseinander ziehen.46 Otto von Guericke schreibt zu diesem bekannten Experiment folgendes:

„Then I saw how great was the force with which the shells pressed against the ring! And thus they stuck so firmly to each other by the effect of the pressure of the air, that 16 horses could not at all, or only with great difficulty, tear them apart. But if, occasionally, by the utmost exertion they succeed in pulling them apart, then there is a report like a gunshot.“47

Man stellte nach mehreren Experimenten fest, dass nicht der „horror vacui“ für das beobachtete Verhalten der Natur verantwortlich ist, sondern der Luftdruck, und dieser ist eine Folge des Gewichts der Luft und wirkt jedoch so, als wäre das Gewicht hierbei von allen Seiten gleich.48 Dem scholasitischen Denken folgend identifizierte Guericke den unendlichen Raum allgemein mit Gott und postulierte damit, dass Gott ein dreidimensionales Wesen sein muss und es hier zwei Formen des Raumes zu unterscheiden gibt: Den dreidimensionalen Raum der Anschauung mit Höhe, Breite und Tiefe, und den göttlichen Raum ohne Dimensionen. Der leere Raum ist dabei laut Guericke auch wirklich leer, also von keinem Äther irgendeiner Art erfüllt. Guericke fasste den Raum als einen Behälter auf, der dazu in der Lage ist Objekte in sich aufzunehmen. Wie genau Guericke sich das im Detail gedacht hat, ist leider sehr unklar, da seine Bekanntheit und die Theorienbildung eher durch seine experimentellen Nachweise als durch seine theoretischen Erläuterungen bekannt geworden sind.49 Jedoch war mit dieser Entwicklung der Vakuumluftpumpe der Nachweis eines leeren Raumes erstmals genauer gelungen und dieser selbst wurde zum Experimentierfeld.50

II.1.3) Die Theorie des Lichtäthers

„Beide, Newton und Hygens, wu[ß]ten vom künstlich erzeugten luftleeren Raum, und das dieser zwar nicht den Schall, wohl aber das Licht leitet. Daraus schloss Hygens, da[ß] der luftleere Raum mit schwingungsfähigem Äther angefüllt sei.“51

Über Descartes, Newton und Kant hatte sich die Vorstellung entwickelt, dass es unabhängig von jeder Materieform Raum und Zeit an sich gäbe und der Raum demnach ein Behältnis wäre, in dem sich die Materie bewegt. Wenn man sie aus diesem Raum entfernen würde, dann bliebe das Vakuum, der leere Raum, zurück. Ein Einwand von Ernst Mach war an dieser Stelle zum Beispiel, wie man dieses physikalische Vakuum überhaupt feststellen kann, wenn die physikalischen Messungen immer nur in Bezug auf physikalische Körper und physikalische Probekörper möglich sind. Dennoch war die Vorstellung des Raumes als Gefäß für die Materie so anschaulich, dass man lange Zeit daran festhielt. Zudem stellte man experimentell fest, dass Licht weiter im Vakuum geleitet werden konnte, jedoch zum Beispiel Schall nicht. Hierfür benötigte man eine Erklärung, wie den Äther, der hinter dem Vakuum liegt und das Licht zu leiten vermag. Das Konzept des Äthers, wie zum Beispiel Newton ihn annahm, ist jedoch teilweise vom Konzept des Äthers in Bezug auf das Vakuums zu unterscheiden. Ersteres geht dabei von einem Äther mit einem absoluten Raum und einer absoluten Zeit aus und letzteres bezieht sich auf die Lichtleitfähigkeit und eine Art polarisierendes Medium.52 Die klassischen Modelle des Äthers haben jedoch gemeinsam, dass sie vorliegende Probleme lösen sollten und sie entwickeln dabei auch sehr ähnliche Annahmen. Wie bereits im obigen Zitat angesprochen, stammen wichtige Auffassungen zum Äther von Hygens und Newton. Dabei vertritt Newton die Theorie des Äthers als eines absoluten Raumes und Hygens die These des luftleeren schwingungsfähigen Äthers. Da jedoch auch bei Newton die Lichtteilchen den leeren Raum ohne Widerstand durchfliegen könnten, lohnt es sich an dieser Stelle einen kurzen Blick auf die beiden Auffassungen zu werfen.

Dass Licht sich im luftleeren Raum ausbreitet, hatte bereits Toricelli experimentell ausmachen können. Man kam nach einigen Überlegungen zur Lösung des Problems zu dem Ergebnis, dass Licht bestimmte Schwingungen hervorrufen muss oder diese zumindest in irgendeiner Form anregen kann. Newton ging dabei allgemein von seiner Theorie des absoluten Raumes aus. Newtons absolute, substanzialistische Position besagt grundsätzlich, dass Raum und Zeit ihrer Natur nach unabhängig von den Körpern und Ereignissen sind, die in ihnen bestehen. Somit bilden Raum und Zeit quasi ein Behältnis, in welchem die verschiedenen Dinge bzw. Ereignisse ihre Stelle haben. Dieser feste Rahmen umschließt ein ausgezeichnetes und wahrhaft in Ruhe befindliches Bezugssystem. Dieses Bezugssystem ist der absolute Raum, in welchem Bewegung wirklichkeitsgetreu beschrieben werden kann.53 In der absoluten Sicht zeigen also räumliche und zeitliche Beziehungen zwischen Ereignissen die Raum- und Zeitverhältnisse an.54 Newton gab 1687 in seinen Mathematischen Prinzipien der Naturlehre seiner absoluten Position erstmals ihre Gestalt und formulierte diese anschließend im Scholium über Raum und Zeit der Principia in kompakter Form. Newtons Behauptung ist es hierbei, dass Raum und Zeit intrinsische Strukturen besitzen, zu welchen die Gleichförmigkeit der Zeit – die Reihenfolge von Gleichheit und Zeitintervallen – die Anordnung von Raumintervallen, sowie Ruhe und absolute Bewegung zählt. Denn, „[d]ie absolute, wahre und mathematische Zeit verfließt an sich und vermöge ihrer Natur gleichförmig, und ohne Beziehung auf irgend einen äußeren Gegenstand. […] Der absolute Raum bleibt vermöge seiner Natur und ohne Beziehung auf irgendeinen äusseren Gegenstand, stets gleich und unbeweglich […].“55 Alle von Newton genannten Strukturen besitzen hierbei einen von den Messverfahren unabhängigen Sinn.56 In Newtons Konzeption des absoluten Raumes ist außerdem mit einbezogen, dass dieser ein universelles Bezugssystem für sämtliche Bewegungsvorgänge darstellt.57 Durch die Einführung des absoluten Raumes ist es Newton möglich zwischen sogenannter „wahrer“ Bewegung, die sich gegenüber dem absoluten Raum abspielt, und einer nur scheinbaren relativen Bewegung zu unterschieden. Um hierbei den wahren Bewegungszustand eines Körpers zu ändern, sind laut dem Trägheitsgesetz dann äußere Kräfte aufzubringen.58 Newton verdeutlicht seine Position durch Experimente, die er in seinem Scholium diskutiert, wie zum Beispiel den Eimerversuch. Dieses Experiment wird dabei in vier verschiedenen Stadien verdeutlicht und betrachtet einen an der Decke befestigten Eimer, der mit Wasser gefüllt ist und in Bewegung bzw. Drehung versetzt wird.

Grafik 2: Newtons Eimerversuch
[Dies ist eine Leseprobe. Grafiken und Tabellen sind nicht enthalten.]

In den zwei Zuständen, in denen das Wasser hierbei rotiert, kommt es zu einer Wölbung der Wasseroberfläche, welche die Einwirkung von Zentrifugalkräften sichtbar machen soll. Newton sieht hierbei im Auftreten von Trägheitskräften die wahre Kreisbewegung des Wassers gegenüber dem absoluten Raum.59 Newton schloss weiter: Wenn Bewegungen im absoluten Raum zu beobachten sind, dann muss dieser auch existieren.60

Zudem sprach neben dieser allgemeinen Position Newtons zum absoluten Raum weiter für den Äther, dass Wärme den luftleeren Raum zu durchdringen vermag. Jedoch hat Newton für die Rolle, die der Äther für das Licht spielen könnte, keine endgültige Vorstellung entwickelt, denn einerseits muss Licht aus sogenannten Korpuskeln61 bestehen, da es sich ja in Linien ausbreiten kann. Aber wenn Licht nicht mehr ist als das, kann damit nicht die Interferenzerscheinung erläutert werden, die Newton zu dieser Zeit entdeckte. Also muss Licht Schwingungen hervorrufen oder anregen. Diese zusätzlichen Eigenschaften des Äthers neben dem absoluten Raum konnte Newton jedoch in keiner einheitlichen Theorie zusammenfassen. In Frage kam die Überlegung nach zwei Äthern, die sich gegenseitig beeinflussen. Gegen Newton brachte dann der Physiker Christian Hygens Einwände ein. Hygens veröffentlichte eine Theorie, die den Lichtäther ganz miteinbezieht. Er interpretierte dabei das Licht als Ätherwelle. Als ein wichtiges Argument dafür, dass Licht statt eines Teilchenstromes eine Welle ist, führt er an, dass Lichtstrahlen andere Lichtstrahlen durchdringen. Wenn nun ein Teilchenstrom einen anderen kreuzt, stoßen dabei die Teilchen zusammen und beeinflussen sich gegenseitig. Dies ist bei Schall nicht der Fall, da hier die Schwingung der Luft Verursacher ist. Folglich musste jedoch das Licht eine Schwingung sein, die von einem Medium, wie dem von Newton eingeführten Äther, getragen wird. Dieses Konzept des Äthers entwickelte sich soweit, dass zum Beispiel bei Leonhard Euler um 1750 der Äther vier verschiedene Aufgaben besaß – er war für elektrische und magnetische Wirkungen verantwortlich, für die Ausbreitung des Lichtes und die Übertragung der Schwerkraft.62

Bezüglich des Vakuums wurde also allgemein die Auffassung vertreten, dass kontradiktorische mechanische Eigenschaften benötigt werden. Unabhängig von diesen, führte dies zu der Annahme von beobachteten Effekten, die in der Theorie nicht ausgemacht werden konnten. Seit das Licht und elektromagnetische Wellen propagiert wurden, musste es ein Substrat geben, das diese Wellen und das Licht leitet. Vor allem nachdem experimentell festgestellt wurde, dass Licht im Vakuum geleitet wurde, im Vergleich zu Schall und anderen Dingen.63 Die Annahme ist, wie erläutert, auch mit dem Glauben in den mechanischen Äther (absoluter Raum) zu erklären. Es ist ein historischer Fakt, dass die Wellengleichung erst als eine Annahme der nach Guericke aufkommenden Newtonischen Mechanik formuliert wurde und hierzu ein mechanisches Medium mit beweglichen Teilen angenommen wurde.64 Zusammenfassend besteht mit dem Äther ein Medium, das selbst im Vakuum existiert und das sich selbst nicht nachprüfen lässt. Wie die Theorie des Äthers zu einem Ende gelangte, wird im nächsten Kapitel thematisiert, welches sich auch mit der Relativitätstheorie und dem Vakuum in diesem Kontext auseinandersetzt.

II.2) Das „klassische“ Vakuum

„Durch Einstein ist die Vorstellung des „absoluten Raumes an sich“ als Gefäß für die Materie wiederlegt worden.“65 Zu klären gilt es nun, wie der Äther zurückgewiesen wurde und wie das Vakuum in Bezug auf die Relativitätstheorie genau definiert wird und welche Eigenschaften ihm zugeschrieben werden. Dies ist ein wichtiger Schritt in der Debatte, da das hier erörterte klassische Konzept des Vakuums mit dem der Quantentheorie und später der Quantenfeldtheorie kompatibel sein sollte. Bevor nun jedoch näher auf das Vakuum in diesem Kontext eingegangen wird, ist es im Anschluss erforderlich kurz die Zurückweisung des Äthers und anschließend die Grundlagen der Allgemeinen Relativitätstheorie näher zu betrachten, um das Vakuum in diesem Zusammenhang besser verstehen zu können.

[...]


1 Saunders, 2002, Übersetzung, Seite:

2 Brachner, 2002, Seite: 11.

3 Mittelstraß, 2004, Seite: 560.

4 Rafelski, Müller, 1985, Seite: 3.

5 Saunders, 2002, Seite:

6 Wobei die Annahme hier vor allem auf ein Umdenken in der Philosophie beschränkt ist, da hier kein völlig neues physikalisches Konzept gegenüber der Quantenfeldtheorie postuliert werden soll.

7 Vgl. Brachner, 2002, Seite: 4 – 5.

8 Dem Menschen zu dieser Zeit erschien der Begriff des „Nichts“ in der Schöpfung allgemein undenkbar oder zumindest Sinn leer und damit auf die Schöpfung nicht anwendbar.

9 Genauer bedeutet dies „natura abhorat vacuum“, was wörtlich aus dem lateinischen Übersetzt so viel bedeutet, wie „die Natur verabscheut das Nichts“.

10 Vgl. Brachner, 2002, Seite: 4 – 5.

11 Heute ist jedoch bekannt: So einfach funktioniert die Saugpumpe nicht; Doch fast zwei Jahrtausende lang wurde ihre Arbeitsweise (entgegen der experimentellen Beobachtungen von Brunnenbauern) mit Hilfe des „horror vacui“ erklärt.

12 Dies stellt schon eine Art Vorgriff auf die Idee des Newtonischen Raumes an sich dar.

13 Vgl. Brachner, 2002, Seite: 5 – 6.

14 Brachner, 2002, Seite: 6.

15 Grant, Seite: 12.

16 Vgl. Grant, Seite: 11 – 13.

17 Grant, Seite: 21.

18 Vgl. Grant, Seite: 13 – 15.

19 Dies ist nicht nur in der Argumentation von Aristoteles der Fall, sondern spielt auch vom Mittelalter bis hin in das 17. Jahrhundert eine wichtige Rolle.

20 Grant, Seite: 15.

21 Aristoteles, Physik, 4.Buch, 4.Kapitel, 83. (http://www.zeno.org/Philosophie/M/Aristoteles/Physik/4.+Buch/4.+Capitel)

22 Vgl. Grant, Seite: 15 – 16.

23 Grant, Seite: 16.

24 Vgl. Grant, Seite: 16 – 17.

25 Vgl. Grant, Seite: 17 – 18.

26 Grant, Seite: 18.

27 Grant, Seite: 19.

28 Grant, Seite: 20

29 Vgl. Grant, Seite: 19 – 21.

30 Vgl. Brachner, 2002, Seite: 6f.

31 Bestünde die Luft aus Materie, müsste sie auf die Erde fallen; wäre sie Feuer ähnlich, müsste sie in die die Erde umgebenden Bereiche des Feuers aufsteigen.

32 Vgl. Brachner, 2002, Seite: 6 – 7.

33 Vgl. Brachner, 2002, Seite: 7 – 8.

34 Genauer gesagt ist aus der heutigen Perspektive von einem luftverdünnten und nicht von einem luftleeren Raum zu sprechen.

35 Vgl. Brachner, 2002, Seite: 7ff.

36 Brachner, 2002, Seite: 7.

37 Hierzu schlug Pascal einen „Vakuum-in- Vakuum“ Versuch vor, in dem in einem evakuierten Raum die Höhe der Quecksilbersäule zu etwa null Millimeter gemessen wird und. Descartes blieb dazu skeptisch und postulierte, dass das Vakuum nur in Pascals Kopf existierte, da Pascal zu dem Schluss kam, dass jedes Gefäß seiner Materie entleert werden kann.

38 Vgl. Brachner, 2002, Seite:7ff.

39 Brachner, 2002, Seite: 15.

40 Vgl. Brachner, 2002, Seite: 15 – 16.

41 Andrade,1984, Seite: 77.

42 Vgl. Brachner, 2002, Seite: 8 – 9.

43 Schon vor Galileo versuchten sich andere an diesen Bemühungen, wie zum Beispiel Kessibios und Agricola.

44 Vgl. Brachner, 2002, Seite: 22 – 23.

45 Brachner, 2002, Seite: 23.

46 Vgl. Genz, 1994, Seite: 137 – 140.

47 Otto von Guericke, 1984, Seite: 67.

48 Vgl. Genz, 1994, Seite 143f.

49 Vgl. Genz, 1994, Seite: 156 – 161.

50 Brachner, 2002, Seite: 50.

51 Vgl. Genz, 1994, Seite: 206.

52 Brachner, 2002, Seite: 61ff.

53 Zusammenfassend besagt der Substanzialismus, dass es räumliche und zeitliche Strukturen gibt, die für sich selbst existieren und die somit nicht auf Beziehungen zwischen Körpern oder Ereignissen zurückführbar sind. Die Strukturen wohnen also dem Raum und der Zeit inne.

54 Vgl. Carrier, 2009, Seite: 168 – 169.

55 Newton, 1726, 25-27.

56 Diese Strukturen sind hierbei auch empirisch unzugänglich und teilweise sogar in der Newtonischen Mechanik selbst nicht enthalten oder erfüllt. (Vgl. Carrier, 2009, Seite: 170 – 171).

57 Dies ist eine Annahme, die über das Galiläische Relativitätsprinzip hinausgeht, welches zwar von Newton im Bereich der Kinematik usw., anerkennt wird, jedoch ist es bezüglich des Auftreten von Kräften umgekehrt sein Anliegen, die Trägheitseffekte durch den absoluten Raum zu begründen. (Vgl. Lyre, 2009, Seite: 226).

58 Vgl. Earman, 1989, Seite: 7 – 9.

59 Vgl. Lyre, 2009, Seite: 226 -227.

60 Wichtig ist, dass der absolute Raum keine Relation zu irgendetwas Externem besitzt und somit immer gleich und unbeweglich bleibt. „This immovable Structure was assumed to be that of the euclidean tree-space […].“ (Earman, 1989, Seite: 9, Zeile: 2 – 3).

61 Als sogenannte Korpuskeln bezeichnet man in der Physik, im Gegensatz zur Welle, kleinste Masseteilchen.

62 Vgl Genz, 1994, Seite: 206 – 209.

63 Vgl. Saunders, 2002, Seite: , Der klassische Äther

64 Vgl. Saunders, 2002, Seite: Der klassische Äther.

65 Brachner, 2002, Seite: 51.

Details

Seiten
107
Jahr
2014
ISBN (eBook)
9783668015067
ISBN (Buch)
9783668015074
Dateigröße
1.7 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v302946
Institution / Hochschule
Eberhard-Karls-Universität Tübingen – Philosophisches Seminar
Note
1,5
Schlagworte
Vakuum Quantentheorie Dirac-Theorie Quantenfeldtheorie Quanten Quantenfeld Physik

Autor

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Titel: Wie leer ist das Vakuum? Eine vergleichende Analyse des Quantenfeldvakuums