Einführung in die Physik

Die Physik beschreibt und erklärt die Realität auf ihrer fundamentalen Ebene. Hierzu stellen die Physiker Theorien auf. Das sind mathematische Formeln, die möglichst gut mit der Realität übereinstimmen sollen. Es gibt die klassische Physik, darunter versteht man die Physik vor der Quantenphysik. Dazu gehört das, was man in der Schule lernt, das sind die Mechanik, die Wärme- und die Elektrizitätslehre. Dazu gehören aber ebenfalls die beiden Relativitätstheorien von Albert Einstein. In der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts wurde dann die Quantenphysik entwickelt. Sie bedeutete eine Revolution im Weltbild der Physik. Denn sie zeigt, dass die Materie völlig anders beschaffen ist, als man im Rahmen der klassischen Physik dachte.

Die Quantenphysik besteht aus zwei Theorien. Einmal die Quantenmechanik und zum anderen die Quantenfeldtheorie. Genauer gesagt gibt es mehrere Quantenfeldtheorien, zum Beispiel die Quantenelektrodynamik. Das ist die Quantenversion der Elektrizitätslehre. Alles, was um uns herum geschieht, basiert auf der Quantenelektrodynamik, abgekürzt mit QED. Die gesamte Chemie ist angewandte QED. Daher legt sie die Struktur der Materie fest.

Die Quantenfeldtheorien stellen die fundamentalsten Theorien der Physik dar. Doch es gibt ein großes Problem. Denn die Quantenfeldtheorien umfassen zwar die spezielle Relativitätstheorie. Sie lassen sich aber nicht mit der allgemeinen Relativitätstheorie, das ist die Theorie der Gravitation, vereinigen. Bedeutende Fortschritte sind derzeit nicht erkennbar. Es gibt zwar Ansätze, zum Beispiel die Stringtheorien. Aber überzeugend sind die Ansätze nicht.

Haben wir die Grenzen unseres Erkenntnisvermögens erreicht? Hierzu ein Beispiel: Sie besitzen vielleicht einen Hund. Der fährt manchmal in Ihrem Auto mit und springt gehorsam vor der Abfahrt in das Auto. Er nimmt das Auto somit zweifellos wahr. Aber wir müssen davon ausgehen, dass er nicht versteht, was ein Auto ist. Würden Sie erwarten, dass in 10.000 Jahren die Hunde verstehen werden, was ein Auto ist? Natürlich nicht. Ähnlich ist es bei uns Menschen, zwar auf einem höheren Niveau, aber wir erreichen irgendwann die Grenzen unseres Erkenntnisvermögens.

Ich habe ganz oben gesagt, dass die physikalischen Theorien die Realität beschreiben und erklären. Warum sage ich „beschreiben und erklären“? Das ist etwas komplizierter. Es gibt in der Physik typischerweise immer wieder neue Theorien, die die alten ablösen. Die neuen liefern für die alten eine Erklärung. Die neuen Theorien selber stellen aber immer nur eine Beschreibung dar. Das sieht man bei den Planetenbahnen. Sie wurden von Johannes Kepler (1571-1630) korrekt als Ellipsen beschrieben, er lieferte aber für sie keine Erklärung. Dann kam Isaac Newton (1642-1726). Er stellte das Gesetz für die Gravitationskraft auf. Das erklärte die Ellipsenbahnen. Die Gravitationskraft selbst konnte er aber nur beschreiben, nicht erklären. Das gelang dann Einstein (1879-1955). Seine allgemeine Relativitätstheorie erklärt die Gravitationskraft mittels der Raumzeitkrümmung. Sie selbst wird aber von der allgemeinen Relativitätstheorie nur beschrieben. Nach einer Erklärung suchen die Physiker noch immer.