Materie = Energie / Energie = Materie


Von Karl Sumereder 

Seit den Anfängen menschlicher Kulturen wurde versucht, das verbundene und unerklärliche Nebeneinander von Naturereignissen, die der Welt zugrunde liegende Ordnung zu verstehen. Deckt sich doch das Naturgeschehen oft wenig mit unserer Alltagserfahrung und unserer Intuition. Fernöstliche und vor allem griechische Philosophen haben schon vor mehr als zweieinhalb Jahrtausenden erste Vorstellungen über die Phänomene Naturkraft, Energie und Materie entwickelt. Im Rahmen dieses Essays soll etwas auf die Begriffe Materie und Energie eingegangen werden.

Was ist eigentlich Materie?

Das Nachdenken darüber hat mit griechischen Philosophen angefangen. Für Thales von Milet (ca. 625–547 v.u.Z.) war das Wasser der Urstoff. Für Anaximander ( ca. 610–546) war es die Luft. Für Heraklit (ca. 550–480) das Feuer. Wenn man statt Feuer Energie setzt, kommt man in erstaunliche Nähe zum Materiebegriff der modernen Quantenphysik. Für Empedokles (ca. 495–435) waren es vier Elemente: Erde, Wasser, Luft und Feuer. In abgewandelter Form stammt der heutige Materiebegriff von Demokrit von Abdera (ca. 460–371). Er war der Auffassung, dass alle Dinge aus unsichtbaren kleinen, nicht weiter zerteilbaren, unvergänglichen Materieteilchen bestünden (griechisch: „atomos“ = unteilbar). Die Eigenschaften aller Dinge, ob fest, flüssig oder gasförmig, werden vom Zusammenhalt der Materieteilchen bestimmt. Demokrit schuf so die Atomtheorie der Materie. Die Grundanschauung des Demokrit ist im Großen und Ganzen in die Makrophysik, in die Chemie und in unsere alltäglichen Vorstellungen eingegangen.

Eine ganz andere Traditionslinie geht von Phytagoras (ca. 570/560–480), über Sokrates (469–399), Platon (428/427–347) und Aristoteles (384–322) aus. Platon unterscheidet zwischen unveränderlich seienden Ideen einerseits und den wahrgenommenen Phänomenen andererseits. Aristoteles postulierte einen Urstoff (materia prima) mit der Fähigkeit von Kreativität. Die tatsächlichen Formen der Materie (materia secunda) bilden sich aus dem Urstoff stufenweise durch immer komplexer werdende Merkmale.

Heute spielen die früheren Materiebegriffe nur mehr eine marginale Rolle.

Aber immerhin, für zeitgenössische Physiker, beispielsweise den Nobelpreisträger Werner Heisenberg (1901–1976) ist Materie die unterschiedliche Erscheinungsform einer immateriellen Struktur. Ein somit durchaus platonischer Materiebegriff.

Unsere Alltagsauffassung

Gemäß unserer allgemeinen Erfahrung ist Materie schwer und träge und aus kleinsten Teilchen zusammengefügt. Umgangssprachlich ist uns Materie der sichtbare und anfassbare Stoff, eine Masse mit einem Schwerefeld. Alle Massen, ob fest, flüssig oder gasförmig, stellen Zustände von Molekülen dar. Diese sind aus Atomen, jene aus Elementarteilchen zusammengesetzt und zerlegbar.

Keine Masse, kein Körper ist letztlich eine in sich geschlossene Einheit, sondern besteht aus voneinander im Nanobereich getrennten Molekülen. Da auch Atome in kleinere Korpuskel aufgelöst werden können, bestehen auch diese aus Zwischenräumen. Selbst der Atomkern lässt sich weiter unterteilen in Protonen und Neutronen und diese in noch winzigere Teilchen, die mysteriösen Quarks.

Der frühere starre Materiebegriff ist seit dem vergangenen Jahrhundert gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie Albert Einsteins und der von einer kleinen Gruppe weiterer europäischer Physiker, von denen jeder Einzelne den Nobelpreis erhielt, nicht mehr zu halten.

Max Planck bekam den Preis 1918, Albert Einstein 1921, Niels Bohr 1922, Heinrich Hertz 1925, Louis de Broglie 1929, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und Paul Dirac 1933, Wolfgang Pauli 1945 und Max Born 1954. In diese Zeit fiel der Startschuss für eine neue Physik, die Quantenmechanik.

Relativitätstheorie und Quantentheorie

Das Universum wird seither gemäß der Relativitätstheorie (sie beschreibt die Raumzeit, die Schwerkraft und gilt im Bereich des sehr Großen, den massereichen kosmischen Objekten, wie Sterne, Sonnensysteme, Galaxien) und der Quantentheorie (sie beschreibt die Erscheinungen auf der mikrokosmischen, der atomaren und der subatomaen Ebene) auf völlig neue Weise verstanden. Mit Hilfe der Quantenmechanik ist der Bau vieler neuer technischer Geräte, wie zum Beispiel von Lasern, Computern und so weiter, ermöglicht worden.

Heute weiß man, dass die Atome nicht so elementar sind, wie früher angenommen. Heute weiß man, dass quantenmechanische Objekte nicht allein Wellen (Schwingungen) oder Teilchen sind. Sie besitzen mysteriöser Weise beide Eigenschaften zugleich. Dass Atome als Kraft- beziehungsweise Energiezentren anzusehen sind, ist eine Einsicht aus der Relativitätstheorie, die spätestens seit August 1945, als Hiroshima und Nagasaki untergingen, keine Theorie mehr ist.

Gemäß der berühmten Formel Albert Einsteins: E (Energie) = m (Masse) mal c (Lichtgeschwindigkeit im Vakuum) hoch zwei, ist die Masse eines Gegenstandes äquivalent zu einer bestimmten Energiemenge.

Materie ist heute gemäß der Quantentheorie „weich“. Sie ist nichtlinear und partiell indeterminiert. Dies wird allerdings in äußerst abstrakter Form dargelegt und dringt so nicht leicht in unser Alltagsbewusstsein.

Der Quantenphysiker Raymond de Broglie verkündete 1923, dass nicht nur das masselose Licht eine Welle (Schwingung) sei, das aber auch in Paketen (Quanten) ausgesandt und absorbiert werde, sondern dass auch alle Materie zugleich Schwingungen seien. Diese Behauptung wurde experimentell für die Elementarteilchen Elektronen bestätigt, dann auch für Wasserstoffmoleküle und dann auch für größere Moleküle. Seither gilt der Welle-Teilchen-Dualismus für alle Elementarteilchen. Auch seit der von Erwin Schrödinger entwickelten „Wellenmechanik“, mit welcher erklärt wurde, dass Welleneigenschaften und Partikeleigenschaften niemals getrennt vorkommen und nur verschiedene Seiten derselben Erscheinung bilden. Die Frage letzten Endes, ob man es jeweils mit Wellen oder Teilchen zu tun hat, lässt sich aber ebenso wenig beantworten, wie die, mit welchem Auge man sieht, wenn man beide offen hat.

Was ist eigentlich Energie?

Gemäß der „Urknalltheorie“ bildete sich vor etwa 13 Milliarden Jahren explosionsartig aus einem unermesslich dichten und heißen „Energie-Materie-Plasmapaket“ positiv und negativ geladene Materie. Im Nanosekundenbereich tauchten Elementarpartikel, die physikalischen Gesetze und die Zeit auf. Den Augenblick, in dem sich alle Arten von Energien zu manifestieren und zu differenzieren begannen, kann man als „Schöpfung“, als „Anfang der Zeit“ bezeichnen. Jede Raumregion des Kosmos ist seither mit Strahlung erfüllt: von niederfrequenter Hintergrundstrahlung, über Radiowellen, uns sichtbarem und ultraviolettem Licht bis hin zu den Gammastrahlen von höchster Energie. Strahlung wird von Sternen, Supernovae, Quasaren, den Ereignishorizonten der „Schwarzen Löcher“ und den verdrillten Magnetfeldern, die sich über riesige leere Raumregionen erstrecken, emittiert.

Der Begriff Energie wurde 1852 vom schottischen Physiker William Rankine im heutigen Sinn für die Physik eingeführt. Bis dahin hat man von verschiedenen Arten von Kräften gesprochen. Energie ist das Vermögen, Arbeit zu leisten, so liest man es in jedem Lexikon.

Eine Definition besagt, wie schon oben angedeutet, dass sie auf derselben Abstraktionsebene liegt wie Materie, dass beide Substanzen sind und sich wechselseitig ineinander überführen lassen. Gemäß der „Unschärferelation“ von Werner Heisenberg verhalten sich Teilchen in gewisser Hinsicht wie Wellen. Obwohl das Licht aus Wellen besteht, verhält es sich auch wie Teilchen (Photonen), die mit Lichtgeschwindigkeit und einer ihrer Schwingungsfrequenz proportionalen Energie unterwegs sind.

Energie wird gemäß ihren verschiedenen Erscheinungsformen eingeteilt: Potenzielle Energie (gravitationsbedingt), Ruheenergie, kinetische Energie, Strahlungsenergie, Lichtenergie, chemische Energie, Bewegungsenergie, elektrische Energie, magnetische und thermische Energie. Alle sind nach festen Äquivalenzwerten ineinander umwandelbar.

Der Physiker Freeman Dyson brachte die verschiedenen Energieformen in eine „Wertordnung“. Gravitationsenergie steht an der Spitze und am Ende der Liste erscheinen die niederfrequenten Überreste des Urknalls, die so genannte Hintergrundstrahlung.

Was ist Energie? Wir wissen es nie.
Wir können sie nicht produzieren,
nur technisch transformieren.
Erscheint sie entfesselt geballt,
erzittern wir vor ihrer Gewalt!
Dem Rätsel hat Einstein nachgespürt,
was auch nicht recht zum Verständnis führt.
Erklärend bleibt nur die Formel parat:
E = M mal c zum Quadrat.
(Gerulf Stix, sz. Energiepolitiker)

Energieumwandlung

Der „Energiesatz“ ist ein physikalisches Gesetz, nach dem Energie oder ihr Masseäquivalent weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden kann.

Es mag verblüffen, Energie lässt sich nicht verbrauchen. Wenn vom Energieverbrauch die Rede ist, so handelt es sich darum, dass Energie in aus unserer Sicht wertvollerer Form (zum Beispiel chemische Energie des Erdöls) in eine weniger wertvolle Energieform (zum Beispiel heiße Luft) umgewandelt wird.

Michael Faraday (1791–1867), ähnlich wie Robert Mayer (1814–1878), postulierte die. wechselseitige Umwandlung einzelner Energiearten, indem beide formulierten, dass Fallkraft (Gravitationsenergie), Bewegung, Wärme, Licht, Elektrizität und chemische Energie ein und dasselbe sind, eben nur in verschiedenen Erscheinungsformen.

Elektromagnetische Lichtenergie (Sonnenlicht) wird von grünen Pflanzen zur chemischen Synthese von Nahrungsstoffen verwendet, zu einer Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie (Traubenzucker, Stärke). Wir nehmen Nahrungsstoffe auf, passen sie chemisch unseren Bedürfnissen an (Verdauung). Unser Organismus wandelt sie in der Muskelbewegung in mechanische Energie, in der Tätigkeit der Nerven in elektrische Energie, im Bewahren der Körpertemperatur in Wärmeenergie oder mittels der Stimmbänder in Schallenergie um. Leuchtkäfer beispielsweise können chemische Energie wiederum in Licht umwandeln und viele andere Beispiele mehr.

Seit dem vergangenen Jahrhundert weiß man, dass Materie letztlich eine Energieart ist. Materie lässt sich entsprechend der berühmten Planck-Einstein-Beziehung:

E = c hoch 2 mal m = h mal v (E= Energie, c = Vakuum-Lichtgeschwindigkeit, m = Masse, h = Plancksches Wirkungsquantum und v = Lichtfrequenz) in Strahlungsenergie (Materiezerstrahlung) umwandeln. Ebenso wie der umgekehrte Prozess (Paarbildung) möglich ist. Dabei entstehen aus hochenergetischer, elektromagnetischer Quantenstrahlung zwei komplementäre Materie-Elementarteilchen wie Elektron – Positron, Proton – Antiproton, Neutron –Antineutron, Neutrino – Antineutrino.

1920 bemerkte Albert Einstein noch gesprächsweise, dass vorläufig noch nicht der leiseste Anhaltspunkt dafür bestehe, ob und wann jemals solche Energiegewinnung erzielt werden könne. Diese Unklarheit beseitigten 1938 Otto Hahn (1879–1968) und Fritz Strassmann (1902–1980) als die Entdecker der Atomkernspaltung.

Auch die Materie unserer Körper ist Energie, die eventuell darauf wartet, freigesetzt zu werden, falls wir je auf Antimaterie treffen sollten.

Unlösbare Rätsel

Wir haben nur Vermutungen, wie der „Urknall“ sich ereignete oder wie unser Sonnensystem und unser Planet, der Träger allen terrestrischen Lebens, entstanden sind. Es handelt sich um physikalische Theorien, es gab keine Zeitzeugen. Die Relativitätstheorie kann nicht aussagen, warum es die Gravitation gibt. Wir wissen nicht, weshalb es Energieformen, eine Selbstorganisation der Materie oder Lebendiges gibt. Die Fragen, was Elementarteilchen, Atome und Moleküle wirklich sind, sind nicht zu beantworten. Im subatomaren Bereich haben wir es mit Proportionen und Maßstäben zu tun, die von jenen unserer Erfahrungswelt gleich weit entfernt sind wie andererseits die des Weltraums. Es gelten die Gesetze unserer Logik und Anschauung nicht mehr. Es erweist sich ein Lichtquant als Welle (Schwingung) und als ein Korpuskel zugleich, abhängig allein von der Methode der Beobachtung. Da lässt sich Materie in körperlose Energie verwandeln und umgekehrt.

Was ein Elementarteilchen als Objekt sein soll, muss mit Zurückhaltung gesehen werden. Teilchen sind zunächst einmal nichts anderes als die lokal gemessene Erregung eines physikalischen Feldes. (Ein Feld besteht aus einem Raum, der leer oder stofferfüllt sein kann, und messbaren physikalischen Eigenschaften, die jedem Raumpunkt zugeordnet werden können).

Höchst erstaunlich ist auch, dass wir Menschen überhaupt in der Lage sind, mit unserem eigentlich nur für das irdische Überleben gegebenen Denkvermögen über die inneren Verhältnisse von Atomen, das kosmische Geschehen, mehr oder minder sinnvolle Überlegungen und Kombinationen anzustellen. Dies mit nicht beweisbaren Theorien, geistigen Krücken, abstrakten Formeln und unanschaulichen Symbolen.

Sind wir überhaupt in der Lage, die richtigen Fragen zu stellen?

Für manche Menschen sind die Naturgesetze Gegebenheiten und haben einen platonischen Status. Für Albert Einstein sind Naturgesetze „freie Erfindungen des menschlichen Geistes, die sich aber bewähren müssen, um danach und dadurch zu Entdeckungen zu werden“. Debatten drehen sich darum, ob die Naturgesetze, ob der Kosmos, ob alle Lebensformen einen ideellen Hintergrund haben oder ob es sich gar um eine uns nicht erkennbare virtuelle Wirklichkeit handelt.

Was bleibt, ist die Erkenntnis des Philosophen Karl R. Popper, dass die „Was ist?“‑ oder „Warum?“-Fragen nicht besonders wichtig und eigentlich keine sehr guten Fragen sind. Sie sind von einer Form, die keine wirklich erhellende Antwort zulässt.

 
Dr. Karl Sumereder, Innsbruck, hat als Top-Manger die Welt bereist. Seit Jahrzehnten befasst er sich publizistisch mit Philosophie und den Naturwissenschaften.

Bearbeitungsstand: Samstag, 1. Juni 2013
 
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