Eine kurze Geschichte der Zeit (German Edition)

zunächst erläutern, bevor ich auf die Versuche zu sprechen komme, die beiden Teiltheorien zu einer einheitlichen Quantentheorie der Gravitation zu verbinden.

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    Die Unschärferelation
    D ER ERFOLG WISSENSCHAFTLICHER Theorien, vor allem der Newtonschen Gravitationstheorie, verleitete den französischen Wissenschaftler Marquis de Laplace zu Beginn des 19. Jahrhunderts zu der Behauptung, das Universum sei vollständig deterministisch, und anhand einiger weniger wissenschaftlicher Gesetze müßten wir alles vorhersagen können, was im Universum geschehe, wenn uns sein Zustand in einem beliebigen Moment vollständig bekannt sei. Wüßten wir beispielsweise Positionen und Geschwindigkeiten der Sonne und der Planeten zu einem bestimmten Zeitpunkt, könnten wir mit Newtons Gesetzen den Zustand des Sonnensystems zu jedem anderen Zeitpunkt berechnen. In diesem Fall scheint der Determinismus auf der Hand zu liegen, doch Laplace gab sich damit nicht zufrieden und behauptete, auch alles andere, einschließlich des menschlichen Verhaltens, würde von entsprechenden Gesetzen bestimmt.
    Der Grundsatz des wissenschaftlichen Determinismus rief viele Gegner auf den Plan, die ihn heftig attackierten, da sie meinten, er beschränke Gottes Freiheit, in die Welt einzugreifen. Dennoch bestimmte er das wissenschaftliche Denken bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts. Eines der ersten Anzeichen dafür, daß man diese Überzeugung würde aufgeben müssen, waren Berechnungen der englischen Wissenschaftler Lord Rayleigh und Sir James Jeans, die nahelegten, daß ein heißer Körper wie etwa ein Stern unendlich viel Energie abstrahle. Nach den damals für gültig gehaltenen Gesetzen hätte ein heißer Körper elektromagnetische Wellen (Radiowellen, sichtbares Licht oder Röntgenstrahlen) in gleichbleibendem Maße abgeben müssen, unabhängig von ihrer Frequenz. So sollte ein heißer Körper die gleiche Energiemenge in Wellen mit einer Frequenz von ein bis zwei Billionen pro Sekunde abstrahlen wie in Wellen mit einer Frequenz von zwei bis drei Billionen pro Sekunde. Da nun die Zahl der Wellen pro Sekunde unbegrenzt ist, würde dies bedeuten, daß die abgestrahlte Gesamtenergie unendlich wäre.
    Um dieses offensichtlich lächerliche Resultat zu vermeiden, schlug Max Planck 1900 vor, daß Licht, Röntgenstrahlen und andere Wellen nicht in beliebiger Rate abgegeben werden könnten, sondern nur in bestimmten Paketen, «Quanten» genannt. Ferner verfüge jedes Quantum über einen gewissen Energiebetrag, dessen Größe in einem proportionalen Verhältnis zur Höhe der Frequenz der Wellen stünde. Bei genügend hoher Frequenz könne somit die Aussendung eines einzigen Quantums mehr Energie erfordern, als vorhanden wäre. Auf diese Weise verringere sich die Abstrahlung bei hohen Frequenzen, und das Tempo, mit dem der Körper Energie verliere, sei somit endlich.
    Die Quantenhypothese lieferte eine sehr gute Erklärung für die Strahlenemissionsrate heißer Körper, doch auf ihre Konsequenzen für den Determinismus wurde man erst 1926 aufmerksam, als ein anderer deutscher Physiker, Werner Heisenberg, seine berühmte Unschärferelation formulierte. Um die künftige Position und Geschwindigkeit eines Teilchens vorherzusagen, muß man seine gegenwärtige Position und Geschwindigkeit sehr genau messen können. Ein Verfahren bietet sich an: Man bestrahlt das Teilchen mit Licht; einige Lichtwellen werden von dem Teilchen gestreut, und daran kann man seine Position erkennen. Doch wird man auf diese Weise die Position des Teilchens nicht genauer als den Abstand zwischen den Kämmen der Lichtwellen bestimmen können. Deshalb muß man Licht mit möglichst kurzer Wellenlänge benutzen, um zu exakten Meßergebnissen zu kommen. Nun ist es nach der Planckschen Quantenhypothese nicht möglich, eine beliebig kleine Lichtmenge zu benutzen; man muß mindestens mit einem Quantum arbeiten. Dieses Quantum wird auf das Teilchen einwirken und seine Geschwindigkeit in nicht vorhersagbarer Weise verändern. Ferner gilt: Je genauer man die Position mißt, desto kürzer muß die Wellenlänge des Lichts sein, das man verwendet, und um so höher wird entsprechend auch die Energie eines einzelnen Quantums. Damit verstärkt sich aber zugleich der Störeffekt, der die Geschwindigkeit des Teilchens beeinflußt. Mit anderen Worten: Je genauer man die Position des Teilchens zu messen versucht, desto ungenauer läßt sich seine Geschwindigkeit messen, und umgekehrt.