Beruht unser Kosmos auf Schwingungen?

„Wenn du die Geheimnisse des Universums herausfinden willst, dann musst du in Begriffen wie Energie, Frequenz und Vibration denken“, lautet ein berühmtes Zitat von Nikola Tesla. Die Idee ist vermutlich älter; sie kommen in vielen mystischen Lehren vor. Eine davon ist der Buddhismus, womit sich Tesla später intensiver beschäftigt haben soll.

Aber was haben diese Begrifflichkeiten mit der Naturwissenschaft zu tun, werden Sie sich fragen. Die Antwort finden Sie im folgenden Artikel, der eine Hand voll interessante Erkenntnisse aus der Geschichte der Naturwissenschaft mit der These von schwingenden Fäden in Verbindung bringt.

Tanzende Moleküle

Im Jahre 1827 beobachtete Botaniker Robert Brown ruckartige Bewegungen von Pollen in einem Wassertropfen mittels eines Mikroskops. Als er eine ähnliche Beobachtung mit unbelebten Staubkörnern machte, schloss er eine Lebenskraft der Pollen aus, die die Bewegungen erzeugen würden. Die Ursache dieses Phänomens wurde später am Anfang des 20. Jahrhunderts von Albert Einstein einer Wärmebewegung zugeschrieben, wobei 1863 bereits Theorien dazu gaben. Diese Entdeckung ging als brownsche Bewegung in die Geschichte ein und trug zum wissenschaftlichen Existenznachweis von Molekülen und Atome bei.

In seinem Buch Was ist Leben? beschreibt Physiker und Nobelpreisträger Erwin Schrödinger unter anderem den Einfluss der Wärmebewegung auf einige experimentelle Vorgänge. Bei einem der Experimente handelt es sich um eine längliche Quarzröhre mit Sauerstoffgas in einem Magnetfeld. Das magnetisierte Gas richtet sich hier parallel zum Feld, wobei durch die Wärmebewegung nicht alle Moleküle dieser Orientierung folgen. Wird die Feldstärke erhöht, nimmt die Magnetisierung proportional zu, und immer mehr Gasmoleküle ordnen sich parallel zum Feld an. Im Rahmen dieses Experiments fand die Überlegung, dass ein Abschwächen der Wärmebewegung die Magnetisierung verstärkt, ihre Bestätigung. Die Resultate stimmten mit dem Curies Gesetz überein; es besagt eine Temperaturreduktion verhält sich umgekehrt proportional zu Magnetisierung. Ähnlich verhält es sich auch bei Supraleiter; hier werden die Leiter (je nach Materialtyp) bis zu absolutem Nullpunkt herunter gekühlt, um den elektrischen Widerstand zu minimieren.

Abb.: Aus dem Buch „Was ist Leben?“
Abb.: Aus dem Buch „Was ist Leben?“

In einem weiteren Beispiel berichtet Schrödinger von einem Körper, der an einem langen, dünnen Faden vertikal aufgehängt wird, und dieser sich zu bewegen beginnt, wenn Kräfte auf ihn einwirken. Mit dünnerer, längerer Fäden und leichteren Körpern brachte das Experiment schließlich die Stöße der Moleküle durch die Wärmebewegung zum Vorschein: der Körper begann herumzutanzen.

Schrödingers Beispiele zeigen im Grunde genommen nichts anderes als, dass Bewegungen von winzigen Körpern wie Molekülen und Atomen durch Wärme verursacht werden.

Plancks gequantelte Energien

Bei seinen Forschungen am „Schwarzen Körper“ zu Beginn des 20. Jahrhunderts (auch bekannt als Ultraviolett-Katastrophe) begriff Nobelpreisträger und Vater der Quantenphysik Max Planck, dass die Farbe bzw. die Intensität eines glühenden Körpers ausschließlich von der Temperatur abhängig ist.

Abb.: Farbtemperatur in Kelvin
Abb.: Farbtemperatur in Kelvin

Jeder Körper emittiert elektromagnetische Strahlung (=Wärmestrahlung). Bestimmte Frequenzbereiche (400 nm bis 700 nm) sind vom menschlichen Auge erfassbar; UV-, Röntgen-, Gamma-, Höhen-, Infrarotstrahlen oder Mikrowellen usw. bleiben dagegen für uns unsichtbar – zumindest ohne technische Hilfsmitteln. Bei absolutem Nullpunkt (0 Kelvin oder -273 Grad Celsius) emittieren Körper keine Wärmestrahlung mehr, besagt das Stefan-Boltzmann-Gesetz.

Abb.: Elektromagnetisches Spektrum
Abb.: Elektromagnetisches Spektrum

Als Planck die UV-Katastrophe in Angriff nahm, um das Phänomen zu erklären, griff er auf die Arbeit von Physiker Heinrich Hertz über Oszillatoren zurück. Ein Oszillator ist ein schwingungsfähiges System, das Hertz zur Messung elektromagnetischer Wellen entwickelt hatte. Letztendlich übertrug Planck die Idee auf seine Forschungen und entwickelte die These der Energiequantelung, d.h. dass Energie portioniert ist. Mit einer errechneten winzigen Konstante h (6.62 * 10^-34 Js) stellte er seine populäre Formel E = h ∙ v (Energie = Plancksche Wirkungsquantum ∙ Frequenz) auf.

Die Farbtemperaturen des Lichts mit dem elektromagnetischen Spektrum (siehe Abbildungen) verglichen, zeigt einen Zusammenhang zwischen der Temperatur des strahlenden Körpers und seiner Frequenz. Mit steigender Frequenz (d.h. je kürzer die Wellenlänge) erhöht sich auch die Temperatur. Es scheint, als gäbe es hier schwingende Fäden oder Wellen, deren Schwingung ausschließlich von der Temperatur beeinflusst wird. Kann es also bei der Wärmebewegung, die Moleküle und Atome zum „Tanzen“ bringt, wie Schrödinger es in seinem Buch erläutert, also um unsichtbare, schwingende Fäden handeln, ähnlich wie die Strings in der Stringtheorie? Ist es wahrscheinlich, dass bei absolutem Nullpunkt diese Fäden nicht mehr schwingen und aus diesem Grund keine Strahlung emittiert wird?

De Broglies schwingende Saiten 

Physiker und Nobelpreisträger Louis de Broglie beschäftigte sich seit Beginn der 20er mit der Doppelnatur (Stw.: Welle-Teilchen-Dualismus) des Lichts. Im Rahmen seiner Forschungen übertrug er die dualistische Eigenschaft des Lichts auf Elektronen. Er stellte sich die Elektronenbahnen wie schwingende Saiten (bzw. stehende Wellen) einer Violine vor und implementierte das Plancksche Wirkungsquantum in seine These. De Broglies kühne Idee ohne experimentelle Stütze bekam von Albert Einstein mit den Worten „Es sieht vielleicht verrückt aus, aber es ist wirklich folgerichtig!“ die Zustimmung. Wenig später fand de Broglies These seinen experimentellen Beweis.

Abb.: Links: Stehende Welle - Rechts: Atommodell nach De Broglie
Abb.: Links: Stehende Welle - Rechts: Atommodell nach De Broglie

Während Louis de Broglie und Erwin Schrödinger von einer Welt aus Materiewellen überzeugt waren und die Teilchennatur der Dinge ablehnten, postulierte Nobelpreisträger und Vater des Atoms Niels Bohr mit seinem Komplementaritätsprinzip strikt, dass Elektronen beide Eigenschaften besitzen, lediglich eine Seite je nach Experiment auftritt. Gekoppelt mit dem mysteriösen Verhalten des Lichtes im Doppelspaltexperiment, äußerte sich Albert Einstein im fünften Solvay Konferenz zu „Elektronen und Photonen“, dass das Licht sich wie eine Welle im Meer ausbreitet und beim Kontakt mit der Brandung zu einem Teilchen formiert.

Abb.: (v.o.l.n.r.) Nikola Tesla, Erwin Schrödinger, Albert Einstein Max Planck, Louis De Broglie, Niels Bohr
Abb.: (v.o.l.n.r.) Nikola Tesla, Erwin Schrödinger, Albert Einstein Max Planck, Louis De Broglie, Niels Bohr

Doppelspaltexperiment

Das Doppelspaltexperiment ist das klassischste Beispiel in der Quantenphysik. Wird ein Photon durch ein Doppelspalt geschickt, entsteht durch sein Wellencharakter ein Interferenzmuster. Misst man den Weg der Photonen mittels Detektoren, verhalten sie sich wie Teilchen, und es erscheinen nur zwei helle Streifen.

Im Jahr 1961 wurde infolge der neuen Erkenntnisse durch De Broglies „Materiewelle“ das Doppelspaltexperiment mit Elektronen und Atomen wiederholt. Auch mit Molekülen wie Fullerene, die im Gegensatz zu Photonen Massen besitzen und beträchtlich größer sind als Atome, konnte das Interferenzmuster reproduziert werden. Dieses Phänomen lässt sich bei Fullerene lediglich im Vakuum beobachten, weil sie in der normalen Umgebung mit Luftmolekülen in Wechselwirkung stehen, lautet die wissenschaftliche Erklärung.

Stellen wir uns nun vor, es gibt weder das Teilchen noch die Welle, sondern nur die lose Energie, die sich durch unsere imaginäre Fäden schwingend in Wellenform ausbreitet. Würden wir bei dieser Theorie bleiben, könnten wir den Sachverhalt so erklären, dass durch Mitwirken von Fremdmolekülen eine kritische Masse erreicht wird, welche die Schwingung unserer imaginären Fäden abdämpft. So können die Fullerene nur noch einen direkten Weg nehmen, ohne dass ihre Fäden stark hin und her schwingen und miteinander wechselwirken.

Verschränkung

Ein anderes bekanntes, rätselhaftes Phänomen aus der Quantenphysik ist die Verschränkung. Ein Photon besitzt Eigenschaften wie Impuls, Energiezustand und Polarisation. Sobald es in ein Kristall geschickt wird, entsteht ein Duplikat. Findet eine Änderung an der Eigenschaft des ersten Photons, so ändert sich instantan dieselbe Eigenschaft des Duplikats und umgekehrt; und das obwohl eine räumliche Distanz zwischen ihnen liegt. Das gleiche Phänomen kann ebenso bei Elektronen beobachtet werden. Einstein bezeichnete es als eine „spukhafte Verbindung“.

Abb.: Aus dem Buch „Die Geschichte der Quantenphysik“
Abb.: Aus dem Buch „Die Geschichte der Quantenphysik“

Würden wir hier wieder von unseren imaginären Fäden ausgehen, könnten wir diesen Vorgang so erklären, dass das Photon vor seiner Teilung eine bestimmte Bahn mit einer bestimmten Frequenz einnimmt. Nach Passieren des Kristals wird jedes Photon in eine Bahn abgelenkt, die im Grunde genommen genau auf einer gemeinsamen, schwingenden Bahn bzw. Faden liegen. Jede Änderung an einem der Photonen verursacht eine Änderung des Fadens, die sich an dem Partnerphoton messen lässt.

Chladnis Klangfiguren

Schwingungen müssen nicht zwangsläufig nur mit Temperaturen oder elektromagnetischer Strahlung zu tun haben. Physiker und Astronom Ernst Chladni entdeckte im 18. Jahrhundert bei seinen Forschungen in Akustik, dass das Bestreichen des Geigenbogens an einer mit Sand bestreuten Plattenkante symmetrische Muster erzeugt. Dieses Phänomen ist als „Chladnische Klangfiguren“ bekannt.

Abb.: Chladnische KLangfiguren
Abb.: Chladnische KLangfiguren

Heute kursieren im Internet unzählige Reproduktionen von Chladnis Klangfiguren. Eine davon zeigt auf Youtube (Minute 04:45 bis 5:00) wie kleine Partikeln bei kurzen Wellenlängen zu rotieren beginnen. Dieser Effekt sieht der Rotationen von Galaxien verblüffend ähnlich. Könnte dies ein Hinweis darauf sein, dass unser Kosmos schwingt?

Die Idee der schwingenden Fäden ist zwar nicht neu; doch wird sie für viele Naturforscher weiterhin als ein interessantes Mysterium bleiben.

Verfasser dieses Artikels:

Melih Gördesli

Autor des Buchs „Die Geschichte der Quantenphysik“

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