Die italienische Originalausgabe erschien 2014 unter dem Titel «Sette brevi lezioni di fisica» bei Adelphi Edizioni, Mailand.
Die Übersetzerin dankt dem Deutschen Übersetzerfonds für die großzügige Förderung dieser Arbeit.
Veröffentlicht im Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, September 2015
Copyright © 2015 by Rowohlt Verlag GmbH, Reinbek bei Hamburg
«Sette brevi lezioni di fisica» Copyright © 2014 by Adelphi Edizioni S.p.A., Mailand
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Lektorat Frank Strickstrock
Wissenschaftliches Lektorat Bernd Schuh
Die Lukrez-Zitate folgen der Ausgabe von «Über die Natur der Dinge» in der Übersetzung von Klaus Binder, Galiani, Berlin 2014
Umschlaggestaltung Anzinger|Wüschner|Rasp, München, nach dem Entwurf der englischen Ausgabe bei Allen Lane/Penguin (Gestaltung Coralie Bickford-Smith)
Schrift DejaVu Copyright © 2003 by Bitstream, Inc. All Rights Reserved.
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ISBN Printausgabe 978-3-498-05804-3 (1. Auflage 2015)
ISBN E-Book 978-3-644-05221-5
www.rowohlt.de
ISBN 978-3-644-05221-5
Ein terminologischer Hinweis: Der Begriff «Zeit» wird in unterschiedlichen, wenn auch miteinander zusammenhängenden Bedeutungen verwendet: 1. «Zeit» ist das allgemeine Phänomen des Aufeinanderfolgens von Ereignissen («Die Zeit ist unerbittlich»). 2. «Zeit» gibt ein Intervall in dieser Abfolge («in der schönen Frühlingszeit») oder 3. eine Dauer («Wie lange hast du gewartet?») an. 4. «Zeit» kann auch einen bestimmten Augenblick angeben («Es ist Zeit zum Aufbruch»). 5. «Zeit» gibt die Variable an, welche die Dauer misst («Die Beschleunigung ist die Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit»). In diesem Buch verwende ich den Ausdruck «Zeit» wie in der Alltagssprache unterschiedslos in allen genannten Bedeutungen. Sollte Verwirrung aufkommen, erinnere sich der Leser an diesen Hinweis.
Streng genommen, manifestiert sich der Zeitpfeil auch in Phänomenen, die nicht direkt mit Wärme zu tun haben, aber entscheidende Aspekte mit ihr teilen. Zum Beispiel beim Arbeiten mit dem retardierten Potenzial in der Elektrodynamik. Auch für solche Phänomene gelten die nachfolgenden Ausführungen und insbesondere die Schlussfolgerungen. Der Einfachheit halber verzichte ich darauf, alle Spezialfälle im Einzelnen zu erörtern.
Der Punkt ist nicht, dass die Abläufe in einem kalten Löffel, der in eine Tasse heißen Tee getaucht wird, davon abhängen, ob meine Sichtweise unscharf ist oder nicht. Was mit dem Löffel und seinen Molekülen geschieht, vollzieht sich natürlich unabhängig davon, wie ich sehe. Es geschieht einfach. Der Punkt ist, dass die Beschreibung in Begriffen von Wärme, Temperatur, dem Abfließen der Wärme des Tees in den Löffel eine unscharfe Sicht dessen ist, was geschieht. Und nur in dieser unscharfen Sicht zeigt sich dieser auffällige Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft.
Zum wissenschaftlichen Denken Milets und insbesondere Anaximanders siehe C. Rovelli, Che cos’è la scienza. La rivoluzione di Anassimandro, Mailand 2012.
Dass Leukipp aus Milet stammen soll, ist beispielsweise durch Simplikios überliefert (siehe M. Andolfo, Atomisti antichi. Frammenti e testimonianze, Mailand 1999, S. 103). Diese Herkunft ist allerdings ungewiss. Als Alternative kommt nach antiken Autoren auch Elea in Frage. Mit Blick auf die kulturellen Wurzeln von Leukipps Denken wird bezeichnenderweise auf Milet und Elea verwiesen. Zum Einfluss Zenons von Elea auf Leukipp siehe die nachfolgenden Seiten.
Seneca, Naturales quaestiones, VII 3, 2d.
Cicero, Academica priora, ii, 23, 73., Marcus Tullius Cicero, Akademische Abhandlungen Lucullus: lateinisch – deutsch, Text und Übers. von Christoph Schäublin. Einl. von Andreas Graeser und Christoph Schäublin. Anm. von Andreas Bächli und Andreas Graeser, Hamburg 1995, S. 95.
Sextus Empiricus, Adversus mathematicos, VII, 135; dt.: Gegen die Dogmatiker, übers. von Hansueli Flückiger, 1. Aufl., Sankt Augustin 1998, S. 37.
Siehe Aristoteles, De generatione et corruptione, A1, 315b 6. (Dt.: Über Werden und Vergehen, Griechisch–Deutsch, Griech. Text nach Harold H. Joachim, Übers., mit einer Einl. und Anm. hg. v. Thomas Buchheim, Hamburg 2011.)
Eine Sammlung von Fragmenten und antiken Zeugnissen zur Atomlehre siehe M. Andolfo, Atomisti antichi, a.a.O. Eine schöne vollständige Sammlung zu den Fragmenten Demokrits und Zeugnissen siehe Solomon Lur’e, Demokrit: teksty, perevod, issledovanija ia, Leningrad 1970.
Ein kurzer und interessanter neuerer Text zum Denken Demokrits, der den Humanismus ins Blickfeld rückt, siehe S. Martini, Democrito: filosofo della natura o filosofo dell’uomo?, Rom 2002.
Platon, Phaidon, nach der Übersetzung von Friedrich D.E. Schleiermacher, in: Platons Werke, zweiten Teiles dritter Band, 3. Aufl., Berlin 1861. Siehe auch unter http://www.opera-platonis.de/Phaidon.pdf.
R. Feynman, Feynman-Vorlesungen über Physik, Bd. 1, Berlin und Boston 2015, S. 3.
Siehe Aristoteles, De generatione et corruptione, a.a.O., A2, 316a. (Dt.: Über Werden und Vergehen, Griechisch–Deutsch, Griech. Text nach Harold H. Joachim, Übers., mit einer Einl. und Anm. hg. von Thomas Buchheim, Hamburg 2011.)
Ein schöner neuerer Text zu Zenons Paradoxa und deren philosophische und mathematische Bedeutung siehe V. Fano, I paradossi di Zenone, Rom 2012.
Mathematisch gesprochen, gibt es konvergente unendliche Reihen oder «Summenfolgen». Die des Beispiels der Schnur ist 
, die gegen 1 konvergiert. Zu Zenons Zeit wurden unendliche Summenfolgen noch nicht verstanden. Aber später nutzte sie Archimedes dazu, Flächeninhalte zu berechnen. Newton setzte sie ebenfalls ein. Dennoch sollte das mathematische Konzept erst im neunzehnten Jahrhundert durch Bolzano und Weierstraß umfassend aufgeklärt werden. Aber schon Aristoteles deutete mit seiner Antwort auf Zenon in diese Richtung. Seine Unterscheidung zwischen dem aktualen und dem potenziellen Unendlichen enthält bereits die Unterscheidung zwischen einer fehlenden Grenze der Teilbarkeit und der Möglichkeit, dass etwas schon unendlich viele Male geteilt wurde.
«Die Verse des erhabenen Lukrez / sterben erst an jenem Tag, an dem die gesamte Erde untergeht» (I,15, 23f.).
Diogenes Laertios hat einige der Titel von Demokrits Werken überliefert: Große Weltordnung; Kleine Weltordnung; Kosmographie; Über die Planeten; Über die Natur I, Über die Natur des Menschen, Über den Geist; Über die Sinne; Über die Seele; Über die Geschmacksarten; Über Farben; Über verschiedene Gestaltungen; Über Gestaltenwechsel; Astronomische Erklärungen; Atmosphärische Erklärungen; Erklärungen über Feuer und Feuersubstanz; Akustische Erklärungen; Erklärungen zu Samen, Pflanzen und Früchten; Zoologische Erklärungen III; Verschiedene Erklärungen; Uranographie; Geographie; Polbeschreibung; Über die unterschiedliche Auffassung der Tangente des Kreises und der Kugel; Über Geometrie; Geometrische Probleme; Zahlen; Über inkommensurable Linien und Körper II; Projektionen; Das große Jahr oder Astronomie; Strahlendarstellung; Über Abbilder; Über Rhythmus und Harmonie; Über Poetik; Über epische Schönheit; Über wohlklingende und misstönende Buchstaben; Über Homer oder
Sprachrichtigkeit und eigentümliche Ausdrücke; Über Gesang, Über Verben, Über Benennungen; Über Tapferkeit oder über Tugend; Über die Disposition des Weisen, Prognostik, Über Diät und Diätetik; Ärztliche Diagnose, Über Landwirtschaft oder Landarbeiten; Über Malerei; Zur Taktik; Zum Waffengebrauch; Über die heiligen Schriften in Babylon; Über die heiligen Schriften in Meroe; Küstenbeschreibung des Ozeans; Über Geschichtsforschung; Traktat über die Chaldäer; Traktat über die Phryger; Über Fieber und Husten; Rechtsgründe; Handwerkliche Fragen; Das Horn der Amaltheia, über Gemütsheiterkeit; Ethische Aufzeichnungen; Wohlbefinden. Alle diese Schriften sind verschollen … Siehe hierzu Diogenes Laertios, Leben und Lehre der Philosophen, aus dem Griech. übers. und hg. v. Fritz Jürß, Stuttgart 2010, S. 427f.
Lukrez, De rerum natura, I, 129, dt.: Über die Natur der Dinge, in deutsche Prosa übertragen und kommentiert von Klaus Binder. Mit einer Einführung von Stephen Greenblatt, Berlin 2014, S. 42.
Ebenda, II, 990; Über die Natur der Dinge, a.a.O., S. 98.
Ebenda, I, 5ff; Über die Natur der Dinge, a.a.O., S. 39.
Ebenda, II, 18ff; Über die Natur der Dinge, a.a.O., S. 71.
Guido Cavalcanti, Sämtliche Gedichte. Tutte le rime, übertragen und herausgegeben von Tobias Eisenmann und Wolfdietrich Kopelke, Tübingen 1990, S. 31.
Eine Rekonstruktion der Wiederentdeckung der Schrift des Lukrez und deren Auswirkungen auf die europäische Kultur siehe S. Greenblatt, Die Wende: wie die Renaissance begann. Aus dem Engl. von Klaus Binder, München 2013.
Siehe M. Camerota, «Galileo, Lucrezio e l’atomismo», in: F. Citti und M. Beretta (Hgg.), Lucrezio, la natura e la scienza, Florenz 2008, S. 141–175.
Siehe R. Kargon, Atomism in England from Hariot to Newton, Oxford 1966.
W. Shakespeare, Romeo und Julia, I, 4 (üb. von A.W. von Schlegel).
Lukrez, De rerum natura, a.a.O., II, 160; Über die Natur der Dinge, a.a.O., S. 74f.
Eine sehr gelungene kommentierte italienische Übersetzung von Lukrez’ Lehrgedicht, konzipiert als Unterrichtsmaterial, siehe Piergiorgio Odifreddi, Come stanno le cose. Il mio Lucrezio, la mia Venere, Mailand 2013. Ich würde mir ihren Einsatz an zahlreichen Schulen in Italien wünschen, um diesen herausragenden Text bekannter zu machen. Als diametral entgegengesetzt kann eine romantisierende Darstellung des Lehrgedichts und seines Verfassers gelten: V.E. Alfieri, Lucrezio, Florenz 1929, betont den sehnsuchtsvollen Charakter dieser Dichtung und arbeitet mit Blick auf den Verfasser das Bild eines erhabenen, aber auch bitteren Charakters heraus.
H. Diels, W. Kranz (Hg.), Die Fragmente der Vorsokratiker, Weidmann, Berlin 1903, 68 b 247, S. 194.
Aristoteles, Metaphysik, I, 2, 982 b.
Eine eingehende Erörterung zur Schichtung des Zeitbegriffs leistet zum Beispiel J.T. Fraser, Of Time, Passion, and Knowledge, New York 1975.
Der Philosoph Mauro Dorato hat die Notwendigkeit hervorgehoben, den elementaren konzeptionellen Rahmen der Physik ausdrücklich unserer Erfahrung anzupassen. Siehe hierzu Che cos’è il tempo?, Rom 2013.
So der Kern der Allgemeinen Relativitätstheorie, siehe hierzu A. Einstein, «Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie», in: Annalen der Physik 49 (1916), S. 769–822.
In der Näherung des schwachen Feldes (Newton’sche Näherung) ist die Metrik darstellbar als ds2 = (1 + 2Φ(x)) dt2–dx2, wobei Φ(x) das Newton’sche Potenzial ist. Die Newton’sche Gravitation folgt aus der einfachen Modifikation der Zeitkomponente der Metrik, g00, also aus der lokalen Verlangsamung der Zeit. Die geodätischen Linien dieser Metrik beschreiben das Herabfallen der Körper: Sie krümmen sich zum tieferliegenden Potenzial, wo sich die Zeit verlangsamt. (Diese und ähnliche Anmerkungen sind für Leser gedacht, die mit theoretischer Physik vertraut sind.)
«But the fool on the hill / sees the sun going down, / and the eyes in his head / see the world spinning ’round …»
C. Rovelli, Che cos’è la scienza. La rivoluzione di Anassimandro, Mailand 2011.
Zum Beispiel: tauf dem Tisch – tam Boden = 2gh/c2 tam Boden, wobei c die Lichtgeschwindigkeit, g = 9,8 m/s2 die Erdbeschleunigung Galileos und h die Höhe des Tischs ist.
Sie lassen sich auch mit einer einzigen Variablen t, der «Zeitkoordinate» darstellen, die aber nicht die von einer Uhr gemessene Zeit (bestimmt durch ds, nicht durch dt) angibt und die man willkürlich austauschen kann, ohne die beschriebene Welt zu verändern. Dieses t stellt keine physikalische Größe dar. Was die Uhren messen, ist die Zeit eben entlang einer Weltlinie γ, gegeben durch tγ = ∫γ (gab(x)dxa dxb)½. Zur physikalischen Beziehung zwischen dieser Größe und gab(x) siehe die Erörterung weiter hinten.
Rainer Maria Rilke, Duineser Elegien, in: Sämtliche Werke, Bd. 1, Frankfurt a.M. 1955, I, Verse 83ff., siehe auch unter http://gutenberg.spiegel.de/buch/duineser-elegien-829/1.
Tatsächlich war die Zeit der Französischen Revolution auch eine besonders fruchtbare Ära der Wissenschaft, in der die Grundlagen der Chemie, der Biologie, der analytischen Mechanik und zahlreicher weiterer Disziplinen gelegt wurden. Die gesellschaftliche ging mit der wissenschaftlichen Revolution Hand in Hand: Jean-Sylvain Bailly, der erste Pariser Bürgermeister der Revolutionszeit, war Astronom. Lazare Carnot war Mathematiker. Und Jean Paul Marat betrachtete sich vor allem als Physiker. Der Chemiker Lavoisier engagierte sich politisch. Der Mathematiker und Astronom Joseph-Louis de Lagrange wurde von den unterschiedlichsten Regierungen ausgezeichnet, die in dieser ebenso tragischen wie glanzvollen Zeit der Menschheitsgeschichte aufeinanderfolgten. Siehe hierzu S. Jones, Revolutionary Science: Transformation and Turmoil in the Age of the Guillotine, New York 2017.
Sie verändern sich gegebenenfalls: zum Beispiel das Vorzeichen für das Magnetfeld in den Maxwell-Gleichungen, Ladung und Parität der Elementarteilchen usw. Wichtig ist die sogenannte CPT-Invarianz (CPT für Ladung, Parität und Zeit).
Newtons Gleichungen beschreiben die beschleunigte Bewegung von Objekten. Die Beschleunigung verändert sich nicht, wenn ein Film rückwärts abläuft: Die Beschleunigung eines in die Höhe geworfenen Steins ist dieselbe wie bei der eines herabfallenden: Wenn ich mir den Verlauf der Jahre im Rückwärtsgang vorstelle, läuft der Mond in Gegenrichtung um die Erde, erscheint von ihr aber gleichermaßen angezogen.
Die Schlussfolgerung bleibt dieselbe, wenn die Quantengravitation berücksichtigt wird. Zu Bemühungen, dem Ursprung der Richtung der Zeit auf die Spur zu kommen, siehe zum Beispiel H.D. Zeh, Die Physik der Zeitrichtung, Berlin 1984.
R. Clausius, «Über verschiedene für die Anwendung bequeme Formen der Hauptgleichungen der mechanischen Wärmetheorie», in: Annalen der Physik 125 (1865), S. 353–400, hier S. 390.
Insbesondere als Wärmemenge, die aus dem Körper abfließt, geteilt durch die Temperatur. Wenn Wärme aus einem wärmeren Körper in einen kälteren übergeht, wächst die Gesamtentropie: Der Temperaturunterschied sorgt dafür, dass die Entropie, die der abfließenden Wärme geschuldet ist, geringer als die der zufließenden Wärme geschuldeten ist. Haben alle Körper dieselbe Temperatur erreicht, ist die Entropie am größten: Das Gleichgewicht ist erreicht.
Arnold Sommerfeld (1868–1951).
Hans Christian Ørsted (1777–1851).
Die Definition der Entropie erfordert Coarse Graining, also die Unterscheidung zwischen Mikro- und Makrozuständen. Die Entropie eines Makrozustands wird von der Anzahl der entsprechenden Mikrozustände bestimmt. In der klassischen Thermodynamik ist Coarse Graining in dem Moment definiert, in dem man festlegt, einige Variablen des Systems (zum Beispiel Volumen oder Druck eines Gases) als von außen «manipulierbar» oder «messbar» zu behandeln. Ein Makrozustand wird durch Festsetzung dieser makroskopischen Variablen bestimmt.
Also auf deterministische Weise, wenn man die Quantenmechanik vernachlässigt, und probabilistisch, wenn wir sie in Betracht ziehen. In beiden Fällen auf gleiche Weise für die Zukunft und für die Vergangenheit.
Weiteres hierzu siehe Kapitel 11.
S = k log W. S ist die Entropie, W die Anzahl der mikroskopischen Zustände oder das entsprechende Volumen im Phasenraum und k die heute sogenannte Boltzmann-Konstante, welche die (willkürlichen) Einheiten festlegt.
Diese Lektionen wurden für Leser geschrieben, die eher wenig über die modernen Naturwissenschaften wissen. In einem kurzen Überblick veranschaulichen sie einige der wichtigsten und faszinierendsten Aspekte der großen Revolution, die in der Physik des zwanzigsten Jahrhunderts stattgefunden hat, und erläutern vor allem die dadurch aufgeworfenen Fragen und Rätsel. Denn die Naturwissenschaft zeigt uns, wie wir die Welt besser verstehen können, aber sie zeigt uns auch, wie viel wir noch nicht wissen.
Die erste Lektion ist der «schönsten der Theorien» gewidmet, der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein. Die zweite der Quantenmechanik, in der sich die verwirrendsten Aspekte der modernen Physik verbergen. Die dritte beschäftigt sich mit dem Kosmos: der Architektur des Universums, in dem wir leben. Die vierte mit den Elementarteilchen. Die fünfte mit der Quantengravitation: den fortschreitenden Bemühungen um eine Synthese der großen Entdeckungen des zwanzigsten Jahrhunderts. Die sechste mit der Wahrscheinlichkeit und der Wärme der Schwarzen Löcher. Der Schlussteil des Buches wendet sich der Frage zu, wie wir uns innerhalb der sonderbaren Welt, die diese Physik beschreibt, eine Vorstellung von uns selbst machen können.
Als junger Mann bummelt Albert Einstein ein Jahr lang herum. Wer keine Zeit vergeudet, kommt nirgendwohin, was die Eltern von Heranwachsenden leider oft vergessen. Nachdem er in Deutschland von der Schule abgegangen war, weil er die Zucht und Strenge auf dem Gymnasium nicht ertrug, folgte er seiner Familie nach Pavia. Das war zu Anfang des Jahrhunderts, und Italien stand am Beginn der industriellen Revolution. Sein Vater errichtete als Ingenieur in der Poebene die ersten Elektrizitätswerke. Albert las Kant und hörte zum Zeitvertreib Vorlesungen an der Universität von Pavia. Rein zum Vergnügen, ohne immatrikuliert zu sein und ohne Examina abzulegen. So wird man ein ernsthafter Wissenschaftler.
Schließlich schreibt er sich in Zürich am Polytechnikum ein und vertieft sich in die Physik. Nur wenige Jahre später, 1905, schickt er drei Artikel an die damals renommierteste wissenschaftliche Zeitschrift, die «Annalen der Physik». Alle drei sind nobelpreiswürdig. Der erste beweist die tatsächliche Existenz der Atome. Der zweite öffnet die Tür zur Quantenmechanik, von der in der nächsten Lektion die Rede sein wird. Der dritte stellt seine erste Theorie der Relativität vor (heute «Spezielle Relativitätstheorie» genannt), die erklärt, dass die Zeit nicht für alle gleich schnell vergeht: Zwei Zwillinge treffen sich unterschiedlich gealtert wieder, wenn einer von beiden mit sehr hoher Geschwindigkeit eine große Entfernung zurückgelegt hat.
Unversehens wird Einstein zum renommierten Wissenschaftler und bekommt Angebote von verschiedenen Universitäten. Doch etwas stört ihn: Seine Relativitätstheorie, wie gefeiert auch immer, stimmt nicht mit dem überein, was man über die Schwerkraft weiß, also darüber, wie die Dinge fallen. Dies wird ihm klar, als er für eine Zeitschrift einen Artikel über seine Theorie schreibt, und er fragt sich, ob die altehrwürdige Gravitationslehre des großen Vaters Newton nicht ebenfalls revidiert werden muss, damit sie mit der neuen Relativität kompatibel wird. Er vertieft sich in das Problem. Bis es gelöst ist, dauert es zehn Jahre. Zehn Jahre lang verrückte Forschungen, Versuche, Irrtümer, Verwirrung, misslungene Artikel, Geistesblitze, Fehlschlüsse. Im November 1915 schließlich gibt er