Es kommt ja immer wieder vor, dass Leute hier im blog Kommentare hinterlassen, in denen sie ihre ganz persönliche neue Idee vorstellen, wie die Physik aussehen sollte. (Auch mails dieser Art bekomme ich reichlich.) Meistens sind es Ideen der Art “Ich denke mir, dass es einen fundamentalen XY-Baustein der Welt gibt” (je nach Idee sind das dann möglicherweise irgendwelche Raumzeitwirbel, oder Ur-Quanten oder sonst irgend etwas). Dann wird ein bisschen herumphilosophiert und -argumentiert; meist vollkommen ohne jede Mathematik, oder allenfalls mit ein paar Formeln, die so etwa auf Mittelstufen-Schulniveau umgeformt werden. Es kommt irgendein Ergebnis heraus, das irgendwie interessant aussieht (meist passt irgendein Rechenergebnis irgendwie zu einer Naturkonstante) – voila, fertig ist die Theorie.
Mit echter Physik hat das, wie ich dann in den Kommentaren immer wieder betone, leider nichts zu tun. Jede, die Physik betreibt, weiß, dass Physik zu einem guten Teil darin besteht, Dinge detailliert zu berechnen, Modelle zu quantifizieren, und dann Konsequenzen daraus abzuleiten. Dabei sind sich Physikerinnen – anders als die Kommentatorinnen, die hier ihre Ideen posten – immer der Tatsache bewusst, dass ihre Theorie nicht mit dem, was wir wissen, im Widerspruch stehen darf. (Und um das beurteilen zu können, muss man eben das wissen, was wir heute wissen – ohne eine solide Ausbildung in Physik ist es vermutlich schwer zu sehen, wie physikalische Theorien durch zahlreiche Experimente abgesichert und bestätigt sind – ein Beispiel findet ihr hier.)
Aber es gibt wohl noch einen anderen Grund, warum Physik nicht unbedingt viel mit dem zu tun hat, was sich viele nicht-Physikerinnen darunter vorstellen: Populärwissenschaftliche Darstellungen. Ich mache das heute mal an einem Beispiel fest, über das ich gerade gestolpert bin.
Dazu betrachten wir einmal die Geschichte der Atomtheorie. (Andere Aspekte werde ich demnächst anderweitig nochmal aufgreifen, aber vermutlich erst nach meinem Urlaub.)
Ende des 19. Jahrhunderts, noch bevor die Atomtheorie wirklich vollkommen anerkannt war, wusste man schon, dass Atome (wenn es sie denn gibt) Bestandteile haben müssen, als 1897 das Elektron entdeckt wurde. Da man Elektronen aus normaler Materie herausschlagen kann, müssen sie vorher drin gewesen sein, also müssen sie Bestandteil von Atomen sein . Elektronen kann man einigermaßen direkt sehen – weil sie geladen sind und sich wegen ihrer geringen Masse leicht beschleunigen lassen, kann man sie auf einen fluoreszierenden Schirm aufprallen lassen, wo sie Lichtsignale erzeugen. (Das ist ja auch das Prinzip von Röhrenfernsehern.)
Mit der Entdeckung von Elektronen war dann aber auch klar, dass der “Rest” eines Atoms auch irgendeinen Aufbau haben musste.Atome sind insgesamt meist elektrisch neutral (außer bei Ionen), da Elektronen negativ geladen sind, musste es also auch noch irgendeine positive Ladung im Atom geben. Heute wissen wir, dass die positive Ladung im Atomkern sitzt und dass dieser sehr klein ist. Wir wissen auch, dass jedes Atom gerade so viele Elektronen enthält, wie seiner Ordnungszahl im Periodensystem entspricht.
Ende des 19. Jahrhunderts war das beides aber unbekannt – eigentlich wusste man nur, dass es Atome (vermutlich) gibt, dass sie sich im Periodensystem anordnen lassen und dass sie Elektronen enthalten mussten. Außerdem hatte man erste Erkenntnisse zur Radioaktivität. Wie konnte man aus diesem Wissen ein Atommodell bauen?
In den meisten populärwissenschaftlichen Büchern (und wohl auch in Schulbüchern) wird jetzt kurz das Thomsonsche Atommodell erläutert. Thomson nahm an – so lesen wir meist – dass die Elektronen in einem gleichmäßig positiv geladenen Medium steckten, das kontinuierlich war. Man nennt es deswegen auch gern Rosinenkuchen-Modell, weil die kleinen deutlich unterscheidbaren Eektronen wie Rosinen in einem Teig aus positiver Ladung sitzen. Dieses Thomsonsche Modell wurde dann so um 1910 herum durch das Rutherfordsche Atommodell ersetzt, als die durch Streuexperimente erkannte, dass es einen sehr kleinen Atomkern geben musste.
Klingt ja irgendwie nett – Thomson saß vermutlich eines nachmittags beim Kuchenessen, schaute auf ihren Rosinenkuchen und dachte “Hey, so könnte ein Atom aufgebaut sein.” Dann setzte sie sich an den Schreibtisch, schrieb die Idee auf und veröffentlichte sie. Die anderen Physikerinnen lasen die Theorie, dachten “klingt ja toll”, und alle waren zufrieden, bis das Rutherford-Experiment das Modell widerlegte. So ungefähr ist der Eindruck, den man haben könnte. (Und so ungefähr scheinen auch die “Theorien” zu entstehen, die Leute hier im Blog verbreiten wollen.)
Nebenbemerkung: Ähnlich liest man das auch oft über Einsteins allgemeine Relativitätstheorie: Einstein dachte darüber nach, dass man beim Fallen schwerelos ist, machte das Äquivalenzprinzip draus und – schwupps – die ART war fertig. Real dauerte es etwa 8 Jahre von der Idee des Äquivalenzprinzips bis hin zur Theorie. Warum? Weil Einstein das gemacht hat, was auch Thomson getan hat (wie wir gleich sehen werden): Rechnen.
Die Wahrheit ist allerdings vollkommen anders. Dazu schauen wir einmal in die Originalarbeit. (Ich hoffe, ich gebe im folgenden alles korrekt wieder – es ist nicht immer leicht, sich in jemanden hineinzuversetzen, die vor über 100 Jahren Physik betrieben hat.) Thomson hat sich nämlich deutlich mehr Gedanken gemacht als bloß das. Im ersten Atommodell (das allerdings relativ schnell durch ein anderes ersetzt wurde – aber wir gucken heute nur das Originalmodell an) nahm sie an, dass die positiv geladene Materie im Atom selbst keine Masse hatte. Entsprechend musste jedes Atom eines Elements aus sehr vielen Elektronen bestehen. Da Atome stabil sind, müssen diese vielen Elektronen also in einer Konfiguration angeordnet sein, die energetisch günstig und stabil ist. Wie könnte so eine Konfiguration aussehen?
Da die Rechnung in drei Dimensionen sich als zu schwierig erwies, baute Thomson ein vereinfachtes Modell, um zumindest zu sehen, ob sich prinzipiell vernünftige Ergebnisse erzielen ließen:
The analytical and geometrical difficulties of the problem of the distribution of the corpuscles when they are arranged in shells are much greater than when they are arranged in rings, and I have not as yet succeeded in getting a general solution.
[die analytischen und geometrischen Schwierigkeiten des Problems der Verteilung der Korpuskel, wenn sie in Schalen angeordnet sind, sind wesentlich größer als bei einer Anordnung in Ringen und ich habe bisher keinen Erfolg gehabt, eine allgemeine Lösung zu finden.]
Thomson ordnete also die Elektronen in Ringen innerhalb einer Kugel aus positiver Ladung an. Eine Anordnung von z.B. 6 Elektronen, die auf den Ecken eines Sechsecks sitzen, ist stabil, wenn das Sechseck genau die richtige Größe hat. Allerdings ist die Stabilität bei 6 Elektronen labil – die kleinste Auslenkung eines Elektrons führt zu einem Zusammenbruch des Systems. Thomson berechnete die Stabilität des Rings für Anordnungen von 2-6 Elektronen, wobei sie jeweils auch die Möglichkeit betrachtete, dass die Elektronen nicht still stehen sondern sich auf kreisförmigen Bahnen bewegen. (Diese Rechnungen ziehen sich über mehr als 10 Seiten und machen einen Großteil der Arbeit aus, einschließlich diverser numerischer Lösungen, und das alles ohne Taschenrechner…) Tatsächlich ist eine solche Bewegung für stabile Konfigurationen in den meisten Fällen notwendig – die Elektronen rotieren also um das Zentrum des Atoms.
Nun sollen Atome ja sehr viele Elektronen enthalten – aus Thomson Rechnungen folgt aber, dass ein Ring aus mehr als 6 Elektronen nicht stabil sein kann. Also ordnete Thomson die Elektronen in mehreren Ringen an, zusätzlich eventuell noch mit einem weiteren Elektron in der Mitte. Daraus entwickelte Thomson dann eine allgemeine Formel, mit der man vorhersagen kann, wie viele Elektronen man mindestens braucht, um eine bestimmte Anzahl Elektronen auf einem Ring unterzubringen. Die Elektronen innerhalb dieses Rings ordnen sich dann auch wieder in Ringen an.
Hat man beispielsweise 25 Elektronen unterzubringen, dann braucht man 3 Ringe (“3 Ringe den Elektronen tief in der positiven Ladung…” oder so ähnlich), einen mit 13 Elektronen außen, darin einen mit 9 und darin einen mit 3 Elektronen. (Ich hatte bisher keine Ahnung, dass damit schon in gewisser Weise das Bohrsche Atommodell mit seinen Elektronenschalen vorweggenommen war, wenn auch in ganz anderer Weise.)
Thomson versucht dann, eine Verbindung zu den bekannten Eigenschaften von Atomen herzustellen. Dabei beschränkt sie sich allerdings auf Konfigurationen mit sehr wenig Elektronen (so etwa 60). Wenn ich es richtig verstehe, geht es ihr zunächst mal nur darum zu zeigen, dass man prinzipiell einige Eigenschaften von Atomen mit dem Modell erfassen kann – ein vollständiges Modell sollte ja ohnehin die Elektronen in dreidimensionalen Schalen anordnen, nicht bloß auf Ringen. Entsprechend sind die meisten Argumente, die jetzt folgen, auch eher qualitativer Natur (was sicher eine Schwäche des Modells ist).
Trotz dieser Einschränkung gelingen Thomson aber einige faszinierende Einsichten. Als Beispiel betrachtet sie ein Atom mit einem äußeren Ring mit 20 Elektronen. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, den durch innere Ringe stabil zu halten, beispielsweise eine Konfiguration mit 16,13,8 und 3 Elektronen in den inneren Ringen. Oder auch eine mit einem Elektron mehr – dann haben wir 17, 13, 8 und 3. Ein Atom mit 20 Elektronen auf dem äußeren Ring kann insgesamt zwischen 59 und 67 Elektronen haben. Je mehr Elektronen, desto größer die Masse des Atoms – wir würden also im Periodensystem von links nach rechts laufen. Im Thomson-Modell sind es deshalb die Elektronen auf den inneren Ringen, die über die Chemie entscheiden.
Nimmt man vom 60-Elektron-Atom den äußeren 20-er Ring weg, so bleibt ein kleineres (leichteres) Atom mit 16,13, 8 und 3 Elektronen innen übrig. Nimmt man hier die äußeren 16 weg, ergibt sich ebenfalls eine stabile Konfiguration mit dann 24 Elektronen. Man kann sich also vorstellen, dass diese Elemente einander alle chemisch ähnlich sind – das liefert eine Idee, warum es unterschiedliche Perioden im Periodensystem geben kann, so dass Elemente, die dort übereinander stehen, ähnliche Eigenschaften haben (wie z.B. Fluor und Chlor). Die chemische Ähnlichkeit führt Thomson dann auf Schwingungszustände der inneren Ringe zurück.
Auch die Eigenschaften innerhalb einer Zeile des Periodensystems können prinzipiell erklärt werden – Elemente weit links in einer Zeile haben weniger Elektronen, gerade so viel, dass der äußere Ring stabil ist. Die rückstellende Kraft auf die Elektronen ist also klein – werden diese von Außen angeregt, kann das Atom deshalb ein Elektron abgeben. Je mehr Elektronen hinzukommen, desto schwerer wird es, die Elektronen auszulenken, desto stärker ist also auch die Bindung der Elektronen. Man versteht so auch, warum man einem Atom dessen äußerer Ring nur so gerade stabil ist, nicht zwei Elektronen entziehen kann – nachdem man das erste geklaut hat, ordnet es sich so um, dass der äußere Ring weniger Elektronen hat; damit ist dann die Konfiguration wieder sehr stabil. (Ganz ähnlich wie im korrekten Atommodell ein einfach ionisiertes Alkali-Metall außen eine “Edelgas-Konfiguration” seiner Elektronen hat und deswegen nicht zweifach ionisiert werden kann. (In Wahrheit ist es etwas komplizierter im Thomson-Modell, aber das spare ich mir hier.)) Ähnlich kann man auch argumentieren, dass die Elemente mit der maximalen Zahl innerer Elektronen für eine bestimmte Konfiguration des Außenrings sich wie Edelgase verhalten – ein Elektron hinzu, und sie werden extrem instabil, weil sie jetzt einen Ring haben, der nur so gerade von innen stabilisiert wird.
Anschließend macht sich Thomson Gedanken über die chemische Bindung – was passiert, wenn ein Elektron von einem Atom links im Periodensystem zu einem übertritt, das weiter rechts sitzt? Man erkennt leicht, dass das im Modell energetisch günstig sein kann. Auf die Bindung zwischen gleichartigen Atomen geht Thomson allerdings nicht ein – das ist schade, denn ich sehe im Moment nicht so recht, wie die im Modell funktionieren soll. Das hätte sie durchaus erwähnen dürfen.
Und dann gibt es noch ein paar Ideen zu radioaktiven Elementen – die könnten dadurch zustande kommen, dass die rotierenden Elektronen Energie verlieren, so dass ihre Geschwindigkeit immer weiter abnimmt. Irgendwann würde diese dann so klein werden, dass die Konfiguration nicht mehr stabil ist – das Atom fliegt auseinander. Das ist jetzt allerdings höchst spekulativ – denn eigentlich müsste das ja für jedes Atom gelten.
Insgesamt ist Thomsons Modell ziemlich beeindruckend. Mit nur wenigen Annahmen konnte sie eine ganze Menge Dinge plausibel erklären – insbesondere die Struktur des Periodensystems konnte zumindest prinzipiell plausibel gemacht werden. Allerdings muss man auch sagen, dass das Modell seine Schwächen hat – die Rechnungen wurden eben nur für den zweidimensionalen Fall gemacht, bei dem die Elektronen auf Ringen umlaufen, so dass ein direkter Abgleich mit dem Experiment nicht möglich war. Trotzdem diente es doch für eine ganze Weile als taugliches Atommodell (auch wenn einige Veränderungen notwendig wurde als man erkannte, dass ein Atom deutlich weniger Elektronen enthält als Thomson ursprünglich dachte – dafür wurde dann die positive adung als massebehaftet angenommen).
Was können wir heute daraus lernen?
Das Thomson-Modell war insofern ein gutes Atommodell, als es von Annahmen ausging, die mit allem vereinbar waren, was man damals sicher wusste. Es war auch insofern ein gutes Modell, weil es genau definierte Annahmen enthielt, die es erlaubten, zumindest modellhafte Rechnungen durchzuführen. (Ohne diese Rechnungen hätte Thomson ja auch nicht nachweisen können, dass die Theorie prinzipiell gut zum Periodensystem passt.)
Man kann dem Modell natürlich ankreiden, dass es eben nicht wirklich für den Fall von Elektronen auf dreidimensionalen Schalen berechnet wurde – aber letztlich ist das ja nicht die Schuld von Thomson. Wenn die Natur nun mal aus Teilchen aufgebaut ist, die sehr komplexes Verhalten zeigen, dann kann es eben sein, dass man eine Theorie zwar hinschreiben, aber nicht lösen kann. (Das Problem hat ja zumindest teilweise die Theorie der Quarks und Gluonen.) Im Rahmen ihrer Möglichkeiten hat Thomson das gezeigt, was eben ging. (Hätte Thomson schon Computer gehabt, hätte sie das System vermutlich numerisch simulieren können.)
Weiterhin wurde das Modell später widerlegt. (Rutherford hat übrigens auch ein “bisschen mehr” gemacht als nur zu sagen “Oh, wenn einige Teilchen beim Bestrahlen einer Goldfolie sehr stark abgelenkt werden, dann muss da wohl ein sehr kleines Teilchen im Atom sitzen” – auch hier ist die Arbeit voll mit detaillierten Rechnungen.) Auch das ist eine Stärke des Modells – es macht genügend spezifische Vorhersagen, dass man es durch Experimente widerlegen kann. Und das liegt eben daran, dass das Modell sauber formuliert wurde und innerhalb des Modells genau klar war, wie sich die einzelnen Elektronen verhalten.
Falls ihr also eure eigene Theorie aufstellen wollt, wie die Welt funktioniert, lernt von Thomsons Modell, obwohl oder gerade weil es sich am Ende als falsch herausstellte:
1. Sind die einzelnen Bestandteile eures Modells und deren Verhalten wohldefiniert? Habt ihr Gleichungen dafür, was die Modellbestandteile tun und wie sie sich verhalten? Wisst ihr, wie das Verhalten der Bestandteile mit Messgrößen zusammenhängt? Vage Ideen wie “Die Welt besteht aus Raumzeitwirbeln” oder “Die Raumzeit ist in Wahrheit ein dynamisches Punktgitter” sind keine Theorie, sondern genau das: vage Ideen.
2. Habt ihr die Konsequenzen des Modells durchgerechnet? Ich bekomme ständig mails der Art “Ich habe hier ne tolle Theorie, wie die Welt funktioniert, aber leider fehlt mir die Mathematik, um sie durchzurechnen und zu beweisen, dass sie stimmt.” Tja – solange ihr nicht berechnet habt, was die Konsequenzen eurer Theorie sind, taugt sie recht wenig.
3. Ist eure Theorie konsistent mit dem, was wir wissen (und wir wissen ne Menge, siehe oben)? Thomsons Modell wäre sicher nie akzeptiert worden, wenn es nicht so gut zum Periodensystem und den bekannten Eigenschaften der Atome gepasst hätte (auch wenn die Übereinstimmung nur qualitativ war).
4. Gibt es offensichtliche Schwachstellen oder Lücken (sowie die Bindung gleichartiger Atome bei Thomson oder auch die Ideen zur Radioaktivität, die doch ein bisschen problematisch erscheinen)? Darüber solltet ihr nachdenken und diese Schwachstellen auch deutlich erwähnen.
5. Selbst wenn eure Theorie durchgerechnet ist und einigermaßen vernünftig aussehende Vorhersagen macht (so wie die von Thomson) – sie kann immer noch falsch sein. In den Worten von Huxley:
the great tragedy of Science — the slaying of a beautiful hypothesis by an ugly fact
[Die große Tragödie der Wissenschaft – der Tod einer wunderschönen Theorie durch ein hässliches Fakt.]
Bevor ihr euch also als nächste Galilei fühlt – wartet lieber ab, was das Experiment zu eurer Idee zu sagen hat.
Zum Abschluss noch etwas in eigener Sache: Nein, typischerweise habe ich wirklich keine Zeit und keine Lust, mir eure Privattheorie über die Physik anzuhören – wie gesagt, ihr seid nicht allein, ich habe nen ganze Haufen mails (und Blog-Kommentare) von Leuten, die die Physik revolutionieren wollen und sich für eine zweite Galilei halten. In Zukunft dient deshalb die Kommentarspalte dieses Posts als Tummelplatz für alle, die gern Privattheorien verkünden wollen. (Erwartet aber nicht, dass ich die alle kommentiere…)
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