Im ersten Teil dieses Textes habe ich ein bisschen darüber nachgedacht, wie wir makroskopische Objekte “sehen” können. Schon da zeigte sich, dass “Sehen” nicht einfach ein passiver Prozess ist, sondern dass “etwas sehen” auch bedeutet, dass wir eine Theorie über das Gesehene haben. Bei makroskopischen Dingen wie meinem Kirschbaum ist das auch noch ganz einsichtig – den kann ich immerhin auch anfassen und mich so davon überzeugen, dass er da ist. Aber wie “sieht” man eigentlich Dinge wie Atome?
Atome
Heutzutage zweifelt vermutlich kaum jemand daran, dass es Atome gibt. “Sehen” kann man Atome allerdings nicht ohne weiteres. Inzwischen gelingt das z.B. mit der Raster-Kraft-Mikroskopen, dabei kann man durch Abtasten einer Oberfläche tatsächlich Bilder einzelner Atome erzeugen (ein Beispiel findet ihr hier an der Uni Regensburg). Auch dabei “sieht” man die Atome natürlich nicht – man misst kleine Ströme, die von einer Nadel ins Material fließen und rechnet diese dann zu einem Bild um. “Sehen” kann man Atome ohnehin nicht, da sie deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts.
Aber so oder so – die Existenz von Atomen galt als gesichert, lange bevor es Raster-Kraft-Mikroskopie gab. (Einen Abriss der Entdeckungsgeschichte findet ihr bei Wikipedia.) Die Überlegungen dazu waren zunächst rein theoretisch – sie basierten zum einen auf der Analyse chemischer Reaktionen, bei der man feststellte, dass die einzelnen Substanzen immer in genau festgelegtem Verhältnis reagierten, was sich leicht erklären ließ, wenn man annahm, dass sich Moleküle aus diskreten Bausteinen zusammensetzten, und zum anderen auf der Analyse des Verhaltens von Gasen, bei der man zeigen konnte, dass man Dinge wie Druck erklären konnte, wenn man annahm, dass Gase aus kleinen Teilchen bestehen. Interessanterweise erzählt Wikipedia (wusste ich auch nicht)
Infolge der Arbeiten von Avogadro und Stanislao Cannizzaro wurde angenommen, dass Atome nicht als einzelne Teilchen auftreten, sondern nur als Bestandteile von Molekülen aus mindestens zwei Atomen.
Das stellte sich dann später als Irrtum heraus – aber es zeigt, dass man schon damals bereit war, die Möglichkeit zu akzeptieren, dass sich elementare Objekte nicht einzeln beobachten lassen (so wie heute die Quarks, auf die ich dann noch im 3. Teil komme).
Einen weiteren Beleg für die Existenz von Atomen lieferte Einstein mit ihrer Theorie zur Brownschen Molekularbewegung (wobei Einstein anscheinend das Phänomen als solches nicht kannte – es taucht in der Dissertation nicht auf, soweit ich sehen kann) – sie berechnete, dass kleine Teilchen in einer Flüssigkeit durch äußere Stöße eine Zitterbewegung machen sollten, weil Atome nicht immer von allen Seite gleichmäßig gegen die Teilchen stoßen. Auf der Basis dieser Theorie konnte die Größe und Masse von Atomen berechnet werden, wobei die Ergebnisse mit dem übereinstimmten, was man aus der Gastheorie ableiten konnte. Auf diese Weise gab es also zwei unabhängige Messungen, die zusammenpassten, so dass ab diesem Zeitpunkt die Atomhypothese zur anerkannten Theorie wurde.
Gesehen hatte Atome aber immer noch niemand. Als echte “Sichtbarmachung” von Atomen können wohl am ehesten die Experimente von Bragg zur Streuung von Röntgenstrahlung gelten – dort ergaben sich Beugungsmuster, die man am einfachsten durch eine regelmäßige Anordnung von Atomen erklären konnte. (Und die quantitative Analyse des Problems war kein Spaß, denn Bragg musste ja aus den Beugungsbildern auf die Anordnung zurückrechnen. Die Geschichte dazu habe ich hier ausführlicher erzählt.)
Wir können also sagen, dass Atome so um 1920 herum als Objekte galten, von denen man wusste, dass sie da sind. Gesehen hatte sie aber niemand – alle Hinweise auf Atome waren mehr oder weniger indirekt.
Die Logik allerdings ist letztlich nach wie vor dieselbe: Wir beobachten bestimmte Phänomene (chemische Reaktionen, Verhalten von Gasen, Zitterbewegung von kleinen Teilchen, Röntgenbeugung), verwenden die uns zur Verfügung stehenden Theorien (beispielsweise Thermodynamik, Mechanik, Theorie der elektromagnetischen Wellen) und schließen aus Beobachtung und Theorie auf die Existenz von Atomen. Obwohl das ganze etwas indirekter ist als zum Beispiel bei den Ultraschallbildern, ist die Logik dahinter dieselbe geblieben: Ein Objekt gilt dann als nachgewiesen, wenn die Existenz des Objektes die einfachste Erklärung ist, die mit den beobachteten Daten und den gültigen Theorien vereinbar ist.
Atomkerne
Noch bevor die Atomtheorie wirklich vollkommen anerkannt war, wusste man schon, dass Atome Bestandteile haben müssen, als 1897 das Elektron entdeckt wurde. Da man Elektronen aus normaler Materie herausschlagen kann, müssen sie vorher drin gewesen sein (theoretisch könnten sie natürlich auch durch irgendeinen Prozess erst entstehen, aber über die Umwandlung von Teilchen dachte man damals noch gar nicht nach), also müssen sie Bestandteil von Atomen sein (wenn es denn Atome gibt). 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 (der nahezu die gesamte Masse des Atoms besitzt) auch irgendeinen Aufbau haben musste. Zunächst nahm man an, dass die positiv geladene Materie innerhalb des Atoms gleichmäßig verteilt war. Die Geschichte dieses Thomson-Modells habe ich neulich hier ausführlicher erzählt. Dann aber erkannte Rutherford (basierend auf Experimenten von Geiger und Marsden), dass die positive Ladung in einem sehr kleinen Bereich des Atoms konzentriert sein muss. Dazu strahlten sie Alpha-Teilchen auf Atome und schauten nach, wie diese abgelenkt werden. Wäre die Ladung kontinuierlich verteilt, so wie im Thomson-Modell, dann würde man erwarten, dass die Teilchen um so stärker abgelenkt werden, je mehr Strecke sie innerhalb des Atoms durch die positive Ladung zurücklegen. Es müsste also eine einigermaßen gleichmäßige Verteilung von wenig abgelenkten und stark abgelenkten Alpha-Teilchen geben, aber die Teilchen sollten eben alle zumindest ein wenig abgelenkt werden.
Beobachtet wurde jedoch etwas ganz anderes: Die meisten Alpha-Teilchen passierten die Folie ungestört; nur einige wenige von ihnen wurden abgelenkt, diese aber sehr stark. Rutherford schloss daraus, dass die positive Ladung in einem kleinen Bereich konzentriert sein müsste, so dass die meisten Alpha-Teilchen diesen Bereich in vergleichsweise großer Entfernung passierten und deshalb ungestört blieben. (Und wenn ich schreibe “schloss daraus”, dann bedeutet auch das wieder: Sie machte ein mathematisches Modell und rechnete nach, dass ihre Interpretation zum Experiment passte. Ja, ohne Rechnerei wird man in der Physik meist nix – man kann’s natürlich auch machen wie ich und simulieren, dann rechnet vor allem der Computer, aber dafür muss man höllisch aufpassen, dass man beim Aufstellen des Computerprogramms alles richtig macht (und um das sicherzustellen, ist ein gewisses mathematisches Verständnis der Theorie der Berechnung auch wieder notwendig).)
Die positive Ladung eines Atoms steckt nach diesem Modell also in seinem Kern. Weitere Experimente zeigten, dass man Atomkerne – beispielsweise durch Beschießen mit Alpha-Teilchen – auch verändern kann. Beispielsweise konnte man Wasserstoffatome erzeugen, indem man Alpha-Teilchen auf Stickstoffatome schoss. (Wobei natürlich nur ein Proton frei wird, kein ganzes Wasserstoff-Atom.) [das wird hier wohl näher beschrieben: Rutherford, Nuclear Constitution of Atoms, 1920 – leider habe ich nur Zugriff auf die 1. Seite des Artikels.] Insgesamt war die Theorie des Atomkerns bereits um 1920 anerkannt. Und das, obwohl man Atomkerne wirklich in keinerlei Hinsicht “gesehen” hatte – man hatte lediglich Objekte draufgeschossen und aus deren Rückstreuung geschlossen, dass es diese Kerne geben musste. Die Reaktionen mit Alpha-Teilchen und ähnliche Experimente waren weitere Hinweise darauf, dass es Atomkerne geben musste. (Da ich nicht so die Mega-Wisserin in Sachen Kernphysik bin, lasse ich es mal sein, die Details der Geschichte hier weiter auszuführen…)
Auch hier sehen wir dasselbe Prinzip am Werk wie vorher: Ein Objekt gilt als nachgewiesen, wenn die Annahme seiner Existenz mit unseren Theorien und Beobachtungen im Einklang steht und wenn es keine gute alternative Erklärung für diese Beobachtungen gibt.
Neutrinos
Zu Neutrinos habe ich eine ganz besondere Beziehung: Das Buch über Neutrinos von Isaac Asimov war (zusammen mit dem Buch über Schwarze Löcher) für mich einer der entscheidenden Gründe, warum ich Physik studieren wollte. Und später war das (in Wahrheit nicht existierende) 17-keV-Neutrino einer der Gründe, warum ich von der Physik in eine andere Disziplin gewechselt bin (diese Geschichte habe ich schon vor sehr langer Zeit erzählt). Aber auch in der Physik selbst hat das Neutrino eine große Bedeutung – es war (ähnlich wie später das Higgs-Teilchen) ein Teilchen, das zunächst nur von der Theorie gefordert wurde und dessen Nachweis sich als extrem schwierig erwies.
Die Geschichte des Neutrinos begann 1930. Man verstand die Atomkerne inzwischen gut genug, um zu wissen, dass sie bei radioaktiven Prozessen zerfallen können und dass man die Eigenschaften der Zerfallsprodukte genau messen konnte. Beim sogenannten beta-Zerfall zerfällt ein Atomkern in einen anderen Kern und ein Elektron (beispielsweise zerfällt das Kohlenstoffisotop C14 in ein Stickstoffisotop N14). Misst man aber die Energien (wobei man natürlich die Massen der beteiligten Objekte über E=mc² mit einbeziehen muss), dann stellt man eine Energiedifferenz fest – bei einigen Zerfällen ist die Energie fast erhalten, bei anderen fehlt am Ende deutlich Energie. Ähnliches galt auch für den Impuls von Ausgangs- und Endprodukten: Auch hier war die Impulserhaltung manchmal (fast) erfüllt, manchmal aber fehlte deutlich Impuls. Und schließlich konnte man inzwischen auch den Drehimpuls (spin) der Teilchen messen – auch da passte etwas nicht zusammen.
Niels Bohr (immer für eine revolutionäre Idee gut) postulierte, dass die Energie- und Impulserhaltung auf Quantenebene vielleicht generell nur im statistischen Mittel gelten müssten (so wie ja Quantenprozesse generell dem Zufall unterliegen), aber Wolfgang Pauli hatte eine andere Idee: Was wäre, wenn es ein leichtes, elektrisch neutrales Teilchen gäbe, das bei der Reaktion aus dem Kern freigesetzt wird? Das Teilchen könnte den fehlenden Impuls und die fehlende Energie wegtragen (und auch die Drehimpulserhaltung in Ordnung bringen) – und je nachdem, wie sich die Größen auf die jetzt drei End-Objekte verteilen, würde es eben mal mehr, mal weniger Energie und Impuls abbekommen. (Leider ist Paulis “Open letter to radioactive persons”, in dem die Idee verbreitet wurde, anscheinend nicht online verfügbar, insofern kann ich nicht schauen, was sie ganz genau zu diesem Zeitpunkt wusste.)
Genauere Messungen der Energieverteilung beim beta-Zerfall zeigten jedenfalls, dass Paulis Idee des Neutrinos die Daten gut erklären konnte, weil es nie vorkam, dass die Energie beim Zerfall zunahm (was nach Bohrs Theorie prinzipiell hätte möglich sein müssen). Soweit ich sehe, hatte das Neutrino seit Mitte der 30er Jahre damit seinen festen Platz in der Physik – obwohl es überhaupt noch nie direkt nachgewiesen worden war.
Dieser Nachweis gelang erst 20 Jahre später. Beim Cowan–Reines Neutrino Experiment wurden Neutrinos (eigentlich Anti-Neutrinos) aus einem Kernreaktor auf einen Wassertank geleitet. Im Wassertank konnte dann ein Proton (der Kern eines Wasserstoffatoms) ein Neutrino absorbieren und sich dabei in ein Neutron und ein Positron umwandeln. Das Positron wiederum findet sein Antiteilchen, ein Elektron, wobei zwei Photonen entstehen, die man dann detektieren kann. Zusätzlich wurde noch Cadmium verwendet, um die freien Neutronen nachzuweisen. (Für das Experiment gab’s 1995 den Nobelpreis – besser spät als nie.)
Hier sind wir jetzt langsam im Bereich der modernen Elementarteilchenphysik – der Nachweis ist ziemlich indirekt und letztlich kann man bei einem einzelnen Messereignis nie sagen, ob es tatsächlich durch ein Neutrino aus dem Reaktor ausgelöst wurde oder durch etwas anderes. Entsprechend maß man eine Zeit lang und schaltete dann den Reaktor ab, um sozusagen den natürliche Hintergrund an Ereignissen herauszufiltern.
Entscheidend war übrigens auch hier nicht die reine Messung, sondern der Versuch, die Messung mit der Theorie in Einklang zu bringen. Inzwischen war die Elementarteilchen-Theorie weit genug fortgeschritten, dass man die Wahrscheinlichkeit dafür berechnen konnte, dass ein einzelnes Neutrino aus dem Reaktor im Detektor eingefangen werden konnte. Ein Vergleich der theoretischen Vorhersage mit dem Messwert gab eine Übereinstimmung mit einem Fehler von etwa 5%.
Heutzutage messen wir Neutrinos regelmäßig und in diversen Experimenten. Der Nachweis der Neutrinos ist aber immer indirekt – denn da sie nicht elektrisch geladen sind, kann man sie nicht sehen und auch ein Beschießen mit anderen Teilchen funktioniert – anders als z.B. beim Atomkern – nicht. Trotzdem zweifelt unter den Physikerinnen vermutlich niemand an der Existenz der Neutrinos – es gibt zahlreiche unterschiedliche Experimente, die alle mit der Annahme, dass es Neutrinos gibt, unter einen Hut gebracht werden können.
Neutrinos (und andere Elementarteilchen) fügen also weitere Abstraktionsebenen zum “Sehen” hinzu- wir messen nicht mehr die Objekte selbst, sondern das, was bei ihrer Wechselwirkung mit anderen Objekten herauskommt, und wir betreiben Statistik, um den tatsächlichen Nachweis zu führen.
Auch das kennen wir in ähnlicher Form aus dem Alltag – beispielsweise detektieren wir verdorbene Lebensmittel an den freiwerdenden Zerfallsprodukten – wenn es irgendwo nach faulen Eiern stinkt, dann schließen wir eben genau auf deren Anwesenheit (nicht unbedingt verlässlich, es könnte auch eine Stinkbombe oder ähnliches dahinter stecken). Aus radioaktiven Zerfallsprodukten wurde, wenn ich mich recht erinnere, auf die Reaktorkatastrophe in Tschernobyl zurückgeschlossen, als die sowjetischen Nachrichten sich noch ausschwiegen. Holzkrümel unter einem Balken können auf den Befall mit Holzwürmern hindeuten, auch ohne dass man die Würmer (die eigentlich Käfer sind und nur so heißen) sehen kann. Alles Fälle, in denen wir durch Abfall- oder Zerfallsprodukte bemerken, dass da etwas ist, das wir nicht sehen können.
Auch der Nachweis über eine statistische Beobachtung ist uns aus dem Alltag vertraut. Wenn ich zum Beispiel mit der Straßenbahn aus der Innenstadt nach Hause fahre und die Straßenbahn ungewöhnlich voll ist, dann mag das Zufall sein. Auch wenn ein Großteil der Leute, die mit mir in der Straßenbahn sitzen, komische blau-gelbe Schals oder sonstige Klamotten in diesen Farben tragen, ist das theoretisch durchaus durch Zufall erklärbar – wenn es aber extrem voll ist und extrem viele derart seltsam gekleidete Leute sich mit mir in der Bahn drängen, dann schließe ich daraus “Aha, da ist wieder irgendso ein Wettbewerb im Kugeltreten” (das kommt hier in Braunschweig ab und zu vor) – diese Annahme ist eben wesentlich wahrscheinlicher als die, dass es sich um puren Zufall handelt.
Und obwohl der Nachweis der Neutrinos so indirekt ist, können wir Neutrinos inzwischen sogar nutzen, um zum Beispiel das Innere der Sonne zu erforschen. Das ist schon eine ziemlich indirekte Methode, um etwas herauszufinden – aber auch hier wie bisher gilt dasselbe Prinzip: Wir schließen auf etwas zurück, wenn dessen Existenz die einfachste Erklärung ist, die zu unseren Beobachtungen und unseren etablierten Theorien passt. Und obwohl die Techniken zum Nachweis immer indirekter werden, ist die Logik dahinter letztlich nur die konsequente Weiterentwicklung der gleichen Logik, mit der ich meinen Kirschbaum im Garten nachweise, indem ich aus dem Fenster schaue.
Im dritten Teil schauen wir dann schließlich auf Objekte, die sich noch etwas besser verstecken – beispielsweise Quarks, die sich schlicht weigern, sich auch nur isolieren zu lassen.
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