Selbstorganisation der Materie

Jahrgang 1967, ist Universitätsprofessor für Physik in Göttingen und arbeitet in den Bereichen Festkörper-, Material- und Quantenphysik. Er hat besonders die Entwicklung neuer Materiezustände durch kollektive Selbstorganisation in stark wechselwirkenden Vielteilchensystemen wie Supraleitern untersucht. Aktuell forscht er an neuen Ansätzen für die erneuerbare Energieumwandlung in stark wechselwirkenden Materialien. Ehrenamtlich ist er in der Arbeiter-, Umwelt- und Jugendbildung aktiv sowie in verschiedenen Wissenschaftseinrichtungen.

1. Zwei widerstrebende Richtungen in der modernen Naturwissenschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2. Selbstorganisation in Vielteilchensystemen . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1 Die Daseinsweise von Atomen in Phasen . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2 Strukturbildung nahe am Gleichgewicht: Domänen, topologische Defekte und Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3 Selbstorganisation in Umwandlungs- und Transportvorgängen . . . . . . 46
2.4 Struktur der Atome und ihre Bindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5 Phasen und ihr „Zoo der Anregungen“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3. Quantengase und -flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.1 Suprafluidität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2 Fermigase und -flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3 Supraleitung von Elektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4 Supraflüssigkeiten mit Spin – Helium-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4. Materiewellen und Quanten als Ausdruck der Wirkung tieferer Strukturebenen der Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.1 Das gefüllte „Vakuum“: Nullpunktfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.2 Die dialektische Einheit von Materiewelle und Teilchen . . . . . . . . . . 110
4.3 Quantenverschränkung: Gemeinsame Materiewellen . . . . . . . . . . 122
4.4 Die Stabilität der Elektronenhülle von Atomen . . . . . . . . . . . . . . 126
4.5 Dirac-See, Quantenfelder und Unendlichkeiten . . . . . . . . . . . . . . 133
4.6 Materiewellen als Organisationszustände des Nullpunktfelds . . . . . . 145
5. Der Einfluss tieferer Strukturebenen der Materie auf Bewegung und Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.1 Bewegungen bei großen Geschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.2 Die spezielle Relativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.3 Beschleunigte Bewegung, Trägheit und Gravitation . . . . . . . . . . . 167
5.4 Die allgemeine Relativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.5 Über den Ursprung von Trägheit und Gravitation im Quantenäther . . . 181
6. Selbstorganisation im Mikrokosmos: Der Zoo der „Elementarteilchen“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.1 Die Entdeckung des „Zoos der Elementarteilchen“ . . . . . . . . . . . . 191
6.2 Das Standardmodell und seine Grenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
6.3 Strukturbildung durch Teilabschirmung von Ladungen . . . . . . . . . . 203
6.4 Der elektroschwache Phasenübergang im Quantenäther . . . . . . . . . 208
6.5 Die Suche nach der Einheit der Naturkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . 213
6.6 Selbstorganisation von „Elementarteilchen“ im Quantenäther . . . . . . 220
7. Dialektik der Entwicklungsprozesse im Mikro- und Makrokosmos 230
7.1 Entwicklungsprozesse der Sterne und der chemischen Elemente . . . . . 232
7.2 Entwicklungsprozesse der Galaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
7.3 Aktive Galaxienkerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
7.4 Die Fermiogenese in aktiven Galaxienkernen . . . . . . . . . . . . . . . 264
7.5 Die Strukturebene der Galaxiensuperhaufen . . . . . . . . . . . . . . . 274
7.6 Rotverschiebung und Mikrowellenhintergrund . . . . . . . . . . . . . . 280
7.7 Selbstorganisation gegen Feintuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
8. Selbstorganisierte Entwicklung der Materiesysteme im Kosmos . . 291
9. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
10. Mathematischer Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
10.1 Allgemeine Eigenschaften topologischer Strukturen . . . . . . . . . . . 331
10.2 Topologische Strukturen in Quantenflüssigkeiten . . . . . . . . . . . . 332
10.3 Ursachen der Materiewellen und der trägen Masse bei gleichförmiger und beschleunigter Bewegung . . . . . . . 335
10.4 Abschirmlängen und Massen der Austauschquanten . . . . . . . . . . 337
10.5 Theorie der teilabgeschirmten Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . 340
10.6 Hubble-Gesetz und Deutung mittels der Theorie der teilabgeschirmten Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
10.7 Modell des Elektrons als topologische Struktur . . . . . . . . . . . . . 344
Bildquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384

„Krise an der Vorderfront der Physik“ titelte die New York Times am 7. Juni 2015. „Teilchenphysik: Supersymmetrie in der Krise“ ist der Aufmacher der September-Ausgabe 2014 von Spektrum der Wissenschaft. Tatsächlich konnte in den vergangenen Jahrzehnten kaum eine der Vorhersagen „vereinheitlichter Materietheorien“ experimentell an Teilchenbeschleunigern verifiziert werden. Eine Ausnahme ist die wahrscheinliche Entdeckung des Higgs-Teilchens im Jahr 2012. Dieses Teilchen wurde 1964 aus der Theorie eines suprafluiden Äthers vorhergesagt. Das heute vorherrschende physikalische Weltbild richtet sich jedoch gegen ein vertieftes Verständnis der Struktur und Entwicklungsprozesse der Materieformen im Mikrokosmos. Stattdessen sucht es das Wesen der Materie in mathematischen Symmetrien mikroskopischer Materiebausteine, die über der Natur stehen. Quasireligiös wird das Higgs-Boson als „Gottesteilchen“ in einem konstruierten Urknallmodell vereinnahmt. Max Reuner von der Wissenschaftsredaktion der ZEIT positioniert sich zur aufkommenden Krisendiskussion: „Aus! Die Physik steckt in der Krise: Der Traum von der Weltformel ist geplatzt, die neuen Theorien sind kaum mehr überprüfbar. Geht es in der Kosmologie überhaupt noch um Wissenschaft?“ [ZEIT, 22.12.2008]. Die naturwissenschaftlichtechnische Revolution hat in den letzten Jahrzehnten eine ungeheure Menge an neuen Einzelerkenntnissen angehäuft. Trotzdem gibt die moderne Naturwissenschaft auf grundlegende Fragen, die schon die griechische Naturphilosophie vor 2500 Jahren aufwarf, nur begrenzte Antworten: Woraus besteht die Materie im Mikro- und im Makrokosmos? Wie entwickeln sich die verschiedenen Materieformen auseinander? Was treibt ihre Entwicklungsprozesse? Wie hat sich unser heutiger Kosmos entwickelt und wie sieht seine mögliche Zukunft aus? Eine umfassende theoretische und weltanschauliche Krise der Physik ist entstanden, trotz ungeheurer Fortschritte der Physik in Einzelfragen. Sie begann bereits im Übergang zum 20. Jahrhundert, als unter dem Einfluss idealistischer Philosophien, insbesondere des Positivismus, der Anspruch der Physik in Frage gestellt wurde, die Materie als objektiv und unabhängig vom menschlichen Bewusstsein existierende Realität immer allseitiger zu erkennen. Max Planck stellte schon Anfang der 1930er Jahre in seinem Vortrag „Positivismus und reale Außenwelt“ besorgt fest: „Auch diese (die Physik) ist freilich von der allgemeinen Krisis nicht verschont geblieben. Auf ihrem Gebiet ist eine gewisse Unsicherheit entstanden, die Meinungen in erkenntnistheoretischen Fragen gehen zum Teil erheblich auseinander. Ihre bis dahin allgemein anerkannten Grundsätze, sogar die Kausalität selber, werden stellenweise über Bord geworfen.“ [Planck 1949 S. 228] Die Ausbildung widerstrebender Richtungen in der modernen Naturwissenschaft hat sich seither fortgesetzt. Vorherrschend wurde eine Weltanschauung, die die Entwicklungsprozesse der Materie durch Geometrie und Weltformeln ersetzte. Sie mündete mit der Urknalltheorie in einer Entwicklungstheorie des Kosmos, die die Naturgesetze als außerhalb und über der Materie stehende Prinzipien ansieht und eine Entwicklung nur durch äußere Anstöße zu „erklären“ vermag. Die Krise der Vereinheitlichung der Materie im Mikrokosmos bei hohen Energien vertieft die Krise der Urknallkosmologie. Das vorliegende Buch befasst sich kritisch mit der Wirkung des physikalischen Idealismus im theoretischen Verständnis der Materiestrukturen von den Quantenfeldern und subatomaren Bausteinen bis hin zu den gigantischen Strukturen der Galaxiensuperhaufen. Es geht dabei insbesondere den Eigenschaften und Entwicklungsprozessen der Strukturebene der Materie unterhalb der atomaren Bausteine auf den Grund. Ihre komplexe innere Struktur und Anregungsformen werden mit der Theorie des suprafluiden Quantenäthers zusammengefasst. Im Gegensatz dazu ersetzt der physikalische Idealismus dieses Materiesystem durch ein „Vakuum“, eine „Leere“, in dem sich angeblich „Superstrings“ oder „Membranwelten“ formen. Zur Rettung der Urknallkosmologie wird parallel dazu eine mystische nicht beobachtbare „dunkle Materie“ und „dunkle Energie“ zu 99 % des Stoffs des Universums erklärt. Diese heute vorherrschende Richtung in der Physik hat sich unter der Wirkung der idealistisch-positivistischen Weltanschauung von den real beobachtbaren Materieformen im Kosmos losgelöst. Jeder Naturwissenschaftler arbeitet unter weltanschaulichen Einflüssen, die sich in der einen oder anderen Weise auf Auswahl und Methode seiner Experimente, seinen Erkenntnisprozess und seine theoretischen Schlussfolgerungen auswirken. Weltanschauungen sind ein System von theoretischen Ansichten und Urteilen über Natur und Gesellschaft und stehen in vielfältiger Wechselbeziehung zur Methodik der wissenschaftlichen Arbeit. Bei aller Vielfalt sind sie jedoch alle danach zu unterscheiden, wie sie die weltanschauliche Grundfrage nach dem Verhältnis von Sein und Bewusstsein beantworten: Ob sie der materialistischen Richtung zuzurechnen sind, wonach das Sein, die objektive Realität, primär ist, vom menschlichen Bewusstsein widergespiegelt werden kann und unabhängig von ihm existiert. Oder ob sie zur idealistischen Richtung gehören, wonach das Primäre Empfindungskomplexe und Ideen sind, die über der Wirklichkeit stehen, die damit sekundär ist. Die moderne Naturwissenschaft musste sich bei ihrer Entstehung zu Beginn der Neuzeit im weltanschaulichen Kampf gegen die Wirkung der mittelalterlichen Scholastik durchsetzen. So revolutionär diese Geburtsphase der modernen Naturwissenschaft war, so wenig war sie aber in ihrer weiteren Entwicklung im Übergang zwischen dem 19. und 20. Jahrhundert aufgrund ihrer mechanischen Grundauffassung in der Lage, die neuen Erkenntnisse der Zeit richtig zu deuten. Die Dialektik als Theorie und Untersuchungsmethode von Entwicklungsprozessen musste Einzug in die Naturwissenschaft nehmen und tat dies auch: Kant prognostizierte genial die Vorstellung vom Werden und Vergehen von Sonnensystemen im Weltall. Darwin entwickelte die Lehre der Evolution, der Theorie der Entwicklung der Lebewesen von niedrigen zu höheren Stufen. Das bildete eine materielle Grundlage für die von Karl Marx und Friedrich Engels ausgearbeitete dialektisch-materialistische Auffassung der Entwicklung in Natur und Gesellschaft. Sie befruchtete nicht nur das Bestreben der Menschheit um Befreiung von kapitalistischer Ausbeutung und Unterdrückung, sondern auch das Denken und Forschen fortschrittlicher Wissenschaftler weltweit. Im Übergang zum 20. Jahrhundert verlangten neue Erkenntnisse in den Naturwissenschaften (Elektrizität, Radioaktivität, Quantenphysik, Gravitation usw.), diese mit Hilfe der dialektisch-materialistischen Methode zu deuten. Dem folgte nur eine Minderheit. Die Mehrheit flüchtete in mathematische Abstraktionen. Mathematische Modelle können jedoch nur insofern richtig sein, als sie näherungsweise die objektive Wirklichkeit widerspiegeln. Heute kann die entstandene Krise der Physik nur überwunden werden, wenn sich die Naturwissenschaften frei machen von den weltanschaulichen Krisenwirkungen des Positivismus. Die heute fortgeschrittenste Weltanschauung und Methodik, die der ganzen Komplexität der naturwissenschaftlichen Fragen am besten gewachsen ist, ist die materialistische Dialektik. Sie ist keinesfalls ein für alle Mal fertig, sondern muss ständig neue der Natur und Gesellschaft abgerungene Erkenntnisse in sich aufnehmen und sich dabei immer weiter auf die Stufe der allseitigen und systemischen Betrachtung des Gesamtzusammenhangs der Entwicklung heben. Dabei hat sie sich mit dem realen weltanschaulichen Konflikt und seiner Widerspiegelung in der Denk- und Forschungsweise der Naturwissenschaftler auseinanderzusetzen. Dieses Buch versteht sich dazu als Diskussionsbeitrag, Streitschrift und Anregung für ein Arbeitsprogramm für die weitere experimentelle und theoretische Forschung und keinesfalls als abgeschlossene Theorie und Methode. Ein Verständnis der Selbstorganisation der Materie, der Naturgesetze ihrer Entwicklung aus sich selbst heraus erfordert: • Die kritische Analyse und dialektische Verarbeitung einer Fülle von Erkenntnissen der modernen Naturwissenschaft. • Eine Auseinandersetzung mit der Wirkung der idealistischen Weltanschauung, vor allem des Positivismus. • Eine qualitativ vergleichende Methode der Untersuchung der Entwicklungsprozesse verschiedenster Materieformen. • Die Bestimmung der für eine Entwicklung entscheidenden inneren Triebkräfte, gegensätzlichen Kräfte und Widersprüche und ihrer Entfaltung abhängig von äußeren Bedingungen und Einwirkungen. • Der Verallgemeinerung neuer dialektisch-materialistischer Begriffe der Entwicklung von Materie-Systemen. Dazu gehören insbesondere die Gesetze der Herausbildung neuer Strukturebenen der Materie durch Selbstorganisation als Konkretisierung und Bereicherung der Dialektik des qualitativen Sprungs. • Ein tiefes Eindringen in die Dialektik von Zufall und Notwendigkeit basierend auf dem materialistischen Verständnis des Wesens von Naturgesetzen als emergent, als sich mit der Struktur derMaterie herausbildend. Der objektive Prozess des wechselseitigen Umschlagens von Zufall und Notwendigkeit ist ermöglicht daher die Entwicklung von „Neuem“, einer offenen Zukunft. Grundlage des Buchs sind Untersuchungen, Ausarbeitungen und Vorlesungen über einen Zeitraum von 16 Jahren, die in stetiger kritischer Diskussion mit zahlreichen Wissenschaftlern und Interessierten bereichert wurden. Mein Standpunkt stützt sich auf Ausarbeitungen kritischer Wissenschaftler und Beiträge aus der ehemals sozialistischen Sowjetunion sowie aus der Arbeiterbewegung zum dialektischen Materialismus, die im Literaturverzeichnis gewürdigt sind. Für kritische Hinweise bei der Endbearbeitung des Buches möchte ich vor allem K. Arnecke, F. Hessmann, H.-U. Jüttner, J. Lutz, W.-D. Rochlitz, C. Volkert und R. Wolk danken. Ihre Nennung bedeutet keinesfalls, dass Sie mit dem gesamten Inhalt des Buches übereinstimmen.

"Krise an der Vorderfront der Physik" titelte die New York Times am 7. Juni 2015. "Teilchenphysik: Supersymmetrie in der Krise" ist der Aufmacher der September-Ausgabe 2014 von Spektrum der Wissenschaft. Tatsächlich konnte in den vergangenen Jahrzehnten kaum eine der Vorhersagen "vereinheitlichter Materietheorien" experimentell an Teilchenbeschleunigern verifiziert werden. Eine Ausnahme ist die wahrscheinliche Entdeckung des Higgs-Teilchens im Jahr 2012. Dieses Teilchen wurde 1964 aus der Theorie eines suprafluiden Äthers vorhergesagt. Das heute vorherrschende physikalische Weltbild richtet sich jedoch gegen ein vertieftes Verständnis der Struktur und Entwicklungsprozesse der Materieformen im Mikrokosmos. Stattdessen sucht es das Wesen der Materie in mathematischen Symmetrien mikroskopischer Materiebausteine, die über der Natur stehen. Quasireligiös wird das Higgs-Boson als "Gottesteilchen" in einem konstruierten Urknallmodell vereinnahmt. Max Reuner von der Wissenschaftsredaktion der ZEIT positioniert sich zur aufkommenden Krisendiskussion: "Aus! Die Physik steckt in der Krise: Der Traum von der Weltformel ist geplatzt, die neuen Theorien sind kaum mehr überprüfbar. Geht es in der Kosmologie überhaupt noch um Wissenschaft?"
[ZEIT, 22.12.2008]. Die naturwissenschaftlichtechnische Revolution hat in den letzten Jahrzehnten eine ungeheure Menge an neuen Einzelerkenntnissen angehäuft. Trotzdem gibt die moderne Naturwissenschaft auf grundlegende Fragen, die schon die griechische Naturphilosophie vor 2500 Jahren aufwarf, nur begrenzte Antworten: Woraus besteht die Materie im Mikro- und im Makrokosmos? Wie entwickeln sich die verschiedenen Materieformen auseinander? Was treibt ihre Entwicklungsprozesse? Wie hat sich unser heutiger Kosmos entwickelt und wie sieht seine mögliche Zukunft aus?

Eine umfassende theoretische und weltanschauliche Krise der Physik ist entstanden, trotz ungeheurer Fortschritte der Physik in Einzelfragen. Sie begann bereits im Übergang zum 20. Jahrhundert, als unter dem Einfluss idealistischer Philosophien, insbesondere des Positivismus, der Anspruch der Physik in Frage gestellt wurde, die Materie als objektiv und unabhängig vom menschlichen Bewusstsein existierende Realität immer allseitiger zu erkennen. Max Planck stellte schon Anfang der 1930er Jahre in seinem Vortrag "Positivismus und reale Außenwelt" besorgt fest: "Auch diese (die Physik) ist freilich von der allgemeinen Krisis nicht verschont geblieben. Auf ihrem Gebiet ist eine gewisse Unsicherheit entstanden, die Meinungen in erkenntnistheoretischen Fragen gehen zum Teil erheblich auseinander. Ihre bis dahin
allgemein anerkannten Grundsätze, sogar die Kausalität selber, werden stellenweise über Bord geworfen." [Planck 1949 S. 228] Die Ausbildung widerstrebender Richtungen in der modernen Naturwissenschaft hat sich seither fortgesetzt. Vorherrschend wurde eine Weltanschauung, die die Entwicklungsprozesse der Materie durch Geometrie und Weltformeln ersetzte. Sie mündete mit der Urknalltheorie in einer Entwicklungstheorie des Kosmos, die die Naturgesetze als außerhalb und über der Materie stehende Prinzipien ansieht und eine Entwicklung nur durch äußere Anstöße zu "erklären" vermag. Die Krise der Vereinheitlichung der Materie im Mikrokosmos bei hohen Energien vertieft die Krise der Urknallkosmologie.

Das vorliegende Buch befasst sich kritisch mit der Wirkung des physikalischen Idealismus im theoretischen Verständnis
der Materiestrukturen von den Quantenfeldern und subatomaren Bausteinen bis hin zu den gigantischen Strukturen der Galaxiensuperhaufen. Es geht dabei insbesondere den Eigenschaften und Entwicklungsprozessen der Strukturebene
der Materie unterhalb der atomaren Bausteine auf den Grund. Ihre komplexe innere Struktur und Anregungsformen
werden mit der Theorie des suprafluiden Quantenäthers zusammengefasst. Im Gegensatz dazu ersetzt der physikalische
Idealismus dieses Materiesystem durch ein "Vakuum", eine "Lee