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

"Ein starkes Buch, das an die Grenzen der heutigen physikalischen Erkenntnisse geht und hoch aktuell ist.
Ein mutiges Buch, das Lehrsätze hinterfragt, ihre Grenzen aufzeigt, und bestehende Denkgebäude sprengt.
Ein revolutionäres Buch." Prof. Dr.-Ing. Prof. h. c. Josef Lutz, Chemnitz

"Zumindest auf dem deutschsprachigen Buchmarkt ist ein Buch mit diesem reichhaltigen Angebot an neuesten Erkenntnissen einmalig. Wenn hierbei auch viele Dinge in der Fachsprache der Theoretischen Physik gesagt werden, so entsteht doch für jeden Leser ein wertvolles Bild des neuen physikalischen Wissens um die Materie und ihre Fähigkeiten. Das Buch kann in jedem Falle allen, die wissen wollen wie es um die Welt steht, sehr empfohlen werden." Prof. Dr. Hans J. Fahr

"Das Buch hat mich sehr beeinduckt, ich halte es für ein Werk der modernen Grundsatzliteratur auf dem Gebiet der theoretischen Physik. Der große Reichtum an wiedergegebenen Forschungsergebnissen, deren konsequent materialistisch-dialektische Beurteilung und die begründete Auseinandersetzung mit den verbreiteten pseudowissenschaftlichen Interpretationen vieler Naturbeobachtungen machen es sehr wertvoll."
Dr. Manfred Pohl

Vorwort zur 2. Auflage „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. Die Krise der Physik ist offen ausgebrochen: Keines der von „vereinheitlichten Materietheorien“ seit Jahrzehnten vorhergesagten Teilchen wurde experimentell an Teilchenbeschleunigern gefunden. Das heute vorherrschende physikalische Weltbild richtet sich gegen ein vertieftes Verständnis der Struktur und Entwicklungsprozesse der Materie. Stattdessen sucht es das Wesen der Materie in mathematischen Symmetrien mikroskopischer Materiebausteine, die über der Natur stehen. „Verloren in der Mathematik“, kritisiert die Physikerin S. Hossenfelder [Hossenfelder 2018]: Anstatt von experimentellen Beobachtungen ließ sich die Teilchenphysik von der „mathematischen Schönheit der Gleichungen“ leiten. Die entstandene Krise der Physik betrifft jedoch nicht nur einzelne Zweige, wie die Teilchenphysik. In der Kosmologie behauptet die Urknalltheorie die „Erschaffung von Materie und Energie aus dem Nichts einer Anfangssingularität“. Sie stützt sich alleine auf die Deutung der Rotverschiebung des Lichts entfernter Himmelskörper als allgemeine Fluchtbewegung und ist losgelöst von der beobachtbaren Entwicklung der Materie im All. In der zu Grunde liegenden Allgemeinen Relativitätstheorie wurde die Gravitation geometrisiert, zu einer Eigenschaft eines gekrümmten „leeren“ Raums, einem „Nichts“ erklärt. „Entstehung von Materie aus dem Nichts“ im Urknall, „Ersetzung von Materie durch Geometrie leerer Räume“ in der Gravitation und Deutung der subatomaren Teilchen und Quantenfelder in der Teilchenphysik als „Anregungen des Nichts“: Die offene Krise verschiedener Bereiche der Physik haben eine gemeinsame Ursache in der Erkenntnistheorie. Diese erkenntnistheoretische Krise der Physik entstand, trotz ungeheurer Fortschritte in Einzelfragen. Sie begann bereits im Übergang zum 20. Jahrhundert, als unter dem Einfluss idealistischer Philosophien, insbesondere des Empiriokritizismus, des Pragmatismus und des Neopositivismus, der Anspruch der Physik aufgegeben 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] Jeder Naturwissenschaftler und jede Naturwissenschaftlerin arbeiten unter weltanschaulichen Einflüssen, die sich in der einen oder anderen Weise auf Auswahl und Methode seiner Experimente, seinen Erkenntnisprozess und seine 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 Entstehung gegensätzlicher Weltanschauungen und ihre Wirkung in den Naturwissenschaften haben ihre Ursachen in der Klassenteilung der Gesellschaft. Jede Weltanschauung trägt den Stempel einer Klasse. So brachte die moderne Naturwissenschaft mit ihrer Entstehung zu Beginn der Neuzeit im weltanschaulichen Kampf des Bürgertums gegen die idealistische feudale Scholastik zunächst einen naturwüchsigen Materialismus hervor, der auf der Einheit von Theorie und Praxis fußte. 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. Dies und die Beobachtung der Klassenkämpfe im 19. Jahrhundert bildete eine materielle Grundlage für die von Karl Marx und Friedrich Engels ausgearbeitete dialektisch-materialistische Auffassung der Entwicklung in Natur und Gesellschaft. Sie befruchtete als wissenschaftliche Weltanschauung der Arbeiterklasse 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. Obwohl auch heute viele Naturwissenschaftler spontan dem Materialismus zuneigen, erfassten mit der Krise der kapitalistischen Gesellschaft die weltanschaulichen Krisenwirkungen der bürgerlichen Ideologie auch die Naturwissenschaften: Der Neopositivismus wurde zur herrschenden Variante der idealistischen Erkenntnistheorie in den Naturwissenschaften. Er ermöglicht zwar Einzelerkenntnisse, fragmentiert jedoch die notwendige Erkenntnis des Gesamtzusammenhangs der Natur und löst in der theoretischen Deutung die mathematische Theorie von der Wirklichkeit. Damit wird die Idee mathematischer Modelle primär gegenüber der Materie. Die moderne Mathematik mit ihrer ungeheuren Leistungsfähigkeit kann jedoch nur das theoretische Verständnis der Materie untermauern und quantitative Prognosen erzielen, wenn sie als näherungsweise Widerspieglung der objektiven Wirklichkeit aufgefasst und in diesem Sinne bewusst, d.h. im Bewusstsein ihrer Grenzen, angewandt wird. Das vorliegende Buch „Selbstorganisation der Materie“ untersucht kritisch die Wirkung des physikalischen Idealismus im theoretischen Verständnis der Materiestrukturen von den Quantenfeldern und subatomaren Bausteinen bis hin zur Kosmologie, der Entwicklung von Galaxien und der gigantischen Strukturen der Galaxiensuperhaufen. Es geht dabei insbesondere den Eigenschaften und Entwicklungsprozessen der Strukturebenen der Materie unterhalb der atomaren Bausteine und ihrer Beziehung zum Makrokosmos auf den Grund. Im Gegensatz zum physikalischen Idealismus, der diese Materiesysteme durch ein „Vakuum“, eine „Leere“ mit hochdimensionalen mathematischen Räumen ersetzt, in denen sich angeblich „Superstrings“ oder „Membranwelten“ formen, bezieht das Buch konsequent einen materialistischen Standpunkt: Die verschiedenen Quantenfelder und ihre Anregungen in Form subatomarer Teilchen wird mit der Theorie des suprafluiden Quantenäthers zusammengefasst. Dazu wird auf dem Erkenntnisfortschritt im Verständnis von Systemen kondensierter Materie und ihrer Möglichkeit quantenflüssiger, z.B. suprafluider Zustände aufgebaut. Tatsächlich wurde mit dem Higgs-Boson das einzige neue Teilchen, welches 2012 am Teilchenbeschleuniger CERN gefunden wurde, schon 1964 aus der Theorie eines suprafluiden Äthers vorhergesagt [Higgs 1964]. Dies wird jedoch in der idealistischen Deutung als „Gottesteilchen“ unter den Teppich gekehrt. Die heute fortgeschrittenste Erkenntnistheorie 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 abgerungenen Erkenntnisse in sich aufnehmen, und sich dabei immer weiter auf die Stufe der allseitigen und systemischen Betrachtung des Gesamtzusammenhangs der Entwicklung heben. Das erfordert: • Die kritische und materialistische Analyse und Synthese einer Fülle von Erkenntnissen der modernen Naturwissenschaft verbunden mit der Kritik und dialektischen Negation idealistischer Deutungen, vor allem in Auseinandersetzung mit dem Neopositivismus. • Eine qualitativ vergleichende Methode der Untersuchung der Entwicklungsprozesse verschiedenster Materieformen als materialistische Grundlage für die näherungsweise quantitative Beschreibung mittels mathematischer physikalischer Theorien. • Die Bestimmung der für Entwicklungsprozesse 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, insbesondere ihrer Entwicklung durch Selbstorganisation und der Rolle der Wechselwirkung der Entwicklung verschiedener Systeme für die Entwicklung des Kosmos. • Ein materialistisches Verständnis des Wesens von Naturgesetzen als emergent, als sich mit der Struktur der Materie herausbildend und verändernd. Dieses Buch versteht sich als Diskussionsbeitrag, Streitschrift und Anregung für ein Arbeitsprogramm für die Forschung und keinesfalls als abgeschlossene Theorie und Methode. Grundlage sind Untersuchungen und Vorlesungen über einen längeren Zeitraum in stetiger kritischer Diskussion mit zahlreichen Kollegen. Wichtige Anregungen kamen von W. Dickhut zur materialistischen Dialektik in der Naturwissenschaft [Dickhut 1987], von G. E. Volovik zur kritischen Untersuchung von Modellen der Teilchenphysik im Lichte von Quantenflüssigkeiten [Volovik 2003], von F. Selleri, H. Preston und F. Potter zur kritischen Analyse der Relativitätstheorie [Selleri 1989, 2004; Preston & Potter 2006], von J. Lutz zu Entwicklungsprozessen der Galaxien [Lutz 1991], sowie von L. D. Landaus dialektischen Herangehen an die Physik in der ehemals sozialistischen Sowjetunion. Für kritische Hinweise bei der Endbearbeitung des Buches danke ich K. Arnecke, F. Hessmann, H.-U. Jüttner, J. Lutz, W.-D. Rochlitz, C. Volkert und R. Wolk, ebenso für wertvolle Kritiken und Korrekturen, die in die 2. Auflage einflossen. Ihre Nennung bedeutet keinesfalls, dass Sie mit dem gesamten Inhalt des Buches übereinstimmen. Göttingen, November 2019 Christian Jooß

Vorwort zur 2. Auflage"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. Die Krise der Physik ist offen ausgebrochen: Keines der von "vereinheitlichten Materietheorien" seit Jahrzehnten vorhergesagten Teilchen wurde experimentell an Teilchenbeschleunigern gefunden. Das heute vorherrschende physikalische Weltbild richtet sich gegen ein vertieftes Verständnis der Struktur und Entwicklungsprozesse der Materie. Stattdessen sucht es das Wesen der Materie in mathematischen Symmetrien mikroskopischer Materiebausteine, die über der Natur stehen. "Verloren in der Mathematik", kritisiert die Physikerin S. Hossenfelder [Hossenfelder 2018]: Anstatt von experimentellen Beobachtungen ließ sich die Teilchenphysik von der "mathematischen Schönheit der Gleichungen" leiten. Die entstandene Krise der Physik betrifft jedoch nicht nur einzelne Zweige, wie die Teilchenphysik. In der Kosmologie behauptet die Urknalltheorie die "Erschaffung von Materie und Energie aus dem Nichts einer Anfangssingularität". Sie stützt sich alleine auf die Deutung der Rotverschiebung des Lichts entfernter Himmelskörper als allgemeine Fluchtbewegung und ist losgelöst von der beobachtbaren Entwicklung der Materie im All. In der zu Grunde liegenden Allgemeinen Relativitätstheorie wurde die Gravitation geometrisiert, zu einer Eigenschaft eines gekrümmten "leeren" Raums, einem "Nichts" erklärt. "Entstehung von Materie aus dem Nichts" im Urknall, "Ersetzung von Materie durch Geometrie leerer Räume" in der Gravitation und Deutung der subatomaren Teilchen und Quantenfelder in der Teilchenphysik als "Anregungen des Nichts": Die offene Krise verschiedener Bereiche der Physik haben eine gemeinsame Ursache in der Erkenntnistheorie.Diese erkenntnistheoretische Krise der Physik entstand, trotz ungeheurer Fortschritte in Einzelfragen. Sie begann bereits im Übergang zum 20. Jahrhundert, als unter dem Einfluss idealistischer Philosophien, insbesondere des Empiriokritizismus, des Pragmatismus und des Neopositivismus, der Anspruch der Physik aufgegeben 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]Jeder Naturwissenschaftler und jede Naturwissenschaftlerin arbeiten unter weltanschaulichen Einflüssen, die sich in der einen oder anderen Weise auf Auswahl und Methode seiner Experimente, seinen Erkenntnisprozess und seine 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 Entstehung gegensätzlicher Weltanschauungen und ihre Wirkung in den Naturwissenschaften haben ihre Ursachen in der Klassenteilung der Gesellschaft. Jede Weltanschauung trägt den Stempel einer Klasse. So brachte die mo