Vom Äther zum Vakuumfeld
Noch bis Anfang des 20. Jahrhunderts hätten die meisten Physiker darauf eine Antwort parat gehabt, die damals noch als wissenschaftlich überaus respektabel galt: Es ist der
"Äther", den ein führendes amerikanisches Physiklehrbuch noch 1912 durch die "notwendige Annahme" eines "universellen Mediums" definierte, "das den ganzen Raum füllt und selbst die Materie durchdringt". Der Engländer Robert Hooke (1635-1703) hatte diese Idee im 17. Jahrhundert in die wissenschaftliche Physik eingeführt, und von da an gab es zwei Jahrhunderte lang kaum Zweifel an ihr. Selbst Isaac Newton (1643-1727) glaubte, "dass eine ätherische
Substanz existiert, die im ganzen Raum ausgebreitet ist" und "ohne Schwierigkeiten alle Körper durchdringt".
Die Theorien, die dieser Ansatz gebar, knüpften an Vorstellungen an, deren Ursprünge Jahrtausende zurückreichen - mit einigen gravierenden Unterschieden: Der Äther, wie ihn sich Physiker vom 17. Jahrhundert an ausmalten, war durch und durch materiell und rein mechanisch erklärbar. In den zwei Jahrtausenden zuvor war er weitaus mehr gewesen: ein göttlicher Urgrund,
der einst alles Seiende aus sich entließ, weiterhin schöpferisch aktiv ist und als "kosmische Matrix" Ordnung stiftet; ein Urstoff, der in allem mitenthalten ist; etwas Belebtes, Leben Spendendes und Erhaltendes; etwas, das unserem Geist, unserer Seele wesensverwandt ist, wodurch wir Anteil an ihm haben; etwas von ganz anderer Art als gewöhnliche Materie.
Die Mehrzahl dieser Elemente finden wir im chinesischen Dao und Qi ebenso wieder wie im indischen Prana und Akasha oder
im islamischen al-qabil. Auch die Naturphilosophie der griechischen Antike wurde von solchen erweiterten Äthervorstellungen geprägt: ob nun das Apeiron des Vorsokratikers Anaximander (610-546 v. Chr.), einer unzerstörbaren Ursubstanz, die alle Möglichkeiten schon in sich birgt; das Pneuma des Anaximenes, eine atemähnliche Substanz (griech. pneo = ich atme), die "den ganzen Kosmos durchdringt und ihn belebt"; die allerfüllende Seele des Pythagoras (ca. 570-490 v. Chr.), deren Fragment die menschliche Seele ist; Platons "Weltseele", welche die Materie (Hyle) belebt, lenkt und ordnet, indem sie darin "einströmt"; oder der Aither der Pythagoräer, ein unendlicher kosmischer Atem. In mannigfachen Variationen erhielten sich solche Vorstellungen bis zur beginnenden Neuzeit, wo sie im Weltbild des Arztes und Naturphilosophen Paracelsus (1493-1541) wiederkehrten: Er sah das gesamte Universum als lebendig an, erfüllt von einer Urkraft, dem Archäus:
einer unsichtbaren, immateriellen, "spirituellen Essenz", die alles hervorbringt, formt und reguliert. Ihrem Wesen nach ist sie ein Fluidum, das den ganzen Raum erfüllt. Diese Fluidallehre prägte die "Lebensenergie"-Konzepte, die in der Biologie und Medizin der Neuzeit lange vorherrschten; sie wurde aber auch zur Erklärung von Naturerscheinungen wie dem Magnetismus herangezogen: Wenn Magneteisenstein auf Eisen eine anziehende Kraft ausüben kann, so deshalb, weil beide ein
Fluidum verbindet, wie man glaubte.
Die frühen Theorien der neuzeitlichen Naturphilosophie und Physik waren rationalistische Gegenreaktionen darauf. Sie verabschiedeten den Äther zwar nicht, entgeistigten und entseelten ihn aber, in der Überzeugung, dass alle Naturphänomene letztlich einer mechanischen Erklärung zugänglich seien, welche die materielle Welt nicht verlassen müsse. Zwar war man sich über die Natur dieses Äthers uneins: René Descartes (1596-1650) hatte an einen Äther aus
winzigen Kügelchen geglaubt, die sich in Wirbeln drehten und homogen den gesamten Raum füllten; alle physikalischen Erscheinungen ergeben sich demnach aus der Mechanik dieser Elementarteilchen. Für Isaac Newton hingegen war sie "in jeder Beziehung wie Luft", "nur unendlich viel feiner und subtiler", auch "unendlich viel elastischer", das heißt "fähig zu Ausdehnung und Zusammenziehung". Andere verglichen den Äther mit einer überaus feinen, homogen übers
ganze Universum verteilten Flüssigkeit. Wie auch immer: Irgendeine Theorie dieser Art schien den meisten Wissenschaftern jener Zeit unumgänglich, denn sie galt als erklärungsnotwendig. Was ist beispielsweise Wärme? Im 18. Jahrhundert wurde Wärme mit einer ätherischen Substanz namens Phlogiston gleichgesetzt, die aus winzigen Teilchen besteht. Wenn ihre Konzentration in einem Körper zunimmt, steigt seine Temperatur; nimmt sie weiter zu, wird der Körper erst verflüssigt, schließlich gasförmig.
Wie entsteht Licht? Seine Wellennatur rührt daher, dass der Äther es durch Schwingungen erzeugt, ähnlich wie Vibrationen in der Luft den Schall hervorbringen. Woher sollten die magnetischen Feldlinien herrühren, wenn nicht von Spannungen im Äther?
Heute erfahren Physikstudenten schon in Anfangssemestern, die Annahme eines Äthers sei unfundiert, überflüssig und widerlegt - ein "Scheinbild" mit "überhaupt keinem Bezug zur physikalischen Wirklichkeit". Unfundiert sei
es, weil seine Existenz weder direkt noch indirekt nachzuweisen, also rein hypothetisch sei; überflüssig, weil wir inzwischen über bessere Theorien verfügen; und als falsch herausgestellt habe sie sich sowohl experimentell, im berühmten "Michelson-Morley-Experiment", als auch theoretisch, weil sie im Widerspruch zu Albert Einsteins "Spezieller Relativitätstheorie" stehe.
Doch all dies stimmt nicht. Wurde "die Anschauung, dass das Vakuum des Weltraums von einem
Äther erfüllt sei, durch den Michelson-Versuch widerlegt", wie bis heute in einem der angesehensten deutschen Lexika nachzulesen ist? Bei den vermeintlichen Kronzeugen hierfür handelt es sich um den amerikanischen Physiker Albert Michelson (1852-1931) von der Universität Cleveland und seinen Kollegen Edward Morley von der benachbarten Western Reserve University. In mehreren Messreihen zwischen 1881 und 1889 ging es beiden darum, die sogenannte "Ätherdrift" nachzuweisen: die
Bewegung der Erde im Weltraum gegenüber einem Äther, der als stationär angenommen wurde. Wie sie annahmen, müsste sich der Äther-Theorie zufolge das Licht entlang der Linie der Erdbewegung deutlich langsamer ausbreiten als dann, wenn es rechtwinklig dazu gemessen wird. Denn einer verbreiteten Äther-Theorie jener Zeit zufolge, die auf den französischen Physiker Jean Fresnel (1788-1827) zurückgeht und seinerzeit von dem niederländischen Physik-Nobelpreisträger Hendrick Lorentz (1853-1928)
aufgegriffen wurde, schieben materielle Körper, wenn sie sich durch das Medium des Äthers bewegen, gewissermaßen eine "Bugwelle" vor sich her; dies müsste die Ausbreitung des Lichts nach vorn bremsen. Jedoch zeigte sich bei Messungen mit dem "Michelson-Interferometer", das sein Namensgeber eigens für die Ätherdrift-Experimente ersonnen hatte, dass "die relative Geschwindigkeit von Erde und Äther vermutlich weniger als ein Sechstel der Bahngeschwindigkeit der Erde
beträgt, sicherlich aber weniger als ein Viertel" - also deutlich weniger, als Äther-Theoretiker prognostiziert hatten. Seither gelten Äther-Theorien als "gestorben" - zu Unrecht. Denn allenfalls widerlegen sie, dass der Äther statisch sowie materieller Natur ist. Zwar fehlten zu jener Zeit die messtechnischen Möglichkeiten, irgendeinen anders gearteten Äther nachzuweisen - aber nicht nachweisbar zu sein, ist nicht gleichbedeutend mit Nichtexistenz. Physiker, die damals dennoch
den Äther als "überholt" verabschiedeten, taten mit dieser Ablehnung lediglich kund, dass sie einen bestimmten Typ von Fragen fortan nicht länger weiterverfolgen wollten: Was ist es, das elektromagnetische Felder trägt und Wellen schwingen lässt?
Einstein selbst gab seine Skepsis gegenüber dem Äther 1920 auf, nachdem er zu der Überzeugung gelangt war, dass die Spezielle Relativitätstheorie ihn keineswegs ausschließe - und die Allgemeine Relativitätstheorie ihn geradezu
fordere. In einem Vortrag an der niederländischen Universität von Leiden verblüffte er seine Zuhörer mit diesen Sätzen: "Eine sorgfältigere Überlegung lehrt uns jedoch, dass die Spezielle Relativitätstheorie uns nicht zwingt, den Äther abzulehnen. Wir dürfen die Existenz des Äthers annehmen; nur müssen wir es aufgeben, ihm einen bestimmten Bewegungszustand zuzuschreiben. Das heißt, wir müssen ihn der letzten mechanischen Eigenschaft entkleiden, die Lorentz ihm noch zugestand. Man kann
ein gewichtiges Argument zugunsten der Äther-Hypothese anführen: Den Äther zu leugnen, hieße nämlich in letzter Konsequenz, anzunehmen, der leere Raum würde keinerlei physikalische Eigenschaften besitzen. Die grundlegenden Tatsachen der Mechanik lassen aber diesen Schluss nicht zu. (...) Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie ist der Raum ohne den Äther undenkbar, denn in einem solchen Raum würde es nicht nur keine Fortpflanzung des Lichts geben, sondern auch keine Existenzmöglichkeit für
räumliche und zeitliche Maßstäbe (Mess-Stäbe und Uhren) und in der Folge auch keine raum-zeitlichen Intervalle im physikalischen Sinne."
Was Einstein zu seiner Kehrtwende veranlasste, war demnach eine Besonderheit des "leeren Raums" - eines Begriffs, mit dem wir im Physikunterricht das Vakuum zu umschreiben gelernt haben. Dabei erinnern wir uns unwillkürlich an jene Pennälerübungen mit Fläschchen und Bunsenbrennern, zu denen uns der Lehrer ans Pult zitierte. Da
drin, eingesperrt in dieses Glasgefäß, ist Vakuum, so lernten wir - etwas, das nichts ist und nichts kann. Darüber hinaus, so wurde uns beigebracht, stelle es bloß eine mathematische Größe dar, der keine physikalische Realität entspreche.
Was ist so besonders am Vakuum? Wenngleich es frei von jeglicher Materie ist, muss es keineswegs leer sein: Es könnten immer noch Felder und Wellen in ihm wabern - kurzum: Energie. Dass dem tatsächlich so ist, lehrt uns die Physik, seit die
Quantentheorie sie revolutioniert hat. Aber was kümmert uns das, wo wir in der Schule doch gelernt haben, dass das Vakuum nur unter besonderen Umständen in einem "abgeschlossenen Raumbereich" auftritt? Eine Reihe namhafter Physiker, unter ihnen mehrere Nobelpreisträger, geht inzwischen aber davon aus, dass dies nicht stimmt. Das Vakuum ist überall, es ist der Grundzustand alles Seienden; seine allgegenwärtige Existenz zeigt sich experimentell, nämlich in sonderbaren Verhaltensweisen
von Teilchen und Feldern, die nur durch Interaktionen mit dem Vakuum erklärlich sind. Für den Physik-Nobelpreisträger Steven Weinberg etwa steht inzwischen außer Zweifel, dass sich die beobachtbaren Eigenschaften der Materie nicht nur aus der Wechselwirkung von Teilchen und Feldern miteinander ergeben, sondern auch mit den Vakuum. "Wenn das Vakuum nur minimal anders wäre, als es nach unserem Wissen ist, so würde die Welt vollkommen anders aussehen und von gänzlich anderen Gesetzen
beherrscht." Der australische Physiker Paul Davies sieht im Vakuum den "Schlüssel zu einem vollen Verständnis der Naturkräfte". Sein Fachkollege G. I. Naan aus Estland, Mitglied der dortigen Akademie der Wissenschaften, sagt voraus, dass das Vakuum im Mittelpunkt der nächsten Phase des physikalischen Weltbilds stehen werde. "Das mechanische Bild der Welt wurde durch das elektromagnetische ersetzt; das Letztere wiederum durch das Bild, das wir jetzt haben, nämlich die
relativistische Feldtheorie. Es scheint mir äußerst wahrscheinlich zu sein, dass das nächste das Vakuum-Weltbild sein wird". Und dieser "nächste Schritt" wird zugleich eine Renaissance des Äthers der klassischen Physik mit sich bringen, wenn auch in veränderter, nicht-mechanischer und nichtmaterieller Form.
Dieser neue, quantenphysikalisch reformierte Äther ist alles andere als energielos. Schon 1911 hatte der Begründer der Quantentheorie, Max Planck (1858-1947),
mathematisch berechnet, dass ein geladenes Teilchen im Zustand niederster Energie, dem sogenannten "Grundzustand", keineswegs eine Energie Null haben muss; daraus schloss er, dem Vakuum komme eine "Nullpunktenergie" zu. (Neuerdings ist auch von "Freier Energie", "Raumenergie" oder "Vakuumenergie" die Rede.) Diese rührt von Quantenfluktuationen her: Ein elektrisches Feld beispielsweise, das durch eine Ladungsverteilung im Raum entstanden ist,
verschwindet - entgegen der Erwartung - nicht einfach, wenn die Ladungen auf Null reduziert werden. Nach wie vor treten spontane und chaotische Pulsationen auf - Veränderungen der Intensität eines Felds, das eigentlich nicht mehr da sein dürfte. Das Vakuum ist also keineswegs leer und tot, sondern erfüllt von fluktuierenden Quantenfeldern, die immer noch Energie enthalten. Und diese Energie ist gigantisch. Nach Berechnungen des amerikanischen Physikers Richard Feynman liegt die Energiedichte
des Vakuumfelds bei ungefähr 1095 erg. Demnach würde in einem Wasserglas "leeren" Raums ausreichend Energie stecken, um einen ganzen Ozean zum Kochen zu bringen. Andere Physiker greifen noch höher: Wie John Wheeler von der Universität von Texas in Austin vorrechnet, enthält ein einziger Kubikzentimeter leeren Raums eine Nullpunktenergie von 10115 erg - mehr Energie als sämtliche Materie des uns bekannten Universums. Könnte menschliches Bewusstsein unter besonderen Umständen diese
Energiequelle anzapfen - zum Beispiel für Fernheilungen?
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