Wie Einstein die Existenz von Atomen bewies oder: Warum Gottesbeweise scheiterten

Noch zu Beginn des 20. Jahrhunderts galten Atome als metaphysisches Gespenst – zumindest für eine kleine, doch sehr einflussreiche Gruppe von Physikern. Zu dieser Gruppe gehörte u.a. der Physiker Ernst Mach (1838 – 1916). Mach war Positivist. Er vertrat die Auffassung, dass jegliche Erkenntnis über die Wirklichkeit konsequent in Beobachtungen wurzeln müsse. Da es für die Existenz von Atomen zu jener Zeit noch keinen überzeugenden empirischen Beweis gab, hielt er Atome für ein metaphysisches und daher »werthloses Bild«. Dieses Bild hat seiner Überzeugung nach nichts in der Physik zu suchen. Er betrachtete Atome lediglich als eine »mathematische Hülfsvorstellung«. Verfechter der Atomhypothese trat er oft mit der Frage entgegen: „Ham’s eins g’sehn?". Und natürlich hatte bis dato kein Physiker eines gesehen. Daher wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts die „Hypothese Atom" als ein rein metaphysisches Konzept zurückgewiesen.

Freilich gab es auch überzeugte Vertreter dieser Hypothese. Zu ihnen gehörte u.a. der Physiker Ludwig Boltzmann, der ein Kollege von Mach war. Boltzmann gilt heute als einer der Begründer der statistischen Mechanik. Er hatte zeigen können, dass sich mit Hilfe der Atomhypothese die Wärmeenergie eines Gases auf die kinetische Energie seiner Teilchen zurückführen ließ.

Als das 20. Jahrhundert eingeläutet wurde, war die Existenz von Atomen also ebenso umstritten wie es die Existenz Gottes heute noch ist. Die einen behaupteten, es gäbe sie, während die anderen nach handfesten empirischen Beweisen verlangten.

Doch wie wurde die Existenz von Atomen bewiesen?

Die Geschichte dieses Beweises liest sich in der Tat wie Geschichte der Gottesbeweise – nur im Zeitraffer: Während sich die Geschichte der Gottesbeweise über einen Zeitraum von fast zwei Jahrtausende erstreckte, umfasst die Geschichte dieses Beweises gerade einmal acht Jahrzehnte. Abgesehen davon finden wir alle wesentlichen Stationen wieder, die auch in der Geschichte der Gottesbeweise historisch durchlaufen wurden.

Wir erleben, wie Physiker ebenso an der Unsichtbarkeit der Atome scheiterten wie es Philosophen und Theologen bislang an der Unsichtbarkeit Gottes taten. Wir lernen sogar einen Naturwissenschaftler kennen, der ebenso überzeugend darlegen konnte, warum ein solcher Beweis der Existenz der Atome prinzipiell scheitern musste, so wie es auch der Philosoph Immanuel Kant für das Thema Gottesbeweis dargelegt hatte.

Im Mittelpunkt dieser Geschichte steht ein rätselhaftes Bewegungsmuster, das sich am Ende als der entscheidende faktische Beweis für die Existenz von Atomen herausstellen sollte. Ein solches rätselhaftes Bewegungsmuster gibt es, wie ich in einem künftigen Blog noch deutlich machen werde, auch für die Existenz Gottes. Doch bleiben wir zunächst bei der Geschichte der Atome.

Dieses rätselhafte Bewegungsmuster wurde 1826 von dem schottischen Biologe Robert Brown (1773 – 1858) aufgespürt. Dieser hatte unter dem Mikroskop beobachtet, wie in Wasser suspendierte Pollenkörner eine permanente Zitterbewegung vollzogen. Obwohl er ahnte, dass er eine bedeutende Entdeckung gemacht hatte, sah er sich jedoch außerstande, eine überzeugende Erklärung für dieses seltsame Bewegungsmuster zu finden. Den Physikern, die erst drei Jahrzehnte später darauf aufmerksam wurden, sollte es nicht viel anders ergehen.

Zunächst untersuchten sie dieses Bewegungsmuster mit experimentellen Methoden – in der Hoffnung, die Ursache dieser Bewegung auf empirischem Wege bestimmen zu können. Doch was auch immer sie taten, alle die von ihnen ins Augen gefassten Ursachen schieden als mögliche Erklärungen aus. Weder reagierte dieses Bewegungsmuster auf Erschütterungen noch auf Änderungen des Lichtes, mit der man es beobachtete. Es handelte sich auch nicht, wie sie feststellen mussten, um eine temperaturbedingte Wasserströmung. Selbst bei einer konstant gehaltenen Temperatur dauerte das Bewegungsmuster in unverminderter Intensität an. Nachdem alle experimentellen Untersuchungen gescheitert waren, schlug die Stunde der Theoretiker. Dies war in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Doch auch diesen sollte es nicht sehr viel besser ergehen.

Natürlich vermuteten bereits einige Theoretiker, dass die Zickzackbewegung der suspendierten Pollenkörner durch Stöße von Atomen bewirkt seine könnte. Aber alle Theorien, die zu jener Zeit erörtert wurden, hatten schwere Mängel. So bestand keine dieser Theorien den Prüfstein des Experiments. Als Folge davon entwickelte sich die Atomphysik während dieser Zeit auf dieselbe tumultuarische Weise wie die Metaphysik. Mit anderen Worten: Die theoretische Situation war vergleichbar konfus und kontrovers wie sie es in der Metaphysik des 18. Jahrhunderts war. Und nicht nur das: Die Physiker begannen sich angesichts dieser fruchtlosen Bemühungen ebenso ernsthaft zu fragen, ob es sich überhaupt noch lohnte, die Atomhypothese weiter zu verfolgen. Wie die Metaphysiker war sie kurz davor, alles hinzuschmeißen.

In dieser angespannten und verwirrenden Situation sollte schließlich der Botaniker Karl Nägeli (1817 – 1891) auftreten. 1879 analysierte er noch einmal im Detail die Brown’sche Bewegung aus der Perspektive dieser Hypothese und kam hierbei zu einem niederschmetternden Schluß: Atome konnten unmöglich die Ursache dieses rätselhaften Bewegungsmusters sein. Sein entscheidendes Argument: Wenn die Atome ungeordnet durcheinander flogen und aus allen Richtungen auf die Pollenkörner trafen, so glichen sich die vielen Stöße einfach aus. Mit anderen Worten: Das Pollenkorn blieb, wenn man dieser Erklärung folgte, in Ruhe. Das von den Physikern beobachtete Bewegungsmuster – die Brown’sche Bewegung – konnte also seine Ursache nicht in der Existenz von Atomen haben.

Damit war der Atomhypothese eine vernichtende Absage erteilt worden. Man fühlt sich unwillkürlich an Kant erinnert. Es dauerte mehr als fünfundzwanzig Jahre, bis dieses Argument Nägelis entkräftet werden konnte.

Ihm liegt derselbe Denkfehler zugrunde, den ein Glückspieler beim Würfelspiel begeht, wenn glaubt, dass er nie eine größere Summe verlieren könne, als den Einsatz für einen einzelnen Wurf. Bei einer sehr großen Anzahl von Würfen gleichen sich die Wahrscheinlichkeiten keinesfalls immer in dieser »freundlichen« Weise aus.

1905 veröffentlichte der Physiker Albert Einstein eine Arbeit zur »Brownschen Bewegung«, in welcher es ihm gelang, entgegen Nägelis Behauptung dieses rätselhafte Bewegungsmuster auf der Grundlage der Atomhypothese erklären zu können.

Einsteins Arbeit über die Brownsche Bewegung fand innerhalb kurzer Zeit allgemeine Akzeptanz: Bereits 1910 wurde sie als wissenschaftlicher »Beweis« für die Existenz von Atomen gewürdigt.

Angesichts des Umstandes, dass es den Physikern am Ende doch noch gelungen ist, einen Beweis für die Existenz von Atomen zu formulieren, stellt sich beinahe zwangsläufig die Frage: Warum waren die Physiker erfolgreich, während den Metaphysikern bei ihren Versuchen, die Existenz Gottes zu beweisen, dieser Erfolg so gänzlich versagt geblieben ist?

Wenn man dieser Frage auf den Grund geht, dann sieht man, dass die Atomphysiker im Gegensatz zu den Metaphysikern von Anfang an gezwungen waren, ihre theoretischen Ansätze nicht nur rational, sondern auch empirisch begründen zu müssen. Dieser inner-disziplinäre Zwang lenkte die weitere Entwicklung der Atomphysik a prior auf solche theoretischen Ansätze, die genau dies
e Möglichkeit boten.

In dem nächsten Blog möchte ich darüber berichten, warum das Ende der Metaphysik in Wahrheit ihr Anfang ist.