„...letztlich ist der Mensch, als Folge oder Krönung der Evolution, nur in der Totalität der Erde begreifbar.“ (Leroi-Gourhan, Hand und Wort, S.22)

Donnerstag, 9. Oktober 2014

Lee Smolin, Im Universum der Zeit. Auf dem Weg zu einem neuen Verständnis des Kosmos, München 2014 (2013)

1. Kosmologische natürliche Selektion
2. Des Kaisers neue Kleider
3. Sich zeigen und sich verbergen
5. Mathematik als Platonismus
6. Das Universum als Totalität
7. Informationstheorie statt Physik
8. Ethik

Als ich meinem Schwager, einem promovierten Physiker, von Lee Smolins Buch erzählte, erwähnte ich zwei alternative Ideen zur Ausdehnung des Universums: die eine faßt das Universum als endlich, aber unbegrenzt, und die andere als begrenzt, aber unendlich. Die Reaktion meines Schwagers war spontan: „Und was passiert an der Grenze? Fällt man da runter?“

Die Reaktion meines Schwagers, der mich sonst mit seiner physikalischen Expertise immer wieder überwältigt und an die Wand drängt, überraschte mich und freute mich zugleich. So intuitiv reagiere normalerweise nur ich auf die Absurditäten der modernen Physik. Es hat etwas von Andersens Märchen: Alle Untertanen sind gehalten, die neuen Kleider ihres nackten Kaisers zu bewundern und damit die eigene Anschauung Lügen zu strafen. Das nennt man dann ‚kontraintuitiv‘. Ein kleines Mädchen muß dann die tatsächlichen Verhältnisse wieder zurechtrücken und rufen: „Aber er hat ja gar keine Kleider an!“ – Und alle schämen sich jetzt und wundern sich, wie sie sich so manipulieren lassen konnten.

Auch Alexander Unzickers Buch „Vom Urknall zum Durchknall. Die absurde Jagd nach der Weltformel“ (2010) hat etwas vom Recht dieser Naivität gegenüber einer naturwissenschaftlichen Attitüde, die wiederum Lee Smolin als einen „Deckmantel“ bezeichnet, unter dem sich Scharlatane und Bauernfänger versammeln. (Vgl. Smolin 2014, S.44) Doch trotz Smolins Plädoyer für das Befahren flacher Gewässer, in denen die Sicht auf den Boden nicht ganz verloren geht, kommt auch er mit seiner alternativen kosmologischen Version um kontraintuitive Formeln nicht herum. Und zu diesen Formeln gehört eben jene eingangs erwähnte Aussage über ein unendliches, aber begrenztes, und über ein endliches, aber unbegrenztes Universum: „Wenn das Universum räumlich nicht geschlossen ist, muss seine räumliche Ausdehnung unendlich sein. Das bedeutet kontraintuitiverweise, dass der Raum eine Grenze hat.“ (Smolin 2014, S.310) – Wer soll das verstehen? Ich jedenfalls zunächst einmal nicht.

Mein Unverständnis hängt mit einer anderen Aussage über das Universum zusammen. Demnach ist das Universum so angeordnet, daß ein Beobachter auf der Erde „die große Mehrheit der Galaxien in jeder Richtung“ von sich wegfliegen sieht. Dazu heißt es weiter: „Darüber hinaus haben wir auch gute Belege dafür, dass die Galaxien gleichförmig im Raum verteilt sind, zumindest wenn man einen Durchschnitt ihrer Positionen über einen hinreichend großen Maßstab bildet – das heißt, das Universum scheint gleich auszusehen, egal in welcher Richtung man es betrachtet. Aus diesen Tatsachen können wir ableiten, dass es an jedem Punkt im Raum einen besonderen Beobachter geben wird, der sieht, wie sich die Galaxien in jeder Richtung mit gleicher Geschwindigkeit von ihm wegbewegen.()“ (Smolin 2014, S.232)

Ich finde beide Aussagen über den Beobachter auf der Erde und über die anderen Beobachter an anderen Stellen im Raum völlig absurd und miteinander unvereinbar. Wenn sich die Galaxien, von verschiedenen Ruhezuständen aus beobachtet, in alle Richtungen wegbewegen, dann bewegt sich jede Galaxie zur gleichen Zeit in verschiedene Richtungen. Denn logischer Weise müßten sich von jenen anderen Beobachtern aus einige Galaxien in Richtung auf den Beobachter auf der Erde zubewegen, während sich dieselben Galaxien, von diesem irdischen Beobachter aus beobachtet, von ihm wegbewegen. Von einer ‚Mehrheit‘ von sich wegbewegenden Galaxien kann also keine Rede sein, wenn es „an jedem Punkt im Raum einen besonderen Beobachter“ gibt, von dem sich einige Galaxien, insgesamt also sehr viele, nicht nur von diesem Beobachter weg, sondern auch auf den irdischen Beobachter zubewegen. Es sei denn, sie befänden sie in einem Quantenzustand, in dem beide Bewegungsrichtungen gleichzeitig gelten könnten.

Ich habe mich lange mit diesen Aussagen herumgequält, bis ich auf die Lösung gekommen bin. Diese Lösung wird aber von Lee Smolin – entgegen seinem Versprechen, daß in seinem Buch alles, was der Leser „wissen muss, um meinen Argumenten zu folgen“, erklärt werde (vgl. Smolin 2014, S.20) – in keiner Weise erklärt. Der Leser muß selbst drauf kommen. In meiner intuitiven Raumauffassung ist der Beobachterraum als eine Grenzlinie zwischen Innen und Außen definiert. Das ‚Innen‘ dieses Raumes bildet zugleich das Zentrum des Außenraumes, der selbst wiederum eine Verschachtelung von Innen- und Außenräumen bildet. Diese Raumauffassung teilt der Beobachter mit allen anderen Beobachtern. Alle Beobachter befinden sich im Zentrum des von ihnen beobachteten Raumes, den sie mit anderen Beobachtern teilen. Das bedeutet aber, daß die von einem besonderen Beobachter beobachteten Prozesse, in denen sich eine große Mehrheit von etwas in alle Richtungen von ihm wegbewegt, von anderen Beobachtern ganz anders wahrgenommen werden müssen. Denn diese anderen Beobachter müssen sich in eine ganz bestimmte, von jenem besonderen Beobachter abhängigen Richtung von ihm wegbewegen. Smolin selbst weist auf diesen besonderen Status jenes Beobachters, von dem sich (mehr oder weniger) alles wegbewegt, hin: „Aber das kann nur für einen Beobachter gelten, weil jemand, der sich schnell von uns weg- und in den Raum hineinbewegt, sehen würde, dass die Galaxien, die vor ihm sind und relativ zu denen er aufholt, sich langsamer bewegen als jene, die er hinter sich lässt.“ (Smolin 2014, S.232)

Dieser bevorzugte Beobachter befände sich also im Zentrum des Universums! Und es können sich wohl kaum alle möglichen Beobachter überall im Zentrum des Universums befinden. Vielmehr wären deren Bewegungen relativ zum Zentrum, in dem sich der bevorzugte Beobachter befindet.

Nehmen wir eine andere Aussage, die mit dieser Raumproblematik zusammenhängt und die mir zunächst ebenfalls als völlig absurd erschien: das Universum dehnt sich seit 13 Milliarden Jahren aus. An einer Stelle in Smolins Buch – eine genaue Zitatangabe kann ich jetzt leider nicht machen – verweist der Autor darauf, daß das Universum eine Ausdehnung von 93 Milliarden Lichtjahren hat. Wie kann das sein? Wenn wir davon ausgehen, daß sich der Urknall im Zentrum einer sich ausdehnenden Inflationsblase befindet, kann das Universum logischerweise nur eine Ausdehnung von maximal 26 Milliarden Lichtjahren haben!

Damit habe ich mich, wie gesagt, längere Zeit herumgeärgert, bis jene kontraintuitive Annahme zur Sprache kam, daß das Universum entweder unendlich, aber begrenzt, oder endlich, aber unbegrenzt sei. Das endliche, aber unbegrenzte Universum ist aber eine Kugel! Und zwar nicht das Kugelinnere, wie es meiner intuitiven Raumauffassung von Innen-Außenverhältnissen entsprechen würde; alle Beobachter befänden sich dann im Inneren der Kugel, und ihre Blicke könnten dann prinzipiell nicht weiter reichen als bis zum alles begrenzenden Firmament der Kugelwölbung. Dann wäre das Kugeluniversum nicht gleichermaßen endlich und unbegrenzt.

Alle Beobachter befinden sich vielmehr auf der Kugeloberfläche. Wir hätten es also nicht mit einem dreidimensionalen Raum mit seinen Innen-Außengrenzen zu tun, sondern mit einem zweidimensionalen Raum. Auf einer sich ausdehnenden Kugeloberfläche kann sich nämlich tatsächlich an jedem beliebigen Punkt die große Mehrheit der Galaxien in ‚alle‘ Richtungen von allen möglichen Beobachtern fortbewegen, weil sie nämlich kein Zentrum hat! Es kann auch möglich sein, daß sie eine Ausdehnung von 93 Milliarden Lichtjahren hat, obwohl der Urknall erst vor 13 Milliarden Jahren stattgefunden hat. Allerdings haben wir es hier mit einem seltsamen Zwitter zwischen einem dreidimensionalen und einem zweidimensionalen Raum zu tun. Denn der Urknall befände sich dann im inneren Zentrum der dreidimensionalen Kugel, während sich die 93 Milliarden Lichtjahre auf die Ausdehnung der zweidimensionalen Oberfläche beziehen würde. – Es sei denn, eine Kugeloberfläche hat die Eigenschaft, daß sie sich von einem bestimmten Punkt auf ihrer Oberfläche aus, also vom Urknall aus – der dann absurderweise das Zentrum der Kugelobefläche bilden würde –, 13 Milliarden Jahre lang ausdehnen und dabei eine Oberfläche von 93 Milliarden Lichtjahren erreichen kann.

Auch mit der Lesart, daß sich der Begriff des Universums nur auf eine Kugeloberfläche und ihre Zweidimensionalität bezieht, lassen sich also nicht alle kontraintuitiven Absurditäten auflösen; abgesehen davon, daß der ‚Raum‘ eigentlich immer dreidimensional sein sollte und Galaxien, die sich in alle Richtungen fortbewegen, dies nicht nur nach rechts und links, nach vorn und nach hinten tun, sondern eben auch nach oben und nach unten. Die kontraintuitiven Absurditäten, die mit einem unendlichen, aber begrenzten Raum verbunden sind, habe ich dabei noch gar nicht aufgeführt.

Eine der vielen anderen Absurditäten hat damit zu tun, daß angeblich nichts schneller als die Lichtgeschwindigkeit sein kann. Nun hat man aber vor kurzem ‚herausgefunden‘, daß sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern daß sich diese Ausdehnung auch noch beschleunigt: „Eine Folge der exponentiellen Expansion besteht darin, dass Galaxiecluster sich so schnell voneinander trennen, dass sie einander schon bald nicht mehr sehen können. Photonen, die ein Cluster verlassen und sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, sind nicht schnell genug, um die anderen Cluster einzuholen.“ (Smolin 2014, S.314) – Die Galaxiecluster können sich also irgendwann schneller voneinander weg bewegen als die Lichtgeschwindigkeit! Naja, ich gebe zu: vielleicht bewegt sich ja irgendwann alles gleichschnell, eben mit Lichtgeschwindigkeit. Auch dann könnten die Photonen keinen Beobachter woanders im Universum mehr erreichen. Aber wenn sich alles gleich schnell bewegt, bewegt sich gar nichts mehr, relativ gesehen. Smolin bleibt jedenfalls eine nähere Erklärung schuldig.

Das sind aber nur die üblichen kontraintuitiven Absurditäten, mit denen uns das bislang gültige Standardmodell des Universums belästigt. Smolin selbst will ja in seinem Buch ein Alternativmodell präsentieren, das insgesamt intuitiver und außerdem falsifizierbar ist. Seine Theorie der kosmologischen natürlichen Selektion besteht darin, daß wir es nicht mit einer Vielzahl von simultan existierenden, aber mit einander nicht verbundenen Multiversen zu tun haben, sondern mit einer Sequenz von Universen (vgl. Smolin 2014, S.321), die kausal miteinander verbunden sind. Als Modell dient ihm die biologische Evolution: „Die Grundannahme der kosmologischen natürlichen Evolution besteht darin, dass Universen sich durch die Erzeugung neuer Universen innerhalb von schwarzen Löchern fortpflanzen. Unser Universum ist somit ein Nachkomme eines anderen Universums, das in einem seiner schwarzen Löcher geboren wurde, und jedes schwarze Loch in unserem Universum ist der Same für ein neues Universum. Das ist ein Szenario, innerhalb dessen wir das Prinzip der natürlichen Selektion anwenden können.“ (Smolin 2014, S.182)

Aufgrund der evolutionsbiologischen Verknüpfung zwischen diesen Universen müßte es in unserem aktuellen Universum „Überbleibsel()“ der früheren Universen geben, die sich auch nachweisen lassen müßten. (Smolin 2014, S.179) Mögliche Kandidaten für solche Überbleibsel wären Echos von „Kollisionen zwischen den großen schwarzen Löchern“ in den vorangegangenen Universen. (Vgl. Smolin 2014, S.320) Wenn sich solche Echos nicht nachweisen lassen, wäre Smolins Konzept falsifiziert. Diese Falsifizierbarkeit ist Smolin zufolge der große Vorteil seines Konzepts.

Aber Smolins Konzept weist ein großes logisches Defizit auf. Seiner eigenen Definition zufolge bildet das Universum eine Totalität: Es kann nur eins geben! Immer wieder weist Smolin darauf hin. (Vgl.u.a. Smolin 2014, S.25, 152, 284) Es kann also keine Beziehung „zu einer anderen ähnlichen Entität“ haben. (Vgl. Smolin 2014, S.149). Wie kann es also in einer sequentiellen Beziehung zu früheren Universen stehen? Diese Frage wird von Smolin weder gestellt noch beantwortet. Dieses unreflektierte Mix von grundlegenden Definitionen mit ihren einerseits logischen Implikationen und andererseits logischen Brüchen, dieses Durcheinander von intuitiven und kontraintuitiven Annahmen kennzeichnet die ganze Kosmologie. Das ist der Grund, warum ich mich vor einigen Jahren von diesem Bereich der ‚Naturwissenschaft‘ abgewandt habe. Es lohnt das Denken nicht.

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Kommentare:

  1. Ebenfalls ratloser Physiker hier.
    Bei einer Kontraintuition kann ich vielleich helfen:
    <>
    Ich mag ja das Rosinenkuchenmodell. Wenn Sie sich so einen aufgehenden Rosinenkuchen vorstellen, in dem sich die Rosinen (Galaxien) voneinander entfernen, dann treibt der Kuchen aus Sicht jeder Rosine (mehr oder minder) gleichmäßig von ihm weg.

    Mit der Ausdehnung des Universums haben Sie mich kalt erwischt, da war ich auch baff. Weiß nicht, ob ihnen da der Rosinenkuchen hilft (das Problem an dem Beispiel ist vielleicht, dass ja leider nicht Masse oder Kuchen expandiert sondern eigentlich die Metrik, der Raum selbst, also die Maßstäbe bzw. Längenmaße verschieben sich selbst): aber vielleicht können Sie sich ungefähr vorstellen, dass selbst wenn die Außenhülle des Kuchens sich höchstens mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten kann, dass dann aber wenn man später nachmisst der andere Rand weiter entfernt sein kann als rein von der Geschwindigkeit möglich, weil ja sich auch noch der ganze Raum dazwischen selbst expandiert hat?

    (in der Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Metric_expansion_of_space , heißt's wohl nicht umsonst: "Because of the high rate of expansion, it is also possible for a distance between two objects to be greater than the value calculated by multiplying the speed of light by the age of the universe. These details are a frequent source of confusion among amateurs and even professional physicists.")

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  2. Das mit dem Rosinenkuchenmodell bringt wieder den Innenraum der Kugel in die Betrachtung mit rein; denn die Rosinen befinden sich ja im Inneren des Hefeteigs. Aber ich hatte den Eindruck gewonnen, daß sich die Aussage über das sich ausdehnende Universum nur auf die Oberfläche der Kugel bezieht. Wenn ich es jetzt richtig verstehe, bewegen sich die Galaxien (Rosinen) gar nicht voneinander weg, sondern es vergrößern sich nur die Zwischenräume zwischen ihnen? Dann wären die Galaxien also stationär! Außerdem: wenn es der Zwischenraum ist, der sich ausdehnt, warum dehnen sich dann nicht auch die Galaxien aus? Schließlich gibt es auch in ihnen einen Zwischenraum, anders als bei den Rosinen, in denen sich kein Teig befindet, so daß es klar ist, daß sie sich nicht auch ausdehnen.
    Jedenfalls freue ich mich, daß ich nicht der einzige bin, der Probleme mit dem Mitdenken hat.

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  3. Sind Sie eigentlich von selbst darauf gekommen sich auf die Kugelschale zu verfrachten, da wäre ich beeindruckt? In der Tat ist das ja eins der Paradebeispiele für eine nichteuklidische Geometrie (die elliptische), mit einem Raum, der endlich aber unbegrenzt ist. - (Mit dem unendlichen aber begrenzten komme ich nicht so ganz klar. Was meint der Smolin damit? Es kann ja nur eine unendlich entfernte Grenze sein, da wo sich zwei Parallelen schneiden?)

    Allerdings ist der so entstehende (gekrümmte) Raum ja nur zweidimensional, indem man ihn in einen dreidimensionalen euklidischen einbettet. In unserer Kosmologievorlesung kroch zur Veranschaulischung immer ein Käfer über die gekrümmten Oberflächen. - Ich selbst komme da ja auch nicht weiter, um sich einen echten gekrümmten dreidimensionalen Raum vorzustellen, müsste man den jetzt ja in einen vierdimensionalen einbetten. Vielleicht könnten Sie sich zur Veranschaulischung der sich verändernden Metrik auch ein Gitter mit Längenmarkierungen durch den Rosinenkuchen vorstellen - eigentlich ist es also nicht der Kuchen der sichausdehnt sondern das Gittermaß mit dem wir messen?

    In der Tat würden auch tatsächlich die Rosinen größer werden, allerdings ist die Ausdehnungsgeschwindigkeit lokal in meiner Nähe ja geringer und wird mit wachsendem Abstand immer größer (Hubblekonstante). Zudem bewegen die Sterne, die Galaxien und Superhaufen sich wegen ihrer gravitativen Anziehung etc. ja auch noch zusätzlich (vgl. auch hier: http://www.nature.com/news/earth-s-new-address-solar-system-milky-way-laniakea-1.15819 )

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  4. „Sind Sie eigentlich von selbst darauf gekommen, sich auf die Kugelschale zu verfrachten, da wäre ich beeindruckt?“ – Ich glaube schon, daß ich von selbst drauf gekommen bin. Aber vielleicht ist das auch nur eine vergessene Erinnerung, was der Fachmann dann ‚Kryptomnesie‘ nennt. So was ist bei meiner Vielleserei durchaus möglich. ;-)

    Was die unendliche, aber begrenzte Ausdehnung betrifft, schreibt Smolin: „Wenn das Universum räumlich nicht geschlossen ist, muss seine räumliche Ausdehnung unendlich sein. Das bedeutet kontraintuitiverweise, dass der Raum eine Grenze hat. Diese Grenze ist unendlich weit weg, aber sie ist dennoch eine Grenze, durch die Informationen hindurch gelangen könnten.() Folglich kann ein räumlich unendliches Universum nicht als in sich geschlossenes System verstanden werden. Es muss als Teil eines größeren Systems betrachtet werden, das alle Informationen umfasst, die von der Grenze hereinkommen. Wenn die Grenze endlich weit entfernt wäre, könnte man sich vorstellen, dass es noch mehr Raum außerhalb gäbe. Die Informationen über die Grenze könnten anhand dessen erklärt werden, was von der Grenze hereinkommt.() Aber die Grenze im Unendlichen gestattet uns nicht, uns eine Welt darüber hinaus vorzustellen.“ (Smolin 2014, S.310f.) – Ich weigere mich, diesen Worten noch irgendetwas hinzuzufügen. Mein Verstand macht da einfach schlapp.
    Was den Rosinenkuchen betrifft, hilft mir das Gitter nicht weiter. Für mich stecken die Rosinen im Teig fest und sind deshalb stationär. Es sind nicht die Rosinen, die sich bewegen, sondern der Teig bzw. der Raum. Dabei scheint es mir evident zu sein, daß sich die Positionen der Rosinen untereinander nicht verändern. Sie bleiben im selben Maße links, rechts, vorne, hinten, oberhalb und unterhalb voneinander, gleichgültig wie sehr sich der Teig aufbläht. Es stimmt also beides: der Abstand zwischen ihnen wird größer, aber ihre relativen Positionen bleiben gleich. Sie bewegen sich, und sie bewegen sich nicht.
    Zumindestens, was den Hefeteig betrifft. Ansonst bewegen sie sich natürlich doch, wie Sie mit dem Hinweis auf die gravitative Anziehung zurecht feststellen. Ich finde das alles ziemlich konfus.

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  5. "Dabei scheint es mir evident zu sein, daß sich die Positionen der Rosinen untereinander nicht verändern." - Das ist durchaus richtig. Ich bin hier mal wieder in eine kleine Falle getappt. Diese Unterscheidung zwischen aktiver und passiver Transformation kann einem manchmal den Kopf verdrehen. Was ich zu beschreiben versuchte war tatsächlich eine passive Transformation: Die "physischen" Koordinaten der Rosinen bleiben unberührt, aber der Raum wird komplett verzerrt. Wenn Sie dann also danach aber zu einer anderen Galaxis fliegen, werden Sie feststellen, dass sie viel weiter entfernt ist, sie also trotzdem eine größere Distanz zurücklegen müssen. (Allerdings habe ich dabei wieder den alten Fehler gemacht: Damit die Entfernungen nachher größer sind, muss man den Raum stauchen, das Gitter schrumpfen.) Wahrscheinlich ist die Transformation in der allgemeinen Relativitätstherie aber gar keine passive, sondern es werden aktiv tatsächlich die Koordinaten selbst transformiert. Vielleicht geben meine alten Vorlesungsunterlagen oder die Wikipedia das her, aber momentan kann ich das nicht einmal sicher sagen. -

    Auch das lange Zitat verstehe ich nicht wirklich. Wahrscheinlich würden mir die Rechnungen mehr helfen oder die mathematischen Theoreme (mit der entsprechender Notation kann man sich vielleicht ja manchmal selbst transfiniten Zahlen ein wenig nähern), aber so muss ich da auch die Waffen strecken.

    Was Smolin zur Lebensfeindlichkeit der Physik bemerkt, das Zitat mit dem Sie das letzte Post beginnen ist sehr interessant. Da wird eine platonische, ja schon fast religiöse Physik heraufbeschworen. Vielleicht liegt es daran, dass ich nicht in Teilchenphysik oder Kosmologie mich herumgetrieben habe, - ein Professor von uns meinte in der Vorlesung mal, es gäbe nur zwei Dinge, die wir exakt lösen könnten: das Wasserstoffatom und den harmonischen Oszillator, der Rest seien Näherungen - daher ware für mich dieses Gerede von einer "Theory of Everything" auch immer eine "Theory of Nothing", weil dir selbst eine vollständige Therie der Wechselwirkungen der Elementarteilchen zunächst einmal nicht helfen würde, zu Modellen oder Theorien auf anderen Komplexitätsebenen (Chemie, Biologie, soziale Systeme,...) zu kommen. Ja, auch mich hat sozusagen die Eleganz und Schönheit der Abstraktion in die Fänge der Physik getrieben, aber.. für mich gehört es fundamental zum Handwerk eines Physikers zu wissen, dass ein jedes Modell - und damit auch die Abstraktion? - seine Grenzen hat,.. und wir beschreiben eben z.B. nur die unbelebte Materie oder im thermodynamischen Gleichgewicht etc. (ganz plump sollte man eben keine Maus auf die schiefe Ebene setzen, da hätte Galileo nix gefunden)

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    1. „Damit die Entfernungen nachher größer sind, muss man den Raum stauchen, das Gitter schrumpfen.“ – Das klingt so ein bißchen nach Pippi Langstrumpf: „Ich mach mit die Welt widewidewitt wie sie mir gefällt!“

      Irgendwie erwarte ich immer, daß mir bei meinen ganzen Attacken gegen die Physik und die Mathematik irgendwann mal ein Experte verbal gegens Schienbein tritt. Und ich bin immer noch überrascht (und dankbar), wenn da Physiker in meinem Blog vorbeischauen und eingestehen, daß sie auch verwirrt sind.

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