Quelltext der Seite Nahwirkung und Fernwirkung

'''Nahwirkung''' und '''Fernwirkung''' bezeichnen zwei konkurrierende historische Konzepte der [[Klassische Physik|klassischen Physik]] in der Frage, wie sich [[Kraft|Kräfte]] ausbreiten.

Bei einer '''Fernwirkung''' geht man davon aus, dass sich die physikalische Wirkung über beliebige Entfernungen ohne vermittelndes [[Ausbreitungsmedium|Medium]] auswirkt, in der Newtonschen Theorie der Gravitation sogar [[instantan]] (d.&nbsp;h. ohne zeitliche Verzögerung). Die klassischen physikalischen Theorien der [[Mechanik]] – d.&nbsp;h. die [[Newtonsches Gravitationsgesetz|Newtonsche Gravitation]], die [[Elektrostatik]] und [[Magnetostatik]] – haben eine Fernwirkung zur Grundlage. Dies findet seinen Ausdruck beispielhaft in [[Isaac Newton|Newtons]] drittem Gesetz von [[actio und reactio]]: Zwei Körper wirken in jedem Augenblick, egal, wie weit sie voneinander entfernt sind und wie sie sich bewegen, mit entgegengesetzt gleichen Kräften aufeinander. Physikalisch kann dabei nicht näher begründet werden, auf welche Weise solche Kräfte übertragen werden, und auch schon ihre Entstehung wurde seit [[Aristoteles]] zu den „okkulten“ Eigenschaften der Körper gezählt.

Das Konzept der '''Nahwirkung''' wurde von [[Galileo Galilei]] den mittelalterlichen Vorstellungen von den okkulten Eigenschaften entgegengestellt. [[René Descartes]] begründete es philosophisch so, dass der Begriff des Körpers durch nichts anderes als die räumliche Ausdehnung schon vollständig definiert sei und eine Wirkung auf einen anderen Körper folglich nur bei Berührung erfolgen könne. Dennoch setzte sich aufgrund der Erfolge der auf Newton aufbauenden [[Himmelsmechanik]] der Gedanke der Möglichkeit einer  Fernwirkung im 18.&nbsp;Jahrhundert weitgehend durch. Doch 1838 entdeckte [[Michael Faraday]], dass die elektrostatische Kraft zwischen zwei Körpern von der Art der zwischen ihnen befindlichen Materie abhängt. Weiterentwickelt durch [[James Clerk Maxwell]], führte diese Entdeckung zu einem neuen Bild von der Nahwirkung: Die [[elektrische Ladung]] verändert zunächst den umgebenden [[Äther (Physik)|Äther]], und sobald diese Veränderung den Ort einer anderen Ladung erreicht, erfährt diese andere Ladung die elektrostatische Kraft. Dadurch ergibt sich auch eine endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wirkung.

Für die [[Kraftübertragung]] über den Raum führte Faraday den Begriff des [[Feld (Physik)|Feldes]] ein. Der Feldbegriff ist auch in der modernen Physik gültig.

== Fernwirkung im Newtonschen Gravitationsgesetz ==
Das [[Newtonsches Gravitationsgesetz|Gravitationsgesetz]] von [[Isaac Newton]] beschreibt eine instantane Fernwirkung. Wenn z.&nbsp;B. die [[Sonne]] plötzlich verschoben würde, dann würde hiernach die Erde sofort die veränderte [[Gravitation]] spüren und mit einer entsprechenden Änderung ihrer Bahn reagieren. Auch werden die gegenseitigen [[Bahnstörung]]en der [[Planet]]en nach Newton mit den Kräften berechnet, die sich aus den augenblicklichen Positionen der Planeten bestimmen.

Daher wurde Newtons Theorie allgemein dahingehend verstanden, dass die von ihm eingeführte Gravitationskraft ohne Verzögerung den absolut leeren Raum durchdringen könnte. Schon seine Zeitgenossen, darunter [[Christiaan Huygens]] und [[Gottfried Wilhelm Leibniz]]<ref>Leibniz: „Die Gravitation (und damit jedes ihrer aktiven Prinzipien) muss eine scholastische okkulte Qualităt oder das Ergebnis eines Wunders sein.“ zitiert in {{Literatur |Autor=John Henry |Hrsg=John Fauvel et al. |Titel=Newton, die Materie und die Magie |Sammelwerk=Newtons Werk, Die Begründung der modernen Naturwissenschaft <!--|Reihe= |Band=Bd. Band Nr. fehlt ggf. --> |Verlag=Springer Basel AG |Ort=Basel |Datum=1993 |ISBN=3-0348-6224-5 |Seiten=177}}</ref>, warfen ihm vor, wieder okkulte Kräfte einzuführen, wenn er der nur als träge und passiv verstandenen [[Materie]] die Fähigkeit zu einer Fernwirkung zuschreibe, und noch [[Leonhard Euler]]<ref>{{Literatur |Autor=[[Andreas Kleinert (Wissenschaftshistoriker)|Andreas Kleinert]] |Hrsg=[[Walter Schmitz]]/[[Carsten Zelle]] |Titel=Aufklärung durch  Physik |Sammelwerk=Innovation und Transfer |Verlag=Eckard Richter |Ort=Dresden |Datum=2004 |ISBN=3-933592-37-2 |Seiten=11-20}} Wenn Fernwirkungen möglich seien, so Euler, dann müsse man befürchten, Verdauungsprobleme von den Kräutern zu bekommen, die auf dem Saturn wachsen, auch ohne von ihnen gegessen zu haben.</ref> sah darin eine absurde Annahme.

Doch auch Newton selbst lehnte diese Interpretation seiner Berechnungen und schon die bloße Möglichkeit einer solchen Fernwirkung strikt ab:

{{Zitat
 |Text=It is unconceivable that inanimate brute matter should (without the mediation of something else which is not material) operate upon and affect other matter without mutual contact; as it must if gravitation in the sense of Epicurus be essential and inherent in it. And this is one reason why I desired you would not ascribe innate gravity to me. That gravity should be innate inherent and essential to matter so that one body may act upon another at a distance through a vacuum without the mediation of any thing else by and through which their action or force may be conveyed from one to another is to me so great an absurdity that I believe no man who has in philosophical matters any competent faculty of thinking can ever fall into it. Gravity must be caused by an agent acting constantly according to certain laws, but whether this agent be material or immaterial is a question I have left to the consideration of my readers.
 |Autor=Brief an [[Richard Bentley]] von 1692/1693 – in: [[Herbert Westren Turnbull]], ''The correspondence of Isaac Newton'' 1961, Vol. III, S. 253–254}}
{{Zitat
 |Text=Es ist undenkbar, dass leblose, rohe Materie (ohne die Vermittlung von etwas anderem, das nicht materiell ist) ohne direkten Kontakt auf andere Materie wirken sollte, [...]. Dass die Gravitation  der Materie angeboren, inhärent und wesentlich sein soll, so dass ein Körper auf einen anderen über eine Entfernung durch [[Vakuum]] hindurch und ohne die Vermittlung von etwas Sonstigem wirken soll, ist für mich eine so große Absurdität, dass ich glaube, kein Mensch, der eine in philosophischen Dingen geschulte Denkfähigkeit hat, kann sich dem jemals anschließen. Gravitation muss durch einen Vermittler verursacht werden, welcher beständig und nach bestimmten Gesetzen wirkt. Aber die Frage, ob dieser Vermittler materiell oder immateriell ist, habe ich meinen Lesern überlassen.}}

Gegen die geäußerte Kritik präzisierte er, dass er aus den Beobachtungen der Natur nur offenbare Gesetzmäßigkeiten ableite, und dass nur deren Ursachen möglicherweise okkult blieben.<ref>{{Literatur |Autor=John Fauvel, Raymond Flood, Michael Shortland, Robin Wilson (Eds.) |Titel=Newtons Werk: Die Begründung der modernen Naturwissenschaft |Verlag=Springer-Verlag |Datum=2013 |Seiten=325 |Online={{Google Buch |BuchID=uHWcBgAAQBAJ |Seite=176ff |Linktext="Newtons aktive Prinzipien" |Hervorhebung="Newtons aktive Prinzipien"}}}}</ref>

Schließlich war es der Erfolg der auf Newtons Gesetzen aufbauenden [[Klassische Mechanik|Klassischen Mechanik]], welche für lange Zeit die Fernwirkung als akzeptiertes Modell vieler Bereiche der Naturwissenschaft etablierte. Auch der Philosoph [[Immanuel Kant]] fasste die Anziehung als Fernwirkung auf. Er schreibt (1786): „Die ''aller Materie wesentliche Anziehung'' ist eine unmittelbare Wirkung derselben auf andere durch den leeren Raum.“<ref>Immanuel Kant, [[Metaphysische Anfangsgründe der Naturwissenschaft]], Riga 1786, 2. Hauptstück ''Dynamik'', Lehrsatz 7.</ref> Dadurch fanden die auf Descartes zurückgehenden Versuche, eine [[Mechanische Erklärungen der Gravitation|mechanische Gravitationserklärung]] mit Hilfe einer Wirbelbewegung eines [[Äther (Physik)|Äthers]] zu erstellen, kaum noch Gehör.

== Elektrizität und Nahwirkungs&shy;theorie ==
Vom Erfolg von Newtons Fernwirkungstheorie beeinflusst, waren im 18. und 19.&nbsp;Jahrhundert auch die Anziehungs- und Abstoßungsgesetze für Körper mit ungleichnamigen bzw. gleichnamigen [[Elektrische Ladung|elektrischen Ladungen]] zunächst als Fernwirkungskräfte aufgefasst worden. Im 19.&nbsp;Jahrhundert wuchs jedoch die Überzeugung, dass Kräfte von Feldern und damit von physikalischen Größen vermittelt werden.

Der Erste, der über seine Versuche zur Elektrizität und zur elektromagnetischen Induktion zu einer Feldvorstellung kam, war [[Michael Faraday]] (1791–1867). Seiner Meinung nach wird von der felderzeugenden Anordnung der Raum erregt, so dass ein anderer Körper eine Kraft erfährt. Er führte das [[Feld (Physik)|Feld]] als eigenständige Größe in die Physik ein. Kräfte werden demnach mittelbar mit Hilfe eines Feldes übertragen, das sich nach ursprünglicher Ansicht instantan im Raum ausbreitet. Auf einen geladenen Körper wirkt die Kraft im Sinne des Nahwirkungsbegriffs mit der am betreffenden Ort herrschenden [[Feldstärke]]. Faraday war schon 1852 überzeugt, dass diese Annahme nicht nur für magnetische und elektrische Felder, sondern auch für Gravitationsfelder richtig ist.<ref>M. Faraday: ''On the physical character of the lines of magnetic force''. In: ''The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science''. 4. Serie, Band 3, Taylor & Francis, London 1852, S. 401–428, [https://books.google.de/books?id=9ZAOAAAAIAAJ&pg=PA401&lr=&as_brr=3&ei=qxCuS-K7JY3mygTNjp3PDQ&cd=2&hl=de#v=onepage&q=&f=false Online].</ref>

1864 legte [[James Clerk Maxwell]] (1831–1879) dann eine komplette [[Feldtheorie (Physik)|Feldtheorie]] des [[Elektromagnetismus]] vor. Seine Hypothese der [[Verschiebungsstrom|Verschiebungsströme]] macht es erforderlich, diese Nahwirkungstheorie auch auf das Vakuum auszudehnen. Aus den [[Maxwell-Gleichungen]] geht hervor, dass zeitlich veränderliche elektrische und magnetische Felder sich gegenseitig erzeugen und daher zu einem [[Elektromagnetisches Feld|elektromagnetischen Feld]] zusammengefasst werden müssen, das sich insgesamt mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet. Die Kräfte auf einen geladenen Körper ergeben sich dann als [[Coulombkraft]] und [[Lorentzkraft]] aus den an seinem Ort herrschenden Feldstärken. Des Weiteren folgt die Möglichkeit, dass ein einmal erzeugtes elektromagnetisches Feld unabhängig von seiner Quelle weiter existiert und sich als [[elektromagnetische Welle]] durch den Raum fortpflanzt.<ref name="maxwell73">James Clerk Maxwell, ''A Treatise on Electricity & Magnetism'', Dover Publications, New York 1873, ISBN 0-486-60636-8 und ISBN 0-486-60637-6.</ref>

Um den Feldstandpunkt von der Fernwirkung zu unterscheiden, wurde er als Nahwirkung bezeichnet. Eine Erklärung für das Wort „Nahwirkung“ ergibt sich aus der Vorstellung, dass der Körper durch den Raum, der ihn umgibt, die Kraft erfährt. Jede Wirkung überträgt sich von einem Punkt ''P''<sub>1</sub> zu einem „benachbarten“ Punkt ''P''<sub>2</sub>.
Wer den Begriff „Nahwirkung“ zum ersten Mal verwendete, ist nicht bekannt.

Solange es sich um [[statisch]]e Anordnungen handelt, zeigt sich kein Unterschied zwischen Fern- und Nahwirkung, wohl aber bei [[dynamisch]]en Problemen. Der experimentelle Durchbruch erfolgte schließlich 1886 durch den Nachweis von elektromagnetischen Wellen durch [[Heinrich Hertz]].

Für die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen wurde bis über das Ende des 19. Jahrhunderts hinaus die Theorie eines mechanischen Ausbreitungsmediums favorisiert, des Äthers. Noch die führenden Theoretiker der [[Elektrodynamik]] zu Beginn des 20. Jahrhunderts [[Hendrik Antoon Lorentz]], [[Henri Poincaré]], [[Joseph Larmor]] gingen von der Existenz eines Äthers aus. Auch der Experimentalphysiker [[Albert A. Michelson]], dessen Nullresultat beim [[Michelson-Morley-Experiment]] wesentlich zur Überwindung der Idee eines Äthers beitrug, war bis zu seinem Tod nicht von der Nicht-Existenz eines Äthers überzeugt.

Während sich im Allgemeinen das Feldkonzept und die Nahwirkungstheorie durchsetzte, gibt es auch Formulierungen der klassischen Elektrodynamik über eine direkte Teilchen-Teilchen Wechselwirkung (allerdings nicht instantan, sondern mit Zeitverzögerung, die der Lichtgeschwindigkeitsschranke entspricht) von [[Karl Schwarzschild]], [[Adriaan Fokker]] und [[Hugo Tetrode]], was in den 1940er Jahren von [[John Archibald Wheeler]] und [[Richard Feynman]] aufgegriffen wurde (Absorber Theory).<ref>Wheeler, Feynman, Interaction with the absorber as the mechanism of radiation, Reviews of Modern Physics, Band 17, 1957, S. 157</ref><ref>Auch dargestellt in Feynman Lectures on Physics, Kapitel 28, Band 2</ref>  Sie benutzt gleichwertig avancierte und retardierte Potentiale und ist damit zeitsymmetrisch. Weiterhin hat sie den Vorteil, dass man damit die Selbstwechselwirkung von geladenen punktförmigen Teilchen umgehen kann mit den damit verbundenen Divergenzen. [[Fred Hoyle]] und [[Jayant Vishnu Narlikar]] verwendeten diese Theorie in einer Kosmologie die das [[Machsches Prinzip|Machsche Prinzip]] implementiert.<ref>Hoyle, Narlikar, Cosmology and action at a distance electrodynamics, Reviews of Modern Physics, Band 67, 1995, S. 113</ref> Die Idee einer Fernwirkung mit endlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit für die Elektrodynamik hatte schon [[Carl Friedrich Gauß]] 1845, konnte sie aber damals noch nicht präzise formulieren.

== Gravitation und Relativitätstheorie ==
{{Hauptartikel|Aberration (Gravitation)}}
Parallel zu den Entwicklungen in der Elektrodynamik (schon Maxwell ging davon aus, dass sich Felder mit endlicher Geschwindigkeit ausbreiten) versuchten verschiedene Physiker zwischen&nbsp;1870 und&nbsp;1910, auch die Gravitation als Nahwirkung zu beschreiben. Schließlich gelang [[Albert Einstein]] mit der [[Allgemeine Relativitätstheorie|Allgemeinen Relativitätstheorie]] die Formulierung einer solchen Theorie, welche die [[Lichtgeschwindigkeit]] als Ausbreitungsgeschwindigkeit der Felder beinhaltet. Er zeigte damit, dass sich keine effektiven Wirkungen, also auch keine Felder und Kräfte, schneller als das Licht ausbreiten können. Eine instantane Wirkung über beliebige Entfernungen ist demnach unmöglich.

Im [[hypothetisch]]en Beispiel mit der verschobenen Sonne würde sich also die Gravitationswirkung auf die Erde erst nach ca. 8&nbsp;Minuten ändern – also nach der Zeit, die auch das Licht von der Sonne zur Erde benötigt. Wir würden daher insbesondere nichts von der Verschiebung spüren, bevor wir sie nicht auch sähen.

Die Berechnung von Planetenbahnen um die Sonne mit diesem [[Retardiertes Potential|retardierten Potential]] ergibt allerdings keine exakte [[Ellipse]], sondern eine [[Spirale]], die nach vielen Umläufen in der Sonne endet. Der größte Anteil dieses Effekts wird in der Allgemeinen Relativitätstheorie durch den [[Gravitomagnetismus|gravitomagnetischen Effekt]] kompensiert; der verbleibende Energieverlust des Planeten wird mit einer Aussendung von [[Gravitationswelle]]n erklärt. Diese wären für Planeten zu schwach, um beobachtet zu werden, bei hinreichend massereichen Objekten sollten sie jedoch zu beobachten sein. Ein indirekter Nachweis der Gravitationswellen durch [[Russell Hulse]] und [[Joseph Hooton Taylor Jr.|Joseph Taylor]] zeigt genau diesen Effekt: Die [[Pulsar]]e des Doppelpulsars&nbsp;[[PSR J1915+1606]] kreisen in einer Spiralbahn umeinander, was zu einer messbar zunehmenden [[Umlauffrequenz]] führt. 2016 wurde die Existenz von Gravitationswellen durch ein am 14.&nbsp;September 2015 in den USA erfasstes Signal experimentell nachgewiesen.

== Quantenphysik ==
Die Debatte um Nah- und Fernwirkung setzte sich bis ins 20.&nbsp;Jahrhundert fort. Das [[Postulat]] der Relativitätstheorie, dass sich alle Wirkungen maximal mit [[Lichtgeschwindigkeit]] ausbreiten, führt in der [[Quantenmechanik]] zum [[Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon]]: wenn eines von zwei miteinander [[Quantenverschränkung|verschränkten]] Teilchen seinen Zustand ändert, so muss sich nach der Quantenmechanik auch instantan das andere ändern, was nicht im Einklang mit der Relativitätstheorie ist. Dies wird erst durch die relativistische [[Quantenfeldtheorie]] aufgelöst, in der ein [[Kausalität #Physik|Kausalzusammenhang]] immer auf den [[Vorwärtslichtkegel]] beschränkt ist.

== Heutiger Stand ==
Heute wird davon ausgegangen, dass drei der vier [[Fundamentalkräfte]] durch [[Bosonen]] als [[Austauschteilchen]] übertragen werden:
* bei der elektromagnetischen Kraft sind es die [[Photonen]]
* bei der [[Starke Kernkraft|Kernkraft]] die [[Gluonen]]
* bei der [[Fundamentale Wechselwirkung|schwachen Wechselwirkung]] die [[W-Boson]]en und [[Z-Boson]]en
Sofern die Austauschteilchen masselos sind (Photonen und Gluonen), wird ihre Wirkung gerade mit Lichtgeschwindigkeit übertragen, für massebehaftete Austauschteilchen mit geringerer Geschwindigkeit.

Austauschteilchen der Gravitationskraft, die [[Graviton]]en, konnten (bisher) nicht festgestellt werden. Allerdings beinhaltet Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie die Lichtgeschwindigkeit als Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitationskraft.

Somit können sich keine effektiven Wirkungen, also auch keine Felder und Kräfte, schneller als das Licht ausbreiten. Eine Fernwirkung, d.&nbsp;h. eine instantane Wirkung über beliebige Entfernungen, ist demnach unmöglich.

== Kritik ==
In der Physik wird der Begriff Nahwirkung als Gegensatz zur Fernwirkung von Kräften ungern benutzt, denn er ist missverständlich und unnötig. Die dem Fernwirkungsstandpunkt zu Grunde liegende Annahme, Kräfte wirkten sofort und unmittelbar auf jede Entfernung, beinhaltet schließlich auch eine Nahewirkung. Es erscheint zudem paradox, dass ausgerechnet die großen Reichweiten von Gravitation und elektromagnetischen Wellen als Nahwirkung bezeichnet werden.

Für den Feldstandpunkt den Begriff Nahwirkung einzuführen ist überflüssig, da es einer zusätzlichen Erklärung bedarf, wieso er synonym für den einfacheren Feldbegriff sein soll. Grundsätzlich ist immer dem klareren Begriff der Vorzug zu geben. Es genügt zu sagen: Der Fernwirkungsstandpunkt wurde vom Feldstandpunkt abgelöst.

== Literatur ==
* {{Literatur
   |Autor=[[Caspar Isenkrahe]]
   |Titel=Über die Fernkraft und das durch Paul du Bois-Reymond aufgestellte dritte Ignorabimus
   |Ort=Leipzig
   |Datum=1889}}
* {{Literatur
   |Autor=[[Paul Drude]]
   |Titel=Ueber Fernewirkungen
   |Sammelwerk=Beilage zu den Annalen der Physik und Chemie
   |Band=62
   |Nummer=1, Neue Folge
   |Datum=1897
   |Seiten=I–XLIX
   |Kommentar=Referat für die 69. Versammlung deutscher Naturforscher und Aerzte in Braunschweig, 1897; Sektion Physik}}; Berichtigung der S. XXXIX: {{Literatur |Titel=Annalen der Physik und Chemie |Band=62 |Nummer=12 |Datum=1897 |Seiten=693}}
* {{Literatur
   |Autor=[[Jonathan Zenneck]]
   |Titel=Gravitation
   |Sammelwerk=Encyklopädie der mathematischen Wissenschaften mit Einschluss ihrer Anwendungen
   |Band=V. 1
   |Ort=Leipzig
   |Datum=1903
   |Seiten=25–67
   |Online=https://gdz.sub.uni-goettingen.de/id/PPN360709532}}
* {{Literatur
   |Autor=[[Mary Hesse]]
   |Titel=Forces and Fields: The Concept of Action at a Distance in the History of Physics
   |Ort=Dover
   |Datum=2005
   |Sprache=en
   |OrtEA=Nelson
   |JahrEA=1961}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Feldtheorie]]