Basics, Philosophie und Physik |
Wir kennen vier bis fünf Grundkräfte des Universums:
- Gravitationskraft
- Elektrische Kraft
- Magnetische Kraft
- Starke Wechselwirkung
- Schwache Wechselwirkung
Diese Kräfte haben eine bestimmte Größe. Die durchaus unterschiedlich ist. Und sie haben eine bestimmte Reichweite, in denen sie “stark” sind. (Ihre Potenziale haben einen bestimmten Verlauf). Wenn die Kräfte nun leicht unterschiedlich wären, würden die Objekte im Universum entweder zusammengequetscht werden, oder auseinanderfliegen. Wer hat das so fein abgestimmt?
Zum Beispiel haben Protonen und Elektronen die genau gleiche elektrische Elementarladung. Einmal positiv beim Proton, und einmal negativ, beim Elektron. Würde sich die Ladungsmengen nur geringfügig unterscheiden, würde das Ganze auseinanderfliegen oder zusammengequetscht. Wer hat das alles so fein abgestimmt?
Die Naturkonstanten geben an, wie stark die Kräfte sind. Wer hat das alles so fein abgestimmt?
Die Idee ist, dass alle Universen auseinandergeflogen sind, oder zerquetscht wurden, bei denen das nicht der Fall war. Wir leben im besten, im möglichen Universum.
Link zum Weiterlesen: https://de.wikipedia.org/wiki/Feinabstimmung_der_Naturkonstanten
In Memoriam Heinz Oberhummer, ein Wiener Physiker, der auf diesem Gebiet ein Experte war. Später war er Mitglied der Science Busters.
Diese Texte sind Starthilfen zum Lernen. Sie geben Ihnen einen Einblick, worum es bei dem Thema geht. Die Idee. Achtung: Es ist möglicherweise nicht unbedingt genau das, was Ihr:e Prüfer:in darüber hören möchte. Es ist auch nicht der ganze Stoff. Machen Sie sich nach dem Lesen des Textes ein eigenes Bild mit Ihren Büchern und den anderen Quellen. Ein freies Online-Schulbuch aus Österreich: https://physikbuch.schule, aus Deutschland: https://www.leifiphysik.de/. Weitere empfehlenswerte Schulbuchreihen der Oberstufe aus Österreich: Big Bang, Sexl, Physik kompakt.
Basics, Philosophie und Physik |
Physik ist eine Wissenschaft. Eine Naturwissenschaft. Diese Wissenschaft ist nicht einfach vom Himmel gefallen, sondern hat sich entwickelt. Wurde entwickelt. Besonders spannende Situationen entstanden bei sogenannten “Paradigmenwechsel”. Dort, wo sich die Sicht auf ein bestimmtes Thema gravierend geändert hat, weil man auf etwas draufgekommen ist, oder weil eine bestehende Erklärung nicht mehr funktioniert hat. In Europa ist besonders das Zeitalter der Aufklärung interessant, in dem nach dem Mittelalter die moderne Wissenschaft entstand. Wir würden Galileo Galilei und Isaac Newton als erste moderne Naturwissenschafter bezeichnen. Um 1900 ist dann die Quantenphysik entstanden, die viele “klassische” Sichtweisen bzw. Beschreibungen der Umwelt durch völlig andere Beschreibungen ersetzt hat.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Wissenschaftsgeschichte
Foto: CERN/Teilchenbeschleuniger in Genf
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Wer Wissenschaft betreibt, wird recht bald einmal zu grundsätzlichen Fragestellungen kommen: Darf ich aus einigen beobachteten Fällen auf “alles” schließen? Oder mache ich es umgekehrt? Darf ich aus einem allgemein formulierten Naturgesetz schließen, dass das für alle Einzelfälle immer stimmen muss? Es gibt oft eine klare Antwort, oft aber nicht. Und oft hängt es davon ab, ob man Positivist, Realist, Idealist oder Konstruktivist ist.
Links:
- Positivismus: Erkenntnisse sollen auf wahrnehmbare Phänomene aufbauen. https://de.wikipedia.org/wiki/Positivismus
- Realismus: Die Umwelt besteht aus den Dingen, wie sie sind. https://de.wikipedia.org/wiki/Realismus
- Idealismus: Die Wirklichkeit basiert auf Ideen. https://de.wikipedia.org/wiki/Idealismus
- Konstruktivismus: Der Betrachter konstruiert einen Gegenstand durch das Erkennen. https://de.wikipedia.org/wiki/Konstruktivismus_(Philosophie)
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Das Anthropische Prinzip bringt Menschen mit dem Universum in Verbindung, Anthropos ist das altgriechische Wort für “aufrecht gehender Mensch”. Die Frage ist: warum ist das Universum so, wie es ist? Es hat uns Menschen zum Entstehen gebracht. Es muss daher so sein, sonst würde es uns nicht geben. Physikalisch gäbe es vielleicht noch weitere Möglichkeiten für Universen, auch solche, in denen wir nicht existieren. Da wir es aber beobachten können, existiert es und es muss daher so sein, wie es ist, weil es uns gibt.
Es gibt auch noch die Koinzidenz – die Feinabstimmung im Universum. Die Grundkräfte sind so gut abgestimmt, dass wir nicht auseinanderfliegen, und wir nicht zerquetscht werden. Warum ist das so? Es muss so sein, denn, sonst gäbe es uns nicht. Dazu gibt es aber noch viel mehr zu sagen und zu lesen.
Links: Im Spektrum Artikel zum Anthropischen Prinzip und zur Feinabstimmung in Wikipedia
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Was war vorher, was kam nachher? Was ist Ursache, was ist Wirkung? Das was ist, wurde von den Umständen vorher festgelegt. Ist das immer so? Gibt es Zufall? Wann können geringe Änderungen in den Anfangsbedingungen extrem große Unterschiede in den Ergebnissen bedeuten? Wann ist das nicht so? Lange Zeit glaubte man, das Universum ist wie ein Uhrwerk. Kennt man alle Räder, alle Gesetze, alle Atome, alle Kräfte, kann man den Lauf der Welt vorhersagen. Dann kam die Quantenphysik mit der “Heisenberg’schen Unschärfe”. Es ist da nicht mehr möglich, Geschwindigkeit und Ort eines Teilchens genau zu kennen. Gleichzeitig genau. Und wenn man das nicht mehr weiß, kann ich den Lauf der Welt nicht vorhersagen. Das ist zumindest im Mikrokosmos so, in der Welt der kleinsten Teilchen. Aber im Mesokosmos (in unserer Welt) oder Makrokosmos (Sterne, Universum) ist das wieder anders. Oder nicht?
Links:
- Determinismus: https://de.wikipedia.org/wiki/Determinismus
- Kausalität: https://de.wikipedia.org/wiki/Kausalität
- Heisenbergsche Unschärferelation: https://de.wikipedia.org/wiki/Heisenbergsche_Unschärferelation
- Chaosforschung: https://de.wikipedia.org/wiki/Chaosforschung
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Im Osten geht die Sonne auf, im Süden hält sie Mittagslauf. Im Westen wird sie untergehen, im Norden ist sie nie zu sehen.
Dieser Kinderreim beschreibt den Lauf der Sonne. Sie bewegt sich. Um die Erde. Aber eigentlich ist es so, dass die Sohne fix am Himmel steht (Fixstern), und die Erde sich dreht. Das Ergebnis ist das Gleiche – die sichtbar wandernde Sonne. Nur die Beschreibung, die Erklärung ist eine andere.
Es fand ein Paradigmenwechsel statt. Von der Erde im Mittelpunkt und der kreisenden Sonne hin zur Sonne im Mittelpunkt und der drehenden Erde hat sich das Weltbild gewandelt. Warum? Weil es Widersprüche gab. Es dauerte auch eine ganze Weile, bis alle, oder zumindest fast alle von dem neuen Weltbild überzeugt waren. Der Kinderreim zu korrigieren, darauf hat man vergessen.
Es gibt in vielen Bereichen der Naturwissenschaft Paradigmenwechsel. Sie sind wichtiger Teil des Fortschritts der Erkenntnis.
Links:
- Weltbild: https://de.wikipedia.org/wiki/Weltbild
- Paradigmenwechsel: https://de.wikipedia.org/wiki/Paradigmenwechsel
Foto: Der Sterngarten am Wiener Georgenberg ist ein Freiluftplanetarium. Er erzählt auch über den scheinbaren Lauf der Sonne.
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Basics, Gültigkeit physikalischer Theorien |
Die Welt, in der wir leben, hat doch eine recht praktische Größe. Die Teetasse passt zu unserer Hand, wir sehen die Bäume, graben manchmal in der Erde und sehen Würmer. Diese Welt wird Mesokosmos genannt.
Im Mikrokosmos ist aber auch Leben. Bakterien, Viren. Wir sehen sie mit dem Mikroskop. Und es geht noch kleiner, die Welt der Atome und Elementarteilchen, wir können sie mit Lichtmikroskopen nicht sehen. Es herrschen dort auch ziemlich andere Gesetze. Die Gesetze der Quantenphysik. Teilchen können Wellen sein, und umgekehrt. Man weiß nicht genau, wo sie sind. Energie kann man nur in bestimmten Portionen übertragen. Und so weiter.
Im Makrokosmos befinden sich das wirkliche Große. Sterne, Galaxien. Das Universum. Auch hier sind völlig andere Naturgesetze wichtig, als jene, die wir hier auf der Erde in unserer Umgebung bemerken.
Links:
- Mesokosmos: https://de.wikipedia.org/wiki/Mesokosmos
- Mikrokosmos: https://de.wikipedia.org/wiki/Mikrokosmos
- Makrokosmos: https://de.wikipedia.org/wiki/Makrokosmos
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Wenn etwas paradox ist, dann gibt es zwei Möglichkeiten. Etwas anderes tritt ein, als das, was man vermutet. Meist ist es einfach das fehlende Wissen, das die Paradoxie erklärt. Oder eine Situation hat zwei widersprüchliche Lösungen, die sich eigentlich widersprechen. Das kann in der Quantenphysik durchaus sein, oder in der Relativitätstheorie – das ist Teil der Theorie/Beschreibung.
Schrödingers Katze ist lebendig und tot gleichzeitig. Wie? Das kann doch nicht sein. Ja schon, ist ein Gedankenexperiment. Es soll zeigen, dass Quantenobjekte zwei verschiedene Zustände gleichzeitig haben können, bis zum Moment der Messung, wo ein bestimmter Zustand den überlagerten Zustand beendet.
Die EPR-Paradoxie ist ebenfalls in der Quantenphysik zuhause und beschreibt, dass Teilchen auch auf große Entfernung geisterhaft miteinander verbunden sind. Einstein sprach da von “spukhafter Fernwirkung”.
Und das Zwillingsparadoxon zeigt, wie Zwillinge ein verschiedenes Alter bekommen können, wenn sie zwar gleichzeitig zur Welt kommen, aber eine:r davon auf eine Reise geht, bei der er eine Zeitlang mit hoher Geschwindigkeit unterwegs ist.
Es gibt auch viele weitere Paradoxien in der Physik, die formuliert wurden, um “gescheiter” zu werden, sprich, sie sollen das Lernen illustrieren, weil sie interessante Fragen aufwerfen, die dann gut und richtig gelöst werden können. Schau dazu zu diesem Link: https://www.phyx.at/paradoxon/
Links:
- Schrödingers Katze: https://de.wikipedia.org/wiki/Schrödingers_Katze
- EPR-Paradoxon: https://de.wikipedia.org/wiki/Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon
- Zwillingsparadoxon: https://de.wikipedia.org/wiki/Zwillingsparadoxon
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Es gibt mehrere Definitionen für Entropie, das Ganze gehört in das Gebiet der “statistischen Physik” und somit auch zur Wärmelehre.
Entropie könnte man als Informationsverlust beschreiben. Bei jedem Prozess in der Natur, der selbständig abläuft, muss die Entropie größer werden, sprich: der Informationsverlust größer. Das kann man sich am besten vorstellen, indem man ins Badezimmer am Anfang der Woche schaut. Es wird am Montag aufgeräumt. Auf die Frage: wo ist die Zahnbürste kann man sofort antworten: im Glas beim Waschbecken. Über die Woche hinweg wird alles unordentlicher, die Dinge fallen zu Boden, vermischen sich. Und dann muss man zum Wochenende auf die Frage: “wo ist die Zahnbürste” sehr viel reden, um ihren Aufenthaltsort zu beschreiben. “Sie könnte zwischen den Handtüchern sein, oder unter dem Waschbecken, beim Spiegel oder …” Der Informationsverlust wurde vergrößert. Alles im Einklang mit der Natur.
Entropie hat auch etwas mit der Richtung zu tun, in die Prozesse ablaufen. Wenn man das Badezimmer die ganze Woche über filmt, und man lässt den Film von hinten nach vorne ablaufen – und wenn dieser Film dann natürlich komisch aussieht, weiß man, dass die Natur das so nicht ablaufen lassen würde. Das Badezimmer räumt sich nicht selbst auf.
Der Laplacesche Dämon ist ein Gedankenexperiment aus der statistischen Physik, der sich genau anschaut, wohin sich die Teilchen bewegen. Kann er die Zukunft vorhersagen, wenn er die Naturgesetze kennt? Es geht hier auch um Wahrscheinlichkeiten.
Links:
- Entropie: https://de.wikipedia.org/wiki/Entropie
- Laplacescher Dämon: https://de.wikipedia.org/wiki/Laplacescher_Dämon
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Alles was man denken kann. Klar kann das auch ein Experiment sein, das man sich ausdenkt. Das könnte ein Experiment sein, das man wirklich machen kann, aber nicht will. Oder es ist ein Experiment, das man überhaupt nicht machen kann, weil es sich nicht verwirklichen lässt – man möchte nur einen Gedankengang damit illustrieren. Wozu das Ganze? Um eine Erkenntnis zu zeigen.
Beispiel: Schrödingers Katze. Eine Katze wird (Achtung Gedankenexperiment – sie wird nicht wirklich) in eine Kiste gesteckt, mit ihr ein radioaktives Atom. Wenn es zerfällt wird eine Flasche Blausäure zertrümmert und die Katze stirbt. Wenn es nicht zerfällt, bleibt die Katze am Leben. Erwin Schrödinger hat sich das Experiment ausgedacht, um eine besondere Situation der Quantenphysik zu illustrieren, er sagt: “Solange man nicht in die Kiste schaut, ist die Katze lebendig und tot zugleich”. Das gibt es nämlich in der Quantenphysik. Eine Überlagerung von Umständen, die sich eigentlich ausschließen. Zum Beispiel durch zwei Löcher gleichzeitig zu gehen als Elektron oder Photon.
Oder ein weiteres Beispiel: Dämonen. Der Laplace’sche Dämon. Kann er den Lauf der Welt vorhersagen? Kann er nicht. Auch hier wieder die Quantenphysik: er kann prinzipiell Ort und Impuls jedes Teilchens nicht gleichzeitig bestimmen, und das bräuchte er, um den Lauf der Welt vorherzusagen.
Gedankenexperiment sind wertvolle Experimente, weil Menschen gerne auch Sachen und Umstände durchdenken und mit Geschichten verbinden. Es gibt sie sicher auch in vielen anderen Bereichen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Gedankenexperiment und https://www.phyx.at/gedankenexperimente/
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Der Freie Fall ist in für die Physik so etwas wie der Sprint im Laufsport. Wie der Apfel beim Obst. Wie das Lenkrad beim Auto. Eines der wichtigsten Dinge, die man verstehen möchte, wenn man nur irgend etwas mit der Sache zu tun hat.
Was brauchen wir für den freien Fall? Die Erde. Und etwas Höhe. Dann lassen wir etwas herunterfallen. So einfach ist das. Was daran aber besonders ist, hat Galileo Galilei herausgefunden:
Alle Dinge fallen gleich schnell, egal wie schwer sie sind.
Stimmt nicht, möchten Sie sagen. Eine leichte Feder fällt langsamer wie ein schwerer Stein.
Stimmt schon, sagt Galileo Galilei und korrigiert sein Fallgesetz:
Alle Dinge fallen im Vakuum gleich schnell, egal wie schwer sie sind.
Es ist der Luftwiderstand, der da mitspielt. Alle Körper fallen gleich schnell, wenn es keine Luft gibt, die den Effekt stört. Die Leute sagten aber, hey, das gibt es nicht, Luft ist immer dabei, und Galileo Galilei sagte, denkt sie Euch weg – und er war damit einer der ersten Naturwissenschaftler.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Freier_Fall
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Gültigkeit physikalischer Theorien |
Die Experimentalphysik versucht mit Experimenten Erkenntnisse zu gewinnen. Viele Jahrhunderte war das auch der weitgehend einzige Weg. Es gibt aber auch die theoretische Physik, die mit “Pen & Paper” rechnet, wie es sein müsste, wenn ein Naturgesetz stimmt. Das kann man dann mit den Ergebnissen von Experimenten vergleichen. Man kann aber auch mit dem Computer arbeiten, sogenannte Simulationen erstellen, die möglichst genau das Wissen um die Umstände und Naturgesetzen verwenden, um einerseits die Zukunft vorherzusagen – da kann man dann schauen, ob das Vorhergesagte wirklich eintritt; oder man startet die Simulation in der Vergangenheit und schaut, ob in der Gegenwart die reale Welt mit ihrem “digitalen Zwilling” übereinstimmt.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Computerphysik und https://de.wikipedia.org/wiki/Experimentalphysik
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In der theoretischen Physik versuchen die Wissenschafer:innen mit Papier und Bleistift, mit Computer und Hirn herauszufinden, wie die Welt beschrieben werden kann, wie die Nautrgesetze sind, wie alles zusammenhängt und geordnet werden kann. Anders ist es in der Experimentalphysik, wo mit Experimenten empirisch gezeigt werden kann, wie alles abläuft.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Physik
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Modelle sind vereinfachte Bilder der Wirklichkeit. Man kann eine Orange nehmen als Modell der Erde. Mit dieser Orange kann man zeigen, dass die Erde rund ist, dass es Pole gibt, dass man um die Erde herumfliegen kann, dass sie am Äquator den größten Umfang hat, und wo der kürzeste Weg von Wien nach Los Angeles verläuft. Das Orangenmodell hat aber auch seine Grenzen. Man kann damit nicht zeigen, wo Menschen wohnen, wie tief der Erdmantel hinabreicht, welche Farbe das Meer hat.
Es gab im Laufe der Erkenntnisgeschichte schon viele Modelle, die Atome beschreiben. Alle hatten ihre Gültigkeitsgrenzen, und viele sind heute noch aktuell – auch wenn man heute schon so viel mehr über Atome weiß, als in jener Zeit, als die Modelle dafür entstanden sind.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Modell_(Physik)
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Angenommen es gibt zwei unterschiedliche Beschreibungen: Der Vorhang ist rot. Der Vorhang ist blau. Das ist ein Widerspruch.
Immer wenn es in der Physik einen Widerspruch gibt (ja, es ist dieses Wort mit kurzem “I” wider/gegen, nicht wieder/again), dann zeigt dass, das etwas unklar ist und eine bessere Beschreibung, eine andere Beschreibung der Situation notwendig ist.
Beispiele: Die Sonne kreist um die Erde. Die Erde kreist um die Sonne. Ein Widerspruch. Wir müssen etwas unternehmen.
Natürlich ist es ganz normal, dass im Laufe der Wissenschaft und Forschung viele, viele Widersprüche auftreten. Immer versuchen wir sie, zu klären. Wir achten dabei auf Sparsamkeit in den Erklärungen – dieses Prinzip wird “Okhams Razor” genannt.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Ockhams_Rasiermesser
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