Entropie und Wahrscheinlichkeit (Laplacescher Dämon)

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:

  1. Entropie: https://de.wikipedia.org/wiki/Entropie
  2. Laplacescher Dämon: https://de.wikipedia.org/wiki/Laplacescher_Dämon

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.

Gedankenexperimente

Gedankenexperimente

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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Freier Fall (Galilei)

Freier Fall (Galilei)

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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Computergestützte Physik, Experimentalphysik

Computergestützte Physik, Experimentalphysik

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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Theoretische Physik

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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Gültigkeitsgrenze von Modellen

Gültigkeitsgrenze von Modellen

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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Widerspruchsfreiheit der Physik

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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Prinzip der Induktion und Deduktion

Induktion und Deduktion sind Methoden, Allgemeines und Besonderes in Verbindung zu bringen. Wir verwenden beide Methoden, um Wissen zu gewinnen.

Durch Induktion kann man Wissen verallgemeinern. Man schließt dabei von einer kleinen Sache: “Oh, ein weißes Schaf”, auf das ganz Große: “Alle Schafe sind weiß”. Deduktion ist der umgekehrte Weg: “Menschen sind schlau. Oh, hier ist ein Mensch. Er muss schlau sein.” In der Mathematik ist das “Prinzip der vollständigen Induktion” ein guter Weg, eine mathematischen Aussage zu beweisen. Man beweist die Richtigkeit für eins, und in der Annahme, dass das Gesetz auch für n gilt, kann man beweisen, dass es auch für n+1 gilt.

Links:

  1. Induktion: https://de.wikipedia.org/wiki/Induktion_(Philosophie)
  2. Deduktion:
  3. Mathematik / vollständige Induktion: https://de.wikipedia.org/wiki/Vollständige_Induktion

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Verifizierbarkeit und Falsifizierbarkeit (Sir Karl Popper)

Verifizierbarkeit und Falsifizierbarkeit (Sir Karl Popper)

Kann ich ein Naturgesetz beweisen? Nein, sagt Sir Karl Popper. Ich kann nur “zeigen”, dass es stimmt.

Wo ist der Unterschied? Beweisen meint “zu 100%”, und ich kann nicht jedes Schaf im Universum herbeizaubern, um zu beweisen, dass alle Schafe weiß sind. Aber: ich kann die Aussage zu “100% widerlegen”, wenn ich ein einziges schwarzes Schaf herbeibringe, habe ich bewiesen, dass die Aussage “alle Schafe sind weiß”, falsch sind. Wir sprechen von Falsifizierbarkeit (Widerlegen) und Verifizierbarkeit (Beweisen). Die besten Freunde, die Physiker:innen haben können, sind also jene Menschen, die versuchen, ihre Theorien und Aussagen zu widerlegen, wenn ihnen das nicht gelingt, sind die Theorien und Aussagen stark, und werden immer stärker, auch wenn man sie letztendlich nicht beweisen kann.

Links: https://de.wikipedia.org/wiki/Verifizierung und https://de.wikipedia.org/wiki/Falsifikation


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Warum ist physik eine Wissenschaft?

Physik ist eine Naturwissenschaft. Und Wissenschaft ist eine besondere Art, die Welt zu sehen, zu beschreiben, und damit auch zu erklären und und vorherzusagen. Achtung, Spoiler: Nichts davon ist beweisbar, aber darum geht es auch gar nicht. Alle physikalischen Erkenntnisse stehen immer zur Diskussion. Wer eine bessere hat, kann die “alte” Erklärung ausschalten. Daher stimmt das, was wir in der Physik einander erzählen schon ziemlich gut, weil das Beste übrig geblieben ist.

1: Physik beschäftigt sich mit den messbaren Dingen und Vorgängen. Einerseits durch Zahlen messbar, andererseits in ihrer Qualität (groß/klein/scharf/schwer). Hinweis: Es mag durchaus etwas gegben, was nicht messbar ist, aber dann ist es nichts, womit wir uns in der Physik beschäftigen.

2: Physik beschäftigt sich mit den wiederholbaren Dingen und Vorgängen. Du kannst das selbe herausfinden, wie ich. In Amerika oder in Russland. Unter den selben Bedingungen kommt immer das Selbe heraus. Es mag durchaus etwas geben, was nicht wiederholbar ist, aber dann ist es nichts, womit wir uns in der Physik beschäftigen.

3: Physik beschäftigt sich mit den vorhersagbaren Dingen und Vorgängen. Wir wissen also (nicht glauben), was rauskommt, bevor wir noch damit beginnen. Es mag durchaus etwas geben, was nicht vorhersagbar ist, aber dann versuchen wir es, vorhersagbar zu machen oder akzeptieren es (Chaosphysik, Quantenphysik).

4: Physik versucht alles soweit zu beschreiben, dass es keine Widersprüche mehr gibt. Dass also nicht mehr zwei Beschreibungen oder Erklärungen für das Selbe unterschiedlich sind. Widersprüche haben immer zu großen neuen Erkenntnissen geführt.

Insgesamt kann man noch sagen, dass wir in der Physik als Wissenschaft Aussagen mit Wahrheitsanspruch machen. Sie sind so formuliert, dass du sie widerlegen kannst.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Physik und https://de.wikipedia.org/wiki/Modell


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Messen (Grundgrößen und Messgeräte)

Messen (Grundgrößen und Messgeräte)

Es gibt ein Set an Grundeinheiten, die verwendet werden, um physikalische Größen zu beschreiben. Wir sprechen von den SI-Einheiten. Dazu gehören der Meter, die Sekunde, das Kilogramm. Alle SI-Einheiten müssen weltweit gleich sein. Die Wissenschaft vom Herstellen dieser Grundeinheiten heißt “Metrologie”.

Links:

  1. SI-Einheiten: https://de.wikipedia.org/wiki/Internationales_Einheitensystem#SI-Einheiten
  2. Metrologie: https://de.wikipedia.org/wiki/Metrologie

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Vorstellung vom Sehen im Laufe der Zeit

Vorstellung vom Sehen im Laufe der Zeit

In der Antike ging man von Sehstrahlen aus, die vom Auge ausgehen. Erst später stellte man fest, dass Lichtstrahlen von Lichtquellen austreten und auf die Objekte fallen, dort reflektiert werden in alle möglichen Richtungen, und in einer Richtung ist halt dann auch unser Auge. Das Verständnis von Licht hat sich stark verändert. Man weiß heute, dass es eine elektromagnetische Welle ist – und auch aus masselosen Teilchen besteht ergänzt die Quantenphysik, sie meint die Photonen. Was nun. Welle oder Teilchen? Beides, sagt die Quantenphysik und spricht vom Welle-Teilchen-Dualismus.

Links: https://de.wikipedia.org/wiki/Visuelle_Wahrnehmung und https://de.wikipedia.org/wiki/Welle-Teilchen-Dualismus


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Astronomische Vorstellungen von der Antike bis zu Neuzeit

Jeder von uns kennt die Sterne als Lichtpunkte am Nachthimmel. Am Firmament. Am Himmelszelt. Über die gesamte Lebensdauer der Menschheit haben sich die Menschen Gedanken gemacht, was sie sind, und wo sie sind. In der Gegenwart werden Weltraumteleskope in den Himmel geschickt, um ganz weit in das Universum hinauszuschauen, und man schaut dabei auch immer in die Geschichte zurück, weil das Licht lange braucht, bis es bei uns ist. Wohl jede Kultur hat auch ihren Schöpfungsmythos – wie das alles entstanden ist.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Universum


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Elektrische und magnetische Phänomene

Es hat relativ lange gedauert, bis man die Elektrizität “gefunden”, genauer gesagt, durch Experimente erforscht hat. Der Grund liegt darin, dass sie die elektrischen Ladungen im Alltag ausgleichen, und damit unauffällig sind. Wenn aber jemand mal einen Stromschlag von einem elektrischen Fisch bekommt – solche Fische gibt es – dann war das spektakulär, und man machte sich auf die Suche, was das genau ist. Magnetische Phänomene ebenso, es liegen halt nicht überall Magneten herum. Wenn man aber mal weiß, dass es das Phänomen gibt, beginnt die Forschung.

Links:

  1. Elektrizität: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrizität
  2. Magnetismus: https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetismus


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Vermessung der Erde und des Sonnensystems

Ist die Erde rund? Was ist der Erdradius? Wie groß ist der Erdumfang? Wie weit ist die Sonne entfernt? Und wie kann man das feststellen? Für beide Fragen gibt es Beispiele, von Menschen, die mit Experimenten die Antworten herausgefunden haben.

Links:

  1. Erathostenes: https://de.wikipedia.org/wiki/Eratosthenes
  2. Bestimmung der Entfernung Erde-Sonne: https://www.leifiphysik.de/astronomie/planetensystem/versuche/bestimmung-der-astronomischen-einheit

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