Physik - Physik.

Physik - Physik. 1 EINLEITUNG Physik (griechisch physike episteme), die Wissenschaft von der Natur. 2 GRUNDFRAGEN UND ZIEL Die Grundfragen der Physik haben sich seit ihrer Entstehung nur wenig gewandelt: Aus welchem ,,Stoff" besteht die Welt, und nach welchen Gesetzen bewegt sie sich? Die Physik beschäftigt sich mit dem Versuch, die Vorgänge in der Natur zu erfassen, zu beschreiben, zu ordnen und letztlich zu verstehen. Von ,,Verständnis" kann gesprochen werden, wenn es gelingt, eine Vielzahl von Phänomenen mit einer vergleichsweise einfachen Theorie (griechisch theorein: schauen) zu erfassen. In der modernen Physik bemüht man sich, für die Grundbausteine der Materie und deren Wechselwirkungen eine angemessene mathematische Beschreibung zu finden, in der sich das ,,reale" Verhalten widerspiegelt. Von vielen angestrebt - aber bisher unerreicht - ist eine einzige, umfassende und einheitliche Theorie. Bei allen modernen Naturwissenschaften geht man von der Grundannahme der ,,Existenz einer realen Außenwelt" aus. Damit ist gemeint, dass es einem Beobachter möglich ist, seinen Körper und die ihn umgebende Welt als eine (komplizierte) Maschine zu betrachten, die sich nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten bewegt. Von einer mechanistischen Beschreibung der Welt sind keine Aussagen über Gefühle, ästhetisches Empfinden, freien Willen, Bewusstsein, Moral und Ethik etc. zu verlangen, obwohl auch darüber diskutiert wird. 2.1 Gliederung der Physik Die Physik kann nach verschiedenen Gesichtspunkten gegliedert werden: einerseits methodisch in Experimentalphysik und theoretische Physik, andererseits historisch in griechische Physik (besser Naturphilosophie), klassische Physik und moderne Physik. Die klassische Physik gliedert sich inhaltlich in Mechanik (Lehre von der Bewegung von Punktteilchen, Statik und Dynamik starrer Körper und Flüssigkeiten), Akustik (Lehre vom Schall), Thermodynamik (Wärmelehre), Elektrodynamik (Wechselwirkung von Ladungen mit elektrischen und magnetischen Feldern) und Optik (Lehre der Lichtausbreitung). Wichtige Gebiete der modernen Physik sind spezielle Relativitätstheorie (Umformulierung der Mechanik und Elektrodynamik unter Berücksichtigung der Gleichheit der Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen in einer flachen Raum-Zeit), die allgemeine Relativitätstheorie (Gravitation als Folge der geometrischen Struktur der gekrümmten Raum-Zeit und ihre Dynamik, festgelegt durch die Materieverteilung), Quantentheorie (Verhalten von Materie bei kleinen Abständen) mit den Unterdisziplinen Quantenmechanik (Kernphysik, Atomphysik, Molekülphysik, Physik der kondensierten Materie) und Quantenfeldtheorie (Elementarteilchenphysik, Quantenelektrodynamik mit Anwendungen in der Quantenoptik und Laserphysik) sowie Kosmologie und Astrophysik. Eine andere Gliederung ist durch die Unterscheidung in mikroskopische und makroskopische Physik gegeben. Die Disziplin, die aus den mikroskopischen Gesetzen das Verhalten makroskopischer Systeme erklärt, z. B. aus der klassischen Mechanik die Thermodynamik, Flüssigkeits- und Gasmechanik, ist die statistische Physik. 2.2 Anwendungsbereich und Nachbargebiete Die Physik versteht sich als grundlegende Naturwissenschaft, auf der alle anderen Naturwissenschaften aufbauen. Es besteht eine sehr enge Verbindung mit der Mathematik, die sich in steter Wechselwirkung mit der (theoretischen) Physik entfaltet hat (man denke etwa an die Entwicklung der Geometrie von Euklid, Gauß und Riemann, die Differential- und Integralrechnung von Newton und Leibniz und die Wahrscheinlichkeitstheorie). Die wichtigsten Nachbardisziplinen der Physik sind Chemie (eng verwandt mit der Atom- und Molekülphysik), Biologie, Geophysik, Mineralogie, Kristallphysik, Meteorologie und technische Physik. 2.3 Methoden Es gibt keine einfachen Methoden, die einen Erkenntniszuwachs garantieren, auch nicht für die ,,exakte Naturwissenschaft" Physik. Es hat sich gezeigt, dass Wissen nicht immer ,,Steinchen für Steinchen" stetig wächst, sondern durchaus sprunghaft. Solche Sprünge sind oft von ,,Paradigmenwechseln" begleitet, radikalen Änderungen der Perspektive, nach denen auch bereits bekannte Phänomene gänzlich anders erklärt werden, wie z. B. beim Wechsel zwischen der Teilchen- und der Wellentheorie des Lichtes. Die Gründe für das Auftreten eines solchen Paradigmenwechsels sind vielfältig. Experimentelle Befunde sind dabei zwar ein wichtiger, aber bei weitem nicht der einzige Motor. Streng genommen kann man eine Theorie experimentell nie verifizieren oder falsifizieren, d. h. mit Sicherheit über ihre Gültigkeit entscheiden. Teilweise müssen verschiedene Theorien die Vorherrschaft sogar zunächst mit denselben experimentellen Daten ausfechten (Wärmestofftheorie, Wellen- und Teilchentheorie des Lichtes, Äthertheorie, Atomhypothese). In der Regel werden bestehende Theorien über ihren gesicherten Anwendungsbereich hinaus extrapoliert und Hypothesen formuliert, die dann (meist indirekt) experimentell und theoretisch überprüft werden. Auch die Untersuchung von Anomalien und nicht zuletzt der Zufall (z. B. Becquerels Entdeckung der Radioaktivität) spielen eine große Rolle. Beeindruckende Voraussagen ergeben sich häufig aus einem festen Glauben an die Richtigkeit einer Theorie, selbst wenn sie den bisherigen Beobachtungsdaten widerspricht (z. B. Vorhersage und Entdeckung neuer Planeten, Vorhersage des Positrons und des Neutrinos). Die Kriterien für die Güte einer physikalischen Theorie sind z. B. die innere Konsistenz (Widerspruchsfreiheit), die Einfachheit, Eleganz und ästhetische Schönheit der mathematischen Formulierung, die Natürlichkeit der Erklärung möglichst vieler Phänomene und Experimente und die Vorhersagekraft. Ein weniger hoch stehendes, aber zu allen Zeiten oft verwendetes Kriterium ist die Berufung auf die Meinung anerkannter Autoritäten. 3 GRIECHISCHE NATURPHILOSOPHIE Die Bedeutung der griechischen Antike für die moderne Naturwissenschaft kann kaum genug betont werden, denn sie stellte einen Rahmen auf, der in vielen Bereichen auch noch heute gültig ist. Dabei sind meist nicht die einzelnen Aussagen wichtig, die gegeben wurden und die man allzu leicht als unwissenschaftlich oder mystisch verurteilt, sondern die Grundfragestellungen, die damals entwickelt wurden und hauptsächlich den ,,Urstoff" und seine Wandlung betrafen: Woraus besteht die Welt, woher kommt die Vielfalt in der Natur, und was bedingt ihre Veränderung? 3.1 Der Beginn: Thales, Anaximander und Anaximenes Die große Leistung dieser ersten griechischen Naturphilosophen im 6. Jahrhundert v. Chr. in Milet (,,die Milesier") war die Loslösung von der Vorstellung, dass Götter und Göttinnen, wie sie etwa bei Homer und Hesiod beschrieben werden, die Welt beherrschen. Daraus entwickelte sich das Bestreben nach einem rationalen Verständnis der Vorgänge in der den Menschen umgebenden Natur. Zwar hatten schon die Chinesen, Babylonier, Assyrer und auch die alten Kulturen Mittelamerikas umfangreiche mathematische Methoden zur Berechnung von Mond- und Sonnenfinsternissen entwickelt; diese Methoden wurden aber eher als religiöse Geheimnisse verstanden. Dieser Glaube an die prinzipielle Verstehbarkeit der Natur ist bis heute die Grundlage aller Naturwissenschaften. Noch bestand eine untrennbare Einheit von belebter und unbelebter Natur. Leben, so Thales (ca. 585 v. Chr.), sei allmählich aus unbelebter Materie im Wasser entstanden. Dies ist durchaus als Vorläufer der Darwin'schen Evolutionstheorie zu sehen. Aus der Erkenntnis, dass alle Materie, aus der die Welt besteht, bei all ihrer unendlichen Mannigfaltigkeit doch so viel Gemeinsames hat, wurde gefolgert, dass ihr eigentlicher Grundstoff ein und derselbe sein müsse. Thales vermutete als Urstoff das Wasser. Später schlug Anaximander (ca. 565 v. Chr.) als Urstoff einen uns unbekannten Stoff (apeiron: das Unbegrenzte) vor. Anaximenes (ca. 545 v. Chr.) stellte sich die Hauptformen der Veränderung und Umwandlung durch Verdünnung und Verdichtung von Luft vor; aus Luft entstünden durch Verdichtung Nebel, Wolken, Wasser und feste Erde. An diese Theorie knüpfte später die Atomtheorie von Leukipp und Demokrit an. Anaxagoras (ca. 500 v. Chr.), der die Tradition der milesischen Denker nach Athen brachte, lehrte, dass der Mond beschienen wird und der Erde näher steht als die Sonne, erstellte eine korrekte Theorie der Sonnen- und Mondfinsternisse und erklärte Sonne und Sterne als feurige Steine von enormer Größe. Die Hitze der Sterne spüre man nicht, da sie so weit von der Erde entfernt seien. 3.2 Die Pythagoreer Pythagoras (um 570 bis 480 v. Chr.), eine sehr einflussreiche Persönlichkeit, war der Gründer einer sektenähnlichen Schule. Trotz der teils mystischen Verquickung von merkwürdigen Regeln (z. B. durfte man keine weißen Hähne berühren) und der Lehre von der Seelenwanderung kann man diese Schule als Geburtsstätte der Mathematik ansehen. Die Grunddoktrin seiner Lehre war: ,,Dinge sind Zahlen" oder ,,Dinge sind wie Zahlen". Die Beobachtung, dass sich Harmonie in der Musik, die die Menschen traurig oder fröhlich stimmen kann, durch das Verhältnis ganzer Zahlen ausdrücken lässt, führte zu einem tiefen Glauben an die grundlegende Bedeutung der Zahlen, der auch später Platon (427-347 v. Chr.) stark beeinflusste. Die Pythagoreer wussten, vermutlich durch die richtige Deutung des Schattens auf dem Mond, dass die Erde eine Kugel ist und der Mond nicht selbst leuchtet. Sie nahmen an, dass der Mond, die Erde, die anderen Planeten und die Sonne um ein ,,Zentralfeuer" kreisten. Um zu erklären, warum dieses Zentralfeuer nie direkt zu sehen ist, nahmen sie an, dass die Erde auf ihrem Umlauf immer ihre bewohnbare Seite vom Zentralfeuer abwendet (Philolaos, ca. 450 v. Chr.). Damit war also die Bewegung der Gestirne als eine scheinbare erklärt, und zusätzlich hatte man erkannt, dass die Erde um ihre eigene Achse rotiert. Aristarch von Samos (310-230 v. Chr.) verbesserte diese Theorie zu einem heliozentrischen Weltbild, nachdem auch auf ausgedehnten Entdeckungsfahrten das Zentralfeuer nie beobachtet worden war und man die Sonne an die Stelle des Zentralfeuers rückte. Diese Theorie wurde allerdings von Hipparch aus Alexandria (um 190 bis 125 v. Chr.) verworfen und wurde erst fast 2 000 Jahre später von Kopernikus wieder belebt. 3.3 Parmenides und Heraklit Die beiden herausragenden Denker der Zeit von etwa 540 bis 480 v. Chr. waren Parmenides (um 515 bis ca. 445 v. Chr.) aus der griechischen Kolonie Elea (später die Eleaten) und Heraklit von Ephesus (um 550 bis ca. 480 v. Chr.). Parmenides vertrat die Ansicht, dass Veränderung, Werden und Vergehen nur Täuschungen unserer Sinne seien. Seine Hauptthese ,,IST IST" kann dahin gehend verstanden werden, dass ,,das Seiende" einfach da ist, d. h. sich weder aus einem ,,NICHT IST" entwickeln noch in ein ,,NICHT IST" verschwinden kann. Dieses ,,NICHT IST" existiere daher nicht, und das alles umfassende ,,Seiende" durchdringe alles. Also könne es auch keine Veränderung und Bewegung geben. Es war ihm wohl bewusst, dass diese Sichtweise in krassem Widerspruch zur sinnlichen Erfahrung steht, aber er sah sich durch den Verstand zu diesem Schluss gezwungen. Die dazu konträre Auffassung vertrat Heraklit (beeinflusst von Anaxagoras und den Milesiern), der als einzige Gemeinsamkeit die Annahme eines einzigen ,,Urstoffs" mit Parmenides teilte. Der Urstoff sei in beständigem Wandel (,,Panta rhei" = Alles fließt), Gegensätze seien allgegenwärtig und wandeln sich in bestimmten gesetzmäßig festgelegten Proportionen ineinander um. Empedokles (494-434 v. Chr.) versuchte eine Art Synthese aus diesen beiden so verschiedenen Ansätzen, indem er mehrere Urstoffe (Feuer, Wasser, Erde, Luft), ein jeder für sich ewig und beständig, annahm, die sich durch Anziehung und Abstoßung (heute würde man von Kräften sprechen), durch Liebe und Hass verschiedentlich aufteilen. Er versuchte so, die Vielfachheit und Wandlung der Formen mit der ewigen Beständigkeit in Einklang zu bringen. Diese Aufteilung der Welt in Stoff und Kraft ist bis heute von zentraler Bedeutung. 3.4 Die Atomisten: Leukipp und Demokrit Die tatsächliche Synthese aus den beiden großen Strömungen gelang den Atomisten Leukipp (um 460 v. Chr.) sowie Demokrit (460-371 v. Chr.), einem Zeitgenossen von Sokrates. Man geht davon aus, dass Leukipp, von dessen Werken fast nichts überliefert ist, eine sehr ähnliche Atomlehre vertrat wie Demokrit. Die Grundthese der Atomisten war die folgende: Es gibt verschiedene unteilbare und unsichtbar kleine Körper, genannt ,,Atome" (von atomos: unteilbar), und dazwischen ,,leeren Raum". Die Atome waren schon immer da und sind unveränderbar (ganz im Sinne von Parmenides) und unterscheiden sich nur in ihrer Form. Sie besitzen keine weiteren Qualitäten wie etwa Gewicht oder Schwere. Die Atome sind undurchdringlich und in ständiger Bewegung, welche von selbst bestehen bleibt (eine Vorform des Trägheitssatzes, der erst etwa 2 000 Jahre später von Galilei und Newton streng gefasst wurde). Diese Bewegung besteht in alle Richtungen gleichermaßen und ändert sich nur durch Stöße mit anderen Atomen. Durch ihre unterschiedlichen Formen können sich die Atome zu verschiedenen Körpern zusammensetzen und so die Mannigfaltigkeit der Phänomene, das Werden und Vergehen, erklären (ganz im Sinne von Heraklit). Das Verdünnen und Verdichten, die Grundlage der Lehre von Anaximenes, wird nun durch die wachsenden oder kleiner werdenden Abstände zwischen den Atomen erklärt. Demokrit bestand darauf, dass die Bewegung aller Atome, auch die eines belebten Körpers, durch Gesetze bestimmt sei. Ein Teil der Atome eines belebten Körpers sollte die Seele oder den Geist bestimmen. Man muss hier betonen, dass diese Theorie - bis auf die Idee der Seelenatome - in wesentlichen Teilen der modernen Physik entspricht und nahezu ohne experimentelle Daten erdacht wurde. Weiterhin ist die äußerst fortschrittliche erkenntnistheoretische Einsicht von Demokrit hervorzuheben: Er schließt seine Abhandlung über die Atomlehre mit dem berühmten Wettstreit zwischen dem Verstand (,,Scheinbar ist Farbe, scheinbar Süßlichkeit, scheinbar Bitterkeit: wirklich nur Atome und Leeres!") und den Sinnen (,,Du armer Verstand, von uns nimmst du die Beweisstücke und willst uns besiegen? Dein Sieg ist dein Fall!"). Demokrit verspürte offenbar großes Unbehagen darüber, dass seinem atomistischen Weltbild alle Sinnesgegebenheiten fehlen, auf denen es aufgebaut ist. Selten ist diese Antinomie des Leib-Seele-Problems prägnanter ausgedrückt worden. Demokrit muss ohne Zweifel als Vorläufer der heutigen Atomtheorie gelten. Gemeint sind natürlich nicht die Atome der Chemie oder die Atomkerne, sondern diejenigen Teilchen, die in der heutigen Physik als punktförmig und unteilbar angenommen werden (z. B. Elektronen und Quarks). Die Atomlehre wurde von Petrus Gassendi (1592-1655), der die Ausarbeitungen Epikurs (341-271 v. Chr.) zur Atomlehre von Demokrit studiert hatte, und später von John Dalton (1766-1844) im Bereich der Chemie wieder entdeckt. 3.5 Aristoteles Einen enormen Einfluss auf die Physik für fast 2 000 Jahre hatten die Arbeiten von Aristoteles (384-322 v. Chr.), einem Schüler Platons. Insbesondere durch die Schriften des Aristoteles ist überhaupt das frühere Denken, wenngleich teilweise zum Zweck der Kritik gefärbt, zusammengestellt worden. Seine Lehren verfestigten sich im Lauf der Zeit zu festen Dogmen, und es dauerte lange, bis sich die Physik aus diesen Fesseln befreien konnte. Aristoteles verwarf die Vorstellung der Atomisten, denen er vorwarf, keine Gründe für die beständige Bewegung der Atome anzugeben, und übernahm die Aufteilung in die vier Grundstoffe Feuer, Erde, Wasser und Luft und eines fünften, des Weltäthers, der ,,Quintessenz" (lateinisch quinta essentia: fünfter Stoff). Von großem Einfluss erwies sich die aristotelische Dynamik. Die Himmelsdynamik sollte anderen Gesetzen folgen als die Bewegung der Körper auf der Erde: Die Bewegung der Planeten und Sterne sollte ,,naturgemäß" auf konzentrischen ...