"Ich will wissen, warum die Dinge sind, wie sie sind. Und ich will die fundamentalen Gesetze verstehen, die unser Universum zu dem machen, was es ist." So oder ähnlich würden wohl viele angehende Physiker erklären, was sie bewegt, diese Wissenschaftsdisziplin zu ihrem Beruf zu machen. Wir Physiker wollen schlicht und einfach lernen, wie die Welt funktioniert.
Physik ist die fundamentalste der Naturwissenschaften – so sehen es die Physiker selbst, und diese Sichtweise prägt auch die Art und Weise, wie Physik gelehrt wird. Demzufolge ist das gedankliche Gebäude der Naturbeschreibung, das die Disziplin zu errichten versucht, allumfassend, frei von inneren Widersprüchen, konzeptionell zwingend und über all das hinaus auch noch überwältigend schön. Das Feld der von der Physik erklärbaren und erklärten Phänomene ist weit, und es bildet nichts weniger als die Grundlage der gesamten modernen Zivilisation.
Doch in dem Gebäude zeigen sich Risse. Je weiter ein Physiker auf seinem Berufsweg voranschreitet, als desto auffälliger wird er sie empfinden. Er wird den Schmutz entdecken, der unter den Teppich gekehrt worden ist, und all die Schummeleien und Betrügereien, die auch der Physik nicht fremd sind. Das vermeintlich stabile Bauwerk, so stellt er beunruhigt fest, sieht eher aus wie eine moderne Version von Pieter Bruegels Turm zu Babel – eine heruntergekommene Struktur aus isolierten Modellen, die durch schiefe Erklärungen notdürftig miteinander verbunden sind, kurz eine Monstrosität, die himmelwärts taumelt


Tony Rothman ist theoretischer Physiker an der
Princeton University. Sein Forschungsinteresse
gilt dem frühen Universum, der allgemeinen
Relativitätstheorie und fundamentalen Fragen
der Physik.
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1. Es fehlt eine allgemeine Theorie der Physik
19.01.2012, Bernhard Kaczmarek2. Wissenschaftstheorie
19.01.2012, Joachim BlechleIch kann mich des Eindrucks nicht erwehren, dass sich viele der Wissenschaftstheoretiker ausschließlich damit beschäftigen, aus Hieroglyphen und Zahlenkolonnen zu lesen, wie Wahrsager aus dahingeworfenen Knochen. Den Wissenschaftstheoretikern fehlen drei wesentliche Voraussetzungen:
Sie sind nicht in der Lage –
1. durchs Fernrohr von Galileo Galilei zu schauen,
2. ein weißes Blatt Papier zu beschreiben und
3. zu akzeptieren, was ein Dritter sieht.
(Ich möchte hier nur anmerken, dass das nicht voll umfänglich wörtlich zu verstehen ist!)
Da kann man auch nicht zu den in diesem Beitrag in Rede stehenden gewünschten Erkenntnissen kommen, z. B. welcher physikalische Mechanismus hinter der Trägheit der Masse steckt oder wie viele Dimensionen das Universum besitzt.
Joachim Blechle
3. Messproblem
20.01.2012, KeeperAber ich muss Ihnen zustimmen, dass die Physik ein Sammelsurium aus geschickten Näherungen darstellt (das Zitat von Einstein schmückt den Beginn meiner Diplomarbeit ^^). Doch bin ich während meines Studiums häufig genug darauf aufmerksam gemacht worden. Nur wenn eine Gleichung einen Vorgang beschreibt, ist doch schon viel gewonnen. Man möge da nur an das plancksche Strahlungsgesetz denken und wie viel sich daraus entwickelt hat.
Wenn man sich nur mit exakten analytischen Ergebnissen oder Lösungen zufrieden gibt, wird man natürlich sehr schnell enttäuscht sein. Aber mit Näherungen, besonders numerischen, kommt man -zumindest in der klassischen Thermodynamik - recht weit.
P.S: @Reibung: in einer letzten Übungsstunde habe ich meinen Erstsemestern noch klar gemacht, dass Reibung so nur phänomenologisch erklärt werden kann und es da sehr schnell sehr kompliziert werden kann.
4. Die Suche nach Erklärungen, wo es keine gibt
20.01.2012, Gilbert BrandsDie Physik will nichts erklären. Ihre Aussage besteht mehr oder weniger in "wenn du unter diesen Randbedingen diesen Schalter umlegst, schlägt das Messgerät dort hinten bis zur Marke 5 aus". Unter Einhalten der Randbedingungen funktioniert die Physik ausgezeichnet. Die Mathematik ist für die Systematik zuständig, nicht für Erklärungen. Und auch das funktioniert ausgezeichnet.
Ich weiß nicht, warum der Autor die Physik offensichtlich auf das Niveau einer Geisteswissenschaft herunterziehen will, die schon einen völlig anderen Theoriebegriff besitzt (in den Naturwissenschaften dient eine Theorie zur Voraussage, in den Geistenwissenschaften in der Regel zur nachträglichen Begründung). Stört es ihn, dass es noch Wissenschaften gibt, deren Berechnungen und Vorhersagen in der Praxis eintreffen? Möglicherweise, denn der Genderismus in der Wortwahl deutet in diese Richtung (zu diesem Thema orientiert man sich am Besten auf den Seiten der Academie Francaise).
5. Wohltuend
20.01.2012, Herbert Kern6. Merkwürdig
20.01.2012, Michael KargerWas soll also die Bemerkung über die Singularität beim Coulombschen Gesetz? Teilt der Autor seinen Studenten nicht mit, was der Gültigkeitsbereich einer physikalischen Formel ist? Oder benutzt er das Coulombgesetz auch in Bereichen, wo die Quantentheorie das Sagen hat? Wer sagt denn, dass die Newtonschen Gesetze das Fundament der Physik bilden?
Das war ein erster Ansatz, der jetzt schon mehr als 300 Jahre alt ist. Wir haben doch längst erkannt, in welchem Bereich sie gültig sind und wo man bessere Beschreibungen verwenden sollte (siehe Relativitätstheorien). Newton war ein erster grober Ansatz, nicht falsch, aber doch nur begrenzt gültig. Mit Newton kann man die Welt nicht vollständig beschreiben, also warum bemüht der Autor den Begriff Entropie, um Newton zu kritisieren?
Worin bestehen denn die "Schummeleien" und "Betrügereien" in der Physik? Hat der Autor nicht die Idee verstanden, die hinter dem Begriff "Näherung" liegt? Glaubt der Autor wirklich, die Gesetze der Physik beschreiben die Wirklichkeit? Sie sind allenfalls Beschreibungen von Modellen der Wirklichkeit. Fairerweise sollte man das auch den Studierenden sagen und zwar nicht nur einmal.
Die Wirklichkeit ist nicht erkennbar, wir werden immer mit Näherungen leben müssen und sollten uns im Klaren über die Begrenztheit der Näherungen sein. Theorien sind lokal entstanden und können zu Widersprüchen führen, wenn sie in andere Bereiche verlängert werden. Dessen sollte man sich bewusst sein.
Die Mathematik ist nicht das beste Mittel, die Natur zu beschreiben. Näherungsweise mag es funktionieren, global sicher nicht. Warum sollte die Natur mathematisierbar sein?
Und warum sollte die Natur so strukturiert sein, dass der Mensch sie versteht? Dass es Lehrbücher mit unzureichenden und schlechten, manchmal sogar falschen Erklärungen gibt, sollte nicht dazu führen, der Physik Betrügereien vorzuwerfen.
Der Beitrag dieses Autoren ist sehr ärgerlich und unnötig. Unverständnis kann nicht die Basis fundierter Kritik sein. Sein letzter Absatz ist hingegen richtig und wir sollten uns dessen bewusst sein. Vergessen wir nie die Ehrlichkeit gegenüber der Begrenztheit der physikalischen Methode.
7. Deutsches Problem
20.01.2012, Andreas Maierhttp://en.wikipedia.org/wiki/List_of_unsolved_problems_in_physics
8. turtle of doom
20.01.2012, David CrollEs hat noch nie geholfen, zu warten bis andere etwas tun.
9. Wenig neues...
20.01.2012, Arthur SchönbergDie Aussage des Autors, es gäbe unter den vielen nur numerisch berechenbaren Problemen nur eine fast vernachlässigbar geringe Anzahl von analytisch (exakt) lösbaren ist natürlich richtig; es wird jedoch keinen Erstsemester vom Hocker hauen. Es ist schlicht und ergreifend falsch, dass diese Tatsache den Studenten (bewusst?) verschwiegen wird.
Manche Näherungsmodelle, auf die ein Physikstudent im Laufe des Studiums stößt, sind so drastisch und wirken so aus dem Ärmel gezaubert, dass ein jeder Anfänger mit einer gesunden Kritikfähigkeit protestieren wird. Jedoch ist der Sinn solcher Näherungen klar: Rein aus didaktischen Gründen sind diese Modelle häufig sehr nützlich. Sie zeigen oft grundlegende Eigenschaften eines Systems, ohne dass viel programmiertechnischer Aufwand betrieben wird.
Es wird also überhaupt nichts unter den Teppich gekehrt. Jeder Physiker weiß, dass selbst die besten Theorien nur Annäherungen an die (so genannte) Realität sind, und kein seriöser Wissenschaftler würde jemals etwas anderes behaupten.
10. Völlig haltlose Behauptungen
20.01.2012, Gerhard BrunthalerDass grundlegende Fragen offen sind, ist wohl klar, und wenn dann die Frage nach der Trägheit der Masse, der Anzahl der Raumdimensionen in kleinsten Bereichen und die gemeinsame Beschreibung der Grundkräfte der Natur aufgezählt werden, dann sind dies eben einige der aktuellsten, aber auch der anspruchsvollsten Probleme.
Dann wird gleich die Reibung und die Zunahme der Entropie aufgegriffen. In diesem Zusammenhang wird behauptet, dass die Zunahme der Entropie der einzige Unterschied sei, der Vergangenheit und Zukunft von den physikalischen Gesetzen her unterscheidet. Dies ist aber zu kurz gegriffen. Es werden mindestens drei Effekte in diesem Zusammenhang diskutiert, zu denen neben der Entropiezunahme auch eine Asymmetrie bei der Ein- und Ausstrahlung von elektromagnetischen Wellen und eine einseitige Zeitentwicklung ausgehend vom Urknall des Universum gehören (siehe z.B. V. I. Konushko „Where is the Time Arrow Flying?“ in Journal of Modern Physics, Vol. 2, 2011, DOI: 10.4236/jmp.2011.27074).
Die Zunahme der Entropie wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben. Es wird behauptet, dass es nicht gelungen sei, diesen aus den Newton’schen Gesetzen herzuleiten. Dieser Behauptung möchte ich hier klar widersprechen. Der Ablauf eines thermodynamischen Systems unterliegt völlig den klassischen Gesetzen der Physik. Aber Ludwig Boltzmann gelang es ein neues Prinzip zu erkennen. Wenn das System sehr viele Möglichkeiten hat einen neuen Zustand einzunehmen, so wird es mehr oder weniger zufällig in einen davon gehen und die Wahrscheinlichkeit in den Ausgangszustand zurückzufinden ist einfach extrem unwahrscheinlich.
Boltzmann hat die klassische Physik mit einer Wahrscheinlichkeitsrechnung verbunden. Das ist alles, was dahintersteckt und steht auch nicht im geringsten Widerspruch zur klassischen Physik. Wenn der Autor des Artikels schreibt „Die Unvereinbarkeit des zweiten Hauptsatzes mit den anderen grundlegenden Theorien der Physik bleibt das vielleicht größte Paradoxon der gesamten Disziplin“, so ist das schlichtweg Unsinn.
Nach der Zwischenüberschrift „Der große Schwindel der Einführungsvorlesungen“ geht es dann weiter. Wieder wird behauptet, der Reibungsterm in der Federgleichung werde ad hoc eingeführt und würde das Verhalten einer Schwingungsfeder nicht im Geringsten erklären. Aber natürlich tut sie das. Man muss sich nur klar sein, dass im Inneren eines Festkörpers die geordneten Schwingungsanregungen durch Streuprozesse in ungeordnete Schwingungen übergeführt werden und dies genau einer Temperaturzunahme entspricht. Mit diesen und ähnlichen Argumenten kann man sehr wohl verstehen was passiert.
Der Autor hat recht, wenn er dann schreibt, dass es überaus bemerkenswert ist, dass sich die Physik und damit die Natur durch relativ wenige mathematische Gleichungen beschreiben lässt, die noch dazu eine überaus „schöne“ Symmetrie aufweisen. Tatsächlich wird dies vor allem in der Elementarteilchenphysik zu einer Art Glaubenssatz erhoben, der sich aber bisher immer wieder bestätigt hat.
Dann kommt der Autor (wieder) zum Pendel. Die mathematischen Gleichungen dafür sind nur unter der Näherung kleiner Schwingungen einfach lösbar. Für die vollständige Beschreibung ist ein größerer Aufwand nötig – na und? Es wird ja nie behauptet, dass die gesamte Physik und die zu deren Beschreibung notwendige Mathematik, einfach sei. Aber daraus wieder ein Mysterium zu konstruieren ist wirklich zu viel des Guten.
Für ein Pendel mit beliebig großen Winkelausschlägen erhält mein eine Differentialgleichung und muss ein Integral von der Form „integral d_theta/sqrt(cos(_theta) - cos(_theta0))“ lösen, wobei _theta0 den Anfangswinkel darstellt. Wenn das Pendel senkrecht nach unten hängt, ist der Winkel _theta = 0. Für _theta0 = 0, d.h. 90° Anfangsauslenkung, wird die Lösung am einfachsten. Geben Sie doch selbst einmal „integral dx/sqrt(cos(x))“ in das Eingabefeld von WolframAlpha (http://www.wolframalpha.com), dem Webinterface zu Mathematica ein – schon haben sie die Lösung (in der Eingabezeile wird die Variable „x“ anstelle von „theta“ verwendet, da WolframAlpha damit gewisse Probleme hat). Sie können auch das Integral für beliebige Anfangswinkel eingeben „integral dx/sqrt(cos(x)-a)“, wobei a für cos(_theta0) steht und erhalten sofort die Lösung.
Durch Weiterklicken kann man sich über die zur Lösung benötigten Funktionen, das sind die elliptischen Funktionen, informieren. Nicht ganz einfach, aber auch keine Hexerei, aber daraus eine Verschwörung zu konstruieren, es gäbe Risse in der Physik!?
Einstein hat zur Beziehung zwischen Physik und Mathematik wohl eine etwas unglückliche Aussage gemacht, die man aber wohl nicht auf alles beziehen sollte.
Dann kommt im Artikel das Kapitel über „Unendlich große Kräfte“. Hier werden Probleme angesprochen, aber dann wohl auch stark verzerrt. Zu den Feldtheorien, der Quantenelektrodynamik und dem Abraham-Lorentz Modell möchte ich aber keine Aussagen treffen, da ich mich da zu wenig auskenne.
Unter derselben Überschrift taucht aber auch noch der Lagrange-Formalismus auf und wird – Simsalabim – gleich wieder mystifiziert. Der Lagrange-Formalismus ist wirklich nicht ganz einfach. Als Physikstudent habe ich ihn nicht begriffen, aber mich später noch einmal damit beschäftigt. Wenn man nur eine Anzahl von freien Teilchen betrachtet, kann man darauf sehr einfach die Newton’schen Bewegungsgleichungen anwenden. Wenn aber zwischen den Teilen eines Systems weitere Beziehungen, so genannte Zwangsbedingungen, herrschen, so ist es meist einfacher neue Parameter einzuführen, mit denen man die eingeschränkten Bewegungsmöglichkeiten des Systems gerade vollständig beschreiben kann.
Es handelt sich hierbei dann um einen Satz linear unabhängiger Parameter, denen man den Begriff der verallgemeinerten Koordinaten zuordnet. Da dieser Parameterraum genau alle Freiheitsgrade abdeckt, kann man auch jeden Parameter unabhängig von den anderen variieren, was bei den kartesischen Koordinaten, die wegen der vorhandenen Zwangsbedingungen teilweise voneinander abhängen, nicht möglich ist. Eine Umrechnung der Newton’schen Gleichung „Kraft ist Masse mal Beschleunigung“ bzw. in der Form „Kraft ist gleich Impulsänderung“ auf diese neuen Parameter ergibt (nach einer zugegebenermaßen etwas aufwändigeren Rechnung) direkt die Lagrange Gleichungen für jede dieser verallgemeinerten Koordinaten getrennt.
Im nächste Schritt, dem Hamilton’schen Prinzip, kann man zeigen, dass dieser zeitliche Ablauf eines Systems, der durch die Lagrange-Gleichungen beschrieben wird, direkt identisch ist mir der Aussage, dass das Integral der Lagrange-Funktion über die Zeit minimal ist (im allgemeinsten Fall extremal, also minimal oder maximal, aber tatsächlich fast immer minimal). Dieses Integral wird als die Wirkung des Systemablaufs bezeichnet. Bis hier her folgt alles direkt über Zwischenschritte und Ableitungen aus der Newton’schen Dynamik, ohne Zauberei und Mystik. Die Aussagen sind alle gleichwertig zueinander.
Ein Vorteil des Lagrange-Formalismus besteht darin, dass die Kräfte nicht mehr direkt aufscheinen sondern durch Ableitungen von Potentialen ersetzt werden. Und ist in weiten Bereichen der Physik, wie z.B. bei den Elementarteilchen von Vorteil, wo man meist mit Potenzialen arbeitet. Auch beim Übergang zur Quantenmechanik ist die von Vorteil, da in der Schrödingergleichung keine Kräfte vorkommen, sondern nur Potenziale. Dies ist auch der Grund, warum die besagte Gleichung von Erwin Schrödinger 1926 aus dem Lagrange- und Hamilton-Formalismus „abgeleitet“ wurde. Es macht also durchaus Sinn in gewissen Bereichen nicht direkt mit dem Newton-Formalismus zu arbeiten. In der Elementarteilchenphysik sind der Lagrange-Formalismus und die Wirkung aufgrund ihrer Universalität und Erfolge dann quasi zum Prinzip erhoben worden. Da spricht ja wohl nichts dagegen!
Etwas weiter unten nimmt sich der Autor auch noch den Elektronenspin vor und bezeichnet ihn als „Fachausdruck für den Eigendrehimpuls des Teilchens“. Dies ist eine irreführende Darstellung. Es wurde vielfach gezeigt, dass es sich nicht um einen Eigendrehimpuls im klassischen Sinne handelt, sondern um einen „inneren Freiheitsgrad“ in der Quantenphysik, der genau zwei mögliche Eigenzustände besitzt und kein kontinuierliches Spektrum wie ein normaler Drehimpuls.
Diese inneren Freiheitsgrade, die nichts mit räumlichen Dimensionen zu tun haben, muss man erst einmal akzeptieren. Aber genau um solche inneren Freiheitsgrade handelt es sich auch, wenn man die elementaren Kernkräfte mit Symmetrien diskutiert, die auf komplexen Zahlen aufbauen (Stichwort SU(2) und SU(3)).
Im letzten Abschnitt mit dem Titel „Schwierigkeiten unter den Teppich kehren“ kommt der Autor dann auf grundlegende Aussagen und Fragen der Quantenphysik zu sprechen und erwähnt zunächst das Messproblem. Um dieses mit Mitteln der Quantenphysik beschreiben zu können, ist es erforderlich eine grundlegend neue Annahme zu treffen, also ein Postulat einzuführen, das besagt, dass das System durch den Messprozess spontan in genau einen der möglichen Endzustände des Systems übergeht. Das ist ein neues Prinzip, das nicht aus der klassischen Physik abgeleitet werden kann. Aber das überrascht nicht, da die Gesetze der Quantenphysik prinzipiell nicht aus der klassischen Physik herleitbar sind, genauso wenig wie man die spezielle oder allgemeine Relativitätstheorie aus der Physik bei niedrigen Geschwindigkeiten herleiten kann.
Auf Grund von Beobachtung und Experiment musste in diesen Bereichen die bekannte Physik erweitert werden, sodass sie im Grenzfall noch mit dieser übereinstimmt, aber eben in der Lage ist die neuen Bereiche zu erfassen.
Der Messprozess in der Quantenphysik ist also etwas grundlegend Neues, genauso wie die Quantenphysik selbst. Das Problem das man im Allgemeinen damit hat ist, das man es auf etwas Bekanntes oder Anschauliches zurückführen kann, sodass man es weitgehend in Einklang mit der uns vertrauten klassischen Physik bringen kann. Und damit ist Interpretation und Philosophie die Tür geöffnet, es bleibt aber die Frage ob man dazu überhaupt eine befriedigende Antwort finden kann. Ich widerspreche der Aussage im hier besprochenen Artikel, dass das Messproblem in keinem Lehrbuch der Quantenmechanik erwähnt wird. In dem Buch „Modern Quantum Mechanics“ von J. J. Sakurai, wird das Messproblem auf den Seiten 23 bis 25 diskutiert, in dem Buch „Essential Quantum Mechanics“ von Gary E. Bowman wird es auf den Seiten 12, 30 – 31 und 183 – 184 behandelt um nur willkürlich welche herzunehmen, in die ich zuletzt geblickt habe.
Die letzten vier Absätze des Artikels sind dann, pardon schon, so niveaulos, dass ich im Detail gar nicht mehr darauf eingehen möchte. Man ist eher geneigt zu meinen, der Autor hat das Doppelspaltexperiment nicht verstanden und möchte es nun allen Physiklehrern und Lehrbüchern in die Schuhe schieben. Ich möchte das Doppelspaltexperiment aber jetzt nicht auf einen kurzen Absatz hier abtun und andererseits ist meine Kommentar eh schon lange genug. Dem Doppelspaltproblem müsste man einen eigenen Artikel widmen.
Zusammengefasst, sehe ich die meisten Probleme, die der Autor Tony Rothman hier aufzeigt als konstruiert, übertrieben und teilweise sogar falsch an. Natürlich gibt es offenen Frage, wie die geschlossenen Beschreibung der Grundkräfte der Natur, was nichts anderes ist als die Frage nach einem vereinheitlichten Modell Kräfte und Elementarteilchen, oder die Zahl der Dimensionen bei kleinsten Abmessungen, aber die streift der Autor nur beiläufig. Vielleicht sollte er doch seine Zeit lieber mit dem Schreiben von Sciencefictionromanen ausfüllen, was ja ohnehin seine Hauptbeschäftigung sein dürfte!
11. Endlich ein ehrlicher Physiker
20.01.2012, Rudi ZimmermanEinige Grundzüge dieser Verhaltensregeln beschreibt die Philosophie lebender Systeme - vielleicht könnte eine interdisziplinäre Zusammenarbeit die Physik befruchten?
12. Vorsicht vor Verallgemeinerung
20.01.2012, Konrad Hinsen13. Bitte ein wenig mehr Fantasie...
20.01.2012, Detlef KöhlerI believe in intuition and inspiration. Imagination is more important than knowledge. For knowledge is limited, whereas imagination embraces the entire world, stimulating progress, giving birth to evolution. It is, strictly speaking, a real factor in scientific research.
14. Kein großes Paradoxon!
21.01.2012, Johann PrellIm Doppelspaltexperiment kann man genau erkennen, dass das Interferenzmuster von Licht, d.h. dessen Welleneigenschaft, durch unterschiedliche Anhäufung von Photonen in Form von Streifen zustandekommt. Dieses Interferenzmuster wird allerdings zerstört, wenn die Photonen im Experiment zur Wechselwirkung mit der Umgebung gezwungen werden. Warum sie in diesem Fall ihre Interferenzfähigkeit verlieren, ist nach wie vor ein großes Rätsel.
Was kann bei dieser m.E. korrekten Interpretation des Welle-Teilchen-Dualismus noch unter "den Teppich" gekehrt werden? Es sei denn, man verwendet die in o.a. Artikel falsche Auslegung des Welle-Teilchen-Dualismus.
15. Tröstlich für mich
22.01.2012, Wolfgang GegnerIn meine Jugend hatte ich ein Faible für Physik und wollte eventuell dieses Fach studieren.
In den letzten Jahren musste ich allerdings immer mehr den Eindruck gewinnen, dass ich für das Verständnis der Vorgänge zu dumm sei oder dass es niemanden mehr gäbe, der bereit wäre sein Wissen zu veröffentlichen oder verständlich zu machen.
Wie ich offenbar erkennen darf, gründet sich dieser Eindruck jedoch überwiegend darauf, dass es schlüssige Erklärungen nicht gibt, man dieses Unwissen aber nicht zugeben möchte.
Wie Herr Rothman darlegt, wird offenbar zu oft die erfolgreiche Anwendung von Berechnungsverfahren mit Verständnis verwechselt. Die Berechnung führt zwar zum (wirtschaftlichen) Erfolg, reicht aber als Basis für neues Wissen nicht aus, hierfür war in der Vergangenheit immer Verständnis nötig.
16. Weltformel / Strahlungsdruck
25.01.2012, Walter OrlovOb sie alle wirklich gleichbedeutend sind, kann man darüber selbstverständlich noch diskutieren, aber was den Strahlungsdruck betrifft, hat er meine Vermutung ( http://worlov.wordpress.com/2010/12/09/lichtdruck/ ) wohl bestätigt.
17. Lehrbücher und Professoren
25.01.2012, Name ist der Redaktion bekanntDarüberhinaus kann ich mir beim besten Willen nicht vorstellen, dass dem Autor in seinem Studium verheimlicht wurde, dass ein Doppelpendel ein chaotisches System ist. Das wurde bei uns bereits in der ersten Einführungsvorlesung in Experimenteller Physik sehr sehr deutlich gemacht (Deterministisches Chaos) und selbstverständlich in der Klassische Mechanik-Vorlesung in der Theoretischen Physik besprochen. Auch die Probleme der unendlichen Eigenenergie eines Elektrons wurden in der Elektrodynamik natürlich besprochen, dabei hat unser Professor unumwunden klar gemacht, dass diese Schwierigkeiten bestehen und dass diese noch nicht gelöst sind!
Und wenn der Autor sich in seinem Studium den Spin mit einer drehenden Kugel bildlich vorgestellt hat oder ihm das gar von einem Professor so erklärt wurde, dann stellt sich mir schon die Frage wo genau er denn studiert hat. Denn auch das wurde selbstredend so erklärt. Dass man sich die Quantenmechanik eben nicht im klassischen Sinne vorstellen kann, da der Erfahrungshorizont von Menschen zwangsläufig auf die makroskopische Ebene beschränkt ist, sollte jedem Physiker klar sein. Dazu passt natürlich hervorragend die berühmte Aussage Richard Feynmans: "Es gab eine Zeit, als Zeitungen sagten, nur zwölf Menschen verstünden die Relativitätstheorie. Ich glaube nicht, dass es jemals eine solche Zeit gab. Auf der anderen Seite denke ich, es ist sicher zu sagen, niemand versteht Quantenmechanik."
Dass der Herr auf die Schlussfolgerung kommt, die Physik sei "eine Ansammlung von theoretischen Modellen", die die Landschaft beschreiben, sie aber nicht selbst sind, ist ja löblich. Ich bezweifle nur, dass man dafür Kosmologe in Princeton sein muss, denn diese Sichtweise wurde mir und vielen Freunden schon im Grundstudium klar.
18. Kann die Physik überhaupt die Welt erklären?
26.01.2012, AaronDiese Auffassung der Physik hat sich erst allmählich herausgebildet: [url=http://der-philosoph.cms4people.de/50.html]Genügt die Naturwissenschaft zur Erklärung der Welt?[/url].
Nur ganzheitliches Denken vermag uns die Welt erklären. Hier finden wir einen schönen Ansatz dazu: [url=http://geheimnisdesmenschen.blogspot.com/search/label/Vom%20Sinn%20des%20Kosmos]Vom Sinn des Kosmos[/url]
19. Warum das Gejammer?
27.01.2012, Klaus TeutenbergFallgesetz mit der Aerodynamik. Und in der Federgleichung steht die Federkonstante für ihre MaterialeigenscGhaft. Soll man da etwa Festkörperphysik betreiben?
Seinem letzten Satz (... man soll die Beschreibung nicht mit Verständnis verwechseln) kann man mit Richard Feynman ("Wer behauptet, er habe die Quantenmechanik verstanden, der hat sie nicht verstanden.") zustimmen.
20. Naturwissenschaft - Beweise? Religion - Glaube?
28.01.2012, Friedrich Gebhard21. angeregt :-)
30.01.2012, Volker BiallaßKeine Erregung ohne erfolgreiche Koppelung, Vorzeichen hin oder her.
Carl Friedrich von Weizäcker merkte zur Kopenhagener Deutung an:
»"Was beobachtet worden ist, existiert gewiss; bezüglich dessen, was nicht beobachtet worden ist, haben wir jedoch die Freiheit, Annahmen über dessen Existenz oder Nichtexistenz einzuführen." Von dieser Freiheit macht sie dann denjenigen Gebrauch, der nötig ist, um Paradoxien zu vermeiden.«
Mir scheint, als würden mit genau diesem Verfahren dem Autor nun genau die Impulse zugeschoben, die nötig sind, um Paradoxien zu verschleiern. Oder anders gesagt, viele Begriffe wie z.B. Vorstellung werden in der Kritik weitaus unschärfer und beliebiger geführt, als es sich im Essay selbst beobachten lässt.
Wenn ich einem ungenehmen Text [oder noch viiiiel einfacher gleich seinem Autor bzw dessen Genese] Sinn- und Zusammenhanglosigkeit unterstelle, dann habe ich ihn abgefertigt. Es scheint hier eine Tendenz zutage zu treten, die sich in ihrer Ehre verletzt fühlt und nicht mehr als eine Abfertigung im Sinn hat (so wie der GRID am CERN im Wesentlichen ja auch nur an der Eliminierung des Nichtssagenden malocht).
Unterstellt man aber, dass Princeton kein Schilda ist, dann kann man dem Essay Zusammenstellungen entnehmen, die weniger auf die Ehre der Pyhysik als auf das Ehrgefühl vieler Physiker abzielen, die ehedem spannende und das Agreement der Physiker strapazierende Fragestellungen wach halten wollen.
Kann es selbstverständlich sein, dass die Wirklichkeit nicht selbstverständlich ist? Anhand der meisten Kommentare müsste dem so sein, dann aber wohl nicht wirklich, ja vielleicht sogar wirklich nicht :-))
Die 'Erfahrbarkeit' der Quantenphysik unterscheidet sich meines laienhaften Erachtens nicht fundamental von den Erfahrbarkeiten der makroskopischen Welt, denn man kann den Umgang mit dem Mikroskop durchaus so trainieren, dass es als eine Verfeinerung des evolutiv entstandenen Augenapparates zur Normalität zuzurechnen ist. Bezüglich der Mathematik ist es nicht anders, auch hier ist ein Apparat angeboren, kann trainiert und mit Werkzeugen aufgerüstet werden.
Was kritisiert Rothman nun anderes, als dass viele abgeschlossene Studiengänge gerne abgeschlossene Zusammenhänge darbieten, den Fokus so verschieben, dass zwischen Technik und Wissenschaft gar nicht mehr unterschieden wird, da die Wissenschaft verzichtbar wird, sich die Technik verselbstständigt hat.
Dass man vieles nicht so sehen und betrachten darf, wie gemeint wird, dass der Autor es eben so präsentiere, da es nicht anders in das Verständnis passt, weckt in mir die Angst, dass es um die 'Wahr'nehmung nicht immer gut bestellt ist, dass sich da ein technischer (gar technokratischer) Dogmatismus einwurzeln könne, wo der Boden lieber locker und der Erosion aufgeschlossen bleiben müsste.
22. O je ...
30.01.2012, Fritz Kronberg23. Quantenphysik: Keine Wellen, sondern Wahrscheinlichkeitsfelder
30.01.2012, Hans Palm, Frankfurt am MainDieses Fundament erscheint unsicher, weil wir im Mikrokosmos in der Regel nicht mit festen Werten arbeiten können, sondern mit Wahrscheinlichkeiten vorlieb nehmen müssen.
Zudem begegnen uns hier Gesetzmäßigkeiten, die scheinbar unserer Alltagserfahrung und dem gesunden Menschenverstand widersprechen:
a) Ein Teilchen erscheint je nach Art der Messung entweder kompakt, einen engen Raum einnehmend, oder als Welle, im Raum "verschmiert".
b) Man kann nur entweder den Ort oder den Impuls eines Teilchens messen, nicht beide gleichzeitig (heisenbergsche Unschärferelation).
So haben wir es im Physikunterricht gelernt, doch beschreiben diese Aussagen meiner Meinung nach die Realität nicht ganz richtig.
Zu a) Wenn wir zum Beispiel im Doppelspalt-Experiment ein kompaktes Teilchen messen, handelt es sich um einen möglichen Zustand (Ort) des Teilchens, während andere Zustände (Orte) auch möglich sind; also erhalten wir keinen absolut gültigen exakten Wert, sondern einen Näherungswert, der nur einen Teil der realen Möglichkeiten zeigt.
Wenn wir hier aber das messen, was gemeinhin als Welle bezeichnet wird, handelt es sich in Wirklichkeit um die Menge aller Zustände (Orte), die dem Teilchen möglich sind, verbunden mit den jeweiligen Wahrscheinlichkeiten. Wir erhalten also mehr und ausführlichere Informationen, aber eben keinen exakt definierten Einzelwert, sondern ein Feld aller Wahrscheinlichkeiten für die Werte, die das Teilchen annehmen kann, was viel aussagekräftiger ist.
Zu b) Wenn wir den exakten Ort eines Teilchens kennen, sind wir nicht in der Lage, den exakten zugehörigen Impuls zu messen (genauso umgekehrt), einfach weil es ihn nicht gibt.
Was wir stattdessen erhalten, ist wieder ein Wahrscheinlichkeitsfeld aller möglichen Impulszustände, die das Teilchen an diesem Ort annehmen kann (und natürlich umgekehrt).
Es wäre auch unsinnig, sowohl für den Ort als auch für den Impuls exakte Werte zu erwarten, da beide nur Möglichkeiten darstellen und sich ihre Unsicherheiten multiplizieren würden
* * *
Ein weiteres scheinbares Problem im Fundament der Physik ist die Gültigkeit der Gravitation in der Quantenwelt:
Wenn zwei punktförmige Teilchen sich so nahe wie möglich kommen, müsse die Anziehungskraft zwischen ihnen unendlich groß werden.
Tatsächlich spielt die Gravitation aber im Quantenbereich keine Rolle, weil die Teilchen nicht wie die Massen im Makrokosmos als ruhend angesehen werden können, sondern stets mit hoher Geschwindigkeit unterwegs sind. So wäre hier die Bestimmung einer Ruhemasse unsinnig. Unser Universum ist darauf aufgebaut, dass die Teilchen in Bewegung in bleiben, sonst könnten sie sich nicht verbinden.
* * *
Ein Fehler im Artikel ("Die Physik - ein baufälliger Turm von Babel", Spektrum 2/12, Seite 61):
Der Autor interpretiert den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik so, dass bei irreversiblen Prozessen die Entropie zwangsläufig zunähme. Wäre diese Betrachtungsweise richtig, hätte Leben nie entstehen können.
24. Schön, wenn sich ein Physiker einmal nicht im Besitz der absoluten Wahrheit wähnt
30.01.2012, Wilfried Knapp25. Guter Aufruf zur Besinnung
01.02.2012, Harald Bruckner26. Punktförmige Teilchen?
01.02.2012, Hans Palm, Frankfurt am MainEs ist unklar, ob es überhaupt punktförmige Teilchen, also Teilchen ohne räumliche Ausdehnung gibt. Bei Elektronen, Myonen und Neutrinos hält man es für möglich. Allerdings sind diese Teilchen besonders schnell, also erst recht keine Angriffspunkte für Gravitationskräfte.
Für Quarks wird auch Punktförmigkeit angenommen; jedenfalls können sie sich nicht unendlich nahe kommen, weil dann die Teilchen, die sich aus ihnen zusammensetzen, auch punktförmig würden.
27. Intuition statt Herleitung
02.02.2012, Dr. Wolfgang KleinVor einiger Zeit habe ich mal versucht, mich ein wenig mit Stringtheorie zu befassen (z.B. mit dem Lehrbuch von M. Kaku). Dieses fängt im Grund damit an, dass die verwendeten Symmetriegruppen vom Himmel fallen. Das Thema Symmetriegruppen steht meines Wissens in enger Beziehung zu dem, was Tony Rothman über den Lagrangeformalismus und das Wirkungsprinzip schreibt (Erhaltungsätze, Satz von E. Noether). Gerade beim Satz von E. Noether habe ich den Eindruck, dass der von Physikern zwar häufig zitiert, aber nicht wirklich verstanden wird, falls die Betreffenden überhaupt die Arbeit von Emmy Noether gelesen haben.
Bedauerlich ist auch der teilweise schlampige Umgang mit mathematischen Theorien (Operatortheorie, Lie-Gruppen). Man sehe sich beispielsweise die Ausführungen von Walter Greiner über Lie-Gruppen und Lie-Algebren an und vergleiche die mal mit einem Mathematikbuch zum selben Thema. Mir ist noch die denkwürdige Aussage meines Professors für theoretische Physik (Haug) in Erinnerung: "Ein Hilbertraum ist ein undendlichdimensionaler Vektorraum mit Skalarprodukt." Ein anderes Beispiel ist sein Umgang mit uneigentlich Integralen: Ein existierendes beidseitig uneigentliches Integral wandelte er in zwei nicht existierende einseitig uneigentliche Integrale um, formte diese zu zwei existierenden eigentlichen Integralen um und hatte dann in Summe das beidseitig uneigentliche Integral vom Anfang in ein eigentlich Integral umgewandelt.
Man erinnere sich an die Aussage von Bertrand Russell, dass man ausgehend von einer falschen Aussage jede Aussage herleiten kann. Beispiel: 0 = 1 => Bertrand Russell ist der Papst.
28. Haltlose Vorwürfe, aber dennoch eine Bereicherung
06.02.2012, Prof. Dr. Wolfgang Kinzel, WürzburgUnsere Studentinnen und Studenten lernen, dass Physik keinen absoluten Wahrheitsanspruch hat, sondern auf Hypothesen beruht, die zwar experimentell äußerst gut bestätigt wurden, die jedoch immer wieder kritisch hinterfragt und gegebenenfalls erweitert oder sogar ersetzt werden müssen. In den Vorlesungen wird keinesfalls verschwiegen, dass Physiker trotz universeller Gesetze auf Näherungen angewiesen sind, um diese Gesetze auf komplexe Systeme anzuwenden. Schwierigkeiten mit der Interpretation und dem anschaulichen Verständnis der Quantenmechanik, mit der Herleitung der Statistischen Mechanik und ungelöste Problem werden offen angesprochen. Rothmans Vorwürfe zu Schmutz, Schwindel, Unredlichkeit, ja sogar Betrügereien bei der Vermittlung der Physik sind daher haltlos.
Selbstverständlich verwenden wir nicht den Großteil unserer Vorlesungen, um ungelöste Probleme zu diskutieren. Wir wollen unsere Studierenden dafür begeistern, dass es einen Teil unserer Natur gibt, für den wir eine Vielzahl von messbaren Phänomenen durch einige wenige mathematische Gesetze erklären können. Die Eigenschaften von Licht, Radiowellen und Röntgenstrahlung werden beispielsweise durch die Maxwell-Gleichungen erklärt. Das sind großartige Erkenntnisse, die schließlich zu wichtigen technischen Anwendungen geführt haben.
In der Relativitätstheorie und in der Quantenmechanik lernen Physikerinnen und Physiker, dass sie die Anschauung verlassen müssen, um mithilfe weniger grundlegender mathematischer Gesetze zahlreiche völlig unterschiedliche experimentelle Ergebnisse zu erklären. Solche Erkenntnisse führen ebenfalls zu wichtigen Anwendungen, beispielsweise zu den elektronischen Bauelementen.
Wir verschweigen aber auch nicht, dass die Physik (noch?) keine Lösung zu einem großen Teil unserer Natur liefert. Für die Biologie gibt es beispielsweise noch keine universelle quantitative Theorie. Und obwohl die Biophysik immer mehr zu diesen Fragen beitragen kann, darf durchaus bezweifelt werden, ob es die universelle Theorie des Lebens jemals geben wird.
Obwohl die harte Kritik von Tony Rothman für unser Physikstudium nicht zutrifft, hat sein Aufsatz an unserer Fakultät unter Studenten und Dozenten zu einer lebendigen Diskussion geführt. Brauchen wir mehr Erkenntnis- und Wissenschaftheorie im Physikstudium? Wird zuviel gerechnet und zuwenig verstanden? Müssen die Schwierigkeiten und Grenzen der Physik stärker betont werden? Sollen lösbare Probleme in den Übungen reduziert und mehr Wert auf Näherungs-Methoden gelegt werden? Solche Diskussionen sind ein erfreulicher Effekt des Aufsatzes von Rothman, der damit zur ständigen Verbesserung des Physikstudiums beiträgt.
29. Erstaunlich deutlich
30.03.2012, Klaus GrigoleitUnd die Kosmologie geht auch stets vornehm über die Frage hinweg, wie die elektrisch gebrochenzahlige Ladung der Quarks aus dem urknall entstanden sein könnte.
Aber die Physik ist sowieso irrational und transzendent! Wieso? In nahezu allen maßgeblichen physikalischen Parametern wie Spin, Drehimpuls, Kreisumfang usw. steckt die Zahl Pi, und Pi ist nun einmal eine irrationale und transzendente Zahl, es sei denn, der Wirkungswert von Pi würde in einer letzten Nachkommastelle mit dem Erreichen des physikalisch kleinstmöglichen Wirkungs-Teilbetrags von hquer/halbe (Planck'sches Wirkungsquantum) auf Null aufgehen.
30. Vielleicht falsch gewählte Beschreibung
08.05.2012, Hajo Dasting-Hussner / Thomas HussnerBringt man Allgemeine Relativitätstheorie und Quantentheorie zusammen, so stößt man gar auf die Plancklänge, unterhalb der keine sinnvollen physikalischen Aussagen mehr getätigt werden können. Dies deutet m.E. darauf hin, dass man durch Übergang von der kontinuierlichen zur diskreten Mathematik nur die Möglichkeit verliert, Vorhersagen über ohnehin nicht messbare Effekte machen zu können - also Vorhersagen, die im Popperschen Sinne nicht wissenschaftlich sind. Umgekehrt dürften mit diesem Übergang viele Unendlichkeiten und andere Probleme der theoretischen Physik im Prinzip vermeidbar sein.
Nun hat es ja bereits in diese Richtung gehende Ansätze gegeben, die sich jedoch allesamt - zumindest bisher - nicht durchgesetzt haben. Könnte »Spektrum der Wissenschaft« sich nicht einmal diesen Ansätzen widmen? Interessant wäre es insbesondere, zu erfahren, weshalb diese Ansätze bislang nicht erfolgreich waren.