Kassette 13a - Walter Dröscher, Weltbilder der Physik, Innsbruck (1993-07-08) KI-Transkription (AssemblyAI), automatische Sprechertrennung, ungeprüft. Sprecher A/B/… noch nicht namentlich zugeordnet. — Auflösung: satzweise — [0:07] Sprecher A: Sehr geehrte Damen, sehr geehrte Herren! [0:12] Sprecher B: Ich bin kein Physiker, sondern Nachrichtentechniker, aber die Physik hat mich immer sehr interessiert und beschäftigt. [0:22] Darum möchte ich Ihnen einen Vortrag über Weltbilder der Physik halten. [0:29] Die einzelnen Kapitel dieses Vortrages sind: Punkt 1: Die Bedeutung der Physik im Alltag. [0:40] Punkt 2: Die Naturphilosophie der Antike. [0:45] Punkt 3: Das Newtonsche Weltbild, Wurzel des Materialismus. [0:53] Sprecher A: Punkt 4: Die Auflösung des primitiven Materialismus. [0:59] Sprecher B: Punkt 5: Das neue Gesicht von Raum und Zeit nach Albert Einstein. [1:07] Punkt 6: Die Quantentheorie, das Ende des Determinismus. [1:14] Punkt 7: Die 4 Wechselwirkungskräfte und deren Vereinheitlichung. [1:21] Und schließlich Punkt 8: Ansätze zu einer Physik komplexer Systeme. [1:30] Ich komme nun zu Punkt 1: Die Bedeutung der Physik im Alltag. [1:38] Technische Errungenschaften sind aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. [1:45] Sie erleichtern uns das Leben, Wir sind aber von ihnen abhängig geworden. [1:51] Ob wir uns in der Welt der Technik als Sklaven fühlen, bleibe dahingestellt. [1:58] Unbestritten ist aber der Einfluss und die Macht der Technik, die unser Leben beherrscht. [2:06] Technik ist aber nichts anderes als angewandte Physik, die Lehre von den Eigenschaften der unbelebten Materie. [2:17] Ihre vielfältigen Erscheinungsformen werden in der Physik auf wenige Grundgesetze zurückgeführt. [2:25] Man hatte schon immer Vorstellungen über physikalische Phänomene, aber erst in den letzten 3 Jahrhunderten hat man deren richtige Form erkannt. [2:37] Die Schicht für Schicht entstandenen unterschiedlichen Anschauungsformen der unbelebten Materie sollen in den nachfolgend skizzierten Weltbildern der Physik wiedergegeben werden. [2:55] Punkt 2: Die Naturphilosophie der Antike. [3:01] Schon frühzeitig beschäftigte man sich mit Sonne, Mond und Sternen. [3:07] Demnach ist es nicht verwunderlich, dass sich bereits Babylonier Inder, Ägypter und viele andere Völker mit dem Lauf der Gestirne beschäftigten. [3:21] Sie schufen unterschiedliche Weltbilder mit hintergründiger Sinnhaftigkeit. [3:28] Diese Ideen übten nur sehr geringen Einfluss auf die modernen Naturwissenschaften aus. [3:36] Als deren Wiege kann die Naturphilosophie der Griechen den letzten vorchristlichen Jahrhunderten angesehen werden. [3:45] Ihre Grundideen ziehen sich wie ein roter Faden in die Naturwissenschaft unserer Zeit hinein. [3:54] Den nachhaltigsten Einfluss haben Plato, Aristoteles und Demokrit ausgeübt, wobei zuvorderst Aristoteles steht. [4:07] Er beherrschte fast 2 Jahrtausende das Denken der Menschheit. [4:15] Der griechische Philosoph Plato ist für seine Ideenlehre bekannt. [4:22] Gemäß dieser Lehre sind Ideen die eigentliche Wirklichkeit des Seienden. [4:30] Aristoteles bildete den platonischen Idealismus weiter aus und um, Er beeinflusste am nachhaltigsten die abendländische Geistesgeschichte. [4:42] In seinem Denken spielt besonders das Konzept der Teleologie eine zentrale Rolle. [4:49] Dieses bedeutet, dass Erscheinungsformen der Materie von einem Endzweck verursacht werden. [4:58] Das Verhalten von Objekten und Systemen folge einem Plan, einer Bestimmung. [5:06] Lebende Organismen verhalten sich wie ein uns nicht unmittelbar zugängliches Ganzes. [5:15] Bevor sich noch der Organismus vollständig entwickelt hat, gibt es bereits eine vollständige und umfassende Theorie. [5:27] In der aristotelischen Welt bildete die unbewegliche Erde den Mittelpunkt des Weltalls. [5:35] Sprecher A: 4 Elemente, Wasser, Luft, Feuer, umgaben die Erdkugel, die Sphäre des Irdischen. [5:46] Sprecher B: Diese Sphäre wurde von der Himmelssphäre umgeben, die aus dem 5. [5:51] Sprecher A: Element, dem Äther, bestand. [5:56] Sprecher B: Im direkten Gegensatz zu Aristoteles standen die griechischen Atomisten, zum Beispiel Demokrit. [6:05] Ihrer Lehre nach bestand die Welt aus nichts anderem als aus Atomen, die sich im leeren Raum bewegten. [6:15] Alle Strukturen und Formen bestanden aus verschieden angeordneten Atomen. [6:22] Alle Veränderungen und Prozesse waren auf die Umschichtung von Atomen zurückzuführen. [6:31] Das Universum war demnach eine Maschine. [6:35] Die Umordnung der Atome wird von blinden Kräften bestimmt. [6:41] Einen Gesamtplan, eine finale Bestimmung gibt es der Atomlehre nach nicht mehr. [6:50] Die Teleologie wird als mystische Vorstellung verworfen. [6:57] Der Atomismus steht heute für das, was wir als materialistisches, naturwissenschaftliches Weltbild bezeichnen würden. [7:09] Somit stehen sich einander zwei Gegensätze gegenüber: Einerseits die synthetische, zweckbestimmte Welt des Aristoteles und andererseits die streng materialistische Welt der Atomisten. [7:25] Diese lässt sich letztlich in die bloße mechanische Aktivität von Elementarteilchen auflösen. [7:35] In den modernen Naturwissenschaften hat dieses reduktionistische Weltbild bei einfachen Systemen unzweifelhaft große Erfolge gebracht. [7:48] Bei komplexen Systemen scheint aber der Reduktionismus zu versagen. [7:54] Eine Synthese zwischen dem Weltbild der Atomisten und dem ganzheitlichen Weltbild des Aristoteles scheint hier angebracht. [8:05] Sprecher A: Punkt 3: Das Newtonsche Weltbild, Wurzel des Materialismus. [8:13] Nach diesem Ausflug zu den Wurzeln unseres derzeitigen naturwissenschaftlichen Denkens komme ich nunmehr zum neuzeitlichen Weltbild, an dessen Beginn Kopernikus steht. [8:27] Er war es, der das 1800 Jahre alte Weltbild des Aristoteles angriff. [8:35] Nicht die Erde sei im Mittelpunkt des Universums, sondern die Sonne, um die sich in Kreisbahnen die Planeten bewegten. [8:47] Galileo Galilei und Johannes Kepler bauten das kopernikanische Weltsystem weiter aus, dessen endgültiger Sieg ist jedoch Isaac Newton zu verdanken. [9:03] Sprecher B: 1686 veröffentlichte Newton die Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, also die mathematischen Prinzipien der Naturphilosophie. [9:17] Sprecher A: Das Kernstück dieser Principia sind 3 Bewegungsgesetze. [9:24] Ausgehend von diesen Bewegungsgesetzen und unter Zuhilfenahme des Gravitationsgesetzes konnte er nunmehr sowohl die himmlischen Planetengesetze als auch die irdischen Fallgesetze ableiten. [9:41] Himmlische und irdische Physik wurden vereint. [9:46] Die bei Aristoteles noch vorhandene Trennung zwischen irdischer Sphäre und den Himmelssphären wurde somit aufgehoben. [9:57] Sprecher B: Die Grundlagen der Mechanik waren damit geschaffen, die im Laufe des 18. [10:02] Sprecher A: Jahrhunderts immer mehr und mehr erklären konnte. [10:08] Das Universum konnte als eine große Maschine aufgefasst werden. [10:14] Das Wirken Gottes wurde nicht mehr gebraucht, da man mechanisch so vieles erklären konnte. [10:21] Dies führte Laplace zu dem Ausspruch: Ein Geist, der für einen gegebenen Augenblick alle Kräfte kennen würde, von denen die Natur belebt ist, sowie die gegenseitige Lage der Wesen, aus denen sie besteht, und der überdies [10:42] umfassend genug wäre, um diese Gegebenheiten zu analysieren, könnte mit derselben Formel die Bewegung der größten Weltkörper und des kleinsten Atoms ausdrücken. [10:58] Nichts wäre für ihn ungewiss. [11:01] Zukunft und Vergangenheit liegen offen vor seinen Augen. [11:08] Diese Laplace'sche Behauptung bedeutet, dass in Wirklichkeit alles Geschehen bis in alle Einzelheiten festgelegt ist, mag die Zukunft in unseren Augen auch ungewiss sein. [11:24] Entscheidungen oder Taten eines Menschen können am Schicksal eines Atoms nicht das Geringste ändern. [11:33] Da wir aus Atomen bestehen und Teil eines Universums sind, ist unser Schicksal vollkommen determiniert. [11:43] Der ganze Kosmos ist zu einem Uhrwerk reduziert. [11:49] Wie sich noch zeigen wird, ist der hier propagierte Determinismus nur beschränkt gültig. [11:57] Die in unserem Jahrhundert geschaffene Quantentheorie und die erst in jüngster Zeit entstandene Chaostheorie widerlegen die Laplacesche Behauptung. [12:09] Eines ist aber gewiss: Der Triumph des Materialismus geht auf die Mechanik zurück, die im 19. [12:17] Jahrhundert allmählich auch alle Erscheinungen der Wärmelehre erklären konnte. [12:25] Alltägliche Vorgänge, bei denen Energie umgewandelt wird und die Wärmeenergie eine Rolle spielt, weisen die Besonderheit auf, dass sie irreversibel sind. [12:43] Dreht sich ein Rad mit Reibung um die Achse, dann wird Wärme erzeugt, die langsam an die Umgebung abgegeben wird. [12:53] Kaltes Wasser auf einen heißen Ofen wird erwärmt, der Ofen wird kühler, Wärme geht auf das Wasser vom Ofen über. [13:03] Niemals passiert es, dass die einer Achse eines Rades zugeführte Wärme das Rad zum Drehen bringt und dass das kalte Wasser noch kälter wird. [13:19] Die Richtung dieser irreversiblen Vorgänge beschrieb erstmals Rudolf Clausius durch eine mathematische Größe, genannt Entropie, die nur zu-, aber nicht abnehmen kann. [13:35] Das Weltgeschehen läuft somit in der Weise ab, dass Wärme von heißen zu kühleren Körpern fließt und schließlich ein Temperaturausgleich zustande kommt. [13:49] Im ganzen Weltall wird sich schließlich die Wärme gleichmäßig verteilen, bis ein Universum mit maximaler Entropie vorliegt. [14:02] Dieses Gespenst des unentrinnbaren Wärmetodes schockierte die Menschen im vorigen Jahrhundert und wies auf die unentrinnbare Vergänglichkeit des Menschengeschlechtes hin. [14:18] Mit den Erfolgen der kinetischen Gastheorie war ein weiterer Baustein dafür gesetzt, dass Materie aus Atomen bestand. [14:29] Das 19. [14:30] Jahrhundert brachte den Siegeszug der Mechanik und damit des Materialismus, aber auch die Auflösung des primitiven Materiebegriffes, wie die Geschichte der Elektrodynamik Punkt 4: Die Auflösung des primitiven Materialismus. [14:55] In Frankreich und in Deutschland standen einander nach den ersten Anfängen einer Elektrizitätslehre zu Beginn des 19. [15:04] Jahrhunderts zwei verschiedene Weltauffassungen gegenüber. [15:10] Das mechanistische Weltbild, das der rationalen Weltsicht der Französischen Revolution am ehesten entsprach, und die deutsche romantische Naturphilosophie, die alle Kräfte— heute würden wir Energien sagen— als den Aspekt [15:30] einer einzigen Kraft sah, der Kraft des Weltgeistes. [15:37] Alle Naturerscheinungen wie Wärme, Elektrizität, Magnetismus und so weiter waren somit ineinander umwandelbar. [15:49] Die deutsche Naturphilosophie hatte einen unübersehbaren wichtigen Einfluss auf die Entwicklung der Physik gehabt. [16:00] Ihr Weltgeist ließ viel Zusammenhänge vermuten, wo vorerst nur isolierte Einzeltatsachen vorlagen. [16:08] Der Einfluss der Philosophie reichte aber weit über die Physik hinaus. [16:17] Der deutsche Idealismus versuchte, die Physik aus den Prinzipien des reinen Denkens heraus auf eine gesicherte Grundlage ohne empirische Befunde zu stellen. [16:30] Das misslang aber schmählich. [16:34] Dies hatte weitreichende Folgen. [16:37] Die Philosophie, die eine Niederlage erlitten hatte, wandte sich von der Naturwissenschaft ab. [16:45] Die Ergebnisse der Naturwissenschaft wurden zu pragmatischen, oberflächlichen Verbindungen erklärt. [16:54] Diese tiefe Kluft zwischen Geistes- und Naturwissenschaft ist auch heute noch spürbar. [17:05] Beeinflusst von der Idee der genannten deutschen Naturphilosophie begann vorerst Hans Christian Oersted, nach einem Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus zu suchen. [17:20] Er fand, dass ein stromführender Leiter auf einen Magnetnagel eine drehende Kraft ausübte. [17:31] Michael Faraday baute auf den Erkenntnissen von Ørsted auf und es gelang ihm zu zeigen, wie umgekehrt Magnetismus in Elektrizität verwandelt werden konnte. [17:44] Er entdeckte, dass veränderliche magnetische Felder elektrische Ströme hervorrufen können. [17:54] Faraday führte weiters noch einen der wesentlichsten Begriffe in der Physik ein: den Feldbegriff. [18:04] Rings um den Pol eines Magneten verändert sich der Raum, wie man beispielsweise mittels Eisenpfeilspäne feststellen kann. [18:13] Den veränderten Zustand des Raumes bezeichnete er als Feld und die beobachtbaren Linien als Feldlinien. [18:26] Damit war ein radikaler Schritt getan. [18:30] Außerhalb der sichtbaren Materie war der Raum nicht leer. [18:36] Kräfte wirkten nicht mehr auf geheimnisvolle Weise durch den leeren Raum, sie breiteten sich aus wie die Feldlinien anschaulich zeigten. [18:50] Faraday stellte sich das Feld als eine Art Spannungszustand eines überall vorhandenen Äthers dar. [18:59] Unter Zuhilfenahme dieses Feldbegriffes war 1856 James Clerk Maxwell in der Lage, die von Faraday vorgetragenen Ideen in mathematische Formeln zu fassen und zu erweitern. [19:18] Das Ergebnis seiner Überlegungen sind die Maxwell'schen Feldgleichungen, deren Bedeutung nur mit den Newton'schen Gleichungen für die Bewegung von Körpern verglichen werden können. [19:32] Mit Hilfe des Instrumentariums der Maxwell'schen Feldgleichungen konnte sich die Elektrotechnik, besonders die Nachrichtentechnik, stürmisch entwickeln. [19:45] Während die Felder zur unbestreitbaren Realität des Universums wurden, verlor der Äther selbst in einer der größten Revolutionen der Physikgeschichte im Jahre 1905 seine Existenzberechtigung. [20:03] Diese Revolution ist mit Albert Einstein verknüpft. [20:10] Punkt 5: Das neue Gesicht von Raum und Zeit nach Albert Einstein. [20:17] Vorerst soll aber noch kurz auf die Geschichte des Äthers eingegangen werden. [20:24] Mit Äther wird im Griechischen die reine, strahlende Himmelsluft bezeichnet. [20:31] Den Philosophen der griechischen Antike galt er nicht nur als feinster Urstoff der Welt, als Pneuma oder Weltseele, sondern auch als Quintessenz des Himmels. [20:46] In der Physik wird er in der Renaissancezeit zum substanziellen Träger des Lichtes und der Gravitation. [20:55] Im 19. [20:56] Jahrhundert wuchs ihm die Rolle als Träger optischer Erscheinungen zu bzw. [21:04] Medium elektromagnetischer Zustände. [21:09] Es bestand die Vorstellung, dass die Sterne im Äther ruhen, jedoch die Planeten und ihre Trabanten sich durch den ruhenden Äther bewegen. [21:25] Dies bewog 1880 Albert Abraham Michelson, mit Hilfe eines Interferometers die Zeiten zu messen, die das Licht braucht, um gleiche Wegstrecken in und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Erde zurückzulegen. [21:46] Da der Äther ruhen sollte, die Erde sich aber im Äther bewegt und das Licht sich im Äther fortpflanzt, hätte die Lichtgeschwindigkeit in Bewegungsrichtung der Erde, von der bewegten Erde aus gesehen, kleiner als senkrecht [22:06] zu ihr sein müssen. [22:09] Zwischen den senkrecht zueinander ausgesandten Lichtstrahlen wurde aber keine Zeitdifferenz festgestellt. [22:19] Die Hypothese des ruhenden Äthers konnte somit nicht stimmen. [22:24] Das Licht breitete sich nach allen Seiten mit konstanter Geschwindigkeit aus. [22:32] Zusätzlich noch andere angestellte Experimente wiesen ebenfalls auf die Unmessbarkeit einer Geschwindigkeit der Erde in Bezug auf einen ruhenden Äther hin. [22:46] Albert Einstein wusste nun von dieser Unmöglichkeit, die Geschwindigkeit der Erde im Äther zu messen, und von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. [23:00] Für ihn konnte dies nur bedeuten, dass es eine Geschwindigkeit der Erde im ruhenden Äther nicht gab. [23:09] Daher gab es kein ausgezeichnetes Bezugssystem, und zwar den ruhenden Äther, sondern nur eine Relativbewegung der Erde zu anderen Körpern. [23:23] Einstein setzte nun anstelle eines ausgezeichneten Bezugssystems eine unendliche Menge gleichförmig bewegter Systeme. [23:36] In jedem dieser Bezugssysteme breitete sich das Licht mit gleicher Geschwindigkeit aus. [23:45] Diejenige Theorie, die den gesamten Kriterien genügte, ist die spezielle Relativitätstheorie, die er 1905 veröffentlichte. [23:59] Aus dieser geht hervor, dass es nicht mehr eine einzige universelle Zeit gibt, sondern dass jedes gleichförmig bewegte Bezugssystem seine eigene Zeit hat. [24:15] Raum und Zeit sind gemäß der speziellen Relativitätstheorie nicht mehr unabhängig voneinander, sondern in einer vierdimensionalen Raumzeit miteinander verbunden. [24:31] Somit wurde der starre, unveränderliche, euklidische Raum nach Newtonscher Ansicht durch eine Raumzeit mit veränderlichen Raumzeitkoordinaten abgelöst. [24:46] Ein neues Weltbild war geboren. [24:51] Eine weitere Leistung Einsteins bestand auch darin, die Idee des gekrümmten Raumes mit der Physik der Schwerkraft in Verbindung gebracht zu haben. [25:04] In seiner 1915 veröffentlichten allgemeinen Relativitätstheorie konnte er zeigen, dass ein gravitatives Feld den Raum krümmt. [25:17] Ein materielles Objekt fällt in diesem Gravitationsfeld schwerelos längs Geodäten, das sind Linien kürzester Verbindung. [25:31] Die Lichtablenkung nahe dem Schwerefeld der Sonne, die Periheldrehung des Merkur und die Änderung der Frequenz des Lichtes im Schwerefeld lieferten die experimentellen Beweise für seine allgemeine Relativitätstheorie. [25:51] Wenn sie auch nur unmerkliche praktische Auswirkungen hatte, so trug sie aber doch Wesentliches zur Geschichte des Universums bei. [26:03] 1917 brachte Albert Einstein einen Artikel mit dem Titel Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie heraus. [26:16] Da die Gravitation anziehende Wirkung hat, musste Einstein einen kosmologischen Term in seine Feldgleichungen einführen, um ein Zusammenstürzen des Universums durch die Schwerkraft zu verhindern. [26:35] Dieser Term hatte die Wirkung einer abstoßenden Kraft. [26:40] Wie sich aber mathematisch herausstellte, genügte die Möglichkeit einer geringen Abweichung von einem Gleichgewichtszustand, um den Kosmos entweder zur Expansion oder zum Zusammenstürzen zu bringen. [26:59] Albert Einstein beklagte später diesen kosmologischen Därm als den größten Fehler seines Lebens. [27:09] 1922 konnte Alexander Alexandrowitsch Friedmann zeigen, dass ohne den kosmologischen Term die einsteinschen Feldgleichungen Lösungen besaßen, die ein ursprünglich auf kleinstem Raum vorhandenes Universum wiedergaben. [27:31] Das derzeitig noch immer expandierende Universum hat hierbei die Eigenschaft, dass von einem in ihm beliebig gewählten Beobachtungspunkt die Galaxien wegzueilen scheinen. [27:47] Je weiter weg, umso schneller. [27:50] Ist die ursprüngliche Wucht genügend stark und kann die durch die Gravitationsanziehung sich verlangsamte Expansion nicht gestoppt werden, dann liegt ein offenes, in alle Ewigkeit expandierendes Universum vor. [28:09] Kommt es zu einer Umkehrbewegung, dann gibt es ein geschlossenes, endliches Universum, das nach endlich langer Zeit zusammenstürzt. [28:22] Dieses Ergebnis konnte Edwin Hubble experimentell glaubhaft machen. [28:31] Eine gemessene Rotverschiebung der Spektrallinien entfernter Galaxien verriet, dass sich die Galaxien mit zunehmender Entfernung von uns immer schneller wegbewegen und einstmals von einer Singularität aus ein Urknall stattgefunden [28:51] hatte. [28:53] Heute ist es noch nicht möglich zu entscheiden, in welchem Universum wir uns befinden. [29:00] Unter Zuhilfenahme einer nicht sichtbaren Materie wird angenommen, dass die Expansion nach unendlich langer Zeit zum Stillstand kommen wird. [29:14] 1965 ergab sich eine weitere Bestätigung der Urknalltheorie. [29:20] Die kosmische 2,7-Grad-Hintergrundstrahlung wurde von Penzias und Wilson entdeckt, die Gamow mit seinen Mitarbeitern bereits rund 20 Jahre zuvor vorausgesagt hatte. [29:36] Er vermutete, dass die hohen Temperaturen in den ersten Minuten der Lebensdauer des Universums zu intensiven Kernreaktionen geführt hätten, die einen Teil der heutigen Elemente hervorbrachten. [29:56] Aus der Theorie der Elemententstehung konnten sie eine Anfangstemperatur abschätzen, von der heute nur mehr eine Hintergrundstrahlung von etwa 5 Grad Kelvin übrig geblieben wäre. [30:13] Dieser theoretische Wert deckt sich ganz gut mit dem von Penzias und Wilson aufgefundenen Wert von 2,7 Grad Kelvin. [30:25] Eine weitere Bestätigung der Urknalltheorie ergibt sich dann noch aus dem richtig vorausgesagten Mischungsverhältnis der Elemente Wasserstoff, Helium, Lithium. [30:40] Fraglich ist aber noch immer, von wo die Masse des heutigen Universums stammt und welche Kraft die Expansion verursacht hat. [30:54] Eine Antwort darauf gibt die Idee des inflationären Universums, die Alan Guth in den 80er Jahren entwickelt hat. [31:04] Seiner Meinung nach war die kosmische Abstoßung im jungen Universum sehr stark. [31:12] Hingegen ist sie heute verschwindend klein und somit nur mehr von inferiorer Bedeutung. [31:21] Den Schlüssel zum Verständnis der kosmischen Abstoßung liefert die Natur des Quantenvakuums.