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Archiv für die Kategorie ‘Physik’

Das Karussell in der Relativitätstheorie

22. März 2014 Keine Kommentare

Irgendwann wurde in einem Diskussionsforum die folgende Frage gestellt:

Ich meinte, ob vielleicht unser Raum-Zeit-Kontinuum so verzerrt ist, dass in der realen, aber idealisierten, Raumgeometrie unser Pi ungleich dem mathematischen Pi sein kann. Also unsere Kreise keinen Umfang von Durchmesser mal mathematisches Pi, sondern Durchmesser mal reales Pi haben. Und sich aus der Abweichung – neben den unter 1 genannten Quantenunschärfe, die btw. eine maximale Genauigkeit durch größtmöglichen Kreis und Plancklänge ergibt – eine maximal mögliche Genauigkeit ergibt.

Für meinen Geschmack zwar ein bisschen wirr formuliert, grammatisch und orthografisch falsch, aber mir fiel sofort ein einfaches Beispiel aus dem Buch “Das elegante Universum” von Brian Greene ein. In diesem Buch geht es um eine populärwissenschaftliche Einführung und Begründung der Ideen der Stringtheorie(n). In den ersten Kapiteln wird man durch die Grundlagen der Speziellen und der Allgemeinen Relativitätstheorie geführt. Dort kann man als Beschreibung dieses Bildes

die folgende Erklärung lesen:
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Demokrit, Epikur, freier Raum und Objekte

4. Februar 2014 Keine Kommentare

Wenn man heute etwas “von” den alten Philosophen liest, dann als Laie meistens nicht im Original, man liest eher etwas “über” sie. Einige der Denker der Antike sind dabei so sakrosankt wie die Heiligen der Bibel. Demokrit ist einer von ihnen, der mit seiner Idee von den Atomen in kaum einem populärwissenschaftlichen Buch über dieses Thema fehlen darf.

Von ihm stammt die Vorstellung, dass Gegenstände nicht beliebig teilbar sein können, sondern es kleinste Bestandteile geben muss, die A-tome, die Unteilbaren. Bei Demokrit haben die Atome kleine Haken und Ösen, mit denen sie sich zu größeren Einheiten verbinden. Hier hat er sicherlich eine Eigenschaft größerer Objekte auf kleinere übertragen. Ich hätte ihn gern gefragt, wie er mit dem Widerspruch umgegangen ist, dass man zwar bei den großen Objekten Haken und Ösen entfernen kann und die Objekte dadurch zerlegt, die Haken und Ösen “seiner” Atome aber untrennbar mit diesen verbunden sein sollen.
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Fangschreckenkrebse: Die Durchblicker vom Meeresgrund

26. Januar 2014 Keine Kommentare

Fangschreckenkrebse: Die Durchblicker vom Meeresgrund lautet die Überschrift eines Artikels in Spiegel Online zu einer Gruppe von Meereskrebsen. Der Artikel enthält eine Reihe sehr ansprechender und farbenprächtiger Fotos, z.B.:

Aber nicht, dass die Tiere selbst sehr farbenprächtig sind, macht sie so interessant, sondern ihr Farbensehen. Das interessiert mich aus zwei Gründen. Zum einen philosophisch, weil Farben ein klassisches Beispiel für Qualia sind, zum anderen beruflich, weil ich mit Farbkameras arbeite. Zu Beginn des Spiegelartikels liest man:
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Preonen

2. Januar 2014 2 Kommentare

Ich bin ja ein physikalischer Laie, aber als solcher sehr an aktuellen Erkenntnissen dieser Wissenschaft interessiert. So weiß ich, dass alle uns bekannten Elementarteilchen durch das Standardmodell der Teilchenphysik sehr gut beschrieben werden. Hier eine Grafik, die alle Teilchen des Standardmodells zeigt:

Vielleicht kurz zu einigen Details dieser Grafik:
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A capella science

12. Oktober 2013 Keine Kommentare

Wenig überraschend gingen die diesjährigen Nobelpreise in Physik an die beiden Physiker Peter Higgs und François Englert. Der dritte im Bunde, Robert Brout, ist schon verstorben, er hat deshalb leider die experimentelle Bestätigung der Theorie nicht mehr erlebt. Im Wikipediaartikel über das Higgs-Boson liest man zu der von den dreien unabhängig voneinander entwickelten Theorie:

1964 entwickelten Peter Higgs, François Englert und Robert Brout sowie Gerald Guralnik, Carl R. Hagen und Tom Kibble unabhängig voneinander und ungefähr gleichzeitig denselben formalen Mechanismus, durch den zunächst masselose Elementarteilchen in Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld (dem „Higgs-Feld“) massiv werden. Obwohl alle drei Arbeiten hintereinander in ein und derselben Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen, wobei Englert und Brout ihr Manuskript etwas eher eingereicht hatten, sodass ihre Veröffentlichung vor denjenigen der anderen Autoren platziert wurde, benannte man das Feld und sein Teilchen (das Feldquant) allein nach Higgs.

In diesem Abschnitt findet man auch die Namen weiterer Personen, die an der Entwicklung der Theorie beteiligt waren. Getoppt wird ihre Anzahl natürlich jetzt durch die große Menge an Physikern, die im Cern arbeiten. Eine genaue Erklärung, wie das mit der Aufteilung eines Nobelpreises an mehrere Personen oder die Vergabe an Institutionen funktioniert, findet man in dem Artikel Geteilter Preis von Joachim Schulz.

Wie könnte man jetzt gratulieren? Vielleicht, indem man ein Musikstück nochmals aus der Versenkung holt, das sich mit den Experimenten am Cern beschäftigt und ein paar der (sehr jungen) Physiker dort zeigt:
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Was ist Raum?

8. August 2013 Keine Kommentare

Unlängst hat es unter ein paar Bekannten eine Diskussion gegeben, die mit dieser einfachen Frage angefangen hat. Derjenige, der das Thema eröffnet hat, kam mit dem Zitat eines Physikers, mit dem er zuvor eine Unterhaltung hatte:

„Ich komme immer mehr zu der Überzeugung, dass Raum nichts als eine Illusion ist, denn nur dann kann er gleichzeitig alles und nichts sein“.

In der Wikipedia kann man über den Raum lesen:

„Raum ermöglicht allen materiellen Objekten eine Ausdehnung, er selbst existiert als grundlegendes Ordnungsmodell „a priori von den darin vorhandenen Objekten“, nach heutigem Verständnis aber nur in Relation zu ihnen. Wenn der Raumbegriff in diesem Sinne gebildet wird, hat es keinen Sinn, von einem „leeren“ Raum zu sprechen.”

Im Brockhaus findet man:

“RAUM: aus der Geometrie entwickelter, grundlegender Begriff der Physik, der sich, als dreidimensionaler physikalischer Raum, in der Ausdehnung, der gegenseitigen Lage und den Abständen der ‘in ihm eingebetteten’ materiellen Dinge manifestiert und durch Messungen mit Hilfe geeigneter Maßstäbe konkretisiert wird.”

Eine ganze Reihe weiterer Definitionen findet man hier.

Auch Kant wurde zitiert, in seiner typischen, aus heutiger Sicht verquasten Ausdrucksweise:

„Der Raum ist eine notwendige Vorstellung a priori, die allen äußeren Anschauungen zum Grunde liegt. Man kann sich niemals eine Vorstellung davon machen, daß kein Raum sei, ob man sich gleich ganz wohl denken kann, daß keine Gegenstände darin angetroffen werden. Er wird also als die Bedingung der Möglichkeit der Erscheinungen, und nicht als eine von ihnen abhängende Bestimmung angesehen, und ist eine Vorstellung a priori, die notwendigerweise äußeren Erscheinungen zum Grunde liegt.“

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Zeitreisen

27. Juli 2013 1 Kommentar

Im Urlaub habe ich den Tagungsband der MinD-Akademie zu ihrem viertägigen Kongress gelesen, der 2008 zum Thema “Zeit in Wissenschaft, Philosophie und Kultur” stattfand. Gleich in der Einleitung findet sich ein berühmter Spruch von Augustinus:

„Was also ist die Zeit? Wenn niemand mich danach fragt, weiß ich’s, will ich’s aber einem Fragenden erklären, weiß ich’s nicht.“

Tatsächlich ist es so, dass der Begriff der Zeit in verschiedenen Kontexten völlig unterschiedlich verwendet wird. Im Alltag hat es für die meisten Menschen den Anschein, als wären Raum und Zeit eine unveränderliche Bühne, auf der sich die Dinge befinden und die Vorgänge ablaufen. Auch die Asymmetrie zwischen Vergangenheit und Zukunft scheint offensichtlich:

  • Wir können uns an die Vergangenheit erinnern, sie aber nicht ändern. Sie ist das Faktische.

  • Wir können uns Vorstellungen von der Zukunft machen und versuchen, sie zu beeinflussen. Sie ist das Mögliche.

  • Zwischen Vergangenheit und Zukunft liegt die Gegenwart, das Hier und Jetzt, in dem augenscheinlich etwas geschieht und von der keiner weiß, wie lange sie dauert.

Einige Teile der Physik decken sich nicht mit unserer Alltagserfahrung:
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Freeman Dysons Suche nach der Weltformel

12. Mai 2013 4 Kommentare

Bei Spektrum.de findet man einen Artikel über einen Beweis von Freeman Dyson, dass die Gravitation im Rahmen der Quantentheorie nicht beschrieben werden kann: Entpuppt sich die Suche nach der Weltformel als Hirngespinst? Für Laien und ScienceFiction-Anhänger ist Freeman Dysons Name untrennbar mit der sogenannten Dyson-Sphäre verknüpft. Aber der Hauptbeitrag von Dyson liegt wohl eher auf dem Gebiet der Quantenelektrodynamik. Als junger Physiker hat er eng mit Richard Feynman zusammengearbeitet und zur Popularisierung der Feynman-Diagramme beigetragen.

Ein seit über 50 Jahren ungelöstes Problem in der Physik ist, wie man die Allgemeine Relativitätstheorie (ART), die Gravitation, Raum und Zeit beschreibt, mit der Quantentheorie (QT) zusammenfassen kann. Die ART beschreibt die Wechselwirkungen, die massebehaftete Teilchen aufeinander ausüben, mit den Methoden einer Feldtheorie. Die QT wiederum beschreibt die Welt des ganz Kleinen mit Hilfe von “Teilchen”, zwischen denen es mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten “Wechselwirkungen” gibt.
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Vom Higgs zur Quantengravitation

1. April 2013 2 Kommentare

“Vom Higgs zur Quantengravitation” heißt ein “Spektrum Spezial” Heft, das verschiedene Artikel enthält, die in diversen Spektrum der Wissenschaften Heften bereits einmal erschienen sind. An einige konnte ich mich noch erinnern, z.B. an ein Interview mit Leonard Susskind, einen der Väter der Stringtheorie. Einige Texte und die darin vorgestellten Ideen waren entweder neu für mich oder sind es wert, hier wiedergegeben zu werden:

  • Was bringt uns die Entdeckung des Higgs-Boson?
  • Wie weit reichen die Seltsamkeiten der Quanten- in die makroskopische Welt?
  • Wie hängt die Gravitation mit der Quantenwelt zusammen?

Was bringt uns die Entdeckung des Higgs-Boson?

Denn das Higgs-Boson ist nicht nur irgendein weiteres Partikel im Teilchenzoo, sondern vielmehr Eckstein eines geistigen Gebäudes, bekannt als das Standardmodell, das mehrere Theorien miteinander vereint, die die moderne Teilchenphysik beschreiben. Die Existenz dieses Teilchens hatte Peter W. Higgs von der University of Edinburgh bereits 1964 postuliert, unabhängig von ihm auch Francois Englert und Robert Brout in Brüssel sowie drei weitere Theoretiker in London. Das neue Partikel soll alle Elementarteilchen durch einen raffinierten Mechanismus sozusagen mit Masse versorgen.

So weit, so gut. Dieses Zitat findet man in dem Artikel “Der lange Weg zum Higgs”. Der darauffolgende Artikel ist ein Interview mit Siegfried Bethke, der im Leitungsgremium des CERN Deutschland vertritt. Dort liest man:
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Gerhard Staguhn: Quarks, Atome, Moleküle

17. Januar 2013 Keine Kommentare

Dieses Buch war ein Zufallskauf. Wir hatten vor dem Beginn des Films noch etwa eine halbe Stunde Zeit, und da sich in demselben Einkaufszentrum, in dem das Kino war, auch ein Buchladen befand, stöberten wir etwas darin herum. Im Nachhinein bin ich recht zufrieden mit meinem spontanen Griff ins Regal. Angetan war ich schon auf den ersten Seiten:

Die vier Elemente in der antiken Philosophie decken sich sehr schön mit der modernen Vorstellung von den drei Zustandsformen der Materie, wobei das Licht (= Feuer) zur Materie noch hinzukommt. Die Zustandsform »fest« entspräche der »Erde«, »flüssig« dem »Wasser« und »gasförmig« der »Luft«. Das Licht nimmt eine Sonderstellung ein, da es streng genommen nicht Materie ist; es gibt feste, flüssige und gasförmige Stoffe, aber keine Licht-Stoffe. Licht ist keine Erscheinungsform von Materie, sondern eine Folge von Materie. Materie, egal ob fest, flüssig oder gasförmig, kann Licht aussenden, muss aber nicht. Licht ist unlösbar mit der Materie verbunden. Gäbe es kein Licht, würden bestimmte Eigenschaften der Materie, etwa die Farbe von Stoffen, gar nicht existieren. Ein ganz bestimmter Bereich der Materie auf unserer Erde, nämlich die lebendige Materie in Gestalt von Pflanzen, Tieren und Menschen, ist ohne das Licht nicht denkbar.

Diese antike Vorstellung von den vier Urelementen findet man in vielen Einführungen der Philosophie, aber bis jetzt hatte ich für diese alte Vorstellung der Griechen noch nirgends eine plausible Erklärung gelesen. Auch die Antwort des Autors auf die Frage “Warum sind die Atome so klein?” ist (be)merkenswert:
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