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Archiv für die Kategorie ‘Physik’

Helmut Satz: Gottes unsichtbare Würfel

1. November 2014 2 Kommentare

Der Titel des Buchs ist etwas irreführend, denn um Religion geht es in dem Buch von Helmut Satz überhaupt nicht. Der Autor war Jahrzehnte lang Professor für Theoretische Physik und hat in seinem Buch über den aktuellen Stand der Physik und über Erkenntnisgrenzen geschrieben. Ich habe im Buch einige interessante und für mich neue Ideen gefunden. Die erste ist mit der Frage verbunden, wann man sich denn sicher sein kann, wirklich die elementaren Bestandteile der Welt gefunden zu haben:

Der römische Philosoph Lukrez war schon vor über zweitausend Jahren zu dem Schluss gekommen, dass die kleinsten Bestandteile der Materie nicht einzeln existieren könnten, sondern nur als untrennbarer Teil einer größeren Einheit.

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Aber die Untersuchung der Kräfte zwischen Nukleonen hat gezeigt, dass wir wohl doch noch nicht am Ende angelangt sind. Für das Verständnis der dabei auftretenden Wechselwirkung und der verschiedenen Anregungszustände von Nukleonen ist eine weitere Infrastruktur erforderlich: Ein Nukleon besteht aus drei gekoppelten Quarks – so stark aneinandergekoppelt, dass eine unendlich hohe Energie erforderlich wäre, das Nukleon in Quarks zu spalten. Ein einzelnes Quark kann somit nicht existieren.

Die Quarks, für uns heute die fundamentalen Konstituenten der Materie, haben genau das als ihre wesentliche Eigenschaft: Sie sind auf ewig mit anderen Quarks verkoppelt, mit denen sie dann Nukleonen als größere Einheiten bilden. Die Welt, in der die Quarks existieren, unterscheidet sich wesentlich von unserer: Es ist eine Welt ohne Vakuum, ohne leeren Raum, und sie können dieser Welt nie entkommen, wie auch niemand aus dem Inneren eines schwarzen Lochs entkommen kann.

An anderer Stelle im Buch hat Helmut Satz geschrieben, dass bereits bei der Erstellung des Periodensystems der Elemente durch Mendelejew klar war, dass die Atome nicht die kleinsten Bestandteile der Materie sein können – die ganzzahligen Verhältnisse der verschiedenen Elemente bezüglich der Ladungen und der Atommassen deuteten darauf hin, dass in den Atomen kleinere Bestandteile existieren müssen, die die elementaren Massen und Ladungen tragen.

Aber auch die später entdeckten Nukleonen (Protonen und Neutronen) konnten aufgrund ihrer Eigenschaften nicht elementar sein. Satz ist jetzt aber der Meinung, dass die Quarks elementar sind – unter anderem weil sie keine räumliche Ausdehnung haben und weil sie nicht als Einzelteilchen existieren, sondern nur im Verbund.

Ich habe (philosophische) Zweifel an dieser Meinung. Später schreibt er über die “Quarkmaterie”. Mit dieser wird ein Zustand beschrieben, bei dem bei erheblich höheren Temperaturen und Drücken, so wie sie kurz nach dem Urknall geherrscht haben sollen, die Bindungen zwischen den Quarks und ihre Kombination zu den heute vorhandenen Nukleonen noch nicht existiert haben können. In dieser Art Ursuppe haben sich die verschiedenen Quarks frei bewegt. Zu einem noch früheren Zeitpunkt und noch extremeren Bedingungen könnten die Quarks selbst noch nicht, sondern nur ihre Vorläufer existiert haben. Einige Theoretiker haben ja bereits über Preonen spekuliert.

Mir erscheint die Annahme logisch, dass es überhaupt keine elementaren Bausteine geben kann:

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Stephen Hawking, Leonard Mlodinow: Der große Entwurf

21. August 2014 Keine Kommentare

Das erste Buch von Stephen Hawking, das ich gelesen habe, war Eine kurze Geschichte der Zeit. Seinerzeit hat er geschrieben, dass ihm sein Lektor nahegelegt hat, Formeln zu vermeiden, da jede Gleichung die Verkaufszahlen halbiert. Im Jahr 2010 ist ein neues Buch von ihm erschienen, Der große Entwurf, das ich mir jetzt vorgenommen habe. Koautor war Leonard Mlodinow, ebenfalls ein bekannter Physiker. In den vergangenen Jahren sind zu ihrem Buch bereits eine ganze Reihe von Rezensionen erschienen. Das Laienpublikum hat das Buch wieder sehr positiv aufgenommen. Es war auch mein Eindruck, dass es sprachlich sehr genau ist und komplexe Sachverhalte anschaulich darstellt. Formeln gibt es (fast?) gar keine, aber eine größere Anzahl von Abbildungen.

Doch Kritik gab es dieses Mal eine ganze Menge, natürlich vor allem von Philosophen und Theologen, denn Hawking und Mlodinow schreiben gleich in der Einleitung, dass die Philosophie tot ist und die Physik die Welt erklären kann – und natürlich sind sie auch der Meinung, dass Gott zur Erklärung der Entstehung des Universums überflüssig ist. Irgendwie fühlte ich mich an das folgende Bonmot erinnert:

“Gott ist tot”, sprach Nietzsche.
“Nietsche ist tot”, sprach Gott.

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Florian Freistetter: Die Neuentdeckung des Himmels

18. August 2014 Keine Kommentare

Der Autor dieses Buchs war mir bereits über seinen Blog bekannt, er betreibt in den Science Blogs die Seite Astrodicticum simplex. Er ist leidenschaftlicher Astronom und in der Planetenforschung tätig. Über den aktuellen Stand auf diesem Gebiet hat er sein Buch geschrieben. Lange hatte man nur vermutet, dass auch andere Sonnen von Planeten umkreist werden. Das legten Simulationsrechnungen zur Entstehung unseres Sonnensystems nahe. Aber Planeten sind sehr klein und lichtschwach im Vergleich zu ihren Sonnen, sodass es erst in den letzten knapp 20 Jahren gelungen ist, die Existenz extrasolarer Planeten nachzuweisen. Bereits in der Antike hatte man über andere Welten spekuliert. Lustig dazu der folgende Absatz im Buch:

Auch Filastrius, der sechste Bischof der italienischen Stadt Brescia, ärgerte sich im 4. Jahrhundert über die Häresie, „die besagt, dass es unendlich und unzählbar viele Welten gibt”, und über die „leere Meinung mancher Philosophen”. Die Bibel spricht nur von der Entstehung einer einzigen Welt, daher könne es auch nur eine Welt geben. Diese Meinung herrschte in der frühen Kirche vor, es gab nur wenige, die sich trauten, etwas anderes zu behaupten. Einer von ihnen war der Gelehrte Origenes, der im 3. Jahrhundert in Alexandrien lebte.

Er dachte darüber nach, was Gott wohl gemacht hatte, bevor er die Erde erschuf. Er habe sicherlich nicht faul auf seiner Haut gelegen, so etwas würde nicht zum allmächtigen Wesen Gottes passen. Viel wahrscheinlicher sei es, dass er davor eine andere Welt erschaffen hatte und davor wieder eine andere. Und wenn unsere eigene Welt irgendwann nicht mehr existiere, würde Gott sicherlich nicht einfach in Rente gehen, sondern weiter Welten schaffen. Nach Origenes war die Erde zwar tatsächlich die einzige Welt im Universum – aber nur eine in einer Reihe von vielen, die nacheinander von Gott geschaffen wurden.

Natürlich gab es auch andere und eher materialistische Denker, z.B. Epikur, die aufgrund von rein logischen Überlegungen zu dem Schluss kamen, dass andere Welten existieren müssen. Aber nachweisen konnte man das damals nicht. Heute ist unser Wissensstand ein anderer. Freistetter beschreibt in seinem Buch verschiedene Möglichkeiten, wie Planeten nachgewiesen werden können. Erfolgreiche Methoden bisher waren z.B.:

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Michael Hanlon: 10 Fragen, die die Wissenschaft (noch) nicht beantworten kann

2. August 2014 Keine Kommentare

Es gibt viele Fragen, die die Wissenschaft (noch?) nicht beantworten kann, aus diesem Grund sagt die Auswahl in einem Buch sicher weniger etwas über die Wissenschaft oder ihren Stand aus, als vielmehr über die Interessen seines Autors. Die deutsche Wikipedia kennt ihn noch nicht, aber in der englischen Wikipedia wird Michael Hanlon schon erwähnt. Er ist ein britscher Wissenschaftsjournalist. In seinem Buch findet man die üblichen “großen” wissenschaftlichen und metaphysischen Fragen, wie nach der Zeit, nach dunkler Materie und Energie, dem Leben im Universum, dem Wesen der Realität. Daneben eher ungewöhnliche Fragen wie “Was sollen wir mit den Dummen anfangen?” und “Warum werden wir immer dicker?”.

In der Einleitung betont er, dass die Auswahl rein subjektiv und eher zufällig ist und dass er z.B. das Thema des Bewusstseins ausgespart hat. Das ist etwas kurios, denn sein erstes Kapitel mit der Frage “Haben Gorillas Humor?” handelt eigentlich von nichts anderem. Er berichtet dort unter anderem von einer Exkursion zu den Berggorillas. Dort ist er einer kleinen Gruppe an einen See gefolgt, wo diese ihre Spiegelbilder im Wasser betrachtet haben und angesichts der Verzerrungen in eine Art Lachen ausgebrochen sind.

Gut, das waren Tiere. Sie ließen ihrer Art entsprechende Laute ertönen, die ein bisschen wie Kreischen und Pfeifen klangen. Ein exakter Wissenschaftler hätte – im Gegensatz zu einem Journalisten oder Touristen — ihre Körpersprache mit ganz anderen Begriffen beschrieben als „sich kugeln vor Lachen”. „Wer weiß, was in ihren Köpfen vorgeht?”, würden Wissenschaftler sagen. „Man sollte ihnen also besser nicht zu nahe kommen.”

Für mich ist es damit aber nicht getan. Wenn etwas aussieht wie eine Ente, läuft wie eine Ente und quakt wie eine Ente, dann ist es mithin naheliegender, einfach anzunehmen, dass es sich tatsächlich um eine Ente handelt, als irgendeine komplexe Analogie zu konstruieren. Diese Gorillas kugelten sich wegen etwas vor Lachen, das in den Wäldern der Virungaberge als Unterhaltung gelten kann. Und wenn ein Sinn für Humor kein Zeichen für Intelligenz und Selbstbewusstheit ist, dann wüsste ich nicht, was es dann sein sollte.

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Tiere sind nicht nur klüger, als wir einst angenommen haben, sie sind wahrscheinlich auch viel emotionaler, sich viel mehr ihrer selbst bewusst und auf vielerlei Weise uns viel ähnlicher, als wir je für möglich hielten. Hier befindet sich die Wissenschaft auf Kollisionskurs mit der Welt der akzeptierten Ethik und Moral, und man kann sich in naher Zukunft aufgrund unserer neuen Erkenntnisse leicht eine Revolution vorstellen. Wenn wir entscheiden, dass Tiere keine biologischen Maschinen sind, dann wird sich die gesamte Beziehung zwischen der Menschheit und der übrigen Tierwelt ändern müssen.

Vor noch nicht allzu langer Zeit wäre jeder eines hoffnungslosen Anthropomorphismus und der Sentimentalität bezichtigt worden, der behauptet hätte, andere Arten könnten denken, sich Werkzeugen und einer Sprache bedienen und „menschliche” Gefühle wie Liebe, Güte und Einfühlungsvermögen zeigen.

Auf den folgenden Seiten wird dann eine der interessantesten Diskussionen der letzten Zeit reflektiert, ob man Tieren Rechte einräumen muss, die über das Verbot der Tierquälerei hinausgehen und die in letzter Konsequenz die Möglichkeiten ihrer Nutzung stark einschränken würden. Bemerkenswert war für mich das Folgende:

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Magnetische Monopole II

2. August 2014 Keine Kommentare

Vor inzwischen fast fünf Jahren bin ich zum ersten Mal auf dieses Thema gestoßen, Magnetische Monopole. Inzwischen hat man auf diesem Gebiet weitere Fortschritte erzielt, auch der Wikipediaartikel erscheint mir inzwischen viel umfangreicher als damals. In den Fokus gerückt ist diese alte Idee jetzt bei mir wieder durch einen neuen Artikel in Spektrum der Wissenschaften 2/2014, “Nordpole ohne Südpole”. Die Onlineversion dieses Artikels kostet leider 1,49€.

Ob meine damalige Idee, auf die folgende Weise einen magnetischen Monopol zu konstruieren, funktioniert,

Man nehme einen Sack normaler Stabdauermagneten und bohre in alle an einer Polseite ein Loch. Dann fädele man einen Strick durch alle Löcher und ziehe den Strick zusammen. Die Magnete werden heftigen Widerstand leisten, denn die gleich gepolten Magnete stoßen einander im Zentrum ab. Auch die freien Enden wollen nichts voneinander wissen, sodass nach dem Zusammenbinden eine Art Igel vor uns liegt. Drücken wir auf einen Magneten des Bündels, so schnippt er nach dem Loslassen wieder in seine ursprüngliche Lage zurück.

Da die magnetischen Kräfte mit dem Quadrat des Abstandes abnehmen, wirken die nach außen gerichteten Enden der Magnete stärker auf einen Probekörper, der sich von außen der Anordnung nähert, und zwar unabhängig von welcher Richtung er herangeführt wird. Dieser makroskopische Körper verhält sich also tatsächlich wie ein riesiger Monopol.

… bin ich mir jetzt nicht mehr so sicher. Grund ist, dass sich der eine Pol annähernd punktförmig im Inneren, der andere in einer Art Kugelschale um ihn herum befindet. Hebt sich da nicht der anziehende oder abstoßende Charakter auf, wenn man über beides integriert? Ich weiß es nicht, vielleicht sollte man es einfach experimentell ausprobieren.

Ein intelligenteres Gedankenexperiment stammt aber von Paul Dirac und ist in dem neuen SdW-Artikel wie folgt beschrieben:
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Machen Quanten Sprünge?

6. Juni 2014 Keine Kommentare

In Spektrum der Wissenschaften 4/2014 habe ich einen interessanten Artikel von David Tong gefunden. Online findet sich eine Version des Textes hier. David Tong ist Professor für Theoretische Physik in Cambridge. In seinem Artikel kritisiert er die häufig vertretene Ansicht, die Natur sei in ihrem Urgrund diskret aufgebaut:

Von dem deutschen Mathematiker Leopold Kronecker (1823-1891) stammt der Ausspruch: “Die ganzen Zahlen hat der liebe Gott gemacht, alles andere ist Menschenwerk.” Er meinte damit, die Zahlen Null, Eins und so weiter spielten eine fundamentale Rolle in der Mathematik. Doch für heutige Physiker nimmt das Zitat eine Überzeugung vorweg, die sich in den letzten Jahrzehnten immer fester etabliert hat: Die Natur sei im Grunde diskret, die Bausteine der Materie und der Raumzeit ließen sich einzeln abzählen. Diese Idee geht auf die Atomisten der griechischen Antike zurück, gewinnt aber im digitalen Zeitalter zusätzliche Plausibilität. Viele Physiker stellen sich das Universum als einen gewaltigen Computer vor, in dem die physikalischen Gesetze als Algorithmus für diskrete Informationsbits dienen – wie der grüne Ziffernregen, den die Hauptfigur Neo am Ende des Films “Matrix” an Stelle der vermeintlichen Realität sieht.

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Multiversum: Ist das noch Wissenschaft?

4. Mai 2014 Keine Kommentare

In “Bild der Wissenschaft” 1/2014 findet man gleich eine ganze Artikelserie, die dem Thema “Multiversum” gewidmet ist. Ich hatte ja vor kurzem bereits über Max Tegmarks Vorstellungen geschrieben: Unser Universum, ein Sandkorn am Strand? In der Artikelserie in BdW werden die Ideen noch viel ausführlicher erläutert. Im einführenden Beitrag wird zunächst eine Begriffsklärung versucht:

Die Probleme und Konfusionen beginnen schon mit der Terminologie. Denn es werden mindestens sechs verschiedene, sich teilweise überlappende Begriffe gebraucht. Mit “Universum” kann gemeint sein:

  1. Alles, was (physikalisch) existiert – irgendwann und irgendwo,

  2. die beobachtbare Region des Alls,

  3. die beobachtbare Region des Alls und alles, was mit ihr in kausaler Wechselwirkung stand oder einmal stehen wird,

  4. jedes physikalisches System, das universell groß werden könnte, selbst wenn es in sich zusammenstürzt, solange es noch klein ist,

  5. ein Zweig der quantenphysikalischen Wellenfunktion (falls diese nie kollabiert) – das heißt, eine von verschiedenen Historien oder verschiedenen Welten in Superposition,

  6. vollständig getrennte physikalische Systeme.

Weiter folgt im Text:

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Thomas de Padova: Leibniz, Newton und die Erfindung der Zeit

1. Mai 2014 Keine Kommentare

Beim Kauf dieses Buchs bin ich einer Empfehlung von Michael Springer in einer Rezension in “Spektrum der Wissenschaften” 11/2013 gefolgt. Ich wusste bereits vorher ein bisschen über den Streit der beiden Wissenschaftler Gottfried Wilhelm Leibniz und Isaac Newton, wer denn die Differenzialrechnung erfunden hat. Und auch einige, aus heutiger Sicht sehr moderne Ansichten von Leibniz über Raum und Zeit waren mir schon bekannt.

Bezüglich der Erfindung der Differenzialrechnung vertritt Padova die Ansicht, die heute von den meisten Wissenschaftshistorikern geteilt wird, dass Newton und Leibniz die Differenzialrechnung jeweils unabhängig voneinander entwickelt haben. Vermutlich hat Newton seine Fluxionsrechnung einige Zeit vor Leibniz entwickelt und Leibniz erhielt auch Kenntnis davon, während er an seiner eigenen Methode arbeitete, aber er hat die Grundideen eigenständig entwickelt und durchgesetzt hat sich letztlich auch die Leibnizsche Schreibweise und Berechnungsmethode.

Was die unterschiedlichen Auffassungen der beiden von Raum und Zeit betrifft: Ich habe eines der kniffligsten Gedankenexperimente, die ich kenne, im Buch wiedergefunden und gelesen, dass es ursprünglich von Newton stammt:

Ein Eimer wird an eine zuvor verdrillte Schnur gehängt und beginnt sich zu drehen. Anfangs dreht sich das Wasser in dem Eimer noch nicht mit, weil es zu träge ist, der Bewegung des Eimers sofort zu folgen. In dieser Phase eins ist die Wasseroberfläche glatt. In Phase zwei rotieren Eimer und Wasser gemeinsam. Dabei steigt das Wasser an der Wand des Eimers nach oben, die Wasseroberfläche wölbt sich. Dann hält jemand den Eimer plötzlich an. Dennoch rotiert das Wasser in dieser dritten Phase weiter, und die Oberfläche bleibt gewölbt. Wodurch wird diese Krümmung der Wasseroberfläche bewirkt?

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Unser Universum, ein Sandkorn am Strand?

22. April 2014 Keine Kommentare

In Spiegel Online habe ich eine Rezension zu Max Tegmarks neuem Buch “Our Mathematical Universe” gefunden: Unser Universum, ein Sandkorn am Strand. Das Buch gibt es derzeit nur in Englisch, gelesen habe ich es noch nicht, sodass sich meine Anmerkungen lediglich auf den Spiegelartikel beziehen.

Paralleluniversen kamen früher nur in Science-Fiction-Werken wie “Star Trek” vor. Jetzt aber erwägen auch seriöse Physiker, dass unser All nur eines von unendlich vielen sein könnte. Max Tegmark beschreibt in seinem neuen Buch, wie sich unser Universum eines Tages in Mathematik auflösen könnte.

Tegmark ist Kosmologe am Massachusetts Institute of Technology (MIT)…

Sein Buch, sagt Tegmark, sei für ihn eine Art Outing gewesen, und ein klein wenig habe er sich davor gefürchtet. Er hatte beschlossen, einem breiten Publikum die kühnsten seiner Thesen vorzustellen. Manch einem, so ahnte er, würden diese aberwitzig erscheinen. Früher habe er mit seinen absonderlichen Ideen auch in der Fachwelt Ärger auf sich gezogen, erzählt Tegmark: “Ein Professor hat mich eindringlich gewarnt, mit solchen Spinnereien könnte ich meine Karriere gefährden.”

Und etwas später:

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Macht ein Baum auch dann ein Geräusch, wenn niemand zuhört?

20. April 2014 Keine Kommentare

In einem Blog, in dem ich sehr gern lese, habe ich heute den Beitrag Sind Zahlen beobachterabhängig? gefunden. Die Autorin fragt dort:

Neulich war das Thema einer geschlossenen Runde wieder einmal etwas origineller; es ging darum ob “Zahlen auch dann existieren, wenn niemand zählt”. Diese Frage mag für den ein oder anderen etwas seltsam klingen, vielleicht ist sie das auch, andererseits ist es schwierig darauf sofort eine konkrete Antwort zu finden. Handelt es sich lediglich um Modelle, die nur für den Menschen in Bezug auf die Ordnung seiner Sinneswahrnehmungen von Nutzen sind, oder abstrakte, allgemeine, ewige Entitäten, die unabhängig von einem Beobachter in einer Art “reinen Welt” existieren, ganz nach dem Bild des Idealismus, vor allem dem der Anhänger des Platonismus?

Unstrittig ist, dass Zahlen für uns Ordnungsrelationen darstellen, also Ordnung in Dinge oder Vorgänge hineinbringen, die abzählbar sind. In Experimenten konnte man auch zeigen, dass es Vorformen solcher Abstraktionen bereits im Tierreich gibt. Wenn eine Affenhorde von einem aus drei Löwen bestehenden Rudel auf einen Baum getrieben wurde und die Affen danach nur zwei Löwen sich entfernen sehen, dann gibt es für sie einen guten Grund, noch ein Weilchen länger auf dem Baum hocken zu bleiben. Affen, die zählen können, haben einen evolutionären Vorteil, nur sie können ihre Gene an ihre Nachkommen weitergeben. Das ist übrigens auch ein gutes Argument, den eigenen Nachwuchs vom Nutzen des Mathematikunterrichts zu überzeugen!

In dem bereits verlinkten Blogartikel wurde die Eingangsfrage noch etwas abstrahiert:
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