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Archiv für die Kategorie ‘Physik’

Gibt es einen Spiegel, der nicht seitenverkehrt abbildet?

11. Januar 2019 Keine Kommentare

In einem Hotel hat mich ein Eckspiegel verblüfft. Ich habe darüber nachgedacht: Wenn man zwei Spiegel mit einem 90 Grad-Winkel zusammenklebt und in die Ecke schaut, wird zweimal reflektiert – was die Seitenvertauschung aufhebt.

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Warum findet man sich im Spiegel oft schöner als auf Fotos?

9. Januar 2019 Keine Kommentare

Im Spiegel sieht man sich seitenverkehrt, auf Fotos „richtig“ herum. Da man sich selbst häufiger im Spiegel betrachtet, ist einem dieser Anblick vertrauter.

Einen ähnlichen Eindruck hat man, wenn man die eigene Stimme in einer Aufzeichnung hört. Das klingt sehr fremd, weil dort der Körperschall fehlt – das zusätzliche Übertragen des Schalls über die eigenen Knochen.

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Wie ist der Zusammenhang zwischen Entropie und Information?

19. Dezember 2018 Keine Kommentare

An vielen Stellen setzt man die physikalische Entropie mit dem Informationsbegriff nach Claude Shannon gleich. Aber ganz so einfach ist der Zusammenhang wohl nicht. Ein Gas im thermodynamischen Gleichgewicht hat die maximale Entropie, aber die Information, mit der man diesen Zustand beschreiben kann, ist sehr klein: Molekülart, Temperatur und Dichte reichen aus.

Die komplexesten Systeme, für die sehr viel Information zur Beschreibung benötigt wird, haben eine mittlere physikalische Entropie im Vergleich mit ihrer Umwelt. Sie können ihre Struktur nur aufrecht erhalten, indem sie beständig Energie aufnehmen und abgeben, wobei sie Stoffe mit niedrigerer Entropie als ihre eigene aufnehmen und Stoffe mit höherer Entropie als ihre eigene abgeben. Die Gesamtentropie aller beteiligten Komponenten wächst dabei stark an, ihre eigene nur wenig (bei Menschen: Gedächtnis, Alterung).

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Cixin Liu und Stephen Hawking zum Fermi-Paradoxon

10. Mai 2018 2 Kommentare

In der Wikipedia wird das Fermi-Paradoxon in einem Satz zusammengefasst:

Der weit verbreitete Glaube, es gebe in unserem Universum viele technisch fortschrittliche Zivilisationen, in Kombination mit unseren Beobachtungen, die das Gegenteil nahelegen, ist paradox und deutet darauf hin, dass entweder unser Verständnis oder unsere Beobachtungen fehlerhaft oder unvollständig sind.

Hinter dieser Aussage stecken ähnliche Überlegungen wie sie auch der Drake-Gleichung zugrunde liegen:

  • Es gibt sehr viele Sterne in unserer Galaxis, einige sollten sonnenähnlich sein.

  • Einige dieser Sonnen haben Planeten, auf denen ähnliche Bedingungen wie auf der Erde herrschen.

  • Auf einigen dieser Planeten sollte sich Leben entwickelt haben.

  • Auf einigen dieser belebten Planeten sollten sich intelligente Lebensformen entwickelt haben.

  • Einige dieser intelligenten Lebensformen sollten eine technologisch fortgeschrittene Entwicklungsstufe erreicht haben.

  • Einige dieser technologischen Zivilisationen sollten das Interesse an interstellarer Kommunikation entwickelt haben und auch genügend lange existieren.

Gegenüber den Überlegungen von Drake geht das Fermi-Paradoxon noch einen Schritt weiter und unterstellt diesen Zivilisationen zusätzlich, dass sie das Bestreben haben, sich in ihrer gesamten Galaxis zu verbreiten. Sie müssten also überall zu beobachten sein. Warum haben wir sie bis jetzt noch nicht gefunden?

In der Wikipedia werden eine ganze Reihe von Lösungsvorschlägen für das Paradoxon angeboten. Hier eine Auswahl:

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Antimaterie

19. Februar 2017 Keine Kommentare

Anfang Februar habe ich in der Telepolis einen Artikel über Antimaterie gelesen: Antimaterie: Mehr als nur Anti. Im ersten Teil des Artikels heißt es:

Zu jedem Teilchen, etwa Proton, Myon oder Elektron, gibt es so genannte Antiteilchen, in diesem Fall Anti-Proton, Anti-Myon oder Positron. Wenn beide sich treffen, zerstrahlen sie zu reiner Energie. Ansonsten unterscheiden sich Teilchen und Antiteilchen auf den ersten und zweiten Blick nicht.

Das ist erstens eines der großen Rätsel der Wissenschaft und zweitens der Grund, dass Sie diesen Artikel überhaupt lesen können. Denn beim Urknall müssten eigentlich gleich viele Teilchen und Antiteilchen entstanden sein. Wäre das der Fall, hätte sich das frühe All kurz nach seiner Entstehung in einer gigantischen Annihilation wieder aufgelöst.

Tatsächlich beobachten wir heute ein extremes Übergewicht normaler Materie. Es muss also beim Urknall irgendwie dazu gekommen sein, dass mehr Materie als Antimaterie entstand – dass es irgendwo im All noch ein rein aus Antimaterie bestehende Ecke gibt, können die Astronomen mit großer Sicherheit ausschließen.

Meiner Meinung nach stimmt eigentlich keiner der drei Absätze. Der erste wird bereits in den nächsten Sätzen des Artikels widerlegt. Dort wird auf die sogenannte CP-Verletzung Bezug genommen. Es scheint inzwischen experimentell bestätigt zu sein, dass ein Teilchen nicht das exakte Gegenteil seines Antiteilchens ist. Wenn das so ist, dann sollte das Zusammentreffen eines Teilchens mit seinem Antiteilchen nicht zur vollständigen Zerstrahlung der beiden Teilchen führen.

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Die Grenzen von Raum und Zeit

29. Juni 2016 1 Kommentar

Spätestens mit der Relativitätstheorie hat sich unser Verständnis von Raum und Zeit grundlegend geändert. Newton – und zum Beispiel auch Kant – gingen davon aus, dass Raum und Zeit unabhängig von den Dingen sind, die es in der Welt gibt. Einstein hat gezeigt, dass es keinen Sinn hat, von Zeit zu sprechen, wenn es keine Uhr gibt, um sie zu messen. Genausowenig ist es müßig, einen Raum anzunehmen, ohne Maßstäbe zu verwenden. Uhren und Maßstäbe sind aber materielle Objekte, deshalb sind die Begriffe Raum und Zeit nur im Zusammenhang mit dem Vorhandensein von Materie von Bedeutung.

Wichtig ist sich klarzumachen, dass das Bestimmen von Längen oder Zeiten immer das Vergleichen von zwei Objekten bzw. Vorgängen ist. Man misst zum Beispiel die Zeit, indem man zählt, wie viele Takte (Perioden) der Uhr ein bestimmter Vorgang andauert. Einstein hat das insofern mit Materie (Masse, Energie) verknüpft, indem er gezeigt hat, dass die gemessenen Längen und Zeiten von der relativen Bewegung zwischen Uhr bzw. Maßstab und Messobjekt in der Speziellen Relativitätstheorie abhängig sind. Die allgemeine Relativitätstheorie zeigt dann grundlegender den Zusammenhang zwischen Masse, Beschleunigung, Raum und Zeit.

Spannend werden die Zusammenhänge zwischen Materie, Raum und Zeit, wenn man die Konsequenzen astronomischer Beobachtungen zum sogenannten Urknall überdenkt. Weil sich das Universum im Laufe der Zeit räumlich ausdehnt, gelangt man bei einer Extrapolation der Messdaten rückwärts in der Zeit zu einem Punkt, an dem alles auf einem einzigen Raumpunkt konzentriert war. Dieser Raum-Punkt korrespondiert mit einem Zeit-Punkt und der Annahme des Beginns von Raum und Zeit in diesem Punkt.
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Wie kann Neues im Universum entstehen?

27. April 2016 17 Kommentare

Eine der am besten untersuchten und experimentell bestätigten physikalischen Theorien ist die Quantenmechanik. Alle bisherigen Beobachtungen im Mikrokosmos werden von ihr mathematisch korrekt beschrieben und Ergebnisse richtig vorhergesagt. Im Gegensatz dazu wirft ihre philosophische Interpretation Fragen auf. Einige Teilcheneigenschaften haben vor einer Messung keinen festgelegten Wert. Man kann in Form der sogenannten Wellenfunktion nur eine Wahrscheinlichkeit für jeden möglichen Wert angeben. Bei einer Beobachtung wird genau ein Wert gemessen, die Wellenfunktion selbst wird irrelevant. Die heute am häufigsten vertretene Interpretation des Messvorgangs als eines „Kollaps der Wellenfunktion“ wird als „Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik“ bezeichnet.

Das dabei für eine philosophische Interpretation Merkwürdige ist die angenommene Bedeutung des Messvorgangs. Vor der Messung gibt es eine Vielzahl von möglichen Ergebnissen, bei der Messung wird nur ein einziger realisiert. Der Formalismus der Quantentheorie ist offenbar richtig, denn bei einer großen Zahl von Experimenten wurde gezeigt, dass es sich tatsächlich nicht um eine bloße Unkenntnis des Beobachters bzgl. des wahren Wertes handelt, der gemessene Wert existiert vor der Messung tatsächlich noch nicht.

Die Seltsamkeit der Quantentheorie rührt daher, dass man für eine messbare Eigenschaft annimmt, dass sie vor der Messung bereits existiert, aber keinen Wert hat. Überträgt man dieses Verhalten auf die Welt der uns mit unseren Sinnen unmittelbar zugänglichen Objekte, dann könnte man z.B. behaupten, ein Objekt hätte eine Farbe, aber diese sei vor ihrer Beobachtung (Messung) weder rot, noch grün oder blau oder …, sondern diese Farbe würde erst dann festgelegt, wenn jemand das erste Mal das betreffende Objekt anschaut.
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Zeit, Logik und Physik

27. November 2015 Keine Kommentare

Normalerweise benutze ich ja den Namen des Autors und seines Buches als Überschrift, wenn ich einige Gedanken und Zitate aus dem Werk wiedergebe, aber in diesem Fall habe ich nur die ersten 200 und die letzten 50 Seiten gelesen, sodass mir das nicht angemessen erscheint. Carl Friedrich von Weizsäckers Buch „Aufbau der Physik“ ist sehr sperrig, was sowohl den Inhalt als auch die Sprache betrifft. Ich habe mir beim Lesen schwer getan. Man merkt dem Text sein Alter an und dass das Buch mehr Vorlesungsscripte und nicht zusammenhängende Texte enthält, eine sorgfältige Überarbeitung hätte ihm gut getan. Das Buch war mir hier in einem Kommentar empfohlen worden, weil ich in meinem Text geschrieben hatte, dass ich der Meinung bin, Paradoxa häufig dann anzutreffen, wenn logische Schlüsse auf zeitliche Vorgänge angewendet werden. In diesem Punkt hat Weizsäckers Buch mich bestätigt, im Folgenden einige Gedanken daraus.

In der klassischen Physik, z.B. der Mechanik, gibt es eine Reihe von mathematisch formulierten Gesetzmäßigkeiten, die zeitinvariant sind. Der Parameter „Zeit“ kann dort positive oder negative Werte annehmen, ohne dass sich an der Gültigkeit der berechneten Ergebnisse etwas ändert. Trotzdem gibt uns unser Verstand im Alltag eine definierte Zeitrichtung vor. Weizsäcker verwendet als ein Beispiel die Fotografie eines Dachziegels, der vor einer Hauswand schwebt. Die Aufnahme hat diesen Moment eingefroren. Jedem Betrachter ist klar, dass der Ziegel dort nicht ruhen kann. Die Naturgesetze erlauben es, dass sich der Dachziegel von unten nach oben oder von oben nach unten bewegt. Aber alle Betrachter des Bildes werden instinktiv davon ausgehen, dass der Ziegel fallen wird.

In einem der ersten Kapitel leitet Weizsäcker aus den reversiblen Bewegungsgesetzen von Objekten die irreversiblen Gesetze der Thermodynamik her. Zwar bewegt sich jedes Molekül nach den newtonschen Gesetzen, trotzdem führt das Zusammentreffen einer heißen und einer kalten Menge praktisch immer dazu, dass sich eine mittlere Temperatur einstellt. Physikalisch werden solche Vorgänge mit der Entropie beschrieben, die im zeitlichen Verlauf immer zunimmt und damit eine eindeutige Zeitrichtung vorgibt. Nur kurz war ich über einen Abschnitt im Wikipediaartikel über den Zeitpfeil verblüfft:

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Kosmische Würfelspiele

14. November 2015 Keine Kommentare

Unter der oben genannten Überschrift ist in der Novemberausgabe 2015 von „Spektrum der Wissenschaften“ ein Artikel erschienen, der sich mit dem Verhältnis von Einstein zur Quantentheorie beschäftigt. Den meisten dürfte (in verkürzter Form) das folgende Zitat bekannt sein, mit dem der Beitrag in SdW beginnt:

„Die Quantenmechanik ist sehr achtunggebietend. Aber eine innere Stimme sagt mir, dass das noch nicht der wahre Jakob ist. Die Theorie liefert viel, aber dem Geheimnis des Alten bringt sie uns kaum näher. Jedenfalls bin ich davon überzeugt, dass der nicht würfelt.“

Aus dem Zusammenhang gerissen, scheint dieses Zitat zweierlei zu belegen: Erstens, dass Einstein religiös war. Zweitens, dass er der Quantentheorie skeptisch gegenüberstand. Der Diskussion des Letzteren ist der SdW-Artikel gewidmet. Der Autor George Musser zeigt, dass diese verbreitete Vorstellung nicht richtig sein kann, war Einstein doch gemeinsam mit Planck der Begründer der Quantentheorie.

Einstein, so die geläufige Annahme, weigerte sich anzuerkennen, dass manche Vorgänge nicht deterministisch sind und einfach geschehen – ohne die Möglichkeit herauszufinden, wann oder warum. Nahezu isoliert im Kreis seiner Fachkollegen klammerte er sich an das mechanistisch tickende Uhrwerkuniversum der klassischen Physik, in dem jeder Moment den nächsten bestimmt.

Doch im Lauf der Zeit haben viele Historiker, Philosophen und Physiker Zweifel an dieser Darstellung angemeldet. Setzt man sich nämlich damit auseinander, was Einstein tatsächlich gesagt und geschrieben hat, so zeigt sich seiner sehr viel nuanciertere Denkweise über den Indeterminismus der Quantenmechanik.

Howard und andere Geschichtswissenschaftler haben gezeigt, dass Einstein den unbestimmten Charakter der Quantenphysik akzeptierte – wenig überraschend, denn er selbst hatte ihn bei seinen Arbeiten schließlich mit entdeckt. Dagegen nahm er nicht hin, dass dieser Indeterminismus eine fundamentale Eigenschaft der Natur sein sollte. Er sah vielmehr Hinweise darauf, dass dieses Verhalten seine Ursache in einer tieferen Ebene der Realität hat, welche die bestehenden Theorien nicht erfassten. Seine Kritik war also keineswegs mystischer Natur, sondern sie war auf wissenschaftliche Probleme fokussiert, die bis heute ungelöst sind.

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Wolfsheim: Kein Zurück

31. Oktober 2015 Keine Kommentare

Normalerweise höre ich keine Musik, sie stört beim Lesen, beim Arbeiten und beim Nachdenken. Eine Ausnahme ist Autofahren. Der Chip wurde vor langer Zeit bespielt und steckt seitdem im Autoradio, aber dass sich darauf mehrere Wolfsheim-CDs befinden, wusste ich gar nicht. Ich muss das Lied also schon ein paar dutzendmal gehört haben. Doch vor einigen Tagen wurde ich während der Fahrt auf „Kein Zurück“ aufmerksam. Seitdem lässt mich das Lied nicht mehr los:

Der Liedtext (Quelle):


Es gibt keinen Weg zurück
Weißt du noch, wie's war
Kinderzeit, wunderbar
Die Welt ist bunt und schön
Bis du irgendwann begreifst,
Dass nicht jeder Abschied heißt
Es gibt auch ein Wiederseh'n.

Immer vorwärts, Schritt um Schritt
Es gibt keinen Weg zurück
Was jetzt ist, wird nie mehr ungescheh'n
Die Zeit läuft uns davon
Was getan ist, ist getan
Was jetzt ist, wird nie mehr so gescheh'n.

Es gibt keinen Weg zurück
Es gibt keinen Weg zurück

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Ein Wort zu viel im Zorn gesagt
Nen' Schritt zu weit nach vorn gewagt
Schon ist es vorbei
Was auch immer jetzt getan
Was ich gesagt hab, ist gesagt
Was wie ewig schien, ist schon Vergangenheit.

Immer vorwärts, Schritt um Schritt
Es gibt keinen Weg zurück
Was jetzt ist, wird nie mehr ungescheh'n
Die Zeit läuft uns davon
Was getan ist, ist getan
Was jetzt ist, wird nie mehr so gescheh'n.

Ach und könnt' ich doch nur ein einz'ges Mal
Die Uhren rückwärts dreh'n
Denn wie viel von dem, was ich heute weiß,
Hätt' ich lieber nie geseh'n.

Es gibt keinen Weg zurück
Es gibt keinen Weg zurück
Es gibt keinen Weg zurück

Dein Leben dreht sich nur im Kreis
So voll von weggeworfener Zeit
Deine Träume schiebst du endlos vor dir her
Du willst noch leben irgendwann
Doch wenn nicht heute, wann denn dann?
Denn irgendwann ist auch ein Traum zu lange her.

Immer vorwärts, Schritt um Schritt
Es gibt keinen Weg zurück
Was jetzt ist, wird nie mehr ungescheh'n
Die Zeit läuft uns davon
Was getan ist, ist getan
Was jetzt ist, wird nie mehr so gescheh'n.

Ach und könnt' ich doch nur ein einziges Mal
Die Uhren rückwärts dreh'n
Denn wie viel von dem, was ich heute weiß,
Hätt' ich lieber nie geseh'n.

Warum lässt mich das Lied nicht los? Über das Phänomen (oder das Mysterium?) der Zeit grüble ich recht häufig nach, am ehesten stimme ich Lee Smolin in seinem Buch Im Universum der Zeit zu. Während in der Relativitätstheorie Raum und Zeit zu etwas Ähnlichem verschmolzen werden, ist Smolin der Meinung, dass die Zeit etwas Fundamentaleres als der Raum sein muss. Um Veränderungen möglich zu machen, muss etwas existieren, in dem sich Veränderungen vollziehen können – die Zeit.

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