Ist Masse geronnene Energie? - Seite 2

sqrt(2) · Anmeldungsdatum: 16.03.2007 Beiträge: 35

-Christian- · Anmeldungsdatum: 08.07.2006 Beiträge: 199

Ich glaube, dass du langsam anfängst es dir etwas einfach zu machen in dieser Diskussion. Du forderst von mir ein Kriterium, welches "physikalisches Verstehen" genau definiert. Meine Versuche hierzu scheinst du aber vollständig zu irgnorieren oder ziehst dir als Zitate gerade die Stellen heraus, die mit meiner eigentlichen Beschreibung zum "physikalischen Verstehen" nur am Rande was zu tun haben. Wenn wir hier reden, dann lies meine Beiträge bitte auch und gehen darauf ein, sonst ist nämlich keinem von uns geholfen.

Also nochmal:
Wenn man sich an die Untersuchung eines physikalischen Phänomens heranwagt, dann gibt es zwei Kriterien, die in meinen Augen erfüllt sein müssen, damit das Phänomen als vollständig beschrieben und verstanden gewertet werden kann.

1. Eine Beschreibung des Phänomens muss existieren.
In der Sprache der Physik bedeutet das: Die Ergebnisse der Experimente, in denen das untersuchte Phänomen betrachtet wird, müssen mathematisch vorhersagbar sein.

Auf die QM angewendet:
Es wurden Experimente durchgeführt und es wurde erfolgreich untersucht, welche Veränderungen der Parameter, welche Ergebnisse hervorrufen. Durch Experimente (z.B.: Doppelspaltexperimente mit einzelnen Photonen) und mathematische Herleitungen oder Annahmen durch einige Physiker - allen voran Schrödinger - konnte dann ein mathematischer Weg gefunden werden die Ausgänge der Experimente mittels Wahrscheinlichkeiten auszudrücken. Die Vorhersage der Intensitätsverteilung beim Doppelspaltexperiment war möglich und die Richtigkeit dieser berechneten Verteilung konnte experimentell bestätigt werden.

Soweit, so gut. Nun hatte man eine Beschreibung des physikalischen Phänomens. Man schickt einzelne Photonen durch einen Doppelspalt und stellt fest, dass nach einiger Zeit auf einem dahinter aufgestellten Bildschirm ein Interferrenzmuster erscheint.

Wir können glücklich sein, denn wir haben ein Werkzeug geschaffen, mit dem sich die Quantenwelt beschreiben und Vorgänge in ihr relativ gut vorhersagen lassen. Mit diesem mathematischen Hilfsmittel lassen sich sogar technische Entwicklungen Tätigen ...

Man könnte nun sagen, die Arbeit des Physikers ist getan. Er hat die Natur mathematisch beschrieben und er kann vorhersagen treffen, die experimentell bestätigt werden können. Sehr schön. Jetzt kommt es darauf an, wie du die Physik siehst: Ist sie eine "stupide", äußerst abstrakte und hochtheoretische Wissenschaft, die sich mit mathematischen Beschreibungen zufrieden gibt oder ist ihre Aufgabe dann getan, wenn sie zu diesem ohne Frage recht stabilen (da durch Experimente bestätigten) mathematischen Gerüst noch ein Innenleben verpasst hat?
Als Innenleben ist hier die Interpretation der mathematischen Formalismen anzusehen. Und ich denke, dass diese eben zum "physikalischen Verstehen" notwendig ist.

Warum ist das Phänomen bis hierhin noch nicht verstanden? Weil das Endergebnis und dessen Vorhersage eben nicht erklärt, was bei dem Vorgang, der zu diesem Ergebnis führte, passiert ist. Siehst du das anders? Wenn ja, warum?

Womit ich zu meinem zweiten Kriterium komme:

2. Eindeutige Interpretation der mathematischen Formalismen:
Die mathematischen Vorhersagen müssen naturwissenschaftlich erklärbar sein. Die abstrakten Objekte der Mathematik müssen Objekten oder Prozessen in der Realität zugewiesen werden können. Wie ich schon sagte: Jede physikalisch definierte Größe ist ein Repräsentant der Wirklichkeit.
Hier wieder mein Beispiel der Kraftwirkung. Die mathematisch definierte Kraftwirkung mit F = ma = p/t entspricht einem wahrnehmbaren Rempler in der Realität. Daraus lassen sich jetzt mathematische Zusammenhänge herleiten. Ein Beispiel:

Mathematischer Zusammenhang:
F ist proportional zu a, wenn m = konst.

Die Interpretation lautet ... je mehr ich einen Körper beschleunigen möchte, desto mehr Kraft muss ich aufbringen. Ein Mensch, der einen Ball wirft, wird seine Muskeln stärker anspannen müssen, wenn er einen Ball weit werfen will (hohe Geschwindigkeit nötig -> hohe Beschleunigung nötig -> hoher Krafteinsatz nötig). Je weiter er den Ball werfen möchte, desto mehr Beschleunigung muss er aufbringen und desto mehr Kraft wird er aufbringen müssen. Letzteres wird er dann während des Wurfes und danach durch eine größere Erschöpfung spüren.

Der mathematische Formalismus sagt hier etwas voraus, die Vorhersage lässt sich Interpretieren und beantwortet für die Wirklichkeit die Frage: Warum bin ich beim Ballwerfen erschöpfer, wenn mein Ball schneller und weiter fliegen soll? -> Weil ich mehr Kraft aufbringen muss (und über die Arbeit lässt sich dann interpretieren: W = delta_E = Fs ... mehr Kraftaufwand, bedeutet bei konstantem Weg auch, dass mehr Energie notwendig ist -> man ist erschöpfter!).

Damit ist das Phänomen verstanden, denn beide Kriterien sind erfüllt:

1. Das Phänomen ist mathematisch beschrieben:
Der Ausgang lässt sich vorhersagen ->
z.B. der Kraftaufwand und über die Arbeit die notwendige Energie, wenn ich einen Ball über einen bestimmten konstanten (Wurf)weg mit einer Beschleunigung a auf eine Geschwindigkeit v beschleunigen möchte.

2. Die mathematische Beschreibung und ihre Abhängigkeiten sind eindeutig interpretiert:
Höhere Beschleunigung bedeutet mehr Kraftaufwand, also bei einem konstanten Wurfweg eine höhere Energie. -> Interpretation: Ich bin umso erschöpfter nach dem Wurf, je weiter ich meinen Ball werfen möchte, da ich auch mehr Energie aufbringen muss. Offensichtlich gebe ich meine Energie während des Vorgangs also ab.

Auf die QM angewendet:
Wir haben die mathematische Beschreibung des Endergebnisses. Wir können also vorhersagen, wie der Versuch ausgehen wird. Was wir aus den mathematischen Gleichungen nicht ableiten können ist die Antwort auf die Frage: Warum entsteht dieses Endergebnis? Welchem Objekt der Wirklichkeit entspricht die Wellenfunktion? Was passiert, wenn ein Photon durch einen Doppelspalt geschickt wird?

Hier setzen jetzt die verschiedenen Interpretationen an: Kopenhagener Interpretation (Photon ist eine Welle und interferriert am Spalt, wie jede andere Welle auch); die Viele-Welten-Deutung (das Photon geht jeden Weg, aber jeden Weg in einer anderen Welt, sodass am Ende für den Beobachter der Eindruck entsteht, das Photon wäre nur den einen Weg gegangen); Existenz von verborgenen Variablen (Der Weg des Photon ist von Anfang an vorherbestimmt nur wir sind nicht in der Lage die Parameter zu entdecken, die diese Weg bestimmen); usw.

Fazit:
Es fehlt eine eindeutige Interpretation, was "hinter den Kulissen" abläuft, was eigentlich am Doppelspalt passiert und was den Ausgang des Experimentes auch qualitativ vorhersagen würde. Um zu wissen was passiert, müsste man aber wahrscheinlich auch wissen, was ein Quantenobjekt ist und das weiß man eben auch noch nicht genau. (um nochmal auf den Anfang der Diskussion hinzuweisen)

Das Phänomen ist also nicht verstanden!

Gruß
Christian

sqrt(2) · Anmeldungsdatum: 16.03.2007 Beiträge: 35

T-Tauri · Anmeldungsdatum: 01.03.2007 Beiträge: 41

-Christian- · Anmeldungsdatum: 08.07.2006 Beiträge: 199

Danke!

Ich finde es doch sehr schade, dass die Diskussion gerade in einen Bereich abgleitet, der mich gerade sehr stark an diese Diskussion erinnert:

http://www.physikerboard.de/topic,8385,-wo-gilt-das-traegheitsgesetz-nicht%3F.html

@T-Tauri:
Mir ist gerade ziemlich schleierhaft, wie du von der Quantenmechanik auf die Relativitätstheorie kommst, aber wenn du demnächst mal wirklich was zu sagen hast, was nicht immer nur entweder das Einwerfen irgendwelcher Fachbegriffe, wichtig klingender Theorien, pures wiederholen irgendwelcher Worte oder seit deinem letzten Beitrag auch langsam persönlich werdende Beleidigungen beinhaltet, dann wäre das auch mal nicht schlecht.

Auf jemanden der hier den Böse-Sprüche-Kaspar spielt, kann ich verzichten. Vielen Dank ...

@sqrt(2):

sqrt(2) · Anmeldungsdatum: 16.03.2007 Beiträge: 35

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

@sqrt(2), T-Tauri, -Christian- : Bitte bemüht euch, die Diskussion in einer Art zu führen, die es nicht unnötig erschwert, die Worte der anderen nachzuvollziehen smile

------------------------------------------------------------------

@sqrt(2): Christian liest deine Hauptaussage als "Eine physikalische Theorie ist nichts als Mathematik". In so einer Form möchte ich dieser Aussage nicht zustimmen. Denn eine physikalische Theorie besteht ja:

A) sowohl aus einem mathematischen Rechenformalismus als auch
B) aus einer Modellvorstellung, die das, was in der Natur passiert, so greifbar macht, dass wir den Ausgang von Experimenten berechnen können. Diese Modellvorstellung sagt also auch, was die Variablen, mit denen man da rechnet, mit den Größen zu tun haben, die man im Experiment präpariert oder misst.

Ich glaube, du kannst dieser Diskussion viel an Schärfe nehmen, wenn du mir zustimmen kannst, dass eine physikalische Theorie sowohl dieses A als auch dieses B beinhaltet. smile

------------------------------------------------

@T-Tauri: Ich schätze deine Kompetenz sehr, die du hier einbringst, und ich möchte mich dir vor allem anschließen, zu betonen, dass in physikalischen Theorien wie der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik sehr viel Verständnis in der Modellvorstellung enthalten ist. (Und, Christian, die Empfehlung, dass du dieses Modellverständnis am schönsten in den Originalartikeln findest, kann auch ich dir wärmstens geben, du wirst feststellen, das ist viel weniger Fachchinesisch als du glaubst smile

Viele später geschriebenen Lehrbücher konzentrieren sich dagegen oft mehr auf den mathematischen Rechenformalismus und stellen die zugehörige Modellvorstellung nicht mehr so ausführlich dar.)

Ich kann nachvollziehen, dass du deutliche Worte wählst, weil Christians Formulierung, die Physiker verstünden die Quantenmechanik nicht wirklich, wie scharfe, unqualifizierte Kritik an der Quantenmechanik wirkt. Aber ich bitte dich, es ihm nicht übel zu nehmen, wenn er Fachbegriffe in deinen Beiträgen nicht nachvollziehen kann, und ich bitte dich, in deinem Ton nicht unfreundlich zu werden. smile

-----------------------------------------

@Christian: So wie du deine These formulierst, wird sie hier als starke, unqualifizierte Provokation verstanden, und ich glaube, zu einem großen Teil missverstanden.

Ich möchte die möglichen Ebenen des Verstehens mal der Klarheit halber so auseinanderhalten:

======================================

I) Alltagsanschauung
Was wir aus dem Alltag kennen und mit eigenen Sinnen erleben können, glauben wir oft schon ohne Wissenschaft einigermaßen zu verstehen. Das hat seine Grenzen, denn es gibt Sachen, die uns verblüffend erscheinen, und was wir mit unserer Anschauung abschätzen können, ist nur begrenzt quantitativ.

II) erfolgreiche wissenschaftliche Beschreibung durch eine Theorie
Wenn die Alltagsanschauung uns nicht weiterhilft, oder wenn wir genaue quantitative Aussagen machen wollen, sind wir auf die Wissenschaft angewiesen: Wenn wir eine Theorie finden, die es mit ihrer Modellvorstellung und ihrer Mathematik möglich macht, den Ausgang von Experimenten richtig zu beschreiben und vorherzusagen, dann haben wir ein tieferes, objektiv überprüftes Verständnis erreicht.

Es ist sehr gebräuchlich, den Unterschied zwischen I) und II) dadurch auszudrücken, dass man sagt, man hat etwas "wirklich verstanden", und man könne etwas "erklären", wenn man II) geschafft hat.

III) Finden einer neuen Theorie, die einfacher ist als eine bisherige Theorie
* Im geozentrischen Weltbild konnte man die Bahn der Planeten (so genau, wie man sie damals messen konnte) zwar erklären, aber nur mit Hilfe der Modellvorstellung von sehr komplizierten Bewegungen der "Himmelssphären".
* Im heliozentrischen Weltbild vereinfachte sich die Beschreibung der Planetenbahnen demgegenüber dramatisch auf die Modellvorstellung, dass die Planeten die Sonne umkreisen.
* Und mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz (und der Newtonschen Mechanik und den Keplerschen Gesetzen) konnte man das ganze auf die Modellvorstellung reduzieren, dass sich Massen mit der Gravitationskraft anziehen.

Die Neugier, eine Sache "noch tiefer oder einfacher verstehen zu wollen", hat sich also schon oft als sehr produktiv für das Finden neuer Theorien erwiesen. Auch dann, wenn die "alte Theorie" die bisherigen Experimente gut erklären (=beschreiben und voraussagen) konnte.

IV) Das gefühlsmäßige Anfreunden, bis man das Gefühl hat, etwas auch anschaulich so richtig gut verstanden zu haben.
Das ist eine sehr subjektive Art des Verstehens, die sich sowohl auf Wissenschaftliches als auch auf Philosophisches beziehen kann.

===============================

Gehe ich recht in der Vermutung, Christian, dass du, wenn du sagst, wir verstünden die Quantenmechanik nicht wirklich, dich allein auf III) beziehst und nicht auf I), nicht auf II) und nicht auf IV) ? Ich denke, wenn du das bestätigen kannst, kannst du damit auch viel Schärfe aus dieser Diskussion herausnehmen. smile

-Christian- · Anmeldungsdatum: 08.07.2006 Beiträge: 199

Hallo Markus!

Vielen Dank für deinen Beitrag, ich denke, dass wir die Diskussion damit um einiges aufräumen können.

@T-Tauri: Die Worte in deinem letzten Beitrag waren etwas ungünstig gewählt, weswegen ich im ersten Moment auch etwas scharf reagiert habe. Sorry!

Also gut. Fangen wir mal an mit dem Aufräumen.

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

-Christian- · Anmeldungsdatum: 08.07.2006 Beiträge: 199

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Wow! Alle Achtung smile

Jetzt kann ich deine Gedanken extrem gut nachvollziehen smile

-Christian- · Anmeldungsdatum: 08.07.2006 Beiträge: 199

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Hm, können wir uns vielleicht darauf einigen, dass wir eine Einigung zu 2.) vorübergehend offen lassen müssen? Augenzwinkern

Denn ich habe da den Eindruck, dass ich da vor allem an konkrete Beispiele aus der QM denke, die du vielleicht selbst noch gar nicht im Detail kennengelernt hast.

Ich versuche mal mit einem konkreten Beispiel anzudeuten, was für Dinge ich da meine:

Die Frage "Was ist der klassische Zustand eines Elektrons in einem Atom" (= Wo ist das Elektron zum Zeitpunkt t, und welchen Impuls hat es zu diesem Zeitpunkt?) stellt sich als sehr unpraktische Frage heraus, auf die man keine stimmige Antwort findet,

aber die Frage "Was ist der quantenmechanische Zustand eines Elektrons in einem Atom" (= "In welchem Atomorbital befindet es sich?", "Welche Verteilung im Orts- und im Impulsraum hat dieser Elektronenzustand?") stellt sich als sehr praktische Frage heraus, auf die man sehr brauchbare Antworten findet.

-Christian- · Anmeldungsdatum: 08.07.2006 Beiträge: 199

Mit deinem konkreten Beispiel spielst du nochmal auf die Unschärferelation an. Grundätzlich habe ich eine Ahnung davon, was hinter diesem Begriff steht. Als ich mich intensiver mit der physikalischen Größe "Wirkung" auseinandergesetzt habe, bin ich auch auf die Aussage gestoßen, dass alle physikalischen Größen, die zusammen eine Wirkung ergeben (also Ort und Impuls; Zeit und Energie; etc.) dieser Unschärfe unterliegen. Sie sind dann nicht gleichzeitig, beliebig genau bestimmbar.

Es scheint eine grundlegende Eigenschaft von Quantenobjekten zu sein, dieser Unschärferelation zu unterliegen. Ich kenne leider keine konkreten Beispiele, aber zumindest habe ich im Hinterkopf, dass dies schon vielseitig experimentell bestätigt wurde. Die Unschärferelation scheint also eine richtige Beschreibung der Natur zu sein.

Wo ich jetzt wieder eine bisher unbeantwortete/offene Frage ansetzen würde, wäre folgendes: Wie kommt diese Eigenschaft zustande?

Meinst du, dass diese offene Frage unter 2 einzuordnen ist?
Die Unschärferelation an sich würde ich nicht unbedingt als offene Frage bezeichnen. Sie ist eine bestätigte Eigenschaft der Quantenobjekte. Um hier wieder den Vergleich zur Temperatur zu ziehen:

Die Unschärferelation in der QM entspricht der frühen Definition der Temperatur in der Thermodynamik. Wie die Temperatur zu Beginn als "Eigenschaft der Körper" definiert wurde, die Frage "Wie kommt diese Eigenschaft zustande?" aber offen blieb, so verhält es sich in meinen Augen mit der Unschärferelation in der Quantenmechanik auch. Es scheint eine Eigenschaft von Quantenobjekten zu sein, dass man z.B. ihren Ort und ihren Impuls nicht gleichzeitig bestimmen kann, aber warum dies so ist, bleibt vorerst eine offene Frage.

Mein "Platzhalter" ist also nicht die Unschärferelation, sondern die Frage "Wie kommt diese Eigenschaft zustande?" bzw. "Wie ist die Unschärferelation zu erklären?".

Bei den Materiewellen, die du angesprochen hast, verhält es sich ähnlich: Es scheint eine Eigenschaft von Quantenobjekten zu sein, sowohl Welle- als auch Teilchencharakter zu haben. Die offene Frage (der "Platzhalter") ist: "Wie vereine ich diese Modelle zu einem?" bzw. "Wie lässt sich dieser Dualismus erklären?".

Insofern hast du recht: Die Entdeckung der Welleneigenschaften bei Materie ist ein tiefer greifendes Verständnis. Allerdings wirft das sofort neue Fragen auf, die es jetzt wieder zu beantworten gilt.

Letzteres ist auch der Grund dafür, dass ich am Anfang sagte "Wir wissen nicht genau, was das Licht ist!".

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Die Fragen, die du jetzt stellst (zur Unschärferelation, zum Welle-Teilchen-Dualismus und zum Licht), sind für mich ganz eindeutig Fragen nach 1).

Ich finde es zwar prima, dass du dich konkret für Details der QM interessierst, aber ich muss dir leider empfehlen, beim echten Lernen der QM lieber Schritt für Schritt vorzugehen als mittenrein zu springen.

Ich kann dir hier im plaudernden Erzählstil sicher nicht die ganze Quantenmechanik beibringen, denn ich kann dir nicht die Physikvorlesungen, Quantenmechanikbücher, das Nachbereiten und das Rechnen von Übungsaufgaben abnehmen, die unbedingt dazugehören, um die QM wirklich so zu lernen, dass du sie dann kannst und verstehst, wie sie funktioniert und was ihre Modellvorstellungen sind. Was ich dir hier erzähle, kann nicht mehr sein als ein bloßer Vorgeschmack auf das, was du hinterher wirklich selbst lernst und verstehst.

Hier vielleicht nur so viel, um dir einen ersten Eindruck zu geben:

Die Unschärferelation hat etwas mit den Welleneigenschaften eines Teilchens zu tun. Um sie aus den Welleneigenschaften herzuleiten und erklären zu können, brauchst du mathematisches Verständnis und Können zu Wellen und Überlagerung von Wellen zu Wellenpaketen, und physikalisches Verständnis und Können im Umgang mit Materiewellen und dem Bezug zwischen einer Welle, einer Wellenfunktion und beispielweise dem Impuls des dem entsprechenden Teilchens.

Ich glaube, im ersten Band des Cohen-Tannoudji (Claude Cohen-Tannoudji, Quantenmechanik http://de.wikipedia.org/wiki/Claude_Cohen-Tannoudji#Literatur ) findest du eine schöne Version dieser Herleitung, die du dann nachvollziehen kannst, wenn du die nötigen Grundlagen dafür gelernt hast.

-Christian- · Anmeldungsdatum: 08.07.2006 Beiträge: 199

Es wäre natürlich umso besser, wenn ich diese Fragen auch unter 1) einordnen kann.

Sicherlich werde ich mich mit der Quantenmechanik noch intensiv auseinandersetzen. Mein Wissen beruht nur auf dem, was wir im Rahmen des Fotoeffekts im Schulunterricht behandelt haben, sowie ein paar wenige (größtenteils populärwissenschaftl.) Büchern aus der Quantenmechanik.

Sicherlich kannst du mir keine Physikvorlesung und alles was dazu gehört ersetzen. Das erwarte ich auch nicht. Aber weil ich in so ziemlich allen Büchern den Eindruck gewonnen habe, dass man zum Beispiel den Welle-Teilchen-Dualismus (und damit verbunden ja auch die Frage "Was ist Licht?") noch nicht in eine eindeutige Modellvorstellung packen konnte, könntest du mir zumindest diese scheinbar doch existierende Vorstellung etwas näher bringen?

Nach dem erwähnten Buch werde ich mal in unserer Bibliothek schauen.

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

-Christian- · Anmeldungsdatum: 08.07.2006 Beiträge: 199

Gut ... dann brechen wir die Diskussion an dieser Stelle ab. Ganz zufrieden bin ich damit zwar nicht, aber vielleicht hat es erst wirklich dann für mich einen Sinn über diese Problematik zu reden, wenn ich mich tiefergehend mit der Quantenmechanik auseinandergesetzt habe. Meine Haltung vom Beginn der Diskussion kann ich zwar nicht wirklich aufgeben mit dem, was wir hier angerissen haben, aber sicherlich kann ich nicht erwarten, dass ihr mir hier die ganze Mathematik und die dazugehörigen Modellvorstellungen lückenlos und nachvollziehbar darlegt.

Wie sehr meine Gedanken von der tatsächlichen physikalischen Realität abweichen, werde ich dann hoffentlich mit einer intensiven persönlichen Beschäftigung mit diesem Thema herausfinden. Vielleicht fange ich erstmal an mich mit der klassischen Wellenmechanik ordentlich auseinanderzusetzen, deren Modellvorstellungen und mathematischen Grundlagen ja scheinbar unablässig für die Quantenmechanik sind. Melde mich hierzu bestimmt mal in einem der aktuellen Threads unter "Mechanik". Augenzwinkern