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Thüringer Forschungspreis 2018 für Wissenschaftler der TU Ilmenau

Prof. Thomas Fröhlich und sein Forscherteam vom Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der Technischen Universität Ilmenau haben den Thüringer Forschungspreis 2018 in der Kategorie „Angewandte Forschung“ gewonnen. Für ihre Forschungsleistungen zu einem „Präzisen Kalibriersystem für Mikro‐ und Nanokraftsensoren“ erhalten Sie ein Preisgeld von 25.000 Euro. Mit dem innovativen Kraftkalibriergerät lassen sich hochpräzise Messungen im Nanonewton-Bereich vornehmen. Mit dem Thüringer Forschungspreis ehrt das Land Thüringen seit 1995 Spitzenleistungen in der Forschung an Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen des Landes.
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Berühmter Physiker: Hawking wird bei Newton und Darwin beerdigt

Der verstorbene Physiker Stephen Hawking wird an einem berühmten Ort beigesetzt. Die Trauerfeier soll Gläubigen und nichtreligiösen Menschen gerecht werden. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Molekulare Kraftmesser

Proteine werden häufig als molekulare Maschinen der Zellen beschrieben. Um ihre Funktionsweise zu verstehen, reicht es häufig nicht aus, sich die beteiligten Proteine unter dem Mikroskop anzuschauen. Dort, wo Maschinen arbeiten treten mechanische Kräfte auf, die wiederum Einfluss auf die jeweiligen biologische Prozesse nehmen. Diese extrem kleinen Kräfte können dank molekulare Kraftsensoren in den Zellen gemessen werden. Jetzt haben Forscher am Max-Planck-Institut für Biochemie molekulare Sensoren entwickelt, die intrazellulär auftretende Kräfte mehrerer Proteine in höchster Auflösung im Pikonewton-Bereich messen können. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin Nature Methods veröffentlicht.
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Newton ist jetzt für Windows 10 erhältlich

CloudMagic-Nachfolger

Newton ist jetzt für Windows 10 erhältlich

Der Mail-Client Newton ist nun auch für Desktop-PCs mit Windows 10 verfügbar. Überzeugen will Newton mit einigen Zusatzfunktionen. Das Feature "Undo Send" erlaubt es etwa, bereits versendete Mails noch einmal zurückzuholen.

(Mehr in: COM! – Das Computer Magazin)

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Kampf um CRISPR – eine technologische Revolution zwischen wissenschaftlichem Erkenntnisdrang und kapitalistischer Verwertungslogik

Ein Urheberstreit um eine wissenschaftliche Entdeckung ist kein ausschliesslich modernes Vorkommnis. Der wohl bekannteste Streit um die Erst-Autorenschaft einer wissenschaftlichen Leistung liegt bereits mehr als 300 Jahre zurück: Newtons Kampf gegen Leibniz um die Entwicklung … Weiterlesen (Mehr in: KosmoLogs)

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Definition und Wesen von Begriffen

„Ein Unterschied zwischen Esoterik und Naturwissenschaft(Physik) sollte sein, dass man von der Physik für verwendete Begriffe eine nachvollziehbare Definition erhalten muss.“ schreibt der Kommentator KRichard zu meinem Artikel Zeit und Symmetrie physikalischer Gesetze. Ich halte dagegen: Es ist eine Stärke der Naturwissenschaft, dass die nachvollziehbare Definition eines Begriffs das Ziel wissenschaftlicher Betrachtungen sein kann. Sie steht nicht notwendig am Anfang.

Selbstverständlich klare Definition in jeder quantitativen Wissenschaft wichtig, also überall, wo Messwerte eine Rolle spielen und gerechnet wird. Wenn wir Raum und Zeit vermessen wollen, brauchen wir klare Messvorschriften für Länge, Winkel und Dauer.

Wollen wir auch das Verhalten von Körpern in Raum und Zeit vermessen, sind Messvorschriften für träge Masse und schwere Masse nützlich. Beachten Sie, dass es zwei unterschiedliche Definitionen von Kraft gibt, je nachdem ob sie für die Beschleunigung oder zum Heben von Körpern verwendet wird. Der Widerstand eines Körpers gegen Beschleunigungen misst die träge Masse, der Widerstand gegen Anheben die schwere Masse.

Um physikalischen Theorien in mathematische Modell zu gießen, braucht es klare Definitionen von abgeleiteten Größen wie Geschwindigkeit und Beschleunigung und deren Entsprechungen für Rotation. Diese Definitionen sind notwendig um von der mathematischen Beschreibung von Bewegungen, der Kinematik, auf eine Theorie zu kommen, die Bewegungen vorhersagt, auf Dynamik.

Das Wesen der Zeit

Was Naturwissenschaft aber nicht als Voraussetzung braucht, ist eine klare Definition vom Wesen einer Größe. Was ist das Wesen der Zeit? Ist sie die treibende Kraft hinter Bewegungen, wie wohl Newton sie gesehen hat? Ist sie eine Illusion, die wir uns durch Abstraktion von Bewegungen machen? Oder ist sie, wie ich zuletzt beschrieb, ein Aspekt einer umfassenderen Symmetrie unserer Welt? Die Antwort auf diese Fragen steht in der Physik nicht notwendig am Anfang. Sie ist vielmehr Ziel theoretischer Physik.

Ich halte nach heutigem Wissen die letztgenannte Auffassung für die beste Beschreibung des Wesens der Zeit. Zukünftige Forschung könnte die Auffassung von Zeit jedoch vollständig revolutionieren. Definitionen von quantitativen Größen, wären von solch einer Revolution wahrscheinlich nicht einmal betroffen.

Der Beitrag Definition und Wesen von Begriffen erschien zuerst auf Quantenwelt.

(Mehr in: Quantenwelt)

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Browserspiel: Hau den Einstein

Newton bricht das Licht und Pythagoras springt im Dreieck: Im Browserspiel „Science Combat“ kämpfen weltberühmte Wissenschaftler gegeneinander. Ein hübscher Zeitvertreib. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Alles digital)

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Von der Beschreibung zur Erklärung

Stringtheorien gelten als mögliche Anwärter auf die nächste große Vereinheitlichung physikalischer Theorien. Was man von ihnen erwarten kann war unter anderem Thema im Omega Tau Podcast Episode 191. Hier interviewt Markus Voelter den DESY-Stringtheoretiker Alexander Westphal. Das Interview dauert etwas 2¾ Stunden. Zwei Aspekte sind mir dabei aufgefallen, die Jacob Bronowski in der BBC Serie „The Ascent of Man“ sehr schön dargestellt hat. Zwei wichtige Ziele naturwissenschaftlicher Forschung.

Bronowskis Dokumentation „The Ascent of Man“ erschien 1973 im britischen Fernsehsender BBC2. In dreizehn Folgen präsentiert der Autor eine persönliche Darstellung des Aufstiegs der Menschheit durch kulturelle Evolution. Es ist also im wesentlichen eine Ideengeschichte der Naturwissenschaft und Technik. Auch wenn die Sicht von vor über 40 Jahren in Teilen veraltet ist, ist die Serie im Ganzen empfehlenswert. Sie gibt einen schönen Überblick über die Geschichte von Biologie, Chemie und Physik. Aufgrund des persönlichen Charakters kann Bronowski einige überraschende Akzente setzen. Andere Standpunkte einnehmen als in einer Lehrbuchdarstellung zu erwarten sind.

Hier möchte ich auf Episode 6 eingehen: „The Starry Messenger“. Diese Episode beginnt auf den Osterinseln und Bronowski leitet mit der Frage ein, warum es nicht die Hochkulturen Südamerikas waren, die die Kugelgestalt der Erde entdeckt haben, sondern die arabisch-europäische Astronomie mit ihren griechischen Wurzeln. Seiner These nach ist es die Erfindung des Rads als Transportmittel und mechanisches Werkzeug.

„Wheels within wheels“, Räder in Rädern war das gängige Modell für den Kosmos beginnend in der Antike bis in die Renaissance. Bronowski zeigt das eindrucksvoll am Astrarium von Giovanni de Dondi von 1364. Einem Modell, in dem die Bahnen der sieben damals bekannten Planeten von Uhrwerken getrieben dargestellt sind. Sieben Zifferblätter mit Rädern die in Rädern laufen. Je eines für die klassischen sieben Planeten: Mond, Merkur, Venus, Sonne, Mars, Jupiter und Saturn. Bronowskis Kommentar: Die Schwäche dieses Himmelsmodells ist nicht, dass es kompliziert ist, sondern dass es sieben Mechanismen braucht. Eine gute Beschreibung sollte mit einem auskommen.1

In diese Richtung war der Perspektivenwechsel vom erdzentrischen zum sonnenzentrischen System, angestoßen durch Kopernikus, der richtige Weg. Vollendet wurde er erst durch Kepler, der seine drei bekannten Gesetze aufstellte. Damit schuf er ein Modell, das die Bahn jeden Himmelskörpers beschreibt. Leider auf Kosten der Kreisbahnen. Die Planeten kreisen auf Ellipsen, in deren einem Brennpunkt die Sonne liegt.2

Nun gibt sich die Physik nicht mit guten Beschreibungen zufrieden. Was wir eigentlich wollen sind Erklärungen. Nicht wie sich die Planeten auf ihren Bahnen bewegen wollen wir wissen, sondern warum sie es tun. So leitet Bronowski in der siebente Episode die Arbeiten Newtons mit den Worten ein: „From the descriptions of the past to the explanations of the future“. Es ist ein großer Schritt, alle Planetenbewegungen durch Ellipsen zu beschreiben, die denselben Regeln gehorchen. Ein weiterer notwendiger Schritt ist es, diese Regeln auf ein Kraftgesetz zurückzuführen, wie Newton es getan hat. Später dann hat Einstein das Kraftgesetz durch Raumzeit-Krümmung erklärt.

Spätestens im Zeitraum von Kopernikus bis Newton, also im 16. und 17. Jahrhundert haben sich die beiden Ansprüche an die Physik herausgebildet: 1) Ähnliche Vorgänge sollten durch dieselben Regeln beschrieben werden können. 2) Diese Regeln sollten erklärbar sein, also möglichst nicht nur willkürlich der Beobachtung angepasst werden. Beim Hören des eingangs erwähnten Podcast-Interviews ist mir aufgefallen, dass sich die Stringtheorie genau diese Ansprüche auferlegt. Stringtheorien sind angetreten, die unterschiedlichen Felder und Teilchen des Standardmodells auf verschiedene Schwingungen derselben Objekte zurückzuführen. Aus dem Interview wird deutlich, dass das bisher nicht gelungen ist, es aber mathematische Strukturen gibt, die möglicherweise in diese Richtung gehen werden. Weiter erwähnt Alexander Westphal, dass es manchmal schwer ist, diese mathematischen Strukturen zu erklären.

Hier zeigt sich die Bestrebung, nicht nur irgendeine Beschreibung zu finden, sondern ein greifbares Konzept, das diese Beschreibung notwendig erscheinen lässt. So wie Ellipsenbahnen mit dem Zentralkörper in einem Fokus der Ellipse immer notwendig sind, wenn eine Kraft mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt.3

Zugegeben: Stringtheorien sind weit davon entfernt, die Teilchenphysik zu beschreiben oder gar zu erklären. Vielleicht werden sie auch zu etwas ganz anderem führen. Kopernikus führte das sonnenzentrierte System ursprünglich ein, um die einfachen Kreisbahnen zu retten. Das hat in letzer Instanz zur Überwindung der Kreisbahnen geführt. Vielleicht werden die Stringtheorien auch die jetzigen Ansätze unnötig machen und zu etwas ganz anderem führen. Das wäre auch ein nützliches Ergebnis.

(Mehr in: Quantenwelt)

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Von der Beschreibung zur Erklärung

Stringtheorien gelten als mögliche Anwärter auf die nächste große Vereinheitlichung physikalischer Theorien. Was man von ihnen erwarten kann war unter anderem Thema im Omega Tau Podcast Episode 191. Hier interviewt Markus Voelter den DESY-Stringtheoretiker Alexander Westphal. Das Interview dauert etwas 2¾ Stunden. Zwei Aspekte sind mir dabei aufgefallen, die Jacob Bronowski in der BBC Serie „The Ascent of Man“ sehr schön dargestellt hat. Zwei wichtige Ziele naturwissenschaftlicher Forschung.

Bronowskis Dokumentation „The Ascent of Man“ erschien 1973 im britischen Fernsehsender BBC2. In dreizehn Folgen präsentiert der Autor eine persönliche Darstellung des Aufstiegs der Menschheit durch kulturelle Evolution. Es ist also im wesentlichen eine Ideengeschichte der Naturwissenschaft und Technik. Auch wenn die Sicht von vor über 40 Jahren in Teilen veraltet ist, ist die Serie im Ganzen empfehlenswert. Sie gibt einen schönen Überblick über die Geschichte von Biologie, Chemie und Physik. Aufgrund des persönlichen Charakters kann Bronowski einige überraschende Akzente setzen. Andere Standpunkte einnehmen als in einer Lehrbuchdarstellung zu erwarten sind.

Hier möchte ich auf Episode 6 eingehen: „The Starry Messenger“. Diese Episode beginnt auf den Osterinseln und Bronowski leitet mit der Frage ein, warum es nicht die Hochkulturen Südamerikas waren, die die Kugelgestalt der Erde entdeckt haben, sondern die arabisch-europäische Astronomie mit ihren griechischen Wurzeln. Seiner These nach ist es die Erfindung des Rads als Transportmittel und mechanisches Werkzeug.

„Wheels within wheels“, Räder in Rädern war das gängige Modell für den Kosmos beginnend in der Antike bis in die Renaissance. Bronowski zeigt das eindrucksvoll am Astrarium von Giovanni de Dondi von 1364. Einem Modell, in dem die Bahnen der sieben damals bekannten Planeten von Uhrwerken getrieben dargestellt sind. Sieben Zifferblätter mit Rädern die in Rädern laufen. Je eines für die klassischen sieben Planeten: Mond, Merkur, Venus, Sonne, Mars, Jupiter und Saturn. Bronowskis Kommentar: Die Schwäche dieses Himmelsmodells ist nicht, dass es kompliziert ist, sondern dass es sieben Mechanismen braucht. Eine gute Beschreibung sollte mit einem auskommen.1

In diese Richtung war der Perspektivenwechsel vom erdzentrischen zum sonnenzentrischen System, angestoßen durch Kopernikus, der richtige Weg. Vollendet wurde er erst durch Kepler, der seine drei bekannten Gesetze aufstellte. Damit schuf er ein Modell, das die Bahn jeden Himmelskörpers beschreibt. Leider auf Kosten der Kreisbahnen. Die Planeten kreisen auf Ellipsen, in deren einem Brennpunkt die Sonne liegt.2

Nun gibt sich die Physik nicht mit guten Beschreibungen zufrieden. Was wir eigentlich wollen sind Erklärungen. Nicht wie sich die Planeten auf ihren Bahnen bewegen wollen wir wissen, sondern warum sie es tun. So leitet Bronowski in der siebente Episode die Arbeiten Newtons mit den Worten ein: „From the descriptions of the past to the explanations of the future“. Es ist ein großer Schritt, alle Planetenbewegungen durch Ellipsen zu beschreiben, die denselben Regeln gehorchen. Ein weiterer notwendiger Schritt ist es, diese Regeln auf ein Kraftgesetz zurückzuführen, wie Newton es getan hat. Später dann hat Einstein das Kraftgesetz durch Raumzeit-Krümmung erklärt.

Spätestens im Zeitraum von Kopernikus bis Newton, also im 16. und 17. Jahrhundert haben sich die beiden Ansprüche an die Physik herausgebildet: 1) Ähnliche Vorgänge sollten durch dieselben Regeln beschrieben werden können. 2) Diese Regeln sollten erklärbar sein, also möglichst nicht nur willkürlich der Beobachtung angepasst werden. Beim Hören des eingangs erwähnten Podcast-Interviews ist mir aufgefallen, dass sich die Stringtheorie genau diese Ansprüche auferlegt. Stringtheorien sind angetreten, die unterschiedlichen Felder und Teilchen des Standardmodells auf verschiedene Schwingungen derselben Objekte zurückzuführen. Aus dem Interview wird deutlich, dass das bisher nicht gelungen ist, es aber mathematische Strukturen gibt, die möglicherweise in diese Richtung gehen werden. Weiter erwähnt Alexander Westphal, dass es manchmal schwer ist, diese mathematischen Strukturen zu erklären.

Hier zeigt sich die Bestrebung, nicht nur irgendeine Beschreibung zu finden, sondern ein greifbares Konzept, das diese Beschreibung notwendig erscheinen lässt. So wie Ellipsenbahnen mit dem Zentralkörper in einem Fokus der Ellipse immer notwendig sind, wenn eine Kraft mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt.3

Zugegeben: Stringtheorien sind weit davon entfernt, die Teilchenphysik zu beschreiben oder gar zu erklären. Vielleicht werden sie auch zu etwas ganz anderem führen. Kopernikus führte das sonnenzentrierte System ursprünglich ein, um die einfachen Kreisbahnen zu retten. Das hat in letzer Instanz zur Überwindung der Kreisbahnen geführt. Vielleicht werden die Stringtheorien auch die jetzigen Ansätze unnötig machen und zu etwas ganz anderem führen. Das wäre auch ein nützliches Ergebnis.

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Hildesheim startet ins Leibniz-Jahr: Wer hat’s erfunden? Leibniz Newton / Geschichte der Mathematik

Mathematiker aus Niedersachsen geben erstmals aus kulturhistorischer Sicht Einblicke in den berühmtesten Urheberrechtsstreit der Wissenschaftsgeschichte: Wer hat’s erfunden? – Gottfried Wilhelm Leibniz oder Isaac Newton? Im Zentrum des „Prioritätsstreits“ steht die Entdeckung der Differenzial- und Integralrechnung, sie ermöglichte grundlegende Innovationen in Physik und Technik – vom Eisenbahnbau bis zur heutigen Raumfahrt. Die Mechanik war vor mehr als 300 Jahren noch eine junge Wissenschaft. Ob Geometrie oder Algebra: Die Projektgruppe „Geschichte der Mathematik“ an der Universität Hildesheim bettet mathematische Entwicklungen in die Kulturgeschichte ein.
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Dimension oder Parameter Zeit

Die Zeit ist in der Physik etwas so grundsätzliches, dass es schwer fällt zu definieren, um was es sich dabei genau handelt. Ich gebe Ihnen hier mal meine beiden liebsten Zeitkonzepte. Suchen Sie sich eins aus.

Zeit als Parameter

Der natürlichste Zugang zur Zeit ist, sie als Parameter zu verstehen. Ein Parameter ist in der Mathematik und Physik eine Zahl, die verschiedene Konstellationen durchzählt. Wenn wir mathematische Physik betreiben, können wir jedem Objekt in einer Momentaufnahme verschiedene Eigenschaften zuschreiben. Gegenstände haben einen Ort, eine Geschwindigkeit, einen Drehimpuls. Vielleicht müssen wir eine Temperatur oder eine Verformung kennen. Jede dieser Eigenschaften kann sich ändern. Die Zeit kann aufgefasst werden als der Parameter, der solche Veränderungen beschreibt. Zur Zeit \(t=0\) hat die Welt eine bestimmte Konstellation bestehend aus den momentanen Eigenschaften aller Objekte. Eine Sekunde später, zur Zeit \(t=1s\), liegt eine andere Konstellation vor.

Zeit als Parameter kommt in der theoretischen Physik sehr oft vor. So lässt sich ein mechanischer Ablauf recht problemlos durch sogenannte numerische Integration der Bewegungsgleichungen berechnen. Der Computer spielt die Situation einfach in konkreten Zeitschritten durch. Mit jedem Zeitschritt \(\Delta t\)(sprich: Delta-t) ändert sich der Ort jedes Objektes proportional zur aktuellen Geschwindigkeit: \(\vec{x}_{n+1}=\vec{x}_n+\Delta t\cdot\vec{v}_n\), wobei \(\vec{v}_n\) die jeweils aktuelle Geschwindigkeit ist. Jede Geschwindigkeit ändert sich proportional zur am Ort des Objektes herrschenden Kraft: \(\vec{v}_{n+1}=\vec{v}_n+\Delta t\cdot\frac{\vec{F}(\vec{x})}{m}\), wobei \(\vec{F}(\vec{x})\) die Kraft am Ort \(\vec{x}\) und \(m\) die Masse des Objektes ist. Indem der Computer den Parameter \(n\) hochzählt, durchläuft er die Zeit in konstanten Schritten. Zu jedem Zählschritt \(n\) lässt sich eindeutig ein Parameter Zeit angeben: \(t_n=t_0+n\cdot\Delta t\). Dabei ist es unerheblich, wie die Zeit angegeben wird. Hinter dem Buchstaben \(t\) kann sich eine Uhrzeit mit Datum ebenso verbergen, wie eine einfach Angabe von Sekunden, die seit dem Start des Experimentes vergangen sind.

Entscheidend in diesem Zusammenhang ist, dass die Zeit ganz anders behandelt wird als die Ortskoordinaten. Während letztere für jedes Objekt Schritt für Schritt berechnet werden, ist der Ablauf der Zeit vorgegeben. Die Zeit nummeriert die aufeinanderfolgenden Konstellationen, bezeichnet sie.

Zeit als vierte Dimension

Ein anderer Zugang zur Zeit beschreibt diese als vierte Dimension neben Länge, Höhe und Breite. Ein Objekt hat in dieser Interpretation der Zeit nicht nur eine Ausdehnung im Raum, sondern auch eine in der Zeit. Die im Parameterbild zeitlich nacheinander ablaufenden Konstellation bilden im Dimensionenbild einen Vierdimensionalen Faden durch die Raumzeit.

Nun können wir uns vier Dimensionen nicht wirklich vorstellen1, deshalb reduzieren wir zur Darstellung den Raum gerne auf zwei Dimension. Stellen sie sich vor, jede Konstellation eines flachen Raums (vielleicht die Kugel-Positionen auf einem Billardtisch) wird auf ein Blatt Papier gezeichnet. Legen wir diese Blätter nun in der richtigen zeitlichen Reihenfolge aufeinander, so durchzieht die Markierung jeder einzelnen dieser Kugeln den gesamten Papierstapel. Jede Kugel, die auf dem Papier nur zweidimensional war, ist nun ein dreidimensionaler Faden durch den Papierstapel. Die Stapelrichtung des Papiers ist ein Bild für die Zeitdimension, die Ebenen der Blätter für die räumlichen Dimensionen.

Dass Zeit eine vierte Dimension ist, wird typischer Weise in den Relativitätstheorien2 angenommen. Dadurch lassen sich die wesentlichen Aussagen dieser Theorien geometrisch deuten und die Theorien werden recht anschaulich.

Bei allen Vorteilen, die das Bild von der Zeit als Dimension hat, dürfen wir aber nicht vergessen, dass die Zeit andere Eigenschaften hat als der Raum. So kann eine Billardkugel auf dem Tisch hin und her rollen, sie kann aber nicht in die Zeit zurück laufen. Das würde nicht nur Energie- und Impulserhaltung3, sondern vor allem jeder Alltagserfahrung widersprechen.

Auch in der Relativitätstheorie wird die Zeitdimension nicht identisch zu den drei Raumdimensionen behandelt. Die Geometrie weicht in einem kleinen, aber wichtigen Vorzeichen ab. Der Abstand zweier Ereignisse in der Raumzeit wird nicht durch den gewöhnlichen, aus der Geometrie bekannten Satz von Pythagoras (\(a^2+b^2=c^2\)) berechnet, sondern durch die Formel: \(\Delta s^2=\Delta t^2-\Delta x^2-\Delta y^2-\Delta z^2\). Anders als ein echter Abstand kann die Größe \(\Delta s\) positiv und negativ sein. Wenn sie Null ist, sind die Ereignisse nicht unbedingt an den gleichen Koordinaten.4

Unterschied

In meinem letzen Beitrag habe ich kurz erläutert, dass die Zeitrichtung in die statistische Physik hineingesteckt werden muss und nicht als Ergebnis herauskommt. Das ist aber nur erstaunlich, wenn wir Zeit als vierte Dimension annehmen. Nur hier erscheint die Zeit wie ein Stapel Papier als ein Block, den wir von beiden Seiten betrachten können. Warum, fragt man sich in diesem Bild, sollte die Physik anders sein, wenn ich den Papierstapel einfach umdrehe?

Anders ist es, wenn wir Zeit als Parameter verstehen. Dann ist es nicht so selbstverständlich, dass die verwendeten Formeln umkehrbar sind. Die mechanischen Formeln sind es, aber das ist eine Erfahrungstatsache. Niemand garantiert, dass das so sein muss. Die thermodynamischen5 Formeln sind es nicht und auch in der Quantenmechanik scheint der Messprozess beim besten Willen nicht umkehrbar zu sein. Wir rechnen in der Physik immer von der Gegenwart ausgehend in die Zukunft. Wir können unter klassisch mechanischen Umständen zurückrechnen, unter thermodynamischen und quantenmechanischen nicht. Aber von der Vergangenheit können wir Erinnerungen und Aufzeichnungen haben. All das spricht für das Parameterbild der Zeit. Die Zeit vergeht einfach wie Newton es definiert hat, und die technische, physikalische Zeit ist ein Mittel, den Momenten eine Bezeichnung zu geben.

Verstehen Sie mich nicht falsch. Zeit als Dimension aufzufassen halte ich auch für haltbar und didaktisch in der Relativitätstheorie für sehr wertvoll. Aber eine Entscheidung für das eine oder andere Bild kann auf rein naturwissenschaftlichem Weg nicht gefunden werden. Beide Bilder sind nützlich und es ist nützlich sie zu kennen und zu unterscheiden.

(Mehr in: Quantenwelt)

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Ist Fliehkraft Mumpitz?

Ein Unwort bei vielen Lehrkräften der Physik ist Zentrifugalkraft oder Fliehkraft. Diese, so lernen wir im Physikunterricht, gibt es gar nicht. Es gibt nur die Zentripetalkraft, die ein Objekt auf eine Kreisbahn zwingt. Dass es die Kreisbahn zu verlassen trachtet, ist einfach Trägheit und braucht keine Kraft als Erklärung. Ich weiß das und dennoch verwende ich gerne das Wort Zentrifugalkraft, zuletzt in meinem Artikel zum Einfluss des Mondes. Dafür wurde ich promt kritisiert: „Mumpitz in Zeil.17″. Ist Fliehkraft tatsächlich Mumpitz?

Natürlich nicht, Fliehkraft gibt es tatsächlich. Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich auf einer Beinahe-Kugel mit etwa 40.000 Kilometern Umfang, die einmal in 24 Stunden um ihre eigene Achse rotiert. Die Oberfläche dieser Kugel sei zum Teil mit Wasser bedeckt und ziemlich rauh. Der höchste Punkt ragt etwa 8,8 Kilometer über den Wasserstand hinaus und das Wasser ist bis zu 11 Kilometer tief.

Nun möchten Sie ein System erstellen, dass die Position eines Objektes auf, in oder sehr nahe bei dieser Kugel so genau wie möglich relativ zu den Oberflächenstrukturen beschreibt. Außerdem möchten Sie in diesem System die Oberflächenstrukturen selbst sehr genau beschreiben. Die einfachste Art, das zu tun, ist ein mitrotierendes Gradnetz mit Längengraden und Breitengraden und einen Abstand von der mittleren Wasserhöhe zu definieren.

Sie werden es bemerkt haben. Mit der Kugel habe ich die Erde beschrieben und das mitrotierte Gradnetz mit Höhenangabe ist das Koordinatensystem, wie es beispielsweise von Global Positioning System (GPS), der beliebten Satellitennavigation verwendet wird. Kaum jemand wird bezweifeln, dass die Verwendung solch eines Koordinatensystems sinnvoll ist. Ich befinde mich zum Beispiel gerade an der Position 53°34,567′ Nord, 9°53,325′ Ost auf einer Höhe von 56 Metern über dem Meer. Das ist eine Adresse in Hamburg Bahrenfeld.

Wenn wir diese Koordinaten nutzen um Physik zu betreiben, müssen wir manchmal Koordinaten-abhängige Kräfte berücksichtigen, die es in einem Inertialsystem nach Newton nicht gibt: Die Corioliskraft bewirkt, dass Tiefdruckgebiete auf der Nordhalbkugel immer gegen den Uhrzeigersinn rotieren, auf der Südhalbkugel mit dem Uhrzeigersinn. Die Fliehkraft oder Zentrifugalkraft sorgt dafür, dass die Erde nur beinahe eine Kugel, bei genauerer Betrachtung ein an den Polen abgeflachter Ellipsoid ist. Der Äquatordurchmesser ist etwa 43 Kilometer größer als der Durchmesser von Pol zu Pol. Zu guter Letzt braucht Licht für eine Umrundung der Erde in Ostrichtung weniger Zeit als für eine in Westrichtung. Das ist der Sagnac-Effekt.

Diese drei Effekte (Corioliskraft, Zentrifugalkraft und Sagnac-Effekt) existieren nur, wenn wir Physik in rotierenden Koordinatensystemen betreiben. Die ersten beiden Effekte lassen sich am einfachsten als Kraft beschreiben. Die Zentrifugalkraft ist dabei nur vom Ort im Koordinatensystem abhängig. Sie nimmt linear mit dem Abstand zur Rotationsachse und Quadratisch mit der Rotationsgeschwindigkeit des Koordinatensystems zu. Sie ist immer von der Rotationsachse weg nach außen gerichtet.1 Die Corioliskraft ist abhängig von der Geschwindigkeit eines Objektes im Koordinatensystem und deren Richtung. Bewegt sich ein Objekt nicht oder parallel zur Rotationsachse, so gibt es keine Corioliskraft.2

Beide Effekte hören auf Kräfte zu sein, wenn wir die Perspektive wechseln. Wenn wir von einem nicht rotierenden Bezugssystem aus auf die Erde schauen, dann erfährt ein Körper am Äquator keine Kraft von der Rotationsache der Erde weg. Vielmehr bewegt er sich gemeinsam mit der Erdoberfläche mit etwa 40.000 Kilometern in 24 Stunden, also 1700km/h nach Osten. Die Schwerkraft  auf den Körper wird zum Teil gebraucht um zu verhindern, dass der Körper tangential die Erde verlässt. Ein kräftefreier Körper bewegt sich schließlich geradlinig und nicht auf einer Kreisbahn. Statt der Zentrifugalkraft gibt es im nicht rotierenden Koordinatensystem nur eine Zentripetalkraft, hier die Schwerkraft, die den Körper von seiner geradlinigen Bewegung auf eine Kreisbahn zwingt. Die Schwerkraft ist aber viel größer, als die Zentripetalkraft, mit der ein Körper gezwungen wird, den Äquator in 24 Stunden zu umrunden. Deshalb übt so ein Körper zusätzlich Druck auf den Erdboden aus. Er liegt auf der Erde. Ein Körper am Pol benötig keine Zentripetalkraft. Er ruht ja im nicht rotierenden Koordinatensystem auf dem Pol und rotiert nur zusammen mit der Erde um die eigene Achse. Deshalb wird hier kein Anteil der Schwerkraft zur Beschleuigung benötigt. Der Körper drückt mit voller Gewichtskraft auf die Erde. So wird die Erde an den Polen im Vergleich zum Äquator etwas eingerückt und bekommt ihre abgeplattete Form.

Sie sehen: Denselben Effekt, nämlich die Abplattung der Erde, kann ich in verschiedenen Koordinatensystemen unterschiedlich erklären. Zum Einen dadurch, dass am Äquator zusätzlich zur nach innen gerichteten Schwerkraft eine nach außen gerichtete Fliehkraft wirkt. Zum Anderen dadurch, dass die Schwerkraft am Äquator die Objekte auf einer Kreisbahn hält und deshalb nicht vollständig durch den Gegendruck der Erde kompensiert werden muss. Im ersten Fall ergibt Schwerkraft minus Fliehkraft die Druckkraft3, im anderen Fall ergibt Schwerkraft minus Druckkraft die Zentripetalkraft. Das Resultat ist dasselbe.

Physiklehrerinnen und -lehrer bläuen4 ihren Schülerinnen und Schülern gerne ein, immer die zweite Perspektive einzunehmen. Das ist gut um die Newtonschen Gesetze einzuüben und zu zeigen, wie universell sie eingesetzt werden können. Wenn wir diese Gesetze aber erstmal verinnerlicht haben, dann können wir wieder anfangen, auch mal in rotierten Koordinaten zu denken und dort die zusätzlichen Scheinkräfte, die wir dann ja verstanden haben, einfach hinzunehmen. Die Beschreibung wird dadurch oft etwas einfacher.

(Mehr in: Quantenwelt)

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Gravitation: Erst fiel ein Apfel, jetzt fallen tiefgekühlte Atome

Ein fallender Apfel brachte Newton angeblich auf seine Gravitationstheorie. Weil die Schwerkraft weiterhin Rätsel birgt, schmeißen Physiker tiefgekühlte Atome herunter. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Vom Zählstein zum Computer: Geschichte der Mathematik

Wer vor Newton und Leibniz das unendlich Kleine und Große zu fassen suchte – das zeigen Mathematiker der Universität Hildesheim in einem Mammutprojekt. Die Buchreihe im springer-Verlag soll auch für Jugendliche verständlich sein. Und so betten sie mathematische Entwicklungen in die Kulturgeschichte ein. So findet man schon bei Archimedes, Kepler und Torricelli Ideen der späteren Differenzial- und Integralrechnung. Und die tägliche Wettervorschau ist einer der komplexen Fälle, wie mathematische Prozesse heute angewendet werden, um Vorhersagen zu treffen.
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Wellen, Teilchen und die Quantenphysik

Nach meinem letzten Blogartikel wurde ich kritisiert, ich hätte Modell und Wirklichkeit verwechselt. Quantenobjekte seien zwar nicht Welle oder Teilchen, aber Wellen- oder Teilchenmodelle seien heute noch aktuelle Modelle für die durch Physik beschriebene Wirklichkeit.

Ich halte diese Auffassung für irreführend.Tatsächlich beschreiben wir in der Physik Licht und Elektronen nur noch mit einem Modell, der Quantenelektrodynamik. Das Wellenmodell ist keine Alternative hierzu, sondern eine Vereinfachung, eine Näherung zur einfacheren Berechnung und Vorstellung. Das Teilchenmodell, wie wir es in der Elementarteilchenphysik kennen, ist ebenfalls eine Näherung. Es hat aber mit klassischen Teilchentheorien nichts gemein. Letztere können als widerlegt gelten.

Was sind aber diese klassischen Modelle?

Klassische Wellen, Teilchen und Kontinua

Zu Newtons Zeiten war es noch völlig offen, ob Licht ein Wellen- oder Teilchenphänomen ist. Effekte, wie Lichtbrechung an Prismen oder Linsen, sind auch mit Teilchen erklärbar, die in verschiedenen Medien unterschiedliche Geschwindigkeiten annehmen. Newton selben bevorzugte lange Zeit das Teilchenmodell.

Spätestens seit Maxwell zeigen konnte, dass sich die bis dahin bekannten Gesetze von gegenseitiger Beieinflussung elektrischer Felder und Ströme und magnetischer Felder zu einer Schar von Gleichungen zusammenfügen lassen, aus der sich elektromagnetische Wellen von selbst ergeben, hatte sich das Wellenmodell endgültig gegen das Teilchenmodell durchgesetzt.

Für Materie hat es dagegen kein klassisches Wellenmodell gegeben. Die klassische Physik kannte Teilchenmodelle und Kontinuumsmodelle. Das Teilchenmodell, die Atomhypothese findet sich schon bei Demokrit und Leukipp, konnte sich aber in der klassischen Physik gegen das Kontinuumsmodell, nach dem der Raum lückenlos von Materie erfüllt ist, nicht durchsetzen. Erst als Dalton nachwies, dass chemische Reaktionen von Gasen immer in ganzzahligen Volumenverhältnissen geschehen, begann sich ein modernes Atommodell durchzusetzen.

Die Zweigeteiltheit der Physik – Wellenmodell für Licht und Atommodell für Materie – bekam Risse, als Anfang des 20. Jahrhunderts durch Röntgen und Einstein postuliert wurde, dass Licht nur in bestimmten Paketen absorbiert und erzeugt werden kann und dass diese Pakete Energie und Impuls tragen, wie auch Teilchen es tun.

Als zudem an Elektronenstrahlen Welleneigenschaften von Materie gezeigt werden konnten, war klar, dass eine Trennung von Wellenmodellen von Licht und Teilchenmodellen für Materie nicht aufrecht zu erhalten ist. Aus dieser Zeit kommt die Idee vom Wellen-Teilchen-Dualismus: Können wir die Natur etwa am besten verstehen, wenn wir zwei einander ausschließende Modelle nebeneinander stehen lassen und je nach Experiment das eine oder andere anwendet?

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts zeigte es sich, dass es möglich ist, Modelle aufzustellen, die alle messbaren Eigenschaften von Feldern (wie Licht) und Materie richtig beschreiben. Die Quantenelektrodynamik beschreibt Elektronen, Positronen, Licht und die Wechselwirkungen zwischen ihnen auf viele Nachkommastellen genau. Es braucht keinen Dualismus nebeneinander stehender Modelle, um die messbare Physik zu beschreiben.

Dennoch sprechen wir in der Physik oft vom Wellenbild oder Teichenbild, in dem wir uns Dinge veranschaulichen. Diese Bilder sind aber keine eigenständigen Modelle. Sie sind Näherungen. Bilder, mit denen wir uns Berechnungen und Intuition vereinfachen.

Das Wellenbild

Ich habe schon dazu geschrieben, dass es in der Atomphysik fast immer möglich ist, in der Halbklassischen Näherung zu rechnen: Wir können das Licht als klassische Welle nach den Maxwell-Gleichungen berechnen und nur die Bewegungen der Elektronen um die Atomkerne quantenmechanisch berechnen. Diese Näherung funktioniert sehr gut, weil die elektromagnetischen Kräfte zwischen Elektronen und Atomkernen viel stärker sind, als der Einfluss des externen Lichts auf die Elektronen und weil es auf die Rückwirkung des Atoms auf die Welle oft nicht ankommt.

Diese Trennung in Atom als Quantenobjekt und Licht als klassische Welle ist ein schönes Beispiel für eine Grenzziehung, wie sie Karen Barad anspricht. Es spricht nichts dagegen, solche Trennungen vorzunehmen und ist für die Wissenschaft sogar unerlässlich, aber wir müssen uns immer klar machen, dass die Grenzziehung nicht von der Natur sondern von Physikerin oder Physiker vorgegeben wird.

Wir können die Grenze auch anders ziehen, so lässt sich ein System aus Atom inklusive Lichtwelle auch quantenmechanisch als ganzes berechnen. Wir erhalten dann sogenannte Dressed States (angezogene Zustände). Solch ein angezogenes Atom kann dann mit einem weiteren Laser, dem Probelaser, der wieder als Welle berechnen wird, abgefragt werden. Die Grenze liegt dann also nicht zwischen Atom als Quantensystem und Licht als Welle, sondern zwischen Atom mit Pumplaser als Quantensystem und Probelaser als Welle.

Das Teilchenbild

Das Teilchenbild, in dem Licht als Pakete von Energie, Impuls und Spin dargestellt wird, ist eine andere Näherung, die Rechnungen und die Vorstellung von möglichen Prozessen erleichtert. Das Bild geht über die Quantenelektrodynamik hinaus und lässt sich auf den ganzen Teilchenzoo anwenden, der durch andere Quantenfeldtheorien dazukommt. Die starke Wechselwirkung durch den Austausch von Gluonen zum Beispiel, oder die schwache Wechselwirkung durch den Austausch von W- und Z-Bosonen.

Dieses Bild ergibt sich aus dem Verfahren der Störungsrechnung. Wenn ein bestimmter Austauschvorgang von Energie, Impuls oder anderen Größen relativ selten ist, können die Wechselwirkungen als kleine Störungen eines insgesamt statischen Systems betrachtet werden. Störungstheoretische Berechnungen von Stoßprozessen gehen auf Max Born zurück, der mit ihnen die Wahrscheinlichkeitsdeutung der Quantenmechanik begründet hat.

Im Teilchenbild können Stoßprozesse durch Feynman-Diagramme veranschaulicht werden. In erster Näherung ist ein Stoß ein Austausch von genau einem Wechselwirkungsteichen, einem Photon zum Beispiel. In zweiter Näherung kommen Prozesse dazu, die zwei Teilchen austauschen und so fort. Auch hier weiß jede Physikerin und jeder Physiker dass sie es mit einer Näherung zu tun haben. Aber eben mit einer, die für schwache und seltene Prozesse sehr gut ist und die ein zuverlässiges Gefühl dafür vermittelt, welche Effekte möglich sind und welche nicht.

Auch hier gibt es pragmatische Grenzziehungen. So lässt sich die Wechselwirkung zwischen Kernteilchen, wie eigentlich eine Restwechselwirkung der starken Kräfte innerhalb der Kernteilchen ist, als Austausch von Pi-Mesonen beschreiben. Die eigentlich zusammengesetzten Pi-Mesonen verhalten sich unter gewissen Umständen wie kraftvermittelnde elementare Bosonen.

Fazit

Wellenbild und Teilchenbild sind vereinfachte Bilder, die wir uns von den existierenden Modellen machen, mit denen wir heute die Physik beschreiben. Sie sind aber keine eigenständigen Modelle auf deren Grundlage wir eine Philosophie der Realität aufbauen können die wir als Fundament für eine Weiterentwicklung der Physik hernehmen können. Die Annahme, mit nebeneinander stehenden Wellenmodell und Teilchenmodell ließe sich die Realität der Quantenmechanik erfassen, ist falsch.

Im Übrigen sind Wellenbild und Teilchenbild, wie ich sie oben skizziert habe, auch gar nicht einander ausschließende Näherungen von verschiedenen Seiten. Die Wechselwirkung eines Atoms mit einem Lichtfeld lässt sich in beiden Bildern verstehen und beide Bilder führen selbstverständlich zum selben Ergebnis. Wenn sie es nicht tun, war mindestens eine der Näherungen nicht gerechtfertigt.

 

(Mehr in: Quantenwelt)

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Amoklauf von Newtown: Obama unterstützt Verbot von Sturmgewehren

Barack Obama bezieht im Streit um ein schärferes Waffenrecht erstmals konkret Stellung und unterstützt ein Verbot bestimmter Waffentypen. In Newton gehen die ersten Kinder derweil wieder zur Schule.
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Amoklauf von Newtown: Die Opfer

„Sie hatten ihr ganzes Leben vor sich“, sagte Barack Obama – und meinte die 20 Kinder, die beim Amoklauf in Newton starben. Die Polizei hat die Namen aller Opfer veröffentlicht. Wir dokumentieren sie.
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Ist Gravitation spukhafte Fernwirkung?

Fernwirkung bezeichnet ein physikalisches Konzept der klassischen Physik, bei dem sich eine physikalische Wirkung zum selben Zeitpunkt, das heißt instantan über beliebige Distanzen auswirkt. Einerseits konnte so eine Fernwirkung bisher nicht gemessen werden, zudem kann sich nach Albert Einsteins Relativitätstheorie keine Wirkung schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.
Andererseits gibt es in der quantenmechanischen Theorie das Phänomen der Quantenverschränkung, die von Albert Einstein als spukhafte Fernwirkung bezeichnet wurde.
Ist Gravitation spukhafte Fernwirkung oder nicht?