Zum Weltbild der modernen theoretischen Physik

1. Zum Weltbild der modernen theoretischen Physik La science est totalement amorale, et complètement irresponsable. La science répond à des questions..., mais ne prend pas de décisions. Les humains prennent des décisions... (David Ruelle)

2. Inhalt Einführende Bemerkungen 1. Eine kurze historische Exkursion 2. Die Krise des mechanistischen Weltbildes und die Geburt der modernen Physik 3. Von den revolutionären Veränderungen im physikalischen Weltbild im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts 4. Ein paar “philosophische” Anmerkungen

3. Einführung Welt ungeheuer kompliziert und irrational – Menschen haben Bedürfnis, sich darin mit den Mitteln der Vernunft zurechtzufinden –> “condition humaine” ist absurd! Physik befasst sich nur mit vergleichsweise sehr einfachen und isolierten Phänomenen in der unbelebten Natur, von den kleinsten Bereichen der Elementarteilchen bis zu den grössten des Universums. Dieses Unternehmen ist ungeheuer erfolgreich! Die ganze Technik beruht auf den Entdeckungen der Physik, und sie hat unser Leben drastisch verändert.

4. Was ist Physik? Naturphilosophie –> Disziplinen: Astronomie, Physik, Chemie, Biologie,... Beobachtende und Experimentalphysik, rechnergestützte und theoretische Physik “In our description of Nature the purpose is not to disclose the ‘real essence’ of the phenomena but only to track down, so far as it is possible, relations between the manifold aspects of our experience.” (Niels Bohr) Unerklärliche Effizienz der Mathematik in der Physik (Eugene Wigner)

5. Kurze historische Exkursion Abendländische Begründer der neuzeitlichen Physik: Kopernikus, Kepler, Bruno, Galilei, Newton, Fermat,... Für sie ist Wirken Gottes in der Welt eine Gewissheit – im Gegensatz zu antiken Denkern, wie Seneca, Archimedes,... Galilei: Welt ist Werk Gottes; ein Buch, in dem wir lesen sollen, damit wir die Schöpfungsgedanken Gottes kennenlernen. Es ist in der Sprache der Mathematik geschrieben. Gott ist der grosse Geometer. Gestörtes Gleichgewicht in Newtons deterministischem Weltbild: Kein Platz für Eingriffe Gottes –> Seelische Krise

6. Dem Andenken an MarkusFierz gewidmet 1912 - 2006

7. Galileo Galilei Isaac newton Johannes Kepler Gottfried w. leibniz demokrit Leonhard euler

8. Mechanistisches Weltbild Leukipp & Demokrit: • Atomismus • Kausalgesetz • Eherne Naturgesetze Newton: • “Hypotheses non fingo” Popper: • Naturgesetze lassen sich nicht beweisen, sondern nur experimentell verifizieren oder falsifizieren. 19. Jahrh.: Mechanik, Optik, Elektrodynamik, Thermodynamik – Versuch einer Vereinheitlichung: Rückführung auf Mechanik, Aetherhypothese Verbannung religiöser Vorstellungen und des Leib-Seele Problems aus der Physik!

9. Krise des mechanistischen Weltbildes, Geburt der modernen Physik Hertz: Atome der Chemiker sind zusammengesetzte Gebilde Thomson: Entdeckung des Elektrons (e-) (Hertz und) Rutherford: planetares Modell der Atome Probleme im Rahmen der klassischen Physik: • Atome instabil, verstrahlen • Keine Erklärung der atomaren Spektrallinien (Balmer) • Träge Masse des e- hängt von Geschwindigkeit ab • Keine Bewegung der Erde relativ zum Aether nachweisbar (M – M) • Symmetrien der Newtonschen Mechanik und der Elektrodynamik sind inkompatibel (Poincaré) • Thermische Strahlung innerhalb der klass. Physik unerklärlich • Unifizierung von Mechanik, ED und Thermodynamik gescheitert!

10. Joseph john thomson Ludwig boltzmann James clerk maxwell Heinrich hertz Max planck Albert einstein

11. Weltbild der modernen Physik “... we build upon the achievements of the past; we improve but never destroy the ideas of our predeccessors.” (V. Weisskopf) “Diese Grössen (k, h, c und GNewton) behalten ihre natürliche Bedeutung so lange bei, als die Gesetze der Gravitation, der Lichtausbreitung im Vacuum und die beiden Hauptsätze der Wärmetheorie in Gültigkeit bleiben; Sie müssen also, von den verschiedensten Intelligenzen nach den verschiedensten Methoden gemessen, sich immer wieder als die nämlichen ergeben.” (Max Planck) –> Stehen für revolutionäre Veränderungen im physikalischen Weltbild! Der grosse Revolutionär ist Albert Einstein

12. Ein Paradigma und drei Revolutionen Paradigma: Atomismus der Materie (k und h) Drei Revolutionen: h: Quantentheorie c: Spezielle Relativitätstheorie c und GNewton: Allgemeine Relativitätstheorie –––––––––––––– k und h: Quantenstatistik, Physik der kondensierten Materie k und c: Relativistische Thermodynamik k, h und c: Relativistische Quantenfeldtheorie k, h, c und GNewton: ??Quantengravitation, Raum-Zeit-Materie?? Problem für das 21. Jahrhundert

13. Quantentheorie “Monochromatische Strahlung von geringer Dichte...verhält sich in wärmetheoretischer Beziehung so, wie wenn sie aus voneinander unabhängigen Energiequanten von der Grösse h.bestünde”, : Frequenz des Lichtes (Albert Einstein) Licht atomistisch konstituiert; Dualität zwischen Wellencharakter und Teilchencharakter des Lichts (und der Materie) –> Quantenmechanik sagt nur Wahrscheinlich- keiten von Ereignissen voraus. Zustand eines quanten- mechanischen Systems hat keine objektive Bedeutung (unabhängig vom Experiment)

14. Erwin schrödinger Werner heisenberg Niels bohr Paul a. m. dirac Richard feynman

15. Was die Quantentheorie “erklärt”: Physik der Atome (periodisches System der Elemente) und Moleküle, Physik der Atomkerne, Stabilität der Materie – von den Atomen bis zu den Sternen; Instabiltät grosser Sterne,... Existenz der Antimaterie (Positronen, Anti-Protonen, ...) Emergente Eigenschaften der Materie: Aggregatszustände, Farben, Magnetismus, spezifische Wärme bei tiefen Temperaturen, Supraleitung, Bose-Einstein Kondensation, ... Technische Anwendungen: Kernenergie, Halbleiterphysik: Transistoren, Solarzellen, ... Laserphysik, Elektronenmikroskopie, MRI, ...

16. Die Relativitätstheorien • Spezielle Relativitätstheorie: Träge Masse von Teilchen hängt von Geschwindigkeit ab (Beschleuniger-Physik!), E = m.c2 geschwindigkeitsabhängige Lebensdauer instabiler Teilchen, keine absolute Zeit, Zwillingsparadox, Antimaterie(h), ... • Allgemeine Relativitätstheorie: Nahewirkungstheorie (c!) der Gravitation; Gravitationskraft von Krümmung der Raum–Zeit und diese von der vorhandenen ponderablen Materie verursacht. Sagte Lichtablenkung, Rotverschiebung, Existenz von schwarzen Löchern, Gravitationslinsen, ... voraus; –> Kosmologie; Unvorhersagbarkeit der Zukunft, ...

17. Neuere Entwicklungen • Standard Modell der Teilchenphysik und der fundamentalen Wechselwirkungen: Elektromagnetische, schwache (Radioaktivität) und starke (Kernbausteine: Quarks, Gluonen) Wechselwirkungen – ohne Gravitation • Theorie der Phasenumwandlungen (Gefrieren von Wasser, Magnetisierung von Eisen, ...) und der kritischen Phänomene (kritische Opaleszenz, ...) • Astrophysik und Kosmologie (Sternentstehung und - Entwicklung, Neutronensterne, schwarze Löcher (!), Geschichte und grossräumige Geometrie des Universums, dunkle Materie, dunkle Energie, ...) Etc.

18. Abdus salam+ Steven weinberg Shledon l. glashow Murray gell-man Die Väter der QCD und des Standard Modells

19. “Philosophische” Anmerkungen Theoretische Physik liefert ein symbolisches Abbild der Wirklichkeit. Sie erklärt nicht, wie Ereignisse zustandekommen, sondern sagt dafür nur Wahrscheinlichkeiten voraus. Sie gestattet es prinzipiell nicht, die Zukunft mit Sicherheit vorauszusagen (Relativitätstheorie!) Die Naturgesetze sind keine “Erklärungen der natürlichen Erscheinungen”, sondern symbolische Beschreibungen in der Sprache der Mathematik

20. Naturwissenschaft und Ethik “We could use help from professional philosophers in understanding what it is that we are doing, but with or without their help we shall keep at it.” (Steven Weinberg) “For me the correct question is what one should do, not how one should feel.” (Richard Feynman) Naturwissenschaft <––> Ethik –––––––––––––––––––––– Dank an die Zuhörerschaft für ihre Geduld meinem “mumm bumm wugga wugga” gegenüber, und an: Graneli, Hepp, Müller-Herold, Straumann und Anna Radi für Hilfe!