Wiederholung Film Brownsche Bewegung in Milch (Fettröpfchen in Wasser)

Transkript

1 2.Vorlesung Wiederholung Film Brownsche Bewegung in Milch (Fettröpfchen in Wasser) P.F.: Man weiß heute, dass das Brownsche Teilchen ein Perpetuum mobile zweiter Art ist, und dass sein Vorhandensein den zweiten Hauptsatz der... Wärmelehre widerlegt. Physikalischer Hintergrund: 2. Hauptsatz der Wärmelehre = Entropiesatz: sagt, in welche Richtung thermodynamische Zustandsänderungen laufen Viele äquivalente Formulierungen: - Entropie S nimmt nie ab in abgeschlossenem System: ds 0, S strebt zu Maximalwert S -->S max Nach Boltzmann ist der Grund: ein abgeschlossenes System strebt dem wahrscheinlichsten Zustand zu. - Es ist unmöglich, eine periodisch arbeitende Maschine zu bauen, die nichts anderes bewirkt als Erzeugung mechanischer Arbeit durch Abkühlung eines Wärmespeichers. - Wärme kann nie spontan (=ohne äußere Einwirkung) von einem kälteren auf einen wärmeren Köper übergehen. - Existenz eines perpetuum mobile zweiter Art ist unmöglich. P.F.: Hätte die Beziehung zwischen Brownscher Bewegung und 2. Hauptsatz direkt widerlegt? Werden können P.F.: Nein! Um nämlich zu zeigen, dass das Brownsche Teilchen den 2. Hauptsatz verletzt, muss man zeigen, dass seine Bewegung auf einem ständigen Wärmeaustausch mit der Umgebung beruht: dass Wärme in Bewegung und diese wieder in Wärme verwandelt wird. Dies aber ist nicht möglich: prinzipiell und praktisch. 1

2 Neue Betrachtungsweise stammte schließlich von Einstein auf Boltzmanns Schultern: Einsatz der kinetischen Gastheorie. Hintergrund-Info Einstein (Doktorarbeit, andere Arbeiten 1905) Was machte Einstein: Diffusionsgleichung, Lösung = Gauß-Kurve, Breite = Streuung, betrunkener Wanderer. 2

3 P.F. meint, dass bei Einsteins Anwendung von Boltzmanns kinetischer Gastheorie die Konsistenzbedingung durch den Einbau der phänomenologischen Theorie der Wämelehre in den größeren Rahmen der statistische Physik = statistische Mechanik verletzt wurde. Ich würde das nicht so ausdrücken, meine eher, dass das Bild der klassischen Wärmelehre (Thermodynamik) durch ihre Verquickung mit der Mechanik erweitert wurde. Aber das ist möglicherweise fast Semantik und charakterisiert die unterschiedlichen Redeweisen von Feyerabend und praktischen Naturwissenschaftlern. Physikalischer Hintergrund für 2. Hauptsatz der Wärmelehre: Mikroskopische Erklärung des 2. Hauptsatzes durch Maxwell-Boltzmann-Statistik: Makrozustand besteht aus vielen Mikrozuständen, die einer Verteilungsfunktion gehorchen. Boltzmann: S = k B B lnw (k B B heißt Boltzmannkonstante, W = Wahrscheinlichkeit für Realisierung eines Makrozustandes.). Der wahrscheinlichste Zustand ist das Endziel. 2.Hauptsatz ist also jetzt ein Gesetz der Statistik. Abweichungen durch Fluktuationen sind möglich, können aber nicht zur Herstellung eines perpetuum mobile 2.Art genützt werden. Grund : Information über Fluktuationen fehlt, sie sind zufällig. 3

4 Harte Tatsache bleibt: Boltzmann erklärte ca die Gasgesetze (Druck, Volumen, Temperatur-Zusammenhang) durch Bewegung der Moleküle, Einstein erklärte 1905 die Brownsche Bewegung über Fluktuation dieser Bewegungen. Messen! War das nun ein Abweichen von Feyerabends Konsistenzbedingung? M.E. ist das ANSICHTSSACHE. Prognose von Einstein messen! Experimentalphysik ist die Königin der Naturwissenschaften. Also messen, was sich tatsächlich tut! Viele seit Brown: 1900 Felix Exner Geschwindigkeiten der Teilchen. Geht nicht! Ab 1906 versuchten viele Experimental-Forscher Einsteins Vorschlag zu folgen, die mittlere Verschiebung zu messen. Schließlich erfolgreichste Gruppe um Perrin Nobelpreis Physik 1926 Neue Ansicht hatte sich also durchgesetzt. 4

5 Beispiel der Brownschen Bewegung als Lehrbeispiel. P.F.s Thesen P.F.: Dieses Beispiel scheint mir charakteristisch zu sein für die Beziehung zwischen allgemeinen Theorien oder Auffassungen und den Tatsachen. Sowohl die Relevanz als auch die widerlegende Kraft entscheidender Tatsachen lässt sich nur mit Hilfe anderer Theorien gewinnen, die zwar den Tatsachen entsprechen, die aber nicht mit der zu prüfenden Auffassung übereinstimmen. Aber wenn das so ist, dann muss sowohl die Erfindung als auch die Artikulation von Alternativen der Produktion widerlegender Tatsachen vorausgehen. Vogl:???? Der Empirismus verlangt jedenfalls..., dass der empirische Gehalt aller unserer Erkenntnisse möglich groß gemacht werden soll. Erfindung von Alternativen! Konsistenzbedingung widerspricht dieser Forderung...(S.47) 5

6 Feyerabends allgemeine ( wissenschaftssoziologische ) Folgerungen aus diesem Beispiel: Angenommen, eine Gruppe von Wissenschaftlern hält eine bestimmte Auffassung für die einzig richtige, widmet sich ihrem Ausbau und weigert sich, andere Ansätze in Betracht zu ziehen. Anfänglich hat ein solches Verfahren einiges für sich: Schließlich kann ja ein Mensch und eine einflussreiche Gruppe nicht beliebig viel auf einmal tun, und es ist besser, wenn man sich mit einer Sicht der Natur ( Theorie ) beschäftigt, für die man sich interessiert, als mit einer, die man langweilig findet. Wenn diese Auffassung Erfolge bringt, Erklärung bisher unerklärlicher Eigenschaften man begegnet Alternativen mit geringerer Toleranz. Da (nach P.F.) aber viele Tatsachen nur mit Hilfe von Alternativen zugänglich sind, führt deren Nichtbeachtung auch zur Nichtbeachtung (P.F.: Ausschaltung ) möglicher widerlegender Tatsachen, daher sieht die Auffassung (P.F.: Theorie ) tadellos aus und es scheint, dass alle Daten mit unerbittlicher Eindeutigkeit in die Richtung weisen,... Häufig sind widerlegende Tatsachen lange bekannt, bevor Einbau in / Umbau der Theorie versucht. Bsp.: Brownsche Bewegung Elektronen in Festkörpern (Bethe & Sommerfeld) Photoeffekt 1886 (Hallwachs) 1905 (Einstein) Aber alle Beobachtungen, exp. Ergebnisse werden mühsam in alte Auffassung eingebaut Theorie wird immer komplexer. Öffentliche Bekanntheit populärwissenschaftl. Schriften In Lehrpläne eingebaut Orthodoxe bekommen Geld, Revolutionäre nix. P.F. (wie häufig provokant): Es liegt aber auf der Hand, dass dieser Schein des Erfolgs nicht im geringsten als Zeichen der Wahrheit und der Übereinstimmung mit der Natur gelten kann. 6