DAS WELTBILD DER MODERNEN PHYSIK

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1 DAS WELTBILD DER MODERNEN PHYSIK II: Die Geburt der Wissenschaft im antiken Griechenland Claus Kiefer Institut für Theoretische Physik Universität zu Köln

2 Orte Abbildungsnachweis: anderegg-web.ch

3 Die Vorsokratiker Karl Popper: Es gibt den weitverbreiteten Glauben, der meiner Meinung nach, in gewisser Weise Francis Bacon zu verdanken ist, man solle die Erkenntnistheorie eher an unserer Erkenntnis einer Orange erproben als an unserer Erkenntnis des Kosmos. Ich teile diesen Glauben nicht... Es ist auf jeden Fall nützlich, sich von Zeit zu Zeit daran zu erinnern, daß unsere abendländische Wissenschaft... nicht damit begonnen hat, Beobachtungen über Orangen zu sammeln, sondern damit, kühne Theorien über die Welt aufzustellen. K. Popper, Die Welt des Parmenides (Piper 2005)

4 physike (ϕυσικη); von phýsis = Hervorbringen, Herkunft (organologisch); analog das lateinische natura scharfe Trennung zwischen Wissen (epistéme) und Meinung (doxa) wichtig: kritische Haltung, kritische Diskussionen; die meisten Ideen haben nichts mit Beobachtung zu tun Erfindung des bestimmten Artikels: mit ihm kann eine Eigenschaft (ein Adjektiv) oder eine Tätigkeit (ein Verb) sprachlich zu einem Substantiv und Ding gemacht werden (F. Krafft); z.b. das Warme, die Materie, das Leben. Erst dann Wissenschaft von der Natur als dem hinter dem konkreten Einzelding und Einzelvorgang Stehenden... möglich.

5 Thales von Milet (um 624 v. Chr. bis um 547 v. Chr.) - erster Philosoph? Wasser als Urstoff Anaximander (um 610 v. Chr. bis um 547 v. Chr.) - Symmetrieargumente; Apeiron Anaximenes (um 585 v. Chr. bis um 525 v. Chr.) - Luft als Urstoff Xenophanes (um 570 v. Chr. bis um 470 v. Chr.) - Vater der Erkenntnistheorie? Parmenides (um 520 v. Chr. bis um 460 v. Chr.) - erste hypothetisch-deduktive Theorie der Welt Zenon von Elea (um 490 v. Chr. bis um 430 v. Chr.) - Aporien ( Achilles und die Schildkröte ) Heraklit (um 520 v. Chr. bis um 460 v. Chr.) - panta rhei ( Alles fließt )

6 Pythagoras (um 570 v. Chr. bis um 510 v. Chr.) - Alles ist Zahl Empedokles (um 495 v. Chr. bis um 425 v. Chr.) - Feuer, Wasser, Erde, Luft Anaxagoras (um 499 v. Chr. bis um 428 v. Chr.) - Nous ( Geist ); Einführung der Philosophie in Athen? Leukipp (5. Jahrhundert v. Chr.) Leere und Atome Demokrit (um 460 v. Chr. bis um 371 v. Chr.) - bedeutendster antiker Atomist Leseempfehlung: Luciano De Crescenzo, Geschichte der griechischen Philosophie (Diogenes 1990); Erwin Schrödinger, Die Natur und die Griechen (Diogenes 1994).

7 Thales von Milet Vorhersage der Sonnenfinsternis vom 28. Mai 585 v. Chr. Ursprung (arché) von allem ist das Wasser (hýdor); Abkehr vom Mythos wichtig: Reisen (v.a. Ägypten)

8 Es wird erzählt,... daß Thales, als er astronomische Beobachtungen anstellte und dabei nach oben blickte, in einen Brunnen gefallen sei und daß eine witzige, reizende thrakische Magd ihn verspottet habe: Er strenge sich an, die Dinge im Himmel zu erkennen, von dem aber, was ihm vor Augen und vor den Füßen liege, habe er keine Ahnung. Quelle: Platon, Theaitetos Leseempfehlung: Hans Blumenberg, Das Lachen der Thrakerin (Suhrkamp 1987)

9 Urstoff (Arché) der Dinge Thales: Wasser Anaximander: Apeiron ( das Grenzenlose ) Anaximenes: Luft (aér)

10 Anaximander Symmetrieargument: Die Erde ist freischwebend im Raum. Sie wird von nichts gehalten. Sie verharrt an Ort und Stelle infolge ihres gleichbleibenden Abstands zu allen Dingen.... Denn ein Ding, das sich im Zentrum (des Weltalls) in symmetrischen Bezügen zu den äußersten Rändern befindet, hat keine Veranlassung, sich aufwärts, abwärts oder (vielleicht) seitwärts zu bewegen. Und da es sich nicht gleichzeitig in gegensätzliche Richtungen fortbewegen kann, muß es im Ruhezustand verbleiben. Quelle: Aristoteles, De Caelo Symmetrieargumente spielen eine zentrale Rolle in der modernen Physik.

11 Parmenides erste hypothetisch-deduktive Theorie der Welt; nicht den Sinnen glauben, sondern dem Verstand und dem Beweis (Popper) Erster Seinsphilosoph: Nichts existiert nicht; die Welt ist voll, es kann in der Welt keine Bewegung geben ihm zugeschriebene astronomische Entdeckungen: Der Mond (Selene) ist eine Kugel; der Mond erhält sein Licht von der Sonne; das Zu- und Abnehmen des Mondes ist irreal; der Abendstern (Hesperus) und der Morgenstern (Phosphorus) sind identisch; die Gestalt der Erde ist kugelförmig. Reise mit Zenon nach Athen im Jahre 450 v. Chr. und Treffen mit Sokrates (469 v. Chr. bis 399 v. Chr.)?

12 Aus den Fragmenten des Parmenides Beschreiben die zwei Wege der Wahrheit ( Rationalismus ) und der Meinung ( Empirismus ) Denn Eines und Dasselbe ist Erkennen und Sein.... Denn Nichtsein kannst Du nicht erkennen noch sagen es ist nicht zu greifen.... Du mußt sagen und erkennen: das Sein ist. Es muß sein. Denn Nichtsein ist nicht.... Denn das kannst du nie erzwingen, daß Nichtseiendes sei. Drum halte von diesem Weg des Fragens den Gedanken.

13 Relevanz für die moderne Physik? Suche nach einer Wirklichkeit hinter den Erscheinungen führt zu Erhaltungsgesetzen (Energie, Impuls,... ) und damit verbunden zu Gleichungen Parmenides Welt ähnelt dem Bild des Blockuniversums im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie Hermann Weyl: Die objektive Welt ist schlechthin, sie geschieht nicht. Nur vor dem Blick des in der Weltlinie meines Leibes emporkriechenden Bewußtseins lebt ein Ausschnitt dieser Welt auf und zieht an ihm vorüber als räumliches, in zeitlicher Wandlung begriffenes Bild. Quantengravitation scheint auf zeitlose Welt zu führen

14 Zenons Aporien Verteidigung der Lehre des Parmenides Pfeilparadoxon: Pfeil befinde sich an jedem Ort momentan in Ruhe, also auch insgesamt in Ruhe und fliegt deshalb nicht. Auflösung erst durch Klassische Mechanik: Die Bewegung ist zu jedem Augenblick durch Ort und Geschwindigkeit determiniert. Achilles und die Schildkröte: Achilles kann die Schildkröte nie einholen, da diese immer ein Stück weitergekrochen ist, wenn Achilles den ursprünglichen Ort der Schildkröte erreicht hat. Moderne Auflösung: Summe unendlich vieler Zeitintervalle ergibt hier ein endliches Zeitintervall. t = l + v S(l/v A ) + v S(l/v A ) v S... v A v A v A v [ A = l 1 + v ( ) 2 S vs ] v A v A v A = l 1 l v A 1 v = S v A v A v S

15 Pythagoras Die Zahl ist die Natur und das Wesen (arché) der Dinge kósmos harmonía: z.b. Musik: Oktave (2:1), Quinte (3:2), Quarte (4:3), Terz (5:4) Jedoch:

16 Empedokles Alle Gegenstände setzen sich aus vier elementaren Urstoffen zusammen: Feuer, Wasser, Erde, Luft. Manche Mischungen sind stabiler und dauerhafter als andere (Prinzipien der Anziehung und Abstoßung, genannt Liebe und Haß ). Wichtig: Kleine Zahl von Grundformen

17 Die Atomisten Leukipp (Schüler des Zenon?) und später Demokrit versuchten, die Ideen von Parmenides und Heraklit in Einklang zu bringen und den scheinbaren Widerspruch mit der Erfahrung zu beseitigen. Nicht die Deduktionen von Parmenides und Zenon sind falsch, sondern die Prämisse ( Nichts existiert nicht. ). Es gibt nur Atome und den leeren Raum; á-tomos bedeutet nicht (weiter) teilbar. Eigenschaften der Gegenstände folgen aus Gestalt, Anordnung und Lage der Atome.

18 Platon (427 bis 347 v. Chr.) Platon verbindet Ideen von Pythagoras und Empedokles: Alle Körper bestehen aus Feuer, Wasser, Erde, Luft; diese sind aber noch nicht die Urelemente (stocheia) der Materie; die Urelemente sind geometrische Objekte die Platonischen Körper Werner Heisenberg: Am Anfang war die Symmetrie, das ist sicher richtiger als die Demokritsche These Am Anfang war das Teilchen. Die Elementarteilchen verkörpern die Symmetrien, sie sind ihre einfachsten Darstellungen, aber sie sind erst eine Folge der Symmetrien.... Die Elementarteilchen können mit den regulären Körpern in Platos Timaios verglichen werden. Sie sind die Urbilder, die Ideen der Materie. Quelle: W. Heisenberg, Der Teil und das Ganze

19 Die Platonischen Körper Körper, die durch kongruente regelmäßige Vielecke begrenzt sind (hohe Symmetrie!) es gibt davon (in drei Dimensionen) genau fünf. Tetraeder: 4 gleichseitige Dreiecke, verknüpft mit Feuer ( spitz ) Würfel (Hexaeder): 6 Quadrate, verknüpft mit Erde ( stabil ) Oktaeder: 8 gleichseitige Fünfecke, verknüpft mit Luft Ikosaeder: 20 gleichseitige Dreiecke, verknüpft mit Wasser Dodekaeder: 8 regelmäßige Fünfecke, verknüpft mit dem himmlischen Äther Platon beschreibt auch mögliche Umwandlungen der vier Elemente ( Wechselwirkungen )

20 Aus: Johannes Kepler, Mysterium Cosmographicum (1596)

21 Aristoteles (384 bis 322 v. Chr.) Strikte Trennung von terrestrischer (sublunarer) und himmlicher Welt; die Physik gilt nur für die terrestrische Welt; die Himmelskörper sind nicht Teil der phýsis; terrestrische Bewegungen werden durch, so Sieroka, (interne) Zweckursachen hervorgerufen und nicht durch (äußere) Wirkursachen; Gegenstände streben zu ihrem natürlichen Ort (Steine nach unten, Rauch nach oben etc.) bessere Alltagstauglichkeit, aber fehlende Abstraktion; Bezug auf Sinneseindrücke; keine Mathematik oder Experimente Nichtexistenz eines Vakuums (horror vacui) (z.b. wegen unendlich großer Geschwindigkeit bei fehlendem Widerstand)

22 Kritik Karl Popper macht Aristoteles für die Einführung der Induktionsmethode verantwortlich, d.h. für die Methode, aus einzelnen Erfahrungen auf einen allgemeinen Sachverhalt (z.b. ein Naturgesetz) zu schließen. Popper:... bin ich der Meinung, daß mit der Theorie des Aristoteles, daß Wissenschaft episteme, also (beweisbares und daher) sicheres Wissen ist, das große Unternehmen des kritischen Rationalismus der Griechen aufgegeben wurde.... Die Naturphilosophie, die Theorie der Natur, die ursprünglichen Entwürfe einer Kosmologie brachen nach Aristoteles zusammen, was hauptsächlich dem Einfluß seiner Erkenntnistheorie geschuldet war, die Beweisbarkeit verlangte (inklusive des Beweises durch Induktion).

23 Archimedes (287 bis 212 v. Chr.) Einer der bedeutendsten Physiker, Mathematiker und Ingenieure der Antike... hat als erster Mathematik und Physik miteinander verknüpft, ohne sich dabei der pythagoräischen Zahlenmystik zu verpflichten (Simonyi). Archimedisches Prinzip über den Auftrieb Hebelgesetze: Gebt mir einen Punkt, an dem ich stehen kann, und ich will die Erde aus ihren Angeln heben. epistéme und téchne; viele technische Erfindungen des Archimedes, z.b. die heute noch gebräuchliche Archimedische Schraube ( Schneckenpumpe ) Verbindung der Mathematik des Archimedes mit der Entwicklung der Infinitesimalrechnung in der frühen Neuzeit

24 Aristarch von Samos (um 310 v. Chr. bis um 230 v. Chr.) heliozentrisches Weltbild; Größe des Mondes; Mindestentfernung der Erde zur Sonne Archimedes: Aristarch aber hat ein Buch verfaßt, das aus bestimmten Hypothesen besteht, und das, aus diesen Annahmen folgernd, zeigt, daß das Universum um ein Vielfaches größer ist als das Universum, welches ich eben erwähnte. Seine Thesen sind, dass die Fixsterne und die Sonne unbeweglich sind, daß die Erde sich um die Sonne auf der Umfangslinie eines Kreises bewegt, wobei sich die Sonne in der Mitte dieser Umlaufbahn befindet, und daß die Sphäre der Fixsterne, deren Mitte diese Sonne ist und innerhalb derer sich die Erde bewegt, eine so große Ausdehnung besitzt, daß der Abstand von der Erde zu dieser Sphäre dem Abstand dieser Sphäre zu ihrem Mittelpunkt gleichkommt.

25 Eratosthenes von Kyrene (um 275 bis um 194 v. Chr.) Bedeutender Astronom, hat in Alexandria gewirkt (Leiter der Bibliothek); Kontakt mit Archimedes Erdumfang Schiefe der Ekliptik: Abbildungsnachweis: S. fonsi- Globus von Globe Atlantic.svg

26 Claudius Ptolemäus (um 100 bis nach 160) Autor der Mathematike Syntaxis ( Mathematische Zusammenstellung ), besser bekannt als Almagest; ptolemäisches Weltbild Abbildungsnachweis: Ralf Roleček - gemeinfrei