DAS EXPERIMENT DER GERICHTSHOF DER NATUR Prof. Dr. Harald Lesch. Sternwarte der LMU München

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1 DAS EXPERIMENT DER GERICHTSHOF DER NATUR Prof. Dr. Harald Lesch Sternwarte der LMU München

2 Die Physik ist die Grundlage der Moderne

3 Die Physik ist die Basis der empirischen Wissenschaften

4 Die Physik ist das Fundament der Weltbeschreibung

5 Es gibt eine gesetzliche Ordnung der ganzen Natur Voraussetzung: Kant: Natur als nomologische Struktur Kausalität der Zusammenhang von Ursache und Wirkung Satz vom zureichenden Grunde (Leibniz)

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7 Eine aposteriorische* oder Tatsachen-Aussage Typen von Aussagen Eine apriorische* oder Vernunft-Aussage wird für wahr gehalten aufgrund von bestandenen Überprüfungen, eingetroffenen Vorhersagen. Die Planeten bewegen sich um die Sonne. Beispiel: Kohärenz, d.h. widerspruchsfreies Einfügen in eine für widerspruchsfrei gehaltenen Theorie. Satz des Pythagoras: In der Euklidischen Geometrie gilt für ein rechtwinkliges Dreieck a²+b²=c² * aposteriori = nach der Erfahrung, apriori = vor der Erfahrung

8 Typen von Aussagen. Fortsetzung Eine elementare Aussage von Evidenz, d.h. klarer und deutlicher Einsicht. Zählen und Messen wird für wahr gehalten aufgrund Beispiel: Eine komplexe (wissenschaftliche) Aussage der Logik des wissenschaftlichen Prozesses: Neue Erfahrung Problem Hypothese Folgerungen HEISENBERGs Weltformel - Überprüfung + Hypothese wird Paradigma

9 Beispiel für die Erzeugung extrem komplexer Aussagen Unter französischem und schweizer Staatsgebiet verläuft der 27 km lange Tunnel des Large Hadron Collider. An vier Punkten kreuzen sich die Teilchenstrahlen; dort befinden sich die vier großen Detektoren. Der kleinere Ring ist der Vorbeschleuniger SPS.

10 Methoden der Physik Physik Quantitative Lehre der Naturphänomene Grundlegende Fragen: Aufbau der Welt aus Grundbausteinen Struktur der Materie Struktur der Kraftfelder Struktur von Raum und Zeit Wechselwirkung der Grundbausteine Naturgesetze Ein Biologe käme nie auf diese Idee!

11 Physik Quantitative Lehre der Naturphänomene Forschungsziele: a) Reduktion komplizierter Phänomene auf möglichst wenige fundamentale Naturgesetze b) Konstruktion effektiver makroskopischer Gesetze zur Beschreibung komplexer Systeme (aus typisch Bausteinen)

12 Physik Quantitative Lehre der Naturphänomene Sprache: Mathematische Formeln Newton sche Mechanik Differential / Integralrechnung Lineare Algebra Einstein sche Relativitätstheorie Quantenmechanik Differentialgeometrie Funktionalanalysis Quantenfeldtheorie Gruppentheorie Topologie

13 Physik Quantitative Lehre der Naturphänomene Wesentliche Elemente der Physik: Theorie Modell Experiment Mathematisches Konzept, das im Prinzip eine Klasse von Naturphänomenen vollständig beschreibt Vereinfachte Beschreibung komplexer Systeme durch andere physikalische Objekte/Prozesse Einzige zulässige Methode zum Test bzw. zur Falsifizierung von Theorien/Modellen

14 Physik kennt keinen Sinn Es geht in der Welt mit rechten Dingen zu! Physik verzichtet auf metaphysische Fragestellungen darauf beruht ihr Erfolg Spezialisierung - Reduktion Verzicht Suche nach Naturgesetzen Physik ist das Paradebeispiel des Naturalismus

15 Naturalismus als naturphilosophisch-anthropologische Position 1. Universeller Anspruch 2. Beschränkung der zur Beschreibung & Erklärung zugelassenen Mittel 3. Evolutionärer Charakter 4. Entwirft ein kosmisches Gesamtbild 5. Weist dem Menschen einen bestimmten Platz zu 6. Fähigkeiten des Menschen sind evolutionär, naturalistisch erklärbar Naturalismus ist eine Hintergrundannahme, ein Weltbild, ein forschungsleitendes Paradigma, eine metaphysische Grundentscheidung.

16 Mittelbeschränkung nur mit rechten Dingen Jede Hypothese muss an der Erfahrung scheitern können Nur so viel Metaphysik wie nötig So viel Realismus wie möglich Verzicht auf teleologische Erklärungsmuster Mittelbeschränkung ist programmatisch Sparsamkeitsprinzip (Ockhams Rasiermesser, Denkökonomie) Konkurrenz von Hypothesen, Modellen, Theorien Sparsam Einfach Elementar Pragmatisch Programmatisch - Antidogmatisch

17 Beobachtungen od. Experimente Kritischer Rationalismus Karl R. Popper ( ) Logik der Forschung ( ) Abgrenzungsproblem: Wissenschaft Pseudowissenschaft Induktionsproblem: Begründung allgemeiner Sätze (All-Sätze) All-Sätze sind nicht verifizierbar, aber falsifizierbar. Abgrenzungskriterium ist Falsifizierbarkeit. Problem: Noch so viele Beobachtungen können einen All-Satz nicht verifizieren. deduktive Induktionsschluss Methode Alle Schwäne sind weiß. Eine einzige Beobachtung kann einen All-Satz falsifizieren. "Diese Überlegung legt den Gedanken nahe, als Abgrenzungskriterium nicht die Verifizierbarkeit, sondern die Falsifizierbarkeit des Systems vorzuschlagen... Ein empirischwissenschaftliches System muss an der Erfahrung scheitern können." (LdF, 15)

18 Modernes Empirieverständnis URSACHE UND WIRKUNG Keine Erklärung der in Ruhe gelassenen Natur Natur wird durch kontrollierte Eingriffe theorieadäquat befragt Nicht das Gegebene sondern das Geschaffene/Konstruierte ist Gegenstand der Physik Vorhersage im physikalischen Sinne, betrifft nicht die Natur an sich, sondern die in ihren Bedingungen unter Kontrolle gebrachte Natur!

19 Physik ist die zentrale Entscheidungsinstanz des Naturalismus Ein falsch oder richtig in der Physik ist auch immer ein falsch oder richtig im Bild der Welt Grundlagenforschung Technik Medizin Klima Energie Ressourcen

20 DAS PROGRAMM DES NATURALISMUS Urknall Elementarteilchen Hintergrundstrahlung Quantentheorie Relativitätstheorie Galaxien/Sterne Bewusstsein Mensch/ Sprache Biologie Leben Neurowissenschaften DNS Erde Gesellschaft Chemie/Molekularbiologie Kultur Planetensystem Religion Kognitionswissenschaften Soziobiologie Moral

21 Natursphäre - Anthroposphäre

22 Bei der Erforschung der Natur ist die Methode der Erfahrungswissenschaften allen anderen überlegen Theorie Erfahrung Unmittelbare Erfahrung führt nicht direkt auf Theorie Wir irren uns empor (G. Vollmer) Beobachtungen Messungen gezielte Experimente Werden dabei Irrtümer aufgedeckt, wird man versuchen sie zu beseitigen

23 Bei der Erforschung der Natur ist die empirische Methode allen anderen überlegen Überlegenheit der empirischen Methode beruht auf der Schärfe der kritischen Instrumente =>EXPERIMENT In einer Hierarchie, in der Wissenschaften auf anderen aufbauen, stehen die Naturwissenschaften ganz unten, und die PHYSIK bildet dort das Fundament.

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25 Was sind Naturgesetze? Regelmäßigkeiten im Verhalten realer Systeme Mathematische Formulierungen natürlicher Vorgänge Im mathematischen Naturgesetz verstehen wir genau das, was überhaupt an ihr verstanden werden kann. Die Natur ist nicht subjektiv geistig; sie denkt nicht mathematisch. Aber sie ist objektiv geistig; sie kann mathematisch gedacht werden. (Das Tiefste, was wir über sie wissen) Hypothese Experiment Theorie Gesetz Was bleibt beim Rückgang und Durchgang durch die Natur und ihre Geschichte? Das Letzte: Mathematische Naturgesetze!

26 Erhaltungssätze sind Naturgesetze Alles entwickelt sich und wird älter (Zeit) Alles besteht aus Atomen (Materie) Alles bewegt sich (Energie) Alles hat Ausdehnung (Raum)

27 0 i i q L q L d t d Lagrangesche Gleichungen E 4 div t H c 1 E rot 0 H div j c 4 t E c 1 H rot Maxwellgleichungen Zeitabhängige Schrödingergleichung t i U 2 m 2 2 ik 4 ik k i T c k 8 R g 2 1 R Einstein sche Feldgleichungen

28 Das physikalische Experiment a) Präparierung reiner (oft einfacher) Systeme; kontrollierte Eliminierung von Störeinflüssen ( Beispiel: Reibung ) b) Ermittlung charakteristischer physikalischer Größen ( Zahlen mit Maßeinheiten ) c) Korrektur verbleibender Störeinflüsse d) Quantifizierung der Messgenauigkeit ( Messfehler Praktikum ) e) Vergleich mit Theorie / Modell

29 Zahl der EleKtronen Wolfgang Pauli erfindet das Neutrino (1930) Energiespektrum der Elektronen beim β-zerfall n p e e E elektron m c n 2 m p c E So sollte es aussehen 2 neutrino Energie des Elektrons Aber dies wurde gemessen! Als Lösung postuliert W. Pauli das Neutrino Orientierungseinheit SS2005 Was ist Physik? Caren Hagner, Universität Hamburg

30 Erster Nachweis des Neutrinos 1956 F. Reines 1995 Cowan und Reines Neutrinos erzeugt durch Kernreaktor Nachweis durch Neutrinoeinfang, Szintillator, PMT s Nobelpreis für Reines 1995 Orientierungseinheit SS2005 Was ist Physik? Caren Hagner, Universität Hamburg

31 Massendefekt Bei der Fusion zweier Teilchen zu einem dritten wird Bindungsenergie in Form von Strahlung frei E m 2 c Bestätigung (1995) Kamiokande (Sonne live! im Neutrinolicht ) Wasserstoffbrennen in der Sonne Massendefekt bei Kernfusionsprozessen beträgt weniger als 1% der Masse der Ausgangskerne

32 Gravitationslinsen ART: Die Ausbreitung von Licht ändert sich beim Durchgang durch ein Gravitationsfeld

33 Gravitationslinsen

34 Dunkle Materie (WIMP) Suche Weltweit

35 Die astronomische Beobachtung Strahlung wird empfangen und mit Labordaten verglichen Annahme: Naturgesetze aus Experimenten auf der Erde abgeleitet, gelten auch im Kosmos. Interpretation der Strahlung Ableitung der Dynamik (Massen, T, n, v)

36 Die astronomische Theorie Annahme: Naturgesetze aus Experimenten auf der Erde abgeleitet, gelten auch im Kosmos. Hypothesenbildung Vorhersagen: Pauli & Heisenberg-Prinzip führten zur Vorhersage der Weißen Zwerge & Neutronensterne Kernphysik führte zur stellaren Nukleosynthese und zum Urknall-Modell Allgemeine Relativitätstheorie führte zur Vorhersage der Schwarzen Löcher und der Expansion des Universums

37 Die größte Geschichte aller Zeiten Die Naturgesetze gelten überall im Universum! Kosmologie ist Innenarchitektur des Kosmos kein Davor und Außerhalb

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39 Fluktuationsgenerator Kurze Geschichte des Universums Fluktuationsverstärker

40 Die größte Geschichte aller Zeiten Selbstentfaltung der Materie! Vom Einfachen zum Komplexen vom Urknall zum Gehirn!

41 Die Entwicklung des Systems Erde

42 Die Entwicklung des Systems Erde

43 Instruments Messinstrument Woraus besteht unsere Welt? Vom Kleinsten bis zum Grössten LHC LEP LEP - LHC Accelerators Teilchenbeschleuniger t (Particle beams) Elektronenmikroskop Electron Microscope Lichtmikroskop Microscope m SUSY particle? Teilchen? Higgs? (range of Z/W Higgs? nuclear force) (range of Proton Proton Z/W weak force) Nuclei Atomkern Atom Atom Virus Virus Cell Zelle Observables Objekt Teleskop Telescope Radio Radio Teleskop Telescope Earth radius Earth Entfernung to Sun Erde-Sonne Galaxies Galaxien Radius Grösse of observable des Universe Universums 43

44 Vom Helium zum Higgs-Feld 46 Größenordnungen! m m

45 Urknall im Labor Die Detektoren messen: Energie, Flugrichtung und Teilchentyp der Spuren. Mit diesen Messwerten können die physikalischen Theorien der Teilchenphysik überprüft werden. 45

46 Zusammenhang Kosmologie - Teilchenphysik frühes Universum: Temperatur K Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV alle Teilchen kollidieren unkontrolliert gezielte, kontrollierte einzelne Kollisionen und deren Aufzeichnung

47 Mit dem LHC zurück zum Urknall Heißes Universum <-> typische Teilchenenergie Sonne: T = 10 7 K <-> E = 10-6 GeV LHC : T > K <-> E > 10 3 GeV (>10 9 mal höher!) Die Ursuppe : Nachstellen im Teilchenensemble ALICE: Pb+Pb Quark-Gluon Plasma? Die Petersilie : Nachstellen in Einzelprozessen ATLAS, CMS, LHCb: p+p b, t, W, Higgs? SUSY? Alter Temperatur Energie Größe LHC Pb+Pb s K GeV Nadelspitze s K GeV Tennisball s K 10 9 GeV 50 km s K GeV wie Sonne s K 100 GeV 10-6 s K 1 GeV wie Sonnen -system 1s K GeV 1 Lichtjahr 1 min 10 9 K GeV 50 Lichtjahre 1 Jahr 10 6 K GeV wie Milchstraße Jahre K 1 ev 1 Million Lichtjahre heute 3 K 10-4 ev 10 Milliarden Lichtjahre 47 Theorien LHC (p+p) gemessene Einzelprozesse

48 Vom Urknall bis...

49 Die 4 Ecksteine der Kosmologie Expansion des Universums Universum begann mit einem BIG BANG, vor ca Milliarden Jahren Das Universum expandiert Das Universum ist auf großen Längen isotrop und homogen Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB) Die CMB ist der Überrest des heißen Urknalls Die letzte Streufläche stellt die letzte WW von Strahlung und Materie dar Die Strahlungstemperatur des CMB entwickelte sich von 3000K nach 2.7K Nukleosynthese der leichten Elemente Kernbausteine verschmelzen in den ersten drei Minuten zu den leichten Kernen Wasserstoff und Helium Das Urknall-Modell sagt korrekt das Verhältnis von Wasserstoff zu Helium voraus: ~25% Entstehung von Galaxien und Galaxienhaufen Strukturentstehung beginnt nach der Entkopplung von Materie und Strahlung Das Urknall-Modell stellt den Rahmen dar, in dem sich die Strukturentstehung verstehen lässt

50 Die Planckwelt und die anfängliche Am Anfang Planck Ära = s nach dem Urknall Singularität Zeit läuft rückwärts t 0 R 0 T Anfangssingularität Der Anfang t<10-43 s bekannt als die Planckära Quanteneffekte werden wichtig Einstein s Theorie der Gravitation bricht zusammen Planckzeit wird über die Unbestimmtheitsrelation definiert: Et Mit der Planckzeit t p Planck Länge l p ct p Planck Dichte p 1/Gt 2 p Planck Masse m p p l p 3 m p c 2 t p p (ct p ) 3 c 2 t p c 5 4 t p 2 Gt p t p G c 5 1/ 2 c m p G 1/ s 2.5x10 8 kg l p G c 3 1/ 2 E P m p c 2 G 1.7x10 35 m p c 5 c 5 1/ GeV T P E P k B G kgm 3 c 5 k 2 B G 1/ K 50

51 Matter Clumping t=0 T= Die Geschichte des Universums s K s K s K 10-6 s K 10-4 s K 0.01s K 1s 10 9 K 4s 5x10 9 K 3mins 10 9 K 3x10 5 yrs 3000K 10 7 yrs 300K 10 9 yrs 30K yrs 2.73K? Initial Singularity W ± Z o q+ q- m+ m- He Atoms 51

52 Die rationale Physik sieht nur die Oberfläche der Wirklichkeit. Carl Friedrich von Weizsäcker: Die Physik erklärt nicht die Geheimnisse der Natur, sie führt sie auf tiefer liegende Geheimnisse zurück.