Günther Ludwig. Einführung in die Grundlagen der Theoretischen Physik

Günther Ludwig. Einführung in die Grundlagen der Theoretischen Physik

Günther Ludwig Einflihrung in die Grundlagen der Theoretischen Physik Band 1 : Raum, Zeit, Mechanik Band 2: Elektrodynamik, Zeit, Raum, Kosmos Band 3: Quantentheorie Band 4: Makrosysteme, Physik und Mensch

Günther Ludwig Einführung in die Grundlagen der Theoretischen Physik Band 4: Makrosysteme, Physik und Mensch Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH

CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Ludwig, Günther: Einführung in die Grundlagen der theoretischen Physik / Günther Ludwig. - Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg. Teilw. im Bertelsmann-Universitätsverlag, Düsseldorf. Bd. 4. Makrosysteme, Physik und Mensch. - 1979. ISBN 978-3-663-12070-4 ISBN 978-3-663-12069-8 (ebook) DOI 10.1007/978-3-663-12069-8 1979 Alle Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden 1979 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbr, Braunschweig 1979. Softcover reprint of the hardcover I st edition 1979 Die Vervielfaltigung und Übertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. Im Einzelfall muß über die Zahlung einer Gebühr für die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt für die Vervielfältigung durch alle Verfahren einschließlich Speicherung und jede Übertragung auf Papier, Transparente, Filme, Bänder, Platten und andere Medien. Satz: Helmut Becker, Bad Soden/Ts. Buchbinder: W. Langelüddecke, Braunschweig Umschlaggestaltung: Peter Steinthai, Detmold

Vorwort Der jetzt vorliegende Band schließt die Darstellung physikalischer Theorie in ihren gegenseitigen Beziehungen ab. Der Versuch, die schwierigen Probleme einer Theorie makroskopischer Vorgänge aufzuzeigen, ohne allzu viel Mathematik beim Leser vorauszusetzen, mußte in diesem Band gewagt werden, um die vielfach herrschende Verschleierung dieser Probleme hinter Schlagworten zu zerreißen. Auch mit der Physik zusammenhängende Probleme mußten aufgezeigt werden. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die handschriftliche Ausarbeitung auch des»dialogs«schon im Juli 1977 fertiggestellt war und bewußt nicht mehr geändert wurde, obwohl inzwischen manche Entwicklungen zu Hinweisen gereizt hätten. Dem Verlag danke ich für das Entgegenkommen, Erweiterungen des Umfangs und zeitliche Verzögerungen hingenommen und so diese in sich zusammenhängende Darstellung ermöglicht zu haben. Vielen meiner Mitarbeiter möchte ich für die wertvolle Hilfe danken, die sie mir durch kritisches Lesen des Manuskripts, durch nochmalige Durchsicht der Korrekturen und durch Aufstellen des Stichwortverzeichnisses (das für alle vier Bände am Ende dieses Bandes erscheint) gewährt haben; es sind dies die Herren Dr. W. Bayer, H. Darachschani, H. Gerstberger, Dr. L. Kanthack, Prof Dr. W. Maaß, Prof Dr. o. Melsheimer, Prof Dr. H. Neumann, R. Werner. Marburg, im Februar 1979 G. Ludwig

Inhalt Kurze Anleitung für den Leser..................................... 1 Voreinstimmung auf die physikalischen Problemstellungen.............. 3 XIV. Thermodynamik............................................ 5 1 Thermostatik................................................ 6 1.1 Der Zustandsraum....................................... 8 1.2 Der Energiesatz......................................... 11 1.3 Zusammengesetzte Systeme und der Begriff der Temperatur.... 30 1.4 Der Entropiesatz........................................ 41 1.5 Abhängigkeit der inneren Energie von den Zustandsgleichungen 60 1.6 Die freie Energie... 68 1.7 Die freie Enthalpie....................................... 70 2 Irreversible Prozesse.......................................... 84 2.1 Das Problem des Zustandsraumes.......................... 85 2.2 Der Energiesatz......................................... 87 2.3 Der Satz von der Vermehrung der Entropie.................. 89 2.4 Anwendung des zweiten Hauptsatzes auf Beispiele der Thermostatik... 92 2.5 Der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen............... 98 2.6 Wärmeleitung in starren Körpern... 101 2.7 Die Navier-Stokesschen Gleichungen... 110 2.8 Materialien im elektromagnetischen Feld.................... 135 XV. Das Problem des Aufbaus makroskopischer Systeme aus Atomen.... 146 1 Eine extrapolierte Quantenmechanik eines»vielteilchen«-systems... 148 2 Physikalische Problematik von ~l:qexp und ~l:kexp..... 150 3 Das Problem der Makroregistrierverfahren und der Makropräparierverfahren....................................... 158

VIII Inhalt 4 Thermodynamischer Zustandsraum und Gleichgewichtszustände.... 163 4.1 Der thermodynamische Zustandsraum... 163 4.2 Thermodynamische Observable............................ 171 4.3 Der Ergodensatz... 179 4.4 Die Entropie... 191 4.5 Das Modell ~l:kexp.................. 196 5 Energiesatz.................................................. 204 6 Thermostatik................................................ 206 6.1 Zustandsraum der Thermostatik... 206 6.2 Der Energiesatz für quasistatische Prozesse.................. 207 6.3 Die supermikroskopische Gesamtheit....................... 208 6.4 Die mikrokanonische Gesamtheit... 216 6.5 Die kanonische Gesamtheit und der Begriff der Temperatur.... 220 6.6 Die große kanonische Gesamtheit und das chemische Potential............................................... 232 6.7 Die Statik kleiner Teilsysteme... 243 7 Beispiele für Zustandsgleichungen.............................. 249 7.1 Das Problem des Hamiltonoperators...... 250 7.2 Das»klassische«reale Gas... 251 7.3 Das ideale Fermigas.... 260 7.4 Das ideale Bosegas... 265 7.5 Termdichte der makroskopischen Energie... 270 7.6 Ideales Gas aus Atomen mit innerer Energie...,... 273 8 Unschärferelationen der Thermodynamik... 275 9 Thermostatischer Limes....................................... 279 10 Thermodynamisch determinierte Systeme....................... 280 10.1 Trajektorien im thermodynamischen Zustandsraum... 280 10.2 Die Boltzmannsche Stoßgleichung........................ 290 10.3 Energiesatz für die Trajektorien.......................... 303 10.4 Der Entropiesatz für die Trajektorien... 306 10.5 Scheinbare Unmöglichkeit der Einbettung... 315 10.6 Hydrodynamik und Boltzmannsche Stoßgleichung... 333 11 Statistische thermodynamische Prozesse........................ 340 11.1 Zustandsraum und Trajektorienraum... 341 11.2 Das Problem der Kompatibilität von ~l:th mit ~l:qexp... 345 11.3 Die Beschreibung der Dynamik durch die Gesamtheitenmenge 352 11.4 Die Masterequation.................................... 355

Inhalt IX 11.5 Die thermodynamischen Systeme als physikalische Objekte und das Einbettungsproblem............................ 368 11.6 Die»erratene«Masterequation.......................... 370 11.7 Die Brownsche Bewegung... 373 11.8 Die Diracsche Störungstheorie und die Masterequation... 377 11.9 Hinweise auf Anwendungsgebiete........................ 381 12 Das Problem des Präparierens und Registrierens von Makrosystemen................................................... 382 12.1 Offene physikalische Fragen bei der Beschreibung der thermodynamischen Observablen... 383 12.2 Antworttheorien....................................... 384 12.3 Reduktionstheorien... 387 12.4 Zweite Quantisierung... 396 12.5 Lokale Observablenalgebren und unendliche Systeme... 400 12.6 Das physikalische Problem von (12m und ~m..... 401 12.7 Realität der Atome als Teile eines Makrosystems... 405 13 Physik und Biologie......................................... 407 13.1 Biologische Systeme als physikalische Systeme... 408 13.2 Ist die Entwicklung der Lebewesen physikalisch erklärbar... 413 13.3 Unphysikalische Aspekte an Lebewesen... 417 XVI. Das Problem des Registrierens und Präparierens von Mikrosystemen... 419 1 Experimente von Mikrosystemen»ohne«Mikrosysteme... 420 1.1 Gekoppelte Makrosysteme................................ 420 1.2 Das Präparieren und Registrieren zweier zusammengesetzter Makrosysteme... 421 1.3 Gerichtete Wechselwirkung... 425 1.4 Wechselwirkungsträger... 427 1.5 Physikalische Systeme und physikalische Objekte als Wirkungsträger... 431 2 Mikrosysteme als Wirkungsträger.............................. 438 2.1 Das Präparieren von Mikrosystemen....................... 438 2.2 Das Registrieren von Mikrosystemen....................... 439 2.3 Das aus Präparieren und Registrieren zusammengesetzte Experiment............................................. 440 3 Die Fixierung der Messung durch das Registriersystem als Makrosystem... 442

X Inhalt 4 Theorie des Präparierens und Registrierens von Mikrosystemen..... 446 4.1 Präpariersysteme... 447 4.2 Registriersysteme........................................ 448 4.3 Die Elimination der Mikrosysteme......................... 450 XVII Der Mensch als physikalisches System.... 451 1 Das Bewußtsein.............................................. 451 2 Freier Wille................................................. 455 XVIII Wahrscheinlichkeit und Verfügbarkeit.... 463 1 Wahrscheinlichkeit für physikalische Möglichkeiten... 464 2 Verfügbarkeit... 465 3 Fast sichere Hypothesen.................. 466 4 Der Test von Wahrscheinlichkeiten... 467 XIX. Das Problem der Entwicklung und Anerkennung einer Theorie.... 471 1 Anerkennung und Verwerfung einer'.ß:!... 471 2 Die Entwicklung physikalischer Theorien... 477 Xx. Wert oder Unwert der Physik... 481 Dialog... 482 A X Stabilitätstheorie... 511 A XI Bedingungen für stark thermodynamisch ergodisches Verhalten... 514 A XII Fastperiodische Funktionen... 517 Literaturhinweise................................................ 522 Sachwortverzeichnis......................... 526