Die antiken Wurzeln der modernen Physik
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Die antiken Wurzeln der modernen Physik Heinrich Päs Freundeskreis der Antike Bremen, 2014 Heinrich Päs Antike & moderne Physik Heinrich Päs 2 Kulturen ? “Der Punkt an dem zwei Themengebiete, zwei Disziplinen, zwei Kulturen - zwei Galaxien, könnte man auch sagen zusammenstoßen, sollte kreative Gelegenheiten erzeugen. In der Geschichte der geistigen Tätigkeit war dies immer der Ort, an dem es zu einem der Durchbrüche kam. Nun gibt es solche Gelegenheiten. Aber sie existieren sozusagen in einem Vakuum, denn die Angehörigen der zwei Kulturen können nicht miteinander sprechen” C.P. Snow, The Two Cultures, 1959 Antike & moderne Physik Heinrich Päs 2 Kulturen ? ‣ Ist das wirklich so ? ‣ Kann man Abhilfe schaffen ? ‣ These: die griechische Antike liefert einen besonders guten Ausgangspunkt, “die zwei Kulturen” miteinander zu vereinen Antike & moderne Physik Heinrich Päs 2 Kulturen ? “die beiden Wege..., den des Herzens und den des reinen Verstands” “...daß uns heute die Philosophie der Griechen deshalb so sehr anzieht, weil nirgends auf der Welt, weder vorher noch nachher, ein so fortgeschrittenes, wohlgegliedertes Gebäude aus Wissen und Nachdenken errichtet worden ist, o h n e die verhängnisvolle Spaltung, die uns jahrhunderteland gehemmt hat und heute unerträglich geworden ist” Erwin Schrödinger, Die Natur und die Griechen, 1954 Antike & moderne Physik Heinrich Päs 2 Kulturen ? Aber: Ist das griechische Denken wirklich relevant für die moderne Naturwissenschaft ? Und wenn ja, wie und warum ? Jonah Lehrer 2008: Haben Künstler, Autoren und ein Koch im 19. Jahrhundert intuitiv die Entdeckungen der modernen Neurowissenschaft vorweggenommen? Kunst als Inspiration? Antike & moderne Physik Heinrich Päs Fortschritt in der Wissenschaftstheorie ? ‣ Wissenschaftliche Revolutionen: Änderungen des Weltbildes, allgemein als richtig anerkannte Probleme und Lösungsansätze, Möglichkeiten wissenschaftlicher Wahrnehmung ändern sich ‣ Rationale Gründe wie Tatsachenkonformität, Wiederspruchsfreiheit, Reichweite, Einfachheit und Fruchtbarkeit nicht ausreichend, um Entwicklung neuer Theorien zu verstehen ‣ In solchen Phasen spielen auch subjektive Faktoren wie kulturelle Einflüsse eine Rolle! Thomas S. Kuhn, The Structure of Scientific Revolutions, 1962 Antike & moderne Physik Heinrich Päs Kulturelle Einflüsse antiken Denkens auf moderne Physik Moderne Physik beruht auf der Quantenmechanik ! Deren Protagonisten: hatten typischerweise die humanistische Bildung des 19. Jahrhunderts Antike & moderne Physik Heinrich Päs Ausblick ‣ Demokrit und der Reduktionismus ‣ “Das Eine” und die Quantenphysik ‣ Platons Timaios, Symmetrien und das Higgs-Boson Antike & moderne Physik Heinrich Päs Beispiel 1: Demokrit und der Reduktionismus ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ / Demokrit (460-370 v.Chr): ”Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es süß oder bitter; in Wirklichkeit gibt es nur Atome im leeren Raum.“ (nach Galen, W. Capelle: Die Vorsokratiker) → Paradigma des Atomismus: alles besteht aus unteilbaren, kleinsten Teilchen → Reduktionismus Ähnliche Thesen: Leukipp, Anaxagoras, Lukrez Antike & moderne Physik Heinrich Päs Beispiel 1: Demokrit und der Reduktionismus Reduktionismus: Reduktion eines komplexen Problems/ Systems auf einfache Bestandteile, die zwar abstrakt erscheinen mögen, aber weniger komplex sind → Grundprinzip der ç Naturwissenschaft Zwar existieren Anti-reduktionistische Polemiken (“More is Different” - Phil Anderson, “Abschied von der Weltformel” - Robert B. Laughlin: “Emergenz” Aber auch hier zumindest struktureller Reduktionismus: Gitterschwingung als Pseudoteilchen “Phonon” Antike & moderne Physik Heinrich Päs Beispiel 1: Demokrit und der Reduktionismus Stephen Greenblatt: “The Swerve How the World Became Modern” Pulitzer-Preis 2012 Zentrale These: Wiederentdeckung von Lukrez’ “De Rerum Natura” in einem Kloster in Fulda löst die Renaissance aus Antike & moderne Physik Heinrich Päs Was ist ein Elementarteilchen? Deckweiß unter dem Mikroskop: Anaxagoras (510-428 v. Chr.) ‣ Enthält selbst das weißeste Weiß noch Spuren von Schwarz? ‣ Läßt sich Materie immer weiter teilen? ‣ Oder gibt es irgendwann ein Allerkleinstes, aus dem Alles aufgebaut ist? Antike & moderne Physik Heinrich Päs Was ist ein Elementarteilchen? Teilchenbeschleuniger ähneln extrem starken Mikroskopen: Mit immer höherer Energie lassen sich immer kleinere Betandteile der Materie trennen LHC: 27 km Umfang, überquert die Grenzen zwischen Frankreich und der Schweiz an 4 Punkten Antike & moderne Physik Heinrich Päs Was ist ein Elementarteilchen? ‣ Gegenstände bestehen aus Atomen ‣ Atome bestehen aus Elektronen in der Atomhülle und Protonen und Neutronen im Atomkern ‣ Protonen und Neutronen bestehen aus Quarks Antike & moderne Physik Heinrich Päs Die Teilchenwelt s Strangeï Quark Elektron µ Elektronï Neutrino iµ u d Downï Quark e ie t Topï Quark b Bottomï Quark Myon o Tau Myonï Neutrino io Tauï Neutrino 3. Familie c Charmï Quark Upï Quark 2. Familie 1. Familie Materieteilchen Aus diesen 3 Familien/Generationen mit jeweils 4 Teilchen besteht ALLE Materie ! Antike & moderne Physik Heinrich Päs Beispiel 1: Demokrit und der Reduktionismus Aber: Wo bleibt der “Weg des Herzens” ? Friedrich Nietzsche: Begriffspaar Appolinisch - Dionysisch “Gab es in jenen Jahrhunderten, wo der griechische Leib blühte, die griechische Seele von Leben überschäumte, vielleicht endemische Entzückungen? Visionen und Halluzinationen, welche sich ganzen Gemeinden, ganzen Kultveranstaltungen mitteilten? Wie? ... wenn es gerade der Wahnsinn war, ..., der die größten Segnungen über Hellas gebracht hat?” Geburt der Tragödie aus dem Geiste der Musik, 1872 → Mysterienkulte: “Eleusis” Oder besser ? Reduktion/Separation - Alleinheit/Transzendenz Antike & moderne Physik Heinrich Päs “Das Eine” in der Griechischen Philosophie “ΕΝ ΚΑΙ ΠΑΝ” - “ΕΝ ΤΟ ΠΑΝ” (“Das Eine und Alles”, “Eines ist das Ganze” Heraklit: “aus Allem Eines und aus einem Alles” Parmenides - Göttin läßt ihn das wahrhaft seiende schauen: ohne Anfang, Ende,Werden,Verderben, ganz, unbeweglich Platon, Parmenides-Dialog: Diskussion ob das “Ganze” Vieles oder “Eines” ist Xenophanes, Neoplatoniker: “Das Eine” als Gott ‘Das Ganze ist mehr als seine Teile’ (Beispiel Leben) Antike & moderne Physik Heinrich Päs Beispiel 2: “Das Eine und die Quantenphysik” Quantenphysik: ‣ Elementarteilchen haben sowohl Wellen als auch Teilcheneigenschaften ‣ ‣ Lichtwelle: Energieportion “Photon” Elektron: beschrieben durch Elektronwelle Niels Bohr: Contrar ia non contradictor ia sed complementa sunt – Gegensätze widersprechen sich nicht, sondern ergänzen einander Antike & moderne Physik Heinrich Päs ... Doppelspaltexperiment Light ... Measurement ‣ Vor Messung: Wellenbeschreibung - Elektron an zwei Orten gleichzeitig! ‣ Nach Messung: Teilchenbeschreibung, bestimmter Ort “Welle-Teilchen-Dualismus”, “Komplementarität” Antike & moderne Physik Heinrich Päs Die parallelen Universen der Quantenphysik Antike & moderne Physik Heinrich Päs Die parallelen Universen der Quantenphysik Antike & moderne Physik Heinrich Päs “Das Eine” in der Griechischen Philosophie Vor der Beobachtung sind Teilchen an verschiedenen Orten, Katzen in allen möglichen Überlagerungen von tot und lebendig Die Ganzheit des quantenmechanischen Zustands wird durch die Messung zerstört “Wir finden... den Grund der Komplementarität schon im platonischen Parmenides angedeutet” C.F. v. Weizsäcker: Parmenides und die Quantentheorie, 1971 Antike & moderne Physik Heinrich Päs “Das Eine” in der Griechischen Philosophie Wellenfunktion des Universums: All-Einheit aller Dinge und Eventualitäten In der Quantengravitation: Zeitlos ! → Einfluss von Neoplatonisten auf christliche Metaphysik → Beziehung zur Theologie Pantheistischer Gottesbegriff z.B. bei Spinoza, Lessing, Giordano Bruno oder zur Weltseele “Brahman” im Hinduismus Antike & moderne Physik Heinrich Päs Das Höhlengleichnis in Platons ΡΟΛΙΤΕΙΑ Das sinnlich Erfahrbare sind nur Schatten der Wirklichkeit Antike & moderne Physik Heinrich Päs 3. Beispiel: Symmetrien in der Physik Werner Heisenberg (1901–1976) “Wir glauben einzusehen, dass einige wenige zugrundeliegende Symmetrien und Grundformen genügen, um durch Wiederholungen und Zusammenwirken jenes unendlich komplizierte Spiel der beobachtbaren Phänomene zustande zu bringen” Armin Hermann: Begegnung mit platonischer Philosophie prägt Heisenberg wohl stärker als alles andere Antike & moderne Physik Heinrich Päs Symmetrien in der Physik “Da nämlich die Elemente Wasser, Feuer, Erde und Luft ineinander übergehen können ist es unsinnig anzunehmen, dass sie wirklich sind, vielmehr ist ein Urstoff, der nur in einer seiner Beschaffenheiten eines der Urelemente ist” ΠΛΑΤΟΝ - ΤΙΜΑΙΟΣ Antike & moderne Physik Heinrich Päs Symmetrien in der Physik Symmetriebegriff: Bekannt aus Kunst und Ästhetik Mathematische Bedeutung: Eigenschaft von Objekten, die unter einer Operation unverändert erscheinen Antike & moderne Physik Heinrich Päs Symmetrien und Erhaltungsgrößen Kontinuierliche Symmetrien hängen eng zusammen mit Erhaltungsgrößen in der Physik keine Kraftwirkung Impuls erhalten Kraftwirkung Impuls ändert sich Noethertheorem: Translationssymmetrie Impulserhaltung Antike & moderne Physik Heinrich Päs Das Noether-Theorem “Jede kontinuierliche Symmetrie impliziert eine Erhaltungsgröße” Emmy Noether (1882–1935) Symmetrie in der Physik: Operation lässt Grundgleichungen unverändert Rotationssymmetrie Drehimpulserhaltung Invarianz unter Zeittranslation Energieerhaltung Eichfreiheit in der Elektrodynamik Ladungserhaltung Antike & moderne Physik Heinrich Päs Die Teilchenwelt Upï Quark d Downï Quark e Elektron ie Elektronï Neutrino c Charmï Quark s Strangeï Quark µ Myon iµ 3. Familie u 2. Familie 1. Familie Materieteilchen Myonï Neutrino t Topï Quark b Bottomï Quark o Tau io Tauï Neutrino g g g g g g g 1 3 5 7 2 4 6 8 8 Gluonen W+ WïPlus Z0 ZïBoson W ï WïMinus elektromagnetische Kraft g schwache Kraft starke Kraft Kraftteilchen a kommt in zwei Helizitäten/ Chiralitäten vor linkshändig rechtshändig ‣ Elektromagnetismus: alle geladenen Teilchen ‣ Starke Kraft: alle Quarks ‣ Schwache Kraft: alle linkshändigen Teilchen Photon Antike & moderne Physik Heinrich Päs Die Isospinladung ‣ (Linkshändige) Proton und Neutron (u- und d-Quark) werden durch die schwache Wechselwirkung ineinander überführt ‣ (Linkshändige) Proton und Neutron (u- und d-Quark) verhalten sich hinsichtlich der schwachen Wechselwirkung gleich, sind austauschbar ‣ Analogie: Teilchen mit 2 Spinzuständen (Spin-Dublett) - oder - ‣ 2 Seiten einer Medaille n p Antike & moderne Physik Proton & Neutron (u- & d-Quark) als 2 Zustände eines Isospin-Dubletts Heisenberg 1932 Heinrich Päs Die Isospinsymmetrie Symmetrie Erhaltungsgröße Isospinsymmetrie Isospinerhaltung → Ist sogar eine lokale Symmetrie möglich ? Dortmund New York Tokio Ja, aber NUR, wenn die Theorie Kräfte enthält ! Forderung von lokaler Symmetrie Einführung von Kräften die an die erhaltenen Ladungen koppeln Antike & moderne Physik Heinrich Päs Lokale Eichsymmetrien und Kräfte ‣ ‣ Symmetrie → Erhaltungsgröße ‣ Lokale Isospinsymmetrie → schwache Kraft Symmetrie zwischen Proton & Neutron → Isospinerhaltung Aber: Warum nehmen wir Proton und Neutron dann als unterschiedliche Teilchen wahr? Antike & moderne Physik Heinrich Päs Eine alte irische Sage... Lir, der Halbzüngige, war der Vater der Götter und des Universums. Als Lir jedoch seine Anweisungen für die Erschaffung der Welt gab, verstanden die niederen Götter nur die Hälfte dessen, was er sagte, sodass bei allem was erschaffen wurde, ein nicht verwirklichter, versteckter Gegenpart existiert, die andere Hälfte von Lirs Schöpfungsplan. So kam der Makel in die Welt... ...und ganz ähnlich versteht die moderne Physik die Symmetriebrechung... Antike & moderne Physik Heinrich Päs Spontane Symmetriebrechung Kugel im Mexiko-Hut-Potential ‣ ‣ ‣ Potential besitzt Symmetrie Bei hohen Energien spürt Kugel Potentialbarriere nicht Bei niedrigen Energien liegt Kugel links oder rechts Antike & moderne Physik Heinrich Päs Spontane Symmetriebrechung Beispiel Ferromagnet H Hohe Temperatur ‣ ‣ ‣ Niedrige Temperatur Streuung stört Ausrichtung Keine ausgezeichnete Richtung Rotationssymmetrie ‣ ‣ ‣ Magnete richten sich aus Magnetfeld zeigt nach rechts Symmetrie gebrochen Antike & moderne Physik Heinrich Päs Symmetriebrechung und Massenerzeugung Was hat die Symmetriebrechung mit der Massenerzeugung zu tun? Masse erlaubt Helizitäts-ändernden Übergang Masse ist ein Chiralitäts-ändernder Operator Aber: Linkshändige Teilchen haben Isospin, Rechtshändige nicht! Verletzung der Isospin-Symmetrie? Antike & moderne Physik Heinrich Päs Symmetriebrechung und Massenerzeugung Lösung: “das Vakuum ist nicht exakt Nichts” (Peter Higgs) ‣ im Vakuum existiert Higgs-Feld ‣ Teilchen absorbieren oder emittieren IsospinLadungen durch Wechselwirkungen mit dem Higgsfeld ‣ Diese Wechselwirkung erzeugt die Masse Higgsfeld I rechtshändiges Elektron: keine Isospinladung Antike & moderne Physik I linkshändiges Elektron: besitzt Isospinladung Heinrich Päs Symmetriebrechung und Massenerzeugung ‣ Selbstwechselwirkungen des Higgsfelds → Mexiko-Hut-Potential für das Feld ‣ ‣ ‣ Abkühlung des Universums nach dem Urknall: Higgs-Kondensat ‣ ‣ Auch die W- und Z-Bosonen erhalten Massen ‣ ‣ Higgs-Feld nimmt im Vakuum Wert > 0 an Teilchen reiben sich am Higgsfeld → Erzeugung der Teilchenmassen → bei kleinen Energien nur noch als Quantenfluktuation erzeugbar: ∆M · ∆t ≥ �/2 →die schwache Wechselwirkung erscheint schwach Anregungen des Higgsfelds: Higgs-Teilchen Antike & moderne Physik Heinrich Päs Physik Nobelpreis 2013 Entdeckung des Higgs-Bosons Antike & moderne Physik Heinrich Päs Grand Unified Theories Perfekte Umsetzung des platonischen Konzepts vom “Urstoff, der nur in einer seiner Beschaffenheiten eines der Urelemente ist” Antike & moderne Physik Heinrich Päs Symmetrien und Ästhetik “Ein physikalisches Gesetz muss mathematisch schön sein” Paul A.M. Dirac “Natur und Kunst, sie scheinen sich zu fliehen Und haben sich, eh man es denkt, gefunden; Der Widerwille ist auch mir verschwunden, Und beide scheinen gleich mich anzuziehen.” Johann Wolfgang von Goethe Antike & moderne Physik Heinrich Päs Zusammenfassung ‣ Griechische Philosophie: idealer Ausgangspunkt zur Überbrückung des Trennenden der zwei Kulturen ? ‣ Synthese von Reduktion/Separation und Alleinheit/ Transzendenz ? ‣ Demokrit/Atomisten: Reduktion auf kleinste Bestandteile als Grundprinzip der Teilchenphysik und Naturwissenschaft allgemein ‣ Parmenides, Platon & Neoplatonisten: Alleinheit - realisiert in der Komplementarität von Gegensätzen in der quantenmechanischen Wellenfunktion (“das Ganze ist mehr als seine Teile”, Transzendenz) ‣ Platons Timaios: Symmetrien als Grundprinzip → Eigenschaften der Elementarteilchen, Kräfte, Symmetriebrechung als Erklärung einer nicht perfekten Welt als Konsequenz einer symmetrischen Physik (Höhlengleichnis, Transzendenz) Antike & moderne Physik Heinrich Päs Lesestoff ‣ ‣ Erwin Schrödinger: “Die Natur und die Griechen” ‣ ‣ Werner Heisenberg: “Der Teil und das Ganze” Carl Friedrich v. Weizsäcker: Parmenides und die Quantentheorie (in: “Die Einheit der Natur”) Heinrich Päs: “Die perfekte Welle” - Mit Neutrinos an die Grenzen von Raum und Zeit, Piper 2011
