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
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