WARUM PHYSIK? Ein kurzes Essay mit neusten Erkenntnissen und
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/home/claus/cw_powerbook_g4_titanium_on_mml/claus_a/claus_creatives/cw_naturerkenntnisse/warum_physik.odt 1 Die Physik und die Frage: Warum? Neuste Erkenntnisse der Physik im Jahr 2008 und nochmals 2012 führten mich zu diesem kleinen Aufsatz. Eigentlich war ich immer der Ansicht, dass die Physik am Besten die Frage: “Wie?”, beantworten kann und selbst da beschränkt sie sich oft auf das blosse Beschreiben ohne Erklärung. Alles ist etwas enttäuschend in Bezug auf die Frage nach den “Letzten Wahrheiten?”, denn einerseits musste schon seit Längerem nach wahr und falsch auch unbestimmt als logische Variable eingeführt werden, andererseits besteht immer noch alles zum grössten Teil aus Nichts. Und selbst dieses Nichts ist ein Konstrukt etwas anderes als unsere idealisierte Vorstellung von diesem Begriff. “Was ich damit meine?”, ein paar Beispiele: EST! Nicht nur ein unglaublich gutes Jazz­Trio (mit leider 2008 viel zu früh verstorbenen Gründer), sondern auch die dritte Person Singular vom Verb sum = da sein, vorhanden sein, existieren, leben und die Abkürzung der englischen Wörter Energy, Space, Time. Das sind die drei wesentlichsten Grössen der Physik: Energie, Raum, Zeit. Um beim Ersten zu beginnen, ist zu sagen dass Energie in unglaublich vielfältigen Formen vorkommt und auch Materie nur eine bestimmte Art von Energie ist, eine stationäre Form wie eine stehende Welle, die hauptsächlich aus Nichts besteht. Materie lässt sich in Strahlung umwandeln, was in jeder Sonne der Fall ist. Strahlungsenergie ist eine dynamische Form wie sich ausbreitende Wellen und hat gegenüber statischer Energie aus physikalischer Sicht wenig mit unserer Anschauung, Ideologie oder haptischen Vorstellung zu tun. Nach der Quantenmechanik ist ein Berühren oder Erfassen nicht möglich, sondern nur eine Wechselwirkung bei der nur eine von zwei komplementären physikalischen Grössen mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann. Versuchen wir kleinste Teilchen fest zu halten, dann bewegen sie sich um so stärker. Die Kommunisten waren auch Materialisten und mussten sich in der Theorie damit abfinden, dass ihre Grundlagen aus Sicht der Quantenmechanik nicht der Wirklichkeit entsprechen, sondern nichts als ein Geisteskonstrukt waren. Der berühmteste Physiker der Erde wollte sich mit der Unbestimmtheit nicht abfinden und scheiterte ebenso durch seine religiösen Verstellungen der Natur. In der Physik sind die Grundbausteine der Materie Fotonen, Elektronen und Protonen stehende Wellen, also lokalisierte und stabile Energieformen mit unglaublich viel Nichts dazwischen. Wir selbst bestehen daraus, ebenso wie alles andere unserer Anschauung. Die Physik kennt eigentlich nur zwei statische und felderzeugende Kräfte: Die elektrische Ladung und die Gravitation. Das Feld war und ist in der Physik ein riesiges Problem, aber dazu später mehr. Wenn sich Ladungen bewegen entstehen Magnetfelder und bei Massen ist es ähnlich, aber schwieriger. Die Schwierigkeiten bestehen dann eher im Abstand. Wenn der sehr gering wird haben wir es mit den “Starken Kernkräften” zu tun. Das sind die stärksten Kräfte die wir kennen, die Theorien dazu sind ebenso durchgeknallt wie jenseits unserer Anschauung, denn sie wurden aus den Trümmern von Kernexplosionen errichtet und sind nicht in der Lage zu erklären warum unsere Welt so stabil ist. Aber auch natürliche Kerne zerfallen ohne äussere Einwirkung, dazu wird die “Schwache claus westermann /home/claus/cw_powerbook_g4_titanium_on_mml/claus_a/claus_creatives/cw_naturerkenntnisse/warum_physik.odt 2 Wechselwirkung” postuliert. Dazwischen liegt die “Elektromagnetische WW”, deren Feldteilchen das Foton ist, auch dazu gleich mehr. Schliesslich haben wir noch die Gravitation, die zwar 10 hoch 41 mal schwächer ist als die “Starke WW”, aber uns hier trotzdem gut festhält, genauso wie unseren Mond und die Erde wiederum durch die Sonne auf ihrer Bahn hält. Die Gravitation wirkt ohne Ladung, es gibt nur Anziehung, keine Abstossung wie bei der Ladung, Abschirmung ist bisher unbekannt, aber Massen krümmen den Raum und ihre Theorie ist rudimentär. Würden wir nach Newton auf die Anziehungskräfte im Kern der Erde zurückrechnen und sie genauso annehmen wie oberhalb der Erdoberfläche, dann würde im geometrischen Zentrum in einem Bereich von etwa 20 Mikrometer oder rund 100.000 Atomen ein Schwarzes Loch gezündet! Das war zum Glück bisher nicht der Fall. Schwarze Löcher krümmen den Raum so stark, dass ihnen keine Materie, Energie oder Licht mehr entweichen kann und die Zeit sich dramatisch verlangsamt. Die physikalischen Gesetzte nach denen wir leben sind dort vernachlässigbar, denn es gibt zu wenig Nichts für unsere Verhältnisse. Aber auch in unserer Welt wird durch jede Materie und Energie Raum und Zeit gebogen, zum Glück ebenfalls vernachlässigbar. Das bedeutet aber auch dass der Euklidsche Raum mit Geraden, Rechten Winkeln und drei Koordinatenrichtungen nur eine Idealisierung ist die so nicht existiert ­ wenn wir genau genug hinsehen. Tückischerweise würden wir die Veränderungen von Raum und Zeit nicht bemerken, sondern nur durch vergleichsweise absurde Experimente überprüfen können. Wer auf einer Kugel lebt merkt nicht das seine gerade Linie ein Kreisbogen ist. In der Ebene beträgt die Winkelsumme im Dreieck 180° und es gilt die euklidsche Geometrie. Auf der Kugel können es 270° sein und es lassen sich in der Ebene Dreiecke aus Kreisbögen konstruieren die ebenfalls ¾ des Gesamtkreises von 360° als Winkelsumme beinhalten. Ein weiteres Problem sind kurze Abstände von Raum und Zeit, denn wenn wir mit unserer Mathematik aufteilen kommen wir der Teilung durch Null zu nah, für die es keine Definition in der Bruchrechnung gibt. Es gibt keine Division durch Nichts auch das ist unbestimmt. Nachdem wir wissen, das uns in diesem Rahmen Raum und Zeit abhanden kommen können, haben wir aber immer noch die Energie – dachten wir. Leider sind sich die Astronomen inzwischen sicher, dass sich unser Universum beschleunigt ausdehnt. Dann gäbe es irgendwann auch eine ausreichende, relativistische Massenzunahme des Universums und ein erneutes Zusammenziehen wäre wahrscheinlich. Das könnte uns jetzt relativ egal sein, macht aber alle bisherigen Erkenntnisse fragwürdig, denn das Einzige was relativ unbeschränkt, abgesehen von extrem kurzen Zeiten galt, war der Energieerhaltungssatz. Um das Universum sich beschleunigt ausdehnen zu lassen wird aber eine Form von Energie benötigt die wir bisher nicht kannten. Theoretiker versuchten dies mit der Nullpunktsenergie, bzw. Vakuumfluktuation zu erklären (das Vakuum hat nicht die Energie 0 sondern es können spontan aus ihm Teilchen entstehen, die dann sofort zerstrahlen – was relativ leicht nachweisbar ist) und verrechneten sich lediglich um 120 Zehnerpotenzen – der gewaltigste Irrtum der Physik. Die moderne theoretische Physik sucht einen Ausweg darin günstig gestaltete Dimensionen den drei Raum­ und der einen Zeitkoordinate hinzuzufügen. Das Zauberwort heisst Topologie, d.h. die claus westermann /home/claus/cw_powerbook_g4_titanium_on_mml/claus_a/claus_creatives/cw_naturerkenntnisse/warum_physik.odt 3 Beschaffenheit des Raumes um die Probleme bei allen drei Grössen zu lösen, nicht nur durch Biegen sondern auch durch Schrumpfen und Verbergen. Das einzige natürliche Phänomen das Strahlungsenergie in Masse umwandelt sind Schwarze Löcher, die könnten wir auch als zentrierte Singularitäten bezeichnen. Topologisch könnten wir auch periphere Singularitäten erdenken die uns anziehen. Die Strahlungsenergie vom Anfang des Universums mit ihrer Lichtgeschwindigkeit wäre vielleicht schon dort, aber die Massen brauchen eben etwas länger... Was wir kennen sind Phänomene der Wellen die sich destruktive Interferenz nennen und von Physikern auch mit dem kernigen Satz: “Licht plus Licht gibt Dunkelheit” beschrieben werden. In diesen Fällen verschwindet für einen stark ortsgebundenen Beobachter auch die Energie. “Alles ist da, wir merken es nur nicht weil wir nicht weit genug sehen können!” Und so ist eigentlich unser ganzes Leben in Bezug auf das Universum. Wir wissen nicht was vor uns war, nicht was nach uns kommen wird, dazwischen wissen wir auch nicht viel und überall ist ganz viel Nichts das trotzdem noch etwas ist. Weil wir so wenig wissen denken wir nur mit Glauben überleben zu können und dafür ist uns kein Opfer zu gross. Im Moment sieht es meiner Ansicht nach so aus als würde diese Verhaltensweise unsere Lebensbedingungen unwiederbringlich zerstören, durch risikofreudig angewendetes, rudimentäres Wissen. Und ich habe das Gefühl das nicht alleine zu glauben... Wie auch immer, ich denke es wäre Zeit für die Physik zuzugeben, das so wir es bisher glaubten alles nicht sein kann. Nach der heutigen Astronomie und dem Nobelpreis dafür, besteht unser Universum aus ca. ¾ Dunkler Energie, ca. 1/5 Dunkler Materie und unter 1/20 Atome! Aber ein paar Erläuterung von EST und Nichts sind wahrscheinlich noch hilfreich für unser Verständnis: Energien kommen 1. statisch, 2. mit konstanter, 3. mit periodischer und 4. ungeregelter Bewegung vor. Bei der Ladung – etwa einem Elektron – führt dies zu einem 1. elektrischen Feld, 2. einem Magnetfeld, 3. elektromagnetischer Strahlung in Form von konstanten Fotonen und im letzten Fall 4. zu Kombinationen von allem. Das Problem ist der Feldbegriff und das Nichts. Denn zwischen zwei Ladungen beispielsweise soll sich erst mal nichts befinden. Ihre Felder breiten sich aber durch das Nichts bis in die Unendlichkeit aus. Entweder werden Teilchen ausgesandt, deren Materie durch das Nichts fliegen kann, dann würde sich der felderzeugende Körper aber langsam auflösen. Oder es werden Wellen ausgesandt, die sich eigentlich nur in Medien ausbreiten – das was sich die Menschen früher als Materie vorstellten ­ und nach der klassischen Theorie gibt es ohne Medium auch keine Ausbreitung, deshalb wurde früher ein Äther postuliert. Trotzdem wird die Anziehung oder Abstossung der Ladung durch das Nichts übertragen. Die Theorie der Austausch­Wechsel­ Wirkung bedient sich der virtuellen Teilchen und für die elektromagnetische WW heisst dieses Teilchen Foton. Es besteht aus abwechselnd in Ausbreitungsrichtung aneinander gereihten, begrenzten (sich also nicht ins Unendliche ausdehnenden) elektrischen und magnetischen Feldern in deren Mitte Nichts ist und deren Ursache in der Vergangenheit liegt, als sie ausgesandt wurden. Bei seinem Flug mit Lichtgeschwindigkeit (die kein Körper mit Ruhemasse erreichen kann!) hat es eine Masse, die in Ruhe, ebenso wie das Foton selbst, verloren geht. Das klingt alles schon sehr claus westermann /home/claus/cw_powerbook_g4_titanium_on_mml/claus_a/claus_creatives/cw_naturerkenntnisse/warum_physik.odt 4 mysteriös, ist aber das tägliche Brot des Physikers. Und es kommt noch doller! Wir selbst bestehen aus den drei obigen Teilchen, Atomen, Molekülen, Zellen, unvorteilhafter Kleidung und sehr viel Nichts dazwischen. Die Energie kam durch Fotonen von der Sonne, die den durch Gravitation angesammelten Sternen­ und Weltraumstaub sozusagen zum Leben erweckt hat. Physikalisch gesehen sind 5 Begriffe für die Entstehung von Leben entscheidend: Schwellenwerte (Sonne und Planeten müssen bestimmte Grössen und Abstände haben um Leben zu ermöglichen) – Selbstverstärkung (nur bei Herausbildung bestimmter Resonanzbedingungen ist der Aufbau von Strukturen möglich) – Fliessgleichgewicht (nur bei fortwährender Energieumwandlung sind die Strukturen stabil und gleichzeitig flexibel genug die genau passende Arbeit zu leisten) – Musterbildung (alles Leben weisst einen weit höheren Ordnungsgrad auf als die unbelebte Umgebung und als Mass der Unordnung ist die Entropie entscheidend) – Kooperation (die Energie muss stabile Zustände bilden, die Zustände Atome, die Atome müssen Moleküle bilden und diese schliesslich Zellen). Die Chemie beschäftigt sich darauf aufbauend mit dem Stoffwechsel (der fast ausschliesslich auf Elektronen­ und Fotoneneffekten beruht) und die Biologie dann weiter mit den Kampf ums Dasein. Wenn wir uns eines unserer wichtigsten Elemente ansehen, das Wasserstoffatom, dann rast das Elektron darin, nicht viel langsamer als das Licht, um den Kern herum. Selbst in der niedrigsten Energiestufe schwingt es um den über 50000 mal kleineren Kern mit einer Eigenfrequenz die es von aussen als Kugel erscheinen lässt, ohne dabei Energie abzugeben. Im Kern schwingt ein Proton das dort noch andere Protonen und Elektronen einfangen kann. Der Atomdurchmesser von dem leichtesten Element Wasserstoff ist ungefähr gleich dem von Uran und damit eines der schwersten chemischen Elemente. Ein Beweis dafür dass die Grösse in diesem Zusammenhang keine Rolle spielt. Alle Umwandlungen geschehen durch Abgabe oder Aufnahme von Fotonen. Wie gross Elektron und Proton sind lässt sich nicht sagen, denn entscheidend ist der Wechselwirkungsabstand und der ist wegen den Massen sehr verschieden. Fest steht nur durch die Schwingung, Geschwindigkeit und Wechselwirkung dieser Energiezustände haben wir den Sinneseindruck von so etwas wie fester Materie, sie besteht aber zu über 99,9% aus Nichts! Für uns muss dieses Nichts sehr genau verteilt sein, denn wäre es mehr würden wir uns auflösen, wäre es weniger würden wir zerquetscht. Aus diesem Nichts entstehen fortwährend Teilchen und zerstrahlen wieder, zum Glück so selten das es uns nicht besonders stört. Selbst das Nichts ist also nicht so wie unsere Idealisierung. Vielleicht liegt es aber am Raum und der Zeit die wir uns dazu vorstellen mit unserem Bewusstsein, denn das ist auch nur ein Gefühl das uns manchmal dazu verleitet etwas nicht verstehen zu können. Gravitation / Elektromagnetismus sind zwei Phänome wie sie unterschiedlicher kaum sein können, in Art (nur Anziehung, keine Abstossung, keine Abschirmung / Anziehung, Abstossung, Abschirmung), Stärke (sehr schwach / fast so stark wie die Starke WW), Wirkung (fast bedeutungslos für Chemie und Biologie bezüglich des Stoffwechsels / entscheidend für unsere Lebensbedingungen) Verbindung (entscheidend bei sehr grosse Dimensionen/ entscheidend bei sehr kleine Dimensionen) aber sie treten immer zusammen auf in unserer Welt. Im claus westermann /home/claus/cw_powerbook_g4_titanium_on_mml/claus_a/claus_creatives/cw_naturerkenntnisse/warum_physik.odt 5 Kleineren, d. h. in den Kernen und in den Teilchen aus denen sie bestehen, sehen der Raum und die Zeit ganz anders aus, ebenso wie ausserhalb unseres Universums wahrscheinlich. Auch Raum und Zeit sind sehr unterschiedlich. Im Raum ist für jede Dimension im günstigen Fall alle Freiheit der Bewegung gegeben (Stillstand, vor, zurück, gleichmässig, beschleunigt, periodisch, unregelmässig). Die Zeit läuft immer nur in einer Richtung ab, von der Vergangenheit in die Zukunft. Bestenfalls vergeht die Zeit die uns bleibt langsamer oder schneller, aber sie bleibt nicht stehen oder geht gar rückwärts. Alles bleibt mysteriös! Damit gilt für unsere Wissenschaft das Gleiche wie für uns als Lebensform: Wir leben in einer Insel im Meer des Unbekannten und bestehen fast ausschliesslich aus Nichts. Noch mehr Erläuterungen und unsere Welt in gerundeten Zahlenangaben: Die Energie kommt von unserer Sonne mit 3*10 8 m/s (es sei die Z­Richtung) in Form von Fotonen, mit ­6 einer Wellenlänge von überwiegend 0,55*10 m (es sei in X­Richtung die Ausdehnung des erzeugenden Elektrischen Feldes und in Y­Richtung des induzierten Magnetischen Feldes) und einer 14 ­6 Frequenz von 5,45*10 1/s zu uns. Das ist die Farbempfindung zwischen Laubgrün 0,525*10 m und ­6 Gelb 0,575*10 m auch Zitron genannt. Diese Empfindung wird durch aus dem Grundzustand angeregte Elektronen erzeugt, für die nach der Quantenmechanik eine Kopplung und Wechselwirkung von Impuls/Ort, Drehimpuls/Winkel, Energie/Zeit gilt. Unterhalb des Produkts dieser Grössen und von 6,6*10 ­34 Js gelten weder Energieerhaltung, noch Raum, noch Zeit. Es ergibt sich weiterhin für Elektronen, die eine Masse von 9*10 ­31 kg haben, ein minimaler Aufenthaltsort der Grundschwingung von 2,4*10 ­12 m und für Protonen 1,67*10 ­27 kg ein minimaler Aufenthaltsort von 1,3*10 ­15 m unterhalb dem für diese Teilchen Energie, Raum und Zeit “verschwinden”. Damit könnten wir 1*10 ­15 m als Elementarlänge bezeichnen und 3*10 ­24 s als Elementarzeit die elektromagnetische Wellen brauchen um diese Entfernung zurück zu legen. Eine stehende Materiewelle ist aber von der Definition her zeitunabhängig. Interessant in diesem Zusammenhang ist dass die Atomkerne alle ungefähr so gross sind wie der min. Aufenthaltsort des Protons ­ nur im Fall von Uran um 238 mal schwerer – Wasserstoff­ und Uranatome sind gleich gross! Die Atommasse ist also unabhängig vom Volumen, was die Gravitationstheorie nicht hergibt. Wir selbst sind hauptsächlich aus den Chemischen Elementen: Wasserstoff (H, Protonenzahl 1, rel. Atomgewicht 1), Kohlenstoff (C, 6, 12), Stickstoff (N, 7, 14), Sauerstoff (O, 8, 16) und Phosphor (P, 15, 31, in der DNS) bzw. Mangan (Mg, 12, 24, in Chlorophyl) oder Schwefel (S, 16, 32, in vielen Bakterien) aufgebaut deren Atomdurchmesser bei 2 bis 6*10 ­10 m liegt und damit die Fotonen der Sonne gut einfangen können zur Energieumwandlung. Die Bedingung für ein Schwarzes Loch ist bei rund drei Sonnenmassen erfüllt. Der Quotient aus Gravitationskonstante mal dieser Masse durch den Lichteinfangradius von rund 9000 m für diese 16 Masse ist gleich der halben quadrierten Lichgeschwindigkeit (4,5*10 m 2 /s 2) und ergibt eine Energiedichte von rund 2*10 35 J/m 3. Die Materiewelle eines Protons bzw. der Kern von Wasserstoff claus westermann /home/claus/cw_powerbook_g4_titanium_on_mml/claus_a/claus_creatives/cw_naturerkenntnisse/warum_physik.odt 6 hat eine Energiedichte von 1,6*10 34 J/m 3. Der Urankern würde ein Schwarzes Loch zünden weil er die rund 20­fache Energiedichte eines solchen Loches hätte. Auch hier kann wieder etwas nicht stimmen mit der Gravitationstheorie, denn Materiewellen sind in ihr nicht berücksichtigt. Der Raum in der Nähe der Atomkerne ist also deutlich verzerrt gegenüber anderen Energieformen, wie Strahlung und ist eine Grenze für das Auflösen unserer Anschauung. Es könnte auch sein dass die Masse von Elektronen deutlich konzentrierter ist (Elementarlänge) als ihre Materiewellen und im ähnlichen Bereich wie die Energiedichte von Kernen liegen. Vielleicht ist die Gravitation nur die Anziehung der Raumverzerrungen, während Ladungen die Raumzeit polarisieren und je nach Phasenlage Anziehung oder Abstossung verursachen... Die Frage “Wie?” lässt sich über “Wo?” und “Wann?” schliesslich mit dem “Warum?” soweit beantworten: “Die letzte Wahrheit: Im Kleinsten, Grössten und Nichts löst sich unsere Welt einfach auf!” <.W.2668worte claus westermann
