Quanten und Kosmos - thzbs.de

1

Quanten und KosmosWarum faszinieren sie?

Brigitte Falkenburg Technische Universität Dortmund

1. Mensch und Kosmos

2. Weltbilder

3. Mikrokosmos – Makrokosmos

3.1 Quanten

3.2 Kosmos

4. Faszinationen

2

Quanten und Kosmos:Warum faszinieren sie?


3

Kreislauf der Natur

Menschlicher Lebenslauf


Woher kommen wir? Wer sind wir? Wohin gehen wir? Paul Gauguin (1897)

4

Astronomie:

Sonne, Mond, Planeten, Sterne→ Jahreslauf

Sirius-Aufgang ↔ Nilüberschwemmungen

Kalender:

Lauf der Gestirne ↔ menschliches Zeitmaß


Kreislauf der Natur

Jahreszeiten und Kalender


Kreislauf der Natur

Ort des Menschen im Kosmos?


6


2. Weltbilder

Antike

Mittelalter & Renaissance

Platon (428-348 v.Chr.) • Aristoteles (384-322 v. Chr.) • Ptolemäus (150) • Raffael (1508)

Geozentrisches Weltbild: Die Erde als Kugel im Zentrum der Weltkugel Geschlossener, auf Menschen zentrierter Kosmos

2. Weltbilder

Ägypten und Babylon: Die Erde als Scheibe

8

Wandel des Weltbilds

Kopernikanische Revolution

Thomas Digges (1576):Unendliches Weltall

Nikolaus Kopernikus (1543):Heliozentrisches Weltbild

2. Weltbilder

9

Offenbarung aus erster Hand:

„Da die Heilige Schrift und die Natur ihren Ursprung gleichermaßen

im göttlichen Wort haben […]: darum scheint es, dass keine der

Naturerscheinungen – seien sie uns durch sinnliche Wahrnehmung

enthüllt oder durch die nötigen Experimente bestätigt – in irgendeinen

Zweifel gezogen oder bestritten werden kann, weil einige Stellen in

der Heiligen Schrift – wörtlich genommen – damit nicht einig gehen.“

Galilei, Brief an Cristina, Großherzogin der Toskana (1615)

2. Weltbilder


Kopernikanische Revolution

10


Konkurrenz der Weltsysteme

Galileo Galilei (1632): Dialog über die Weltsysteme

Michael Klaus (1755):Konkurrierende Weltbilder

Nach Gingerich (1991):Abwägen der Weltbilder

René Descartes (1644):Mechanistisches Weltbild

2. Weltbilder

11

Mensch aus dem Zentrum gerückt:

„Kopernikanische Kränkung“Was bietet die

neuzeitliche Physik & Philosophie

anstelle des antiken Kosmos?


Neuzeitliche Weltdeutung?

Descartes (1644)

Astronomische Uhr

2. Weltbilder

…nur ein mechanistisches Weltbild?

(17./18.Jhdt.)

12

2. Weltbilder

…oder Gott als Uhrmacher?

Rationalismus (17./18.Jhdt.):

Physikotheologie

Mechanischer Weltlauf

Die Welt als Uhr

Astronomische Uhr

Straßburger Münster

(16.-19.Jh.)

2. Weltbilder

Ursprung der Weltordnung?

Rationalismus: Physikotheologie

Kants „vorkritischer“ Gottesbeweis:

„Die Materie, die der Urstoff aller Dinge ist, ist also an gewisse Gesetze

gebunden, welchen sie frei überlassen notwendig schöne Verbindungen

hervorbringen muß. Sie hat keine Freiheit, von diesem Plane der

Vollkommenheit abzuweichen. Da sie also sich einer höchst weisen

Absicht unterworfen befindet, so muß sie notwendig in solche überein-

stimmende Verhältnisse durch eine über sie herrschende erste Ursache

versetzt worden sein, und es ist ein Gott eben deswegen, weil die Natur

auch selbst im Chaos nicht anders als regelmäßig und ordentlich

verfahren kann.”

Kant, Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels (1755)

14

Metaphysischer Trost über die

„Kopernikanische Kränkung“:Physikalische Naturgesetze

als Ausdruck & Garant der

göttlichen Weltordnung!?


Neuzeitliche Weltdeutung?

Mechanistisches Weltbild

Astronomische Uhr

2. Weltbilder

→ Hintergrundüberzeugung der Physiker von

Galilei und Newton bis Planck und Einstein!

15

„Buch der Natur“

in mathematischer Sprache

Natur = Offenbarung aus erster Hand:

„Die Philosophie ist in dem größten Buch geschrieben, das

unseren Blicken vor allem offensteht – ich meine das Weltall

– [...]. Es ist in mathematischer Sprache geschrieben, und

seine Buchstaben sind Dreiecke, Kreise und andere Figuren,

ohne diese Mittel ist es dem Menschen unmöglich, ein Wort

zu verstehen, irrt man in einem dunklen Labyrinth herum.“

Galilei, Il Saggiatore (1623)

2. Weltbilder

16

Einflussreich bis ins 20. Jahrhundert:

„Das konstante einheitliche Weltbild ist aber [...] das

feste Ziel, dem sich die wirkliche Naturwissenschaft in

allen ihren Wandlungen fortwährend annähert [...].

Dieses Konstante, von jeder menschlichen, überhaupt

von jeder intellektuellen Individualität Unabhängige ist

nun eben das, was wir das Reale nennen.”

Max Planck, Einheit des physikalischen Weltbilds (1908)

2. Weltbilder

„Buch der Natur“

in mathematischer Sprache

17


3. Mikrokosmos –Makrokosmos


Kreislauf der Natur



19


Paracelsus (1493-1541): Mensch = Spiegel des Kosmos

Herkunft: „Hermetische“ Schriften (Hellenismus, 2.-3. Jhdt.)

Lateinischer Text (Nürnberg 1541):

2. Quod est inferius, est sicut (id) quod est superius, et quod est superius,

est sicut (id) quod est inferius, ad perpetranda miracula rei unius.

3. Et sicut omnes res fuerunt ab uno, meditatione unius: sic omnes res

natae fuerunt ab hac una re, adaptione.

Renaissance


20


Paracelsus (1493-1541): Mensch = Spiegel des Kosmos

Herkunft: „Hermetische“ Schriften (Hellenismus, 2.-3. Jhdt.)

Deutsche Übersetzung:

2. Das Unterste ist wie das das Oberste, und das Oberste ist wie das

Unterste, um die Wunder des Einzigen zu vollbringen.

3. Und wie alle Dinge aus Einem entstanden, aus der Meditation des

Einzigen: so sind alle Naturdinge aus diesem Einen entstanden,

durch Anpassung.

Renaissance


21


Irdische Physik

Spiegel des Kosmos?

Leibniz (1714): Monade = lebendiger Spiegel des Universums

Newton (1687; 1717): Natur im Kleinen = Natur im Großen

„Hermetische“ Schriften (Hellenismus, 2.-3. Jhdt.):

Newtons Übersetzung (Schriften zur Alchimie):

2. That which is below is like that which is above & that which is above is

like that which is below to do the miracles of one only thing.

3. And as all things have been & arose from one by the mediation of one:

so all things have their birth from this one thing by adaptation.


Irdische Physik

Spiegel des Kosmos?

Newton (1687, 1717): Natur im Kleinen = Natur im Großen

Analogieschlüsse:

„ Bestehen nicht die Lichtstrahlen aus sehr kleinen Körpern, die von den

leuchtenden Substanzen ausgesandt werden? [...] Alle Körper scheinen

aus harten Partikeln zu bestehen [...] So ist sich die Natur immer gleich

und einfach, indem sie alle die großen Bewegungen der himmlischen

Körper durch die zwischen ihnen herrschende Gravitation, ebenso wie

fast alle die kleinen Bewegungen der Partikeln, durch gewisse andere,

zwischen diesen Teilchen wirkende, anziehende und abstoßende Kräfte

hervorruft.“ Newton, Optik (1717), Query 30

Einheit der Natur

Newtons Mechanik

Körper-Masse = N Atom-Massen

Gravitation = universelle Kraft

Licht = Korpuskeln

„So ist sich die Natur immer gleich und einfach...” Newton, Optik (1730), Query 30


→ Hintergrundüberzeugung der Physiker von Galilei und Newton bis Planck und Einstein!

ABER…ist die Natur wirklich so?

24

Enttäuschte Erwartung

Mikrokosmos ≠ Makrokosmos

20. Jhdt.: Verlust der Einheit

MakrokosmosPhysikalische Kosmologie

↑???

↓Teilchenphysik

Mikrokosmos

Teilchenspuren in der Blasenkammer

Galaxis NGC 287


25

Fragmentierung

Mikrokosmos ←?→ Makrokosmos

Zwei disparate Theorien:

UrknallAllgemeine Relativitätstheorie

↑???

↓Quantentheorie

Elementarteilchen

Teilchenspuren in der Blasenkammer

Galaxis NGC 287


26


3.1 Quanten

Subatomare Teilchen

Entdeckung ab 1897

1897 e/m-Messung an Kathodenstrahlen

1903 α-Strahlen erzeugen Lichtblitze

1909 Rückwärtsstreuung von α-Strahlen an Gold

1911 Rutherford: Atomkern

1912 Teilchenspuren in der Nebelkammer

1913 e/m-Messung einzelner Elektron-Ladungen (Millikan)

1923 Compton-Effekt (Rückstoß von Lichtquanten)

3.1. Quanten

←?→ Hintergrundüberzeugung der Physiker von

Galilei bis Planck: Einheitliche Naturgesetze

28

Enttäuschte Erwartung

Subatomare Teilchen: nicht klassisch!

Welle-Teilchen-Dualismus:

Lichtquanten-Hypothese (Einstein 1905, 1916)

E = hν„Quantenpostulat“ für Atombau (Bohr 1913)

∆E = hνWellennatur des Elektrons (de Broglie 1923)

p = ħ/λ

→ Quantenmechanik (1925)

3.1. Quanten

29

Quantentheorie

Welle-Teilchen-Dualismus

3.1. Quanten

Beugung von Materie (Elektronen) und Licht (Röntgenstrahlen) an einem Kristall

30

Die Natur verhält

sich im Kleinen

völlig anders als

im Großen!

Ausbreitung von „Wellen“, Messung von „Teilchen“

3.1. Quanten

Welle-Teilchen-Dualismus

Quantentheorie

Doppelspalt-Experiment

31

Doppelspalt:

„einzelne“ Teilchen?

Nach klassischen

Vorstellungen ist

dies völlig paradox!

Der nicht-klassische Skiläufer

3.1. Quanten

32


3.2 Kosmos

33

3.2 Kosmos

Urknall-Modell

Woher kommen wir?

wissenschaftliche Kosmogonie (statt Schöpfungsmythen):

• endliches Weltalter (∼14 Milliarden Jahre)

• Entstehung durch big bang

• danach Inflation (homogene 3°K-Strahlung)

• heute beschleunigte Expansion

• Universum heute näherungsweise flach

Woher kommen wir? Wer sind wir?

Wohin gehen wir? Gauguin (1897)

34

Vorläufer dieser Naturgeschichte des Kosmos:„Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels“ (Kant 1755)

• endliches Weltalter

• Entstehung durch Schöpfung

• danach Zusammenballung der Materiewirbel

zu Sonnensystem & Milchstraße & Galaxien

• heute immer weitere Ausdehnung

• Universum räumlich unendlich & euklidisch

Urknall-Modell

Woher kommen wir?

3.2 Kosmos

35

Grenzen des heutigen Wissens:

• Sternenhimmel → Blick in die Vergangenheit(endliche Lichtgeschwindigkeit)

• Horizont (Beobachtungsgrenze)

• kosmologisches Prinzip benötigt(Annahme: Das Universum ist homogen & isotrop.)

� Bedingung für Universum mit einheitlicher Geschichte

• dunkle Materie & Energie(nur 4% Masse / Energie des Universums bekannt!)

Z

V

↑

Urknall-Modell

Woher kommen wir?

3.2 Kosmos

36

Urknall-Modell

Naturgeschichte

3.2 Kosmos

37

Zukunftsprognosen – heutiges Wissen:• in ca. 5 Milliarden Jahren:

Sonne → roter Riese → Erde verglüht

• on the very long run:beschleunigte Expansion → Verdampfen (Kältetod)

• schlechte Aussichten! ...Auswege...? ...science fiction...?

• Leben auf anderen Planeten? • Multiversen ← ??? → Quantenkosmologie

� von der Unendlichkeit der Welten (G.Bruno) ???

3.2 Kosmos

Urknall-Modell

Wohin gehen wir?

Woher kommen wir? Wer sind wir?

Wohin gehen wir? Gauguin (1897)

38


4. Faszinationen

39

Spekulation über

Quantenkorrelationen

Schrödingers Katze (1935) und Vielwelten-Deutung (Everett 1957):

Dekohärenz & Aufspaltung der Quantenwelten

• jede Messung → neue Parallelwelten?

• Alle Möglichkeiten werden wirklich !?

Gibt es unendlich viele Quantenwelten, ist die klassische Welt nur Illusion?

→ Abschied von der physikalischen Wirklichkeit !?

Schrödingers Katze lebt in Welt 1 und stirbt in Welt 2

4. Faszinationen

40

Mensch = Lebewesen, das

• seine Umwelt erforscht & gestaltet,

• sich seiner Endlichkeit bewusst ist,

• seine Grenzen transzendieren will,

• nach Ursprung & Sinn fragt:„Woher kommen wir? Wer sind wir? Wohin gehen wir?“

� Physik & Philosophie geben komplementäre Antworten

� metaphysische Fragen werden nicht eliminiert

4. Faszinationen

Sinnfragen

Wer sind wir? Woher kommen wir? Wer sind wir? Wohin gehen wir?

Gauguin (1897)

4. Faszinationen

Erkenntnisstreben

und menschliche Vernunft

Was kann ich wissen?

Was soll ich tun?

Was darf ich hoffen?

Immanuel Kant (ab 1781)

Mensch = Wesen mit Anschauung und Verstand, das

• die Natur erkennen will, aber auf Grenzen der Erkenntnis stößt

• moralisch handeln soll, aber im Konflikt mit Naturbedingungen ist

• seine Grenzen transzendieren will, aber ohne Gewissheit bleibt

„Zwei Dinge erfüllen das Gemüt mit immer neuer und zunehmender

Bewunderung und Ehrfurcht, je öfter und anhaltender sich das

Nachdenken damit beschäftigt: der bestirnte Himmel über mir und

das moralische Gesetz in mir.“ Kant, Kritik der praktischen Vernunft (1788)

42

4. Faszinationen

frappierend:

• Entstehung unseres Universums mit

Sternen & Planeten extrem unwahrscheinlich

• Naturkonstanten G, c, h dürften kaum anders sein

• „anthropisches Prinzip“:

Das Universum muss so sein, dass wir

als intelligente Wesen existieren können!?

Urknall-Modell

Metaphysische Fragen eliminiert ?

43

• schwache Version:

Es gibt uns faktisch; dies setzt empirisch ein Universum mit Sternen & Planeten voraus

• starke Version:

Es gibt uns notwendigerweise; dies setzt den Planeines Universums mit Sternen & Planeten voraus

Urknall-Modell

„Anthropisches“ Prinzip

4. Faszinationen

44

• schwache Version: trivial – es gibt uns ja

(ex post-Wahrscheinlichkeit = 1, oder:

hinterher ist man immer sicher)

• starke Version: stark metaphysisch

– Design? (Physikotheologie des 17./18. Jhdts., Gott kommt wieder als Uhrmacher zu Ehren)

– viele Welten? (alle Möglichkeiten real, auch dieses Universum, das wir beobachten)

Urknall-Modell

„Anthropisches“ Prinzip

45

Milchstraße & NGC 2997, aus: www.ast.cam.ac.uk/AAO/images

4. Faszinationen

Die Physik lehrt:

Wir sind randständig



Die Philosophie lehrt:

Wir bleiben im Zentrum

47

Makrokosmos

„Zum zweiten Mal in der Geschichte der Raumfahrt ist der Planet Erde aus der Tiefe des Weltalls fotografiert worden. Diese Aufnahme stammt von der europäisch-amerikanischen Raumsonde Cassini. Sie zeigt die Heimat der Menschheit als Lichtpunkt über dem linken Rand der Ringe des Saturn. [...] Die Sonne steht hinter dem Planeten und erzeugt einen gleißenden Kranz um Saturn, während ein Teil des Sonnenlichts auf die Erde fällt und sie als Fleckchen sichtbar macht.“ Foto: AP/Nasa

„[...] der Planet Erde aus der Tiefe des Weltalls fotografiert [...] die Heimat der Menschheit als Lichtpunkt über dem linken Rand der Ringe des Saturn. [...]“ Foto: AP/Nasa

4. Faszinationen

Die Physik lehrt:

Wir sind randständig

„Die Erde bleibt das Schicksal des Menschen, auch

wenn er sie eines Tages aus der Ferne des Raumes

nicht mehr erblicken können sollte: Er macht aus allem,

was er bewohnt und befährt, kleine Erden mit ihrer und

seiner Geschichte. Es ist, noch auf den höchsten

Stufen dessen, was er ‚Kultur‘ nennt, eine Geschichte

aus Rückständen.“ Hans Blumenberg, Die Vollzähligkeit der Sterne (1997)

4. Faszinationen

Die Philosophie lehrt:

Wir bleiben im Zentrum

Quanten und Kosmos - thzbs.de

Documents

Transcript of Quanten und Kosmos - thzbs.de