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2023 | Buch

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Was geht mich die Physik an?

Physikalisch denken in Gesellschaft, Politik und Management.

verfasst von: Reiner Kree

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Politische Themen mit wissenschaftlichem Bezug werden medial immer präsenter. In Talkshows, Zeitungen und politischen Beratungsgremien finden oft Expertinnen und Experten mit Physikausbildung Gehör. Egal, ob es um Klimawandel, Finanzmarktcrashs, Pandemiepolitik oder erneuerbare Energien geht: wir müssen den Aussagen dieser Expertinnen und Experten blind vertrauen, wenn wir selbst kein Fachwissen besitzen.

In diesem Buch werden physikalische Grundlagen hinter gesellschaftlich relevanten Themen auf eine allgemeinverständliche Weise erklärt. Dabei geht es vor allem darum, die für die Physik typischen Denkweisen klar zu machen. Auf welchen Grundlagen (Mechanik, Elektrodynamik, Quantentheorie, Feldtheorien, Relativitätstheorien, Statistische Physik) beruhen eigentlich physikalische Aussagen? Wie sind diese Grundlagen entstanden? Wie erstellt man in der Physik Modelle zur Beschreibung komplexer Themen? Was ist „Wahrheit" in Wissenschaften? Wie ist das Verhältnis von Modellen zur Wirklichkeit? Beim Beantworten dieser und vieler weiterer Fragen hat der Autor darauf geachtet, nur Mathematik vorauszusetzen, die das Niveau der Mittelstufe nicht überschreitet.

Der vorliegende Band richtet sich an alle, die für Entscheidungen und Urteile ein einfaches aber solides Verständnis des physikalischen Denkens suchen: sei es im Alltag, in Unternehmen oder in der Politik.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Was geht mich die Physik an

Zusammenfassung

Das Eingangskapitel erklärt, was man in der Physik so treibt und warum das alle Menschen wissen sollten. Es warnt, dass Wurmlöcher, Paralleluniversen und Zeitreisen zwar unterhaltsam sind, aber nicht die Dinge, die man unbedingt von der Physik wissen muss. Es betont, dass Vertrauen in die Naturwissenschaften wichtig, aber nicht selbstverständlich ist. Und schließlich: Es nennt den wichtigsten Grund, warum Sie das Buch lesen sollten: nämlich, dass man gegen Verschwörungsmythen und rhetorische Killertypen nur in einer Koalition aus Wissenschaft und informierten Bürgerinnen und Bürgern bestehen kann.

Reiner Kree

Wahrheit und Wirklichkeit

Frontmatter

Kapitel 2. Kein Wissen ohne Glauben

Zusammenfassung

Hier geht es umdie Frage, warumman auch in derWissenschaft auf Glauben nicht verzichten kann. Sie lernen Glaubensbekenntnisse der Natur- und Geisteswissenschaften kennen, aber auch Glaubensbekenntnisse, die die Existenz einer äußeren Welt oder die Möglichkeit einer Physik auf der Grundlage von Experimenten bestreiten. Daneben gibt es übergriffige Glaubensbekenntnisse, die andere bekämpfen oder unterordnen wollen.Mit denen werden sich auch spätere Kapitel im Detail auseinandersetzen. Schließlich sprechen wir noch über ethische Glaubensbekenntnisse. Ethik lässt sich zwar nicht wissenschaftlich begründen, ist aber für alle Wissenschaften (und unser gesamtes Leben) extrem wichtig.

Reiner Kree

Kapitel 3. Grundbegriffe

Zusammenfassung

Ein langes Kapitel über Grundbegriffe der Physik, dieman nicht so leicht in einem Lehrbuch findet: Namensgebungen für Dinge der äußeren Welt, Ordnung in solchen Namen durch Klassifizierungen, operative Definitionen, Messgrößen, Messfehler und Statistik, physikalische Systeme, physikalische Modelle, Zustände, physikalische Theorien. Aber auch ein paar Grundbegriffe der Logik lernen Sie kennen: Aussagenlogik und Prädikatenlogik, sowie induktive und abductive Schlüsse in der Physik, die zu dem großen Puzzle unserer Beschreibung der äußerenWelt führen. Und schließlich erklären wir einige Grundbegriffe derMathematik, ohne die auch die Physik nicht auskommt: Anschauung, Logizismus,Axiomatik, Unentscheidbarkeit, verschiedene Unendlichkeiten, das kleine Einmaleins der höheren Mathematik ...und dann noch der Kampf zwischen Newtonianern und Leibnizianern um deren Erfindung.

Reiner Kree

Kapitel 4. Wahrheit in der Physik

Zusammenfassung

Wahrheit ist ein relativer Begriff. Um das zu erklären, diskutieren wir zunächst Beispiele aus verschiedenen Wissenschaften. In der Physik kommt man zu Wahrheiten über Beobachtungen, Experimente und Erklärungen, die ein großes Puzzle bilden, in das man nicht so leicht neue Wahrheiten einfügen kann. Die wichtigen Puzzlesteine der physikalischen Grundgesetze sehen aus, als ob man mit ihnen beliebig genaue Vorhersagen machen kann. Aber der Mechanismus des Chaos steckt überall und erlaubt uns nur Wahrscheinlichkeitsaussagen. Um die zu verstehen, muss man wissen, was Wahrscheinlichkeit ist. Darüber gibt es mehr zu sagen, als die meisten Menschen vermuten.

Reiner Kree

Kapitel 5. Kampf der Wahrheiten

Zusammenfassung

Es gibt einige Glaubensbekenntnisse, die gegenüber den Naturwissenschaften aggressiv und übergriffig sind. Als erstes Beispiel erfahren Sie etwas über die Flat Earther, die die Meinung vertreten, die Erde sei eine Scheibe. Wir betrachten ein Schlüsselexperiment dieser Gemeinde genauer, diskutieren dessen Widerlegung und lernen eine Menge über die Art und Weise, wie solche toxischen Glaubensbekenntnisse mit Gegenbeweisen umgehen. Dann erweitern wir den Blick auf moderne Philosophien, Kultur- und Sozialwissenschaften, in denen sich solche Gemeinden ebenfalls finden. Dabei lernen Sie etwas über die sogenannte Sokal-Affäre. In Diskussionen bedienen sich übergriffige Glaubensbekenntnisse gern unredlicher Argumente, von denen wir Ihnen einige vorstellen. Schließlich zeigen wir Ihnen am wichtigen Beispiel des Einflusses fossiler Brennstoffe auf Klimakrisen, wie Lobbyisten-Organisationen es durch gezielte Maßnahmen schaffen, über Jahrzehnte zu verhindern, dass naturwissenschaftliche Erkenntnisse in Politik umgesetzt werden.

Reiner Kree

Wirklichkeit und Modelle

Frontmatter

Kapitel 6. Raum und Zeit, gibt’s die wirklich?

Zusammenfassung

Der erste Teil des Kapitels beschäftigt sich mit der Frage, ob Raum und Zeit eigentlich physikalische Systeme der äußeren Welt sind oder nur Ordnungshilfen, diewir in unserenKöpfenmit uns herumtragen. Imzweiten Teilwird es ganz praktisch.Wir lernen,mit geometrischen Objekten imRaumzu rechnen. Das Hilfsmittel dazu sind Pfeile (genanntVektoren), diemanmit einemTrick (kartesische Koordinaten) in computerfreundliche Zahlen übersetzen kann. Das tut man in der Physik dauernd.

Reiner Kree

Kapitel 7. Gott würfelt nicht: Newtons Welt

Zusammenfassung

Wir lernen hier das Buch kennen, das die naturwissenschaftliche Revolution der Neuzeit auslöste. Es trägt den lateinischen Titel Philosophiae Naturalis PrincipiaMathematica (Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie). SeinAutor IsaacNewton - über denwir hier auch einiges erfahren-war einGenie und Sonderling. Wir beginnen mit der Entstehungsgeschichte des Buches und schauen dann auf den Inhalt, insbesondere die sogenannten Newtonschen Gesetze der Mechanik und das Newtonsche Gesetz der Schwerkraft. Dabei lernen wir neben dem Begriff der Kraft noch den einen Begriff kennen, der die Grundlage des ganzen Newtonschen Gedankengebäudes bildet: den Impuls. Wir berichten aber auch, wie das Buch eigentlich von der exotischen britischen Insel auf den europäischen Kontinent kam und welche Rolle der Dichter und Philosoph Voltaire und vor allem seine Geliebte und Freundin Émilie du Châtelet dabei spielten. Schließlich werden wir ganz praktisch: Wir zeigen Ihnen im Detail, wie man aus der Newtonschen Theorie die Bewegung von Körpern genau berechnet.

Reiner Kree

Kapitel 8. Die unerschütterliche Energieerhaltung

Zusammenfassung

Es gibt in der äußeren Welt messbare Größen, die zwischen Teilen der Welt nur transportiert werden können, aber die niemals erzeugt oder vernichtet werden. Diese Erhaltungsgrößen spielen für die gesamte Physik eine enorm wichtige Rolle. Interessant dabei ist, dass einige dieser Größen in vielen verschiedenen Verkleidungen auftreten. Das gilt besonders für die Energie. Hier lernen wir die operative Definition der Energie in ihren Verkleidungen kennen. Die Umrechnung von einer Verkleidung in eine andere ist auch im Alltagsleben wichtig. Wir diskutieren daher detailliert vier Anwendungen der Energieumwandlung: die Ersetzung von Gas durch Kohle in der Erzeugung elektrischer Energie (die Russen drehen den Gashahn ab), den Einspareffekt einer grünenWelle bei Ampeln, die Folgen von Diät oder Sport auf das Körpergewicht und die Größe des Asteroideneinschlags, der die Dinosaurier ausrottete.

Reiner Kree

Kapitel 9. Gott würfelt nicht: Maxwells Welt

Zusammenfassung

Bis ins 19. Jahrhundert glaubte man in der Physik, die Welt bestehe nur aus Materie, die kontinuierlich verteilt wäre, d.h. man könnte sie in immer kleinere Portionen zerlegen. Sie übtKräfte auf andereMaterie durch Stoß oder durch Fernwirkung (Schwerkraft) aus. Die Philosophie des Deutschen Idealismus setzte im 18. Jahrhundert gegen dieses materialistische Weltbild eines, in dem die Welt aus verschiedenen Kräften besteht, die sich alle von einer einzigen Urkraft ableiten. Diese Philosophie war hilfreich bei der grundlegenden Entdeckung, dass es in der äußerenWelt tatsächlich etwas gibt, das außerhalb vonMaterie ein Eigenleben führt, nämlich das elektrische (und das magnetische) Feld. Wir erzählen vom Weg zu dieser Entdeckung und formulieren die Gleichungen, denen diese Felder genügen (Maxwell Gleichungen) in Umgangssprache und in mathematischer Form. Dazu benutzen wir Begriffe, die wir zunächst anhand von strömendem Wasser einführen. Aus der Theorie ergibt sich, dass Licht eine Welle ist. Wir beenden das Kapitel mit einer Auseinandersetzung um die Frage: „Was ist Farbe?“, die uns Goethe als Naturforscher und Widersacher Newtons zeigt.

Reiner Kree

Kapitel 10. Gott würfelt nicht: Einsteins Welt

Zusammenfassung

Der Glaube an eine Welt aus Materie hielt sich auch im 19. Jahrhundert hartnäckig, trotz der Maxwellschen Theorie elektromagnetischer Felder. Man glaubte an eine besondere Substanz, genannt Äther, die diese Felder trägt, so wie Wasser Strömungen und Wasserwellen trägt. Dieser Glaube geriet durch experimentelle Ergebnisse immer mehr unter Druck und zwang zu absonderlichen Vorstellungen über die Eigenschaften des Äthers. Der letzte Versuch zur Rettung der Äthertheorie sah fast so aus, wie die kurz darauf von Einstein vorgestellte Spezielle Relativitätstheorie (SRT). Die allerdings brauchte keinen Äther mehr. Einsteins Theorie macht genialen Gebrauch von operativen Definitionen und Gedankenexperimenten. Wir verfolgen einige seiner Schritte (die Zeitdehnung und die Längenkontraktion) und erklären den Begriff Raum-Zeit in der SRT. Schließlich werfen wir einen Blick auf Einsteins größte Schöpfung: die allgemeine Relativitätstheorie.

Reiner Kree

Kapitel 11. Gott würfelt unverständlich: Quantenphysik

Zusammenfassung

Mit den klassischen Gesetzen von Newton, Maxwell und Einstein, die wir bisher kennengelernt haben, war die Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts ziemlich zufrieden. Dann jedoch wurde aus kleinen Unstimmigkeiten eine neue, naturwissenschaftliche Revolution: die Quantenmechanik entstand. Wir verfolgen den Weg zur Quantenmechanik ins Innere der Atome, lernen frühe Hypothesen kennen und schauen auf die Arbeiten von Heisenberg, Born, Jordan, Pauli und Schrödinger, die in eine Naturbeschreibung ohne Anschauung führen. Aus der Quantenmechanik des Lichts entstanden schließlich dieQuantenfeldtheorien, die unsere jetzige Auffassung von der äußeren Wirklichkeit auf kleinen Skalen am besten beschreiben. Wir verfolgen deren Entwicklung bis hin zum heutigen Standardmodell der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen. Schließlich werfen wir einen Blick auf Phänomene, die ohne Quantenmechanik gar nicht auftreten können, die unser gewohntes Bild von der Realität sehr strapazieren, die aber die Basis heutiger Quantentechnologien (wie z.B. dem Quantencomputer) bilden.

Reiner Kree

Kapitel 12. Gott würfelt verständlich: Statistische Physik

Zusammenfassung

Nun folgen wir dem Weg der Physik in komplexe Systeme aus vielen Atomen oder Molekülen. Zunächst betrachten wir den sehr erfolgreichen Zugang der Thermodynamik, die ohne Kenntnis über die mikroskopische Struktur eines Systems sehr nützliche Aussagen über den Übergang zwischen Gleichgewichten machen kann. Praktisch unsere gesamte, groß-skalige Energietechnologie beruht auf solchen Aussagen. Als Anwendung betrachten wir die Effizienz von Kraftwerken undWärmepumpen. In der Thermodynamik steckt nur eine einzige neue Größe, die darüber entscheidet, ob man einen Gleichgewichtszustand von einem anderen aus erreichen kann. Diese Größe heißt Entropie. Anschließßend versuchen wir, die Aussagen über ein System aus vielen Teilchen aus mikroskopischen Naturgesetzen zu erhalten. Das scheitert aus zwei Gründen: an der schieren Masse an Daten und am Chaos. Daher benutzt die Physik eine Wahrscheinlichkeitsbeschreibung. Wärme ist in dieser Beschreibung die Bewegungsenergie der Teilchen. Die verloren gegangene Information über den Mikro-Zustand taucht als Entropie wieder auf und beschränkt die Energie, die man in Arbeit verwandeln kann.

Reiner Kree

Modelle und Katastrophen

Frontmatter

Kapitel 13. Künstliche Intelligenz

Zusammenfassung

Die Physik beschäftigt sich auch mit Systemen, die als künstliche Intelligenzen bekannt sind. Wir werden hier zunächst den Intelligenzbegriff etwas diskutieren. Dabei ist es wichtig, dass Intelligenz ein geisteswissenschaftlicher und kein naturwissenschaftlicher Begriff ist. Wir gehen der Frage nach, warum man glaubt, dassman Intelligenz auf einerComputerhardware realisieren kann.Dann führen wir schrittweise intelligenter werdende Systeme ein, vom einfachen Regelkreis bis zumLernen aus Beispielen.Wie funktioniert so ein Lernen imPrinzip? Das kann man mit Hilfe sehr einfacher Fallstudien verstehen. Daran sieht man auch, was schief gehen kann und wovor man sich bei den heutigen künstlichen Intelligenzen fürchten sollte. Erfolgreiche KI Anwendungen (z.B. ChatGPT) verwenden zur Zeit sogenannte künstliche neuronale Netzwerke. Wir erklären, was das ist und wie man auf solchen Netzwerken Lernen aus Beispielen realisiert.

Reiner Kree

Kapitel 14. Radioaktivität, Kernenergie und Atombomben

Zusammenfassung

Radioaktivität fasst Prozesse zusammen, bei denen sich Atomkerne umwandeln. Dabei senden sie Strahlen in Form von elektromagnetischen Wellen oder kleinen Teilchen aus. Wir beschreiben den Weg zur Entdeckung und zum Verständnis solcher Prozesse. Energien, die Atomkerne zusammenhalten, sind millionenfach größer als Energien, die Atome und Moleküle zusammenhalten. Als sie bekannt wurde, löste die Entdeckung der Radioaktivität sofort eine starke gesellschaftliche Reaktion aus, die (für manche heute erstaunlich) zunächst sehr positiv war. Erst nach und nach wurden die verheerenden biologischen Wirkungen der Radioaktivität offensichtlich. Wir erklären sie in diesem Kapitel. Die Kernspaltung konnte schließlich das Reservoir dieser gewaltigen Energien anzapfen. Damit kann man eine Kettenreaktion (Lawine) in Gang setzen, die zu einer Kernexplosion führt. Wir erklären, wie man solche Explosionen herbeiführt, aber auch, wie man sie vermeidet und einen Kernreaktor betreibt. Das ist trotz jahrzehntelangen Diskussionen um dieses Thema immer noch nicht vielen Menschen bekannt.

Reiner Kree

Kapitel 15. Biologische Kettenreaktionen

Zusammenfassung

Die Kettenreaktion ist ein Grundmodell für viele Katastrophen. Ein Beispiel aus der Biologie ist die Bevölkerungsentwicklung. Lebewesen wachsen exponentiell, d.h. sie vermehren sich mit konstanter Rate. Das führt zu einer unkontrollierbar anwachsenden Lawine, die schließlich alle Lebensgrundlagen zerstört. Die Entwicklung der menschlichen Bevölkerung folgt immer noch so einem Wachstumsgesetz, wenn auch mit abnehmender Vermehrungsrate. Die Ansprüche pro Kopf wachsen allerdings ungebremst weiter der Katastrophe entgegen. Das von Malthus formulierte Dilemma (es besteht darin, dass unsere Produktion nachhaltiger Ressourcen nicht lawinenartig mitwächst) bleibt trotz aller Kritik gültig. Durch Wechselwirkung zwischen Populationen, durch Konkurrenz um Ressourcen und durchWechselwirkungen mit Umweltfaktoren kann die Vermehrungsrate sich selbst so steuern, dass eine stabile Situation entsteht. Diese Dynamik lässt sich einfach mit Hilfe von Differentialgleichungen modellieren. Mit solchen Modellen kann man aber auch untersuchen, was passiert, wenn wir unsere Ressourcen ungebremst weiter dezimieren.

Reiner Kree

Kapitel 16. Das Klima und wie man es vermurkst

Zusammenfassung

Achtung: Dieses Kapitel ist kein Ersatz für ein Buch über die Physik des Klimas. Wir beschreiben kurz wichtige Teile der Klimamaschine unseres Planeten, insbesondere in der Atmosphäre: zunächst auf planetaren Skalen, dann auf mikroskopischen Skalen. Wir erklären, dass man Klimaziele über Temperaturänderungen definiert, weil man die im Gegensatz zu globalen Temperaturmittelwerten genau messen kann. Wir diskutieren einfache Modelle für den Energietransport in der Atmosphäre per Strahlung und überlegen, dass viele der oft vorgezeigten Erklärungen für den Treibhauseffekt (Einfluss der Spurengase auf den Energietransport) gar keine sind. Um den Effekt zu verstehen, muss man den Strahlungstransport recht genau untersuchen. Wir werden lernen, wie die frühen Untersuchungsergebnisse zu diesem Thema (von einem bedeutendenWissenschaftler) zu völlig falschen Schlüssen führten, die weitere Untersuchungen um ein paar Jahrzehnte verzögerten.

Reiner Kree

Backmatter

Titel: Was geht mich die Physik an?
verfasst von: Reiner Kree
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-67934-0
Print ISBN: 978-3-662-67933-3
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-67934-0

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