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DAS EXPERIMENT –

DER GERICHTSHOF

DER NATUR

Prof. Dr. Harald LeschSternwarte der LMU München

Die Physik ist die Grundlage der Moderne

Die Physik ist die Basis derempirischen Wissenschaften

Die Physik ist das Fundament der Weltbeschreibung

Kausalität

Es gibt eine gesetzliche Ordnung der

ganzen Natur

Voraussetzung:

Kant: Natur als nomologische Struktur

der Zusammenhang von

Ursache und Wirkung

Satz vom zureichenden Grunde (Leibniz)

* aposteriori = nach der Erfahrung, apriori = vor der

Erfahrung

Typen von Aussagen

Eine aposteriorische*

oder Tatsachen-Aussage

Eine apriorische*

oder Vernunft-Aussage

wird für wahr gehalten aufgrund von …

… bestandenen Überprüfungen,

eingetroffenen Vorhersagen.… Kohärenz, d.h.

widerspruchsfreies Einfügen in eine

für widerspruchsfrei gehaltenen

Theorie. Beispiel:

Die Planeten bewegen sich um die Sonne. Satz des Pythagoras:

In der Euklidischen Geometrie gilt für ein

rechtwinkliges Dreiecka²+b²=c²

FortsetzungTypen von Aussagen.

Eine elementare Aussage Eine komplexe (wissenschaftliche) Aussage

wird für wahr gehalten aufgrund …

Beispiel:

HEISENBERGs „Weltformel“

… von Evidenz,

d.h. klarer und deutlicher Einsicht.

… der Logik des wissenschaftlichen

Prozesses:

Neue

ErfahrungProblem Hypothese Folgerungen

Überprüfung

Hypothese

wird

ParadigmaZählen und Messen

-+

Unter französischem und schweizer Staatsgebiet verläuft der 27 km lange Tunnel des Large Hadron

Collider. An vier Punkten kreuzen sich die Teilchenstrahlen; dort befinden sich die vier großen Detektoren. Der kleinere Ring ist der Vorbeschleuniger SPS.

Beispiel für die Erzeugung extrem komplexer Aussagen

• Aufbau der Welt aus Grundbausteinen

• Wechselwirkung der Grundbausteine

Methoden der Physik

PhysikQuantitative Lehre der

Naturphänomene

Grundlegende Fragen: Struktur der Materie

Struktur der Kraftfelder

Struktur von Raum und Zeit

Naturgesetze

„Ein Biologe käme nie auf diese Idee!“

a) Reduktion komplizierter Phänomene auf

möglichst wenige fundamentale Naturgesetze

b) Konstruktion effektiver makroskopischer

Gesetze zur Beschreibung komplexer

Systeme (aus typisch 1023 Bausteinen)

PhysikQuantitative Lehre der

Naturphänomene

Forschungsziele:

PhysikQuantitative Lehre der

Naturphänomene

Sprache: Mathematische Formeln

• Newton´sche Mechanik

• Einstein´sche

Relativitätstheorie

• Quantenmechanik

• Quantenfeldtheorie

Differential / Integralrechnung

Lineare Algebra

Differentialgeometrie

Funktionalanalysis

Gruppentheorie

Topologie

PhysikQuantitative Lehre der

Naturphänomene

Wesentliche Elemente der Physik:

TheorieMathematisches Konzept, das im Prinzip

eine Klasse von Naturphänomenen

vollständig beschreibt

Vereinfachte Beschreibung komplexer

Systeme durch andere physikalische

Objekte/Prozesse

Einzige zulässige Methode zum Test

bzw. zur Falsifizierung von

Theorien/Modellen

Modell

Experiment

Physik kennt keinen SinnEs geht in der Welt mit rechten Dingen zu!

Physik verzichtet auf metaphysische

Fragestellungen – darauf beruht ihr „Erfolg“

Spezialisierung - Reduktion – Verzicht

Suche nach Naturgesetzen

Physik ist das Paradebeispiel des Naturalismus

Naturalismus als naturphilosophisch-anthropologische

Position

• 1. Universeller Anspruch

• 2. Beschränkung der zur Beschreibung & Erklärung zugelassenen Mittel

• 3. Evolutionärer Charakter

• 4. Entwirft ein kosmisches Gesamtbild

• 5. Weist dem Menschen einen bestimmten Platz zu

• 6. Fähigkeiten des Menschen sind evolutionär, naturalistisch erklärbar

Naturalismus ist eine Hintergrundannahme,

ein Weltbild,

ein forschungsleitendes Paradigma,

eine metaphysische Grundentscheidung.

Mittelbeschränkung – nur mit rechten Dingen

„Jede Hypothese muss an der Erfahrung scheitern

können“

• Nur so viel Metaphysik wie nötig

• So viel Realismus wie möglich

• Verzicht auf teleologische Erklärungsmuster

• Mittelbeschränkung ist programmatisch

• Sparsamkeitsprinzip (Ockhams Rasiermesser, Denkökonomie)

• Konkurrenz von Hypothesen, Modellen, Theorien

Sparsam

Einfach

Elementar

Pragmatisch – Programmatisch - Antidogmatisch

Kritischer Rationalismus

Karl R. Popper(1902-1994)

Logik der Forschung (11934)

Induktionsproblem: Begründung allgemeiner Sätze (All-Sätze)

Abgrenzungsproblem: Wissenschaft Pseudowissenschaft

Alle Schwäne

sind weiß.

Beob

achtu

ngen o

d.

Experim

ente

Induktionsschluss

Problem:

Noch so viele Beobachtungen können

einen All-Satz nicht verifizieren.

deduktive

Methode

Eine einzige Beobachtung kann einen

All-Satz falsifizieren.

All-Sätze sind nicht verifizierbar, aber falsifizierbar.

Abgrenzungskriterium ist Falsifizierbarkeit.

"Diese Überlegung legt

den Gedanken nahe, als

Abgrenzungskriterium

nicht die Verifizierbar-

keit, sondern die

Falsifizierbarkeit des

Systems vorzuschlagen

... Ein empirisch-

wissenschaftliches

System muss an der

Erfahrung scheitern

können." (LdF, 15)

Modernes Empirieverständnis

URSACHE UND WIRKUNG

• Keine Erklärung der in Ruhe gelassenen Natur

• Natur wird durch kontrollierte Eingriffe

theorieadäquat „befragt“

• Nicht das Gegebene sondern das

Geschaffene/Konstruierte ist Gegenstand der Physik

• Vorhersage im physikalischen Sinne, betrifft nicht die

Natur an sich, sondern die in ihren Bedingungen unter

Kontrolle gebrachte Natur!

Physik ist die zentrale Entscheidungsinstanz desNaturalismus

Ein falsch oder richtig in der Physik ist auch immerein falsch oder richtig im Bild der Welt

GrundlagenforschungTechnikMedizinKlima

EnergieRessourcen

DAS PROGRAMM DES NATURALISMUS

Urknall

Hintergrundstrahlung

Galaxien/Sterne

PlanetensystemErdeDNS

Leben

Bewusstsein

Mensch/

Sprache

Gesellschaft

Kultur Religion

Moral

Elementar-

teilchen

Quantentheorie

Relativitätstheorie

Chemie/MolekularbiologieBiologie

Neurowissenschaften

KognitionswissenschaftenSoziobiologie

Natursphäre - Anthroposphäre

Bei der Erforschung der Natur ist die Methode der Erfahrungswissenschaften allen anderen überlegen

Theorie ↔ Erfahrung

Unmittelbare Erfahrung führt nicht direkt auf Theorie

„Wir irren uns empor“ (G. Vollmer)

Beobachtungen – Messungen – gezielte Experimente

Werden dabei Irrtümer aufgedeckt,

wird man versuchen sie zu beseitigen

Bei der Erforschung der Natur ist die empirische Methode allen anderen überlegen

Überlegenheit der empirischen Methode beruht

auf der Schärfe der kritischen Instrumente =>EXPERIMENT

In einer Hierarchie, in der Wissenschaften auf anderen aufbauen, stehen die

Naturwissenschaften ganz unten, und die PHYSIK bildet dort das Fundament.

Was sind Naturgesetze?

• Regelmäßigkeiten im Verhalten realer Systeme

• Mathematische Formulierungen natürlicher Vorgänge

• Im mathematischen Naturgesetz verstehen wir genau das, was überhaupt

an ihr verstanden werden kann. Die Natur ist nicht subjektiv geistig; sie

denkt nicht mathematisch. Aber sie ist objektiv geistig; sie kann

mathematisch gedacht werden. (Das Tiefste, was wir über sie wissen)

• Hypothese ↔ Experiment ↔ Theorie ↔ Gesetz

• Was bleibt beim Rückgang und Durchgang durch die Natur und ihre

Geschichte? Das Letzte: Mathematische Naturgesetze!

Erhaltungssätze sind

Naturgesetze

Alles entwickelt sich und wird älter (Zeit)

Alles besteht aus Atomen (Materie)

Alles bewegt sich (Energie)

Alles hat Ausdehnung (Raum)

0

ii q

L

q

L

td

d

Lagrangesche Gleichungen

4Ediv

t

H

c

1Erot

0Hdiv

jc

4

t

E

c

1Hrot

Maxwellgleichungen

Zeitabhängige Schrödingergleichung

tiU

m2

22

ki4kiki Tc

k8Rg

2

1R

Einstein´sche Feldgleichungen

Das physikalische Experiment

a) Präparierung „reiner“ (oft einfacher) Systeme;

kontrollierte Eliminierung von Störeinflüssen

( Beispiel: Reibung )

b) Ermittlung charakteristischer physikalischer Größen

( Zahlen mit Maßeinheiten )

c) Korrektur verbleibender Störeinflüsse

d) Quantifizierung der Messgenauigkeit

( Messfehler Praktikum )

e) Vergleich mit Theorie / Modell

Orientierungseinheit SS2005 Was ist Physik? Caren Hagner, Universität Hamburg

Wolfgang Pauli „erfindet“ das Neutrino (1930)

Za

hl d

er

Ele

Ktr

on

en

Energie des Elektrons

So sollte es aussehen

Aber dies wurde gemessen!

eepn

Energiespektrum der Elektronen beim β-Zerfall

neutrinopnelektron EcmcmE 22

Als Lösung

postuliert W. Pauli

das Neutrino

Orientierungseinheit SS2005 Was ist Physik? Caren Hagner, Universität Hamburg

Erster Nachweis des Neutrinos 1956

Neutrinos erzeugt durch Kernreaktor

Nachweis durch Neutrinoeinfang, Szintillator, PMT’s

Nobelpreis für Reines 1995

Cowan und Reines

F. Reines

1995

Massendefekt

Bei der Fusion zweier Teilchen zu einem dritten wird Bindungsenergie

in Form von Strahlung frei

Wasserstoffbrennen

in der Sonne

Massendefekt bei

Kernfusions-

prozessen

beträgt weniger als

1% der Masse der

Ausgangskerne

2cmE

Bestätigung (1995)

Kamiokande

(Sonne live! im

„Neutrinolicht“)

Gravitationslinsen

ART: Die Ausbreitung von

Licht ändert sich

beim Durchgang durch

ein Gravitationsfeld

Gravitationslinsen

Dunkle Materie (WIMP) Suche Weltweit

Die astronomische Beobachtung

• Strahlung wird empfangen und mit Labordaten verglichen

• Annahme: Naturgesetze aus Experimenten auf der Erde abgeleitet, gelten auch im Kosmos.

• Interpretation der Strahlung

• Ableitung der Dynamik (Massen, T, n, v)

Die astronomische Theorie

• Annahme: Naturgesetze aus Experimenten auf der Erde abgeleitet, gelten auch im Kosmos.

• Hypothesenbildung

• Vorhersagen:

Pauli & Heisenberg-Prinzip führten zur Vorhersage der Weißen Zwerge & Neutronensterne

• Kernphysik führte zur stellaren Nukleosynthese und zum Urknall-Modell

• Allgemeine Relativitätstheorie führte zur Vorhersage der Schwarzen Löcher und der Expansion des Universums

Die größte Geschichte aller Zeiten …

Kosmologie ist Innenarchitektur des Kosmos – kein Davor und Außerhalb

Die Naturgesetze gelten überall im Universum!

Fluktuationsgenerator

Fluktuationsverstärker

Kurze Geschichte

des Universums

Die größte Geschichte aller Zeiten …

Selbstentfaltung der Materie !

Vom Einfachen zum Komplexen – vom Urknall zum Gehirn !

Die Entwicklung

des Systems Erde

Die Entwicklung

des Systems Erde

43

Woraus besteht unsere Welt? Vom Kleinsten bis zum Grössten

10 -34

10 -30

10 -26

10 -22

10 -18

10 -14

10 -10

10 -6

1m 106

1010

1014

1018

1022

1026

Earth radius Earth to Sun

Galaxies

ObservablesInstruments

Proton Nuclei

Microscope

Telescope

Radio Telescope

Virus Cell

Atom

SUSY particle? Higgs? Z/W

(range of weak force)

(range of nuclear force)

(Particle beams)

Electron Microscope

Radius of observable Universe

LHC LEP

tAccelerators

Messinstrument Objekt

Teilchen-beschleuniger

LEP - LHC

Elektronen-

mikroskop

Lichtmikroskop

Teleskop

Radio

Teleskop

Grösse des

Universums

Galaxien

Entfernung

Erde-Sonne

Virus

Zelle

ProtonAtomkern

Atom

SUSY Teilchen?

Higgs?

Z/W

46 Größenordnungen !

Vom Helium zum Higgs-Feld

1028m10-18 m

45

Urknall im Labor

Die Detektoren messen:Energie, Flugrichtung und Teilchentyp der Spuren.

Mit diesen Messwerten können die physikalischen Theorien der Teilchenphysik überprüft werden.

Zusammenhang Kosmologie - Teilchenphysik

frühes Universum: Temperatur 1015 K

Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV

alle Teilchen

kollidieren unkontrolliert

gezielte, kontrollierte

einzelne Kollisionen

und deren Aufzeichnung

Teilchenbeschleuniger:

Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV

47

Alter Temperatur Energie Größe

10-43

s 1032

K 1019

GeV Nadelspitze

10-36

s 1028

K 1015

GeV Tennisball

10-24

s 1022

K 109

GeV 50 km

10-14

s 1017

K 10000 GeV wie Sonne

10-10

s 1015

K 100 GeV

10-6

s 1013

K 1 GeV wie Sonnen

-system

1s 1010

K 0.001 GeV 1 Lichtjahr

1 min 109

K 0.0001 GeV 50 Lichtjahre

1 Jahr 106

K 0.0000001 GeV wie Milch-

straße

100.000 Jahre 10.000 K 1 eV 1 Million

Lichtjahre

heute 3 K 10-4

eV 10 Milliarden

Lichtjahre

Mit dem LHC zurück zum Urknall

• Heißes Universum <-> typische TeilchenenergieSonne: T = 107 K <-> E = 10-6 GeV LHC : T > 1016K <-> E > 10 3 GeV (>109 mal höher!)

– Die „Ursuppe“: Nachstellen im TeilchenensembleALICE: Pb+Pb Quark-Gluon „Plasma“?

– Die „Petersilie“: Nachstellen in EinzelprozessenATLAS, CMS, LHCb: p+p b, t, W, Higgs? SUSY?

gemessene

Einzelprozesse

Theorien

LHC

(p+p)LHC

Pb+Pb

48

Vom Urknall bis .....

49

Die 4 Ecksteine der Kosmologie

• Expansion des Universums• Universum begann mit einem BIG BANG, vor ca. 13.7 Milliarden Jahren• Das Universum expandiert• Das Universum ist auf großen Längen isotrop und homogen

• Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB)• Die CMB ist der Überrest des heißen Urknalls• Die letzte Streufläche stellt die letzte WW von Strahlung und Materie dar• Die Strahlungstemperatur des CMB entwickelte sich von 3000K nach 2.7K

• Nukleosynthese der leichten Elemente• Kernbausteine verschmelzen in den ersten drei Minuten zu den leichten Kernen Wasserstoff und Helium• Das Urknall-Modell sagt korrekt das Verhältnis von Wasserstoff zu Helium voraus: ~25%

•Entstehung von Galaxien und Galaxienhaufen• Strukturentstehung beginnt nach der Entkopplung von Materie und Strahlung • Das Urknall-Modell stellt den Rahmen dar, in dem sich die Strukturentstehung verstehen lässt

50

Die Planckwelt und die anfängliche

SingularitätAm Anfang……Planck Ära = 0 - 10-43 s nach dem Urknall

Zeit läuft rückwärts

t 0

R 0

T

Anfangssingularität – Der Anfang

• t<10-43s bekannt als die Planckära• Quanteneffekte werden wichtig• Einstein’s Theorie der Gravitation bricht

zusammen

Planckzeit wird über die Unbestimmtheitsrelation definiert:

Et m pc2t p p (ct p )

3c2t p

c5t p4

Gt p2

Mit der Planckzeit tp

• Planck Länge lp ctp

• Planck Dichte p 1/Gtp2

• Planck Masse mp p lp3

t p G

c5

1/ 2

1043s lp

G

c3

1/ 2

1.7x1035m p

c5

G210

96kgm

3

m p c

G

1/ 2

2.5x108kg EP m pc

2

c5

G

1/ 2

1019GeV TP

EP

kB

c5

kB2G

1/ 2

1032K

51

Die Geschichte des Universumst=0T=∞

Atoms

Mat

ter

Clu

mpi

ngHe

m-m+

q-

q+W±

Zo?

InitialSingularity

1010yrs2.73K

109yrs30K

107yrs300K

3x105yrs3000K

3mins109K

4s5x109K

1s109K

0.01s1011K

10-4s1012K

10-6s1013K

10-12s1015K

10-35s1027K

10-43s1031K

Die rationale Physik

sieht nur die Oberfläche

der Wirklichkeit.

Carl Friedrich von Weizsäcker: Die Physik

erklärt nicht

die Geheimnisse der Natur,

sie führt sie auf

tiefer liegende Geheimnisse zurück.