Der Paradigmenwechsel von der klassischen Physik zur Quantenphysik

 Südtiroler Volksuniversität                                                                                                                                   15/9/2024 --- 1 / Vol. XVI / 2024

Der Paradigmenwechsel von der klassischen Physik zur Quantenphysik

David Tomasi[1]

Vorwort

Das Studium der Natur ist das Studium der Physik. Oder nicht? Aus rein etymologischer Sicht weist die Physik genau darauf hin, nämlich physica oder τὰ φυσικά, abgeleitet von φύσις. Offensichtlich lässt diese Definition Raum für weitere Fragen, zunächst einmal, ob wir mit "natürlichen Dingen" eine Res, die völlig “verwurzelt” ist (im weiteren Sinne, aber wir könnten auch im strengen physikalischen Sinne sagen), in der materiellen, empirischen, beobachtbaren Welt verwurzelt ist, oder ob es notwendig ist, andere Phänomene (oder vielleicht sogar Noomena) aus anderen Systemen einzubeziehen. Außerdem, wenn wir uns darauf einigen, nur materiell-empirische Phänomene basieren vgh. studieren, bedeutet das Studium der Physik immer noch, etwas zu untersuchen, das nicht unbedingt statisch, sondern in Bewegung ist, wir könnten sogar sagen "im ständigen Bewegen" (im adverbialen Sinne, also nicht unbedingt "in ständiger Bewegung").      

Dies liegt daran, dass φύσις von einer Reihe von Termen abgeleitet ist, die Bewegung, Wachstum und Entwicklung angeben, seit dem (rekonstruierten) präindogermanischen *bheue-. Ein Konzept, das dem der Natur ähnelt und offensichtlich mit dem Perfektpartizip ge/bor(e)n oder gebähren assoziiert ist . Daher stehen wir vor dem Problem, die  (eine) Art der Konzeptualisierung zu wählen, die der Beobachtung der natürlichen Welt zugrunde liegt. Aus dieser Art der Wahl leitet sich die Art der Paradigmen ab, die in der Naturforschung verwendet werden, und damit auch die Art der Physik, die wir verwenden werden.

Analyse

Im modernen Sinne des Wortes bezeichnet Physik den Wissenschaftszweig, dessen Hauptobjekte Materie und Energie sind. Wir sehen daher, dass das wahre Konzept der physischen Natur weit über das hinausgeht, was wir mit unseren Sinnen wahrnehmen können. Offensichtlich sind diese Konzepte keine modernen Konzepte, insbesondere wenn man die enge Verbindung zwischen der materiellen Welt und der immateriellen Welt (wir könnten sie in einem sehr breiten Sinne "spirituell" nennen) der antiken Welt berücksichtigen. Das bedeutet, dass in der Antike viel Aufmerksamkeit auf beobachtbare Phänomene gerichtet wurde, aber innerhalb einer Struktur, sowohl im Sinne von Raum als auch Zeit, die wiederum beobachtet, analysiert und im Sinne mathematischer Vorhersage verwendet werden konnte, zum Beispiel im Kontext von "natürlichen Zyklen" wie der Beobachtung von Sonne oder Mond. Wenn zeitgenössische historisch-anthropologische Theorien richtig sind, könnten wir daher vermuten, dass die anthropische Bewegung vom afrikanischen Kontinent in den Rest der Welt von einer kulturellen und wissenschaftlichen Entwicklung bei der Beobachtung und Untersuchung der physischen Welt begleitet wurde. Mit anderen Worten: Die Beiträge mehrerer Kulturen und Gesellschaften zur Erforschung natürlicher Phänomene haben es der Physik ermöglicht, sich bis heute weiterzuentwickeln. Und doch ist es erst im griechisch-antiken Europa und dann in der griechisch-römischen Welt, dass die wissenschaftliche Studie, die auf dem, was heute als "wissenschaftliche Methode" basiert, ihre Entstehung fand. In diesem Sinne können wir den Paradigmenwechsel von Beobachtungsweisen verstehen, die wir (zum Beispiel) als "präsokratisch", "prä-aristotelisch" oder sogar "prä-hermetisch" (um an die mythisch-mythologische Dimension von Figuren wie Hermes Trismegistus zu erinnern) zu neueren Formen zu definieren, beginnend mit der hellenistischen Welt. Zum Beispiel muss die Physik im aristotelischen Sinne des Wortes die Eigenschaften oder Essenzen (d. h. Erde, Wasser, Luft, Feuer) der "sublunaren" natürlichen Welt untersuchen, im Gegensatz zur "himmlischen". In diesem Sinne untersucht die Physik die Natur jeder bestehenden Bewegung (was dann "Sein" oder "Wesentlich" bedeutet, entgegen postmodernen Dogmen) anhand von vier grundlegenden Ursachen: formal, materiell, effizient und endgültig. Ein ähnliches Paradigma (siehe die Theorie der vier Korpersäfte/Humoren) findet sich in der griechisch-römischen, persischen, arabischen, indischen und sogar sino-tibetischen Medizin von Hippokrates bis Galen, von Avicenna bis Vagbhata und so weiter. In der hellenistischen Welt wurden daher Mechanik, Hydrostatik, Optik und Pneumatik untersucht. Auf Grundlage dieser Studien und der theoretischen Konstruktionen, die sie ermöglichten, lassen sich die Beiträge von Persönlichkeiten wie (in keiner bestimmten Reihenfolge) Thales von Milet, Eudoxos von Knidos, Ptolemäus, Zeno, Straton von Lampsakos, Demokrit, Empedokles, Reiher, Leukippos und Parmenides bis hin zu den spätmittelalterlichen oder Renaissanceentwicklungen mit Leonardo, Cusanus, Rizzoli und Grimaldi, Torricelli und Pascal zur wissenschaftlichen Revolution interpretieren (die,  genau im Zusammenhang mit dem Begriff Revolution, den manche als "wissenschaftlich" bezeichnen, in Erwartung der französischen, italienischen und britischen Aufklärung) in Italien, Polen, Deutschland und Holland über Galileo, Kopernikus, Kepler, Leibniz und Brahe, bis sie mit Newton an englischer Küste landeten, der auch die spätere Entstehung alternativer Modelle beeinflusste, wie von Goethes Physik, aber auch Debatten und/oder Modelle wie die Galvani-Volta und viele der späteren Entwicklungen,  zum Beispiel die Studien von Fermi, Meucci und Marconi. Zum Beispiel können wir uns erinnern:

φ = χ + ψ

bekannt als das "Galvani-Potential" (d. h. Oberflächenpotential χ und Volta-Potential ψ) und die folgenden Formeln:

und

für das elektrochemische Potential, oder Newtons Konzept und Gravitationsgleichung, gehören zu den bekanntesten seiner Beiträge:

F = G m1 m² / r²

wobei F die Kraft ist, m1 und m² die Massen der beiden Körper, r der Abstand zwischen ihren jeweiligen Mittelpunkten und G die universelle Gravitationskonstante. Sicherlich hat die Physik bis heute "riesige Fortschritte" gemacht, aber es ist offensichtlich, dass "riesige Schritte" mit "enormen Ungleichgewichten" übereinstimmen können. Mit anderen Worten: Sobald die Festigkeit (oder "Starrheit", wie man sagen kann) eines vollständigen theoretischen Systems wie der newtonschen Physik festgestellt ist, sind die Methode, die theoretische Struktur und die durch diese Theorie erlaubten Prozesse relativ klar. Wenn das System selbst jedoch infrage gestellt wird (zunächst theoretisch und in folgenden Schritten auch empirisch), können all diese Prämissen zu wanken beginnen. Zum Beispiel hätten wir keine allzu großen Schwierigkeiten, die Perspektiven von Charles, Gay-Lussac und Boyle innerhalb des oben genannten Systems zu verstehen. Tatsächlich könnten wir laut einigen Theoretikern "klassische" Physik all jene Studienapparate nennen, die vom achtzehnten bis zum neunzehnten Jahrhundert und in mancher Hinsicht bis zu bestimmten Aspekten des zwanzigsten Jahrhunderts reicht. Letztere Perspektive erscheint ziemlich riskant, besonders "im Licht", also der Vielfalt der Modelle der Wellenphysik sowie des Schalls bis hin zum Elektromagnetismus. In diesem Sinne rahmen wir die Arbeit von Lagrange und Laplace, von Young und Fresnel, von Fahrenheit, Thompson, Fourier und Faraday sowie von Carnot, Joule, Kelvin und Maxwell bis hin zu Hertz und Roentgen ein. Und doch wäre es unmöglich, eine enorme Veränderung der Haltung, streng mathematische Perspektiven (die wiederum starke Einflüsse auf statistische Mechanik und Mikrophysik hatten) und ein "Paradigm" bereits am Ende des neunzehnten Jahrhunderts zu bemerken, in dem Boltzmann, Curie, Becquerel, Rutherford, Thomson und Dalton enorme Beiträge zur modernen und zeitgenössischen Physik leisteten, mit Köpfen wie Schrödinger und Heisenberg (die allein als absolute Pioniere der "neuen Art des Verstehens" zählen,  Physik studieren und anwenden"), aber auch Fermi, Bohr, Planck, Einstein, Oppenheimer, Dirac. Und von hier aus ist "der Himmel die Grenze", wie US-Wissenschaftler sagen würden, also die Übersetzung zur Quantenphysik, bereits in Theorie und Praxis stattgefunden. In diesem Sinne ist die folgende Schrödinger-Gleichung, auf die Gefahr hin, zu oberflächlich zu wirken, vielleicht die bekannteste von allen:

Natürlich ist das Konzept, dass die Form der Gleichung selbst von der physikalischen Situation innerhalb des Systems abhängt, die sich im Laufe der Zeit entwickelt, sehr wichtig. Von den Wendungen der Quantenfeldtheorie über die Entwicklungen der Skalentheorien (ein weiteres Imprint-Konzept seit der Zeit der Notwendigkeit, stabile Skalen und Messungen in der Aufklärung zu finden), bis hin zu den Konstrukten zur elektroschwachen Kraft und der Festkörperphysik, bis hin zur Theorie des Chaos und der Komplexität – Paradigmenwechsel bleiben vielfältig, komplex und kompliziert und werfen nicht nur neues Licht auf Physik und Mathematik im strengen Sinne.  aber sie eröffnen auch neue Perspektiven auf andere Forschungsbereiche, wie zum Beispiel die Debatte über Vererbung und Umwelt (Natur und Erziehung / Zucht), Geist und Gehirn, freien Willen und Psychologie, zum Beispiel das Konzept der φ nach Tononi und die damit verbundenen Theorien, wie die Integrierte Informationstheorie, mit der Koch, Tegmark, Seth und Chalmers verbunden sind,  oder die Orch-OR-Theorie von Penrose und Lucas (und Hameroff im Zusammenhang mit Mikrotubuli), bis hin zur Forschung von Beauregard

Zitat: Tomasi, D. (2024).  Der Paradigmenwechsel von der klassischen Physik zur Quantenphysik. Laag-Deutschmetz, ST, I: Südtiroler Volksuniversität

Bibliografie:

Segrè, E. From Falling Bodies to Radio Waves: Classical Physicists and Their Discoveries. New

York: W. H. Freeman, 1984

Heilbron, J. L. The Oxford Guide to the History of Physics and Astronomy. Oxford University

Press, 2005

Penrose, R. "On the Gravitization of Quantum Mechanics 1: Quantum State Reduction".

Foundations of Physics. 44 (5): 557–575, 2014

Tononi, G. Phi: A Voyage from the Brain to the Soul. Pantheon/Random House, 2012

Tomasi, D. Critical Neuroscience and Philosophy. A Scientific Re-Examination of the Mind-Body

Problem. Palgrave Macmillan, 2020.

Feynman, R., Leighton, R. e Sands, M. The Feynman Lectures on Physics, boxed set: The New

Millennium Edition. Basic Books, 2011

[1] Vermont Academy of Arts & Sciences / Vermont State Colleges / Community College of Vermont