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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
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2
Quanten und Kosmos:Warum faszinieren sie?
1. Mensch und Kosmos
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3
Kreislauf der Natur
Menschlicher Lebenslauf
1. Mensch und Kosmos
Woher kommen wir? Wer sind wir? Wohin gehen wir? Paul Gauguin (1897)
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4
Astronomie:
Sonne, Mond, Planeten, Sterne→ Jahreslauf
Sirius-Aufgang ↔ Nilüberschwemmungen
Kalender:
Lauf der Gestirne ↔ menschliches Zeitmaß
1. Mensch und Kosmos
Kreislauf der Natur
Jahreszeiten und Kalender
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1. Mensch und Kosmos
Kreislauf der Natur
Ort des Menschen im Kosmos?
Woher kommen wir? Wer sind wir? Wohin gehen wir? Paul Gauguin (1897)
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6
Quanten und Kosmos:Warum faszinieren sie?
2. Weltbilder
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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
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8
Wandel des Weltbilds
Kopernikanische Revolution
Thomas Digges (1576):Unendliches Weltall
Nikolaus Kopernikus (1543):Heliozentrisches Weltbild
2. Weltbilder
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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
Wandel des Weltbilds
Kopernikanische Revolution
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Wandel des Weltbilds
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
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Mensch aus dem Zentrum gerückt:
„Kopernikanische Kränkung“Was bietet die
neuzeitliche Physik & Philosophie
anstelle des antiken Kosmos?
Wandel des Weltbilds
Neuzeitliche Weltdeutung?
Descartes (1644)
Astronomische Uhr
2. Weltbilder
…nur ein mechanistisches Weltbild?
(17./18.Jhdt.)
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2. Weltbilder
…oder Gott als Uhrmacher?
Rationalismus (17./18.Jhdt.):
Physikotheologie
Mechanischer Weltlauf
Die Welt als Uhr
Astronomische Uhr
Straßburger Münster
(16.-19.Jh.)
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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)
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Metaphysischer Trost über die
„Kopernikanische Kränkung“:Physikalische Naturgesetze
als Ausdruck & Garant der
göttlichen Weltordnung!?
Wandel des Weltbilds
Neuzeitliche Weltdeutung?
Mechanistisches Weltbild
Astronomische Uhr
2. Weltbilder
→ Hintergrundüberzeugung der Physiker von
Galilei und Newton bis Planck und Einstein!
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„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
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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
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Quanten und Kosmos:Warum faszinieren sie?
3. Mikrokosmos –Makrokosmos
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Woher kommen wir? Wer sind wir? Wohin gehen wir? Paul Gauguin (1897)
Kreislauf der Natur
Ort des Menschen im Kosmos?
3. Mikrokosmos – Makrokosmos
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3. Mikrokosmos – Makrokosmos
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
Ort des Menschen im Kosmos?
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3. Mikrokosmos – Makrokosmos
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
Ort des Menschen im Kosmos?
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3. Mikrokosmos – Makrokosmos
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.
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3. Mikrokosmos – Makrokosmos
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
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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
3. Mikrokosmos – Makrokosmos
→ Hintergrundüberzeugung der Physiker von Galilei und Newton bis Planck und Einstein!
ABER…ist die Natur wirklich so?
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Enttäuschte Erwartung
Mikrokosmos ≠ Makrokosmos
20. Jhdt.: Verlust der Einheit
MakrokosmosPhysikalische Kosmologie
↑???
↓Teilchenphysik
Mikrokosmos
Teilchenspuren in der Blasenkammer
Galaxis NGC 287
3. Mikrokosmos – Makrokosmos
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Fragmentierung
Mikrokosmos ←?→ Makrokosmos
Zwei disparate Theorien:
UrknallAllgemeine Relativitätstheorie
↑???
↓Quantentheorie
Elementarteilchen
Teilchenspuren in der Blasenkammer
Galaxis NGC 287
3. Mikrokosmos – Makrokosmos
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Quanten und Kosmos:Warum faszinieren sie?
3.1 Quanten
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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
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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
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29
Quantentheorie
Welle-Teilchen-Dualismus
3.1. Quanten
Beugung von Materie (Elektronen) und Licht (Röntgenstrahlen) an einem Kristall
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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
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31
Doppelspalt:
„einzelne“ Teilchen?
Nach klassischen
Vorstellungen ist
dies völlig paradox!
Der nicht-klassische Skiläufer
3.1. Quanten
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Quanten und Kosmos:Warum faszinieren sie?
3.2 Kosmos
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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)
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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
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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
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Urknall-Modell
Naturgeschichte
3.2 Kosmos
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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)
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Quanten und Kosmos:Warum faszinieren sie?
4. Faszinationen
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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
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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)
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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)
![Page 42: Quanten und Kosmos - thzbs.de](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022012614/619b16f4583c805ef1386e3d/html5/thumbnails/42.jpg)
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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 ?
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• 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
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• 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
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Milchstraße & NGC 2997, aus: www.ast.cam.ac.uk/AAO/images
4. Faszinationen
Die Physik lehrt:
Wir sind randständig
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1. Mensch und Kosmos
Woher kommen wir? Wer sind wir? Wohin gehen wir? Paul Gauguin (1897)
Die Philosophie lehrt:
Wir bleiben im Zentrum
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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
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„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