P 48: Probleme der klassischen Physik

 Teil 3: Probleme der klassischen Physik und ihre Lösungen

6. Überblick  

6.1 Vor 140 Jahren

Zur Zeit gibt es auch viele ungelöste Probleme der Physik, manche sind wohl grundlegend, bei manchen handelt es sich eher um Details.

Einige Detailprobleme von heute:

- Wie funktionieren Supraleiter?

- Wie sieht die Langzeitentwicklung chaotischer Systeme aus?

- Warum ergeben unterschiedliche Messmethoden für die Expansionsrate des Kosmos (Hubble-Zahl) verschiedene Werte?

Nun die grundlegenden Probleme:

- Was ist die Dunkle Energie, die wir brauchen um die Expansion des Kosmos zu verstehen?

- Was ist die Dunkle Materie, die wir brauchen um die Strukturbildung im Kosmos und die Gravitationswirkung von Galaxien zu verstehen?

- Wie funktioniert die Inflation des Universums beim Urknall und wie endet sie?

-Warum gibt es Materie, obwohl doch Materie und Antimaterie vollkommen symmetrisch aufzutreten scheinen?

- Wie groß ist die Energiedichte des Vakuums? Die Diskrepanz zwischen Messung und Theorie liegt bei 10^50 (in Worten: Faktor 10 hoch 50, mehrt geht nicht...). 

Vor 140 Jahren war das so:

 Detailprobleme:

- Wie sieht eine Formel aus, die die Planckschen Kurven beschreibt?

Grundlegende Probleme:

- Was ist der Äther?

- Gibt es Atome wirklich?

Die Lösung des ersten grundlegenden Problems haben wir kennen gelernt...es gibt keinen Äther...und daraus entstand 1905 Einsteins Relativitätstheorie.

Und dass es Atome wirklich gibt, hat 1905 ebenfalls Einstein durch Analyse der sog. Brownschen Bewegung von Blütenstaub gezeigt.

In der Tat war man der Meinung mehr grundlegende Probleme gibt es nicht.  Planck wurde sogar deshalb abgeraten, Physik zu studieren...bringt ja nix....

Er ignorierte diesen Rat   und machte sich daran, das Detailproblem der Formelsuche zu lösen...

und entdeckte dabei erst, dass ein grundlegendes Problem dahinter versteckt ist.

6.2 Die Probleme der klassischen Physik

Heute verstehen wir unter klassischer Physik alles, bei dem keine Quanten gebraucht werden. Also zählt die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie auch zur klassischen Physik. 

Zwischen 1880 und 1930 tauchten aber immer mehr Experimente auf, die man im Rahmen der klassischen Physik nicht gut oder gar nicht deuten konnte. Oft war das nicht bewusst und man empfand es nicht als ein grundlegendes Problem.

Ich will sie hier einmal aufzählen. Dadurch entsteht eine Roadmap für unser weiteres Vorgehen:

Problem 1: Energieverteilung in den Spektren

Messtechnisch war alles klar...mit Gitter  und Prismen konnte man von allem, was leuchtet, Spektren herstellen und die Intensitätsverteilung registrieren. Kirchoff, Wien sowie Stefan und Boltzmann hatten empirisch auch alle notwendigen Formeln aufstellen können, so dass man auch gut rechnen konnte.

Habt ihr ja mit der Solarkonstante auch schon gemacht....

Aber es fehlte eine umfassende Formel, die den Kurvenverlauf der Planckschen Kurven wiedergibt.

Jeder Versuch eine Formel herzuleiten scheiterte..

Berühmt geworden ist die UV - Katastrophe:

Es gelang sehr gut eine Formel (Formel von Rayleigh-Jeans) für die langen Wellenlängen zu finden. Diese Formel aber ergab unendlich hohe Intensität für kurzwelliges Licht...katastrophal.

 

Problem 2: Warum gibt es Spektrallinien?

Atome emittieren oder absorbieren nur bei bestimmten Wellenlängen. Man konnte mit dieser Erkenntnis sogar schon Spektralanalyse betreiben...

Aber warum Atome nur bestimme Wellenlängen verarbeiten können, blieb komplett offen.

TU Berlin

 

Problem 3: Beugung von Elektronenstrahlen

Ein Elektronenstrahl, der durch einen Kristall geht, zeigt ein Muster, das dem Beugungsmuster einer Lichtwelle bei einem Gitter gleicht. Mit Streuungen und Kräften kann man das nicht erklären...., hat man aber versucht...

Problem 4: Wieso kann Licht Strom erzeugen, es ist doch ungeladen?

Experimentell war der Photoeffekt, wie man das heute nennt, von Lenard schon 1888 untersucht. Verstanden hat das niemand...bis Einstein 1905 kam...

Und die Solarzellenindustrie heute ist ihm dankbar...

Photovoltaik.org

 

Hinter diesen Problemen versteckt sich eine bis dahin vollkommen unbekannte Form der Realität, die Quantenwelt!

Uns wird es gehen wie Alice im Wunderland, wenn sie durch den Spiegel in eine seltsame Welt geht.

Folgen wir ihr und lernen wir Zwiddeldum und Zwiddelei kenne, Katzen, die sowohl tot als auch lebendig sind, lassen wir uns teleportieren und besuchen wir verschränkte Orte.

Und wer weiß...vielleicht wartet hinter den modernen Problemen der Physik, Dunkle Materie und Dunkle Energie, auf euch auch bald eine neue Welt?

Vielleicht die Grinsekatze und der Märzhase? 

Es wird eure Generation sein, die das herausfinden wird.

Disney Enterprises