Zufall: Physik
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Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Zufall in der Physik
[Bearbeiten] Stichworte
- radioaktiver Zerfall
- Brownsche Molekularbewegung
- Fehlerrechnung
- Verschränkung in der Quantenoptik
- Unschärferelation
- Thermodynamik
- weißes Rauschen
- Materie - Antimaterie
[Bearbeiten] Einleitung
Die Naturwissenschaften versuchen herauszufinden, ob unsere Welt im innersten deterministisch oder zufällig ist. Man will wissen, ob ein Ereignis zufällig ist, weil der Beobachter nicht genügend Daten hatte, um eine exakte Vorhersage zu machen, oder ob das beobachtete System in sich zufällig ist. Beide Arten von Systemen lassen sich mathematisch modellieren.
Die erste Art von Systemen sind solche, in denen angenommen wird, dass das Ergebnis eines Experiments bei festen Bedingungen immer gleich sein muss, und dass die auftretenden Variationen des Ergebnisses auftreten, weil der Beobachter das System nicht genau genug kontrolliert hat. Solche Systeme werden als deterministisch angesehen.
Es ist heute bekannt, dass (theoretisch exakt) deterministische Systeme unvorhersagbares Verhalten zeigen können. Solche Systeme werden in der Chaostheorie untersucht.
Die Quantenphysik hat eine neue Diskussion darüber ausgelöst, ob die Welt fundamental deterministischen oder fundamental zufälligen Prinzipien gehorcht. Die akzeptierte Interpretation der Quantentheorie sagt, dass identische Experimente unterschiedliche Ergebnisse haben können.
[Bearbeiten] Radioaktiver Zerfall
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Siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Radioaktivität
Das beste Beispiel hierfür ist der radioaktive Zerfall. Es ist keine Möglichkeit bekannt, den Zerfallszeitpunkt eines instabilen Atomkernes vorherzusagen. Über eine große Anzahl von Atomkernen dagegen lassen sich statistische Vorhersagen treffen.
Es gibt Wissenschaftler, die Alternativen (etwa verborgene Variablen) vorschlagen, um doch noch eine deterministische Welt zu beschreiben.
Daneben gibt es die Möglichkeit, aus mikroskopischen Theorien, die zufällig erscheinen, makroskopische Theorien aufzubauen, die (quasi)deterministisch sind.
Ein promineneter Physiker, der sich immer gegen den Einfluss des Zufalls in der Physik gewehrt hat, war Albert Einstein. Von ihm stammt der Satz: Gott würfelt nicht!.
[Bearbeiten] subjektiver und objektiver Zufall
Zitat: Einstein ... wollte ... nicht akzeptieren, dass das quantenmechanische Einzelereignis rein zufällig ist. Er hat dies in dem berühmten Satz: «Gott würfelt nicht!» ausgedrückt. Der quantenmechanische Zufall ist von anderer Natur als der Zufall im täglichen Leben. Wenn wir einen Würfel zur Hand nehmen, so wird die erhaltene Zahlenfolge rein zufällig sein, wenn wir fair würfeln. Wir erhalten die 1 im Durchschnitt gleich oft wie die 6 und wissen im Vorhinein bei einem Wurf nicht, was die nächste Zahl sein wird. Wir können uns aber vorstellen, dass es im Prinzip für jeden einzelnen Wurf eine genaue Erklärung gäbe, wenn wir nur alle Details genau genug kennen würden, wenn wir also wüssten, in welcher Weise sich die Hand beim Wurf bewegt, wie groß der Luftwiderstand für den Würfel ist oder wie die Oberfläche des Tisches genau beschaffen ist. In der Praxis gelingt eine solche Vorhersage jedoch nicht, da wir im Allgemeinen nicht alle das Experiment beeinflussenden Parameter genau genug kennen. Man spricht hier von einem subjektiven Zufall, da es nur subjektiv unbekannt ist, was genau abläuft. Objektiv gesehen gibt es jedoch für das Ergebnis eines jeden Wurfes einen Grund, auch wenn wir diesen nicht kennen. Anders in der Quantenphysik. Stellen wir uns etwa ein einziges radioaktives Atom vor. Von diesem Atom wissen wir, dass es irgendwann zerfallen wird, und wir können die Wahrscheinlichkeit angeben, mit der es beispielsweise innerhalb der nächsten zehn Minuten zerfällt. Der konkrete Zerfall wird jedoch zu einem bestimmten Zeitpunkt auftreten, und wir haben keinerlei Möglichkeit, diesen Zerfall vorauszusagen. Die Quantenphysik sagt, dass es für den Zeitpunkt des einzelnen Zerfalls keinerlei Grund gibt, nicht einmal einen verborgenen. Man spricht hier von objektivem Zufall. Der Zufall tritt nicht nur deshalb auf, weil wir nicht genug wissen, sondern weil kein objektiver Grund vorhanden ist. Dieser objektive Zufall ist wahrscheinlich eine der profundesten Entdeckungen der Naturwissenschaften in unserem Jahrhundert. Anton Zeilinger, Quantenphysiker, Neue Züricher Zeitung 30.6.1999
[Bearbeiten] Laplacescher Dämon
Der Laplacesche Dämon ist eine Metapher für das deterministische Weltbild, wie es zum Teil aus der Klassischen Mechanik abgeleitet wurde.
Pierre Simon Laplace beschreibt im Vorwort seines Essai philosophique sur les probabilités von 1814 ein intelligentes, rechnendes Wesen – der besagte Dämon – dem zu einem beliebigen Zeitpunkt alle im Kosmos wirkenden Kräfte sowie die Lage aller Teile zueinander (heute würde man sagen: deren Anfangszustand) bekannt sind. Dann wäre es nach den Gesetzen der Mechanik für diesen möglich, die Entwicklung des Weltalls sowohl in die Zukunft voraus – als auch in die Vergangenheit zurückzuberechnen.
In einer Welt, in der ein solches Wesen existieren kann, wäre weder Platz für das Wirken eines Gottes noch für menschliche Willensfreiheit, die Geschichte wäre vollständig determiniert und berechenbar.
Es ist dabei nebensächlich, ob ein solches Wesen tatsächlich existiert, oder je existieren wird, denn schon seine potentielle Existenz führt ja zu dem Schluss, das alles vorherbestimmt ist/war.
Was den Laplaceschen Dämon aber auch auf dieser Ebene unmöglich macht, ist die Tatsache, dass es nicht nur aus subjektivem, technischem Unvermögen heraus nicht möglich ist, unendlich genau zu messen, sondern auch ganz objektiv, also grundsätzlich, jedem und zu jeder Zeit. Dieses Phänomen beschreibt die Unschärferelation.
Es gibt also in der Welt der Quanten eine Unschärfe, Unbestimmtheit, also sozusagen ein absolutes Fehlen von Information. Weder das Teilchen selbst, noch Gott (oder der Laplacesche Dämon, oder ein anderes, über uns stehende Wesen) weiß (kann wissen), wie es um den Impuls eines Teilchens steht, wenn sein Ort bekannt ist, oder wie es um seinen Ort steht, wenn der Impuls bekannt ist. Der so entstehende absolute Zufall schließt einen Laplaceschen Dämon aus.
[Bearbeiten] Unschärferelation (Physik)
[Bearbeiten] Die Entropie als Maß für den Zufall in der Physik
siehe Entropie
[Bearbeiten] Links
Simulation der Brownschen Bewegung
