Zufall: Physik

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Zufallsmuster von Licht und Wellen

Zufall in der Physik[Bearbeiten]

Weißes Rauschen

Zitate[Bearbeiten]

Der Zufall in der Quantentheorie beruht, anders als der Zufall im Alltagsleben, nicht auf einer verborgenen kausalen Vorgeschichte, sondern auf deren Fehlen: Es ist ein primärer, ein ontischer Zufall. Helmut Fink (Nürnberg), Die Quantentheorie und der liebe Gott, Aufklärung und Kritik 3/2010, Schwerpunkt Atheismus, Institut für Theoretische Physik I Universität Erlangen-Nürnberg Staudtstraße 7 D-91058 Erlangen

Stichworte[Bearbeiten]

  • radioaktiver Zerfall
  • Brownsche Molekularbewegung
  • Fehlerrechnung
  • Verschränkung in der Quantenoptik
  • Unschärferelation
  • Thermodynamik
  • weißes Rauschen
  • Materie - Antimaterie
  • Diffusion
Wasserstrudel
  • die Drehrichtung des Wassers beim Abfließen aus einer Badewanne ist zufällig
    • teilweise ist sie von der Form der Badewanne oder den vorangegangenen Wasserbewegungen beeinflußt.
  • zufällige wissenschaftliche Entdeckungen
    • Entdeckung der Röntgenstrahlung durch C.Röntgen

Einleitung[Bearbeiten]

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 Variationen des Ergebnisses auftreten, weil der Beobachter das System nicht genau genug kontrolliert oder beobachtet 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.

Ereignisse laufen in der Physik immer nur dann ohne Zufall und genau berechenbar ab, wenn dabei große Mengen von Atomen beteiligt sind. All diese Atome sind miteinander verbunden und gleichgeschaltet. Die zugrunde liegenden physikalischen Gesetze kann man durch Messungen logisch und sicher überprüfen. So ergibt sich ein statistisch stabiles vorausberechenbares Verhalten. Die kleinsten Teile der Materie, die Elementarteilchen, sowie die Atome und Moleküle sind viel schlechter berechenbar. Der Zufall und die Wahrscheinlichkeitsrechnung sind in dieser Dimension allgegenwärtig.

Radioaktiver Zerfall[Bearbeiten]

Siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Radioaktivität

Ein gutes Beispiel für echten Zufall in der Physik 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 prominenter 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!.

Halbwertszeit beim radioaktiven Zerfall

Subjektiver und objektiver Zufall[Bearbeiten]

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 Zürcher Zeitung 30.6.1999

Laplacescher Dämon[Bearbeiten]

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.

 Unschärferelation (Physik)[Bearbeiten]

Die Heisenbergsche Unschärferelation erklärt, warum man Ort und Impuls eines mikroskopisch kleinen Teilchens nicht gleichzeitig genau messen kann. Je genauer man den Ort eines Teilchens in der quantenmechanischen Beschreibung festlegen will, umso größer wird die Unschärfe des Impulses – und umgekehrt.

Die Entropie und der Zufall in der Physik[Bearbeiten]

siehe Entropie

Zufall in der Chemie[Bearbeiten]

Amorpher verglaster Sand, durch Blitzschlag entstanden

Zufall in der Astronomie[Bearbeiten]

Sonne und Mond erscheinen gleich groß

Sonne und Mond gleichgroß[Bearbeiten]

Es ist Zufall, daß die Sonne und der Mond von der Erde aus betrachtet ziemlich gleich groß erscheinen und sich so bei Sonnen- oder Mondfinsternis gegenseitig überdecken.

The Hidden Side of the Moon[Bearbeiten]

Der Mond zeigt uns immer dieselbe Seite. Die dunkle Seite sieht man nur mit einem Satelliten.

Ist es Zufall, dass der  Mond der Erde immer diesselbe Seite zeigt ? Wahrscheinlich nein, anfangs drehte es sich noch unabhängig von der Erde, durch Gezeitenwechselwirkungen wurde er wahrscheinlich auf die heutige Konstellation eingebremst. Die Bezeichnung Dark Side of the Moon ist falsch, denn sie ist nicht dunkel, sondern nur von der Erde aus verborgen. Von der Sonne aus wird sie beleuchtet.

Zwerggalaxien nicht zufällig verteilt[Bearbeiten]

Andromeda Galaxie

Bislang war unklar wie Zwerggalaxien um größere Sternsysteme kreisen . Aus Computersimulation ergab sich immer eine zufällige Verteilung. Diese Ansicht wurde jetzt mit einer Studie über die Andromeda Galaxie widerlegt.

Siehe http://www.spiegel.de/wissenschaft/weltall/neil-ibata-15-jaehriger-an-nature-studie-ueber-galaxien-beteiligt-a-876096.html


 Meteoriten[Bearbeiten]

Meteoriten haben eine definierte und vorausberechenbare Flugbahn. Trotzdem ist es mehr oder minder Zufall, ob sie die Erde treffen und welchen Schaden sie anrichten. Es gibt begründete Vermutungen, das ein Meteoriteneinschlag zum Aussterben der Dinos geführt und damit die Evolution des Lebens entscheidend beeinflusst hat. Ohne diesen Meteorit gäbe es die Menschheit nicht.

Links[Bearbeiten]

Simulation der Brownschen Bewegung