Metaphysik und Quantenphysik? Was ist das.

Was ist eigentlich Metaphysik und was Quantenphysik. 

Diese beiden Themen sind der Abschluss zur Reihe Esoterik, welche ich im Mai begonnen hatte. Ab Dezember widmen wir uns wieder neuen Themen hinter dem Tellerrand. Bleibt gespannt.  

Metaphysik

Metaphysik ist eine theoretische, philosophische Geisteswissenschaft, die Antworten auf übersinnliche oder übernatürliche Fragen sucht. 

Der eigentliche Entdecker und Gründer der Metaphysik ist der griechische Philosoph Aristoteles ( 4. Jahrhundert v. Chr.)Der Begriff „Metaphysik“ stammt nach heutiger Mehrheitsmeinung aus einem Werk des Aristoteles, das aus 14 Büchern allgemeinphilosophischen Inhalts bestand. Ein Anhänger von Aristoteles , es war Andronikos von Rhodos (1. Jahrhundert v. Chr.) ordnete in der ersten Aristotelesausgabe diese Bücher hinter dessen acht Bücher zur „Physik“ ein. 

Dadurch entstand die Bezeichnung „Metaphysik“, die also eigentlich bedeutet: „das, was hinter der Physik im Regal steht“ aber gleichzeitig didaktisch meint: „das, was den Ausführungen über die Natur folgt“ bzw. wissenschaftlich-systematisch bedeutet: „das, was nach der Physik kommt“. Welchen von beiden Gesichtspunkten man für ursprünglicher hält, ist unter Philosophiegeschichtlern umstritten. 

Die genaue damalige Bedeutung des Wortes ist unklar. Erstmalig belegt ist der Begriff bei Nikolaos von Damaskus (griech. Historiker, Gelehrter) . Aristoteles selber verwendete den Begriff nicht. 

Der Gegenstand der Metaphysik sind die Weltvorstellungen

Wie bzw. Denksysteme, die entweder versuchen, die wissenschaftlichen und Alltags-Bilder von der Welt oder dem Weltgeschehen verständlicher / verträglich  zu machen, oder aber ein bestimmtes Bild von der Welt als Wahres oder Anzunehmendes behaupten und verteidigen. Metaphysische Anstrengungen sind somit immer ein Reflex dessen, dass wir in unserer Weltsicht hin- und hergerissen sind.Ums nur aufs Wort an sich zu begrenzen: man könnte also sagen; Meta -> weiter, übergeordnet, dahinter

Physik -> ist die Naturwissenschaft, welche die grundlegenden Gesetze der Natur, ihre elementaren Bausteine und deren Wechselwirkungen untersucht.

Also ist die Metaphysik die Wissenschaft die sich mit dem beschäftigt was sich nicht durch Physik erklären lässt.

Seit der Spätantike wird mit „Metaphysik“ auch eine eigenständige philosophische Disziplin benannt. In der Spätantike und vereinzelt im Frühmittelalter erhält die Metaphysik auch den Namen Epoptie (von griechisch schauen, erfassen).  Auf der anderen Seite wurde das Adjektiv „metaphysisch“ besonders seit dem 19. Jahrhundert aber auch in abwertender Weise im Sinne von „zweifelhaft spekulativ“, „unwissenschaftlich“, „sinnlos“, „totalitär“ oder „nicht-empirische Gedankenspielerei“ gebraucht.

Was macht man denn konkret mit dieser Metaphysik.

Das, was über unsere erfahrbare Wirklichkeit und unsere individuelle körperliche Existenz hinausgeht, beschäftigt die Metaphysik. Dabei geht es einerseits um die Ursprünge unseres Seins, die wir nur vermuten oder erschließen können – schließlich waren wir nicht dabei. Zum Beispiel bilden wir Theorien auf Grund von Indizien oder Naturerscheinungen, die wir für gesetzmäßig halten.  Denn auch aus wissenschaftlicher Sicht ist nichts wirklich wahr, wir nehmen die Wahrheiten an die derzeit bestehen.

Andererseits geht es der Metaphysik um Zukunftsvorstellungen und um Sinn, den wir in der beobachtbaren Wirklichkeit nicht vorfinden. So können wir hoffen, dass unser Leben nicht sinnlos ist und wir vielleicht selbst zur Sinnhaftigkeit unseres Daseins beitragen können. Doch dazu brauchen wir Zielvorstellungen, die unser Leben leiten. Für Emmanuel Kant sind dies zum Beispiel die Ideen von Gott, Freiheit und Unsterblichkeit (wir könnten auch noch Frieden und Gerechtigkeit ergänzen), die wir in unserer Wirklichkeit gar nicht oder nur unvollkommen vorfinden. Kant bezeichnet diese Ideen daher als „transzendente Ideale“: Sie sind Idealvorstellungen, die unsere Erfahrungswelt übersteigen, gleichwohl aber unserem Leben und Denken Sinn geben können.

Dann gibt es noch die Vorstellung vom Unbegreiflichem in der Metaphysik

„Transzendentalphilosophen“ und Religionsphilosophen fragen nach Ursprung und Ziel unserer Existenz: Woher? Wohin? Wozu? 

Diese Fragen bewegen vor allem in Grenzsituationen, etwa bei schwerer Krankheit, dem Verlust von Angehörigen oder Freunden. Warum ist das Leid in der Welt? 

Antworten auf diese „letzten Fragen“ können keine definitiven, objektiv prüfbaren Aussagen sein – sie sind eine Frage des Meinens oder Glaubens. Auch viele Philosophen haben ihre Vorstellungen dazu entwickelt und versucht, dieses Meinen und Glauben mit vernünftigem Denken untermauern, Gründe und Gegengründe zu finden, weshalb eine Position sinnvoll oder sinnarm ist. Für den deutschen Philosophen Georg Wilhelm Friedrich Hegel zum Beispiel entwickelt sich der menschliche Geist in dialektischer Gesetzmäßigkeit auf immer höheren Stufen hin zum absoluten Geist, dem Ziel der Geschichte. Die Suche nach ersten Gründen und Prinzipien hat das „spekulative Denken“ vieler Philosophen angeregt.

Aber auch die postmoderne Philosophie, die eine dogmatische Metaphysik wie die Hegels kritisiert, hat eine Vorstellung vom Unbegreiflichen, das alles Denken und Sprechen übersteigt und auf das alle unsere Begriffe immer nur verweisen können. Wir können uns diesen Unsagbaren in allen verschiedenen Sprachen aber nur auf unvollkommene Weise annähern. 

Denn alle unsere Namen dafür, die wir ja selbst erdacht haben, können diesen Urgrund für alles Denken und Sein nicht erfassen. Das zeigt, dass die Metaphysik bei aller Kritik eine Kerndisziplin philosophischen Denkens bleibt, auch und gerade angesichts neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse der Naturwissenschaften, die uns gerade nicht Antwort auf alle unsere Fragen geben.

Zusammenfassend kann man zur Metaphysik sagen: Wenn die Physik der Stamm der Wissenschaften ist, dann ist die Metaphysik das Wurzelsystem - so schlicht geht es manchmal selbst bei Heidegger zu. Und selbst seine Verächter müssen zugeben: Es lohnt, über diese Wurzeln nachzudenken. Schon Wittgenstein schrieb schließlich im Tractatus (ist: Logisch-philosophische Abhandlung) ist das erste Hauptwerk des österreichischen Philosophen Ludwig Wittgenstein (1889–1951): "Wir fühlen, dass selbst, wenn alle möglichen wissenschaftlichen Fragen beantwortet sind, unsere Lebensprobleme noch gar nicht berührt sind. Freilich bleibt dann eben keine Frage mehr; und eben dies ist die Antwort." Das sah Heidegger anders und präsentiert den Versuch des Schreibens über das Über-Naturwissenschaftliche: die Metaphysik.

Buchtipps dazu: Was ist Metaphysik von Martin Heidegger, Reclam Aristoteles: Metaphysik für kleines Geld von 10 Euro oder Grundlegung zur Metaphysik der Sitten von Immanuel Kant um sich weiter in das Thema einzulesen.

Kommen wir nun zur Quantenphysik

Die Quantenphysik beschäftigt sich mit den Eigenschaften subatomarer Teilchen (Elementarteilchen) und geht davon aus, dass Energie nicht kontinuierlich, sondern paketweise, also in Form von Quanten existiert. Bevor ich zur Quantenphysik selbst komme muss ich vorab sagen, dass es sinnvoll wäre falls Ihr keine Ahnung über Kernphysik habt sich die Homepage der Kernphysik durchzulesen, da Kernphysik für das Verständnis der Quantenphysik unerlässlich ist, obwohl die Sachen in der Quantenphysik anders dargestellt werden. Falls Ihr jedoch wisst wie ein Atom aufgebaut ist und was Elementarteilchen sind da ist es nicht notwendig sich die Homepage der Kernphysik durchzulesen. Noch etwas ist sehr wichtig und zwar müsst Ihr Euch von allen Ihnen bekannten und logischen Gesetzen der klassischen Physik lösen, denn in der Welt der Elementarteilchen herrschen Gesetze die für uns unvorstellbar sind. Nachdem Ihr Euch diese Seite durchgelesen habt werdet Ihr ein ganz anderes Weltbild vor Euch haben. Unter dem Begriff Quantenphysik werden all jene Theorien, Modelle und Konzepte zusammengefasst, die auf die Quantenhypothese von Max Planck zurückgehen. Außerdem versteht man darunter alle Phänomene und Effekte, die sich ohne diese Hypothese nicht befriedigend erklären lassen. Plancks Hypothese war um 1900 notwendig geworden, weil die klassische Physik z. B. bei der Beschreibung des Lichts oder des Aufbaus der Materie an ihre Grenzen gestoßen war.

Die Quantenphysik unterscheidet sich von der klassischen Physik vor allem in folgenden Punkten:

Die Quantenphysik stellt neben der Relativitätstheorie einen Grundpfeiler der modernen Physik dar und lässt sich heute aus kaum einem Teilbereich der Physik mehr wegdenken. Besonders deutlich zeigen sich die Unterschiede zwischen der Quantenphysik und der klassischen Physik im mikroskopisch Kleinen (z. B. Aufbau der Atome und Moleküle) oder in besonders „reinen“ Systemen (z. B. Supraleitung, Laserstrahlung, ...). Aber auch ganz alltägliche Dinge wie die chemischen oder physikalischen Eigenschaften verschiedener Stoffe (Farbe, Magnetismus, elektrische Leitfähigkeit, ...) lassen sich nur quantenphysikalisch verstehen.

Früher dachte man dass Licht aus Wellen besteht und z. B. Elektronen, Neutronen und Protonen Teilchen sind. Man hat jedoch festgestellt, dass Licht manchmal einen Wellencharakter und manchmal einen Teilchencharakter hat und das gilt auch für die anderen oben genannten Teilchen. Es gibt z. B. einen Versuch, den ich hier beschreiben möchte bei dem man den Teilchencharakter des Licht beobachten kann. Man nimmt beispielsweise eine Metallplatte. Wenn man diese z. B. mit Licht bestrahlt kann es passieren, dass bei einigen Atomen der Metallplatte ein Elektron die Atomhülle verlässt. Wenn wir jedoch den Fall annehmen, dass keine Elektronen die Atomhülle verlassen würde jeder klassische Physiker denken, dass die Intensität zu gering ist und entweder eine stärkere Lichtquelle nehmen würde oder die Lichtquelle der Metallplatte nähern würde. Jedoch ist es so, dass dies nicht hilft, denn Licht besteht aus Photonen und auch wenn man eine größere Intensität hat und somit mehr Photonen auf die Elktronen zuströmen, absorbiert jedes Elektron nur ein Photon. Das heißt, dass die Energie der Photonen dafür verantwortlich ist, ob ein Elektron die Atomhülle verlassen kann oder nicht. Die Elektronen werden nämlich vom positiv geladenen Atomkern festgehalten, so dass sie eine bestimmte Energie brauchen um den Elektronenverband verlassen zu können. Man muss also in einem solchen Fall Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge nehmen, damit sich Elektronen lösen können. Je kürzer die Wellenlänge ist desto größer ist die Energie wie auch die Frequenz. Welche Wellenlänge man nehmen muss hängt jedoch von den Atomen ab. Einfaches Licht wird normalerweise nicht genügen, so dass man auf ultraviolettes Licht zurückgreifen muss. Das ganze heißt Photoeffekt. Am besten kann man den Versuch mit einem elektroskop durchführen. Es gibt auch einen Versuch, der den Wellencharakter von Elektronen nachweist. Es ist der Doppelspaltversuch, jedoch werde ich ihn erst später beschreiben, weil er der zentrale Versuch der Quantenphysik ist und das was aus ihm hervorgeht wird wie versprochen Ihr bisheriges Weltbild gänzlich verändern.

Wenn man die genaue Position und die genaue Geschwindigkeit (Impuls) eines Teilchens messen will muss man dazu Licht beziehungsweise Strahlung mit einer anderen Wellenlänge benutzen. Je größer die Wellenlänge ist die man wählt desto ungenauer ist die Position, aber die Geschwindigkeit wird von der Messung selbst wenig beeinträchtigt. Wenn man nun jedoch Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge nimmt wird die Position genauer, die Geschwindigkeit wird von dieser Strahlung jedoch stark beeinflusst. Das heißt je genauer wir das eine messen wollen desto ungenauer wird das andere. Ich habe auch schon davon gesprochen, dass einige Sachen die in der Kernphysik mit einem einfachen Modell beschrieben werden sich in der Quantenphysik nicht so leicht beschreiben lassen. Und zwar geht es hierbei um das Bohrsche Atommodell. Es ist nicht wirklich so, dass die Elektronen schön geordnet den Atomkern umkreisen, sondern man sich vorstellen, dass sie sich auf bestimmten Energieniveaus befinden. Auch hier, und deshalb gehört es zu diesem Kapitel, lässt sich nicht genau sagen wo sich ein Elektron genau befindet. Wir begegnen also auch hier der Heisenbergschen Unschärferelation. Es gibt jedoch sogenannte Orbitale in denen es am wahrscheinlichsten ist, dass sich Elektronen ausfhalten, aber sicher ist es nicht. In der Quantenphysik rechnet man also mit Wahrscheinlichkeiten. 

Insbesondere gehören aber auch zwei Teilbereiche der theoretischen Physik zur Quantenphysik: Die Quantenmechanik und die Quantenfeldtheorie. Erstere beschreibt das Verhalten von Quantenobjekten unter dem Einfluss von Feldern. 

Letztere behandelt zusätzlich die Felder als Quantenobjekte. Die Vorhersagen beider Theorien stimmen außerordentlich gut mit den Ergebnissen von Experimenten überein. Ihre einzige bekannte Schwäche besteht darin, dass sie sich nach dem gegenwärtigen Stand des Wissens nicht mit der allgemeinen Relativitätstheorie vereinbaren lassen.

Kommen wir nun zum berühmten Doppelspaltversuch. Vielleicht seid Ihr von der Teilchen-Welle-Dualität fasziniert oder von der Heisenbergschen Unschärferelation, aber das was Ihr hier erfahren werdet wird das was Ihr bisher bisher erfahren habt in den Schatten stellen. Das Experiment fängt ganz einfach an. Man braucht erst einmal eine Lichtquelle, eine Trennwand mit zwei Löchern und einen Schirm.

Auf der einen Seite steht unsere Lichtquelle und auf der anderen der Schirm. Dazwischen befindet sich die Trennwand. Wenn wir nun Licht durch die Trennwand hindurchschicken sehen wir am Schirm ein Interferenzmuster.

Die Maxima liegen bei diesem Interferenzmuster nicht hinter den beiden Löchern, sondern es befindet sich ein Maximum zwischen den beiden Löchern, denn sonst wäre es kein Interferenzmuster. Rechts und links von diesem Maximum gibt es dunkle Flächen und wieder helle, die aber nicht so hell sind wie das Maximum in der Mitte. Danach folgen wieder zwei dunke Flächen usw.

Dieses Ergebnis verwundert uns nicht, denn es sind Wellen und da einige Wellen einen weiteren Weg von der Lichtquelle zum Schirm zurücklegen müssen als andere verstärken sich die Wellen an manchen Stellen und an anderen heben sie sich auf.

Dort wo zwei Wellenkämme aufeinandertreffen verstärken sie sich und dort wo ein Wellenkamm und ein Wellental aufeinander stoßen heben sie sich auf.

Wenn man ein Loch zuhält liegt das Maximum nur hinter dem offnen Loch. Nun ersetzen wir jedoch die Lichtquelle gegen eine Elektronenquelle und führen den Versuch noch einmal durch. Auch bei den Elektronen erhalten wir, wenn beide Löcher offen sind ein Interferenzmuster. Das beweist den Wellencharakter von Elektronen. Wichtig ist jedoch, dass weder Licht noch Elektronen beides zu gleich sein können, sondern sie können entweder Welle oder Teilchen sein.

Jetzt wird es jedoch langsam interessant und zwar lassen wir nicht mehr einen Strom von Elektronen durch die Trennwand durch, sondern nur ein Elektron nach dem anderen. Wenn nur einen Elektron nach dem anderen die Apparatur durchläuft kann es sich nicht selbst behindern und da es nur durch das eine oder durch das andere Loch fliegen kann würden logischerweise hinter den beiden Löchern die beiden Maxima erscheinen und kein Interferenzmuster.

Es erscheint jedoch trotzdem, wenn wir längere Zeit warten bis mehrere Elektronen die Apparatur durchlaufen haben, ein Interferenzmuster. Wir können ein Loch schließen und dann entsteht kein Interferenzmuster mehr.

Das Elektron müsste also wissen ob beide Löcher offen sind oder nur eins. Wenn wir versuchen zu messen durch welches Loch das Elektron durchgeht entsteht am Ende wieder kein Interferenzmuster, sondern zwei Maxima hinter den beiden Löchern. Es ist also falsch zu sagen, dass das Elektron durch das eine oder das andere Loch durchgeht, denn man kann sagen, dass es ducrh beide gleichzeitig bzw. durch keines der beiden Löcher geht.

Daraus folgt also das nichts real ist bis es ein Beobachter gesehen hat. Man kennt zwar keine direkte Wechselwirkung zwischen dem ELektron, dem Beobachter und der Apparatur, aber trotzdem muss es eine solche Wechselwirkung geben.

Es gibt also viele Möglichkeiten für Elektron und erst durch unsere Beobachtung muss sich das Elektron entscheiden einen der möglichen Wege zugehen. Wenn es also durch eines der Löcher geht ist es klar, dass hinter den beiden Löcher die Maxima entstehen werden. Das bezeichnet man als Kollaps der Wellenfunktion und zwar hat jedes Teilchen eine sogenannte Wahrscheinlichkeistwelle.

Das heißt man kann nie mit Sicherheit sagen wo sich ein Teilchen befindet, sondern nur sagen wo es am wahrscheinlichsten ist, dass es sich an jenem Ort befindet. Auch ein Mensch hat eine Wahrscheinlichkeitswelle und diese erschreckt sich z. B. über das ganze Universum wobei sie dort am stärksten ist wo Ihr Euch wirklich befindet.

Wenn man nun durch Messungen herausfindet wo Sie sich befinden kollabiert die Wellenfunktion, weil man dann mit Sicherheit sagen kann an welchen Ort sie sich befinden. Daraus folgt, dass so lange wir etwas beobachten es real ist und sobald wir es nicht mehr beobachten es nicht mehr real ist.

Schrödingers Katze

Dazu gibt es eine andere Veranschaulichung und zwar das Gedankenexperiment mit Schrödingers Katze. Man steckt eine Katze in eine Kiste in der sich eine radioaktive Probe und ein Fläschen Gift befinden. Da der radiaktive Zerfall spotan geschieht eignet sich ein radioaktives Präparat sehr gut für diesen Versuch, da es um die Wahrscheinlichkeiten in der Quantenphysik geht. Die Kiste muss verschlossen sein.

Wenn nun ein Atom dieses radioaktiven Präparates zerfällt wird das Fläschen zerbrochen und die Katze stirbt. Solange man jedoch nicht nachguckt ist die Katze entweder lebendig und gleichzeitig tot oder weder lebendig noch tot. Sie ist jedoch nicht entweder lebendig oder tot.

Ich hoffe, dass Euch diese diese beiden Versuche unsere Natur etwas veranschaulichen. Wenn Ihr nun davon ausgeht, dass dies wirklich wahr ist, da man sich bis heute noch nicht so ganz sicher ist, hat es bestimmt Euer Weltbild deutlich verändert.

Hier nun auch der Doppelspaltversuch als Video:

http://www.qphysik.de/doppelspalt-experiment/

Dort ist sehr anschaulich erklärt was die Quantenphysik erklären möchte. 

Quantenmechanik

Die moderne Quantenmechanik fand ihren Beginn im Jahr 1925 mit der Formulierung der Matrizenmechanik durch Werner Heisenberg, Max Born und Pascual Jordan. Wenige Monate später entwickelte Erwin Schrödinger über einen völlig anderen Ansatz – ausgehend von De Broglies Theorie der Materiewellen – die Wellenmechanik und die Schrödingergleichung.[10] Kurz darauf konnte Schrödinger nachweisen, dass sein Ansatz der Matrizenmechanik äquivalent ist. 

Die Matrizenmechanik ist eine Bezeichnung für eine mathematisch-physikalische Formulierung der Quantentheorie.

Die Matrizenmechanik wurde 1925 von Werner Heisenberg entworfen. Heisenberg behandelte die Quantisierung eines bestimmten physikalischen Systems, des anharmonischen Oszillators, mit einer ganz neuen Strategie. Heisenberg führte quadratische Zahlenschemata mit z.B. zehn Zeilen und zehn Spalten ein, in denen auf jedem der (hier 100) Plätze eine zeitabhängige komplexe Zahl eingetragen ist. Mit diesen Zahlenschemata konnte nach gewissen Regeln addiert und multipliziert werden. Die Rechenregeln ergaben sich aus dem Ziel, das diskrete Energiespektrum des Wasserstoffatoms (Balmer-Serie) mit diesen Zahlenschemata reproduzieren zu können.
Heisenbergs Lehrer Max Born erkannte in dem Entwurf die Matrizenrechnung der linearen Algebra. Der Ansatz zur Matrizenmechanik wurde dann von Born, Pasqual und Jordan gemeinsam mit Heisenberg weiterentwickelt.

Die Matrizenmechanik stand in der Anfangszeit in Konkurrenz zur Wellenmechanik, die Erwin Schrödinger 1926 eingeführt hatte. Aber bereits ein Jahr später gelang es Schrödinger nachzuweisen, dass die Matrizenmechanik nur eine spezielle Form der Wellenmechanik ist.