In der Wissenschaftsphilosophie untersucht die Physikphilosophie die grundlegenden Fragen, die der modernen Physik zugrunde liegen - das Studium von Materie und Energie und wie sie interagieren. Die Philosophie der Physik befasst sich mit den wesentlichen metaphysischen und erkenntnistheoretischen Fragen der Physik: Kausalität , Determinismus und die Natur eines physikalischen Gesetzes . Es konzentriert sich auch auf Fragen, die von den Hauptthemen der zeitgenössischen Physik aufgeworfen werden:
Vor Jahrhunderten war das Studium der Kausalität und der fundamentalen Natur von Raum, Zeit, Materie und des Universums ein wesentlicher Bestandteil der Metaphysik. Die Philosophie der Physik ist heute meist Teil der Wissenschaftsphilosophie . Physiker verwenden die wissenschaftliche Methode , um universelle Wahrheiten und Konstanten zu definieren, die physikalische Phänomene bestimmen, und die Philosophie der Physik befasst sich mit den Ergebnissen dieser empirischen Forschung.
Niels Bohr definiert das Ziel der Physik:
"Es ist nicht beabsichtigt, die wahre Essenz von Phänomenen zu enthüllen, sondern einfach so viel wie möglich (...) die Beziehungen zwischen den vielen Aspekten unserer Existenz zu entdecken."
- Atomtheorie und die Beschreibung des menschlichen Wissens (Cambridge University Press, 1934, S. 19
Übersetzung ( Trinh Xuan Thuan , Die Wege des Lichts: Physik und Metaphysik des Helldunkels).
Es gibt viele - insbesondere Realisten -, die diese minimalistische Formulierung des Ziels der Physik für unangemessen halten und die Physik eine breitere Sicht auf die Welt bietet.
Zeit wird als Grundeinheit betrachtet (dh als Einheit, die nicht in Bezug auf andere Einheiten oder Größen definiert werden kann), da im Moment nichts grundlegender ist als die Zeit. Die Zeit wird also durch ein Maß definiert: das ihres Standardzeitintervalls. Heutzutage wird das Standardzeitintervall (" Sekunde " genannt) durch 9.192.631.770 Schwingungen einer Hyperfeinstruktur im Atom von Cäsium 133 definiert . (ISO 31-1). Wir können aus der vorherigen Definition ableiten, wie spät es ist und wie es funktioniert. Physiker verwenden die Theorie, um vorherzusagen, wie die Zeit gemessen wird. Zeit kann dann mathematisch mit den Grundeinheiten von Raum und Masse assoziiert werden, um Bewegungen und Verschiebungen zu beschreiben und zu quantifizieren und Konzepte wie Geschwindigkeit , Impuls , Energie und verschiedene Felder zu definieren.
Newton und Galileo , da die meisten Wissenschaftler bis zum Beginn des XX - ten Jahrhunderts, dachten die Zeit , die für alle gleich und überall war. Unsere moderne Zeitauffassung basiert auf der Relativitätstheorie von Einstein und der Raumzeit von Hermann Minkowski , in der Zeitanteile in verschiedenen Trägheitsbezugsrahmen unterschiedlich fließen und Raum und Zeit zu einer Raumzeit kombiniert werden . Die Zeit kann mit der kleinsten theoretischen Zeiteinheit quantifiziert werden, die auf der Planck-Skala existiert . Die Relativitätstheorie von Einstein und die Rotverschiebung des Lichts von entfernten Galaxien, die sich wegbewegen, deuten darauf hin, dass das Universum vollständig und wahrscheinlich die Raumzeit selbst dort etwa 13,8 Milliarden Jahre während des Urknalls begann . Die Frage, ob das Universum ein Ende haben wird oder wie es enden wird, bleibt offen.
Einige Theorien, insbesondere jene der speziellen Relativitätstheorie und der allgemeinen Relativitätstheorie, legen nahe, dass Geometrien, die der Raumzeit oder bestimmten Arten von Bewegungen im Raum angemessen sind , Reisen in der Vergangenheit und Zukunft ermöglichen würden. Konzepte wie die "geschlossene zeitliche Kurve" unterstützen diese Theorie.
Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie (und im weiteren Sinne die der allgemeinen Relativitätstheorie) sagt eine Zeitdilatation voraus , die als Zeitreise interpretiert werden kann. Mit dieser Theorie behauptet Einstein, dass laut einem stabilen Beobachter die Zeit für Körper, die sich schneller bewegen, langsamer zu vergehen scheint: Zum Beispiel scheinen sich die Zeiger einer sich bewegenden Uhr langsamer zu drehen; Wenn sich eine Uhr der Lichtgeschwindigkeit nähert, scheinen ihre Zeiger fast anzuhalten. Die Auswirkungen dieser Art der Zeitdilatation werden im berühmten " Zwillingsparadoxon " ausführlicher dargestellt . Diese Ergebnisse sind erfahrungsgemäß beobachtbar und wirken sich auf die Aktivität von GPS-Satelliten und anderen High-Tech-Systemen in unserem täglichen Leben aus.
Eine zweite Art der Zeitreise, ähnlich der ersten, ist durch die allgemeine Relativitätstheorie zulässig . In diesem zweiten System wird ein entfernter Beobachter sehen, wie die Zeit für eine Uhr, die sich am Boden eines tiefen Gravitationsbrunnens befindet , langsamer vergeht , und für eine Uhr, die man in einen tiefen Gravitationsbrunnen stecken würde und aus der man dann herauskommt Nun, dies würde darauf hinweisen, dass im Vergleich zu einer stabilen Uhr in Gegenwart eines entfernten Beobachters weniger Zeit vergangen ist.
Diese Effekte ähneln in gewisser Weise denen von Lebewesen im Winterschlaf oder bei der Abkühlung von Lebewesen (was chemische Prozesse im Subjekt verlangsamt), die ihr Leben fast auf unbestimmte Zeit unterbrechen und es ihnen ermöglichen, "in die Welt zu reisen". Zukunft ", aber niemals in die Zukunft die Vergangenheit. Sie verletzen daher nicht den Kausalzusammenhang . Wir sprechen hier nicht über die "Zeitreise", die wir in der Science-Fiction finden (wo der Kausalzusammenhang kaum jemals respektiert wird), und es gibt wenig Zweifel an seiner Existenz. "Zeitreise" bezieht sich daher auf Reisen mit einem gewissen Freiheitsgrad in der Vergangenheit "oder" in der Zukunft der richtigen Zeit " .
Viele Wissenschaftler halten Zeitreisen für sehr unwahrscheinlich, gerade weil sie den Kausalzusammenhang , dh die Logik von Ursache und Wirkung, verletzen . Was wäre zum Beispiel, wenn Sie versuchen würden, in die Vergangenheit zu reisen und sich umzubringen, als Sie jünger waren (oder Ihr Großvater, was uns zum Paradoxon des Großvaters bringt )? Stephen Hawking schlug einmal vor, dass die Abwesenheit von Touristen aus der Zukunft ein starkes Argument gegen die Existenz von Zeitreisen sei (eine Variation des Fermi-Paradoxons mit Zeitreisenden anstelle von Außerirdischen). Wir haben also keine experimentellen Beweise für Zeitreisen, was es nur zu einer Hypothese und nicht zu einer empirischen Tatsache macht.
Der Raum ist eine der wenigen Grundeinheiten in der Physik , was bedeutet, dass er nicht in Bezug auf andere Einheiten definiert werden kann, da derzeit nichts grundlegenderes bekannt ist. Genau wie bei der Definition anderer Grundeinheiten (wie Zeit und Masse ) wird der Raum durch Maßnahmen definiert . Heutzutage ist das Standardmaß des Raums, das als Standardmesser oder einfach als Meter bezeichnet wird, definiert als die Entfernung, die Licht im Vakuum während eines Zeitintervalls von genau 1/299792458 Sekunden zurücklegt.
In der klassischen Physik ist der Raum ein dreidimensionaler euklidischer Raum , in dem jede Position durch drei Koordinaten beschrieben werden kann . Spezielle Relativitätstheorie und allgemeine Relativitätstheorie basieren eher auf Raum-Zeit als auf Raum; Raum-Zeit ist als vierdimensionaler Raum konstruiert (die Zeitachse ist in der speziellen Relativitätstheorie imaginär und in der allgemeinen Relativitätstheorie real ), und heutzutage gibt es mehrere Theorien, die mehr als vierdimensionale Räume berücksichtigen.
Interpretation der Quantenmechanik Die Quantenmechanik hat innerhalb der philosophischen Interpretationen große Kontroversen ausgelöst. Während seiner Entwicklung zu Beginn des XX - ten Jahrhunderts begann Schwellen Theorien viele akzeptierte Philosophien zu widersprechen. Seine mathematischen Vorhersagen stimmen jedoch mit wissenschaftlichen Beobachtungen überein.
Im XVIII - ten Jahrhundert haben viele Fortschritte auf dem Gebiet der Wissenschaft gemacht. Nach Newton waren sich die meisten Wissenschaftler einig, dass das Universum strengen Naturgesetzen unterliegt, die durch wissenschaftliche Beobachtungen und Experimente entdeckt und formalisiert werden können. Diese Denkweise ist als Determinismus bekannt. Der Determinismus scheint jedoch jede Möglichkeit des freien Willens auszuschließen. Das heißt, wenn das Universum und damit jeder in ihm strengen und universellen Gesetzen unterliegt, kann das Verhalten einer Person aus ausreichender Kenntnis der Umstände vorhergesagt werden, die dem Verhalten einer Person vorausgehen. Diese Ansicht scheint der Wahrnehmung des freien Willens der betreffenden Person zu widersprechen, es sei denn, man betrachtet, wie sie im Rahmen des Kompatibilismus interpretiert wird . Umgekehrt müssen wir akzeptieren, dass die Welt nicht vollständig vom Naturgesetz regiert wird , wenn wir bedenken, dass Menschen einen libertären oder inkompatibilistischen freien Willen haben. Einige haben argumentiert, dass die Wissenschaft ihren Zweck nicht erfüllen kann, wenn die Welt nicht vollständig vom Naturgesetz regiert wird. Die Entwicklung der Quantenmechanik hat es den Denkern jedoch ermöglicht, Alternativen zu diesen strengen und begrenzten Theorien in Betracht zu ziehen, indem sie ein Modell vorgeschlagen haben, bei dem das Universum allgemeinen Regeln folgt, aber nie eine vorgegebene Zukunft hatte.
Angesichts von Befürwortern des Determinismus wie Einstein und Max Planck behauptet der vom englischen Astronomen Sir Arthur Eddington verteidigte Indeterminismus , dass ein physikalisches Objekt notwendigerweise eine unbestimmte Komponente hat, die nicht auf den erkenntnistheoretischen Grenzen der Fähigkeit zum Verständnis von Physikern beruht . Das Prinzip der Unsicherheit wäre also nicht unbedingt mit verborgenen Variablen verbunden, sondern mit dem in der Natur selbst vorhandenen Indeterminismus.
Heisenberg , de Broglie , Dirac , Bohr , Jeans , Weyl , Compton , Thomson , Schrödinger , FW Jordanien, Millikan , Lemaître , Carl Reichenbach ua waren alle berühmte Verteidiger des Indeterminismus.
Das Unsicherheitsprinzip ist eine mathematische Beziehung, die das Vorhandensein einer Obergrenze für die Genauigkeit einer gleichzeitigen Berechnung eines Paares konjugierter Variablen , beispielsweise Position und Impuls, bestätigt. Gemäß der Anwendung von Operatoren in der Quantenmechanik ist diese Grenze die Berechnung des Kommutators der Operatoren, die den Variablen entsprechen.
Das Prinzip der Unsicherheit ist eine mögliche Antwort auf die folgende Frage: Wie kann die Position eines Elektrons um den Kern gemessen werden, wenn das Elektron eine Welle ist? Als die Quantenmechanik zum ersten Mal auftauchte, wurde sie als Bindeglied zwischen klassischen und Quantenbeschreibungen eines auf Wellenmechanik basierenden Systems angesehen.
Im März 1926Während seiner Arbeit am Niels-Bohr- Institut entdeckte Werner Heisenberg das Prinzip der Unsicherheit und legte damit den Grundstein für die spätere Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik. Heisenberg hatte dann die Forschungen von Paul Dirac und Pascual Jordan studiert . Er entdeckte eine Anomalie bei der Berechnung der Grundvariablen ihrer Gleichungen. Seine Analyse zeigte, dass es immer Unsicherheiten oder Ungenauigkeiten gab, wenn versucht wurde, die Position und den Impuls eines Teilchens gleichzeitig zu berechnen. Heisenberg kommt zu dem Schluss, dass diese Unsicherheiten oder Ungenauigkeiten in den Berechnungen nicht die Schuld des Wissenschaftlers waren, sondern der grundlegenden Elemente in der Natur und der mathematischen Eigenschaften, die den Operatoren in der Quantenmechanik inhärent sind, die sich aus den Definitionen dieser Operatoren ergeben.
Der Begriff "Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik" wurde häufig anstelle oder als Synonym für Heisenbergs Unsicherheitsprinzip von Kritikern (wie Einstein oder dem Physiker Alfred Landé) verwendet, die an Determinismus glaubten und die Gemeinsamkeiten zwischen den Theorien von Bohr und Heisenberg als Bedrohung. Bei der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik wurde das Unsicherheitsprinzip berücksichtigt, um die Tatsache zu bezeichnen, dass das physikalische Universum im Elementarwissen nicht in einer deterministischen Form existiert, sondern als Ganzes von Wahrscheinlichkeiten oder möglichen Ergebnissen. Zum Beispiel kann das Muster ( Wahrscheinlichkeitsgesetz ), das von Millionen von Photonen erzeugt wird, die ein Beugungsgitter passieren, unter Verwendung der Quantenmechanik gemessen werden, aber keine bekannte Methode kann den genauen Weg jedes Photons vorhersagen. Die Kopenhagener Interpretation behauptet, dass dieses Maß mit keiner Methode vorhergesagt werden kann, auch nicht mit theoretisch unendlich genauen Berechnungen.
Der Begriff der Komplementarität ist in der Quantenmechanik von entscheidender Bedeutung. Es besagt, dass sich Licht sowohl wie ein Teilchen als auch wie eine Welle verhält. Wenn das Doppelspaltexperiment (in einem Beugungsgitter) durchgeführt wurde, wirkte das Licht in einigen Fällen als Welle und in anderen als Teilchen. Die Physiker konnten keine überzeugende Theorie finden, um dieses Phänomen zu erklären, bis Bohr und Komplementarität auftraten.
Albert Einstein war begeistert von den philosophischen Schlussfolgerungen, die er aus seiner Forschung zog. Folgendes schreibt er:
"Ich stimme Ihnen voll und ganz zu, was die Bedeutung und die pädagogische Tugend der Methodik sowie die Geschichte und Philosophie der Wissenschaft angeht . So viele Menschen heutzutage - und sogar einige Wissenschaftler - scheinen Menschen zu sein, die Tausende von Bäumen gesehen haben, aber wer Ich habe noch nie einen Wald gesehen. Mit diesem historischen und philosophischen Wissen können Sie von den Vorurteilen unserer Generation zurücktreten , unter denen die meisten Wissenschaftler leiden. Was man dank der Philosophie erhält, ist meiner Meinung nach das Unterscheidungsmerkmal zwischen einem einfachen Handwerker oder Spezialisten und einer, der wirklich die Wahrheit sucht. " Einstein . Brief an Robert A. Thornton,7. Dezember 1944.
"Wie kommt es, dass sich ein begabter Biologe erkenntnistheoretische Fragen stellt ? Gibt es in seinem Fachgebiet keine lohnende Forschung mehr? Ich höre viel von meinen Kollegen zu diesem Thema. Sagen Sie, und ich fühle es in vielen anderen: es ist was sie teilen. Ich teile dieses Gefühl nicht ... Bestimmte Konzepte, die sich bei der Organisation von Dingen als nützlich erwiesen haben, haben unter uns leicht eine solche Autorität erlangt, dass wir ihre trivialen Ursprünge vergessen und sie als unveränderliche Errungenschaften akzeptieren "die Grundlagen des Gedankens", "der nachgewiesenen Tatsachen" usw. "
"Der Weg zum wissenschaftlichen Fortschritt ist aufgrund solcher Fehler oft für lange Zeit blockiert. Deshalb gewöhnen wir uns nicht aus Faulheit an, bekannte Konzepte zu analysieren und die Umstände zu erklären, auf denen ihre Rechtfertigung beruht ihre Nützlichkeit, wie sie individuell aus den Errungenschaften wissenschaftlicher Experimente gewachsen sind. Auf diese Weise werden sie ihre höchste Autorität verlieren. " Einstein , 1916, " Gedenknotiz für Ernst Mach ", Physikalische Zeitschrift 17: 101-02.