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Determinismus, Quantenphysik und Chaostheorie

geschrieben von DaveOst 
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Determinismus, Quantenphysik und Chaostheorie
23. June 2005 18:00
Hallo erstmal!

Ich bin David, 17 Jahre alt und soll für den Philosophiekurs in der Stufe 11 ein Referat über die oben genannten Dinge halten.
Das ganze läuft daraus hinaus, ob der menschliche Wille, beziehungsweise seine Handlungen wirklich frei sind, oder einfach nur vorbestimmt (determiniert).

Da mich besonders das Gebiet der (Quanten)Physik interessiert habe ich mich dort ein wenig kundig gemacht. Leider habe ich das Gefühl, dass ich noch weniger weiß als vorher. Wenn ich versuche mein "Wissen" in ein Konzept zu bringen, entdecke ich meißt irgendwelchen offensichtlichen Gegensätze bzw. Fehler.

Mein größtes Problem ist jedoch das Wissen der Quantenphysik mit dem der Philosophie zu verbinden. Ich habe gelesen, dass die Chaostheorie, bzw der Determinismus auf der Heisenbergschen Unschärferelation (je genauer der Ort bestimmt wird, desto weniger genau kann die Geschwindigkeit bestimmt werden, mit der ein Teilchen fliegt) basiert, doch kann ich diese nicht dem Weltbild von Holbach (der Mensch ist eine Maschine, die wir nicht verstehen, welche aber nach dem Gesetz der Physik (welcher auch immer) funktioniert) in Verbindung bringen.

Um die Heisenbergsche Unschärferelation zu erklären habe ich vor das Doppelspaltexperiment durchzuführen, dann zu erläutern was passiert, wenn man versucht Geschwindigkeit UND Richtung gleichzeitig zu bestimmen.

Nur weiß ich nun nicht weiter.

Es würde mich freuen, ein paar Meinungen oder Tips dazu zu erfahren.

MfG

David
Re: Determinismus, Quantenphysik und Chaostheorie
23. June 2005 19:25
Okay, habe nen wenig nachgegrübelt (Schaubilder sind verdammt nützlich)

Heisenbergsche Unschärferelation:
Es kann NIEMALS gleichzeitig bekannt sein:
Zeit + Geschwindigkeit (Teilchen)
Zeit + Entscheidung (Mensch)

Das ist nu meine 'Erkenntnis'.
Ich hoffe mal, dass ich damit richtig liege, fange nun an das Referat "drumherum" zu basteln.
Allerdings bin ich mir unschlüssig, ob ich das Doppelspaltexperiment vorführen soll, oder ob ich es weglassen soll, und rein theoretisch machen soll.

MfG

David
Re: Determinismus, Quantenphysik und Chaostheorie
24. June 2005 02:44
Hi
Das Einfachspaltexperiment habe ich mal mit folgenden einfachen Mitteln aufgebaut:
a) In einen Feinmechaniker Schraubstock eine Schieblehre spannen.
Damit laesst sich prima ein duenner Spalt mit plan paralellen Flaechen aufbauen.
b) Als Laser diente ein Rubinlaserrohr mit Hochspannungsteil aus einem TV Geraet. Ein Laserpointer liefert eventuell eine aehnliche Intensitaet und Focussierung. Das Beugungsbild hat eine recht geringe Intensitaet. Der Raum muss also absolut dunkel sein.

Ob das auf die Schnelle klappt ?
Was gerne uebersehen wird. Es laesst sich zeigen, dass das Beugungsbild die Fouriertransformierte der Geometrie des Spaltes darstellt.
Ein Spalt stellt eine oertliche Rechteckfunktion dar. Die Fouriertransformierte dementsprechend eine f(sin x / x) Funktion.

Vielleicht waere es einfacher statt des aufwendigen Doppelspaltexperimentes die Unschaerferelation der Nachrichtentechnik zu verwenden. Diese beschreibt auch den Zusammenhang einer Rechteckfunktion und deren Fouriertransformierte.
So liefert nur eine unendlich lange andauernde harmonischen Schwingung eine scharfe Frequenzlinie. Je kuerzer die Dauer der harmonischen Schwingung, umso unschaerfer wird die Freuquenz.
Bandbreite der Frequenz mal Schwingungsdauer sind eine Konstante.
Denke dieses Beispiel waere einfacher als Experiment aufzubauen.
ciao
richy



Beitrag bearbeitet (24.06.05 13:27)
Re: Determinismus, Quantenphysik und Chaostheorie
24. June 2005 13:51
Hallo!
Habe mit meiner Physiklehrerin gesprochen, wir haben ein Doppelspaltaufbau in der Schule.
Das Referat ist fertig. Wäre nett, wenn sich das mal jemand anschauen könnte und vielleicht ein Kommentar geben würde:
Link: www.verpeilte.de/Dave/Referat.pdf
Hallo DaveOst,

ist ganz ok, bis auf:

1.
- die Übertragung der Unschärferelation auf Zeit und Entscheidung ist äußerst abenteuerlich, ich würde sie weglassen.
2.
- die Idee mit dem Uhrenzurückstellen ist gut, die Begründung ist allerdings, hmmm, nicht gerade überzeugend.
Laplace sagt doch eigentlich, dass alles determiniert ist. Das heißt, beim Zurückstellen der Zeit wird man sich immer wieder gleich entscheiden. Jetzt kommt die Quantenmechanik und sagt: Da auf Quantenebene gewürfelt wird, fällt die Entscheidung auch zufällig aus, und nicht immer gleich. Diese Zufälligkeit könnte man nun, wenn man es will, als Schlupfloch für den "freien Willen" INTERPRETIEREN (wahlweise auch für das Wirken des Schöpfers).

Mein Vorschlag:
Abschnitt 5. noch mal überarbeiten. Der Rest ist, glaube ich, ok.
Re: Determinismus, Quantenphysik und Chaostheorie
24. June 2005 18:34
- die Übertragung der Unschärferelation auf Zeit und Entscheidung ist äußerst abenteuerlich, ich würde sie weglassen.

ich muss dazusagen, dass das Referat über die Beziehung zwischen Philosophie und der Quantenphysik war. Deswegen muss ich dies da irgendwie reinbringen.


- die Idee mit dem Uhrenzurückstellen ist gut, die Begründung ist allerdings, hmmm, nicht gerade überzeugend.
Laplace sagt doch eigentlich, dass alles determiniert ist. Das heißt, beim Zurückstellen der Zeit wird man sich immer wieder gleich entscheiden. Jetzt kommt die Quantenmechanik und sagt: Da auf Quantenebene gewürfelt wird, fällt die Entscheidung auch zufällig aus, und nicht immer gleich. Diese Zufälligkeit könnte man nun, wenn man es will, als Schlupfloch für den "freien Willen" INTERPRETIEREN (wahlweise auch für das Wirken des Schöpfers).

Das habe ich eigentlich so da eingebracht, allerdings kommt das vielleicht nicht so ganz rüber, da es sich ja um Stichworte handelt.

MfG

David
DO:
ich muss dazusagen, dass das Referat über die Beziehung zwischen Philosophie und der Quantenphysik war. Deswegen muss ich dies da irgendwie reinbringen.

P:
Du willst die Konsequenzen der Quantenmechanik für den Determinismus diskutieren - spekulative Analogien brauchst du dafür nicht.
Deine Zeit-Entscheidungs-Unschärferelation ist eher eine Metapher, vielleicht wie: "Männchen und Weibchen ziehen sich an wie unterschiedlich geladene elektrische Teilchen." Das Coulombsche Gesetz gilt für Pärchen trotzdem nicht.

DO:
Das habe ich eigentlich so da eingebracht, allerdings kommt das vielleicht nicht so ganz rüber, da es sich ja um Stichworte handelt

P:
Ok, konkreter:
Abschnitt 5.

Ref.: "LaPlace sagt: 10 Versuche heißt fünf mal Tor 1 und fünf mal Tor 2".

P: Laplace sagt: 10 Versuche, 10 mal das selbe Tor. (entweder immer Tor 1 oder immer Tor 2)

Ref.:"nun kennt man jedoch die Zeit d.h. Wenn eine Komponente bekannt ist, darf die andere nichtmal annährend bekannt sein"

P: Es gibt kein Gesetz der Physik, das diese Aussage für "Entscheidungen" trifft. Analog kann man auch das Coulombsche Gesetz nicht auf Pärchen anwenden.
-> Weglassen

Ref.: folglich ist LaPlace widerlegt worden, da er ja eine Wahrscheinlichkeit
angibt

P: Laplace gibt keine Wahrscheinlichkeit an, im Gegensatz zur Quantenmechanik. Bei Laplace ist alles fest (determiniert). Bei der Quantenmechanik wird gewürfelt. Das kann auch zu zufälligen Entscheidungen führen, da wir aus vielen vielen quantenmechanischen Teilchen aufgebaut sind.

Re: Determinismus, Quantenphysik und Chaostheorie
25. June 2005 17:37
Durch die extremen Anforderungen an die Genauigkeit der Anfangsbedingungen lässt sich über die Heisenbergsche Unschärferelation ein Bezug zur Quantentheorie herstellen. Danach sind Ort und Geschwindigkeit eines Teilchens nicht gleichzeitig beliebig genau definiert. Diese Einschränkung ist gewöhnlich nur im Mikrokosmos relevant. Die Vorhersagbarkeit makroskopischer chaotischer Systeme stößt jedoch früher oder später ebenfalls an die Grenze dieser Unschärferelation. Damit sind chaotische Systeme hinsichtlich ihres deterministischen Charakters quantenmechanische Systeme. Das bedeutet, dass sie aufgrund der begrenzten Gültigkeit der klassischen Physik prinzipiell nicht deterministisch sind.

Das spuckt Wikipedia mir aus, wenn ich "Chaostheorie" dazu eingebe...

Nun möchte ich gerne wissen, wie sich sonst eine Beziehung der Unschärferelation zu der Chaostheorie herstellen lässt.
Aufgrund dieses Absatzes habe ich eigentlich diese Analogie entworfen.


Danke schonmal für die Kritik
MfG
David
Bei der Philosophie muß man in letzter Zeit etwas vorsichtig sein, wenn sich Philosophen auf Naturwissenschaften stürzen, ohne sie verstanden zu haben. Cf. "Eleganter Unsinn". Das nur mal am Rande. Analogien, die man nicht verstanden hat, bitte nicht überreizen. :-)

Chaostheorie kommt gut auch ohne Quantenmechanik (und die Unschärferelation) aus. Es gibt von Poincaré Arbeiten über die Vorhersagbarkeit und Stabilität von Planetenbahnen, die älter sind, als die Unschärferelation.

Der Punkt, den Wikipedia bringen will, ist: Man hat ein reales Vielteilchensystem, zB (der Versuch wird dir öfter über den Weg laufen, wenn du Chaosphysik machst) ein Doppelpendel, daß einigen Kräften ausgesetzt ist, insbesondere der Gravitation. Wenn ich jetzt die Bewegungen des Doppelpendels durchrechne, dann muß ich die Gravitation natürlich ausrechnen, und zwar verdammt genau. So genau sogar, daß man für jede Bewegung außer der ersten auch beachten muß, wo man selbst steht, weil die Gravitation von einem leicht übergewichtigen Menschen wie mir schon sehr relevant für den Versuchsausgang ist; selbst das hinzufügen von einzelnen Atomen auf dem Mars ändert die Anfangsbedingungen und Gravitationskräfte derart, daß man kaum vorhersagen kann, wie das Pendel ausschlägt. Das ist das Wesen der Chaostheorie: Kleine Änderung, große Störung.

Die Chaosphysik sagt aber auch, daß, wenn ich der Laplace'sche Demon wäre und alle Ausgangs- und sonstige Bedingung wirklich beliebig exakt weiß und auch ohne Fehler rechnen kann, dann weiß ich wie das Experiment ausgeht. Hier kommt jetzt erst Heisenberg ins Spiel, der es dem Laplace'schen Demon verbietet, Ort und Impuls von Teilchen beliebig genau zu wissen. Das setzt der Physik auch eine theoretische Genauigkeitsgrenze.

Daraus kann man aber jetzt nicht so einfach folgern, daß es einen freien Willen gibt. Es gibt eine prinzipielle Möglichkeit für einen freien Willen, aber nicht mehr. Gäbe es den freien Willen, müßte man durch Gedankenkraft oder sonstwie die Quantenstatistik verändern können, wenigstens wenn die Gesetze der Physik sowohl im Kopf als auch ausserhalb gelten.
@ foobar:
Da kann ich doch nur Zustimmung signalisieren!
Re: Determinismus, Quantenphysik und Chaostheorie
26. June 2005 17:29
was würde dies denn dann für das Referat bedeuten?
Dass es komplett inhaltlich falsch ist, oder "nur" der 5. Abschnitt (der eigentlich der wichtigste war)?

Ich habe das Referat bereits abgegeben, da die SoMi Noten eingetragen werden mussten. D.h. der schriftliche Teil ist schon bewertet, ich weiß momentan nur nicht ob ich das noch halten muss. (Daran hängt meine Philosophienote)

Um das nochmal anzumerken: Meine Aufgabe war es eigentlich die Quantenphysik mit der Philosophie in Verbindung zu bringen. Als "helfende Themen" hat mir mein Lehrer noch die Chaostheorie und den Determinismus genannt, an denen ich mich orientieren kann. Diese bräuchte ich garnicht zu erwähen, allerdings ist die Quantenmechanik und die Übertragung wichtig.

Außerdem wäre es nett, wenn ihr mir nochmal erklären könntet, warum meine Analogie nicht so passend ist.

MfG

Dave
Das sich Mikro- und Makroksomos so leicht tunterscheiden lassen, trifft nicht zu.

Die (Quanten-) Wellenfunktion gilt auch für makroskopische Objekte: jedes 'Ding' hat eine deBroglie Welle, bzw konkret: die Phänome am Doppelspalt wurden bereits bei größeren Molekülen (Fullerenen) experimentell nachgewiesen und es gibt überhaupt keine theoretische Grenze wonach dies nur auf mikrokosmische Objekten beschränkt sein soll.

So wie die Chaostheorie auf (falschen) klassischen Annahmen beruht (Schmetterlingseffekt kann Wirbelsturm auslösen blablabla.. ), beruht der Begriff 'Zeit' ebenfalls auf ein Mißverständnis. Der z.Zt bekannteste Vertreter der Viele-Welten-Theorie und Erfinder des Quantencomputers David Deutsch, sagt z.B. hierzu: "Andere Zeiten, sind lediglich andere Welten (er meint das im wörtlichen Sinn) - wir haben diese Universen im Gegensatz zu den Vielen Welten der Quantenphysik jedoch bersits vor zehntausenden Jahren entdeckt und mit dem 'Begriff Zeit' umschrieben."

- ich habe hierzu mal eine freizeitphilosophische Seite verfasst:

http://home2.vr-web.de/~gandalf/Chaos/chaos2.htm

Aus der 'Vogelperspektive' gibt es den Determinismus selbstverständlich weiterhin (die unitäre, höherdimensionale Wellenfunktion) - doch haben wir niemals die Chance diesen zu beobachten, bzw. nachzuvollziehen, da wir 'Frösche' sind und die 'virtuelle Realität' uns einen Kollaps der Wellenfunktion vorgaukelt:

http://home2.vr-web.de/~gandalf/VR/vr1.htm

Zitat foobar:
>Gäbe es den freien Willen, müßte man durch Gedankenkraft oder sonstwie die Quantenstatistik verändern können, wenigstens wenn die Gesetze der Physik sowohl im Kopf als auch ausserhalb gelten.

Ich sehe das so: Es geht nicht um 'Änderung', sondern um 'Wahl'
Die Punkte sind ja nur stichpunktartig angerissen. Mir als Techniker fallen ein paar Sachen auf, die so eigentlich stimmen bzw. etwas ungenau sind.

Die Heisenberg'sche Unschärferelation gilt auch im Makrokosmos. Allerdings sind die Auswirkungen eher gering.

delta(x) * delta(p) >= h/(2pi)

Wenn ich mich typischerweise mit 2m/s bewege und etwa 80 kg wiege, dann ist delta(x) >= h/(2pi delta(p)) ~= 6,6*10^-37 m die Ortsunschärfe so verdammt klein, daß man sich das sparen kann.

Den Einschub zur Relativitätstheorie hätte nicht sein müssen. Bei hohen Geschwindigketen steigt die Masse, also das, was gravitativ wechselwirkt, eben nicht. In modernen Lehrbüchern der relativistischen Physik wird Masse als Skalar eingeführt, die sich nicht ändert, insbesondere auch invariant unter der Geschwindigkeit ist. Will man Gravitation korrekt beschreiben, greift man zur ART, was aber bestimmt nicht schulstoff ist. Man sollte den Punkt der wachsenden Masse nicht zu wörtlich nehmen, diese gewachsene Masse hat physikalisch keine große Bedeutung.

In Abschnitt fünf blicke ich nicht mehr durch. Aus "Ort != Impuls" (wobei != ungleich bedeuten soll?) folgt "Zeit != Entscheidung"? Warum? Und wer wollte jemals "Ort = Impuls" haben? Ich meine, das ist ja nicht mal die einzige Unschärferelation, es gibt auch eine für Energie und Zeit, delta(E)*delta(t)>=h_quer ... und wie kommst Du darauf?

Wenn ich mich an die philosophiestunden noch richtig erinnern kann, dann sagt Laplace's Demon aber eben nicht, daß mit 50% wahrscheinlichkeit etwas passiert. Er sagt, daß aus exakt gleichen Anfangsbedingungen gleiche Konsequenzen entstehen, also immer Tür X gewählt wird. Vielleicht hast Du aber eher an die Statistik gedacht. Die beiden Türen werden mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% geöffnet (je eine davon), man macht also ein Laplace-Experiment. Wenn es das war, was Du machen wolltest, dann sagt Laplace natürlich nicht, daß bei 10 Versuchen immer fünf auf Tür 1 entfallen, Laplace hatte schließlich Ahnung von Statistik ;-)

Die Wahrscheinlichkeit W("fünf mal Tür 1 und fünf mal Tür 2") = (5 aus 10) 0,5^5 * 0,5^5 = 63/256. Das ist aber jetzt elementare Statistik und hat mit Physik nicht so viel zu tun. Die Wahrscheinlichkeit, daß 10 mal Tür eins geöffnet wird, gibt Laplace zu W(...)=0,5^5=1/1024 an, kann also durchaus auftreten ... Ich weiß nicht, wie das gemeint ist, Du solltest das im mündlichen Teil erklären, denke ich.

Genau, wieso in Abschnitt 6 aus Nicht-Determinismus ein freier Wille folgt. Du erwähnst selbst die Nichtvorhersehbarkeit eines Doppelspaltexperiments, also welcher Schlitz passiert wird. Passiert das Photon den linken Spalt aus freiem Willen? Postuliert tatsächlich jemand einen freien Willen für Elementarteilchen? Bleibt dann auch makroskopisch ein freier Wille für mich übrig, oder werde ich von den freien Willen meiner Gehirnneuronen oder whatever dominiert? Das ist alles nicht so klar.

Auch wenn das jetzt alles ein bißchen fies anhört und so klingt, als ob ich dich schlecht machen will. Ich will es nicht, ich habe nur ein wenig eine Abneigung gegenüber Philosophen ;-) Spaß beiseite, insgesamt gibst Du einen schönen Überblick über die eventuellen Implikationen der modernen Physik und das finde ich lobenswert. Niemand kann von dir erwarten, daß Du in zwei Wochen zum Fachmann für Chaos- oder Quantenphysik wirst und die Lehrer (auch die Physiklehrer) sind das ja im Normalfall auch nicht. Das sind, wenn man sie richtig behandeln will, Themen, die an vielen Unis im Physik-Grundstudium nur angeschnitten werden können, also ziemliche Expertenthemen und ein ganz großer experte bin ich nun auch nicht. Ich wünsche dir jedenfalls viel Glück bei deinem Vortrag und weiterhin viel Spaß mit der Physik.
Zitat foobar: "Bei der Philosophie muß man in letzter Zeit etwas vorsichtig sein, wenn sich Philosophen auf Naturwissenschaften stürzen, ohne sie verstanden zu haben."

@ foobar:
Da kann ich doch nur Zustimmung signalisieren!


Irgendwie ist das mit dem Zitieren in die Hose gegangen - dann mach ich es eben nochmal per Hand.
Zitat:

"Bei der Philosophie muß man in letzter Zeit etwas vorsichtig sein, wenn sich Philosophen auf Naturwissenschaften stürzen, ohne sie verstanden zu haben."

Das Problem ist in letzter Zeit wohl eher so: Die Wissenschafts-Philosophie der (unlogischen) Trennung von experimenteller Testbarkeit und Erklärung hat die Wissenschaft in eine Sackgasse geführt, aus der sie nur schwer wieder herauszukommen scheint.

Das ist übrgens genau das was die Inquisition von Galileo verlangte: Man hätte die praktischen Auswirkungen des heliozentrischen Weltbildes durchaus akzeptiert - wenn er nur darauf verzichtet hätte, zu behaupten, daß 'die Sonne und nicht die Erde im Mittelpunkt' steht.
Hey leute,
hätte mal eine bitte an euch.
hättet ihr irgendwelche seiten parat die zu dem thema "Chaos in der Physik an ausgewählten Beispielen"? speziell suche ich materiall zu den "geschichtlichen Aspekten" und dem "Chaos in Naturwissenschaft und Technik".
Ich hoffe ihr könnt mir helfen...
MfG
allg.: carl friedrich von weizsäcker lesen - weiter kann man mit physik und philosophie eig. kaum kommen - besorg dir antiquarisch "zeit und wissen" - andere werke sind auch so zu haben.
Meiner Meinung nach, sollte man Philosophie und Physik nicht vermischen.
Eines der bieden Fachgebeite geht dabie kaputt.

Die Quantenmechanik läst eine deterministische Ausage garnicht zu, und zwar grundsätzlich nicht.

Ein physikalischer Prozess unterliegt keinem Willen sondern den Naturgesetzen.
Naturgesetze Unterliegen keinem Willen, denn das Uniwesum wurde ja nicht erschaffen.

Wenn quantenmechanische Teilchen wechselwirken und dann zu klassischen Teilchen werden, bezeicnet man das als Dekohärenz.

Aus einem superpositions Zustand wird ein fester Zustand.

PS: auf Rechtschreibung nicht geacht
Thomas schrieb:
-------------------------------------------------------
> Meiner Meinung nach, sollte man Philosophie und
> Physik nicht vermischen.
> Eines der bieden Fachgebeite geht dabie kaputt.
>
Die Philosophie ist kein Fachgebiet, sondern eine interdisziplinäre Interpretation!

> Ein physikalischer Prozess unterliegt keinem
> Willen sondern den Naturgesetzen.

In der Quantenmechanik wäre es durchaus möglich, dass physikalische Prozesse dem Willen des Beobachters unterliegen, was im Falle der Quantenmechanik den Naturgesetzen nicht wiederspricht. (siehe Fritjof Capra u.a.).
Heisenberg: "Wir beobachten die Natur in ihrem erpressten Zustand"
Wie gesagt als Möglichkeit, nicht als Imperativ! Beweisen lässt sich bisher keine der Interpretationen.

> ... denn das
> Uniwesum wurde ja nicht erschaffen.

Unbeweisbare These!
Nur mal zur Erinnerung: Selbst die Biebel (die ja nicht gerade als Principia Mathematica verstanden werden kann/soll) macht präzisere Vorraussagen über den Anfang der Welt als Newton (Raum und Zeit sind absolut und unveränderlich)

Mein Tipp
Ball flach halten!

taurus
Du hast ja Recht, die Beobachtung eines quantenmechanischen Vorgangs ist eine Erpressung der Natur.
Der Beobachter und das zu beobachtende Objekt unterliegen ja beide denselben Naturgesetzen.

Raum und Zeit sind veränderlich.
Seit Albert Einstein wissen wir, dass Raum und Zeit relativ sind.

Im Urknall war alles so eng, dass Raum und Zeit anfingen zu schwingen.
Raum und Zeit waren zwar da, aber nicht voneinander zu unterscheiden.

Der Urknall stellt eine Veränderung eines Zustandes dar.
Ein Beispiel:
Mal ist Wasser gasförmig, mal flüssig und mal fest.

Für mich als Materialist ist der Urknall nichts anderes, als wenn jemand auf ein Formatierten datenträger neue Daten speichert.