Die Wurzeln der Physik reichen bis ins 6. Jahrh. v. Chr. in Griechenland: Die Weisen der Milesischen Schule in Ionien hatten sich zum Ziel gesetzt, den Urgrund oder die Urbeschaffenheit der Dinge, die sie "Physis" nannten, zu entdecken. Hiervon wurde der Begriff Physik abgeleitet und er bedeutet somit ursprünglich das Bemühen, den Urgrund aller Dinge zu erkennen.

Das mechanische Modell des Universums geht davon aus, dass der dreidimensionale Raum mit Masseteilchen angefüllt ist zwischen denen Kräfte wirken. Diese Kräfte sind sehr einfacher Natur und hängen nur von der Masse und der gegenseitigen Entfernung der Teilchen ab - es ist die Schwerkraft. Zusätzlich wird als weitere Dimension noch die Zeit hinzugenommen. Laut Newton sollte diese Zeit unabhängig von den übrigen Erscheinungen der Welt sein und völlig gleichförmig von der Vergangenheit über die Gegenwart in die Zukunft fließen.

Alle physikalischen Erscheinungen werden in der Newtonschen Mechanik durch die Bewegung von Massepunkten im Raum, hervorgerufen durch die Gravitation, erklärt. Zur präzisen mathematischen Beschreibung musste Newton völlig neue Begriffe und mathematische Techniken entwickeln, nämlich die Differentialrechnung.

Newtons Bewegungsgleichungen sind die Grundlage der klassischen Mechanik. Er konnte hiermit z.B. die Bewegung der Planeten weitgehend erklären. Laplace verfeinerte und verbesserte die Bewegungsgleichungen Newtons für das Sonnensystem. Nach den großen Erfolgen der Newtonschen Mechanik in der Astronomie wurde sie auch mit großem Erfolg auf die Bewegung flüssiger und auf die Schwingungen elastischer Körper angewandt. Schließlich konnte sogar die Wärmelehre auf die Mechanik zurückgeführt werden. Man erkannte, dass Wärmeenergie nichts anderes ist als Bewegungsenergie der Moleküle, gespeichert in der "Zitterbewegung" dieser Teilchen in einem Kristall, einer Flüssigkeit oder einem Gas. Man glaubte, die endgültige Theorie der Naturerscheinungen gefunden zu haben.

Heute allerdings ist klar, dass es sich nur um ein übergangsweise funktionierendes Weltbild - das mechanistische Weltbild - handelte. Denn die Entdeckung der elektrischen und magnetischen Phänomene machte die Grenzen der Newtonschen Physik sichtbar. Insbesondere Faraday und Maxwell brachten hier die Physik ein gewaltiges Stück voran.

Newton (1643÷1727) | Laplace (1749÷1827) | Faraday (1791÷1867) | Maxwell (1831÷1879)

Faraday erzeugte mit einem bewegten Magneten einen Strom in einer Kupferspule und wandelte damit mechanische Energie in elektrische um. Dieses fundamentale Experiment ließ das große Gebiet der Elektrotechnik entstehen und ergab, zusammen mit den theoretischen Arbeiten Maxwells, eine vollständige Theorie des Elektromagnetismus.

Der Begriff der Kraft aus der Newtonschen Mechanik wurde ersetzt durch den eines Kraftfeldes. Hierbei erzeugt eine Ladung eine "Störung" im Raum, die man das Feld dieser Ladung nennt. Dieses Feld ist die Ursache für das Wirken einer Kraft auf eine andere Ladung.

Hieraus entstand die Theorie der Elektrodynamik, mit der sich die Ausbreitung des Lichtes als ein schnell wechselndes elektromagnetisches Feld erklären ließ. Man versuchte, gemäß mechanischer Vorstellungen, diese Schwingungen einem sehr flüchtigen, den Raum erfüllenden Äther zuzuschreiben. Diese Vorstellung wurde jedoch später durch Einstein verworfen.

Moderne Physik

Die ersten drei Jahrzehnte des vorherigen Jahrhunderts änderten radikal das Weltbild der Physik. 1905 veröffentlichte Einstein (1879÷1955) zwei Arbeiten. Sie begründeten zwei neue revolutionäre Denkrichtungen: Die spezielle Relativitätstheorie und eine Vorstufe der Quantentheorie.

Einstein (1879÷1955)

Während die spezielle und später dann die allgemeine Relativitätstheorie fast vollständig von Einstein selbst entwickelt wurden, waren an der Ausarbeitung der vollständigen Quantentheorie - zur Beschreibung der Atomphänomene, zwanzig Jahre später - eine Reihe großer Physiker beteiligt: z.B. der Däne Niels Bohr, der Franzose Louis de Broglie, die Österreicher Erwin Schrödinger und Wolfgang Pauli, die Deutschen Werner Heisenberg und Max Planck, der Engländer Paul Dirac.

Niels Bohr | Louis de Broglie | Erwin Schrödinger | Wolfgang Pauli | Werner Heisenberg | Max Planck | Paul Dirac

Die spezielle Relativitätstheorie bildet eine gemeinsame Grundlage für die Elektrodynamik und die Mechanik. Der Raum und die Zeit stellen keine getrennten Dimensionen mehr dar, sondern sind verschmolzen zu einem gemeinsamen vierdimensionalen Raum-Zeit-Kontinuum. Man kann daher nie vom Raum sprechen, ohne die Zeit mit zu berücksichtigen. Außerdem gibt es keinen einheitlichen Zeitstrom mehr wie im Newtonschen Modell. Für zwei Beobachter in relativ zueinander bewegten Systemen läuft die Zeit unterschiedlich ab. Die Begriffe von Raum und Zeit sind so grundlegend für die Beschreibung von Naturereignissen, dass ihre Abänderung weitestgehende Konsequenzen hat. Die wichtigste Konsequenz ist, dass die Masse nichts anderes als eine spezielle Energieform ist: Es gilt die berühmte Einsteinsche Formel E=mc².

1915 legte Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie vor. Hiermit wurde die spezielle Relativitätstheorie auf die Gravitation erweitert. Während die spezielle Relativitätstheorie durch unzählige Experimente bestätigt wurde, ist die allgemeine Theorie bisher nicht schlüssig bewiesen, wird jedoch von den meisten Wissenschaftlern zur Beschreibung des Universums akzeptiert. Gemäß Einstein bewirkt die Gravitation eine "Krümmung" von Raum und Zeit. Demzufolge wird auch die Zeit durch die Anwesenheit von Materie beeinflusst und läuft damit in verschiedenen Teilen des Universums verschieden ab.

Die mechanistische Ansicht der klassischen Physik basierte auf der Vorstellung von festen Körpern, die sich im leeren Raum bewegen (Atome). Erste Hinweise darauf, dass diese festen Körper eine Struktur besitzen, ergaben sich Anfang dieses Jahrhunderts aus der Entdeckung der Röntgenstrahlung und der Radioaktivität: Es entstand die Atomphysik. Durch den Beschuss der Materie mit Röntgenstrahlen (Max von Laue 1879÷1960) und radioaktiven Strahlen (Rutherford 1871÷1937) erkannte man, dass Kristalle aus einer regelmäßigen Anordnung von Atomen bestehen und die Atome wiederum eine Struktur aufweisen. Würde man eine Apfelsine auf die Größe der Erde vergrößern, so hätten ihre Atome die Größe von Kirschen.

Max von Laue 1879÷1960 | Rutherford 1871÷1937

Die Atome bestehen aus einem im wesentlichen leeren Raum mit einem winzigen Kern in der Mitte, der fast die gesamte Masse beinhaltet. In dem Apfelsinen-Kirschen-Modell wären die Atomkerne noch unsichtbar. Erst wenn man eine Kirsche (Atom) auf die Größe des Petersdoms in Rom vergrößert, stellt sich der Atomkern in Salzkorngröße dar. Der salzkorngroße Atomkern in der Mitte des Petersdomes enthält praktisch die gesamte Masse des Atoms. Die Elektronen, welche den Atomkern "umkreisen", nehmen in diesem Bild die Gestalt von weniger als 100 wirbelnden Staubkörnern an. In der Hülle des Atoms sind gerade soviel negativ geladene Elektronen, wie der Atomkern positive Ladungen hat. Im Atomkern sind - außer bei dem leichtesten Element, dem Wasserstoff - neben den positiv geladenen Protonen noch elektrisch neutrale Teilchen mit fast gleicher Masse, die Neutronen.

Die Atomhülle mit ihren Elektronen ist für die chemische Beschaffenheit eines Elementes und für die Bildung der Moleküle verantwortlich, d.h. im Prinzip lässt sich die gesamte Chemie auf der Basis der Gesetze der Atomphysik beschreiben. Auch die Festigkeit der Teilchen in einem Gas, bei deren ständigen Zusammenstößen, und die Eigenschaften der Festkörper wie Härte und Zähigkeit beruhen auf Wechselwirkungen der Atomhüllen. Der Atomkern bleibt davon unberührt und schwebt als winziges Partikelchen, fast die gesamte Masse auf sich vereinigend, inmitten der ungeheuren Leere des Raumes in einem Atom.

Mit der Entwicklung der Quantentheorie zur mathematischen Beschreibung der Atomphänomene erkannte man nun, dass die Teilchen, aus denen man sich die Atome aufgebaut dachte, eine Doppelnatur besaßen und eigentlich nicht länger als feste, materielle Teilchen zu betrachten waren. Viele Experimente ließen den eindeutigen Schluß zu, dass die Bausteine der Atome in Form von Wellen auftreten. Je nachdem wie man ein Experiment vornahm, manifestierten sie sich einmal als Teilchen und einmal als Welle. Andererseits zeigte sich, dass auch die elektromagnetische Strahlung immer nur in Form von "Energiepaketen", den sogenannten Quanten, ausgestrahlt wird. Diese "Energieteilchen" werden auch Photonen genannt. Hiermit ist der Wellen/Teilchen-Dualismus durchgängig und unsere gesamte feste Materie stellt sich dar als eine "kondensierte" Form von Energie, wobei die scheinbar "festen" Teilchen, wie z.B. die Elektronen, nichts anderes sind als "stehende" Materiewellen; wie die Schwingungen der Seite eines Musikinstrumentes.

In der Formelsprache der Quantentheorie werden diese Wellen als Wahrscheinlichkeiten dafür ausgedrückt, ein Teilchen zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort anzutreffen. Daher können sie Partikel und Welle gleichzeitig sein, d.h. Wahrscheinlichkeitswellen. Was gibt aber der Materie ihr festes Aussehen und den Atomen ihre außerordentliche Stabilität? Die Quantentheorie zeigt, dass diese erstaunlichen Eigenschaften vom Wellencharakter der Elektronen herrühren. Je kleiner der Raum ist, in dem sich ein Teilchen bewegen kann, umso größer wird dessen Geschwindigkeit. Bei den Elektronen der Atomhülle z.B. ca. 900km/s. Diese hohen Geschwindigkeiten lassen das Atom wie eine starre Kugel erscheinen, genau wie ein schnell drehender Propeller als Scheibe erscheint.

Die elektrische Anziehung zwischen dem Atomkern und den Elektronen, im Zusammenhang mit den Elektronenwellen, erklärt somit die ungeheure Vielfalt an Strukturen und Phänomenen in unserer Welt: Chemie; feste, flüssige und gasförmige Körper; lebende Organismen. Im Atomkern, auf etwa einem Hunderttausendstel der Größe eines Atoms, jedoch fast der gesamten Masse des Atoms, drängen sich die Teilchen auf kleinstem Raum zusammen. Hieraus resultieren hohe Geschwindigkeiten (ca. 60 000 km/s). Diesen winzigen Tropfen Materie kann man sich als eine extrem dichte Flüssigkeit vorstellen, in der es heftig siedet und brodelt. Die hohe Geschwindigkeit der Kernteilchen, auch Nukleonen genannt, macht es erforderlich, dass neben der Quantentheorie auch die Relativitätstheorie zur Beschreibung der Kernphänomene herangezogen werden muss.

So zeigt sich in der modernen Physik, dass der klassische Begriff der Masse keineswegs mehr mit der Vorstellung einer Substanz, sondern eher mit der einer speziellen Energieform in Verbindung gebracht werden muss. Teilchen sind nicht länger statische Objekte sondern vielmehr dynamische Strukturen bzw. Prozesse der Energieumformung. Dies wird vor allem auch deutlich, wenn man die Prozesse betrachtet, bei denen Teilchen und Antiteilchen aus reiner Energie geschaffen werden und sich später wieder zu Strahlungsenergie zurück verwandeln. Diese von Dirac theoretisch vorhergesagten Antiteilchen stellen Gegenstücke zu den "normalen" Teilchen dar und bestehen aus Antimaterie. Zum Beispiel kann ein elektromagnetisches Strahlungsquant genügend hoher Energie in ein Elektron und das dazu gehörige Antiteilchen, einem Positron, materialisieren. Wenn das Positron später auf ein anderes Elektron trifft, zerstrahlen beide in einem Lichtblitz zu einem Photon.

Zuletzt muss noch angeführt werden, dass auch der klassische Begriff der Kraft in der modernen Physik eine völlig neue Deutung erfahren hat. So beschreibt die Relativitätstheorie die Kräfte zwischen den Teilchen, d.h. ihre gegenseitige Anziehung oder Abstoßung, als Austausch von anderen Teilchen (Austauschteilchen). Dies ist schwer vorstellbar, ist jedoch eine Folge des vierdimensionalen Raum-Zeit-Charakters der subatomaren Welt. Als Gesamtbild unserer materiellen Welt, aus naturphilosophischer Sicht, kann man heute einen Raum definieren der erst durch die Anwesenheit von Materie entsteht und erfüllt ist von Feldern, bzw. von Teilchen und Austauschteilchen, die wiederum ihrerseits nichts anderes als "verdichtete" Energie darstellen.

Physikalische Größen und Einheiten

Insbesondere zur quantitativen Beschreibung unserer Welt führt man physikalische Größen ein, wie z.B. die Zeit oder die Masse. Damit diese Größen vergleichbar sind hat man sich international auf ein Einheitensystem geeinigt. Jede physikalische Größe hat neben der Zahl – welche die Menge angibt – auch eine Einheit, denn sonst wäre ein Vergleich der Zahlen unmöglich und auch die Bedeutung der Größe unbestimmt.

G	=	{G}	*	[G]
Größe	=	Maßzahl von G	*	Einheit von G

Beispielsweise sind alle drei Raumdimensionen von der gleichen Größenart. Sie haben die "Dimension einer Länge". Man schreibt:

dim G = Länge

Beispiele:
s = 4 Meter; t = 10 Sekunden; m = 5 Kilogramm

Gesetzliche Basiseinheiten

Es wurden 7 physikalische Basisgrößen definiert und ihnen eine eindeutige Maßeinheit zugeordnet. Alle anderen physikalischen Größen die wir in diesem Modul noch kennen lernen werden lassen sich auf die Einheiten dieser Basisgrößen zurückführen.

Beispiel: Die Kraft hat die Einheit Newton:
1 Newton = 1 Kilogramm * Meter / Sekunde²

Ergänzung: Dezimale Vielfache und Teile

Ergänzung: Griechische Buchstaben

© 2004-2005, Prof. Dr. D. Hannemann, Gelsenkirchen