Musik Meine Damen und Herren, ich begrüße Sie herzlich zu unserer Physikeinführung. Sie hat um zwei Wochen später begonnen, als das Semester anfängt. Ich habe zwei Wochen später das angesetzt, damit Sie die Chance haben, in den ersten zwei Wochen in der Blocklehrveranstaltung Einführung der physikalischen Rechenmethoden, sich einiges an dem Rüstzeug zu verschaffen.
das Ihnen hilfreich ist für das Verständnis der Lehrveranstaltung. Es würde mich interessieren, wer von Ihnen war bei den physikalischen Rechenmethoden? Ha, das ist gut, das ist gut.
Gegenprobe mache ich nicht, das waren die meisten. Sehr gut. Also das ist einmal ganz wichtig.
Bevor wir jetzt wirklich mit der Vorlesung beginnen, muss ich ein paar organisatorische Dinge mit Ihnen kurz besprechen. Ja, also wenn es keine dringenden weiteren Fragen mehr sein sollten, dann haben Sie recht und das war jetzt die letzte Frage, die gestellt wurde. Und ich möchte also jetzt etwas mehr schon mich dem Inhalt dieser Vorlesung zuwenden. Wir haben jetzt längere Zeit miteinander zu tun und es ist ja gut, wenn Sie sich also schon ein bisschen darauf einstellen können.
Nachdem also die ersten zwei Wochen jetzt nicht stattgefunden haben, hinsichtlich der Physik, Werden wir jetzt also beginnen und nach ein, zwei Einleitungskapiteln, wo wir auch unter anderem mit dem Messvorgang uns beschäftigen und mit den Streuungen von Messergebnissen ein wenig über Statistik von Messergebnissen sprechen werden, werden wir dann im Wesentlichen bis Weihnachten uns mit der Mechanik, mit der klassischen Mechanik und mit den Wellenvorgängen beschäftigen. Und im Jänner dann, in den drei Wochen, die da zur Verfügung stehen, werden wir uns mit der Thermodynamik auseinandersetzen. Natürlich können wir in diesen zwei Semestern nicht die gesamte klassische Physik so wirklich bis ins Letzte durchführen.
Es muss eine gewisse Auswahl getroffen werden. Und natürlich ist die Auswahl abhängig, wie ich schon erwähnt habe, von den... Vorlieben und vom Geschmack des Vortragenden, das ist halt das, was dann in dem Buch auch berücksichtigt ist, weil das habe ich halt natürlich so gemacht, wie ich auch die Vorlesung mache. Und daher ist es schon so, dass Sie nicht glauben sollen, nach diesen zwei Semestern, jetzt wissen Sie alles. Sie werden schon bemerkt haben, dass Sie dann nicht alles wissen.
Aber jedenfalls eines möchte ich Ihnen mitgeben, dass Sie einen Überblick über die Struktur der Sache kriegen. Ein Kollege von mir hat einmal gesagt, Wissen heißt, wissen wo es steht. Wenn Sie einen guten Überblick haben, dann wissen Sie auch, wo Sie nachschauen können, wenn Sie dann in weiterer Folge irgendwas brauchen. Diesen Überblick möchte ich Ihnen geben. Und dafür sind diese zwei Semester gerade ganz gut.
Aber flächendeckend alles, das soll man sich gar nicht vornehmen, denn wenn man das macht, dann überflute ich sie mit hunderterlei Informationen und da haben sie dann so gut wie gar nichts davon. Also so werden wir es nicht machen. Ich werde mich auch bemühen, so wenig wie möglich formale und mathematische Ableitungen zu bringen. Das ist keine Mathematikvorlesung, sondern eine Physikvorlesung. Da sind die Schwerpunkte anders gesetzt.
Natürlich hier und da... ist es schon notwendig. Und Sie werden dann schon sehen, hier und da muss ich das eine oder andere Ihnen auch formal vorführen. Aber wenn es dann um die mathematische, formale Durchführung geht, da ist dann die theoretische Physik die, die das also im Einzelnen macht.
Da wird dann meistens auch ein deduktives Verfahren angewendet. Da werden gewisse Grundgleichungen an den Anfang gestellt, bei der Elektrodynamik beispielsweise die Maxwell-Gleichungen. Und dann werden also Methoden erarbeitet, wie man die also möglichst umfassend und für möglichst viele unterschiedliche Situationen lösen kann. Wir gehen anders vor.
Wir gehen jeweils von der experimentellen Grunderfahrung aus, bestimmen uns die wesentlichen experimentellen und physikalisch anschaulichen Grundparameter, die wesentlichen Grundgrößen. Und aufgrund experimenteller Erfahrung, die wir möglichst auch im Rahmen von Vorlesungsexperimenten dann zeigen wollen, erarbeiten wir uns die Grundgleichungen, eben zum Beispiel die Maxwell-Gleichungen. Und Sie werden sehen, diese Gleichungen sind nichts anderes als einfach Folgerungen aus wichtigen Grunderfahrungen der experimentellen Physik.
Das möchte ich Ihnen nahe bringen. Und dann natürlich, was man daraus auch folgen kann, weil man ja doch die Elektrodynamik insbesondere ist eine wunderschöne Theorie, aber Sie werden sehen, auch die Mechanik ist sehr, sehr attraktiv und ohne Mechanik kann man eigentlich mit der Physik sonst gar nichts anfangen. Also das, was wir jetzt dann im Wintersemester machen, ist eine wesentliche Grundlage für die gesamte Physik.
Wir werden uns also bemühen, begriffliche Konzepte im Vordergrund zu haben und weniger Formalismus in den Vordergrund zu stellen. Wir werden die Rolle von Experimenten immer betonen. Da stehen schon welche, die wir uns jetzt anschließend noch anschauen werden.
Und werden manchmal daher auch auf mathematische Präzision zu einem gewissen Grad verzichten. Sie werden sehen, dass das sehr nützlich ist. Und Sie werden auch sehen, dass es für einen Physiker sehr wichtig ist, ein Gespür dafür zu kriegen.
Wo kann ich jetzt sinnvoll was vernachlässigen und wo darf ich das nicht tun? Weil sonst passiert irgendwas Unangenehmes, sonst stimmt es nicht mehr. Und das also, dieses Gefühl zu vermitteln, ist auch ein wichtiger Teil, den Sie am Anfang Ihres Studiums kennenlernen sollen.
Also die Rollletter-Experimente. der ist wichtig und die Beobachtung ist entscheidend bei der Entwicklung der Physik und insbesondere, wie ich gleich anschließend jetzt betonen werde, bei der Modellbildung. Wir werden heute gleich am Anfang über die Modelle in der Physik sprechen.
Das ist ein ganz wesentlicher Punkt, den man gar nicht früh genug bei der Physikausbildung kennenlernen kann. Ja, und ansonsten können wir eigentlich... Wenn es jetzt nicht noch irgendwelche dringenden weiteren Wortmeldungen gibt, beginnen mit den Kapiteln dieser Vorlesung.
Und so fangen wir also an, wie es sich natürlich für eine größere Vorlesung gehört, mit dem ersten großen Kapitel und das ist die Einleitung. Die Einleitung. Und da kann man sich einmal die Frage stellen, woher kommt denn überhaupt das Wort Physik?
Das kommt aus dem Griechischen, aus Physis. Physis. Und heißt so viel.
wie Naturordnung. Wir wollen also Ordnung in die Natur bringen. Das ist eine wesentliche Zielsetzung der Physik. Und Physikos, das ist dann die Naturforschung. Also eigentlich ein sehr breit angelegtes Thema.
Naturordnung, Naturforschung. Und der Aufgabenbereich. Der Aufgabenbereich der Physik besteht darin, dass wir Gesetzmäßigkeiten und Zusammenhänge in den Naturerscheinungen untersuchen.
Untersuchung von Gesetzmäßigkeiten. und Zusammenhängen in den Naturerscheinungen. Das ist grob gesagt das, was wir in der Physik tun.
Und gleich an dieser Stelle, ich hoffe, das ist so, dass Sie jetzt nicht glauben, ich beginne jetzt zu philosophieren. Irgendwo hat das natürlich mit Philosophie, mit Naturphilosophie, mit Erkenntnistheorie usw. zu tun.
Aber ein Punkt, den ich an der Stelle bereits erwähnen muss, weil er insbesondere dann auch für die moderneren Teile der Physik von wesentlicher Bedeutung ist, ist der, was wir damit darunter verstehen, was wir meinen, wenn wir sagen in der Physik, wir haben ein Phänomen verstanden. Das Wort verstehen ist in der Physik sehr wichtig. Und das ist also ein terminus technicus.
Wenn ein Phänomen verstanden wurde, dann heißt das, dass es uns gelungen ist, dieses Phänomen, das wir also experimentell oder durch astronomische Beobachtung, irgendetwas festgestellt haben, dass wir dieses Phänomen im Rahmen der vorgegebenen und festgelegten Grundgleichungen ableiten können. Dass es also möglich ist, aus den jeweiligen Grundprinzipien der Mechanik, der Elektrodynamik, der Quantenmechanik usw. dieses Phänomen herzuleiten, dann nenne ich dieses Phänomen verstanden. Mehr nicht. Das heißt, wenn ich zum Beispiel diese Kreide da fallen lasse, mache ich nicht, weil sonst ist es hin.
Aber jeder weiß, die fällt runter, wenn ich sie auslasse. Wenn ich die also fallen lasse, dann kann ich also jetzt beobachten, wie wird sich die Geschwindigkeit im Laufe der Zeit ändern, wie schnell ist sie unten. Wie groß ist die Beschleunigung? Kann das dann zurückführen auf Grundgesetze, zum Beispiel auf das Newton'sche Gravitationsgesetz oder auf das zweite Newton'sche Axiom, Kraft ist Masse mal Beschleunigung und kann also alles, was jetzt für diesen Fall hier wichtig ist, eben ableiten aus Grundgesetzen und sage damit, ich habe dieses Phänomen verstanden. Aber das sagt nichts sozusagen über das Ding an sich aus.
Denn ich werde dann oft gefragt, wer zieht denn das jetzt eigentlich hinunter? Und worin liegt also jetzt diese Wechselwirkung? Wieso? Wer zieht da an oder so irgendwie? Das sind Fragen, die also dann im Rahmen jedenfalls der klassischen Mechanik gar nicht behandelt werden.
Das war schon Newton klar, dass man also nicht letztlich... das Ding an sich versteht, sondern nur die beobachtbaren Fakten einordnen kann. Einordnen in das Regelwerk der jeweiligen Grundgleichungen.
Das ist sehr, sehr wichtig und wird immer wichtiger, je moderner der jeweilige Wissenszweig wird, weil da kann man sich immer weniger vorstellen. So anschaulich, bei der Mechanik geht das eh noch gut, weil man sich das ja alles so schön vorstellen kann. Und das, was runterfällt, das hat man schon gewusst, wie man in der Gehschau herumgekrabbelt und hat sich nicht viel dabei gedacht. Aber Phänomene, die man dann nicht so schon fast mit der Muttermilch mitgekriegt hat, die kann man sich einfach nicht so gut vorstellen.
Und man soll also nicht glauben, die Physik kann alles. Also natürlich, jeder will gerne sagen, ich kann alles. Aber die Physik kann also nicht alles. Die Physik kann die Beobachtungen... hoffentlich meistens zurückführen auf die entsprechenden Grundgleichungen.
Und wenn das in einem bestimmten Punkt nicht möglich ist, dann ist also entweder die Beobachtung falsch gewesen, sowas kann natürlich auch vorkommen, aber wenn sich das dann hartnäckig hält und verschiedene Leute das messen und alle finden, das passt jetzt nicht zusammen, dann wird es echt spannend. Weil dann muss man also entweder die Grundgleichungen modifizieren oder sogar neue Grundgleichungen hinzufügen. Das ist zum Beispiel gerade im Jahr 1900 passiert, wie also der Max Planck die Schwarzkörperstrahlung verstehen wollte, was aufgrund der klassischen Elektrodynamik nicht gegangen ist. Und er hat da eine Hilfskonstante eingeführt, h.
die dann als Planck'sches Wirkungsquantum bezeichnet wird und eine komplett neue Theorie aufgebaut, die Quantenmechanik. Weil eben gewisse Beobachtungen in das bisherige Formelwerk nicht hineingepasst haben. Aber auch da ist es wieder so, neue Grundgleichungen, zusätzliche Möglichkeiten zur Erklärung, aber das Ding an sich... bis ins Innerste sozusagen, philosophisch gesehen, kann man auch wieder nicht finden.
Also wenn Sie sich das gleich möglichst klar machen, wir beschränken uns eigentlich auf einen relativ pragmatischen Standpunkt. Aber mit dem pragmatischen Standpunkt tun wir uns viel leichter, weil solche Sachen wie zum Beispiel in der Relativitätsmechanik, dass dann auf einmal die Zeit nicht mehr mehr universell ist und die Länge kontrahiert, lauter solche komischen Sachen. Das wird einem dann viel weniger mystisch, wenn man davon ausgeht, die Zeit ist einfach eine Messgröße, die man mit Uhren misst. Und die Messungen lassen sich mit Hilfe der Relativitätsmechanik gut erklären.
Punktum. So vorstellen in dem Sinn, das bedeutet immer nur, dass man so einen vorausgehenden Eindruck aufgrund von gewissen Ur-Erfahrungen aus der Frühkindheit oder sowas hat. Das sagt man, versteht man.
Wenn es sich herunterfällt, versteht man. Aber genau genommen versteht man es auch nicht. Man hat sich nur daran gewöhnt.
Und das ist also in vielen Fällen so. Ich will den Punkt nicht überstrapazieren. Es lag mir aber daran, dass ich das schon zum Ausdruck bringe, dass man also die Phänomene nicht bis in ihr Innerstes versteht, sondern nur die Messergebnisse, die man bei verschiedenen Phänomenen erhält.
aufgrund der jeweiligen Grundgleichungen erklären kann, dann nennt man das Phänomen verstanden und ist zufrieden. Das ist das, was die Physiker wollen, dass sie also die Phänomene ausrechnen können. Und jetzt gehen wir zu dem ersten Punkt dieser Einleitung, und zwar zu dem Kapitelsystem.
Und Modell, ich kann mich hier kurz halten. System und Modell, der erste Unterpunkt von dieser Einleitung. Wenn Sie wollen, dann würde ich das dreimal unterstreichen, damit es systematisch ausschaut.
Systeme, mit denen hat man es fast immer in der Physik zu tun. Das sind nichts anderes als räumlich abgegrenzte Bereiche. Und die haben daher auch eine Umgebung.
Jetzt können Sie sich fragen, ob der ganze Kosmos ein System ist. Darüber kann man widerstreiten. Aber jedenfalls im Allgemeinen haben wir es mit Systemen zu tun, die räumlich abgegrenzt sind und eine Umgebung haben. Und wenn ein System zeitunabhängig ist, spricht man oft auch von einem Zustand. Solche Zustände werden dann insbesondere in der Thermodynamik von großer Bedeutung sein.
Und wenn man nun Beobachtungen an einem System macht oder Experimente, also die Astronomen experimentieren ja nicht in dem Sinn, zum Beispiel die Schirme die Sterne nicht herunter, sondern die beobachten die Sterne, aber in anderen Bereichen ist es dann halt so, dass man ein Experiment so anlegt, dass man das halt so aufbaut und dann daran experimentiert und dann was sieht. Die Beobachtungen und Experimente, die führen im Allgemeinen zu einem Modell. Und wir werden gleich Beispiele dafür bringen. Dieses Modell von dem jeweiligen Vorgang zum Beispiel, ein Wellen. Modell, jeder weiß, was man sich unter einer Welle vorstellt, nicht ein Wellenmodell.
So ein Modell kann sich also ergeben aus einer Anzahl von Beobachtungen und Experimenten an einem System. Und wenn man nun dieses Modell mathematisch aufarbeitet und entsprechende zusätzliche Grundprinzipien dafür einführt, dann kann man das in Form einer Theorie machen. Also die mathematische Beschreibung führt dann zu einer Theorie, die dieses Modell jeweils beschreibt. Das ist zum Beispiel in der Elektrodynamik die Maxwell-Gleichungen.
Die erlauben es, dieses Modell, das man da aufgebaut hat für die Elektrodynamik, entsprechend mathematisch zu beschreiben. Und dann natürlich schaut man zuletzt noch, wenn diese Theorie jetzt verwendet wird, um verschiedene Dinge vorherzusagen, ist das dann tatsächlich so, dass das mit den Experimenten zusammenpasst. Also die Prüfung einer Theorie erfolgt wieder mittels Experimenten. Und da kann es dann natürlich sein, dass das passt oder dass es zu einem Widerspruch führt. Und so wie man es im Allgemeinen heute...
im Anschluss an die Popper'sche Erkenntnistheorie macht, ist es so, wirklich beweisen kann man eine physikalische Theorie nie. Man kann sie nur falsifizieren. Wenn es ein verlässliches Experiment gibt, das dagegen spricht, dann ist diese Theorie gefallen.
Und sowas ist also mehrfach im Laufe der Entwicklung der Physik passiert und das waren dann immer wesentliche Weichenstellungen. Und natürlich wesentlich ist, dass meistens es nicht so ist, dass eine Theorie komplett falsch und gefallen ist, sondern man ist nur draufgekommen, dass es einen gewissen Gültigkeitsbereich gibt, wo sie halt passt. Und wenn man den in irgendeine Richtung überschreitet, passt es nicht mehr. Zum Beispiel die klassische Mechanik passt, solange die Energien und die Geschwindigkeiten nicht zu groß werden.
Wenn dort Teilchen, erfahren wir mit zwei Drittel Lichtgeschwindigkeit, herumsausen, dann stimmt... das nicht mehr, was man mit so schneckenhaft langsamen Dingen wie die Erde, die sich nur mit 30 Kilometer pro Sekunde bewegt. Das ist noch ganz langsam im Verhältnis. Da passt noch alles.
Aber wenn man dann in die Nähe der Lichtgeschwindigkeit kommt, passt das nicht mehr. Und daher ist es meistens wichtig, bei einer Theorie anzugeben, wie sind denn die Gültigkeitsgrenzen. Also Theorien ermöglichen, dass man die Phänomene versteht, dass man... zukünftige Entwicklungen eines Systems vorhersagt.
Aber diese Vorhersage ist natürlich etwas Heikles. Wenn man wirklich alles vorhersagen könnte, dann wäre es aus mit dem menschlichen Willen. Weil auch die Menschen sind physikalische Systeme und wenn man das alles vorhersagen kann, dann laufen wir nur mehr wie ein Uhrwerk ab. Und es zeigt sich aber im Rahmen der Quantenmechanik und die Menschen sind also Komplexe Systeme, die auch sehr stark von quantenmechanischen Gesetzmäßigkeiten bestimmt sind.
Dort ist es so, dass ein konkreter, detaillierter Determinismus, der es erlaubt, alles ganz genau Schritt für Schritt vorherzusagen, gar nicht möglich ist. In der Quantenmechanik kann man nur Wahrscheinlichkeiten angeben, dass aus einer Reihe von verschiedenen Optionen irgendwelche Bestimmten eintreten oder nicht. Aber... Trotz allem, nach allem, was man heute weiß, ist die Kausalität nach wie vor beibehalten.
Also die Wirkung muss immer nach der Ursache kommen. Das wäre traurig, wenn das einmal nicht mehr funktionieren würde. Also das ist bis heute in allen Bereichen nach wie vor erfüllt. Also es ist wesentlich, dass man mit Theorien Vorhersagen machen kann, aber das sind dann meistens keine oder oftmals.
Keine deterministischen Vorhersagen bis ins Einzelne, sondern in vielen Fällen, vor allem bei Mikrosystemen im Bereich von Molekülen und Atomen, kann man nur Wahrscheinlichkeiten angeben. Aber das ist auch schon besser als nichts und mehr geht in dem Fall dann nicht. Darüber sprechen wir aber erst viel später in dieser Vorlesung. Jetzt möchte ich, damit wir hier auch konkret etwas über diese Modelle sagen können, einige wichtige Modelle, um die es ja in diesem... Abschnitt gibt, mit Ihnen besprechen, genau genommen an zwei.
Also ein Beispiel für ein Modell ist das sogenannte Teilchenmodell. Beim Teilchenmodell geht man so vor, dass man einen sogenannten Massenpunkt oder ein Teilchen betrachtet, wobei man davon ausgeht, dieser Körper ist klein genug, sodass es auf seine innere Struktur nicht ankommt. Und mit einem solchen Teilchenmodell kann man vielerlei Dinge beschreiben, zum Beispiel den Fall eines Körpers im Schwerefeld. Ich habe schon gesagt, ich lasse diese Kreide nicht fallen, damit es nicht kaputt ist, aber wir haben ein Experiment aufgebaut, den sogenannten Fallrohrversuch, wo man diesen Fall von Körpern unter dem Einfluss des Gravitationsfeldes zeigen kann und das wollen wir jetzt hier Ihnen vorführen mit dem sogenannten Fallrohr unter zwei unterschiedlichen Bedingungen. In diesem Fallrohr gibt es eine Stahlkugel.
und einen Wattebausch. Und diese beiden Körper werden wir in diesem Fallrohr herunterfallen lassen. Zunächst wird die Metallkugel und auch der Wattebausch mit einem Magneten festgehalten, das Rohr gedreht.
Dann lässt der Magnet aus und wir können das Fallen der Körper beobachten. Haben Sie die Kugel gehört, wie sie heruntergekommen ist? Na dann machen wir es jetzt mit Evakuierung.
Dabei soll sich jetzt zeigen, das ist die Idee dahinter, dass dieses Teilchenmodell auch auf den Wartebausch anwendbar ist und der das gleiche macht wie die Stahlkugel, wenn nur die Bedingungen passen. Also wenn die Reibung der Luft keine Rolle spielt, weil es praktisch alles herauslöst. Vielen Dank! Also was hier gezeigt werden sollte, aber jetzt muss ich doch im Zusammenhang sagen, ist, solange man da Luft in dieser Röhre hat, fällt das Metallkugel natürlich viel schneller als ein Wattepausch.
Und daher wird man sagen, naja, dieses einfache Teilchenmodell ist hier offensichtlich nicht anwendbar, der Wattepausch ist kein Teilchen. Wenn man hingegen dieses Rohr, mit einer Vakuumpumpe evakuiert, dann zeigt sich, dass dann in dem Fall das Kugel, diese Stahlkugel und der Wattebausch praktisch gleichzeitig unten sind. Und damit wir heute auch dazu etwas Konkretes zeigen können, bitte ich Sie gleich den Versuch oder die Beobachtung der Apollo 5 Mission vorzuführen. Da hat nämlich einer der Astronauten diesen Versuch.
in dem Vakuum am Mond gezeigt und hat also gezeigt, dass da auch das Fallen gleich schnell ist und Reibung keine Rolle spielt. In meiner linken Hand habe ich eine Fäder, in meiner rechten Hand einen Hammer. Und ich glaube, eine der Gründe, warum wir heute hier sind, war, weil ein Junge namens Galileo, lange Zeit her, eine ziemlich bedeutende Erkenntnis über fallende Objekte im Graviteil machte. Und wir dachten, wo wäre ein besserer Ort, um seine Erfindungen auf der Erde zu bestätigen. Und wir dachten, wir würden es hier für Sie versuchen.
Die Fels ist eine Fels für den Falken. Ich werde zwei von ihnen hier runterlegen und hoffentlich werden sie gleichzeitig auf den Boden geschlagen. Wie geht es Ihnen? Vielen Dank für diese Videoforführung.
Sie sehen also, wenn keine Reibung vorhanden ist, dann fallen sowohl ein Hammer als auch eine Feder gleich schnell und können in dem Fall dann beide einfach als Teilchen betrachtet werden. Andere wichtige Teilchenmodelle sind zum Beispiel viel größere Teilchen. Die Sonne und die Erde können in vielen Fällen als Teilchen betrachtet werden, wenn man die Bewegung der Planeten im Sonnensystem anschaut. Die Erde ist natürlich schon ein großes Teilchen, die Sonne noch viel größer.
Aber wenn es um die Distanzen des Sonnensystems geht, des Planetensystems, da ist es dann so, dass man in guter Näherung auch so große massive Objekte als Teilchen betrachten kann. Und natürlich Atome und Moleküle ebenso. Nun, ein weiteres wichtiges Modell ist das Wellenmodell.
Na ja, jeder weiß, was eine Welle ist, eine räumliche und zeitliche periodische Ausbreitung in einem Medium. Und wir haben da für Sie einen Versuch vorbereitet, wo man mechanische Wellen an der Oberfläche einer Flüssigkeit sichtbar machen kann, mit Hilfe der sogenannten Wellenwanne. Diese Wellenwanne ist hier zu sehen und die Frau Pinterich wird Ihnen diese Wellenwanne ansehen.
Wellen in dieser Wellenwanne kurz vorführen. Also wir haben hier unsere Wellenwanne, die ist gefüllt mit Wasser. Hier sehen Sie einen Schlauch, über den Schlauch werden so kleine Luftstöße auf die Oberfläche von dem Wasser geblasen und dadurch wird die Wasseroberfläche in Schwingung versetzt.
Und was Sie sehen ist, dass sich hier von Ihnen ausgesehen von links nach rechts die Wasserwelle ausbreitet. Hier zunächst erzeugen wir eine ebene Welle. Und sobald diese ebene Welle auf ein Hindernis trifft, in Form von hier zum Beispiel einem Doppelspalt, also wir haben ebene Welle trifft auf Doppelspalt, was wir einerseits sehen wird, dass sich die Welle hinter dem Doppelspalt nicht mehr als ebene Welle fortsetzt, sondern wir sehen so kreisförmige Wellen. Eine wichtige Eigenschaft, die nur mit Hilfe des Wellenmodells beschrieben werden kann, die Beugung, also die Welle geht hier ums Eck. Und außerdem sehen wir noch, dass sich die beiden Wellen, die durch die beiden Doppelspalte hier durchgehen, an manchen Stellen verstärken und an manchen Stellen auslöschen.
Auslöschen tun sie sich zum Beispiel hier entlang von dieser Linie und hier. Das ist genau dann der Fall, wenn ausgehend von diesen beiden Wellen ein Wellental und ein Wellenberg zum gleichen Zeitpunkt am selben Ort, am selben Punkt in dem Wellenfeld sind. Dann kommt es zur sogenannten destruktiven Interferenz.
Okay, wunderbar Tamara, vielen Dank. Und jetzt zeigt sich, und deswegen erzählen wir Ihnen das hier speziell, dass dieses einfache Modell, dieses Wellenmodell, das man also verwenden kann, um zu erklären, wodurch es zu derartigen Zonen mit verstärkter und abgeschwächter Intensität kommt, sogenannte Interferenz, dass diese Interferenz auch in ganz andersartigen Systemen auftreten kann. Und das können wir mit Hilfe eines ähnlichen Experiments, mit Hilfe eines Laserstrahls zeigen.
Genau. Also wir haben hier unseren Laserstrahl, der steht direkt hier. Wenn man das bewegt, sieht man es nicht mehr.
Genau, und der Laserstrahl trifft genauso wie die Wasserwellen vorher auf einen sogenannten Doppelspalt, geht da durch den Doppelspalt durch und wird dann hinten auf diese Leinwand hin projiziert. Und was wir sehen, ist wieder an manchen Stellen Der helle Laserstrahl und an manchen Stellen die Auslöschung, genauso wie das bei den Wasserwellen der Fall war, kommt es hier auch zu konstruktivem und destruktivem Interferenz. Wieder ein Phänomen, das nur mithilfe vom Wellenmodell beschrieben werden kann. Okay, herzlichen Dank.
Sie sehen also, und das ist mir hier jetzt besonders wichtig, dass Ihnen das bewusst ist, dass man... Ein und dasselbe grundsätzliche Modell, in dem Fall jetzt das Wellenmodell, dazu verwenden kann, doch sehr unterschiedliche physikalische Phänomene zu beschreiben. Einerseits das Verhalten von Wasserwellen an der Oberfläche eines seichten Wasserteichs, wie wir es hier bei der Wellenwanne gesehen hatten, und andererseits bei...
bei Lichtstrahlen, in dem Fall einem Laserstrahl, wo in gleichartiger Weise, aber doch ganz anders, Interferenzen auftreten, die dann zu einem solchen Muster hinter einem Doppelspalt führen. Und ich kann erwähnen, dass auch bei quantenmechanischen Versuchen, wenn man zum Beispiel einen Elektronenstrahl durch ein ähnliches System durchschickt, es ebenso zu Interferenzen kommt. Immer wenn so etwas auftritt, ist es die Erklärung nur mit Hilfe eines Wellenmodells möglich. Also, was wir sehen ist, dass ein und dasselbe Modell, hier jetzt das Wellenmodell, für die Beschreibung unterschiedlicher physikalischer Systeme geeignet ist. Nun, andererseits zeigt sich, Und das ist dann nicht so leicht zu akzeptieren.
Und da haben also die Leute lange Zeit herumgekiefelt, bevor sie das also wirklich akzeptieren konnten. Es zeigt sich also, dass es auch Phänomene wie etwa das Licht gibt, die nicht nur durch ein bestimmtes Modell beschrieben werden. Beim Licht wissen wir seit 1905, dass es neben einem Wellenaspekt auch einen Teilchenaspekt gibt.
Also die Frage, was ist das Licht nun? Ist es eine Welle oder ist es ein Teilchen? Ist keine gut gestellte Frage. Die sinnvolle Frage ist, kann man das Licht mit Hilfe eines Wellenmodells beschreiben oder auch mit Hilfe eines Teilchenmodells? Und da zeigt sich also gerade beim Licht und dann auch bei vielerlei anderen Phänomenen, dass hier ein sogenannter Wellenteilchen-Dualismus auftritt.
Dass also das Licht für gewisse Situationen, dort wo Interferenzen wesentlich sind, mit Hilfe des Wellenmodells beschrieben werden kann. Dagegen in anderen Situationen, insbesondere dann, wenn es Interaktionen mit anderen Körpern betrifft, wenn Licht zum Beispiel auf eine Metalloberfläche trifft, dass dann das Wellenmodell nicht geeignet ist, diese dort gemachten Beobachtungen zu verstehen, sondern da benötigt man dann das Teilchenmodell. Also es treten Fälle auf in der Physik, wo ein und dasselbe Phänomen zu seiner Beschreibung mehrere umgehen. unterschiedliche Modelle bedarf. Und das ist nur so lang abstrus, solange man die Frage so stellt, ist das Licht es dies oder jenes?
Das Licht ist das Licht. Es kann in manchen Aspekten mit dem Modell, mit anderen Aspekten, mit einem anderen Modell beschrieben werden. Wichtig ist nur, dass es zu keinen logischen Schwierigkeiten kommt. Die dürfen sich nicht gegenseitig widersprechen.
Wir werden das zugehörige Experiment, das ich da jetzt erwähnt habe, wo man dann zeigen kann, dass ein Phänomen des Auftreffens von Licht auf eine Metalloberfläche nicht mit dem Wellenmodell verstanden werden kann, das werden wir gegen Ende des Sommersemesters Ihnen dann auch vorführen. So viel für heute. Herzlichen Dank. Noch gar nicht.
Es wird voraussichtlich nicht dieses Semester.