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Thursday, July 29, 2021

Physik und Technologie

Wissenschaftsblog über physikalische Forschung, Technologie und Neuigkeiten von meiner Forschung zur Chaostheorie

Physik und Technologie. Wissenschaft sei entweder Physik oder Briefmarken sammeln, das hat der große theoretische Physiker Ernest Rutherford einmal gesagt. So weit würde ich nicht gehen, dennoch habe ich die Physik, präziser die Chaosphysik, nicht ohne Grund auch zu meinem eigenen Forschungsgebiet gemacht, denn Physik ist der Schlüssel, und zwar der einzige Schlüssel zum Verständnis von allem, was es je gab, gibt und geben wird. Alles, was in unserem Kosmos passiert – seien es die biochemischen Abläufe in unserem Gehirn, die Liebe, Freude, Trauer und Wut verursachen, die Klimakrise und ihre Auswirkungen auf unser aller Leben (die ebenfalls Trauer und Wut verursachen, aber das ist ein anderes Thema) oder aber die Bewegung von Galaxienhaufen – folgt Gesetzen ohne Ausnahmen und ohne Verhandlungsbereitschaft, den Naturgesetzen und ergibt sich aus vier Grundkräften und ein paar dutzend Konstanten. Und wir Menschen können die Regeln, nach denen unsere Welt funktioniert, nicht nur herausfinden, sondern sogar für unsere Zwecke nutzen – letzteres ist dann das, was wir Technologie nennen.

Definition Physik und Technologie

Die Physik ist die naturwissenschaftliche Erforschung der Grundgesetze der Natur wie etwa der Erscheinungs- und Zustandsformen unbelebter Materie sowie der Eigenschaften der Strahlungen und der Kraftfelder, vor allem durch experimentelle Forschung und messende Erfahrung. Da das Aufstellen allgemein gültiger Gesetze das primäre Ziel der Physik ist, findet sie bei sehr vielen unterschiedlichen Phänomenen Anwendung, von den kleinen Atomkernen bis zu den großen Galaxienhaufen. Die Technologie hingegen ist die Wissenschaft aller von Menschen gemachter Objekte, sowohl digitaler wie Roboter und Computer als auch manueller wie Transportmittel und Gebäude.

Beiträge zu Physik und Technologie

Auswahl der wichtigsten Artikel zu Physik und Technologie

Vermutlich habt ihr in der Schule eine Wust aus Formeln und Kräften und gelernt – aber nicht, dass all diese aus nur vier wirklich grundlegenden Kräften oder einer Kombination aus ihnen resultieren. Sie üben mit dem Austausch bestimmter Teilchen, sogenannter Eichbosonen, Einfluss auf ihre Umgebung aus. Die Stärke dieses Einflusses wird Kopplungskonstante genannt.

Die Kopplungskonstanten sind jedoch keine echten Konstanten, denn sie verändern sich abhängig von der Energie. Je höher höher die Energie der betrachteten Prozesse, desto ähnlicher werden sich die Kopplungskonstanten der Kräfte: Ab 100 GeV sind schwache Kernkraft und Elektomagnetismus nicht mehr zu unterscheiden. Viel höhere Energien sind uns in Beschleunigern noch nicht zugänglich, aber wir vermuten, dass bei sehr hohen Energien, wie es sie kurz nach dem Urknall gab, alle Kräfte eine einzige sind, die Urkraft.

kopplungskonstanten als funktion der energie

Noch ist es Physiker*innen nicht gelungen, elektroschwache Kraft, Elektomagnetismus und Gravitation einheitlich zu beschreiben.

Gravitation

Die Gravitation ist die schwächste aller Wechselwirkungen, Quintillionen Mal schwächer als die schwache Kernkraft. Sie äußert sich in der Anziehung zwischen Massen, hat eine unendliche Reichweite und lässt sich nicht abschirmen.

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Starke Kernkraft

Die starke Kernkraft ist für den Zusammenhalt der Bausteine von Atomkernen zuständig und wird über Gluonen (engl.: glue) übertragen. Sie ist zwar sehr stark, die Reichweite jedoch begrenzt, weshalb wir sie nicht direkt spüren.

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Elektromagnetismus

Der Elektromagnetismus ist verantwortlich für Licht, Elektrizität und Magnetismus. Er wird über Photonen übertragen und hat eine unendliche Reichweite. Seine Stärke wird Feinstrukturkonstante genannt.

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Schwache Kernkraft

Die schwache Kernkraft bindet nichts, sondern spielt bei Kernzerfällen eine Rolle. Auch wenn wir sie aufgrund ihrer geringen Reichweite nicht direkt spüren, spielt sie für uns eine große Rolle: die Sonne kann nur durch die schwache Kernkraft Licht und Wärme erzeugen.

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Könnten wir unseren Vorfahren zeigen wie ein Mensch auf dem Mond herumhüpft, wie wir mit unseren Gedanken Maschinen steuern oder todkranke Menschen heilen, dann würden sie uns für Gött*innen halten. Genauso wird es uns gehen, wenn wir mit CRISPR Menschen nach Maß formen, Asteroiden vom Kurs ablenken oder wie die Sonne Fusionsenergie nutzen – nur, dass wir uns rasant genug entwickeln, um alles zu erleben.

„Jede hinreichend fortschrittliche Technologie ist von Magie nicht zu unterscheiden.“
Drittes Clarkesches Gesetz

Meine Forschungen zur Chaostheorie

Einführung in die Chaostheorie, Darstellung meiner Forschungsergebnisse und Links zu Facharbeiten

Seit 2016 arbeite ich im Schülerforschungszentrum Nordhessen durchgängig an einem einzigen Projekt: Ich möchte Ordnung ins Chaos bringen, unser Verständnis der Regeln erweitern, nach denen chaotische Systeme funktionieren, zu denen für uns äußerst relevante Systeme wie etwa das Klima oder unser Sonnensystem gehören. Ich begann, ein selbstgebautes chaotisches Pendel schlicht optisch zu beobachten, nach Mustern in dessen Verhalten zu suchen und diese zu notieren. Später baute ich einen Schrittmotor ein und verfolgte die Bewegung des Pendels digital, was mir die Erstellung präziser Phasenraum-Messreihen ermöglichte, aus denen ich 2018 belastbare wissenschaftliche Schlussfolgerungen ziehen konnte. Dafür wurde ich 2019 vom hessischen Kultusministerium mit dem höchsten Preis des Landeswettbewerbs und dem 1.Platz der Kategorie Physik ausgezeichnet und gewann 1.Plätze auf internationalen Wettbewerben und China und Russland.

"Mit den gesammelten Daten lässt sich eindeutig nachweisen, dass sowohl innere Reibung als auch der Luftwiderstand das chaotische Verhalten ausbremsen. Das Ergoden-Theorem, welches besagt, dass irgendwann jeder energetisch mögliche Punkt des Phasenraumes auch beliebig nahe passiert wird, hat somit nur beschränkte Aussagekraft für unsere Realität."
Aus der schriftlichen Arbeit für den hessischen Landeswettbewerb

Große Physikerinnen, Physiker, Visionärinnen und Visionäre

Eine Auswahl meiner Vorbilder in der Physik und Technologie und ihrer Arbeit

Alle Beiträge zu Physik und Technologie

Ein Archiv all meiner Artikel zu Physik und Technologie

Physik und Technologie in der Schule

Deckblätter zu Physik und Technologie zum Download

Hygieneplänen aus Zeiten der Spanischen Grippe, Overheadprojektoren, die noch die Aufschrift “S.P.Q.R.” tragen und Karten, auf denen noch Aachen und Konstantinopel als Hauptstädte aufgeführt werden – oder wie man hier sagt: Schule und Technologie. Und auch bei Physik sieht es nicht viel besser aus, Naturwissenschaften haben ein großes Nachwuchsproblem, besonders bei nicht cis-männlichen Personen. Das ist kaum verwunderlich: Physik ist nicht Auswendiglernen und Anwenden einer Handvoll Formeln. Es gelingt derzeit in der Schule nicht, den Kerngedanken der Physik zu vermitteln, dass nichts “einfach so” passiert, sondern alles nach Naturgesetzen abläuft – und dass wir Menschen die Fähigkeit haben, diese Gesetze zu finden und mit ihnen jedes Phänomen im Universum zu erklären. Im Extremfall führt die zu anwendungsorientierte und oberflächliche Betrachtung in der Schule gar zu sachlich falschen Darstellungen, etwa beim Compton-Effekt. Trotz dessen möchte ich dich ermutigen, für Projektarbeiten ein technisch-physikalisches Thema zu wählen einen Beitrag zu leisten, dies populärer zu machen. Hier gibt es Deckblätter zu Physik und Technologie als PDF-Datei zum Download.

Nachrichten aus Physik und Technologie

Technologie- und Physik-News

Die häufigsten Fragen zu Physik und Technologie

Fragen über Physik und Technologie einfach erklärt

Was gehört alles zur Physik?

Vieles, eigentlich fast alles, gehört auf eine gewisse Weise zur Physik und es gibt auch keine allgemein gültige Einteilung. Häufig werden aber folgende fünf grundlegende Disziplinen der Physik benannt:
-Mechanik
-Thermodynamik
-Optik
-Elektrik
-Atomphysik
Jenseits dessen gehören zahlreiche interdisziplinäre Teilgebiete zur Physik, etwa die Astrophysik, die Biophysik und die Geophysik.

Wie arbeitet ein*e Physiker*in?

Ein*e Physiker*in arbeitet mit Methoden der theoretischen, experimentellen und angewandten Physik und versucht daraus auf allgemeinere Naturgesetze zu schließen, die mehrere Phänomene mit den gleichen Gesetzmäßigkeiten beschreiben. Um diese zu formulieren, arbeitet ein*e Physiker*in mit der Mathematik.

 

Was ist Physik einfach erklärt?

Physik ist einfach erklärt eine Naturwissenschaft, die verschiedenste natürliche Phänomene betrachtet und versucht, aus ihnen allgemein gültige Naturgesetze abzuleiten, die dann andere Phänomene in der Natur vorhersagen können.

Wer hat die Physik erfunden?

Keine einzelne Person hat die Physik erfunden. Bereits Philosophen im antiken Griechenland stellten physikalische Hypothesen über die Natur auf, doch die Grundlagen der klassischen Physik definierte erstmals Isaac Newton. Die moderne Physik hingegen ist wesentlich geprägt von den Leistungen Albert Einsteins auf dem Gebiet der Relativitätstheorie und Max Plancks, Werner Heisenbergs und Niels Bohrs auf dem Gebiet der Quantenmechanik. Jede*r Physiker*in baute stets auf den Leistungen der Vorfahren auf.

Wo kann man am besten Physik studieren?

Physik kann man an zahlreichen deutschen Universitäten studieren, zum Beispiel in Heidelberg, München, Frankfurt, Köln und Göttingen. In Österreich ist ein Physikstudium in Wien, Linz, Graz, Salzburg und Innsbruck möglich, in der Schweiz in Zürich, Basel und Bern.

Wie entsteht Energie?

Gar nicht. Energie kann weder entstehen, noch verschwinden, nur in andere Formen von Energie umgewandelt werden. So wandeln wir etwa die in fossilen Brennstoffen enthaltene chemische Energie durch Kraftwerke in elektrische Energie um und diese dann – zum Beispiel, wenn wir eine Lampe anschalten – in Licht- und Wärmeenergie.

Wie lautet die Relativitätstheorie?

Die Relativitätstheorie besagt, dass elementare physikalische Begriffe wie Raum, Zeit und Masse nicht absolut, also immer gleich, sondern relativ, also vom Zustand des der Beobachterin oder des Beobachters abhängig sind. So ticken bewegte Uhren aus der Sicht einer oder eines Stillstehenden langsamer, bewegte Objekte wirken kürzer und bewegte Massen werden massereicher.

 

Was genau ist Quantenmechanik?

Die Quantenmechanik beschreibt die Verhalten und Eigenschaften mikroskopischer Objekte. Im Mikrokosmos passieren nämlich seltsame Dinge, so können gewisse Größen nicht jeden beliebigen Wert annehmen, sondern nur zwischen diskreten Werten springen und Teilchen haben keinen bestimmten Ort, sondern lediglich Aufenthaltswahrscheinlichkeiten.

Was ist der Unterschied zwischen Technologie und Technik?

Als Technik wirt einfach die Gesamtheit aller digitaler und manueller Objekte bezeichnet, die vom Menschen hergestellt werden und das für ihre Herstellung und Verwendung nötige Können und Wissen. Die Technologie hingegen ist die Wissenschaft von der Technik, sie beschäftigt sich also mit den materiellen Grundlagen der Technik und ihres Produktionsverfahrens. Dadurch, dass sowohl “Technik” als auch “Technologie” im Englischen meist “technology” genannt werden und das Wort “technics” kaum gebräuchlich ist, nutzen viele die Wörter auch in der deutschen Sprache synonym. Wenn man von einer “neuen Technologie” spricht, dann ist beispielsweise eigentlich ein neues technisches Objekt gemeint.

Wie lautet die Relativitätstheorie?

Die Relativitätstheorie besagt, dass elementare physikalische Begriffe wie Raum, Zeit und Masse nicht absolut, also immer gleich, sondern relativ, also vom Zustand der beobachtenden Person abhängig sind. So ticken bewegte Uhren aus der Sicht einer oder eines Stillstehenden langsamer, bewegte Objekte wirken kürzer und bewegte Massen werden massereicher.

 

Was genau ist Quantenmechanik?

Die Quantenmechanik beschreibt die Verhalten und Eigenschaften mikroskopischer Objekte. Im Mikrokosmos passieren nämlich seltsame Dinge, so können gewisse Größen nicht jeden beliebigen Wert annehmen, sondern nur zwischen diskreten Werten springen und Teilchen haben keinen bestimmten Ort, sondern lediglich Aufenthaltswahrscheinlichkeiten.