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Saturday, January 28, 2023

Physik und Mathematik - mein Forschungsprojekt zum Quantenchaos

Berichte zu meinem Forschungsprojekt, Links zu Facharbeiten und physikalische Essays

Physik und Mathematik. Ich liebe die Physik. Ich müsste diesen inneren Trieb, dem Universum in die Karten zu schauen, schon aktiv unterdrücken, um meine Existenz etwas anderem als der Physik zu widmen. Ich kenne nichts Befriedigenderes als dass alles, was in unserem Kosmos passiert – seien es die biochemischen Abläufe in unserem Gehirn, die Liebe, Freude, Trauer und Wut verursachen oder aber die Bewegung von Galaxienhaufen – Gesetzen folgen, die nicht gebrochen werden können, sich niemals ändern, überall gleich sind und keine Ausnahmen kennen. Naturgesetze. Wir Menschen sind Teil des Kosmos und genau deshalb müssen wir Physik betreiben: Über uns versteht der Kosmos sich selbst.

Definition Physik und Technologie

Die Physik ist die naturwissenschaftliche Erforschung der Grundgesetze der Natur wie etwa der Erscheinungs- und Zustandsformen von Materie, Strahlung und Kraftfeldern, vor allem durch messende Erfahrung. Die Sprache, in welcher der Bauplan des Kosmos verfasst wurde, ist die Mathematik.

Wenn wir wüssten, was wir tun, würde das nicht Forschung heißen, oder?
Albert Einstein
physik und mathematik 2 Zum Artikel

Newsblog: Jasons Forschung zur Chaostheorie

In diesem Beitrag halte ich euch über mein Forschungsprojekt zur Chaostheorie, aktuelle Erkenntnisse und meine Pläne für die Zukunft auf dem Laufenden.

Seit 12.016 HE forsche ich im Schülerforschungszentrum Nordhessen zur Chaostheorie. Noch als Grundschüler begann ich, die Schwingungen eines selbstgebauten chaotischen Pendels in Phasenraum-Diagrammen zu untersuchen, anhand dessen Aussagen wie bspw. Ludwig Boltzmanns Ergodentheorem zu prüfen und die Schwingungen durch geometrische Veränderungen von Volumina in diesem Phasenraum zu interpretieren. Dafür beschäftigte ich mich mit fraktalen Dimensionen, also Oberflächen, die derart in sich verschachtelt sind, dass sie Eigenschaften von Körpern aufweisen. Aktuell widme ich mich einer mikroskopischen Betrachtung des Phasenraums und versuche dabei quantenmechanische Phänomene durch fraktale Geometrie zu rekonstruieren. Mein Projekt habe ich bereits mit Erfolg bei Jugend forscht, den russischen Vernadski-Lesungen und der Bejing Youth Science Creation Competition vorgestellt.

"Es ist gelungen, den Weg ins Chaos anhand der Entwicklung der Attraktortopologie abzubilden und auf diese Weise scheinbar bei zufälligen 𝜇-Werten stattfindende qualitative Systemänderungen auf den Umschlag des Ljapunow-Spektrums und dessen Einfluss auf den Attraktor zurückzuführen. Dies ermöglicht ein neues Verständnis sensitiver Abhängigkeit sowie die Abschätzung der Aussagekraft der Attraktordimension in Simulationen."
Aus der schriftlichen Arbeit für das Bundesfinale von Jugend forscht

Beiträge zu Physik und Mathematik

Auswahl der wichtigsten Artikel zu Physik und Mathematik

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

Große Physiker*innen und Mathematiker*innen vorgestellt

Physik und Mathematik in der Schule

Deckblätter zu Physik und Mathematik 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.

Download Physik Deckblatt
Download Technologie Deckblatt

Nachrichten aus Physik und Mathematik

Mathematik- und Physik-News

Die häufigsten Fragen zu Physik und Mathematik

Fragen über Physik und Mathematik 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.