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Saturday, December 3, 2022

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

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

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

Alle Beiträge zu Physik und Mathematik

Ein Archiv all meiner Artikel zu Physik und Mathematik

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.

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.