1.1 Vorstellung Physik

1.1.1 Name of the Game

Der Name Physik leitet sich aus dem griechischen Wort φύσις (audio abspielen physis) ab, das „Natur“ bedeutet. Der griechische Gelehrte Aristoteles betitelte eine seiner Schriften über Naturlehre mit dem Namen physika. Auch wenn der Begriff in der Antike und im Mittelalter vorkommt, unterscheidet sich die Physik der Neuzeit mit ihrer naturwissenschaftliche Methode wesentlich von der Naturphilosophie früherer Jahrhunderte.

1.1.2 Wo begegnet uns Physik im Alltag?

In der Natur beschreibt die Physik zum Beispiel die Entstehung von Regenbögen, Blitzen und Erdbeben, die Flugbahnen von Raumsonden und Elementarteilchen, die Bindung von Atomen und Molekülen, die Geburt und den Tod von Sternen.

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Bild 1.1: Verschiedene Beispiele physikalischer Phänomene

In der Technik liefert die Physik die Grundlagen zur Elektrifizierung, zur Klimaanlage, zur Magnetresonanztomographie, zu integrierten Schaltkreisen, zu Photovoltaik und zu Kernwaffen, um nur einige wenige Beispiele zu nennen.

Die Aussage „in allem steckt Physik“ mag jetzt etwas überheblich klingen. Aber versuche doch einmal irgendein Phänomen aus der Natur oder irgendein Gerät aus deinem Alltag zu finden, bei dem Physik keine Rolle spielt. Und daher ist es auch nicht verwunderlich, dass Physikerinnen und Physiker sogar auf der Suche nach einer Theory of Everything sind.

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1.1.3 Naturwissenschaftliche Methode

Physikerinnen und Physiker beobachten zunächst die Natur oder den Ausgang von Experimenten. Mit Hilfe dieser Beobachtungen und Messungen versuchen sie ein (meist aus mathematischen Formeln bestehendes) Modell der Natur zu formulieren (Hypothese). Mit diesen Modellen wird versucht den Ausgang von neuen Experimenten vorherzusagen. Zeigt sich die Vorhersage bei der Durchführung des Experiments, wird das Modell bestätigt. Widerspricht die Vorhersage dem Ausgang des Experiments, muss das Modell verbessert, erweitert oder manchmal sogar durch ein neues Modell ersetzt werden. Sehr erfolgreiche Modelle werden schließlich zu physikalischen Gesetzen (Naturgesetzen). Diese Art zu Erkenntnissen zu kommen, nennt man naturwissenschaftliche Methode (engl. Scientific method). Als Begründer gilt der italienische Gelehrte Galileo Galilei, der sie um 1600 bei seinen Forschungen verwendete. Bis heute findet der Erkenntnisgewinn in der Physik nach dieser Methode statt.

1.1.4 Gedankenexperimente

Bei der Entwicklung von neuen Modellen oder zur Widerlegung von bestehenden Modellen verwenden Physikerinnen und Physiker am Anfang oft sogenannte Gedankenexperimente (engl. thought experiment), also „Was wäre, wenn“ Überlegungen im Kopf.

Hier ein Beispiel: Das Bild 1.2 zeigt Galileis Gedankenexperiment zu frei fallenden Körpern. Angenommen, du hast zwei Körper, einer leichter (1) als der andere (2). Angenommen, der schwerere Körper fällt schneller. Wenn du den leichtere Körper jetzt unter den schwereren Körper (3) legen, sollte der leichtere Körper den Fall des schwereren Körpers verlangsamen. Wenn du andererseits aber beide Körper zusammenklebst, entsteht ein noch schwereren Körper (3), der noch schneller fallen sollte als (1) und (2). Der Widerspruch beweist (durch reductio ad absurdum), dass die Annahme falsch sein muss.

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Bild 1.2: Gedankenexperiment: Frei fallende Körper

Führt ein Gedankenexperiment zu einem neuen Modell, muss es natürlich durch reale Experimente überprüft werden.

1.1.5 Unterschied zwischen mathematischen Lehrsätzen und physikalischen Gesetzen

Physikalische Gesetze (engl. physical law) und mathematische Lehrsätze (engl. mathematical theorem) unterscheiden sich grundlegend. Ein mathematisches Gesetz, wie zum Beispiel der Lehrsatz des Pythagoras, braucht nur ein einziges Mal bewiesen zu werden und ist damit für alle Zeiten gültig. Ein physikalisches Gesetz dagegen kann nie endgültig bewiesen werden. Es kann nur durch ein konkretes Experiment widerlegt werden (Falsifizierung).