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Was ist 'Physik'?

 

16.03.09

Da hat jemand - offenbar ein Schüler -  kürzlich im “gutefrage.net”-Forum die naive Frage gestellt: “könnt ihr mir die bedeutung von Physik erklären??? - Und als Untertitelzeile noch: “was ist Physik also die bedeutung das es ein unterrichtsfach ist weiß ich”. Als Antworten kam als erstes eine dürre Zeile “Physik ist die Lehre von Aktion und Reaktion” und dann als zweites ein wörtlich abgeschriebener erster Abschnitt aus einem Artikel aus der Wikipedia und drittens einfach noch ein anderer Link zum Selbstverständis des Unterrichtsfachs, wobei tatsächlich auch hier die Frage gestellt wurde “Was ist Physik”?. In beiden Fällen (Wikipedia & Unterrichtsfach) wurde meines Ermessens kein Versuch gemacht, der Frage einen tieferen Erklärungs-Sinn zu verleihen. Bei den Lehrern hieß es lediglich  kurz und knapp: “In der Physik werden Naturphänomene sowie Aufbau und Eigenschaften der Materie und des Universums modellhaft beschrieben”. In der Wikipedia gehts erst mal griechisch los um dann zu sagen: “...ist die grundlegende Naturwissenschaft in dem Sinne, dass die Gesetze der Physik alle Systeme der Natur beschreiben.”

Das hat mich dazu angeregt, mal einen eigenen Versuch zu starten, den ich nunmehr darlegen will. - Aber vorweg noch Folgendes: Es ist leicht, mit unproduktiver Häme über diese Überlegungen herzufallen! Doch in Anbetracht der Feigheit und Dürre der oben angeführten Artikel wäre es meiner Ansicht nach eine Sache der Fairness, diesen meinen Gedanken eine Chance zu geben, statt sie zu verurteilen. “Besser irgendeine Hypothese, als gar keine Hypothese!” (frei, oder sogar wörtlich, nach Popper).

Ich schrieb:

Gute Frage! Da Du meines Erachtens niemanden finden wirst, der was anderes als irgendwelche Aufzählungen leistet, die aber im Grunde nix erklären, werde ich Dir nun eine ungewöhnliche Sichtweise darlegen, die sich in mir seit über 30 Jahren allmählich rauskristallisiert hat.

Meine eigene philosophische Sichtweise auf den Sachverhalt sieht in einer groben Skizze folgendermaßen aus: Irgendwann bei den alten Ägyptern (um 2000 v.Chr.) wurde eine gewisse Transformationslogik für Feldvermessung entdeckt, indem man unterschiedliche Flächenstücke als gleich groß damit erkennen konnte. Dazu diente das, was die Griechen später Geometrie nannten (Vermessung der Erdoberfläche, Landvermessung). Die alten Griechen verselbständigten diese Transformationslogik der konstanten Flächen und entwickelten sie weiter. Dabei bemerkten sie, daß es sowas gibt wie Logik im Sinne von Beweisführungen. Nachdem durch Euklid (330 v.Chr.) mit Hilfe von Beweisführungen die Mathematik, als verallgemeinerte Geometrie, zu einem System etabliert wurde, konnte darauf fußend, erkannt werden, daß sich nicht nur die konstant bleibenden ebenen Flächen (oder Rauminhalte) logisch-mathematisch verhalten, sondern auch noch andere Weltgegebenheiten, wie z.B. Archimedes (250 v.Chr.) mit seinen Hebelgesetzen zeigte. Daran konnte später Galilei (um 1623) anknüpfen, der explizit behauptete, daß das Buch der Natur in einer mathematischen Sprache geschrieben sei. Dies wurde dann von Newton (1687) weiter ausgebaut und systematisiert in seinem berühmten Werk: "Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie". Das war die eigentliche Geburtsstunde der (mathematischen) Physik.

Meiner Ansicht nach redet die Natur deswegen in einer mathematischen Sprache, weil es sich bei den in der Physik benutzten mathematischen Gleichungen um Umformungen des Gleichen handelt. Aber was ist das Gleiche in der Physik? Die Umformung des Gleichen findet beim Energie-Erhaltungs-Satz statt, der als mathematisch exakte Umformuung des Gleichen (nämlich verschiedener Energiearten ineinander) zuerst von Robert Mayer erkannt wurde (1842). Deshalb ist meiner Ansicht nach die Grundlage der mathematischen Physik der Energie-Erhaltungssatz. Oder, wie es Robert Mayer aus der Antike übernahm: Nichts wird aus Nichts und Nichts wird zu Nichts. M.a.W. es bleibt alles irgendwie (in äquivalenten mathematischen Maßverwandlungen) erhalten. Dies genauer und in all seinen Details zu erforschen, bezeichnet man meiner Ansicht nach als Physik. (Wobei ich hierbei die Chemie als Teilgebiet der Physik ansehe).

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Ob der Schüler das überhaupt gelesen hat, und wenn, damit mehr anzufangen wußte als mit dem Lehrplanvorwort und dem Wikipedia-Artikel über Physik, darf füglich bezweifelt werden.  Doch ging es mir eher darum, die Gelegenheit beim Schopf zu fassen, um mich mal selber diesbezüglich schriftlich zu artikulieren. In der Hoffnung natürlich, daß irgendwo der Samen dieser Überlegungen mal aufkeimen würde und jemanden zum weiteren Nachdenken anregt.

Es handelt sich um ein grobes hypothetisches Konstrukt, das in allen seinen Teilaspekten der genaueren Überprüfung bzw. Differenzierung bedarf. Insbesondere, wie die physikalischen Gleichungen im Einzelnen mit dem Energieerhaltungssatz zusammenhängen. Und auch die Frage, inwieweit implizit schon, sowohl bei der euklidischen Geometrie als auch bei den Hebelgesetzen, als auch bei Galilei und Newton die Energieerhaltung eine Rolle spielte.

Beispielsweise kann man bei der Flächeninhaltsgeschichte der Erdvermessung lediglich von einer Art Substanzerhaltung reden, insofern als die Flächen konstant geblieben sind und nicht ständig sich gummiartig verzerrt haben. Also hätte es die Mathematik selber, zumindest die Geometrie, erst einmal mit Substanzerhaltung (im allgemeinsten Sinne) und -Umwandlung zu tun und nicht speziell mit Energieerhaltung und Energie-Umwandlung.

Aber auch diese Hypothese müßte natürlich genauer untersucht werden: Hat es die Mathematik grundsätzlich mit Substanz-Erhaltung (im allgemeinsten Sinne) und deren verschiedenen Umwandlungen zu tun? Da der hier verwendete Begriff von Substanzerhaltung wesentlich allgemeiner ist als der Begriff Energieerhaltung, wäre damit auch erklärbar, warum die Mathematik wesentlich umfassender ist als die mathematische Physik, sonst würden ja - nach meiner Hypothese - Mathematik und Physik ineinander übergehen können ohne Rest.

Ich meine hier Substanzerhaltung in einem analogen (keineswegs im gleichen) Sinne, wie dieselbe in früheren Zeiten (vor der Atomphysik) in der Chemie gesehen wurde: Substanzerhaltung bei chemischen Umsetzungen (1648, Van Helmont) oder Lomonossov: “Gesetz von der Erhaltung des Stoffes” (1748), “Massenerhaltung” bei Lavoisier (1774).

Angeblich ist nach Aristoteles Substanz dasjenige, das als dasselbe beharren kann und wechselnde Eigenschaften annehmen kann. So ungefähr verwende ich diesen Begriff hier, wobei Substanz nicht notwendigerweise was real-Materielles zu sein braucht. Es reicht das absolute, vielleicht gar nicht in normale Worte faßbare, Hirngespinst von etwas Konstantem, das sich beliebig verwandeln läßt, jedoch ohne daß was dabei verloren geht: die Umwandlung muß ‘logisch’ vor sich gehen (was einen interessanten Blick auf die Logik freisetzt). Sobald das gewährleistet ist, kann die Mathematik sich auf die exotischste Weise zur Blüte aufschwingen - behaupte ich mal dreist - und diese dreiste Vermutung will natürlich überprüft sein!

Wozu ich selber wohl kaum in der Lage bin, da ich nicht noch mal hundert relativ gesunde Jahre lebe, und eigentlich ganz andere Interessen habe, als dieses. Trotzdem interessiert mich das Thema - und ab und zu komme ich immer mal wieder drauf zurück.

 

Anmerkung Feb. 2010

Kürzlich ist mir ein interessanter Aufsatz von Ernst Mach in die Hände gefallen. Er nennt sich “Über das Prinzip der Erhaltung der Energie” und ist das 12. Kapitel seiner “Populärwissenschaftlichen Vorlesungen”. Darin geht Mach - ebenfalls wie ich, natürlich ungeheuer viel wissender und konkreter, davon aus, daß an der Wiege der modernen Physik seit Galilei der Energieerhaltungssatz in verkappter Form (quasi hintenrum, versteckt, indirekt) schon Pate stand - und zwar vor allem in der Form der Annahme der Unmöglichkeit des Perpetuum Mobile. Daß deshalb die Physik mathematisch wurde, darüber macht er allerdings keine Angaben. - Interessant ist auch insbesondere, wie ab 1850, nach der expliziten Ausformulierung des Energieerhaltungssatzes, das gesamte physikalische Begriffsystem demselben zugeordnet bzw. entsprechend umgewandelt wurde. - Ich nehme an, wenn man das in seinen Einzelheiten kapiert hat, dann erst hat man angefangen, Physik im eigentlichen Sinne zu verstehen.