Können wir Bilder gefahrlos ändern?

BLOG: Quantenwelt

Gedanken eines Experimentalphysikers
Quantenwelt

Nebenan in Graue Substanz hat Markus A. Dahlem eine Diskussion zum Karlsruher Physikkurs angestoßen, die Markus Pössel in Relativ Einfach aufgegriffen hat. Ich möchte hier kurz auf einen Aspekt eingehen, den ich bemerkenswert finde und der schon hin und wieder Thema in diesem Blog war. Wie finden wir eigentlich die richtigen Bilder um Physik zu erklären? Können wir diese Bilder gefahrlos ändern und gehören sie eigentlich zur Physik?

Im von Markus A. Dahlem verlinkten Thesenpapier von Karsten Rincke findet sich folgende Passage (PDF, Seite 5):

Gleichzeitig haben die Gutachter im Verlauf der Diskussion in zentralen Punkten anerkannt, dass die sich aus den vorgeblichen fachlichen Falschbehauptungen der Lehrbücher ergebenden formalen Beschreibungen, vulgo Formeln, in letzter Konsequenz nicht von tradierten und breit anerkannten Beschreibungen unterschieden. Wenn sich die formalen Beschreibungen nicht unterscheiden, worum dreht sich dann die Kontroverse? Es sind die gedanklichen Bilder zu den formalen Beschreibungen, die in den KPK-Lehrbüchern als Bedeutung-stiftend entworfen werden

Rincke unterscheidet hier die formalen Beschreibungen, also die Formeln nach denen sich physikalische Zusammenhänge berechnen lassen, strikt von den zugrundeliegenden Bildern. Die richtige Physik, so die Argumentation, steckt in den Formeln. Die Bilder können beliebig geändert werden ohne dass sich die Physik ändert. Ist das so? Dann wäre ja die Spezielle Relativitätstheorie 1905 keine neue Theorie gewesen, denn sie kommt auf dieselben Formeln wie die Lorentzsche Äthertheorie. Unglücklicher Weise benutzt der Karlsruher Physikkurs tatsächlich sowas wie eine Äthertheorie um Schülerinnen und Schülern Elektrodynamik zu lehren.

In Abschnitt 1.12 findet sich der Satz: “Den unsichtbaren Stoff, aus dem das Feld besteht, nennen wir Feldstoff.” Das Konzept des Feldstoffes ist keine neue Erfindung der Autoren des Karlsruher Physikkurses. Es ist ein altes Konzept, das aus vielen Gründen verworfen werden musste. Einer ist der Erfolg der speziellen Relativitätstheorie. Ein anderer ist, dass dieser feinstoffliche Feldstoff merkwürdige Eigenschaften haben müsste, die sich nicht so einfach mit klassischer Physik in Einklang bringen lässt. Er müsste durch alle Materie hindurchgehen, zugleich aber fest sein, um transversale Lichtwellen transportieren zu können.

Der Feldstoff im Karlsruher Physikkurs hat den Charm, dass sich damit erklären lässt, warum das Feld einer Punktladung mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt. Der Feldstoff müsste von der Quelle des Feldes ausgehen und dünnt dann mit zunehmendem Abstand aus, weil ja die gleiche Feldstoffmenge durch eine Quadratisch wachsende Kugelschalenfläche fließt. Das ist der Gaußsche Satz, den Schülerinnen und Schüler natürlich kennen lernen sollen. Aber mit dem Feldstoff tun sich jede Menge unbeantwortbare Fragen auf. Wo kommt der Feldstoff her? Fließt er von Pluspol zum Minuspol oder umgekehrt? Warum beschleunigt er Ladungen  in unterschiedliche Richtungen und zieht sie nicht einfach mit sich mit? Warum spürt man keinen Feldstoffwind und kann keinen Widerstand analog zum Luftwiderstand messen?  All diese Fragen stellen sich im modernen Bild vom polarisierbaren Vakuum nicht und dabei erklärt es gleich noch so manche Eigenschaft von Licht.

Ich denke, der Karlsruher Physikkurs leistet den Schülerinnen und Schülern einen Bärendienst, wenn er ihnen ein Konzept vom elektrischen Feld vermittelt, wie es heute höchstens noch in esoterischen Kreisen gelehrt wird. Und ich bin überzeugt, dass die gedanklichen Bilder fester Bestandteil von Physik sind. Sie dürfen nicht von den Formeln getrennt werden, Physik ist mehr als angewandte Mathematik.

Joachim

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Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

11 Kommentare

  1. Und ich bin überzeugt, dass die gedanklichen Bilder fester Bestandteil von Physik sind. Sie dürfen nicht von den Formeln getrennt werden, Physik ist mehr als angewandte Mathematik.

    Klingt gut, die Physiklehre betreffend, vielen Dank für diese Nachricht.

    MFG
    Dr. W (der ganz am Rande, und um nicht als reiner Claquer zu gelten, darauf hinweist, dass ‘Charme’ auch ginge)

  2. Der Feldstoff wird in der KPK-Elektrodynmaik 11 Mal erwähnt, wobei von seiner Dichte und Zugrichtung und der darin enthaltenen Energie gesprochen. Die mechanische Spannung unter der der Feldstoff stehe sei die Grundlage für Impulsströme im Feldstoff. Der Feldstoff dient als Grundlage für die Definition des Feldstärkevektors, wobei die Länge des Feldstärkevektors der Dichte des Feldstoffs und die Richtung des Felsdstärkevektors der Zugrichtung des Feldstoffs entspricht.
    Damit ist der elektrische bezugsweise magnetische Feldstoff also ein Stoff variabler Dichte, der unter Spannung steht und Energie enthält und an dem man die elektrischen (magnetischen) Feldstärken und Feldlinien ablesen kann. Das ist aber auch alles was im KPK steht, das ist quasi die Positivliste von Eigenschaften des Feldstoffs. Die Frage ist nun ob die Erwähung eines Feldstoffes einen Bezug zur Festkörperphysik herstellt und damit Bilder aus der Mechanik in ungerechtfertigter Weise in die Elektrodynamik herübertransportiert.

    In vielem entsprechen die Bilder des KPK-Elektrodynamikkurses aber den Bildern des konventionellen Eletkrodynamik-Kurses: Es kommen Feldlinien und Feldflächen vor und sie werden für typische Situationen wie den Dipol oder den Plattenkondensator dargestellt und diskutiert. Der Gaussche Satz ergibt sich für eine Punktladung übrigens anschaulich aus den Feldlinien, die in der Punktladung entspringen und die in immer der gleichen Zahl verschien weit entfernte Kugeloberflächen um die Punktladung herum durchringen. Einen Feldstoff braucht es dazu nicht und er wird im KPK auch nicht herangezogen um den Gaussschen Satz zu erklären. Dies zu

    Der Feldstoff im Karlsruher Physikkurs hat den Charm, dass sich damit erklären lässt, warum das Feld einer Punktladung mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt. Der Feldstoff müsste von der Quelle des Feldes ausgehen und dünnt dann mit zunehmendem Abstand aus, weil ja die gleiche Feldstoffmenge durch eine Quadratisch wachsende Kugelschalenfläche fließt.

    Ich stimme aber zu, dass der “Feldstoff” falsche Assoziationen wecken kann. In der Tat kann man sich fragen ob etwas so “sinnliches” wie ein Feldstoff hilft Felder zu verstehen und ob er nicht eher falsche Vorstellungen aktiviert.

    • @ Martin Holzherr “Der Gaussche Satz ergibt sich für eine Punktladung übrigens anschaulich aus den Feldlinien”

      Wo kommen denn die Feldlinien her? Die sind doch wirklich nur eine Veranschaulichung eines Vektorfeldes. In der aktuellen Physik wahlweise der elektrischen Feldstärke oder der dieelektrischen Verschiebungsdichte. Im KPK müssten sie dann eine Veranschaulichung der Dichte des Feldstoffes sein.

      Ich sehe in Ihren ersten beiden Abschnitten bereits eine Unklarheit: Ist jetzt die Dichte des Feldstoffes für das Feld zuständig oder dessen Verzerrung. Nähme man einen gleichverteilten Feldstoff an, dessen Verzerrung für Felder sorgt, käme man den Vakuumpolarisation ja schon nahe. Mit der Feldstoff-Dichte sind wir komplett auf dem Holzweg,

  3. Es war bereits Heinrich Hertz klar, dass man nur konsistente Bilder verwenden darf. Dies hat er in seinem berühmten Satz, den man auf der Oberstufe auch Schülern vermitteln sollte, formuliert:

    “Wir machen uns innere Scheinbilder oder Symbole der äußeren Gegenstände, und zwar machen wir sie von solcher Art, dass die denknotwendigen Folgen der Bilder stets wieder Bilder seien von den naturnotwendigen Folgen der abgebildeten Gegenstände.”

    Natürlich fangen damit die Probleme erst an. Als ich mit unserem Schuldekan (evang. Religion) über
    dieses Zitat sprach, meinte dieser nur: “Und wie kann man die verschiedenen Kategorien, also denknotwendig, naturnotwendig usw. streng auseinander halten?”

    Aber es ist zumindest klar, dass Bilder, die elementaren naturwissenschaftlichen Prinzipien widersprechen, nicht zulässig sind. Vektoren müssen sich wie Vektoren transformieren. Ein “Strom”
    kann nicht zusammen mit dem Koordinatensystem seine Richtung ändern.

    Leider verhalten sich die KPK-Protagonisten dann, wenn sie sich mit traditioneller Physik beschäftigen, völlig anders, als wenn sie KPK-Positionen vertreten.
    R.v.Baltz schreibt z.B. in seiner Elektrodynamik-Vorlesung ( 1998/99): “Die magnetische Ladung hätte jedoch die bemerkenswerte Eigenschaft, dass sie bei Spiegelung am Nullpunkt des Koordinatensystems ihr Vorzeichen ändert !! Eine pseudoskalare physikalische Größe ist jedoch in der klassischen Physik bisher nirgends aufgetaucht…. ”
    Dies hält ihn aber nicht davon ab, bei Rincke magnetische Ladungen zu verteidigen.

    • @W. Herzog:
      Zustimmung: Ein Strom der die Richtung mit dem Koordinatensytem ändert ist etwas ganz hässliches, denn das bedeutet, dass es keinen materiellen Träger des Stroms geben kann, keine Elektronen oder Stoffmoleküle. Dabei kommt die Stromvorstellung meist aus der Vorstellung eines Flüssigkeits- oder allgemein Fluidstroms und solch ein Strom ist unabhängig vom Koordinatensystem.
      Ihr Einwand

      Bilder, die elementaren naturwissenschaftlichen Prinzipien widersprechen, sind nicht zulässig. Vektoren müssen sich wie Vektoren transformieren. Ein “Strom”
      kann nicht zusammen mit dem Koordinatensystem seine Richtung ändern.

      ist sehr überzeugend. Der KPK behauptet ja immer seine Stärke seien die Analogien. Nichts aber ist schlimmer als falsche Analogien.

    • Wir machen uns innere Scheinbilder oder Symbole der äußeren Gegenstände, und zwar machen wir sie von solcher Art, dass die denknotwendigen Folgen der Bilder stets wieder Bilder seien von den naturnotwendigen Folgen der abgebildeten Gegenstände.

      Wenn statt ‘naturnotwendig’ ‘naturlehrennotwendig’ gestanden hätte, wäre diese Aussage völlig klar.

      In etwa so wie die Physik nicht die Natur meint, sondern die Naturlehre, so dass vielleicht besser von der Physiklehre geschrieben oder gesprochen werden könnte.

      MFG
      Dr. W

    • Naja, Heinrich Hertz war halt noch ein Naturwissenschaftler des 19. Jahrhunderts. Da wurde noch nach absoluten Wahrheiten und Denknotwendigkeiten gesucht. Der Konstruktivismus kam erst später.

      Aber auch als Konstruktivist muss ich darauf achten, dass die Konstruktionen, die ich mir von der Welt mache, konsistent sind. Das Feld kann nicht mal Feldstoff, mal Feldlinien und ein anderes Mal Pfeile im oder Polarisation des Vakuums sein. Pfeile und Feldlinien als Bilder finde ich praktisch, aber es ist noch praktischer zu wissen, für was diese Bilder stehen.

  4. Elektrische+Magnetische Felder werden auf dem Schulniveau welches der Karlsruher Physikkurs anvisiert immer so erklärt, als ob sie quasi im Raum fixiert werden. Bei elektrischen Feldern bestimmt also die Ladungsverteilung das Feld und zwar instantan.
    Das kann natürlich nicht stimmen, denn jede Wirkung kann sich nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Wie das genau geschieht ist wahrscheinlich höhere Physik. Selber habe ich mir das einmal so vorgestellt, dass feldvermittelnde Teilchen von den Ladungen ausgehend sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, wobei sie sich wie eine inkompressible Flüssigkeit verhalten, denn das würde dann genau die Abnahme der Feldstärke mit dem Quadrat vom Abstand der Puntkladung erklären. Das ist also ein Bild das ich mir selber gemacht habe, das aber mit grosser Wahrscheinlichkeit ziemlich falsch ist. Das Bild ist sehr ähnlich zu dem was oben im Text so erklärt ist: “Der Feldstoff im Karlsruher Physikkurs hat den Charm, dass sich damit erklären lässt, warum das Feld einer Punktladung mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt. Der Feldstoff müsste von der Quelle des Feldes ausgehen und dünnt dann mit zunehmendem Abstand aus, weil ja die gleiche Feldstoffmenge durch eine Quadratisch wachsende Kugelschalenfläche fließt.” Trotzdem hilft mir persönlich dieses Bild. Vielleicht hilft ja auch das Stoffbild des Karlsruher Physikkurses den Schülern obwohl es falsch ist. Ich denke allerdings dass es sich nicht lohnt ein so kompliziertes Feldstoffbild aufzubauen (mit Dichteverteilung und Spannung) wie es der Karlsruher Physikkurs macht, wenn das Bild letztlich doch falsch ist und zu falschen Schlussfolgerungen führt.

  5. Die Kommentarfunktion im vorherigen Artikel funktioniert nicht richtig. Dies ist ein Test.
    @Chrys
    Seien also A und B wieder zwei S’-synchrone Uhren, wobei die Anzeige t’ = 0 der Uhr A mit der S-Systemzeit t = 0 koinzidiere. Unter diesen Annahmen koinzidiert die Anzeige t’ = 0 der Uhr B genau dann mit der S-Systemzeit t = 0, wenn A und B auch S-synchron sind.
    Bravo! Jetzt haben Sie die Angelegenheit verstanden! Schauen Sie sich noch Einsteins Fig. 36 an: Dort sind alle Uhren in S synchron und zeigen die Systemzeit t=0 an. Nicht nur die Uhren A und B, sondern alle Uhren in S’ zeigen die Systemzeit t’=0 an. Folglich sind sämtliche Uhren in S und S’ zu diesem Zeitpunkt synchron und zeigen t=t’=0 an, in völliger Übereinstimmung mit Einsteins § 1 und mit meiner Ergänzung in Fig. 2.

    Offenbar “zerschießt” die Konsequenz aus Einsteins § 1 den “Ballon” LT, den Einstein unüberlegt und kritiklos in § 3 von Voigt abgeschrieben hatte. Man muss Einstein zugute halten, dass er wenigstens im Jahr 1938, vielleicht mit Infelds Hilfe, den Widerspruch bemerkt hat.

    Warum wollen Sie eigentlich nicht selbst einen Kommentar in Physics Essays schreiben? Die Herren Poessel und Schulz werden es nicht tun, denn sie wissen sehr gut, dass meine Argumentation für rational denkende Menschen unwiderlegbar ist. Bei Anhängern des “Relativitäts-Evangeliums” (Sommerfeld 1920) mag das anders sein.

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