Imfeld Stiftung
       Gesellschaft und System-Dynamik                    
       psychosoziale Prävention                 

       verantwortliches Handeln gelingt besser
                                     wenn wir fähig sind andere Standpunkte zu erkennen    
 

Der Grundgedanke der folgenden Darstellungen liegt darin:

Zu einem Zeitpunkt seiner individuellen Biographie, wo dieser Mensch in seiner Entwicklung fähig ist, grundlegende Vorstellungen der aktuellen Naturwissenschaft, insbesondere der Physik, erstmalig nachzuvollziehen, zu diesem Zeitpunkt sollten Schulsysteme solche aktuelle Vorstellungen vermitteln, statt - wie es im Allgemeinen immer noch der Fall ist - , mit geschichtlich überholtem Schulmaterial zu arbeiten.

Ein beachtliches Hindernis können mathematische Denkprozesse sein - doch auch Mathematik stützt sich auf noch nicht formalisiertes Denken, d.h. Vorstellungen über Wirklichkeit. Wir dürfen Schülern nicht suggerieren, alles materielle Sein bestehe aus Gegenständen, wie diese im Alltag direkt und spontan sinnlich erlebbar sind.

Ein spezielles Problem entsteht also durch, z.B. durch inadequaten Umgang mit der molekularen physikalischen, chemischen mikrobiologischen Wirklichkeit.


 Wenn qualitatives Denken über physikalische Grundlagen als notwendiger pädagogischer Schritt erachtet werden sollte, bedeutet dies nicht zwingend, dass bei solchen Schritten nicht darauf hingewiesen wird, in welchen heute als beschränkte Erfahrungbereiche erkannten Fällen solche historisch dagewesenen Ideen entstanden sind und später, historisch wissenschaftlich überholt wurden. Ohne Hinweis auf dessen geschichtliche Limitierung kann solches Schulmaterial kaum verantwortungsvoll gebraucht werden.

Naturwissenschaft war immer auf dem Weg zur Wahrheit und verändert sich deshalb von Zeit zu Zeit auch in ihren grundlegenden Vorstellungen über materielles Sein.

Der folgende Text ist nicht als Schulmaterial verfasst, er will in kurzer Form nur  auf Diskrepanzen hinweisen.

Raum

Wer Raum "als Menge der Punkte, die durch drei Koordinaten bestimmt werden"
definiert  denkt vermutlich an einen Spezialfall: Wer sich aufgrund seiner Alltags-Erfahrung - und nur daraus - vorstellt, wie Dinge sich gegenüberstehen oder wie er die Dinge an ihren Orten mit seinen Augen erlebt, kann zu dieser Definition von Raum gelangen.

Nur wird er nicht von Koordinaten sprechen.

Wenn von Punkten gesprochen wird, dann stellt sich die Frage: wie viele Punkte?

In einem Raum gibt es einen Abstand, wie viele Punkte liegen darauf (z.B. auf dem Abstand zwischen einem Bahnhof und einem Antennenmast oder einem fahrenden Zug.

Koordinaten sind ein mathematischer Begriff. Wer die Idee der Koordinaten auf die wirkliche Natur bezieht, anwendet, der muss Fragen lösen, wie der Abstand, die Distanz zwischen zwei ausgedehnten Körpern exakt gemessen werden soll.

Wer sich verständigen will über den Abstand, der muss mit anderen Regeln teilen, wie ein Abstand bestimmt, gemessen werden soll.

Dazu braucht es Zahlen auf einem Masstab, eine Skala (echelle, scale). Wenn wir nur mit einer Massverkörperung leben würden, wäre es egal, wie regelmässig die Zahlen auf dem Masstab angebracht würden. Hier beginnt bereits das mathematische Denken: 2 + 3 muss 5 ergeben (das folgt aus unserer Alltagserfahrung : wir nehmen 5 gleiche Würfel und stellen sie nebeneinander: 5+1 oder 2+3 oder 3+2 oder 4+1 : alles gleich 5, sogar 5+0 !

Solange nur der Abstand interessiert, also die (eindimensionale) Länge einer Verbindung zweier Orte im Raum, dann reicht das obenstehende aus. Wenn Dinge im Raum sind, dann können Dinge dazu verwendet werden, den Raum zu messen, durch ablegen der Längeneinheit und zählen. Die Distanz ist dann das Vielfache oder der Bruchteil der nacheinander abgelegten oder weiter geteilten Einheit des Masstabes (ein Stab im wörtlichen Sinn).

Weil das mühsam ist, wird nicht mit der Einheit des Masstabes gearbeitet, sondern mit dem ganzen Masstab, der eine praktische Länge hat (grösser oder kleiner als die Längen-Einheit).

Braucht es einen körperlichen Masstab?

Sobald in der Fläche oder im Raum (3-dimensionalen) der Abstand gemessen werden soll, ergibt sich ein Problem der Eindeutigkeit: je nachdem, wie diese Messung durchgeführt wird, ergibt sich ein anderes Resultat.  In unserem Alltag haben wir Glück: Die Abstandsmessung hat ein Ergebnis, wenn in zwei oder drei Richtungen der Abstand gemessen wird, und dann der Satz von Pythagoras angewendet, und noch die Quadrat-Wurzel gezogen. Durch eine solche Methode sind Koordinaten eingeführt: Mathematik.

In der Praxis kann das Messen einfacher sein, ist aber nur dann richtig, wenn auch die dazugehörende mathematische Theorie, das Modell des dreidimensionalen euklidischen Raumes plausibel gilt. Dieses Modell setzt ein Koordinatensystem (für den physikalischen Raum)  voraus mit drei jeweils im rechten Winkel (90 Grad) zueinander stehenden Koordinaten-Achsen (Geraden mit der gleichen Einheit der Längenskala). Praktisch richtig, physikalisch genähert, ontologisch falsch.

-----------------------

Die oben betrachtete Definition von Raum ist ein Spezialfall, eine Näherung, ist nicht allgemein, deckt die physikalische Wirklichkeit nicht ab, ist ontologisch streng genommen falsch: denn gemäss heutigem physikalischem Erfahrungswissen ist der Raum nicht euklidisch und es kann im streng logischen Sinn nicht von Raum (und nur von ihm) gesprochen werden, sondern realistisch von Raum-Zeit. Die Einzelheiten sind Grundlagen der Speziellen Relativitätstheorie und der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein.

Nichteuklidische, wie auch euklidische Räume sind mathematisch definiert.

Somit wird ersichtlich, dass der physikalische Raum, welcher ungefähr unserer sinnlichen und alltagspraktischen Raum-Erfahrung ähnelt, mathematisch gedacht und in physikalischen Experimenten instrumentell, indirekt erfahren wird.

-------------------------

Weil die physikalische Theorie (noch) nicht aus Geometrie hergeleitet ist , werden in der Physik Phasenräume zur Festlegung des Zustandes verwendet. Die Dimensionen solcher Räume sind unterschiedlich, müssen aber in einem abgestimmten Grössen-System definiert sein, damit Gesetze und Berechnungen dimensionell und daher auch quantitativ stimmen.

Hier entstehen oft Irrtümer zwischen alltäglichen qualitativen Vorstellungen, die letztlich Grundlagen in Geistes- und Naturwissenschaft betreffen. Solche Probleme können durch eigenes Ueben, durch konkretes Erleben, durch praktische Durchführung von Grundlagenexperimenten verringert werden. Hier ist eigentlich nicht nur naturwissenschaftliche Erfahrung angesprochen, sondern gleichbedeutend die Uebung im Geistigen, und auch dort nicht nur mathematisches Denken und nicht nur Denken.

 

--------------------------

Raumzeit ist der grundlegende Begriff und nicht alleine Raum oder alleine Zeit (grob und klassisch gedacht)

--------------------------

 

Zeit

 

Zeit existiert substanziell im Moment (in dem Zeit aufgehoben ist, Aristoteles), wenn Zeit nicht im reellen Zahlenraum repräsentierbar ist . Was ist der Moment, der sich von quantitativer Vergangenheit und quantitativer Zukunft unterscheidet (beide können Zeitintervalle sein). In diesem Denken gibt es keinen Wesenszusammenhang zwischen Raum und Zeit.

 

Der gesellschaftlich eindeutige Zeitpunkt ist Konvention der nationalen Eichstellen, z.B. folgt daraus GMT.

Physikalisch gemessen werden Zeitintervalle durch schnelle physikalische Wiederholung endlicher Kleinheit, was praktisch bedeutet, dass es für ausschliessliche physikalische Zeit-Messungen den unendlichen reellen Zahlenraum nicht braucht.
Somit besteht die Frage, weshalb wir heute diejenigen mathematischen Grundlagen zu den bestehenden Theoriearchitekturen haben, welche es eben historisch gibt.

Heute können Raum oder Zeit physikalisch nicht mehr in zwei Räumen gedacht werden:


Wenn wir uns aber Situationen vorstellen können, wo Geometrie physikalisch relevant wird, dann stellen sich weitere Fragen, nur daraus, dass die Geometrie des Kreises und des Quadrats allein aus rationalen Zahlen nicht erfassbar ist.

Unter denjenigen, die Raum als Kontinuum betrachten waren u.a.: Newton, Einstein, Riemann ... Weinberg. Es wird heute immer deutlicher, dass die theoretische Arbeit der Physiker weitergeht (z. B. Carlo Rovelli,University of Pittsburg,1997, Loop Quantum Gravity, Abstract):

"The problem of describing the quantum behavior of gravity, and thus understanding quantum spacetime, is still open. Loop quantum gravity is a well-developed approach to this problem. It is a mathematically well-defined background-independent quantization of general relativity, with its conventional matter couplings. Today research in loop quantum gravity forms a vast area, ranging from mathematical foundations to physical applications. Among the most significant results obtained so far are: (i) The computation of the spectra of geometrical quantities such as area and volume, which yield tentative quantitative predictions for Planck-scale physics. (ii) A physical picture of the microstructure of quantum spacetime, characterized by Planck-scale discreteness. Discreteness emerges as a standard quantum effect from the discrete spectra, and provides a mathematical realization of Wheeler’s “spacetime foam” intuition. (iii) Control of spacetime singularities, such as those in the interior of black holes and the cosmological one. This, in particular, has opened up the possibility of a theoretical investigation into the very early universe and the spacetime regions beyond the Big Bang. (iv) A derivation of the Bekenstein–Hawking black-hole entropy. (v) Low-energy calculations, yielding n-point functions well defined in a background-independent context. The theory is at the roots of, or strictly related to, a number of formalisms that have been developed for describing background-independent quantum field theory, such as spin foams, group field theory, causal spin networks, and others. I give here a general overview of ideas, techniques, results and open problems of this candidate theory of quantum gravity, and a guide to the relevant literature."

Quelle, Siehe : http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-2008-5/

 

Dies mag dem Leser einen Eindruck geben, wie tief Unterschiede sein können zwischen alltäglich erlebter Zeit und alltäglich erlebtem 3-dimensionalem Raum und dem, was Naturwissenschaft als theoretische Herausforderung erabeitet hat.

 

Materie

Wir können zwar Materie direkt mit unserem Körper fühlen oder mit Gegenständen indirekt.
Unseren menschlichen Körper fühlen wir anders als irgendwelche Gegenstände. Das heisst noch nicht, dass wir damit die Substanz, d.h. das Wesen von Materie grundlegend erfasst haben, es überhaupt derart erfassen können.

Das was physikalisch gemessen wird, resultiert aus verscheidenen Situationen von gegenseitigem-in-Wirkung-Setzen  ausgewählter Teile der physikalischen, materiellen Wirklichkeit. Daraus ergibt sich eine andere erkenntnistheoretische Situation, in der Messresultate im Rahmen theoretischer Hypothesen beurteilt werden. Weil Experimente und auch physikalische  Theorien geschichtlich sich verändern, haben sich in den Naturwissenschaften, insbesondere in der Physik die Grundlegenden Vorstellungen derart verändert, dass Fragen über den Zusammenhang zwischen dem Alltäglichen und dem Mikroskopischen, wie auch dem Alltäglichen und dem Makroskopischen immer wieder zu tiefgründenden physikalischen Aufgaben werden, dies schon midestens ein Jahrundert lang.

 

 

 

..... Sie sehen, hier sollte der Text weiter gehen ...

Energie