Auch in der Physik der Wellen - etwa bei der Untersuchung des Schalls im Konzertsaal, bei Wasserwellen, bei Mikrowellen oder selbst bei atomaren Schwingungen - lassen sich "reguläre" und "chaotische" Prozesse unterscheiden. In diesem Bereich haben die Ansätze der "Chaosphysik" dabei geholfen, die Erkenntnisse der Quantenphysik weiter zu präzisieren. So kann man - grob charakterisiert - heute sagen, dass die klassische Physik für atomare Prozesse nicht nur unzuständig ist, sondern auch unnötig kompliziert.
Auch in der Physik der Wellen - etwa bei der Untersuchung des Schalls im Konzertsaal, bei Wasserwellen, bei Mikrowellen oder selbst bei atomaren Schwingungen - lassen sich "reguläre" und "chaotische" Prozesse unterscheiden. In diesem Bereich haben die Ansätze der "Chaosphysik" dabei geholfen, die Erkenntnisse der Quantenphysik weiter zu präzisieren. So kann man - grob charakterisiert - heute sagen, dass die klassische Physik für atomare Prozesse nicht nur unzuständig ist, sondern auch unnötig kompliziert.
Die Quantentheorie und die Theorie der quantenmechanischen Messung ermoglichen es, Aussagen uber quantenphysikalische Systeme (Atome, Kerne, Elementarteilchen) zu machen, die an diesen Systemen experimentell nachgepruft werden konnen.Beispiele fur solche Aussagen sind z.B. ,,das Elektron hat den Impuls p" oder ,,der Atomkern hat einen Drehimpuls J".Wie fur die Aussagen aller Wissensgebiete wird man zunachst auch fur diese Aussagen erwarten, daR sie den Regeln der Logik gehorchen.Tatsachlich ist das aber nicht der Fall.Es hat sich namlich gezeigt, daB von den Regeln der Aussagenlogik, die zuerst von den Stoikern aufgestellt wurden, spater im Mittelalter und in der modernen mathematischen Logik wieder aufgegriffen wurden, nur noch ein Teil fur Aussagen uber Quantenphanomene richtig bleibtl).2)3 9, 4).Einige dieser Regeln verlieren ihre Gultigkeit.Derjenige Teil der logischen Regeln, der auch noch in der Quantenphysik gilt, wird gewohnlich als Quantenlogik bezeichnet.Es handelt sich also bei der Quantenlogik nicht um eine ,,neue" Logik, die im Bereich des Atomaren gilt, sondern um eine restriktive Logik, die weniger enthalt als die uns bekannte klassische Aussagenlogik.Der heutige Physiker ist im allgemeinen leicht geneigt zu glauben, daR irgendeine Disziplin, die in der Philosophie vergangener Jahrhunderte fur wahr gehalten wurde, durch die moderne Physik widerlegt sei.Das kommt einerseits daher, daR viele Physiker empiristisch denken, d. h. in diesem Falle, daB sie geneigt sind zu glauben, man konne alle auf die Erfahrung bezogenen Behauptungen auch durch Erfahrungen -z.B. der Atomphysikwiderlegen. Anderseits sprechen fur eine solche Einstellung die schlechten Erfahrungen, die die Physik mit Begriffen und Satzen gemacht hat, die in der philosophischen Tradition uberliefert wurden.Die Verknupfung von Raum und Zeit in der Relativitatstheorie oder das Versagen des Kausalgesetzes in der Quantentheorie gehoren zu diesem Problemkreis.Man wird deshalb versucht sein, auch eine Restriktion der Aussagenlogik in der modernen Atomphysik einfach als eine neue Erfahrung hinzunehmen.Dies ist jedoch nicht ohne weiteres moglich.Die groRte Schwierigkeit, die sich einer solchen Einstellung entgegenstellt, ist die Tatsache, daB die klassische Aussagenlogik wahr ist.Und zwar ist die Aussagenlogik keineswegs in einem empirischen Sinne wahr, sondern sie ist wahr durch das unmittelbare Einleuchten (die Evidenz) ihrer Satze, deren Gultigkeit somit auf keinen bestimmten Gegenstandsbereich eingeschrankt ist.Wie das im Einzelnen 2x1 verstehen ist, sol1 im ersten Teil auseinandergesetzt werden.Nehmen wir zunachst einmal die Evidenz der klassischen Logik als gegeben an, so entsteht die Frage, wie es moglich sein kann, daR fur die Aussagen der Quantenphysik nur eine restriktive Logik, die Quantenlogik, gilt.
Mit Hilfe der Semiotik wird untersucht, wie es der Quantenphysik gelingt, Formeln plausibel zumachen, deren zugrunde liegender physikalischer Sachverhalt nicht einem Alltagsverständnis bzw. einem Verständnis im Sinne der klassischen Physik zugänglich ist. Dabei geht es um eine allgemein anerkannte Art des Verständlichmachens bestimmter physikalischer Formeln jenseits der individuellen Ausprägung von Fähigkeiten des Erklärens und Verstehens, sozialer Phänomene und geschichtlicher Entwicklungen, indem man diesen Formeln jeweils ein bestimmtes Experiment zur Seite stellt. Das Experiment ist dabei so gewählt, dass das physikalische Phänomen, das in der Formel beschrieben wird, im Experiment untersucht wird, so dass sich die Formel dann als Auswertung des Experimentes ergibt. Um den schillernden Begriff des Verständnisses auf das für die Untersuchung Notwendige zu beschränken, wird der Begriff Plausibilisierung eingeführt. In einer hermeneutischen Herangehensweise wird ein geeignetes semiotisches Modell dieser wesentlichen argumentativen Figur der Physik anhand von drei Beispielen physikalischer Phänomene entwickelt: die geradlinige Bewegung eines Körpers mit konstanter Geschwindigkeit für die klassische Physik, das Spektrum des energetisch angeregten Wasserstoffs für die ältere Quantenphysik und die Streuung von Elektronen am Doppelspalt für die moderne Quantenphysik. Für jedes der drei Beispiele lassen sich die betreffende Formel und das zugehörige Experiment jeweils als Zeichen auffassen. Lässt sich die Situation der klassischen Physik gut mit dreistelligen Zeichen erfassen, erweist sich der zweistellige Zeichenbegriff für die Situation der Quantenphysik als adäquater. Die Plausibilisierung als Gefüge dieser beiden Zeichen zwingt nicht zu der Annahme, dass einer Formel als Kompositionen von Elementen der Ausdrucksseite eines gewöhnlichen Textes ein Element auf der Inhaltsseite entspricht. Vielmehr dient die zu plausibilisierende Formel dazu, Elemente der Wirklichkeit auf der Ausdrucks- und Inhaltsseite aufeinander zu beziehen. Die Wirkungsweise des Zeichens in der Plausibilisierung der Quantenphysik ist damit nicht negiert, sondern adäquater als beim gewöhnlichen Text in der Physik. Die Plausibilisierung erlaubt, die semantische Interpretation von Formeln zu relativieren, ohne auf ein Verständnis ihrer zeichenbezogenen Funktionsweise verzichten zu müssen.
In diesem Überblick beabsichtigen wir nicht, die Theorie des quantenmechanischen Meßprozesses mit allen Beweisen darzustellen. Dazu würde der verfügbare Platz nicht ausreichen. Doch scheint es uns wichtig, die physikalischen Probleme auf diesem Gebiet aufgrund des gegenwärtigen Standes der Forschung gerade ohne den Ballast der mathematischen Beweise zusammenhängend darzustellen, um so mehr, als man den Eindruck haben kann, daß manche Probleme gar nicht in ihrer Tiefe gesehen werden, so daß leicht dort etwas oberflächliche Antworten stehen bleiben, wo es tatsächlich notwendig wäre, den physikalischen Sachverhalt noch weiter zu klären. Es soll daher versucht werden, diesen allgemein zu analysieren und eine mögliche Lösung des Problems zu schildern. Auf diesem Wege ist weniges durch Beweise gesichert und vieles nur vermutet, von dem aber zu hoffen ist, daß sich die Vermutungen mit der Zeit Schritt für Schritt exakt begründen lassen werden. Somit stellt dieser Artikel gleichzeitig eine Aufforderung dar, auf diesem Gebiete zu arbeiten.
Vorwort Das Studium der Natur ist das Studium der Physik. Oder nicht? Aus rein etymologischer Sicht weist die Physik genau darauf hin, nämlich physica oder τὰ φυσικά, abgeleitet von φύσις. Offensichtlich lässt diese Definition Raum für weitere Fragen, zunächst einmal, ob wir mit "natürlichen Dingen" eine Res, die völlig “verwurzelt” ist (im weiteren Sinne, aber wir könnten auch im strengen physikalischen Sinne sagen), in der materiellen, empirischen, beobachtbaren Welt verwurzelt ist, oder ob es notwendig ist, andere Phänomene (oder vielleicht sogar Noomena) aus anderen Systemen einzubeziehen. Außerdem, wenn wir uns darauf einigen, nur materiell-empirische Phänomene basieren vgh. studieren, bedeutet das Studium der Physik immer noch, etwas zu untersuchen, das nicht unbedingt statisch, sondern in Bewegung ist, wir könnten sogar sagen "im ständigen Bewegen" (im adverbialen Sinne, also nicht unbedingt "in ständiger Bewegung"). Dies liegt daran, dass φύσις von einer Reihe von Termen abgeleitet ist, die Bewegung, Wachstum und Entwicklung angeben, seit dem (rekonstruierten) präindogermanischen *bheue-. Ein Konzept, das dem der Natur ähnelt und offensichtlich mit dem Perfektpartizip ge/bor(e)n oder gebähren assoziiert ist . Daher stehen wir vor dem Problem, die (eine) Art der Konzeptualisierung zu wählen, die der Beobachtung der natürlichen Welt zugrunde liegt. Aus dieser Art der Wahl leitet sich die Art der Paradigmen ab, die in der Naturforschung verwendet werden, und damit auch die Art der Physik, die wir verwenden werden.
Unsere bisherigen, recht ausführlichen Betrachtungen zur Statistischen Physik waren rein klassischer Natur. Natürlich würde es uns nicht schwerfallen, Grenzen ihrer Gültigkeit aufzudecken, d.h. Widersprüche zum Experiment aufzuspüren, so wie es uns ja auch mit der Klassischen Mechanik ergangen ist. Letztlich benötigt die korrekte Naturbeschreibung natürlich die übergeordnete Quantenmechanik. Wir werden also die Klassische Statistische Physik des ersten Kapitels auf eine Quantenstatistik umzuschreiben haben. Dabei wird sich herausstellen, daß die grundlegenden Konzepte der Statistik dieselben bleiben, daß sie allerdings auch mit einigen typisch quantenmechanischen Aspekten zu kombinieren sind. Erinnern wir uns noch einmal: Klassisch gelingt die vollständige Beschreibung eines physikalischen Systems durch Angabe der Phase π = (q, p), die sich den Hamiltonschen Bewegungsgleichungen (1.13) entsprechend zeitabhängig im Phasenraum ändert und damit die Phasentrajektorie des Systems definiert. Statistische Methoden werden notwendig bei unvollständiger Information über die zur Lösung der Bewegungsgleichungen unverzichtbaren Anfangsbedingungen, was für makroskopische Systeme der Regelfall ist.
Zwei Begriffe präpariert die klassische Physik scharf heraus: den Begriff des Teilchens bei der Behandlung des Massenpunktes in der klassischen Mechanik und den Begriff der Welle, der in der Elektrodynamik, Optik, Akustik und in anderen Gebieten fundamental in Erscheinung tritt.Bei der Beobachtung der verschiedensten physikalischen Erscheinungen hat sich nun seit der Jahrhundertwende im Rahmen einer "modernen Physik" herausgestellt, daß beide Elemente der klassischen Physik, Teilchen und Wellen, in der Natur überhaupt nicht existieren, sondern nur genabelte Beschreibungsformen allgemeinerer Naturereignisse darstellen, die als Quanten bezeichnet werden.