Physik

Was ist Physik?

Die Physik ist eine Naturwissenschaft. Wie jede Wissenschaft ist Ihre Hauftaufgabe Wissen zu schaffen, also uns neue Einsichten zu ermöglichen, unseren Erkenntnishorizont zu erweitern und unsere Neugier zu stillen. Als Basiswissenschaft fließen physikalische Erkenntnisse in nahezu alle anderen Wissenschaften wie z. B. Biologie, Chemie, Geologie, Medizin, Meteorologie usw. ein. Die Umsetzung des ständig wachsenden Wissenschatzes, dass heißt seine Anwendung in Form neuer Techniken oder Geräte ist nicht Aufgabe einer Naturwisssenschaft sondern Gegenstand der Ingeniuerwissenschaften.

Womit beschäftigt sich die Physik?

Physik ist die Wissenschaft, die die unbelebte Natur beschreibt und dazu aus der Fülle der Naturphänomene allgemeingültige Modellvorstellungen, grundlegende Grö­ßen und Gesetz­mäßig­keiten abstrahiert. Sie sucht nach aussagekräftigen Größen und wie sie sich gegen­seitig beeinflussen und leitet daraus möglichst breit geltende Zusammenhänge ab: unsere Natur­gesetze. In der Physik suchen wir nach übertragbaren Gemein­samkeiten, um unser Universum verstehen zu können. Und das gelingt richtig gut! Was haben z. B. Musik, ein Tsunami, das Licht der Sonne und ein Erdbeben ge­mein­sam? Nun, alle können mit der Modell­vorstellung „Welle“ beschrieben werden, wir können also alle diese Phänomene großteils mit den gleichen physikalischen Zusammen­hängen beschreiben. Oder was hat das Krei­sen eines Planeten um die Sonne mit dem Flug einer Rakete, dem Schwingen eines Uhr­pendels, dem Fall eines Fallschirmspringers, einem fliegenden Fuß­ball, einem bremsenden Auto zu tun? Alle diese ganz unter­schiedlichen Bewegungen können wir letzt­endlich durch nur eine einzige Grund­gleichung, das Newton'sche Bewegungsgesetz erfassen.

Die Säulen der Physik

Abb.1 Die Physik liefert uns ein mo­men­tanes Bild von der Natur, das durch die Zusam­men­arbeit zwischen Experiment und Theorie ständig ergänzt wird.

Die Physik ist eine dynamische „Fabrik“ und bringt ständig Neues hervor. Ihre drei Säulen sind:

• Modell,
• Experiment,
• Theorie.

Das aktuelle Wissen ist unser momentanes Bild von der Natur, unsere Modellvor­stellung. Was heute als gesicherte Erkenntnis gilt, wird morgen vielleicht ergänzt oder revidiert oder als Grenzfall erkannt. Dieses Bild gewinnen wir durch theoretische Vorhersagen, gezielte Experimente oder zufällige Erkenntnisse. Theorien sind die mathematische Formulierung von Modellvorstellungen. Kluge Köpfe, die tolle Theorien entwickeln, fordern findige Experi­men­tatoren heraus, durch Experimente ihre Theorie zu bestätigen. Oder findige Experimentatoren fordern kluge Köpfe heraus, ihre unverstandenen experimentellen Ergebnisse durch eine Theorie zu erklären. Experimente sind unsere Fragen an die Natur, sie haben das letzte Wort und liefern uns qualitative oder quantitative Antworten. Diese Fragen richtig zu stellen, also gute Experimente durchzuführen, ist eine ebenso hohe Kunst, wie ihre Antworten zu deuten, also schlüssige Theorien zu entwickeln. Beide Zweige, Experimentalphysik und theoretische Physik sind gleichberechtigt und arbeiten Hand in Hand. Wenn ein Experiment eine Theorie reproduzierbar bestätigt, gilt die Theorie als gesichert und wir haben wieder etwas Wissen geschaffen und unser Bild der Natur um ein Detail ergänzt.

Das Physik-Puzzle

Abb.2 Ein physikalisches Phänomen wird erklärt, indem man Modellbausteine zusammensetzt, die auf den grund­legenden Natur­gesetzen basieren.

Die Physik basiert auf einer überschaubaren Anzahl von grundlegenden einfachen Modell­vor­stel­lungen, Zusammenhängen und Methoden. Damit kann Neues immer wieder auf Bekanntes zu­rück­führt werden. Unser komplexes physika­lisches Weltbild kann aus grundlegenden Puzzle­-Stück­chen aufgebaut werden. Komplexe Zusammenhänge lassen sich in einfache Bau­steine zerlegen, die immer wieder verwendet werden. So ist zum Beispiel das einfache Modell der harmonischen Schwingung ein Basisbaustein der harmonischen ebenen Welle, die wiederum ein Baustein beliebiger Wellen wie z. B. Schallwellen oder Tsunamis oder Lichtwellen und auch quantenmechanischer Wellenfunktionen ist. Das Modell der gleichförmigen Kreisbewegung findet sich im Mikrokosmos, z. B. im Bohrschen Atommodell ebenso wieder wie im Alltag, z. B. beim Drehen eines Rades oder im Makrokosmos zur Beschreibung der Planetenbwegungen. Die Punktmasse als einfachstes Modell eines Objektes ist der Basisbaustein zur Beschreibung ausgedehnter starrer Körper, z. B. des Kreisels. Der Kreisel wiederum und sein skurriles Verhalten fasziniert uns nicht nur als Spielzeug, sondern das Kreiselmodell beschreibt auch das Verhalten von Atomen im Magnetfeld und die Bewegungen der Erdachse. Durch diese modulare Struktur bleibt der enorme physikalische Wissenschatz über­schau­barer und liefert ein faszinierend elegantes Weltbild, das auf erstaunlich wenigen Grundgesetzen basiert. Wer das erkannt hat findet: Physik ist eigent­lich nicht schwierig! Die Voraussetzung dafür ist, dass man die grund­legenden Modell­vor­stellun­gen und Methoden kennt und erkennt, wie sie ineinander­greifen und wann sie anwend­bar sind.

Die "Sprachen" der Physik

Abb.3 Physik kann mit verschiedenen Sprachen dargestellt werden, die sich auf verschiedenen Abstraktions­ebenen befinden.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten zum Beschreiben und Darstellen von physikalischen Phänomenen und Zusam­men­hängen. Sie unterscheiden sich durch ihre Abstraktionsebene und Präzision. In der Physik nutzt man meist mehrere Abstraktions­ebenen simultan, z. B. die sprachliche Formulierung, die Darstellung des Gesagten als Formel, die zeichnerische Darstellung der Formel als Funktionsgraph, eine Schemazeichnung des Vorgangs, eine Analogie, ein Bild oder Foto des Phänomens oder die unmittelbare Beobachtung im Experiment. Jede Variante hat ihre Vor- und Nachteile. Die anschau­lichste Darstellung ist das Phänomen selbst als Demonstration oder Experi­ment. Die abstrakteste Dar­stel­lung ist die mathematische Formu­lierung: sie ist für quantitative Frage­stellungen am geeig­netsten. Dazwischen liegt die verbale fach- oder um­gangssprachlich For­mulie­rung sowie die Visualisierung durch Grafi­ken oder Schaubilder. Im Grunde sind alle Dar­stellungs­ebenen gleich­berechtigt, die mathematische ist die kürzeste und präziseste For­mu­lie­rung. Aber gerade sie birgt aufgrund der Abstraktheit die große Gefahr, das anschauliche Modell dahinter zu vergessen und sich nur an der Formel festzu­halten, bzw. diese auswendig zu lernen. Oft wird „die Formel“ als die wichtigste Formulierung angesehen und Physik mit Mathematik verwechselt! Eine Formel zu kennen, ohne zu wissen, was sie bedeutet, wo sie herkommt und wann sie anwend­bar ist, ist die häufigste und oberflächlichste Form physikalischen Wissens. Die Physik und physikalische Literatur nutzt alle ihre Sprachen. Daher ist es nützlich, alle zu kennen und zu lernen, sie ineinander zu übersetzen. Das bedeutet, physikalische Sachverhalte von einer Abstraktionsebene auf eine andere zu übertragen. Also z. B. den Funktionsgraphen einer Formel zeichnen, oder ein Experi­ment verbal erklären können und seine Messergebnisse durch eine Formel ausdrücken können oder das Experiment als Schemazeichnung darstellen können..

Abb.B1 Links Symbolsprache, rechts Bildsprache

Beispiel 1: Das Grundgesetz "Actio=Reactio", - eines der drei newtonschen Axiome - formal, sprachlich und bildlich dargestellt:

Mathematische Sprache: \(\vec F^{21} = -\vec F^{12}\). Darin ist \(\vec F^{21}\) die Kraft, die ein Körper 1 auf einen anderen Körper 2 ausübt und \(\vec F^{12}\) die Kraft, die der Körper 2 auf den Körper 1 ausübt.
Fachsprache: Wir betrachten zwei unterschiedliche Körper 1 und 2. Wenn der Körper 1 auf den anderen Körper 2 eine Kraft vom Betrag \(F\) ausübt, dann wirkt auf den Körper 1 selbst eine entgegengesetzt gerichtete Kraft vom gleichen Betrag, die der andere Körper 2 ausübt.

Umgangssprache: Kräfte, die zwei Körper gegenseitig aufeinander ausüben sind stets vom gleichen Betrag und entgegengesetzt gerichtet. Salopp gesagt: In der Physik gilt für Kräfte: Wie Du mir, so ich Dir! Es ist unmöglich, dass ein Objekt gegen ein anderes drückt oder an ihm zieht, ohne das das andere mit der gleichen Kraft zurück drückt oder zieht.

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