Physik ist… wie dieses Bild.

Physik ist… wie dieses Bild.

Dieses Jahr habe ich einen Oberstufenkurs in Physik. Und Physik ist so ein bisschen… die böse Stiefschwester der Mathematik: Auf den ersten Blick wirkt sie ganz verständlich und nicht besonders hinterhältig – aber wenn man sie richtig kennenlernt, wird es eklig.

Zu Beginn des Kurses also eines meiner Lieblingsbilder:

Physik

Obwohl in keinem Fach so viele Experimente durchgeführt werden, wie in Physik und Chemie (dazu habe ich auch ein schönes Bild…), werden diese beiden Fächer statistisch am schnellsten abgewählt. Das ist bedauerlich – aber auch verständlich.
Grob kann man zwischen zwei “Arten” von Physik unterscheiden: Der Experimentalphysik und der Theoretischen Physik. Die Namen erklären sich von selbst. In der Mittelstufe wird vor allem experimentiert: Stromkreise geschlossen und Geschwindigkeiten gemessen, Kräfte erzeugt und über Radioaktivität gemessen. Das entspricht in großen Teilen dem klassischen, newtonschen Weltbild und ist für den Alltag auch völlig ausreichend.

Die Physik der Realität entzieht sich jedoch buchstäblich unserem Verstand. Wir brauchen die Mathematik, um sie zu verstehen. Dazu ein einfaches Beispiel für Interessierte:

Eine 2-Euro-Münze wiegt ziemlich genau 8,5 Gramm. Aber: Verändert sich das Gewicht eines 2-Euro-Stücks, wenn ich es mit dem Finger in die Luft schnippe?

Natürlich nicht. Wieso sollte es auch? Die klassische Physik (und auch der Menschenverstand) lässt hier keinen Zweifel.

Nun, weiter: Jeder kennt die berühmte Gleichung Einsteins:

E=m\cdot c^{2}

Sie besagt nichts weiter, als dass einer bestimmten Energie E eine genau bestimmte Masse (Gewicht) m gegenübersteht. Das c^{2} ist das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit, c=300.000.000 \frac {m}{s}. Also: Energie = Masse ∙ Lichtgeschwindigkeit²

Die Masse unserer 2-Euro-Münze (8,5g) entspricht also (wenn wir sie in die Gleichung einsetzen) einer Energie von E=7,65\cdot 10^{14} J.

Und nun wird es spannend: Wenn ich die Münze anschnippe – dann füge ich ihr Energie zu: Rotationsenergie. Die Gleichung lautet also auf der linken Seite:

E+E_{Rot}=...

Und rechts?
In einer Gleichung muss links wie rechts das Gleiche stehen. Fügen wir links etwas hinzu, muss sich auch rechts etwas ändern. Die Lichtgeschwindigkeit aber ist konstant – die kann sich nicht ändern. Bleibt nur die Masse. Die muss größer werden. Und zwar genau um E_{Rot}.
Die hässlichen Rechnungen will ich an dieser Stelle überspringen. Aber mit ein wenig viel Kniffelei erhält man E_{Rot}=9130 J. Diese Energie erhält eine sich drehende Münze dazu. Eingesetzt in die Formel kann man ausrechnen, dass dies einer Masse von \Delta m=1,01\cdot 10^{-13} kg entspricht. Um diesen Betrag wird die Münze also schwerer. Das klingt nach wenig – aber im atomaren Maßstab ist das nicht unbeträchtlich: 1,01\cdot 10^{-13} kgentspricht der Masse von etwa 60.000.000.000 Wasserstoffatomen. (Ob das jetzt genau stimmt sei mal dahingestellt – aber das Prinzip wird klar.)

Wo kommt das her? Wieso werden die Messing- Nickel- und Kupferatome plötzlich schwerer? Was passiert da genau?

Einen solchen Humbug Ein solches Phänomen kann man weder messen, noch wirklich verstehen. Der berühmte Richard Feynman sagte während einer Vortragsreihe über das Wesen physikalischer Gesetze 1964:

“Früher einmal konnte man in den Zeitungen lesen, es gebe nur zwölf Menschen, die die Relativitätstheorie verstünden. Das glaube ich nicht. […] Nachdem er [Anm.: Albert Einstein] aber seine Theorie zu Papier gebracht und veröffentlicht hatte, waren es gewiss mehr als zwölf. Andererseits kann ich mit Sicherheit behaupten, dass niemand die Quantenmechanik versteht.”

Die Tatsache, dass ein Körper an Masse gewinnt, wenn er sich bewegt, ist über den Verstand nicht zu erklären. Mathematisch hingegen ist das bis hierher ein gemütlicher Spaziergang gewesen.
Man sieht: Nur über die Mathematik kann man physikalische Gesetze wirklich begreifen: Kommt Energie hinzu, muss Masse hinzukommen. Für mich sind Experimente im Unterricht früher oft wie eine Zaubershow gewesen: Ich habe dem Lehrer zugesehen und gestaunt – aber verstanden habe ich nichts. (Chemie besteht für mich bis heute aus “Ohh… rot und grün zusammenkippen und es wird lila…” Smiley mit geöffnetem Mund)

Meine 11er werden sich also wohl oder übel daran gewöhnen müssen, dass sie in den kommenden Monaten viel, sehr viel rechnen müssen. Denn ansonsten verkäme der Physikunterricht zu einer reinen Freitagabend-Unterhaltung-Sendung.

12 Replies to “Physik ist… wie dieses Bild.”

  1. Ach, herrlich, diese Fragestellungen.
    Seit dem Post mit der Milch (die kalt wird durch die entzogenen Wassertröpfchen beim Pusten) beobachte ich angestrengt und mit Hi-Tech-Optiken meine Pfanne beim Abkühlen. Nix Wassertröpfchen entdeckt. Noch. Aber das ist ja bestimmt eine Frage des Luftdrucks – Standardbedingungen konnte ich noch nicht in der Küche 100% herstellen.

    Womit ich bei der nächsten physikalischen Frage wäre, die – passend zum Artikel oben – sogar etwas mit Lichtgeschwindigkeit zu tun hat: ich habe in der Schule gelernt, dass man ein 4m langes Auto in einer 3m langen Garage parken kann. Wenn man mit Lichtgeschwindigkeit reinfährt. Was dann passiert, wenn man hält, verschwieg der Lehrer, und meine Frau erlaubt den Feldversuch nicht (bei der Pfanne durfte ich machen…), obwohl ich ihr mit detaillierten [hust] Erklärungen die Angst nehmen wollte (und wir wären ja angeschnallt, so wie bei Spaceballs und der wahnsinnigen Geschwindigkeit, also kein Problem)

    Dass die Münze schwerer wird – ok, passt schon, aber hey, die Alltagsrelevanz des Lichtgeschwindigkeit-Auto-Garage-Problems ist doch ungleich höher, oder?!

    Damit habe ich hoffentlich den Grundstock für einen neuen Artikel gelegt. Und dann war da ja noch die Sache mit den Mikrowellen, dem Sand und dem Gitter, dass ja an jedem Mikrowellengerät dran ist. Hmm. Aber das schreib ich dann in den Kommentar des Lichtgeschwindigkeit-Garagen-Problem-Artikels. 😉

    Ein weiterhin spannendes Schuljahr,
    jojo

  2. Hallo Jan-Martin,
    Ich bin mir nicht sicher, ob deine Fragestellung so einfach mit der speziellen Relativitätstheorie beantwortet werden kann. Rotationsbewegungen sind ja beschleunigte Bewegungen und dafür muss man die allgemeine Relativitätstheorie zu Rate ziehen. Außerdem bezieht sich E=mc^2 nur auf die Ruhemasse und die Ruheenergie. Allgemein nutzt man als Beispiel für Massezunahmen daher ja auch eher lineare Bewegungen und berechnet die relative Masse über den LorentzFaktor. Wie siehst du das?
    Gruß
    Marco

    1. Danke für den Hinweis!
      Du hast natürlich absolut recht.
      Ich werde da am Wochenende nochmal drüber nachdenken, ob ich den Eintrag ergänze oder mit einem dicken „didaktisch reduziert“-Schild versehe oder einfach komplett lösche :-).
      Zumindest als Einstieg kann ich in einer 11 jedoch weder die allgemeine Relativitätstheorie noch eine Lorentz-Transoformation präsentieren 🙂

  3. Deine frühere Mitreferendarin und Chemikerin muss hier mal kritisch anmerken, dass es keine „Messing-Atome“ gibt 🙂 Allerdings habe ich die physikalischen Berechnungen auch nicht wirklich verstanden…

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