Physikalische Begriffe im Detail: Einige Konzepte zu Kraft und Feld

Eröffnungsrede

Die analytische Philosophie, ein wichtiger Zweig der Philosophie des 20. Jahrhunderts, stellt das Studium der Sprache in den Mittelpunkt der Philosophie. Wittgenstein, ein Vertreter der analytischen Philosophie, wies darauf hin, dass Philosophie das Ergebnis eines falschen Gebrauchs der Alltagssprache sei. Der Fehler liegt nicht in den Aussagen des Arguments und ihren logischen Beziehungen, sondern in der im Argument verwendeten Sprache. In der Physik ist der Gebrauch der Sprache ebenso wichtig.

In der wissenschaftlichen Forschung erfinden Wissenschaftler jedes Mal, wenn sie ein neues Naturphänomen entdecken oder ein neues wissenschaftliches Konzept vorschlagen, einen Eigennamen, um es zu benennen. Ein guter Name kann den Menschen helfen, die Bedeutung des Wortes zu verstehen. Komplexe Phänomene und schwierige Konzepte bleiben dank intuitiver und leicht verständlicher Namen im Gedächtnis. Manche wissenschaftlichen Begriffe faszinieren und wecken die Neugier und den Forscherdrang der Menschen. Wenn der Name nicht gut ist, kann es sein, dass die Leute ihn missverstehen oder vom Lesen abgehalten werden.

Ein Grundsatz bei der Bildung von Eigennamen besteht darin, das Wesen einer Sache offenzulegen oder ihre wichtigsten Merkmale hervorzuheben. Wenn neue Dinge zum ersten Mal auftauchen, benennen Wissenschaftler sie auf der Grundlage ihres jeweiligen Verständnisses. Angesichts der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Wissenschaft kann es jedoch vorkommen, dass das ursprüngliche Verständnis nicht immer stimmt und die verwendeten Begriffe leicht zu Fehlinterpretationen führen. Da der Begriff jedoch weit verbreitet ist, ist es nicht einfach, ihn zu ändern. Diese Situation kommt in der Wissenschaftsgeschichte häufig vor.

Die moderne Wissenschaft hat ihren Ursprung im Westen und die meisten wissenschaftlichen Begriffe erschienen zuerst in westlicher Form. Bei Übersetzungen ins Chinesische ist es wichtig, präzise und präzise zu sein. Es gibt nur zwei Übersetzungsmethoden: freie Übersetzung und Transliteration. Die meisten wissenschaftlichen Begriffe werden im Chinesischen wörtlich übersetzt. Um einige Beispiele aus der Physik zu nennen: Elektron bedeutet wörtlich ein geladenes Teilchen oder genauer gesagt ein Elementarteilchen mit einer negativen Einheitsladung. Ein Neutron ist ein elektrisch neutrales Teilchen im Atomkern. Das Wort Proton bezeichnet ein Teilchen, das den größten Teil der Masse des Kerns konzentriert, tatsächlich liegen die Massen der Neutronen und Protonen im Kern jedoch sehr nahe beieinander.

Die Bedeutung transliterierter Substantive ist nicht intuitiv genug, hat aber einen Vorteil: Sie kann eine unnötige wörtliche Interpretation vermeiden. Manche Konzepte haben komplexe Bedeutungen und lassen sich nur schwer mit einem einfachen Wort zusammenfassen. Stattdessen ist die Transliteration effektiver. Beispielsweise ist Quark die Transliteration des englischen Wortes Quark. Quarks sind die Elementarteilchen, aus denen Nukleonen (d. h. Neutronen und Protonen) bestehen. Die ursprüngliche Bedeutung von Quark im Englischen ist der Schrei einer Möwe. Der Physiker Gell-Mann ließ sich von literarischen Werken inspirieren und gab ihm seinen Namen. Nach der wörtlichen Übersetzungsmethode nennen einige chinesische Physiker Quarks „Schichten“, und in Taiwan wurde es auch als „Mangelteilchen“ übersetzt, aber diese Übersetzungen haben sich nicht weit verbreitet.

Der Autor wird einige wichtige Begriffe der Physik „akribisch studieren“, ihre Bedeutung sorgfältig untersuchen und die tiefgreifenden physikalischen Implikationen dahinter erforschen. Denken Sie sorgfältig darüber nach und erkennen Sie es klar. Manche Substantive sind besonders treffend benannt und spiegeln das Wesen oder die Eigenschaften von Dingen genau wider. Manche Substantive sind aus historischen Gründen von ihrem Wesen abgewichen und können leicht zu Missverständnissen führen. In diesem Artikel werden zunächst mehrere Begriffe im Zusammenhang mit Kraft und Feld erörtert.

--Autor

Geschrieben von Chen Shaohao (Massachusetts Institute of Technology, USA)

In der Mechanik geht es nicht unbedingt um Kraft

Die Mechanik ist der wichtigste Zweig der Physik. Mit der Entwicklung der Physik werden die Inhalte der Mechanik ständig aktualisiert und verändert. In der modernen Physik haben einige Disziplinen namens Mechanik nichts mit Kraft zu tun.

Das Wort Mechanik kommt aus dem Griechischen und bezeichnet ursprünglich Dinge, die mit Maschinen oder Apparaten zu tun haben. Später entwickelte sich seine Bedeutung allmählich hin zum Studium der Natur der mechanischen Bewegung von Objekten. Das abgeleitete Wort „Mechanismus“ bezieht sich auf Mechanismus.

Im 17. Jahrhundert schlug Newton seine drei berühmten Bewegungsgesetze vor. Die auf Newtons drei Bewegungsgesetzen basierende Mechanik wurde später als klassische Mechanik bezeichnet. Es ist erwähnenswert, dass Newton das Wort Mechanik in seinem berühmten Werk „Mathematical Principles of Natural Philosophy“ kaum verwendet hat.

Die klassische Mechanik untersucht hauptsächlich die Kraft, den Impuls und die Energie von Objekten sowie die Beziehung zwischen ihnen. Beispielsweise besagt Newtons zweites Gesetz, dass die auf einen Gegenstand wirkende äußere Kraft gleich dem Produkt aus seiner Trägheitsmasse und seiner Beschleunigung ist. In der klassischen Mechanik ist Kraft das Kernkonzept und die auf ein Objekt ausgeübte Kraft ist der Hauptfaktor, der seine Bewegung bestimmt. Daher ist es sinnvoll, Mechanik in Mechanik zu übersetzen.

Im 18. Jahrhundert entwickelten Mathematiker die analytische Mechanik, die die klassische Mechanik in einer grundlegenderen mathematischen Form neu beschrieb. Newtons Gesetze wurden in äquivalenten mathematischen Formen ausgedrückt – den Lagrange-Gleichungen und den Hamilton-Gleichungen. In der analytischen Mechanik ist Kraft kein wichtiges Konzept mehr und die zentrale physikalische Größe ist Energie.

Im 20. Jahrhundert, nach dem Aufkommen der Quantenmechanik, wurde das Konzept der Kraft vollständig aufgegeben. In der Quantenmechanik gibt es im Gegensatz zur klassischen Mechanik keine Kraft, Konzepte wie Masse, Energie und Impuls bleiben jedoch erhalten.

Das englische Wort „Mechanik“ hat keinen direkten Bedeutungszusammenhang mit dem Wort „Kraft“ und in vielen Disziplinen der modernen Physik, die als „Mechanik“ bezeichnet werden, ist der Begriff „Kraft“ nicht mehr vorhanden. Die Frage ist also: Sollte Mechanik noch in Mechanik übersetzt werden?

Da die Bedeutung von Mechanik im Laufe der Geschichte viele Veränderungen durchgemacht hat, ist es nicht einfach, ein chinesisches Wort zu finden, das alle Bedeutungen genau ausdrückt. Die Verwendung des Wortes „Mechanik“, an das die Leute gewöhnt sind, ist eine gute Wahl.

Schauen wir uns ein weiteres Beispiel an. Die Kinetik ist ein Zweig der klassischen Mechanik. Es bezieht sich auf die Untersuchung der Ursachen von Bewegung, insbesondere der Beziehung zwischen Bewegung und Kraft. Die chinesische Übersetzung lautet „Dynamik“. In vielen modernen englischen Dokumenten und Lehrbüchern wurde das Wort „Kinetik“ durch das Wort „Dynamik“ ersetzt. Die Dynamik ist die Lehre davon, wie sich physikalische Systeme im Laufe der Zeit verändern und warum. In der chinesischen Literatur wird „Dynamics“ immer noch mit „Dynamik“ übersetzt. Beispielsweise wird Elektrodynamik, die Lehre der zeitlichen Veränderung elektromagnetischer Felder, als Elektrodynamik übersetzt. In der modernen Physik haben die Ursachen für die Entwicklung physikalischer Systeme keinen direkten Bezug zu Kräften. Daher ist es nach Ansicht des Autors diskutabel, ob Dynamik in Dynamik übersetzt werden sollte.

Die Schwerkraft ist keine Kraft

Nicht nur hat die Quantenmechanik nichts mit Kraft zu tun, sondern eine weitere große Errungenschaft der Physik des 20. Jahrhunderts, die allgemeine Relativitätstheorie, weist darauf hin, dass die Schwerkraft keine Kraft ist. In der Geschichte der Physik hat die Bedeutung der Schwerkraft mehrere Entwicklungen durchlaufen.

Das Wort Schwerkraft stammt vom lateinischen Wort Gravitas, was Gewicht bedeutet. Seine ursprüngliche Bedeutung bezieht sich auf die Schwerkraft von Objekten auf der Erde. Später entdeckte Newton, dass die Schwerkraft der Objekte auf der Erde und die gegenseitige Anziehung zwischen Himmelskörpern im Universum dieselbe Kraft darstellen, die er universelle Gravitation nannte.

Newtons Gravitationsgesetz war ein großer Erfolg. Von der Bewegung aller Dinge auf der Erde bis hin zur Funktionsweise der Himmelskörper im Universum lässt sich alles gut durch das Gesetz der universellen Gravitation erklären und berechnen. Newton erklärte jedoch nicht, wie die Schwerkraft entsteht, warum die Schwerkraft eine Fernkraft ist, d. h. warum zwischen zwei Objekten, die sich nicht berühren, eine Kraft besteht.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts schlug Einstein eine neue Theorie der Gravitation vor – die allgemeine Relativitätstheorie. In der allgemeinen Relativitätstheorie wird die Schwerkraft als geometrische Krümmung der Raumzeit beschrieben, wobei die Krümmung der Raumzeit mit der Masse und Energie der darin enthaltenen Materie verknüpft wird. Bei der sogenannten Gravitation handelt es sich nicht darum, dass ein Objekt eine mysteriöse Fernwirkung auf ein anderes, weit entferntes Objekt ausübt, sondern darum, dass die Masse dieses Objekts die Krümmung der Raumzeit verursacht und das andere Objekt einfach auf dem kürzesten Weg in der gekrümmten Raumzeit läuft. In einem flachen Raum ist die kürzeste Entfernung zwischen zwei Punkten eine gerade Linie. In einem gekrümmten Raum ist der kürzeste Weg zwischen zwei Punkten gekrümmt. Es sieht so aus, als gäbe es eine Anziehungskraft, die die Bewegungsrichtung eines Objekts ablenkt, aber tatsächlich ist die Schwerkraft keine Kraft, sondern ein Effekt, der durch die Krümmung der Raumzeit verursacht wird und die Flugbahn der Bewegung eines Objekts verändert.

Nehmen wir ein bekanntes Beispiel: Die Erde dreht sich um die Sonne. Nach der Erklärung der klassischen Mechanik: Die von der Sonne erzeugte Gravitationskraft wirkt auf die Erde und bewirkt, dass sich die Erde auf einer elliptischen Umlaufbahn um die Sonne dreht. Die allgemeine Relativitätstheorie bietet jedoch eine völlig neue Erklärung: Die enorme Masse der Sonne führt dazu, dass sich die Raumzeit um sie herum krümmt, und die Erde bewegt sich auf dem kürzesten Weg in der gekrümmten Raumzeit, nämlich einer elliptischen Umlaufbahn um die Sonne. Es ist also nicht die ferne Sonne, die eine auf die Erde wirkende Kraft erzeugt. Die Schwerkraft ist keine Fernwirkung, sondern eine unvermeidliche Folge der Krümmung der Raumzeit. Da die Schwerkraft keine Kraft ist, wäre eine genauere Beschreibung „attraktive Wechselwirkung“. Die Schwerkraft ist eine der vier grundlegenden Wechselwirkungen in der Natur.

Abbildung 1: Die enorme Masse der Sonne bewirkt eine Krümmung der Raumzeit um sie herum, und die Erde bewegt sich auf dem kürzesten Weg in der gekrümmten Raumzeit, nämlich einer elliptischen Umlaufbahn um die Sonne.

Das Feld ist der Ursprung der Materie

In der modernen Physik steht nicht mehr die Kraft im Mittelpunkt, sondern das Feld ist zum wichtigsten Konzept geworden.

Der erste Physiker, der das Konzept „Feld“ vorschlug, war Faraday. Vor mehr als 160 Jahren demonstrierte Faraday im Hörsaal der Fakultät für Physik der Universität Cambridge der Öffentlichkeit die magnetischen Kraftlinien um Magnete und schlug erstmals das Konzept des Magnetfelds vor. Faraday verwendete das Wort Feld, weil er an die Felder auf einer Farm dachte. Das englische Wort für Feld ist Field. Feld bedeutet in der Physik, dass jeder Koordinatenpunkt im Raum einen numerischen Wert einer physikalischen Größe hat, genau wie das Säen von Samen in jedes kleine Loch auf dem Feld. Das Wort „Feld“ ist sehr anschaulich und wird auch heute noch von Physikern verwendet.

Ende des 19. Jahrhunderts schlug Maxwell eine einheitliche Theorie zur Beschreibung des elektromagnetischen Feldes vor, die Elektrizität und Magnetismus eng miteinander verknüpft. Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Feld und ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches Feld. Die Energie des elektromagnetischen Feldes breitet sich in Form von Wellen im Raum aus, was die Existenz elektromagnetischer Wellen vorhersagt. Elektromagnetische Wellen wurden durch Hertz' Experimente bestätigt. Von da an waren die Physiker von der Existenz elektromagnetischer Felder überzeugt und das Feldkonzept wurde zum Paradigma der gesamten modernen Physik.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts begründete Einstein die allgemeine Relativitätstheorie, deckte den inneren Zusammenhang zwischen Zeit, Raum und Schwerkraft auf, interpretierte das Gravitationsfeld als Krümmung der Raumzeit selbst und sagte die Existenz von Gravitationswellen voraus. Gravitationswellen sind Krümmungen in der Raumzeitkrümmung, die sich von ihrer Gravitationsquelle in Wellenform nach außen ausbreiten. Hundert Jahre später bestätigte das LIGO-Observatorium die Existenz von Gravitationswellen im Universum.

Mitte bis Ende des 20. Jahrhunderts entwickelten Physiker aus der Quantenmechanik die Quantenfeldtheorie. Die Quantenfeldtheorie geht davon aus, dass jedem Elementarteilchen ein Quantenfeld entspricht und Elementarteilchen durch die Anregung des Quantenfelds erzeugt werden. Das heißt, alle Materie und Wechselwirkungen (außer der Schwerkraft) haben ihren Ursprung in Quantenfeldern. Das Quantenfeld ist quantisiert und die Energie liegt in Stücken vor. Die kleinste Energieeinheit, Quant genannt, ist das im Labor beobachtete Elementarteilchen. Beispielsweise sind Photonen, die elektromagnetische Wechselwirkungen verbreiten, Quanten des elektromagnetischen Felds, und Photonen werden erzeugt, wenn das elektromagnetische Feld angeregt wird. In ähnlicher Weise sind Gluonen, die starke Wechselwirkungen verbreiten, Quanten des Gluonenfeldes. Nicht nur die Elementarteilchen, die Wechselwirkungen übertragen, sondern auch alle Elementarteilchen, aus denen Materie besteht, werden durch die Anregung von Quantenfeldern erzeugt. Beispielsweise wird das Elektronenfeld zur Erzeugung von Elektronen angeregt, das Quarkfeld zur Erzeugung von Quarks und so weiter.

Das Vakuum ist nicht wirklich leer

Betrachten wir abschließend ein Beispiel, bei dem ein Substantiv selbst keine physikalische Tatsache widerspiegeln kann – Vakuum.

Vakuum bezeichnet einen Raumzustand, in dem keine Materie existiert. Allerdings schließt die Existenz von Feldern gemäß der Quantenfeldtheorie ein absolutes Vakuum aus. Selbst wenn alle Materie aus dem Weltraum entfernt würde, gäbe es immer noch Quantenfelder. Da das Quantenfeld schwankt, ist im Raum immer noch winzige Energie vorhanden. Energie und Materie sind gleichwertig, daher gibt es in der Natur kein absolutes Vakuum. Der Vakuumzustand sollte als Grundzustand der Materie betrachtet werden, also als der Zustand mit der niedrigsten Energie, aber die Energie ist nicht Null.

Über den Autor

Shaohao Chen hat einen Bachelor-Abschluss in Physik und einen Doktortitel in Atom- und Molekularphysik von der Tsinghua-Universität. Er war Postdoktorand an der University of Colorado Boulder und hat an der Louisiana State University und der Boston University gearbeitet. Derzeit arbeitet er am Massachusetts Institute of Technology und beschäftigt sich mit Hochleistungsrechnen.

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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