Vom Energieinhalt ruhender Körper

Ein thermodynamisches Konzept von Materie und Zeit

Grit Kalies

• Verlag: De Gruyter
• Jahr: 2019
• ISBN drucken: 9783110655568
• eBook-ISBN: 9783110655704
• Auflage: 1
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Mathematische & Computerphysik

Im Buch werden zwei fundamentale physikalische Theorien miteinander verglichen: die Thermodynamik und die Spezielle Relativitätstheorie. Es wird gezeigt, dass mit der thermodynamischen Methode eine Materie-Energie-Äquivalenz vereinbar ist, während die Spezielle Relativitätstheorie eine Masse-Energie-Äquivalenz postuliert. Die weitreichenden Konsequenzen der Materie-Energie-Äquivalenz werden dargestellt.

1 Einleitung

Ein Grundanliegen der Physik, die historisch aus der Naturphilosophie hervorgegangen ist, ist die Beschreibung des Verhaltens von Materie¹ und Licht² in Zeit und Raum. Da Materie und Licht als Träger von Energie fungieren, lässt sich die Physik in ihren Teilgebieten wie Mechanik, Quantenphysik, Elektrodynamik, Thermodynamik oder Relativitätstheorie als eine Lehre von der Energie und ihren Wirkungen verstehen.

Der Begriff der Energie ist heute allgegenwärtig. Wir unterscheiden verschiedene Formen und sind dazu in der Lage, die Energie in gewisse Anteile zu zerlegen. Dennoch gibt es bisher keine physikalisch allgemeingültige Definition von Energie, und es gilt weiter, was der amerikanische Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman in seinen „Vorlesungen über Physik“ einmal so treffend gesagt hat:

Es ist wichtig, einzusehen, dass wir in der heutigen Physik nicht wissen, was Energie ist. Wir haben kein Bild davon, daß Energie in kleinen Klumpen definierter Größe vorkommt. So ist es nicht. Jedoch gibt es Formeln zur Berechnung einer numerischen Größe […].

[Feynman 2007, S. 46]

Empirisch belegt ist, dass alles Existierende eine gewisse Menge, einen Vorrat an einer physikalischen Größe E besitzt, die die Voraussetzung für ein Wirken darstellt, d. h. für Prozesse wie etwa eine Lageveränderung oder Stoffströme. Diese abstrakte Größe wurde, in Abgrenzung zum Newtonschen Kraftbegriff, in der Mitte des 19. Jahrhunderts Energie E genannt.³ Eines der grundlegendsten Axiome der Physik ist der sogenannte Energieerhaltungssatz oder 1. Hauptsatz der Thermodynamik, der es ermöglicht, die Änderungen der extensiven Zustandsgröße E eines thermodynamischen Systems zu bilanzieren.

Wird die Allgemeine Relativitätstheorie zuweilen als Theorie des „sehr Großen“ und die Quantentheorie als Theorie des „sehr Kleinen“ beschrieben [Leggett 1989, S. 5], so lässt sich die phänomenologische Thermodynamik als eine Theorie der Mitte auffassen, mit der sich die Welt des Komplexen beschreiben lässt, so wie sie uns umgibt. Jede der physikalischen Theorien beruht auf ihren eigenen Postulaten bzw. Axiomen. So sind etwa die Gesetze der Quantentheorie und der beiden Relativitätstheorien Einsteins invariant gegenüber der Zeitumkehr, d. h. reversibel, während die Gesetze der Thermodynamik einen Zeitpfeil kennen.

Die vorliegende Arbeit ist motiviert durch ein Bemühen um miteinander kompatible Energie- und Zeitkonzepte in verschiedenen Teilgebieten der Physik. Da es nur eine objektive Realität gibt, sollte es ein Ziel sein, eine einheitliche Beschreibung der Realität zu ermöglichen – auch unter adäquater Beschreibung von Wechselwirkungen, deren fundamentale Rolle in der Natur, gerade in Hinblick auf die vermehrten empirischen Hinweise auf kollektive Wechselwirkungen, Verschränkungen von Elementarteilchen usw., immer deutlicher wird.

In den Kapiteln 2 und 3 werden die Energiekonzepte der inneren Energie der Thermodynamik und der Ruheenergie⁴ der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) Einsteins getrennt voneinander vorgestellt. In einer Bestandsaufnahme, in die auch physik-historische Fakten einbezogen werden, werden jeweils die Annahmen, die Interpretation von Gleichungen, die gewählte Aufteilung der Gesamtenergie und die Bilanzierung von Energieänderungen dargestellt und diskutiert. Anhand von Originalarbeiten und modernen Lehrbüchern wird herausgearbeitet, dass die Interpretation der Lorentz-Transformierten innerhalb der SRT bis heute nicht geklärt ist. Es wird gezeigt, dass Experimente, die als Beweis für eine vollständige Masse-Energie-Äquivalenz gedeutet werden, keinen Beweis dafür darstellen.

In Kapitel 4 werden die Energiebegriffe der Thermodynamik und der Speziellen Relativitätstheorie formal miteinander verknüpft, erneut mit Bezug auf physik-historische Arbeiten. Die von Einstein postulierte vollständige Masse-Energie-Äquivalenz wird in die thermodynamische Methodik übertragen, um den damit verbundenen Energiebegriff anhand von Differentialquotienten und konkreten Fall- und Rechenbeispielen zu prüfen. Die Analyse dokumentiert, dass sich lediglich eine unvollständige Masse-Energie-Äquivalenz mit der Gibbsschen Methode zur Erfassung der Energieänderungen eines Systems vereinen lässt. Nicht nur für ein bewegtes, sondern bereits für ein ruhendes System differieren die Energiebegriffe der Thermodynamik und der SRT wesentlich.

Nach einer gedrängten Darstellung und kritischen Diskussion von Begriffen und Anschauungen der modernen Physik erfolgt deshalb in Kapitel 5 eine alternative Interpretation. Statt einer Masse-Energie-Äquivalenz wird eine Materie-Energie-Äquivalenz vorgeschlagen und begründet. Von diesem zentralen Konzept ausgehend, wird ein Modell entwickelt, das die Masse von Elementarteilchen und realen Körpern auf Bewegungsenergie zurückführt. Empirische Tatsachen, die bisher nur konstatiert werden konnten, werden physikalisch erklärbar, darunter die Gleichheit von träger und schwerer Masse oder die oszillierende Masse der Neutrinos. Es wird verdeutlicht, dass sich experimentelle Befunde, die heute als Beweis für die SRT gelten, als Beleg für das auf thermodynamischer Grundlage entwickelte Prinzip der Masseentstehung interpretieren lassen. Die Konsequenzen der Materie-Energie-Äquivalenz für die Standardmodelle der Teilchenphysik und der Kosmologie werden in einer polarisierenden Übersicht zusammengefasst.

In Kapitel 6 wird der Zeitbegriff der modernen Physik verhandelt. Nach einer kurzen historischen Darstellung, die unter anderem auf die umfangreiche Kritik am Zeitbegriff der SRT eingeht (vgl. auch Anhang: Die Festlegung einer Überzeugung), wird die Thermodynamik auf Grundlage der Materie-Energie-Äquivalenz und unter Aufgabe des reversiblen Zeitbegriffes weiterentwickelt. Es wird ein Konzept vorgestellt, mit dem sich die Irreversibilität auch auf Quantenebene beschreiben lässt.

Die Arbeit versteht sich als Anstoß und originärer Beitrag zu einer konzeptuellen Neufassung der Physik.

Fußnoten

1

Wo relevant, soll die Antimaterie im Materiebegriff mit enthalten sein.

2

Licht wird hier als Überbegriff für elektromagnetische Strahlung jedweder Wellenlänge gebraucht und beschränkt sich nicht auf den sichtbaren Teil des Spektrums.

3

Der Begriff Energie ist nicht wörtlich zu nehmen, sondern hat sich verselbständigt. Er geht auf das Kompositum energeia zurück, ein von Aristoteles geprägtes Kunstwort aus den Wortbestandteilen en ergô einai („in Werk sein“, Tätigkeit). Das Wort Energeia bezeichnet dabei den Akt, die wirksame Tätigkeit. Im Unterschied dazu bezeichnet Dynamis (lat. potentia, possibilitas) die Potenz, die noch nicht realisierte Möglichkeit. Da die extensive Zustandsgröße Energie E eines Stoffes nicht die Tätigkeit (energeia), also nicht den Prozess präsentiert, sondern lediglich die Potenz (dynamis), das Vermögen dazu, einen Prozess zu realisieren, hat man E lange Zeit Kraft (dynamis) genannt. Gottfried Wilhelm Leibniz [Leibniz 1686] z. B. unterschied die lebendige Kraft oder Bewegungskraft (heute die kinetische Energie E_kin) von der Fall- oder Spannkraft (heute die potentielle Energie E_pot).

4

Es handelt sich jeweils um Abstraktionen, doch ist es gerade das Ziel und eine Leistung der Physik, die Mannigfaltigkeit der Natur mit wenigen abstrakten Prinzipien und Größen allgemeingültig zu fassen.

2 Das Konzept der inneren Energie

Im Folgenden wird das Energiekonzept der Thermodynamik dargestellt. Im Zentrum stehen die Annahmen, der entwickelte Formalismus und seine Deutungen. Der Vergleich von verschiedenen Darstellungen in der Literatur soll dazu dienen, offene Probleme und neuralgische Punkte in der Theorie zu identifizieren.

2.1 Die Grundannahmen der klassischen Thermodynamik

In der klassischen phänomenologischen Thermodynamik geht man davon aus, dass sich gewisse makroskopische Bereiche der physikalischen Realität gedanklich voneinander abgrenzen lassen, sodass eine separate physikalische (energetische) Beschreibung möglich wird. Einen solchen Bereich nennt man thermodynamisches System .

Ein System enthält etwas, beispielsweise Materie und Strahlung. Die Abgre...

Inhaltsverzeichnis

• Title Page
• Copyright
• Contents
• Vorbemerkung
• Danksagung
• 1 Einleitung
• 2 Das Konzept der inneren Energie
• 3 Das Konzept der Ruheenergie
• 4 Verknüpfung der Energiekonzepte
• 5 Ein anderes physikalisches Weltbild
• 6 Die Irreversibilität und der Zeitpfeil
• 7 Zusammenfassung
• Anhang: Die Festlegung einer Überzeugung
• Literaturverzeichnis
• Formelzeichen
• Register