Fern- und Nahwirkungstheorie oder "Was ist ein Feld?"
Inhaltsverzeichnis
Grundlegende Versuche und Beispiele
Der Begriff des Feldes in der Geschichte der Physik
- Averoes
- Newton
- „Es ist undenkbar, dass leblose, rohe Materie auf andere […] Materie wirken sollte, ohne direkten Kontakt und ohne die Vermittlung von etwas anderem, das nicht materiell ist. Dass die Gravitation eine angeborene, inhärente und wesentliche (Eigenschaft) der Materie sein soll, so dass ein Körper auf einen anderen über eine Entfernung durch Vakuum hindurch und ohne die Vermittlung von etwas Sonstigem wirken soll, […], ist für mich eine so große Absurdität, dass ich glaube, kein Mensch, der eine in philosophischen Dingen geschulte Denkfähigkeit hat, kann sich dem jemals anschließen. Gravitation muss durch einen Vermittler erzeugt werden, welcher gleichmäßig nach bestimmten Gesetzen wirkt. Aber ob dieser Vermittler materiell oder immateriell ist, habe ich der Überlegung meiner Leser überlassen.“
- (Brief von Isaac Newton an Richard Bentley von 1692/1693 - in: Herbert Westren Turnbull, The correspondence of Isaac Newton 1961, Vol. III, S. 253-254) [1]
- Faraday
- Manche sagen, es sei eine Veränderung des Raumes (Äther). ,
- Einstein
- Gravitation durch Krümmung der 4dim Raum-Zeit
- Quantenfeldtheorie
- (Feynman),
Nah- und Fernwirkungstheorien
Zwei Gegenstände haben eine Wechselwirkung. Aus einer mechanischen Sichtweise heraus heißt das, dass sie Impuls austauschen. Ein Gegenstand verliert Impuls, der andere Gegenstand erhält den Impuls.
Die Wechselwirkung zwischen zwei Gegenständen läßt sich auf verschiedene Arten beschreiben. Alle Beschreibungen führen rechnerisch zu den gleichen Ergebnissen. Je nach Situation sind sie aber unterschiedlich gut zur Beschreibung geeignet.
Die Fernwirkungstheorie hat schon Newton aus philosophischen Gründen abgelehnt.
Nur die Nahwirkungstheorie kann auch die Ausbreitunggeschwindigkeit einer Wirkung beschreiben.
Fernwirkungstheorie
Dies ist die zunächst einfachste der Beschreibungsmöglichkeiten. Zwei Gegenstände ziehen sich gegenseitig an oder stoßen sich ab. Es wirken zwei entgegengesetzte Kräfte, die den Impuls jeweils verändern.
- Sonne und Erde ziehen sich an.
- Der elektrisch positiv geladene Körper und der negativ geladene stoßen sich ab.
- Nord- und Südpol eines Magneten ziehen sich an.
- Gegenstände mit schwerer Masse ziehen sich an
- Gleichnamige elektrische Ladungen stoßen sich ab, Ungleichnamige ziehen sich an.
- Gleichnamige magnetische Ladungen stoßen sich ab, Ungleichnamige ziehen sich an
- Je größer der Abstand, desto kleiner die wirkenden Kräfte. (Abstandsgesetze: Coulomb, Gravitationsgesetz, magn Coulombgesetz)
Das passt gut zu einer einfachen Vorstellung des atomaren Aufbaus von Materie aus negativen Elektronen und positiven Atomkernen. Viele Experimente der Elektrostatik und Magnetostatik lassen sich einfach erklären
Aus philosophischer Sicht ist es schwer zu verstehen, wie eine Wirkung ohne Vermittlung über große Distanzen, zB. zwischen Sonne und Erde, übertragen werden soll.
Physikalisch ergibt sich weiterhin das Problem der sofortigen Wirkung ohne Zeitverzögerung auch auf große Distanzen. Dies ist messbar falsch.
Nahwirkungstheorie / Feldtheorie[2]
- Um eine elektrische Ladung befindet sich ein elektrisches Feld .
- Um eine magnetische Ladung (Magnetische Dipole) befindet sich ein magnetisches Feld.
- Um eine schwere Masse befindet sich ein Gravitationsfeld.
Probekörper im Feld
Ein "relativ kleiner" (passiver) Gegenstand befindet sich im Feld eines "relativ großen" (aktiven) Gegenstandes. Das Feld des "großen" Gegenstandes übermittelt die Wirkung und ist an verschiedenen Stellen unterschiedlich stark. Das macht Sinn, weil der Probekörper "klein" ist und deshalb das Feld des "Großen" nicht stark verändert.
In dieser Sichtweise vernachlässigt man häufig die Kraftwirkung auf den großen Gegenstand, weil sie aufgrund der großen Masse keine große Wirkung zeigt.
- Das Gravitationsfeld der Erde ist auf Meereshöhe stärker als in 8000m Höhe, weshalb die Anziehungskraft auf einen Apfel auch unterschiedlich ist.
- Um eine geriebene Schallplatte ist ein elektrisches Feld. Ein elektrisch geladenes Staubteilchen erfährt in dem Feld eine Kraftwirkung.
- Um einen Magneten befindet sich ein Feld. Auf den Nord- oder Südpol eines anderen Magneten wirkt deshalb eine Kraft.
- Ergibt sich durch eine andere Interpretation der Abstandsgesetze.
- Benötigt man, um ein Feld an einer Stelle zu untersuchen und so auch die Feldstärke festzulegen.
- Das Feld eines Gegenstandes wird mit zunehmendem Abstand schächer.
"aktives" Feld mit Zug- und Druckspannungen
In dieser Beschreibung rückt das Feld zwischen den Gegenständen in den Mittelpunkt. Alle beteiligten Gegenstände sind gleichberechtigt, es gibt keine "großen" und "kleinen" mehr.
Das Feld drückt (oder zieht) an einem oder mehreren Gegenständen ähnlich einer gespannten Feder.
- Das Gravitationsfeld zwischen Erde und Mond zieht beide aufeinander zu.
- Das elektrische Feld zwischen zwei geriebenen Trinkhalmen drückt sie voneinander weg.
- Das Magnetfeld zwischen zwei Magneten drückt sie auseinander.
- Abstandsgesetz: Bei einem großen Abstand zwischen zwei Gegenständen ist das sie verbindende Feld unter einer geringen Zug- oder Druckspannung (Wie bei einem Kaugummi :)
Die Beschreibung mit dem "aktiven" Feld kann
- den Energiegehalt eines Feldes beschreiben
- die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Feldes beschreiben
- die wechselseitige Erzeugung von elektrischem und magnetischen Feld (Z.B: bei elektromagnetischen Wellen) beschreiben
und ist die allgemeinste und somit "richtigste" Beschreibung der Wechselwirkungen.
Teilchenaustausch
In der Quantenfeldtheorie wird die elektromagnetische, die starke und die schwache Wechselwirkung durch den Austausch von Wechselwirkungsteilchen beschrieben.
Gekrümmte Raum-Zeit
Speziell die Gravitation kann man als Krümmung der 4-dimensionalen Raumzeit interpretieren. Das geht bei anderen Wechselwirkungen aber nicht. Die Gravitation ist wiederum noch nicht durch Teilchenaustausch beschrieben worden.[3]
Was ist ein Feld?
Die Frage ist ebenso schwer zu beantworten, wie die Frage, was denn ein Apfel sei. Im Alltag sind wir von Feldern umgeben und durch ihre Eigenschaften und Wirkungen können wir sie verstehen und beschreiben. Ein Versuch ist die Formulierung:
Um Gegenstände mit schweren, elektrischen oder magnetischen Ladungen befindet sich ein Feld. So sind Gegenstände durch den Raum miteinander verbunden, sie können eine Wirkung aufeinander ausüben und auch Impuls austauschen. Das verbindende Feld kann sich maximal mit Lichtgeschwindigkeit verändern.
Ein Feld, dass uns in ganz besonderer Weise vertraut zu sein scheint, ist das Gravitationsfeld. Denn die Anziehungskraft zwischen Gegenständen und der Erde ist unmittelbar spürbar. Magnetfelder sind in ihrer Wirkung ebenso direkt erfahrbar. Elektrische Felder sind dagegen für uns in der Regel zu schwach, um sie direkt zu spüren. Ihre Wirkungen dagegegen kann man in vielfältiger Weise beobachten.
Dieses kleine sokratische Gespräch soll die Eigenschaften eines Feldes verdeutlichen:
- Die wichtigste Eigenschaft eines Feldes ist daher, dass es zwischen Gegenständen wirkt und damit Impuls überträgt.
- Aha! Also ist ein Feld so etwas wie ein Seil, dass zwischen zwei Dingen gespannt ist und mit dem man Ziehen kann!
- Ja, denn z.B. bei Magneten und bei der Erdanziehung kennt man die anziehende Wirkung, aber dennoch "Nein", denn ein Feld kann auch durch Druckspannung zwei Gegenstände auseinanderdrücken. Bei zwei Magneten muss man dazu nur zwei verschiedene Pole nähern.
- Ach so! Dann ist ein Feld also so etwas wie eine Stange!
- Ja, aber im Unterschied zu einer Stange ist ein Feld in der Regel viel "weicher".
- Dann ist ein Feld so etwas wie ein Schwamm zwischen den Dingen, denn bei vielen Feldern kann man drücken und ziehen.
- Schon viel besser. Den Schwamm kann man aber längs einer beliebigen Richtung drücken und auseinanderziehen. Das geht bei Feldern nicht. Die kann man nur in einer Richtung auseinanderziehen und quer dazu Zusammendrücken. Sie haben eine innere Struktur, sind sozusagen "gekämmt".
- Ein Holzklotz hat auch eine Maserung, so ähnlich?
- Ja, genau, oder ein Schwamm der sich längs einer Richtung zusammenzieht und quer dazu auseinanderdrückt. Allerdings ist ein Feld durchsichtig.
- Also ein durchsichtiger Schwamm mit Holzmaserung!
- Ja, und es hat keine Masse! (Bis auf die enthaltene Energie natürlich.)
- Ein durchsichtiger Schwamm ohne Masse?
- Ja, und außerdem wird ein Feld, dass man auseinanderzieht in der Regel immer weicher und nicht fester, wie der Schwamm. Nur beim Zusammendrücken wird es immer fester.
- Mmh, da ist es schwierig einen Vergleich zu finden. Vielleicht so wie Knete, die beim Auseinanderziehen immer dünner wird.
- Ja, irgendwann hören die Vergleiche auf. Denn Felder kann man nicht direkt anfassen, nicht sehen und doch sind sie es, die alle Dinge miteinander verbinden.
Aufgaben
Formulierungen und Übersetzungen
Durch die verschiedenen Theorien hat man mindestens drei verschiedene Möglichkeiten den gleichen Sachverhalt auszudrücken:
- als Fernwirkung:
- als Nahwirkung: "Probekörper-Konzept"
- als Nahwirkung: "aktives Feld"
Aussagen den verschiedenen Theorien zuordnen.
Aussagen von einer Theorie in eine andere Übersetzen.
Fußnoten
- ↑ „It is unconceivable that inanimate brute matter should (without the mediation of something else which is not material) operate upon and affect other matter without mutual contact; as it must if gravitation in the sense of Epicurus be essential and inherent in it. And this is one reason why I desired you would not ascribe innate gravity to me. That gravity should be innate inherent and essential to matter so that one body may act upon another at a distance through a vacuum without the mediation of any thing else by and through which their action or force may be conveyed from one to another is to me so great an absurdity that I believe no man who has in philosophical matters any competent faculty of thinking can ever fall into it. Gravity must be caused by an agent acting constantly according to certain laws, but whether this agent be material or immaterial is a question I have left to the consideration of my readers.“ zitiert nach Wikipedia: Fernwirkung (Physik)
- ↑ In der Mathematik gibt es auch den Begriff "Feld". Er bedeutet dort etwas anderes als in der Physik und wird leider oft verwechselt. (Am Anfang des Wikipediaartikels "Feld (Physik)" wird zunächst von einem Feld im mathematischen Sinne und dann in einem physikalischen Sinne gesprochen.) Ein mathematisches Feld ist eine Funktion, die jedem Ort im Raum eine Eigenschaft zuordnet. Die Feldstärke ist also ein mathematisches Feld, denn dabei wird jedem Punkt im Raum ein Vektor zugeordnet.
- ↑ Siehe auch Wikipedia: Quantengravitation
Links
- Wikipedia: Fernwirkung und Wikipedia: Actio in distans (Philosopische Bezeichnung der Fernwirkung)
- Wikipedia: Mechanische Erklärungen der Gravitation
- Die vier Grundkräfte der Physik (Mrc Gänsler, www.drillingsraum.de)
- Nah- und Fernwirkungstheorie in der Elektrostatik (Pohlig)
- Kurze Geschichte des Feldbegriffs (Karl-Josef Klein und Hans-Jürgen Dons)
Literatur
- Quanten und Felder : physikalische und philosophische Betrachtungen zum 70.Geburtstag von Werner Heisenberg / hrsg. von H. P. Dürr. Beiträge von E. Bagge ... ; Dürr, Hans-Peter (1929-) [Hrsg.] (25 UB Freiburg: NA 72/20)
- Der Weg zur modernen Physik: Sexl, Roman ; Hügli, Ernst [Bearb.] 3. Aufl. ; Sauerländer, 1996 (25 UB Freiburg: LS: Phys 90/3 ; Präsenzbestand)
