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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Das Prinzip der Komplementarität. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen Ein Prinzip, das sehr präzise und umfangreich ist Bor Komplementarität genannt - eine der tiefsten philosophischen und naturwissenschaftlichen Ideen der Gegenwart. Nur solche Ideen wie das Relativitätsprinzip oder die Idee eines physikalischen Feldes können damit verglichen werden. „In den Jahren vor N. Bohrs Rede in Como gab es zahlreiche Diskussionen über die physikalische Interpretation der Quantentheorie“, schreibt W. I. Frankfurt. Quantentheorie - in dem der klassischen Theorie fremden Postulat, wonach jeder atomare Vorgang durch Diskontinuität gekennzeichnet ist. Die Quantentheorie erkennt als eine ihrer Hauptbestimmungen die grundlegenden Einschränkungen klassischer Konzepte bei der Anwendung auf atomare Phänomene an, was der klassischen Physik fremd ist, aber gleichzeitig basiert die Interpretation empirischen Materials hauptsächlich auf der Anwendung klassischer Konzepte. Aus diesem Grund ergeben sich erhebliche Schwierigkeiten bei der Formulierung der Quantentheorie. Die klassische Theorie geht davon aus, dass ein physikalisches Phänomen betrachtet werden kann, ohne dass es einen grundsätzlich unveränderlichen Einfluss darauf hat. Für den Bericht auf dem Internationalen Physikalischen Kongress in Como „Quantum Postulate and the Recent Development of Atomic Theory“ wurde Bohr angesichts der Bedeutung der diskutierten Probleme das Vierfache der Frist eingeräumt. Die Diskussion über seinen Bericht beschäftigte den Rest des Kongresses. "... Die Entdeckung des universellen Wirkungsquantums", sagte Niels Bohr, "führte zu der Notwendigkeit einer weiteren Analyse des Beobachtungsproblems. Aus dieser Entdeckung folgt, dass die gesamte Beschreibungsmethode, die für die klassische Physik (einschließlich der Relativitätstheorie) bleibt nur so lange anwendbar, wie alle in die Beschreibung einbezogenen Größen der Wirkungsdimension groß im Vergleich zum Wirkungsquantum sind Gurt. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, wie dies im Bereich der Phänomene der Atomphysik der Fall ist, treten Muster besonderer Art in Kraft, die nicht in den Rahmen einer Kausalbeschreibung einbezogen werden können ... Dieses zunächst paradox erscheinende Ergebnis , findet seine Erklärung jedoch darin, dass es in diesem Bereich nicht mehr möglich ist, eine klare Grenze zwischen dem eigenständigen Verhalten eines physischen Objekts und seiner Interaktion mit anderen als Messgeräten verwendeten Körpern zu ziehen; Eine solche Interaktion entsteht notwendigerweise im Prozess der Beobachtung und kann nicht direkt durch die eigentliche Bedeutung des Messbegriffs berücksichtigt werden ... Dieser Umstand bedeutet eigentlich die Entstehung einer völlig neuen Situation in der Physik in Bezug auf die Analyse und Synthese experimenteller Daten. Es zwingt uns dazu, das klassische Ideal der Kausalität durch ein allgemeineres Prinzip zu ersetzen, das gewöhnlich „Zusätzlichkeit“ genannt wird. Die Informationen über das Verhalten der untersuchten Objekte, die wir mit Hilfe verschiedener Messinstrumente erhalten, sind zwar scheinbar unvereinbar, können aber in Wirklichkeit nicht in der üblichen Weise direkt aufeinander bezogen werden, sondern müssen als komplementär betrachtet werden. So erklärt sich insbesondere das Scheitern jedes Versuchs, die „Individualität“ eines getrennten atomaren Prozesses, der anscheinend das Wirkungsquantum symbolisiert, konsequent zu analysieren, indem man einen solchen Prozess in einzelne Teile zerlegt, aus dem Scheitern. Dies liegt daran, dass wir, wenn wir irgendeinen Moment im Verlauf des Prozesses durch direkte Beobachtung feststellen wollen, dazu ein Messgerät verwenden müssen, dessen Verwendung mit den Gesetzmäßigkeiten dieses Ablaufs nicht vereinbar sein kann Prozess. Zwischen dem Postulat der Relativitätstheorie und dem Komplementaritätsprinzip mit all ihren Unterschieden lässt sich eine gewisse formale Analogie erkennen. Sie liegt darin, dass sich ebenso wie in der Relativitätstheorie Gesetzmäßigkeiten, die in verschiedenen Bezugsrahmen aufgrund der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit eine unterschiedliche Form haben, als äquivalent herausstellen, also im Komplementaritätsprinzip Gesetzmäßigkeiten mit Hilfe verschiedener Messinstrumente untersucht werden und sich aufgrund der Endlichkeit des Wirkungsquantums widersprechend erscheinen, sind logisch vereinbar. Um ein möglichst klares Bild von der Situation zu geben, die sich in der erkenntnistheoretisch völlig neuen Atomphysik entwickelt hat, möchten wir hier zunächst auf solche eingehend eingehen Messungen, deren Zweck es ist, den räumlich-zeitlichen Verlauf eines physikalischen Prozesses zu kontrollieren. Letztlich läuft eine solche Kontrolle immer darauf hinaus, eine bestimmte Anzahl eindeutiger Beziehungen zwischen dem Verhalten eines Objekts und den Maßstäben und Uhren herzustellen, die den von uns verwendeten raumzeitlichen Bezugsrahmen bestimmen. Von einem von den Beobachtungsbedingungen unabhängigen Verhalten des Untersuchungsobjekts in Raum und Zeit kann nur dann gesprochen werden, wenn wir bei der Beschreibung aller für den betrachteten Vorgang wesentlichen Bedingungen die Wechselwirkung des Objekts völlig vernachlässigen können mit dem Messgerät, die zwangsläufig entsteht, wenn die obigen Verbindungen hergestellt werden. Wenn jedoch, wie im Quantenbereich, eine solche Wechselwirkung selbst einen großen Einfluss auf den Verlauf des untersuchten Phänomens hat, ändert sich die Situation vollständig, und wir müssen insbesondere den Zusammenhang zwischen den raumzeitlichen Eigenschaften von aufgeben ein Ereignis und die universellen dynamischen Gesetze, die für die klassische Beschreibung charakteristisch sind. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass die Verwendung von Waagen und Uhren zur Festlegung eines Referenzsystems per Definition die Möglichkeit ausschließt, die während des betrachteten Phänomens auf das Messgerät übertragenen Impuls- und Energiegrößen zu berücksichtigen. Ebenso und umgekehrt können Quantengesetze, bei deren Formulierung im Wesentlichen die Begriffe Impuls oder Energie verwendet werden, nur unter solchen experimentellen Bedingungen verifiziert werden, wenn eine strenge Kontrolle über das raumzeitliche Verhalten des Objekts ausgeschlossen ist. Nach der Unschärferelation Heisenbergist es unmöglich, beide Eigenschaften eines atomaren Objekts – Koordinate und Impuls – im selben Experiment zu bestimmen. Aber Bohr ging noch weiter. Er bemerkte, dass Koordinate und Impuls eines Atomteilchens nicht nur gleichzeitig, sondern im Allgemeinen mit Hilfe desselben Instruments gemessen werden können. Um den Impuls eines atomaren Teilchens zu messen, wird ein extrem leichtes, mobiles „Instrument“ benötigt. Aber gerade wegen seiner Mobilität ist seine Position sehr ungewiss. Um die Koordinate zu messen, benötigen Sie ein sehr massives "Gerät", das sich nicht bewegt, wenn ein Partikel darauf trifft. Aber egal, wie sich ihr Schwung in diesem Fall ändert, wir werden es nicht einmal bemerken. „Zusätzlichkeit ist dieses Wort und diese Denkrichtung, die dank Bohr für jedermann verfügbar wurde“, schreibt L.I. Urteile und erklärt: Ja, ihre Eigenschaften sind zwar unvereinbar, aber für eine vollständige Beschreibung eines atomaren Objekts sind beide gleichermaßen notwendig und widersprechen sich daher nicht, sondern ergänzen sich. Diese einfache Überlegung zur Komplementarität der Eigenschaften zweier inkompatibler Geräte erklärt die Bedeutung des Komplementaritätsprinzips gut, erschöpft es jedoch keineswegs. Tatsächlich brauchen wir keine Instrumente an sich, sondern nur zur Messung der Eigenschaften atomarer Objekte. Koordinate x und Impuls p sind die Konzepte, die zwei Eigenschaften entsprechen, die mit zwei Instrumenten gemessen werden. In der uns bekannten Wissenskette – einem Phänomen – einem Bild, einem Konzept, einer Formel – wirkt sich das Komplementaritätsprinzip vor allem auf das Begriffssystem der Quantenmechanik und die Logik seiner Schlussfolgerungen aus. Tatsache ist, dass es unter den strengen Bestimmungen der formalen Logik eine „Regel der ausgeschlossenen Mitte“ gibt, die besagt: Von zwei gegensätzlichen Aussagen ist eine wahr, die andere falsch und es kann keine dritte geben. In der klassischen Physik gab es keinen Anlass, an dieser Regel zu zweifeln, da dort die Begriffe „Welle“ und „Teilchen“ tatsächlich gegensätzlich und grundsätzlich unvereinbar sind. Es stellte sich jedoch heraus, dass in der Atomphysik beide gleichermaßen gut zur Beschreibung der Eigenschaften derselben Objekte anwendbar sind und dass es für eine vollständige Beschreibung notwendig ist, sie gleichzeitig zu verwenden.“ Bohrs Prinzip der Komplementarität ist ein erfolgreicher Versuch, die Mängel eines etablierten Begriffssystems mit dem Fortschritt unseres Weltwissens in Einklang zu bringen. Dieses Prinzip erweiterte die Möglichkeiten unseres Denkens und erklärte, dass sich in der Atomphysik nicht nur Konzepte ändern, sondern auch die Formulierung von Fragen über das Wesen physikalischer Phänomene. Die Bedeutung des Komplementaritätsprinzips geht jedoch weit über die Grenzen der Quantenmechanik hinaus, in der es ursprünglich auftauchte. Erst später – bei Versuchen, es auf andere Bereiche der Wissenschaft auszudehnen – wurde seine wahre Bedeutung für das gesamte System des menschlichen Wissens klar. Über die Rechtmäßigkeit eines solchen Schrittes lässt sich streiten, seine Fruchtbarkeit lässt sich aber nicht in allen Fällen, auch fernab der Physik, leugnen. „Bohr hat gezeigt“, bemerkt Ponomarev, „dass die Frage „Welle oder Teilchen?“, wenn man sie auf ein atomares Objekt anwendet, falsch gestellt ist. Das Atom hat solche getrennten Eigenschaften nicht, und deshalb erlaubt die Frage keine eindeutige Antwort „ja“. oder 'nein' Ebenso, da es keine Antwort auf die Frage gibt: „Was ist größer: ein Meter oder ein Kilogramm?“ und alle anderen Fragen ähnlicher Art. Zwei zusätzliche Eigenschaften der atomaren Realität können nicht getrennt werden, ohne die Vollständigkeit und Einheit des natürlichen Phänomens, das wir Atom nennen, zu zerstören ... ...Ein atomares Objekt ist weder ein Teilchen noch eine Welle oder sogar beides gleichzeitig. Ein atomares Objekt ist etwas Drittes und entspricht nicht der einfachen Summe der Eigenschaften einer Welle und eines Teilchens. Dieses atomare „Etwas“ ist für die Wahrnehmung unserer fünf Sinne unzugänglich und dennoch real. Wir verfügen nicht über Bilder und Sinne, um uns die Eigenschaften dieser Realität vollständig vorzustellen. Die auf Erfahrung basierende Kraft unseres Intellekts ermöglicht es uns jedoch, es auch ohne dies zu wissen. Am Ende (wir müssen zugeben, dass Born Recht hatte) „… hat sich der Atomphysiker weit von den idyllischen Vorstellungen des altmodischen Naturforschers entfernt, der hoffte, in die Geheimnisse der Natur einzudringen, indem er Schmetterlinge auf der Wiese auflauerte.“ Autor: Samin D. K.
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