Table Of ContentGünther Ludwig . Einführung in die Grundlagen der Theoretischen Physik
Günther Ludwig
Einflihrung in die Grundlagen der Theoretischen Physik
Band 1 : Raum, Zeit, Mechanik
Band 2: Elektrodynamik, Zeit, Raum, Kosmos
Band 3: Quantentheorie
Band 4: Makrosysteme, Physik und Mensch
Günther Ludwig
Einführung in die
Grundlagen der
Theoretischen Physik
Band 4: Makrosysteme, Physik und Mensch
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Ludwig, Günther:
Einführung in die Grundlagen der theoretischen
Physik / Günther Ludwig. - Braunschweig,
Wiesbaden: Vieweg.
Teilw. im Bertelsmann-Universitätsverlag,
Düsseldorf.
Bd. 4. Makrosysteme, Physik und Mensch. - 1979.
ISBN 978-3-663-12070-4 ISBN 978-3-663-12069-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-12069-8
1979
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden 1979
Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbR, Braunschweig 1979.
Softcover reprint of the hardcover I st edition 1979
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fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt für die Vervielfältigung durch alle
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Bänder, Platten und andere Medien.
Satz: Helmut Becker, Bad Soden/Ts.
Buchbinder: W. Langelüddecke, Braunschweig
Umschlaggestaltung: Peter Steinthai, Detmold
Vorwort
Der jetzt vorliegende Band schließt die Darstellung physikalischer Theorie in
ihren gegenseitigen Beziehungen ab. Der Versuch, die schwierigen Probleme
einer Theorie makroskopischer Vorgänge aufzuzeigen, ohne allzu viel Mathe
matik beim Leser vorauszusetzen, mußte in diesem Band gewagt werden, um
die vielfach herrschende Verschleierung dieser Probleme hinter Schlagworten
zu zerreißen.
Auch mit der Physik zusammenhängende Probleme mußten aufgezeigt
werden. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die handschriftliche Aus
arbeitung auch des »Dialogs« schon im Juli 1977 fertiggestellt war und bewußt
nicht mehr geändert wurde, obwohl inzwischen manche Entwicklungen zu
Hinweisen gereizt hätten.
Dem Verlag danke ich für das Entgegenkommen, Erweiterungen des Um
fangs und zeitliche Verzögerungen hingenommen und so diese in sich zusam
menhängende Darstellung ermöglicht zu haben.
Vielen meiner Mitarbeiter möchte ich für die wertvolle Hilfe danken, die
sie mir durch kritisches Lesen des Manuskripts, durch nochmalige Durchsicht
der Korrekturen und durch Aufstellen des Stichwortverzeichnisses (das für
alle vier Bände am Ende dieses Bandes erscheint) gewährt haben; es sind dies
die Herren Dr. W. Bayer, H. Darachschani, H. Gerstberger, Dr. L. Kanthack,
o.
Prof Dr. W. Maaß, Prof Dr. Melsheimer, Prof Dr. H. Neumann, R. Werner.
Marburg, im Februar 1979 G. Ludwig
Inhalt
Kurze Anleitung für den Leser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Voreinstimmung auf die physikalischen Problemstellungen.. . . . . . . . . . . . . 3
XIV. Thermodynamik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
§ 1 Thermostatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
§ 1.1 Der Zustandsraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
§ 1.2 Der Energiesatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
§ 1.3 Zusammengesetzte Systeme und der Begriff der Temperatur. . .. 30
§ 1.4 Der Entropiesatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41
§ 1.5 Abhängigkeit der inneren Energie von den Zustandsgleichungen 60
§ 1.6 Die freie Energie ........................................ 68
§ 1.7 Die freie Enthalpie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 70
§ 2 Irreversible Prozesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84
§ 2.1 Das Problem des Zustandsraumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . .. 85
§ 2.2 Der Energiesatz . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 87
§ 2.3 Der Satz von der Vermehrung der Entropie. . . . . .. . . . . . . . . . .. 89
§ 2.4 Anwendung des zweiten Hauptsatzes auf Beispiele der
Thermostatik ........................................... 92
§ 2.5 Der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen. . . . . . . . . . . . . .. 98
§ 2.6 Wärmeleitung in starren Körpern .......................... 101
§ 2.7 Die Navier-Stokesschen Gleichungen ....................... 110
§ 2.8 Materialien im elektromagnetischen Feld. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 135
XV. Das Problem des Aufbaus makroskopischer Systeme aus Atomen .... 146
§ 1 Eine extrapolierte Quantenmechanik eines »Vielteilchen«-Systems ... 148
§ 2 Physikalische Problematik von ~l:qexp und ~l:kexp ••••.••••...•.•• 150
§ 3 Das Problem der Makroregistrierverfahren und der Makro-
präparierverfahren ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 158
VIII Inhalt
§ 4 Thermodynamischer Zustandsraum und Gleichgewichtszustände . . .. 163
§ 4.1 Der thermodynamische Zustandsraum ...................... 163
§ 4.2 Thermodynamische Observable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 171
§ 4.3 Der Ergodensatz ........................................ 179
§ 4.4 Die Entropie ............................................ 191
§ 4.5 Das Modell ~l:kexp •..•.••.•••...•..•••......•.•....•..•• 196
§ 5 Energiesatz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 204
§ 6 Thermostatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 206
§ 6.1 Zustandsraum der Thermostatik ........................... 206
§ 6.2 Der Energiesatz für quasistatische Prozesse. . . . . . . . . . . . . . . . .. 207
§ 6.3 Die supermikroskopische Gesamtheit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 208
§ 6.4 Die mikrokanonische Gesamtheit .......................... 216
§ 6.5 Die kanonische Gesamtheit und der Begriff der Temperatur. . .. 220
§ 6.6 Die große kanonische Gesamtheit und das chemische
Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 232
§ 6.7 Die Statik kleiner Teilsysteme ............................. 243
§ 7 Beispiele für Zustandsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 249
§ 7.1 Das Problem des Hamiltonoperators ........................ 250
§ 7.2 Das »klassische« reale Gas ................................ 251
§ 7.3 Das ideale Fermigas ...................................... 260
§ 7.4 Das ideale Bosegas ....................................... 265
§ 7.5 Termdichte der makroskopischen Energie ................... 270
§ 7.6 Ideales Gas aus Atomen mit innerer Energie ...... , .......... 273
§ 8 Unschärferelationen der Thermodynamik ........................ 275
§ 9 Thermostatischer Limes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 279
§ 10 Thermodynamisch determinierte Systeme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 280
§ 10.1 Trajektorien im thermodynamischen Zustandsraum ........ 280
§ 10.2 Die Boltzmannsche Stoßgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 290
§ 10.3 Energiesatz für die Trajektorien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 303
§ 10.4 Der Entropiesatz für die Trajektorien ..................... 306
§ 10.5 Scheinbare Unmöglichkeit der Einbettung ................. 315
§ 10.6 Hydrodynamik und Boltzmannsche Stoßgleichung .......... 333
§ 11 Statistische thermodynamische Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 340
§ 11.1 Zustandsraum und Trajektorienraum ..................... 341
§ 11.2 Das Problem der Kompatibilität von ~l:th mit ~l:qexp ...... 345
§ 11.3 Die Beschreibung der Dynamik durch die Gesamtheitenmenge 352
§ 11.4 Die Masterequation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 355
Inhalt IX
§ 11.5 Die thermodynamischen Systeme als physikalische Objekte
und das Einbettungsproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 368
§ 11.6 Die »erratene« Masterequation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 370
§ 11.7 Die Brownsche Bewegung ............................... 373
§ 11.8 Die Diracsche Störungstheorie und die Masterequation ..... 377
§ 11.9 Hinweise auf Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 381
§ 12 Das Problem des Präparierens und Registrierens von Makro-
systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 382
§ 12.1 Offene physikalische Fragen bei der Beschreibung der
thermodynamischen Observablen ........................ 383
§ 12.2 Antworttheorien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 384
§ 12.3 Reduktionstheorien .................................... 387
§ 12.4 Zweite Quantisierung .................................. 396
§ 12.5 Lokale Observablenalgebren und unendliche Systeme ....... 400
§ 12.6 Das physikalische Problem von (12m und ~m ........•••••..• 401
§ 12.7 Realität der Atome als Teile eines Makrosystems ........... 405
§ 13 Physik und Biologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 407
§ 13.1 Biologische Systeme als physikalische Systeme ............. 408
§ 13.2 Ist die Entwicklung der Lebewesen physikalisch erklärbar ... 413
§ 13.3 Unphysikalische Aspekte an Lebewesen ................... 417
XVI. Das Problem des Registrierens und Präparierens von Mikro-
systemen .................................................. 419
§ 1 Experimente von Mikrosystemen »ohne« Mikrosysteme ........... 420
§ 1.1 Gekoppelte Makrosysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 420
§ 1.2 Das Präparieren und Registrieren zweier zusammengesetzter
Makrosysteme .......................................... 421
§ 1.3 Gerichtete Wechselwirkung ............................... 425
§ 1.4 Wechselwirkungsträger ................................... 427
§ 1.5 Physikalische Systeme und physikalische Objekte als Wirkungs-
träger .................................................. 431
§ 2 Mikrosysteme als Wirkungsträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 438
§ 2.1 Das Präparieren von Mikrosystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 438
§ 2.2 Das Registrieren von Mikrosystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 439
§ 2.3 Das aus Präparieren und Registrieren zusammengesetzte
Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 440
§ 3 Die Fixierung der Messung durch das Registriersystem als Makro-
system ...................................................... 442
X Inhalt
§ 4 Theorie des Präparierens und Registrierens von Mikrosystemen . . . .. 446
§ 4.1 Präpariersysteme ........................................ 447
§ 4.2 Registriersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 448
§ 4.3 Die Elimination der Mikrosysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 450
XVII Der Mensch als physikalisches System ......................... 451
§ 1 Das Bewußtsein. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 451
§ 2 Freier Wille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 455
XVIII Wahrscheinlichkeit und Verfügbarkeit ......................... 463
§ 1 Wahrscheinlichkeit für physikalische Möglichkeiten ............... 464
§ 2 Verfügbarkeit ............................................... 465
§ 3 Fast sichere Hypothesen ....................... . . . . . . . . . . . . . .. 466
§ 4 Der Test von Wahrscheinlichkeiten ............................. 467
XIX. Das Problem der Entwicklung und Anerkennung einer Theorie ..... 471
§ 1 Anerkennung und Verwerfung einer'.ß:! ......................... 471
§ 2 Die Entwicklung physikalischer Theorien ........................ 477
Xx. Wert oder Unwert der Physik ................................. 481
Dialog ........................................................ 482
A X Stabilitätstheorie ........................................... 511
A XI Bedingungen für stark thermodynamisch ergodisches Verhalten ... 514
A XII Fastperiodische Funktionen ................................ 517
Literaturhinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 522
Sachwortverzeichnis ....................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 526
