702 1900 – heden – Fysica
BRONNEN:
- https://nl.wikipedia.org/wiki/Speciale_relativiteitstheorie
Met name Albert Einstein (1879-1955) leidde in het eerste kwart van deze eeuw een fundamentele verandering in het wereldbeeld van de fysica in.
De in 1905 geformuleerde speciale relativiteitstheorie berust op twee postulaten:
- het relativiteitsprincipe; “Het is onmogelijk op grond van welk natuurkundig verschijnsel dan ook een absoluut referentie-systeem te bepalen.’ In alle systemen die zich ten opzichte van elkaar rechtlijnig eenparig bewegen (“inertiale systemen”), gelden de natuurwetten op dezelfde wijze en dus zijn alle systemen als gelijkwaardig te beschouwen.
- de lichtsnelheidsconstante. Daarbij doet zich een relativiteit van de gelijktijdigheid voor, zoals het voorbeeld van de trein laat zien: De rails worden door twee bliksemschichten A en B getroffen. Precies daartussen registreert een waarnemer op de spoordijk de lichtsignalen gelijktijdig. Op een waarnemer in een rijdende trein komen de signalen met de gelijke lichtsnelheid af, maar hij rijdt er een tegemoet en zal deze als eerder ervaren.
De equivalentie van traagheid en gravitatie is het fundament van de algemene relativiteitstheorie (1916), die in versnelde systemen moet gelden.
Einstein duidt de gravitatie als ruimtekromming door de massa. De wereld wordt als een eindige en onbegrensde ruimte gezien.
- Het geheel van alle massa’s veroorzaakt een ruimtekromming van het universum.
- Friedmann leidt daar in 1922 uit af dat het universum niet statisch kan zijn.
- Vaak gebruikt men als model voor de kosmos een luchtballon. Als die opgeblazen wordt, dan verwijderen de punten (materie) op zijn oppervlakte zich van elkaar, en dit des te sneller naarmate ze verder van elkaar verwijderd zijn.
- De kwantumfysica berust op het principe dat energieën slechts overgedragen kunnen worden als een veelvoud van hele getallen van het kwantum effect, dat door Max Planck is ontdekt.
- Gebeurtenissen zijn niet constant, continu, maar discreet, onderscheiden.
- Niels Bohr gebruikt de kwantumtheorie ter verklaring van de atoomstructuur en de specifieke licht-spectra van de chemische elementen.
- Omdat licht zich deels als golven, deels als “energiepakketjes” gedraagt, concludeert De Broglie dat ook massadeeltjes golfverschijnselen vertonen.
- De dualiteit van golven en deeltjes moet volgens Bohr complementair worden geïnterpreteerd: als beschrijvingen, die elkaar moeten uitsluiten en aanvullen.
- Voor de micro-fysica is Heisenberg’s onzekerheidsrelatie fundamenteel.
- Ook de kennis van bepaalde eigenschappen van objecten is “complementair”: Als bijvoorbeeld de impuls van een elektron bekend is, dan is zijn plaats niet precies te bepalen, en omgekeerd.
- Hetzelfde geldt voor de grootheden tijd en energie. Dit is niet door een betere waarneming te verhelpen.
De “Kopenhaagse school” neemt aan dat een golffunctie alleen de waarschijnlijkheid van de aanwezigheid van een deeltje in een punt aangeeft, een tendens.
- Door de metingen wordt dit punt vastgelegd, het stelt een overgang van het mogelijke naar het werkelijke voor (“reductie van golfpakketjes”). Het is niet te bepalen wat er tussen de afzonderlijke waarnemingen `werkelijk’ gebeurt.
- Zo verschijnt bijvoorbeeld in de spletenproef van Young een interferentiepatroon, dat niet overeenkomt met de som van de deeltjes door afzonderlijke spleten. De kwantumtheorie leidt tot een algemeen indeterminisme: Eigenschappen zijn niet als zodanig aanwezig. Voor een bijzondere gebeurtenis is geen precieze voorspelling te doen.
Het meetproces in de kwantumfysica werpt kennistheoretische problemen op. De wisselwerking tussen het waargenomen kwantumobject en het meetapparaat brengt een nieuw geheel voort dat op zijn beurt weer door een ander meetinstrument moet worden beschreven, enzovoort. Aan het eind staat de mens die van een resultaat kennis neemt en het met behulp van een niet-kwantummechanische beschrijving vaststelt.
De chaostheorie houdt zich bezig met onvoorspelbaar gedrag in systemen die aan deterministische wetten zijn onderworpen. Onder bepaalde voorwaarden kunnen dynamische systemen in een `chaotische’ toestand overgaan waarin haar gedrag principieel, dus niet vanwege gebrek aan kennis, niet meer voorspelbaar is. Voorbeeld zijn het klimaat, groei van dierpopulaties of het stromingsgedrag van vloeistoffen. De geringste verandering van de aanvangstoestand leidt in chaotische systemen tot een volledig verschillende ontwikkeling. Dit heeft bijvoorbeeld bij de weersvoorspelling tot gevolg dat alleen de vleugelslag van een vlinder in het Braziliaans oerwoud een wervelstorm in Noord-Amerika kan teweegbrengen. Een wiskundig model voor de overgang van orde in chaos is het zogenaamde “vijgenboom-scenario” : Bij een toenemende waarde r schommelt de x-waarde eerst tussen twee punten, dan tussen vier, enzovoort, totdat zij een ongeregeld punten-patroon vormt. Ook in het chaotisch domein worden zeker “eilanden van ordening” gevonden. Een voorbeeld van deze dynamiek is de grootte van een dierpopulatie afhankelijk van de voeding. Neemt de voedselhoeveelheid met een bepaalde toenemende mate toe, dan schommelt het bevolkingsaantal eerst periodiek tussen enkele waarden, om bij verdere verhoging uiteindelijk onvoorspelbaar te worden. Het gedrag van chaotische systemen laat zich meetkundig door fractale figuren voorstellen. De filigrane randen van deze maaksels zijn de grenzen van de overgang naar chaos. In dit bereik schommelt het systeem tussen bepaalde waarden. Het bestaat uit gelijkvormige figuren die bij toenemende vergroting telkens opnieuw opduiken. Het principe van de gelijkvormigheid wordt ook gevonden in het bouwplan van organismen.
De fysicus Thomas Kuhn ontwerpt in zijn boek “De structuur van wetenschappelijke revoluties” een nieuw begrip van de ontwikkeling van wetenschappen. Hij bekritiseert de wetenschapstheorie waarin de geschiedenis van de natuurwetenschap wordt beschouwd als een continue opeenstapeling van kennis die zich voltrekt dankzij steeds preciezere gegevens en omvattender theorieën. Daartegenover huldigt Kuhn de opvatting dat de wetenschappelijke ontwikkeling fasen doorloopt: In de voor-paradigmatische periode bestaat onder de onderzoekers geen consensus over de grondslagen van het vak, het onderzoek is dan ook weinig doelgericht.
In de rijpe (“normale”) fase behaalt een school een beslissende doorbraak. Een paradigma wordt maatgevend, waarbij de anderen zich aansluiten. Paradigma’s zijn methodologische begripssystemen van een gemeenschap van onderzoekers waarin de kaders van geaccepteerde methoden worden vastgelegd en over de erkenning van problemen en oplossingen wordt beslist. In deze fase duiken dan anomalieën op, die met het geldende paradigma niet kunnen worden opgelost en die gezamenlijk tot een crisis leiden. Het komt dan tot een wetenschappelijke revolutie en een nieuw paradigma treedt in de plaats van het oude.
Kenmerkend voor Kuhn’s visie is dat oude en nieuwe paradigma’s niet vergelijkbaar zijn; het nieuwe paradigma ontwikkelt zich niet geleidelijk uit het oude, tussen de twee doet zich een breuk voor. De overeenstemming verandert over wat überhaupt als probleem kan worden waargenomen, er ontstaan nieuwe begrippen en de wetenschappers leven in een “andere wereld” omdat hun perspectief is veranderd.