...wird nach der Meinung vieler durch die Zunahme der Entropie geschrieben. Dazu berichte ich kritisch in meinem neuen Post der Reihe "Extrafutter für Schüler und Lehrer" auf meiner Homepage wwww.natur-science-schule.info:
https://www.natur-science-schule.info/post/zunehmende-unordnung-und-der-zeitpfeil
Einsteins Auffassung von der Realität
Teil 3: Gibt es absoluten Raum und absolute Zeit?
Für Newton waren Raum und Zeit objektiv. Das hat auch Kant so gesehen: Raum und Zeit sind a priori, d.h. sie sind gegebene Formen unserer Anschauung, vor jeder Erfahrung.
Einstein hat in der SRT gezeigt, dass Raum und Zeit subjektiv sind, also vom Beobachter und dessen Bezugssystem BS abhängen.
Das soll jetzt etwas erläutert werden.
Die klassische Physik geht von einer für alle Beobachter gültigen absoluten Zeit aus. Wechselt man das BS, so bleibt das Symbol t, das die Zeit beschreibt, in allen BS gleich, in allen Gleichungen bleibt t als t stehen. Diese Annahme geht auf Newton zurück:
"Die Zeit ist absolut und von ihrem Wesen her gleichmäßig, sie fließt ohne Beziehung zu etwas äußerem."
Einstein dagegen definiert Zeit als etwas relatives, durch eine Messvorschrift, bei der er Uhren miteinander vergleicht: "Zeit ist das, was eine Uhr misst.".
Die Synchronisation dieser Uhren und der Vergleich der jeweiligen Zeigerstellungen kann nur mit Lichtsignalen geschehen, die sich mit endlicher, aber in allen BS gleichen, Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.
Dadurch sieht ein ruhender Beobachter an einer relativ zu ihm bewegten Uhr einen langsameren Zeitablauf, es muss ja auch die Lichtlaufzeit berücksichtigt werden.
Das ist die Zeitdilatation, die man durchaus auf die besondere Messvorschrift zurückführen könnte.
Einstein aber geht einen wesentlichen Schritt weiter: Für ihn ist das Messergebnis der Ausdruck einer realen Veränderung des Zeitablaufs im bewegten BS.. Die als langsamer ablaufende beobachtete Zeigerbewegung der bewegten Uhr identifiziert er mit einem Element der Realität, nämlich der Zeit im bewegten BS.
Scheinbare Paradoxien, die dadurch entstehen, wie das Uhren- oder Zwillingsparadoxon, lassen sich inzwischen aber mit sorgfältiger Analyse der BS leicht auflösen.
Aus einer Gleichung, die etwas über die Zeitmessungen in bewegten BS aussagt, folgert Einstein also auf das physikalische Verhalten der Uhren und damit der Zeit. Er macht aus einer Theorie der Messung eine Theorie des Seins.
Die Zeitdilatation findet auch ohne Messung statt, sie ist für Einstein ein Ausdruck eines Elementes der Realität.
Die Gleichung für die Zeitdilatation war schon vor Einstein bekannt. Sie wurde aber nur als Rechentrick ohne physikalische Bedeutung angesehen. Erst Einstein stellte den Bezug zur Realität her.
Inzwischen kann man die Zeitdilatation an bewegten Uhren direkt ablesen, usnere Navigationssysteme beruhen auf ihrer realen Existenz.
Ob aber schnell bewegte Lebewesen wirklich langsamer altern, wird sich vermutlich immer unserer Überprüfung entziehen.
Für die aus dem Kosmos kommenden Elementarteilchen Myonen gilt dies aber...
wird fortgesetzt...
Wie haben Menschen ohne GPS und Smartphone früher navigiert?
Mit Sonne und Sternen!
Wie geht das?
Das kann man einmal im Überblick in meinem neuen Post der Reihe Extrafutter nachlesen:
Das GPS des Mittelalters:
https://www.natur-science-schule.info/post/das-gps-des-mittelalters
und etwas ausführlicher (gerade bezogen auf die Astronomie) auch in einem knapp 40 - minütigem Vortrag anhören:
https://youtu.be/C_O8P1uYCc4
Die Jahresbahn der Sonne, die Ekliptik, ist um 23,5° gegen den Himmelsäquator geneigt. Im Sommerhalbjahr stand die Sonne bei uns auf der Nordhalbkugel über dem Himmelsäquator.
Am 22.9. oder 23.9. (Zeitpunkt schwankt wegen Schaltjahren und Ellipsenform der Erdbahn) schreitet die Sonne "von oben" durch den Himmelsäquator. Wenn sie auf ihm steht, sagt man, sie steht im Herbstpunkt und hat die Deklination 0°.
Dann geht sie genau im Osten auf und im Westen unter.
Dieses Jahr ist das am 22.9. um 21.21 Uhr.
Auch 2020 und 2025 wird es oder war es der 22.9.
In den Jahren 2019, 2022, 2023 und 2024 wird es der 23.9. sein.
Da aber unsere Zeitrechnung und der wahre Verlauf der Sonne am Himmel voneinander abweichen (sonst hätten wir wegen der Ellipsenform der Erdbahn und der Neigung der Erdachse unterschiedlich lange Tage), tritt die Tag- und Nachtgleichheit erst am 24.9. und 25.9. ein:
Am 24.9. steht die Sonne 12h02m über dem Horizont, am 25.9. 11h 58m.
Am Tag des Herbstpunktes, dem 22.9., ist die Sonne immerhin noch 9 Minuten länger über als unter dem Horizont.
Erst ab dem 25.9. sind die Tage wieder kürzer als die Nächte.
Eigentlich ist das noch später der Fall...denn durch die Lichtbrechung der Atmosphäre sehen wir die Sonne scheinbar länger abends und früher morgens...der Effekt macht auch noch mal 6 Minuten aus.
Berücksichtig man das, so muss man bis zum 27.9. warten, bevor man wieder kürzere Nächte erlebt.
Die Simulation mit Stellarium zeigt den Sonnenstand am 22.9. nach 17.00 Uhr, also sehr kurz vor dem Herbstpunkt. Ich habe die Erdatmosphäre weggenommen, damit man die Sonne und die Hilfslinien besser sieht.
Ja, das ist heute, der 21.6. ! Die Sonne hat den größten Abstand vom Himmelsäquator mit einer Deklination von 23° 26`6". Gestern waren es 18" weniger, am Dienstag werden es 7 " weniger sein. Das ist kaum bemerkbar und somit haben wir über lange Zeit hinweg fast gleichlange Tage:
Den frühesten Sonnenaufgang erleben wir zwischen dem 13. 6.und 20.6. um 5.06 Uhr, den spätesten Sonnenuntergang zwischen dem 19.6. und dem 30.6. um 21.40 Uhr. Auch die Tageslänge ändert sich kaum: Zwischen dem 18.6. und dem 24.6. liegt sie bei 16h 33m.
Da ab heute sich die Sonne wieder dem Himmelsäquator nähert, spricht man auch von der Sommer-Sonnenwende.
Übrigens: Anfang Juli ist die Erde am weitesten von der Sonne entfernt. Die Jahreszeiten entstehen durch die Neigung der Erdachse und nicht durch die Entfernung zur Sonne.
In meinem Physik-Blog habe ich einen neuen Post veröffentliocht:
Der Kult um die Erhaltungssätze
Nachzulesen:
https://www.natur-science-schule.info/phy
Wir haben in den letzten Posts gesehen, dass nur eine bestimmte, anscheinend genau aufeinander abgestimmte Größe von Naturkonstanten und Entwicklungen Leben ermöglicht.
Wir, als ein möglicher Lebenszustand im Kosmos, erkennen das.
Daraus können wir nur folgern: Das geht, weil eben Leben hier möglich ist.
John Leslie hat das klar formuliert: Intelligentes Leben kann nur dort sein, wo intelligentes Leben möglich ist.
Wir wundern uns ja auch nicht, warum wir Fische nur im Wasser finden.
Trotzdem werden andere Formulierungen als sog. anthropische Prinzipien diskutiert. Sie gehen auf Brandon Carter, 1973, zurück:
Allgemeines anthropisches Prinzip:
Wir können nur solche Zustände im Kosmos erwarten, die mit unserer Existenz als Beobachter verträglich sind.
Schwaches anthropisches Prinzip:
Wir leben da, wo es möglich ist. Konkret: auf einem Planeten im Kosmos, der die richtigen Bedingungen hat oder auch in einem Kosmos, in dem es solche Planeten geben kann.
Starkes anthropisches Prinzip:
Das Universum muss so beschaffen sein, damit Leben, insbesondere Beobachter, existieren können.
Ich denke, das allgemeine und das schwache anthropische Prinzip sind selbstredend und ohne tiefergehende Interpretation. Das starke anthropische Prinzip könnte auch eine zielgerichtete Erschaffung des Universums erforderlich machen.
In der Literatur werden auch andere Sichtweisen diskutiert:
- Die Feinabstimmung ist rein zufällig und bedarf keinerlei weitergehender Erklärung.
- Es gibt eine Erklärung, die wir für die Feinabstimmung aber noch nicht kennen. Dazu müssen wir unsere physikalischen Kenntnsise vertiefen.
- Ein Schöpfer hat die Feinabstimmung genau so eingestellt, weil er wollte, dass sich bewusstes Leben im Kosmos bildet.
- Es gibt auch andere Abstimmungen der Naturkonstanten. Sie existieren in anderen Universen oder in anderen Bereichen unseres Kosmos, in die wir nicht einsehen können, weil sie zu weit entfernt sind.
- Der Kosmos existiert in seinen verschiedenen Entwicklungsstufen nicht nacheinander, sondern alle Stufen sind vorhanden, da es die Zeit nur in unserem Empfinden gibt. Somit können Bewohner des Kosmos seine eigene Ursache sein. Sie werden dann sicher die Naturkonstanten so wählen, dass ihre Existenz nicht gefährdet ist. In diesem letzten Fall muss man natürlich eine Interpretation des Kosmos als eine mathematische Struktur, wie es Tegmark macht, oder als ein Computerprogramm, wie es Zuse gemacht hat, annehmen und ihm keine triviale Realität im Sinne eines materiellen Seins zusprechen.
Ende der Postserie
Die Jahresbahn der Sonne am Himmel (Ekliptik) steht um 23°,5 gegen den Himmelsäquator geneigt. Im (Nord-)Winter steht die Sonne unterhalb des Himmelsäquators, deswegen sind die Tage im Winterhalbjahr kürzer.
Am 21.12. um 11.02 Uhr steht nun die Sonne am weitesten südlich vom Himmelsäquator entfernt. Das müsste also der kürzeste Tag des Jahres sein. Er heißt die Wintersonnenwende, da an diesem Tag die Sonne wieder auf den Himmelsäquator zuläuft.
Sehr genau genommen war dann die Nacht vom 20.auf den 21.12. die längste Nacht des Jahres, da ja die Sonnenwende um eine Stunde dichter an der Nacht vom 20. auf den 21. liegt.Aber alle Nächte in den nächsten und den letzten Tagen sind in etwa gleich lang (Abweichungen betragen Sekunden).
Der kürzeste Tag hat eine Länge von 7h51m43s .
Wenn man sich aber die Lage der Ekliptik und des Himmelsäquators ansieht, merkt man, dass auch einige Zeit vor und nach dem 21.12. die Sonne nur unbedeutend näher am Himmelsäquator steht. Pro Tag verschiebt sie sich durch die Jahresbewegung um etwa 1 Grad nach Osten, erst am 21.3. erreicht sie den Himmelsäquator (Tag- und Nachtgleiche).
Es macht also in der Tageslänge zwischen dem 18. und 24.12. nur Sekunden aus, ist also für uns nicht bemerkbar.
Bedeckter oder weniger bedeckter Himmel haben da einen deutlich wahrnehmbareren Effekt.
Am 17.12. und am 25.12. ist es ungefähr eine Minute länger hell, eigentlich auch nicht wahrnehmbar.
Rechnerisch gibt es natürlich, wenn man sekundengenaue Angaben macht, den kürzesten Tag des Jahres, aber praktisch gesehen ist die Tageslänge fast eine Woche lang gleich kurz.
Viel stärker machen sich die unterschiedlichen Zeiten für Sonnenauf- und untergänge bemerkbar.
Warum ist es im Dezember am Abend und im Januar am Morgen besonders dunkel?
Am 21.12. ist der kürzeste Tag des Jahres. Die Sonne geht in Kassel dann um 8.24 Uhr auf und schon nach etwa 8 Stunden um 16.15 Uhr wieder unter.
Mittags steht sie dann gerade einmal 15° über dem Südhorizont (62° im Sommer am 21.6.).
Wenn man aber in den Kalender sieht, dann stellt man fest:
Zwischen dem 11.12. und dem 13.12. geht die Sonne am frühesten unter (16.13 Uhr). Da wird es also am frühesten dunkel. Weihnachten haben wir abends schon wieder 5 Minuten länger Helligkeit.
Der späteste Sonnenaufgang ist mit 8.26 Uhr zwischen dem 25.12. und dem 4.1.
Es stimmt also: Der Januar ist morgens dunkler als der Dezember, der aber ist abends dunkler als der Januar….aber der kürzeste Tag des Jahres ist am 21.12!
Dieses seltsame Verhalten liegt daran, dass die Sonne am Himmel keine gleichmäßige (scheinbare) Bewegung ausführt. Durch die Erddrehung wandert sie ja täglich von Osten nach Westen, gleichzeitig bewegt sie sich aber durch den Umlauf der Erde um die Sonne ein kleines Stück von Westen nach Osten.
Da die Erdumlaufbahn eine Ellipse ist, bewegt sich die Erde im sonnennächsten Punkt ihrer Bahn (Anfang Januar) am schnellsten. Dadurch weicht die wahre Sonne bis zu 8 Minuten von einer gleichmäßig laufenden Sonne ab.
Wir kontrollieren den Sonnengang mit unseren Uhren. Diese aber richten sich nach der Zeiteinteilung längs des Himmelsäquators und gegen den ist die Sonnenbahn um 23°,5 geneigt. Aus diesem Grund läuft die Sonne am Himmel bis zu 10 Minuten schneller oder langsamer als es eine Uhr anzeigen würde.
Beide Effekte zusammen erzeugen die sog. Zeitgleichung, die also angibt, wie stark eine Sonnenuhr von einer mechanischen Uhr abweicht. Anfang Februar steht die Sonne 15 Minuten zu spät im Süden, am Novemberbeginn dafür 16 Minuten zu früh.
Dieser Zeitgleichungseffekt sorgt dafür, dass frühester Sonnenuntergang und spätester Sonnenaufgang nicht am kürzesten Tag des Jahres liegen, sondern fast 3 Wochen auseinander.
Übrigens: Nur an vier Tagen im Jahr zeigt eine Sonnenuhr die „richtige“ Zeit an: Am 16.4., 15.6., 1.9. und am 25.12.
Das Bild zeigt, wie sich die Zeiten für Sonnenuntergang SU und Sonnenaufgang SA im Dezember verschieben, die senkrechten Striche markieren die Tageslänge.
Jugendliche des MINT-Zentrums Bergstraße haben für den SFN MINT-Kongress ein 16 minütiges Video erstellt, in dem sie Navigation erläutern, die Zeitgleichung und wie man damit, Roboter unterstützt, navigieren kann.
Sehr empfehlenswert!
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..sie zeigen die lokale Ortszeit an, allerdings in Normalzeit, nicht Sommerzeit.
Gäbe es keine Sommerzeit, würde eine Sonnenuhr um 12.00 Uhr Ortszeit auch 12.00
UIhr anzeigen, so tut sie das um 13.00 Uhr. Allerdings beziehen sich
unsere Uhren auf die lokale Ortszeit des 15. Längengrads, Kassel hat
eine geographische Länge von 9,5 Grad, d.h. wir müssen 22 Minuten
zuzählen, da wir westlich vom 15. Längengrad sind:
Also heute um 13.22 Uhr MESZ zeigt die Sonnenuhr in Kassel 12.00 Uhr an...
Aus früheren Posts:
Was ist die mittlere Ortszeit, die wahre Ortszeit, die MEZ und die MESZ?
Die MEZ wird auf einen Längengrad von 15° Ost bezogen. Kassel hat
eine Länge von etwa 9,5° Ost, d.h. wir müssen zur MEZ 22 Minuten
addieren um auf die mittlere Ortszeit zu kommen.
Die Sonne steht also bei uns nicht um 12.00 Uhr MEZ sondern um 12.22 Uhr im Süden am höchsten.
Bei Sommerzeit ist das MESZ um 13.22 Uhr!
So ganz stimmt das aber nicht...denn die wirkliche Sonne bewegt sich am Himmel nicht gleichmäßig.
Der Unterschied zwischen wahrer und mittlerer Sonnenzeit wird Zeitgleichung genannt.
Die wahre Sonnenzeit kann man auf einer Sonnenuhr ablesen. Aber
Sonnenuhren können bis zu 14 Minuten nach und 16 Minuten vor gehen.
Der Grund:
Wir messen die mittlere Zeit auf dem um 23,5° gegen die Ekliptik
(scheinbare Jahresbahn der Sonne am Himmel) geneigten Himmelsäquator.Die
Sonne aber steht auf der Eklitptik, die gegen den Himmelsäquator
geneigt ist.
Je nachdem wo die Sonne sich auf der Ekliptik befindet,
entspricht ihre tägliche Jahresbewegung nach Osten einer leicht
abweichenden Strecke auf dem Himmelsäquator.
Zusätzlich läuft sie auch unterschiedlich schnell, da die Erde in
Sonnennähe (Anfang Januar) eine größere Bahngeschwindigkeit hat als in
Sonnenferne (Juli).
Beide Effekte (Schrägstellung der Ekliptik, unterschiedliche
Geschwindigkeit) bewirken die Zeitgleichung als Abweichung zwischen
mittlerer (Uhr-)zeit und wahrer (Sonnen)zeit.
Früher waren solche Kenntnisse sehr sehr wichtig:
Man konnte nur durch genaue Zeitmessungen navigieren. Da waren
genaue Tabellen zur Zeitgleichung für das Überleben von
Schiffsbesatzungen notwendig.
Heute navigieren wir mit Hilfe von Satellitenuhren und
berücksichtigen sogar die Zeitdilatation und die Raumkrümmung am
Satelliten zur genauen Navigation.
Die Rätsel stammen aus einem Video der ESO, das ich als 11. Beitrag hier verlinken werde. Die Antworten sind auf meinem Mist gewachsen...
Und hier ist meine Antwort besonders kritisch:
Die Frage zielt auf die Entropie ab. Entropie wird als Maß für Unordnung angesehen und nach dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre kann Entropie nur zunehmen.
Dass Unordnung von alleine zunimmt, wird somit als Naturgesetz angesehen (insofern vor allem für meinen Schreibtisch richtig).
Aber ist das ein Antrieb für Entwicklungen, eine Ursache für Veränderungen oder gar die Ursache für die Richtung der Zeit?
Dass sehen in letzter Zeit viele Physiker/innen kritisch.
Die Entropie ("Transformationsverhalten von Energie") ist in der Thermodynamik als Bilanzierungsgröße eingeführt worden, um mögliche von unmöglichen Vorgängen zu unterscheiden und den begrenzten Wirkungsgrad von Dampfmaschinen zu beschreiben.
Was aber oft vergessen wird: Entropie ist eine Zustandsfunktion, sie lässt sich nur für Gleichgewichtszustände berechnen. Sie hängt somit auch nicht von der Zeit ab.
Entropieänderungen sind besser Entropieunterschiede beim Vergleich verschiedener Zustände.
Damit sind zwei Äußerungen eher sinnlos:
1) Der Urknall ist ein Zustand mit niedriger Energie...da der Urknall kein Gleichgewichtszustand war, kann man ihm gar keine Entropie zuordnen...
2) Die Entropie des Universums nimmt zu....erstens springt das Universum nicht von Gleichgewichtszustand zu Gleichgewichtszustand und zweitens ist die Entropie keine Funktion der Zeit....
Sehr kritisch wird auch die Anwendung des Entropiebegriffes auf lebende Systeme gesehen, denn diese sind nicht in einem Gleichgewichtszustand.
Das Universum hat natürlich ein Schicksal, zumindest in dem Sinn, dass es sich verändert. Dafür aber eine Bilanzgröße für Dampfmaschinen verantwortlich zu machen, erscheint sehr gewagt...
Und die Antwort auf die Frage ist banal: Es gibt viel mehr Möglichkeiten aus Teilen Sinnloses zusammenzusetzen als ein funktionierendes Ganzes. Es ist also nur eine Frage der Wahrscheinlichkeit, dass es leichter ist, etwas zu zerstören als es ohne Plan zusammenzusetzen.
Ich würde also eher fragen: Wohin entwickelt sich unser Universum? Und würde dann über Modelle der zukünftigen Expansion und der Galaxienentwicklung sprechen.
Rudolf Clausius hat 1854 den Entropiebegriff eingeführt und gleich von der Entropie des Universums geredet. Dadurch hat er eine Welle von nicht immer sinnvollen Begriffsbildungen ausgelöst, die bis heute anhält.
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| Einsteins Lichtuhr |
