Größter Fehler in der Geschichte der Physik

Heute glauben wir, dass alle Teilchen, von massiven Quarks bis zu masselosen Photonen, eine Doppelteilchen- / Wellennatur haben. Vor Hunderten von Jahren betrachteten die Menschen nur Partikel. Aber 1818 waren die Wellen dazu bestimmt, auf der Grundlage von Studien über die Natur des Lichts eine triumphale Rückkehr zu erzielen.

Wir alle lieben unsere wertvollsten Ideen über die Struktur der Welt und des Universums. Unser Konzept der Realität ist oft untrennbar mit unserem Selbstbild verbunden. Wissenschaftler zu sein bedeutet jedoch, bereit zu sein, all diese Ideen bei jedem Test in Frage zu stellen. Nur eine Beobachtung, Messung oder ein Experiment, das der Theorie widerspricht, reicht aus, um unser Verständnis der Realität zu überdenken oder ganz aufzugeben. Wenn wir diesen wissenschaftlichen Test reproduzieren und überzeugend zeigen können, dass er nicht mit der vorherrschenden Theorie übereinstimmt, legen wir den Grundstein für die wissenschaftliche Revolution. Aber wenn jemand die Theorie oder Annahmen nicht überprüfen will, macht er möglicherweise den größten Fehler in der Geschichte der Physik.


Die mathematischen Prinzipien der Naturphilosophie (lat. Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) von Isaac Newton, dritte Auflage, 1726. Newtons Abhandlungen zu Themen wie Mechanik, Schwerkraft und Licht wurden zur Grundlage eines Großteils der modernen Physik.

Die menschliche Natur erfordert Helden: Menschen, denen wir folgen, die wir bewundern, denen wir ähnlich werden wollen. Der größte Held der Physik seit vielen Jahrhunderten war Isaac Newton. Newton war eine Säule der wissenschaftlichen Errungenschaften der Menschheit. Seine Theorie der universellen Gravitation beschrieb alles von der Bewegung von Kometen, Planeten und Monden bis hin zum Fall von Objekten auf die Erde. Seine Beschreibung der Bewegung von Objekten, einschließlich der Bewegungsgesetze und des Einflusses von Kräften und Beschleunigungen auf sie, gilt auch heute noch in nahezu jeder Umgebung. Mit Newton zu streiten war dumm.

Daher musste der junge französische Wissenschaftler Augustin Jean Fresnel zu Beginn des 19. Jahrhunderts verstehen, dass er sich auf ein Abenteuer begab.


Das Verhalten von weißem Licht, das durch ein Prisma fällt, zeigt, wie sich in einem mittleren Licht unterschiedlicher Energien im Gegensatz zu einem Vakuum unterschiedliche Geschwindigkeiten bewegen. Newton erklärte als erster die Reflexion, Brechung, Absorption und Transmission von Licht sowie die Fähigkeit von weißem Licht, sich in mehrere Farben aufzuteilen.

Obwohl es heute weniger bekannt ist als seine Verdienste um Mechanik oder Schwerkraft, war Newton auch einer der ersten Wissenschaftler, der erklärte, wie Licht funktioniert. Er erklärte die Reflexion, Brechung, Absorption und Transmission von Licht sowie wie die weiße Farbe aus verschiedenen Farben besteht. Beim Übergang von Luft zu Wasser und umgekehrt biegen sich die Lichtstrahlen, und auf jeder Oberfläche erscheint eine reflektierte Komponente und eine Komponente, die durchgegangen ist.

Seine korpuskuläre Lichttheorie basierte auf Partikeln, und die Idee, dass ein Strahl Licht ist, stimmte mit einer Vielzahl von Experimenten überein. Obwohl es zur Zeit Newtons eine von Christian Huygens vorgebrachte Wellentheorie des Lichts gab, konnte sie die Experimente mit Prismen nicht erklären. Infolgedessen wurde Newton Opticks der Gewinner, ebenso wie seine Mechanik mit Schwerkraft.


Die Welleneigenschaften von Licht wurden dank der Zwei-Spalt-Experimente von Thomas Young , bei denen sich konstruktive und destruktive Interferenzen deutlich zeigten, noch besser verstanden. Diese Experimente für klassische Wellen sind seit dem 17. Jahrhundert bekannt; In den 1800er Jahren zeigte Jung, dass sie auf Licht zutreffen.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts geriet sie jedoch in Schwierigkeiten. Thomas Jung führte ein jetzt klassisches Experiment durch, bei dem Licht durch einen Doppelspalt fiel: zwei schmale Schlitze, die nicht weit voneinander entfernt waren. Und das Licht, anstatt sich wie ein Körper zu verhalten und entweder durch einen Schlitz oder durch einen anderen zu gehen, zeigte ein Interferenzmuster: eine Folge von hellen und dunklen Streifen.

Darüber hinaus wurde das Muster der Banden durch zwei einstellbare Versuchsparameter bestimmt: den Abstand zwischen den Schlitzen und die Farbe des Lichts. Wenn die rote Farbe dem langwelligen Licht und die blaue Farbe der kurzwelligen entspricht, verhält sich das Licht genau so, wie man es von einer Welle erwarten würde. Jungs Experiment machte nur Sinn, wenn die Natur des Lichts grundlegend gewellt wurde.


In einem Zwei-Lücken-Experiment mit Licht treten wie bei jeder Welle Interferenzmuster auf. Die Eigenschaften verschiedener Lichtfarben wurden aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen untersucht.

Gleichzeitig konnten Newtons Erfolge nicht ignoriert werden. Die Natur des Lichts ist zu Beginn des 19. Jahrhunderts unter Wissenschaftlern zu einem kontroversen Thema geworden. 1818 kündigte die französische Akademie der Wissenschaften einen Wettbewerb an, um die Natur des Lichts zu erklären. Ist es eine Welle oder ein Teilchen? Wie teste ich es und wie bestätige ich den Test?

Augustin Jean Fresnel nahm an dem Wettbewerb teil, obwohl er ein ausgebildeter Bauingenieur und kein Physiker oder Mathematiker war. Er formulierte eine neue Lichttheorie, die unglaublich glücklich war, hauptsächlich basierend auf der Arbeit von Huygens aus dem 17. Jahrhundert und jüngsten Experimenten von Jung. Alles war bereit, den größten Fehler der Physik zu machen.


Die Beleuchtung eines undurchsichtigen kugelförmigen Objekts durch ein kohärentes Licht (z. B. von einem Laser) ist eine der klarsten Möglichkeiten, die Wellen- und nicht die Korpuskularnatur des Lichts zu überprüfen.

Nachdem er seine Arbeit vorgestellt hatte, studierte einer der Richter, der berühmte Physiker und Mathematiker Simeon Denis Poisson , die Fresnel-Theorie sehr sorgfältig. Wenn Licht ein Teilchen wäre, wie Newton es beschrieb, würde es sich einfach in einer geraden Linie im Raum bewegen. Wenn das Licht jedoch eine Welle wäre, würde es an Interferenzen und Beugungen teilnehmen, wenn es auf ein Hindernis, eine Lücke oder eine Fläche der Oberfläche stößt. Unterschiedliche geometrische Konfigurationen können unterschiedliche Muster ergeben, das Gesamtbild bleibt jedoch erhalten.

Poisson stellte sich Licht einer einzigen Farbe vor: eine Wellenlänge in der Fresnel-Theorie. Stellen Sie sich vor, ein solches Licht hat die Form eines Kegels und trifft auf ein kugelförmiges Objekt. Nach Newtons Theorie sollte sich der Schatten umdrehen, umgeben von Licht. Nach Fresnels Theorie sollte sich, wie Poisson gezeigt hat, ein heller Punkt genau in der Mitte des Schattens befinden. Diese Vorhersage war, wie Poisson schloss, offensichtlich absurd.


Eine theoretische Vorhersage, wie das Wellenmuster des Lichts um ein kugelförmiges undurchsichtiges Objekt aussehen sollte. Der helle Punkt in der Mitte war absurd und zwang viele, die Wellentheorie aufzugeben.

Poisson versuchte, Fresnels Theorie zu widerlegen und zeigte, dass sie zu falschen Schlussfolgerungen führt: Beweise aus dem Gegenteil. Poisson wollte aus der Theorie des Wellenlichts eine Vorhersage ableiten, die eine offensichtlich absurde Konsequenz haben würde, die ihre Falschheit beweisen würde. Wenn die Vorhersage absurd war, muss die Wellentheorie falsch sein. Newton hatte recht, Fresnel hatte Unrecht, der Fall wurde abgeschlossen.

Dies ist jedoch der größte Fehler in der Geschichte der Physik! Es ist unmöglich, Schlussfolgerungen zu ziehen, egal wie offensichtlich sie erscheinen, ohne ein entscheidendes Experiment durchzuführen. Physik wird nicht auf der Grundlage von Eleganz, Schönheit, Einfachheit von Beweisen oder Argumenten durchgeführt. Es wird durch Anfragen an die Natur selbst hergestellt - und daher durch die Durchführung relevanter Experimente.


Ein Experimentmodell, in dem Arago einen Lichtblick entdeckte. Manchmal wird dieser Ort Poissons Ort genannt , aber er muss jahrhundertelang verherrlicht werden, wie der Ort von Arago, wobei er seine Bemühungen zur Kenntnis nimmt, die zu einem echten Experiment geführt haben.

Zum Glück für Fresnel und die Wissenschaft war der Leiter der Jury von den Argumenten von Poisson nicht beeindruckt. Francois Arago , der später als Politiker, Abolitionist und Ministerpräsident Frankreichs berühmt wurde und nicht nur Fresnel, sondern den gesamten wissenschaftlichen Forschungsprozess verteidigte, führte selbst ein entscheidendes Experiment durch. Er machte ein kugelförmiges Hindernis und leuchtete mit monochromatischem Licht darauf, um die Vorhersage der Wellentheorie über konstruktive Interferenzen zu überprüfen. Und genau in der Mitte des Schattens war es leicht, einen hellen Lichtpunkt zu erkennen. Obwohl die Vorhersage der Fresnel-Theorie absurd erschien, waren die experimentellen Beweise bereit, dies zu bestätigen. Absurdität oder nicht Absurdität - die Natur hat gesprochen.


Das Ergebnis eines Experiments mit Laserlicht, das um ein kugelförmiges Objekt fließt, und realen optischen Daten.

Ein großer Fehler eines Physikers kann sein, dass er entscheidet, die Antwort im Voraus zu kennen. Es wäre ein noch größerer Fehler anzunehmen, dass das Experiment nicht notwendig ist, da seine Intuition Ihnen sagt, was in der Natur passiert und was nicht. Die Physik ist jedoch nicht immer eine intuitive Wissenschaft, und aus diesem Grund sollten wir uns immer Experimenten, Beobachtungen und messbaren Tests unserer Theorien zuwenden.

Ohne einen solchen Ansatz würden wir niemals die Ansicht über die Natur des Aristoteles widerlegen. Wir hätten die Spezielle Relativitätstheorie, die Quantenmechanik oder die aktuelle Gravitationstheorie nicht entdeckt: Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie. Und wir hätten die Wellennatur des Lichts wahrscheinlich nie entdeckt.


Schematische Animation eines konstanten Lichtstrahls, der durch ein Prisma geteilt wird. Dieses Licht ist eine Welle, die mit der Tatsache zusammenfällt und eine tiefere Erklärung dafür ist, dass weißes Licht in verschiedene Farben aufgeteilt werden kann

200 Jahre sind seit dem größten Fehler in der Geschichte der Physik vergangen. Und die Tatsache, dass dieser Fehler praktisch keine Auswirkung auf irgendetwas hatte, geschah nur aufgrund der wissenschaftlichen Abfolge von François Arago, der keine Angst hatte, sich für das wichtigste wissenschaftliche Prinzip einzusetzen. Wir müssen Fragen über das Universum beantworten, indem wir es Prüfungen unterziehen. Immerhin war es Newton selbst in seinen Opticks, der schrieb:

Mein Ziel für dieses Buch ist es nicht, die Eigenschaften von Licht mit Annahmen zu erklären, sondern sie auf der Grundlage von Vernunft und Experimenten vorzuschlagen und zu beweisen.

Ohne Experimente wird keine Wissenschaft Erfolg haben. Die Annahme, dass wir die Vorhersage betrachten und für absurd erklären können, ist unser größter Nachteil als Mensch. Die Natur kann absurd sein oder auch nicht; es hängt nicht davon ab, ob es richtig ist oder nicht. Um alles richtig zu machen, müssen Sie ein Experiment durchführen. Ohne dies beschäftigen Sie sich nicht mit Wissenschaft.

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