HILFE!: phasendiagramme & unschärfeprinzip

hallo liebe physiker!
ich bin abiturient und muss leider in die existenzprüfung in physik. die themen, die ich können muss, verstehe ich. nur bei den oben genannten themen, der heisenbergschen unschärferelation und dem erstellen von phasendiagrammen zum bestimmen der phasenverschiebung von I und U bei wechselspannungswiderständen (C und L), sowie die leistungen (blindleistung, scheinleistung, wirkleistung) im wechelstromkreis, habe ich noch einige verständnisprobleme.
es wäre sehr, sehr nett, wenn mir jemand in diesen bereichen auf die sprünge helfen könnte, bzw. mir url’s oder referate zu diesen themen mit anschaulicher erklärung zuschicken könnte.
bin sehr dankbar für jede hilfe (noch ein jahr schule?! nein danke! :wink: )

euer marten

*immernochkniefallübendumhilfebittend*
hallo
gibt es denn wirklich keine schlauen physiker, die eine antwort parat haben?
keine seite auf der die themen erklärt werden? oder ein referat dazu?

gebt euch doch bitte einen ruck!

*beiantwortsehrdankbar* marten

Teilantwort
Hallo Marten,

also: Die Unschärferelation von Heisenberg besagt im Prinzip, daß man bestimmte Paare von physikalischen Größen nicht gleichzeitig beliebig genau messen kann. Das gilt zum Beispiel für die Paare Impuls/Ort und Energie/Zeit. Das Produkt der Unschärfen beider Messungen ist immer größer als ein bestimmter Wert (welcher, muß ich erst nachsehen).

Über die Phasendiagramme weiß ich leider nichts.

Gruß, Kubi

danke, das ist ja schon ein bisschen
thanks

also: Die Unschärferelation von
Heisenberg besagt im Prinzip, daß man
bestimmte Paare von physikalischen Größen
nicht gleichzeitig beliebig genau messen
kann.

Ganz wichtige Anmerkung:
Das hat nichts mit Messungenauigkeit zu
tun. Es ist eine prinzipielle Angelegen-
heit. Also, selbst wenn ich unendlich
genau messen koennte (was natuerlich illu-
sorisch ist), ist es absolut nicht moeglich,
z.B. Ort und Impuls eines Elektrons
gleichzeitig zu bestimmen. Dies hat eine
ganz entscheidende Auswirkung, denn wie
soll ich die Bahn eines Elektrons berechnen,
wenn ich Ort und Impuls (Geschwindigkeit)
nicht zur gleichen Zeit genau messen kann.
Die Antwort: Es geht in der Tat nicht und
die Quantenphysik beschreibt auch keine
Elektronen-Bahnen (wie gern beim Atommodell
verwendet), sondern Orbitale, welche die
Aufenthaltswahrscheinlichkeit (Betonung
auf Wahrscheinlichkeit!!!) von Elektronen
verkoerpern. Du siehst also, die
Unbestimmtheitsrelation (der Begriff
Unschaerferelation wird zwar oft verwendet,
ist eigentlich aber ungenau) ist der Kern
der Quantentheorie.

Warum so eine Unbestimmtheit?
Auch das kann man verstehen. Die Quanten-
physik versucht den Mikrokosmos zu
beschreiben. Immer, wenn ich eine Messung
an einem System (z.B. Atom) vornehme, wirke
ich darauf ein. Waehrend man bei der
Beschreibung makroskopischer Dinge davon
ausgehen kann, dass das System, an welchem
gemessen wird, durch die Messung unberuehrt
bleibt, kann man das im Mikrokosmos nicht
mehr. Meine Messung veraendert also den
Zustand des Atoms. Verschiedene
Messeinrichtungen veraendern den Zustand des
Atoms auf verschiedene Weise. Und wenn ich
jetzt Ort und Impuls gleichzeitig messen
will, dann veraendern beide
Messeinrichtungen (wie diese aussehen, ist
irrelevant) das Atom auf eine andere Weise.
Der Zustand des Atom ist also zum Zeitpunkt
der Messung unbestimmt.

MEB

danke, das war gut

-)))

*breitgrinsundversteh*

also: Die Unschärferelation von
Heisenberg besagt im Prinzip, daß man
bestimmte Paare von physikalischen Größen
nicht gleichzeitig beliebig genau messen
kann.

Ganz wichtige Anmerkung:
Das hat nichts mit Messungenauigkeit zu
tun. Es ist eine prinzipielle Angelegen-
heit.

Das stimmt natürlich. Hätte ich auch sagen müssen. Schäm…

Warum so eine Unbestimmtheit?
Auch das kann man verstehen. Die Quanten-
physik versucht den Mikrokosmos zu
beschreiben. Immer, wenn ich eine Messung
an einem System (z.B. Atom) vornehme, wirke
ich darauf ein [Details gekürzt]

Meines Wissens ist dieses nur eine Eselsbrücke zum Verständnis, hat aber nichts mit einer tatsächlichen „körperlichen“ Einwirkung zu tun. Aber ist natürlich für diesen Zweck gut geeignet.

Kubi

Immer, wenn ich eine Messung
an einem System (z.B. Atom) vornehme, wirke
ich darauf ein

Meines Wissens ist dieses nur eine Eselsbrücke zum
Verständnis,

Es ist mehr als nur eine Eselsbruecke.
In der Quantenphysik spricht man korrekterweise davon,
dass der Messprozess zu einer Aenderung des Zustandes
des betrachteten Systems fuehrt.
Genau auf dieser Idee baut der Hilbertraumformalismus auf,
der fuer die mathematische Beschreibung quantenphysikalischer
Phaenomene gern verwendet wird. Man muß doch eingestehen,
diese Herangehensweise (Messung beeinflusst Messobjekt) ist
irgendwie logisch.

MEB

wirklich?

Es ist mehr als nur eine Eselsbruecke.
In der Quantenphysik spricht man korrekterweise davon,
dass der Messprozess zu einer Aenderung des Zustandes
des betrachteten Systems fuehrt.

Zunächst einmal: Deine Antworten lesen sich sehr professionell, daher vermute ich, daß Du meine Einwände sicher zerschlagen wirst.

Ich habe diese Sache mit „Messung stört Zustand“ ebenfalls als Erklärung für den Laien in Erinnerung. Soweit ich mich erinnere, erklärt die Quantenmechanik (QM) das Phänomen der Unbestimmtheit völlig unabhängig tatsächlich erfolgenden Messungen. Es heißt ja auch nicht umsonst das Unbestimmtheits*prinzip*, denn es ist eben aus *Prinzip* so, dass z.B. Ort und Impuls nicht gleichzeitig bestimmbar sind. Es gibt wohl durch Wechselwirkung zwischen Teilchen die theoretische Überlegung, bei einem der Wechselwirkenden Teilchen den Ort zu messen und zeitgleich über das/die andere(n) Teilchen auf den Impuls des ersten Teilchens zu schließen. Somit haette ich Impuls und Ort des Teilchens für diesen einen Moment bestimmt. Das Unbestimmtheitsprinzip verbietet das aber und es funktioniert in der Realität ja tatsächlich nicht. Es hat aber in diesem Beispiel nichts damit zu tun, dass meine Ortsmessung den Zustand des ersten Teilchens verändert hat.

meint C.
(Dies sind übrigens aus dem Gedächtnis zitierte Vorgänge, die u.U. von mir falsch wiedergegeben wurden. Entschuldigt daher bitte grob fahrlässige Fehler in meiner Argumentation.)

Zunächst einmal: Deine Antworten lesen sich sehr
professionell,

Dafuer danke ich.

Was Messungen und Quantenphysik angeht, bin ich durch W-W-W
auf ein Buch aufmerksam gemacht worden, das ich ueberaus
interessant fand. Es ist von Gary Zukav und nennt sich
„Die tanzenden Wu Li Meister“. Es handelt ueber moderne
Physik, ist aber von einem Nichtphysiker geschrieben und
enthaelt keine Formeln. Kann ich waermstens empfehlen.

Ich habe gemerkt, dass sich gelernte Physiker (ich bin einer
davon) allzuoft hinter mathematischen Formulierungen verstecken.
Dieses Buch ist das genaue Gegenteil davon. Es versucht in
verstaendlichen Worten die Grundideen der mathematischen
Formalismen herueberzubringen. Als ich dieses Buch las, war
ich erstaunt, wieviele Dinge ich davon wiedererkannte (in Form
von mathematischen Formulierungen, die mir bekannt waren).

Um die Heisenbergsche Unbestimmtheit noch einmal heranzubringen:
Es ist in der Tat ein Grundprinzip, welches nichts mit Mess-
unsicherheiten (also Messfehlern) zu tun hat. Dennoch liegt das
Prinzip im Messprozess begruendet. Da das Messen auf den Zustand
eines Systems einwirkt und aendert, sind beliebig verschiedene
Groessen nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmbar.

Um ein wenig mehr den mathematischen Formalismus zu beleuchten:
Physikalische Groessen wie z.B. der Impuls werden in der
Quantenphysik als „Operatoren“ beschrieben. Ein physikalisches
System (z.B. ein Atom) wird durch Zustandsfunktionen beschrieben.
Die Operatoren kann man auf die Zustandsfunktionen anwenden
(wie eine gewoehnliche Rechenoperation wie z.B. Addieren). Dabei
entsteht eine neue Zustandsfunktion. Diese Anwendung des
Operators (Operation) ist nichts anderes als der Messprozess
selbst. Gemessen werden sogenannte „Eigenwerte“ des Operators.

Die Staerke der Quantenphysik liegt meines Erachtens gerade
darin, dass sie ohne Annahmen wie einen gegebenen Raum oder
gegebene Koerper auskommt. Sie geht gleich an die Philosophie
des Messens heran. Nur das Messergebnis ist das einzig
physikalisch verwertbare! Denn, was waere ein Elektron, wenn
ich es nie nachweisen koennte? Ist es dann trotzdem existent?
Oder, was haette es fuer einen Sinn, ueber Teilchen zu
schwafeln, deren Existenz man gar nicht experimentell
nachweisen kann?

MEB

Messprozess
Hi MEB,

[…]

davon) allzuoft hinter mathematischen Formulierungen
verstecken.
Dieses Buch ist das genaue Gegenteil davon. Es versucht in
verstaendlichen Worten die Grundideen der mathematischen
Formalismen herueberzubringen. Als ich dieses Buch las, war
ich erstaunt, wieviele Dinge ich davon wiedererkannte (in Form
von mathematischen Formulierungen, die mir bekannt waren).

Ich kenne das Buch zwar nicht, habe aber bei anderen Buechern (und Vorlesungen!) dieser Art die Erfahrung gemacht, dass gerade erst das mathematische Hintergrundwissen eines „gelernten“ Physikers es moeglich macht, solche „unmathematischen“ Erklaerungen zu verstehen und Ihre Bedeutung ganz zu erfassen.
Dies scheint mir auch ganz natuerlich, da ein „mathematisch ungebildeter“ Mensch nicht ueber das gesammelte Wissen von logischen Denkschluessen verfuegt, dass die Mathematik - verschluesselt in zugegebenermassen oft verwirrenden Formelzeichen - bereitstellt.

Um die Heisenbergsche Unbestimmtheit noch einmal
heranzubringen:
Es ist in der Tat ein Grundprinzip, welches nichts mit Mess-
unsicherheiten (also Messfehlern) zu tun hat. Dennoch liegt
das
Prinzip im Messprozess begruendet. Da das Messen auf den
Zustand
eines Systems einwirkt und aendert, sind beliebig verschiedene
Groessen nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmbar.

Um ein wenig mehr den mathematischen Formalismus zu
beleuchten:
Physikalische Groessen wie z.B. der Impuls werden in der
Quantenphysik als „Operatoren“ beschrieben. Ein physikalisches
System (z.B. ein Atom) wird durch Zustandsfunktionen
beschrieben.
Die Operatoren kann man auf die Zustandsfunktionen anwenden
(wie eine gewoehnliche Rechenoperation wie z.B. Addieren).
Dabei
entsteht eine neue Zustandsfunktion. Diese Anwendung des
Operators (Operation) ist nichts anderes als der Messprozess
selbst. Gemessen werden sogenannte „Eigenwerte“ des Operators.

Die Staerke der Quantenphysik liegt meines Erachtens gerade
darin, dass sie ohne Annahmen wie einen gegebenen Raum oder
gegebene Koerper auskommt. Sie geht gleich an die Philosophie
des Messens heran. Nur das Messergebnis ist das einzig
physikalisch verwertbare! Denn, was waere ein Elektron, wenn
ich es nie nachweisen koennte? Ist es dann trotzdem existent?
Oder, was haette es fuer einen Sinn, ueber Teilchen zu
schwafeln, deren Existenz man gar nicht experimentell
nachweisen kann?

Eine ihrer groessten Staerken, aber zweifellos auch ihre Archillesferse. Denn hier benoetigt die gaengige Deutung des „Zustandes“ eines Quantensystems ueber die Wirkung von Operatoren auf diesen Zustand und die Aequivalenz dessen mit einer Messung dieses Zustandes die Existenz eines „klassischen Messgeraetes“, das nicht den Gesetzen der Quantenmechanik unterworfen ist und gewissermassen „ausserhalb“ des Quantensystems angesiedelt ist. Erst diese widerspruechliche Annahme fuehrt zu dem seltsamen „Wuerfeln“ ueber den entstehenden Zustand, das Einstein damals so kritisiert hat („Der Alte wuerfelt nicht!“).
Es scheint mir sicher, dass auch Bohr und die anderen fuehrenden Anhaenger dieser heute allgemein anerkannten Deutung der QM sich damals ueber das Dilemma wohl bewusst waren (waehrend Einstein heute gern als sturer Ignorant dargestellt wird, weil er diese offensichtliche Inkonsistenz nicht hinnehmen wollte). Allein aus praktischen Gruenden, weil die Uebereinstimmung mit dem Experiment so ueberwaeltigend war, geben sich die meisten Physiker -damals wie heute- mit dieser einfachen Erklaerung zufrieden.

Gruesse Semjon.

Ich kenne das Buch zwar nicht, habe aber bei anderen Buechern
(und Vorlesungen!) dieser Art die Erfahrung gemacht, dass
gerade erst das mathematische Hintergrundwissen eines
„gelernten“ Physikers es moeglich macht, solche
„unmathematischen“ Erklaerungen zu verstehen und Ihre
Bedeutung ganz zu erfassen.

Das ist was dran.
Dennoch, was ich so bemerkenswert fand, dass das Buch ein
Nichtphysiker verfasst hat, und dass ich als Physiker genau
die mathematischen Formulierungen wiedererkannte.
Ich denke, um sich ueber das Buch ein Urteil zu bilden,
muss man es lesen.

…einer Messung dieses Zustandes die Existenz eines „klassischen
Messgeraetes“, das nicht den Gesetzen der Quantenmechanik
unterworfen ist und gewissermassen „ausserhalb“ des
Quantensystems angesiedelt ist.

Ein Punkt, ueber den man sicher sehr nachdenken kann.
Ich wuerde das Problem nicht dahingehend einschraenken, dass
mein Messapparat (oder was auch immer ich zur Messung nutze)
nicht quantenphysikalischen Gesetzen genuegt (in Geigerzaehlern
sind es auch nur Elektronen, die zum Nachweis radioaktiver
Strahlung verwendet werden).
Apropos Einstein, als er seine spezielle Relativitaet
begruendete, stellte er im Grund klar, dass es so etwas wie
ein rein dynamisches Experiment nicht gibt. Schon allein das
Sehen auf eine Uhr ist Optik, hat also nichts mit Dynamik
(Mechanik) zu tun.
Insofern steckt die Theorie in einer Zwickmuehle. Um das eine
zu begruenden, bedient sie sich anderer Ergebnisse. Um die
Quantentheorie auzustellen, werden Experimente verwendet.
Und ich bin mir sicher, hinsichtlich innerer Logik ist in der
theoretischen Physik noch lange nicht das letzte Wort gesprochen.
Entscheidend jedoch (und das wird sich auch nicht aendern) ist,
ob das Ergebnis des Experiments mit den Voraussagen der Theorien
uebereinstimmt.

MEB

Hi MEB,

…einer Messung dieses Zustandes die Existenz eines „klassischen
Messgeraetes“, das nicht den Gesetzen der Quantenmechanik
unterworfen ist und gewissermassen „ausserhalb“ des
Quantensystems angesiedelt ist.

Ein Punkt, ueber den man sicher sehr nachdenken kann.
Ich wuerde das Problem nicht dahingehend einschraenken, dass
mein Messapparat (oder was auch immer ich zur Messung nutze)
nicht quantenphysikalischen Gesetzen genuegt (in
Geigerzaehlern
sind es auch nur Elektronen, die zum Nachweis radioaktiver
Strahlung verwendet werden).

Wenn du das Messgeraet als quantenmechanisches System S2 betrachtest, dann ist die Messung z.B. mittels Elektronen nicht unabhaengig vom System S1, sondern S1 und S2 bilden ein gemeinsames System. Die zeitliche Entwicklung dieses (isolierten!) Gesamtsystems ist aber durch entsprechende Vielteilchen-Wellengleichungen eindeutig festgelegt, also ist ueberhaupt nicht klar, wo jetzt die Operatoren hingekommen sind, die das System in einen zufaelligen (gewichtet mit dem Betragsquadrat des entsprechenden Eigenwertes) Eigenzustand eines Operator ueberfuehren sollten. Von Zufaelligkeit kann hier keine Rede sein, denn die zeitliche Entwicklung der Loesung der Wellengleichung ist eigentlich eindeutig.

Gruss Michael.

Wenn du das Messgeraet als quantenmechanisches System S2
betrachtest, dann ist die Messung z.B. mittels Elektronen
nicht unabhaengig vom System S1, sondern S1 und S2 bilden ein
gemeinsames System. Die zeitliche Entwicklung dieses
(isolierten!) Gesamtsystems ist aber durch entsprechende
Vielteilchen-Wellengleichungen eindeutig festgelegt,

Kling vernuenftig.

also ist ueberhaupt nicht klar, wo jetzt die Operatoren
hingekommen sind,

Hier musst Du mir genauer erlaeutern, was Du zum Ausdruck
bringen moechtest.

Von Zufaelligkeit kann
hier keine Rede sein, denn die zeitliche Entwicklung der
Loesung der Wellengleichung ist eigentlich eindeutig.

Sehe ich auch ein.
Die zeitliche Entwicklung der Zustandsfunktion ist
eindeutig, welcher der moeglichen Messwerte letztlich
gemessen wird, ist Zufall.

MEB

Wenn du das Messgeraet als quantenmechanisches System S2
betrachtest, dann ist die Messung z.B. mittels Elektronen
nicht unabhaengig vom System S1, sondern S1 und S2 bilden ein
gemeinsames System. Die zeitliche Entwicklung dieses
(isolierten!) Gesamtsystems ist aber durch entsprechende
Vielteilchen-Wellengleichungen eindeutig festgelegt,

Kling vernuenftig.

also ist ueberhaupt nicht klar, wo jetzt die Operatoren
hingekommen sind,

Hier musst Du mir genauer erlaeutern, was Du zum Ausdruck
bringen moechtest.

Ich meine damit, dass mir ueberhaupt nicht klar ist, welche Entsprechung ein Operator (wirkend aus ein isoliertes System S1) in der Vorstellung von zwei wechselwirkenden Systemen S1+S2 hat.

Wie gesagt, ich weiss nicht mal, wie ich das streng formulieren soll.

Von Zufaelligkeit kann
hier keine Rede sein, denn die zeitliche Entwicklung der
Loesung der Wellengleichung ist eigentlich eindeutig.

Sehe ich auch ein.
Die zeitliche Entwicklung der Zustandsfunktion ist
eindeutig, welcher der moeglichen Messwerte letztlich
gemessen wird, ist Zufall.

Aber des gemessene Wert sollte nur vom Endzustand des Gesamtsystems abhaengen. Dieser ist jedoch immer gleich.

Daraus folgt: Um den Begriff „Messwert“ ueberhaupt definieren zu koennen. braucht man einen klassischen Beobachtungsapparat, der AUSSERHALB (ausserhalb von Raum und Zeit) des quantenmechanischen Systems angesiedelt ist. Das scheint mir aber aeusserst dubios.

Wenn du die Antwort weisst, dann kannst du mich ja nach Stockholm einladen :wink:
Semjon.

Die zeitliche Entwicklung der Zustandsfunktion ist
eindeutig, welcher der moeglichen Messwerte letztlich
gemessen wird, ist Zufall.

Aber des gemessene Wert sollte nur vom Endzustand des
Gesamtsystems abhaengen. Dieser ist jedoch immer gleich.

Sicher haengt der Messwert vom Zustand des Systems waehrend
der Messung ab. Jedoch aus dem Zustand ergeben sich mehrere
(wenn nicht unendlich viele) *moegliche* Messwerte, alle werden
mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit beim Messprozess
realisiert. Welcher der *moeglichen* Zustaende realisiert
wird, ist dem Zufall ueberlassen. Die Beschreibung eines
quantenmechanischen Systems besteht also nur darin, die zeitliche
Entwicklung von *moeglichen* Messwerten und den Wahrscheinlich-
keiten ihrer Realisierung bei der Messung zu verstehen.
Im Prinzip ist der Schritt von der Klassik zur Quantenphysik
genau wie der von der Netwonschen Mechanik zur Relativitaets-
theorie. Einstein verabschiedete sich von der Vorstellung, Zeit
waere etwas absolutes, ein Parameter. In der Quantenphysik
verabschiedet man sich von der Vorstellung, man koenne die
exakte Bewegung eines Koerpers voraussagen, und bedient sich
der Wahrscheinlichkeitsrechnung.

Um den Begriff „Messwert“ ueberhaupt definieren
zu koennen. braucht man einen klassischen Beobachtungsapparat,
der AUSSERHALB (ausserhalb von Raum und Zeit) des
quantenmechanischen Systems angesiedelt ist.

Ich denke, es ist eher so:
Der „Operatoren im Hilbertraum“-formalismus macht keine Annahmen
ueber das Messinstrument. Eine beliebige physikalische Groesse
(welche, das ist fuer den Formalismus voellig ohne Belang), wird
durch einen Operator, der auf Zustaende wirkt (die beschreiben
das System), beschrieben. Das ganze ist axiomatisch aufzufassen.
Die Motivation, so etwas zu tun, ist eigentlich nur das Ergebnis,
naemlich die Bestaetigung durch Experimente. Natuerlich auch
eine gewisse Philosophie, und die steckt im Wesen des
Messprozesses (Wirkung auf einen Zustand).
Also, Der Operator repraesentiert eine physikalische Groesse,
die Operation, die Wirkung auf einen Zustand den Messprozess.
Dabei ist voellig egal, was fuer eine Groesse der Operator
darstellt. Wirkliche Bedeutung erhalten die Messwerte erst,
wenn man eine Basis im Hilbertraum waehlt, d.h. in eine bestimmte
Darstellung geht (z.B. Ortsdarstellung). Auch nur dann sind
die formalen Operatoren durch i.a. Differentialoperatoren
(Impuls in der Ortsdarstellung ist der Gradient mit einem
imaginaeren Vorfaktor) zu ersetzen und erlangen eine Bedeutung
(es wird klar, auf welche Weise sie den Zustand beeinflussen).

In diesem Sinne sind Operatoren formal beliebig zu definieren,
und ob es einen Apparat gibt, mit dem man genau diejenige
physikalische Groesse messen kann, die der erdachte Operator
repraesentriert, sei dahingestellt. Man muss es so sehen: Erst
der Formalismus und danach feststellen… aha, der Impuls wird
durch z.B. einen Operator repraesentiert, der in der
Ortsdarstellung dem Gradienten entspricht.

Noch einen Hinweis.
In der Elementarteilchenphysik (nicht mein Spezialgebiet!)
werden die wildesten Quantenzahlen definiert (Spin – der ist
noch recht klar [Drtehimpuls], Isospin, Charisma etc), um die
Fuelle der Elementarteilchen mit Hilfe dieser Quantenzahlen
umfassend zu beschreiben. Diese Quantenzahlen sind ja bekanntlich
die Eigenwerte von Operatoren, also Messgroessen. Ich denke, das
ist ein schoenes Beispiel, das zeigt, dass der Operator-
formalismus zunaechst unabhaengig vom Messapparat zu verstehen
ist (was sich durchaus als Schwaeche der Theorie erweisen kann).
Ich haette keine Vorstellung, wie man einen Isospin messen solle
(abgesehen von der Unterscheidung, dass Neutron und Proton zwei
Erscheinungsformen von ein und dem selben Teilchen mit unter-
schiedlichem Isospin darstellen).

Wenn du die Antwort weisst, dann kannst du mich ja nach
Stockholm einladen :wink:

???

Gruesse
MEB