Aufbau von Kraftfeldern

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nocheinPoet Diskussionsleiter

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Aufbau von Kraftfeldern

07.05.2017 um 15:52

Vorwort:

So, gibt da vermutlich noch einen besseren Titel, bin da für Vorschläge offen. Der Thread basiert auf Diskussionen dazu in dem Thread Was war zuerst - Raum oder Zeit? - dort war es dann aber doch wo einfach OT.

Vermutlich hat schon jeder mal versucht zwei starke Magneten mit gleichen Polen zusammenzudrücken und kennt somit ein Kraftfeld. Es gibt neben dem magnetischen noch das elektrische Kraftfeld und auch noch das Gravitationsfeld.

Ein wenig Hintergrund, in der Natur gibt es vier bekannte Grundkräfte, die starke und die schwache Kernkraft, dann die elektromagnetische Kraft so wie die Gravitationskraft.

Mal ein paar Links dazu:
https://astro.uni-bonn.de/~deboer/pdm/pdmkrafttxt.html
Wikipedia: Fundamentale Wechselwirkung#Die vier Grundkr.C3.A4fte

In der Diskussion ging es primär strittig um die Frage, ob ein Kraft selber Energie besitzt oder ob diese nur in der Quelle des Feldes steckt. Aktueller Stand der Physik ist hier, die Energie steckt im Feld.

Interessant finde ich nun die Frage, wie die da so drin steckt, gegeben ist der Raum zwischen zwei Magneten, man spürt real die Kraft, aber was macht nun die Energie mit dem Raum selber?

Und sie kann da unterschiedliche Dinge machen, gibt ja das elektrische und magnetische Feld, die unterscheiden sich, und ebenso das Gravitationsfeld, auch hier gibt es zu Unterschiede. Erzeugt die selber Feldenergie auch immer dieselbe Feldkraft? Oder besser gefragt, warum tut sie das nicht?

Die Gravitation wird in der Allgemeinen Relativitätstheorie über Raumzeitkrümmung erklärt und beschrieben, bei elektrischen und magnetischen Felder klappt das aber nicht so.

Fraglich ist, ob die Physik neben der mathematisch theoretischen Beschreibung auch eine liefern können wird, die bildlich und allgemein verständlich ist. Persönlich bin ich der Ansicht, dass die Energie der Felder wo doch irgendwie was mit dem Raum macht, der Raum selber muss sich doch konkret mit einem Feld von einem Raum ohne qualitativ unterscheiden.

So weit erst einmal um den Thread hier anzustoßen.

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ArchLinux

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Aufbau von Kraftfeldern

07.05.2017 um 17:47

nocheinPoet schrieb:Und sie kann da unterschiedliche Dinge machen, gibt ja das elektrische und magnetische Feld, die unterscheiden sich, und ebenso das Gravitationsfeld, auch hier gibt es zu Unterschiede. Erzeugt die selber Feldenergie auch immer dieselbe Feldkraft? Oder besser gefragt, warum tut sie das nicht?

Feldenergie und Feldkraft sind beides Implikationen der zugrunde Quantenfelder.
"Energie" ist keine Baustoff von irgendwas, sondern eine physikalische Größe wie Andere, die im Kontext von Quantenfeldern auftauchen.
Auch in den klassischen Feldtheorien taucht der Begriff der Energie auf.
Gut, die ART ist noch nicht quantisiert, aber auch hier gilt: Das G-Feld ist nichts "Greifbares" - gegenwärtig wird es als geometrische Eigenschaft der Raumzeit aufgefasst. Real ist es wohl eher durch ein noch nicht formal verstandenen Quantenfeld beschreibbar.

nocheinPoet schrieb:In der Diskussion ging es primär strittig um die Frage, ob ein Kraft selber Energie besitzt oder ob diese nur in der Quelle des Feldes steckt. Aktueller Stand der Physik ist hier, die Energie steckt im Feld.

Eine Kraft "besitzt" keine Energie.
Eine Kraft ist ein Vektor, die Energie ein skalarer Wert. Kraft darf nicht mit Kraftfeld vermischt werden. Die "Kraft" ist eine "Wirkung" eines Kraftfeldes auf ein Objekt innerhalb des Feldes.
Je nach Theorie transformieren die beiden Werte, Kraft und Energie, unterschiedlich.
In der QFT verliert der Begriff "Kraft" an Bedeutung, da die Ursache aller Kraft dort auf Quantenfelder reduziert werden kann.

nocheinPoet schrieb:Fraglich ist, ob die Physik neben der mathematisch theoretischen Beschreibung auch eine liefern können wird, die bildlich und allgemein verständlich ist.

Nein, die Grenze anschaulicher Erklärung ist die SRT und bereits große Teile der Elektrodynamik. Durch "Erklärungen" in der Art "Photonen sausen zwischen Magneten rum, dadurch entsteht die magnetische Anziehung" ist am Ende niemanden geholfen, führt dann zu derartigen Irrvorstellungen. Der Kern der Theorien ART, QM, QFT und große Teile der klassischen Physik sind vollkommen unbegreifbar ohne die notwendigen mathematischen Hintergründe. Ist nun mal so.

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Abahatschi

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Aufbau von Kraftfeldern

07.05.2017 um 18:27

@nocheinPoet
Ich mache es mir ziemlich einfach: es gibt keine (Kraft)Felder, das ist Umgangsprache.
In allen von Dir beschriebenen Kräften ist eine Entfernung dabei - wenn man diese ändert kann man von Energie(Potential, bzw. desen Änderung) sprechen und wenn man noch die Zeit dazu nimmt ist man komplett fertig.
Weiter ist nix, leider.

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nocheinPoet Diskussionsleiter

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Aufbau von Kraftfeldern

07.05.2017 um 19:06

@ArchLinux

ArchLinux schrieb:Feldenergie und Feldkraft sind beides Implikationen der zugrunde Quantenfelder. "Energie" ist keine Baustoff von irgendwas, sondern eine physikalische Größe wie Andere, die im Kontext von Quantenfeldern auftauchen.
Auch in den klassischen Feldtheorien taucht der Begriff der Energie auf.

Ja, hast Du ja schon angesprochen gehabt. Energie ist aber doch wo schon was wie ein "Baustoff" wenn man sich die Materie anschaut. Ich weiß ja (grob) wie Du die Dinge siehst, aber wo braucht man ja doch das "Etwas" gegenüber dem "nicht Etwas".

Hab es ja auch direkt angesprochen, offenkundig ist da etwas, das wirkt, zwischen zwei Magneten. Man könnte ähnliches auch durch einen bestimmten Schaumstoff bewirken, wenn man den zusammendrückt. Nur hat man bei den Magneten nun keine solche Substanz. Dennoch "existiert" da etwas und mich interessiert wirklich was dieses etwas ist und wie man es verständlich beschreiben kann.

ArchLinux schrieb:Gut, die ART ist noch nicht quantisiert, aber auch hier gilt: Das G-Feld ist nichts "Greifbares" - gegenwärtig wird es als geometrische Eigenschaft der Raumzeit aufgefasst. Real ist es wohl eher durch ein noch nicht formal verstandenen Quantenfeld beschreibbar.

Gibt da ja einige Probleme wenn man versucht das Gravitationsfeld zu quantisieren, Du sprichst ja schon von Quantenfeld, also von einer Quantenfeldtheorie, für den Elektromagnetismus gibt es die, jedoch sollte man wohl erst eine Feldtheorie klassisch beschreiben, bevor man hier auf die QFT kommt.

ArchLinux schrieb:
nocheinPoet schrieb:In der Diskussion ging es primär strittig um die Frage, ob ein Kraft selber Energie besitzt oder ob diese nur in der Quelle des Feldes steckt. Aktueller Stand der Physik ist hier, die Energie steckt im Feld.
Eine Kraft "besitzt" keine Energie. Eine Kraft ist ein Vektor, die Energie ein skalarer Wert. Kraft darf nicht mit Kraftfeld vermischt werden. Die "Kraft" ist eine "Wirkung" eines Kraftfeldes auf ein Objekt innerhalb des Feldes.

Ich wollte nicht sagen, Kraft besitzt Energie, Energie kann eine Kraft bewirken. Ich finde das Beispiel mit dem Luftdruck recht ansehnlich, es braucht Energie eine Luftpumpe zusammenzudrücken, der Druck erhöht sich, die Kraft auf die Wände entsprechend. In einem aufgeblasenen Luftballon kann man Energie speichern, diese kann wieder frei werden und etwas bewegen, Arbeit verrichten.

ArchLinux schrieb:Je nach Theorie transformieren die beiden Werte, Kraft und Energie, unterschiedlich. In der QFT verliert der Begriff "Kraft" an Bedeutung, da die Ursache aller Kraft dort auf Quantenfelder reduziert werden kann.

Was meinst Du hier mit transformieren, die Größen zwischen zwei Systemen?

ArchLinux schrieb:
nocheinPoet schrieb:Fraglich ist, ob die Physik neben der mathematisch theoretischen Beschreibung auch eine liefern können wird, die bildlich und allgemein verständlich ist.
Nein, die Grenze anschaulicher Erklärung ist die SRT und bereits große Teile der Elektrodynamik. Durch "Erklärungen" in der Art "Photonen sausen zwischen Magneten rum, dadurch entsteht die magnetische Anziehung" ist am Ende niemanden geholfen, führt Irrvorstellungen.

Das war auch ein negativ Beispiel, das wurde mir mal so gesagt und natürlich kann man damit nichts wirklich anfangen.

ArchLinux schrieb:Der Kern der Theorien ART, QM, QFT und große Teile der klassischen Physik sind vollkommen unbegreifbar ohne die notwendigen mathematischen Hintergründe. Ist nun mal so.

Ich befürchte es, mag es aber noch nicht glauben, weißt Du, schon als Kind habe ich mit Magneten gespielt und mich gefragt, was ist da nur wirklich im Raum und bewirkt diese Kraft. Und wie dieses so durch alle möglichen Materialien geht, der Magnet unter einer Tischplatte war schon faszinierend.

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ArchLinux

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Aufbau von Kraftfeldern

07.05.2017 um 19:57

nocheinPoet schrieb:Ja, hast Du ja schon angesprochen gehabt. Energie ist aber doch wo schon was wie ein "Baustoff" wenn man sich die Materie anschaut. Ich weiß ja (grob) wie Du die Dinge siehst, aber wo braucht man ja doch das "Etwas" gegenüber dem "nicht Etwas".

Hab es ja auch direkt angesprochen, offenkundig ist da etwas, das wirkt, zwischen zwei Magneten. Man könnte ähnliches auch durch einen bestimmten Schaumstoff bewirken, wenn man den zusammendrückt. Nur hat man bei den Magneten nun keine solche Substanz. Dennoch "existiert" da etwas und mich interessiert wirklich was dieses etwas ist und wie man es verständlich beschreiben kann.

Wieso Energie nicht einfach nach Definition in der jeweils betrachteten Theorie behandeln ?
Wenn beschrieben werden soll, was "Etwas" ist, dann wird dies in der Regel anhand der Eigenschaften von eben Diesem "Etwas" getan.
Dieses "Etwas" - im Falle der Kraftvermittlung zwischen Magneten ein "Photonenfeld" hat eine Reihe von Eigenschaften. Nur sind die alle mathematisch.
Jetzt kann man versuchen, diese mathematischen Eigenschaften anschaulich klar zu machen. In einigen Fällen ist dies möglich, gerade im Bereich Geometrie und Analysis. Die SRT kann auch hier und da noch mit anschaulichen geometrischen Mitteln verstanden werden, kennst das ja, das hast Du Dir ja vor vielen Jahren selbst so hergeleitet.
Im Falle eines unendlich dimensionalen Hilbertraums auf dem die Operatoren der Quantenmechanik definiert sind gibt es kein Analogon der alltäglichen Erfahrung. Deshalb kann man auch niemals anschaulich klar machen, wie die QM funktioniert.
Energie in der QM ist nun einfach eine Eigenschaft von diesem "Etwas", allerdings nicht das "Etwas" selbst.

nocheinPoet schrieb:Gibt da ja einige Probleme wenn man versucht das Gravitationsfeld zu quantisieren, Du sprichst ja schon von Quantenfeld, also von einer Quantenfeldtheorie, für den Elektromagnetismus gibt es die, jedoch sollte man wohl erst eine Feldtheorie klassisch beschreiben, bevor man hier auf die QFT kommt.

Die ART ist bereits eine klassische Feldtheorie. Der Prozess der Quantisierung bettet eine klassische Feldtheorie in das Framework der QM ein.

"A classical field is a function defined over some region of space and time. Two physical phenomena which are described by classical fields are Newtonian gravitation, described by Newtonian gravitational field g(x, t), and classical electromagnetism, described by the electric and magnetic fields E(x, t) and B(x, t). Because such fields can in principle take on distinct values at each point in space, they are said to have infinite degrees of freedom. Classical field theory does not, however, account for the quantum-mechanical aspects of such physical phenomena. For instance, it is known from quantum mechanics that certain aspects of electromagnetism involve discrete particles—photons—rather than continuous fields. The business of quantum field theory is to write down a field that is, like a classical field, a function defined over space and time, but which also accommodates the observations of quantum mechanics. This is a quantum field."

Wikipedia: Quantum field theory

nocheinPoet schrieb:Was meinst Du hier mit transformieren, die Größen zwischen zwei Systemen?

Nicht System, sondern Theorie;

ArchLinux schrieb:Je nach Theorie transformieren die beiden Werte,

In der newtonschen Mechanik gibt es einen mathematischen Zusammenhang von der Energie W eines Objektes und der Kraft F(s) die auf das Objekt wirkt.
Der klassische Kraftbegriff ist trivialerweise so direkt nicht auf die Quantenmechanik zu übertragen. Es gibt über das Ehrenfest-Theorem dennoch eine Verbindung zwischen QM und klassischer Mechanik. But again, you would need math. Lots of math ;- )

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uatu

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Aufbau von Kraftfeldern

07.05.2017 um 20:29

@nocheinPoet: Mir fehlt leider im Augenblick die Zeit, um an diesem Thread ernsthaft teilzunehmen, aber ich möchte zumindest mal auf den folgenden Wikipedia-Artikel hinweisen, der vielleicht interessant für Dich sein könnte: Nahwirkung und Fernwirkung.

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nocheinPoet Diskussionsleiter

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Aufbau von Kraftfeldern

08.05.2017 um 11:10

@uatu

Danke für den Link, mehr oder weniger waren die Dinge bekannt aber eben nicht so schön zusammengebracht, gibt da doch schon einiges was es lohnt zu lesen, werde darauf sicher zurückkommen.

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nocheinPoet Diskussionsleiter

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Aufbau von Kraftfeldern

09.05.2017 um 13:12

Mal weiter, @uatu hat hier einen guten Links geliefert, werde es mal grob mit eigenen Worten wiedergeben.

Eine Kraft kann direkt übertragen werden, Mann boxt anderen Mann auf die Nase, Nase bricht. klar eine Nahwirkung. Nun "scheint" da aber auch eine Kraft den Mond auf eine Bahn um die Erde zu zwingen, und ein Magnet kann Eisenspäne bewegen ohne das die Erde den Mond oder der Magnet die Späne berührt.

Hier spricht die Physik heute von Kraftfeldern, das Feld überträgt nun die Kraft.

Die Gravitationstheorie von Newton geht mathematisch in der Beschreibung davon aus, dass die Kraft "instant" über eine Entfernung übertragen wird und dann dort wirkt. Würde die Sonne verschwinden würde die Erde augenblicklich nicht mehr angezogen und die Kreisbahn verlassen. Hier sprach man von Fernwirkung.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) braucht nun aber eine Kraftänderung doch Zeit für die "Übertragung", schneller als Licht geht es nicht, es würde somit mindestens 8 min dauern, bis die Erde die Kreisbahn verlässt.

Nun könnte man denken, auch das wäre eine "Fernwirkung" aber nein, das wird in der Physik auch Nahwirkung genannt, die Wirkung geht eben nicht instant sondern braucht Zeit.

Experimente haben gezeigt, die Gravitation wirkt nicht sofort über eine große Entfernung, es braucht hier wirklich Zeit. Die ART beschreibt dieses sehr gut. Das gilt so für alle Kräfte, kein Kraftänderung wirkt sich schneller als das Licht über eine Entfernung aus.

Passiert etwas in einem Lichtjahr Entfernung, dann muss eine mögliche Ursache hier vor mindestens einem Jahr stattgefunden haben, denn sonst könnte die Wirkung nicht in der Zeit übertragen worden sein. Es gibt dann keinen möglichen kausalen Zusammenhang, beide Ereignisse sind "raumartig" getrennt.

Bei der Kraftübertragung die nicht ohne Zeitdauer beschrieben wird, als "Nahwirkung" könnte man sich irgendetwas im Raum denken, dass diese Kraft, wie auch immer, überträgt. Früher ging man von einem "Äther" aus, der wurde aber nie gefunden und wird so heute nicht mehr als Annahme benötigt.

Nun nennt man eine Theorie wie die ART lokal, eben weil es keine Wirkung gibt, die ohne Zeitdauer übertragen wird, eine Theorie die eine Fernwirkung zulässt, also die Übertragung ohne Zeitdauer wird nicht lokal genannt, hier spricht man auch von Fernwirkung.

Ein Problem in der Physik ist nun, dass die ART lokal ist die Quantentheorie (QT) aber eine nicht lokale Theorie ist.

Und beide machen sehr genauer Vorhersagen, beschreiben die Natur sehr gut und die nicht Lokalität der QT hat sich beeindruckend in Experimenten gezeigt.

So hier noch mal zwei Links, macht Sinn beide hier mal zu lesen:

Wikipedia: Nahwirkung und Fernwirkung
Wikipedia: Lokalität (Physik)

Ich hätte nun vieles aus den Links zitieren können oder genauer mit eigenen Worten wiedergeben, kann man sicher machen, aber ich will erst mal sehen, wie der Thread hier so läuft, für mich muss ich diese Dinge nicht hier aufschreiben, Zeit kann ich mehr investieren, wenn es hier eine Diskussion gibt.

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