:: wikimiki.org ::

Beobachter

Beobachter

Ein Beobachter (v. beobachten; Obacht-, auf etwas Acht geben) ist jemand, der etwas oder jemanden beobachtet. Der Begriff wird von Systemtheoretikern für eine Instanz oder eine Person (bzw. deren Tätigkeit) verwendet, die in einem Prozess der Grenzziehung oder Unterscheidung Etwas als von sich selbst verschieden betrachtet und sich auf dieses Etwas irgendwie bezieht. Damit ist klassischen Mechanik - ein System nicht beobachtet werden kann, ohne es zu beeinflussen. Daher gibt es hier zwei "Sätze" von Formeln: Einerseits die Zeitentwicklung des unbeobachteten Systems, und zweitens die Regeln zur Beobachtung. Die unterschiedliche Natur dieser zwei Formelsätze sind eines der Hauptprobleme bei der Interpretation der Quantenmechanik. Auch in der Relativitätstheorie wird von Beobachtern gesprochen, allerdings dient hier der Beobachter nur zur Auszeichnung eines bestimmten Bezugssystems. Seine Existenz hat keinen Einfluss auf das physikalische Geschehen selbst, sondern bestimmt nur dessen Beschreibung aus seiner Sicht. In der Regelungstechnik findet der Begriff des Beobachters Anwendung für der Regelstrecke parallel geschaltete Modelle, die aus den vorhandenen Messgrößen der Regelstrecke die nicht messbaren Zustände der Regelstrecke beobachten (schätzen). Diese geschätzen Zustandsgrößen können dann ebenfalls zur Regelung der Regelstrecke herangezogen werden und die Regelgüte verbessern. Diese Methode wird z.B. in der Automobiltechnik verwendet, um durch Einsparung von Sensoren die Kosten zu senken. Moderne Motoren kommen so mit einem einzigen Temperatursensor im gesamten Motor aus. Siehe auch: Reflexion (Philosophie), Strategie Kategorie:Kybernetik Kategorie:Systemtheorie Kategorie:Erkenntnistheorie Kategorie:Denken

Systemtheorie

Systemtheorie ist ein interdisziplinäres Erkenntnismodell, in dem Systeme zur Beschreibung und Erklärung unterschiedlich komplexer Phänomene herangezogen werden. Die Analyse von Strukturen und Funktionen soll Vorhersagen über das Systemverhalten erlauben. Die Funktionsweise der Systeme wird dabei durch Regelkreisschemata beschrieben. Die meisten Systemmodelle sind mathematisch abbildbar. Die Begriffe der Systemtheorie werden in verschiedensten wissenschaftlichen Disziplinen angewendet. Die Systemtheorie will physikalische, biologische, psychische und soziale Phänomene erklären. In die Systemtheorie fließen Erkenntnisse aus Informatik, Physik, Biologie, Logik, Mathematik, Neurophysiologie, Ethnologie, Soziologie, Semiotik und Philosophie ein, wobei systemtheoretische Begriffe auf alle diese Wissenschaftszweige zurückwirken. Die Systemtheorie ist keine eigene Disziplin, sondern ein weitverzweigter und heterogener Rahmen für einen interdisziplinären Diskurs, der den Begriff System als Grundbegriff führt. Es gibt folglich auch nicht eine "Systemtheorie", sondern eher eine Vielzahl unterschiedlicher, zum Teil konkurrierender Systemdefinitionen und -begriffe. Es hat sich heute jedoch eine relativ stabile Reihe an Begriffen und Theoremen herausgebildet, auf die der systemtheoretische Diskurs rekurriert.

Grundlagen

Der Begriff Allgemeine Systemtheorie geht auf den Biologen Ludwig von Bertalanffy zurück. Seine Arbeiten bilden zusammen mit der Kybernetik (Norbert Wiener, William Ross Ashby) und der Informationstheorie (Claude Shannon, Warren Weaver) die grundlegenden Überlegungen dieses Wissenschaftsansatzes. Weitere wichtige Theorien stammen von Humberto Maturana und Francisco Varela (Autopoiesis), Stuart Kauffman (Selbstorganisation), Bronislaw Malinowski und Alfred Radcliffe-Brown (Funktionalismus) sowie Talcott Parsons (Strukturfunktionalismus oder Systemfunktionalismus) und Niklas Luhmann (soziologische Systemtheorie).

Hauptströmungen der Systemtheorie

Die Systemtheorie beruht auf unabhängig voneinander entwickelten Ansätzen, die später synthetisiert und erweitert wurden: Der Begriff Systemtheorie bzw. Systemlehre stammt von Ludwig von Bertalanffy (vgl. "General Systems Theory"). Bertalanffy spricht von offenen Systemen und entwickelt den Begriff der organisierten Komplexität, der den dynamischen Austausch mit der Umwelt beschreiben soll. Erst mit der Ausformulierung des Informationsbegriffes ließ sich dieses Konzept jedoch weiter generalisieren. Bereits 1948 hatte Norbert Wiener mit "Cybernetics" (Kybernetik) einen ebenfalls zentralen Ausdruck geprägt, der heute mit dem Systembegriff eng verbunden ist. Ein weiteres verwandtes Konzept ist die Tektologie Alexander Bogdanows.

Systemlehre (L. von Bertalanffy)

Ludwig von Bertalanffy führte ein neues wissenschaftliches Paradigma ein, das er als Gegenentwurf zur klassischen Physik positionierte. Er kritisierte deren deduktive Verfahren und die damit einhergehende isolierte Betrachtung von Einzelphänomenen. Für die Biologie sei diese Methode nicht adäquat. Anstelle von Einzelphänomenen, die realiter niemals isoliert aufträten, seien diese Phänomene in ihrer Vernetzung zu beschreiben. Daher setzte er der isolierten Einzelbetrachtung den Systembegriff entgegen, wobei dieser Begriff eine Menge von Elementen und deren Relation untereinander beschreiben soll. Als ein solches Modell betrachtete er die "organisierte Komplexität". Während die klassische Wissenschaft "unorganisierte Komplexität" erfolgreich beschrieben habe, stehe die theoretische Erfassung organisierte Komplexität vor neuen Herausforderungen. Organisierte Komplexität sei gegeben, wenn Einzelphänomene nicht schlicht linear logisch miteinander gekoppelt seien, sondern Wechselwirkungen unter ihnen bestünden. Sei dies der Fall, könne eine exakte Beschreibung der reziproken Vernetzungsbedingungen ein Bild von der Einheit der Summe jener Einzelphänomene vermitteln. Die Systemlehre untersucht somit die Organisationsformen komplexer Wechselbeziehungen zwischen einzelnen Elementen jenseits linear darstellbarer Relationen und einfacher Kausalität. Dabei unterschied Bertalanffy zwischen offenen und geschlossenen Systemen. Ein geschlossenes System wird als binnenstabil und über keine Wechselwirkungen mit der Umwelt verfügend beschrieben. In einem solchen System gibt es strenggenommen keine organisierte Komplexität, da sich die Elemente im Gleichgewichtszustand in mathematisch eindeutiger Weise zueinander verhalten. Ein offenes System dagegen verfügt über variablisierte Relationen seiner Elemente, die durch nichtprognostizierbare Umwelteinflüsse verändert werden. Die interne Variabilität ermöglicht es dem System, sich in einem dynamischen Umfeld relativ zu stabilisieren (Fließgleichgewicht). Offene Systeme entfalten also im Austausch mit ihrer Umwelt eine Dynamik und variieren ihre Zuständlichkeit ohne dabei ihre Systemstrukturen vollständig ändern zu müssen. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie nicht kausal von außen beeinflusst werden, sondern ihre interne Organisation bei Umweltveränderungen selbst umstellen ("Black Box"-Theorem). Dies wird als Selbstorganisation bezeichnet und kann als Paradigma organisierter Komplexität gelten. Gegen das "Newtonsche Weltbild" setzte Bertalanffy also seinen Gedanken einer allgemeinen, interdisziplinären Systemlehre. Auch in Wissenschaftsgebieten, die sich nicht in den Rahmen physikalisch-chemischer Gesetzmäßigkeiten einordneten - etwa der Biologie oder der Soziologie -, träten dennoch exakte Gesetzmäßigkeiten auf, die durch passend gewählte Modellvorstellungen abgebildet werden könnten. Die Systemlehre wurde als allgemeine Naturwissenschaft des Lebens konzipiert. In der Systemlehre werden energetisch offene Systeme beschrieben. L. von Bertalanffy argumentierte vor dem Hintergrund der physikalischen Auffassung der Thermodynamik (Wärmetod). Offene Systeme können Energie aus ihrer Umwelt aufnehmen und sich so zu höherer Ordnung entwickeln, also die globale thermodynamische Entropie lokal umgehen. Die Systeme der Systemlehre sind Lebewesen, der wesentliche Prozess ist die Osmose, die in einem Fliessgleichgewicht (steady state) verläuft. Die Informations- und Regelungsprozesse wurden von L. von Bertalanffy mathematisch formuliert.

Kybernetik

Die Kybernetik behandelt operationell geschlossene Mechanismen. Sie wurde als Regelungs- und Kommunikationstheorie konzipiert. Der Fokus der Kybernetik liegt auf Regelung und Steuerung. Deshalb kommen in der Kybernetik als Systeme in erster Linie geregelte Mechanismen in Betracht. Die Regelung beruht immer auf Prozessen, die mit der Informationstheorie beschrieben werden. L. von Bertalanffy hat sich gegen die Vermischung seiner Systemlehre und der Kybernetik ausgesprochen, weil er das mechanistische Denken der Kybernetik für die Beschreibung von Leben nicht als adäquat erachtete. Heute wird der Ausdruck "Systemtheorie" aber beliebig für beides auf drittes verwendet.

Generelle Eweiterungen der Kybernetik

Als Systemtheorie 2. Ordnung bezeichnet man Systemtheorien, die in dem Sinne selbstbezüglich sind, als mit der jeweiligen Systemtheorie der Systemtheoretiker, der die Theorie macht (Beobachter) beschrieben (beobachtet) wird. Der Kernbegriff ist deshalb Beobachter beobachten. Erfinder der 2. Ordnung ist Heinz von Foerster, er sprach von 2. order cybernetics oder von cybernetics of cybernetics. Die Systemtheorie 2. Ordnung ist eine erkenntnistheoretische Interpretation der Systemtheorie, in welcher untersucht wird, was der Systemtheoretiker als System theoretisch wissen kann. Die Systemtheorie 2. Ordnung ist eng verwandt mit dem Radikalen Konstruktivismus. In den frühen Schriften spielt die Selbstorganisation ein grössere Rolle, in den späteren Schriften ist viel von Ethik die Rede. Als Autopoiesis bezeichnet H. Maturana sowohl seine Systemtheorie wie auch den wesentlichen Prozess, den er mit seiner Theorie beschreibt, nämlich das Leben. H. Maturana beschreibt, grob gesehen, das gleiche wie L. von Betalannfy in seiner Systemlehre, er argumentiert aber kybernetisch: er spricht von lebenden (autopoietischen) Maschinen, die operationell geschlossen sind. Als Selbstorganisation bezeichnet man Prozesse, die wie die Autopoiese zu höheren strukturellen Ordnungen führen, ohne dass ein Prozessor/Operator erkennbar ist. Ein exemplarisches Beispiel ist der Laserstrahl, anhand dessen die Theorie von H. Haken auch entwickelt wurde . Der Radikale Konstruktivismus wurde von Ernst von Glasersfeld entwickelt. Er hat dabei die Arbeiten von Jean Piaget radikal interpretiert und kybernetisch reformuliert. Die Denkweise von J. Piaget war implizit kybernetisch und explizit epistemologisch. Die radikale Interpretation führt zu einer Theorie, die eng verwandt mit der Systemtheorie 2. Ordnung ist. E. von Glasersfeld argumentiert insbesondere auch mit der operationellen Geschlossenheit von Systemen. In der vulgären Variante des Radikalen Konstruktivismus wird die Systemtheorie weggelassen, dafür über die Wirklichkeit der Wirklichkeit "philosophiert". Als System Dynamics bezeichnet man die Modellierung mit Regelkreisen. Bekannt gemacht hat das Verfahren Jay W. Forrester durch das Weltmodell "WORLD 3", anhand dessen in der Club of Rome-Publikation "Limits to Growth" (Die Grenzen des Wachstums, Dennis L. Meadows 1972) der globale Rohstoffverbrauch prognostiziert wurde.

Fachspezifische Erweiterungen der Kybernetik

- Technologische Kybernetik (Automatik, Informatik, Systemtheorie der Technik)
- Biologische Kybernetik (biologische Autopoiesis, Biokybernetik)
- Sozietale Kybernetik (Sozialkybernetik)

Soziologische Systemtheorie

Als wichtigste Vertreter der Soziologischen Systemtheorie gelten Talcott Parsons (handlungstheoretische Systemtheorie) und Niklas Luhmann (kommunikationstheoretische Systemtheorie). Systemtheorie bei Parsons: Der soziologische Systembegriff geht auf Talcott Parsons zurück. Parsons betrachtet dabei Handlungen als konstitutive Elemente sozialer Systeme. Er prägte den Begriff der strukturell-funktionalen Systemtheorie. Erweiterung und Neuformulierung durch Luhmann: Luhmann unterscheidet drei besondere Typen sozialer Systeme: Interaktionssysteme, Organisationssysteme und Gesellschaftssysteme. Die Gesellschaft ist dabei ein System höherer Ordnung, ein System "anderen Typs". Sie umfasst die anderen Systeme, ohne dass sie in ihr aufgehen.

Theorie komplexer Systeme

Die neueste Strömung ist die Theorie komplexer Systeme (Vertreter u.a. Stuart Kauffman). Ein komplexes System ist dabei ein System dessen Eigenschaften sich nicht vollständig aus den Eigenschaften der Komponenten des Systems erklärt werden können. Komplexe Systeme bestehen aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen und interagierenden Teilen, Entitäten oder Agenten.
- Komplexe Adaptive Systeme Die Theorie der Komplexen adaptiven Systeme beruht vorwiegend auf den Arbeiten des Santa Fe Institute. Komplexe adaptive Systeme (John H. Holland, Murray Gell-Mann, Harold Morowitz, W. Brian Arthur) Diese neue Komplexitätstheorie, die Emergenz, Anpassung, und Selbstorganisation beschreibt, basiert auf Agenten und Computersimulationen, die Multiagentensysteme (MAS) einschließen, die zu einem wichtigen Instrument bei der Erforschung von sozialen und komplexen Systemen wurden.

Universalitätsanspruch

Ein Charakteristikum dieser theoretischen Ansätze ist der Anspruch, eine formale Theorie zu erarbeiten, die möglichst umfassend anwendbar ist. Dieser Anspruch geht vor allem aus Bertalanffys Werk "Allgemeine Systemtheorie" hervor: "Wenn wir .. den Begriff des Systems entsprechend definieren, so finden wir, daß es Modelle, Prinzipien und Gesetze gibt, die für verallgemeinerte Systeme zutreffen, unabhängig von der Natur dieser Systeme." Auch heute ist es diese Ausrichtung, die systemtheoretische Ansätze attraktiv erscheinen lässt, auch wenn das Ziel bislang unerreicht ist. So verbindet etwa das Santa Fe Institute mit seiner "Theorie komplexer adaptiver Systeme" einen universellen Erklärungsanspruch. Auch die "Theorie Sozialer Systeme" Niklas Luhmanns teilt diese Ausrichtung.

Begriffe der Systemtheorie

Der zentrale Grundbegriff der Systemtheorie ist das System (nach gr. to systeme = Zusammenstellung). Die Annahme, es gäbe Systeme, kann quasi als Grundaxiom dieses Ansatzes betrachtet werden. Ein System ist etwa wie folgt definiert: 1. Ein System ist begrenzt und abgrenzbar (System/Umwelt-Differenz). Es besteht aus einer Systemgrenze ("Boundary"), einem Systemkern, Systemelementen, dem Zusammenwirken dieser Elemente sowie aus Energie oder Signalen. Wird etwas über die Systemgrenzen hinweg transportiert ist dieses System ein offenes, sonst ein geschlossenes System. Alles außerhalb der Systemgrenze Liegende ist nicht Teil des Systems, sondern dessen Umwelt. 2. Ein System ist eine Menge von Elementen, die in einem abgegrenzten oder abgrenzbaren Bereich so zusammenwirken, dass dabei ein vollständiges, sinnvolles, zweck- und zielgerichtetes Zusammenwirken in einem funktionellen Sinne erzielbar wird. 3. Aufbau und Funktionsweise eines Systems hängen von dem Standpunkt des Betrachters ab. Weitere Begriffe:
- Rückkopplungsschleife, Kontingenzreduktion, Autopoiesis, Information, Codierung, Selbstorganisation, doppelte Kontingenz, Systemdenken, Soziales System, Systemfehler, Systemregeln

Beispiele

Im folgenden einige Beispiele für systemtheoretisches Denken aus der Ingieneurswissenschaft. Diesen Beispielen ist gemein, dass sie sich mit derselben Art von Differentialgleichungen lösen lassen. Diese Verwendung eines universellen Werkzeugs zur Lösung verschiedener, zunächst nicht verwandt erscheinender Problemen ist Teil des "systemtheoretischen" Denkens.
- Beschreibung von Schwingungen (und deren Fortpflanzung), z.B.
- Luft (Akustik),
- Wärme (Thermodynamik),
- Elektronen (Elektrotechnik),
- elektromagnetische Wellen,
- Geräten (z.B. mechanischen Federn),
- Beschreibung des Verhaltens elektrischer Schaltkreise,
- Beschreibung mechanischer Vorgänge (z.B. Verteilung von Kräften).

Siehe auch

- Systemwissenschaft
- Synergetik
- Komplexes System
- Systemische Organisationsberatung

Literatur

- 1949: Ludwig von Bertalanffy, Zu einer allgemeinen Systemlehre, Biologia Generalis, 195:114-129.
- 1948: Norbert Wiener Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine, (Hermann Editions in Paris; Cambridge: MIT Press,Wiley & Sons in NY 1948)
- 1956: William Ross Ashby: Introduction to Cybernetics
- 1957: Bertalanffy, Ludwig von: Allgemeine Systemtheorie; Deutsche Universitätszeitung 1957, Heft 12, S. 8-12
- 1963: Claude Shannon, Warren Weaver, A mathematical theory of communication, Illinois, 1963, ISBN 0252725484
- 1968: Ludwig von Bertalanffy, General System Theory New York, 1968; 1976 erweiterte Auflage
- 1969: George Spencer-Brown, Laws of Form, 1969, ISBN 0045100284
- 1980: Humberto R. Maturana, Francisco J. Varela, Autopoiesis and Cognition The Realization of the Living, Auflage 1991, ISBN 9027710163
- 1984: Niklas Luhmann, Soziale Systeme. Grundriß einer allgemeinen Theorie, 1984, neue Auflage 2001, ISBN 3518282662
- 1987: Jurgen Ruesch, Gregory Bateson, Communication: The Social Matrix of Psychiatry, 1987 (Neuauflage), ISBN 039302377X
- 1987: Ernst von Glasersfeld: Wissen, Sprache, Wirklichkeit
- 1988: Rapoport, Anatol: Allgemeine Systemtheorie, Darmstädter Blätter, Darmstadt 1988
- 1993: Heinz von Foerster: Wissen und Gewissen, Suhrkamp
- 1995: Heinz von Foerster, Cybernetics of Cybernetics, The Control of Control and the Communication of Communication, ISBN 0964704412
- 1996: David J. Krieger, Einführung in die allgemeine Systemtheorie, Stuttgart, ISBN 3825219046
- 1997: Niklas Luhmann, Die Gesellschaft der Gesellschaft, 2 Bde., Frankfurt, ISBN 351858247X
- 1998: Biggart, John; Dudley, Peter; Alexander Bogdanov and the Origins of Systems Thinking in Russia; The Proceedings of a Conference at the University of East Anglia, January 1996,1998 Ashgate Publishing Group; ISBN 185972678X
- 1998: Norbert Bischof, Struktur und Bedeutung. Eine Einführung in die Systemtheorie für Psychologen, (2. Aufl.), ISBN 3456830807 (mit einer Einführung in die Methoden der mathematischen Systemanalyse - einschließlich Z-Transformation - nur mit Abiturmathematik als Voraussetzung)
- 1999: Helmut Willke, Systemtheorie, I. Grundlagen, II. Interventionstheorie, III. Steuerungstheorie, Stuttgart 1999, 2000, 2001, ISBN 3825211614, ISBN 3825218007, ISBN 3825218406
- 2001: Gerald M. Weinberg, An Introduction to General Systems Thinking, 2001 (25th Anniversary Edition), ISBN 0932633498
- 2002: Dirk Baecker, Wozu Systeme?, ISBN 3931659232
- 2002: Heinz von Foerster, Understanding Systems: Conversations on Epistemology and Ethics,ISBN 0306467526
- 2003: Andreas Häuslein, Systemanalyse, ISBN 3800727153
- 2003: Dieter M. Imboden, Sabine Koch, Systemanalyse, Berlin, ISBN 3540439358
- 2003: Christian Schuldt, Systemtheorie, Hamburg: Europäische Verlagsanstalt, ISBN 3434461841
- 2004: Bernhard Poerksen, The Certainty of Uncertainty, ISBN 0907845819
- 2004: Thomas Frey, Martin Bossert, Signal- und Systemtheorie, ISBN 3519061937
- 2004: Niklas Luhmann, Dirk Baecker, Einführung in die Systemtheorie, ISBN 3896704591
- 2005: Dirk Baecker, Schlüsselwerke der Systemtheorie, Wiesbaden, ISBN 3531140841

Weblinks

- [http://www.muellerscience.com/SPEZIALITAETEN/System/systemgesch.htm Geschichte des Systemdenkens und des Systembegriffs]
- [http://www.hyperkommunikation.ch/bibliothek/crashkurse/crashkurs_systemtheorie/ck_systemtheorie_top.htm Crashkurs konstruktive Systemtheorie]
- [http://www.neurop.ruhr-uni-bochum.de/~porr/luhmann3/luhmann3.html Systemtheorie Hausarbeit]
- [http://www.fh-niederrhein.de/fb06/SOB/index~1.htm Glossar zentraler Begriffe der Systemtheorie]
- [http://www.usf.uos.de/archive/~vberding/syswi/skript10.pdf Skriptum Einführung in die Systemtheorie, Universität Osnabrück]
- [http://www.usf.uni-osnabrueck.de/studies/ Systemwissenschaft an der Universität Osnabrück] Kategorie:Kybernetik !

Person

Person hat mehrere Bedeutungen: Person im alltäglichen Sinn meint einen bestimmten Menschen, dem soziologisch eine bestimmte Rolle (Frau, Vater), ein Amt (Richter), ein Beruf (Krankenschwester) oder eine Herkunft (Bayer) zukommt und juristisch ein bestimmtes verfassungsrechtlich festgelegtes Subjektsein (Rechte und Pflichten). Dieser Person-Begriff ist also ein Sammelbegriff für die Erscheinung eines Menschen. Person im philosophischen Sinn meint ein bestimmtes Menschenbild: eine Theorie des Menschseins: was ein Mensch wesentlich ist: was die Elemente sind, die sein Menschsein qualifizieren, bestimmen: die ihn zu dem machen, was er als Mensch bzw. Person ist (z. B. dass er ein Sozialwesen ist, eine Individualität hat und ein Vernunftwesen bzw. Geistwesen ist, dass er wesentlich auf die Natur bezogen ist, die ihm im Kosmos und der geologischen, meteorologischen und biologischen Umwelt vorgegeben ist). Dieser Person-Begriff bezeichnet das Wesen des Menschseins, mitunter auch Personalität genannt. "Person" darf nicht mit "Persönlichkeit" verwechselt werden, denn dies bezeichnet die Menge aller individuellen Eigenschaften eines Menschen. Dazu zählen biologische Merkmale und psychische, also die genetische Ausstattung eines Menschen und sein Charakter.

Wortherleitung

Die Herkunft des Wortes Person ist nicht vollständig geklärt; es existieren hierzu zwei verschiedene Theorien. Fest steht lediglich, dass es im 13. Jahrhundert als person, persone aus lat. persona ins Deutsche übernommen wurde. Der Ursprung des lateinischen Begriffes ist jedoch umstritten. Manche halten den Begriff als Entlehnung aus gr. prosôpon, "Maske, Rolle, Mensch"; einer anderen (und von den meisten Etymologen heute für wahrscheinlicher gehaltenen) Theorie zufolge stammt es jedoch aus etrusk. phersu; Maske. Hinter dem Wort "Person" steht das tiefenpsychologische Bild, dass alle Menschen in den meisten Situationen nicht 100% sie selbst sind, sondern sich wie Schauspieler verhalten, die ihre Rolle mehr oder weniger gut spielen. Hört man genau auf das was jemand sagt, also das was seine Maske durchtönt (lat. per'son'are = durch'tön'en), so erhält man vielleicht einen tieferen Einblick in die wirkliche "Person". Vgl. hierbei das antike Theater, bei der mehrere Personen von einem Schauspieler mit unterschiedlichen Masken (durch die die Schauspieler dann sprachen) gespielt wurden. Das Begriffsfeld Person erstreckt sich über verschiedene Zweige der Geistes-, Human- und Gesellschaftswissenschaften:

Philosophie

In der klassischen Philosophie ist die Definition des Boethius der Ausgangspunkt des Personenverständnisses: Persona est rationalis naturae individua substantia, d.h. Person ist die individuelle Substanz rationaler (vernünftiger) Natur. Dies meint, dass der Erscheinung des Menschen als denkendem Lebewesen ein sinnlich nicht wahrnehmbarer Wesenskern zugrunde liegt, der seiner denkenden und körperlichen Natur sinnlich verborgen zugrunde liegt, also metaphysisch ist (meta: über, hinter; physisch: naturhaft). "Person" in diesem Sinne wurde in der mittelalterlichen Philosohie dann öfter mit dem Begriff "unsterbliche Seele" identifiziert. In der Philosophie der Neuzeit (Aufklärung) wurde dieser Personen-Begriff dann vielfältig kritisiert (diese metaphysische Dimension argumentativ bestritten), und in der Folge dann nicht mehr oft mit "unsterblicher Seele" identifiziert. Kant unterscheidet deutlich zwischen dem Personbegriff als Vernunftwesen (Person: Lebewesen das nach vernünftigen Prinzipien denken kann und von daher seine Würde als Person erhält, die Tieren nicht zukommt, weil sie ein solches Vermögen nicht besitzen) und der "unsterblichen Seele" als reiner Vernunftbegriff: einer in der Vernunft vorkommenden Idee, auf die man denkerisch nach Kant zwingend stößt, wenn man den Begriff der Vernunft als moralischer Vernunft konsequent durchdenkt. Näheres zum Seelen-Begriff Kants unter Seele. In moderneren philosphischen Strömungen sind Personen die Subjekte der Ethik. Manche Ethiker, so Peter Singer, unterscheiden zwischen Mensch und Person. Diskursethisch lasse sich dies so begründen, dass nur der Mensch als Person gelten kann, der in der Lage ist, sich im Diskurs zu äußern. Kritiker wie Robert Spaemann stellen Singers Unterscheidung zwischen Mensch und Person in Frage, durch die Graduierungsunmöglichkeit zwischen 'etwas' und 'jemandem', sowie der biologischen Zugehörigkeit zum Menschengeschlecht als alleinigem Kriterium für Personalität. Auch Vertreter des Naturrechts argumentieren, dass dem Menschen - durch seinen Geist - von Anfang an und in allen Situationen (also etwa auch im Koma) das Personsein und damit seine besondere Würde zukommt. Genauso erkennt der Personalismus, besonders der jüdische (z.B. Martin Buber) und der christliche (z.B. Romano Guardini), jedem Menschen das Personsein zu: Der Mensch ist an sich Person und dialogfähig (dialogischer Personalismus). Romano Guardini unterscheidet darüber hinaus zwischen Person als Wesensbegriff und Persönlichkeit als Individuation. In diesem Zusammenhang stellen sich die Fragen nach Verhältnis von Person und Welt sowie Person und Masse im Kontext einer Bedrohung durch Entpersönlichung/Depersonalisation (vgl. Ricarda Huch). Die Christliche Soziallehre erkennt daher in der Personalität neben der Solidarität, Subsidiarität sowie dem Gemeinwohl und der Gerechtigkeit eines der Prinzipien für ein gelingendes menschliches Zusammenleben in Gesellschaft und Staat. Einen grundlegenden philosophisch-theologischen Überblick schuf Markus von Hänsel-Hohenhausen: Vom Antlitz in der Welt (Frankfurt/M. 2005; englisch: The Countenance in the World, London 2005).

Psychologie

In der Psychologie wird Person mit dem Menschen als Einzelwesen gleichgesetzt, der über eine Gesamtmenge an Anlagen und erworbenen Fähigkeiten verfügt, die sog. personale Struktur. Als Person ist jeder Mensch einmalig. Einige, so Andreas Wieland, gehen davon aus, dass für jeden Zeitpunkt im Menschen eine eigene Person existiert, die mit allen anderen konkurriert. Dadurch lassen sich Verhaltensweisen wie Faulheit erklären, da man durch zeitliches Verschieben die ungeliebte Tätigkeit selbst nicht erledigen muss, möglicherweise aber eine Nachfolgeperson im Menschen (Selbstkonkurrenz).

Rechtswissenschaft

In der Rechtswissenschaft ist Person jeder, der fähig ist, Träger von Rechten und Pflichten zu sein (Rechtssubjekt). Dies ist in erster Linie ein Mensch, der als natürliche Person bezeichnet wird. Seine Rechtsfähigkeit beginnt nach deutschem Recht mit der Vollendung der Geburt. Daneben existiert aber auch der in Anlehnung an die natürliche Person entstandene Begriff der juristischen Person, die Kraft gesetzlicher Anerkennung Rechtsfähigkeit erlangt. Hierzu werden z. B. Körperschaften oder Vereinigungen wie der eingetragene Verein, die Gesellschaft mit beschränkter Haftung (GmbH) oder die Aktiengesellschaft gezählt.

Weitere Bedeutungen

- Literatur: Die Personen (Figuren) einer Erzählung (Personage).
- Person (Sprache): eine dem Subjekt eines Verbes entsprechende grammatikalische Form

Weblink

- [http://www.theologie-systematisch.de/anthropologie/1grundbegriffe.html theologie-systematisch.de] Aktuelle Literatur zum Person-Verständnis des Menschen
- [http://www.textlog.de/1913.html Person im Wörterbuch der philosophischen Grundbegriffe von Friedrich Kirchner (1907)]
- [http://www.moderatorenschule-muenchen.de TV-Coaching für Anfänger und Fortgeschrittene, Fit for Casting, Videofeedback] Kategorie:Mensch Kategorie:Allgemeine Zivilrechtslehre Kategorie:Soziale Rolle Kategorie:Psychologie

Mechanik

Die Mechanik ist ein Teilgebiet der Physik und befasst sich mit der Bewegung von Körpern und der Einwirkung von Kräften. Die Grundgesetze der Mechanik wurden von Galileo Galilei (1564 - 1642) und Isaac Newton (1643 - 1727) entwickelt. Bis in das 19. Jahrhundert nahm man an, dass sämtliche physikalischen Erscheinungen ihren Ursprung in mechanischen Vorgängen haben. Deshalb wird dieser Bereich heute die "Klassische Mechanik" oder oft auch "Newtonsche Mechanik" genannt. Sie ist die Physik sich bewegender Objekte der alltäglichen Art und beschreibt beispielsweise den freien Fall von Objekten, Planetenbewegungen oder Bewegungen Starrer Körper (z.B. Kreisel). Man weiß heute, dass in vielen Gebieten der Physik eigene Gesetzmäßigkeiten bestehen und die Mechanik in der Formulierung von Newton nur eine Näherung darstellt, die z.B. für relativistische Systeme angepasst werden muss. Dennoch bleibt die Mechanik mit ihren Begriffen, wie Masse und Kraft, eine Grundlage der Physik und vor allem sämtlicher technischer Anwendungen. Nach ihrem Untersuchungsgegenstand kann man die Mechanik einteilen in
- Mechanik der festen Körper
- Mechanik der Flüssigkeiten
- Mechanik der Gase Eine feinere Einteilung ergibt sich durch Berücksichtigung der zugrunde liegenden theoretischen Konzepte:
- Klassische Mechanik
- Statik (beschreibt die Kraftverteilung in einem ruhenden System)
- Kinematik (beschreibt die Bewegung von Körpern ohne Berücksichtigung der wirkenden Kräfte)
- Dynamik (beschreibt das Verhalten und die Kräfte in bewegten Körpern)
- Schwingungslehre
- Technische Mechanik
- Statik
- Festigkeitslehre (Elastostatik)
- Dynamik
- Maschinendynamik
- Kontinuumsmechanik
- Bodenmechanik (beschreibt Verformungen und Spannungen in Kontinua (z.B. Halbräumen) mit Stoffgesetzen, die den realen Stoffgesetzen von Böden nahekommen)
- Materialwissenschaft (erarbeitet mathematische Materialgesetze, die realen Materialgesetzen möglichst nahe kommen sollen und die in komplexen Berechnungen mit vernünftigem Rechenaufwand noch verwendbar sein sollen)
- Statistische Mechanik (beschreibt das Verhalten von Vielteilchensystemen, z.B. in der Thermodynamik)
- Spezielle Relativitätstheorie (für Systeme, deren Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit ist)
- Allgemeine Relativitätstheorie
- Quantenmechanik (für Systeme im atomaren Bereich)
- Strömungsmechanik
- Hydrostatik
- Hydrodynamik
- Aerodynamik
- Gasdynamik

Siehe auch

- Mechanismus
- Feinmechanik
- Mechatronik

Weblinks

Kategorie:Mechanik Kategorie:Physik ja:力学

System

System (griechisch σύστημα, systema - wörtlich das Gebilde, Zusammengestellte, Verbundene; Mehrzahl die Systeme) bezeichnet ein Gebilde, dessen wesentliche Elemente (Teile) so aufeinander bezogen sind, dass sie eine Einheit (ein Ganzes) abgeben. Systeme organisieren und erhalten sich durch Strukturen. >Struktur< bezeichnet das Muster (Form) der Systemelemente und ihrer Beziehungsgeflechte, durch die ein System funktioniert (entsteht und sich erhält). Dahingegen wird eine strukturlose Zusammenstellung mehrerer Elemente auch als Aggregat bezeichnet.

Allgemeines zu Systemen

# Jedes System besteht aus Elementen (Komponenten, Subsystemen), die zueinander in Beziehung stehen. Meist bedeuten diese Relationen ein wechselseitiges Beeinflussen - aus der Beziehung wird ein Zusammenhang. # Ein System in diesem Sinn lässt sich durch die Definition zweckmäßiger Systemgrenzen von seiner Umwelt (den übrigen Systemen) weitgehend abgrenzen, um es modellhaft isoliert betrachten zu können. # Bei Systemen unterscheidet man die Makro- und die Mikroebene: Auf der Makroebene befindet sich das System als Ganzes. Auf der Mikroebene befinden sich die Systemelemente. # Strukturierung, Eigenschaften und Wechselwirkungen der Elemente auf der Mikroebene bestimmen die Eigenschaften des Gesamtsystems auf der Makroebene. Diese von der Mikroebene bestimmten Eigenschaften des Gesamtsystems bilden zugleich strukturelle Rahmenbedingungen, die steuernd auf die Elemente der Mikroebene einwirken. # Die Beziehungen (Relationen) zwischen den Elementen der Mikroebene sind Wirkungen von Austauschprozessen, wie zum Beispiel Stoff-, Energie- oder Informationsflüssen. # Auf der Makroebene lassen sich Beobachtungen machen, die aus dem Verhalten der Elemente auf der Mikroebene nicht erklärbar sind. So lassen sich beispielsweise Konvektionszellen, die beim Erwärmen einer Flüssigkeit entstehen können, nicht aus dem Verhalten einzelner Moleküle der Flüssigkeit ableiten. ("Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile!"). Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Emergenz. # Das System selbst ist wiederum Teil eines Ensembles von Systemen und bestimmt mit ihnen die Eigenschaften eines übergeordneten Systems. # Viele Systemtheoretiker verstehen ein System nicht als realen Gegenstand, sondern als Modell der Realität. Ein Modell ist nicht richtig oder falsch, sondern mehr oder weniger zweckmäßig. # Die Abgrenzung von Systemen gegeneinander, das Herausgreifen bestimmter Elemente und bestimmter Wechselwirkungen und das Vernachlässigen anderer Elemente und Beziehungen und damit die Identifikation eines bestimmten Systems und seiner Umwelt ist stets vom Betrachter abhängig, also subjektiv, und dem jeweiligen Untersuchungszusammenhang angepasst. # Jede Wissenschaft beschäftigt sich mit Systemen. Jede Wissenschaftsrichtung definiert Systeme aus ihrer Sicht. So kommt es, dass gleiche Begriffe mit unterschiedlichen Bedeutungen belegt werden. Die Entwicklung einer einheitlichen Systemtheorie ist zurzeit noch nicht abgeschlossen.

Eigenschaften von Systemen

Hauptartikel: Systemeigenschaften Bei einem System können verschiedene Eigenschaften unterschieden werden:
- Komplexität
- Dynamik
- Wechselwirkung mit Systemumfeld
- Determiniertheit
- Stabilität
- ohne Energiezufuhr von aussen / mit Energiezufuhr von aussen
- diskret (zeit- oder zustandsdiskret) – kontinuierlich
- zeitvariant (Systemverhalten ändert sich mit der Zeit) – zeitinvariant (Systemverhalten ist zeitunabhängig)
- linear - nichtlinear
- geregelt oder ungeregelt.
- adaptiv (anpassend)
- autonom (unabhängig von äußerer Steuerung)
- selbstregulierend (Selbstregulation)
- autopoietisch (selbstfortpflanzend)
- denkend
- lernend
- sozial: Kommunikationen und Handlungen von individuellen und kollektiven Akteuren im Kontext von personalen Beziehungen, Gruppenzusammenhängen, Organisationen und Gesellschaften
- kognitiv: siehe auch psychisches System
- soziotechnisch: ein System, das aus Personen und Maschinen besteht. Ein solches soziotechnisches System ist beispielsweise ein Unternehmen mit seinen Arbeitsplätzen.

Struktur von Systemen

Hauptartikel:Systemstruktur Unter der Struktur eines Systems versteht man die Gesamtheit der Elemente eines Systems, ihre Funktion und ihre Wechselbeziehungen.

Verhalten von Systemen

Hauptartikel: Systemverhalten Von Verhalten eines Systems spricht man dann, wenn eine Veränderung des Zustandes bzw. der Zustandsgrößen des Systems von außen beobachtet werden kann.

Entwicklung von Systemen

Hauptartikel: Systementwicklung

Analyse von Systemen

Hauptartikel: Systemanalyse Bei der Systemanalyse konstruiert der Betrachter des Systems ein Modell.

Erläuterung modellhafter Beispiele

Thermoskanne (Isoliertes System)

In erster Näherung kann eine mit Zitronenlimonade gefüllte Thermoskanne als Beispiel für ein isoliertes System gelten. Isolierte Systeme spielen nur eine theoretische Rolle bei der Untersuchung komplexer Systeme und bei der Entwicklung von wissenschaftlichen Theorien und Modellen. Meist interessiert man sich für offene Systeme. Die Isolation soll so gut sein, dass innerhalb des Bobachtungszeitraumes keine messbare Wechselwirkung (Stoff- und Energieaustausch) mit der Umwelt stattfindet.
- Diese Kanne wird zunächst als Ein-Speicher-System mit dem Füllstand als Zustandsgröße betrachtet. Da kein Austausch mit der Umwelt stattfindet, wird sich auch der Füllstand nicht ändern, das System ist statisch.
- Eine differenziertere Betrachtung als Mehrspeichersystem deckt die Komplexität dieses einfach erscheinenden Systems auf. In Betracht gezogen werden jetzt die Subsysteme und weitere Zustandsgrößen. Speicher ist dann die flüssige Phase mit den Unterspeichern Wasser als Lösungsmittel und Zitronensäure als Geschmacksgeber. Zugeordnete Zustandsgrößen sind die Stoffmengen von Wasser und Zitronensäure, der pH-Wert und die Temperatur. Sollte der Füllstand nicht dem Maximum entsprechen, ist auch noch der Speicher gasförmige Phase zu berücksichtigen mit den Unterspeichern Luftmoleküle und Wassermoleküle. Zugeordnete Zustandsgrößen sind dann zusätzlich Druck, Temperatur und Volumen der Gasphase sowie die Stoffmengen beziehungsweise Partialdrücke der Gasmoleküle. Jetzt stellt sich das System als dynamisches System dar, das bei seiner Entwicklung vom Zeitpunkt t₀ an einem bestimmten Gleichgewichtszustand zustrebt. Da alle Speicher von einander abhängen, lässt sich das System nur schwer mit einer einzigen mathematischen Differentialgleichung modellieren, obwohl es streng deterministisch ist, da jede einzelne Wechselwirkung der Systeme untereinander bekannt und berechenbar ist. In der flüssigen Phase wird sich ein chemisches Gleichgewicht einstellen, da Wasser mit Zitronensäure in einer Protolysereaktion reagiert. Dabei wird sich der pH-Wert ändern und die Stoffmengen von Wasser und Zitronensäure sowie der entstehenden Zitrat-Anionen und Oxoniumionen einem Gleichgewichtswert zustreben. Gleichzeitig steht die Gasphase mit der flüssigen Phase in Wechselwirkung: Wasser kann verdampfen oder kondensieren, Gasmoleküle können sich physikalisch oder chemisch im Wasser lösen. Auch hier werden sich Gleichgewichte einstellen. Das System ist dann im Gleichgewichtszustand durch bestimmte Werte der Zustandsgrößen charakterisiert. Liegen diese Werte zum Zeitpunkt t₀ bereits vor, ist auch bei dieser Betrachtung von t₀ an das System im Gleichgewicht. Es genügt, dass nur eine der Zustandsgrößen bei t₀ nicht den Gleichgewichtswert aufweist, damit eine kontinuierliche Entwicklung des Systems vom Ausgangszustand in den Gleichgewichtszustand beobachtbar ist.

Zisterne (Einspeicher-System)

Eine Zisterne stellt ein Ein-Speicher-System dar mit dem Füllstand als Zustandsgröße. Von Wasserverlust durch Verdunstung oder Versickerung soll abgesehen werden. (In der Regel sind Zisternen gut abgedichtet und abgedeckt.)
- Der Füllstand ist von der Regenmenge abhängig: Je mehr Regen fällt, um so höher wird der Füllstand sein. Die Zuflussmenge steuert direkt proportional den Füllstand, sie wird deshalb als positive Steuergröße bezeichnet. Die Geschwindigkeit, mit der die Füllhöhe steigt, hängt einerseits von der Zuflussgeschwindigkeit, andererseits auch vom Querschnitt der Zisterne ab: je größer der Querschnitt der Zisterne ist, um so geringer ist die Füllgeschwindigkeit.
- Der Füllstand hängt auch von der Wasserentnahme als negative Steuergröße ab: Je mehr Wasser geschöpft wird, um so niedriger ist der Füllstand.
- Da das System negative und positive Steuergrößen aufweist, ist ein Fließgleichgewicht möglich. Es liegt dann vor, wenn Zufluss- und Entnahme-Menge gleich sind. Wird mehr abgeschöpft als zufließt, sinkt der Pegel, wird weniger abgeschöpft, steigt er wieder. Bei welchem Füllstand das Gleichgewicht vorliegt, hängt nur von den Anfangsbedingungen, also dem Füllstand zur Zeit des Beginns der Wasserentnahme ab.
- Der maximale Füllstand ist nur von der Geometrie der Zisterne abhängig: Erreicht der Pegel eine Überlaufkante, fließt alles zugeflossene (und nicht abgeschöpfte) Wasser ab, ohne den Füllstand zu verändern. analoge Systeme:
- Hydromechanik: Brunnen, Wasserfall, Wildbachverbauung, See, Überschwemmungsbecken, Glas Bier, Sektflasche
- Autobahnstau bei Totalsperrung, Rückstau bis zur davor liegenden Ausfahrt als „Überlaufkante“.
- Ökologie: Eine Wandernde Tierherde, die aus einem schmalen Tal in einen weiten Talkessel gelangt wird dort solange verweilen, bis das Fassungsvermögen des Kessels erschöpft ist. Dann werden die ersten Tiere durch den Talausgang wieder abwandern. Die maximale „Füllmenge“ (Kapazitätsgrenze K) des Talkessels hängt dabei von der Individualdistanz der Tiere ab. Da K auch vom Nahrungsangebot abhängt, wird bei zunehmender Beweidung auch die Kapazitätsgrenze abgesenkt.
- Siedende Flüssigkeit: Wärmezufuhr erhöht die Temperatur der Flüssigkeit bis zur Siedetemperatur. Dann ist die Wärmekapazität erschöpft, überschüssige Wärme wird durch Verdampfen abgeführt und trotz weiterer Zufuhr von Wärme erhöht sich die Temperatur nicht mehr.

Allgemeiner Fall eines Wasserspeichers

Im allgemeinen Fall eines Wasserspeichers lassen sich 9 theoretische Kombinationsmöglichkeiten untzerscheiden. (...ausführen welche ...aufgrund von Rückkoppelungsart etc.)
- Das hydromechanische System besteht zunächst aus einem Speicher mit einem Abfluss am Boden. Der Füllstand (Zustandsgröße) hängt von der Abflussmenge (negative Steuergröße) ab: Je größer die Abflussmenge ist, desto niedriger ist der Füllstand. Andererseits hängt aber auch die Abflussmenge vom Füllstand ab: Je mehr Wasser im Speicher ist, um so größer ist der hydrostatische Druck, um so größer ist die Abflussmenge. Je geringer der Füllstand ist, um so geringer ist auch die Abflussmenge. Es handelt sich hier um eine positive Rückkopplung. (Vergleiche dazu auch: Radioaktiver Zerfall, Emigrationsdruck bei Populationen, negativer Exponentieller Vorgang)
- Wird ein konstanter Zulauf (positive Steuergröße) hinzugefügt, kann sich ein Gleichgewicht dann einstellen, wenn Zulauf und Ablauf gleich sind. Der Gleichgewichtszustand ist nur vom Verhältnis der Zulauf- und Ablaufrate abhängig. analoge Systeme:
- Raumheizung (negative Steuergröße ist Wärmeverlust durch die Wände)
- Aufladung eines Kondensators über einen ohmschen Widerstand
- Staudruckmesser, Staurohr, Fallrohr der Dachrinne

Aggregation und exponentielles Wachstum

Eine Positive Rückkopplung der Systemgröße zu einer positiven Steuergröße wird als Aggregation bezeichnet und führt zu einem exponentiellen Wachstum: Je mehr bereits vorhanden ist, desto mehr fließt auch zu. Beispiele:
- Zins: Ein Bankguthaben wächst durch Zins und Zinseszins. Bei einem angenommenen Zins von 7% verdoppelt sich das Vermögen ca. alle 10 Jahre.
- Massenzunahme: Bei der Entstehung erfolgten Meteoriteneinschläge. Je größer die Erde wurde, um so größer wurde auch ihre Massenanziehung und um so mehr Objekte konnten eingefangen werden. Hier nicht beantwortete Frage: Was hat dann ausgelöst, dass ein Plafond erreicht wurde?

Fälle von Dispersion

Eine negative Rückkopplung der Systemgröße auf eine positive Steuergröße kann zu einem Verteilungsgleichgewicht führen: Je mehr bereits vorhanden ist, desto weniger fließt auch zu. Beispiele:
- In einer Brutkolonie steht auf Grund des Individualabstandes nur eine begrenzte Zahl an Brutplätzen an einem Ort zur Verfügung. Je mehr belegt sind, um so schwieriger wird es, einen freien Brutplatz zu finden, um so eher wird auf einen anderen Ort ausgewichen, um so langsamer wächst also die Kolonie.
- Lösungsgleichgewicht: Wird ein Salzkristall in Wasser aufgelöst, dann nimmt der Zufluss an Ionen in die Lösung durch Auflösen des Kristalls mit zunehmender Konzentration der Lösung immer mehr ab.

Temperatur-Regulation

Im Folgende Beispiel soll die Regulation offener Systeme mit Rückkopplung über spezielle Informationsbahnen am Beispiel der Regulation der Zimmer- bzw. Körperkerntemperatur gleichwarmer Wirbeltiere veranschaulicht werden. Dabei wird schrittweise ein einfaches Durchfluss-System zu einem Regulations-System ausgebaut. 1. Thermodynamisches Gleichgewicht Ein leeres Zimmer (Stauglied) ändert seine Temperatur (beobachtete Systemgröße) entsprechend der Außentemperatur. Ist sie niedriger als die aktuelle Zimmertemperatur, fließt Wärmeenergie ab (vermindernde Störgröße —), ist sie höher, erwärmt sich der Raum (erhöhende Störgröße +). In einem bewohnten Zimmer sind die Bewohner selbst, sowie Geräte wie Computer, offen liegende Warm- und Kaltwasserleitungen und geöffnete Kühlschränke ebenfalls Störgrößen. Gleichgewicht Die Geschwindigkeit und die Stärke, mit der diese Veränderungen ablaufen, hängt von der Temperaturdifferenz zwischen innen und außen sowie von der Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit der Wände und der Luftfeuchtigkeit ab. So kann in kalten Regionen durch Maßnahmen der Wärmedämmung der Wärmeverlust verzögert, durch geeignete Fenster der Glashauseffekt genutzt werden oder in heißen Regionen ebenfalls durch Wärmedämmung, aber auch durch Beschattung und Lüftung die Temperaturschwankung im Raum gedämpft werden. Die Raumtemperatur wird aber immer entsprechend der Außentemperatur verändert. Bleibt diese längere zeit konstant, kann sich ein thermodynamisches Gleichgewicht einstellen, Innen- und Außentemperatur sind dann gleich. Wärmedämmung (nicht nur bei gleichwarmen Wirbeltieren) ist im Tierreich durch isolierende Luftpolster (Behaarung, Daunengefieder) oder durch Unterhautfettgewebe realisiert. Durch entsprechende Färbung von Fell, Federn oder Haaren kann die Aufnahme von Wärmestrahlung beeinflusst werden. (Beispiel: dunkle Haut der Eisbären) Um eine konstante, von den Umweltschwankungen unabhängige Raumtemperatur zu erreichen müssen geeignete Geräte installiert werden: 2. Steuerung In Regionen mit kaltem Winter und gemäßigtem Sommer kann durch Einbau einer Heizquelle (erhöhendes Stellglied, Zustrom-Stellglied +) der Abkühlung in der kalten Jahreszeit entgegengesteuert werden. Die Bewohnerin oder der Bewohner als Führungsglied hat dabei eine Vorstellung von der als angenehm empfundenen Raumtemperatur (zum Beispiel 20 °C), die erreicht und eingehalten werden soll (Sollwert). Mit Hilfe eines Zimmerthermometers (Messglied) wird die aktuelle Zimmertemperatur festgestellt (Istwert). Istwert und Sollwert werden miteinander verglichen. Ist die Raumtemperatur zu niedrig, wird durch Bewohner oder Bewohnerin (berechnendes und entscheidendes Steuerglied) die Heizung angemacht. Bei sehr einfachen Heizungen gibt es nur zwei Stellwerte (an oder aus). Bei einer „regulierbaren“ (eigentlich steuerbaren) Heizung, hängt der Wert, um den die Heizung aufgedreht wird (Stellwert), von der Differenz zwischen Istwert und Sollwert ab. Hier kann sich das System differenzierter (in diskreten Stufen oder Stufenlos, je nach technischer Verwirklichung) und ökonomischer an die jeweiligen Bedingungen anpassen. In Regionen mit heißen Sommern und gemäßigten Wintern wird statt der Heizung ein Kühlsystem (absenkendes Stellglied, Ausstrom-Stellglied - ) eingebaut. Dies können Verdunstungsgefäße sein, wobei der abkühlende Effekt durch einen Ventilator verstärkt wird. In Regionen mit heißen Sommern und kalten Wintern oder sehr starken tageszeitlichen Temperaturschwankungen wird die Raumtemperatur nach dem Zweizügelprinzip gesteuert. Dabei werden erhöhende und absenkende Stellglieder installiert und vom Regelglied je nach Bedarf angesteuert. Erst dadurch ist eine unabhängig von der Außentemperatur gleichbleibende Zimmertemperatur erreichbar. Durch Automatisierung der Berechnung und Generierung der Stellwerte kann die Bedienung des Systems vereinfacht werden. Ein Thermostat stellt selbsttätig Unterschiede zwischen Innentemperatur und Sollwert fest und steuert selbsttätig das Stellglied an. Der Eingriff von Außen reduziert sich damit auf die Einstellung der Sollwert-Temperatur durch den Benutzer. Das Steuerglied ist damit in das zu steuernde System integriert. Ventilator Bienen und Ameisen sind zwar wechselwarme Organismen, können aber die Nesttemperatur unabhängig von der Außentemperatur konstant halten: Ameisen öffnen oder verschließen je nach Bedarf Eingänge auf der Sonnen- oder Schattenseite ihrs Nestes. Ein aktiver Wärmetransport ins Nest findet vor allem in Frühjahr statt: Dabei heizen sich die Tier durch Sonnen auf und geben die Wärmeenergie im kühleren Nest wieder ab. Bienen erzeugen im Winter durch Bewegung der Flugmuskulatur (Flügelzittern) Wärme. Im Sommer verteilen Stockbienen im Nest Wasser und erzeugen am Flugloch durch Flügelschlag einen Luftstrom, der die Verdunstung fördert und das Nest abkühlt. 3. Regulation Wird auch das Führungsglied als Sollwertgeber in das System integriert, entsteht ein Regulationssystem. Bei technischen Systemen muss allerdings das Programm des Führungsglieds von außen implementiert werden, bei Lebewesen ist es als genetisches Programm angeboren. Bei zahlreichen Regulationsvorgängen der Lebewesen beeinflussen allerdings auch Lernvorgänge in und Mutationen in das Programm. Dadurch ist eine selbsttätige Anpassung des Systems im Zeitrahmen der Ontogenie und der Phylogenie (siehe Evolution) gegeben. Evolution Regulation der Körperkerntemperatur beim Menschen Führungs- und Regelglied ist das Temperatur-Zentrum im Hypothalamus. Der Sollwert beträgt beim gesunden Menschen ungefähr 37 °C. Messglieder befinden sich im Hypothalamus und in der Haut. Als erhöhende Stellglieder fungieren Leber und Muskeln, als absenkende die Blutgefäße der Haut (werden sie erweitert, wird vermehrt Wärme über die Haut abgegeben) und die Schweißdrüsen. Störgrößen sind Unterschiede zwischen Körperkern- und Außentemperatur. Bereits der Grundumsatz erzeugt so viel Wärme, dass abkühlende Maßnahmen bereits oberhalb von 20 bis 22 Grad Celsius erfolgen. Alle zusätzlichen Aktivitäten (Stoffwechsel, Muskeltätigkeit) erhöhen als Störgrößen die Körperkerntemperatur. Als Informationswege für die Stellwerte wird sowohl das Nervensystem als auch das Hormonsystem (Hypothalamus-Schilddrüsen-Achse, siehe Stressreaktion) genutzt. Schüttelfrost und Fieber sind auf eine Verstellung des Sollwertes zurückzuführen. Diese Veränderung kann durch Krankheitserreger durch die Ausschüttung pyrogener (Fieber erzeugender) Stoffe verursacht werden, oder durch den Körper selbst, um die Reaktionen der Immunantwort zu beschleunigen. Gleichwarme Tiere, die nicht schwitzen können (Hunde, Vögel) können überschüssige Wärme durch Hecheln abführen, wobei der abkühlende Effekt durch die Verdunstungskälte hervorgerufen wird. Beim Afrikanischen Elefanten wird über die großen, gut durchbluteten Ohren Wärme abgegeben. Vergleiche dazu die ökologische Regel von Allen, die besagt, dass in heißen Regionen die Tiere relativ große Ohren und Schnauzen haben, in kalten Regionen sind sie dagegen klein. Kleine Tiere haben eine relativ große Körperoberfläche, über die sie relativ mehr Wärme abstrahlen können. Eine weitere Möglichkeit zur Regulation der Körpertemperatur stellt das Verhalten von Tieren dar, die aktiv wärmere oder kältere Orte ihres Lebensraumes aufsuchen können. Bei Pflanzen dient die Verdunstung von Wasser über die Spaltöffnungen der Blätter ihrer Abkühlung. Siehe dazu Näheres unter Thermoregulation Weitere Beispiele der Regulation nach dem Zweizügelprinzip:
- Regulation des Blutzuckergehalts (die Hormone Insulin und Glukagon dienen hier als Stellwertübermittler, siehe hierzu auch Diabetes) Beispiele zur Regulation nach dem Einzügelprinzip:
- Regulation der Atemgaskonzentration
- Regulation des pH-Wertes des Darmes
- Regulation der Muskellänge (siehe Muskelspindel)

Weitere Beispiele für Systeme

- Absolutsystem
- Betriebssystem
- Bezugssystem
- Computersystem
- Gesundheitssystem
- Handel
- Immunsystem
- Informationssystem
- Koordinatensystem
- Künstliches, virtuelles System
- Kultur eines Landes
- Lebewesen
- Mathematik
- Mensch (Verdauungssystem, Nervensystem)
- Mechanisches System
- Messsystem
- Nachrichtensystem
- Nichtgleichgewichtssystem
- Ökosystem
- Organisationen (Unternehmen, Bildungseinrichtungen, Medien)
- Fabrik
- Landwirtschaftlicher Betrieb
- Stadt
- Periodensystem
- Permakultur
- Politisches System
- Psychisches System
- Rechtssystem
- Rentensystem
- Schulsystem
- Soziales System
- Sprache
- Stromsystem
- Suprasystem
- System (Stratigraphie)
- Technisches Sachsystem
- Telefonsystem
- Telematiksystem
- Theorien
- Transportsystem
- Wirtschaft
- Zelluläre Automaten

Siehe auch

- Ordnung, Systematik, Vorgangsweise, Handlungsorgane, Strukturveränderung, Steuerung,
- Sinnesorgane, Artikulationsorgane, Selbstregulation,
- Informationstransport, Informationsumwandlung, Gedächtnis,
- Materietransport, Materiewandlung, Schutzeinrichtungen, Entsorgung,
- Energietransport, Energiespeicher, Energiewandlung, Floquet-Zustand
- Struktur Kategorie:Kybernetik Kategorie:Systemtheorie ja:系

Relativitätstheorie

Die Relativitätstheorie befasst sich mit der Struktur von Raum und Zeit sowie mit dem Wesen der Gravitation. Sie besteht aus zwei maßgeblich von Albert Einstein geschaffenen physikalischen Theorien, der 1905 veröffentlichten speziellen Relativitätstheorie und der 1916 abgeschlossenen allgemeinen Relativitätstheorie. Die spezielle beschreibt das Verhalten von Raum und Zeit aus der Sicht von Beobachtern, die sich relativ zueinander bewegen, und die damit verbundenen Phänomene. Darauf aufbauend führt die allgemeine Relativitätstheorie die Gravitation auf eine Krümmung von Raum und Zeit zurück, die unter anderem durch die beteiligten Massen verursacht wird. Die Relativitätstheorie hat das Verständnis von Raum und Zeit revolutioniert und Phänomene aufgedeckt, die sich der anschaulichen Vorstellung entziehen. Die betreffenden Phänomene lassen sich jedoch mathematisch präzise beschreiben und sind experimentell bestens bestätigt. Die Relativitätstheorie stellt eine der beiden Säulen des Theoriengebäudes der Physik dar. Die Vereinigung mit der Quantentheorie, die die zweite Säule repräsentiert, steht noch aus und zählt zu den größten Herausforderungen der physikalischen Grundlagenforschung. Beide Theorien enthalten ihren Vorgänger, die newtonsche Physik, als Grenzfall und erfüllen damit das sogenannte Korrespondenzprinzip. In diesem Artikel werden die grundlegenden Strukturen und Phänomene lediglich zusammenfassend aufgeführt. Für Erläuterungen und Details siehe die Artikel spezielle Relativitätstheorie und allgemeine Relativitätstheorie sowie die Verweise im Text.

Die spezielle Relativitätstheorie

Relativität von Raum und Zeit

Die beiden folgenden Feststellungen lassen sich als Axiome der Relativitätstheorie interpretieren, aus denen sich letztlich alles Weitere herleitet: Axiom
- Messen verschiedene Beobachter die Geschwindigkeit eines Lichtstrahls relativ zu ihrem Standort, so kommen sie unabhängig von ihrem eigenen Bewegungszustand zum selben Ergebnis. Dieses sogenannte Prinzip von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ist mit unserem Alltagsverständnis von Raum und Zeit nicht erklärbar, sondern erscheint paradox.
- Die physikalischen Gesetze haben für alle Beobachter, die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, das heißt keiner Beschleunigung unterliegen, dieselbe Gestalt. Diesen Umstand nennt man Relativitätsprinzip. Man spricht von Inertialsystemen, in denen sich diese Beobachter befinden. Zur Auflösung des obigen scheinbaren Paradoxons müssen intuitive Vorstellungen von einem absoluten Raum und einer absoluten Zeit aufgegeben werden: Raum- und Zeitangaben sind in der Relativitätstheorie keine universell gültigen Ordnungsstrukturen, sondern der räumliche und zeitliche Abstand zweier Ereignisse und damit wird auch ihre Gleichzeitigkeit von Beobachtern mit verschiedenen Bewegungszuständen unterschiedlich beurteilt. Die Frage, wer die Situation korrekt beschreibt, ist prinzipiell nicht zu beantworten und daher sinnlos. Bewegte Objekte erweisen sich im Vergleich zum Ruhezustand in Bewegungsrichtung als verkürzt, und bewegte Uhren als verlangsamt. Diese Längenkontraktion und Zeitdilatation lassen sich vergleichsweise anschaulich anhand von Minkowski-Diagrammen und anhand des bekannten Zwillingsparadoxons nachvollziehen. In der mathematischen Formulierung ergeben sie sich aus der Lorentz-Transformation, die den Zusammenhang zwischen den Raum- und Zeitkoordinaten der verschiedenen Beobachter beschreibt. Diese Transformation lässt sich direkt aus den beiden obigen Axiomen und der Annahme, dass sie linear ist, herleiten. Alle diese Phänomene machen sich erst bei Geschwindigkeiten bemerkbar, die im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit ins Gewicht fallen, so dass sie im Alltag nicht auffallen.

Äquivalenz von Masse und Energie

Einem System mit der Masse m lässt sich auch im unbewegten Zustand eine Energie E zuordnen und zwar nach

E = m \cdot c^2

wobei c die Geschwindigkeit des Lichtes ist. Diese Formel ist eine der berühmtesten in der Physik. Oft wird irreführend behauptet, sie habe die Entwicklung der Atombombe ermöglicht. Richtig ist, dass damit der Mechanismus der Atombombe nicht erklärt werden kann. Allerdings konnte mit dieser Formel und den schon bekannten Massen der Atome die enorme Freisetzung von Energie bei der Kernspaltung berechnet werden – schon bei deren Entdeckung durch Lise Meitner. Diese Massenabnahme tritt auch bei chemischen Reaktionen auf, war jedoch für die damaligen Messmethoden zu klein, anders als im Fall von Kernreaktionen.

Vereinigung von Raum und Zeit zur Raumzeit

Raum und Zeit erscheinen in den Grundgleichungen der Relativitätstheorie formal weitgehend gleichwertig nebeneinander und lassen sich daher zu einer vierdimensionalen Raumzeit vereinigen. Der Umstand, dass wir Raum und Zeit als unterschiedliche Phänomene wahrnehmen, sowie alle anderen Unterschiede zwischen Raum und Zeit, lassen sich letztlich auf ein einziges Vorzeichen zurückführen, durch das sich die Art und Weise, wie ein Abstand im euklidischen Raum definiert wird, von der Bestimmung des Abstands in der vierdimensionalen Raumzeit unterscheidet. Aus gewöhnlichen Vektoren werden dabei Vierervektoren.

Lichtgeschwindigkeit als Grenze

Kein Objekt, keine Welle und damit auch keine Information kann sich schneller bewegen als das Licht. Nähert sich die Geschwindigkeit eines materiellen Objektes der Lichtgeschwindigkeit, so strebt der Energieaufwand für eine weitere Beschleunigung über alle Grenzen. Zum Erreichen der Lichtgeschwindigkeit müsste unendlich viel Energie aufgebracht werden. Dieser Umstand ist eine Folge der Struktur von Raum und Zeit und keine Eigenschaft des Objekts, wie beispielsweise eines lediglich unvollkommenen Raumschiffes. Könnte sich ein Objekt mit Überlichtgeschwindigkeit von A nach B bewegen, so könnte man immer Beobachter finden, die eine Bewegung von B nach A wahrnehmen würden, wiederum ohne dass die Frage, wer die Situation korrekt beschreibt, einen Sinn gäbe. Das Kausalitätsprinzip wäre dann verletzt, da die Reihenfolge von Ursache und Wirkung nicht mehr definiert wäre. Ein solches Objekt würde sich übrigens für jeden Beobachter mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen.

Das Relativitätsprinzip

Aus dem Relativitätsprinzip folgt unmittelbar, dass es keine Möglichkeit gibt, eine absolute Geschwindigkeit eines Beobachters im Raum zu definieren beziehungsweise zu ermitteln, da es andernfalls im Widerspruch zum Relativitätsprinzip ein absolut ruhendes Bezugssystem gäbe, für das die Gesetze der Physik eine besonders einfache Gestalt annehmen würden. So scheiterten auch alle entsprechenden Versuche wie beispielsweise das berühmte Michelson-Morley-Experiment von 1887, mit dem man die Existenz eines im Kosmos ruhenden Äthers als Träger elektromagnetischer Wellen nachweisen wollte. Das Relativitätsprinzip an sich ist wenig spektakulär, denn es gilt auch für die newtonsche Mechanik. Es widersprach vor den Entdeckungen Einsteins jedoch den Gesetzen der Elektrodynamik und man neigte dazu, es aufzugeben. Durch die Aufgabe der konventionellen Vorstellungen von Raum und Zeit gelang es Einstein, den Widerspruch aufzulösen. Nicht zufällig waren es Experimente und Überlegungen zur Elektrodynamik, die zur Entdeckung der Relativitätstheorie führten. So lautete der unscheinbare Titel der einsteinschen Publikation von 1905 „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“, der nicht gerade einen Umsturz der bis dahin gültigen Vorstellungen von Raum und Zeit erwarten ließ.

Magnetfelder in der Relativitätstheorie

Die Existenz magnetischer Kräfte ist untrennbar mit der Relativitätstheorie verknüpft. Eine isolierte Existenz des coulombschen Gesetzes für elektrische Kräfte wäre nicht mit der Struktur von Raum und Zeit verträglich. So sieht ein Beobachter, der relativ zu einem System statischer elektrischer Ladungen ruht, kein Magnetfeld, anders als ein Beobachter, der sich relativ zu ihm bewegt. Übersetzt man die Beobachtungen des ruhenden Beobachters über eine Lorentz-Transformation in die des bewegten, so stellt sich heraus, dass dieser neben der elektrischen Kraft eine weitere wahrnimmt, die sich hinsichtlich ihrer mathematischen Struktur völlig mit den bekannten Gesetzen für Magnetfelder deckt. Die Existenz des Magnetfeldes in diesem Beispiel lässt sich daher auf die Struktur von Raum und Zeit zurückführen. Unter diesem Gesichtspunkt wirkt auch die im Vergleich zum Coulombgesetz komplizierte und auf den ersten Blick wenig plausible Struktur des vergleichbaren Biot-Savartschen Gesetzes für Magnetfelder weniger verwunderlich. Im mathematischen Formalismus der Relativitätstheorie werden das elektrische und das magnetische Feld zu einer Einheit, dem vierdimensionalen elektromagnetischen Feldstärketensor, zusammengefasst, ganz analog zur Vereinigung von Raum und Zeit zur vierdimensionalen Raumzeit. Siehe auch: Spezielle Relativitätstheorie

Die allgemeine Relativitätstheorie

Gravitation und die Krümmung des Raumes

Die allgemeine Relativitätstheorie führt die Gravitation auf ein geometrisches Phänomen in einer gekrümmten Raumzeit zurück, indem sie feststellt:
- Masse krümmt die Raumzeit in ihrer Umgebung.
- Ein Gegenstand, auf den nur gravitative Kräfte wirken, bewegt sich zwischen zwei Punkten in der Raumzeit stets auf einer sogenannten Geodäte. Entzieht sich die vierdimensionale Raumzeit der speziellen Relativitätstheorie bereits einer anschaulichen Vorstellbarkeit, so gilt das für eine zusätzlich gekrümmte Raumzeit erst recht. Zur Veranschauung kann man jedoch Situationen mit reduzierter Anzahl von Dimensionen betrachten. So entspricht im Fall einer 2-dimensionalen gekrümmten Landschaft die geradlinige Strecke dem Weg, den ein Fahrzeug mit geradeaus fixierter Lenkung nehmen würde. Würden zwei solche Fahrzeuge am Äquator nebeneinander exakt parallel Richtung Norden starten, dann würden sie sich am Nordpol treffen. Ein Beobachter, dem die Kugelgestalt der Erde verborgen bliebe, würde daraus auf eine Anziehungskraft zwischen den beiden Fahrzeugen schließen. Es handelt sich aber um ein rein geometrisches Phänomen. Gravitationskräfte werden daher in der allgemeinen Relativitätstheorie gelegentlich auch als Scheinkräfte bezeichnet. Da der geodätische Weg durch die Raumzeit von ihrer Geometrie und nicht von der Masse des fallenden Körpers abhängt, fallen alle Körper im Gravitationsfeld gleich schnell, wie bereits Galilei feststellte. Dieser Umstand wird in der newtonschen Mechanik durch die Äquivalenz von träger und schwerer Masse beschrieben, die auch der allgemeinen Relativitätstheorie zugrunde liegt.

Uhren im Gravitationsfeld

In der allgemeinen Relativitätstheorie hängt der Gang von Uhren nicht nur von ihrer relativen Geschwindigkeit ab, sondern auch von ihrem Ort im Gravitationsfeld. Eine Uhr auf einem Berg geht schneller als eine im Tal. Dieser Effekt ist zwar im irdischen Gravitationsfeld nur gering, er wird jedoch beim GPS-Navigationssystem zur Vermeidung von Fehlern bei der Positionsbestimmung über eine entsprechende Frequenzkorrektur der Funksignale berücksichtigt.

Die mathematische Struktur der allgemeinen Relativitätstheorie

Während die spezielle Relativitätstheorie auch mit relativ geringen mathematischen Kenntnissen nachvollziehbar ist, ist die allgemeine Relativitätstheorie deutlich anspruchsvoller. Die Beschreibung einer krummen Raumzeit erfolgt mit den Methoden der Differentialgeometrie, die die euklidische Geometrie des uns vertrauten flachen Raumes ablöst. Die Entstehung der Krümmung wird durch die einsteinschen Feldgleichungen beschrieben. Dabei handelt es sich um Differentialgleichungen eines Tensorfeldes mit zehn Komponenten, die nur in speziellen Fällen analytisch, das heißt in Form einer mathematischen Gleichung, lösbar sind.

Kosmologie

Während die spezielle Relativitätstheorie bei Anwesenheit von Massen nur in Gebieten der Raumzeit gilt, die so klein sind, dass die Krümmung vernachlässigt werden kann, kommt die allgemeine Relativitätstheorie ohne diese Einschränkung aus. Sie kann somit auch auf das Universum als Ganzes angewandt werden und spielt daher in der Kosmologie eine zentrale Rolle. So wird die Expansion des Weltalls, die die Astronomen beobachten, durch die friedmannschen Lösungen der einsteinschen Feldgleichungen in Kombination mit einer sogenannten kosmologischen Konstanten angemessen beschrieben. Danach begann diese Expansion mit dem Urknall, der nach den jüngsten Untersuchungen vor 13,7 Milliarden Jahren stattgefunden hat, und der auch als der Beginn von Raum und Zeit angesehen werden kann. Dabei war das gesamte Universum auf einem Raumgebiet vom Durchmesser der Planck-Länge konzentriert.

Schwarze Löcher

Eine weitere Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie sind Schwarze Löcher. Einstein konnte sich mit diesem Gedanken nicht anfreunden, und meinte, es müsse einen Mechanismus geben, der die Entstehung solcher Objekte verhindert. Heutige Beobachtungen legen aber nahe, dass es solche Schwarzen Löcher im Universum tatsächlich gibt und zwar als Endstadium der Sternentwicklung bei sehr massereichen Sternen und in den Zentren nahezu aller Galaxien.

Gravitationswellen

Schließlich folgt aus der allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz von Gravitationswellen, lokalen Deformationen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie sollten bei der Beschleunigung von Massen entstehen. Diese Deformationen sind jedoch dermaßen klein, dass sie sich bis heute einem direkten Nachweis entzogen haben. Die Supernovaexplosion im Jahre 1987 in unserer astronomischen Nachbarschaft sollte Gravitationswellen erzeugt haben, die nachweisbar gewesen wären. Diese Jahrhundertchance wurde jedoch verpasst, da mangels Absprache sämtliche Gravitationswellendetektoren weltweit in den entscheidenden Sekunden zu Wartungszwecken abgeschaltet waren. Immerhin konnte aus Beobachtungen an Doppelsternsystemen mit Pulsaren die Existenz von Gravitationswellen indirekt bestätigt werden. Siehe auch: Allgemeine Relativitätstheorie

Entstehungsgeschichte

Überwindung der euklidischen Geometrie

Bereits vor Einstein hatte es Überlegungen zur mathematischen Struktur des Raumes gegeben. So stellten die Mathematiker János Bolyai, Nikolai Iwanowitsch Lobatschewski und Carl Friedrich Gauß bereits Anfang des 19. Jahrhunderts fest, dass nicht unbedingt eine euklidische Geometrie des Raumes vorliegen müsse, und begannen, eine nichteuklidische Geometrie zu entwickeln. Diese Arbeiten blieben jedoch lange Zeit unbeachtet. Carl Friedrich Gauß publizierte seine diesbezüglichen Ergebnisse überhaupt nicht. Zwischen 1818 und 1826 leitete Gauß die Hannoversche Landesvermessung und entwickelte dabei Verfahren mit erheblich gesteigerter Genauigkeit. In diesem Zusammenhang entstand die Vorstellung, er habe empirisch nach einer Krümmung des Raumes gesucht, indem er die Winkelsumme in einem Dreieck vermaß, das vom Brocken im Harz, dem Inselsberg im Thüringer Wald und dem Hohen Hagen bei Göttingen gebildet wird. Sie wird heute mehrheitlich als Legende angesehen, auch wenn die Möglichkeit, Gauß habe nach Abweichungen vom üblichen Wert der Winkelsumme von 180° gesucht, nicht mit letzter Konsequenz ausgeschlossen werden kann. Die Genauigkeit seiner Instrumente hätte jedoch für den Nachweis der winzigen Krümmung des Raumes im Gravitationsfeld der Erde bei weitem nicht ausgereicht. Sie ist auch heute noch nicht möglich. Gauß' Schüler Bernhard Riemann war es, der die Differentialgeometrie krummer Räume entwickelte und 1854 vorstellte, ein Thema, das seinerzeit kaum jemand für relevant gehalten haben dürfte. Tullio Levi-Civita, Gregorio Ricci-Curbastro und Elwin Bruno Christoffel bauten die Differentialgeometrie weiter aus. Einstein fand in ihren Arbeiten einen wahren Schatz an mathematischen Werkzeugen für seine allgemeine Relativitätstheorie.

Ätherwind und Lorentztransformation

Mit seinen 1865 veröffentlichten Feldgleichungen hatte James Clerk Maxwell eine geschlossene Theorie von Elektrizität, Magnetismus und Optik vorgelegt, die in den folgenden Jahrzehnten experimentell glänzend bestätigt wurde. Beim Wechsel in ein bewegtes Koordinatensystem änderten die maxwellschen Gleichungen jedoch ihre mathematische Gestalt. Das war ein klarer Verstoß gegen das galileische Relativitätsprinzip und warf die Frage auf, warum Experimente zur Überprüfung der maxwellschen Theorie nicht durch die Eigenbewegung der Erde beeinträchtigt wurden. Optik Maxwell stellte sich elektromagnetische Wellen als an ein stoffliches Medium gebunden vor. Man bezeichnete dieses Medium als "den Äther". Als die Verletzung des Relativitätsprinzips bemerkt wurde, schloss man, dass auf der bewegten Erde eine Art Gegenwind, den man Ätherwind nannte, nachweisbar sein müsse. Alle Versuche zum experimentellen Nachweis des Ätherwindes scheiterten jedoch; Michelson und Morley konnten 1887 interferometrisch nachweisen, dass die Geschwindigkeit der Erde relativ zum Äther keinesfalls größer als ein Viertel der Bahngeschwindigkeit der Erde sein kann. Doch erst um das Jahr 1900 sprachen namhafte Physiker, darunter Paul Drude und Henri Poincaré, ihre Zweifel an der Existenz des Äthers aus. 1887 entdeckte Woldemar Voigt in einer Arbeit über den Doppler-Effekt, dass bestimmte Gleichungen beim Wechsel in ein bewegtes Koordinatensystem ihre Form behalten, sofern man Orts- und Zeitkoordinaten nicht unabhängig voneinander transformiert, sondern in bestimmter Weise verkoppelt. Unabhängig von Voigt wurde diese Koordinatentransformation 1898 von Joseph Larmor und 1899 von Hendrik Antoon Lorentz entdeckt; sie ist heute als Lorentz-Transformation bekannt. 1889 veröffentlichte der irische Physiker George FitzGerald eine kurze, nichtmathematische Arbeit, in der er darauf hinwies, dass das Michelson-Morley-Experiment nur erklärt werden kann, wenn man annimmt, dass die Interferometerarme ihre Länge ändern, je nachdem, welchen Winkel sie zum Ätherwind einnehmen. Lorentz kam 1892 unabhängig zum gleichen Ergebnis, das heute zumeist Lorentz-Kontraktion, seltener auch FitzGerald-Lorentz-Kontraktion genannt wird. 1898 wies Henri Poincaré darauf hin, dass wir keine intuitive Vorstellung von der Gleichheit zweier Zeitintervalle haben und dass Gleichzeitigkeit so definiert werden müsse, dass Naturgesetze eine möglichst einfache Gestalt haben. Im Juni 1905 veröffentlichte er, fast gleichzeitig mit Einsteins erster Arbeit zur Relativitätstheorie, einen Aufsatz Sur la dynamique de l'electron, in dem er das Relativitätsprinzip aussprach (die Unmöglichkeit, absolute Bewegung nachzuweisen, scheint ein allgemeines Naturgesetz zu sein). In der gleichen Arbeit gab er der Lorentz-Transformation ihren Namen und wies darauf hin, dass sie zusammen mit den Drehungen im Raum eine Gruppe bildet. Erstaunlicherweise haben sich Einstein und Poincaré niemals gegenseitig zitiert, während beide jederzeit auf die Verdienste von Lorentz hinwiesen. Lorentz seinerseits wollte sich niemals ganz von der Äthervorstellung lösen.

Albert Einstein

Gruppe Albert Einstein schloss 1900 sein Physikstudium mit eher mittelmäßigem Erfolg ab und reichte 1905 seine Doktorarbeit ein. In dieser Zeit verdiente er seinen Lebensunterhalt als Angestellter im Patentamt von Bern, was nicht gerade eine größere Karriere erwarten ließ. In seiner freien Zeit arbeitete er jedoch intensiv an bahnbrechenden theoretischen Ideen und publizierte 1905 vier Arbeiten, von denen jede einzelne seinen Ruhm als großer Physiker hätte begründen können. In einer davon formulierte er das, was wir heute die spezielle Relativitätstheorie nennen. Diese Publikationen brachten ihm Rufe als Hochschullehrer nach Prag und bald darauf nach Zürich ein. Aus den Bemühungen, eine mit dem Relativitätsprinzip verträgliche Beschreibung der Gravitation zu entwickeln, erwuchs in den folgenden Jahren die allgemeine Relativitätstheorie. In mühevoller Arbeit eignete sich Einstein die nötigen mathematischen Fertigkeiten an. In welchem Ausmaß seine Frau, die Mathematikerin Mileva Maric, an der mathematischen Ausformulierung beteiligt war, ist nicht genau rekonstruierbar. Anders als bei der speziellen Relativitätstheorie publizierte Einstein zunächst Teilergebnisse; die endgültigen Feldgleichungen fand unabhängig von ihm 1915 auch David Hilbert. Einstein stellte fest, dass seine Feldgleichungen kein statisches Universum zulassen. 1917 schlug er daher die kosmologische Konstante vor, ein Zusatzterm in den Feldgleichungen, der ein zeitlich unverändertes Universum ermöglicht. 1922 stellte Alexander Friedmann Lösungen ohne kosmologische Konstante vor, für die das Universum entweder expandiert oder kollabiert. 1927 entdeckte Edwin Hubble die Expansion des Universums und bestätigte damit Friedmanns Ansatz. Einstein bezeichnete daraufhin seine kosmologische Konstante als die größte Eselei meines Lebens. Heutige Beobachtungen deuten jedoch darauf hin, dass die kosmologische Konstante sehr wohl existiert, wenngleich mit einem anderen Wert, als für ein statisches Universum nötig wäre. Für die Relativitätstheorie, eine der bedeutendsten Entdeckungen überhaupt, ist erstaunlicherweise kein Nobelpreis verliehen worden. Gegen eine Auszeichnung Einsteins sprach aus Sicht der Schwedischen Akademie, dass die mathematische Struktur der speziellen Relativitätstheorie von anderen ausgearbeitet worden war; eine gemeinsame Ehrung war nach dem Tod Poincarés (1912) nicht mehr möglich. Hintergründig bestand allerdings wohl auch die Befürchtung, diese abstrakte Theorie - die zu dieser Zeit kaum experimentell gestützt war - könnte letztlich falsch sein. Die Vergabe des Nobelpreises an eine falsche Theorie wäre eine Blamage für das Komitee gewesen. Als Notlösung erhielt Einstein den Nobelpreis des Jahres 1921 für seine Arbeit zum Photoeffekt aus dem Jahr 1905, die einen wichtigen Schritt in der Entwicklung der Quantentheorie darstellte. Dennoch sprach Einstein in seiner Rede bei den Feierlichkeiten zur Preisverleihung über die Relativitätstheorie.

Weitere geometrische Theorien

Nach der Erklärung der Gravitation als geometrisches Phänomen lag es nahe, auch die anderen damals bekannten Grundkräfte, die elektrische und die magnetische, auf geometrische Effekte zurückzuführen. Theodor Kaluza (1921) und Oskar Klein (1926) nahmen dazu eine zusätzliche in sich geschlossene Dimension des Raumes mit subatomarer Länge an, derart dass sie uns verborgen bleibt. Sie blieben jedoch mit ihrer Theorie erfolglos. Auch Einstein arbeitete lange vergeblich daran, eine solche einheitliche Feldtheorie zu schaffen. Nach der Entdeckung weiterer Grundkräfte der Natur erlebten diese sogenannten Kaluza-Klein-Theorien eine Renaissance allerdings auf der Basis der Quantentheorie. Die heute aussichtsreichste Theorie zur Vereinigung der Relativitätstheorie und der Quantentheorie dieser Art, die Stringtheorie, geht von sechs beziehungsweise sieben verborgenen Dimensionen von der Größe der Planck-Länge und damit von einer zehn- beziehungsweise elfdimensionalen Raumzeit aus.

Experimentelle Bestätigungen

Der erste Erfolg der speziellen Relativitätstheorie war die Auflösung des Widerspruches zwischen dem Ergebnis des Michelson-Morley-Experiments und der Theorie der Elektrodynamik, der überhaupt als Anlass für ihre Entdeckung angesehen werden kann. Seither hat sich die spezielle Relativitätstheorie in der Interpretation unzähliger Experimente bewährt. Ein überzeugendes Beispiel ist der Nachweis von Myonen in der Höhenstrahlung, die auf Grund ihrer kurzen Lebensdauer nicht die Erdoberfläche erreichen könnten, wenn nicht auf Grund ihrer hohen Geschwindigkeit die Zeit für sie langsamer gehen würde, beziehungsweise sie die Flugstrecke längenkontrahiert erfahren würden. Hingegen gab es zur Zeit der Veröffentlichung der allgemeinen Relativitätstheorie einen einzigen Hinweis für ihre Richtigkeit, die Perihel-Drehung des Merkurs. 1919 stellte Arthur Stanley Eddington bei einer Sonnenfinsternis eine Verschiebung der scheinbaren Position der Sterne nahe der Sonne fest und lieferte mit diesem sehr direkten Hinweis auf eine Krümmung des Raums eine weitere Bestätigung der Theorie. Weitere experimentelle Tests sind im Artikel zur allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben. Die Relativitätstheorie hat sich bis heute in der von Einstein vorgegebenen Form gegen alle Alternativen, die insbesondere zu seiner Theorie der Gravitation vorgeschlagen wurden, behaupten können. Die bedeutendste war die Jordan-Brans-Dicke-Theorie, die jedoch deutlich komplexer war, und wie alle anderen auch, durch den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen widerlegt wurde.

Rezeption und Interpretation

Wahrnehmung in der Öffentlichkeit

Die neue Sichtweise der Relativitätstheorie bezüglich Raum und Zeit erregte nach ihrer Entdeckung auch in der Allgemeinheit Aufsehen. Einstein wurde zur Berühmtheit, und es war in den 1920er Jahren in Mode, über die Relativitätstheorie zu diskutieren, auch wenn sie kaum jemand verstanden hatte. Verkürzt auf den Spruch alles ist relativ wurde sie zuweilen in die Nähe eines philosophischen Relativismus gerückt. Kritik an der Relativitätstheorie speiste sich aus verschiedenen Quellen, wie Unverständnis, Ablehnung der fortschreitenden Mathematisierung der Physik und Ressentiments gegen Einsteins jüdische Abstammung. Ab den 1920er Jahren versuchten einige wenige offen antisemitische Physiker, namentlich die Nobelpreisträger Philipp Lenard und Johannes Stark, der Relativitätstheorie eine deutsche Physik entgegenzusetzen. Wenige Jahre nach der nationalsozialistischen Machtergreifung ging Stark mit einem Artikel in der SS-Zeitung Das schwarze Korps vom 15. Juli 1937 gegen die im Land verbliebenen Anhänger der Relativitäts- und Quantentheorie in die Offensive. Unter anderem denunzierte er Werner Heisenberg und Max Planck als weiße Juden. Heisenberg wandte sich direkt an Himmler und erreichte seine volle Rehabilitierung; nicht zuletzt mit Blick auf die Bedürfnisse der Rüstungsentwicklung blieb die Relativitätstheorie erlaubt.

Erkenntnistheoretische Implikationen

Raum und Zeit spielen eine Schlüsselrolle in der Erkenntnistheorie von Immanuel Kant. Das legt nahe, dass die Relativitätstheorie mit ihren Aussagen über Raum und Zeit auch philosophische Implikationen hat. Für Kant sind Raum und Zeit unabhängig von jedem empirischen Inhalt, also a priori, gegebene Formen der Anschauung. Reine Anschauung ermöglicht es, reine Mathematik zu betreiben: Geometrie basiert auf Anschauung im Raum, Arithmetik basiert auf Abzählen in der Zeit. Mathematik erlaubt Synthetische Urteile a priori: „Ebensowenig ist irgendein Grundsatz der reinen Geometrie analytisch. Daß die gerade Linie zwischen zwei Punkten die kürzeste sei, ist ein synthetischer Satz. Denn mein Begriff vom Geraden enthält nichts von Größe, sondern nur eine Qualität“ (KdrV, B16). Kant nimmt also die euklidische Geometrie als Grundlage der (physikalischen) Anschauung an. An diese Vorgehensweise knüpfen heute die Protophysiker an. Dass der physikalisch empirische (also: a posteriori) Raum der Relativitätstheorie zufolge tatsächlich gekrümmt ist, war Anfang des 20. Jahrhunderts überraschend, jedoch nicht unvereinbar mit dem erreichten Verständnis von Geometrie. Dass Raum und Zeit kommensurabel sind, weil zeitliche Größen durch Multiplikation mit der Lichtgeschwindigkeit in räumliche Größen umgerechnet werden können, so dass beide in den Gleichungen dieser Theorie strukturell nahezu gleichwertig in Erscheinung treten, war ebenfalls eine Überraschung. Über die Mathematik hinaus findet Kant, dass auch die Naturwissenschaft (physica) synthetische Urteile a priori als Prinzipien in sich enthält, so etwa die Erhaltung der Masse (KdrV, B17). In der Relativitätstheorie tritt an Stelle der Massenerhaltung die Erhaltung der Gesamtenergie. Auch hier bestätigt die Physik die philosophische Kritik an Kant, der zu Folge synthetische Urteile a priori nicht möglich sind.

Schlusswort

Die Relativitätstheorie markiert wissenschaftshistorisch den Punkt, an dem die Anschauung als Mittel zum physikalischen Verständnis von Naturphänomenen zum ersten Mal grundsätzlich versagte. Raum und Zeit sind Vorbedingung für jegliche Erfahrung und können daher nicht Gegenstand dieser Erfahrung sein, wie bereits Immanuel Kant sinngemäß feststellte. Diese Situation sollte sich durch die anschließende Entdeckung der Quantentheorie mit ihrer Aufgabe strikt deterministischer Modelle und der Erkenntnis des Zufalls als fundamentalem Bestandteil der Welt noch erheblich verschärfen. Im Rahmen eines naturwissenschaftlichen Ansatzes gelingt es lediglich mit den Mitteln der Mathematik, diese Grenze erfolgreich zu überschreiten. Die Relativitätstheorie ist daher von erkenntnistheoretischer Relevanz. Vor der Formulierung der Relativitätstheorie war die Diskussion über Raum, Zeit und Kosmologie weitgehend der Philosophie und Religion vorbehalten. Der Kirchenhistoriker Adolf von Harnack stellte seinerzeit fest: :„Man klagt darüber, dass unsere Generation keine Philosophen habe. Mit Unrecht. Sie sitzen jetzt nur in einer anderen Fakultät. Sie heißen Max Planck und Albert Einstein“.

Literatur

- Albert Einstein/Leopold Infeld: Die Evolution der Physik. 1950, auch als Taschenbuch: Reinbek, Rowohlt 1987 ISBN 3-499-18342-0
- Albert Einstein: Grundzüge der Relativitätstheorie. 6. A. Springer, Berlin u.a. 2002 ISBN 3-540-43512-3 (Originaltitel: Meaning of relativity)
- Julian Schwinger: Einsteins Erbe. Die Einheit von Raum und Zeit

Beobachter

Systemtheorie

Grundlagen

Hauptströmungen der Systemtheorie

Systemlehre (L. von Bertalanffy)

Kybernetik

Generelle Eweiterungen der Kybernetik

Fachspezifische Erweiterungen der Kybernetik

Soziologische Systemtheorie

Theorie komplexer Systeme

Verwandte Gebiete

Informationstheorie

Chaostheorie

Katastrophentheorie

Konnektionismus

weitere

Universalitätsanspruch

Begriffe der Systemtheorie

Beispiele

Siehe auch

Literatur

Weblinks

Person

Wortherleitung

Philosophie

Psychologie

Rechtswissenschaft

Weitere Bedeutungen

Weblink

Mechanik

Siehe auch

Weblinks

System

Allgemeines zu Systemen

Eigenschaften von Systemen

Struktur von Systemen

Verhalten von Systemen

Entwicklung von Systemen

Analyse von Systemen

Erläuterung modellhafter Beispiele

Thermoskanne (Isoliertes System)

Zisterne (Einspeicher-System)

Allgemeiner Fall eines Wasserspeichers

Aggregation und exponentielles Wachstum

Fälle von Dispersion

Temperatur-Regulation

Weitere Beispiele für Systeme

Siehe auch

Relativitätstheorie

Die spezielle Relativitätstheorie

Relativität von Raum und Zeit

Äquivalenz von Masse und Energie

Vereinigung von Raum und Zeit zur Raumzeit

Lichtgeschwindigkeit als Grenze

Das Relativitätsprinzip

Magnetfelder in der Relativitätstheorie

Die allgemeine Relativitätstheorie

Gravitation und die Krümmung des Raumes

Uhren im Gravitationsfeld

Die mathematische Struktur der allgemeinen Relativitätstheorie

Kosmologie

Schwarze Löcher

Gravitationswellen

Entstehungsgeschichte

Überwindung der euklidischen Geometrie

Ätherwind und Lorentztransformation

Albert Einstein

Weitere geometrische Theorien

Experimentelle Bestätigungen

Rezeption und Interpretation

Wahrnehmung in der Öffentlichkeit

Erkenntnistheoretische Implikationen

Schlusswort

Literatur