Physik und Information

 E. J. Linnebach
 
 (erste researchgate.net publication zu diesem Thema am 27.Juli, 2018)


  Abstract
 

Im folgenden Artikel werden Aktionen zur physikalischen Eigenschaftsänderung in offenen physikalischen Systemen unter dem Gesichtspunkt des Informationsmangels untersucht. Es zeigt sich dass ein Informationsmangel in einem offenen System mit einer Erhaltungsgröße korreliert ist. Beispiele aus der klassischen Physik sollen dies beweisen.

 

Keywords
 


Informationsbegriff in der Physik, Informationsmangel, Erhaltungsgrößen, physikalische Monopole, Erhaltung der physikalischen Monopole, offene physikalische Systeme unter dem Gesichtspunkt der Information, physikalische- und chemische Eigenschaftsänderungen


1. Einleitung

Zu den Einsichten der letzten Jahrzehnte gehört die Feststellung, dass die Information noch nicht dort angekommen und eingeführt ist, wo sie eigentlich hingehört: In das Innerste der Welt und damit in die grundlegende Physik
[1+2].

Der am meisten zitierte Versuch, den Begriff Information in der Physik zu etablieren geschieht mit der Einführung der thermodynamischen Entropie. Dabei wird der Zustand eines statistisch vorliegenden physikalischen Systems durch ein Informationsmaß charakterisiert. Eine Zustandsänderung innerhalb eines abgeschlossenen, sich selbst überlassenen statistischen Systems ist dabei möglich, wenn der Informationsgehalt dabei zeitlich abnimmt[3+4+5+6].

Dass die Information bei allen offenen physikalischen Systemen eine fundamentale Rolle spielt kann man im nachfolgenden durch Überlegungen an einfachen klassischen Systemen zeigen. Dabei wird untersucht, ob eine physikalische Veränderung innerhalb der offenen Systemgrenze, also ohne Information von ausserhalb der Grenze, im Einklang mit den durch die Physik vorgegebenen Gleichungen möglich ist. Es zeigt sich, dass eine Unbestimmtheit oder ein Informationsmangel innerhalb des offenen Systems keine Veränderung der Systemeigenschaft zulässt. Diese Vorgehensweise ist auf alle offene Systeme der Natur und Technik anwendbar.


2. Einfluss der Information auf physikalische Eigenschaftsänderungen

(siehe Abbildung 1)

Theorem: Information und Erhaltungsgröße

Eine momentan beabsichtigte Eigenschaftsänderung eines offenen physikalischen Systems soll durch eine systeminterne Aktion bewirkt werden. Lässt sich dabei innerhalb der Systemgrenze zum Zeitpunkt der beabsichtigten Eigenschaftsänderung nur eine beteiligte physikalische Größe nicht bestimmen, muss die vorliegende Systemeigenschaft erhalten bleiben.


3. Begründung des obigen Theorems mit Beispielen aus der nicht statistischen,
   klassischen Physik

3.1 Eigenschaft Schwere

Durch einen Vorgang innerhalb des Systems soll die physikalische Eigenschaft "Schwere Punktruhemasse" eliminiert werden. Dazu müssen im offenen System alle physikalische Größen vorliegen, um zum Aktionszeitpunkt die Naturgesetze nicht zu verletzen. Ist beispielsweise der Energiesatz aufgrund des Informationsmangels der potentiellen Gravitationsenergie, nicht einzuhalten, darf der Vorgang nicht stattfinden. Als Beweis werden 2 Konstellationen mit verschiedener potentieller Energie angenommen, welche am Ort der Punktmasse “m” eine gleiche Kraft erzeugen. Es wäre damit unmöglich einen Unterschied zwischen den beiden Konstellationen festzustellen. Damit ist der potentielle Energieinhalt der Punktmasse unbestimmt. Eine Eigenschaftsumwandlung Schwere Masse des offenen Systems ist nicht eindeutig möglich.

Anhand der Abbildung 2 soll obige Feststellung nun erläutert werden. Im offenen System 1 befindet sich eine Punktmasse "m", welche durch einen Vorgang innerhalb des Systems 1 ausgelöscht werden soll. Gibt es nur eine denkbare, physikalische Konstellation innerhalb des Systems 2, welche aus Sicht des offenen Systems Unbestimmtheiten bei Änderung einer Eigenschaft bewirkt, darf diese Änderung nicht stattfinden.  Es werden zwei Fälle unterschieden, welche in Abbildung 2a und Abbildung 2b dargestellt sind. Jeweils eine Punktmasse m1 bzw. m2, welche außerhalb der offenen Systemgrenze positioniert ist, übt eine Kraft "F1" bzw. "F2" auf "m" aus. Die Massen außerhalb der offenen Systemgrenze und die Abstände zur Masse "m" sind nun so bemessen, dass sich für Fall 2a und 2b gleiche Kräfte am Ort von "m" ergeben. Bei F1 = Ffolgt mit dem Gravitationsgesetz für alle m2 ˃ m1 mit den Radien r2 = (m2 / m1 )1/2 r1, dass Wpot2 ˃ Wpot1 ist. Obwohl die Kräfte für Fall 2a und Fall 2b gleich sind, ergeben sich verschiedene potentielle Energien.

Fazit: Innerhalb des offenen Systems 1 ist es nicht möglich die potentielle Energie der schweren Masse "m" im Gravitationsfeld zu bestimmen. Damit ist es nicht möglich eine Aussage innerhalb des Systems 1 zu treffen, wieviel Energie ein vorhandener Energiespeicher zur Neutralisation von "m" leisten müsste. Jedes nur erdenkliche Experiment im System 1 kann keinen Erfolg auf Massenänderung haben. Aufgrund der Unbestimmtheit der Gravitationsenergie wird es unmöglich sein durch irgend einen Mechanismus im System 1 Antigravitation zu erzeugen.

Es ist bemerkenswert, dass allein die Tatsache des Informationsmangels, die Erhaltung der Schweren Ruhemasse bedingt. Eine Symmetriebetrachtung (Noether-Theorem) wird dazu nicht benötigt. Beim Noether-Theorem sollte für eine Erhaltungsgrösse ein Vorgang innerhalb des Systems 1 unabhängig von den äusseren Umständen sein. Das ist aber im obigen Fall gerade nicht gegeben. Hier haben wir den umgekehrten Fall. Zwei äussere verschiedene Konstellationen haben Einfluss auf die benötigte Energiemenge am Ort der Masse “m”.

3.2 Eigenschaft Elektrische Ladung

Ähnlich wie beim vorigen Beispiel verhält es sich mit der Elektrischen Punktladung. Im offenen System 1 befindet sich eine Punktladung, welche durch eine Aktion innerhalb des Systems 1 eliminiert werden soll. Außerhalb der Systemgrenzen befindet sich eine weitere Elektrische Punktladung. Durch zwei verschiedene Außenladungskonfigurationen mit verschiedener Ladungsstärke und dem dazugehörigen Abstand zur Innenladung wie in Kapitel 3.1 gezeigt, erhält man bei Kräftegleichheit der beiden Fälle am Ort der Ladung des Systems 1 verschiedene potentielle Energien. Auch hier gibt es innerhalb des offenen Systems eine Unbestimmtheit. Die elektrische Ladung des Systems 1 muss daher bei jeglicher Manipulation erhalten bleiben.

3.3 Erhaltung physikalischer Monopole

Wie Beispiel 3.1 und Beispiel 3.2 zeigen, wird bei Vorliegen eines physikalische Monopols innerhalb des Systems 1, eine Erhaltung dieser Eigenschaft gefordert. Dies ist auch in Übereinstimmung mit der Tatsache, dass Monopole niemals abgeschirmt werden können. Damit lassen sich alle physikalische Monopole, unabhängig von der Art der fundamentalen Wechselwirkung, zu einer charakteristischen Eigenschaft zusammenfassen.

3.4 Eigenschaft Trägheit

Die kinetische Energie und der Impuls der Trägen Masse sind innerhalb des offenen Systems unbekannt, da die Geschwindigkeit des Systems relativ zur Umgebung nicht messbar ist.  Ist die Geschwindigkeit des Systems 1 relativ zum System 2 grösser Null würde eine Veränderung des Betrags der Trägen Masse im System 1 eine Energie- und Impulssatzverletzung des Systems 2 bedeuten. Daher ist eine Vernichtung oder Erzeugung einer Trägen Masse innerhalb des Systems 1 nicht im Einklang mit dem Energie- und Impulssatz durchführbar. Die Träge Ruhemasse muss daher bei allen nur denkbaren Experimenten innerhalb des Systems 1 erhalten bleiben.

3.5 Eigenschaft Elektrischer Dipol

Am Beispiel des Elektrischen Dipols soll gezeigt werden, wie mit obiger Argumentation leicht gezeigt werden kann, dass die Eigenschaft “Elektrischer Dipol” keine Erhaltungsgröße ist. In Abbildung 3 befindet sich ein Dipol mit dem Dipolmoment “p” im System 1. Ausserhalb der offenen Grenze existiert eine Punktladung “Q-”, welche eine elektrische Feldstärke “E(r)” am Schwerpunkt des Dipols erzeugt. Sind alle physikalischen Größen erfassbar, welche zur Neutralisation des Dipols innerhalb des Systems 1 benötigt werden? Der Energieerhaltungssatz muss dabei eingehalten werden. Mit der Gleichung
Wpot = - p·E(r)·cos(φ) = - q·d·E(r)·cos(φ) für einen Dipol im Fernfeld einer elektrischen Punktladung erhält man die potentielle Energie[7] (r >> d, d ist der Abstand der Dipolladungen q+ und q- und φ der Orientierungswinkel). Alle benötigten physikalischen Größen sind innerhalb des Systems 1 messbar und damit die potentielle Energie vom Beobachter berechenbar. Der Dipol im System 1 kann somit innerhalb der offenen Grenze neutralisiert werden.

4. Zusammenfassung

Ohne Begriffe der Statistischen Physik, wie beispielsweise die Entropie in Anspruch zu nehmen, wird der Informationsbegriff in die fundamentale Physik von klassischen Vorgängen eingeführt.

Im untergeordneten offenen Teilsystem müssen bei jeder durchgeführten Aktion innerhalb dieses Teilsystems alle beteiligten Naturgesetze eingehalten werden. Ist das aus Sicht des Beobachters nicht möglich, kann der Vorgang nicht stattfinden, die physikalische Eigenschaft muss erhalten bleiben. Fehlt nur eine physikalische Größe innerhalb des offenen Systems, welche zur Umsetzung der Eigenschaftsänderung im Einklang mit den Naturgesetzen notwendig ist, wird der Vorgang nicht stattfinden können. Die vorliegende physikalische Eigenschaft ist in diesem Fall eine Erhaltungsgröße.

Das Noether-Theorem wird bei obiger logischer Folgerung nicht angewandt. Hier haben wir den umgekehrten Fall. Zwei verschiedene äussere Konstellationen “haben Einfluss” auf den vorliegenden Zustand der physikalischen Eigenschaft.

Im System 2 gibt es keinen Informationsmangel. Das obige Vorgehen funktioniert nur für ein offenes System mit eingeschränkter Information. Am Beispiel der elektrischen Ladung ist zu erkennen, dass die Energieerhaltung und der Informationsmangel im System 1 die Ladungserhaltung bedingt.

Aus den Betrachtungen ergab sich weiterhin, dass “Physikalische Monopole” grundsätzlich bei allen nur denkbaren Experimenten innerhalb des offenen Systems erhalten bleiben müssen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, unabhängig von der Art der fundamentalen Wechselwirkung, ein gemeinsames Eigenschaftsmerkmal einzuführen.

Autor

Prof. Dr. rer. nat. Egbert Jürgen Linnebach,

Frankfurt UAS

Kontakt

linnebach@fb2.fra-uas.de

Referenzen

[1] [http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/ursubstanz-des universums auf der suche nach                    dem wesen der information-a-631818.html]

[2] [www.h-j-mascheck.de/wollgast.pdf]

[3] [https://de.wikipedia.org/wiki/Entropie]

[4] [https://de.wikipedia.org/wiki/Information_(Physik)]

[5] [J. Honerkamp. Was können wir wissen? Springer Spektrum 2013.  
     DOI 10.1007/978-3-8274-3052-6]

[6] [K. Lin, S. L. Lin. Information Mechanics. ArXiv:1605.01673v4 [physics.gen-ph]10Nov2016]

[7] [https://lp.uni-goettingen.de/get/text/2104]

Abbildungen

Abb. 1:
Offenes System innerhalb eines abgeschlossenen physikalischen Systems

Abb. 2:
Begründung der Unbestimmtheit der potentiellen Energie innerhalb des offenen Systems für eine Schwere Ruhemasse “m”

Abb. 3:
Dem Beobachter sind zum Neutralisierungszeitpunkt des Dipols alle physikalische Größen bekannt, welche in die dabei beteiligten Gleichungen der Physik eingehen