Chaostheorie 2.0 - deterministisch chaotische Systeme in der Physik

antaris

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Mal eine Frage zur Tabelle 2.2 die erste Zeile.
https://www.zeuthen.desy.de/~kolanosk/astro0506/skripte/kosmos02.pdf

Eine Planck-Zeit nach dem Urknall war die Teilchenenergie 10^19 GeV (was einer Masse von ca. 2,176^-8 kg entspricht) auf die Compton-Wellenlänge von einer Planck-Länge verteilt? Es handelt sich um ein einzelnes Teilchen, aus dem sich unser gesamtes (heute) sichtbares Universum entwickelt hat?
Ich habe mal wieder viel nachgedacht, die letzten Wochen.:unsure:
Mir gehen zu obigen und anderen Themen etliche Fragen durch den Kopf und ich weiß gar nicht so recht wo ich anfangen, geschweige ob ich überhaupt fragen soll. Da ich es aber eh nicht lassen kann...
Zeit.png


  • Skizziert sind 2 Partikelwolken n und m mit jeweils 5 Partikel 1-5.
  • Beide Partikelwolken sind in die 3 Raumdimensionen x, y und z eingebettet.
  • Bis auf die beiden Partikelwolken ist der gesamte, durch x, y und z aufgespannte Raum frei von jeder Energie

1. Wenn bei diesem Bild über Freiheitsgrade gesprochen wird, so stellen die 3 Raumdimensionen die möglichen 3 Freiheitsgrade der Bewegung und Ausdehnung der Partikel(wolken) dar? Die einzelnen Partikel stellen wiederum jeweils eigene Freiheitsgrade im Raum dar?
Die Anzahl der Freiheitsgrade wäre (x+y+z) * (n_1...5 + m_1...5)?

2. Gesetzt den Fall alle Partikel würden sich zueinander mit Relativgeschwindigkeit Vrel = 0 bewegen, dann wäre es nicht möglich zu unterscheiden ob sich die Partikel insgesamt relativ zu den Raumdimensionen x, y und z, bzw. die Raumdimensionen sich relativ zu den Partikel(wolken) bewegen oder die Raumdimensionen und die Partikel(wolken) sogar zueinander in Ruhe stehen?
Wäre es möglich eine äußere Zeit zu definieren bzw. wird in diesem Zustand eine Zeitdimension benötigt, um selbigen zu beschreiben?
 

Bernhard

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1. Wenn bei diesem Bild über Freiheitsgrade gesprochen wird, so stellen die 3 Raumdimensionen die möglichen 3 Freiheitsgrade der Bewegung und Ausdehnung der Partikel(wolken) dar? Die einzelnen Partikel stellen wiederum jeweils eigene Freiheitsgrade im Raum dar?
Die Anzahl der Freiheitsgrade wäre (x+y+z) * (n_1...5 + m_1...5)?
Man kann die Anzahl der Freiheitsgrade exakt angeben, dh f = 3 * (5+5) = 30.
Ansonsten zwei Randbemerkungen: Du hast ein Linkssystem als Koordinatensystem verwendet. Das ist für kartesische Koordinaten unüblich.
Anstelle von Partikelwolke wäre Partikelmenge die bessere Bezeichnung, weil es sich um eine endliche und wohldefinierte Menge handelt.

2. Gesetzt den Fall alle Partikel würden sich zueinander mit Relativgeschwindigkeit Vrel = 0 bewegen, dann wäre es nicht möglich zu unterscheiden ob sich die Partikel insgesamt relativ zu den Raumdimensionen x, y und z, bzw. die Raumdimensionen sich relativ zu den Partikel(wolken) bewegen oder die Raumdimensionen und die Partikel(wolken) sogar zueinander in Ruhe stehen?
Wäre es möglich eine äußere Zeit zu definieren bzw. wird in diesem Zustand eine Zeitdimension benötigt, um selbigen zu beschreiben?
Im Rahmen der klassischen Mechanik kann man jedem Punkt eine absolute Geschwindigkeit zuordnen, sobald man dem System eine äußere, absolute Zeit t mitgibt.
 

antaris

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Man kann die Anzahl der Freiheitsgrade exakt angeben, dh f = 3 * (5+5) = 30.
Ansonsten zwei Randbemerkungen: Du hast ein Linkssystem als Koordinatensystem verwendet. Das ist für kartesische Koordinaten unüblich.
Anstelle von Partikelwolke wäre Partikelmenge die bessere Bezeichnung, weil es sich um eine endliche und wohldefinierte Menge handelt.
Ok, danke für die Hinweise. Ich werde das zukünftig versuchen zu beachten. Die wohldefinierte Menge besteht also nur aus ununterscheidbare Partikel?
Könnte man sagen, dass im obigen Beispiel die räumlichen Freiheitsgrade der Partikel in der Bewegung (wegen Vrel = 0) eingeschränkt sind?
Wie genau wird der Raum aus x, y, und z genannt?

Im Rahmen der klassischen Mechanik kann man jedem Punkt eine absolute Geschwindigkeit zuordnen, sobald man dem System eine äußere, absolute Zeit t mitgibt.
Das müsste aber von einem äußeren Beobachter erfolgen? Für die Partikel hat eine äußere Zeit keine Relevanz, da nur durch eine Relativbewegung Vrel < 0 zwischen den Partikeln eine Veränderung des Systems und somit ein zeitlicher Verlauf stattfindet?
 

Bernhard

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Die wohldefinierte Menge besteht also nur aus ununterscheidbare Partikel?
Innerhalb der klassischen Mechanik sind die Partikel auch unterscheidbar und dürfen numeriert werden. Newton et al. wussten noch nichts vom paulischen Ausschließungsprinzip.
Könnte man sagen, dass im obigen Beispiel die räumlichen Freiheitsgrade der Partikel in der Bewegung (wegen Vrel = 0) eingeschränkt sind?
Stimmt. Wenn für alle Partikel v_rel = 0 gilt, hat das System nur noch drei Freiheitsgrade, weil die Ortskoordinaten für jedes Partikel aus den Koordinaten eines einzelnen Partikels ableitbar sind. Alles jedoch nur in Rahmen der Gesetze der klassischen Mechanik.
Wie genau wird der Raum aus x, y, und z genannt?
Das ist üblicherweise ein dreidimensionaler euklidischer Raum.
Das müsste aber von einem äußeren Beobachter erfolgen?
In der klassischen Mechanik gibt es eine systemweite, absolute Zeit, die für jeden Punkt des Raumes den gleichen Wert hat.
 

antaris

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Innerhalb der klassischen Mechanik sind die Partikel auch unterscheidbar und dürfen numeriert werden. Newton et al. wussten noch nichts vom paulischen Ausschließungsprinzip.
Das kommt aber wiederum auch darauf an, wie exakt bzw. in welcher Auflösung gemessen wird?
In folgender Skizze wurde das Partikel n1 vergrößert und es zeigt sich, dass n1 wiederum aus 5 Partikel besteht.
Dieses Phänomen kann prinzipiell auch in der klassischen Physik beobachtet werden. Nichts anderes geschieht ja z.B. beim Blick durch ein Teleskop oder auch dem Mikroskop. Es ist nicht das selbe wie das paulische Ausschließungsprinzip aber vom Grundsatz her sehr ähnlich?
Mit dem bloßen Auge betrachtet ist die Andromeda Galaxie nur ein Nebel aber mittels Teleskop lassen sich die einzelnen Sterne immer besser unterscheiden, jehöher die Auflösung ist.

Zeit-2.png

Stimmt. Wenn für alle Partikel v_rel = 0 gilt, hat das System nur noch drei Freiheitsgrade, weil die Ortskoordinaten für jedes Partikel aus den Koordinaten eines einzelnen Partikels ableitbar sind. Alles jedoch nur in Rahmen der Gesetze der klassischen Mechanik.
Dann beziehen sich die 3 Raumdimensionen dann nur noch rein auf die räumliche Ausdehnung der Partikel?
Wenn nun also die Anzahl der Freihheitsgrade gleich die Anzahl der Dimensionen sind, was sind dann die eingeschränkten Freiheitsgrade für Dimensionen?
Würden sich alle Partikel gleichförmig in Richtung X bewegen, wäre die Anzahl der Freiheitsgrade und der Dimensionen der Partikel dann 1/6 (eine von insgesamt 6 möglichen Richtungen)? Das müsste doch im Umkehrschluss so sein, wenn bei absoluter Ruhe die Freiheitsgrade der Partikel null sind?

Das ist üblicherweise ein dreidimensionaler euklidischer Raum.
Gut er ist also immer ganzahlig dreidimensional. Ist dieser euklidische Raum als Hausdorff-Dimension beschreibbar und wäre die Partikelmenge n1 aus dem Beispiel eine vererbte Hausdorff-Dimension aus dem übergeordneten dreidimensionalen Raum? Letztendlich sind ja die Bewegungen und damit die Freiheitsgrade der einzelnen Partikel aus der Menge n1, durch die räumliche Ausdehnung von n1 selbst eingeschränkt.
In der klassischen Mechanik gibt es eine systemweite, absolute Zeit, die für jeden Punkt des Raumes den gleichen Wert hat.
So entspricht dieser Fall also der Zeitinvarianz. Man könnte auch sagen die äußere Zeit ist gleich der Eigenzeit der Partikel? Das schließt aber die Invarianz der Lichtgeschwindigkeit nicht aus?
Wenn wir über die nicht-klassische Mechanik sprechen, dann geht es umt die RT's, um die QM oder beides?
Könnte es alternativ dazu sinnvoll sein, die Physik in ART, QM und Thermodynamik aufzuteilen?
 

antaris

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Der euklidische Raum mit n Dimensionen hat auch n Hausdorff-Dimensionen, wobei n eine natürliche Zahl ohne die Null ist.
Mit n-Dimensionen als natürliche Zahl sind aber nur die maximalen Freiheitsgrade in der Ausdehnung und Bewegung, sowie die einzelnen im Raum befindlichen Energien (Partikelanzahl) eingeschlossen? Genau genommen kann ja die Energie der einzelnen Partikel zusammengefasst als eine einzige Energie betrachtet werden. Dann wären die Dimensionen der Partikel eine Teilmenge dieser zusammengefassten Gesamtenergie und nicht ganzzahlig.

Eine Strecke im Raum ist ganzzahlig D=1, da sie endlich ist aber im obigen Beispiel wurden Geraden als Achsen eingezeichnet, mittels denen erstmal keine Skala definiert wurde. So kann die Skizze nur einem Ausschnitt, eines topologisch übergeordneten euklidischen Raum zugeordnet werden und die dargestellten Raumdimensionen, im Bezug zum übergeordneten Raum, können nicht ganzzahlig sein.
Sollte dieser übergeordnete Raum unendlich sein, sich der Unendlichkeit annähern oder eine ungenau bekannte bzw. unbekannte maximale räumliche Ausdehnung haben, so kann nicht, wie bei der Einheitsstrecke, das Größte Maß zur Festlegung einer Skala der einzelnen Raumdimensionen herangezogen werden.
 

antaris

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Kann ich mich darauf verlassen, dass man mir hier mitteilt, wenn irgendeine getätigte Aussage im grundsätzlichen Widerspruch zum etablierten physikalischen Verständnis steht? Meine Fragen sind nur zum Teil Verstandnisfragen. Mein eigentliches Ziel ist es, das aktuelle Bild in meinem Kopf zu prüfen.


Mit n-Dimensionen als natürliche Zahl sind aber nur die maximalen Freiheitsgrade in der Ausdehnung und Bewegung, sowie die einzelnen im Raum befindlichen Energien (Partikelanzahl) eingeschlossen?

Dazu mal kurz der erste Absatz aus Wikipedia:

Die Hausdorff-Dimension
Die Hausdorff-Dimension wurde von Felix Hausdorff eingeführt und bietet die Möglichkeit, beliebigen metrischen Räumen eine Dimension zuzuordnen. Für einfache geometrische Objekte wie Strecken, Vielecke, Quader und Ähnliches stimmt ihr Wert mit dem des gewöhnlichen Dimensionsbegriffes überein. Im Allgemeinen ist ihr Zahlenwert jedoch nicht unbedingt eine natürliche Zahl, sondern kann auch eine rationale oder eine irrationale Zahl sein, wie beispielsweise bei der Anwendung als fraktale Dimension.

Demenstprechend ist es möglich, im skizzierten Bild mit den Partikelmengen, dem Raum grundsätzlich, jederzeit und überall "irgendein" Raster (z.B.. mittels Würfel = Koordinatensystem) und den 3 Raumdimensionen somit je eine Längenskala (Ortsvektoren) zuzuordnen. Damit können dann die Partikel z.B. "standardisiert" in ihren Ausdehnungen und Bewegungen vermessen werden.

Nun haben wir ja festgestellt, dass in einem ruhenden System bei Vrel = 0, die Freiheitsgrade der Partikel derart eingeschränkt sind, dass die gesamten Freiheitsgrade der Bewegung "verschwinden". Offensichtlich verschwinden dadurch aber nicht die Partikel selbst und so müsste es, neben den Freiheitsgraden der Bewegung, auch Freiheitsgrade der Ausdehnung geben. Es könnte ja trotz des ruhendem System sein, dass sich 2 Partikel so weit nahe kommen, dass sie auch ohne eine relative Bewegung zueinander Wechselwirkungen eingehen. Es könnte sich auch um unterschiedliche Partikel, mit jeweils verschiedenen physikalischen Eigenschaften handeln. Die Wechsewirkungen der Partikel untereinander, hängen dann von ihren Freiheitsgraden der Ausdehnung ab.

Als Beispiel und mit Blick auf die stabilen Elementarteilchen wechselwirken die extrem massearmen Neutrinos nur schwach und die viel massereicheren Protonen (im Vergleich zu den Neutrinos) schwach, elektromagnetisch und stark.

Die oben angesprochene Topologie des euklidischen Raums bzw. dessen Hausdorff-Dimensionen hat somit nicht nur eine rein strukturelle Bedeutung. Vielmehr sind die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln, durch deren spezifische Ausdehnung im Raum, genau dieser Topologie zuzuordnen.
 

Bernhard

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Kann ich mich darauf verlassen, dass man mir hier mitteilt, wenn irgendeine getätigte Aussage im grundsätzlichen Widerspruch zum etablierten physikalischen Verständnis steht?
Wenn du entsprechend viel Zeit mitbringst mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit.

Das Forum ist keine Schule, sondern vielmehr als Privatveranstaltung zu interpretieren, eher wie ein Cafe halt. Es gibt hier auch keine Prüfungen ....
 

antaris

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Wenn du entsprechend viel Zeit mitbringst mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit.
An Zeit soll es nicht mangeln. Ich denke aber es würde nicht lange Zeit dauern, die bisherigen und noch folgenden Aussagen als widersprüchlich zu entlarven.
Das Forum ist keine Schule, sondern vielmehr als Privatveranstaltung zu interpretieren, eher wie ein Cafe halt. Es gibt hier auch keine Prüfungen ....
Das ist auch vollkommen ok so.
Die wichtigsten Fragen, die ich hatte sind im Grunde schon beantwortet.
Wir können das hier also nun auch so machen, dass ich meinen Standpunkt in kleinen Schritten darlege. Eine Antwort auf jede Aussage ist nicht nötig, solange sie neben nicht im Widerspruch steht. Ich werde auch keine ellenlangen Texte schreiben.

In diesem Cafe sitzen wir beide an einem Tisch aber ich sehe noch anderen Tischen "mithörende", deren Meinungen ebenso geschätzt sind, wie deine. Du kennst meine Ansichten und ich will dich damit gar nicht nerven aber insgesamt und für die "mithörenden" ist es vielleicht hilfreich, wenn ich mich in dieser Form durch die Thematik hangel.
 

antaris

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Ich fasse das bis hier mal kurz zusammen und ergänze ein wenig.

1. Der euklidische dreidimensionale Raum
  1. besteht aus 3*n-Hausdorff-Dimensionen. Jeder Partikel eines physikalischen Systems entspricht je einer n-ten Hausdorff-Dimension, welche wiederum die 3 Raumdimensionen des jeweils übergeordneten Raum erben und weitervererben.
  2. der euklidische Raum ist ein topologischer Raum, denn er ist an jedem Punkt nulldimensional. Je höher aufgelöst ein Raumausschnitt betrachtet wird, umso gebrochener und kleiner ist die Dimension des Ausschnitts, im Bezug zum Ursprungs-Raumausschnitt- Der dreidimensionale Raum nähert sich stetig an jedem Punkt der Dimension null an.
  3. Im physikalischn Universum ist der kleinste Punkt auf eine Kugel mit dem Radius einer Planck-Länge begrenzt, was der Hausdorff-Dimension null entspricht
  4. Die Freiheitsgrade in der Bewegung und der Ausdehnung der Partikel entsprechen den 3*n Hausdorff-Dimensionen des euklidischen Raums und müssen getrennt voneinander betrachtet werden. Durch verschiedene räumliche Ausdehnungen der Partikel können sich physikalische Eigenschaften unterscheiden bzw. als unterschiedliche Wechselwirkungen in Erscheinung treten
  5. Eine gebrochene Hausdorff-Dimension ist äquivalent zu einem eingeschränkten Freiheitsgrad eines Partikels in einer Bewegung und/oder seiner Ausdehnung. Jedem Raumausschnitt kann eine dreidimensionale Skala, z.B. mittels eines Würfels, zugeordnet werden. Unregelmäßige Körper oder Partikel innerhalb dieser Skala haben jedoch immer gebrochene Hausdorff-Dimensionen in ihrer Ausdehnung.
2. Die Zeit
  1. In der klassischen Mechanik kann jedem Punkt eines annähernd ruhenden Systems im euklidischen Raum eine absolute und invariante Zeit zugeordnet werden. Der gesamte Raum stellt näherungsweise ein einziges Bezugssystem dar.
  2. Sobald ein System außer Ruhe gerät, also mindestens ein Partikel sich mit Vrel > 0 im Bezug zu den restlichen Partikeln bewegt, verändern sich relativ zueinander die jeweiligen Eigenzeiten. Bewegt sich der Partikel vom Punkt A nach B, so stellt es ein eigenes, zu sich in Ruhe stehendes Bezugsystem dar. Es bewegt sich relativ zu dem ruhenden Bezugssystem der restlichen Partikel. Stoppt die Bewegung und das gesamte System ist erneut in Ruhe, so gleichen sich die Eigenzeiten wieder zu einer absoluten und invarianten Zeit an.
  3. In einem System absoluter Ruhe würde ein äußerer Beobachter, der die Partikel nach der Bewegung von Punkt A nach B sieht, niemals auf den Ausgangszustand vor der Bewegung schließen können, da die absolute Zeit und damit der Determinismus zum Stillstand gekommen sind. Das trifft selbst dann zu, wenn sich alle Partikel gemeinsam mit einer absoluten Geschwindigkeit bewegen.
  4. In der relativistischen Mechanik verschwimmt das Bild der absoluten Zeit immer mehr zur Invarianz der Lichtgeschwindigkeit, je weiter sich Vrel der Lichtgeschwindigkeit annähert: (SRT)
 

antaris

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Der euklidische Raum hat n-Hausdorff-Dimensionen und beim dreidimensionalen Raum ist n=3 (nicht 3*n-Hausdorff-Dimensionen).
Ansonsten ist n eine natürliche Zahl das ist auch richtig, falls du das meinst. Das bedeutet aber nicht, dass die Hausdorff-Dimensionen natürliche Zahlen sind. Ob die natürlichen Zahlen die 0 enthalten oder nicht ist nicht festgelegt.
Bei mir ist das Portemonaie zumindest leer, wenn keine Münze drin ist.
 
Zuletzt bearbeitet:

antaris

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Ansonsten ist n eine natürliche Zahl das ist auch richtig, falls du das meinst. Das bedeutet aber nicht, dass die Hausdorff-Dimensionen natürliche Zahlen sind.

Im gleichen Wikipedia Artikel:
For shapes that are smooth, or shapes with a small number of corners, the shapes of traditional geometry and science, the Hausdorff dimension is an integer agreeing with the topological dimension. But Benoit Mandelbrot observed that fractals, sets with noninteger Hausdorff dimensions, are found everywhere in nature. He observed that the proper idealization of most rough shapes you see around you is not in terms of smooth idealized shapes, but in terms of fractal idealized shapes:


Clouds are not spheres, mountains are not cones, coastlines are not circles, and bark is not smooth, nor does lightning travel in a straight line.
 

antaris

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Punkt 2: Der euklidische Raum mit n Dimensionen hat die Hausdoff-Dimension n.
Wenn ich mich falsch ausgedrückt habe, dann übernehme ich gerne aus Wikipedia.
Der euklidische Raum mit 3 Dimensionen x, y und z, hat die Hausdorff-Dimension 3.

Ein R^2 Raum hat dann entsprechend die Hausdorff-Dimension 2.
Eine Strecke auf einer Ebene stellt ein R^1 Raum mit Hausdorff-Dimension 1 in der R^2 Ebene mit Hausdorff-Dimension 2 dar
Eine unregelmäßige Kurve oder "zick-zack" Linie auf der R^2 Ebene kann aber nicht mehr mittels eines R^1 Raum beschrieben werden. Das bedeutet, dass die ganzzahligen Freiheitsgrade des euklidischen Raums einen Grenzfall der Hausdorff-Dimensionen darstellen. Denn mittels Hausdorff-Dimensionen und fraktaler Geometrie kann jeder Struktur eine Dimension im euklidischen R^n Raum zugeordnet werden.
 
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