Natur: Materie

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 Goethe
„Daß ich erkenne, was die Welt Im Innersten zusammenhält,“

Quelle:  Faust_I

Einleitung

Die Welt besteht aus Materie (Stoff) und Energie (Strahlung). Diese beiden können vielfältige geordnete und zufällige Formen (Strukturen) aufweisen. Sie können unter bestimmten Voraussetzungen auch ineinander umgewandelt werden.

Eine unbeantwortete Frage ist, ob die Struktur (Information) nur eine Eigenschaft von Materie und Energie ist, oder ob sie eine eigenständige Grundsubstanz ist. Die derzeitig gängige Lehrmeinung sieht in der Information keine eigenständige Substanz.

Dunkle Materie, dunkle Energie

Derzeitige Vorstellung der Zusammensetzung des Weltraumes

• Dunkle Materie: 26,8 Prozent
• Gewöhnliche Materie: 4,9 Prozent
• Dunkle Energie: 68,3 Prozent

Siehe auch  Dunkle Materie,  Dunkle Energie

Was ist Materie?

 Materie ist eine allgemeine Bezeichnung für alles Stoffliche, was uns umgibt und aus dem wir selbst bestehen.

Physikalisch

Im physikalischen Sinne ist Materie alles, was eine von Null verschiedene  Ruhemasse besitzt. Die definierenden Eigenschaften von Materie sind ihre  Masse, der Raumbedarf, die  Struktur und die innere  Thermische Energie. Unter Materie im weiteren physikalischen Sinne werden sowohl Materie im engeren Sinne wie auch  Antimaterie zusammengefasst.

Eigenschaften von Materie

Materie hat einige wichtige Eigenschaften:

•  Masse
•  Volumen
•  Struktur
•  Stoffmenge
•  Wärmeenergie

Quarzkristall, ein Stück fester Materie

Aggregatzustände

Es gibt mehrere Erscheinungsformen ( Aggregatzustände) der Materie, beispielsweise:

• fest
• flüssig
• gasförmig
•  Plasma
•  Bose-Einstein-Kondensat
•  Fermionen-Kondensat

Wenn Materie von einem Aggregatzustand in den anderen übergeht, dann wird die innere  Ordnung der Materie stark verändert. Die Entropie kann sich dabei auch bei gleich bleibender Temperatur stark verändern. Die Entropie ist dabei ein Maß für die Zufallsstruktur der Materieteilchen.

Gif Dateien der verschiedenen Aggregatzustände

Keine Materie

• Elektromagnetische Strahlung zählt man genau wie alle anderen (ruhemasselosen)  Bosonen nicht zur Materie im engeren Sinne.
• Mathematische Konzepte wie Punkt, Gerade, Ebene sind materielos.
•  Vakuum enthält wenig oder keine Materie.

Entstehung der Materie

Nach dem derzeitigen  kosmologischen Standardmodell wurden beim Urknall große Energiemengen freigesetzt.

Diese gewaltigen Energiemengen führten zur Entstehung großer Mengen an dicht gepackten Elementarteilchen. In der so genannten Hadronen-Ära zwischen 10^-32 und 10^-4 Sekunden nach dem Urknall entstanden die ersten stabilen  Protonen und  Neutronen.

In der so genannten Leptonen-Ära darauf bis zur 1. Sekunde nach dem Urknall, entstanden die ersten stabilen  Elektronen. Bis in diese Zeit vernichteten sich Materie und  Antimaterie gegenseitig. Letztlich blieb die Materie zurück. Warum nur die Materie übrigblieb und nicht die Antimaterie ist ungeklärt.

In der folgenden Strahlungs-Ära entstanden  Wasserstoff ,  Deuterium und  Tritium.

Etwa eine Million Jahre nach dem Urknall begann die heutige Materie-Ära. Die Wasserstoffwolken bildeten  Galaxien und Sterne, und in jenen fusionierte der Wasserstoff zu  Helium und weiter bis zum Kohlenstoff und Eisen, den in unserem Universum verbreitetsten chemischen Elementen.

Man vermutet, dass durch die Kollision von  Neutronensternen, aber insbesondere auch in  Supernovae die schwereren, selteneren Elemente entstanden sind, wie beispielsweise Gold, Blei und Uran.

Erweiterung des Begriffes Materie

Mit der Entwicklung der Speziellen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik stellte Albert Einstein die bekannte Formel

$E=mc^{2}\ ({\textrm {Energie}}={\textrm {Masse}}\times {\textrm {Lichtgeschwindigkeit}}^{2})\,$

auf. Hierdurch kann man auch elektromagnetischer Strahlung (Licht, Wärmestrahlen etc) eine 'dynamische' Masse zuordnen. Daher wird die Bedingung, dass Materie Masse haben muss, durch die Bedingung, dass Materie Ruhemasse haben muss, ersetzt.

Umgekehrt haben auch massive Materieteilchen Welleneigenschaften (siehe Theorie der  Materiewellen von  Louis Victor de Broglie). Das bedeutet, dass die Teilchen nicht mehr genau lokalisiert werden können. Stattdessen lässt sich jedoch eine Aussage über die Aufenthaltswahrscheinlichkeit machen.

Materie besteht aus Atomen, die aus  Fermionen aufgebaut sind. Zu den Fermionen zählen

• das Elektron,
• das Proton und
• das Neutron,

wobei Proton und Neutron für sich wieder aus  Quarks (Dreikäsehoch) aufgebaut sind.

Philosophisch

Immanuel Kant, Gebt mir Materie, ich will eine Welt daraus bauen

Der Begriff der Materie ist ein zentraler Begriff der Philosophie. Was Materie eigentlich ist, darüber wird seit den Anfängen der Philosophie kontrovers diskutiert. Diese Diskussion ist heute völlig abgeflaut, da die Physik und Chemie sehr erfolgreich den Begriff übernommen und teilweise geklärt haben. Dagegen ist die philosophische Diskussion über den  Geist-Materie Gegensatz auch heute noch recht heftig.

Antike

Nach den griechischen  Vorsokratikern waren die Bausteine der Wirklichkeit die 4 'Elemente':

• Feuer,
• Wasser,
• Luft oder
• Erde.

Diese  Vierelemente Lehre ist heute überholt und nur noch von historischem Interesse.

Mittelalter

Im Mittelalter stützt sich die  scholastische Lehre der Materie auf die Grundbegriffe des  Aristoteles und baut diese aus. Ausgangspunkt bildet das Problem des Werdens. Um dieses zu erklären bedarf es eines bleibenden und eines verändernden Teils. Der bleibende Teil ist die Materie (auch Stoff genannt). Der verändernde Teil ist die immaterielle Form (forma).

Neuzeit

Nach  Kant hat Materie vor allem 2 Eigenschaften: Ausdehnung und Masse. Es handle sich bei Materie

• um einen verstehbaren Begriff, der Raum (Ausdehnung) impliziert, und
• um eine begreifbare Anschauung, in der dem Raum die Masse hinzugekommen ist.

Der Materialist Karl Marx

Materie als philosophische Kategorie wird von den  Marxisten-Leninisten nicht durch die Aufzählung physikalischer Eigenschaften definiert, sondern durch die Formulierung des Gegensatzes zum Bewusstsein. Materie in diesem philosophischen Sinn umfasst also alles, was unabhängig vom Bewusstsein existiert.

Die philosophische Lehre, nach der die gesamte Wirklichkeit materiell aufgebaut und demgemäß rein materiell verstanden werden kann, ist der  Materialismus. Sie war vor allem im 19.Jahrhundert populär.

Von den meisten Naturwissenschaftlern wird heute ein informierter Materialismus vertreten, d.h die Welt besteht aus Materie (und Energie). In der Struktur der Materie stecken alle ihre auch geistigen Möglichkeiten. Ob es eine eigenständige Grundsubstanz der Struktur und des Geistes, die Information, gibt, ist bislang nicht klar.

 Norbert Wiener, der Begründer der  Kybernetik , meinte dazu: Information ist Information, weder Materie noch Energie. Kein Materialismus, der dies nicht berücksichtigt, kann heute überleben.

Siehe auch

•  Aufbau der Materie
•  Dunkle Materie
•  Feststoff,  Flüssigkeit,  Gase,  Plasma (Physik),  Kristall
•  chemische Verbindung,  Lösung (Chemie),  Gemisch

Was ist Energie?

 Richard Feynman
„It is important to realize that in physics today, we have no knowledge of what energy is. Es ist wichtig zu erkennen, daß wir in der heutigen Physik keine Kenntnis darüber haben, was Energie eigentlich ist.“

Quelle: The Feynman Lectures on Physics Vol I, p 4-1

Energie in einer Plasmalampe

 Energie ist einer der wichtigsten Begriffe in der heutigen Physik. Gleichzeitig sind die Vorstellungen über das Wesen der Energie sehr spärlich. Im wesentlichen gibt es drei Grundgedanken:

• Die Energie als elektromagnetische Strahlung
• Die Energie als kinetische Bewegung
• Die Energie gespeichert als potentielle Energie

Energie im Alltag

Der Mensch braucht Energie vor allem

• zur Ernährung
• zur Fortbewegung
• zum Betrieb von Maschinen
• für Heizung und Kühlung
• zur Beleuchtung
• zur Informationsverarbeitung

Energie ist vergleichbar mit dem Geld in der Wirtschaft. Jeder braucht und verwendet es. Hat man viel davon ist man reich. Man kann aber auch mit ziemlich wenig auskommen, wenn man bescheiden lebt. Es gibt verschiedene Energiewährungen (Energieformen), die teilweise und oft mit Verlust ineinander umtauschbar sind. Man kann Energie speichern, so wie man Geld sparen kann. Ein Naturgesetz sorgt dafür, daß die Energie insgesamt konstant bleibt. Beim Geld ist es die Notenbank, die den Wert des Geldes erhält. Es gibt sehr hochwertige Energieformen, wie beispielsweise Methan und es gibt Energie, die kaum nutzbar ist, wie beispielsweise Abwärme. Ähnlich gibt es schnell verfügbares Geld, aber auch gebundene Geldwerte, die kaum nutzbar sind.

Viele Alltagsbegriffe zum Thema Energie sind aus physikalischer Sicht unscharf formuliert. Der Begriff Energienutzung bezieht sich auf die Umwandlung von einer Energieform in eine andere Energieform. Eine Energieerzeugung ist aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht möglich. Das gleiche gilt für Energieverbrauch, Energieverschwendung, Energiesparen und Energieverlust. In der Umgangssprache werden diese Worte oft mit moralischer Wertung für die Energieumwandlung verwendet. Weiterhin ist es nicht möglich, die Energieformen beliebig ineinander umzuwandeln. Insbesondere ist es unmöglich, dass ein System seine Wärmeenergie komplett als Arbeit abgibt. Trotzdem macht die Verwendung dieser Begriffe einen gewissen Sinn, da sie den unterschiedlichen menschlichen Gebrauchswert widerspiegelt.

Energie als eigenständige Substanz ?

Das elektromagnetische Spektrum

Als eigenständige Substanz kann man sich Energie noch am ehesten in der elektromagnetischen Strahlung wie z.B. dem  Licht vorstellen. Energie tritt hier als elektromagnetische Welle oder auch als kleines Energiepaket, den sogenannten Photonen, in Erscheinung. Im Gegensatz zu allen anderen Energieformen, die an Materie gebunden sind, hat die Energie in der elektromagnetischen Strahlung einige besondere Eigenschaften:

• Sie bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit. Materie kann das nicht.
• Sie hat keine Ruhemasse.
• Es gibt hier keine potentielle Energie wie bei den anderen Energieformen.

Da die Energie, die in der elektromagnetischen Strahlung steckt, sich gravierend von den anderen ( materiegebundenen) Energieformen unterscheidet, wird sie im folgenden nur kurz als Strahlungsenergie bezeichnet.

Neben der Energie hat die elektromagnetische Strahlung aber auch noch andere Eigenschaften:

• Impuls,
• Drehimpuls
• Entropie.

Insofern kann man sie auch nicht als die reine Energie ansehen, wie sie beispielweise von den Energetikern des 19 Jahrhunderts angesehen wurde.

Quelle Physikalische Energetiker - Energetismus

• Ostwald, W.: Die Energie. – Verlag Johann Ambrosius Barth, Leipzig, 1908, S. 5.

Strahlungsenergie gab es vor der Materie

Im Standardmodell der Astronomie gab es nach dem Urknall eine kurze Phase in der es nur Strahlung , aber noch keine Materie gab. Erst nach Expansion und Abkühlung der Strahlung bildeten sich die ersten Materieteilchen. Bis etwa 10000 Jahre nach dem Urknall war die elektromagnetische Strahlung für den Hauptanteil der Energiedichte verantwortlich. Durch die Expansion und den Temperaturrückgang ging die Energiedichte aber ständig weiter zurück, wohingegen die Energiedichte der Materie aufgrund ihrer kondensierten Ruhemasse deutlich langsamer abnahm. So wurde die Materie gegenüber der Strahlung vorherrschend.

Elektromagnetische Strahlung wird Materie und umgekehrt

Es ist erstaunlich, daß sich elektromagnetische Strahlung zu Materie umwandeln kann, wie dies beispielsweise bei der  Paarbildung geschieht. Ein Photon wandelt sich hierbei in ein  Elektron und ein  Positron um.

Umgekehrt kann sich aber auch Materie unter bestimmten Bedingungen in Photonen umwandeln, wie dies beispielsweise bei der Fusion von Wasserstoff zu Helium in der Sonne geschieht. Der dabei auftretende  Massendefekt wird größtenteils in Strahlungsenergie umgewandelt. Ein anderes Beispiel ist die Kollision eines Positrons mit einem Elektron. Es resultiert wieder ein Photon. Die beiden Materie- und Antimaterieteilchen haben sich wieder in elektromagnetische Strahlung zurückverwandelt.

Strahlungsenergie wird materiegebundene Energie und umgekehrt

Außerdem kann elektromagnetische Strahlung und die darin enthaltenen Energiepakete unter bestimmten Bedingungen in materiegebundene Energieformen wie z.B. elektrischen Strom umgewandelt werden. Man nennt dies den  photoelektrischen Effekt. Umgekehrt kann materiegebundene Energie in Strahlungsenergie umgewandelt werden, wie dies beispielsweise jede Lampe oder die Röntgenröhre zeigt.

Energie bleibt erhalten

Es gibt einen sehr wichtigen Erhaltungssatz der Energie, dem eine universelle Gültigkeit zugeschrieben wird und der viele Berechnungen in der Physik erstaunlich vereinfacht und befruchtet hat. Dass dieser Satz universell gültig ist, ist dabei natürlich eine unzulässige Verallgemeinerung eines Naturgesetzes. An den Grenzen unseres Wissens können wir nicht wissen, ob der Energieerhaltungssatz gültig bleibt. Abgesehen von diesem Kritikpunkt, kann man sonst nur staunen wie erfolgreich sich dieser Satz behauptet und bewährt hat.

In jedem Teilgebiet der Physik gibt es verschiedene Formen der Energie, die sich oft ineinander umwandeln lassen. Jedes Teilgebiet der Physik hat eigene Rechenvorschriften entwickelt, die es erlauben die Energie in diesem Teilgebiet zu berechnen.

Energieträger

Man kann einige physikalischen Grundgrößen auch als Energieträger ansehen. Energie braucht zu ihrem Transport immer einen solchen Träger.

Energieträger      Einheit  Beladungsmass           Einheit          Anwendung  
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Masse              kg       Gravitationspotenzial   J/kg             Bergbach, Pumpspeicherwerk  
Volumen            m3       Druck                   Pa               Wasserleitung, Hydraulik, Blutkreislauf  
elektrische Ladung As       elektrisches Potenzial  J/C = W/A = V    elektrisches Netzwerk, Oberleitung  
Impuls             Ns       Geschwindigkeit         m/s = W/N        Riementrieb, Velokette, Seilwinde  
Drehimpuls         Nms      Winkelgeschwindigkeit   1/s = W/Nm       Riemenscheibe, Antriebswelle  
Entropie           J/K      Temperatur              K                Wärmeleitung, Wärmetauscher  
Stoffmenge         mol      chemisches Potenzial    J/mol            Brennstoffzelle

Gibbsches Fundamentalformel

Viele Energieformeln lassen sich in der Gibbschen Fundamentalformel zusammenfassen:

Jede Energieänderung (Energieströmung,Energiefluss, Energietransport) dE eines Systems ist verbunden mit der Änderung, Strömung, dem Fluss, Transport, mindestens einer anderen mengenartigen Größe dX.

dE lässt sich schreiben als Summe:

dE = ϕ * dQ + T * dS + μ * dn + p * dV + F * dr + v * dp + ω * d L + 
     gh * dm + M * d α + σ * dA + ...

Diese Formel nennt man  Gibbssche Fundamentalform.

Tabelle der verschiedenen Energieformen in der Gibbsschen Formel

Name                extensive Größe         intensive Größe          dE = ξ * dX
---------------------------------------------------------------------------------
elektrische Energie Q elektrische Ladung    ϕ elektrisches Potenzial dE = ϕ * dQ
Wärmeenergie        S Entropie              T Temperatur             dE = T * dS
chemische Energie   n Stoffmenge            μ chemisches Potenzial   dE = μ * dn
Kompressionsenergie V Volumen               p Druck                  dE = p * dV
Verschiebungsenerg. r Verschiebung          F Kraft                  dE = F * dr
kinetische Energie  p Impuls                v Geschwindigkeit        dE = v * dp
Rotationsenergie    L Drehimpuls            ω Winkelgeschwindigkeit  dE = ω * dL
potenzielle Energie m Masse                 gh Gravitationspotenzial dE = gh * dm
Drillenergie        α Verdrehung            M Drehmoment             dE = M * dα
Oberflächenenergie  A Fläche                σ Oberflächenspannung    dE = σ * dA

Ein paar wichtige Sätze zum Verständnis des Begriffes Energie

1. Energie ist eine Eigenschaft von physikalischen Systemen (man sagt: ein System "enthält" Energie). Ein physikalisches System ist dabei ein sehr allgemeiner Begriff. Ein solches System kann ein Atom sein. Es kann auch ein Stern sein. Die Teile eines Systems müssen in irgendeiner physikalischen Art zusammengehören, dann ist der Begriff System korrekt.Ein Sternbild ist beispielsweise kein System, da es nur für den Betrachter von der Erde zusammenhängt, physikalisch aber weitgehend getrennt ist.

2. Energie ist eine extensive Größe, d.h. wenn man mehrere Systeme gedanklich zu einem vereinigt, so addiert sich die Energie. Die Energie der vereinigten Systeme ist gleich der Summe der Energien der Teilsysteme. Wenn ich also die Energie kenne, die in einem Liter Benzin steckt, und will wissen wieviel Energie in zwei Litern steckt, brauche ich den ersten Wert nur mal 2 nehmen.

3. Die Energie eines Systems ist oft messbar, berechenbar oder abschätzbar. Sie wird in Joule gemessen. Joule ist im SI-System eine aus kg, m und s abgeleitete Einheit.

1 Joule = 1 kg * m * m / s / s = 1 kg * m2 / s2
1 Joule = 1 Kilogramm mal Meter im Quadrat durch Sekunden im Quadrat  
1 Joule = 1 Nm = 1 Newton * Meter = 1 Ws = 1 Watt * Sekunde  

3.1 Energie ist eine skalare Größe, d.h sie hat nur einen Wert und eine Einheit, aber keine Richtung. Die Kraft hat dagegen zusätzlich eine Richtung, ist also eine vektorielle Größe.

4. Energie kann von einem zu einem anderen System fließen. Dabei reduziert sich die Energie des abgebenden Systems (Quelle des Energieflusses) um genau die Energiemenge, um die sich die Energie des aufnehmenden Systems (Ziel des Energieflusses) erhöht.

5. Aus (4) folgt insbesondere, dass sich die Energie eines Systems, sofern diesem keine Energie zufließt und von diesem auch keine Energie abfließt, nicht verändert (Energieerhaltungssatz).

6. Ein System, dem weder Energie zu- noch abfließt, nennt man geschlossenes System.

7. Direkt messbar sind nur Energieflüsse bzw. Energiedifferenzen. Der gesamte Energieinhalt eines Systems ist nicht direkt messbar.

8. Innerhalb eines geschlossenen Systems kann Energie in verschiedenen Energieformen auftreten. Die Summe der Einzelenergien über alle Energieformen innerhalb eines geschlossenen Systems ändert sich mit der Zeit nicht. Es kann sich aber Energie von einer Energieform in eine andere umwandeln.

9. Die fundamentalen Energieformen sind:

• 9.1. Energie der ruhenden Masse (E = m * c^2)
• 9.2. Kinetische Energie (Energie der bewegten Masse, diese hängt von der Geschwindigkeit des Beobachters ab (!))
• 9.3. Gravitationsenergie
• 9.4. Elektromagnetische Energie (E = h * ny)
• 9.5. Kernenergie

Chemische Energie ist von der elektromagnetischen Energie abgeleitet.

Thermische Energie ist von der kinetischen und von der elektomagnetischen Energie abgeleitet

Wärme ist eine sehr unordentliche Energieform mit hoher Entropie.

10. Bei der Beschreibung physikalischer Phänomene betrachtet man nur diejenigen Energieformen, die von dem Phänomen betroffen sind. Beispielsweise bleibt bei der Umwandlung von potentieller in kinetische Energie im Rahmen des klassischen Mechanik die chemische Energie, die Kernenergie und die Energie der ruhenden Masse außer Betracht, weil diese sich nicht ändern.

Weitere Vorstellungen vom Begriff der Energie

In vielen Lehrbüchern ist zu lesen: Energie ist die Fähigkeit Arbeit zu verrichten.

Das beschreibt den Begriff Energie nur teilweise. Ferner ist es unglücklich den Begriff "Energie" auf den Begriff "Arbeit" zu stützen.

Energie ist die Voraussetzung für das Geschehen. Immer wenn etwas passiert, wird eine Energieform in eine andere Energieform umgewandelt. Ohne die Umwandlung von Energieformen gibt es keinen Wind, keine Welle im Meer, keine chemische Reaktion, kein Leben und auch keine Gedanken.

Energie kann weder erzeugt werden noch verbraucht werden. Das gilt für eine exakte physikalische Sprache. In der Alltagssprache kann man Energie erzeugen, verbrauchen, einsparen, verschwenden, kaufen, verkaufen, tanken, speichern und vieles andere mehr.

Physikalisch gesehen handelt es sich hierbei lediglich um die Beschreibung ausgewählter Umwandlungsprozesse. Anders ausgedrückt: Nur wenige (eben nicht alle) Vorgänge werden betrachtet.

Energie ist meistens an Materie geknüpft. Nur in den Photonen der elektromagnetischen Strahlung, wie beispielsweise dem Licht, scheint die Energie in reiner Form und ohne Verbindung zur Materie zu existieren. Hier nimmt die Energie auch Lichtgeschwindigkeit an, was für Materie unmöglich wäre.

Der Begriff "Energie" ist in seiner heutigen Bedeutung noch ziemlich jung und wurde von dem schottischen Physiker William John Macquorn Rankine im Jahr 1852 im heutigen Sinn in die Physik eingeführt. Er leitet sich aus dem Griechischen ab: en = in, innen und ergos = Werk, Wirken,Arbeit. Energie bedeutet ganz allgemein also eine einem physikalischen Objekt innewohnende Wirksamkeit. Zuvorderst wird sie als etwas verstanden, das in Arbeit umgewandelt werden kann. Energie ist bildlich gesprochen die Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu verrichten. Vor 1852 wurde für Energie unter anderem der Begriff Kraft, in Deutschland auch "lebendige Kraft", benutzt. Die Begriffe "Energie" und "Kraft" werden heute für unterschiedliche physikalische Größen verwendet und dürfen nicht verwechselt werden.

Üblicherweise wird für die Energie das Formelzeichen E verwendet. Die Energie E eines Systems lässt sich selbst nicht messen, sie wird berechnet oder über die durch die an einem System verrichtete Arbeit bestimmt.

Formeln

Man sollte sich von der folgenden Formelsammlung nicht zu sehr beeindrucken lassen, sondern ihr nur entnehmen, daß es in jedem Teilbereich der Physik gut begründete Rechenvorschriften für die Energie gibt.

Alle unten aufgeführten Formeln gelten nur in einem bestimmten Bezugssystem, bzw. bei einem beliebig definierten Null-Niveau, an dem $E=0$ gilt. Der erhaltene Zahlenwert für die Energie ist also immer vom Bezugspunkt abhängig.

• Potenzielle Energie in einem homogenen Gravitationsfeld: $E_{\rm {pot}}\approx m\cdot g\cdot h=F_{\rm {G}}\cdot h$ ist gleich Gewichtskraft mal Höhe. Für das Schwerefeld eines Himmelskörpers mit Radius $R_{\rm {p}}$ ist sie nur eine Näherung für hinreichend kleine Raumgebiete. Genauer ist: $E_{\rm {pot}}=mgh{\frac {R_{\rm {p}}}{R_{\rm {p}}+h}}$.

• Potenzielle Energie einer gespannten Feder: $E_{\rm {pot}}={1 \over 2}\cdot D\cdot s^{2}$, wobei D die Federkonstante und s die Auslenkung der Feder aus der Ruhelage ist.

• Energie eines geladenen Plattenkondensators: $E={\frac {Q^{2}}{2C}}$, wobei Q die elektrische Ladung und C die elektrische Kapazität ist.

• Äquivalenz von Masse und Energie: $E=mc^{2}={\frac {m_{0}\cdot c^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}$, wobei $m_{0}$ die Ruhemasse des Körpers und c die Lichtgeschwindigkeit ist.

• Energie von Lichtquanten (Photonen) $E_{\rm {Photon}}=h\cdot f$, wobei h das Planck’sche Wirkungsquantum und $f$ die Frequenz ist. Die Energiesumme aller Lichtquanten ergibt die gesamte Strahlungsenergie.

• Klassische kinetische Energie: $E_{\rm {kin}}={\frac {1}{2}}\cdot m\cdot v^{2}$

• Relativistische kinetische Energie: $E_{\mathrm {kin} }=E-E_{0}={\frac {m_{0}\cdot c^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}-m_{0}\cdot c^{2}=m_{0}c^{2}\left({\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}-1\right)$

• Energie eines Erdbebens: $E=10^{{\frac {3}{2}}(M-2)}$, wobei M die Magnitude auf der Richterskala ist und E die Einheit „Tonnen Trinitrotoluol“ besitzt.

• Arbeit $W=\Delta E=\int P(t)\mathrm {d} t$, wobei P die Leistung und t die Zeit ist.

Maßeinheit

Die SI-Basis-Einheit der Energie ist das  Joule.

1 J = 1 Nm = 1 Ws = 10⁷  erg = 0,2388  cal = 0,102 kpm = 0,2778·10^-6 kWh

Umrechnungstabelle

1 Kilokalorie            = 1 kcal    =    4,1868 kJoule
1 Kilowattstunde         = 1 kWh     =  3600     kJ
1 kg Steinkohleneinheit  = 1 SKE     = 29308     kJ
1 kg Rohöleinheit        = 1 RÖE     = 41868     kJ
1 m^3 Erdgas                         = 31736     kJ
1 ElektronenVolt         = 1 eV      = 1,602 176 462 * 10^-19 J

Größenordnungen

Die folgende Aufstellung soll helfen, ein Gefühl für die Größenordnungen von Energie zu erhalten.

1 J = 1 Ws = 1 Nm

potentielle Energie, die beim Anheben einer Schokoladentafel (ca. 100 g) um 1 Meter in dieser gespeichert wird.

3,6·10⁶ J = 3600 kJ = 3600 kWs = 1 kWh

Abrechnungseinheit für Strom, Gas usw. Ein Europäischer Privathaushalt benötigt pro Jahr ca. 2000 - 4000 kWh an elektrischer Energie, wenn nicht mit Strom geheizt wird.

2,9·10⁷ J = 8,141 kWh = 1 kg SKE

eine Steinkohleeinheit entspricht der Energiemenge, die beim Verbrennen von 1 kg Steinkohle umgewandelt wird. Dies ist ein gängiges Maß bei der Angabe von Primärenergie-Mengen. (1998 betrug der weltweite Primärenergie-Umsatz 14,1 Gt SKE = 390·10¹⁸ J)

1 eV = 1,602 176 462(63) · 10^-19 J

Die Einheit  Elektronenvolt wird unter anderem in der Festkörper-, Kern- und Elementarteilchenphysik verwendet. Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Teilchen mit der Ladung 1 e (Elementarladung) erhält, wenn es die Spannung von 1 V durchläuft. Im Vakuum wird es dadurch beschleunigt und gewinnt kinetische Energie. Ein Photon von violettem Licht hat eine Energie von ca 3 eV, eines von rotem ca. 1,75 eV.

Noch ein Beispiel dazu:

Ein Rennwagen von 1000 kg Gewicht hat noch 100 Liter Benzin im Tank und fährt mit 100 m/sek :

E1 = m*c*c = 1000 kg * c * c = 1000 * 89,9 PJ = 89900 Petajoule = 89,9 Exajoule =
E1 = 89,9 EJ 

E1 = 89,9 * 10¹⁸ J Einstein Energie ( Äquivalenz von Masse und Energie)

E2 = 100 Liter * chemischer Energiegehalt eines Liters Benzin
E2 = 100 * 32   MegaJoule = 3200 MJ = 3,2 Gigajoule 

E2 = 3,2 * * 10⁹ J potentielle chemische Energie

E3 = 1/2 * m * v * v = 1/2 * 1000 kg * 100 m /sek * 100 m /sek
E3 = 5 MegaJoule 

E3 = 5 * 10⁶ J kinetische Energie

Energieformen

Blitze stellen eine gut sichtbare Art der Energieübertragung dar

Bei den physikalischen Vorgängen treten viele verschiedene Energieformen auf, die hier zu 4 Gruppen zusammengefasst sind. Da diese Einteilung willkürlich ist, gibt es Sammelbegriffe für Energieformen, die spezielle Energieformen aus unterschiedlichen Gruppen kombinieren. Energie ist, unabhängig von der Energieform, eine charakterisierende Größe für den Zustand eines Systems, eine so genannte Zustandsgröße.

Dabei gilt der Energieerhaltungssatz: Die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems ist konstant. Die Energie wird deshalb in diesen Fällen als eine Erhaltungsgröße bezeichnet. Erst bei einem Energie-Fluss über die Systemgrenzen hinweg (Energie-Zufuhr oder -Abfuhr) ändert sich die Gesamtenergie des Systems.

Mechanische Energie

Die Energie eines mechanischen Systems kann immer als Summe von kinetischer und potenzieller Energie dargestellt werden. Die beiden Begriffe werden über die klassische Mechanik und die Quantenmechanik hinaus in fast allen Bereichen der Physik verwendet.

• Kinetische Energie wird auch als Bewegungsenergie bezeichnet. Sie wird durch die Bewegung eines Systems gegenüber einem anderen System und durch seine Masse bestimmt und setzt sich aus Translationsenergie und Rotationsenergie zusammen.
• Potentielle Energie wird auch als Lageenergie bezeichnet. In der Mechanik ist sie die Energie eines Systems, die es durch seine Lage in einem Kraftfeld besitzt, zum Beispiel im Gravitationsfeld der Erde. Auch die Elastische Energie (siehe unten) wird zur Potentiellen Energie gezählt.
• Schwingungsenergie: Schwingungen sind allgemein (auch über die Mechanik hinaus) durch einen periodischen Wechsel zwischen zwei Energieformen charakterisiert. Beim Pendel wechselt die potentielle Energie bei maximaler Auslenkung mit der gleich großen kinetischen Energie während des Durchgangs durch die Ruhelage ab.
• Elastische Energie ist die potentielle Energie der aus ihrer Ruhelage verschobenen Atome oder Moleküle in einem elastisch deformierten Körper, beispielsweise einer mechanischen Feder. Allgemein bezeichnet man die Energie, die bei der elastischen oder plastischen Verformung in dem Körper gespeichert (oder freigesetzt) wird, als Deformationsenergie.
• Schallenergie: Beim Schall schwingen die Atome in Folge der Elastizität eines Festkörpers oder der Kompression einer Flüssigkeit oder eines Gases im Takt der Frequenz zwischen der potenziellen Energie der Auslenkung aus ihrer Ruhelage und der kinetischen Energie beim Durchgang durch diese Ruhelage. Der Begriff akustische Energie bezieht sich auf alle akustische (teils nicht von Menschen wahrnehmbare) Schwingungen.
• Wellenenergie ist ein Sammelbegriff, der nicht nur auf die akustischen Wellen zutrifft, sondern auf alle räumlich ausgebreiteten Schwingungsphänomene wie z. B. Wasserwellen und elektromagnetische Wellen.

Weder Schwingungs-, noch Schall- noch Wellen-Energie sind eigene Energien als Zustandsgrößen, denn Schwingung, Schall und Welle beschreiben in der Zeit ablaufende Vorgänge, also keine Zustände. In den Erläuterungen werden auch richtig die Energien (potentielle und kinetische) genannt, die als mechanische Energien alleine bei diesen Vorgängen wesentlich sind.

Elastische Energie ist die potentielle Energie in der Ruhelage. Wird ein Körper aus der Ruhelage verschoben, so ergibt sich eine potentielle Energieänderung, die durch die Verschiebung bewirkt wird und die in die Energiebilanz gehört.

Solche unscharfen Erläuterungen zu Energien erschweren ihre sorgfältigen Definitionen.

Thermische und innere Energie

Thermische Energie ist die Energie, die in der ungeordneten Bewegung der Atome oder Moleküle eines Stoffes gespeichert ist. Thermische Energie wird umgangssprachlich oft auch fälschlicherweise als Wärmeenergie, Wärmeinhalt oder Wärmemenge bezeichnet. Die Erscheinungsformen der thermischen Energie werden durch die Thermodynamik beschrieben. Ein anschauliches Beispiel für die komplexen Abhängigkeiten der dabei zu beobachtenden physikalischen Phänomene ist das Schmelzen von Eis und das Entstehen von Wasserdampf aus Wasser durch Zufuhr von thermischer Energie.

Die Summe aus thermischer Energie, Schwingungsenergie im Körper und Bindungsenergie bezeichnet man als Innere Energie. (Strenggenommen ist der Begriff innere Energie ein Pleonasmus, wie etwa nasser Regen oder weißer Schimmel, da die Vorsilbe "En" bereits für "in" steht;).

Elektrische und magnetische Energie

Aufspaltung des Lichts in einem Prisma

• Elektrische Energie ist u.a. als potenzielle Energie im elektrostatischen Feld von elektrischen Ladungen (z.B. in Kondensatoren) gespeichert. In größeren Mengen lässt sie sich jedoch nicht speichern. In Kraftwerken und Batterien wird sie daher z.B. aus Wärmeenergie bzw. chemischer Energie erzeugt, über Stromleitungen zu den Verbrauchern transportiert und bei den Verbrauchern in andere Energieformen verwandelt (Kraft, Licht, Wärme).
• Magnetische Energie ist in magnetischen Feldern enthalten.
• Elektromagnetische Schwingungsenergie: Durch Induktion wechselt elektrische Energie im Takt der Frequenz mit magnetischer Energie. Dies findet in elektrischen Schwingkreisen statt, aber auch im Raum, in dem sich das elektromagnetische Feld ausbreitet. Dann spricht man von elektromagnetischer Strahlungsenergie oder  Photonenenergie und speziell für den sichtbaren Frequenzbereich von Lichtenergie.

Bindungsenergie

•  Chemische Energie: Energie, welche in der chemischen Bindung von Atomen oder Molekülen enthalten ist. Sie wird bei exothermen (energiefreisetzenden) Reaktionen frei und muss für endotherme (energieaufnehmende) Reaktionen hinzugefügt werden.
•  Kernenergie: Energie der Bindung der Protonen und Neutronen im Atomkern. Sie wird bei einer Kernreaktion in die Bindungsenergie der Reaktionsprodukte, also neuer Atomkerne umgesetzt, und in verschiedene Arten von Strahlung.

Masse

Nach der speziellen Relativitätstheorie sind Masse und Energie  äquivalent. Das bedeutet, dass der Ruhemasse von Teilchen eine bestimmte Energiemenge, die sogenannte Ruheenergie

$E=m\cdot c^{2}$

entspricht. Diese kann bei bestimmten Vorgängen in andere Energieformen umgewandelt werden und umgekehrt. So haben die Reaktionsprodukte der Kernspaltung und der Kernfusion messbar niedrigere Ruhemassen als die Ausgangsstoffe.

In der klassischen Mechanik wird die Ruheenergie nicht mitgerechnet.

Umwandlung der Energieformen und Energienutzung

 Robert Mayer
„Fallkraft, Bewegung, Wärme, Licht, Elektrizität . . . sind ein- und dasselbe Objekt in verschiedenen Erscheinungsformen.“

Quelle: Unbekannt

Geschlossenes System

In der Physik wird oft mit Denkmodellen gearbeitet. In Gedanken kann man fordern, was in der Natur nicht möglich ist.

So versteht man unter einem "geschlossenem System" einen Raum, aus dem keine Materie und keine Energie entweichen darf. Jetzt kann man die Vorgänge innerhalb dieses Systems untersuchen und zu Schlussfolgerungen gelangen.

Anschließend versucht man technisch oder im Experiment einem solchen Gedankenmodell möglichst nahe zu kommen.

Bezogen auf Wärmeenergie wäre dies beispielsweise eine gute Isolierung des Raums.

Energieerhaltungssatz

 Richard Feynmann
„There is a fact, or if you wish, a law, governing natural phenomena that are known to date. There is no known exception to this law—it is exact so far we know. The law is called conservation of energy [it states that there is a certain quantity, which we call energy that does not change in manifold changes which nature undergoes]. That is a most abstract idea, because it is a mathematical principle; it says that there is a numerical quantity, which does not change when something happens. It is not a description of a mechanism, or anything concrete; it is just a strange fact that we can calculate some number, and when we finish watching nature go through her tricks and calculate the number again, it is the same.“

Quelle: The Feynman Lectures on Physics

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden. In einem geschlossenen System gilt daher der Energieerhaltungssatz, der einer der am genauesten experimentell gesicherten Sätze der Physik ist. Man bezeichnet Energie als Erhaltungsgröße. Die Energieerhaltung ist über das  Noether-Theorem eine Folge der Unabhängigkeit der physikalischen Gesetze von der Zeit.

Durch eine am System verrichtete Arbeit wird die Energie des Systems erhöht. Verrichtet das System selbst Arbeit, so wird seine Energie geringer. Die Arbeit verursacht hier also eine Zustandsänderung in Form einer Temperatur-, Form-, Lage- oder Geschwindigkeitsänderung.

Beispiele für die Energieumwandlung sind die Erzeugung von Licht und Wärme aus elektrischer Energie über einen elektrischen Widerstand (elektr. Heizung, Glühlampe) und die Umwandlung der elektrischen Energie mit Hilfe des Elektromagnetismus über magnetische Felder in kinetische Energie (Elektromotor).

Chemische Energie eines Brennstoffs wird bei der Verbrennung in Wärmeenergie umgewandelt oder in Verbrennungsmotoren in kinetische Energie umgewandelt. Abhängig vom Wirkungsgrad der Motoren wird ein relativ großer Anteil der verbrauchten Energie direkt in Abwärme umgewandelt.

Kinetische Energie wird bei der Bewegung entgegen dem Schwerefeld der Erde, also bergauf, in potentielle Energie oder über Reibung in Wärmeenergie oder akustische Energie umgewandelt.

In Elektrizitätswerken wird elektrischer Strom erzeugt. Entweder wird dabei vorhandene potentielle Energie (Speicherkraftwerk) oder kinetische Energie (Laufkraftwerk, Windenergieanlage) über Generatoren in elektrische Energie umgewandelt oder es wird der Umweg über eine Wärmekraftmaschine gewählt, um aus Wärme Energie zu gewinnen. Beispiele dafür sind Wärmekraftwerke, die mit Kohle, Öl, Gas, Biomasse, Kernkraft oder auch Müll betrieben werden.

Strahlungsenergie, auch in Form von akustischer Energie, wird beim Auftreffen auf eine absorbierende Fläche meistens in Wärmeenergie verwandelt.

Beispiele für Energieumwandlungen

	Mechanische Energie	Thermische Energie	Strahlungsenergie	Elektrische Energie	Chemische Energie	Nukleare Energie
Mechanische Energie	Getriebe	Bremse	Synchrotronstrahlung	Generator	Eischnee	Reaktionen im Teilchenbeschleuniger
Thermische Energie	Dampfturbine	Wärmeübertrager	Schwarzer Körper Glühendes Metall	Thermoelement	Hochofen	Supernova
Strahlungsenergie	Radiometer	Solarkollektor	Nichtlineare Optik	Solarzelle	Photosynthese	Kernphotoeffekt
Elektrische Energie	Elektromotor	Elektroherd	Blitz	Transformator	Akkumulator
Chemische Energie	Muskel	Ölheizung	Glühwürmchen	Brennstoffzelle	Kohlevergasung	Mössbauer-Effekt Isomerieverschiebung
Nukleare Energie	schnelle Neutronen	Sonne	Gammastrahlen	Innere Konversion	Radiolyse	Brutreaktor

Energieversorgung und -verbrauch

Mit Energieversorgung und -verbrauch wird die Nutzung von verschiedenen Energien in für Menschen gut verwendbaren Formen bezeichnet. Die von Menschen am häufigsten benutzten Energieformen sind  Wärmeenergie, Elektrizität und Treibstoffe wie Benzin. Die menschlichen Bedürfnisse richten sich vor allem auf die Bereiche Heizung, Nahrungszubereitung und den Betrieb von Einrichtungen und Maschinen zur Lebenserleichterung. Hierbei ist das Thema [Fortbewegung und der Verbrauch z. B. fossiler Energieträger in Fahrzeugen nicht unerheblich.

Die verschiedenen Energieträger können über Leitungen die Verbraucher erreichen, wie typischerweise elektrischer Energie, Erdgas, Fernwärme und Nahwärme, oder sie sind weitgehend lagerfähig und beliebig transportfähig, wie z. B. Steinkohle und Braunkohlen, Heizöle, Kraftstoffe (Benzine, Dieselkraftstoffe), Industriegase, Kernbrennstoffe (Uran), Biomassen (Holz u. a.).

Der Energieverbrauch ist weltweit sehr unterschiedlich und in den Industrieländern um ein vielfaches höher als z. B. in der Dritten Welt. In industriell hoch entwickelten Ländern haben sich seit dem 19. Jahrhundert Unternehmen mit der Erzeugung und Bereitstellung von Energie für den allgemeinen Verbrauch beschäftigt. Hierbei steht die zentrale Erzeugung von elektrischer Energie sowie die Übertragung an die einzelnen Verbraucher im Vordergrund. Weiterhin ist die Beschaffung, der Transport und die Verwandlung von Brennmaterial zu Heizzwecken ein wichtiger Wirtschaftszweig.

Ca. 40 Prozent des weltweiten Energiebedarfes wird durch elektrische Energie gedeckt. Spitzenreiter im Verbrauch dieses Anteils sind mit ca. 20 Prozent elektrische Antriebe. Danach ist die Beleuchtung mit 19 Prozent, die Klimatechnik mit 16 Prozent und die Informationstechnik mit 14 Prozent am weltweiten elektrischen Energiebedarf beteiligt.

Energie kann nicht im eigentlichen Sinne verbraucht werden, sie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Bei einer Energieumwandlung treten oft Energieformen auf, die man in der gegebenen Situation nicht nutzen kann (z.B. Wärmeenergie durch Reibung), der tatsächlich nutzbare Anteil ist dann kleiner als 100% (Wirkungsgrad).

Energieträger

siehe auch Wikipediaartikel:  Energieträger

Erschöpfliche Energieträger

Fossile Energieträger

• Kohle (Steinkohle, Braunkohle)
• Torf
• Erdöl
• Ölsande/Ölschiefer
• Erdgas
• Gashydrat (noch ungenutzt auf dem Meeresboden)

(alles chemische Energie)

Kernbrennstoffe

• Uran (Kernspaltung)
• Plutonium (Kernspaltung)
• Wasserstoff (Deuterium und Tritium in Kernfusionsreaktoren)

(alles Kernenergie)

Erneuerbare Energieträger

• Bioenergie/Biomasse (chemische Energie)
• Geothermische Energie (thermische Energie)
• Solarenergie (Strahlungsenergie)
• Wasserkraftwerk (potentielle und kinetische Energie)
• Windenergie (kinetische Energie)

Siehe auch

•  Energie
•  Größenordnung (Energie) - eine wertmäßige Zusammenstellung von alltäglichen und unalltäglichen Energien, die uns umgeben, ideal um Größenvergleiche aufzustellen.
•  Portal: Energie

Weblinks

• Versuche und Aufgaben zur Energie
• Erzeugung von elektrischer Energie allgemein und anhand verschiedener Beispiele
• Eine lesenswerte Analogie von Feynman zum Begriff Energie

Was ist Information?

Natürliche und künstliche geordnete Strukturen

(Folgender Text ist aus der Einleitung des Wikibuches über die Information hierher kopiert worden.)

Einleitung

Der Begriff der Information kristallisiert sich seit einigen Jahrzehnten als ein ähnlich grundlegender Begriff heraus, wie das die Begriffe Energie und Materie schon seit langem als Basis jeder Naturwissenschaft geworden sind. Dabei steht der Begriff Information an der Grenze zwischen den Naturwissenschaften und den Geisteswissenschaften und er kann vielleicht helfen, Gräben, die sich zwischen diesen Wissenschaftsbereichen aufgetan haben, zu überbrücken. Norbert Wiener, der Begründer der Kybernetik, hat dies auf den Punkt gebracht, als er sagte: "Information ist Information, weder Materie noch Energie. Kein Materialismus, der dies nicht berücksichtigt, kann heute überleben."

Der Begriff Information scheint eine ähnliche Vereinheitlichung der Anschauungen zu bringen, wie sie der Begriff der Energie für die Physik des 19.Jahrhunderts gebracht hat. Allerdings müssen dazu noch einige Ungereimtheiten beseitigt werden, die im Begriff Information stecken. Vor allem der semantische Aspekt der Information, also die Bedeutung von Information, bereitet noch erhebliche Verständnisprobleme. Die Bedeutung von Information ergibt sich meist erst durch die Betrachtung des jeweiligen Zusammenhanges. Sie kann oft durch die Frage - Bedeutung für wen oder für was? - geklärt werden. Von manchen wird bestritten, daß es bedeutsame Information ohne das menschliche Denken geben kann. Geordnete Information gibt es aber ganz sicher auch ohne den Menschen, denn das beweist jeder Schneekristall, jeder Stern und jedes nicht menschliche Lebewesen.

Information ist etwas anderes als Energie und Materie. Es ist eine Eigenschaft von Energie oder Materie.

Ob die Information wirklich eine ganz eigenständige Kategorie ( Entität) neben der Energie und der Materie ist, wie Norbert Wiener das meinte. Oder ob Information nur eine Eigenschaft der beiden ist, kann bis jetzt nicht eindeutig beantwortet werden. Hier ist noch Platz für Nachdenken, Diskussion und intelligentes Experimentieren. Wie unklar dabei vieles noch ist, zeigt auch die Diskussion um den Zusammenhang zwischen der Entropie und der Information.

Betrachten wir zunächst das Wortfeld zum Thema Information und vergleichen es mit dem Wortfeld Energie und Materie. Siehe Wortfeld:Information,Energie,Materie

Kurze Definition von Information

Das Wort "Information" wird - wie einige andere abstrakte Begriffe (z.B. Musik) - sowohl für das Phänomen im Gesamten als auch für das einzelne Auftreten verwendet. Das Phänomen wird im Deutschen üblicherweise durch den Zusatz "als solche/r/s" gekennzeichnet, was hier beibehalten wird.

Information als solche ist neben Materie und Energie die dritte Kategorie unserer Existenz und bezeichnet die grundsätzliche Tatsache, dass die physikalischen Strukturen in unserem Universum nicht vollständig gleichförmig verteilt sind. "Information als solche" ist messbar und lässt sich im Rahmen der Informationstheorie mit rechnerischen Mitteln strukturell genauer beschreiben.

Grundlegend ist dabei die Unterscheidung zwischen

Zufallsinformation      und      geordneter Information

oder

Zufallsstruktur         und      geordneter Struktur 

Geordnete Strukturen können wieder in 2 grundlegende Kategorien eingeteilt werden

Symmetrische Ordnung    und    Wiederholende Ordnung

Zur Verdeutlichung dieser Einteilungen werden einige einfache Reihen aus Binärzahlen aufgeführt: Chaitins Beispiel für 2 binäre Zahlen mit 20 Stellen

• Ungeordnete Reihe: 01101100110111100010
  • als Beispiel für eine Zufallsfolge
  • Entropie 20 Bit
• Geordnete Reihe 1: 10101010101010101010
  • Zufall = 0, oder fast Null, Entropie nahe 0
  • wiederholende Ordnung
• Geordnete Reihe 2: 11111111110000000000
  • stammt nicht von Chaitin
  • Zufall = 0, oder fast Null, Entropie nahe 0
  • symmetrische Ordnung
• höhere Ordnung: 0110111001011101111000
  • Entropie circa 2 oder 3 bit

Wichtige Begriffe in diesem Zusammenhang sind:

•  Struktur
•  Ordnung
• Entropie

Im Gegensatz dazu ist eine Information im engeren Sinne eine Struktur, die sich physikalisch in einem begrenzten Bereich manifestiert und von einem Informationsempfänger erkannt, aufgenommen und interpretiert werden kann. Sie wird häufig, aber nicht ausschliesslich, im Wege und zum Zwecke der Kommunikation erzeugt und/oder übertragen. Die Betrachtung der Information als Einzelereignis ist Gegenstand unter anderem der Erkenntnistheorie, der Kommunikationstheorie und der Semantik und der Semiologie. Da Informationen auch von anderen Lebewesen als Menschen erzeugt, versendet und empfangen werden können, spielt ihre Untersuchung auch in Bereichen der Biologie eine Rolle.

Wichtige Begriffe in diesem Zusammenhang sind:

• Signal
• Zeichen
• Symbol
• Nachricht
• Informationsträger
• Redundanz
• Kommunikation
• Interpretation
•  Bedeutung

Beispielhafte Beschreibungen von Information als solcher und von Information im engeren Sinne

• Information tritt im Zusammenhang mit Struktur oder Mustern von Materie oder Energie auf.

• Information ist eine räumliche oder zeitliche Folge physikalischer Signale, die mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten oder Häufigkeiten auftreten.

• Information ist Gewinn an Wissen.

• Information ist beseitigte Ungewissheit.

• Information = Nachricht, Auskunft, Belehrung, Aufklärung.

• Information = sich zusammensetzende Mitteilung, die beim Empfänger ein bestimmtes Verhalten bewirkt.

Fußabdruck, geordnete Information ist neu entstanden

Was kann man mit Information alles machen?

• Information kann neu entstehen.
• Information kann vermehrt werden.
• Information kann kopiert werden.
• Information kann übertragen werden.
• Information kann gespeichert werden.
• Information kann verändert werden.
• Information kann verbessert werden.
• Information kann konzentriert werden.
• Information kann gefiltert werden.
• Information kann verloren gehen.
• Information kann vernichtet werden.
• Information kann verfälscht werden.

Wo wird Information neu produziert?

• Abbildungs- und Aufzeichnungsinstrumente
  • Fotoapparate
  • Bücher
  • Zeitungen
  • Gehirne
  • Untersucher
  • Forscher

Anmerkung: jedes Gehirn würde sich wohl zu Recht dagegen wehren, mit einem Fotoapparat oder einem Buch gleichgesetzt zu werden. Wäre eine solche Gleichsetzung im entferntesten möglich, wären Maschinen längst deutlich intelligenter, als sie sind. Gehirne sind in gewissem Sinne IMMER kreativ, indem sie von Geburt an die Voraussetzungen schaffen, einen Ausschnitt aus den uns umgebenden elektromagnetischen und akustischen Wellen wahrzunehmen und in "Bilder" und "Geräusche" umzuwandeln.

• Menschliche Kreativitätsquellen
  • Komponisten
  • Erfinder
  • Geschichtenerzähler
  • Maler
  • Bildhauer

• die belebte Natur
• die unbelebte Natur: z.B. Kristallisation

• Biologische Kreativitätsquellen
  • Erbgut
  • Kopierer der DNS
  • Zeugung, Wachstum
  • Evolutionierer: Variation

• Anorganische Strukturbildung (=Kreativität?)
  • Kristallisation
  • Bildung chemischer Verbindungen

Wo wird Information vernichtet?

• Informationsverringerung
  • Altern
  • Sterben
  • Krieg ("Der Vater aller Dinge??")
  • Vergessen
  • Verdauung
  • Verfall
  • Recycling von Papier und anderen Informationsträgern
  • Aussterben von Arten
  • Selektion
  • Standardisierung

Beispielzeile Information

Chaitins Beispiel für 2 binäre Zahlen mit 20 Stellen

• Ungeordnete Reihe: 01101100110111100010
  • als Beispiel für eine Zufallsfolge
  • Entropie 20 Bit
• Geordnete Reihe 1: 10101010101010101010
  • Zufall = 0, oder fast Null, Entropie nahe 0
  • wiederholende Ordnung
• Geordnete Reihe 2: 11111111110000000000
  • stammt nicht von Chaitin
  • Zufall = 0, oder fast Null, Entropie nahe 0
  • symmetrische Ordnung
• höhere Ordnung: 0110111001011101111000
  • Entropie circa 2 oder 3 bit

Eine Beispielszeile:

• 1.Zufallsinformation = gleichförmige Unordnung:
  • xbeowhgttgsyäcxjpülgjwrqxyshfogjkudrwuepzjfcmwsmgqzqpqvbtiwpaüa
• 2.Text mit Sinn:
  • Information kann mit lichtgeschwindigkeit transportiert werden
• 3.verschlüsselter Text:
  • eyprnxumeryduyyxemfelamübilaveyoeüdbemmnuyitrnmebnmvbnoby
• 4.Zweimal das kleine Alphabet = gleichförmige Ordnung:
  • abcdefghijklmnopqrstuvwxyzäöüßabcdefghijklmnopqrstuvwxyzäöüß

Fragen dazu:

• In welcher Zeile steckt die größte Informationmenge?
• In welcher Zeile steckt am meisten Ordnung?
• In welcher Zeile steckt am meisten Informationsgehalt?
• In welcher Zeile steckt am meisten Entropie?

Information mit Bedeutung liegt immer zwischen den 2 Extremen : Einfache gleichförmige Information und Zufallsinformation.

3 Beispiele aus der Natur mit gleicher Teilchenzahl und völlig unterschiedlicher Ordnung:

• Einkristall aus Wassermolekülen nahe dem absoluten Nullpunkt: Entropie nahe 0
• Wassertropfen aus Wassermolekülen: Entropie ziemlich groß
• Schneeflocke aus Wassermolekülen: Entropie zwischen beiden Extremen

Fortsetzung siehe

• Siehe Information
• siehe Entropie
• siehe Zufall