Physikstudium: Die Feynman-Methode

Die meisten Menschen denken, dass Physik schwer ist. Aber ich denke, dass wir sie uns schwer machen. Mein größter Kampf im Physikstudium war deshalb ein Kampf um meine Überzeugung.

Ich saß an den Übungsaufgaben und dachte: Es muss doch einfacher gehen. In der Vorlesung hörte ich sehr aufmerksam zu und dachte: Es kann doch viel einfacher erklärt werden. Dann saß ich während der Klausur und dachte:

Verdammt! Ich habe es mir zu einfach gemacht!

sketch1513948363940 700x411

Exkrement kommt vor.

Trotzdem bin ich bei meiner Überzeugung geblieben:

Eigentlich ist nichts wirklich schwer oder kompliziert, wenn man es auf die einfachsten Elemente zurückführt, die man bereits versteht.

Und ich bin nicht alleine im Club der Einfachheit.

Larry Page, der zusammen mit Sergey Brin Google gründete, über Elon Musk:

The way Elon talks about this is that you always need to start with the first principles of a problem. What are the physics of it?…

(Aus: Elon Musk* von Ashlee Vance)

Oder Steve Jobs über Einfachheit:

Simple can be harder than complex: You have to work hard to get your thinking clean to make it simple. But it’s worth it in the end because once you get there, you can move mountains.

Und zu guter Letzt:

Man muß die Dinge so einfach wie möglich machen. Aber nicht einfacher.

Albert Einstein

Die Zitate klingen schön und gut, aber was hast du davon, wenn du wieder vor einer blöden Aufgabe sitzt und nichts verstehst?

„Dinge so einfach wie möglich … bla bla … „ – Du hast es gut reden, Einstein, du hattest einen IQ über 150! Und ich nicht. Ich sitze stundenlang an einer Aufgabe und weiß nicht mal, wie ich anfangen soll!

Eines Tages saß ich wieder an einer Aufgabe und vernahm meine Dummheit. Um mich davon abzulenken, nahm ich ein Buch in die Hand und las das Folgende:

I don’t know where to start,“ one [writing student] will wail. Start with your childhood, I tell them. Plug your nose and jump in, and write down all your memories as truthfully as you can. Flannery O‘ Connor said that anyone who has survived childhood has enough material to write for the rest of his or her life. Maybe your childhood was grim and horrible, but grim and horrible is Okay if it is well done. Don’t worry about doing it well yet, though. Just get it down.

Anne Lamott, Bird by Bird: Some Instructions on Writing and Life

Es geht nicht um Physik. Aber dieser Abschnitt hat mich auf einen Gedanken gebracht:

Was ist, wenn ich mit all den Fragen anfange, die ich mir als Kind gestellt habe? Oder was ist, wenn ich so tue, als ob ich meine Aufgabe einem zehnjährigen Kind erklären sollte?

sketch1513949464394 700x411

Ein paar Jahre später habe ich erfahren, dass diese Methode sogar einen Namen hat: Die Feynman-Methode.

Die Feynman-Methode

Ob diese Methode tatsächlich auf den fantastischen Mr. Feynman zurückzuführen
ist, der natürlich ein Physiker war, aber außerdem Bongo spielte, Hieroglyphen der Handschriften der Maya entzifferte, Safes knackte und nebenbei den Nobelpreis erhielt, bleibt offen.

Vorausgesetzt, dass du diese Methode in die Tat umsetzt, wird sie deine Wahrnehmung von Grund auf verändern.

Die Feynman-Methode besteht aus den folgenden Schritten:

  1. Suche ein Problem oder Konzept aus, das du verstehen willst.
  2. Tue so, als ob du das Konzept einem Kind, Schüler oder einem Ersti erklärst.
  3. Jedes Mal, wenn du hängen bleibst und etwas nicht verständlich erklären
    kannst, schlägst du es in deinen Büchern oder in anderen Ressourcen nach.
  4. Vereinfache und stelle Analogien her.

Und das soll meine Wahrnehmung von Grund auf verändern? Das ist doch trivial.
Was hat das außerdem mit meiner Wahrnehmung zu tun?

Die Stärke dieser Methode zeigt sich nicht im Wissen, dass sie existiert, sondern im puren und permanenten Anwenden. Denn erst, wenn du ein Problem schriftlich festhältst und es mit dieser Methode Schritt für Schritt durchgehst, wirst du nicht nur deine Wissenslücken, sondern deine Verständnislücken aufdecken. Es ist leicht zu erkennen, was man nicht weiß. Aber es ist schwierig zu erfahren, was man nicht versteht.

 


Ein Beispiel wird verdeutlichen, warum diese Methode so mächtig ist:

1. Schritt

Stellen wir uns vor, dass ich nicht verstehe, was die Boltzmann-Verteilung ist.

2. Schritt

Sie sieht in einer Formel folgendermaßen aus:

sketch1513949674126 700x411

Die Boltzmann-Verteilung gibt dir die Wahrscheinlichkeit, mit der du einen
bestimmten Zustand eines Systems mit einer bestimmten Energie bei einer
Temperatur T finden kannst.

3. Schritt

Was? OK. Ich muss wissen oder nachschlagen, was die Begriffe Zustand,
System und Energie bedeuten. Fangen wir noch mal an.

Ein System ist etwas, was du räumlich und zeitlich von seiner Umgebung abgrenzen kannst.

Zum Beispiel kannst du ein System, das aus Gasteilchen in einer Box besteht, betrachten. Diese Abgrenzung geschieht dabei nach physikalischen Kriterien, wie die Wechselwirkung.

Typischerweise ist ein System durch eine Systemgrenze, wie beispielsweise die Oberfläche eines Wassertropfens oder die Zellwand einer Zelle, abgegrenzt.

sketch1513950209727 700x411

Ein Zustand ist die Beschreibung eines Systems.

Normalerweise beschreiben wir etwas mit Hilfe von Wörtern und Bildern. So wie du bestimmte Wörter wählst, um etwas genauer zu schildern, wählt auch ein Physiker etwas Bestimmtes, um ein physikalisches System zu beschreiben.

Im Fall der Gasteilchen in einer geschlossenen Box sind das Ort und Geschwindigkeit, denn sie bewegen sich hin und her und stoßen dabei aneinander.

sketch1513950667734 700x411

Für einen bestimmten Zustand kannst du seine Energie bestimmen.

Die Energie eines Zustandes ist eine Größe, die im physikalischen System erhalten
bleibt.

Es gibt verschiedene Formen der Energie wie zum Beispiel die kineti-
sche oder die potentielle Energie. Normalerweise kümmert uns eine messerscharfe philosophische Definition nicht, denn wir wollen sie berechnen.
Haben wir beispielsweise die Masse und die Geschwindigkeit eines Teilchens,
so können wir seine klassische kinetische Energie mit der Formel 1/2mv² bestimmen.

sketch1513950871443 700x411

Nun wieder zur Boltzmann-Verteilung. Du betrachtest also ein System in einem Zustand. Dieser Zustand besitzt eine bestimmte Energie. Die Boltzmann-
Verteilung sagt dir, wie wahrscheinlich es ist, dass du diesen Zustand bei einer
bestimmten Temperatur T findest. Und genau das besagt der Zähler in der obigen Gleichung.

Außerdem steht dort die Boltzmann-Konstante k_{B} . Sie ist eine
Naturkonstante und hat die Einheit Joule pro Kelvin. Das bedeutet, dass diese Konstante die Energie eines Systems mit der Temperatur verknüpft. Denn
die Energie wird in Joule und die Temperatur in Kelvin gemessen.

Da aber ein System normalerweise mehrere Zustände annehmen kann, wird dieselbe Prozedur wie oben auf alle Zustände angewendet und über sie summiert.
Genau das steht im Nenner.

Dabei bezeichnet M die Anzahl der Zustände und der griechische Buchstabe Σ sagt dir einfach, dass du das, was nach ihm kommt, M Mal addieren musst.

Man nennt die Boltzmann-Verteilung deshalb eine Verteilung, weil sie beschreibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit die Zustände in einem System verteilt sind.

 

4. Schritt

Willst du die Wahrscheinlichkeit berechnen, bei welcher Temperatur etwas Be-
stimmtes in einem System passiert, dann benutze die Boltzmann-Verteilung.

Stell dir Menschen in einem abgeschlossen Bus vor.

Du bist der Bösewicht, der die Temperatur im Bus hoch dreht. Ab einer bestimmten Temperatur fangen die Menschen an zu schwitzen. Dann atmen sie schwer. Und irgendwann fangen sie an, die Fenster auszuschlagen. Dieses Phänomen nennt man dann die kritische Temperatur.

sketch1513951695740 700x411

All das sind deine Zustände. Anhand der Boltzmann-Verteilung
kannst du also sagen, bei welcher Temperatur die Menschen im Bus den Verstand verlieren werden.

Das Beispiel kann immer weiter vereinfacht werden. Wie weit du mit deiner Vereinfachung gehst, hängt nur von deinem Verständnis ab.


Viele Studenten, und ich gehörte zu ihnen, tendieren dazu, mehr als nötig zu
machen. Sie tun das im Glauben, dass sie erst nachdem sie dieses eine Lehrbuch
gelesen oder noch dieses eine Tutorium besucht haben, endlich alles verstanden
haben werden. Als Konsequenz sitzen sie tage- und wochenlang an den Übungs-
aufgaben.

Die Wahrheit ist aber, dass es schneller gehen kann. Und die Feynman-Methode fokussiert dich auf deine Probleme und Verständnislücken, ohne dass du
dich in unnötigen und langwierigen Recherchen verlierst.

Sie trainiert die Intuition und den Scharfsinn für eigene intellektuelle Schwachstellen. Außerdem lernst du damit, Besserwisser und Schaumschläger zu entlarven.

Schreib einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Blogverzeichnis - Bloggerei.de TopBlogs.de das Original - Blogverzeichnis | Blog Top Liste