Makroskopie (Physik)

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Man unterscheidet in der Physik zwischen mikroskopischer und makroskopischer Betrachtung.

Bei einer makroskopischen Betrachtung verzichtet man darauf, das Verhalten eines System aus dem Verhalten seiner kleinsten Bestandteile herzuleiten, sondern betrachtet sinnvolle statistische Größen (z. B. Mittelwerte).

Ein Beispiel ist das Gas (Luft) in einem Luftballon. Die Trajektorien der einzelnen Moleküle (Stickstoff, Sauerstoff, ...) mit den Mitteln der klassischen Physik zu beschreiben, wäre wenig hilfreich. Bei der riesigen Anzahl von Partikeln ist diese Herangehensweise aussichtslos.

Statt dessen führt man z. B. die Temperatur als Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen ein. Dies ist deshalb gerechtfertigt, weil sich die Energie statistisch gleichmäßig auf alle Freiheitsgrade verteilt. Diese Annahme der Gleichverteilung ist mit zunehmender Anzahl von Teilchen immer besser erfüllt, im Idealfall von unendlich vielen Teilchen sogar perfekt. Die tatsächliche Verteilung der Energie (Anzahl der Teilchen mit einer Energie E) gibt in der klassischen Physik die Maxwell-Boltzmann-Verteilung und in der Quantenmechanik die Fermi-Dirac-Statistik und Bose-Einstein-Statistik an.

Mit dieser Vorgehensweise reduziert sich die Beschreibung des Systems auf wenige makroskopische Größen wie Temperatur, Druck, Dichte usw., die uns schon aus der Alltagswelt vertraut sind. Tatsächlich besteht z. B. die Atmosphäre der Erde aus einzelnen Molekülen. Deren individuelle Wechselwirkung (die man korrekt sogar quantenmechanisch beschreiben muss) wird aber aufgrund der großen Anzahl der Wirkungen unbedeutend.

Gerade die sehr große Anzahl von Teilchen in Alltagssystemen, die man alle sinnvoll makroskopisch beschreibt, hat den Vorteil, dass sich statistische Verfahren mit sehr hoher Präzision anwenden lassen (s.a. Statistische Physik).

Nicht immer muss man aber statistisch vorgehen. Z. B. kann man ein riesiges System wie einen Planeten oder eine Sonne in der Beschreibung auf einen Massenpunkt (mikroskopisch) zurückführen (eine Kugel mit einer konzentrischen Dichteverteilung verhält sich aus Sicht der Gravitation wie ein Massenpunkt).

Die Physik ist dort sehr erfolgreich und allgemeingültig, wo sie entweder einfache, mikroskopische Systeme oder sehr große, makroskopische Systeme beschreibt. Allgemeingültige Aussagen sind dagegen bei Systemen mit „wenigen“ Teilen schwierig. So existiert z. B. keine geschlossene Lösung für die Bewegung von drei Massenpunkten (Dreikörperproblem). In solchen Fällen können meist numerische Computermodelle weiterhelfen.