Gravitation Urkraft des Universums

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1 Gravitation Urkraft des Universums Alles ist Geometrie Max Camenzind Akademie HD September 2016

2 Motivation zu diesem Zyklus: 100 Jahre Einstein-Gravitation

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5 Die Doku zu den Vorträgen: Ca. 230 S. A4 sw gebunden Nur im Eigenverlag erhältlich Video: Urkraft des Universums

6 Aristoteles führt das Abendland in die Irre Im Zusammenhang mit dem Problem der Bewegung von Körpern betrachtete der griechische Philosoph Aristoteles im 4. Jahrhundert v. Chr. Körper in einem Medium wie Wasser: Schwere Körper bewegen sich wegen ihrer Schwere nach unten, leichte wegen ihrer Leichtigkeit nach oben ( schwer und leicht bedeuten hier: größeres bzw. kleineres spezifisches Gewicht als Wasser), und dies offenbar mit konstanter Geschwindigkeit. Im gleichen Medium sinken daher schwerere Körper schneller zu Boden als weniger schwere, und in verschiedenen Medien ist die Geschwindigkeit umgekehrt proportional zum Widerstand des Mediums. In einem leeren Raum ohne Medium müsste die Sinkgeschwindigkeit dann unendlich groß sein, also könne es so ein Vakuum nicht geben. Diese Auffassungen wurden von den spätantiken, arabischen und scholastischen Gelehrten auf Bewegungen aller Art ausgedehnt, obwohl sie nicht den Erfahrungen beim Werfen und Fallen in Luft entsprechen und daher als allgemeine Eigenschaft des freien Falles auch bezweifelt wurden.

7 Aristoteles ( v.chr.) setzte aufs falsche Weltbild

8 Aristoteles Alles fällt zum Zentrum der Erde Also ist die Erde das Zentrum des Kosmos!

9 Doch warum fallen Steine zur Erde, während eine Flamme in die Höhe lodert? Warum stehen der Mond und die Sonne am Himmel und stürzen nicht auf die Erde herab? Diese Fragen beantworte Aristoteles mit seiner Lehre von den vier (oder fünf, unter Hinzurechnung des Äther) Elementen: Ihre gesonderten Eigenschaften bestehen vor allem in ihrem unterschiedlichen gravitativen Verhalten. Zwei davon, Wasser und Erde, sind schwer, sie fallen herab. Die beiden anderen, Luft und Feuer, sind leicht, sie steigen auf, bewegen sich vom Weltmittelpunkt weg. Zuletzt geht es dabei also um die Gravitation.

10 Galileo Galilei Galileo Galilei experimentiert um 1610 zum ersten Mal mit Gravitation. Er fand: Parabelwurf setzt sich aus 2 Bewegungen zusammen: Die Herleitung der Wurfparabel gelang Galilei in seinen berühmten Discorsi (1638). Diese Untersuchungen ergaben, dass die Bewegung im freien Fall gleichmäßig beschleunigt ist und darüber hinaus unabhängig von Material, Masse und Form des Körpers. Letzteres ist Inhalt des schwachen Äquivalenzprinzips.

11 Schwaches Äquivalenzprinzip Träge und schwere Masse sind gleich alle Körper fallen unabhängig von ihren anderen Eigenschaften, wie chemische Zusammensetzung, Größe, Form und Masse im Vakuum Masse fällt aus Bewegungsgleichung heraus Rein geometrische Gleichung Wurde bereits von Newton 1687 formuliert

12 Isaac Newton entwickelte 1687 die erste Theorie der Gravitation: Gravitation ist universell, Hier auf Erden, wie im Sonnensystem. Albert Einstein überholte 1915 Newton`s Theorie der Gravitation: Gravitation ist Geometrie, Raum und Zeit bilden eine Einheit, Raum wird durch Materie gekrümmt.

13 DerApfel und Newton: Der Apfel traf sein geniales Haupt - und brachte ihn auf die Idee mit dem Gravitationsgesetz. Jedes Schulkind lernt diese berühmte Anekdote über den Physiker Isaac Newton. Sie geht zurück auf eine 250 Jahre alte Biografie Memoirs of Sir Isaac Newtons Life des Forschers.

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15 Änderungen des Gravitationsfeldes mit c

16 Information wird durch Wellen transportiert

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18 Zeitgeschichte zur Gravitation Die Physik des Aristoteles: Erde ist Zentrum. 2. Jh.: Himmelsmechanik von Ptolemäus geozentrisch rein geometrisch, keine Kraft. 1543: Kopernikanische Revolution 1609: Kepler ersetzt Kreise durch Ellipsen. 1635: Galilei Relativität. 1687: Newton erklärt Kepler 3 Axiome Newtons + Gravitationskraft. 1905: SRT - Ätherwind, Maxwell und Einstein. 1915: Einstein Raum und Zeit bilden eine Einheit Gravitation ist Geometrie. 1916: Es gibt Gravitationswellen, prop. mit c zum ersten Mal mit AdvLIGO gemessen.

19 Geozentrisches Weltbild Kristallsphären Die Erde Geozentrisches steht still und Weltbild das Universum rotiert Claudius Ptolemäus, AD 6 Planeten Mond Erde Venus Sonne Mars Jupiter Saturn Fixstern- Sphäre ist noch heute in Gebrauch das ist die natürliche Bewegung der Erde.ist in Richtung des Zentrums des Universums; deshalb muss die Erde das Zentrum sein. Aristoteles, De Caelo

20 Kepler und Galilei um 1610 Johannes Kepler ( ) Galileo Galilei ( )

21 Galileo Galilei der Experimentator Erforschte Natur mittels Experimenten (Fallgesetze) und nicht durch Studium der Schriften des Aristoteles. Wesentliche Publikationen: Sidereus Nuntius (1610) Dialog über die zwei Weltsysteme (1632). Aufgrund dieser Diskussion Kopernikus vs Ptolemäus Bann durch die Kirche (1633). ( )

22 Als Galilei seine Kugeln die schiefe Ebene herunterrollen ließ So ging allen Naturforschern ein Licht auf: Die Natur, das Experiment ist der Richter über seine Entwürfe der Vernunft Immanuel Kant

23 Sidereus Nuntius (1610) Dialogo (1632)

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25 * 27. Dez Weil der Stadt 1600: Trifft Tycho Brahe; 1601: Kaiserlicher Hof-Mathematiker : Lehrer für Astronomie & Mathematik an der Protestantischen Schule in Graz

26 in Prag

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28 Kepler publiziert Tycho Brahes Daten 1627 in den Rudolphinischen Tafeln

29 Die 3 Keplerschen Gesetze der Planetenbewegung 1609 hergeleitet von Newton 1687 Keplers Universum war jedoch mystisch

30 Kepler s Revision 1609 Planeten bewegen sich auf Ellipsen; Sie bewegen sich im Perihel F schneller

31 Keplersche Gesetze im Sonnen-System Johannes Kepler ( ) erbte die Beobachtungen von Tycho Brahe ( ) über die Planetenbahnen um die Sonne. Daraus folgerte er die Keplerschen Gesetze: 1. Jeder Planet läuft auf einer elliptischen Bahn mit der Sonne im Brennpunkt der Ellipse. 2. In gleichenzeitintervallen überstreicht der Radius gleiche Flächen V unterschiedlich! 2 3 P 1 ²/P 2 ² = a 1 ³/a 2 ³ 3. P a P: Umlaufzeit Kepler (Yerkes Obs.) Newton Isaac Newton (1686) leitete Kepler Gesetze her.

32 Kepler 3 P 1 ² / P 2 ² = a 1 ³ / a 2 ³ (P/Jahren)² = (a/ae)³ 4 äußere Planeten 4 innere Planeten

33 Isaac Newton Gravitation 1687 Alle Körper ziehen sich an

34 Sonnensystem Newton erklärt die Ordnung im Sonnensystem

35 Newton ist Einstein des 17. Jh. Isaac Newton vereint 1687 alle Daten und Vorstellungen / erfindet auch Spiegelteleskop

36 Isaac Newton brachte die damals bekannte Physik in ein System von Gleichungen, aus denen sich alle Einzelphänomene (deduktiv) ableiten ließen.

37 Newtons Welt Newtons Welt ist eine Welt der Kräfte. Kräfte sind das dynamische Element im Universum, für jegliche Veränderung in der Welt ist eine Kraft sowohl verantwortlich als auch nötig. Für alle diese Kräfte gilt das Grundpostulat: Kraft ist Masse mal Beschleunigung. Angewendet auf die Gravitation sollte auch sie eine Kraft von dieser Art sein. Damit war die "Schwerkraft" geboren.

38 Isaac Newton 1687

39 Messung der Gravitations- konstanten G mittels Torsionswaage

40 Cavendish Experiment 1798 Gravitationskonstante G = 6,67 x m³/kg/s²

41 Wie bestimme ich die Erd-Masse?

42 Schwaches Äquivalenz- Prinzip Test Torsionswaage a: Beschleunigung = (a 1 a 2 ) /(a 1 + a 2 ) Zukunft 10-16

43 Vergleich der Kräfte um 1900

44 James Clerk Maxwell formuliert die Gesetze der Elektrodynamik sog. Maxwell- Gleichungen

45 Magnetfelder eines Ringstromes

46 Elektromagnetische Wellen breiten sich mit Lichtgeschw. aus Maxwell-Gleichungen sind nicht Galilei-invariant! Lichtgeschwindigkeit hängt vom Bezugssystem ab! Maxwell-Gleichungen sind Lorentz-invariant (1886)

47 Elektromagnetische Wellen existieren im Kosmos Radiowellen - Gammastrahlen

48 schwach 4 Grundkräfte im Universum stark

49 Standardmodell der Teilchenphysik 2012 ist unvollständig

50 Was ist Teilchen? Wellenpakete

51 Zusammenfassung Der Kraftbegriff fehlte lange Zeit in der Beschreibung der Dynamik von Körpern. Erst Galilei kam diesem Begriff langsam auf die Spur, konnte aber das g nicht erklären. Eine konsistente Formulierung gelang aber erst Isaac Newton Himmel und Erde vereinigt. Heute sind 4 fundamentale Kräfte bekannt, wovon Gravitation bei weitem die schwächste ist, die Kernkraft die stärkste. Am Ende des 19. Jh. zeigten sich mehrere Ungereimtheiten in der Beschreibung der Kräfte mehr dazu am 19. Oktober, zur gleichen Zeit.

52 Nächster Vortrag: Mittwoch, 19. Oktober

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