Einstein und das neue Weltbild der Physik

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1 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Einstein und das neue Weltbild der Physik Vita eines Genies: Biografie Die Physik am Beginn des 20. Jhrds. Michelson-Morley und das Ende vom Äther Schwierigkeiten der nichtrelativistischen Mechanik und Eletrodynamik Die spezielle Relatitvitätstheorie Konsequenzen der speziellen Relativität Die allgemeine Relativitätstheorie Weitere bahnbrechende Beiträge Einsteins Die Physik zu Beginn des 21. Jhrds.

2 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Biographie I 1879 Geburt in Ulm, jüdische Eltern Hermann Einstein, Pauline Koch; (später jüngere Schwester Maja) 1880 Umzug nach München, Gründung E-Techn. Fabrik, Kindheit in München, Besuch der Schule und des Gymnasiums 1895 Erster wiss. Aufsatz; Folgt der Familie nach Italien; gescheiterter Versuch sich am Polytechnikum Zürich (ohne Abschluss) mit Aufnahmeprüfung einzuschreiben (zu schlecht in literar. Fächern) 1896 Besuch einer höheren Schule in der Schweiz; Abschluss; erfolgreiche Einschreibung am Polytechnikum ( Schule für Fachlehrer Math. u. nat.w. Richtung ); Eher Exp.-Physik-Interesse; weniger Mathematik Diplom; bekommt aber keine Doktorandenstelle 1901 Schweizer Staatsbürger, Techn. Experte II. Klasse am Patentamt Bern; Heirat mit Mileva Maric 1904 Geburt des ersten Sohnes Hans Albert

3 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Biographie II 1905 Annus Mirabilis: 4 bahnbrechende Veröffentlichungen: - Spezielle Relativitätstheorie - Lichtquanten, fotoelektrischer Effekt - Brownsche Molekularbewegung, Begr. der statistischen Mechanik - Äquivalenz von Masse und Energie 1906 Promotion mit Paper zu Moleküldimensionen 1907 Formulierung der allg. Relativitätstheorie 1909 Ausserord. Professor an Uni Zürich 1914 Prof. Uni Berlin; Preuss. Akademie d. Wissenschaften 1917 Arbeit zur stimulierten Emission von Licht (theoret. Grundlage des Lasers) 1921 Physik Nobelpreis für die Beschreibung des photoelektr. Effekts 1936 Emigration in die USA; Institute for Advanced Studies, Princeton 1955 stirbt in Princeton

4 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Die Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts I Klass. Thermodynamik Sicher: Temperatur, Gase, Druck, Volumen, Motoren, Aggregatzustände Neu: Boltzmann-Konstante und statistische Ableitung auf der Basis von Vielteilchen-Systemen, Strahlungsformeln von Planck, Wien, Rayleigh und Jeans Klass. Mechanik (2. Newtonsches Gesetz) (Galilei-Invarianz)

5 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Die Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts II Klass. Elektrodynamik I Erklärt: Optik, elektr. u. magn. Phänomene, el.-magn.- Strahlung, Licht Erklärt nicht: Angenommenen Äther, damalige neue exp. Befunde Maxwell Gleichungen Ladungen erzeugen el. Felder Keine magn. Monopole Induktionsgesetz el. Ströme erzeugen Magnetfelder B(x,t): Magn.Induktion M(x,t): Magnetisierung P(x,t): Polarisation E(x,t): el. Feld D(x,t), el. Flussdichte (el. Feld in Materie) B(x,t) Magnet. Induktion (Magnetfeld im Vakuum) H(x,t) Magnetfeld, Magnetfeld in Materie j(x,t): el. Stromdichte;?(x,t): Ladungsdichte

6 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Die Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts III Klass. Elektrodynamik II Maxwell- Gleichungen Vakuum: Wellengleichungen Licht ist Welle mit Wellengeschw. = c 1-dim. Wellengl + allg. Lösung harm. Lösung, Welle

7 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 E 1 (x,t=t 0 ) Die Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts IV Klass. Elektrodynamik III harm. Lösung, Welle x a x t = t 0 E 1 (x,t=t 1 ) x a x t = t 1

8 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Michelson-Morley und das Ende vom Äther Henri Poincare FLASH Hendrik A. Lorentz Albert Michelson Williams Morley

9 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Schwierigkeiten der nichtrelativistischen Mechanik und Eletrodynamik (1) Das Licht breitet sich in allen Inertialsystemen in allem Richtungen mit der gleichen universellen Geschwindigkeit aus. Def. Inertialsystem: nicht beschleunigt? Newton-Gl. haben die Form Galilei-Invarianz K 0 K v (2) Teilchen ohne Masse tragen Energie und Impuls (Bsp. Photon) v (3) Lebensdauern von instabilen Elementarteilchen hängen von deren Bewegungszustand ab

10 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Spezielle Relativitätstheorie I K 0 t (t B,x B ) K t (t B,x B ) (t A,x A ) (t A,x A ) x x

11 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Spezielle Relativitätstheorie II 0 x = ct 3 x R Flache (Minkowski) Raumzeit

12 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Spezielle Relativitätstheorie III

13 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Spezielle Relativitätstheorie IV K 0 x 0 x 0 K v x 1 x 1 v

14 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Konsequenzen der speziellen Relativität I Zeitdilatation t' = 1 1 v c 2 2 t Zwillingsparadoxon Lebensdauer von instabilen Teilchen in Beschleunigern

15 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Konsequenzen der speziellen Relativität II Äquivalenz von Masse und Energie p d dτ 2 m x µ ( τ ) = 2 µ d dτ m x µ ( τ ) : = K f p µ µ Relativist. Verallg. des Newtonschen Gesetzes Relativist. Verallg. des Impulses Λ( v) µ = ( mc,0) p ( mc, mv) 0 K = γ γ v 1 = ( E, p) c E = γmc = p c + (mc 2 ) 2 0 x = ct γ : = 1 v 1 c x R

16 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Die allgemeine Relativitätstheorie Ricci-Tensor: Maß für die Krümmung der Raumzeit Kosmologische Konstante Einstein-Tensor : Lorentz-Metrik Gravitationskonstante Energie-Impuls-Tensor: Maß für die Materie- (Energie-)Verteilung Schwarzschild-Radius Sagittarius A* (Sternbild Schütze) 2.6 Mio Sonnenm.

17 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Weitere bahnbrechende Beiträge Einsteins Beschreibung der Theorie photoelektr. Effekts, Lichtquanten, Analyse und theoret. Deutung der bekannten Zusammenhänge für thermische Strahlung; Mitbegründer der Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik (indirekt) Analyse und statistische Begründung der Brownschen Bewegung; Beleg für Existenz der Atome / Moleküle; Abschätzung der Atomgröße / Avogadro-Zahl; Begründer der statistischen Mechanik Max Planck Avogadro Beschreibung der induzierten Emission von Photonen; theoret. Voraussetzung für den Laser; Grundlage für Quantenoptik Ludwig Boltzmann

18 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Die heutige Physik Klass. Mechanik Geometr. Struktur der Dynamik, det. Chaos, Kontiuna (Elastizität, Strömungen), Spez. Relativität Flache Raumzeit Elektrodynamik Optik, elektr. u. magn. Felder und Phänomene Stat. Mechanik Thermodynamik, Kontinua, Festkörper Quantenmechanik Atome, Moleküle, Chemie Quantenelektrodynamik Photonen, Wechselwirkung Strahlkung mit Materie, Antiteilchen des Elektrons, Leptonen Quantenchromodynamik Quarks und Gluonen, Aufbau der Kerne Eichtheorie d. schwachen WW Vektor-Bosonen, Leptonen, Radioaktivität Standardmodell M-Theorie 5 String-Theorien Quanten-Gravitation Strings, Branes, Multiversen, Dimensionen, Kosmologie, Quanten der Raumzeit Allg. Relativität Geometr. Struktur der Raumzeit, Gravitation, Kosmologie

19 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20 Fin

20 Einstein und das neue Weltbild der Physik, Georg Groh, Doktorandenseminar /20

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