Studium Generale Physik

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1 Studium Generale Physik

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3 Wolfgang W. Osterhage Studium Generale Physik Ein Rundflug von der modernen Physik klassischen bis zur

4 Wolfgang W. Osterhage Wachtberg-Niederbachem Deutschland ISBN ISBN (ebook) DOI / Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Spektrum Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013, unveränderter Nachdruck 2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informa-tionen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Planung: Lisa Edelhäuser Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Spektrum ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg

5 Inhalt Vorwort IX Teil 1 Klassische Physik Kraft Einleitung Kraft und Wirkung Maßeinheiten und Bezugssysteme Statik Fazit Bewegung Einleitung Kinematik Kinetik Fazit Flüssigkeiten und Gase Einleitung Flüssigkeiten Gasdynamik Fazit Wärmelehre Einleitung Energie Temperatur Erster Hauptsatz der Thermodynamik Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Wärmeleitung Phasen Fazit

6 VI Book Studium TitleGenerale Physik 5 Elektrizitätslehre Einleitung Ladung Strom und Spannung Magnetismus Wechselstrom Maxwellsche Gleichungen Transformator Fazit Felder Einleitung Gravitation Elektromagnetismus Fazit Wellen Einleitung Allgemeine Wellenlehre Mechanische Schwingungen Elektromagnetische Wellen Strahlenoptik Wellenoptik Fazit Intermezzo von der Klassik zur Moderne Teil 2 Quantenphysik Atomphysik Einleitung Strahlung Teilchen und Wellen Atommodelle Spektren Quantenzahlen Quantenmechanik Fazit Kernphysik Einleitung Radioaktivität Periodensystem der Elemente

7 Inhalt VII 10.4 Aufbau des Atomkerns Starke Wechselwirkung Kernmodelle Technologien Kernphysikalische Reaktionen Kernreaktoren Fusion Fazit Elementarteilchen Einleitung Erkenntnisse Experimente Klassifizierungen Quarks Schwache Wechselwirkung Fazit Intermezzo von der Quantenphysik zur Gravitation Einleitung Die vier Wechselwirkungen Quantenelektrodynamik (QED) und elektroschwache Wechselwirkung Standardmodell der Elementarteilchen Gravitation Teil 3 Relativitätstheorie Spezielle Relativitätstheorie Einleitung Lichtgeschwindigkeit Referenzsysteme / Ungleichzeitigkeit Energie-Masse-Äquivalent Fazit Allgemeine Relativitätstheorie Einleitung Gravitation Raumzeit Koordinatensysteme Krümmung Gravitationsgleichung Fazit

8 VIII Book Studium TitleGenerale Physik 15 Kosmologie Einleitung Modelle des Universums Singularitäten Urknall Kosmische Gebilde Fazit Ausblick Einleitung Stand der Wissenschaft heute Ungelöste Probleme und Rätsel Schlussbemerkung Formelsammlung Naturkonstanten und Umrechnungsfaktoren Allgemeine Literaturhinweise Stichwortverzeichnis

9 Vorwort Forschungsergebnisse, Theorien und Umsetzung in Technologien aus der Physik haben zu gewaltigen geistigen und gesellschaftlichen Umwälzungen geführt, die bis heute nachwirken. Viele offene Fragen nach den kosmischen Ursprüngen und den kleinsten Bausteinen der Natur sind noch nicht beantwortet. Dieses Buch nähert sich den großen Komplexen der modernen Physik, ohne Spezialistenwissen vermitteln zu wollen. Dabei werden zunächst die Grundlagen der klassischen Physik erörtert wie Mechanik, Elektrizitätslehre, Felder, Wellen, Wärmelehre. Auf dieser Basis werden dann die wesentlichen Erkenntnisse der Quantenphysik (Atomphysik, Kernphysik) und der Kosmologie (Relativitätstheorie) bis zum aktuellen Wissensstand entwickelt. Die inhaltliche Abfolge orientiert sich dabei nicht an der Geschichte der wissenschaftlichen Entdeckungen, wenn auch an einigen Stellen das eine oder andere geschichtliche Ereignis gestreift wird. Für das Verständnis der Physik sind die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Disziplinen wesentlich bedeutender als der historische Hintergrund. Insbesondere die Begriffe Kraft und Bewegung spielen immer wieder eine herausragende Rolle. Es gibt allerdings auch vertikale Abgrenzungen innerhalb einer Disziplin und auch solche horizontaler Art zu anderen Disziplinen. Als Beispiele für die vertikale Abgrenzung seien die Wärmelehre und die Wellenlehre genannt, die wir hier nur streifen werden. So wird der Schall nur im Zusammenhang mit der Gasdynamik erörtert. Das Gebiet der Akustik wird nicht weiter behandelt. Das Thema Optik findet im Bereich der Wellenlehre seinen Platz, ohne beispielsweise ausführlich auf optische Instrumente einzugehen. Auch die Kosmologie wird nicht durch ein Kapitel über die Astronomie allgemein, die sich ja mit Sternenkonstellationen beschäftigt, vorbereitet. Ein Beispiel für die horizontale Abgrenzung findet sich bei der Vorstellung des Periodensystems der Elemente im Zusammenhang mit der Atomphysik. Wir werden wir uns nicht mit den chemischen Eigenschaften beschäftigen es erfolgt also eine Abgrenzung zur Chemie. Gleiches gilt auch für viele technologische Anwendungen (Energieerzeugung, optische Instrumente usw.). Das Buch ist in drei Teile gegliedert: klassische Physik, Quantenphysik und Relativitätstheorie. Zum Verständnis sind mathematische Grundkenntnisse

10 X Studium Book TitleGenerale Physik erforderlich, man muss jedoch beispielsweise die Differenzialrechnung nicht virtuos beherrschen, um folgen zu können. Dennoch geht es nicht immer ohne bestimmte Formalismen. Es werden Vektoren eingeführt, ohne dass die Kenntnis der gesamten Vektoralgebra vorausgesetzt wird. Wo notwendig, wird die eine oder andere Gleichung speziell erläutert. Das gilt auch für Matrizen und Tensoren. Erwähnung finden einige Differenzialgleichungen bzw. partielle Differenzialgleichungen, die in der Physikgeschichte eine wichtige Rolle gespielt haben. Sie werden nicht immer hergeleitet, sind jedoch entsprechend erläutert. Ohne das freundliche Entgegenkommen des Verlags wäre dieses Buch, das auf einer einsemestrigen Grundlagenvorlesung beruht, nicht zustandegekommen. Bei der Bearbeitung, die mit viel Geduld und gegenseitigem Verständnis erfolgte, wurde ich professionell unterstützt von Meike Barth und Birgit Jarosch. Die Grafiken hat Thomas Epp nach meinen Vorlagen mit diversen Iterationen innerhalb eines sportlichen Zeitrahmens erstellt. Allen Beteiligten gilt mein ganz herzlicher Dank. Besonders danken möchte ich Vera Spillner. Sie hat mit mir zusammen nicht nur die Idee zu diesem Buch entwickelt, sondern viele neue inhaltliche Impulse gegeben und mich während der gesamten Umsetzungsphase mit ihren beharrlichen Aufmunterungen immer wieder motiviert. Wachtberg-Niederbachem Juni 2012 Wolfgang W. Osterhage