Grundkonzepte der Physik (eBook)

lt;!doctype html public "-//w3c//dtd html 4.0 transitional//en">

Wolfgang Weidlich, Universität Stuttgart, Stuttgart, Deutschland.

Wolfgang Weidlich, Universität Stuttgart, Stuttgart, Deutschland.

Vorwort 5
Einleitung 13
1 Grundbegriffe und Probleme der Wissenschaftstheorie im Hinblick auf den Zusammenhang zwischen Naturwissenschaften und Geisteswissenschaften 16
1.1 Einleitung 16
1.2 Gegenüberstellung Geistes- und Sozialwissenschaften/Naturwissenschaften 17
1.3 Wissenschaftstheoretische Konzepte 18
1.3.1 Das Erkenntniskonzept in der Naturwissenschaft 18
1.3.2 Eigenständige Methoden des Verstehens in den Geistes- und Sozialwissenschaften 22
1.4 Einordnung wissenschaftstheoretischer Positionen 26
1.4.1 Erklären und Verstehen 26
1.4.2 Dialektik 26
1.4.3 Verallgemeinerte Evolutionstheorie 27
1.5 Metapositionen (Zusammenhang zwischen den Positionen) 27
1.5.1 Postmoderne Fehlentwicklungen 27
1.5.2 Historische Entwicklung und wissenschaftlicher Fortschritt 28
1.5.3 Historische Entwicklung der Kulturen 29
2 Ausgewählte Begriffe der Mathematik 32
2.1 Funktionen 33
2.1.1 Beispiele 33
2.1.2 Umkehrfunktion 37
2.2 Komplexe Zahlen 38
2.2.1 Darstellung komplexer Zahlen 38
2.2.2 Funktionen komplexer Zahlen 39
2.3 Ellipse 40
2.4 Infinitesimalrechnung 41
2.4.1 Differenzialrechnung 41
2.4.2 Beispiel 42
2.4.3 Funktionen mit ihren 1. und 2. Ableitungen 42
2.4.4 Ableitungsregeln 42
2.5 Differenzialgleichungen 42
2.5.1 Beispiele 43
2.5.2 Beispiele aus der Physik 43
2.6 Vektorrechnung 45
2.6.1 Skalar 45
2.6.2 Vektor 45
2.6.3 Vektoranalysis 48
2.7 Raumkurve, Geschwindigkeit, Beschleunigung 49
2.8 Grundlegende Gleichungen der Physik 50
2.8.1 Klassische Mechanik 51
2.8.2 Klassische Elektrodynamik 51
2.8.3 Allgemeine Relativitätstheorie 51
2.8.4 Quantentheorie 52
3 Grundbegriffe der klassischen Mechanik 53
3.1 Die Entwicklung des Weltbildes 53
3.1.1 Das geozentrischeWeltbild des Ptolemäus 54
3.1.2 Heliozentrisches Weltbild des Nikolaus Kopernikus 56
3.1.3 Die Keplerschen Bewegungsgesetze der Planeten 57
3.1.4 Galilei am Beginn der Naturwissenschaften 58
3.2 Die Newtonsche Mechanik 59
3.2.1 Die Newtonschen Grundgesetze 59
3.2.2 Das Gravitationsgesetz 66
3.2.3 Die Überprüfung der Newtonschen Hypothese auf der Erde 67
3.2.4 Kosmische Überprüfung des Gravitationsgesetzes 72
3.3 Die Entwicklung der klassischen Mechanik 79
3.3.1 Die Entdeckung des Neptun 79
3.3.2 Aufstellung der Hamiltonschen Gleichungen 80
3.3.3 Determinismus und Kausalität 82
3.3.4 Deterministisches Chaos 82
3.4 Rückblick und Ausblick 84
3.4.1 Zeitliche Entwicklung der Weltbilder 84
3.4.2 Am Dreiländereck von Theologie, Philosophie und Naturwissenschaft 85
4 Grundbegriffe der Thermodynamik 89
4.1 Der Objektbereich der Thermodynamik 89
4.1.1 Thermodynamische Systeme 89
4.1.2 Die Zustandsgrößen des idealen Gases im Thermodynamischen Gleichgewicht 90
4.1.3 Erläuterung der Zustandsgrößen 90
4.2 Thermodynamische Systeme 93
4.2.1 Arten Thermodynamischer Systeme 93
4.2.2 Thermodynamische Zustandsänderungen 94
4.2.3 Innere Energie 95
4.3 Thermodynamische Kreisprozesse 96
4.4 Die Hauptsätze der Thermodynamik 97
4.5 Ein idealer Kreisprozess: Der reversible Carnot-Prozess 98
4.5.1 Der Aufbau des Carnot Prozesses 99
4.5.2 Der ideale Wirkungsgrad 101
4.5.3 Universalität der idealen Wirkungsgrade 101
4.5.4 Die Leistung des Carnot-Prozesses 102
4.6 Ein realer Kreisprozess: Der Stirling-Motor 103
4.6.1 Aufbau des Stirling-Motors 103
4.6.2 Die Phasen des Stirling-Motors 104
4.7 Der Verbrennungsmotor: Ein Gas-Austauschmotor 106
4.8 Definitionen 107
5 Grundbegriffe der klassischen Elektrodynamik 109
5.1 Die Erforscher des Elektromagnetismus 109
5.2 Die Begriffswelt und die Naturgesetze des Elektromagnetismus 110
5.2.1 Überblick über die Grundphänomene 113
5.3 Vektoranalysis: Das mathematische Hilfsmittel zur Formulierung der Elektrodynamik 119
5.3.1 Vektoren und Vektorfelder 119
5.3.2 Vektoranalysis 120
5.3.3 Kontinuitätsgleichung 122
5.3.4 Beispiele 123
5.4 Die Grundgleichungen der klassischen Elektrodynamik 126
5.4.1 Ableitung der bekannten Gesetze aus den Maxwellschen Gleichungen 127
5.4.2 Zu den Lösungen der Maxwellschen Gleichungen 129
5.5 Die Integration der Optik in die Elektrodynamik 130
Vorbemerkungen zu den Kapiteln 6 bis 10 137
6 Die Spezielle Relativitätstheorie 141
6.1 Das Geheimnis des Lichts 141
6.1.1 Die klassische Vorstellungswelt 141
6.1.2 Widerlegung der klassischen Vorstellungswelt 144
6.1.3 Auswirkungen von Einsteins Relativitätstheorie jenseits der Physik 147
6.2 Die Lorentz-Transformation 149
6.2.1 Lorentztransformation im einfachsten Fall 150
6.2.2 Lorentztransformation im allgemeinen Fall 153
6.2.3 Gruppeneigenschaft der Lorentztransformation 155
6.3 Folgerungen aus der Lorentztransformation 156
6.3.1 Längenmessung – Lorentzkontraktion 156
6.3.2 Zeitmessung – Zeitdilatation 157
6.3.3 Das Additionstheorem der Geschwindigkeiten 158
6.4 Die Kovarianz der Naturgesetze 160
6.4.1 Allgemeine Vorgehensweise 161
6.4.2 Die kovarianten Bewegungsgleichungen der Mechanik 162
6.4.3 Die kovariante Formulierung der Elektrodynamik 165
7 Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) 171
7.1 Probleme und Ziele der ART 171
7.2 Die Gleichungen der ART 174
7.3 Anwendungen der ART 183
7.3.1 GPS nicht ohne SRT und ART 184
7.3.2 Astronomische Bestätigungen der ART 188
7.4 Die Herleitung der Gleichungen der ART 197
7.4.1 Tensoranalysis 198
7.4.2 Intuitionsleitende Einsichten zur NichteuklidischenGeometrie 205
7.4.3 Die Riemannsche Nichteuklidische Geometrie 211
7.4.4 Die Einsteinschen Gleichungen der ART für die reale Raumzeit 217
8 Teilchen und Diskrete Energien 227
8.1 Einleitung 227
8.2 Der Atomismus in der antiken Naturphilosophie und in der modernen Physik 228
8.3 Beiträge der Statistischen Physik 230
8.3.1 Universelle Konstanten der Thermodynamik 230
8.3.2 Die Barometrische Höhenformel 232
8.3.3 Die Maxwell-Boltzmann-Verteilung und der Gleichverteilungssatz 236
8.3.4 Die Boltzmann-Gleichung 239
8.4 Grundlagenproblematik: Ist die Zeit reversibel oder irreversibel? 244
8.4.1 Übergang zum G-Raum 245
8.4.2 Das Umkehrtheorem 246
8.4.3 Das Wiederkehrtheorem 247
8.4.4 Die Boltzmann-Gleichung im Widerspruch zum Umkehr- und Wiederkehrtheorem 250
8.4.5 Der intuitive Zugang zur Irreversibilität der Zeit 251
8.5 Eine vorläufige Bilanz 252
8.6 Das elektromagnetische Feld als Sonde beim Eindringen in die Mikrowelt 254
8.6.1 Millikan Versuch (Nachweis der Elementarladung) 254
8.6.2 Bestimmung der Elementarladung durch Elektrolyse 256
8.6.3 Die Entdeckung des Elektrons 257
8.6.4 Massenspektrometer 259
8.6.5 Franck-Hertz-Versuch 261
8.7 Atommodelle 263
8.7.1 Das Atommodell von J. J. Thomson 264
8.7.2 Rutherfordstreuung und Atommodell 264
8.7.3 Das Bohrsche Atommodell 269
8.8 Rückblick und Ausblick 273
8.8.1 Erfolge der klassischen Physik 273
8.8.2 Das Poppersche Theorem 274
8.8.3 Die Frage nach dem Stabilitätsgrad von Hypothesen bzw. Naturgesetzen 274
9 Der Welle-Teilchen-Dualismus 278
9.1 Übergang von klassischer zu moderner Physik 278
9.2 Plancksches Strahlungsgesetz 279
9.2.1 Strahlungsgesetz nach Rayleigh-Jeans 280
9.2.2 Plancksches Strahlungsgesetz 281
9.2.3 Die Einsteinsche Ableitung der Planckschen Formel 284
9.2.4 Die weitreichende Bedeutung des Planckschen Strahlungsgesetzes 286
9.3 Der Photoelektrische Effekt 288
9.4 Elektronen: Nur Teilchen oder auch Wellen? 290
9.4.1 Das Davisson-Germer Experiment 291
9.4.2 Streuung von Elektronen an Graphit 292
9.5 Die Materiewellenhypothese von de Broglie 294
9.5.1 Eigenschaften der Materie 295
9.5.2 Zusammenhang mit dem Bohrschen Atommodell 297
9.5.3 Einordnung von de Broglies Materieeigenschaften 297
9.6 Der Doppelspaltversuch 298
9.6.1 Nachweis der Wellennatur 298
9.6.2 Verhalten von Photonen 299
9.6.3 Die beschränkte Anwendbarkeit der Modellvorstellungen 300
9.6.4 Schlussfolgerungen 302
10 Grundbegriffe der Quantentheorie 303
10.1 Die Situation 303
10.2 Der Durchbruch: Die Grundgleichungen der Quantentheorie 304
10.2.1 Die Schrödingergleichung 305
10.2.2 Die außerordentliche Übersetzungsvorschrift 305
10.3 Die zentralen Paradigmen 308
10.3.1 Der eindimensionale Harmonische Oszillator 308
10.3.2 Das Wasserstoffatom 315
10.4 Von der Vektorrechnung zum Hilbertraum 330
10.4.1 Von den Basisvektoren zum Vektorraum 332
10.4.2 Produkte im Vektorraum R3 334
10.4.3 Die Operatoren des Vektorraums R3 336
10.4.4 Vom dreidimensionalen Vektorraum R3 nach Rn 345
10.4.5 Vom Vektorraum Rn zum Hilbertraum H 349
10.5 Der Quantensprung zur Quantentheorie 354
10.5.1 Die Eignung des Hilbertraums 354
10.5.2 Die intuitionsleitende Funktion der zentralen Paradigmen 355
10.5.3 Zustände, Observable und Operatoren 356
10.5.4 Erwartungswerte, Messwerte, Varianzen, Unschärfe 357
10.5.5 Die Bewegungsgleichungen 364
10.6 Die Dichtematrix oder der statistische Operator 370
10.6.1 Eigenschaften des statistischen Operators 371
10.6.2 Erwartungswerte und Bewegungsgleichungen mit der Dichtematrix 374
10.6.3 Messprozess und Dekohärenz 376
10.6.4 Ein idealisiertes Modell des Messprozesses 379
10.7 Vergleich der klassischen und quantentheoretischen Strukturen 384
10.7.1 Dekohärenz, Indeterminismus, Irreversibilität 384
10.7.2 Die Logik physikalischer Zustände und Eigenschaften 387
10.7.3 Ein einfaches Beispiel mit großer Wirkung 396
10.8 Rückblick und Ausblick 401
11 400 Jahre Physik. Rückblick, Gegenwart und Ausblick 404
11.1 Ein Rückblick 404
11.1.1 Der zurückgelegteWeg 404
11.1.2 Wissenschaftstheoretische Konsequenzen 412
11.2 Die gegenwärtige Situation 418
11.2.1 Die Standardmodelle der Kosmologie und der Elementarteilchentheorie 418
11.2.2 Der Weg zur Interdisziplinarität 419
11.3 Ausblick 421
11.3.1 Der Fortgang des physikalischen Erkenntnisprozesses 421
11.3.2 Offenheit oder Vollständigkeit der wissenschaftlich erforschbaren Wirklichkeit? 423
11.3.3 Wissenschaft und Transzendenz 424
11.3.4 Spuren der Transzendenz in der Wirklichkeit 426
11.3.5 Die Einheit der Wirklichkeit und die Dimensionen der Wahrheit 428
Literatur zur Erinnerung und Vertiefung 431
Stichwortverzeichnis 433

lt;!doctype html public "-//w3c//dtd html 4.0 transitional//en">

"Dieses Buch ist ein instruktives Kompendium für Physiker, an Physik Interessierte und (hoffentlich!) Geisteswissenschaftler, die sich einen Überblick über die Physik mit ihren philosophischen Aspekten verschaffen wollen. ... Es ist Weidlichs Anliegen, mit seinem Buch zur Annäherung dieser großen Wissensgebiete beizutragen. ... Um bei den Geistes- und Sozialwissenschaftlern Verständnis für „Denkweise und Denkkultur der Physik“ zu wecken, beginnt er in jedem Kapitel verbal, um dann mathematisch zwar behutsam, aber doch in die Tiefe gehend, vorzudringen ..."
Herrmann Haken, Physik Journal 9/2014.

"... Die „Methode Physik“ und ihre Wechselwirkung mit der Erkenntnistheorie, und allgemeiner mit Philosophie und Theologie, ist sicher für alle Wissenschaftler spannend ..."
Hermann Grabert, Physik in Unserer Zeit 5/2014.