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2018 | Book

Kraft Read chapter Read first chapter

Eine Rundreise durch die Physik

Ein kompakter Überblick von der Kinematik zum Quantencomputer

Author: Dr. Wolfgang W. Osterhage

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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About this book

Das vorliegende Buch nimmt den Leser mit auf eine Reise von der klassischen zur modernen Physik – vom Kraftbegriff zu den Elementarteilchen, von der Wärmelehre zur Relativitätstheorie und Kosmologie. Es richtet sich an Leser, die in die Physik einsteigen wollen, ihr Wissen auffrischen oder sich (nochmal) einen Überblick verschaffen wollen.

Zuerst werden die Grundlagen der klassischen Physik behandelt: Mechanik, Elektrizitätslehre, Felder, Wellen und Wärmelehre. Auf dieser Basis werden die wesentlichen Erkenntnisse der Quantenphysik (Atomphysik, Kernphysik) einerseits und der Kosmologie (Relativitätstheorie) andererseits bis zum aktuellen Wissensstand entwickelt.

Auf Formeln wird bewusst nicht verzichtet - zum Verständnis sind mathematische Grundkenntnisse erforderlich, man muss jedoch beispielsweise die Differenzialrechnung nicht virtuos beherrschen, um folgen zu können. Der Autor legt Wert darauf, Querverbindungen zwischen den unterschiedlichen Teilgebieten der Physik zu knüpfen und lädt den Leser zum selbstständigen Weiterdenken ein. Das ausführliche Literaturverzeichnis zu jedem Kapitel regt zu weiterführender Lektüre an. In der zweiten Auflage wurden Abschnitte u.a. zu aktuellen Entwicklungen bei den Themen Gravitationswellen, Dunkle Materie, Fusionsforschung und Quantencomputer mit aufgenommen und ein englischsprachiger Index ergänzt.

Table of Contents

Frontmatter

Klassische Physik

Frontmatter
Kapitel 1. Kraft
Zusammenfassung
Wir stellen eine Kraft durch einen Pfeil dar und bezeichnen sie mit dem Großbuchstaben F – von force. Die Umgebung, in der eine Kraft wirkt, nennt man ein Kraftfeld. Das erste klassische Kraftfeld, das qualitativ und quantitativ beschrieben wurde, ist das Feld, in dem die Gravitationskraft wirkt: die oben beschriebene Gravitation.
Wolfgang W. Osterhage
Kapitel 2. Bewegung
Zusammenfassung
Vereinfacht lässt sich sagen, dass sich die Kinematik (Bewegungslehre) mit der Beschreibung von Bewegungen eines Massepunkt beschäftigt. In ihr werden die Bewegungsabläufe dargestellt, ohne dass zunächst nach den Ursachen für eine Bewegung gefragt wird. Die Kinematik stellt das Handwerkszeug bereit, welches später in der Kinetik – bei der Betrachtung dieser Bewegungen und deren Ursachen – benötigt wird. Bewegung hat eine Ursache und die Kinetik behandelt die Beziehung zwischen einer Kraft und einem Bewegungsablauf.
Wolfgang W. Osterhage
Kapitel 3. Flüssigkeiten und Gase
Zusammenfassung
Jeder, der schon einmal einen Fahrradreifen aufgepumpt hat, hat auch gespürt, welchen Widerstand der Reifen gegen Ende der Operation dem weiteren Befüllen durch die Luftpumpe entgegensetzt. Und jeder weiß auch, dass diese Kraft mit dem Druck zusammenhängt – Druck, der ausgeübt wird durch die Kompression von Luft, also durch ein Medium, dass weder starr noch punktförmig ist.
Wolfgang W. Osterhage
Kapitel 4. Wärmelehre
Zusammenfassung
Der Definition von Energie werden wir uns – unabhängig vom Thema dieses Kapitels „Wärmelehre“ – über den Begriff der Arbeit nähern und zunächst wieder vom Kraftbegriff ausgehen. Auf der Basis von potenzieller und kinetischer Energie werden wir anschließend die Thermodynamik behandeln. Wir befassen uns also weiterhin mit Bewegung, sprich Dynamik, und deren auslösenden Momenten. Von den starren Körpern über Flüssigkeiten und Gase kommen wir jetzt zu der Bewegung von Wärme selbst.
Wolfgang W. Osterhage
Kapitel 5. Elektrizitätslehre
Zusammenfassung
In diesem Abschnitt werden wir drei wichtige Aspekte näher in Augenschein nehmen. Neben der Gravitation werden wir eine neue Grundkraft oder Wechselwirkung der Natur kennenlernen, wir werden zum ersten Mal von Elementarteilchen hören und wir werden sehen, dass eine Vereinigung von Grundkräften möglich ist.
Wolfgang W. Osterhage
Kapitel 6. Felder
Zusammenfassung
Wir wollen uns in diesem Abschnitt den Feldbegriff zunächst in allgemeiner Form vor Augen führen. Danach werden wir noch einmal auf seine Anwendung für die beiden Wechselwirkungen Gravitation und Elektromagnetismus eingehen.
Wolfgang W. Osterhage
Kapitel 7. Wellen
Zusammenfassung
Es gibt Aussagen allgemeiner Art, die für alle Arten von Wellen und Schwingungen gültig sind und strengen mathematischen Regeln folgen. Diese Regeln wollen wir uns zunächst anschauen und sie anschließend auf mechanische Schwingungen bzw. Wellen in Flüssigkeiten anwenden. Danach werden wir die elektromagnetischen Wellen besprechen, die uns erstmalig zu einer anderen als der Teilchennatur der Materie, nämlich der Wellennatur, führen werden.
Wolfgang W. Osterhage
Kapitel 8. Intermezzo – von der Klassik zur Moderne
Zusammenfassung
Der französische Mathematiker Henri Poincare sagte einmal: „Wir sind in der glücklichen Lage, in einer Welt geboren zu sein, in der Ereignisse stattfinden, die wiederkehren. Stellen Sie sich vor, dass wir es anstatt mit 80 chemischen Elementen mit 80 Millionen zu tun hätten, und dass von diesen nicht einige alltäglich und andere selten wären, sondern alle gleichmäßig verteilt. Dann gäbe es jedes Mal, wenn wir irgendeinen Stein aufnehmen würden, eine große Wahrscheinlichkeit, dass dieser sich aus einer unbekannten Substanz zusammensetzen würde. In solch einer Welt würde es keine Wissenschaft geben. Dank der Vorsehung ist das nicht so.“ (Aus Perfect Rigor von Masha Gessen (2009) Houghton Mifflin Harcourt, Bosten/New York, S. 180).
Wolfgang W. Osterhage

Quantenphysik

Frontmatter
Kapitel 9. Atomphysik
Zusammenfassung
Im ersten Abschnitt werden wir uns mit den Grundlagen der Atomphysik beschäftigen. Mehr noch als in der klassischen Physik in Teil I werden wir gelegentlich einen Blick zurück auf die Historie werfen, um den heutigen Kenntnisstand, den wir uns ja über einen geschichtlich relativ kurzen Zeitraum angeeignet haben, in seiner Entwicklung nachvollziehen zu können.
Wolfgang W. Osterhage
Kapitel 10. Kernphysik
Zusammenfassung
In diesem zweiten Kapitel zur Quantenphysik greifen wir auf einen Teil des schon behandelten Atommodells zurück, nämlich auf die Tatsache, dass Atome eine Hülle und einen Kern besitzen. In diesem Kapitel geht es um den Atomkern selbst. Bei dessen Erforschung spielte die Entdeckung der natürlichen Radioaktivität eine wichtige Rolle.
Wolfgang W. Osterhage
Kapitel 11. Elementarteilchen
Zusammenfassung
In diesem Abschnitt wollen wir uns in die dritten und vierten Kellergeschosse der Materie hineinbegeben. Wir betreten dabei eine Domäne, die auch als Hochenergiephysik bezeichnet wird. Es geht um die Elementarteilchen. Einige von ihnen haben wir bereits kennengelernt, doch war das nur ein Ausschnitt des gesamten Spektrums an Teilchen, die in zahlreiche Familien unterteilt werden.
Wolfgang W. Osterhage
Kapitel 12. Intermezzo – von der Quantenphysik zur Gravitation
Zusammenfassung
Nach drei Einheiten Quantenphysik sind wir an dem Punkt angelangt, an dem wichtige Fragen noch unbeantwortet sind. Das Grundverständnis wurde anhand der Atomphysik aufgebaut und über die Kernphysik erweitert, es folgten die Bausteine der Materie, die Leptonen und Hadronen, und unter Letzteren die Quarks
Wolfgang W. Osterhage

Relativitätstheorie

Frontmatter
Kapitel 13. Spezielle Relativitätstheorie
Zusammenfassung
Die Beobachtungen im Zusammenhang mit der Gravitation finden weniger bzw. überhaupt nicht im Kosmos des Kleinsten, sondern im Kosmos des Größten statt, den wir allgemein den „Kosmos“ nennen. Beeinflusst von der im Verhältnis zu den anderen Naturkräften verschwindend geringen Gravitationskraft bewegen wir uns im unvorstellbar großen Raum-Zeit-Gefüge. Der Zugang zum Verständnis der Raumzeit und unserer Bewegung in ihr führt über die Relativitätstheorie, die einst für einen sehr speziellen Fall konstruiert, dann aber verallgemeinert wurde.
Wolfgang W. Osterhage
Kapitel 14. Allgemeine Relativitätstheorie
Zusammenfassung
In diesem Kapitel geht es um die Verallgemeinerung des Relativitätsprinzips. Dabei werden wir nur auf die Kernaussage der Speziellen Relativitätstheorie zurückgreifen, insofern wir von einer Verallgemeinerung der Bezugssysteme ausgehen. Keinesfalls wird etwa die Allgemeine Relativitätstheorie formelmäßig aus der Speziellen hervorgehen.
Wolfgang W. Osterhage
Kapitel 15. Kosmologie
Zusammenfassung
Nach den erarbeiteten Voraussetzungen bietet es sich nun an, jene Welt neu zu betrachten, in der die Gravitation als mächtigste Kraft wirkt und webt: den Kosmos mit seinen Himmelskörpern. Das bedeutet nicht, dass wir an dieser Stelle Astronomie im klassischen Sinne betreiben wollen, die sich bekanntermaßen mit der Positionierung von Sternen und Planeten beschäftigt. Die sogenannte Kosmologie befasst sich mit der Relativitätstheorie und Modellen des Universums und ist ein großes Gebiet, deren Grundlagen in anderen Büchern niedergelegt sind, sodass wir hier nur einen kurzen Streifzug machen werden.
Wolfgang W. Osterhage
Kapitel 16. Ausblick
Zusammenfassung
Zum Abschluss bietet es sich an, den aktuellen Stand der Forschung zu resümieren. Dazu gehört auch der ganze Komplex noch offener Probleme bzw. ungelöster Rätsel, wobei der Übergang von den Rätseln zu ungelösten Problemen teilweise fließend ist.
Wolfgang W. Osterhage
Backmatter
Metadata
Title
Eine Rundreise durch die Physik
Author
Dr. Wolfgang W. Osterhage
Copyright Year
2018
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-57836-0
Print ISBN
978-3-662-57835-3
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-57836-0

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