Gerthsen Physik

Frontmatter

1. Mechanik der Massenpunkte

Zusammenfassung

Der einfachste Teil der Mechanik behandelt Fälle, in denen man von der Ausdehnung der Körper absehen und sie als mit Masse behaftete Punkte, Massenpunkte betrachten kann.

Helmut Vogel

2. Mechanik des starren Körpers

Zusammenfassung

Bisher durften die Dinge sich nur verhalten wie Massenpunkte, d. h. sich nur fortschreitend, translatorisch bewegen, gleichförmig oder beschleunigt. Jetzt erhalten sie eine Ausdehnung und können sich daher auch drehen. Zum Glück täuscht die Befürchtung, man müsse dafür eine ganz neue Mechanik lernen. Es genügt, sich ein einziges Wort dieser neuen Sprache klarzumachen; daraus kann man dann das ganze Wörterbuch herleiten, und die Grammatik ist auch dieselbe wie für den Massenpunkt — oder fast. Manche bilden sich ein, sie könnten Russisch, wenn sie einigermaßen „sdrastwuitje“ sagen können. Hier ist dieser Wunschtraum Wirklichkeit.

Helmut Vogel

3. Mechanik deformierbarer Körper

Zusammenfassung

Im täglichen Leben hat man es mit Systemen aus ungeheuer vielen Teilchen zu tun, die alle aufeinander Kräfte ausüben. Dazu kommen noch von außen wirkende Kräfte. Daß man so etwas überhaupt behandeln kann, ist vielen vereinfachenden Annahmen speziell über die inneren Kräfte zu danken. Manches ist auch immer noch nicht aus den Grundpinzipien vollständig ableitbar, z.B. das Verhalten turbulenter Strömungen.

Helmut Vogel

4. Schwingungen und Wellen

Zusammenfassung

„Alles schwingt“, hätte Heraklit mit fast ebensoviel Berechtigung sagen können. Teilchen, die an eine Gleichgewichtslage gebunden sind, sitzen in einem Potentialminimum. Die Umgebung des Minimums läßt sich aber bei einer glatten Funktion immer durch eine Parabel annähern: W = W ₀ + ax ², was einer elastischen Kraft F = -dW/dx = -2ax entspricht, und unter einer solchen Kraft schwingt ein Teilchen sogar harmonisch, sinusförmig. Deswegen sind harmonische Schwingungen physikalisch so wichtig. Auch mathematisch bilden sie die Grundbausteine, aus denen sich kompliziertere Schwingungsformen aufbauen lassen.

Helmut Vogel

5. Wärme

Zusammenfassung

Die ganze Wärmelehre läßt sich in einem kurzen Satz zusammenfassen: Wärme ist ungeordnete Molekülbewegung.

Helmut Vogel

6. Elektrizität

Zusammenfassung

Wir würden gern zu Beginn dieses Kapitels die Frage „Was ist Elektrizität?“ mit einem ebenso knappen Kernsatz beantworten wie im Fall der Wärme. Leider geht das nicht: Während sich die Wärmelehre bruchlos in die Mechanik eingliedern läßt, ist die elektrische Ladung durchaus eine Sache für sich; die Elektrodynamik ist neben der Mechanik die zweite, eigenständige Säule der klassischen Physik. Das hindert nicht, daß es zwischen diesen Säulen viele Querverbindungen gibt. In der Atomphysik schienen beide zu einem Triumphbogen zusammenzuwachsen, bis sich zeigte, daß beide Säulen, wenn sie die atomare Welt tragen sollen, gründlich umgebaut werden müssen, nämlich zur Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik.

Helmut Vogel

7. Elektrodynamik

Zusammenfassung

Mehr noch als das vorige steht dieses Kapitel im Zeichen Michael Faradays, dessen Ideen und Experimente, zu mathematischer Reife gebracht durch James Clerk Maxwell, der ganzen modernen Elektrotechnik zugrunde liegen.

Helmut Vogel

8. Freie Elektronen und Ionen

Zusammenfassung

Fast noch mehr als die Elektronen in Metalldrähten beherrschen Elektronen und Ionen im Vakuum oder in Halbleitern unser modernes Leben. Sie leuchten in Gasentladungslampen, heizen im Mikrowellengerät, unterhalten uns in Radio und Fernsehen, denken für uns im Computer, ganz abgesehen von den zahllosen elektronischen Meß–und Steuergeräten in Haus, Labor und Fabrik, von der Glimmlampe des Spannungsprüfers über das Oszilloskop bis zu den Riesenbeschleunigern; sie enthüllen heute neue Tiefenschichten in der Struktur der Materie, in die man vor fast hundert Jahren mit Hilfe der Gasentladungen einzudringen begann. Wir werden hier hauptsächlich geladene Teilchen in Gasen und im Vakuum untersuchen. Im Festkörper verhalten sich die Teilchen in vieler Hinsicht ähnlich, wie wir in Kap. 14 feststellen werden.

Helmut Vogel

9. Geometrische Optik

Zusammenfassung

Die Strahlenoptik beschreibt sehr einfach einige Züge der Lichtausbreitung. Aber sogar der Mechanismus von Reflexion und Brechung wird erst im Wellenbild klar. Allem, was mit Beugung, Polarisation usw. zusammenhängt, steht. die Strahlenoptik völlig hilflos gegenüber.

Helmut Vogel

10. Wellenoptik

Zusammenfassung

Was ist Licht? Newton war kein so einseitiger Verfechter der Korpuskularvorstellung, der Huygens Wellentheorie dank seiner Autorität so lange unterdrückt hätte, wie man oft hört. Vielmehr kombinierte er in ziemlich moderner Weise Teilchen und Wellen, um z. B. die verschiedenen Brechzahlen der Farben in seinem Prisma oder „seine“ Ringe zu erklären: Lichtteilchen verschiedener Art sollten Wellen im Äther auslösen, und diese sollten die Teilchen verschieden stark beschleunigen l— die langen roten stärker als die kurzen blauen. Er hielt nur eine endgültige Entscheidung für verfrüht. Sie fiel erst 150 Jahre später durch Fresnel und Young.

Helmut Vogel

11. Strahlungsenergie

Zusammenfassung

Da unser Auge aus dem Riesenbereich des elektromagnetischen Spektrums nur einen winzigen Ausschnitt (eine Oktave) wahrnimmt, und auch diesen mit sehr ungleicher Empfindlichkeit, muß streng unterschieden werden zwischen den physikalischen Größen, die das elektromagnetische Strahlungsfeld kennzeichnen, und den Größen der Photometrie im engeren Sinne, die die physiologische Wahrnehmung betreffen. Der zweite Standpunkt ist natürlich maßgebend für alle Fragen der praktischen Beleuchtungstechnik.

Helmut Vogel

12. Das Atom

Zusammenfassung

Die klassische Lichttheorie, besonders in ihrer vollendetsten Form als Maxwell-Lorentz-Theorie der elektromagnetischen Wellen und ihrer Wechselwirkung mit den atomaren Ladungssystemen, hatte eine ungeheure Fülle optischer Erscheinungen mit bewundernswerter Präzision beschrieben. Brechung und Dispersion, Streuung, die ganze Vielfalt der Polarisationserscheinungen bis hin zum Faraday- und Kerr-Effekt, der optischen Aktivität und, etwas später, den feinsten Einzelheiten der Ausbreitung von Radiowellen — all dies konnte die klassische Lichttheorie im wesentlichen verständlich machen. Zum ersten Mal versagte diese Theorie, als sie sich an die Erklärung der Emission und Absorption des Lichtes machte. Am einfachsten sollte die Emission durch einzelne Atome sein. Warum hierbei nur bestimmte scharfe Frequenzen ausgestrahlt werden und wo sie liegen, blieb völlig dunkel. Vereinzelte Ansätze, wie Thomsons Atommodell (Abschn. 12.3.1), erklärten zwar die Existenz der Spektrallinien, gaben aber völlig falsche Werte für ihre Lage.

Helmut Vogel

13. Kerne und Elementarteilchen

Zusammenfassung

Für viele Leute ist Physik heute gleich Kern– und Hochenergiephysik. Hier liegt allerdings die Front der Grundlagenforschung, und faszinierenderweise berührt sich hier das Kleinste mit dem Größten, mit Struktur und Entwicklung des Weltalls. In Abschn. 13.1 und 13.2 werden wir nachvollziehen, wie man Existenz und Eigenschaften des Kerns erschlossen hat. Abschnitt 13.4 gibt dann einen notgedrungen immer hinter der Entwicklung nachhinkenden Einblick in die neuere Forschung.

Helmut Vogel

14. Festkörperphysik

Zusammenfassung

Noch vor wenigen Jahrzehnten verstand man eigentlich nichts von dem, was für unser praktisches Leben am wichtigsten ist, nämlich vom Verhalten fester und flüssiger Stoffe. Diese Dinge sind nach der klassischen, nichtquantentheoretischen Physik nicht zu begreifen.

Helmut Vogel

15. Relativitätstheorie

Zusammenfassung

Kaum ein Gedankengebäude ist so ausschließlich mit einem Namen verknüpft wie der Einsteins mit der speziellen und der allgemeinen Relativitätstheorie. Für die spezielle gab es Vorläufer wie Lorentz, Poincaré, Hasenöhrl; die allgemeine hat bisher noch jeden Test bestanden und scheint allen Alternativansätzen überlegen zu sein. Dabei bekam Albert Einstein 1921 seinen Nobelpreis nicht dafür (trotz der sensationellen Bestätigung bei der totalen Sonnenfinsternis 1919 galt die Sache offenbar immer noch nicht als ganz gesichert), sondern für die Erklärung des Photoeffekts, die wiederum sogar ein Max Planck für „etwas über das Ziel hinausgeschossen“ ansah, wie er noch 1913 in seinem sonst sehr günstigen Gutachten über Einsteins Aufnahme in die Akademie der Wissenschaften schrieb.

Helmut Vogel

16. Quantenmechanik

Zusammenfassung

Es gibt für den Lernenden mehrere mögliche Zugänge zur Quantentheorie: den historischen, der die Näherungen und Irrtümer nachzeichnet, unter denen man sich an die ausgereifte Theorie herangetastet hat, den empirischen, der durch eine Reihe von experimenta crucis zeigt, wie sich Elektronen und Atome verhalten und wie dementsprechend die klassischen Vorstellungen abzuändern sind, den Hamiltonschen, der von dem hochentwickelten Formalismus der klassischen Mechanik ausgeht und diesen sinngemäß modifiziert, den optischen, der am Analogon der Welle–Teilchen–Dualität des Lichtes die gleiche Dualität für die Materie entwickelt, und den axiomatischen. Von allen diesen Zugängen führt der axiomatische weitaus am schnellsten auf ein Niveau, mit dem man etwas anfangen, d. h. wenigstens einige Grund– probleme quantitativ behandeln kann. Dem steht nur das Hindernis einer etwas abstrakten, ungewohnten Sprache entgegen. Vor allem muß man sich dazu einige mathematische Begriffe aneignen. Wir werden diese Begriffe nur kurz plausibel machen. Sicher werden Sie sich dadurch nicht verführen lassen zu glauben, Sie wüßten jetzt alles über diese Dinge.

Helmut Vogel

17. Statistische Physik

Zusammenfassung

Kein Mensch, kein Computer kann verfolgen, was jedes einzelne Molekül in Ihrem Zimmer oder auch nur jeder Tropfen in Ihrer Dusche tut. Was sollte man auch mit solchen Informationsmassen? Statistische Aussagen über Mittelwerte und Abweichungen davon sind alles, was man erwarten und verarbeiten kann. Man erhält sie indirekt makroskopisch, z.B. aus Druck und Temperatur, oder direkt mikroskopisch, aus dem mechanischen Verhalten der vielen Teilchen. Maxwell, Boltzmann, Gibbs haben beide Ansätze unter einen Hut gebracht und Methoden entwickelt, die u. a. auch in der Quantenphysik fruchtbar sind.

Helmut Vogel

18. Nichtlineare Dynamik

Zusammenfassung

Man kann sich streiten, ob Omar Chayyám oder Laplace das Paradigma des Determinismus klarer formuliert hat. Laplace zieht noch die stolze und etwas schauerliche Folgerung, im Prinzip könne man alles vorhersagen, wobei er sich auf die überwältigenden Erfolge von Newtons Mechanik, besonders der Himmelsmechanik stützt. Die Relativitätstheorie hat dann in gewisser Weise sogar den eleatischen Philosophen, Parmenides und Zenon, recht gegeben, die jede Veränderung als Illusion entlarvt zu haben glaubten: Wer die Welt vierdimensional sehen könnte, uno aspectu, wie Pierre Abélard sagte, der sähe nur einen Zustand, keinen Prozeß. Dem widersprachen Thermodynamik und statistische Physik, allerdings in sehr pessimistischem Sinn: Eine Einbahnstraße der Zeit sei durch den Entropiezuwachs gegeben, Veränderung gebe es noch, aber sie werde einmal ganz erlöschen. Auch nach der Quantenphysik entwickelt sich die ψ-Funktion eines isolierten Systems ganz vorhersagbar, wenn dieses sich anscheinend auch bei jeder Wechselwirkung, speziell mit einem Meßgerät, für eine der „unzähligen möglichen Welten“ entscheidet, wie manche meinen (die ψ-Funktion von Mikrosystem und Meßgerät, die natürlich kein Mensch formulieren kann, würde sich bestimmt völlig deterministisch entwik-keln).

Helmut Vogel

Backmatter