Weidlich Grundkonzepte der Physik

Mit Einblicken für Geisteswissenschaftler
1. Auflage 2013
ISBN: 978-3-11-033427-2
Verlag: De Gruyter
Format: PDF
Kopierschutz: Adobe DRM (»Systemvoraussetzungen)

E-Book, Deutsch, 440 Seiten

Kaum einem anderen Fach haftet der Ruf des Komplizierten und Formellastigen so stark an, wie der Physik. Doch sind viele der grundlegenden Konzepte und Prinzipien auch ohne tiefere mathematische Ausbildung verständlich.Dieses Buch soll eine Brücke zwischen den verschiedenen Kulturen der Geistes- und der Naturwissenschaften schlagen. Dabei geht der Autor in seiner Abhandlung weit über das Niveau vorhandener populärwissenschaftlicher Darstellungen hinaus. Ein separates Kapitel liefert die mathematischen Grundlagen, die das Verständnis vieler physikalischer Konzepte erleichtern. Dies gibt einerseits Geistes- und Sozialwissenschaftlern die Möglichkeit, das Wesen der Physik anhand ihrer Grundlegenden Konzepte und ihrer historischen Entwicklung zu verstehen. Andererseits eröffnet dieses Buch Ingenieur- und Naturwissenschaftlern neue Einblicke aus der Perspektive der Wissenschaftsgeschichte und Wissenschaftstheorie ohne die abstrakte Ebene der Mathematik.Mit seiner langjährigen Erfahrung in der Lehre und Forschung an der Universität Stuttgart lässt der Autor seine Leser von seinem Verständnis für die Denk- und Arbeitsweisen beider Kulturen profitieren.Aus dem Inhalt:Grundbegriffe und Probleme der Wissenschaftstheorie im Hinblick auf den Zusammenhang zwischen Naturwissenschaften und GeisteswissenschaftenAusgewählte Begriffe der MathematikGrundbegriffe der klassischen MechanikGrundbegriffe der ThermodynamikGrundbegriffe der klassischen ElektrodynamikDie Spezielle RelativitätstheorieDie Allgemeine Relativitätstheorie (ART)Teilchen und Diskrete EnergienDer Welle-Teilchen-DualismusGrundbegriffe der Quantentheorie400 Jahre Physik. Rückblick, Gegenwart und Ausblick

Zielgruppe

Physiker, Studenten und Dozenten in den Geisteswissenschaften, Hochschullehrer, Lehrer, Wissenschaftliche Bibliotheken

Autoren/Hrsg.

Weidlich, Wolfgang

Fachgebiete

• Naturwissenschaften Physik Physik Allgemein Theoretische Physik, Mathematische Physik, Computerphysik
• Geisteswissenschaften Philosophie Wissenschaftstheorie, Wissenschaftsphilosophie
• Interdisziplinäres Wissenschaften Wissenschaften Interdisziplinär Geisteswissenschaften

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort;5
2;Einleitung;13
3;1 Grundbegriffe und Probleme der Wissenschaftstheorie im Hinblick auf den Zusammenhang zwischen Naturwissenschaften und Geisteswissenschaften;16
3.1;1.1 Einleitung;16
3.2;1.2 Gegenüberstellung Geistes- und Sozialwissenschaften/Naturwissenschaften;17
3.3;1.3 Wissenschaftstheoretische Konzepte;18
3.3.1;1.3.1 Das Erkenntniskonzept in der Naturwissenschaft;18
3.3.2;1.3.2 Eigenständige Methoden des Verstehens in den Geistes- und Sozialwissenschaften;22
3.4;1.4 Einordnung wissenschaftstheoretischer Positionen;26
3.4.1;1.4.1 Erklären und Verstehen;26
3.4.2;1.4.2 Dialektik;26
3.4.3;1.4.3 Verallgemeinerte Evolutionstheorie;27
3.5;1.5 Metapositionen (Zusammenhang zwischen den Positionen);27
3.5.1;1.5.1 Postmoderne Fehlentwicklungen;27
3.5.2;1.5.2 Historische Entwicklung und wissenschaftlicher Fortschritt;28
3.5.3;1.5.3 Historische Entwicklung der Kulturen;29
4;2 Ausgewählte Begriffe der Mathematik;32
4.1;2.1 Funktionen;33
4.1.1;2.1.1 Beispiele;33
4.1.2;2.1.2 Umkehrfunktion;37
4.2;2.2 Komplexe Zahlen;38
4.2.1;2.2.1 Darstellung komplexer Zahlen;38
4.2.2;2.2.2 Funktionen komplexer Zahlen;39
4.3;2.3 Ellipse;40
4.4;2.4 Infinitesimalrechnung;41
4.4.1;2.4.1 Differenzialrechnung;41
4.4.2;2.4.2 Beispiel;42
4.4.3;2.4.3 Funktionen mit ihren 1. und 2. Ableitungen;42
4.4.4;2.4.4 Ableitungsregeln;42
4.5;2.5 Differenzialgleichungen;42
4.5.1;2.5.1 Beispiele;43
4.5.2;2.5.2 Beispiele aus der Physik;43
4.6;2.6 Vektorrechnung;45
4.6.1;2.6.1 Skalar;45
4.6.2;2.6.2 Vektor;45
4.6.3;2.6.3 Vektoranalysis;48
4.7;2.7 Raumkurve, Geschwindigkeit, Beschleunigung;49
4.8;2.8 Grundlegende Gleichungen der Physik;50
4.8.1;2.8.1 Klassische Mechanik;51
4.8.2;2.8.2 Klassische Elektrodynamik;51
4.8.3;2.8.3 Allgemeine Relativitätstheorie;51
4.8.4;2.8.4 Quantentheorie;52
5;3 Grundbegriffe der klassischen Mechanik;53
5.1;3.1 Die Entwicklung des Weltbildes;53
5.1.1;3.1.1 Das geozentrischeWeltbild des Ptolemäus;54
5.1.2;3.1.2 Heliozentrisches Weltbild des Nikolaus Kopernikus;56
5.1.3;3.1.3 Die Keplerschen Bewegungsgesetze der Planeten;57
5.1.4;3.1.4 Galilei am Beginn der Naturwissenschaften;58
5.2;3.2 Die Newtonsche Mechanik;59
5.2.1;3.2.1 Die Newtonschen Grundgesetze;59
5.2.2;3.2.2 Das Gravitationsgesetz;66
5.2.3;3.2.3 Die Überprüfung der Newtonschen Hypothese auf der Erde;67
5.2.4;3.2.4 Kosmische Überprüfung des Gravitationsgesetzes;72
5.3;3.3 Die Entwicklung der klassischen Mechanik;79
5.3.1;3.3.1 Die Entdeckung des Neptun;79
5.3.2;3.3.2 Aufstellung der Hamiltonschen Gleichungen;80
5.3.3;3.3.3 Determinismus und Kausalität;82
5.3.4;3.3.4 Deterministisches Chaos;82
5.4;3.4 Rückblick und Ausblick;84
5.4.1;3.4.1 Zeitliche Entwicklung der Weltbilder;84
5.4.2;3.4.2 Am Dreiländereck von Theologie, Philosophie und Naturwissenschaft;85
6;4 Grundbegriffe der Thermodynamik;89
6.1;4.1 Der Objektbereich der Thermodynamik;89
6.1.1;4.1.1 Thermodynamische Systeme;89
6.1.2;4.1.2 Die Zustandsgrößen des idealen Gases im Thermodynamischen Gleichgewicht;90
6.1.3;4.1.3 Erläuterung der Zustandsgrößen;90
6.2;4.2 Thermodynamische Systeme;93
6.2.1;4.2.1 Arten Thermodynamischer Systeme;93
6.2.2;4.2.2 Thermodynamische Zustandsänderungen;94
6.2.3;4.2.3 Innere Energie;95
6.3;4.3 Thermodynamische Kreisprozesse;96
6.4;4.4 Die Hauptsätze der Thermodynamik;97
6.5;4.5 Ein idealer Kreisprozess: Der reversible Carnot-Prozess;98
6.5.1;4.5.1 Der Aufbau des Carnot Prozesses;99
6.5.2;4.5.2 Der ideale Wirkungsgrad;101
6.5.3;4.5.3 Universalität der idealen Wirkungsgrade;101
6.5.4;4.5.4 Die Leistung des Carnot-Prozesses;102
6.6;4.6 Ein realer Kreisprozess: Der Stirling-Motor;103
6.6.1;4.6.1 Aufbau des Stirling-Motors;103
6.6.2;4.6.2 Die Phasen des Stirling-Motors;104
6.7;4.7 Der Verbrennungsmotor: Ein Gas-Austauschmotor;106
6.8;4.8 Definitionen;107
7;5 Grundbegriffe der klassischen Elektrodynamik;109
7.1;5.1 Die Erforscher des Elektromagnetismus;109
7.2;5.2 Die Begriffswelt und die Naturgesetze des Elektromagnetismus;110
7.2.1;5.2.1 Überblick über die Grundphänomene;113
7.3;5.3 Vektoranalysis: Das mathematische Hilfsmittel zur Formulierung der Elektrodynamik;119
7.3.1;5.3.1 Vektoren und Vektorfelder;119
7.3.2;5.3.2 Vektoranalysis;120
7.3.3;5.3.3 Kontinuitätsgleichung;122
7.3.4;5.3.4 Beispiele;123
7.4;5.4 Die Grundgleichungen der klassischen Elektrodynamik;126
7.4.1;5.4.1 Ableitung der bekannten Gesetze aus den Maxwellschen Gleichungen;127
7.4.2;5.4.2 Zu den Lösungen der Maxwellschen Gleichungen;129
7.5;5.5 Die Integration der Optik in die Elektrodynamik;130
8;Vorbemerkungen zu den Kapiteln 6 bis 10;137
9;6 Die Spezielle Relativitätstheorie;141
9.1;6.1 Das Geheimnis des Lichts;141
9.1.1;6.1.1 Die klassische Vorstellungswelt;141
9.1.2;6.1.2 Widerlegung der klassischen Vorstellungswelt;144
9.1.3;6.1.3 Auswirkungen von Einsteins Relativitätstheorie jenseits der Physik;147
9.2;6.2 Die Lorentz-Transformation;149
9.2.1;6.2.1 Lorentztransformation im einfachsten Fall;150
9.2.2;6.2.2 Lorentztransformation im allgemeinen Fall;153
9.2.3;6.2.3 Gruppeneigenschaft der Lorentztransformation;155
9.3;6.3 Folgerungen aus der Lorentztransformation;156
9.3.1;6.3.1 Längenmessung – Lorentzkontraktion;156
9.3.2;6.3.2 Zeitmessung – Zeitdilatation;157
9.3.3;6.3.3 Das Additionstheorem der Geschwindigkeiten;158
9.4;6.4 Die Kovarianz der Naturgesetze;160
9.4.1;6.4.1 Allgemeine Vorgehensweise;161
9.4.2;6.4.2 Die kovarianten Bewegungsgleichungen der Mechanik;162
9.4.3;6.4.3 Die kovariante Formulierung der Elektrodynamik;165
10;7 Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART);171
10.1;7.1 Probleme und Ziele der ART;171
10.2;7.2 Die Gleichungen der ART;174
10.3;7.3 Anwendungen der ART;183
10.3.1;7.3.1 GPS nicht ohne SRT und ART;184
10.3.2;7.3.2 Astronomische Bestätigungen der ART;188
10.4;7.4 Die Herleitung der Gleichungen der ART;197
10.4.1;7.4.1 Tensoranalysis;198
10.4.2;7.4.2 Intuitionsleitende Einsichten zur NichteuklidischenGeometrie;205
10.4.3;7.4.3 Die Riemannsche Nichteuklidische Geometrie;211
10.4.4;7.4.4 Die Einsteinschen Gleichungen der ART für die reale Raumzeit;217
11;8 Teilchen und Diskrete Energien;227
11.1;8.1 Einleitung;227
11.2;8.2 Der Atomismus in der antiken Naturphilosophie und in der modernen Physik;228
11.3;8.3 Beiträge der Statistischen Physik;230
11.3.1;8.3.1 Universelle Konstanten der Thermodynamik;230
11.3.2;8.3.2 Die Barometrische Höhenformel;232
11.3.3;8.3.3 Die Maxwell-Boltzmann-Verteilung und der Gleichverteilungssatz;236
11.3.4;8.3.4 Die Boltzmann-Gleichung;239
11.4;8.4 Grundlagenproblematik: Ist die Zeit reversibel oder irreversibel?;244
11.4.1;8.4.1 Übergang zum G-Raum;245
11.4.2;8.4.2 Das Umkehrtheorem;246
11.4.3;8.4.3 Das Wiederkehrtheorem;247
11.4.4;8.4.4 Die Boltzmann-Gleichung im Widerspruch zum Umkehr- und Wiederkehrtheorem;250
11.4.5;8.4.5 Der intuitive Zugang zur Irreversibilität der Zeit;251
11.5;8.5 Eine vorläufige Bilanz;252
11.6;8.6 Das elektromagnetische Feld als Sonde beim Eindringen in die Mikrowelt;254
11.6.1;8.6.1 Millikan Versuch (Nachweis der Elementarladung);254
11.6.2;8.6.2 Bestimmung der Elementarladung durch Elektrolyse;256
11.6.3;8.6.3 Die Entdeckung des Elektrons;257
11.6.4;8.6.4 Massenspektrometer;259
11.6.5;8.6.5 Franck-Hertz-Versuch;261
11.7;8.7 Atommodelle;263
11.7.1;8.7.1 Das Atommodell von J. J. Thomson;264
11.7.2;8.7.2 Rutherfordstreuung und Atommodell;264
11.7.3;8.7.3 Das Bohrsche Atommodell;269
11.8;8.8 Rückblick und Ausblick;273
11.8.1;8.8.1 Erfolge der klassischen Physik;273
11.8.2;8.8.2 Das Poppersche Theorem;274
11.8.3;8.8.3 Die Frage nach dem Stabilitätsgrad von Hypothesen bzw. Naturgesetzen;274
12;9 Der Welle-Teilchen-Dualismus;278
12.1;9.1 Übergang von klassischer zu moderner Physik;278
12.2;9.2 Plancksches Strahlungsgesetz;279
12.2.1;9.2.1 Strahlungsgesetz nach Rayleigh-Jeans;280
12.2.2;9.2.2 Plancksches Strahlungsgesetz;281
12.2.3;9.2.3 Die Einsteinsche Ableitung der Planckschen Formel;284
12.2.4;9.2.4 Die weitreichende Bedeutung des Planckschen Strahlungsgesetzes;286
12.3;9.3 Der Photoelektrische Effekt;288
12.4;9.4 Elektronen: Nur Teilchen oder auch Wellen?;290
12.4.1;9.4.1 Das Davisson-Germer Experiment;291
12.4.2;9.4.2 Streuung von Elektronen an Graphit;292
12.5;9.5 Die Materiewellenhypothese von de Broglie;294
12.5.1;9.5.1 Eigenschaften der Materie;295
12.5.2;9.5.2 Zusammenhang mit dem Bohrschen Atommodell;297
12.5.3;9.5.3 Einordnung von de Broglies Materieeigenschaften;297
12.6;9.6 Der Doppelspaltversuch;298
12.6.1;9.6.1 Nachweis der Wellennatur;298
12.6.2;9.6.2 Verhalten von Photonen;299
12.6.3;9.6.3 Die beschränkte Anwendbarkeit der Modellvorstellungen;300
12.6.4;9.6.4 Schlussfolgerungen;302
13;10 Grundbegriffe der Quantentheorie;303
13.1;10.1 Die Situation;303
13.2;10.2 Der Durchbruch: Die Grundgleichungen der Quantentheorie;304
13.2.1;10.2.1 Die Schrödingergleichung;305
13.2.2;10.2.2 Die außerordentliche Übersetzungsvorschrift;305
13.3;10.3 Die zentralen Paradigmen;308
13.3.1;10.3.1 Der eindimensionale Harmonische Oszillator;308
13.3.2;10.3.2 Das Wasserstoffatom;315
13.4;10.4 Von der Vektorrechnung zum Hilbertraum;330
13.4.1;10.4.1 Von den Basisvektoren zum Vektorraum;332
13.4.2;10.4.2 Produkte im Vektorraum R3;334
13.4.3;10.4.3 Die Operatoren des Vektorraums R3;336
13.4.4;10.4.4 Vom dreidimensionalen Vektorraum R3 nach Rn;345
13.4.5;10.4.5 Vom Vektorraum Rn zum Hilbertraum H;349
13.5;10.5 Der Quantensprung zur Quantentheorie;354
13.5.1;10.5.1 Die Eignung des Hilbertraums;354
13.5.2;10.5.2 Die intuitionsleitende Funktion der zentralen Paradigmen;355
13.5.3;10.5.3 Zustände, Observable und Operatoren;356
13.5.4;10.5.4 Erwartungswerte, Messwerte, Varianzen, Unschärfe;357
13.5.5;10.5.5 Die Bewegungsgleichungen;364
13.6;10.6 Die Dichtematrix oder der statistische Operator;370
13.6.1;10.6.1 Eigenschaften des statistischen Operators;371
13.6.2;10.6.2 Erwartungswerte und Bewegungsgleichungen mit der Dichtematrix;374
13.6.3;10.6.3 Messprozess und Dekohärenz;376
13.6.4;10.6.4 Ein idealisiertes Modell des Messprozesses;379
13.7;10.7 Vergleich der klassischen und quantentheoretischen Strukturen;384
13.7.1;10.7.1 Dekohärenz, Indeterminismus, Irreversibilität;384
13.7.2;10.7.2 Die Logik physikalischer Zustände und Eigenschaften;387
13.7.3;10.7.3 Ein einfaches Beispiel mit großer Wirkung;396
13.8;10.8 Rückblick und Ausblick;401
14;11 400 Jahre Physik. Rückblick, Gegenwart und Ausblick;404
14.1;11.1 Ein Rückblick;404
14.1.1;11.1.1 Der zurückgelegteWeg;404
14.1.2;11.1.2 Wissenschaftstheoretische Konsequenzen;412
14.2;11.2 Die gegenwärtige Situation;418
14.2.1;11.2.1 Die Standardmodelle der Kosmologie und der Elementarteilchentheorie;418
14.2.2;11.2.2 Der Weg zur Interdisziplinarität;419
14.3;11.3 Ausblick;421
14.3.1;11.3.1 Der Fortgang des physikalischen Erkenntnisprozesses;421
14.3.2;11.3.2 Offenheit oder Vollständigkeit der wissenschaftlich erforschbaren Wirklichkeit?;423
14.3.3;11.3.3 Wissenschaft und Transzendenz;424
14.3.4;11.3.4 Spuren der Transzendenz in der Wirklichkeit;426
14.3.5;11.3.5 Die Einheit der Wirklichkeit und die Dimensionen der Wahrheit;428
15;Literatur zur Erinnerung und Vertiefung;431
16;Stichwortverzeichnis;433

Über Autor(innen)

Wolfgang Weidlich, Universität Stuttgart, Stuttgart, Deutschland.

Wolfgang Weidlich, Universität Stuttgart, Stuttgart, Deutschland.