Physik compact 8, Themenheft

32 Lösungen 23.4 Mögliche Auswahlkriterien für Theorien: 1) Einfachheit (Hohlwelt: Physikalische Gesetze hän- gen vom Ort ab) 2) Umfassender (Eine umfassende Theorie mit mehr Vorhersagen ist leichter zu widerlegen.) 3) Widerlegbarkeit (In der Hohlwelt ist man nicht ver- wundert, wenn man überall ein anderes Ergebnis erhält –sie ist schwerer zu widerlegen.) 4) Symmetrie (Hohlwelt: Erde und Erdmittelpunkt sind ausgezeichnet) 23.5 Beispielsweise: Ptolemäus (Epizyklen) ⇔ Kopernikus (Erde bewegt sich) Coulomb (momentane Kraft) ⇔ Faraday (Feldbegriff) Klassische Physik (Äther) ⇔ Einstein (Relativitätstheorie) 23.6 Reale, (vom Menschen) unabhängige Außenwelt; Kau- salität (Ursache-Wirkungs-Gesetzmäßigkeiten); Univer- salität (Naturgesetze gelten immer und überall) 23.7 Theorie: mathematisch; aristotelische Logik (Begriffe eindeutig, widerspruchsfrei, math. einfach, umfassend) Experiment: quantifizierbar (messbar), isolierbar, reproduzierbar, intersubjektiv („objektiv“ – vom Mes- senden unabhängig) 24.1 Optik: Sonne, Licht; Elektrizität: Bernstein; Magne- tismus: Magneteisenstein; Mechanik: einfache Ma- schinen, Himmel – Astronomie; Wärmelehre: Feuer; Atomphysik: Philosophische Fragestellungen 24.2 Optik: Widerspruch zwischen Welle (Huygens) und Teilchen (Newton), vorläufig gelöst durch den Doppelspaltversuch von Young; Elektrodynamik: Coulomb‘sches Gesetz, Oersted (Strom erzeugt Mag- netfeld), Ampere: Jeder Magnetismus elektrisch; Fa- raday: Magnetfeld erzeugt Spannung; Maxwell‘sche Gleichungen (Vorhersage der elektromagnetischen Wellen) – Optik wird Teil des Elektromagnetismus; Mechanik: Newton’schen Gesetze und Gravitations- gesetz – Himmelsmechanik wird Teil der Mechanik; Wärmelehre: Boltzmann: Statistische Mechanik (Wärme ist Bewegung von Teilchen) – Wärmelehre wird Teil der Mechanik 24.3 Mechanik und Elektrodynamik; Probleme: 1) Ausbreitungsmedium des Lichtes (gelöst durch die Relativitätstheorie) 2) Strahlung des schwarzen Körpers (gelöst durch die Quantenmechanik) 24.4 Mechanik Elektrodynamik Quantenmechanik Spez. Relativitätstheorie Quantenfeldtheorie Allg. Relativitätstheorie Theorie Of Everything 24.5 Kosmologie: Allg. Relativitätstheorie Astrophysik: Allg. Relativitätstheorie, Quantenmecha- nik „Technik“:„Klassische Physik“ Festkörperphysik: Quantenmechanik Atomphysik: Quantenmechanik Teilchenphysik: Quantenfeldtheorie 24.6 Aristotles: „Philosophisches“ Weltbild, Ruhe domi- niert; Newton: Klassische Mechanik, Trägheit, Erhal- tungssätze; Einstein: Relativitätstheorie, Längenkon- traktion, Raumkrümmung; Planck: Quantenmecha- nik, Quantisierung; Ferguson: Die bisher vergebliche Suche nach der„Weltformel“ 24.7 ZB Kepler bzw. Galilei (Erde nicht Mittelpunkt des Universums), Darwin (Mensch nicht Krone der Schöp- fung), Freud („Das Ich ist nicht Herr im eigenen Haus“ – das Unterbewusste) 24.9 Aristoteles: geschlossen, Äther; Newton: unendlich, absolut; Faraday/Maxwell: unendlich, Äther; Einstein: relativ (Länge), gekrümmt, ev. endlich 24.10 Aristoteles: unendlich; Newton: unendlich, absolut; Faraday/Maxwell: unendlich; Einstein: relativ, ge- krümmt, ev. endlich 24.11 Aristoteles: Vier Elemente und der Äther; Newton: Trägheit und Gravitation; Faraday/Maxwell: Gravitati- on und elektromagnetische Kraft, Atome = Ätherwir- bel, Kräfte = Spannungen im Äther; Einstein: Kraft als Raum-Zeit-Krümmung (Geometrisierung) 24.12 Aristoteles: nicht mathematisch formuliert; Newton: Bewegungsgleichung und Gravitationsgesetz; Fara- day/Maxwell: Zusätzlich Coulomb- und Lorentzkraft, Maxwellgleichungen; Einstein: E = mc 0 2 ; Feldglei- chung für die Raum-Zeitkrümmung 28.1 Aristoteles: Ideale Kurven und Körper; Newton: Glei- che Gesetze für Himmel und Erde; Faraday/Maxwell: Feld; Einstein: Relativitätsprinzip, Konstanz der Licht- geschwindigkeit 28.2 Raum und Zeit bleiben in der Quantenmechanik wie in der„klassischen Physik“. Aber Materie und Licht wird „quantisiert“ (Elektonen, Protonen, Photonen, …); erst in der Quantenfeldtheorie gelingt die Berücksichti- gung der Speziellen Relativitätstheorie (Kräfte werden durchTeilchen übertragen); eine quantenmechanische Theorie der Gravitation (der Allgemeinen Relativitäts- theorie) bedeutet eine Quantisierung von Raum und Zeit und wäre die langgesuchte„Weltformel“. 28.6 Kerne: Starke Wechselwirkung – gegen elektrische Abstoßung; Atome: Elektrische Anziehung gegen Nullpunktsenergie; Moleküle bis Berg: elektrische An- ziehung gegen Pauliprinzip; Sonne: Gravitation gegen Kernfusion; Sonnensystem bis Virgohaufen: Gravitati- on gegen Trägheit (Rotation); Weißer Zwerg: Pauliprin- zip (Elektronen) gegen Gravitation; Neutronenstern: Pauliprinzip (Neutronen) gegen Gravitation 28.7 Große Insekten: passive Atmung – Tracheen dürfen nicht zu lang werden. 28.8 Große Säugetiere: Versorgung der Körpermasse mit Nahrung; kleine Säugetiere: Der Strahlungswärme- verlustes ist bei kleinen Tieren relativ größer und muss ausgeglichen werden. 28.9 Kugel: Gravitation dominiert über elektromagneti- sche Wechselwirkung(=Welt der Struktuen). Höhe eines Berges: zusätzliche Materie oben lässt nur die Basis schmelzen; Gravitation ebnet„Buckel“ ein 28.10 Minimalmasse: Gravitation muss Kernfusion „starten“ können; Maximalmasse: Strahlungsdruck zerstört den Stern 28.11 Die„Schwarzschildbedingung“ l bzw. R = 2 Gm / c 0 2 28.12 Dies ist die„Compton-Wellenlänge“: m = h /( m c 0 ) 28.13 Die Gerade entspricht einer Dichte von 1000 kg/m 3 . 28.14 Die Neutronensterne – man kann sie als übergroße Atomkerne betrachten. 28.15 Masse des Universums: Ein Stern hat ca. 10 30 kg, eine Galaxie hat 10 11 Sterne und man kennt 10 11 Galaxi- en, also M Universum = 10 30 · 10 11 · 10 11 kg = 10 52 kg, un- ter Berücksichtigung der dunklen Materie ≈ 10 53 kg R = 2 Gm / c 0 2 = 10 26 m – dies entspricht etwa dem Ra- dius des Universium: R Universum = 10 26 m Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv