Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

Schwingungen – Wellen – Felder und der Nachweis von Gravitationswellen 14.9.2015: Gravitationswellen erstmals direkt beobachtet! Das größte physikalische System ist das Universum. Dass es selbst schwingen kann und dabei Gravitationswellen her- vorruft, ist vielleicht überraschend. Deren erste direkte Be- obachtung ist ein Beispiel aktueller Forschung. Mit Newtons Gravitationsgesetz (s. Physik 5, S. 38) wurde klar, dass dieselben physikalischen Gesetze für die Bewe- gungen von Himmelskörpern und von Objekten auf der Erde gelten. Newton vermied es zu spekulieren, wie die Gravita- tion, d. h. die gegenseitige Anziehung von Körpern auf Grund ihrer Masse, zustande kommt. Ein Rätsel war, war- um die Masse, das Maß für die Trägheit eines Körpers, auch die Stärke der Gravitation bestimmt. Der Frage nach dem Ursprung der Gravitation stellte sich Albert Einstein. Zehn Jahre nach der Veröffentlichung der Speziellen Relativitätstheorie, als deren Symbol die Formel E = mc 2 gilt, vollendete er im Jahr 1915 seine Arbeit an der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART). Die ART ist die Theo- rie der Gravitation. Grundzüge dieser Theorie sind Thema in Physik 8, hier soll genügen: Die Geometrie der vierdimensionalen Raum-Zeit (bestehend aus Ort und Zeit) wird durch vorhandene Mas- sen und deren Bewegung bestimmt. Massen verzerren den Raum. Haben wir bisher die Bahn der Erde um die Sonne als Resultat der Gravitation verstanden, deutet die ART dies als kräftefreie Bewegung durch den gekrümmten Raum. Dies gilt auch für einen Lichtstrahl, der von einem entfern- ten Objekt kommt. Er ist nicht mehr geradlinig, sondern folgt in der Nähe eines massiven Objekts einer gekrümmten Bahn. Dieser vorhergesagte Effekt wurde bereits 1919 bei einer Sonnenfinsternis überprüft: Als sich die verdunkelte Sonne zwischen einen Stern und die Erde schob, verschob sich die Position des Sterns gegenüber benachbarten Ster- nen durch die Ablenkung des Sternenlichts im Gravitations- feld der Sonne – eine wissenschaftliche Sensation. Einstein wurde plötzlich zum Star! Der Schwerpunkt von Physik 6 liegt einerseits auf mecha- nischen Schwingungen und Wellen und andererseits auf elektrischen Strömen sowie elektrischen und magnetischen Feldern. Beispiele zeigen uns, wie man von der Beobach- tung eines Phänomens ausgehend zunächst zur qualitati- ven, dann zur quantitativen Beschreibung gelangt. Die da- bei gefundenen Gesetzmäßigkeiten passen auch auf weitere Phänomene. Beim Begriff Welle denken wir sofort an Wasserwellen. 4.1 zeigt, wie Wassertropfen punktuell eine Wasserober- fläche in vertikale Schwingungen versetzen und wie diese schließlich als Welle die ganze Oberfläche erfassen. Nicht Wasser wird nach außen transportiert, auch wenn es so aussehen könnte, sondern der Schwingungszustand und da- durch auch Energie. Die Anschaulichkeit mechanischer Schwingungen und Wel- len hat einen Nachteil: Sie legt fälschlicherweise die Vor- stellung nahe, dass immer ein materielles Medium zur Wel- lenausbreitung notwendig ist. Lange Zeit wurde daher als Medium für die Lichtausbrei- tung ein „Äther“ angenommen, der das Vakuum des Welt- alls ausfüllt. Experimente zu dessen Nachweis scheiterten. Die Lösung brachte erst Einsteins Spezielle Relativitätstheo- rie (1905) mit der Aussage: Der Äther ist überflüssig – mehr dazu in Physik 8. Was schwingt bei Licht und anderen elektromagnetischen Wellen? Jede elektrische Ladung verursacht in ihrer Umge- bung ein Kraftfeld, mit dem sie auf andere Ladungen ein- wirkt. Wenn die Ladung beschleunigt wird, breitet sich die Änderung des Kraftfeldes mit Lichtgeschwindigkeit als elektromagnetische Welle aus. (s. Physik 7) 4.1 Ausbreitung von Wasserwellen 4.2 Die Verzerrung des Raumes in Sonnennähe führt zur Lichtablenkung. Scheinbar verschiebt sich die Position des Sterns. 4 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv