Grundkonzepte der Physik

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