Grundkonzepte der Physik : mit Einblicken für Geisteswissenschaftler

This book aims to span the cultural differences separating the humanities from the natural sciences. In his exposition, the author goes well beyond the typical level found in popular science presentations. There is a separate chapter devoted to the mathematical fundamentals needed for understanding many concepts in physics. * Presents the basic concepts of physics and physicists’ ways of thinking in the context of the evolution of classical and modern physics and the philosophy of science Vorwort Einleitung 1 Grundbegriffe und Probleme der Wissenschaftstheorie im Hinblick auf den Zusammenhang zwischen Naturwissenschaften und Geisteswissenschaften 1.1 Einleitung 1.2 Gegenüberstellung Geistes- und Sozialwissenschaften/Naturwissenschaften 1.3 Wissenschaftstheoretische Konzepte 1.3.1 Das Erkenntniskonzept in der Naturwissenschaft 1.3.2 Eigenständige Methoden des Verstehens in den Geistes- und Sozialwissenschaften 1.4 Einordnung wissenschaftstheoretischer Positionen 1.4.1 Erklären und Verstehen 1.4.2 Dialektik 1.4.3 Verallgemeinerte Evolutionstheorie 1.5 Metapositionen (Zusammenhang zwischen den Positionen) 1.5.1 Postmoderne Fehlentwicklungen 1.5.2 Historische Entwicklung und wissenschaftlicher Fortschritt 1.5.3 Historische Entwicklung der Kulturen 2 Ausgewählte Begriffe der Mathematik 2.1 Funktionen 2.1.1 Beispiele 2.1.2 Umkehrfunktion 2.2 Komplexe Zahlen 2.2.1 Darstellung komplexer Zahlen 2.2.2 Funktionen komplexer Zahlen 2.3 Ellipse 2.4 Infinitesimalrechnung 2.4.1 Differenzialrechnung 2.4.2 Beispiel 2.4.3 Funktionen mit ihren 1. und 2. Ableitungen 2.4.4 Ableitungsregeln 2.5 Differenzialgleichungen 2.5.1 Beispiele 2.5.2 Beispiele aus der Physik 2.6 Vektorrechnung 2.6.1 Skalar 2.6.2 Vektor 2.6.3 Vektoranalysis 2.7 Raumkurve, Geschwindigkeit, Beschleunigung 2.8 Grundlegende Gleichungen der Physik 2.8.1 Klassische Mechanik 2.8.2 Klassische Elektrodynamik 2.8.3 Allgemeine Relativitätstheorie 2.8.4 Quantentheorie 3 Grundbegriffe der klassischen Mechanik 3.1 Die Entwicklung des Weltbildes 3.1.1 Das geozentrischeWeltbild des Ptolemäus 3.1.2 Heliozentrisches Weltbild des Nikolaus Kopernikus 3.1.3 Die Keplerschen Bewegungsgesetze der Planeten 3.1.4 Galilei am Beginn der Naturwissenschaften 3.2 Die Newtonsche Mechanik 3.2.1 Die Newtonschen Grundgesetze 3.2.2 Das Gravitationsgesetz 3.2.3 Die Überprüfung der Newtonschen Hypothese auf der Erde 3.2.4 Kosmische Überprüfung des Gravitationsgesetzes 3.3 Die Entwicklung der klassischen Mechanik 3.3.1 Die Entdeckung des Neptun 3.3.2 Aufstellung der Hamiltonschen Gleichungen 3.3.3 Determinismus und Kausalität 3.3.4 Deterministisches Chaos 3.4 Rückblick und Ausblick 3.4.1 Zeitliche Entwicklung der Weltbilder 3.4.2 Am Dreiländereck von Theologie, Philosophie und Naturwissenschaft 4 Grundbegriffe der Thermodynamik 4.1 Der Objektbereich der Thermodynamik 4.1.1 Thermodynamische Systeme 4.1.2 Die Zustandsgrößen des idealen Gases im Thermodynamischen Gleichgewicht 4.1.3 Erläuterung der Zustandsgrößen 4.2 Thermodynamische Systeme 4.2.1 Arten Thermodynamischer Systeme 4.2.2 Thermodynamische Zustandsänderungen 4.2.3 Innere Energie 4.3 Thermodynamische Kreisprozesse 4.4 Die Hauptsätze der Thermodynamik 4.5 Ein idealer Kreisprozess: Der reversible Carnot-Prozess 4.5.1 Der Aufbau des Carnot Prozesses 4.5.2 Der ideale Wirkungsgrad 4.5.3 Universalität der idealen Wirkungsgrade 4.5.4 Die Leistung des Carnot-Prozesses 4.6 Ein realer Kreisprozess: Der Stirling-Motor 4.6.1 Aufbau des Stirling-Motors 4.6.2 Die Phasen des Stirling-Motors 4.7 Der Verbrennungsmotor: Ein Gas-Austauschmotor 4.8 Definitionen 5 Grundbegriffe der klassischen Elektrodynamik 5.1 Die Erforscher des Elektromagnetismus 5.2 Die Begriffswelt und die Naturgesetze des Elektromagnetismus 5.2.1 Überblick über die Grundphänomene 5.3 Vektoranalysis: Das mathematische Hilfsmittel zur Formulierung der Elektrodynamik 5.3.1 Vektoren und Vektorfelder 5.3.2 Vektoranalysis 5.3.3 Kontinuitätsgleichung 5.3.4 Beispiele 5.4 Die Grundgleichungen der klassischen Elektrodynamik 5.4.1 Ableitung der bekannten Gesetze aus den Maxwellschen Gleichungen 5.4.2 Zu den Lösungen der Maxwellschen Gleichungen 5.5 Die Integration der Optik in die Elektrodynamik Vorbemerkungen zu den Kapiteln 6 bis 10 6 Die Spezielle Relativitätstheorie 6.1 Das Geheimnis des Lichts 6.1.1 Die klassische Vorstellungswelt 6.1.2 Widerlegung der klassischen Vorstellungswelt 6.1.3 Auswirkungen von Einsteins Relativitätstheorie jenseits der Physik 6.2 Die Lorentz-Transformation 6.2.1 Lorentztransformation im einfachsten Fall 6.2.2 Lorentztransformation im allgemeinen Fall 6.2.3 Gruppeneigenschaft der Lorentztransformation 6.3 Folgerungen aus der Lorentztransformation 6.3.1 Längenmessung – Lorentzkontraktion 6.3.2 Zeitmessung – Zeitdilatation 6.3.3 Das Additionstheorem der Geschwindigkeiten 6.4 Die Kovarianz der Naturgesetze 6.4.1 Allgemeine Vorgehensweise 6.4.2 Die kovarianten Bewegungsgleichungen der Mechanik 6.4.3 Die kovariante Formulierung der Elektrodynamik 7 Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) 7.1 Probleme und Ziele der ART 7.2 Die Gleichungen der ART 7.3 Anwendungen der ART 7.3.1 GPS nicht ohne SRT und ART 7.3.2 Astronomische Bestätigungen der ART 7.4 Die Herleitung der Gleichungen der ART 7.4.1 Tensoranalysis 7.4.2 Intuitionsleitende Einsichten zur NichteuklidischenGeometrie 7.4.3 Die Riemannsche Nichteuklidische Geometrie 7.4.4 Die Einsteinschen Gleichungen der ART für die reale Raumzeit 8 Teilchen und Diskrete Energien 8.1 Einleitung 8.2 Der Atomismus in der antiken Naturphilosophie und in der modernen Physik 8.3 Beiträge der Statistischen Physik 8.3.1 Universelle Konstanten der Thermodynamik 8.3.2 Die Barometrische Höhenformel 8.3.3 Die Maxwell-Boltzmann-Verteilung und der Gleichverteilungssatz 8.3.4 Die Boltzmann-Gleichung 8.4 Grundlagenproblematik: Ist die Zeit reversibel oder irreversibel? 8.4.1 Übergang zum Γ-Raum 8.4.2 Das Umkehrtheorem 8.4.3 Das Wiederkehrtheorem 8.4.4 Die Boltzmann-Gleichung im Widerspruch zum Umkehr- und Wiederkehrtheorem 8.4.5 Der intuitive Zugang zur Irreversibilität der Zeit 8.5 Eine vorläufige Bilanz 8.6 Das elektromagnetische Feld als Sonde beim Eindringen in die Mikrowelt 8.6.1 Millikan Versuch (Nachweis der Elementarladung) 8.6.2 Bestimmung der Elementarladung durch Elektrolyse 8.6.3 Die Entdeckung des Elektrons 8.6.4 Massenspektrometer 8.6.5 Franck-Hertz-Versuch 8.7 Atommodelle 8.7.1 Das Atommodell von J. J. Thomson 8.7.2 Rutherfordstreuung und Atommodell 8.7.3 Das Bohrsche Atommodell 8.8 Rückblick und Ausblick 8.8.1 Erfolge der klassischen Physik 8.8.2 Das Poppersche Theorem 8.8.3 Die Frage nach dem Stabilitätsgrad von Hypothesen bzw. Naturgesetzen 9 Der Welle-Teilchen-Dualismus 9.1 Übergang von klassischer zu moderner Physik 9.2 Plancksches Strahlungsgesetz 9.2.1 Strahlungsgesetz nach Rayleigh-Jeans 9.2.2 Plancksches Strahlungsgesetz 9.2.3 Die Einsteinsche Ableitung der Planckschen Formel 9.2.4 Die weitreichende Bedeutung des Planckschen Strahlungsgesetzes 9.3 Der Photoelektrische Effekt 9.4 Elektronen: Nur Teilchen oder auch Wellen? 9.4.1 Das Davisson-Germer Experiment 9.4.2 Streuung von Elektronen an Graphit 9.5 Die Materiewellenhypothese von de Broglie 9.5.1 Eigenschaften der Materie 9.5.2 Zusammenhang mit dem Bohrschen Atommodell 9.5.3 Einordnung von de Broglies Materieeigenschaften 9.6 Der Doppelspaltversuch 9.6.1 Nachweis der Wellennatur 9.6.2 Verhalten von Photonen 9.6.3 Die beschränkte Anwendbarkeit der Modellvorstellungen 9.6.4 Schlussfolgerungen 10 Grundbegriffe der Quantentheorie 10.1 Die Situation 10.2 Der Durchbruch: Die Grundgleichungen der Quantentheorie 10.2.1 Die Schrödingergleichung 10.2.2 Die außerordentliche Übersetzungsvorschrift 10.3 Die zentralen Paradigmen 10.3.1 Der eindimensionale Harmonische Oszillator 10.3.2 Das Wasserstoffatom 10.4 Von der Vektorrechnung zum Hilbertraum 10.4.1 Von den Basisvektoren zum Vektorraum 10.4.2 Produkte im Vektorraum R3 10.4.3 Die Operatoren des Vektorraums R3 10.4.4 Vom dreidimensionalen Vektorraum R3 nach Rn 10.4.5 Vom Vektorraum Rn zum Hilbertraum H 10.5 Der Quantensprung zur Quantentheorie 10.5.1 Die Eignung des Hilbertraums 10.5.2 Die intuitionsleitende Funktion der zentralen Paradigmen 10.5.3 Zustände, Observable und Operatoren 10.5.4 Erwartungswerte, Messwerte, Varianzen, Unschärfe 10.5.5 Die Bewegungsgleichungen 10.6 Die Dichtematrix oder der statistische Operator 10.6.1 Eigenschaften des statistischen Operators 10.6.2 Erwartungswerte und Bewegungsgleichungen mit der Dichtematrix 10.6.3 Messprozess und Dekohärenz 10.6.4 Ein idealisiertes Modell des Messprozesses 10.7 Vergleich der klassischen und quantentheoretischen Strukturen 10.7.1 Dekohärenz, Indeterminismus, Irreversibilität 10.7.2 Die Logik physikalischer Zustände und Eigenschaften 10.7.3 Ein einfaches Beispiel mit großer Wirkung 10.8 Rückblick und Ausblick 11 400 Jahre Physik. Rückblick, Gegenwart und Ausblick 11.1 Ein Rückblick 11.1.1 Der zurückgelegteWeg 11.1.2 Wissenschaftstheoretische Konsequenzen 11.2 Die gegenwärtige Situation 11.2.1 Die Standardmodelle der Kosmologie und der Elementarteilchentheorie 11.2.2 Der Weg zur Interdisziplinarität 11.3 Ausblick 11.3.1 Der Fortgang des physikalischen Erkenntnisprozesses 11.3.2 Offenheit oder Vollständigkeit der wissenschaftlich erforschbaren Wirklichkeit? 11.3.3 Wissenschaft und Transzendenz 11.3.4 Spuren der Transzendenz in der Wirklichkeit 11.3.5 Die Einheit der Wirklichkeit und die Dimensionen der Wahrheit Literatur zur Erinnerung und Vertiefung Stichwortverzeichnis

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 Forschungan der Universität Stuttgart lässt der Autor seine Leser von seinemVerständnis für die Denk- und Arbeitsweisen beider Kulturen profitieren.

Aus dem Inhalt:

• Grundbegriffe und Probleme der Wissenschaftstheorie im Hinblick auf den Zusammenhang zwischen Naturwissenschaften und Geisteswissenschaften
• Ausgewählte Begriffe der Mathematik
• Grundbegriffe der klassischen Mechanik
• Grundbegriffe der Thermodynamik
• Grundbegriffe der klassischen Elektrodynamik
• Die Spezielle Relativitätstheorie
• Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART)
• Teilchen und Diskrete Energien
• Der Welle-Teilchen-Dualismus
• Grundbegriffe der Quantentheorie
• 400 Jahre Physik. Rückblick, Gegenwart und Ausblick

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 Geisteswissenschaften Ausgewählte Begriffe der Mathematik Grundbegriffe der klassischen Mechanik Grundbegriffe der Thermodynamik Grundbegriffe der klassischen Elektrodynamik Die Spezielle Relativitätstheorie Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) Teilchen und Diskrete Energien Der Welle-Teilchen-Dualismus Grundbegriffe der Quantentheorie 400 Jahre Physik. Rückblick, Gegenwart und Ausblick