Handbuch der modernen Physik E-Book

Simone Malacrida

• Herausgeber: Simone Malacrida
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Veröffentlichungsjahr: 2023

Beschreibung

Dieses Lehrbuch beschreibt mit dem notwendigen mathematischen Formalismus alle Erkenntnisbereiche der modernen Physik, angefangen von der Formulierung der wissenschaftlichen Methode bis hin zur Krise der klassischen Physik in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts.
Diese Bereiche reichen von Mechanik bis Strömungsdynamik, Thermodynamik bis Optik, Schwingungsphänomene bis Elektromagnetismus und sind durch die kognitive Matrix der Experimentalphysik und die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft im Laufe der Jahrhunderte miteinander verbunden.
Daher ist das Buch ein Sprungbrett zum Verständnis der zeitgenössischen Physik, die als Auswuchs und Erweiterung der klassischen Physik entstand, und zum Wissen über all jene technologischen Bereiche, die auch heute noch auf den Anwendungen der dargelegten Theorien basieren In diesem Papier.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

„Handbuch der modernen Physik“

EINFÜHRUNG

INTERNATIONALES SYSTEM

VORWORT

PHYSIKALISCHE KONSTANTEN

NABLA- BETREIBER

ÜBERBLICK ÜBER DIE TENSORIALBERECHNUNG

I

II

III

IV

v

VI

VII

VIII

IX

X

„Handbuch der modernen Physik“

SIMONE MALACRIDA

––––––––

Dieses Lehrbuch beschreibt mit dem notwendigen mathematischen Formalismus alle Erkenntnisbereiche der modernen Physik, angefangen von der Formulierung der wissenschaftlichen Methode bis hin zur Krise der klassischen Physik in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts.

Diese Bereiche reichen von Mechanik bis Strömungsdynamik, Thermodynamik bis Optik, Schwingungsphänomene bis Elektromagnetismus und sind durch die kognitive Matrix der Experimentalphysik und die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft im Laufe der Jahrhunderte miteinander verbunden.

Daher ist das Buch ein Sprungbrett zum Verständnis der zeitgenössischen Physik, die als Auswuchs und Erweiterung der klassischen Physik entstand, und zum Wissen über all jene technologischen Bereiche, die auch heute noch auf den Anwendungen der dargelegten Theorien basieren In diesem Papier.

Simone Malacrida (1977)

Ingenieur und Autor, hat in den Bereichen Forschung, Finanzen, Energiepolitik und Industrieanlagen gearbeitet.

ANALYTISCHER INDEX

––––––––

EINFÜHRUNG

INTERNATIONALES SYSTEM

PRÄFIXE

PHYSIKALISCHE KONSTANTEN

NABLA-BETREIBER

ÜBERBLICK ÜBER DIE TENSORIALBERECHNUNG

I – DIE WISSENSCHAFTLICHE METHODE

II – KLASSISCHE MECHANIK

III – DIE KLASSISCHE THEORIE DER GRAVITATION UND ASTRONOMIE

IV – FLÜSSIGKEITEN UND TRANSPORTPHÄNOMENE

V – DIE OPTIK

VI – WELLEN UND S ZILLATORISCHE PHÄNOMENE

VII – THERMODYNAMIK UND WÄRMEÜBERTRAGUNG

VIII – STATISTISCHE PHYSIK

IX – ELEKTROMAGNETISMUS

X – DIE KRISE DER KLASSISCHEN PHYSIK

EINFÜHRUNG

––––––––

In diesem Handbuch wird ein klarer und prägnanter Überblick über die Interessengebiete der modernen Physik gegeben, wobei als Referenz die genauen Punkte dienen, die dem Anfang und dem Ende dieses Weges entsprechen.

Die moderne Physik entstand aus der Einführung der wissenschaftlichen Methode, zuerst auf philosophischer Ebene, dann auf experimenteller und praktischer Ebene. Mit dem Einzug der wissenschaftlichen Methode in die Praxis des Argumentierens, auf der Annahmen und Schlussfolgerungen gestützt werden, vollzog sich ein enormer Qualitätssprung gegenüber allem bisherigen Wissen.

Wir können sagen, dass alle Entdeckungen und Anwendungen, die in der Vergangenheit in Bezug auf dieses Ereignis stattgefunden haben, tatsächlich das Ergebnis semi-empirischer Ansätze sind und nicht gerade der Wissenschaft, wie wir sie heute verstehen. Dieser Punkt, an dem es kein Zurück mehr gab, markierte einen historischen Wendepunkt, so wie wir es gewohnt sind, Ereignisse vom Kaliber der Französischen Revolution, des Untergangs des Römischen Reiches oder der Entdeckung Amerikas zu betrachten.

Seit dieser Zeit hat die wissenschaftliche Forschung eine beeindruckende Beschleunigung erfahren, die sich auf alle Wissensgebiete erstreckt und der Gesellschaft in Bezug auf Anwendungen und tägliche Konsequenzen eine entschieden andere Prägung als in der Vergangenheit aufgeprägt hat, um die Bedingungen und Voraussetzungen zu schaffen, die notwendig sind für die industrielle Revolution, die nur weniger als zwei Jahrhunderte nach diesen ersten wissenschaftlichen Bewegungen stattfand.

Das Ende des Weges der modernen Physik fällt mit dem Ende des 19. Jahrhunderts zusammen und mit der Erkenntnis, dass im Bereich des Wissens auf allen Gebieten solche Widersprüche erreicht worden waren, dass die bisherigen theoretischen Schemata vollständig revidiert werden mussten. Aus dieser Zeit, die historisch als Krise der klassischen Physik bekannt ist, stammen die beiden revolutionären Theorien des zwanzigsten Jahrhunderts, die die Grundlage der zeitgenössischen Physik bilden, die wir heute verwenden, um die Natur und das, was uns umgibt, zu beschreiben.

In dieser Zeit, die gut zwei Jahrhunderte dauerte, ist es der Physik gelungen, verschiedene Disziplinen wie die Mechanik in all ihren Formen (statisch, dynamisch und kinematisch), die Astronomie, die Theorie der Gravitation, die Optik, die Phänomene und die oszillierenden wissenschaftlich zu erforschen , Fluiddynamik, Thermodynamik, Wärmeübertragung, auf die Physik angewandte Statistik, elektrische und magnetische Phänomene.

Wie aus dieser kleinen Liste hervorgeht, war die Ausarbeitung von Theorien, die die experimentellen Ergebnisse vorhersagen und erklären, so weit verbreitet, dass nichts unerforscht blieb, mit den Einschränkungen, die die damalige Ausrüstung haben konnte (es ist offensichtlich, dass sie vollständig war an die Untersuchung der Eigenschaften des Atoms und des Atomkerns nicht zu denken, da man nicht über die geeigneten materiellen Mittel verfügt, um die wesentlichen experimentellen Daten zu ermitteln).

Um alle diese Gebiete und alle diese physikalischen Disziplinen umfassend zu behandeln, wären mehrere Bücher erforderlich, die sich jeweils auf einen bestimmten Aspekt konzentrieren. Allein zum Elektromagnetismus gibt es tausende von Publikationen, ebenso zur Thermodynamik oder Mechanik.

Dieses Handbuch hingegen hat eine ganz andere Charakteristik, die mit der Prägnanz in der Darlegung der Themen verbunden ist, ohne die Grundgleichungen und die mathematischen, physikalischen und philosophischen Implikationen dessen, was wir erklären werden, zu vernachlässigen.

Eine wesentliche Rolle wird in diesem Buch dem mathematischen Formalismus zukommen, der nicht ausgeblendet, sondern hervorgehoben werden soll, gerade weil man sich nur durch „in die Augen schauen“ der konstitutiven Gleichungen eine wirkliche Vorstellung von der physikalischen Theorie machen kann und die Verbindung mit dem experimentellen Teil.

Damit eignet sich das Handbuch für diejenigen, die bereits über mathematische Vorkenntnisse verfügen, insbesondere was die mathematische Analyse betrifft.

Die oben erwähnte Liste der Disziplinen ist ein Spiegel des Index dieses Buches mit einer Logik in der Darstellung der Themen, die sich aus einer Mischung zwischen einer chronologischen Beschreibung und einer typischerweise mit den Themen verknüpften Beschreibung ergibt.

Beispielsweise wird die Behandlung der Thermodynamik gegenüber der Mechanik verschoben. Dies hat einen zeitlichen Zusammenhang, da sich die Mechanik in ihrer Gesamtheit lange vor der Thermodynamik entwickelt hat.

Gleichzeitig entwickeln sich jedoch die einzelnen physikalischen Disziplinen in ihnen weiter und entdecken Jahrhunderte nach der Verkündung der grundlegenden Theorie Parallelen und Verbindungen. Das bedeutet, dass es im Abschnitt zur Mechanik später als zu vielen anderen physikalischen Theorien auch Gleichungen zu Formalismen wie denen von Lagrange und Hamilton geben wird.

Jeder Absatz ist daher eine "Geschichte innerhalb einer Geschichte", die eine Chronologie enthält, die manchmal die des Buches als Ganzes außer Kraft setzt.

Man könnte sich fragen, welches Interesse sie heute daran hat, diese physikalischen Theorien zu untersuchen, wenn die zeitgenössische Physik sie damals erweitert und zeitweise widerlegt hat.

Das Interesse an moderner Physik ist eigentlich dreifach.

Erstens ist es die Grundlage der zeitgenössischen Physik und daher ist es ohne diese Annahmen sehr schwierig, nachfolgende Entwicklungen zu verstehen.

Darüber hinaus hat die zeitgenössische Physik viele Aspekte der modernen Physik verallgemeinert. Durch das Studium der letzteren hat man daher privilegierte Gesichtspunkte zum Verständnis der Mechanismen der Vereinheitlichung von Theorien, nach Jahrhunderten der Versuche, möglichst unterschiedliche Sektoren zu untersuchen.

Schließlich ist die moderne Physik in vielen konkreten und experimentellen Aspekten immer noch anwendbar. Im naturwissenschaftlich-technischen Alltag begegnen uns oft jene Näherungen, in denen die moderne Physik noch Gültigkeit hat. Apropos Industriemechanik oder Elektrotechnik oder Rohstoffindustrie, die Theorien der Mechanik, des Elektromagnetismus und der Thermodynamik sind uneingeschränkt anwendbar. Daher kann ein Teil der heutigen Technologie mit den Formeln in diesem Handbuch entworfen, verstanden und implementiert werden.

Die Haupttendenz der modernen Physik bestand darin, die wissenschaftliche Methode in jedem Bereich der Natur anzuwenden, der durch Experimente untersucht werden kann, die eine gegebene Theorie widerlegen oder bestätigen könnten.

Daher ist die moderne Physik eine echte "Enzyklopädie", dh eine Summe verschiedener Kenntnisse, die in demselben beschreibenden Plot eingeschlossen sind, gegeben durch die wissenschaftliche Methode und den notwendigen mathematischen Formalismus.

Das Erbe dieser Enzyklopädie in der heutigen Gesellschaft ist offensichtlich und für alle sichtbar, da sie unsere Geschichte entscheidend geprägt hat.

INTERNATIONALES SYSTEM

––––––––

Länge

Meter

M

Masse

Kilogramm

kg

Zeit

entsprechend

S

Temperatur

Kelvin

k

Elektrischer Strom

Ampere

ZU

Lichtintensität

Kerze

CD

Chemische Substanz

Mol

mol

Ebener Winkel

strahlend

Rad

Solide Ecke

Steradiant

Herr

Frequenz

Hertz

Hertz

Leistung

Newton

NEIN

Druck

paskal

Pa

Leistung

Joule

J

Potenza

Watt

w

Elektrische Ladung

Coulomb

C

Elektrisches Potenzial

Volt

v

Elektrische Kapazität

Farad

F

Elektrischer Wiederstand

Ohm

Ω

Elektrische Leitfähigkeit

Siemens

St

Magnetischer Fluss

Weber

Wb

Magnetflußdichte

Tesla

T

Induktivität

Henry

H

Lichtstrom

Lumen

lm

Beleuchtung

Lux

Lux

Radioaktive Aktivität

Becquerel

Bq

Absorbierte radioaktive Dosis

grau

Gy

Äquivalente radioaktive Dosis

Sievert

Sv

VORWORT

––––––––

Dez

D

Centi

C

Milli

M

Mikro

nano

N

Gipfel

P

femto

F

atto

A

zepto

z

Yocto

j

Deka

ihre

Hekto

H

Kilogramm

k

mega

M

Soloauftritt

G

Tera

T

Peta

P

Ex

UND

Zetta

Z

Yotta

Y

PHYSIKALISCHE KONSTANTEN

––––––––

Elementare elektrische Ladung

Universelle Gravitationskonstante

Feinstruktur konstant

Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

Dielektrizitätskonstante im Vakuum

Magnetische Permeabilität im Vakuum

Plancksche Konstante

Dirac-Konstante

Bohr Magneton

Bohr-Radius

Rydberg-Konstante

Compton-Wellenlänge des Elektrons

Compton-Wellenlänge des Protons

Reduzierte Masse des Wasserstoffatoms

Stefan-Boltzmann-Konstante

Wiens Konstante

Universelle Gas Konstante

Avogadros Konstante

Boltzmann-Konstante

Masse des Elektrons

Protonenmasse

Masse des Neutrons

Elementare Einheit der Masse

Kernmagneton

astronomische Einheit

Lichtjahr

Parsec

Hubble-Konstante

NABLA- BETREIBER

––––––––

KARTESISCHE KOORDINATEN (x,y,z)

Gradient

Abweichungen

Laplace

Rotor

ZYLINDRISCHE KOORDINATEN

Gradient

Abweichungen

Laplace

Rotor

SPHÄRISCHE KOORDINATEN

Gradient

Abweichungen

Laplace

Rotor