Handbuch der zeitgenössischen Physik E-Book

Simone Malacrida

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

Veröffentlichungsjahr: 2023

Beschreibung

Dieses Buch befasst sich prägnant mit allen Theorien der zeitgenössischen Physik, von der Relativitätstheorie (eingeschränkt und allgemein) über die Quantenmechanik und Quantenfeldtheorie bis hin zur Kern- und Teilchenphysik. Darüber hinaus werden die Grundlagen der Plasmaphysik, Festkörperphysik, Halbleiterphysik und Gruppentheorie aufgedeckt.
Der Ansatz dieses Lehrbuchs besteht darin, sich direkt mit dem mathematischen Formalismus auseinanderzusetzen und die Hauptgleichungen jeder Theorie darzustellen, ihre Bedeutung und Konsequenzen sowie die offen gelassenen Probleme zu erläutern.
Der logische Faden, der die verschiedenen Abschnitte verbindet, ist durch die Überwindung der alten Theorien gegeben, um den neuen Anforderungen gerecht zu werden; Dabei werden zwei Hauptrichtungen der zeitgenössischen Physik betont: der Trend zur Vereinheitlichung physikalischer Theorien und die grundlegende Rolle der Energie in den zugrunde liegenden Gleichungen.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

„Handbuch der zeitgenössischen Physik“

EINFÜHRUNG

INTERNATIONALES SYSTEM

PRÄFIXE

PHYSIKALISCHE KONSTANTEN

NABLA- BETREIBER

ÜBERBLICK ÜBER DIE TENSORIALBERECHNUNG

I | DIE THEORIE DER SPEZIELLEN RELATIVITÄT

II | ELEKTROMAGNETISMUS

III | DIE PROBLEME DER KLASSISCHEN PHYSIK

IV | QUANTENMECHANIK

v | DIE QUANTENFELDTHEORIE

VI | KERNPHYSIK, TEILCHENPHYSIK UND VEREINIGUNGEN

VII | DIE THEORIE DER ALLGEMEINEN RELATIVITÄT UND ASTROPHYSIK

ANHANG 1 | PLASMAPHYSIK

ANLAGE 2 | PHYSIK VON FESTKÖRPER UND HALBLEITERN

ANHANG 3 | DIE THEORIE DER GRUPPEN

APOSTILLE

„Handbuch der zeitgenössischen Physik“

SIMONE MALACRIDA

––––––––

Dieses Buch befasst sich prägnant mit allen Theorien der zeitgenössischen Physik, von der Relativitätstheorie (eingeschränkt und allgemein) über die Quantenmechanik und Quantenfeldtheorie bis hin zur Kern- und Teilchenphysik. Darüber hinaus werden die Grundlagen der Plasmaphysik, Festkörperphysik, Halbleiterphysik und Gruppentheorie aufgedeckt.

Der Ansatz dieses Lehrbuchs besteht darin, sich direkt mit dem mathematischen Formalismus auseinanderzusetzen und die Hauptgleichungen jeder Theorie darzustellen, ihre Bedeutung und Konsequenzen sowie die offen gelassenen Probleme zu erläutern.

Der logische Faden, der die verschiedenen Abschnitte verbindet, ist durch die Überwindung der alten Theorien gegeben, um den neuen Anforderungen gerecht zu werden; Gleichzeitig werden zwei Hauptrichtungen der zeitgenössischen Physik betont: der Trend zur Vereinheitlichung physikalischer Theorien und die grundlegende Rolle der Energie in den zugrunde liegenden Gleichungen.

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 SPEZIALRELATIVITÄTSTHEORIE

II – ELEKTROMAGNETISMUS

III – DIE PROBLEME DER KLASSISCHEN PHYSIK

IV – QUANTENMECHANIK

V – DIE QUANTENFELDTHEORIE

VI – KERN, TEILCHENPHYSIK UND VEREINIGUNGEN

VII – DIE THEORIE DER ALLGEMEINEN RELATIVITÄT UND ASTROPHYSIK

ANHANG 1 – PLASMAPHYSIK

ANHANG 2 – PHYSIK DES FESTKÖRPERS UND DER HALBLEITER

ANHANG 3 – DIE THEORIEVON GRUPPEN

APOSTILLE

EINFÜHRUNG

––––––––

Die zeitgenössische Physik und die Geschichte dieser Wissenschaft zu erzählen, darüber zu sprechen, was in den letzten 150 Jahren passiert ist, ist heute ziemlich häufig, besonders wenn wir die Anwendungsgebiete der Relativitätstheorie, des Elektromagnetismus, der Quantenmechanik und der Kernphysik betrachten.

Es gibt zahlreiche populärwissenschaftliche Schriften, insbesondere wenn sie sich auf einen einzelnen oben genannten Sektor beziehen, und darüber hinaus gibt es ganze Bibliotheken von Fachtexten auf Universitätsniveau und weit darüber hinaus.

Üblicherweise haben diese beiden gegensätzlichen und komplementären Typologien die Eigenschaft einer bestimmten Schriftlänge gemeinsam. Das Erklären auf allgemeinsprachlichem Niveau oder das Aufstellen von Theorien, komplett mit Gleichungen und Konsequenzen, sind Übungen, die eine große Anzahl von Wörtern und Seiten erfordern.

Dieses kurze Handbuch hingegen hat aufgrund der extremen Synthese in der Darstellung einiger Konzepte und einiger Effekte eine typische Knappheit.

Es werden weder vollständig informative Reden behandelt, noch werden alle notwendigen mathematischen Passagen oder wissenschaftlichen Voraussetzungen offengelegt, um diese Theorien vollständig zu verstehen. Nichtsdestotrotz werden alle Hauptgleichungen dieser anderthalb Jahrhunderte aufgestellt und erklärt, indem man von einer Theorie zur anderen übergeht.

Darüber hinaus folgen wir keiner rein chronologischen, sondern einer logischen Reihenfolge, beginnend mit einem als grundlegend geltenden Jahr, 1905, und gehen dann zurück, um dann im Laufe des zwanzigsten Jahrhunderts fortzufahren. Auch später werden wir die Darstellung der Allgemeinen Relativitätstheorie am Ende lassen und stattdessen Theorien vorwegnehmen, die Jahrzehnte später ausgesprochen wurden.

Diese logische Reihenfolge ist Teil einer persönlichen Vision des Autors (und es könnte nicht anders sein), aber sie wird sicherlich hilfreich sein, um zu verstehen, in welche Richtung sich das zeitgenössische physikalische Wissen entwickelt hat.

Die sieben Absätze dieses Handbuchs sind etwas voneinander unabhängig und behandeln jeweils ein eigenes Thema. Es stimmt, dass es einen logischen Faden gibt, der alle Absätze verbindet und das Rückgrat des Handbuchs bildet, sowie die ursprüngliche Idee, aus der es hervorgegangen ist. Gerade wenn Sie diesem logischen Faden folgen, werden Sie all diese Parallelen und all diese Innovationen sehen, die oft selbst Insidern unbekannt sind.

Aus diesem Grund werden mindestens drei Themen im Hauptteil des Buches weggelassen und im Anhang präsentiert. Der gewählte logische Faden zur Beschreibung der zeitgenössischen Physik ist unabhängig von Plasmaphysik, Festkörperphysik und Gruppentheorie. Dennoch sind diese Argumente Teil der zeitgenössischen Physik und werden deshalb auf jeden Fall aufgeführt, wenn auch, wie bereits erwähnt, im Anhang.

Kurz gesagt, wir können die Themen der sieben Abschnitte, die das „Herzstück“ dieses Handbuchs bilden, wie folgt zusammenfassen:

––––––––

1) Die spezielle Relativitätstheorie

2) Elektromagnetismus und Maxwellsche Gleichungen

3) Die Probleme der klassischen Physik

4) Quantenmechanik und die Versöhnung mit der speziellen Relativitätstheorie

5) Die zweite Quantisierung und die Quantenfeldtheorie

6) Kernwechselwirkungen, Teilchenphysik und Vereinigung der Kräfte

7) Allgemeine Relativitätstheorie und astrophysikalische Konsequenzen

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Wie dieser knappen Themenliste zu entnehmen ist, wäre jeder Absatz für sich allein schon das Thema eines ganzen Buches, und für jeden dieser Bereiche der Physik gibt es komplette Universitätslehrgänge. Es ist daher offensichtlich, dass die Beschreibung so vieler Phänomene auf so wenigen Seiten nicht vollständig sein kann.

Einen solchen unrealistischen Anspruch hat dieses Handbuch sicherlich nicht. Auf viel einfachere Weise wird ein logisches Schema vorgeschlagen, das dazu neigt, eine Reihe unterschiedlicher physikalischer Theorien in einem einzigen Diskurs zu verbinden, als ob ein gemeinsames Bild des Wissens gezeichnet werden soll, das sich entlang präziser Richtungen bewegt.

Eine dieser Richtungen ist die Tendenz zur Vereinheitlichung, dh zur Bündelung von Phänomenen und Theorien, die auf den ersten Blick unzusammenhängend erscheinen, aber von denen uns die Wissenschaft sagt, dass sie Jahrzehnt für Jahrzehnt zunehmend miteinander verbunden sind wie Gesichter desselben Würfels.

Ein weiteres sehr gemeinsames Merkmal ist die grundlegende Rolle, die Energie in jeder dieser Theorien spielt. Es lassen sich einfach energetische Gleichungen formulieren, die dann die Grundlage der theoretischen und experimentellen Annahmen bilden.

Die Gewissheit darüber werden wir sowohl mit der speziellen Relativitätstheorie haben, durch die Einsteinsche Gleichung, die am Anfang des Handbuchs steht, als auch mit der Quantenmechanik, die ihren Anstoß von der Planckschen Gleichung für quantisierte Energie bis zur Gleichung (auch Energie) von Schrödinger und mit allgemein nahm Relativitätstheorie, in der die Tensorenergie einen herausragenden Platz einnimmt.

Eine dritte Besonderheit, die hervorgehoben werden soll, ist die kontinuierliche Überwindung bisheriger Probleme. Wie wir sehen werden, wurden viele Theorien entwickelt, um sowohl experimentelle als auch theoretische Probleme zu lösen, die nicht durch die damaligen wissenschaftlichen Entdeckungen erklärt werden können. Sobald diese neuen Theorien strukturiert waren, stellte sich heraus, dass die vorherigen Probleme leicht zu lösen waren, während andere auftauchten.

Diese Eigenschaft ist also Teil eines ewigen Wettlaufs um eine bessere Beschreibung dessen, was uns umgibt, und ein besseres Verständnis aller existierenden Phänomene, im Gefolge einer Ableitung aus dem Mythos des Odysseus, der den ewigen Wissensdrang des Menschen verkörpert.

Diese wichtigen Richtlinien werden auch eine grundlegende Gewissheit hervorheben. Aktuelle Theorien, die als die allgemeinsten von allen gelten und experimentell verifiziert wurden, sind weder vollständig noch erschöpfend noch völlig richtig.

Die Quantenfeldtheorie, die sowohl die Verallgemeinerung der Quantenmechanik als auch die Versöhnung mit der speziellen Relativitätstheorie und die Erklärung nuklearer Wechselwirkungen (zumindest der schwachen) umfasst, hat Probleme und Einschränkungen, sodass einige physikalische Phänomene nicht damit übereinstimmen. Dasselbe gilt für die Allgemeine Relativitätstheorie.

Im Grunde genommen sind diese beiden Theorien nicht so allgemein, wie wir denken, da sie es versäumen, die Gesamtheit der Phänomene zu erklären; höchstwahrscheinlich sind sie Annäherungen an eine noch umfassendere Theorie. Diese Annahme basiert auch darauf, dass keine der beiden genannten Theorien die Ergebnisse der anderen in ihren eigenen Prognosen berücksichtigt und dass es vorerst unüberwindbare Schwierigkeiten gibt, die beiden Visionen in einem einzigen übergeordneten logischen Konzept zu vereinbaren.

Die Seele des Papiers stimmt mit der Idee hinter diesem Handbuch überein, nämlich dass, indem man einem bestimmten logischen Trend zwischen Energiegleichungen und Vereinigungsversuchen folgt, ein Makropfad in der Geschichte der zeitgenössischen Physik skizziert werden kann, um zu verstehen, wo wir enden werden in diesem einundzwanzigsten Jahrhundert.

Abschließend wird es nach den notwendigen Anhängen, um das Bild der zeitgenössischen Physik zu vervollständigen, auch Raum für noch allgemeinere Fragen über die eigentliche Bedeutung von Natur, Energie, Wissenschaft und der angewandten mathematischen Sprache geben.

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

St

PRÄFIXE

––––––––

du entscheidest

D

Centi

C

Milli

M

Mikro

Zwerg

NEIN

Bild

P

femto

F

Tat

Zu

zepto

z

Yocto

j

Deka

aus

Hekto

H

Kilo

k

mega

M

Soloauftritt

G

Tera

T

Peta

P

Ex

UND

Zetta

Z

Yotta

Y

PHYSIKALISCHE KONSTANTEN

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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