Opa, was macht ein Physiker? E-Book

Siegfried Hess

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Erlebnis Wissenschaft
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2014

Seitenzahl: 347

Beschreibung

Was für eine schöne Idee! Siegfried Hess erklärt allen Menschen ab 12 Jahren, was die Welt im Innersten zusammenhält und was die Physik damit zu tun hat. Die Grundlagen dafür beginnen mit der Mechanik. Wussten Sie, dass es eine himmlische, eine irdische und eine höllische Mechanik gibt? Die himmlische Mechanik erklärt die Bewegung der Erde um die Sonne und die des Mondes um die Erde. Die irdische beschäftigt sich mit der Mechanik auf der Erde ? u. a. mit Rädern, Hebeln, dem Fliegen oder Reibung und Bewegungen, und die höllische Mechanik schließlich behandelt den Flug und die Wirkung von Kanonenkugeln und anderen Geschossen. Forscher und ihre Entdeckungen: von Heinrich Hertz bis zu Max Planck Was die klassische Mechanik nicht erklären kann ? die Physik der Atome und Moleküle und ihre Wechselwirkung mit Licht ?, das erklärt die Quantenmechanik. Hess stellt? wie auch schon zuvor ? Forscher und Entdecker vor und bringt den Lesern so das Gebiet der Quantenmechanik nahe. Wer eine Auflockerung dazwischen braucht, der kann sich mit dem »Teekesselspiel « vergnügen oder die Fantasiegeschichte »Was wäre, wenn an der Planck- Konstanten gedreht wird?« lesen. Mitwirkende: Albert Einstein, Max Planck und Max von Laue und viele andere ? frei erfunden von Siegfried Hess.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Über den Autor

Vorwort

1 Physik – was ist das?

2 Mechanik

2.1 Hebel

2.2 Auftrieb

2.3 Stabilität, Schwerpunkt

2.4 Fallgesetze

2.5 Pendel

2.6 Kurven, Graphen und Funktionen

2.7 Energie

2.8 Arbeit, Leistung

2.9 Masse, Trägheit, Impuls

2.10 Kraft, Bewegungsgleichung

2.11 Sonne und Planeten

2.12 Newton, Mond und Erde

2.13 Energie bei der Planetenbewegung

2.14 Kraft und Potential*

2.15 Drehimpuls

2.16 Laplace-Runge-Lenz-Vektor und Perihel-Drehung*

2.17 Rechnen mit Vektoren*

2.18 Vorhersage und Chaos

2.19 Zwangskräfte, d'Alembert, Lagrange I und Gauß*

2.20 Verallgemeinerte Koordinaten, Lagrange II*

2.21 Pendelbewegungen

2.22 Hamilton-Prinzip und Hamilton-Gleichungen*

2.23 Phasenraum, Liouville*

2.24 Bewegung in beschleunigten Bezugssystemen*

2.25 Kreisel, Euler*

2.26 Berechnung von Bewegungen*

2.27 Grenzen der Mechanik

2.28 Einheiten und Dimensionen*

2.29 Quadrat und Potenzen, große und kleine Zahlen

3 Quanten-Mechanik

3.1 Warum Quanten-Mechanik?

3.2 Planck, Einstein und die Quanten

3.3 Bohr, Sommerfeld: Atombau und Spektrallinien

3.4 Heisenbergs Unschärfe-Relation

3.5 Form und Stabilität des Wasserstoff-Atoms im Grundzustand

3.6 de Broglie, Schrödinger und Wellenfunktionen

3.7 Tunnel-Effekt

3.8 Drehimpuls und Spin, Stern-Gerlach-Experiment

3.9 Pauli, Atome und Periodensystem

3.10 Helium-Atom und Wasserstoff-Molekül

3.11 Wasserstoff-Isotope und Helium-Isotope

3.12 Fermionen und Bosonen

3.13 Strahlung und Auswahlregeln*

3.14 Dirac und das relativistische Elektron*

3.15 Erzeugung und Vernichtung von Teilchen*

3.16 Was wäre, wenn an der Planck-Konstanten gedreht wird?

4 Erhaltungssätze und Symmetrien

4.1 Der vermisste Autoschlüssel

4.2 Wann gelten Erhaltungssätze?

4.3 Das Noether-Theorem

4.4 Translations-Invarianz

4.5 Rotations-Invarianz

4.6 Verschiebung des Zeit-Nullpunktes

4.7 Paritäts-Operation und Paritäts-Invarianz

4.8 Verletzung der Paritäts-Invarianz und Pauli

4.9 Zeitumkehr-Invarianz

5 Verstehen

Anhang

A.1 Teekessel

A.2 Physiker und Mathematiker, Astronomen, Chemiker und Ingenieure

Bildnachweis

Nachwort

Dank

Stichwortverzeichnis

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Autor

Siegfried Hess

Technische Universität Berlin, EW 7-1

Institut für Theoretische Physik

Hardenbergstr. 36

10623 Berlin

Deutschland

Titelbild

© byheaven – Fotolia.com

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Print ISBN 978-3-527-41263-1ePDF ISBN 978-3-527-67940-9ePub ISBN 978-3-527-67938-6Mobi ISBN 978-3-527-67939-3

Über den Autor

Siegfried Hess studierte Mathematik und Physik an der Universität Erlangen- Nürnberg, schloss das Studium mit dem Diplom in Physik 1964 ab, danach war er ein Jahr in den USA, die Promotion erfolgte 1967 in Erlangen, anschließend war er als Post doc In Leiden, Holland, um sich 1970 in Erlangen für Physik zu habilitieren. Er war Professor für Theoretische Physik in Erlangen und von 1984 bis 2007 Inhaber des Lehrstuhls für Statistische Physik und Transporttheorie am Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität Berlin. Siegfried Hess war zu Forschungsaufenthalten und als Gastprofessor an Forschungsinstituten und Universitäten in den USA, Kanada, Holland, Frankreich und Australien.

Im Kurs Theoretischer Physik hielt er in Erlangen und Berlin die Vorlesungen »Mechanik«, »Quanten-Mechanik«, »Elektrodynamik und Optik«, »Thermodynamik und Statistische Physik«. Daneben bot er forschungsorientierte Vorlesungen an, die engen Bezug zu aktuellen theoretischen und experimentellen Untersuchungen der Physik der Kondensierten Materie hatten. Über seine Forschungen zur Erklärung der Materialeigenschaften von Gasen, Flüssigkeiten, Flüssigkristallen und Festkörpern aus den Eigenschaften der Atome und Moleküle und ihrer Wechselwirkung untereinander sind mehr als 250 Publikationen erschienen.

Diese Forschungsarbeiten, Rechnungen mit Bleistift und Papier, numerische Berechnungen und Computer-Simulationen, sowie Experimente zur Licht- und Neutronen-Streuung, zu Optik und Nicht-Gleichgewichts-Phänomenen sind meistens gemeinsam mit Diplomanden, Doktoranden, wissenschaftlichen Mitarbeitern und Kollegen durchgeführt worden. Auf den daraus resultierenden Veröffentlichungen stehen die Namen von mehr als 100 Koautoren aus 20 Ländern.

Siegfried Hess hat sowohl als Projektleiter, als auch als Gutachter bei nationalen und internationalen Forschungs-Kooperationen mitgewirkt. Daran waren neben Physikern auch Chemiker, Mathematiker und Ingenieure beteiligt. Er erlebte, wie wichtig es ist, bei der Behandlung wissenschaftlicher Probleme eine über die Fachgrenzen hinweg reichende, gemeinsame Sprache zu finden. Mit seinen Kindern und Enkelkindern sprach und spricht er gerne über Physik.

Seine Geschichten zur Mechanik und Quanten-Mechanik sind hier zu finden.

Von Opa gewidmet den Enkelkindern

Rita, Lea, Jonas, Francis und Killian

Vorwort

»Opa, was macht ein Physiker?«

»Opa, was erzählst du eigentlich den Studenten in deinen Vorlesungen?«

Diese Fragen stellten Enkelkinder mir, einem Physik-Professor an der Technischen Universität Berlin. Mit Vorlesungen ist der viersemestrige Kurs in Theoretischer Physik gemeint: Mechanik, Quanten-Mechanik, Elektrodynamik, Thermodynamik und Statistische Physik.

»Opa, erzähl uns die Physik!«

Ich begann zu erzählen, Geschichten und Fakten. Bald kam die Frage:

»Opa, kannst du das nicht aufschreiben, eine Physik für Kinder?«

»Ja«, war meine Antwort. Wir wollen hier beginnen mit der Mechanik, dabei am Anfang auch einiges behandeln, was in der Mechanik-Vorlesung schon als bekannt vorausgesetzt wird. Wir wollen etwas lernen über die Quanten-Mechanik, über die Kinder sich vielleicht weniger wundern als viele Erwachsene. Natürlich musste Opa über manches, was in den Vorlesungen an der Tafel erläutert und vorgerechnet wird, neu nachdenken. Ergebnisse von Experimenten und Theorien sollen vermittelt werden, Zusammenhänge sollen aufgezeigt und Verständnis geweckt werden.

Es ist die Absicht, die »richtige« Physik so mitzuteilen, wie sie Kindern erzählt werden kann. Teile des Textes wurden mit 10- bis 15-jährigen Enkelkindern getestet. Gelegentlich kam beim Vorlesen die Bemerkung: »Opa, hier musst du aber noch üben«. Dies war hilfreich. Ein Buch kann neugierig machen und auch mehrmals »befragt« werden.

Im geschriebenen Text soll ein Gefühl für Zahlen und physikalische Einheiten vermittelt werden, also nicht nur Geschichten, sondern dazwischen auch Fakten und Zahlen. Auch der Inhalt von Gleichungen kann in Worten verständlich gemacht werden. Aus Erfahrungen weiß ich, bei Kindern braucht man keine Scheu zu haben vor Fremdwörtern und Fachausdrücken. In Spielen, in Fantasie-Geschichten und Filmen kommen noch exotischere Ausdrücke vor, die bereitwillig akzeptiert und auch gelernt werden. Im Alter von 13 oder 14 Jahren habe ich das Buch Evolution der Physik von Albert Einstein und Leopold Infeld in die Hand bekommen und habe versucht darin zu lesen. Es war nicht für Kinder geschrieben, aber ohne jenes Buch wäre ich wahrscheinlich nicht Physiker geworden. Dieses Buch ist für Kinder gedacht, aber nicht kindlich gemacht. Nicht alles kann beim ersten Hören und Lesen verstanden werden, also: Nach-Lesen und Nach-Denken.

Beim Schreiben habe ich oft überlegt, was könnte in einem Hör-Buch erzählt werden. Ein Lese-Buch braucht Abbildungen. Es sind dies grafische Darstellungen und die von Enkelkindern und mir gefertigten Zeichnungen und Skizzen sowie Bilder von Physikern. Die Zeichnungen von Rita sind über mehrere Jahre hinweg entstanden, im Alter von 12 bis 15 Jahren. Technische und künstlerische Fähigkeiten haben sich dabei weiter entwickelt.

Ich habe die Hoffnung, dass die von Opa erzählte Kinderphysik auch für Studierende der Physik interessant ist, die ihrer Oma oder ihren nicht-physikalischen Kolleginnen und Kollegen erklären wollen, was sie eigentlich lernen. Selbst bei Prüfungen an der Universität ist es gut und nützlich, wenn man das Wesentliche der Physik in einfachen Worten ausdrücken kann.

Beim ersten Durchlesen können die Kapitel mit dem Stern (*) übersprungen werden. Gleiches gilt für die Formeln. In einer frühen Version des Manuskriptes waren Gleichungen nur in Worten formuliert. Von kritischen Lesern bekam ich Anmerkungen, die von »endlich ein Physik-Buch ohne Formeln« bis zu »Formeln müssen sein, denn daran kann man sich gar nicht früh genug gewöhnen« reichen. Formeln sind behutsam eingefügt, und zwar so, dass das Buch auch ohne Formeln gelesen werden kann. Dem wohlinformierten Leser, der von vorne bis hinten liest, werden viele Wiederholungen auffallen. Wiederholungen sind durchaus beabsichtigt. Wiederholungen erleichtern es auch, in einzelne Kapitel des Buches hineinzuspringen.

Nicht alles muss gleich verstanden werden. Und es gibt Dinge, die wohl kaum zu verstehen sind, die man aber doch wissen sollte. Am Ende des Buches steht noch ein Kapitel über das Verstehen, was ist das eigentlich? Eine Liste von Teekesseln, Worten mit zwei oder mehreren Bedeutungen und eine Liste mit den Lebensdaten von den im Text genannten Physikern, Mathematikern, Astronomen, Chemikern und Ingenieuren, sind angefügt.

Berlin, Mai 2014

Siegfried Hess

1

Physik - was ist das?

»Was ist Physik?« Auf diese Frage antwortete vor über 100 Jahren der Physiker Ludwig Boltzmann: »Physik ist die Mutter der Naturwissenschaften, welche den mathematischen Disziplinen die Nahrung, den speziellen Wissenschaften die Gesetze gibt.«

Klingt merkwürdig. Nun, Boltzmann meint, mit Physik kann man rechnen, und die Physik bestimmt, was wir in der Natur beobachten, bei Spiel und Sport machen können und was in der Technik möglich ist. Wenn ein Löffel vom Tisch nach unten zum Boden fällt, wenn ein gasgefüllter Ballon hochsteigt, eine Bananenflanke beim Fußballspiel ins Tor geht, wenn Wasser zu Eis gefriert, wenn wir einen Regenbogen sehen, wenn mit einem Schalter Licht ein- und auch wieder ausgeschaltet wird, wenn Elektromotoren in der Lokomotive einen Zug antreiben, wenn ein Flugzeug fliegt, wenn Klavier, Geige, Gitarre, Flöte oder Trompete schöne Töne erzeugen, ist all dies geregelt und bestimmt durch die Gesetze der Physik. Auch Menschen machen Regeln, erlassen Vorschriften und Gesetze. Bei Rot sollst du nicht über die Straße gehen. Und trotzdem hast du schon Leute gesehen, die dies tun. Du und deine Mitspieler kennen die Regeln eines Spiels. Und trotzdem gibt es manchmal Spieler, die mogeln. Die Gesetze der Physik sind anders. Sie gelten und niemand kann sie durch Mogeln umgehen. Die Gesetze der Physik sind auch nicht, wie die Regeln eines Spiels, von Menschen gemacht. Die Gesetze der Physik sind eben einfach »da«, manche sagen, sie sind »von Gott gegeben«. Aber die Menschen, die Forscher, die man Physiker nennt, haben über lange Zeit durch Nachdenken, Beobachten und Experimentieren und wieder Nachdenken die Gesetze der Physik entdeckt, erforscht und aufgeschrieben. Das Aufschreiben geschieht nicht nur mit Worten, sondern auch mit mathematischen Gleichungen. Wenn man diese Gleichungen kennt und gut rechnen kann, mit Bleistift und Papier und mit einem Computer, kann man Vorgänge in der Natur bei Spiel und Technik vorhersagen. Aber Vorsicht, nicht alles können wir berechnen. Die Gesetze der Physik gelten auch für das Wetter. Trotzdem kann noch niemand das Wetter in einem Monat oder gar in einem Jahr vorhersagen.

Physiker wollen auch, wie der Dichter Johann Wolfgang von Goethe sagte, »erkennen, was die Welt im Innersten zusammenhält«. Du weißt, wenn du aus Lego-Steinen ein Haus oder ein Auto baust, dann ist das Haus oder das Auto aus Lego-Steinen aufgebaut. Und du siehst die Bausteine. Nun stell dir vor, du schaust vom Balkon eines Hochhauses nach unten und siehst ein Kind mit einem Lego-Auto, die Bausteine kannst du aber nicht mehr sehen. Trotzdem sind sie natürlich noch da, sonst gäbe es das Lego-Auto ja nicht. Ähnlich ist es mit der Luft, dem Wasser, den Steinen und allen Dingen, die uns umgeben. Sie bestehen aus »Bausteinen« oder Teilchen, die man »Atome« und »Moleküle« nennt. Diese Teilchen sind eben so klein, dass wir sie mit unseren Augen nicht sehen können, auch wenn wir ganz nahe sind. Auch wir bestehen aus Atomen und Molekülen. Es gibt verschiedene Atome, so wie du verschiedene Lego-Bausteine hast. Moleküle bestehen aus zwei oder mehreren Atomen, die in enger Verbindung sich gegenseitig festhalten. Atome sind nicht unteilbar, wie man lange geglaubt hat. Sie bestehen aus viel, viel kleineren Teilchen, dem Atomkern und den Elektronen. Der Atomkern besteht aus Teilchen, die man Protonen und Neutronen nennt. Und auch diese sind aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt. Ein Physiker, der dies nicht glauben wollte, sagte wohl »so ein Quark«. Und so nennt man diese kleinsten Teilchen »Quarks«. Woher weiß man all dies? Physiker haben nachgedacht und geraten, haben Experimente ersonnen und Geräte gebaut, mit denen man Teilchen aufspürt, verfolgt und einfängt, die man mit den Augen nicht sehen kann.

Wenn die Sonne scheint, ist es hell. Das Licht kommt von der Sonne zu uns. Wenn wir im Sonnenschein stehen, wird uns warm. Die Sonne sendet auch Strahlung zu uns, die wir nicht sehen, aber als Wärme spüren. Solche Wärmestrahlung empfinden wir auch in der Nähe einer Heizung oder eines heißen Ofens. Unsichtbare Strahlung geht auch von Radio- und Fernsehsendern aus und bringt das, was wir an Radio- und Fernsehgeräten hören und sehen können. Die Gesetze der Physik gelten auch für die Entstehung und Ausbreitung der sichtbaren und unsichtbaren Strahlung. Man muss sie kennen, um die Farben des Regenbogens zu verstehen, um Mikroskope und Fernrohre, Radio- und Fernsehempfänger bauen zu können. Die Gesetze der Physik regeln, wie Teilchen sich miteinander verhalten und wie sie auf Strahlung reagieren.

Es ist eine spannende Geschichte wie über viele, viele Jahre, in der Zeit deiner Eltern, Großeltern und davor, die Gesetze der Physik gefunden und angewendet wurden. Noch immer gibt es ungeklärte Probleme, die vielleicht du oder erst deine Kinder werden lösen können.

2

Mechanik

Himmlische, irdische und höllische Mechanik Die Physik beginnen wir mit der Mechanik. Man teilt sie ein in himmlische, irdische und höllische Mechanik erklärt die Bewegung der Erde um die Sonne sowie des Mondes um die Erde. Die irdische Mechanik beschäftigt sich mit der Mechanik auf der Erde, mit Hebeln und mit Stangen, mit Rädern und Maschinen, mit dem Schwimmen und dem Fliegen und mit der Reibung, die Bewegungen, wie wir sie beobachten, bremst und schließlich zur Ruhe bringt. Doch was ist die höllische Mechanik? Nein, die Physik-Prüfungen in der Schule sind nicht gemeint, sondern der Flug und die Wirkung von Kanonenkugeln und anderen Geschossen.

2.1 Hebel

Ihr habt die großen Steine gesehen, die Menschen vor Tausenden von Jahren aufgestellt haben. Diese Steine, die man Menhire nennt, mussten bewegt und transportiert werden. Und Obelix konnte ja nicht überall helfen. Wie haben die Menschen damals, ohne Bagger und Kräne, schwere Steine angehoben und bewegt? Sie verwendeten Hebel.

Mit einem Hebel kannst Du einen Gegenstand anheben, der viel schwerer ist als du.

Schaukeln auf einer Wippe Denk dir, du baust mit Freunden eine Schaukel, oder vielmehr eine Wippe: Einen Balken legt ihr auf einen am Boden liegenden Baumstamm, sodass der Baumstamm in der Mitte ist. Auf jedes Ende des Balkens setzt sich ein Kind, und lustig wird gewippt (). Was macht ihr, wenn ihr zu dritt seid und alle gleichzeitig schaukeln wollen? Auf einer Seite zwei Kinder! Das eine Kind ist in der Luft, die beiden anderen sitzen am Boden. Was ist zu tun? Steigt ab und verschiebt den Balken so, dass er auf der eine Seite des Baumstamms doppelt so lang ist wie auf der anderen. Das eine Kind setzt sich auf den längeren Teil des Balkens, die beiden anderen auf den kürzeren. Die Wippe funktioniert wieder. Und nun wisst ihr auch, was ihr machen könnt, wenn Opa kommt und mitspielen möchte. Ihr verschiebt den Balken so, dass er auf der einen Seite vier mal länger ist als auf der anderen (). »Opa, setz dich auf den kurzen Teil des Balkens! Wir können dich hochheben!« Und siehe da, jedes der Kinder kann alleine Opa anheben, obwohl er ja viel schwerer ist als die Kinder.