Physik polarisiert. Als Schulfach bei vielen wenig beliebt, wird sie oft sogar als bedrohlich empfunden. Zugleich faszinieren ihre Themen breite Massen, und einzelne Forscher wurden regelrecht zu Popstars.
Die Arbeit in der modernen Physik mag Beherrschung der höheren Mathematik, Programmierkenntnisse oder Experimentiergeschick erfordern. Um einen Einblick in spannende und aktuelle Fragestellungen zu bekommen, ist das alles aber nicht notwendig.
In diesem Sinne wurde die Vortragsreihe Quanten, Felder, Schwarze Löcher als gemeinsame Veranstaltung der Technischen Universität Graz und der Karl-Franzens Universität Graz ins Leben gerufen. Ziel war und ist, dass Studierende und Lehrende Konzepte der modernen Physik spannend und zugleich allgemein verständlich präsentieren.
Die Vorträge sollten dabei sowohl interessierten Laien als auch anderen Studierenden, Forschenden und Lehrenden neue Blickwinkel eröffnen. Die Themen umfassen entsprechend einen weiten Bereich - von fundamentalen Grundlagen bis hin zu aktuellen Forschungsfragen.
Achtzehn der Schlüsselvorträge sind inzwischen schriftlich ausgearbeitet und liegen nun gesammelt in Buchform vor. Dieses Buch halten Sie in Händen, und wir hoffen, dass wir damit ein wenig von der Faszination, die das Gebiet der Physik für uns hat, auch an Sie weitergeben können.
/ AUS DEM INHALT: / / /
I Grundlegendes 1
1. Gebiete der Physik 3
Mechanik - von fliegenden Körpern 5
Elektrodynamik: Strom, Licht und Magnetismus 6
Thermodynamik und statistische Mechanik 7
Die Krise der klassischen Physik 8
Quantenfeldtheorie und "Theories of Everything" 9
Festkörper- und Biophysik 10
2. Effekte der Speziellen Relativitätstheorie 13
Grundprinzipien der Speziellen Relativitätstheorie 14
Effekte der Speziellen Relativitätstheorie 14
Paradoxa der Speziellen Relativitätstheorie 20
3. Allgemeine Relativitätstheorie 25
Newton, Koordinaten und Bezugssysteme 26
Alles bewegt sich 28
Von der Klassik zur Moderne 29
Beschleunigung und Gravitation: Das Äquivalenzprinzip 31
Masse und gekrümmte Raumzeit 32
Axiome der Allgemeinen Relativitätstheorie 34
Gravitation und Licht - Gekrümmte Raumzeit 36
Schwarze Löcher 38
Grenzen der Theorie 39
4. Quantenmechanik 41
Ausgangspunkt 42
Grundlegende Gesetze der Quantenmechanik 43
Deutungen 48
Und noch mehr Probleme 50
Was können wir nun rechnen? 53
Anwendungen 54
Grenzen / Erweiterungen 58
5. Die Renormierungsgruppe 61
Längenskalen 62
Kritische Phänomene 64
Die Idee der Renormierungsgruppe 67
Das Ising-Modell 69
Die Block-Spin-Transformation 72
Korrelationslänge und Selbstähnlichkeit 74
Fixpunkte und Parameterräume 76
Kritische Exponenten und Skalengesetze 78
Universalität und Universalitätsklassen 80
Ausblick 83
II Angewandtes 85
6. Quantencomputer und Quanteninformationstheorie 87
Eine neue Art zu rechnen 88
Wie arbeiten unsere PCs ? 88
Und hinzu fügen wir Quantenmechanik: 90
Und wann sind nun Quantencomputer schneller? 94
Weitere Quantenalgorithmen 95
Quantenkryptographie 96
Der Bau des Quantencomputers 98
7. Nichts: das Vakuum und der Casimir-Effekt 103
Die Geschichte des Vakuums 104
Das Vakuum in der modernen Physik 108
Der Casimir-Effekt 112
Zusammenfassung 115
8. Von Quarks, Gluonen und Confinement 119
Skalen und Kräfte 120
Bausteine der Materie 123
Eigenschaften der QCD 126
Wie nemmama eam denn? 130
Groß und klein, kurz und lang 134
Zum Abschluss 135
9. Spin - Modelle und Monte - Carlo Simulationen 137
Modelle in der Physik 138
Spinmodelle 139
Statistische Physik 140
Monte-Carlo Simulationen 141
Monte-Carlo für Spin-Systeme 142
Allgemeines zu Monte-Carlo 143
Verbesserungen der Monte-Carlo Methode 144
Der Phasenübergang 144
Die Renormierungsgruppe 145
Fazit 147
10. Quantenmechanik im Alltag 149
Licht 151
Das Bohr'sche Atommodell 154
Grundlagen der Quantenmechanik 157
Das Wasserstoff-Atom 160
Der Aulbau der Atome 163
Die Röntgenröhre 164
Magnetresonanzmethode 165
Die Atomuhr und GPS 166
Die kovalepte Bindung 168
Der Laser 172
Festkörper und Bändermodell 174
Die Halbleiterdiode 176
Leuchtdiode und Solarzelle 178
Abschließendes 178
11. Ultra-Kalt - Ultra-Kurz - Ultra-Präzise 179
Was ist Quantenoptik? 180
Ultra-Kalt: Laserkühlung von Atomen, Bose-Einstein-Kondensation 180
Ultra-Kurz: Laserpulse im Femto- und Attosekundenbereich 187
Ultra-Präzise: Frequenz- und Zeitmessung; neue Atomuhren 190
12. Elektronische Struktur kristalliner Festkörper 195
Es begann mit einer Krise 196
Festkörperphysik und Quantenmechanik 199
Bandstruktur und Fermi-Dirac-Statistik 202
Was kann man aus elektronischen Bandstrukturen lernen? 206
III Historisches 209
13. Die spezielle Relativitätstheorie : Vor- und Frühgeschichte 211
Mechanik 212
Optik 213
Elektromagnetismus 214
Elektrodynamik und bewegte Körper 217
Die zwei großen Wegbereiter der speziellen Relativitätstheorie 219
Albert Einstein (1879 - 1955) 223
14. Die Väter der Quantenmechanik 225
Max Karl Ernst Ludwig Planck 226
Albert Einstein 227
Niels Henrik David Bohr 229
Werner Karl Heisenberg 231
Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger 232
Paul Adrien Maurice Dirac 234
Schlusswort 235
IV Weiterführendes 237
15. Die Sonne und das Weltraumwetter 239
Die Sonne - Steckbrief 240
Die Sonne als Stern 241
Wie beobachtet man die Sonne? 242
Was sieht man auf der Sonne? 243
Das Sonneninnere 243
Die Atmosphäre der Sonne 247
Die Sonnenaktivität 249
Das Weltraumwetter 253
Bestimmt die Sonne Klimaänderungen? 253
Wie schützt sich die Erde vor der Sonne? 255
Das Problem der Jungen Sonne 255
Strahlungsschäden 256
Ionisation 256
Geomagnetische Stürme 257
Tod im Weltraum? 261
16. Astronomie 263
Das Teleskop 264
Der Nachthimmel 270
Aufnahmetechniken 274
17. Vom Wasserstoff zur Hawking - Strahlung 279
Das Standardmodell der Kosmologie 281
Entstehung der Elemente und Sterne 284
Schwarze Löcher 286
Die Suche nach Schwarzen Löchern 288
Zoologie der Schwarzen Löcher 289
Reise ins Schwarze Loch 290
Hawking-Strahlung 292
Gefahr durch Schwarze Löcher? 293
Das Ende 293
18. Physik und Science Fiction 299
Was ist Physik und was ist Science Fiction? 300
Fehler in der SF 303
Drei Beispiele - physikalisch betrachtet 305
Was bringt die Zukunft? 312
Anhang 315
Autorinnen und Autoren 315
Programm der Vortragsreihe 318
Quellenangaben 323