Dieses Buch behandelt zentrale Ideen und Konzepte aus den verschiedensten Bereichen der Physik, die in üblichen Darstellungen oft tief unter technischen Details begraben liegen. Zudem werden Themen diskutiert, die wegen ihrer Vielschichtigkeit in den Grundvorlesungen keinen angestammten Platz haben.
Diese Schlüsselkonzepte werden jeweils in kurzen Essays und ohne formalen Ballast so dargestellt, dass das Wesentliche klar zum Vorschein kommt. Das Buch bietet damit gleichsam eine Landkarte und eine Schatzkiste für das weite Feld der Physik.
Das Buch eignet sich sowohl für Studierende der Physik ab etwa dem dritten Semester und auch für Leser mit allgemeinem naturwissenschaftlich-mathematischem Hintergrund und besonderem Interesse an der Physik.
Klaus Lichtenegger (*1979) studierte in Graz Technische Physik und Umweltsystemwissenschaften, er promovierte in theoretischer Elementarteilchenphysik und war in der universitären Lehre tätig. Zur Zeit arbeitet er im Bereich erneuerbarer Energie und komplexer Systeme an einem außeruniversitären Forschungszentrum. Er ist Mitautor des großen Lehrbuchs Mathematik sowie Mitherausgeber von Quanten, Felder, Schwarze Löcher – ein Streifzug durch die moderne Physik.
/ AUS DEM INHALT: / / /
1 Einführung 1
Eine Landkarte der Physik 2
Zur Bedeutung der Mathematik in der Physik 4
Messung und Experiment 6
Einheitensysteme und Dimensionen 8
Die Naturkonstanten 10
2 Klassische Mechanik 13
Die Newton'schen Axiome14
Konservative Kräfte, Gleichgewichte, Energiesatz 16
Das Gravitationsgesetz 18
Messung der Erdbeschleunigung 20
Grundaufgaben der Mechanik 22
Starre Körper, Trägheit und rotierende Systeme 24
Zwei-Körper- und Mehr-Körperprobleme 26
Zwangsbedingungen und virtuelle Verrückungen 28
Generalisierte Koordinaten und Lagrange-Mechanik 30
Symmetrien und das Noether-Theorem 32
Hamilton'sche Mechanik 34
Das Hamilton'sche Prinzip 36
Konfigurations- und Phasenraum 38
Kontinuumsmechanik deformierbarer Körper 40
Fluidmechanik42
Reibung 44
Chaotische Systeme 46
3 Elektrizität und Magnetismus 49
Elektrische und magnetische Erscheinungen; Felder 50
Ströme und Induktion 52
Elektrische Bauelemente und Messtechnik 54
Die Maxwell-Gleichungen 56
Dielektrika und magnetische Materialien 58
Elektrostatische Grundaspekte 60
Dipole und Multipolentwicklung 62
Vektorpotenzial und Eichungen 64
Plasmaphysik. 66
4 Wellen, Optik und Akustik 69
Schwingungen 70
Wellen. 72
Interferenz, Beugung, Streuung 74
Akustik76
Das elektromagnetische Spektrum. 78
Strahlung und Photometrie 79
Absorption und Emission 80
Der Laser 82
Der Doppler-Effekt 84
Geometrische Optik 85
5 Thermodynamik87
Wärme und Temperatur 88
Zustandsgleichungen und Zustandsänderungen 90
Kreisprozesse 92
Statistik und Ensembles 94
Reversibilität und Entropie. 96
Thermodynamische Potenziale 98
Wärmekapazität 100
Diffusion und Wärmetransport 102
Strahlungsgesetze 104
Phasenübergänge und kritische Phänomene 106
Verteilungsfunktionen und Transportgleichungen 108
Maxwells Dämon und das Rekurrenztheorem 110
6 Atome, Kerne, Elementarteilchen 113
Die Elementarladung und das Millikan-Experiment 114
Atommodelle 116
Rutherford-Streuung und Wirkungsquerschnitt 118
Kernmodelle 120
Radioaktivität 122
Kernspaltung und Kernfusion. 124
Teilchenbeschleuniger 126
Teilchendetektoren 128
Vom Teilchenzoo zum Standardmodell 130
Kernkräfte und fundamentale Wechselwirkungen 132
Hypothetische Teilchen 134
7 Quantenmechanik. 137
Vom Doppelspalt zur Quantenmechanik138
Wellenmechanik und Schrödinger-Gleichung 140
Einfache Potenzialprobleme 142
Abstrakte Formulierung der QM 144
Quantenstreuung und Tunneleffekt 146
Der harmonische Oszillator 148
Impulse und Drehimpulse in der QM 150
Das Wasserstoffatom und Orbitale 152
Der Spin; das Stern-Gerlach-Experiment 154
Magnetismus 156
Verschränkte Zustände 158
Die Grenzen des Kopierens 159
Quantencomputer und Quantenkryptographie 160
Rechenmethoden in der Quantenmechanik 162
Atom-Photon-Wechselwirkung 164
Das Feynman'sche Pfadintegral 166
Der Aharanov-Bohm-Effekt 168
Bosonen und Fermionen 170
Quantenstatistik 172
Viel-Teilchen-Formalismus 174
Bose-Einstein-Kondensation und Suprafluidität 176
Zur Mathematik der Quantenmechanik 178
EPR-Paradoxon und Bell'sche Ungleichung 180
Das Messproblem und Schrödingers Katze182
Interpretation und Status der Quantenmechanik 184
8 Festkörperphysik 187
Kristallgitter 188
Defekte in Festkörpern 190
Dynamik des Festkörpers 192
Normalschwingungen und Phononen. 194
Fermi-Fläche und Bloch'sches Theorem 196
Elektronenbänder und Bandstrukturmethoden 198
Transportvorgänge im Festkörper 200
Kollektiver Magnetismus 202
Supraleitung 204
Spezielle Effekte der Festkörperphysik 206
9 Spezielle Relativitätstheorie 209
Der Weg zur Relativitätstheorie. 210
Der relativistische Formalismus 212
Relativistische Effekte und Paradoxa 214
Cerenkov-Strahlung 216
Lorentz- und Poincaré-Gruppe 218
Relativistische Quantenmechanik220
Antiteilchen 222
10 Gravitation und Kosmologie 225
Grundidee der ART und klassische Tests 226
Der Formalismus der ART 228
Die Schwarzschild-Lösung 230
Schwarze Löcher 232
Dunkle Materie und dunkle Energie 234
Grundüberlegungen zur Kosmologie 236
Kosmologische Modelle 238
Gravitationswellen und unkonventionelle Lösungen 240
11 Quantenfeldtheorie 243
Grundideen der Quantenfeldtheorie 244
Zum Formalismus der Quantenfeldtheorie 246
Symmetrien in der QFT 248
Quantenelektrodynamik und Eichinvarianz 250
Quantenchromodynamik 252
Dynamische Symmetriebrechung 254
Elektroschwache Theorie und Higgs-Mechanismus 256
Feynman-Diagramme 258
Renormierung 260
Rechenmethoden in der QFT 262
Das Vakuum in der QFT 264
12 Vereinheitlichung und Quantengravitation 267
Hawking-Strahlung 268
Entropieschranken und das holographische Prinzip 270
Vereinheitliche Theorien und Quantengravitation 272
Supersymmetrie 274
Stringtheorie 276
Anthropisches Prinzip und Cosmic Landscape 278
13 Ausklang 281
Einige Grundannahmen der Physik 282
Zur Methodik der Physik 284
Konzepte der Wissenschaftstheorie 286
Das Physikstudium288
Der Wissenschaftsbetrieb 290
Physik, Technik und Gesellschaft292
Anmerkungen und Quellen 295
Einführung 295
Klassische Mechanik. 299
Elektrizität und Magnetismus 310
Wellen, Optik und Akustik 315
Thermodynamik 320
Atome, Kerne, Elementarteilchen 329
Quantenmechanik 336
Festkörperphysik 351
Spezielle Relativitätstheorie 360
Gravitation und Kosmologie 364
Quantenfeldtheorie 369
Vereinheitlichung und Quantengravitation 376
Ausklang 382
Kurzbiographien 388
Literaturverzeichnis 401
Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 406
Index 413