Mechanik Relativität Gravitation: Die Physik Des Naturwissenschaftlers

ISBN-13: 9783540059820 / Niemiecki / Miękka / 1972 / 444 str.

Gottfried Falk; Wolfgang Ruppel

Opis

Dieses Buch gibt eine EinfUhrung in die Physik, aber es ist kein Lehrbuch entweder nur der Experimentalphysik oder der theoretischen Physik im herkommlichen Sinn. Die Physik wird hier als Einheit aufgefaBt. Das Buch bringt Begriffe, Fakten und Theorien, wobei von Anfang an die wichtigen, in der ganzen Physik tragfahigen Begriffe im Vorder grund stehen. Das in diesem Buch entwickelte Konzept ist dabei keineswegs auf die Mechanik, Relativitatstheorie und Gravitation beschrankt, sondern stellt ein systema tisches Verfahren zur Beschreibung der Natur dar, das die gesamte Physik umfaBt. Zurn Gebrauch Das Buch wendet sich in erster Linie an den angehenden Physiker, aber auch an jeden anderen Naturwissenschaftler, ob Lehrer oder Forscher, der Interesse hat am gedank lichen Aufbau der Physik. Wir haben die einzelnen Kapitel so gestaltet, daB sie weit gehend unabhiingig voneinander gelesen werden konnen. Das gilt insbesondere fur die Relativitatstheorie und die Gravitation. Deren Darstellung ist sogar elementarer als die mancher vorausgegangener Paragraphen uber klassische Gegenstande."

Spis treści

I Einleitende Orientierung.- § 1 Physikalische Größen.- Größen als Mittel des quantitativen Vergleichens.- Anwendung auf die Welt als ganze.- Theorie und Wirklichkeit.- § 2 Physik und Mathematik.- Die physikalische Messung.- Mittelwert und quadratische Streuung.- Statistik der Einzelmessungen und Wahrscheinlichkeit.- Bessere und schlechtere Meßverfahren.- Der Fehler einer Messung.- Streuung und Fehler in der klassischen Physik.- Streuung und Fehler in der Quantenmechanik.- Das Instrument „Mathematik“.- Richtig und Falsch in der Physik.- Theorie und Mathematik.- § 3 Kinematik und Dynamik.- Die kinematische Beschreibung der Bewegung.- Unphysikalische Bewegungen.- Bewegung als Transport.- § 4 Die Begriffe Impuls und Energie in ihrer historischen Entwicklung.- Huygens’ Untersuchungen zum elastischen Stoß.- Newtons Bewegungsgleichungen.- Newtons Prinzip der Gleichheit von actio und reactio.- Kinetische und potentielle Energie.- Ausdehnung des Energiebegriffs auf nicht-mechanische Vorgänge und Systeme.- Ausdehnung des Impulsbegriffs auf nicht-mechanische Systeme.- Bewegung als Energie-Impuls-Transport.- Heisenbergs Unschärferelationen.- II Impuls und Energie.- § 5 Der Transport von Energie und Impuls.- Transporte durch den leeren Raum.- Innere Energie, Ruhenergie.- Kinetische Energie.- Grenzgeschwindigkeit von Transporten.- § 6 Der Begriff des Teilchens.- Energie-Impuls-Zusammenhang eines Transports.- Die Funktion E(P) für Transporte durch den leeren Raum bei beliebiger Geschwindigkeit.- Newtonsche Teilchen.- Extrem relativistische Teilchen.- § 7 Die Messung des Impulses.- Impulsmessung als Operation des Vergleichens.- Das Prinzip der Impulsmessung.- Impulsmessung bei v ? c.- Impulsaustausch eines Pendels.- Impulsmessung bei v = c.- Einheiten des Impulses.- § 8 Die Messung der Energie.- Energiemessung als Operation des Vergleichens.- Verschiebungen.- Verschiebungsenergie im homogenen Gravitationsfeld.- Freier Fall im homogenen Gravitationsfeld.- Verschiebungsenergie beim Spannen einer elastischen Feder.- Einheiten der Energie.- III Stoßprozesse.- § 9 Allgemeine Charakterisierung von Stoßprozessen.- Wechselwirkung von Energie-Impuls-Transporten.- Impuls- und Energiebilanz zwischen Anfangs- und Endzustand.- § 10 Schwerpunktssystem.- Schwerpunktssystem eines Teilchens.- Schwerpunktssystem mehrerer Teilchen.- Stoßinvarianten.- § 11 Der elastische Stoß.- Impuls- und Energiebilanz.- Elastischer Stoß zwischen Newtonschen Teilchen.- Zentral-elastischer Stoß.- Beispiele elastischer Stoßprozesse.- Compton-Effekt.- Weiche und harte Photonen beim Compton-Effekt.- Beobachtung der Compton-Streuung an gebundenen Elektronen.- Compton-Effekt am bewegten Elektron.- Reflexion von Licht am ruhenden Spiegel.- Reflexion von Licht am bewegten Spiegel.- § 12 Der inelastische Stoß.- Energiebilanz.- Modell eines inelastischen Stoßes.- Der total inelastische Stoß.- Franck-Hertz-Versuch.- Paarerzeugung und Paarzerstrahlung.- Absorptionsprozesse für hochenergetische Photonen.- Emission eines Photons. Mößbauer-Effekt.- § 13 Teilchenreaktionen.- Mikroskopische Reversibilität.- Reaktionsenergie und Schwellenergie.- Aktivierungsenergie.- Beispiel einer chemischen Reaktion.- Kernfusionsreaktionen.- Proton-Proton-Stoß.- § 14 Dissipative Energie-Impuls-Transporte.- Energie-Impuls-Transport in Materie.- Modell eines Stoßmechanismus mit Energiedissipation.- Teilchen und Quasiteilchen.- IV Felder.- § 15 Körper und Feld als Grenzfälle des Teilchenbegriffs.- Das Problem der Lokalisierbarkeit eines Teilchens.- Die klassische Einteilung der Transporte in korpuskulare und feldartige.- § 16 Verschiebungsenergie.- Energieänderungen und ihre mathematische Beschreibung. Kraft.- Die Energieformen Bewegungs- und Verschiebungsenergie.- Vorgänge mit Austausch allein von Bewegungs- und Verschiebungsenergie.- Das Modell des statischen Feldes.- § 17 Die mathematische Beschreibung statischer Felder.- Einteilung der statischen Felder in zwei Typen.- Statische Felder vom ersten Typ.- Statische Felder vom zweiten Typ.- Physikalische Felder.- Mathematische Felder.- Gradientenfelder.- Äquipotentialflächen.- Konservative und nicht-konservative Kraftfelder.- § 18 Beispiele statischer Felder.- Das homogene Gravitationsfeld.- Gravitationsfeld eines punktartigen Körpers.- Coulomb-Feld.- Die elastische Feder als Feld.- § 19 Die Bewegung von Körpern in statischen Feldern.- Bewegungen.- Energiebilanz bei Bewegungen.- Impulsbilanz bei Bewegungen.- Bewegungsgleichungen.- Hamiltonsche Gleichungen.- § 20 Spezielle Bewegungsgleichungen und ihre Lösungen.- Bewegungsgleichungen eines Newtonschen Körpers im homogenen Kraftfeld.- Bahnen eines Newtonschen Körpers im homogenen Kraftfeld.- Relativistische Bewegung im homogenen Kraftfeld.- Kepler-Problem.- Kreisbahnen des Kepler-Problems.- Allgemeine Bahnkurven eines Newtonschen Körpers beim Kepler-Problem.- Der lineare harmonische Oszillator.- Der 3-dimensionale harmonische Oszillator.- Anwendungen des harmonischen Oszillators.- Allgemeine Bedeutung des harmonischen Oszillators.- Beispiele harmonischer Oszillatoren.- § 21 Bewegung eines elektrisch geladenen Körpers im Magnetfeld.- Beschleunigung eines elektrisch geladenen Körpers in einem Magnetfeld.- Die Funktion E(P, r) eines geladenen Körpers im Magnetfeld.- Bewegungsgleichungen.- Das Vektorpotential als Beschreibung des Magnetfeldes.- Bahnen eines geladenen Körpers im homogenen Magnetfeld.- Relativistische Bewegung im Magnetfeld.- § 22 Austausch und Transport von Energie und Impuls durch Felder.- Energie- und Impulsbilanz eines statischen Feldes.- Die elastische Feder als Modell für den Impulsaustausch und Impulstransport eines Feldes.- Die statische Näherung eines Feldes.- Der leere Raum als Zustand eines Feldes. Trägheitsfeld.- § 23 Zwei- und Mehrkörper-Probleme in statischer Näherung.- Bewegungsgleichungen.- Reduktion eines 2-Körper-Problems auf ein 1-Körper-Problem. Schwerpunkts- und Relativvariablen.- 2-Körper-Probleme mit Feldern vom ersten Typ.- Modell eines 2-atomigen Moleküls.- Modell eines gestreckten 3-atomigen Moleküls.- Hauptachsentransformation.- Lösung des Hauptachsenproblems.- Eigenschwingungen.- Virial-Theorem.- Einige Folgerungen aus dem Virial-Theorem.- V Drehimpuls.- § 24 „Natürliche“ Bewegungen. Translation und Rotation.- Kinematik der Translation und Rotation.- Polare und axiale Vektoren.- § 25 Der Drehimpuls.- Allgemeine Eigenschaften des Drehimpulses.- Bahndrehimpuls eines Körpers.- Dynamische Auszeichnung eines Bezugspunkts. Rotationssymmetrische Felder.- Bahndrehimpuls eines n-Körper-Systems.- Bahndrehimpuls eines 2-Körper-Systems.- Bahndrehimpuls eines n-Körper-Systems mit 2-Körper-Wechselwirkungen.- Der gesamte Drehimpuls eines n-Körper-Systems.- Austausch von Drehimpuls zwischen den Partnern eines 2-Körper-Systems.- Der Spin.- § 26 Energie und Drehimpuls.- Zerlegung einer Bewegung in Rotation und l-dimensionale Bewegung (Schwingung).- Energie als Funktion des Drehimpulses.- Energie eines rotierenden starren n-Körper-Systems.- Die Komponenten des Trägheitstensors.- Steinerscher Satz.- Hauptträgheitsachsen.- § 27 Rotationsbewegungen eines starren Körpers.- Rotation um eine vorgegebene Achse.- Rollende Bewegung.- Gehemmte Rotation. Rotationsschwingungen.- Freie Rotation eines starren Körpers. Kreisel.- Der Kreisel unter dem Einfluß eines Drehmomentes.- VI Relativitätstheorie.- § 28 Bezugssysteme und Geometrie.- § 29 Der absolute Raum und die absolute Zeit Newtons.- § 30 Inertialsysteme und Relativitätsprinzip.- Inertialsysteme.- Relativitätsprinzip.- Galilei-Transformation.- § 31 Nicht-inertiale Bezugssysteme.- Newtons Unterscheidung zwischen „wahren“ Kräften und Trägheitskräften.- Rotierende Bezugssysteme.- Résumé der Newtonschen Auffassung.- Historische Notitz zum Begriff des absoluten Raumes.- Das Foucault-Pendel.- Kreiselkompaß.- Die Funktion E(P, r) im rotierenden Bezugssystem.- Larmor-Theorem.- Atom im Magnetfeld. Zeeman-Effekt.- § 32 Trägheitsfeld und Äquivalenzprinzip.- Beschleunigungsf elder.- Äquivalenzprinzip.- Lichtablenkung im Gravitationsfeld.- Rotverschiebung im Gravitationsfeld.- § 33 Dynamische Beschreibung von Energietransporten in Beschleunigungsfeldern.- Energiebilanz in Beschleunigungsfeldern.- Der Newtonsche Grenzfall.- Extrem relativistischer Grenzfall.- § 34 Zeitablauf gleicher physikalischer Vorgänge an verschiedenen Stellen im Gravitationsfeld.- Uhren im Gravitationsfeld.- Uhren bei beschleunigten Bewegungen. Zwillingsparadoxon.- § 35 Grenzgeschwindigkeit und Relativitätsprinzip.- § 36 Transformation von Energie, Impuls und Geschwindigkeit beim Übergang zwischen Inertialsystemen.- § 37 Lorentz-Transformation.- § 38 Relativität der Gleichzeitigkeit. Invariante und nicht-invariante Zeitordnung.- § 39 Zeitdehnung und Gestaltsänderung durch Bewegung.- Elimination der Retardierung. Transversaler Doppler-Effekt.- Auswirkungen des transversalen Doppler-Effekts.- Zeitdehnung infolge gradlinig-gleichförmiger Bewegung.- Einfluß der Gleichzeitigkeit auf die geometrische Gestalt.- Der Aufbau der Relativitätstheorie. Rückschau und Ausblick.- § 40 Raum-Zeit-Geometrie der Inertialsysteme.- Die Welt der Ereignisse.- Die Metrik der Raum-Zeit-Welt.- § 41 Wirkung eines Beschleunigungsfeldes auf die Raum-Zeit-Welt.- Gleichförmig beschleunigte Bewegung im Inertialsystem.- Trägheitsbewegungen in beliebigen Bezugssystemen.- Die Weltlinien des Lichts in nicht-inertialen Bezugssystemen.- § 42 Gravitationsfelder, die eine Krümmung der Raum-Zeit-Welt bewirken.- Der lokale Charakter der Inertialsysteme.- Die Krümmung der Raum-Zeit-Welt.- Planetenbewegung als geodätische Weltlinie.- § 43 Zusammenhang zwischen Krümmung und Verteilung von Energie und Impuls in der Welt.- Die Feldgleichungen des Newtonschen Gravitationsfeldes.- Die Einsteinschen Feldgleichungen.- Kosmologische Weltmodelle.- VII Gravitation.- § 44 Newtons Gravitationstheorie.- Die Bewegung des Mondes als freier Fall.- Die Keplerschen Gesetze.- Kinematische Folgerungen aus den Keplerschen Gesetzen.- Newtons Gravitationsgesetz.- 2-Körper-Problem.- Die potentielle Energie der Gravitationswechselwirkung.- Bestimmung der Masse von Himmelskörpern.- Hyperbelbewegungen.- § 45 Ausbau der Newtonschen Gravitationstheorie.- Gravitationsfeld einer gegebenen Massenverteilung.- Gravitationspotentiale einfacher Massenverteilungen.- Die Gravitationsenergie einer Massenverteilung.- Das n-Körper-Problem.- § 46 Deformationswirkung von Gravitationsfeldern auf ausgedehnte Körper (Gezeiten).- Deformation eines Körpers im inhomogenen Gravitationsfeld.- Drehmoment als Folge eines inhomogenen Gravitationsfeldes.- Mathematische Beschreibung der Inhomogenität eines Gravitationsfeldes.- Gezeiten-Effekte.- § 47 Einsteins Theorie der Gravitation.- Gravitation als Raum-Zeit-Struktur.- Lichtablenkung im Gravitationsfeld.- Rot- und Violettverschiebung im Gravitationsfeld.- Periheldrehung des Merkur.- Laufzeitverzögerung elektromagnetischer Signale im Gravitationsfeld.- Gravitationsfeld eines rotierenden Körpers.- Ereignishorizont.- Endliche und unendliche Zeitintervalle zwischen Ereignispaaren.- Der radiale freie Fall im Schwarzschild-Feld.- Die Raum-Zeit-Welt eines frei fallenden Beobachters.- Schwarzes Loch. Gravitationskollaps.- § 48 Gravitationswellen.- Erzeugung.- Ausbreitung.- Nachweis.- § 49 Kosmologie.- Kosmologische Postulate.- Olbers’ Paradoxon.- Die Expansion des Weltalls.- Die 3 K-Weltraumstrahlung.- Astrophysikalische Daten.- Naturkonstanten.- Wichtige Einheiten.