Quanten, Felder, schwarze Löcher: ein Streifzug durch die moderne Physik
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Graz
Verl. der TU
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| adam_text | Titel: Quanten, Felder, Schwarze Löcher
Autor: Lichtenegger, Klaus
Jahr: 2011
Inhaltsverzeichnis
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
vn
Und noch mehr Probleme........................ 50
Was können wir nun rechnen?...................... 53
Anwendungen............................... 54
Grenzen / Erweiterungen........................ 58
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 nemma ma eam denn?....................... 130
Groß und klein, kurz und lang ..................... 134
vin
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 Aufbau der Atome.......................... 163
Die Röntgenröhre............................. 164
Magnetresonanzmethode......................... 165
Die Atomuhr und GPS.......................... 166
Die kovalente Bindung.......................... 167
Der Laser................................. 171
Festkörper und Bändermodell...................... 173
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
ix
III Historisches 209
13. Die spezielle Relativitätstheorie: Vor- und Frühgeschichte 211
Mechanik................................. 2i2
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
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