Relativitätstheorie für Dummies: [die spannende Vorgeschichte der Relativitätstheorie von Galilei bis Einstein ; allgemeine und spezielle Relativitätstheorie verstehen ; Astrophysik und Kosmologie]
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Weinheim
Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA
2018
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| Ausgabe: | 1. Auflage |
| Schriftenreihe: | ... für Dummies
Lernen einfach gemacht |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | 424 Seiten Illustrationen, Diagramme 24 cm x 17.6 cm |
| ISBN: | 9783527713264 3527713263 |
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis Über den Autoren.......................................................................... 7 Einführung....................................................................................... 19 Über dieses Buch........................................................................................................... Konventionen in diesem Buch.................................................................................... Was Sie nicht lesen müssen...................................................................................... Törichte Annahmen über den Leser............................................................................ Wie dieses Buch aufgebaut ist.................................................................................... Teil I: Der Weg zur modernen Physik............................................................... Teil II: Spezielle Relativitätstheorie.................................................................... Teil III: Allgemeine Relativitätstheorie.............................................................. Teil IV: Der Top-Ten-Teil....................................................................................... Symbole, die in diesem Buch verwendet werden................................................... Wie es weitergeht....................................................................................................... TEILI DER WEG ZUR MODERNEN PHYSIK............................................. Kapitel 1 Das Klassische Relativitätsprinzip.......................... Was ist Bewegung
?.................................................................................................... Vom Koordinatensystem........................................................................................... ... zum Bezugssystem................................................................................................. 20 21 21 21 22 22 23 23 24 24 24 25 27 28 30 32 Kapitel 2 Der Weg zur Klassischen Mechanik............................................ 35 Der Vater der Naturwissenschaften......................................................................... Beobachter trifft Analytiker: Brahe und Kepler....................................................... Isaac Newton begründet die moderne Physik........................................................ Ganz besondere Bezugssysteme............................................................................... Newtons Raum und Zeit............................................................................................. 35 37 40 44 45 Kapitel 3 Newtons Vermächtnis.................................................................. 49 Kinematik: Nichts als die reine Bewegung............................................................... Geschwindigkeit verbindet Ort und Zeit.......................................................... Die nächste Stufe auf der Differenzialleiter: Beschleunigung...................... Die Geschwindigkeit als Vektor........................................................................ Nach vorne mit Wucht: Der Impuls.................................................................
Impulserhaltung................................................................................................. Der Chef in der Mechanikabteilung: Die Energie........................................... Energie geht nicht verloren............................................................................... 50 51 55 56 56 56 58 60
12 Inhaltsverzeichnis Dynamik: Von den Kräften und ihren Wirkungen.................................................. Zwei ungleiche Brüder: Masse und Gewicht.................................................. Bewegungsgleichungen................................................................................... 65 66 67 Kapitel 4 Klassisches Koordinaten-Hopping: Die Galilei-Transformation.......................................................... 69 Gegeneinander bewegte Bezugssysteme.............................................................. Der Veränderung trotzen: Das Invarianzprinzip..................................................... 70 74 Kapitel 5 Maxwell und das Licht................................................................. 79 Elektrizität und Magnetismus im Wandel der Zeit.................................................. Elektrizität wird eine Wissenschaft................................................................. Von Elektrizität und Magnetismus zum Elektromagnetismus.............................. Bewegte Ladungen im Magnetfeld................................................................. Die Maxwell schen Gleichungen............................................................................... Der Elektromagnetismus schlägt Wellen................................................................. Die Vermessung des Lichts.............................................................................. Nicht zu fassen: Der Äther....................................................................................... Seltsame Sache, klare Muster:
Interferenz............................................................. Äther ade................................................................................................................... Licht im Ätherwind........................................................................................... Das Experiment von Michelson und Morley.................................................. 79 81 82 87 89 91 94 99 101 104 105 106 Kapitel 6 Es ächzt und knirscht im Weltgetriebe...................................... 111 Aberration und die Mitführungsthese.................................................................... 111 Hendrik A. Lorentz erstaunliche Interpretation des Michelson-Experiments..... 114 Ist die Elektrodynamik Galilei-invariant?................................................................. 117 Welche Lichtgeschwindigkeit misst ein Astronaut?....................................... 117 Was soll die Ladung im Magnetfeld tun?....................................................... 118 TEIL II SPEZIELLE RELATIVITÄTSTHEORIE................................................ 121 Kapitel 7 Ein Genie und seine Zeit, die Erste............................................. 123 Von München über Italien in die Schweiz................................................................ Der Autodidakt........................................................................................................... Patentangestellter dritter Klasse.............................................................................. Das
Wunderjahr........................................................................................................ 123 125 126 127
Inhaltsverzeichnis 13 Kapitel 8 Die Postulate der Speziellen Relativitätstheorie.................... 129 Einsteins Reise mit dem Licht................................................................................... Das Ende des Äthers.................................................................................................. Die Einstein schen Postulate...................................................................................... Das erste Postulat............................................................................................. Das zweite Postulat........................................................................................... 129 131 132 132 132 Kapitel 9 Die Lorentz-Transformation oder: Alles hat seinen Preis....... 135 Einsteins Weg zur Lorentz-Transformation...................................................... 137 Die Lorentz-Transformation im Überblick....................................................... 140 Kapitel 10 Das Ende der absoluten Zeit........................................................143 Von der ruhenden zur bewegten Lichtuhr............................................................... Lichtuhr im Waggon, die Erste: Ruhe.............................................................. Lichtuhr im Waggon, die Zweite: Bewegung................................................... Warum sich die Zeitdilatation versteckt.................................................................... Beispiel 1 : Ein vorbeifahrendes Auto.............................................................. Beispiel 2: Ein Düsenjet mit
Schallgeschwindigkeit....................................... Beispiel 3: Die Voyager-Sonde......................................................................... Beispiel 4: Eine Reise zur Wega (Teil I).............................................................. Die Lichtgeschwindigkeit als Grenze......................................................................... Wie man Uhren synchronisiert.................................................................................. Die Eisenbahn und die Zähmung der Zeit............................................................... Die Tücken der Gleichzeitigkeit.................................................................................. Klassische Gleichzeitigkeit................................................................................ Relative Gleichzeitigkeit.................................................................................... 143 144 145 148 149 149 149 150 152 153 155 156 157 159 Kapitel 11 Über kurz oder lang: Die Längenkontraktion...........................161 Wie man Längen misst.............................................................................................. Längen verkürzen sich................................................................................................ Längenkontraktion und Lorentz-Transformation.................................................... Längenkontraktion à la Einstein und Lorentz................................................. 162 163 166 167 Kapitel 12 Die (scheinbar) paradoxe Welt der Relativitätstheorie...........169 Eine Reise zur Wega
(Teil II)....................................................................................... Die erstaunlich lange Reise der Myonen.................................................................. Kommt ein Speerwerfer nach Hause........................................................................ Die kinematische Version.................................................................................. Die dynamische Version................................................................................... 169 170 171 172 174
14 Inhaltsverzeichnis Das Zwillingsparadoxon............................................................................................ Die Abreise........................................................................................................ Der Umstieg..................................................................................................... Die Rückkehr....,.............................................................................................. Begegnen sich zwei Raumschiffe - das Additionstheorem.................................... Schlechte Nachrichten: Schneller als das Licht?..................................................... Magnetismus ist relativ............................................................................................. 178 179 180 181 183 186 188 Kapitel 13 Es wird vierdimensional: Die Raumzeit........................................ 191 Die Raumzeit ist ein Daumenkino........................................................................... Die Sache mit der Zeitachse..................................................................................... Zwei in Einem: Minkowski-Diagramme.................................................................... Spezielle Relativitätstheorie in Minkowski-Diagrammen....................................... Die Relativität der Gleichzeitigkeit.................................................................. Die Zeitdilatation.............................................................................................. Die
Längenkontraktion..................................................................................... Das Zwillingsparadoxon................................................................................... Das Scheunenparadoxon................................................................................ Wie man Abstände in der Raumzeit misst.............................................................. Kausalität, ein Fels in der Brandung........................................................................ Uhren als Weltlinienmesser...................................................................................... 192 194 195 198 198 199 200 201 204 205 209 212 Kapitel 14 Masse und Energie..............................................................................215 Mehr Speed, mehr Masse......................................................................................... Neuer Impuls und neue Kraft.......................................................................... Noch einmal: c als absolute Grenzgeschwindigkeit....................................... Die Mutter aller Formeln.......................................................................................... Die Bedeutung der Einstein schen Formel.............................................................. Aus dem Nichts, zurück ins Nichts - Paarerzeugung und Paarvernichtung. Treffen sich zwei Protonen: Teilchenbeschleuniger....................................... Wenn eins plus eins nicht zwei ergibt ֊ der Massendefekt.......................... Die Entfesselung der
Bindungsenergie.......................................................... Sonnenenergie aus mc2................................................................................... Eine verblüffende Erkenntnis Ihr Gewicht betreffend................................... 216 218 219 221 230 230 231 232 234 236 238 TEIL III ALLGEMEINE RELATIVITÄTSTHEORIE...............................................241 Kapitel 15 Ein Genie und seine Zeit, die Zweite..............................................243 Der akademische Durchbruch.................................................................................. Auf nach Berlin........................................................................................................... Der Weg zur Allgemeinen Relativitätstheorie......................................................... Die Geburt der Legende............................................................................................ 243 244 245 246
Inhaltsverzeichnis Ί 5 Kapitel 16 Die Spezielle Relativitätstheorie auf dem Silbertablett..........249 Kapitel 17 Newtons Gravitation......................................................................253 Die erste Theorie von Aliem...................................................................................... Newtons Formel.......................................................................................................... Herrscherin über das Universum............................................................................. Die Gravitation verrät einen neuen Planeten.......................................................... Warum Newtons Gravitation für Einstein nicht genug war................................... Die Verschiebung des Merkurperihels............................................................. Die Newton sche Gravitation und das Relativitätsprinzip.............................. 253 254 256 257 257 258 259 Kapitel 18 Beschleunigung und Trägheitskräfte..........................................261 Die Kraft beim Bremsen und Beschleunigen........................................................... 261 Die Fliehkraft............................................................................................................... 262 Kapitel 19 Das Äquivalenzprinzip...................................................................265 Das Einstein sche Äquivalenzprinzip......................................................................... Träge Masse und schwere Masse..................................................................... Rätsel in
der Kiste, die Erste: Freier Fall versus Schwerelosigkeit................. Einfach nur Masse............................................................................................. Was ist Schwerelosigkeit?.................................................................................. Inertialsysteme in der Krise....................................................................................... Kugelstoß in der Kiste....................................................................................... Kugelstoß im freien Fall.................................................................................... Newton im Schwimmbad.................................................................................. Eine kleine Sprachkonvention........................................................................... Eine Zwischenbilanz.................................................................................................... 265 265 270 274 275 276 277 277 278 282 282 Kapitel 20 Dİe rotierende Scheibe: Ein geometrischer Stresstest............ 285 Das Setup........................................................................................................... Die Uhren........................................................................................................... Die Maßstäbe............................................................................. :...................... Die Raumgeometrie.......................................................................................... 285 286 286 287 Kapitel 21 Uhren (und Maßstäbe) im
Schwerefeld......................................291 Die frei fallende Uhr.................................................................................................... 291 Uhren im Hochhaus.................................................................................................... 292 Uhren in einer Rakete................................................................................................. 295
16 Inhaltsverzeichnis Frei im leeren Raum......................................................................................... Beschleunigt im leeren Raum.......................................................................... Ruhend im Schwerefeld................................................................................... Frei fallend im Schwerefeld.............................................................................. Die gravitative Rotverschiebung..................................................................... Maßstäbe im Schwerefeld....................................................................................... 295 296 297 297 298 299 Kapitel 22 Licht auf krummen Wegen.................. ....................................... 301 Ein Lichtstrahl in der Kiste......................................................................................... Woher das Lícht weiß, wo es hin soll....................................................................... Mit der Sonnenfinsternis zum Durchbruch............................................................ Gravitationslinsen..................................................................................................... 301 302 305 308 Kapitel 23 Über dem Tellerrand der Schulgeometrie................................ 311 Euklidische und gekrümmte Räume........................................................................ Mit rechten Dingen.......................................................................................... Krumme
Dreiecke............................................................................................. Eine Reise zum Nordpol................................................................................... Schön eingebettet........................................................................................... Positive und negative Krümmung................................................................... Möglichst gerade Kurven.......................................................................................... Ziemlich ebene Gebiete............................................................................................ Zusammenfassung: Nichteuklidische Geometrie.................................................. 311 312 312 313 315 316 317 319 320 Kapite! 24 Fremde Gezeiten oder Inertialsysteme in der Krise............... 323 Vertrautes auf den Kopf gestellt.............................................................................. 323 Zurechtgestutzte Inertialsysteme............................................................................ 325 Ebbe und Flut............................................ 329 Kapitel 25 Das Geodätenprinzip.................................................................... 331 Geodäten weisen den freien Fall.............................................................................. Kometenbahnen im interstellaren Raum...................................................... Kometenbahnen im Sonnensystem.............................................................. Das
Geodätenprinzip....................................................................................... Räumliche Schattenbahnen..................................................................................... Eine Geodäte für jeden Fall...................................................................................... Der Ursprung der Fallbeschleunigung.................................................................... 331 332 334 338 339 341 342
Inhaltsverzeichnis 17 Kapitel 26 Das Wesen der Schwerkraft......................................................... 345 Was ist »Schwere«?..................................................................................................... Gravitation ist keine Kraft (aber was dann?)............................................................ 345 347 Kapitel 27 Die Einstein schen Feldgleichungen............................................ 349 Die Feldgleichung(en) der klassischen Gravitation................................................. 350 Die Feldgleichung der Allgemeinen Relativitätstheorie.......................................... 351 Maß-Regeln oder die Metrik...................................................................................... 353 Kapitel 28 Eine besondere Lösung: Die Schwarzschild-Metrik................. 357 Kugelkoordinaten........................................................................................................ Die Schwarzschild-Metrik.......................................................................................... Der zeitliche Term.............................................................................................. Der radiale Term................................................................................................ 358 360 361 364 Kapitel 29 Gravitation ad absurdum: Schwarze Löcher............................. 369 Wie Sterne enden....................................................................................................... Rote
Riesen........................................................................................................ Weiße Zwerge..................................................................................................... Neutronensterne................................................................................................ Schwarze Löcher................................................................................................ Eine Reise in ein Schwarzes Loch............................................................................. Was Sie dabei erleben....................................................................................... Was Ihr Freund beobachtet............................................................................... Schwarze Löcher im Universum................................................................................ Ein Monster im Zentrum der Milchstraße....................................................... Aktive galaktische Kerne................................................................................... 369 370 370 372 373 374 375 376 376 377 378 Kapitel 30 Schwingende Raumzeit: Gravitationswellen.............................383 Die Elastizität der Raumzeit....................................................................................... 383 PSR B1913+16............................................................................................................ 384 Der direkte Nachweis................................................................................................. 385 Kapitel 31 Das
expandierende Universum................................................... 389 Das Kosmologische Prinzip....................................................................................... 389 Die Friedmann-Lösung.............................................................................................. 391 Die Jahrtausendentdeckung...................................................................................... 393
18 Inhaltsverzeichnis Das kosmologische Standardmodell....................................................................... Der Nachhall des Urknalls............................................................................... Die mittlere Materiedichte ......................................................................... Dunkle Materie................................................................................................. Dunkle Energie................................................................................................. Das ACDM-Modell........................................................................................... 398 399 400 401 403 405 Kapitel 32 Ein Genie und seine Zeit, dieDritte und letzte.......................... 407 Enttäuschte Hoffnung.............................................................................................. Gottes Würfel............................................................................................................ Deutschland adieu.................................................................................................... Einstein und die Bombe............................................................................................ Friedensbotschafter unter Beobachtung................................................................ 407 408 409 410 411 TEIL IV DER TOP-TEN-TEİL................................................................413 Kapitel 33 Eine hemmungslos subjektive Auswahl der zehn interessantesten Zitate Albert Einsteins.................................. 415
Kapitel 34 Die (außer Einstein) 10 + 1 wichtigsten Personen auf dem Weg zur Relativitätstheorie......................................... 417 Galilei Galileo.................................................................................................... Isaac Newton.................................................................................................... Michael Faraday................................................................................................ Bernhard Riemann............................................................................................ James Clerk Maxwell......................................................................................... Albert A. Michelson.......................................................................................... Hendrik Antoon Lorentz.................................................................................. Henri Poincaré................................................................................................... Hermann Minkowski......................................................................................... Marcel Grossmann............................................................................................ Sir Arthur Eddington......................................................................................... 417 417 418 418 418 419 419 419 420 420 420 Stichwortverzeichnis....................................................................421
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