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2021 | Buch

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Die Grenzen der Physik in Natur und Technik

Vom Atomkern zur Galaxie

verfasst von: Prof. Dr. Klaus Stierstadt

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Buchreihe : essentials

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Dieses essential beschreibt die Grenzen der Physik. Davon gibt es zwei verschiedene Arten: solche, die durch die Grundgesetze der Physik gegeben sind und solche, die unseren technischen Möglichkeiten entsprechen. Jenseits davon beginnt der Bereich des Science Fiction. Wir betrachten zunächst die beiden Standardmodelle, das der Elementarteilchenphysik und das der Kosmologie. Dann werden die Grundgesetze der Physik besprochen und die Bereiche abgesteckt, in denen sie gelten. Für die wichtigsten physikalischen Größen wie Raum, Zeit, Energie usw. werden die Skalen diskutiert, die sich von den kleinsten bis zu den größten Werten dieser Parameter erstrecken.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung

Zusammenfassung

In der Science-Fiction-Literatur und in den entsprechenden Filmen findet man viele überraschende und unwirkliche Phänomene: Zeitreisen, magische Fernwirkung, Teletransport usw. Ist das alles Utopie oder gibt es dafür wirkliche Beispiele und Erklärungen? Diese Frage stellt sich immer einmal wieder angesichts der erstaunlichen Phänomene, die uns da vorgespielt werden. Man sollte dabei unterscheiden zwischen den akrobatischen technischen Kunststücken, die James Bond uns hier auf der Erde präsentiert und den unglaublichen Vorgängen der Science Fiction in Raumschiffen, im Weltraum oder auf fremden Sternen.

Klaus Stierstadt

Die Grundgesetze der Physik und ihre Grenzen

Frontmatter

Kapitel 2. Erhaltungssätze

Zusammenfassung

In einem abgeschlossenen System sind folgende Größen konstant, das heißt, zeitlich unveränderlich.

Klaus Stierstadt

Kapitel 3. Der Entropiesatz oder Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Zusammenfassung

In einem abgeschlossenen System kann die Entropie S im Lauf der Zeit nur zunehmen oder konstant bleiben.

Klaus Stierstadt

Kapitel 4. Quantenphysik

Zusammenfassung

Es gelten die folgenden Beziehungen.

Klaus Stierstadt

Kapitel 5. Relativität und Gravitation

Zusammenfassung

Es gelten die folgenden Beziehungen:

Klaus Stierstadt

Kapitel 6. Wechselwirkungen und Kräfte

Zusammenfassung

Es gelten die Maxwell-Gleichungen.

Klaus Stierstadt

Physikalische Größen und ihre Grenzen in Natur und Technik

Frontmatter

Kapitel 7. Entfernungen im Raum

Zusammenfassung

Schon in unserem ersten Lebensalter lernen wir, Raum und Zeit zu begreifen. Wir können beurteilen wie groß Gegenstände sind und wo sie sich im Raum befinden. Später lernen wir Entfernungen zu schätzen und sie zu messen. Unsere Längeneinheit, das Meter, entspricht etwa der Größe der Gegenstände, die sich in unserer unmittelbaren Nähe befinden. Mit zunehmender Erfahrung wachsen auch die uns zugänglichen Entfernungen in der Natur. Heute umfassen sie etwa 44 Größenordnungen [3], von 10^–18 bis 10⁺²⁶ m. Das ist in Abb. 7.1skizziert. Um Entfernungen zu messen, die wesentlich kleiner oder größer sind als unser „Menschenmaß“, das Meter, brauchen wir Hilfsgeräte, zum Beispiel Mikroskope oder Makroskope bzw. Fernrohre. Wir wollen diese Geräte und ihre Grenzen kurz besprechen.

Klaus Stierstadt

Kapitel 8. Zeit und Geschwindigkeit

Zusammenfassung

Unser Leben währt etwa 85 Jahre, und in diesem Bereich liegt unsere Zeitwahrnehmung. Sie reicht von einem Augenblick, etwa einer zehntel Sekunde, bis zu unserer Lebensdauer von zweieinhalb Milliarden Sekunden. Was in der Natur kürzer oder länger dauert, das zeigen die Zeitintervalle in Abb. 8.1.

Klaus Stierstadt

Kapitel 9. Energie und Leistung

Zusammenfassung

Die Energie ist eine unanschauliche Größe. Man glaubt zu wissen, was sie ist, aber man kann sie nicht allgemein definieren. Eine implizite Definition lautet: „Energie ist alles, was Arbeit leisten kann oder alles, was sich in Wärme oder Strahlung verwandeln lässt“. Wegen ihrer Abstraktheit ist uns auch die Maßeinheit der Energie nicht so vertraut, das Joule ( 1 J = 1 kg m2/s2). Ein Joule ist die Energie, die man braucht um eine Tafel Schokolade in einer Sekunde einen Meter hoch zu heben.

Klaus Stierstadt

Kapitel 10. Kräfte und Drücke

Zusammenfassung

Die Kraft ist eine physikalische Größe, mit welcher die Energie eines Objekts oder eines Systems geändert werden kann. Das geschieht in Form von Arbeit. Kräfte sind uns vertrauter als die Energie, denn wir können sie durch Anspannen unserer Muskeln körperlich spüren und auch verändern.

Klaus Stierstadt

Kapitel 11. Impuls und Drehimpuls

Zusammenfassung

Der Impuls p eines Objekts ist in der Physik das Produkt aus Masse m und Geschwindigkeit

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Wirkt eine Kraft F auf das Objekt, so ändert sich sein Impuls:

Klaus Stierstadt

Kapitel 12. Temperatur und Entropie

Zusammenfassung

Die Temperatur ist ein Maß für die Innere Energie U eines Körpers. Und U ist die Summe der kinetischen und potenziellen Energien aller seiner Bestandteile, Atome oder Moleküle. Im Allgemeinen steigt die Temperatur monoton mit der Inneren Energie an. Bei idealen Gasen ist sie zu U direkt proportional, T = 2U/(3Nk), mit der Teilchenzahl N und der Boltzmann-Konstante k = 1,38 · 10⁻²³ J/K. Für andere Stoffe gilt die Beziehung

Klaus Stierstadt

Kapitel 13. Elektrische Felder und Ströme

Zusammenfassung

Elektrische Felder sind in Natur und Technik allgegenwärtig. Sie herrschen im Inneren der Atomkerne und Atome, in vielen unserer technischen Geräte und in der uns umgebenden Luft. Elektrische Felder sind ein Maß für die Kräfte, die auf elektrische Ladungen wirken, und sie werden selbst von solchen Ladungen erzeugt.

Klaus Stierstadt

Kapitel 14. Das Magnetfeld

Zusammenfassung

Magnetische Felder sind in Natur und Technik allgegenwärtig. Sterne und Atome besitzen solche Felder, und jeder elektrische Strom erzeugt eines in seiner Umgebung. Im Gegensatz zu vielen Tieren haben wir Menschen kein Sinnesorgan für Magnetfelder.

Klaus Stierstadt

Backmatter

Titel: Die Grenzen der Physik in Natur und Technik
verfasst von: Prof. Dr. Klaus Stierstadt
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-34802-1
Print ISBN: 978-3-658-34801-4
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-34802-1

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