Relativitätstheorie aktuell: Ein Beitrag zur Einheit der Physik PDF
Preview Relativitätstheorie aktuell: Ein Beitrag zur Einheit der Physik
Ernst Schmutzer Relativitatstheorie aktuell Albert Einstein, Portriit von H. Lasko. 1978 Relativitatstheorie aktuell Ein Beitrag zur Einheit der Physik Von Prof. Dr. rer. nat. habil. Ernst Schrnutzer Universitat Jena 5., uberarbeitete und erweiterte Auflage Mit 30 Abbildungen 83 B. G. Teubner Stuttgart 1996 Die Deutsche Blbliothek - CIP-Elnheitsaufnahme Schmutzer, Ernst: Relatlvitatstheorle aktuell : ein Beitrag zur Elnhelt der Physik 1 Emst Schmutzer. - 5., Oberarb. und erw. Auf!. - Stuttgarl : Teubner, 1996 (Teubner-StudlenbOcher: Physik) ISBN-13: 978-3-519-03226-7 e-ISBN-13: 978-3-322-80113-5 001:10.10071 978-3-322-80113-5 Umschlagbild nach einem Portrat von H. Lasko Das Werk elnschlieBlich aller selnerTelle 1st urheberrechtllch geschOtzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes 1st ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Oas gilt besonders far Ver vlelfaltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Elnspeicherung und Verarbeitung In elektronlschen Systemen. o B. G. Teubner Stuttgart 1996 Satz: Schrelbdlenst Henning Heinze, NOmberg Vorwort zur 5. Auflage Dieses Buch, das zum 100. Geburtstag Albert Einsteins im Jahr 1979 in der Reihe Mathematisch-Naturwissenschaftliche Bibiliothek bei der Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig erschien, erlebte in kurzer Zeit vier Auflagen. Die 5. Auflage wird nun als Teubner-Studienbuch yom Verlag B. G. Teubner Stuttgart herausgebracht. Ich verfolgte mit ihm das Ziel, das im wesentli chen von Einstein geschaffene Gesamtgebaude der Relativitatstheorie, die neben der Quantentheorie das Fundament der modernen Physik bildet, ei nem breiten Leserkreis verstiindlich zu machen. Das Anliegen der Populari sierung dieses Wissensgebietes ist wegen seines Einflusses auf die Formung des wissenschaftlichen Weltbildes unserer Zeit besonders angezeigt. Dem Buch habe ich eine Kurzbiographie Einsteins vorangestellt, urn dem Leser diesen hervorragenden Wissenschaftler und Menschen mit seinen un vergiinglichen Leistungen naherzubringen. Der sachliche Inhalt beginnt mit dem Physikverstiindnis Galileis und Newtons als Vorbereitung zur Rela tivitatstheorie, die dann allgemeinverstandlich dargelegt wird. Die Konse quenzen der Relativitatstheorie werden bis zur Kosmologie unserer Tage und bis zu den neuen exotischen Himmelsobjekten (Quasare, Pulsare, Schwarze Locher usw.) verfolgt. Den Stand der experimentellen Bestatigung der Re lativitatstheorie erlautere ich anhand der Mefidaten aus den letzten Jahren. In dieser Auflage habe ich den Erkenntnisstand aktualisiert und das Schluf3.. kapitel zur Einheit der Physik betrachtlich erweitert. Aufierdem wurden die Formeln in das Internationale Einheitensystem umgeschrieben. Die Darstellung des Stoffes ist weitgehend verbal gestaltet, wobei vor al lem auf die logischen Zusammenhiinge Wert gelegt wird. Mathematische Formulierungen werden nur in Einzelfiillen skizziert, besonders dann, wenn dadurch fUr den Leser prinzipielle Querverbindungen transparent werden oder damit weitreichende Schliisse verbunden sind. Doch kann das Ideengut der Relativitatstheorie auch ohne diesen Formelgebrauch verstanden wer den, so daB von Fall zu Fall das Uberschlagen mathematischer Einschiibe empfohlen wird. 6 Vorwort Das Buch ist an folgenden Leserkreis adressiert: Naturwissenschaftler und Philosophen im allgemeinen sowie Studenten, Lehrer und Wissenschaftler auf den Gebieten Physik, Mathematik, Chemie und Technik im besonderen. Zu groBem Dank verpflichtet bin ich Herrn Dr. P. Spuhler vom Verlag fur viel Verstandnis und Entgegenkommen und Dr. W. Meinhardt fUr die geleistete technische Hilfe. Jena, Juni 1995 Ernst Schmutzer Inhalt Kurzbiographie Albert Einsteins 11 1 Vorrelativistische Physik 21 1.1 Das Physikverstandnis von Aristoteles und Galilei . . . . . .. 21 1.2 Newtonsche Mechanik und Gravitationstheorie: Newtons Auf fassung von Raum und Zeit, Grundgesetze der mechanischen Bewegung und der Gravitation. . . . . . . . . . . . . . . . .. 26 1.3 Inertialsystem und Nichtinertialsystem, Galileisches Relati- vitatsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.4 Maxwellsche Theorie des Elektromagnetismus . . . . . . . .. 42 1.5 Die Krise in der Newtonschen Mechanik und in der Elektro magnetik-Optik am Ende des 19. Jahrhunderts. Das Michel son-Experiment uncl cler Zusammenbruch cler Atherhypothese 47 2 Weitere Experimente zur Vorbereitung oder Bestatigung der Speziellen Relativitatstheorie 56 2.1 Astronomische Aberration 56 2.2 Doppler-Effekt . . . . . 58 2.3 Trouton-Noble-Versuch 59 2.4 Wienscher Versuch .. 59 2.5 Fizeauscher Mitfiihrungsversuch 60 2.6 Messung cler Lebensdauer von Myonen 61 2.7 Sagnac-Versuch. . . . . 61 2.8 Michelson-Gale-Versuch . 62 3 Speziell-relativistische Physik 63 3.1 Die VorUiufer cler Speziellen Relativitatstheorie ........ 63 3.2 Das Spezielle Relativitatsprinzip und die Lorentz-Transforma- tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66 8 Inhalt 3.3 Die Entdeckung der Vierdimensionalitat der Raum-Zeit (Min- kowski-Raum ........................... 72 3.4 Speziell-relativistische Theorienbildung: Mechanik, Elektro- magnetik und Quantenmechanik . . . . . . . . . . . . . . 80 3.5 Einige Folgerungen aus der Speziellen Relativitatstheorie 84 3.5.1 Speziell-relativistische Langenkontraktion . 84 3.5.2 Speziell-relativistische Zeitdilatation . 87 3.5.3 Relativierung der Gleichzeitigkeit 88 3.5.4 Kausalitat der Zeitfolge. . 89 3.5.5 Zwillingsparadoxon . . . . 89 3.5.6 Veranderlichkeit der Masse 92 3.5.7 Masse-Energie-Relation . . 94 3.5.8 Additionstheorem der Geschwindigkeiten 97 3.6 Die Grenzen der Speziellen Relativitatstheorie 98 4 Allgemein-relativistische Physik 101 4.1 Einsteins Weg zur Allgemeinen Relativitatstheorie . 101 4.2 Das Wesen der Allgemeinen Relativitatstheorie 114 4.2.1 Zum Schopfungsproze6 gro6er Theorien . . 114 4.2.2 Allgemeines Relativitatsprinzip ......... 115 4.2.3 Gravitation als Kriimmung der Raum-Zeit . . . 121 4.2.4 Problem der Absolutheit von Beschleunigung und Rotation. 123 4.2.5 Machsches Prinzip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 125 4.2.6 Die Relativitatstheorie in einem logischen Schema ihrer Be- standteile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.3 Einige Folgerungen aus der Einsteinschen Gravitationstheorie 131 4.3.1 Problem der exakten Losungen 131 4.3.2 Schwarzschild-Losung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4.3.3 Periheldrehung der Planeten . . . . . . . . . . . . . . 135 4.3.4 Ablenkung elektromagnetischer Wellen an der Sonne 137 4.3.5 Gravitative Frequenzverschiebung bei einer elektromagneti- schen Welle ......... 139 4.3.6 Hafele-Keating-Experiment . 142 4.3.7 Shapiro-Experiment. . . . 144 4.3.8 Quasare .......... 146 4.3.9 Pulsare, Neutronensterne 149 4.3.10 Schwarze Locher . . . . . . 152 Inhalt 9 4.3.11 Gravitationswellen ....... . 158 4.4 Kosmologie. . . . . . . . . . . . . 166 4.4.1 Zur Vorgeschichte der Kosmologie 166 4.4.2 HubbIes Entdeckungen: Approximative Homogenitat und Iso- tropie, kosmologische Rotverschiebung und Weltexpansion 169 4.4.3 Thermische Hintergrundstrahlung . . . . . . . . . . . 171 4.4.4 Friedman-Modell des Kosmos ............. 172 5 Symmetrie und Erhaltung in der Relativitiitstheorie 184 5.1 Das Wesen physikalischer Erhaltungssatze .... . . 184 5.2 Erhaltungssatze in der Speziellen Relativitatstheorie 187 5.3 Erhaltungssatze in der Allgemeinen Relativitatstheorie 188 6 Zur Einheit der Physik 192 6.1 Allgemeine Gesichtspunkte 192 6.2 Die Elementarteilchen und die vier fundamentalen Wechsel- wirkungen ............................. 196 6.3 Einheitliche Feldtheorie in der 4-dimensionalen Raum-Zeit . . 199 6.4 Einheitliche Feldtheorie yom Kaluza-Klein-Typ in einem 5- dimensionalen Raum mit Riemannscher Geometrie ...... 201 6.5 Einheitliche Feldtheorie in einem 5-dimensionalen projektiven Raum ... 203 6.6 Ausklang .206 Literatur 215 Sachverzeichnis 217 Namensverzeichnis 221 Kurzbiographie Albert Einsteins Die Menschheit in ihrer historischen Gesamtheit hat - wenn leider auch oft durch Krieg und Verwustung unterbrochen - ein einzigartiges Werk der Kul tur geschaffen, in der die Wissenschaft eine zentrale Stellung einnimmt. Was dabei den Anteil der Naturwissenschaft betrifft, so konzentrieren sich viele ihrer Grundsatzfragen bis hin zur philosophischen Fundierung auf prinzi pielle Aussagen der Physik. Das globale Erkenntnisgebaude der Physik im weitesten Sinne - als Grund lagenwissenschaft der anorganischen Natur inklusive ihrer Anwendungsfunk tion in der Technik (ohne Aufhebung ihrer Grundgesetze in der organischen Natur) - ist das Resultat eines standigen Wechselwirkungsprozesses von Theorie und Praxis. Bald wirkt die eine Komponente als Triebkraft der Entwicklung, bald die andere - oft sogar beide untrennbar gemeinsam - mit dem Ziel, die uns umgebenden Ratsel in der Natur zu entschleiern. Albert Einstein, ebenburtig neb en Galileo Galilei und Isaac Newton, ziihlt zu den herausragenden GroBen der Physik. Die Originalitat seiner Ideen hat die Physik und daruber hinaus das naturwissenschaftliche Weltbild un serer Zeit entscheidend gepragt. Die praktischen Konsequenzen fur die folgenden Jahrhunderte sind noch nicht abzusehen. Albert Einstein als Gesamtpersonlichkeit - Physiker, Philosoph und Huma nist - ist fUr uns noch aus einem ganz besonderen Grund ein leuchten des Vorbild: Er war nicht nur SchOpfer tiefgrundiger Erkenntnis, sondern auch bewuBter Trager der Verantwortung fUr die gesellschaftlichen Belan ge wissenschaftlicher Erkenntnisse. Er besaB ein stark ausgepragtes soziales Empfinden, das, maBgeblich durch seine negativen Kindheits- und Jugend erlebnisse mitbestimmt, ihm zeit seines Lebens KompaB war. Trotz hochster Ehrungen, die ihm laufend zuteil wurden, lieB er sich durch diese nicht sei nen Geist vernebeln, sondern blieb ein humorvoller, einfacher, geradliniger Mensch, der einen scharfen, untrugerischen Blick fur Unfreiheit, Unrecht und Unterdruckung hatte. Vor vielen prominenten Zeitgenossen zeichnete Einstein insbesondere die Einheit von Erkenntnis und Tat aus. Er sah nicht nur die kritikwurdigen
Description:The list of books you might like
