1b Was ist Physik?
Physikalische Vorhersagen
hier waren wir letzte Woche stehengeblieben
Klassische Physik
ist gekennzeichnet durch Determinismus d.h. kennt man die Anfangsbedingungen
lässt sich das betrachtete System vollständig beschreiben
Beispiel: Fadenpendel
Moderne Physik (Quantenphysik)
ist nicht deterministisch
d.h. im allgemeinen sind nur
Wahrscheinlichkeitsaussagen möglich Beispiel: Lichtemission aus Atomen
Beide Bereiche sind aber nicht getrennt, sondern zwei Seiten derselben Medaille
Physik in der Literatur
2. Akt
„Was einmal gedacht wurde, kann nicht
mehr zurückgenommen werden
.“Grand Unified Theory?
Einstein: Mein Geheimdienst glaubte, Sie würden die einheitliche Theorie der Elementarteichen- Möbius: Auch ihren Geheimdienst kann ich beruhigen. Die einheitliche Feldtheorie ist gefunden.
Newton: Die Weltformel.
(Friedrich Dürrenmat, Die Physiker, 1962)
Geltungsbereich physikalischer Gesetze
Neben dem physikalischen Gesetz ist auch der Geltungsbereich wichtig!
Beispiel:
Newton versus Einstein
Durch die Relativitätstheorie ist die Newtonsche Mechanik nicht falsch Der Geltungsbereich ist alledings eingeschränkt.
Geschwindigkeit der Objekte muss gering sein gegenüber der Lichtgeschwindigkeit
Abschätzungen sind das Aaah und Oooh in der Physik
Abschätzung 1: Fermi‘s Observations
My observations during the explosion at Trinity on july 16, 1945
On the morning of the 16th of July, I was stationed at the Base Camp at Trinity in a position about ten miles from the site of the explosion. The explosion took place at about 5:30 A.M. I had my face protected by a large board in which a piece of dark welding glass had been inserted. My first impression of the explosion was the very intense flash of light, and a
sensation of heat on the parts of my body that were exposed. Although I did not look directly towards the object, I had the impression that suddenly the countryside became brighter than in full daylight. I subsequently looked in the direction of the explosion through the dark
glass and could see something that looked like a conglomeration of flames that promptly started rising. After a few seconds the rising flames lost their brightness and appeared as a huge pillar of smoke with an expanded head like a gigantic mushroom that rose rapidly beyond the clouds probably to a height of the order of 30,000 feet. After reaching its full height, the smoke stayed stationary for a while before the wind started dispersing it.
About 40 seconds after the explosion the air blast reached me. I tried to estimate its strength by dropping from about six feet small pieces of paper before, during and after the passage of the blast wave. Since at the time, there was no wind I could observe very distinctly and actually measure the displacement of the pieces of paper that were in the process of falling while the blast was passing. The shift was about 2.5 meters, which, at the time, I estimated to correspond to the blast that would be produced by ten thousand tons of TNT.
Aus aktuellem Anlaß
Kinderuni am 24.10.2007
OZ 20.10.2007
Abschätzung 2: Die Drake Gleichung
Leben auf der Erde ... und anderswo?
Was ist notwendig?
Distanz zum Galaktischen Zentrum Sonnenähnliche Sterne
Gasriesen im Sonnensystem Mond
Planetares Magnetfeld
Gleichmäßige und stabile Umlaufbahn Kurze Rotationsperiode
Rotationsachse nicht zu stark geneigt Atmosphäre
Ozeane und Plattentektonik Meteoriten
Mittlere Sternentstehungsrate x Anteil sonnenähnlicher Sterne
x Anteil Sterne mit Planetensystemen x Anteil Planeten in der Ökosphäre x Planeten mit Leben
x Planeten mit intelligentem Leben
x Interstellare Kommunikationsfähigkeit x Lebensdauer der technischen Zivilisation
= Anzahl der technisch, intelligenten
Zivilisationen in unserer Galaxie
Abschätzung 2: Die Drake Gleichung
Leben auf der Erde ... und anderswo?
Optimistische Schätzung
Mittlere Sternentstehungsrate pro Jahr (4-19) x Anteil sonnenähnlicher Sterne (0.25)
x Anteil Sterne mit Planetensystemen (0.5) x Anteil Planeten in der Ökosphäre (2) x Planeten mit Leben (1)
x Planeten mit intelligentem Leben (1)
x Interstellare Kommunikationsfähigkeit (1)
x Lebensdauer der technischen Zivilisation (400a)
= Anzahl der technisch, intelligenten Zivilisationen in unserer Galaxie
( 10 LJ ) Dicke 10 LJ der Scheibe 3 10 LJ 3.000 ( 2 LJ . 6 10 m³ )
LJ 100.000 Scheibe
der r Durchmesse
se Milchstras der
Größe
61 3
13 2 3
5
⋅ = ⋅ = ⋅
π
3
4 3 3 ³ 4
z MW z
MW
n r V
r V
π π
=
=
m 10 46 . min 9 60 s h 60 min tg 24 h tg s 365
0 m 1 3 LJ 1
Umrechnung
15
8
⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅
⋅
=
Radius im dem man intelligentes Leben finden könnte
Neue Herausforderungen
Dunkle Materie und Dunkle Energie Entwicklung Neuer Materialien
Biophysik
Verständnis komplexer Systeme
Endwicklung der Quantentechnologie
Vereinheitlichung der fundamentalen Kräfte in der Natur
16.5.2006
Ein Käfig aus 16 Goldatomen
Biophysik und Nanomechanik
F-ATPase produziert ATP
menschlicher Verbrauch 50-1000 kg pro Tag
Fußteil in Membran verankert
Adenosintriphosphat (ATP) universeller Träger chemischer
Energie in Organismen
EnF-ATPase
da starre Verbinding bewegt sich der orange asymmetrische Innenteil
Ladungsunterschied zwischen äußeren und inneren Mitochondrien
setzt wie ein Elektromotor den Rotor
in Bewegung
Kleinster Motor der Welt Durchmesser des Enzyms 25 nm
Herausforderung an Rechenleistung von Supercomputern (20.000 Atome)
2 Jahre Rechenzeit um die
Strukturänderung bei der Drehung und die für die Bildung vo ATP
verantwortlichen Synthesezentren im Rechner nachzuvollziehen.
Die Fragen an die Maus
1. Warum ist der Himmel blau?
2. Alles über Maus und Elefanten 3. Wie entsteht ein Regenbogen?
4. Wie funktioniert ein Fernseher?
5. Wie fliegen Flugzeuge?
6. Warum erscheint Meerwasser blau?
7. Was ist Strom?
8. Wie kommt die Musik auf die CD?
9. Wie funktioniert ein Computer?
10. Warum ist die Banane krumm?
Die Fragen an die Maus
1. Warum ist der Himmel blau?
2. Alles über Maus und Elefanten 3. Wie entsteht ein Regenbogen?
4. Wie funktioniert ein Fernseher?
5. Wie fliegen Flugzeuge?
6. Warum erscheint Meerwasser blau?
7. Was ist Strom?
8. Wie kommt die Musik auf die CD?
9. Wie funktioniert ein Computer?
10. Warum ist die Banane krumm?
Elektrodynamik
???
Optik
Elektrodynamik Strömungsmechanik Optik
Quantenphysik Laserphysik
Nanotechnologie
??? (Energietechnik)
Here They Are, Science's 10 Most Beautiful Experiments
By GEORGE JOHNSON
Published: September 24, 2002
Whether they are blasting apart subatomic particles in accelerators, sequencing the genome or analyzing the wobble of a distant star, the experiments that grab the world's attention often cost millions of dollars to execute and produce torrents of data to be processed over months by
supercomputers. Some research groups have grown to the size of small companies.
But ultimately science comes down to the individual mind grappling with something mysterious.
When Robert P. Crease, a member of the philosophy department at the State University of New York at Stony Brook and the historian at Brookhaven National Laboratory, recently asked physicists to nominate the most beautiful experiment of all time, the 10 winners were largely solo
performances, involving at most a few assistants. Most of the experiments -- which are listed in this month's Physics World -- took place on tabletops and none required more computational power than that of a slide rule or calculator.
What they have in common is that they epitomize the elusive quality scientists call beauty. This is beauty in the classical sense: the logical simplicity of the apparatus, like the logical simplicity of the analysis, seems as inevitable and pure as the lines of a Greek monument. Confusion and ambiguity are momentarily swept aside, and something new about nature becomes clear.
The list in Physics World was ranked according to popularity, first place going to an experiment that vividly demonstrated the quantum nature of the physical world. But science is a cumulative
enterprise -- that is part of its beauty. Rearranged chronologically and annotated below, the winners provide a bird's-eye view of more than 2,000 years of discovery.
Abgeschlagen
Die Experimene von Archimedes zu Hydrostatik Römer Nachweis der Lichtgeschwindigkeit
Joules Schaufelrad-Experimente zur Thermodynamik Reynolds Strömungsexperimente
Mach und Salchers Untersuchungen zu akustische Schockwellen Michelson-Morley Experiment zur NIchtexistenz des Äthers Röntgens Nachweis des Maxwellschen Verschiebungsstroms
Oersteds Entdeckung des Elektromagnetismus Bragg Röntgenbeugung an Salzkristallen
Eddington Messung der Krümmung von Lichtstrahlen an der Sonne
Stern-Gerlach Experiment zur Richtungsquantisierung des Drehimpulses in Atomen Schrödingers Katze Gedankenexperiment
Trinity Test der nuklearen Kettenreaktion
Wu‘s Messungen zur Paritätsverletzung bei der Schwachen Wechselwirkung Goldhabers Untersuchungen zur Neutrinohelizität
Feynman dippt einen O-ring in Wasser
ersten
Themen des zweiten Semesters dritten
Das Discovery Disaster
27 April 1981
Richard Feynman 1918-1988
I took this stuff that I got out of your seal and I put it in ice water, and I
discovered that when you put some pressure on it for a while and then undo it, it does not stretch back. It stays the same dimension.
In other words, for a few seconds at least and more seconds than that, there is no resilience in this
particular material when it is at a temperature of 32 degrees.
28 Januar 1986
1 Youngs Doppelschlitz-Experiment als Nachweis der Interferenzeffekts an einzelnen Elektronen (1961)
2 Fallexperimente von Galileo Galilei (um 1600) 3 Das Öltröpfchen Experiment von Millikan (1910s)
4 Newtons Aufspaltung von Sonnenlicht mit Hilfe eines Prismas (1665-1666) 5 Nachweis der Interferenz von Licht durch Young (1801)
6 Cavendishss Torsionsbalkenexperiment zur Wägung der Erde (1798) 7 Eratosthenes Messung des Erdumfangs (300 v. Chr)
8 Galilei Galileos Experiments mit Körpern auf einer schiefen Ebene (1600)
9 Entdeckung des Atomkern durch die Rutherfordschen Streuexperimente (1911)
10 Das Foucaultsche Pendel (1851) ersten
Themen des zweiten Semesters dritten
1 Nachweis der Interferenzeffekts an einzelnen Elektronen (1961) 2 Fallexperimente von Galileo Galilei (um 1600)
3 Das Öltröpfchen Experiment von Millikan (1910s)
4 Newtons Aufspaltung von Sonnenlicht mit Hilfe eines Prismas (1665-1666) 5 Nachweis der Interferenz von Licht durch Young (1801)
6 Cavendishss Torsionsbalkenexperiment zur Wägung der Erde (1798)
7 Eratosthenes Messung des Erdumfangs (300 v. Chr)
8 Galilei Galileos Experiments mit Körpern auf einer schiefen Ebene (1600)
9 Entdeckung des Atomkern durch die Rutherfordschen Streuexperimente (1911) 10 Das Foucaultsche Pendel (1851)
Eratosthenes Messung des Erdumfangs (300 v. Chr)
Erde ist flach Erde ist rund
Wennα = 7.2° dann ist β ebenfalls 7.2° oder (1/50 eines Vollkreises)
Entfernung Alexandria - Syene 5000 Stadien (1 Stadion entsprach 157,5 m) -> 5787.5 km Erdumfang = 50x5787.5km = 39375 km Tatsächlicher Wert 40.075 km Beobachtung
Um die Mittagszeit steht die Sonne in Syene senkrecht am Himmel. Zur gleichen Zeit wirft eine Säule in Alexandria dagegen einen Schatten von α = 7.2°
Alexandria
Syene
1 Nachweis der Interferenzeffekts an einzelnen Elektronen (1961) 2 Fallexperimente von Galileo Galilei (um 1600)
3 Das Öltröpfchen Experiment von Millikan (1910s)
4 Newtons Aufspaltung von Sonnenlicht mit Hilfe eines Prismas (1665-1666) 5 Nachweis der Interferenz von Licht durch Young (1801)
6 Cavendishss Torsionsbalkenexperiment zur Wägung der Erde (1798) 7 Eratosthenes Messung des Erdumfangs (300 v. Chr)
8 Galilei Galileos Experiments mit Körpern auf einer schiefen Ebene (1600)
9 Entdeckung des Atomkern durch die Rutherfordschen Streuexperimente (1911) 10 Das Foucaultsche Pendel (1851)
Newtons Aufspaltung von Sonnenlicht mit Hilfe eines Prismas (1665-1666)
Isaac Newton 1643-1723
Lichtaufspaltung in der Atmosphäre
Der 22° Halo
Typische Form von Eiskristallen
Der Wert für diesen minimalen Ablankwinkel
von 22° hängt vom Brechungsindex (Materialkonstante) ab
J.H. Elbfas - Vädersolstavlan 1636
Lichtaufspaltung in der Atmosphäre
Der 22° Halo
Da der Kristall sich natürlich dreht sieht man viele unterschiedliche Ablenkwinkel.
Der Winkel von 22° ist der minimale Ablenkwinkel.
Kleinere Winkel kommen nicht vor!
Die Kristalle liegen weder auf einem bestimmten Kreis, noch auch nicht in der eingezeichneten Richtung. Der Beobachter sieht aber im wesentlichen
genau diese Kristalle. Davon gibt es immer genug.
Eine besondere Ausrichtung der Kristalle ist nicht notwendig!
1 Nachweis der Interferenzeffekts an einzelnen Elektronen (1961)
2 Fallexperimente von Galileo Galilei (um 1600) 3 Das Öltröpfchen Experiment von Millikan (1910s)
4 Newtons Aufspaltung von Sonnenlicht mit Hilfe eines Prismas (1665-1666) 5 Nachweis der Interferenz von Licht durch Young (1801)
6 Cavendishss Torsionsbalkenexperiment zur Wägung der Erde (1798) 7 Eratosthenes Messung des Erdumfangs (300 v. Chr)
8 Galilei Galileos Experiments mit Körpern auf einer schiefen Ebene (1600)
9 Entdeckung des Atomkern durch die Rutherfordschen Streuexperimente (1911) 10 Das Foucaultsche Pendel (1851)
Doppelspaltexperiment
Erwartung, wenn Licht Teilchencharakter hätte
Tatsächlich beobachtet man eine Welleneigenschaft
Wellenbeugung am Doppelspalt
Manche Naturgesetze stehen im Gegensatz zu unserer täglichen Erfahrung
Elektronenquelle
Strahl
Öffnung 2 offen
Öffnung 1 offen
Öffnung 1+2 offen
Detektor
Zählrate 1 Einheit
Zählrate 1 Einheit
Detektor Detektor
Δx
Manche Naturgesetze stehen im Gegensatz zu unserer täglichen Erfahrung
Elektronenquelle
Strahl
Öffnung 2 offen
Öffnung 1 offen
Öffnung 1+2 offen
Detektor
Zählrate 1 Einheit
Zählrate 1 Einheit
Zählrate 4 Einheiten
Detektor Detektor
Zählrate bei geöffneten Spalten ist doppelt so hoch wie die Summe der Einzelintensitäten. Aber nur an
diesem Ort.
Manche Naturgesetze stehen im Gegensatz zu unserer täglichen Erfahrung
Elektronenquelle
Strahl
Öffnung 2 offen
Öffnung 1 offen
Öffnung 1+2 offen
Detektor
Zählrate 1 Einheit
Zählrate 1 Einheit
Zählrate 0 Einheiten
Detektor Detektor
Hier zeigt sich die Wellennatur der Materie!
Die Erklärung liefert die Quantenphysik.
de Broglie (Theorie 1924)
Davisson und Gremer (Experiment 1927)
Δx Die Lösung dieses Phänomens gibt es im dritten Semester
Elektronenbeugung am Doppelspalt
Welle oder Teilchen?
Ganz klar:
Das Elektron ist ein Teilchen!
Das Elektron ist eine Welle!
Doppelspaltexperiment an großen Moleküle
Physics World, 2 Mai 2005
Molecules with over 100 atoms can be made to interfere, according to recent experiments that study the transition from the quantum to the classical world
(a) Fulleren (Buckyball) C70;
(b) Biomolekül Tetraphenylporphyrin (TPP) C44H30N4 (c) Fluorinated fullerene C60F48
(1632 amu, World Record)
Photoeffekt
( 250 50 W m ) 3 . 2 10 m² W
Fläche
Leistung
102
