1

1b Was ist Physik?

2

Physikalische Vorhersagenhier waren wir letzte Woche stehengeblieben

Klassische Physikist 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

3

4

Physik in der Literatur

2. Akt „Was einmal gedacht wurde, kann nicht mehr zurückgenommen werden.“

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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)

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Geltungsbereich physikalischer Gesetze

Neben dem physikalischen Gesetz ist auch der Geltungsbereich wichtig!

Beispiel:

Newton versus Einstein

Durch die Relativitätstheorie ist die Newtonsche Mechanik nicht falschDer Geltungsbereich ist alledings eingeschränkt.

Geschwindigkeit der Objekte muss gering sein gegenüber der Lichtgeschwindigkeit

Abschätzungen sind das Aaah und Oooh in der Physik

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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 positionabout 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 beeninserted. 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 directlytowards the object, I had the impression that suddenly the countryside became brighter thanin full daylight. I subsequently looked in the direction of the explosion through the darkglass and could see something that looked like a conglomeration of flames that promptlystarted 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 rapidlybeyond the clouds probably to a height of the order of 30,000 feet. After reaching its fullheight, 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 strengthby dropping from about six feet small pieces of paper before, during and after the passageof 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 fallingwhile 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.

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Aus aktuellem AnlaßKinderuni am 24.10.2007

OZ 20.10.2007

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Abschätzung 2: Die Drake GleichungLeben auf der Erde ..... und anderswo?

Was ist notwendig?Distanz zum Galaktischen Zentrum

Sonnenähnliche SterneGasriesen im Sonnensystem

MondPlanetares Magnetfeld

Gleichmäßige und stabile UmlaufbahnKurze Rotationsperiode

Rotationsachse nicht zu stark geneigtAtmosphäre

Ozeane und PlattentektonikMeteoriten

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

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Abschätzung 2: Die Drake GleichungLeben 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

( ) )m³106.2( LJ 103 LJ 10 LJ 10

LJ 3.000 Scheibeder DickeLJ 100.000 Scheibeder r Durchmesse

seMilchstrasder Größe

61313325 ⋅=⋅=⋅π

343

³ 34

z

MWz

MW

nVr

rV

π

π

=

=

m1046.9min

s60h

min60tgh24 tg365

sm 013 LJ 1

Umrechnung

158 ⋅=⋅⋅⋅⋅⋅=

Radius im dem man intelligentes Leben finden könnte

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Neue Herausforderungen

Dunkle Materie und Dunkle Energie

Entwicklung Neuer Materialien

BiophysikVerständnis komplexer Systeme

Endwicklung der Quantentechnologie

Vereinheitlichung der fundamentalen Kräfte in der Natur

16.5.2006Ein Käfig aus 16 Goldatomen

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Biophysik und Nanomechanik

F-ATPase produziert ATPmenschlicher Verbrauch 50-1000 kg pro Tag

Fußteil in Membran verankert

Adenosintriphosphat (ATP) universeller Träger chemischer

Energie in Organismen

EnF-ATPase

da starre Verbindingbewegt 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.

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Die Fragen an die Maus

1. Warum ist der Himmel blau? 2. Alles über Maus und Elefanten3. 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?

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Die Fragen an die Maus

1. Warum ist der Himmel blau? 2. Alles über Maus und Elefanten3. 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???OptikElektrodynamikStrömungsmechanikOptikQuantenphysikLaserphysikNanotechnologie??? (Energietechnik)

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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 oranalyzing the wobble of a distant star, the experiments that grab the world's attention often costmillions of dollars to execute and produce torrents of data to be processed over months bysupercomputers. 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 physiciststo 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 thismonth's Physics World -- took place on tabletops and none required more computational powerthan that of a slide rule or calculator.

What they have in common is that they epitomize the elusive quality scientists call beauty. This isbeauty in the classical sense: the logical simplicity of the apparatus, like the logical simplicity of theanalysis, seems as inevitable and pure as the lines of a Greek monument. Confusion and ambiguityare 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 thatvividly demonstrated the quantum nature of the physical world. But science is a cumulativeenterprise -- that is part of its beauty. Rearranged chronologically and annotated below, thewinners provide a bird's-eye view of more than 2,000 years of discovery.

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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

erstenThemen des zweiten Semesters

dritten

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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

18

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)

erstenThemen des zweiten Semesters

dritten

19

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)

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Eratosthenes Messung des Erdumfangs (300 v. Chr)

Erde ist flach Erde ist rund

Wenn α = 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 kmTatsächlicher Wert 40.075 km

BeobachtungUm 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

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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)

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Newtons Aufspaltung von Sonnenlicht mit Hilfe eines Prismas (1665-1666)

Isaac Newton1643-1723

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Lichtaufspaltung in der AtmosphäreDer 22° Halo

Typische Form von Eiskristallen

Der Wert für diesen minimalen Ablankwinkel

von 22° hängt vom Brechungsindex

(Materialkonstante) ab

J.H. Elbfas - Vädersolstavlan 1636

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Lichtaufspaltung in der AtmosphäreDer 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!

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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)

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Doppelspaltexperiment

Erwartung, wenn Licht Teilchencharakter hätte

Tatsächlich beobachtet man eine Welleneigenschaft

27

Wellenbeugung am Doppelspalt

28

Manche Naturgesetze stehen im Gegensatz zu unserer täglichen Erfahrung

ElektronenquelleStrahl

Öffnung 2 offen

Öffnung 1 offen

Öffnung 1+2 offen

Detektor

Zählrate 1 Einheit

Zählrate 1 Einheit

Detektor

Detektor

Δx

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Manche Naturgesetze stehen im Gegensatz zu unserer täglichen Erfahrung

ElektronenquelleStrahl

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.

30

Manche Naturgesetze stehen im Gegensatz zu unserer täglichen Erfahrung

ElektronenquelleStrahl

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

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Elektronenbeugung am DoppelspaltWelle oder Teilchen?

Ganz klar: Das Elektron ist ein Teilchen!

Das Elektron ist eine Welle!

32

Doppelspaltexperiment an großen Moleküle

Physics World, 2 Mai 2005Molecules with over 100 atoms can be made to interfere, according to recentexperiments 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)

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Photoeffekt

( ) m²W102.3

m50 W250

FlächeLeistung 10

2 ⋅===μπLI

lerLichtstrah

( ) W10m²W 103.2m10² 910210 −− =⋅= ππ LIr

ro AtomLeistung p