Theoretische Konzepte der Physik

1 Einführung.- 1.1 Eine Erläuterung für den Leser.- 1.2 Die Entstehung der vorliegenden Vorlesungsreihe.- 1.3 Eine Warnung an den Leser.- 1.4 Was ist theoretische Physik?.- 1.5 Der Einfluß unserer Umgebung.- 1.6 Inhalt der Vorlesungsreihe.- 1.7 Entschuldigungen und Worte der Ermutigung.- Fallstudie 1. Die Ursprünge des Newtonschen Gravitationsgesetzes.- 2 Tycho Brahe, Kepler und Newton — die Ursprünge des Newtonschen Gravitationsgesetzes.- 2.1 Einführung.- 2.2 Tycho Brahe und das Observatorium auf der Insel Hveen.- 2.3 Keplers Gesetze der Planetenbewegung.- 2.4 Newton und das Gravitationsgesetz.- 2.5 Nachbetrachtung.- Anhang zu Kapitel 2 Bemerkungen über Kegelschnitte und Zentralbahnen.- Fallstudie 2. Die Maxwellschen Gleichungen.- 3 Die Entstehung der Maxwellschen Gleichungen und ihre experimentelle Bestätigung.- 3.1 Elektromagnetismus vor der Zeit Maxwells.- 3.2 Wie Maxwell das vollständige Gleichungssystem für das elektromagnetische Feld herleitete.- 3.3 Weitere Entwicklung und Hertzsche Versuche.- 3.4 Nachbetrachtung.- Anhang zu Kapitel 3 Wiederholende Anmerkungen zu Vektorfeldern.- 4 Wie man die Geschichte des Elektromagnetismus umschreiben könnte.- 4.1 Einführung.- 4.2 Die Maxwellschen Gleichungen als ein System von Vektorgleichungen.- 4.3 Der Gaußsche Satz im Elektromagnetismus.- 4.4 Zeitunabhängige Felder als konservative Kraftfelder.- 4.5 Randbedingungen im Elektromagnetismus.- 4.6 Das Ampèresche Gesetz.- 4.7 Das Faradaysche Gesetz.- 4.8 Bestandsaufnahme.- 4.9 Herleitung des Coulombschen Gesetzes.- 4.10 Herleitung des Biot-Savartschen Gesetzes.- 4.11 Interpretation der Maxwellschen Gleichungen in Gegenwart materieller Medien.- 4.12 Die Energiedichte elektromagnetischer Felder.- 4.13 Schlußbemerkungen.- Fallstudie 3. Mechanik und Dynamik.- 5 Zugänge zur Mechanik und Dynamik.- 5.1 Einführung.- 5.2 Die Newtonschen Bewegungsgesetze.- 5.3 Prinzip der kleinsten Wirkung.- 5.4 Die Euler-Lagrange-Gleichung.- 5.5 Kleine Schwingungen und Normalschwingungen.- 5.6 Erhaltungssätze und Symmetrie.- 5.7 Hamiltonsche kanonische Gleichungen und Poisson-Klammern — wie Dirac ihre Anwendung in der Quantenmechanik entdeckte.- 5.8 Eine Warnung.- Anhang zu Kapitel 5 Die Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen.- Fallstudie 4. Thermodynamik und statistische Mechanik.- 6 Einfache Thermodynamik.- 6.1 Der einzigartige Status der Thermodynamik.- 6.2 Die Entstehung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik.- 6.3 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik.- 6.4 Die Entstehung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.- 6.5 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik.- 6.6 Entropie.- 6.7 Das Gesetz von der Zunahme der Entropie.- 6.8 Die differentielle Form des kombinierten ersten und zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.- Anhang zu Kapitel 6 Maxwellsche Beziehungen und Jacobische Determinante.- 7 Die kinetische Gastheorie und die Entstehung der statistischen Mechanik.- 7.1 Einführung.- 7.2 Die kinetische Gastheorie.- 7.3 Die Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung.- 7.4 Die statistische Natur des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.- 7.5 Entropie und Wahrscheinlichkeit.- 7.6 Schlußbemerkungen.- Fallstudie 5. Die Ursprünge des Quantenbegriffs.- 8 Theorie der Hohlraumstrahlung bis 1895.- 8.1 Physik und theoretische Physik im Jahre 1890.- 8.2 Das Stefan-Boltzmannsche Gesetz.- 8.3 Das Wiensche Verschiebungsgesetz und das Strahlungsspektrum des schwarzen Körpers.- 9 1895–1900: Planck und das Spektrum der schwarzen Strahlung.- 9.1 Plancks frühe Laufbahn.- 9.2 Beziehung zwischen der mittleren Energie eines Oszillators und seiner Strahlung im thermischen Gleichgewicht.- 9.3 Das Gleichgewichtsspektrum der Strahlung eines Oszillators der Energie E.- 9.4 Wie Planck zum Spektrum der schwarzen Strahlung gelangte.- 9.5 Rayleighs Herleitung der Rayleigh-Jeansschen Strahlungsformel.- 9.6 Vergleich der Gesetze für die Strahlung des schwarzen Körpers mit dem Experiment.- 10 Plancks Theorie der Strahlung des schwarzen Körpers.- 10.1 Einführung.- 10.2 Boltzmanns Vorgehen in der statistischen Mechanik.- 10.3 Plancks Analyse.- 10.4 Warum Planck die richtige Lösung fand.- 11 Einstein und die Quantisierung des Lichts.- 11.1 Einstein im Jahre 1905.- 11.2 ‘über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichts betreffenden heuristischen Gesichtspunkt’.- 11.3 Die Quantentheorie der Festkörper.- 11.4 Weiteres zu den spezifischen Wärmen der Gase.- 11.5 Ein Wort zur Vorsicht.- 12 Schluß der Geschichte — eine weitere klassische Arbeit von Einstein.- 12.1 Die Situation im Jahre 1912.- 12.2 Schwankungen von Teilchen und Wellen.- 12.3 Schwankungen in der Strahlung des schwarzen Körpers.- 12.4 Schluß der Geschichte.- 12.5 Nachbetrachtung.- Anhang zu Kapitel 12 Thermisches Rauschen und Nachweis schwacher Signale bei vorhandenem Rauschen.- Fallstudie 6. Spezielle Relativitätstheorie.- 13 Spezielle Relativitätstheorie — Eine Studie zur Invarianz.- 13.1 Einführung.- 13.2 Geometrie und die Lorentz-Transformation.- 13.3 Dreiervektoren und Vierervektoren.- 13.4 Relativistische Dynamik — die Vierervektoren des Impulses und der Kraft.- 13.5 Der Viererwellenvektor.- 13.6 Nachbetrachtung.- Fallstudie 7. Allgemeine Relativitätstheorie und Kosmologie.- 14 Einfiihrung in die allgemeine Relativitätstheorie.- 14.1 Einführung.- 14.2 Grundmerkmale der Gravitationstheorie.- 14.3 Nichtlinearität, Raumkrümmung und Zeitdilatation.- 14.4 Isotrope krummlinige Räume.- 14.5 Der Weg zur allgemeinen Relativitätstheorie.- 14.6 Die Schwarzschildsche Metrik.- 14.7 Bahnen um eine zentrale Punktmasse.- 14.8 Lichtstrahlen in der Schwarzschildschen Raum-Zeit.- 14.9 Teilchen und Lichtstrahlen in der Nähe schwarzer Löcher.- Anhang zu Kapitel 14 Isotrope gekrümmte Räume.- 15 Kosmologie.- 15.1 Kosmologie und Physik.- 15.2 Grundlegende Beobachtungen.- 15.3 Die Robertson-Walker-Metrik.- 15.4 Beobachtungen in der Kosmologie.- 15.5 Methoden zur Bestimmung der Funktion R(t).- 15.6 Das heiße Urknallmodell des Universums.- 15.7 Nachbetrachtung.- Anhang zu Kapitel 15 Ursprung der Robertson-Walker-Metrik im Falle eines leeren Universums.- 16 Epilog.- Literaturverzeichnis und weiterführende Lektüre.- Namen- und Sachverzeichnis.