Transcript Einstein, spezielle und allgemeine

KZO Wetzikon
Rückblick
Astronomiefreifach KZO Wetzikon FS 02
Stefan Leuthold
Physikgeschichte und Celebrities
Relativitätstheorie
Kosmologie
Astronomie. Rückblick FS 2002.
Folie Nr. 2
Berühmte Physiker 1850–1950
Boltzmann
Maxwell
Michelson
Planck
Minkowski
Mach
Lorentz
Einstein
Als man dachte, die Physik sei
abgeschlossen, kamen mit der Quantentheorie
und der Relativitätstheorie zwei neue
bahnbrechende Theorien auf den Plan.
Astronomie. Rückblick FS 2002.
Folie Nr. 3
«Die Physik ist fertig.»
«Die wichtigsten Grundgesetze und Grundtsachen
der Physik sind alle schon
entdeckt; und diese haben
sich bis jetzt so fest bewährt,
dass die Möglichkeit, sie
wegen neuer Entdeckungen
beiseite zu schieben,
ausserordentlich fern zu
liegen scheint... Unsere
künftigen Entdeckungen müssen wir in den 6. Dezimalstellen
suchen.»
A. A. Michelson, 1903
Astronomie. Rückblick FS 2002.
Folie Nr. 4
Erschütterte Grundlagen im 20. Jhdt.
Quantentheorie
Relativitätstheorie
Um 1900 angestossen von Max
Planck (Planck‘sches
Strahlungsgesetz).
1905 «Über die
Elektrodynamik
bewegter Körper»
enthält die SRT, 1915
folgte dann die ART.
Max Planck
«Abgeschlossen» um
1926/1927 von
Heisenberg und
Schrödinger.
Relativistische
Theorie danach von
P. A. M. Dirac.
Transformationen
zwischen gleichförmig
bewegten Bezugssystemen von H. A.
Lorenz.
H. A. Lorentz
Werner Heisenberg
Grundlegendes zur
Geometrie bereits
früher von Minkowski
und Riemann.
Erwin Schrödinger
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Albert Einstein
Hermann Minkowski
Folie Nr. 5
Der grösste Physiker aller Zeiten?
Erste erhaltene Fotografie von
Albert Einstein, um 1884.
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Folie Nr. 6
Albert Einstein, 1879–1955
«Only two things are
infinite, the universe and
human stupidity, and I'm
not sure about the former.»
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Folie Nr. 7
Einstein Biographische Daten
1879 Geboren in Ulm, jüdische Wurzeln
Kanti Aarau
1901 ETH Diplom
1905 Doktortitel, SRT-Arbeit
1908 PD Bern
1915 ART
1909 Prof. in Zürich, danach
Prag, Zürich, Berlin
Zweimal verheiratet, einmal
glücklich
1922 Nobelpreis (Photoeffekt)
1933 Auswanderung nach Princeton
1940 USA/CH Staatsbürgerschaft
1953 als zweiter Präsident von
Israel vorgeschlagen
1955 Nach kurzer Krankheit
gestorben am 18.4.
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1879–1955
Folie Nr. 8
… soll euch der Teufel holen.
Im Jahre 1936 bat ihn ein amerikanischer Großverleger, eine Botschaft an die
Nachwelt auf einem Spezialpapier zu verfassen. […] Einstein schrieb auf das ihm
zugesandte Blatt:
Liebe Nachwelt!
Wenn ihr nicht gerechter, friedlicher und
überhaupt vernünftiger sein werdet, als
wir es sind bzw. gewesen sind, so soll
euch der Teufel holen.
Diesen frommen Wunsch mit aller
Hochachtung geäußert habend, bin ich
euer (ehemaliger)
Albert Einstein
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Folie Nr. 9
Einstein-Impressionen |1
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Folie Nr. 10
Einstein-Impressionen |2
Einstein und Gödel, 1954
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Folie Nr. 11
Einstein-Impressionen |3
Einsteins 72. Geburtstag 1951
Astronomie. Rückblick FS 2002.
Folie Nr. 12
Astronomie. Rückblick FS 2002.
Letzte von Einstein beschriebene Wandtafel vor seinem Tod 1955.
Folie Nr. 13
Physikgeschichte und Celebrities
Relativitätstheorie
Kosmologie
Astronomie. Rückblick FS 2002.
Folie Nr. 14
Spezielle Relativitätstheorie.
Einstein im Patentamt Bern 1905, in dem Jahr, als er seine bahnbrechende
Arbeit «Über die Elektrodynamik bewegter Körper» schreib, die die SRT enthält.
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Folie Nr. 15
Michelson-Morley-Experiment
vÄther
Interferenzbild
Astronomie. Rückblick FS 2002.
Falls sich Licht in einem Medium –
dem Äther – ausbreitet, müssten die
Lichtstrahlen, welche über den
Spiegel S1 gehen und die
Lichtstrahlen, welche über S2
gehen, unterschiedlich lange
unterwegs sein (man kann das
Gerät so ausrichten, dass der eine
Lichtstrahl mit bzw. gegen den Äther
und der andere senkrecht zum
Äther bewegt ist): Dies sollte man in
Interferenzaufnahmen sehen
können. Dies ist nicht der Fall.
Daraus folgert man, dass der Äther
nicht existiert, sich Licht auch im
Vakuum ausbereiten kann und darin
eine konstante Geschwindigkeit c :=
299‘792‘458 m/s hat.
Folie Nr. 16
Einstein‘sche Posulate der SRT.
1. Relativitätsprinzip: Alle Inertialsysteme sind
zur Beschreibung der Natur gleichberechtigt.
Die Naturgesetze haben in allen
Inertialsystemen die gleiche Form.
2. Konstanz der Lichtgeschwindigkeit: In allen
Inertialsystemen breitet sich Licht im Vakuum
isotrop in allen Richtungen aus und
unabhängig von der momentanen Bewegung
der Lichtquelle mit Geschwindigkeit c.
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Folie Nr. 17
Zeitdilatation
Ein Astronaut im
Raumschiff
betrachtet eine
Lichtuhr, die
jedesmal «Tick»
macht, wenn das
Licht den oberen
bzw. unteren
Spiegel berührt.
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Die selbe Situation von einer Astronomin
gesehen von der Erde aus, an welcher das
Raumschiff vorbeifliegt.
Aus dieser Skizze wird klar, dass die beiden
«unterschiedliche Zeiten» haben.
Folie Nr. 18
Zeitdilatation |2
Mit Pythagoras:
t = t0 √ 1 – v2/c2
Die Zeit t0, welche von aussen gesehen im Raumschiff
zwischen zwei «Ticks» vergeht, ist länger als die Zeit t, die
zwischen zwei Ticks vergeht für jemand, der im
Raumschiff sitzt: t0 > t.
Daraus ergibt sich für die Längenmessung l = l0 √ 1 – v2/c2
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Folie Nr. 19
Gleichzeitigkeit
Während für den Astronauten im
Raumschiff das Licht einer Lampe
Bug und Heck des Raumschiffes
gleichzeitig erreicht…
… sieht die Astronautin auf
der Erde das Licht am Bug
früher ankommen als am
Heck.
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Folie Nr. 20
Gleichzeitigkeit |2
Dieselbe Situation in einem
Koordinatensystem eingezeichnet,
in welchem das obere Raumschiff
mit v nach links bewegt ist: Die
Weltlinien dieses Raumschiffs sind
schräge Geraden.
Die Weltlinien des unteren
Raumschiffs sind Geraden, welche
senkrecht auf der x-Achse stehen
(ruhendes Raumschiff).
Die fett eingezeichneten
Lichtstrahlen schneiden die
Weltlinien des unteren Raumschiffs
zur selben Zeit tr, während sie die
Weltlinien des bewegten
Raumschiffs zu unterschiedlichen
Zeiten t1 und t2 schneiden.
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Folie Nr. 21
Lichtkegel
Nichts kann sich schneller als Licht
fortpflanzen, deshalb liegen alle
vom Nullpunkt E des Koordinatensystems erreichbaren Ereignisse in
einem 45°-Lichtkegel in der
«Zukunft» von E.
Alle Ereignisse, welche E
beeinflussen können, liegen in der
«Vergangenheit» von E.
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Folie Nr. 22
Die berühmteste Formel der Welt.
E=
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2
m·c
Folie Nr. 23
Allgemeine Relativitätstheorie
Einstein schreibt den Riemann-Tensor an die Wandtafel.
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Folie Nr. 24
Idee der ART
Die Bewegung der Körper wird nicht von der
Newton‘schen Gravitationskraft bestimmt, sondern
von der Krümmung des Raumes.
Die Erde bewegt sich
auf der roten Linie
um die Sonne,
welche den Raum
krümmt.
Die Erde selber
krümmt den Raum,
worin sich der Mond
auf der gelben Bahn
um die Erde bewegt.
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Folie Nr. 25
Lichtablenkung
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Folie Nr. 26
Lichtablenkung mit Raumkrümmung
Das Licht des weissen Sterns wird wegen der Raumkrümmung
auf der blauen Erde so gesehen, als ob es von der gestrichelten
Richtung her kommt.
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Folie Nr. 27
Schwarze Löcher
Schwarze Löcher krümmen den Raum so
stark, dass das Licht nicht mehr
davonkommt, wenn es einmal genügend
nahe an ein schwarzes Loch gekommen ist.
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Folie Nr. 28
Unglaublich, aber wahr.
«The most incomprehensible
thing about the universe is
that it is comprehensible.»
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Folie Nr. 29
Astronomie war (hoffentlich) schön.
Nächstes Semester
Kosmologie und Teilchenphysik
Urknalltheorie
(Hoffentlich endlich wieder) fotografieren
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Folie Nr. 30