Das Buch der Physik: Band 1

Von Simone Malacrida

In diesem Buch wird die große Geschichte der physikalischen Entdeckungen nachgezeichnet, beginnend mit der wissenschaftlichen Revolution von Galileo und Newton bis zur Physik von heute und der nahen Zukunft.
Das Verständnis der Physik wird sowohl aus theoretischer Sicht angegangen, indem die Definitionen jedes einzelnen Bereichs und die jeder Theorie zugrunde liegenden Annahmen erläutert werden, als auch auf praktischer Ebene, indem mehr als 350 Übungen zu physikalischen Problemen aller Art gelöst werden.
Die Herangehensweise an die Physik wird durch fortschreitendes Wissen gegeben, wobei die verschiedenen Kapitel in einer logischen Reihenfolge dargestellt werden, so dass der Leser einen kontinuierlichen Weg im Studium dieser Wissenschaft aufbauen kann.
Das gesamte Buch ist in fünf verschiedene Abschnitte unterteilt: die klassische Physik, die wissenschaftlichen Revolutionen des frühen zwanzigsten Jahrhunderts, die Physik des Mikrokosmos, die Physik des Makrokosmos und schließlich aktuelle Probleme, die den Ausgangspunkt für die Physik der Zukunft bilden .
Das Papier stellt sich als umfassendes Werk der Physik dar, das keinen Aspekt der vielen Facetten auslässt, die es annehmen kann.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Simone Malacrida
• Erscheinungsdatum: 9. Feb. 2023
• ISBN: 9798215081051

Simone Malacrida

Simone Malacrida (1977) Ha lavorato nel settore della ricerca (ottica e nanotecnologie) e, in seguito, in quello industriale-impiantistico, in particolare nel Power, nell'Oil&Gas e nelle infrastrutture. E' interessato a problematiche finanziarie ed energetiche. Ha pubblicato un primo ciclo di 21 libri principali (10 divulgativi e didattici e 11 romanzi) + 91 manuali didattici derivati. Un secondo ciclo, sempre di 21 libri, è in corso di elaborazione e sviluppo.

Buchvorschau

„Das Buch der Physik: Band 1"

SIMONE MALACRIDA

In diesem Buch wird die große Geschichte der physikalischen Entdeckungen nachgezeichnet, beginnend mit der wissenschaftlichen Revolution von Galileo und Newton bis zur Physik von heute und der nahen Zukunft.

Das Verständnis der Physik wird sowohl aus theoretischer Sicht angegangen, indem die Definitionen jedes einzelnen Bereichs und die jeder Theorie zugrunde liegenden Annahmen erläutert werden, als auch auf praktischer Ebene, indem mehr als 350 Übungen zu physikalischen Problemen aller Art gelöst werden.

Die Herangehensweise an die Physik wird durch fortschreitendes Wissen gegeben, wobei die verschiedenen Kapitel in einer logischen Reihenfolge dargestellt werden, so dass der Leser einen kontinuierlichen Weg im Studium dieser Wissenschaft aufbauen kann.

Das gesamte Buch ist in fünf verschiedene Abschnitte unterteilt: die klassische Physik, die wissenschaftlichen Revolutionen, die im frühen zwanzigsten Jahrhundert stattfanden, die Physik des Mikrokosmos, die Physik des Makrokosmos und schließlich aktuelle Probleme, die den Ausgangspunkt für die Physik der Zukunft bilden .

Das Papier stellt sich als umfassendes Werk der Physik dar, das keinen Aspekt der vielen Facetten auslässt, die es annehmen kann.

ANALYTISCHER INDEX

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EINLEITUNG _

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TEIL : KLASSISCHE PHYSIK

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1 – DIE WISSENSCHAFTLICHE METHODE

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2 – MESSSYSTEME _ _

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3 – KLASSISCHE MECHANIK : KINEMATIK

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4 – KLASSISCHE MECHANIK : D Y NAMIC SUND STATISCHES S

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5 – KLASSISCHE MECHANIK : T HEORIE DER Gravitation

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6 – FLÜSSIGKEITSTHEORIE UND FLÜSSIGKEITSDYNAMIK

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7 - OPTIK

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8 – WELLEN UND SCHWINGUNGSPHÄNOMENE

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9 – T HERMODYNAMIK UND WÄRMEÜBERTRAGUNG

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10 – STATISTISCHE PHYSIK

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11 - ELEKTROMAGNETISMUS _ _ _

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12 – KRISE DER KLASSISCHEN PHYSIK

EINFÜHRUNG

Dieses Buch entstand aus der Notwendigkeit heraus, alle bisher untersuchten physikalischen Theorien samt ihrem theoretischen und experimentellen Rahmen in einem einzigen Text zusammenzuführen.

Zweifellos entstand die Physik, wie wir sie heute verstehen, aus der Einführung der wissenschaftlichen Methode, zunächst auf philosophischer, dann auf experimenteller und praktischer Ebene.

Mit dem Einzug der wissenschaftlichen Methode in die Praxis des Argumentierens, auf der Annahmen und Schlussfolgerungen gestützt werden, vollzog sich ein enormer Qualitätssprung gegenüber allem bisherigen Wissen.

Wir können sagen, dass alle Entdeckungen und Anwendungen, die in der Vergangenheit in Bezug auf dieses Ereignis stattgefunden haben, tatsächlich das Ergebnis semi-empirischer Ansätze sind und nicht gerade der Wissenschaft, wie wir sie heute verstehen.

Dieser Punkt, an dem es kein Zurück mehr gab, markierte einen historischen Wendepunkt, so wie wir es gewohnt sind, Ereignisse vom Kaliber der Französischen Revolution, des Untergangs des Römischen Reiches oder der Entdeckung Amerikas zu betrachten.

Seit dieser Zeit hat die wissenschaftliche Forschung eine beeindruckende Beschleunigung erfahren, die sich auf alle Wissensgebiete erstreckt und der Gesellschaft in Bezug auf Anwendungen und tägliche Konsequenzen eine entschieden andere Prägung als in der Vergangenheit aufgeprägt hat, um die Bedingungen und Voraussetzungen zu schaffen, die notwendig sind für die industrielle Revolution, die nur weniger als zwei Jahrhunderte nach diesen ersten wissenschaftlichen Bewegungen stattfand.

Eine erste Zäsur dieses Weges vollzieht sich mit dem Ende des 19. Jahrhunderts und der Erkenntnis, dass im Bereich des Wissens in allen Bereichen solche Widersprüche erreicht wurden, dass die bisherigen theoretischen Schemata völlig revidiert werden mussten.

Aus dieser Zeit, die historisch als Krise der klassischen Physik bekannt ist, stammen die beiden revolutionären Theorien des zwanzigsten Jahrhunderts, die die Grundlage der zeitgenössischen Physik bilden, die wir heute verwenden, um die Natur und das, was uns umgibt, zu beschreiben.

In dieser Zeit, die gut zwei Jahrhunderte dauerte, ist es der Physik gelungen, verschiedene Disziplinen wie die Mechanik in all ihren Formen (statisch, dynamisch und kinematisch), die Astronomie, die Theorie der Gravitation, die Optik, die Phänomene und die oszillierenden wissenschaftlich zu erforschen , Fluiddynamik, Thermodynamik, Wärmeübertragung, auf die Physik angewandte Statistik, elektrische und magnetische Phänomene.

Wie aus dieser kleinen Liste hervorgeht, war die Ausarbeitung von Theorien, die die experimentellen Ergebnisse vorhersagen und erklären, so weit verbreitet, dass nichts unerforscht blieb, mit den Einschränkungen, die die damalige Ausrüstung haben konnte (es ist offensichtlich, dass sie vollständig war an die Untersuchung der Eigenschaften des Atoms und des Atomkerns nicht zu denken, da man nicht über die geeigneten materiellen Mittel verfügt, um die wesentlichen experimentellen Daten zu ermitteln).

Das soeben Beschriebene wird im ersten Teil dieses Buches behandelt, der mit der Behandlung der klassischen Physik zusammenfällt.

Der zweite Teil des Buches ist inspiriert von den großen Revolutionen des frühen zwanzigsten Jahrhunderts, nämlich der Quantenphysik und der speziellen Relativitätstheorie.

Sie haben eine so außerordentliche Rolle in der Entwicklung der Physik gespielt, dass beschlossen wurde, ihnen einen ganzen Teil zu widmen.

Der dritte Teil des Buches befasst sich mit der Physik des Mikrokosmos, dh der Physik, die sich auf molekularer, atomarer, nuklearer und fundamentaler Teilchenebene entwickelt.

Wir werden sehen, wie weit die wissenschaftliche Forschung fortgeschritten ist und was die Probleme dieser Entwicklungen heute sind.

Der vierte Teil dagegen befasst sich als Gegenstück mit der Physik des Makrokosmos und hat die allgemeine Relativitätstheorie als Grundstein.

Es ist alles, was mit Astronomie, Astrophysik und Kosmologie zu tun hat.

Auch in diesem Fall werden die jüngsten Ergebnisse dieser Theorien greifbar sein.

Der fünfte und letzte Teil hat im Vergleich zu den anderen die schwierigste Aufgabe.

In der Tat, wenn einerseits die Relativitätstheorie Spekulationen über den Makrokosmos und die Quantenphysik Spekulationen über den Mikrokosmos hervorgebracht hat, gibt es zahlreiche Beweise für ihr mögliches (und wünschenswertes) Zusammentreffen in einer einzigen Theorie.

Diesem besonderen Aspekt widmet sich der letzte Teil des Buches.

Das Buch ist in Kapitel unterteilt, von denen jedes sehr gut unabhängig von den vorherigen und nachfolgenden behandelt werden kann (tatsächlich gibt es in der Literatur zahlreiche Schriften, die sich genau auf jedes der ausgestellten Kapitel beziehen).

Es gibt jedoch eine logische Korrelation in der Reihenfolge der Kapitel, eine Art progressives Wissen in Richtung auf das, was vorher unbekannt war.

Der aufmerksame Leser wird dies erkennen und diesem Leitmotiv folgen können, das nichts anderes ist als die Neuauflage der Geschichte der Physik.

Über die Ausführung der Übungen ist ein Vermerk zu machen.

Es ist richtig, dass im ersten Teil, der der klassischen Physik gewidmet ist, Übungen vorgestellt werden, die auf dem Gymnasium durchgeführt werden (gerade weil man in der High School beginnt, diese spezifischen Bereiche der Physik zu studieren), aber es ist ebenso wahr, dass die Der theoretische Formalismus konzentriert sich fast schon früh auf die Mathematik auf College-Niveau, die Kenntnisse in fortgeschrittener mathematischer Analyse, fortgeschrittener Geometrie und anderen mathematischen Disziplinen voraussetzt.

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Was bringt es, Physik zu studieren?

Lassen Sie uns versuchen, eine kurze Erklärung zu geben (ganz persönlich natürlich).

Wir können nicht darüber hinwegtäuschen, dass die Interpretation physikalischer Gesetze, wenn sie auf die Spitze getrieben wird, nur zu philosophisch typischen spekulativen Fragen führen kann, insbesondere wenn es um das unendlich Große (wie im Fall der Kosmologie) oder das unendlich Kleine (wie im Fall der Kosmologie) geht in der Teilchenphysik).

Physikalische Gesetze, gerade weil sie die Besonderheit haben, die Natur, das Universum und alles, was uns umgibt, zu erklären, müssen nicht nur mit den experimentellen Daten übereinstimmen, sondern ein theoretisches Modell für die Simulation der Realität selbst darstellen.

Ihre Struktur und Interpretation beeinflussen daher die Art und Weise, die Realität zu beschreiben, wie dies bereits mit dem Aufkommen des Relativismus und Indeterminismus zu Beginn des 20. Jahrhunderts geschah.

Die physikalischen Gesetze sind mit einer mathematischen Symbolik geschrieben. Die große „Stärke" der Mathematik liegt in mindestens drei verschiedenen Punkten.

Erstens ist es dank ihr möglich, die Realität mit wissenschaftlichen Begriffen zu beschreiben, dh indem man einige Ergebnisse vorhersieht, noch bevor man die wirkliche Erfahrung gemacht hat.

Ergebnisse vorherzusagen bedeutet auch, die Unsicherheiten, Fehler und Statistiken vorherzusagen, die notwendigerweise entstehen, wenn das Ideal der Theorie in die extremste Praxis umgesetzt wird.

Zweitens ist Mathematik eine Sprache mit einzigartigen Eigenschaften.

Es ist künstlich, wie von Menschen gebaut.

Es gibt andere künstliche Sprachen, wie das Morsealphabet; Der große Unterschied zur Mathematik besteht jedoch darin, dass sie eine künstliche Sprache ist, die die Natur und ihre physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften beschreibt.

Das macht sie jeder anderen möglichen Sprache überlegen, da wir dieselbe Sprache sprechen wie das Universum und seine Gesetze.

An dieser Stelle kann jeder von uns seine eigenen Ideologien oder Überzeugungen einbringen, ob säkular oder religiös.

Viele Denker haben hervorgehoben, dass Gott ein großer Mathematiker ist und dass Mathematik die bevorzugte Sprache ist, um mit dieser überlegenen Entität zu kommunizieren.

Die letzte Eigenschaft der Mathematik ist, dass sie eine universelle Sprache ist.

Mathematisch gesehen könnte der Turmbau zu Babel nicht existieren.

Jeder Mensch, der über einige mathematische Grundlagen verfügt, weiß sehr gut, was mit bestimmten Symbolen gemeint ist, während Übersetzer und Wörterbücher benötigt werden, um sich mit geschriebenen Wörtern oder mündlichen Reden zu verstehen.

Wir wissen sehr gut, dass Sprache die Grundlage allen Wissens ist.

Gerade durch die Sprache lernt der Mensch in den ersten Lebensjahren eine Reihe grundlegender Informationen für die Entwicklung der Intelligenz.

Das menschliche Gehirn zeichnet sich gerade durch diese spezifische Besonderheit aus, eine Reihe komplexer Sprachen zu artikulieren, und dies hat uns alle bekannten Vorteile gegenüber allen anderen Arten des Tierreichs verschafft.

Sprache ist auch eine der Voraussetzungen philosophischer, spekulativer und wissenschaftlicher Erkenntnis, und Gadamer hat dies unmissverständlich und endgültig hervorgehoben.

Aber es gibt noch eine dritte Eigenschaft der Mathematik, die viel wichtiger ist.

Mathematik ist nicht nur eine künstliche und universelle Sprache, die die Natur beschreibt, sondern auch Problemlösung , daher ist sie Konkretheit aus Wissenschaft, da der Mensch immer darauf abzielte, Probleme zu lösen, die ihn beschäftigen. Schauen Sie sich einfach an, was in diesem Artikel besprochen wurde über die Überwindung physikalischer Theorien.

Die Textur der Realität ist daher von physikalischen Gesetzen geprägt, die mathematischen Gleichungen zugrunde liegen und die sich im Laufe der Zeit auf der Welle neuer Entdeckungen und Widersprüche alter Theorien immer mehr verallgemeinern.

Heute stehen wir vor einem dieser grundlegenden Schritte.

Einerseits wissen wir, dass es Kongruenzprobleme der beiden Haupttheorien (allgemeine Relativitätstheorie und Quantenfeldtheorie) gibt, andererseits haben wir noch keine neue theoretische Leinwand definiert, die diese unklaren Punkte in Richtung eines breiteren Wissens überwindet.

Wie immer ist es eine ständige Herausforderung und in gewisser Weise ewig in der menschlichen Natur verankert.

Diese Eigenschaft ist Teil eines ewigen Rennens um eine bessere Beschreibung dessen, was uns umgibt, und um ein besseres Verständnis aller existierenden Phänomene, im Gefolge einer Ableitung vom Mythos des Odysseus, der den ewigen Wissensdrang des Menschen verkörpert.

TEIL EINS: KLASSISCHE PHYSIK

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DIE WISSENSCHAFTLICHE METHODE

Einführung

Der Beginn der modernen Physik fällt mit der Formulierung und Anwendung der wissenschaftlichen Methode zusammen, die im frühen 17. Jahrhundert vor allem durch Galilei und mit entscheidenden Beiträgen der Philosophen Bacon und Descartes in systematischer Weise erfolgte.

Diese logische und philosophische Struktur wurde zur Grundlage für den Aufbau wissenschaftlicher Erkenntnisse in den folgenden Jahrhunderten und für den ersten mathematischen Ansatz durch die Einführung der Analysis durch Newton und Leibnitz in der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts.

Vor Galilei war Erkenntnis vor allem durch empirische Versuche oder rein metaphysische Argumentation vorangekommen, die sich auf logische Konstrukte wie den Syllogismus oder das Autoritätsprinzip stützte. Es gab also keine Wissenschaftler, wie wir sie heute verstehen, und am nächsten an unserem Wissenschaftsbegriff waren die Gelehrten der Naturphilosophie.

Ein Vorläufer der wissenschaftlichen Methode war Leonardo da Vinci, der etwa ein Jahrhundert vor Galileo die grundlegende Bedeutung von echten Experimenten und mathematischen Demonstrationen erkannte, ohne jedoch zur Definition eines Systems und einer Methode zu gelangen.

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Die Vision von Galileo Galilei

Galileo ging von einigen grundlegenden Annahmen aus, die noch heute gültig sind, darunter:

1) Die Natur reagiert auf mathematische Kriterien

2) Um die Gesetze der Physik zu ermitteln, müssen Experimente durchgeführt werden

3) Logische Hypothesen und mathematische Theorien müssen mit Experimenten übereinstimmen

Deshalb gab Galileo die leere Suche nach den primären Essenzen und Qualitäten auf, die das Wissen vor dem 17. Jahrhundert so sehr geprägt hatten, und setzte quantitative Tatsachen, die durch Experimente messbar und überprüfbar und durch die Sprache der Mathematik ausdrückbar sind, als Eckpfeiler der Wissenschaft fest.

Einer der Kernpunkte ist die Reproduzierbarkeit der Experimente: Unter geeigneten Bedingungen und zu erstellenden Hypothesen muss ein bestimmtes Erlebnis an jedem Ort wiederholt werden können, um die gleichen Ergebnisse zu liefern und damit die formulierte mathematische Theorie zu bestätigen (oder zu widerlegen). um dieses Experiment zu erklären.

In besonderen Fällen, in denen es nicht möglich ist, ein echtes Experiment durchzuführen, führt Galileo das Konzept des Gedankenexperiments ein.

Durch die Anwendung der gleichen mathematischen und quantitativen Kriterien bei der Formulierung der Hypothesen hat das Gedankenexperiment die gleiche Aussagekraft wie das tatsächlich durchgeführte. Auf diese Weise verstand Galileo, wie die kopernikanische Revolution des Heliozentrismus (die Sonne im Zentrum des Sonnensystems und nicht die Erde, wie im Mittelalter behauptet, stattdessen Scolastica, die sich auf die Autorität von Aristoteles bezog) korrekt war und wie Keplers Gesetze auf astronomischer Ebene korrekt waren.

Die wissenschaftliche Methode ist daher die Art und Weise, wie die Wissenschaft das Wissen über die Natur und das Universum erweitert.

Dieses Wissen zeichnet sich dadurch aus, dass es objektiv, zuverlässig und überprüfbar ist.

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Induktive Methode

Die wissenschaftliche Methode besteht aus zwei großen Makrosektoren.

Auf der einen Seite haben wir die Erhebung empirischer Beweise durch Experimente, die auf eine gemeinsame theoretische Logik zurückgeführt werden müssen, auf der anderen die Hypothesen und Theorien, die mit der experimentellen Realität in Einklang gebracht werden müssen.

Dieser Dualismus spiegelt irgendwie die alte Trennung des logischen Denkens zwischen der induktiven Methode und der deduktiven Methode wider. Während Galileo besonders von der zweiten Gebrauch machte, waren Bacon und Newton häufige Benutzer der ersten.

Lassen Sie uns kurz die Merkmale dieser beiden unterschiedlichen Ansätze zur Wissenschaft und zur wissenschaftlichen Methode und ihre Implikationen in physikalischer und philosophischer Hinsicht betrachten.

Die induktive Methode war die eigentliche treibende Kraft der modernen Physik und geriet erst viele Jahrhunderte später in eine Krise, als klar wurde, dass die formulierten Theorien in klarem Widerspruch zueinander und zu den experimentellen Daten standen.

Das 20. Jahrhundert führte zu einer großen Veränderung nicht nur in den ausgearbeiteten Theorien, sondern auch in der Herangehensweise an die Wissenschaft, in der philosophischen und logischen Erklärung sowie in der verwendeten Methode.

Die induktive Methode geht von einer empirischen Beobachtung aus und endet in der Formalisierung einer Theorie,