Physik für Dummies
Physik für Dummies
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5. Auflage 2020
© 2020 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Original English language edition © 2016 by Wiley Publishing, Inc.All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This translation published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.
Copyright der englischsprachigen Originalausgabe © 2016 by Wiley Publishing, Inc. Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Diese Übersetzung wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.
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Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.
Coverfoto: wittayayut/stock.adobe.com
Korrektur: Frauke Wilkens
Print ISBN: 978-3-527-71736-1
ePub ISBN: 978-3-527-82717-6
Steve Holzner ist preisgekrönter Autor zahlreicher Bücher, darunter auch das Übungsbuch Physik für Dummies. Er studierte Physik am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und promovierte an der Cornell University. Er unterrichtete dort sowie am MIT über zehn Jahre lang, wobei er auch Physik-Grundkurse gab.
Alles ist Physik.
Aber was heißt alles?
Alles eben. Genau das ist der Punkt – Physik umgibt Sie ständig, bei jeder Handlung. Und da die Physik wirklich für alles und jedes zuständig ist, beschreibt sie auch einige ziemlich verrückte Sachen und ist deshalb nicht immer ganz leicht zu verstehen. Das gilt erst recht, wenn Sie ein für Spezialisten geschriebenes Lehrbuch in die Hand nehmen.
Wenn Sie mit Physik in Kontakt kommen, dann heißt das normalerweise, dass Ihnen ein 1.200-Seiten-Buch vor den Latz geknallt wird. Was folgt, ist dann oft ein mühsamer Kampf mit den edlen Gedanken, die darin ausgebreitet sind. Warum hat eigentlich noch niemand versucht, ein Physiklehrbuch aus der Sicht des Lesers zu schreiben? Die gute Nachricht: Jetzt hat es jemand versucht! Und Sie haben dieses Buch vor sich liegen.
Physik für Dummies beschreibt die Physik aus Ihrer Sicht. Ich habe schon vor Tausenden von Universitätsstudenten Physikvorlesungen gehalten und weiß daher, dass die meisten Studenten ein gemeinsames Schicksal teilen: Verwirrung. Etwa in der Art: »Ich weiß gar nicht, womit ich das verdient habe …« Dieses Buch ist anders: Es ist nicht aus der Sicht eines Physikers oder Professors geschrieben, sondern aus der eines Lesers. Nach unzähligen Stunden, die ich mit meinen Studenten verbracht habe, weiß ich, an welchen Stellen in herkömmlichen Physikbüchern die Verwirrung beginnt, und ich habe mir große Mühe gegeben, diese Fallstricke hier zu umgehen. Dafür ist es wichtig zu verstehen, wie Studenten ticken – wie sie den Unterrichtsstoff erklärt bekommen wollen. Alle Erfahrungen, die ich in meiner Arbeit mit Studenten gesammelt habe, habe ich in dieses Buch gepackt. Zudem verrate ich Ihnen einige Tricks, mit denen sich Professoren und Dozenten die Lösung von bestimmten Aufgaben ganz einfach machen.
Viele Bücher verwenden eine Unmenge von Konventionen, die Sie überblicken müssen, um damit arbeiten zu können. Dieses Buch ist anders. Neue Begriffe sind an der Stelle, an der sie zum ersten Mal erklärt werden, kursiv gesetzt. Variablen (Buchstaben, die in Gleichungen für bestimmte physikalische Größen stehen) sind ebenfalls kursiv geschrieben – so können Sie sie einfacher von den Symbolen für Einheiten unterscheiden. Vor allem in Kapitel 4 sind Vektoren (Größen, die sowohl einen Betrag als auch eine Richtung besitzen) fett kursiv gedruckt.
Es gibt zwei Arten von Elementen in diesem Buch, die Sie überspringen können, wenn Sie nicht an Details interessiert sind – Kästen und Absätze, die mit einem »Vorsicht Technik«- Symbol versehen sind. Die Kästen versorgen Sie mit Hintergrundinformationen, Anekdoten, Randnotizen; genießen Sie sie bei Kaffee und Kuchen oder abends im Bett. Wenn Sie sie ganz weglassen, haben Sie aber nichts physikalisch Wichtiges versäumt. Die »Vorsicht Technik«-Absätze sind das genaue Gegenteil: Hier werden bestimmte Gesichtspunkte vertieft und genauer (oft auch mathematischer) erklärt. Auch diese Passagen können Sie erst einmal weglassen. Falls Sie aber etwas ganz genau wissen wollen, finden Sie hier oft wichtige Informationen.
Ich gehe davon aus, dass Sie keine Vorkenntnisse in Physik haben, wenn Sie mit diesem Buch beginnen. Ein wenig einfache Mathematik, vor allem Algebra, muss ich jedoch voraussetzen. Sie müssen nicht gleich ein Profi in Algebra sein, sollten aber wissen, wie Sie Ausdrücke von einer Seite einer Gleichung auf die andere bringen oder eine Gleichung nach einer bestimmten Größe auflösen. In Kapitel 2 erfahren Sie dazu noch etwas mehr. Ein wenig Trigonometrie wird auch gebraucht, aber wirklich nur ein wenig. Auch hier erfahren Sie in Kapitel 2 in aller Kürze, was nötig ist (vor allem etwas über den Sinus und den Kosinus).
Die Natur ist ein unerschöpfliches Thema. Um dieses Thema auch nur einigermaßen komplett behandeln zu können, zerlegt die Physik das Wissen über die Natur in verschiedene Gebiete. Entlang dieser Richtschnur ist auch dieses Buch aufgebaut; die einzelnen Teile behandeln verschiedene Teilgebiete der Physik.
Normalerweise beginnen Sie Ihre Reise durch die Physik mit Teil I, der im Wesentlichen Bewegungen zum Inhalt hat – schon deshalb, weil Bewegungen verhältnismäßig einfach zu beschreiben sind. Sie lernen Begriffe wie Strecke, Geschwindigkeit und Beschleunigung kennen, und Sie kombinieren diese zu einigen wenigen, leicht zu verstehenden Gleichungen. Die Beschreibung von Bewegung ist ein ausgezeichneter Startpunkt, sowohl im Hinblick auf grundlegende Techniken wie Messungen als auch bezüglich der Methodik in der Physik.
Kennen Sie folgendes Gesetz: »Zu jeder Kraft existiert eine gleich große und entgegengesetzt gerichtete Gegenkraft.«? Hier lernen Sie die newtonschen Gesetze (das eben genannte Gesetz ist eines davon) im Detail kennen und vor allem verstehen. Ohne Kräfte würden Gegenstände ihren Bewegungszustand nie ändern und die Welt wäre schrecklich langweilig. Dank Isaac Newton kann die Physik sehr genau beschreiben, wie Kräfte wirken und was sie anrichten.
Was tun Sie eigentlich, wenn Sie an einem Gegenstand ziehen und zerren, um ihn in Bewegung zu setzen? Sie verrichten Arbeit, die sich dann in Energie des Gegenstands wandelt. Mit Arbeit und Energie kann man einen großen Teil der Welt um uns erklären, und deshalb haben die beiden Themen einen eigenen Teil in diesem Buch verdient.
Was passiert, wenn Sie Ihren Finger in eine Kerzenflamme halten? Logisch: Sie verbrennen sich den Finger. Gleichzeitig haben Sie ein (mäßig interessantes) Experiment zum Wärmeübergang durchgeführt. Teil IV dieses Buches beschäftigt sich mit der Physik der Wärme und der Wärmeübertragung, von Physikern Thermodynamik genannt. Sie lernen auch etwas über Wärmekraftmaschinen, das Schmelzen von Eis sowie Temperaturen.
Hier wird es richtig spannend: Sie lernen (fast) alles über Elektrizität und wie sie funktioniert, von den einzelnen Elektronen bis hin zu komplexen Schaltkreisen mit ihren Spannungen und Strömen. Dann kommt noch der Magnetismus dazu: Mit harmlosen Stabmagneten fängt es an, und aus der Kombination von Magnetismus und Elektrizität entsteht schließlich Licht!
Auch in der Wissenschaft gibt es Hitlisten. Hier erfahren Sie in aller Kürze etwas über die verrückten Seiten der Physik. Ob Phänomene aus der Relativitätstheorie wie Zeitdehnung, die Schrumpfung von Längen oder schwarze Löcher, ganz Großes wie den Urknall oder ganz Kleines wie Wurmlöcher in der Raumzeit – hier finden Sie alles platzsparend vereint.
Der Anhang enthält die Lösungen zu den Aufgaben, die Sie am Ende der Kapitel erwarten. Ein Glossar mit den wichtigsten Begriffen zum Buch finden Sie unter https://www.wiley-vch.de/de/dummies/downloads
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In diesem Buch werden einige Symbole verwendet, um bestimmte Informationen zu kennzeichnen. Sie haben folgende Bedeutung:
Im Gegensatz zu anderen Lehrbüchern muss dieses Buch nicht unbedingt von vorn nach hinten gelesen werden – Sie können ganz nach Belieben darin schmökern! Wie jedes … für Dummies-Buch ist es so aufgebaut, dass Sie nach Herzenslust herumspringen können. Das bedingt stellenweise Wiederholungen, die aber auch das Verständnis fördern. Beginnen Sie entweder systematisch mit Kapitel 1 oder nach Lust und Laune – vielleicht mit den Listen in Teil VI? Es ist Ihr Buch – viel Spaß damit!
Teil I
Kapitel 1
IN DIESEM KAPITEL
Physik ist die Untersuchung der Welt und des Universums. Für Sie ist Physik vielleicht eine Plage – eine lästige Pflicht in der Schule, die nur erfunden wurde, um Sie zu ärgern. Aber das stimmt nicht ganz. Denn Physik ist etwas, das Sie vom ersten Augenblick Ihres Lebens an beschäftigt, sobald Sie zum ersten Mal Ihre Augen öffnen.
Physik ist eine allumfassende Wissenschaft. Es gibt buchstäblich nichts, was außerhalb der Physik liegt. Man kann ganz unterschiedliche Aspekte der Natur untersuchen und sich dabei mit verschiedenen Bereichen der Physik befassen: der Physik von bewegten Gegenständen, von Kräften, von elektrischen oder magnetischen Erscheinungen. Man kann sogar untersuchen, was passiert, wenn man sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. All diese Themen und noch viele weitere bespreche ich in diesem Buch.
Das Wort »Physik« kommt von dem griechischen »physike«, das so viel wie »natürliche Dinge« bedeutet.
Während Sie in der Welt herumspazieren, können Sie vieles beobachten: Blätter rascheln im Wind, die Sonne scheint, die Sterne funkeln, Glühbirnen leuchten, Autos fahren, Drucker drucken, Menschen gehen zu Fuß oder fahren Rad, Flüsse strömen und so weiter. Wenn Sie innehalten, um diese Erscheinungen zu untersuchen, wird Ihre natürliche Neugier Ihnen endlose Fragen eingeben:
Die Physik untersucht die Welt und die Weise, wie diese funktioniert – von grundlegenden Fragen (zum Beispiel die Überwindung der Trägheit des liegen gebliebenen Autos, das Sie gerade anzuschieben versuchen) bis zu den exotischsten (wie die Erforschung des Aufbaus der allerkleinsten Elementarteilchen, um zu verstehen, wie die Materie aufgebaut ist). Letztlich geht es in der Physik um nichts anderes, als sich der Welt bewusst zu werden.
Einige der prinzipiellen Fragen, die Sie sich stellen werden, hängen sehr wahrscheinlich mit Bewegung zusammen. Wird der Felsbrocken, der gerade auf Sie zurollt, noch abbremsen? Wie schnell müssen Sie zur Seite springen, um ihm auszuweichen? (Warten Sie einen Moment, ich muss nur eben mal meinen Taschenrechner holen …) Bewegung war tatsächlich eines der ersten Themen der Physik – und die Einsichten, die dabei gewonnen wurden, sind beeindruckend.
Teil I dieses Buches beschäftigt sich mit Bewegung – von Bällen bis hin zu Eisenbahnen. Bewegung ist eine ganz grundlegende Erscheinung unserer Welt, und die meisten Menschen wissen auch einiges darüber: Wenn man beispielsweise das Gaspedal durchtritt, fährt das Auto schneller. Bewegung ist aber mehr: Die Beschreibung und das Verstehen von Bewegung ist der erste Schritt zu einem umfassenden Verständnis der Physik, die auf Beobachtungen und Messungen und auf der Ableitung von mathematischen Modellen aus diesen Messungen und Beobachtungen beruht. Diese Vorgehensweise sind die meisten Menschen nicht gewöhnt, und genau da kommt dieses Buch ins Spiel.
Die Untersuchung von Bewegungen ist interessant, aber höchstens der Anfang des ersten Schritts. Wenn Sie sich umschauen, erkennen Sie sofort, dass die Gegenstände um Sie herum ihren Bewegungszustand andauernd ändern. Sie sehen, wie ein Motorrad an einem Stoppschild anhält. Sie sehen, wie ein Blatt vom Baum fällt und am Boden liegen bleibt, bis es von einem Windstoß wieder weggetragen wird. Sie sehen eine Billardkugel, die die anderen Kugeln nicht ganz so trifft, wie Sie es beabsichtigt hatten, sodass alle Kugeln wild durcheinanderrollen und keine einzige ins Loch fällt.
Die ständigen Veränderungen der Bewegung werden durch Kräfte verursacht; dies ist das Thema von Teil II. Sie wissen wahrscheinlich schon manches über Kräfte, aber manchmal ist es wirklich verzwickt herauszufinden, was eigentlich passiert. Mit anderen Worten, manchmal braucht es dazu einen Physiker wie Sie.
Sie müssen nicht lange suchen, um ein Beispiel für Physik in Ihrer Umgebung zu finden. Wenn Sie zum Beispiel morgens aus dem Haus gehen, hören Sie vielleicht plötzlich ein lautes Krachen in der Nähe: Zwei Autos sind mit hoher Geschwindigkeit zusammengestoßen und rauschen jetzt ineinander verkeilt auf Sie zu. Mit etwas Physik (genauer gesagt, mit Teil III dieses Buches) können Sie die notwendigen Messungen und Berechnungen vornehmen, um herauszufinden, wie weit Sie zur Seite springen müssen. Es ist klar, dass es einiges braucht, um die beiden Autos zu stoppen. Aber einiges wovon?
In so einem Fall hilft es Ihnen weiter, wenn Sie mit Begriffen wie Impuls und Energie vertraut sind. Mit diesen Konzepten können Sie die Bewegungen von Gegenständen mit einer Masse beschreiben. Die Energie der Bewegung wird kinetische Energie genannt; wenn sich ein Auto mit einer Geschwindigkeit von 60 Kilometern in der Stunde fortbewegt, besitzt es eine gewaltige kinetische Energie.
Woher kommt die kinetische Energie? Sicher nicht aus dem Nichts, sonst müssten wir uns keine Sorgen um die Benzinpreise machen. Vielmehr verbraucht der Motor Benzin, um Arbeit an dem Auto zu verrichten und es zu beschleunigen.
Und wohin geht die Energie, zum Beispiel wenn Sie Ihre schweren Einkaufstaschen die Treppe hochtragen müssen? Dabei haben Sie sicher etwas Zeit, um über Physik nachzudenken; zücken Sie also Ihren Taschenrechner und rechnen Sie aus, wie viel Arbeit Sie leisten müssen, um die prall gefüllten Tragetaschen in den sechsten Stock zu bringen. (Das hätten Sie eigentlich tun müssen, bevor Sie den Mietvertrag unterschrieben haben!)
Ein berühmter Physiker erinnerte sich, wie fasziniert er war, als sein Lehrer ihm im Unterricht von einem Maurer erzählte, »der einen schweren Ziegelstein mühsam auf das Dach eines Hauses hinaufschleppt. Die Arbeit, die er dabei leistet, geht nicht verloren: Sie bleibt unversehrt, aufgespeichert, jahrelang, bis vielleicht eines Tages der Stein sich löst und einem vorübergehenden Menschen auf den Kopf fällt.« Der Schüler, den diese Geschichte so nachhaltig beeindruckt hatte, war niemand anderes als Max Planck (1858–1947), der mit seiner Quantenhypothese die Physik revolutionierte und den Physiknobelpreis des Jahres 1918 erhielt.
In der Anekdote von Planck geht es um das Gesetz von der Energieerhaltung, das zu den wichtigsten Grundlagen der Physik zählt. Nehmen Sie sich also ruhig Zeit, über physikalische Gesetzmäßigkeiten zu staunen. Vielleicht springt dabei ja auch mal ein Nobelpreis heraus! Damit können Sie dann sicher auch die Physikmuffel unter Ihren Freunden beeindrucken.
Rechnen Sie dann auch gleich noch aus, was der Maurer dem arglosen Passanten an Schmerzensgeld zahlen muss. Und schauen Sie sich nach einer Wohnung um, die im Erdgeschoss liegt …
Wärme und Kälte gehören zu unserem Alltag, daher sind wir auch in dieser Hinsicht im Sommer wie im Winter von Physik umgeben. Haben Sie schon einmal die Tröpfchen auf einem beschlagenen kalten Glas in einem warmen Raum betrachtet? In der Luft gelöster Wasserdampf kühlt sich ab, wenn er mit dem kalten Glas in Kontakt kommt, und kondensiert zu flüssigem Wasser. Dabei gibt er Wärmeenergie an das Glas (und letztlich an das Getränk darin) ab, das sich deshalb bei diesem Vorgang aufwärmt.
Teil IV des Buches beschäftigt sich mit Thermodynamik. Die Thermodynamik kann Ihnen sagen, wie viel Wärme Sie an einem kalten Tag abstrahlen, wie viele Eiskübel Sie brauchen, um einen Lavastrom abzukühlen, wie heiß die Oberfläche der Sonne ist oder was es sonst Interessantes rund um Wärmeenergie zu wissen gibt.
Dabei können Sie auch feststellen, dass Physik nicht auf unseren Planeten beschränkt ist. Warum ist das Weltall kalt? Wie kann es kalt sein, obwohl es doch leer ist? Natürlich nicht einfach deshalb, weil wir messen können, dass es kalt ist. Im Weltall strahlen Sie Wärme ab, aber sehr wenig Wärme wird zu Ihnen hin gestrahlt. In Ihrer gewohnten Umgebung strahlen Sie ebenfalls Wärme ab, aber alle Gegenstände um Sie herum strahlen ihrerseits Wärme zu Ihnen hin. Im Weltall hingegen verschwindet die von Ihnen abgestrahlte Energie einfach in den Weiten des Raums – und Sie erfrieren schneller, als Sie das ausrechnen können.
Strahlung ist nur eine von drei möglichen Arten, wie Gegenstände Wärme austauschen können. In diesem Buch erfahren Sie noch sehr viel mehr Interessantes über Wärme, egal ob sie aus einer Wärmequelle wie der Sonne stammt oder durch Reibung erzeugt wurde.
Nachdem Sie die sichtbare Welt der bewegten Gegenstände verstanden und sich dann der unsichtbaren Welt von Arbeit und Energie zugewendet haben, vertieft Teil V die Einblicke in letztere Welt und untersucht, was es mit Elektrizität und Magnetismus auf sich hat.
Sie können nur die Wirkungen von Elektrizität und Magnetismus beobachten. Sie selbst sind unsichtbar. Wenn man aber beide kombiniert, erhält man Licht – sozusagen die Grundbedingung des Sichtbarseins. Teil V beschäftigt sich damit, was Licht ist und wie es sich durch Linsen und andere Materialien ablenken lässt.
Ein großer Teil der Physik besteht darin, die unsichtbare Welt um uns herum zu untersuchen. Die Materie ist aus elektrisch geladenen Teilchen aufgebaut, weshalb in uns allen eine unglaublich große Zahl solcher Ladungen vorkommt. Wenn wir Ladungen in bestimmten Gebieten konzentrieren, kommen wir zur statischen Elektrizität mit beeindruckenden Erscheinungen wie Blitzen. Wenn sich die Ladungen bewegen, bekommen wir den normalen Strom aus der Steckdose, aber auch Magnetismus.
Ob in Form von Blitzen oder Glühbirnen – Elektrizität ist Physik. In diesem Buch werden Sie nicht nur sehen, dass Elektrizität durch Stromkreise fließen kann, sondern auch, wie sie das tut. Am Ende werden Sie verstehen, wie Widerstände, Kondensatoren und Spulen funktionieren.
Selbst wenn Sie mit sehr einfachen Fragen in der Physik beginnen, landen Sie unweigerlich bei den exotischsten Themen. In Teil VI stelle ich Ihnen zehn überraschende Einsichten in Einsteins spezielle Relativitätstheorie sowie zehn erstaunliche Tatsachen aus der Welt der modernen Physik vor.
Einstein ist wohl die bekannteste Galionsfigur der Physik und eine Ikone unserer Zeit. Für viele Menschen ist er das Musterbeispiel des unabhängigen Genies, eines Forschers, der unermüdlich ins Unbekannte vordringt, um Licht ins Dunkel zu bringen. Aber was hat Einstein eigentlich genau gesagt? Und was bedeutet die berühmte Gleichung E = mc2 eigentlich? Soll das wirklich heißen, dass Materie und Energie äquivalent sind, dass man das eine in das andere umwandeln kann? Genau das heißt es!
Das ist wirklich eine verrückte Tatsache, und vermutlich werden Sie sich denken, dass Sie in Ihrem täglichen Leben nicht viel mit ihr zu tun haben werden. Aber das stimmt nicht! Um uns mit Licht und Wärme zu versorgen, wandelt die Sonne nämlich in jeder Sekunde etwa 4,79 Millionen Tonnen Materie in Strahlungsenergie um.
Einstein sagte voraus, dass noch sehr viel seltsamere Dinge passieren, wenn sich Materie annähernd mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. »Schau mal, das Raumschiff dort«, sagen Sie zu Ihren Freunden, als gerade eine Rakete fast mit Lichtgeschwindigkeit an Ihnen vorbeizischt. »Sieht aus, als sei es in Flugrichtung gestaucht – es ist bloß halb so lang, wie es in Ruhe wäre.« »Was für ein Raumschiff?«, fragen Ihre Freunde verblüfft. »Es war so schnell weg, dass wir es gar nicht sehen konnten.« Sie wiederum erklären: »Die Zeit läuft in diesem Raumschiff auch langsamer ab als hier auf der Erde. Für uns dauert es über 200 Jahre, bis die Rakete ihr Ziel erreicht; auf der Raketenuhr werden aber nur zwei verstrichene Jahre angezeigt.« »Du spinnst wohl!«, meinen jetzt alle. Willkommen in der ziemlich verwirrenden Welt der Relativitätstheorie!
Die Physik umgibt Sie andauernd, bei jedem noch so gewöhnlichen Geschehen. Aber auch wenn Sie es wirklich ausgefallen mögen, ist die Physik genau das Richtige für Sie. Dieses Buch schließt mit einem kurzen Rundgang durch einige der verrückteren Themen der Physik: beispielsweise der Existenz von Wurmlöchern im Weltraum oder der Tatsache, dass die Gravitation von schwarzen Löchern so stark ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann. Na dann: Viel Spaß und gute Reise!