Vorwort

Die moderne Physik ist in der Gegenwart zu einem sehr umfangreichen und kaum noch zu überblickendem Gebiet angewachsen. Dennoch ruht auch dieses imposante Gebäude auf einigen wenige zentralen Grundbegriffen. Sie bilden die Fundamente dieses Gebäudes, und ihnen sind die Kapitel dieses Online-Buches gewidmet. Dabei habe ich diejenigen zehn Begriffe herausgegriffen, die mir am grundlegendsten erschienen, und versucht, sie in 8 Kapiteln eingehend darzustellen.

Welches sind nun die 10 fundamentalsten Begriffe der Physik? Darüber lässt sich streiten, doch Raum und Zeit gehören sicher dazu, denn ohne sie können wir uns die Welt gar nicht vorstellen. Auch die zentrale Größen der Mechanik wie Kraft, Masse, Impuls und Energie müssen sicher hinzugenommen werden. Ganz anderer Art sind Begriffe wie Temperatur und Entropie, die ihren Ursprung in der atomaren Struktur der Materie haben und die das thermodynamische Verhalten von Materie bestimmen -- auch sie haben daher einen Platz in diesem Online-Buch gefunden. Mysteriös wird es, wenn der Begriff Quant ins Spiel kommt. Hier betreten wir die geheimnisvolle Quantenwelt, die zur Grundlage der modernen Physik geworden ist und die zugleich die Frage aufwirft, ob es überhaupt eine physikalische Realität im gewohnten Sinn gibt. Natürlich durften auch diese spannenden Themen hier nicht fehlen.

Die meisten dieser zehn Grundbegriffe scheinen auf den ersten Blick nur noch wenige Geheimnisse zu bergen. Raum und Zeit haben beispielsweise eine unmittelbare anschauliche Bedeutung für uns und wir erwarten, dass man in der Physik heute eindeutig weiß, was sich dahinter verbirgt. Doch das ist ein Irrtum! Wenn man mit den Mitteln der modernen Physik untersucht, was Raum und Zeit eigentlich sind, so stößt man auf immer neue Überraschungen und stellt erstaunt fest, dass man selbst heute noch nicht zu einer endgültigen Antwort vorgedrungen ist. Die Fragen Was ist Raum und Was ist Zeit gehören also nach wie vor zu den Grundfragen der heutigen Physik und wir wollen sie uns in den Kapiteln 1 und 2 im Detail ansehen.

Auch bei den Begriffen Kraft, Masse, Impuls und Energie scheint es zunächst mit Geheimnissen nicht weit her zu sein. Tatsächlich haben diese Größen im Rahmen der klassischen Physik eine recht klare Bedeutung. Dabei übersieht man leicht, wie ungemein schwierig es war, diese Begriffe über die Jahrhunderte hinweg langsam immer klarer herauszuarbeiten und zu erkennen, wie sich mit ihnen die Natur beschreiben lässt. Es brauchte schon ein Jahrhundertgenie wie Isaac Newton, um endgültig zu erkennen, wie diese Größen sowohl die Bewegungen der Planeten um die Sonne als auch die mechanischen Bewegungen von Objekten auf der Erde bestimmen. Als dann im frühen zwanzigsten Jahrhundert die Relativitätstheorie entdeckt wurden, traten überraschende Querverbindungen zu Tage (man denke an   E = m c² ). Besonders interessant ist es dabei, nach den Gründen für diese gegenseitigen Verflechtungen zu suchen, die in den Symmetrien von Raum und Zeit verborgen liegen. Es lohnt sich also, auch diesen Begriffen in den Kapiteln 3 bis 5 genauer auf den Grund zu gehen.

Wie sieht es mit der Temperatur aus? Jeder von uns weiß, wie sich ein heißer oder kalter Körper anfühlt, und dennoch war es lange Zeit völlig unklar, was Wärme eigentlich ist. Bei der Betrachtung von Wärmekraftmaschinen im Zuge der industriellen Revolution stieß man zudem auf einen merkwürdigen Begriff, der die Wertigkeit von Wärme kennzeichnet: die Entropie. Erst als klar wurde, dass Materie aus kleinen Teilchen (Atomen und Molekülen) besteht und dass diese Teilchen sich ständig in zufälliger Bewegung befinden, konnte die wahre Bedeutung von Temperatur und Entropie aufgedeckt werden – wir schauen sie uns in Kapitel 7 genauer an.

Beim Begriff Quant ist sofort klar, dass man sich in eine geheimnisvolle Welt begibt, die man sich genauer ansehen sollte: die Quantenmechanik. Jede moderne physikalische Theorie, die die Grundlagen der Physik berührt, ist eine Quantentheorie. Das beste Beispiel ist das Standardmodell der Teilchenphysik, das im Jahr 2012 mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens wieder einmal seine Vorhersagekraft unter Beweis stellte. Aber was ist eigentlich ein Quant? Was macht die Quantentheorie so merkwürdig, und wie beeinflusst sie unsere Sicht der Realität? Was ist Realität überhaupt? Mehr dazu in den Kapitel 6 und 8.

Die einzelnen Kapitel dieses Online-Buches bauen logisch aufeinander auf, können aber auch weitgehend unabhängig voneinander gelesen werden, sodass einige Wiederholungen darin unvermeidlich sind, um die Lesbarkeit sicherzustellen. Teilweise steigt der Schwierigkeitsgrad im Lauf der einzelnen Kapitel zum Kapitelende hin an, sodass man je nach Vorbildung sicher nicht immer alles verstehen kann. Bei Bedarf kann man dann einfach aus dem entsprechenden Kapitel aussteigen, um sich einem anderen Kapitel zuzuwenden. Mit der Hoffnung, dass für jeden Leser etwas Interessantes zu finden ist, wünsche ich viel Vergnügen bei der Beschäftigung mit den Grundfragen der Physik.