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Einführung

1.1 Einleitung

Die Physik beschäftigt sich mit der Natur und versucht ihre Gesetze zu enträtseln. Sie hat die Aufgabe, Eigenschaften und Aufbau der Materie und die Wechselwirkungen der Grundbausteine zu verstehen und daraus alle natürlichen Phänomene und Beobachtungen der unbelebten (und teilweise auch belebten) Natur abzuleiten. Die Physik ist daher die grundlegendste aller Naturwissenschaften. Sie hat starke Verbindungen zu den anderen Naturwissenschaften und den Ingenieurwissenschaften.

Die Physik stellt den anderen Wissenschaften aber nicht nur grundlegende theoretische Erkenntnisse zur Verfügung; sie entwickelt auch Methoden und Arbeitsgeräte, die auf fast allen Gebieten der angewandten und reinen Forschung benutzt werden. Erinnert sei hier nur an die Geräte in der Medizin (vom Röntgengerät bis zum Computertomographen) oder an die Archäologie (Luftbildaufnahmen im nicht-sichtbaren Bereich und Altersbestimmungen mit der Radio-Carbon-Methode).

Der physikalische Fortschritt vollzieht sich durch eine wechselseitige Befruchtung von Theorie und Experiment. Am Anfang stehen in der Regel Beobachtungen und Messungen der Experimentalphysiker. Der theoretische Physiker schlägt daraufhin ein Modell vor, das auf Axiomen (Postulaten) beruht, die nicht bewiesen, also nicht mathematisch aus anderen Gesetzen abgeleitet werden können, sondern nur von der Erfahrung ausgehen (Induktive Methode). Wenn das Modell die bereits bekannten experimentellen Befunde richtig beschreibt, werden weitere, evtl. noch nicht bekannte Vorhersagen mathematisch aus dem Modell hergeleitet und experimentell überprüft (Deduktive Methode). Unter Umständen muss man das Modell dann modifizieren oder erweitern oder bestimmte Gültigkeitsgrenzen stecken; evtl. ist das Modell auch völlig zu verwerfen.

Die gegenseitige Verknüpfung von Theorie und Experiment ist für den ungeheuren Fortschritt der modernen Wissenschaft verantwortlich. Die erst zu Beginn der Neuzeit von Galileo Galilei eingeführte ‘Experimentelle Naturwissenschaft’ verlangt die Überprüfung jeder neuen Theorie an der Wirklichkeit, am Experiment. Neben der Forderung nach der inneren Widerspruchsfreiheit und dem Wunsch, dass die Modelle und Gesetze möglichst einfach und ‘schön’ aussehen sollen, ist die Übereinstimmung mit der Realität das entscheidende Kriterium, das über Annahme oder Ablehnung einer Theorie entscheidet.

Mehr als jeder andere Wissenschaftler arbeitet der Physiker quantitativ, also mit Zahlen und Gleichungen. Man kann durchaus sagen, dass der Physiker eine Beobachtung oder eine Information erst dann richtig verstanden hat, wenn er sie in eine Gleichung gefasst hat. Die Mathematik ist die Sprache der Physik; ohne sie sind physikalische Theorien nur sehr unvollständig zu beschreiben.

1.2 Messung und Maßeinheit

Physikalische Erkenntnisse und Zusammenhänge werden durch physikalische Größen dargestellt. Darunter versteht man messbare Eigenschaften physikalischer Objekte, Zustände oder Vorgänge wie z. B.

In der Mechanik gibt es drei unabhängige Grundgrößen: Länge, Zeit, Masse. Alle anderen Größen der Mechanik werden aus diesen drei fundamentalen Größen abgeleitet. Z. B.

• Geschwindigkeit = Länge/Zeit
• Beschleunigung = Geschwindigkeit/Zeit
• Kraft = Masse·Beschleunigung

Neben den drei Grundgrößen der Mechanik gibt es vier weitere unabhängige Grundgrößen, die in den anderen Gebieten der Physik gebraucht werden:

• In der Elektrizitätslehre wird eine weitere unabhängige Grundgröße benötigt: Die Ladung mit der Einheit ‘Coulomb’.
• In der Thermodynamik sind die Temperatur mit der Einheit ‘Kelvin’ oder ‘Grad Celsius’ und die Stoffmenge mit der Einheit ‘Mol’ zwei weitere Grundgrößen.
• In der Optik kommt schließlich die Lichtstärke mit der Einheit ‘Candela’ hinzu. Da die Lichtstärke in meinen zwei Büchern nicht vorkommt, gehe ich auf die Einheit Candela nicht weiter ein.

Nur für die Grundgrößen müssen Einheiten – sog. Basiseinheiten – festgelegt werden. Die Einheiten der abgeleiteten Größen erhält man dann mit den Definitionsgleichungen dieser (abgeleiteten) Größen.

Die Einheit, in der eine physikalische Größe ausgedrückt wird, muss oft gewechselt werden. Dabei multiplizieren wir die ursprüngliche Größe mit einem Umrechnungsfaktor, der ein Quotienten aus zwei Maßeinheiten ist und den Wert eins hat. Ich nenne zwei Beispiele:

Die Basiseinheiten sind international festgelegte, reproduzierbare Größen. Vor dem 20sten Jahrhundert wurden die Basiseinheiten nie durch Naturkonstanten festgelegt. Vielmehr wurden sie definiert durch einen Prototyp (wie der Pariser Platin-Iridium-Zylinder und das Pariser Urkilogramm), durch natürliche Größen (wie die mittlere Dauer eines Tages oder die Länge eines Meridians auf der Erde) oder aber durch Messoder Zählvorschriften.

Im Jahre 1900 hatte Max Planck die Idee, alle Basiseinheiten mit Hilfe sog. „definierender Naturkonstanten“ festzulegen. Er sah nach eigenen Worten "... die Möglichkeit, Einheiten für Länge, Masse, Zeit und Temperatur aufzustellen, welche ihre Bedeutung für alle Zeiten und für alle Kulturen behalten: auch für außerirdische und außermenschliche." Die Idee wurde erst 120 Jahre später vollständig umgesetzt.

Seit dem 20.Mai.2020 werden die sieben Basiseinheiten

mit Hilfe von sieben Naturkonstanten definiert. Diese Naturkonstanten haben seit dem 20.Mai.2020 folgende exakte, international festgelegte, zukünftig unveränderliche Werte:

Die Basiseinheiten sind an diese Naturkonstanten fest gekoppelt und hängen nicht von Materialeigenschaften ab. Die sieben genannten Naturkonstanten haben fortan exakt vereinbarte Werte und keine Unsicherheiten.

Die internationalen, für alle Zeiten unverändert gültigen Vereinbarungen für die drei mechanischen Basiseinheiten Sekunde, Meter und Kilogramm werden in den folgenden Abschn. 1.3 bis 1.5 beschrieben. Die drei weiteren Basiseinheiten Mol, Kelvin und Coulomb (bzw. Ampere) werden in den Abschn. 11.1, 11.2 und 17.1 eingeführt. Die Konstante Kcd und die Basiseinheit Candela für die Optik kommen in meinen zwei Büchern nicht vor.

1.3 Die Einheit Sekunde

Bis 1956 war die Sekunde der 86.400ste Teil eines mittleren Tages ( 3600 · 24 = 86.400 ). Da die Dauer eines Tages aufgrund der Meeresströmungen, der Winde, der Bewegungen im Erdinneren, … schwankt und wegen der Gezeitenkräfte im Laufe der Zeit sogar zunimmt1, ist diese Festlegung nicht genau. 1956 wurde die Sekunde als der 31.556.925,9747ste Teil des tropischen Jahres definiert.

1967 definierte man international die Basiseinheit Sekunde für alle Zeiten mit CäsiumAtomuhren.

Der Strahlung, die beim Übergang zwischen den zwei Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von 133Cs auftritt, hat man exakt und für alle Zeiten die damals gemessene Frequenz zugeteilt

Diese Frequenz ist laut Definition eine unverönderliche Naturkonstante und definiert die Basiseinheit Sekunde für alle Zeiten: Die Sekunde ist die Dauer von 9,192631770 109 Schwingungsperioden TCs der genannten Cösiumstrahlung

Sollte man in zukünftigen Messungen des Cäsium-Spektrums winzige Verschiebungen feststellen, so wird man nicht TCs = 1/ΔfCs ändern (wie man es vor 1967 gemacht hat), sondern die Länge einer Sekunde wird so abgewandelt, dass die Gl. (1.3–2) weiterhin gilt.

1.4 Die Einheit Meter

Längenmaße wurden früher in erster Linie an Körpermaße angepasst. Die Elle und das Fuß wurden bereits von den alten Ägyptern eingeführt und entsprachen der Länge des Unterarmes und der Länge des Fußes des Pharaos. Die Griechen führten zusätzlich das Stadion, die Römer die Meile ein. Im Mittelalter hatten die meisten Herzogtümer ihre eigenen Längenmaße, die sich erheblich voneinander unterschieden und oft an der Außenmauer des Rathauses oder der Kirche dargestellt wurden. 1101 führte...