Physik für Bachelors

1 EINSTIEG (S. 11-12)

1.1 Motivation

Aus welchem Grund greifen Sie zu diesem Physikbuch? Möchten Sie nur die Prüfung in einem Nebenfach bestehen? Interessiert Sie ein ganz spezielles Thema wie Wellenoptik oder Kernphysik? Brauchen Sie lediglich Hintergrundwissen für ein technisches Problem?

Leider, so werden Sie dann feststellen, erreicht man in der Physik mit Nachschlagen und Auswendiglernen nicht viel: Alle Gebiete sind miteinander verknüpft, und noch die modernste Quantentheorie baut auf der klassischen Mechanik auf. Genau das ist der Vorteil, sagen die Physiker: Man kommt mit dem Verständnis weniger Prinzipien aus, um die gesamte Vielfalt der Natur zu verstehen. Auch aus diesem Grund ist die Physik die Basis vieler anderer Wissenschaften geworden. Außerdem hat sich ihre Arbeitsweise als erfolgreich und vorbildlich erwiesen: Aus der Fülle der Phänomene werden Gesetze abgeleitet und vorzugsweise in der klaren Sprache der Mathematik formuliert. Sie bilden den Kern einer Theorie, die anschließend durch Experimente geprüft wird. So entstehen Modelle, die naturgemäß nur Näherungen oder Teilaspekte der Wirklichkeit darstellen. Dennoch ermöglichen sie Vorhersagen für den Ablauf physikalischer Prozesse oder sogar für neuartige Phänomene. Auch technische Anwendungen können auf dieser Basis entwickelt werden.

Vielleicht müssen Sie sich also gründlicher mit der Physik beschäftigen, als Sie ursprünglich vorhatten. Das wird sich lohnen, denn die Physik vermittelt Kenntnisse und Konzepte, die über das Studium hinaus für eine lange Berufspraxis gültig bleiben.

1.2 Physikalische Größen

Die Physik ist keineswegs „Angewandte Mathematik" (obwohl der Physiker die Mathematik ständig anwendet):Reine Zahlenwerte ergeben in der Naturbeschreibung keinen Sinn, weil die Eigenschaften von Dingen und die Konsequenzen von realen Vorgängen beschrieben werden sollen. Gegenstände der Physik sind also Größen, die als Produkt eines Zahlenwertes und einer Einheit (auch: „Maßzahl" und „Maßeinheit") dargestellt werden:

Die beiden Faktoren einer Größe G werden vereinbarungsgemäß durch unterschiedliche Klammern gekennzeichnet:

G = {G} · [G]

Offensichtlich ist die Einheit elementar für konkrete Angaben wie etwa Messergebnisse: Die Angabe „100 m" benennt zum Beispiel eine Länge (auch „Strecke" oder „Weg") und bezeichnet einhundert Vielfache der Längeneinheit Meter. Die Größe „100 s" gibt dagegen ein Zeitintervall an, währenddessen einhundert Mal die Zeiteinheit Sekunde verstreicht.

Physikalische Größe = Zahlenwert · Einheit

1.3 Maßsystem und Standards

Für genaue und überall vergleichbare Größenangaben müssen die Einheiten international definiert und durch Normale (oder „Standards") repräsentiert sein. Das Erstere leistet seit 1960 das Internationale Einheitensystem („Système International d’Unités", darum auch abgekürzt SI), mittlerweile ist es in der Europäischen Union und den meisten anderen Staaten sogar gesetzlich vorgeschrieben. Die Normierung ist Aufgabe staatlicher Metrologie-Institute (die nicht Wetter-, sondern Messkunde betreiben). In Deutschland hat den gesetzlichen Auftrag dazu die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig.