Kosmologische Häppchen

Kosmologische Häppchen ist ein Pdf-Dokument, welches mein Buch Kosmologi, Forlaget Hax, 2016, ergänz. Hier kommen Mathematik und Physik stärker ins Spiel. Teile des Innhalts ist als Ausgangspunkt für Aufgaben gedacht, hauptsächlich für den Unterricht in Gymnasien. Das Kernkapitel, "Fridmanologie", beschreibt vereinfachte und realistische Modelle für die Entwicklung des Universums. Viele der Vorausgehenden Kapitel liefern die Notwendigen Voraussätzungen, andere vertiefen verwandte Themen oder rechentechnische Methoden. An manchen Stellen wird das Verfahren angedeutet welches der Leser folgen kann, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen. Das Dokument wird mit einer großen Zahl von Aufgaven von verschiedenen Umfang und Schwierigkeitsgrad abgeschlossen. Das Dokument, das gegen Bearbeiten aber nicht gegen Drucken, gesperrt ist, wird an private Personen und an Unterrichtsinstitutionen verkauft. Es besteht derzeit aus 273 Seiten verteilt auf 28 Kapitel mit 153 größere und kleinere Aufgaven, 160 Figuren und 350 Formeln.

Eine deutsche Fassung des Dokuments liegt noch nicht vor.


Inhaltsverzeichnis

Kapitel 1: Voraussetzungen aus der Mathematik

Notation. Differentiation. Trigonometrische Funktionen. Hyperbolische Funktionen. Inverse Funktionen. Weshalb "hyperbolische" Funktion? Polare und sphärische Koordinaten. Winkel und Raumwinkel. Translation. Rotation. Annäherungsformeln. Skalare und Vektoren. Sigma-Notation. Summformeln. Vorzeichenregel von Descartes. Quadrieren von Gleichungen mit Quadratwurzeln

Kapitel 2: Kegelschnitte und Ellipsen

Kegel und Kegelschnitte. Ellipsen. Achsen und Exzentrizität von Ellipsen. Die Gleichung der Ellipse in kartesische und polare Koordinaten. Kegelschnitte als Kurven des 2. Grades.

Kapitel 3: Die Methode der kleinsten Quadrate

Problemstellung. Lösungsidee. Matematische Lösung. Zahlbeispiel. Konstante und Proportionaliyät. Liniengleichung auf der Form a·x + b·y + c = 0. Polynomien. Exponentielle Entwicklungen. Reihen von parallele, waagerechte oder schräge Linien. Kreis. Achseparallele Ellipse. Kegelschitt (Kurven des 2. Grades). Die Planck-Funktion.

Kapitel 4: Bestimmung von Nullstellen

Newton-Iteration. Beispiele. Regula Falsi.

Kapitel 5: Numerische Integration

Rechtssumme. Linkssumme. Trapezsumme. Mittelpunktsumme. Die Methode der unbestemmten Koeffizienten: Zwei, drei und vier bekannte punkte. Praktische Berechnung.

Kapitel 6: Kepler und die Platonischen Körper

Die Quadratwurzel aus 5 ist irrational. Der Zahlkörper Q(√(5)). Konjugiering und Stabilität. Der goldene Schnitt. Reguläre Polygone. Das reguläre Fünfeck und der Cosinus von 36 °. Reguläre Polyeder: Hexaeder, Tetraeder, Oktaeder, Ikosaeder, Dodekaeder. Keplers Verwendung der Platonischen Körper.

Kapitel 7: Vorraussetzungen aus der Physik

Bezeichnungen aus der Elementarpartikelphysik. Newtonsche Gesetze. Centripetalbeschleunigung. Das Gravitationsgesetz. Universalitet. Impuls, Impetus und Drehimpuls. Isolieres System von N Partikel. Felder og Feldlinien.

Kapitel 8: Beschreibung von Strahlung

Strahlingsdichte. Flußdichte. Fluß und Leuchtstärke. Energiedichte der Strahlung εstr. Strahlungsdruck Pstr.

Kapitel 9: Planck-Strahlung

Das kontinuirliche Spektrum. Shwarze Hohlraumstrahlung. Die Strahlungsgesetze. Das Wiensche Verschiebungsgesetz. Das Stefan-Boltzmann Gesetz. Energiedichte und Strahlungsdruck von Planck-Starhlung. Nicht ganz im Ernst. Photonendichte der kosmischen Hintergrundstrahlung. Historische Notitz.

Kapitel 10: Bewegung und Gravitationn

Potentielle Gravitationsenergie. Bestimmung mit Hilfe einer Stammfunktion. Bestimmung durch Integralrechnung. Potentielle Energie nahe der Erdoberfläche. Potentielle Gravitationsenergie einer homogenen Kugel. Entweichgeschwindigkeit. Gravitation einer Kugel. Homogene Kugleschale. Außerhalb der Kugel. Innerhalb der Kugel. Gezeitenkräfte. Konsequenzen von Gezeiten. Die Roche-Grenze.

Kapitel 11: Zweikörperbewegung

Das Zweikörperproblem. Die Schwerpunktintegrale. Die relative Bewegung. Der k-Vektor. Der e-Vektor. Die Form der Bahn. Das Energieintegral und das "vis viva" Integral. Bahnelemente. Keplers zweites und drittes Gesetz. Die Position in der Bahn. Die Keplersche Gleichung. Abstand und wahre Anomalie. Mittelwerte.

Kapitel 12: Radiale Bewegung

Beispiel A: Nur Schwerkraft. Beispiel B: Schwerkraft und Strahlungsdruck. Matematische Behandlung. Aufgaben.

Kapitel 13: Die Lagrangepunkte

Die fünf Lagrangepunkte. Drei Körper auf einer Linie. Der Lagrangepunkt L1. Die Lagrangepunkte L2 und L3. Die Lagrangepunkte L4 og L5. Stabilität.

Kapitel 14: Planck-Einheiten und die Energiedichte des Vacuums

Dimensionsbetrachtungen. Schwingungsperiode eines Pendels. Planck-Einheiten. Energiedichte des Vacuums.

Kapitel 15: Vorraussetzungen aus der Astronomie

Einheiten für Zeit und Abstand. Julianischer Tag. Umrechnung von Gradmaß. Siderische und synodische Umlaufzeit. Lichtstärke, Fluß und Intensität. Größenklassen. Aberration. Skalenfaktor und der Hubble-Parameter.

Kapitel 16: Die Erde in Bewegung

Parallaxe. Barnards Stern. Aberration. Dopplerverschiebung bei Sternen. Dopplerverschiebung in der Hintergrundstrahlung.

Kapitel 17: Abstandsbestimmung im Universum

Afstände im Sonnensystem. Die astronomische Längeneinheit. Trigonometrische Parallaxen. Abstandseinheiten: Astronomische Einheit, Parsec und Lichtjahr. Die Cepheiden-Methode. Supernovae vom Typ Ia.

Kapitel 18: Supernovae vom Typ Ia

Mechanismus. Lichtkurve.

Kapitel 19: Pulsare und Relativitätstheorie

Kapitel 20: Schwartze Löcher

Der Schwarzschild-Radius. Verdampfung von Schwartzen Löchern. Gravitationelle Rotverschiebung. Fall in ein Schwartzes Loch. Schwartze Löcher haben nur drei "Haare". Astrophysikalische Schwartze Löcher.

Kapitel 21: Gravitationsstrahlung und Inflation

Gravitationsstrahlung, Teil 1: Theorie. Plus-Polarisierte Welle. Kreutz-Polarisierte Welle. Die Frequenz von Gravitationsstrahlung. Gravitationsstrahlung, Teil 2: Beobachtung. Quellen von Gravitationsstrahlung. Gravitationsstrahlung von binäre Systeme. Fusion von zwei Komponenten. Dobbeltpulsare. Inflation. Polarisation der Hintergrundstrahlung. Gravitationsstrahlung, Teil 3:: Der falsche Nachweis mir BICEP 2. Gravitationsstrahlung, Teil 4: Nachweis mit LIGO. Zeitlinie.

Kapitel 22: Der Virialsatz und Galaxienhaufen

Der Virialsatz. Der Coma-Haufen.

Kapitel 23: Dunkle Materie

Weshalb "Dunkle" Materie? Dunkle Materie in der Spiralgalaxie NGC 3198. Die Natur der Dunklen Materie.

Kapitel 24: Querschnitt und Kosmologie

Wie weit sieht man im Wald? Das Olberssche Paradox. Reichweite von Neutrinos.

Kapitel 25: Modelle vom Universum

Die vier Bestandteile des Universums: Raumzeit, Stof, Strahlung und Lambdanit. Modelle mit klassischer Physik. Die Beschleunigungsgleichung. Die Fridman-Gleichungen. Die kritische Dichte. Der Dichteparameter Ω. Zustandsgleichungen der Komponenten des Universums. Der Verzögerungsparameter q(t). Photonen und Neutrinos. Die Fridman-Gleichung in ihrer schönsten Form.

Kapitel 26: Fridmanologie

Die kosmologische Differentialgleichung. Universum-Modelle mit nur einer Komponente. Das frühe Universum: t klein. Das späte Universum: t groß. Das Steady-State-Universum. Stoffdominiertes Universum mit Krümmung. Ω0 = 1 (Flacher Raum). Ω0 > 1 (Geschlossener Raum). Ω0 < 1 (Offener Raum). Das flache Universum noch einmal. Flaches Universum mit Strahlung und Stoff. Lösung der Differentialgleichungen. Ebenbürtigkeit zwischen Strahlung und Stoff. Extra Aufgaben für die, die ganz sicher sein wollen. Flaches Universum mit Stoff und Lamdanit. Ebenbürtigkeit zwischen Stoff und Lambdanit. Das Alter des Universums t0 und die Hubble-Zeit 1/H0. Numerische Lösung der kosmologischen Differentialgleichung. Quintessenz und Phantomenergie. Zeitliche Änderung der Parameter H und Ω.

Kapitel 27: Abstandsmaße in ein expandierendes Universum

Kapitel 28: Aufgaben

  • Kleine Winkel und sehr kleine Winkel.
  • Dezimale in π.
  • Die Anzahl der Atome im Universum.
  • Ellipsen.
  • Nordseesprung und die Kugelgestalt der Erde.
  • Sonnenaufgang am Äquator und auf dem Nordpol.
  • Nachtdunkelheit auf dem Nordpol.
  • Wann kulminiert die Sonne?
  • Winkeldiameter von Mond und Erde.
  • Planet- und Sternscheiben.
  • Die relativen Abstände der Planeten von der Sonne.
  • Gegenseitiger Stillstand von Planeten in Zirkelbahnen.
  • Aristarchos und der Abstand des Mondes von der Erde.
  • Kepler und die Gestalt der Mars-Bahn: Vorgehensweise bei geometrischer Konstruktion und mit Vektorrechnung.
  • Die Masse der Sonne M.
  • Sonnenneutrinos.
  • Die Energieproduktion in einem Menschen und in der Sonne.
  • Der Kern des Merkur.
  • Mars und seine Monde Phobos und Deimos.
  • Jupiter und Saturn von ihren Monden aus gesehen.
  • Der Schwerpunkt des Sonnnesystems.
  • Neptun im Aphel und Perihel.
  • Massebestimmung bei Dobbeltsysteme.
  • Procyon, ein Dopppelstern.
  • Rote Zwergsterne und Schwarze Löcher.
  • Die Masse der Milchstraßengalaxie MM.
  • Der RingNebel in der Leier (Messier 57).
  • Aufbau von Nukliden mit s-Prozesse und r-Prozesse.
  • Die Häufigkeit von Supernovae und das Nuklid Aluminium-26.
  • Die Radialgeschwindigkeit der Andromedagalaxie.
  • Dunkle Materie in Spiralgalaxien.
  • Die Steady State-Theorie und die Entstehung vom Materie, Version A und B.
  • Die Steady State-Theorie und ferne Radioquellen.
  • Verspätungsfaktor und Rotverschiebung in der Speziellen Relativitätstheorie.
  • Gravitationsstrahlung.

Anhang 1: Astronomische und physikalische Daten

Anhang 2: Akronyme und Symbole

Sachverzeichnis