| Vorwort | 5 |
| Einleitung | 13 |
| 1 Grundbegriffe und Probleme der Wissenschaftstheorie im Hinblick auf den Zusammenhang zwischen Naturwissenschaften und Geisteswissenschaften | 16 |
| 1.1 Einleitung | 16 |
| 1.2 Gegenüberstellung Geistes- und Sozialwissenschaften/Naturwissenschaften | 17 |
| 1.3 Wissenschaftstheoretische Konzepte | 18 |
| 1.3.1 Das Erkenntniskonzept in der Naturwissenschaft | 18 |
| 1.3.2 Eigenständige Methoden des Verstehens in den Geistes- und Sozialwissenschaften | 22 |
| 1.4 Einordnung wissenschaftstheoretischer Positionen | 26 |
| 1.4.1 Erklären und Verstehen | 26 |
| 1.4.2 Dialektik | 26 |
| 1.4.3 Verallgemeinerte Evolutionstheorie | 27 |
| 1.5 Metapositionen (Zusammenhang zwischen den Positionen) | 27 |
| 1.5.1 Postmoderne Fehlentwicklungen | 27 |
| 1.5.2 Historische Entwicklung und wissenschaftlicher Fortschritt | 28 |
| 1.5.3 Historische Entwicklung der Kulturen | 29 |
| 2 Ausgewählte Begriffe der Mathematik | 32 |
| 2.1 Funktionen | 33 |
| 2.1.1 Beispiele | 33 |
| 2.1.2 Umkehrfunktion | 37 |
| 2.2 Komplexe Zahlen | 38 |
| 2.2.1 Darstellung komplexer Zahlen | 38 |
| 2.2.2 Funktionen komplexer Zahlen | 39 |
| 2.3 Ellipse | 40 |
| 2.4 Infinitesimalrechnung | 41 |
| 2.4.1 Differenzialrechnung | 41 |
| 2.4.2 Beispiel | 42 |
| 2.4.3 Funktionen mit ihren 1. und 2. Ableitungen | 42 |
| 2.4.4 Ableitungsregeln | 42 |
| 2.5 Differenzialgleichungen | 42 |
| 2.5.1 Beispiele | 43 |
| 2.5.2 Beispiele aus der Physik | 43 |
| 2.6 Vektorrechnung | 45 |
| 2.6.1 Skalar | 45 |
| 2.6.2 Vektor | 45 |
| 2.6.3 Vektoranalysis | 48 |
| 2.7 Raumkurve, Geschwindigkeit, Beschleunigung | 49 |
| 2.8 Grundlegende Gleichungen der Physik | 50 |
| 2.8.1 Klassische Mechanik | 51 |
| 2.8.2 Klassische Elektrodynamik | 51 |
| 2.8.3 Allgemeine Relativitätstheorie | 51 |
| 2.8.4 Quantentheorie | 52 |
| 3 Grundbegriffe der klassischen Mechanik | 53 |
| 3.1 Die Entwicklung des Weltbildes | 53 |
| 3.1.1 Das geozentrischeWeltbild des Ptolemäus | 54 |
| 3.1.2 Heliozentrisches Weltbild des Nikolaus Kopernikus | 56 |
| 3.1.3 Die Keplerschen Bewegungsgesetze der Planeten | 57 |
| 3.1.4 Galilei am Beginn der Naturwissenschaften | 58 |
| 3.2 Die Newtonsche Mechanik | 59 |
| 3.2.1 Die Newtonschen Grundgesetze | 59 |
| 3.2.2 Das Gravitationsgesetz | 66 |
| 3.2.3 Die Überprüfung der Newtonschen Hypothese auf der Erde | 67 |
| 3.2.4 Kosmische Überprüfung des Gravitationsgesetzes | 72 |
| 3.3 Die Entwicklung der klassischen Mechanik | 79 |
| 3.3.1 Die Entdeckung des Neptun | 79 |
| 3.3.2 Aufstellung der Hamiltonschen Gleichungen | 80 |
| 3.3.3 Determinismus und Kausalität | 82 |
| 3.3.4 Deterministisches Chaos | 82 |
| 3.4 Rückblick und Ausblick | 84 |
| 3.4.1 Zeitliche Entwicklung der Weltbilder | 84 |
| 3.4.2 Am Dreiländereck von Theologie, Philosophie und Naturwissenschaft | 85 |
| 4 Grundbegriffe der Thermodynamik | 89 |
| 4.1 Der Objektbereich der Thermodynamik | 89 |
| 4.1.1 Thermodynamische Systeme | 89 |
| 4.1.2 Die Zustandsgrößen des idealen Gases im Thermodynamischen Gleichgewicht | 90 |
| 4.1.3 Erläuterung der Zustandsgrößen | 90 |
| 4.2 Thermodynamische Systeme | 93 |
| 4.2.1 Arten Thermodynamischer Systeme | 93 |
| 4.2.2 Thermodynamische Zustandsänderungen | 94 |
| 4.2.3 Innere Energie | 95 |
| 4.3 Thermodynamische Kreisprozesse | 96 |
| 4.4 Die Hauptsätze der Thermodynamik | 97 |
| 4.5 Ein idealer Kreisprozess: Der reversible Carnot-Prozess | 98 |
| 4.5.1 Der Aufbau des Carnot Prozesses | 99 |
| 4.5.2 Der ideale Wirkungsgrad | 101 |
| 4.5.3 Universalität der idealen Wirkungsgrade | 101 |
| 4.5.4 Die Leistung des Carnot-Prozesses | 102 |
| 4.6 Ein realer Kreisprozess: Der Stirling-Motor | 103 |
| 4.6.1 Aufbau des Stirling-Motors | 103 |
| 4.6.2 Die Phasen des Stirling-Motors | 104 |
| 4.7 Der Verbrennungsmotor: Ein Gas-Austauschmotor | 106 |
| 4.8 Definitionen | 107 |
| 5 Grundbegriffe der klassischen Elektrodynamik | 109 |
| 5.1 Die Erforscher des Elektromagnetismus | 109 |
| 5.2 Die Begriffswelt und die Naturgesetze des Elektromagnetismus | 110 |
| 5.2.1 Überblick über die Grundphänomene | 113 |
| 5.3 Vektoranalysis: Das mathematische Hilfsmittel zur Formulierung der Elektrodynamik | 119 |
| 5.3.1 Vektoren und Vektorfelder | 119 |
| 5.3.2 Vektoranalysis | 120 |
| 5.3.3 Kontinuitätsgleichung | 122 |
| 5.3.4 Beispiele | 123 |
| 5.4 Die Grundgleichungen der klassischen Elektrodynamik | 126 |
| 5.4.1 Ableitung der bekannten Gesetze aus den Maxwellschen Gleichungen | 127 |
| 5.4.2 Zu den Lösungen der Maxwellschen Gleichungen | 129 |
| 5.5 Die Integration der Optik in die Elektrodynamik | 130 |
| Vorbemerkungen zu den Kapiteln 6 bis 10 | 137 |
| 6 Die Spezielle Relativitätstheorie | 141 |
| 6.1 Das Geheimnis des Lichts | 141 |
| 6.1.1 Die klassische Vorstellungswelt | 141 |
| 6.1.2 Widerlegung der klassischen Vorstellungswelt | 144 |
| 6.1.3 Auswirkungen von Einsteins Relativitätstheorie jenseits der Physik | 147 |
| 6.2 Die Lorentz-Transformation | 149 |
| 6.2.1 Lorentztransformation im einfachsten Fall | 150 |
| 6.2.2 Lorentztransformation im allgemeinen Fall | 153 |
| 6.2.3 Gruppeneigenschaft der Lorentztransformation | 155 |
| 6.3 Folgerungen aus der Lorentztransformation | 156 |
| 6.3.1 Längenmessung – Lorentzkontraktion | 156 |
| 6.3.2 Zeitmessung – Zeitdilatation | 157 |
| 6.3.3 Das Additionstheorem der Geschwindigkeiten | 158 |
| 6.4 Die Kovarianz der Naturgesetze | 160 |
| 6.4.1 Allgemeine Vorgehensweise | 161 |
| 6.4.2 Die kovarianten Bewegungsgleichungen der Mechanik | 162 |
| 6.4.3 Die kovariante Formulierung der Elektrodynamik | 165 |
| 7 Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) | 171 |
| 7.1 Probleme und Ziele der ART | 171 |
| 7.2 Die Gleichungen der ART | 174 |
| 7.3 Anwendungen der ART | 183 |
| 7.3.1 GPS nicht ohne SRT und ART | 184 |
| 7.3.2 Astronomische Bestätigungen der ART | 188 |
| 7.4 Die Herleitung der Gleichungen der ART | 197 |
| 7.4.1 Tensoranalysis | 198 |
| 7.4.2 Intuitionsleitende Einsichten zur NichteuklidischenGeometrie | 205 |
| 7.4.3 Die Riemannsche Nichteuklidische Geometrie | 211 |
| 7.4.4 Die Einsteinschen Gleichungen der ART für die reale Raumzeit | 217 |
| 8 Teilchen und Diskrete Energien | 227 |
| 8.1 Einleitung | 227 |
| 8.2 Der Atomismus in der antiken Naturphilosophie und in der modernen Physik | 228 |
| 8.3 Beiträge der Statistischen Physik | 230 |
| 8.3.1 Universelle Konstanten der Thermodynamik | 230 |
| 8.3.2 Die Barometrische Höhenformel | 232 |
| 8.3.3 Die Maxwell-Boltzmann-Verteilung und der Gleichverteilungssatz | 236 |
| 8.3.4 Die Boltzmann-Gleichung | 239 |
| 8.4 Grundlagenproblematik: Ist die Zeit reversibel oder irreversibel? | 244 |
| 8.4.1 Übergang zum G-Raum | 245 |
| 8.4.2 Das Umkehrtheorem | 246 |
| 8.4.3 Das Wiederkehrtheorem | 247 |
| 8.4.4 Die Boltzmann-Gleichung im Widerspruch zum Umkehr- und Wiederkehrtheorem | 250 |
| 8.4.5 Der intuitive Zugang zur Irreversibilität der Zeit | 251 |
| 8.5 Eine vorläufige Bilanz | 252 |
| 8.6 Das elektromagnetische Feld als Sonde beim Eindringen in die Mikrowelt | 254 |
| 8.6.1 Millikan Versuch (Nachweis der Elementarladung) | 254 |
| 8.6.2 Bestimmung der Elementarladung durch Elektrolyse | 256 |
| 8.6.3 Die Entdeckung des Elektrons | 257 |
| 8.6.4 Massenspektrometer | 259 |
| 8.6.5 Franck-Hertz-Versuch | 261 |
| 8.7 Atommodelle | 263 |
| 8.7.1 Das Atommodell von J. J. Thomson | 264 |
| 8.7.2 Rutherfordstreuung und Atommodell | 264 |
| 8.7.3 Das Bohrsche Atommodell | 269 |
| 8.8 Rückblick und Ausblick | 273 |
| 8.8.1 Erfolge der klassischen Physik | 273 |
| 8.8.2 Das Poppersche Theorem | 274 |
| 8.8.3 Die Frage nach dem Stabilitätsgrad von Hypothesen bzw. Naturgesetzen | 274 |
| 9 Der Welle-Teilchen-Dualismus | 278 |
| 9.1 Übergang von klassischer zu moderner Physik | 278 |
| 9.2 Plancksches Strahlungsgesetz | 279 |
| 9.2.1 Strahlungsgesetz nach Rayleigh-Jeans | 280 |
| 9.2.2 Plancksches Strahlungsgesetz | 281 |
| 9.2.3 Die Einsteinsche Ableitung der Planckschen Formel | 284 |
| 9.2.4 Die weitreichende Bedeutung des Planckschen Strahlungsgesetzes | 286 |
| 9.3 Der Photoelektrische Effekt | 288 |
| 9.4 Elektronen: Nur Teilchen oder auch Wellen? | 290 |
| 9.4.1 Das Davisson-Germer Experiment | 291 |
| 9.4.2 Streuung von Elektronen an Graphit | 292 |
| 9.5 Die Materiewellenhypothese von de Broglie | 294 |
| 9.5.1 Eigenschaften der Materie | 295 |
| 9.5.2 Zusammenhang mit dem Bohrschen Atommodell | 297 |
| 9.5.3 Einordnung von de Broglies Materieeigenschaften | 297 |
| 9.6 Der Doppelspaltversuch | 298 |
| 9.6.1 Nachweis der Wellennatur | 298 |
| 9.6.2 Verhalten von Photonen | 299 |
| 9.6.3 Die beschränkte Anwendbarkeit der Modellvorstellungen | 300 |
| 9.6.4 Schlussfolgerungen | 302 |
| 10 Grundbegriffe der Quantentheorie | 303 |
| 10.1 Die Situation | 303 |
| 10.2 Der Durchbruch: Die Grundgleichungen der Quantentheorie | 304 |
| 10.2.1 Die Schrödingergleichung | 305 |
| 10.2.2 Die außerordentliche Übersetzungsvorschrift | 305 |
| 10.3 Die zentralen Paradigmen | 308 |
| 10.3.1 Der eindimensionale Harmonische Oszillator | 308 |
| 10.3.2 Das Wasserstoffatom | 315 |
| 10.4 Von der Vektorrechnung zum Hilbertraum | 330 |
| 10.4.1 Von den Basisvektoren zum Vektorraum | 332 |
| 10.4.2 Produkte im Vektorraum R3 | 334 |
| 10.4.3 Die Operatoren des Vektorraums R3 | 336 |
| 10.4.4 Vom dreidimensionalen Vektorraum R3 nach Rn | 345 |
| 10.4.5 Vom Vektorraum Rn zum Hilbertraum H | 349 |
| 10.5 Der Quantensprung zur Quantentheorie | 354 |
| 10.5.1 Die Eignung des Hilbertraums | 354 |
| 10.5.2 Die intuitionsleitende Funktion der zentralen Paradigmen | 355 |
| 10.5.3 Zustände, Observable und Operatoren | 356 |
| 10.5.4 Erwartungswerte, Messwerte, Varianzen, Unschärfe | 357 |
| 10.5.5 Die Bewegungsgleichungen | 364 |
| 10.6 Die Dichtematrix oder der statistische Operator | 370 |
| 10.6.1 Eigenschaften des statistischen Operators | 371 |
| 10.6.2 Erwartungswerte und Bewegungsgleichungen mit der Dichtematrix | 374 |
| 10.6.3 Messprozess und Dekohärenz | 376 |
| 10.6.4 Ein idealisiertes Modell des Messprozesses | 379 |
| 10.7 Vergleich der klassischen und quantentheoretischen Strukturen | 384 |
| 10.7.1 Dekohärenz, Indeterminismus, Irreversibilität | 384 |
| 10.7.2 Die Logik physikalischer Zustände und Eigenschaften | 387 |
| 10.7.3 Ein einfaches Beispiel mit großer Wirkung | 396 |
| 10.8 Rückblick und Ausblick | 401 |
| 11 400 Jahre Physik. Rückblick, Gegenwart und Ausblick | 404 |
| 11.1 Ein Rückblick | 404 |
| 11.1.1 Der zurückgelegteWeg | 404 |
| 11.1.2 Wissenschaftstheoretische Konsequenzen | 412 |
| 11.2 Die gegenwärtige Situation | 418 |
| 11.2.1 Die Standardmodelle der Kosmologie und der Elementarteilchentheorie | 418 |
| 11.2.2 Der Weg zur Interdisziplinarität | 419 |
| 11.3 Ausblick | 421 |
| 11.3.1 Der Fortgang des physikalischen Erkenntnisprozesses | 421 |
| 11.3.2 Offenheit oder Vollständigkeit der wissenschaftlich erforschbaren Wirklichkeit? | 423 |
| 11.3.3 Wissenschaft und Transzendenz | 424 |
| 11.3.4 Spuren der Transzendenz in der Wirklichkeit | 426 |
| 11.3.5 Die Einheit der Wirklichkeit und die Dimensionen der Wahrheit | 428 |
| Literatur zur Erinnerung und Vertiefung | 431 |
| Stichwortverzeichnis | 433 |
