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Drei Zettel im echten Prüfungsstil von Prof. Linhart (Zettel 1 = belegte echte Prüfung ★) + Nachfragen-Kette + Antwortschlüssel — inhaltliche Anker im Skript Thema 11. Das Hearing dauert ca. 10 Minuten und folgt der Aufgabenkette am Zettel.

Zettel 1 — ART · Schwarze Löcher · Wissenschaftstheorie ★ (echte Prüfung)

Paradigmen-Einstieg: „Im Paradigma der klassischen Mechanik ist Gravitation eine Kraft zwischen Massen — im Paradigma der ART ist sie Krümmung der Raumzeit. Auf diesem Zettel bewegen wir uns in der ART."

  1. Erkläre: den Unterschied zwischen SRT und ART — welche behandelt beschleunigte Systeme? Aus welchen Jahren stammen sie? Warum ist die ART eine „klassische" Theorie?
  2. Demo / Alltagsbeispiel: Formuliere das Äquivalenzprinzip mit seinen zwei Vergleichspaaren und erkläre die Unterrichts-Demo: die durchlöcherte Wasserflasche — vor dem Physiksaal fallen gelassen, hört das Wasser im Fall auf zu fließen. Warum? Erzähle dazu Einsteins Dachdecker-Anekdote (1907, „der glücklichste Gedanke meines Lebens").
  3. Ableitung durchführen: Leite aus vF=c0 den Schwarzschildradius R=2GMc02 her und erkläre alle physikalischen Größen samt Einheiten.
  4. Rechenbeispiel: Berechne den Schwarzschildradius der Erde (ME=5,9741024 kg). Gib das Ergebnis in einer passenden Einheit an — Millimeter oder Kilometer?
  5. Diskutiere: Was ist die Singularität — wohin gehen Volumen und Dichte? Glauben die meisten Physiker, dass es sie wirklich gibt? Was war der letzte große Erfolg der ART (2015) — und woher kamen diese Gravitationswellen?
  6. Wissenschaftstheoretischer Haken: „Ist die ART falsch?" — nimm Stellung und begründe. Außerdem: 2008 wurde wegen Mini-schwarzer-Löcher geklagt, um die Inbetriebnahme des LHC zu verhindern — war das physikalisch begründet? Und: Würde die Sonne morgen plötzlich zum schwarzen Loch — was passiert mit der Erdbahn?

Zettel 2 — Newton · Kepler (klassische Gravitation)

Paradigmen-Einstieg: „Im Paradigma der klassischen Mechanik beschreibt Newton die Gravitation als Fernwirkungskraft — und erklärt damit Keplers Gesetze."

  1. Erkläre: das Gravitationsgesetz. Was bedeutet r? Warum ausgerechnet 1/r2?
  2. Demo / Alltagsbeispiel: Die Torsionswaage von Cavendish — was hat er gemessen, und warum sagt man, er habe damit „die Erde gewogen"?
  3. Ableitung durchführen: Leite aus „Zentripetalkraft = Gravitationskraft" das dritte Keplersche Gesetz T2a3=4π2GM her.
  4. Einheiten: In welcher Einheit muss T eingesetzt werden? Was passiert, wenn man „27,3 Tage" direkt einsetzt?
  5. Rechenbeispiel: Berechne aus der Mondbahn (T=27,3 d, a=3,844108 m) die Masse der Erde.
  6. Wissenschaftstheoretischer Haken: Man sagt, Kepler habe nur „beschrieben", Newton habe „erklärt" — worin genau liegt der Unterschied? Welche Rolle spielten dabei die Daten von Tycho Brahe?

Zettel 3 — Schwarze Löcher (vertieft)

Paradigmen-Einstieg: „Schwarze Löcher sind ihrem Wesen nach Objekte der ART — wir nähern uns ihnen trotzdem zuerst klassisch und schauen, wie weit wir kommen."

  1. Erkläre: die Definition eines schwarzen Lochs (vF>c0) und den Ereignishorizont. Ist es wirklich ein „Loch"?
  2. Alltagsbeispiel / Beobachtung: Ein schwarzes Loch leuchtet nicht — wie weist man es nach? (Akkretionsscheibe, EHT 2019, Gravitationslinsen)
  3. Ableitung durchführen: Leite die mittlere Dichte ρ=3c0632πG3M2 her und erkläre, was ρ1/M2 bedeutet.
  4. Rechenbeispiel: Wie groß ist die mittlere Dichte eines schwarzen Lochs von einer Sonnenmasse (R3 km)? Und eines supermassereichen mit 109M? Vergleiche mit Wasser.
  5. Diskutiere: Gezeitenkräfte / „Spaghettisierung" — warum ist der Sturz in ein kleines schwarzes Loch „schmerzhafter" als in ein supermassereiches?
  6. Wissenschaftstheoretischer Haken: Ist unsere Herleitung des Schwarzschildradius streng (Newton'sche Mechanik vs. Schwarzschild 1916)? Die ART versagt an der zentralen Singularität — was sagt uns das über die Theorie?

Nachfragen-Kette

  1. „Ist die ART eine Quantentheorie?"
  2. „Ist die ART falsch?" (Vorsicht: Provokationsfrage)
  3. „Woher kamen die Gravitationswellen von 2015?"
  4. „Wie ein Stein, der ins Wasser fällt — was schwingt da eigentlich?"
  5. „Was passiert mit dem Wasser, wenn ich die durchlöcherte Flasche fallen lasse?"
  6. „Kannst du aus dem schwarzen Loch mit einer Taschenlampe rausleuchten?"
  7. „Die Singularität — was glauben die meisten von uns: gibt es sie wirklich?"
  8. „Wenn die Sonne plötzlich ein schwarzes Loch würde — was passiert mit der Gravitation?"
  9. „Warum war die Klage gegen den LHC physikalisch unbegründet?"
  10. „Schwarzschildradius der Erde — Millimeter oder Kilometer? Überrascht?"
  11. „Sie haben T in Tagen eingesetzt — was sagt mir dann das Ergebnis?"
  12. „Kepler hat beschrieben, Newton hat erklärt — wo genau liegt der Unterschied?"

§§ANTWORTEN

Zettel 1

  1. Die SRT (1905) behandelt nur unbeschleunigte (inertiale) Systeme; die ART (1915) auch beschleunigte — und damit die Gravitation. „Klassisch": „Klassisch heißt: keine Quantentheorie." Die ART ist eine kontinuierliche Feldtheorie der Raumzeit, nichts daran ist quantisiert; alle Versuche, ART und Quantentheorie zu vereinheitlichen, sind bis heute gescheitert (Quantengravitation fehlt) — darum zählt sie, wie die Newton'sche Mechanik, zu den „klassischen" Theorien. → Skript §11.5
  2. Zwei Vergleichspaare: ① Rakete steht auf der Erde (g=9,81 m/s²) ≡ Rakete beschleunigt fern jeder Masse mit a=9,81 m/s² — ein Lichtstrahl wird in der beschleunigten Rakete gekrümmt, also muss er es auch im Gravitationsfeld; ② Schweben fern aller Himmelskörper ≡ freier Fall im Gravitationsfeld. Wasserflaschen-Demo: In Ruhe drückt der hydrostatische Druck das Wasser aus den Löchern; lässt man die Flasche fallen, ist alles im freien Fall„Im freien Fall ist das Wasser schwerelos, der hydrostatische Druck ist null — es fließt nichts mehr heraus." Anekdote: Einstein hörte von einem Berliner Dachdecker/Maler, der vom Dach stürzte und dabei sein eigenes Gewicht nicht spürte — für Einstein „der glücklichste Gedanke meines Lebens" (1907), die Geburtsstunde des Äquivalenzprinzips. → Skript §11.5 Äquivalenzprinzip
  3. Fluchtgeschwindigkeit vF=2GMR (über Energieerhaltung, siehe Thema 2 §2.4). Setze vF=c0: c02=2GMRR=2GMc02. G … Gravitationskonstante (N·m²/kg²), M … Masse des Körpers (kg), c0=3108 m/s … Vakuumlichtgeschwindigkeit, R … Schwarzschildradius (m). Selbst darauf hinweisen: Die Herleitung ist nur heuristisch (Newton'sch); das strenge Resultat stammt von Schwarzschild 1916. → Skript §11.7
  4. R=26,67410115,9741024(3108)2=7,971014910168,9103 m9 mmMillimeter! (Probe: 6,6741011×5,9741024=3,991014, mal 2, durch 91016 ✓) Presste man die Erde unter Tischtennisball-Größe, wäre sie ein schwarzes Loch.
  5. Singularität: V0, ρ. Standardantwort: „Was glauben die meisten von uns? — Es gibt sie wahrscheinlich nicht." Die Singularität ist genau der Punkt, an dem die ART versagt und eine Quantengravitation gebraucht wird. 2015: LIGO weist Gravitationswellen direkt nach — sie stammen von zwei verschmelzenden schwarzen Löchern; die Raumzeit kräuselt sich „wie ein Stein, der ins Wasser fällt". → Skript §11.6
  6. „Ist die ART falsch?": „Falsch heißt nicht, dass alles falsch wäre — die klassische Mechanik ist in dem Sinn genauso falsch." Jede Theorie hat ihren Geltungsbereich; die ART versagt an der Singularität und widersteht der Vereinheitlichung mit der Quantentheorie — das deutet auf eine tiefere Theorie hin, aber innerhalb ihres Bereichs ist sie extrem präzise bestätigt. LHC-Klage (2008): physikalisch unbegründet — ① die kosmische Strahlung bombardiert die Erde seit Milliarden Jahren mit weit höheren Energien, ohne dass etwas passiert ist; ② selbst ein erzeugtes Mini-schwarzes-Loch verdampft per Hawking-Strahlung in 1026 s. Sonne als schwarzes Loch: „Nichts! Gleiche Masse, gleiche Umlaufbahn." Die Gravitation hängt nur von Masse und Abstand ab (Schalentheorem) — ein schwarzes Loch „saugt" nicht alles auf (der „Aufsaugen"-Mythos); es würde nur nach 8 Minuten dunkel und kalt. → Skript §11.7

Zettel 2

  1. FG=Gm1m2r2; r ist der Abstand der Massenmittelpunkte, nicht der Oberflächen. Woher 1/r2: Die Wirkung verteilt sich gleichmäßig auf die Kugelfläche O=4πr2 — doppelter Abstand, vierfache Fläche, an jedem Punkt ein Viertel. → Skript §11.1
  2. Newton kannte G nicht; Cavendish (1798) maß G erstmals mit der Torsionswaage (an einem Draht aufgehängter Balken; die winzige Gravitationskraft verdrillt den Draht, der Winkel verrät die Kraft). „Erde gewogen": g und RE waren bekannt, also ME=gRE2G61024 kg. → Skript §11.3
  3. mv2r=GMmr2m kürzen → v2=GMr; mit v=ωr, ω=2πT folgt 4π2T2=GMr3, also T2a3=4π2GM. → Skript §11.4
  4. T unbedingt in Sekunden (die Sekunde steckt in der Einheit von G). Setzt man „27,3" (Tage) ein, liegt das Ergebnis um den Faktor 8640027,5109 daneben — die Dimensionen passen nicht.
  5. T=27,386400=2,36106 s. M=4π2a3GT2=4π2(3,844108)36,6741011(2,36106)2. Zähler: a3=5,681025, ×4π2=2,241027; Nenner: (2,36106)2=5,571012, ×G=372. M2,2410273726,01024 kg ✓ (stimmt mit der bekannten Erdmasse 5,971024 kg überein).
  6. Kepler las aus Tycho Brahes Winkelmessungen (auf eine Bogenminute genau, v. a. Mars) drei Regelmäßigkeiten heraus — reine Beschreibung: dass es so ist, nicht warum. Newton leitete das zweite und dritte Gesetz aus „Zentripetalkraft = Gravitation" her — eine Erklärung: das Phänomen folgt aus grundlegenderen Prinzipien. „Kepler wusste dass, Newton wusste warum."Skript §11.4

Zettel 3

  1. Schwarzes Loch: ein Gebilde, an dessen Oberfläche vF>c0; am Ereignishorizont gilt vF=c0, von innen entkommt nicht einmal Licht. Es ist kein Loch, sondern ein 3D-Gebilde. → Skript §11.7
  2. Indirekt: über die Akkretionsscheibe — einstürzende Materie wird beschleunigt, heizt sich auf und strahlt stark elektromagnetisch; EHT 2019 fotografierte den Horizont-Schatten von M87* (2022 SgrA*); dazu Gravitationslinsen/Einstein-Ringe. → Skript §11.7
  3. ρ=M43πR3, mit R=2GMc02: ρ=3Mc064π8G3M3=3c0632πG3M2ρ1/M2. Je größer die Masse, desto kleiner die mittlere Dichte (RMVM3, Masse nur M). → Skript §11.7
  4. M=21030 kg, R2,95 km: V=43π(2950)31,081011 m³ → ρ210301,0810111,91019 kg/m³ (weit über Kerndichte 21017). Für 109M: ρ1/M21,91019/101819 kg/m³ — dünner als Wasser (1000 kg/m³), etwa wie Schaumstoff. (Probe: 29503=2,571010, ×43π=1,081011 ✓)
  5. Gezeitenkräfte entstehen aus der Ungleichmäßigkeit der Gravitation (Unterschied zwischen Kopf und Füßen — dieselbe Logik wie bei den Gezeiten). Beim kleinen schwarzen Loch liegt der Horizont sehr nah am Zentrum — dort ändert sich 1/r2 extrem stark, der Kopf-Fuß-Unterschied wird riesig → „Spaghettisierung" schon außerhalb des Horizonts. Beim supermassereichen liegt der Horizont weit draußen (RM), der Gradient dort ist sanft — man überquert den Horizont „unversehrt", auch wenn es danach genauso kein Zurück gibt.
  6. Nein — die Herleitung benutzt Newton'sche kinetische Energie und behandelt Licht als Wurfkörper mit Masse; Licht hat aber keine Ruhemasse, und vc liegt außerhalb des Newton'schen Geltungsbereichs. Das strenge Resultat ist Schwarzschilds exakte Lösung der Feldgleichungen (1916); dieselbe Formel ist ein glücklicher Zufall. Die Singularität (ρ) zeigt: Die ART sagt ihre eigene Grenze voraus — wie jede Theorie hat sie einen Geltungsbereich; dahinter braucht es die Quantengravitation. → Skript §11.7

Kurzantworten zur Nachfragen-Kette

  1. „Nein — klassisch heißt gerade: keine Quantentheorie." Die Vereinheitlichung ist bis heute gescheitert.
  2. „Falsch heißt nicht, dass alles falsch wäre" — Theorien haben Geltungsbereiche; die klassische Mechanik ist „in dem Sinn genauso falsch".
  3. „Von zwei verschmelzenden schwarzen Löchern" (LIGO, direkter Nachweis).
  4. Die Raumzeit selbst — sie wird abwechselnd gestaucht und gedehnt („wie ein Stein, der ins Wasser fällt" — dort kräuselt sich die Wasseroberfläche, hier die Raumzeit).
  5. „Es hört auf zu fließen" — im freien Fall ist das Wasser schwerelos, der hydrostatische Druck ist null.
  6. „Nein. Aber du würdest sehen, was draußen ist." — Licht kommt nicht hinaus, aber von draußen herein.
  7. „Es gibt sie wahrscheinlich nicht" — sie markiert den Punkt, an dem die ART versagt.
  8. „Nichts! Gleiche Masse, gleiche Umlaufbahn."
  9. Die kosmische Strahlung trifft die Erde seit Jahrmilliarden mit höheren Energien — folgenlos; Mini-schwarze-Löcher verdampfen per Hawking-Strahlung in 1026 s.
  10. Millimeter (≈ 9 mm) — ein Körper braucht keine riesige Masse, nur genug Kompression.
  11. Eine dimensional sinnlose Zahl — T gehört in Sekunden.
  12. Beschreibung = dass (Regelmäßigkeit in den Daten); Erklärung = warum (Herleitung aus grundlegenderen Prinzipien).