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."
- ★ Erkläre: den Unterschied zwischen SRT und ART — welche behandelt beschleunigte Systeme? Aus welchen Jahren stammen sie? Warum ist die ART eine „klassische" Theorie?
- ★ 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").
- ★ Ableitung durchführen: Leite aus
den Schwarzschildradius her und erkläre alle physikalischen Größen samt Einheiten. - ★ Rechenbeispiel: Berechne den Schwarzschildradius der Erde (
kg). Gib das Ergebnis in einer passenden Einheit an — Millimeter oder Kilometer? - ★ 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?
- ★ 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."
- Erkläre: das Gravitationsgesetz. Was bedeutet
? Warum ausgerechnet ? - Demo / Alltagsbeispiel: Die Torsionswaage von Cavendish — was hat er gemessen, und warum sagt man, er habe damit „die Erde gewogen"?
- Ableitung durchführen: Leite aus „Zentripetalkraft = Gravitationskraft" das dritte Keplersche Gesetz
her. - Einheiten: In welcher Einheit muss
eingesetzt werden? Was passiert, wenn man „27,3 Tage" direkt einsetzt? - Rechenbeispiel: Berechne aus der Mondbahn (
d, m) die Masse der Erde. - 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."
- Erkläre: die Definition eines schwarzen Lochs (
) und den Ereignishorizont. Ist es wirklich ein „Loch"? - Alltagsbeispiel / Beobachtung: Ein schwarzes Loch leuchtet nicht — wie weist man es nach? (Akkretionsscheibe, EHT 2019, Gravitationslinsen)
- Ableitung durchführen: Leite die mittlere Dichte
her und erkläre, was bedeutet. - Rechenbeispiel: Wie groß ist die mittlere Dichte eines schwarzen Lochs von einer Sonnenmasse (
km)? Und eines supermassereichen mit ? Vergleiche mit Wasser. - Diskutiere: Gezeitenkräfte / „Spaghettisierung" — warum ist der Sturz in ein kleines schwarzes Loch „schmerzhafter" als in ein supermassereiches?
- 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
- ★ „Ist die ART eine Quantentheorie?"
- ★ „Ist die ART falsch?" (Vorsicht: Provokationsfrage)
- ★ „Woher kamen die Gravitationswellen von 2015?"
- ★ „Wie ein Stein, der ins Wasser fällt — was schwingt da eigentlich?"
- ★ „Was passiert mit dem Wasser, wenn ich die durchlöcherte Flasche fallen lasse?"
- ★ „Kannst du aus dem schwarzen Loch mit einer Taschenlampe rausleuchten?"
- ★ „Die Singularität — was glauben die meisten von uns: gibt es sie wirklich?"
- ★ „Wenn die Sonne plötzlich ein schwarzes Loch würde — was passiert mit der Gravitation?"
- ★ „Warum war die Klage gegen den LHC physikalisch unbegründet?"
- „Schwarzschildradius der Erde — Millimeter oder Kilometer? Überrascht?"
- „Sie haben T in Tagen eingesetzt — was sagt mir dann das Ergebnis?"
- „Kepler hat beschrieben, Newton hat erklärt — wo genau liegt der Unterschied?"
§§ANTWORTEN
Zettel 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
- Zwei Vergleichspaare: ① Rakete steht auf der Erde (
m/s²) ≡ Rakete beschleunigt fern jeder Masse mit 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 - Fluchtgeschwindigkeit
(über Energieerhaltung, siehe Thema 2 §2.4). Setze : . … Gravitationskonstante (N·m²/kg²), … Masse des Körpers (kg), m/s … Vakuumlichtgeschwindigkeit, … Schwarzschildradius (m). Selbst darauf hinweisen: Die Herleitung ist nur heuristisch (Newton'sch); das strenge Resultat stammt von Schwarzschild 1916. → Skript §11.7 — Millimeter! (Probe: , mal 2, durch ✓) Presste man die Erde unter Tischtennisball-Größe, wäre sie ein schwarzes Loch. - Singularität:
, . 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 - „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
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
; ist der Abstand der Massenmittelpunkte, nicht der Oberflächen. Woher : Die Wirkung verteilt sich gleichmäßig auf die Kugelfläche — doppelter Abstand, vierfache Fläche, an jedem Punkt ein Viertel. → Skript §11.1 - Newton kannte
nicht; Cavendish (1798) maß erstmals mit der Torsionswaage (an einem Draht aufgehängter Balken; die winzige Gravitationskraft verdrillt den Draht, der Winkel verrät die Kraft). „Erde gewogen": und waren bekannt, also kg. → Skript §11.3 → kürzen → ; mit , folgt , also . → Skript §11.4 unbedingt in Sekunden (die Sekunde steckt in der Einheit von ). Setzt man „27,3" (Tage) ein, liegt das Ergebnis um den Faktor daneben — die Dimensionen passen nicht. s. . Zähler: , ; Nenner: , . kg ✓ (stimmt mit der bekannten Erdmasse kg überein). - 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
- Schwarzes Loch: ein Gebilde, an dessen Oberfläche
; am Ereignishorizont gilt , von innen entkommt nicht einmal Licht. Es ist kein Loch, sondern ein 3D-Gebilde. → Skript §11.7 - 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
, mit : . Je größer die Masse, desto kleiner die mittlere Dichte ( → , Masse nur ). → Skript §11.7 kg, km: m³ → kg/m³ (weit über Kerndichte ). Für : → kg/m³ — dünner als Wasser (1000 kg/m³), etwa wie Schaumstoff. (Probe: , ✓) - 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
extrem stark, der Kopf-Fuß-Unterschied wird riesig → „Spaghettisierung" schon außerhalb des Horizonts. Beim supermassereichen liegt der Horizont weit draußen ( ), der Gradient dort ist sanft — man überquert den Horizont „unversehrt", auch wenn es danach genauso kein Zurück gibt. - Nein — die Herleitung benutzt Newton'sche kinetische Energie und behandelt Licht als Wurfkörper mit Masse; Licht hat aber keine Ruhemasse, und
liegt außerhalb des Newton'schen Geltungsbereichs. Das strenge Resultat ist Schwarzschilds exakte Lösung der Feldgleichungen (1916); dieselbe Formel ist ein glücklicher Zufall. Die Singularität ( ) 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
- „Nein — klassisch heißt gerade: keine Quantentheorie." Die Vereinheitlichung ist bis heute gescheitert.
- „Falsch heißt nicht, dass alles falsch wäre" — Theorien haben Geltungsbereiche; die klassische Mechanik ist „in dem Sinn genauso falsch".
- „Von zwei verschmelzenden schwarzen Löchern" (LIGO, direkter Nachweis).
- Die Raumzeit selbst — sie wird abwechselnd gestaucht und gedehnt („wie ein Stein, der ins Wasser fällt" — dort kräuselt sich die Wasseroberfläche, hier die Raumzeit).
- „Es hört auf zu fließen" — im freien Fall ist das Wasser schwerelos, der hydrostatische Druck ist null.
- „Nein. Aber du würdest sehen, was draußen ist." — Licht kommt nicht hinaus, aber von draußen herein.
- „Es gibt sie wahrscheinlich nicht" — sie markiert den Punkt, an dem die ART versagt.
- „Nichts! Gleiche Masse, gleiche Umlaufbahn."
- Die kosmische Strahlung trifft die Erde seit Jahrmilliarden mit höheren Energien — folgenlos; Mini-schwarze-Löcher verdampfen per Hawking-Strahlung in
s. - Millimeter (≈ 9 mm) — ein Körper braucht keine riesige Masse, nur genug Kompression.
- Eine dimensional sinnlose Zahl —
gehört in Sekunden. - Beschreibung = dass (Regelmäßigkeit in den Daten); Erklärung = warum (Herleitung aus grundlegenderen Prinzipien).