Theoretische Physik für Studierende des Lehramts

Im Rahmen seiner „WE-Heraeus-Seniorprofessur für die Weiterentwicklung der Lehrerausbildung im Fach Physik“ hat Peter Schmüser aus seinen Vorlesungsskripten ein zweibändiges Lehrbuch „Theoretische Physik für Studierende des Lehramts 1, 2“ erarbeitet. Die beiden Bände sind anders aufgebaut als herkömmliche Lehrbücher der theoretischen Physik. Im Vordergrund steht nicht der mathematische Formalismus sondern ein intuitiver Zugang zu den teilweise recht abstrakten Konzepten der Theorie. In den Hauptkapiteln wird der Stoff in möglichst einfacher und klarer Form dargestellt, während kompliziertere theoretische Herleitungen und mathematische Ergänzungen in den Anhängen zu finden sind. Diese Anhänge sollen interessierten Studierenden helfen, die Theorie besser zu verstehen und Rechnungen selbst durchführen zu können, aber die Bücher sind auch ohne sie verständlich. Eine Vielzahl von Abbildungen und didaktische Anmerkungen am Ende der Kapitel haben das Ziel, den zukünftigen Lehrern/innen Verständnishilfen zu geben und auch Hinweise, wie sie die physikalischen Konzepte in der Schule vermitteln könnten.

Band 1 behandelt die Quantenmechanik. Obwohl diese Theorie schon mehr als 80 Jahre alt ist, bereitet sie immer wieder große Verständnisschwierigkeiten, weil viele ihrer Aussagen unserer Erfahrung und Intuition widersprechen. Wenn man jedoch heute Quantentheorie lehren oder lernen will, befindet man sich in einer viel besseren Lage als die Professoren und Studenten vor 80 oder auch 40 Jahren. Viele der von Bohr, Schrödinger, Heisenberg, Einstein und anderen vorgeschlagenen „Gedankenexperimente“, die seinerzeit kontrovers diskutiert wurden, sind durch enorme Fortschritte in der Experimentiertechnik inzwischen Wirklichkeit geworden. Messungen können dazu dienen, eine Entscheidung zwischen verschiedenartigen theoretischen Ideen und Interpretationen zu treffen, was um 1925 – 1935 kaum möglich war. Die fremdartigen, der Anschauung zuwider laufenden Aussagen der Theorie lassen sich alle durch ausgeklügelte Experimente bestätigen: Teilchen-Welle-Komplementarität, Verschränkung, Nichtlokalität der Quantenmechanik. Die Darstellung moderner Experimente nimmt deswegen einen breiten Raum ein.

Band 2 behandelt Elektrodynamik und Spezielle Relativitätstheorie unter konsequenter Verwendung des SI-Einheitensystems. Wesentliche Themenkomplexe sind Integralsätze, Maxwell-Gleichungen, Dipolstrahlung, elektromagnetische Wellen im Raum, in Hohlleitern und Kabeln, Interferenz- und Beugungsphänomene. Als Querverbindung zur Quantentheorie werden Eichinvarianz und Aharonov-Bohm-Effekt besprochen. In der relativistischen Mechanik werden folgende Themen behandelt und mit Anwendungsbeispielen verdeutlicht: Inertialsysteme, Lorentz-Transformation, Zeitdilatation, Zwillingsparadoxon, Addition von Geschwindigkeiten, relativistische Masse und Energie, Doppler-Effekt, Vierervektoren, relativistische Invarianten. Anwendungen in der Beschleuniger- und Elementarteilchenphysik werden diskutiert. In der relativistischen Elektrodynamik wird gezeigt, dass die Lorentz-Kraft als relativistische Ergänzung der Coulomb-Kraft gedeutet werden kann.