2 %\documentclass[landscape,semhelv,draft]{seminar}
3 \documentclass[landscape,semhelv]{seminar}
6 \usepackage[greek,german]{babel}
7 \usepackage[latin1]{inputenc}
8 \usepackage[T1]{fontenc}
14 \usepackage{calc} % Simple computations with LaTeX variables
15 \usepackage{caption} % Improved captions
16 \usepackage{fancybox} % To have several backgrounds
18 \usepackage{fancyhdr} % Headers and footers definitions
19 \usepackage{fancyvrb} % Fancy verbatim environments
20 \usepackage{pstricks} % PSTricks with the standard color package
34 \graphicspath{{./img/}}
38 \usepackage[setpagesize=false]{hyperref}
44 \usepackage{semlayer} % Seminar overlays
45 \usepackage{slidesec} % Seminar sections and list of slides
47 \input{seminar.bug} % Official bugs corrections
48 \input{seminar.bg2} % Unofficial bugs corrections
50 % what does this affect?
56 %\usepackage{cmbright}
57 %\renewcommand{\familydefault}{\sfdefault}
58 %\usepackage{mathptmx}
62 %\newrgbcolor{hred}{0.9 0.13 0.13}
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69 \extraslideheight{10in}
74 % specify width and height
79 \def\slidetopmargin{-0.15cm}
81 \newcommand{\ham}{\mathcal{H}}
82 \newcommand{\pot}{\mathcal{V}}
83 \newcommand{\foo}{\mathcal{U}}
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87 \renewcommand\labelitemii{{\color{gray}$\bullet$}}
90 \renewcommand{\phi}{\varphi}
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103 \newcommand{\headphd}{
104 \begin{pspicture}(0,0)(0,0)
105 \rput(6.0,0.2){\psframebox[fillstyle=gradient,gradbegin=hb,gradend=white,gradlines=1000,gradmidpoint=1,linestyle=none]{
106 \begin{minipage}{14cm}
113 \newcommand{\headbg}{
114 \begin{picture}(0,0)(0,100)
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142 \newcommand{\bra}[1]{\langle #1 |}
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159 \everymath{\displaystyle}
161 % no vertical centering
173 A B C D E F G H G F E D C B A
189 Erscheinungsformen des Lichts\\
191 "Uber Wellen und Teilchen
198 \begin{pspicture}(0,0)(0,0)
199 \psframe*[fillcolor=blue,linecolor=blue,opacity=0.09](0.20,-0.25)(3.80,-0.75)
200 \psframe*[fillcolor=blue,linecolor=blue,opacity=0.09](-5.35,-1.15)(2.00,-1.65)
201 \psframe*[fillcolor=blue,linecolor=blue,opacity=0.09](-5.45,-2.95)(-0.05,-3.40)
202 \psframe*[fillcolor=blue,linecolor=blue,opacity=0.09](2.65,-2.95)(4.40,-3.40)
203 \psframe*[fillcolor=blue,linecolor=blue,opacity=0.09](-6.40,-3.40)(-1.85,-3.90)
208 Es soll der Versuch unternommen werden, die Eigenschaften des Lichts --- zunutze gemacht und in Szene gesetzt in den Kunstwerken der diesj"ahrigen Kunstnacht --- anhand einiger bedeutender naturwissenschaftlicher Entdeckungen aufzuzeigen.
210 Es wird sich rausstellen, da\ss{} Licht ganz unterschiedlich in Erscheinung tritt.
212 Je weiter das Ph"anomen Licht in seiner Chronologie verstanden wird und dessen Eigenschaften beschrieben, ja sogar quantitativ berechnet werden k"onnen,
214 desto beeindruckender erscheint die Existenz dieser unterschiedlichen Erscheinungsformen, deren Erkenntnis wegweisend f"ur die modernen Naturwissenschaften und den technischen Fortschritt heute sind.
220 \begin{minipage}{0.49\textwidth}
223 \textsc{F. Zirkelbach}\\[10pt]
224 Die lange Nacht des Lichts\\
225 Augsburg, 20. Juni 2015
227 \begin{minipage}{0.49\textwidth}
229 \includegraphics[height=2cm]{03_text_02_cup_02_oframe.eps}
238 \begin{minipage}{\textwidth}
239 \begin{minipage}[t]{0.2\textwidth}
241 \underline{Empedokles}\\[0.1cm]
242 \includegraphics[width=\textwidth]{empedocles.eps}\\
243 {\footnotesize 5. Jhd. v. Chr.}
245 \begin{minipage}[t]{0.03\textwidth}
248 \begin{minipage}[t]{0.75\textwidth}
250 {\bf Vier-Elemente-Lehre}\\
251 - naturphilosophische Weltdeutung durch vier Elemente (G"otter)\\
252 - bisher: Eigenarten entsprechen heutigen Aggregatzust"anden\\
255 \item Elemnet als ewig existierende unver"anderliche Grundsubstanz
256 \item Mischung $\rightarrow$ Vielfalt der Stoffe (Periodensystem der Elemente)
258 {\bf Emissions-Theorie}\\
259 - Aphrodite entz"undet Feur im Auge
260 $\rightarrow$ Strahlen aus Auge treffen Objekte\\
262 $\rightarrow$ Interaktion mit Strahlen anderer Quellen
264 \end{minipage}\\[1.8cm]
265 \begin{minipage}{\textwidth}
266 \begin{minipage}[b]{0.2\textwidth}
268 \underline{Euklid}\\[0.1cm]
269 \includegraphics[width=\textwidth]{euclid.eps}\\
270 {\footnotesize 4. Jhd. v. Chr.}
272 \begin{minipage}[b]{0.03\textwidth}
275 \begin{minipage}[b]{0.75\textwidth}
276 \begin{picture}(0,0)(-10,-10)
277 \includegraphics[width=2.2cm]{4elemente.eps}
279 \begin{picture}(0,0)(-110,0)
280 \includegraphics[width=3.6cm]{perspective.eps}
284 - erstes umfassendes logisch koh"arentes Werk\\
285 - axiomatischer Aufbau\\
286 - streng deduktive Ableitung von Theoremen\\
287 - heute: euklidische Geometrie, nicht-euklidische seit 19. Jhd. \\
288 - u.a. definiert: Punkt, Gerade, Ebene, Winkel, parallel ...\\[0.2cm]
289 {\bf \underline{Optik}\\
290 Erste "uberlieferte Abhandlung "uber die Geometrie des Sehens}
295 % evtl noch aristoteles und descartes
299 \begin{minipage}[t]{0.2\textwidth}
301 \underline{Sir Isaac Newton}\\[0.1cm]
302 \includegraphics[width=\textwidth]{newton.eps}\\
303 {\footnotesize 1642--1726}
305 \begin{minipage}[t]{0.03\textwidth}
308 \begin{minipage}[t]{0.75\textwidth}
310 {\bf Philosophiae Naturalis Principia Mathematica}\\
311 Fundament der {\em klassischen Mechanik}
313 \vec{F}=m\vec{a}\textrm{ , }\quad
314 \vec{a}=\frac{d}{dt}\vec{v}=\frac{d^2}{dt^2}\vec{r}
315 \textrm{ , }\quad\textrm{Newton'sche Bewegungsgleichungen}
317 \begin{minipage}{0.35\textwidth}
318 \includegraphics[height=2.6cm]{car.eps}
320 \begin{minipage}{0.20\textwidth}
322 $\longleftrightarrow$
324 \begin{minipage}{0.39\textwidth}
327 ${\bf r}(t)$ Diagramm\\
328 \includegraphics[height=2.3cm]{v.eps}
330 \end{minipage}\\[1.0cm]
331 {\bf Opticks} (1704)\\
332 Korpuskeltheorie des Lichts\\[0.4cm]
333 \begin{minipage}{0.33\textwidth}
334 \includegraphics[height=2.5cm]{newton_licht_01.eps}\\
337 Geradlinige Ausbreitung ${\color{green} \surd}$
339 \begin{minipage}{0.33\textwidth}
340 \includegraphics[height=2.5cm]{newton_licht_02.eps}\\
343 Reflexion ${\color{green} \surd}$
345 \begin{picture}(0,0)(0,-30)
346 \begin{minipage}{4cm}
347 \includegraphics[width=0.8\textwidth]{newton_licht_03.eps}\\
348 %\includegraphics[width=0.9\textwidth]{prism.eps}\\
351 Brechung / Dispersion: {\color{red}falsch}
354 \begin{picture}(0,0)(15,15)
355 \includegraphics[width=2.0cm]{prism.eps}\\
360 % ursprung evtl in Atomismus: teilchen und leerer raum (atoms and void)
361 % Alternative zur Relativitaetstheorie weil vertraeglich mit Rel-Prinzip
362 % aber: Widerspruch da Ausbreitungs-V dann abhg von Bewegung Lichtquelle
363 % im streit mit huygens
364 % particle theory -> laplace: massive body, light cant excape from
368 \begin{minipage}[t]{0.2\textwidth}
370 \underline{Christiaan Huygens}\\[0.1cm]
371 \includegraphics[width=\textwidth]{huygens.eps}\\
372 {\footnotesize 1629--1695}
374 \begin{minipage}[t]{0.03\textwidth}
377 \begin{minipage}[t]{0.75\textwidth}
379 {\bf Huygenssches Prinzip}\\
380 (Lichtausbreitung analog zu Wasserwellen)\\[0.15cm]
381 \begin{minipage}{0.54\textwidth}
382 Jeder Punkt der Wellenfront ist\\
383 Ausgangspunkt einer kugelf"ormigen\\
384 Elementarwelle\\[0.2cm]
385 Superposition ("Uberlagerung) aller\\
386 Elementarwellen $\rightarrow$ neue Wellenfront\\[0.2cm]
387 Elementarwellen wirken nur in\\
388 Ausbreitungsrichtung (unbegr"undet!)\\
391 \frac{\sin({\color{red}\alpha})}{\sin({\color{blue}\beta})}=
392 \frac{{\color{red}c_1}}{{\color{blue}c_2}}
396 %\begin{minipage}{0.45\textwidth}
398 \begin{picture}(0,0)(-165,-30)
399 \includegraphics[width=3.5cm]{reflexion_brechung.eps}
401 \begin{picture}(0,0)(-160,17)
402 \includegraphics[width=3cm]{polarization.eps}
404 \begin{picture}(0,0)(-140,18)
405 \begin{minipage}{4.0cm}
407 {\bf Fresnel (1788-1827)}\\
408 Polarisation f"ur transversale Wellen
412 \end{minipage}\\[0.8cm]
413 \begin{minipage}[b]{0.2\textwidth}
415 \underline{Thomas Young}\\[0.1cm]
416 \includegraphics[width=\textwidth]{young.eps}\\
417 {\footnotesize 1773--1829}
419 \begin{minipage}[b]{0.03\textwidth}
422 \begin{minipage}[b]{0.75\textwidth}
424 {\bf Doppelspaltexperiment}\\
425 Best"atigung und Durchsetzung der \underline{Wellentheorie des Lichts}\\
426 \begin{picture}(0,0)(0,90)
427 \includegraphics[width=4.5cm]{double_slit_setup.eps}
429 \begin{picture}(0,0)(-130,90)
430 \includegraphics[width=4.5cm]{water.eps}
432 \begin{picture}(0,0)(-170,40)
433 \includegraphics[width=3.3cm]{young_diff_orig.eps}
435 \begin{picture}(0,0)(-85,13)
436 \includegraphics[width=2.8cm]{double_slit_res.eps}
442 % first: hooke (transverse waves idea) - dispute with newton
443 % fresnel - own wave theory, polarization
444 % weakness: medium for transmission ... now maxwell!
448 \begin{minipage}[t]{0.2\textwidth}
450 \underline{Michael Faraday}\\[0.1cm]
451 \includegraphics[width=\textwidth]{faraday.eps}\\
452 {\footnotesize 1791--1867}
454 \begin{minipage}[t]{0.03\textwidth}
457 \begin{minipage}[t]{0.75\textwidth}
459 {\bf Experimental Researches in Electricity}\\
460 Elektromagnetische Induktion ---
461 {\em \glqq Convert magnetism into electricity\grqq}\\[0.15cm]
462 \begin{minipage}{0.59\textwidth}
463 Strom in linker Leiterschleife\\
464 $\rightarrow$ Welle entlang Ring\\
465 $\rightarrow$ Strom in rechter Leiterschleife
467 \begin{minipage}{0.4\textwidth}
469 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{induktion.eps}
471 \end{minipage}\\[0.15cm]
472 \begin{picture}(0,0)(-150,95)
473 \includegraphics[width=4.1cm]{faraday_effect.eps}\\
475 \begin{picture}(0,0)(-5,95)
476 \includegraphics[width=4.1cm]{circular.eps}
478 Magnetooptischer Effekt / Faraday Effekt\\
479 {\em Magnetisierung des Lichts} und {\em Belichtung der Magnetkraftlinien}\\[0.1cm]
480 \begin{minipage}{0.39\textwidth}
483 \end{minipage}\\[1.0cm]
484 \begin{minipage}[b]{0.2\textwidth}
486 {\footnotesize\underline{James Clerk Maxwell}}\\[0.1cm]
487 \includegraphics[width=\textwidth]{maxwell.eps}\\
488 {\footnotesize 1831--1879}
490 \begin{minipage}[b]{0.03\textwidth}
493 \begin{minipage}[b]{0.75\textwidth}
495 {\bf A Treatise on Electricity and Magnetism}\\
496 Maxwell Gleichungen / Grundgleichungen der Elektrodynamik\\[0.2cm]
497 z.B.: Induktionsgesetz:
498 $\oint_{\partial A}\vec{E} d\vec{s}=
499 -\int_A \frac{\partial\vec{B}}{\partial t}\cdot d\vec{A}$\\[0.1cm]
500 weitere: Gesetz von Gauss (f"ur $\vec{E}$ und $\vec{B}$),
501 Durchflutungsgesetz\\[0.4cm]
502 \begin{minipage}{0.9\textwidth}
503 \scriptsize{\bf Postulat}\\
504 \glqq{}Diese Geschwindigkeit ist so nahe an der Lichtgeschwindigkeit, dass wir einen starken Grund zu der Annahme haben, dass das {\bf Licht} selbst (...), eine {\bf elektromagnetische Welle} ist.\grqq\\[0.2cm]
509 % faraday fuehrte zur entwicklung der theorie des elektromagnetismus
513 \begin{minipage}[c]{0.1\textwidth}
515 \underline{G. Galilei}\\[0.1cm]
516 \includegraphics[width=0.93\textwidth]{galilei.eps}\\
517 {\tiny 1564--1642}\\[0.1cm]
518 \underline{H. Lorentz}\\[0.1cm]
519 \includegraphics[width=0.93\textwidth]{lorentz.eps}\\
520 {\tiny 1853--1928}\\[0.1cm]
521 \underline{A. Michelson}\\[0.1cm]
522 \includegraphics[width=0.93\textwidth]{michelson.eps}\\
523 {\tiny 1852--1931}\\[0.1cm]
524 \underline{E. Morley}\\[0.1cm]
525 \includegraphics[width=0.93\textwidth]{morley.eps}\\
528 \begin{minipage}[c]{0.03\textwidth}
531 \begin{minipage}[c]{0.85\textwidth}
532 \begin{minipage}{0.59\textwidth}
533 {\bf Galilei Transformation:}
534 $x'=x-vt\textrm{ , }\quad y'=y$
536 F&=& m\frac{d^2}{dt^2}x'\nonumber\\
537 &=& m\frac{d^2}{dt^2}(x-vt)=
538 \frac{d}{dt}\left(\frac{d}{dt}x-v\right)=m\frac{d^2}{dt^2}x
542 Newton-Gleichungen ${\color{green}\surd}\quad$
543 Maxwell-Gleichungen ${\color{red}\times}$
545 \begin{minipage}{0.39\textwidth}
547 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{galileo.eps}
549 \end{minipage}\\[0.2cm]
550 \begin{minipage}{0.98\textwidth}
551 {\bf Lorentz Transformation} und {\bf Michelson Morley Interferometer}
552 \end{minipage}\\[0.2cm]
553 \begin{minipage}[t]{0.48\textwidth}
554 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{interferometer.eps}
556 \begin{minipage}[t]{0.50\textwidth}
557 \includegraphics[width=0.95\textwidth]{mi_orig.eps}
558 \end{minipage}\\[0.3cm]
559 \begin{minipage}[t]{0.35\textwidth}
560 ${\color{red}t'_1}=\frac{L}{c-v}$,
561 ${\color{red}t'_2-t'_1}=\frac{L}{c+v}$\\
562 ${\color{red}t'_2}=\frac{2L}{c(1-v^2/c^2)}$\\[0.3cm]
563 $(c{\color{blue}t_1})^2=L^2+(v{\color{blue}t_1})^2$\\
564 ${\color{blue}t_1}=L/\sqrt{c^2-v^2}$\\
565 ${\color{blue}t_2}=\frac{2L}{c\sqrt{1-v^2/c^2}}$
567 \begin{minipage}[t]{0.63\textwidth}
568 Ergebnis: ${\color{red}t'_2}={\color{blue}t_2}$\\[0.2cm]
569 {\bf Lorentzkontraktion:} Bewegung relativ zum "Ather\\
570 $L\rightarrow L/\gamma\textrm {, }\quad\gamma=1/\sqrt{1-v^2/c^2}
571 \qquad\textrm{Maxwell-Gln} {\color{green}\surd}$\\[0.2cm]
572 {\bf Einstein --- spezielle Relativit"atstheorie}\\
573 Maxwell gilt in allen Inertialsystemen ($c=const.$)\\
574 Lorentz-Invarianz ${\color{green}\surd}\stackrel{v\rightarrow 0}{\rightarrow}$
575 Galilei-Invarianz ${\color{red}\times}$\\
576 Kein(e) absolute(r) Zeit/Raum mehr!
583 \begin{minipage}[t]{0.11\textwidth}
585 \underline{M. Planck}\\[0.1cm]
586 \includegraphics[width=0.73\textwidth]{planck.eps}\\
587 {\tiny 1858--1947}\\[0.1cm]
588 \underline{A. Einstein}\\[0.1cm]
589 \includegraphics[width=0.73\textwidth]{einstein.eps}\\
590 {\tiny 1879--1955}\\[0.1cm]
591 \underline{de Broglie}\\[0.1cm]
592 \includegraphics[width=0.73\textwidth]{broglie.eps}\\
593 {\tiny 1892--1987}\\[0.1cm]
594 \underline{Schr"odinger}\\[0.1cm]
595 \includegraphics[width=0.73\textwidth]{schrodinger.eps}\\
598 \begin{minipage}[t]{0.03\textwidth}
601 \begin{minipage}[t]{0.84\textwidth}
603 {\bf Quantenhypothese}\\[0.2cm]
604 "Ubertrag Energiemenge vom/zum Strahlungsfeld\\
605 $\Delta E=h\nu\textrm{, }\quad
606 h:\textrm{ Plancksches Wirkungsquantum}$\\[0.2cm]
607 $\rightarrow$ {\bf Plancksches Strahlungsgesetz}\\
608 Strahlungsverteilung des schwarzen K"orpers
609 \begin{picture}(0,0)(-26,30)
610 \includegraphics[width=4.0cm]{bb_dist.eps}
611 \end{picture}\\[0.3cm]
613 {\bf Weiterf"uhrende Hypothese}\\[0.2cm]
614 Strahlungsfeld besteht aus Qaunten\\
615 Lichtuquanten haben Energie $E=h\nu$\\
616 $\rightarrow$ {\bf photoelektrischer Effekt}
617 \begin{picture}(0,0)(-27,5)
618 \includegraphics[width=2.5cm]{photo.eps}
621 \fbox{{\bf Welle-Teilchen-Dualismus}}\\
624 Masseteilchen mit Impuls haben Wellencharakter
625 und entsprechende Wellenl"ange\\
626 {\bf De Broglie Wellenl"ange} $\lambda=\frac{h}{p}$
627 \begin{picture}(0,0)(-10,80)
628 \includegraphics[width=6.5cm]{double_slit.eps}
629 \end{picture}\\[0.2cm]
630 {\bf Aufl"osung in der Quantenmechanik}
632 \item Teilchen beschrieben durch\\
633 Wellenfunktion $\Psi(\vec{r},t)$
634 \item $|\Psi|^2\equiv$ Aufenthaltswahrscheinlichkeit
635 \item $\Psi(\vec{r},t)$ L"osungen\\
636 der Schr"odingergleichung
637 $i\hbar\frac{d}{dt}\Psi(\vec{r},t)=H\Psi(\vec{r},t)$
644 Aufenthaltswahrscheinlichkeiten (Wellenfunktionsquadrate)\\
645 zweier Zust"ande in einem Halbleiter-Quanten-Punkt
648 \begin{minipage}{0.49\textwidth}
649 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{homo.eps}
651 \begin{minipage}{0.49\textwidth}
652 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{lumo.eps}
655 {\tiny F. Zirkelbach et.\ al., Phys. Rev. B {\bf 91}, 075119 (2015).}
658 Vielen Dank f"ur die Aufmerksamkeit!