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relativity: science education

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Hans-Otto Carmesin
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Present-day physics is based on two fundamental theories: General relativity including gravity describes spacetime. Quantum physics describes minimal portions occurring in nature. However, we live in one world. Now, we unify these theories! For it, we start with four basic physical principles, each founded by observation and by thought experiment, independently. These principles essentially are special relativity, the equivalence principle, Gaussian gravity and the fact that vacuum is an entity, the dynamics of which can be derived from the other three principles. Using these principles, we derive the postulates of quantum physics, and, in a semiclassical limit, we derive general relativity. Using our unification, we provide a solution of the EPR – paradox: In general relativity, the velocity of light is the highest velocity. In contrast, correlations among so-called entangled quanta can spread faster than light. Now, our unification implies that correlations among entangled quanta can spread faster than light. Moreover, our unification implies a list of solutions of fundamental problems. For instance, our unification implies dark energy, the density of the vacuum observed in cosmology. Furthermore, we provide several tests of our unification. Our results are in precise accordance with observation, whereby we do not apply any fit, of course. On the basis of the four basic physical principles, we derive our results explicitly. So, every interested reader can derive all results on her or his own. Thus, readers are enabled to apply a full self-control of the unification. Thereby, you can achieve a high level of founded independent thinking and deciding. In this manner, you can gain many insights about nature, and you can develop your self-esteem.
Hans-Otto Carmesin
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Electromagnetic interactions are omnipresent in everyday life. These are part of the electroweak interactions, including the Higgs mechanism. However, the nature and microscopic structure thereof were a mystery. That mystery is solved in this book. We derive the observed charges and masses of the electroweak interaction from the equivalence principles, gravity and relativity, by analyzing the vacuum. We derive and clarify the origin of electroweak interactions: - Vacuum forming since the Big Bang constitutes space, time and cosmic phase transitions with a large scale energy spectrum. - That spectrum causes electroweak charges and masses. - Thereby, two-dimensional charge space forms. - Hereby, the electric charge, the weak angle, a non-electric charge, a hypercharge, an isospin charge and isospin form. - Electroweak masses originate from transitions at the large scale spectrum. Using the local principles of the formation of vacuum, we derive general relativity and results beyond: the density of vacuum, quantum physics, cosmic phase transitions as well as the electroweak interactions, charges and masses. Our results are in precise accordance with observation, whereby we do not execute any fit. Invited to discover the nature of electromagnetic and weak interactions are classes from grade 10 or higher, courses, research clubs, enthusiasts, observers, experimentalists, mathematicians, natural scientists, researchers …
In our universe, distances have increased since the Big Bang. This is directly indicated by the redshift of distant galaxies or of the cosmic microwave background. Usually, that increase of distances is explained by a continuous expansion of space according to general relativity. However, that explanation is very incomplete. This is indicated by the era of cosmic 'inflation'. In addition, the explanation of that era by the standard model of cosmology is hypothetic, problematic and not based on a fundamental concept. In contrast, the era of cosmic 'inflation' is derived and explained by physically founded phase transitions by a discontinuous change of space. These phase transitions provide the spectrum of the vacuum. With it, the density of vacuum is derived here. Moreover, the local value of the Hubble constant has been derived on the basis of that spectrum. Furthermore, many basic problems in elementary particle physics and in fundamental interactions have been solved by using that spectrum. For instance, the Higgs mechanism and the vacuum expectation value of elementary particle physics have been derived and explained. In this paper, we present a geometric derivation of the spectrum of vacuum. This provides further evidence and clarity. Published at: Hans-Otto Carmesin. "Geometric Derivation of the Spectrum of Vacuum.” International Journal of Engineering Science Invention (IJESI), Vol. 11(04), 2022, PP 01-11. Journal DOI- 10.35629/6734
Hans-Otto Carmesin
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I present a quantum gravity model about the early universe and apply it to the early universe. With it the singularity problem can be solved in principle. Moreover gravitational instabilities can be analyzed.
Lernende der Astronomie-AG der Klassenstufen 5-12 können die Ausdehnung des Weltalls selbst beobachten. Darauf aufbauend können sie dieses modellieren. Im ersten Schritt modellieren sie die Dynamik ausgehend von der Newton'schen Kosmologie durch die Friedmann-Lemaitre-Gleichung FLG. Dabei entdecken sie die Urknall-Singularität mit einer divergierenden Dichte. Dagegen entdecken sie mithilfe der Welleneigenschaft von Quantenobjekten, dass die Dichte gar nicht größer als die Planck-Dichte werden kann. Dieser kognitive Konflikt führt zur Erweiterung der FLG durch Quanteneffekte. Im zweiten Schritt erweitern die Lernenden die FLG mithilfe von Wellenfunktionen zur Quantengravitations-FLG. Mit dieser modellieren sie, wie die Dynamik eine maximale Dichte erreichen kann und wie prinzipiell ein Big Bounce denkbar wäre. Allerdings zeigt die Dynamik noch nicht die beobachtete kosmische Inflation. Dieser kognitive Konflikt führt zur Erweiterung der FLG durch Quantengeometrieeffekte. Im dritten Schritt erweitern die Lernenden im Rahmen der hypothetisch deduktiven Methode der Erkenntnisgewinnung die FLG mithilfe der Schleifenquantengravitation innovativ zur Quantengravitationsgeometrie-FLG. Mit dieser modellieren die Lernenden zusätzlich die kosmische Inflation und vergleichen mit Beobachtungen. Ein Inflatonfeld oder ein Inflatonpotenzial ist bei der Modellierung nicht notwendig. Ich berichte über Grundlagen, Lernvoraussetzungen, Binnendifferenzierung und Erfahrungen aus dem Unterricht.
From the Cosmic Microwave Background CMB the flatness problem and the horizon problem arose. An extraordinarily rapid increase of distances in the early universe, the Cosmic Inflation, was proposed as a possible solution (Guth, Phys. Rev. D, 1981), whereby suggested mechanisms for such an increase have been criticized (Steinhardt: Scientific American, 2011). We propose a theory that explains the Cosmic Inflation by a sequence of symmetry breaking phase transitions at critical densities (Carmesin, H.-O.: Vom Big Bang bis heute mit Gravitation - Model for the Dynamics of Space. Berlin: Verlag Dr. Köster, 2017.). Our theory applies first principles only, namely gravitation and quantum physics, contains no fit parameter, applies fundamental constants only, namely the constant of gravitation G, the velocity of light c and the Planck constant h, is in excellent quantitative agreement with observations, namely the critical density, the duration of cosmic inflation, the temperature fluctuations as well as the factor of increase correspond to the CMB and the flatness and horizon problems are solved.
Hans-Otto Carmesin
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Since Planck discovered quantization in 1900, the nature of quanta was a mystery. That problem is solved in this book. We derive the postulates of quantum physics from the equivalence principles, gravity and relativity, by analyzing the vacuum. We clarify various conundrums of quanta: - We derive nonlocality. - We find the origin of the Schrödinger equation. - We find the origin of the probabilities of quanta. - We find the basis of the Planck constant h. - We find a generalized Schrödinger equation. - We find the origin of quantum gravity. - We discover how quanta, vacuum and curved space are related. Using the concepts of space, time, gravity and vacuum, we discover how vacuum propagates at the velocity of light. We realize how that propagation causes quantization. We apply that propagation to the calculation of the density parameter ΩΛ of the vacuum of the universe. Our result is in precise accordance with observation, whereby we do not apply any fit. Invited to discover the nature of quanta are classes from grade 10 or higher, courses, research clubs, enthusiasts, observers, experimentalists, mathematicians, natural scientists, researchers …
Hans-Otto Carmesin
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Question Our observable universe ranges from the light horizon at a distance of 4.1 ∙ 10 to the power of 26 m towards the Planck scale at lengths of 1.6 ∙ 10 to the power of -35 m. Corresponding bodies are galaxy clusters, our home region of galaxies Laniakea, our Milky Way, our Solar System, Earth, cities, villages, houses, ourselves and elementary particles. How do these different bodies interact? The heavenly bodies mainly interact by gravity. In contrast, most forces among bodies of everyday life are based on the electric interaction. Gravity and the electric interaction are regarded as two fundamental interactions. However, are these two interactions really fundamentally different? Discovery We discover the formation of the elementary charge based on quantum gravity. Hereby the difference between theory and experiment amounts to five millionth of a percent. Of course, we use no fit parameters. We show how classical electrodynamics and quantum electrodynamics are both based on our finding. Perspective I derived a new theory of quantum gravity. It describes physics ranging from the Planck scale towards the light horizon. With it, I discovered results in cosmology, general relativity and particle physics: In the standard model of cosmology, there are six parameters. One is independent, as it describes the time after the Big Bang. I derived the other parameters from quantum gravity, using no fit. The standard model of elementary particles essentially describes masses of particles and three fundamental interactions: electric, weak and strong interaction. Using quantum gravity, I derived the mass of the Higgs boson, which in turn causes the masses of the other particles, except neutrinos. For these, I derived the cosmological constant of neutrino masses. In this book, we apply the above findings in order to derive the formation of the elementary charge and electric interaction. So the electric charge and electric interaction are not fundamental. It will be interesting and challenging to use a theory ranging from the Planck scale towards the light horizon, in order to investigate other properties of elementary particles. Comprehensive Explanation In this book we derive all findings in a systematic, clear and smooth manner. We summarize our results by many definitions, propositions and theorems. We are classes from grade 10 or higher, courses, research clubs, enthusiasts, observers, experimentalists, mathematicians, natural scientists, researchers …
Hans-Otto Carmesin
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The observable universe ranges from huge galaxies near the light horizon at a distance of 4.1 ∙ 10^26 m, via elementary particles at a hierarchy of scales, towards smallest objects at the Planck scale at lengths of 1.6 ∙ 10^-35 m. How did these very different objects form and develop? We present an answer by deriving a physically founded and critically tested unified theory of cosmological and elementary particles. Details: Based on quantum gravity, I derived a series of novel results about cosmology, general relativity and particle physics. Here we extend these findings in an essential manner: The space within the present light horizon started from a zero-point oscillation at the Planck scale and at dimension 301. Then it experienced a series of dimensional phase transitions, before it became the usual three dimensional space and expanded towards the present day light horizon. That space is formed by the dark energy and its quanta. These basic cosmological particles are modeled here in detail. The dimensional phase transitions of the early universe provide the quanta that form the masses of all present day elementary particles including the neutrinos, the Higgs boson, quarks, electrons, myons, tauons and W- and Z- bosons. In the same manner, we derive novel elementary particles to be discovered in the future. We derive all results from quantum physics and gravity. Thereby we use only five numerical inputs: the Hubble constant H_0 as a reference for the present time after the Big Bang and the universal constants G, c, k_B and h. Our results include the energies and masses of the above cosmological and elementary particles and the remaining five cosmological constants of the standard model of cosmology. All results are in precise accordance with observation. In this book we derive all findings in a systematic, clear and smooth manner. We summarize our results by many definitions, propositions and theorems. So we solve many fundamental problems of physics including the hierarchy problem of elementary particle physics, in particular. We are classes from grade 10 or higher, courses, research clubs, enthusiasts, observers, experimentalists, mathematicians, natural scientists, researchers … ISSN 2629-1525
Hans-Otto Carmesin
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Universe: Unified from Microcosm to Macrocosm Reihe We see stars at the sky, embedded in unlimited space. In our universe, we discover, photograph and explain a lot by ourselves. With a telescope of length 1 m we take photos of objects near the end of the visible universe. So we observe satellites, comets, protuberances, the formation or explosion of stars, galaxies, curvature of spacetime and signs of the Big Bang. How can we understand all that? Using basic experiments, we obtain the fundamental laws of nature including their universal constants: the universal law of gravitation with the gravitational constant G, thermodynamics with the Boltzmann constant kB, the theory of relativity with the velocity of light c and quantum physics with the Planck constant h. With it we explain the history of the universe. Moreover, we resolve the following mysteries: The cover shows the expansion of the space. We derive that macroscopic dynamics from the microscopic dynamics, and with it we show that the space is flat globally. The cover indicates a very rapid enlargement in the early universe, we explain it by a cosmic unfolding of space. The masses in our daily world originate from the energy of electromagnetic waves, as illustrated at the cover. What is the source of that energy of radiation? For an analysis, we calculate the time evolution of the actual light horizon backwards in time, until we arrive at the smallest possible length, the Planck length. At that length, the omnipresent quantum fluctuations exhibit a huge zero-point energy, ZPE, in their local frame. This ZPE transforms to the available energy of radiation in the process of cosmic unfolding, as can be seen at the cover. In this manner we derive the origin of all mass and energy in the universe, and we achieve precise accordance with observation. On that basis, we can resolve even more mysteries ... We are classes from grade 10 or higher, courses, enthusiasts, friends of experiments, natural scientists …
Universe: Unified from Microcosm to Macrocosm: Series Volume 4 ISSN: 2629-1525 ISBN: 978-3-96831-008-4 Modern physics is based on two great concepts: general relativity theory, GRT and quantum theory, QT. However, effects faster than light are called nonlocal, and they seem to be impossible in nature and in GRT, while they occur in QT, this contrast is called EPR paradox. We solve it as follows: The curved spacetime in GRT corresponds to additionally forming vacuum. We calculate its volume, and we discover: It explains curvature of space as well as the expansion since the Big Bang. One half of that volume forms in a nonlocal manner: Thus nature and GRT are nonlocal and so no paradox remains. The formation of spacetime, however, is local. With it we combine GRT and QT: We derive the field theory, the quadrupole or spin 2 symmetry, the waves and the quanta of spacetime. These provide precise accordance to observation without any fit parameter, of course. The quanta of spacetime include the propagation and formation of vacuum. So they explain the dark energy and the time evolution of dark energy and structure, which in turn explains the discrepancy inherent to observed values of the Hubble constant H0 and of matter fluctuations sigma8. The quanta of spacetime include the quanta of gravitational interaction. So they explain the graviton by its symmetry, propagation, quantization and mechanism of interaction: Quanta of spacetime form, the resulting heterogeneity generates curvature, and this causes gravitational force. So the graviton is now understood in exceptionally deep detail! The quanta of spacetime in the visible universe are traced back to one single quantum at the Big Bang. At its space, there immediately formed many quanta of zero-point energies of radiation. Altogether the complete energy and mass of the visible universe is traced back to the Big Bang. The quanta of spacetime are invariant at Lorentz transformations and at all other linear transformations. These quanta solve many fundamental problems and explain various interesting systems, including black holes. We derive all results with a smooth progression, and we summarize our findings in 15 propositions and 34 theorems.
Hans-Otto Carmesin
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Aufgaben zu folgendem Buch: Wir entdecken die Geschichte des Universums mit eigenen Fotos und Experimenten Band 2 in: Universe: Unified from Microcosm to Macrocosm Hans-Otto Carmesin, Berlin: Verlag Dr. Köster 2020 Wir können unser Universum gerade heute eigenständig erkunden: Wir entdecken die wesentlichen Naturgesetze und messen die entsprechenden Naturkonstanten mit eigenen Versuchen, unterstützt durch Smartphones zur Datenerfassung und Auswertung. Wir erstellen Fotos von Himmelskörpern, wobei die Entfernung uns nicht mehr einschränkt, dank hervorragender digitaler Kameras. Wir erklären des Fotografierte selbst mit den Naturgesetzen, das gelingt uns besonders einfach mit eigenen Tabellenkalkulationen. Dieser Blick ins Weltall befähigt uns, große Zusammenhänge auch auf der Erde besser zu verstehen: von der Entstehung bis zur Stabilisierung der Atmosphäre. So können wir die Geschichte des Universums und die Zeitentwicklung der Distanzen nachvollziehen: vom Urknall bis heute, von der Planck-Länge bis zum Lichthorizont. Wir, das sind Klassen oder Kurse ab Klassenstufe 10, Experimentierfreunde, Naturbegeisterte … Uns unterstützen Übungsaufgaben im Internet, zum Trainieren oder zur Selbstkontrolle (hans-otto.carmesin.org oder https://www.researchgate.net/profile/Hans_Otto_Carmesin). Unsere so gewonnene Zeitentwicklung des Universums stimmt präzise mit Beobachtungen überein. Dabei wenden wir nur die Gravitation und die Quantenphysik mithilfe etablierter mathematischer und numerischer Methoden an, mit den zugehörigen universellen Konstanten: Gravitationskonstante, Lichtgeschwindigkeit, Boltzmann-Konstante sowie Plancks Konstante. Das ist eine sachliche und klare Bestätigung unserer Ergebnisse. Dabei können wir auch aktuelle Geheimnisse selbst enträtseln. So ermitteln wir den kompletten Zeitablauf selbst: von der experimentellen Entdeckung wesentlicher Naturgesetze bis zum Distanz-Zeit-Diagramm. The paper has been published in PhyDid B.
Letter to Editor concerning the actual controversy about the Hubble Constant
Hans-Otto Carmesin
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General relativity theory describes the macrocosm, quantum physics the microcosm. Both fields coact in a natural manner in the universe: Limitations of observation by Heisenberg‘s uncertainty relation and by the Schwarzschild radius cause smallest observable regions. These interact by gravity, perform harmonic oscillations thereby and form the local structure of space. This explains cosmic inflation and solves the flatness problem, the horizon problem, the reheating problem as well as the problem of the big bang singularity. The formation of dark matter is explained additionally. In the early universe, long-wave fundamental oscillations became effective within the global horizon. These oscillations form the global structure of space as well as the dark energy or vacuum density. This solves the fine - tuning problem. For it the three density parameters, of the vacuum, of radiation and of the dark matter, are calculated directly from the universal constants G, c and h. Moreover the polychromatic nature of the vacuum is realized, the spectrum of the dark energy is calculated and the problem of the significantly different results of the measurement of the Hubble – constant is solved. Thereby the origin of the energy is derived from the universal constants G, c und h. The theory survives two tests: it fulfills the classical limits and it is in precise accordance with observations. The latter are obtained from the cosmic microwave background and from the observation of distant galaxies. Links to other fields of knowledge enable an effective understanding. Answers to 42 frequently asked questions provide relations to basic concepts. Exercises with solutions facilitate a deepened understanding and promote the self-reliance.
Hans-Otto Carmesin
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General relativity theory describes the macrocosm, quantum physics the microcosm. Both fields coact in a natural manner in the universe: Limitations of observation by Heisenberg‘s uncertainty relation and by the Schwarzschild radius cause smallest observable regions. These interact by gravity, perform harmonic oscillations thereby and form the local structure of space. This explains cosmic inflation and solves the flatness problem, the horizon problem, the reheating problem as well as the problem of the big bang singularity. The formation of dark matter is explained additionally.
In the early universe, long-wave fundamental oscillations became effective within the global horizon. These oscillations form the global structure of space as well as the dark energy or vacuum density. This solves the fine - tuning problem. For it the three density parameters, of the vacuum, of radiation and of the dark matter, are calculated directly from the universal constants G, c and h. Moreover the polychromatic nature of the vacuum is realized, the spectrum of the dark energy is calculated and the problem of the significantly different results of the measurement of the Hubble – constant is solved. Thereby the origin of the energy is derived from the universal constants G, c und h.
The theory survives two tests: it fulfills the classical limits and it is in precise accordance with observations. The latter are obtained from the cosmic microwave background and from the observation of distant galaxies.
Links to other fields of knowledge enable an effective understanding. Answers to 42 frequently asked questions provide relations to basic concepts. Exercises with solutions facilitate a deepened understanding and promote the self-reliance.
 
Hans-Otto Carmesin
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Kurzfassung Schülerinnen und Schüler der Klassenstufen 6-12 haben den Urknall mit einem Teleskop vom Typ C11 selbstständig beobachtet. Zudem haben sie ihre Ergebnisse ausgewertet, gedeutet und die zugehörigen Theorien hergeleitet. Weiterhin haben sie mit dem Physiknobelpreis 2011 ausgezeichnete Beobachtungen von Galaxien mit Rotverschiebungen Δλ/λ über 0,2 ausgewer-tet und quantitative Schlussfolgerungen über die kosmologische Raumkrümmung, die Materie-dichte und die Dichte der dunklen Energie hergeleitet. Auch haben sie das Projekt mehrfach öf-fentlich präsentiert. Ferner haben Viertklässler die Beobachtungen in sehr vereinfachter Form ausgewertet. Hier berichte ich über die Erfahrungen aus diesem Projekt, die sich gut auf andere Lerngruppen übertragen lassen. 1. Einleitung Viele Schülerinnen und Schüler würden gerne selbst einmal sehen, was davon zu halten ist, wenn Er-wachsene behaupten, es hätte vor 14 Milliarden Jahren einen Urknall gegeben [1]. Bisher ist das selten möglich, weil man den Urknall mit relativ großen Teleskopen beobachtet. Ein einigermaßen kleines Teleskop setzte die Orange Lutheran High-School [2] aus Orange in Kalifornien (USA) ein, als sie galaktische Rotverschiebungen mit einem 14-Zoll-Teleskop bestimmte. Allerdings wurden dabei nicht die Entfernungen der Galaxien ermittelt. Hier berichte ich über ein Projekt, bei dem Schüle-rinnen und Schüler der Klassenstufen 6-12 an der Sternwarte des Gymnasiums Athenaeum in Stade mit einem 11-Zoll-Teleskop den Urknall beobachtet haben. Konkret haben sie signifikante und hochsig-nifikante Rotverschiebungen sowie Entfernungen von Galaxien bestimmt, diese kosmologisch gedeu-tet, das sogenannte Weltalter ermittelt und ihre Er-gebnisse öffentlich präsentiert.
Lernende entwickelten und bauten einen Spektralprojektor fürs Planetarium, der Objekte spektral richtig zeigt. Bei Vorstellungen im Planetarium erkannten die Zuschauer das Alter des Universums durch Spektralbrillen.
Lernende entdeckten und fotografierten mit ihrem Schulteleskop ihre Welt vom Tanzstudio fast bis zum Ende der sichtbaren Welt. Dabei erkundeten sie eigenständig unterschiedliche astronomische Objekte. Auch gliederten sie die Objekte nach Entfernung und Bewegungsart in vier sinnvolle Gruppen. Diese selbstständige fotografische und kompetent strukturierende Erfassung der Welt ist ein Beispiel für Bildung, wie sie Humboldt 1792 formulierte: „Bildung bedeutet die Anregung aller Kräfte des Menschen, damit diese sich über die Aneignung der Welt in wechselhafter Ver- und Beschränkung harmonisch-proportionierlich entfalten und zu einer sich selbst bestimmenden Individualität führen“ (Brockhaus 1996). Das Projekt wurde von Lernenden der Klassen 5-12 einer Astronomie-AG durchgeführt. In Anbetracht der heterogenen Lerngruppe ist das Projekt ein Beispiel für inklusive Teilhabe an Bildung.
Hans-Otto Carmesin
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Der Urknall interessiert und motiviert Schüler zu recht. Sie wollen und sollen wissen, wie man etwas über die Anfänge der Welt sagen kann. Es ist schade, dass in den Rahmenrichtlinien praktisch nichts hierzu steht. Hält man das Thema für zu schwierig? Will man es dem Fernsehen überlassen, wo es oft behandelt wird, wo aber Dialog fehlt? Hier berichte ich über drei Gelegenheiten, bei denen ich Schüler Entdeckungen zum Urknall machen ließ. Da das Thema in unseren Rahmenrichtlinien fehlt, nutzte ich geeignete Situationen in meinem Unterricht. Bei meinen Lerngruppen war das zufällig im Mathematikunterricht. Auch im Physikunterricht gibt es Möglichkeiten die Thematik zu behandeln. Zur Vermeidung möglicher Missverständnisse muss man wissen, dass wir im Mathematikunterricht etwas anders vorgehen als im Physikunterricht: Zu Beginn wird die Situation mathematisiert. Dabei werden auch die verwendeten Einheiten vorab geklärt. Wir können dann, anders als im Physikunterricht, mit reinen Zahlen arbeiten. Erst am Schluss wird das erzielte mathematische Ergebnis in die Realität übertragen und dabei wieder mit Einheiten versehen. In diesem Aufsatz berichte ich zunächst über die drei Beispiele und fasse zum Schluss verallgemeinerbare Erfahrungen zusammen. Wann gab es den Urknall? Im Mathematikunterricht einer achten Klasse des Gymnasiums sollte die lineare Funktion eingeführt werden. Als Einstiegsbeispiel wählte ich die Fluchtbewegung der Galaxien. Denn ich erwartete, dass die Schüler sich die Frage nach der Bestimmung des Zeitpunkts des Urknalls zu eigen machen würden. Als Lernvoraussetzung konnten die Schüler Wertetabellen aufstellen, Graphen zeichnen und wussten, dass die am Nachthimmel sichtbaren Sterne leuchtende Objekte im Weltraum sind. Zur Problemstellung erhielten die Schüler ein Arbeitsblatt mit der Leitfrage Wann gab es den Urknall?, der Vereinbarung über Einheiten: Zeiteinheit 1 Milliarde Jahre, Längeneinheit 10 Millionen Lichtjahre, Geschwindigkeitseinheit 10 Millionen Lichtjahre pro Milliarde Jahre, sowie folgenden Angaben über drei Galaxienhaufen.
Die Relativitätstheorie ermöglicht kaum Schulexperimente [2,3]. Auch sind die auftretenden Phänomene nicht aus der Alltagswelt bekannt. Abhilfe bietet hier eine Reise mit den Schülern bei einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit und durchgeführt in einem Theaterstück. 2. Durchführung Wir führten das Stück, Das Geheimnis des P. Braun, am 30.10.2002 abends im Forum des Gymnasiums Athenaeum vor Schülern und interessierten Gästen auf. Die Schauspieler waren alle Mitglieder der Astronomie-AG. Vorbereitend hatten wir in der AG die Theorie behandelt. Als Rakete verwendeten wir einen kleinen Wagen, der mit Hilfe von Stativmaterial und Pappe eine Raketenform erhielt und eine Person als Besatzung aufnehmen konnte. Eine weitere Person war am Wagen durch die Pappe verdeckt und für des Schieben des Wagens bei den Flügen zuständig. Die Außenverkleidung erfolgte durch Alufolie. Der Blick aus der Rakete wurde durch einen Beamer erzeugt. Bei den Starts sorgten eine Nebelmaschine und farbige Beleuchtung für das nötige Feuerwerk. Die Aufführung dauerte etwa 60 Minuten. Der vollständige Text und die Computeranimationen sind im Anhang präsentiert. 3. Erfahrungen Den Schauspielern hat es Spaß gemacht. Das Publikum hat kräftig applaudiert. Ich konnte erfahren, dass selbst Geschwisterkinder aus dem Kindergarten ihre Freude hatten, wegen der vielen bunten Aktionen mit der Rakete und der schönen Computeranimationen. Gespräche mit Schülern zeigten, dass sie nun viele interessierende Fragen zu dem Thema hatten. Das entspricht dem anfänglichen Konzept: Das Theaterstück soll Erlebnisse bieten und Interesse wecken, ähnlich wie ein Exponat in einem Science-Center. Diese ersten Erfahrungen sind im Unterricht aufzuarbeiten. Das tat ich in einem Grundkurs Physik im Schuljahrgang 13. Dabei zeigte sich, dass die Schüler im Unterricht von sich aus immer wieder Szenen aus dem Theaterstück ansprachen, um die im Physikunterricht entwickelte Relativitätstheorie mit den Beobachtungen aus der Aufführung zu vergleichen. Mein Unterrichtskonzept ging nicht von dem Stück aus, da die Aufführung keine Pflichtveranstaltung war und nicht alle Schüler des Grundkurses anwesend waren. 4. Schlussfolgerungen Das Theaterstück ist als Einstieg in das Thema Relativitätstheorie gut geeignet. Es kann so ansprechend aufgeführt werden, dass es auch Zuschauern gefällt, die sich nicht auf das Lernen der Relativitätstheorie vorbereiten wollen. Die Schülerbeiträge aus dem anschließenden Unterricht deuten darauf hin, dass man die Aufführung auch zum verbindlichen Ausgangspunkt einer Unterrichtseinheit zur Relativitätstheorie machen kann. Literaturhinweise [1] Kraus, U. u. a.: Was Einstein noch nicht sehen konnte. Kurzfassung Die Relativitätstheorie provoziert und reizt, weil sie den üblichen Erlebnissen von Raum und Zeit widerspricht. Daher wäre der ideale Ausgangspunkt zur Einführung dieser Lehre eine Reise mit Schülern bei einem Tempo, das der Lichtgeschwindigkeit nahe kommt. Solche Fahrten habe ich mit Schülern der Astronomie-AG unternommen, im Rahmen eines Theaterstücks. Dabei nutzten wir neueste Computersimulationen [1], hatten durch merkwürdige Effekte in Raum und Zeit einige Schwierigkeiten, die wir mit Hilfe der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie aber alle bewältigen konnten. Hier stelle ich das Konzept vor, berichte über Erfahrungen und veröffentliche den vollständigen Text des Stückes sowie eine CD mit den im Theaterstück eingesetzten Computeranimationen.