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Allgemeine Relativitätstheorie und Kosmologie
General Relativity and Cosmology

Modul PH2043

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Modulversion vom WS 2018/9 (aktuell)

Von dieser Modulbeschreibung gibt es historische Versionen. Eine Modulbeschreibung ist immer so lange gültig, bis sie von einer neuen abgelöst wird.

verfügbare Modulversionen
WS 2018/9WS 2017/8SS 2011

Basisdaten

PH2043 ist ein Semestermodul in Englisch oder Deutsch auf Master-Niveau das im Wintersemester angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Allgemeiner Spezialfachkatalog Physik
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Spezialisierung im Elitemasterstudiengang Theoretische und Mathematische Physik (TMP)

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
300 h 90 h 10 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2043 ist Martin Beneke.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

1. Einführung in das Konzept der Relativität und Kovarianz
2. Das Äquivalenzprinzip. Gravitation. Die Einsteinschen Feldgleichungen. Der Newtonsche Grenzfall.
3. Die Schwarzschild-Metrik. Schwarze Löcher.
4. Die lineare Näherung. Gravitationswellen.
5. Kosmologie: Homogenität und Isotropie, die Robertson-Walker-Metrik.
6. Die Friedmann-Gleichung. Die Hubble-Konstante. Das expandierende Universum.

7. Das frühe Universum.

Lernergebnisse

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage:
1. Die Krümmung der Raumzeit als Ursprung der Gravitation zu verstehen.
2. Die klassischen Tests der allgemeinen Relativitätstheorie zu beschreiben: Lichtablenkung, Periheldrehung und gravitative Rotverschiebung.
3. Die physikalischen Grundlagen schwarzer Löcher zu verstehen.
4. Die Grundeigenschaften von Gravitationswellen zu verstehen.
5. Die verschiedenen Phasen des expandierenden Universums zu beschreiben und die Expansionsrate in Abhängigkeit der Hubble-Konstanten herzuleiten.

6. Verständnis teilchenphysikalischer Prozesse im frühen, heissen Universum

Voraussetzungen

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

ArtSWSTitelDozent(en)Termine
VO 4 General Relativity and Cosmology Beneke, M. Mo, 08:00–10:00, PH HS3
Mi, 10:00–12:00, PH HS3
UE 2 Exercise to General Relativity and Cosmology
Leitung/Koordination: Beneke, M.
Termine in Gruppen

Lern- und Lehrmethoden

Vorlesung, Präsentation, Tafelanschrieb; Hausaufgaben, Besprechung in Gruppenübungen

In der Vorlesung werden die Inhalte (in der Regel) durch Tafelvortrag vermittelt. Der Fokus liegt auf theoretischen Grundlagen des Gebiets, Vorstellung der Methoden und beispielhaften Phänomenen. In den Hausaufgaben erfolgt die Vertiefung der Methoden durch eigene Anwendung auf Probleme des Gebiets. Es wird auf die Entwicklung des analytischen Denkvermögens und der rechentechnischen Fertigkeiten Wert gelegt. Die Besprechung der Hausaufgaben in der Gruppenübung erfolgt unter Anleitung des Tutors durch die Studierenden selbst, um die Fähigkeit des schlüssigen, selbständigen Erklärens zu fördern.

Medienformen

Vortrag, Tafelanschrieb, Übungsblätter

Literatur

  • S. Caroll, Spacetime and Geometry, Pearson
  • S. Weinberg, Gravitation and Cosmology, Wiley
  • E. Kolb, S. Turner, The Early Universe, Frontiers in Physics

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

Es findet eine schriftliche Klausur von 180 Minuten Dauer statt. Darin wird exemplarisch das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe durch Rechenaufgaben und Verständnisfragen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

  • Bewegung eines Testteilchens in der gekrümmten Raumzeit berechnen
  • Einige der wichtigsten bekannten Lösungen der Einsteinschen Feldgleichungen herleiten
  • Die Emission von Gravitationswellen gegebener Quellen berechnen

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.

Auf die Note einer bestandenen Modulprüfung in der Prüfungsperiode direkt im Anschluss an die Vorlesung (nicht auf die Wiederholungsprüfung) wird ein Bonus (eine Zwischennotenstufe "0,3" besser) gewährt (4,3 wird nicht auf 4,0 aufgewertet), wenn die/der Studierende die Mid-Term-Leistung bestanden hat, diese besteht aus 50% der in den Hausaufgaben erreichbaren Punkte

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

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