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Große Vereinheitlichte Theorie

Große vereinheitlichte Theorie

Als große vereinheitlichte Theorie oder grand unification theory (GUT) bezeichnet man eine Theorie, die drei der vier bekannten physikalischen Grundkräfte vereinigen würde, nämlich die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die elektromagnetische Kraft. Eine abgeschlossene und allgemein anerkannte Theorie dieser Art liegt jedoch noch nicht vor. Man nimmt an, dass diese Grundkräfte zum Zeitpunkt des Urknalls eine einzige Kraft waren, die sich nach der Abkühlung in diese 3 bekannten Kräfte aufspaltete. Zustände, in denen diese Kraft erzeugbar wäre, sind praktisch nicht machbar, da dazu überdimensionierte Teilchenbeschleuniger konstruiert werden müßten. Man geht daher derzeit davon aus, dass der Beweis dieser Annahme ausbleibt. Für eine vollständige Beschreibung aller Vorgänge der unbelebten Natur müsste diese Vereinigung auch die vierte Grundkraft, die Gravitation, mit einbeziehen. Eine solche Theorie, die Quantentheorie und Gravitationstheorie vereint (Quantengravitation) bezeichnet man als "Theory of Everything (TOE)". Kandidaten sind beispielsweise die Stringtheorie und die Loop-Quantengravitation, die jedoch bisher nur in Ansätzen existieren. Schritte hin zur große vereinheitlichte Theorie:

Kategorie:Theoretische Physik ja:大統一理論

Theorie

Eine Theorie ist eine Gebrauchsanweisung zur Welt, die anpassungsfähig ist. Während Begriffe die Welt bestimmen, richten sich Theorien nach ihr. Eine Theorie, die ihren Zweck verfehlt, gilt dadurch als widerlegt. Während Begriffe Maßstäben gleichen, die zeigen, wieviel ein bestimmter Gegenstand von ihnen enthält oder nicht, entsprechen Theorien Futteralen, die nach ihrem Gegenstand gearbeitet sein wollen. Das Wort Theorie (griechisch theoró: beobachten, betrachten, schauen; theoría: das Anschauen, die wissenschaftliche Betrachtung) bezeichnete ursprünglich die Betrachtung der Wahrheit durch reines Denken, unabhängig von ihrer Realisierung. Vermutlich deshalb wird der Begriff auch unbestimmt als Gegenteil von Praxis benutzt.

Definition

Eine Theorie entwirft ein Bild (trifft eine Aussage) über den Lauf der Welt und ist insofern immer eine Prognose, die per Experiment zur Rechenschaft gezogen werden kann. Das Ergebnis des Experimentes bestätigt (verifiziert) oder widerlegt (falsifiziert) eine Theorie. Nicht falsifizierbare Aussagen, z.B. eine Tautologie oder Definition, können keine Theorien sein. Eine Theorie muss sinnhaftig sein: das Bild, was sie von der Welt gibt, muss den Vorschriften der Logik und Grammatik entsprechen. Ihre Wahrhaftigkeit kann danach aber nur durch einen Vergleich des Bildes, was sie von der Welt gibt, mit der Wirklichkeit erwiesen werden. Theorien, die etwas über den Lauf der Welt sagen, ohne ein Experiment zu wissen, dass sie gegebenenfalls widerlegt, heißen spekulativ.

Beispiele

# Physik: Die Vorhersagen der klassischen Mechanik und der speziellen Relativitätstheorie unterscheiden sich beispielsweise deutlich, wenn die betrachteten Objekte sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Im Alltag kann man die Unterschiede nicht feststellen, da die klassische Mechanik der Grenzfall der speziellen Relativitätstheorie ist, wenn die Geschwindigkeit wesentlich geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit. Daher ist die klassische Mechanik im Alltag die angemessene Theorie. # Geometrie: Zu jeweils einer Geraden und einem Punkt, der nicht auf dieser Geraden liegt, gibt es genau eine Parallele durch diesen Punkt. Diese Aussage hat man lange versucht aus den anderen Axiomen der Geometrie zu folgern. Dadurch, dass man zeigen konnte, dass die Geometrie, in der die Parallelenaussage nicht gilt, zu sinnhaften Modellen führen, hatte man bewiesen, dass die Parallelenaussage ein zu den übrigen Geometrieaxiomen unabhängiges Axiom ist (siehe nichteuklidische Geometrie). # Mathematik: Der Mathematiker Georg Cantor hatte eine Definition für den Begriff Menge vorgeschlagen. Die daraus resultierende Theorie wurde von Bertrand Russell als widersprüchig nachgewiesen mit der Paradoxie: Die Menge aller Mengen, die sich selbst nicht als Element enthalten. Diese "Menge" ist eine Menge im Sinne Cantors. Aber die Aussage bezogen auf diese Menge: Diese Menge ist Element ihrer selbst stellt eine Paradoxie dar. Trotzdem genügt es in der Schulmathematik mit dieser naiven Mengenlehre zu arbeiten. Die Mathematiker verwenden jetzt in der Regel die Zermelo-Fraenkel-Mengenlehre.

Weitere Beobachtungen zum Theoriebegriff

Die methodische Art und Weise, wie Theorien zustandekommen, wie also der Zuwachs an Wissen stattfindet, ist umstritten. In der Fortentwicklung von Theorien wird gelegentlich zwischen Induktion und Deduktion unterschieden: :Bei der Theorienbildung durch Induktion geht man davon aus, dass der Wissenschaftler im empirischen Prozess Datenmaterial erarbeitet, in dem schließlich innere Strukturen und Gesetzmäßigkeiten sichtbar werden. Weitere positiv verlaufende Experimente sollen die Theorie bestätigen und sind die Bausteine einer Verifikation (Beweisführung), die letztlich in naturgesetzlicher Sicherheit (Wahrheit) münden soll. :Bei der Theorienbildung durch Deduktion geht man davon aus, dass der Wissenschaftler durch kreative Akte sinnvolle Hypothesen erzeugt, deren Übereinstimmung mit dem Datenmaterial er anschließend überprüft. Weitere Experimente müssen mit dem ernsthaften Ziel der Falsifikation (Widerlegung) unternommen werden. Nur in dem Ausmaß wie sich Theorien bewähren (der Falsifikation entziehen), kann relative Sicherheit gewonnen werden. In der Praxis der Wissenschaft mischen sich induktive und deduktive Elemente ohne Probleme, so dass diese Frage mehr eine wissenschaftstheoretische und weltanschauliche Bedeutung besitzt. Bietet die Wissenschaft mit ihren Theorien einen Weg zu absoluter Wahrheit oder zu einer schrittweise stattfindenden Annäherung an die Wahrheit (der man sich jedoch nie ganz gewiss sein kann)? Diese zweite, auf Karl Popper zurückgehende, Position wird derzeit von der Mehrheit der Naturwissenschaftler bevorzugt. In der Soziologie wurde - für die Sozialwissenschaften allgemein - das Konzept der Theorie mittlerer Reichweite entwickelt. In der Umgangssprache wird der Begriff meist im Sinne von "nur eine Theorie" verstanden, und bezieht sich dann lediglich auf besonders unsichere Erkenntnisse. Dies hat nicht viel mit der wissenschaftlichen Definition von "Theorie" zu tun, und führt leider häufig zu Missverständnissen: Beispielsweise bedeutet der Begriff "Relativitätstheorie" nicht, wie oftmals (von nicht-Wissenschaftlern) fälschlich angenommen, dass diese im Sinne von "nur eine Theorie" besonders unsicher sei. Selbstverständlich ist sie falsifizierbar, aber das Teilwort "-theorie" besagt nichts über die (Un-)Sicherheit der in ihr enthaltenen Aussagen.

Alltagstheorien

Auch wenn Menschen sich nicht immer dessen bewusst sind: sie handeln im Alltag nach Theorien, die sie sich im Laufe ihres Lebens aufgebaut haben. Im Kleinkindalter werden beim Spielen z.B. unbewusst physikalische Experimente gemacht, die ein schlussfolgerndes physikalisches Denken begründen. Weitere praktische Erfahrungen auch im sozialen und kulturellen Bereich schaffen den Raum für Erkenntnisse, die den Aufbau von persönlichen Alltagstheorien schaffen. Der Grad der Kohärenz ihrer Theorie richtet sich nach dem Stand ihrer Reflexion. So ist davon auszugehen, dass Kenntnisse in Psychologie und Soziologie eine größere Kohärenz beispielsweise bei Erziehungsmaßnahmen oder generell beim Umgang mit anderen Menschen sichern. Alltagstheorien sind in allen Lebensbereichen wirksam und beeinflussen das Wahlverhalten, die Haltung gegenüber Ausländern und gegenüber Minderheiten, die Freizeitgestaltung und die Art und Weise, wie man Werte in der Öffentlichkeit vertritt. Verdeckte Alltagstheorien bewusst zu machen, ist eine Aufgabe des Bildungssystems.

Zitate

Es gibt zahlreiche Zitate zum Thema Theorie, siehe in Wikiquote: [http://de.wikiquote.org/wiki/Theorie de.wikiquote.org/wiki/Theorie]

Siehe auch

- Physikalische Theorie
- Instinkttheorie
- Liste der Theorien / Überholte Theorien
- Wissenschaftstheorie
- Liste griechischer Suffixe
- Liste lateinischer Suffixe
- Thesenpapier, Induktion (Logik), Abduktion, Statistik, Nullhypothese, Rhetorik, Dialektik, Fehler 1. und 2. Art

Literatur

- Stephen Hawking: Die Illustrierte Kurze Geschichte der Zeit. ISBN 3-499-61487-1
- Immanuel Kant: Über den Gemeinspruch: Das mag in der Theorie richtig sein, taugt aber nicht für die Praxis. (1793). Neuerer Abdruck in: Schriften zur Geschichtsphilosphie, Immanuel Kant, Stuttgart 1985 (reclam).
- Kurt Lewin: Feldtheorie in den Sozialwissenschaften. Bern, Stuttgart: Huber, 1963
- Joachim Ritter: Die Lehre vom Ursprung und Sinn der Theorie bei Aristoteles, in: Veröffentlichungen der Arbeitsgemeinschaft für Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen, Geisteswissenschaften 1 (1953), S. 32-54.
- Helmut Seiffert und Gerard Radnitzky: Handlexikon der Wissenschaftstheorie, Deutscher Taschebuchverlag (DTV) 1992, ISBN 3-423-04586-8
Weblinks

- [http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/amueller/theorie.html Andreas Müller: Alles graue Theorie?]
- [http://www.ldl.de/material/aufsatz/aufsatz2002-2.pdf Jean-Pol Martin: Weltverbesserungskompetenz als Lernziel? (2002)] (Vorschlag einer praktischen Alltagstheorie) Kategorie:Wissenschaftstheorie Kategorie:Logik ja:理論

Grundkräfte der Physik

Die Grundkräfte der Physik sind die Kräfte, die allen physikalischen Phänomenen der Natur zugrunde liegen. Die Physik kennt vier Grundkräfte, die starke Wechselwirkung, die elektromagnetische Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die Gravitation.

Starke Wechselwirkung

- verantwortlich für den Zusammenhalt der Atomkerne
- sehr kurze Reichweite von 2,5·10^-15 m aufgrund des sog. Confinement
- stärkste aller bekannten Wechselwirkungen
- wirkt ausschließlich anziehend
- postuliertes Überträgerteilchen ist das Gluon.

Elektromagnetische Wechselwirkung

- verantwortlich für die meisten alltäglichen Phänomene (Licht, Elektrizität und Magnetismus, Chemie, Festkörpereigenschaften, ...)
- unendliche Reichweite
- positive und negative Ladungen können einander in der Fernwirkung kompensieren
- kann anziehend oder abstoßend wirken, je nach Vorzeichen der beteiligten Ladungen
- im Vergleich zur starken Wechselwirkung 10^-2-mal so stark
- Überträgerteilchen ist das Photon

Schwache Wechselwirkung

- verantwortlich für bestimmte radioaktive Zerfallsprozesse (z.B. Betazerfall)
- sehr kurze Reichweite von 10^-17 m aufgrund massiver Überträgerteilchen
- im Vergleich zur starken Wechselwirkung 10^-5 -mal so stark
- Überträgerteilchen sind die Teilchen Z⁰, W⁺ und W^-

Gravitation

- dominiert die großräumigen Strukturen des Universums, da nicht abschirmbar
- unendliche Reichweite
- wirkt ausschließlich anziehend.
- schwächste aller Wechselwirkungen, im Vergleich zur starken Wechselwirkung nur 10^-38-mal so stark
- postuliertes, bislang nicht nachgewiesenes Überträgerteilchen ist das Graviton. Tabellarisch: Im Rahmen der klassischen Physik wurden die Kraftgesetze für die Gravitation und die elektromagnetische Wechselwirkung als Axiome betrachtet. In der Quantenfeldtheorie dagegen werden alle vier Kräfte auf den Austausch von virtuellen Bosonen zurückgeführt. Die Stärken dieser vier Grundkräfte nähern sich mit zunehmender kinetischer Energie der Teilchen, zwischen denen sie wirken, an. Man geht davon aus, dass alle vier Grundkräfte bei den extrem hohen Energien, wie sie unmittelbar nach dem Urknall vorherrschten, gleich stark waren.

Vereinheitlichende Theorien

Eines der Ziele der Physik ist es, alle Grundkräfte oder Wechselwirkungen in einem vereinheitlichten Gesamtkonzept zu beschreiben. Damit könnte es möglich sein, alle bekannten Kräfte auf eine einzige Grundkraft zurückzuführen. Man spricht hier von vereinheitlichten Theorien. Die Theorie, die alle vier bekannten Grundkräfte berücksichtigt, wird die Weltformel oder Theory of Everything (TOE) genannt. Als große vereinheitlichte Theorie oder Grand Unification Theory (GUT) bezeichnet man eine Theorie, die drei der vier bekannten physikalischen Grundkräfte vereinigen würde, nämlich die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die elektromagnetische Wechselwirkung. Beispielsweise ist die elektromagnetische Wechselwirkung eine Vereinheitlichung der elektrischen und der magnetischen Wechselwirkung. Ebenso ist es gelungen, die elektromagnetische Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung in der Quantenfeldtheorie der elektroschwachen Wechselwirkung vereinheitlicht zu beschreiben. Es handelt sich daher nach dem gegenwärtigen Stand unseres Wissens streng genommen nur um drei verschiedene und voneinander unabhängige Grundkräfte. Die folgende Tabelle beschreibt dieses Verhältnis verschiedener Grundkräfte zueinander und die den Grundkräften zugeordnete Theorienhierarchie der Physik:

Siehe auch

- Eichboson

Weblinks

- [http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/grundl_d_tph/sm_ww/sm_ww_04.html Die 4 Wechselwirkungen (Grundkräfte), gut erklärt] Kategorie:Physik ja:基本相互作用 ko:기본 상호작용

Starke Wechselwirkung

Die starke Wechselwirkung ist eine der vier Grundkräfte der Physik. Sie ist unter anderem für den Zusammenhalt der Quarks und aller daraus zusammengesetzter Teilchen z.B. Nukleonen, d. h. Protonen und Neutronen, im Atomkern verantwortlich und wird in diesem Zusammenhang auch als Kernkraft bezeichnet. Sie ist deutlich stärker als die elektromagnetische Wechselwirkung und kann daher Atomkerne entgegen der gegenseitigen elektrischen Coulomb-Abstoßung der Protonen stabilisieren. Der starken Wechselwirkung unterliegen alle Hadronen, d. h. Nukleonen, Mesonen, Baryonen und Hyperonen. Wie die elektromagnetische Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung wird auch sie durch den Austausch von Bosonen (Austauschteilchen) beschrieben. Diese Austauschteilchen werden im Falle der starken Wechselwirkung als Gluonen bezeichnet, von denen es acht verschiedene Sorten (unterschiedliche Ladungszustände) gibt. Die Gluonen übertragen eine so genannte Farbladung zwischen den Quarks. Ein Gluon kann dabei mit anderen Gluonen interagieren und Ladungen unterwegs austauschen. In der Beschreibung der starken Wechselwirkung muss unterschieden werden zwischen der Wechselwirkung der Quarks selber und der effektiven Wechselwirkung der aus Quarks zusammengesetzten Teilchen. Die Wechselwirkung der Quarks ist asymptotisch frei und bewirkt das Confinement (deutsch Einschließung) der Quarks. Das heißt, dass das Verhalten sich bei kurzen Distanzen und großen Impulsen der freien Theorie annähert, während bei größeren Abständen die Kräfte zwischen den Quarks immer größer werden und bewirken, dass keine freien Quarks existieren. Die starke Wechselwirkung zwischen zusammengesetzten Teilchen, die immer die Farbladung 0 haben, nimmt dagegen bei Vergrößerung der Abstände exponentiell ab, und kann phänomenologisch als Austausch von Mesonen beschrieben werden. Historisch wurde die geringe Reichweite der starken Wechselwirkung durch das Mesonen-Austauschmodell (Yukawa Potenzial) erklärt. Hier wird in einer effektiven Theorie der Zusammenhalt des Atomkerns auf den Austausch von Pionen zwischen den Protonen und Neutronen des Atomkerns zurückgeführt. Die Masse der Pionen bedingt dann die kurze Reichweite der Wechselwirkung von ca. 2,5·10^-15 m. Erst die streng mathematische Beschreibung der starken Wechselwirkung mittels der Quantenchromodynamik, einer Quantenfeldtheorie, erlaubt ein Verständnis der zugrundeliegenden Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen.

Siehe auch:

- Grundkräfte der Physik
- Eichboson Kategorie:Physik Kategorie:Kernphysik Kategorie:Teilchenphysik ja:強い相互作用 ko:강한 상호작용

Elektromagnetische Wechselwirkung

Die klassische Elektrodynamik oder Elektrodynamik ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit den elektromagnetischen Wellen, den elektrischen und magnetischen Feldern und Potenzialen und der Dynamik elektrisch geladener Teilchen und Objekte beschäftigt.

Die Theorie

Die Elektrodynamik basiert auf den Maxwellgleichungen, die das Zusammenspiel von elektrischen und magnetischen Feldern und mit elektrischen Ladungsträgern beschreiben. Sie wird 'klassisch' genannt, da sie quantenmechanische Aspekte nicht berücksichtigt. Das elektrische und magnetische Feld lassen sich mittels Potenzialen beschreiben: Dem skalaren Potenzial

\phi

und dem Vektorpotenzial

\vec A

. Es gilt: :

\vec E = -\operatorname\,\phi -\frac\vec A

\vec B = \operatorname\,\vec A

Die Tatsache, dass das Vektorpotenzial in beiden Feldern auftritt, demonstriert, dass elektrisches und magnetisches Feld in Wirklichkeit zwei Erscheinungsformen eines einzigen Feldes, des so genannten elektromagnetischen Feldes sind. In der relativistischen Formulierung der Elektrodynamik wird dies auch unmittelbar deutlich, da dort elektrisches und magnetisches Feld als Komponenten einer einzigen Größe, des elektromagnetischen Feldtensors auftreten. Durch das elektrische und magnetische Feld werden die Potenziale nicht eindeutig festgelegt, das heißt, es gibt mehrere verschiedene Werte von

\phi

und

\vec A

, die zu den gleichen Feldern, und somit auch zur gleichen Physik führen. Diese Eigenschaft der Potenziale nennt man Eichinvarianz, und eichinvariante Theorien wie die Elektrodynamik nennt man Eichtheorien. Transformationen der Potenziale, die zu denselben Feldern führen, heißen Eichtransformationen. Die Eichtransformationen der Elektrodynamik lauten :

\vec A'(\vec x, t) = \vec A(\vec x, t) + \operatorname\, \chi(\vec x, t)

\phi'(\vec x, t) = \phi(\vec x, t) - \frac\chi(\vec x, t)

wobei

\chi(\vec x, t)

eine beliebige skalare Funktion ist. Nach dem Noether-Theorem gehört zu jeder kontinuierlichen Symmetrie eine Erhaltungsgröße. Die Eichinvarianz ist eine kontinuierliche Symmetrie, und die zugehörige Erhaltungsgröße ist gerade die elektrische Ladung.

Spezialfälle der Elektrodynamik

Die Elektrostatik ist der Spezialfall unbewegter elektrischer Ladungen und statischer (sich nicht mit der Zeit ändernder) elektrischer Felder. Sie kann aber in Grenzen auch verwendet werden, solange die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der Ladungen und die Änderungen der Felder klein sind. Die Magnetostatik beschäftigt sich mit dem Spezialfall konstanter Ströme in insgesamt ungeladenen Leitern und konstanter Magnetfelder. Sie kann aber ebenfalls für hinreichend langsam veränderliche Ströme und Magnetfelder verwendet werden. Die Kombination aus beiden, Elektromagnetismus, könnte beschrieben werden als Elektrodynamik der nicht zu stark beschleunigten Ladungen. Die meisten Vorgänge in elektrischen Schaltkreisen (z.B. Spule, Kondensator, Transformator) lassen sich bereits auf dieser Ebene beschreiben. Ein stationäres elektrisches oder magnetisches Feld bleibt nahe seiner Quelle, wie zum Beispiel das Erdmagnetfeld. Ein sich veränderndes elektromagnetisches Feld kann sich jedoch von seinem Ursprung entfernen. Das Feld bildet eine elektromagnetische Welle im Zusammenspiel zwischen magnetischem und elektrischem Feld. Diese Abstrahlung elektromagnetischer Wellen wird in der Elektrostatik vernachlässigt. Die Beschreibung des elektromagnetischen Feldes beschränkt sich hier also auf das Nahfeld. Elektromagnetische Wellen hingegen sind die einzige Form des elektromagnetischen Feldes, die auch unabhängig von einer Quelle existieren kann (sie werden zwar von Quellen erzeugt, können aber nach ihrer Erzeugung unabhängig von der Quelle weiterexistieren). Da Licht sich als elektromagnetische Welle beschreiben lässt, ist auch die Optik letztlich ein Spezialfall der Elektrodynamik.

Elektrodynamik und Relativitätstheorie

Im Gegensatz zur klassischen Mechanik ist die Elektrodynamik nicht galilei-invariant. Das bedeutet, wenn man, wie in der klassischen Mechanik, einen absoluten, euklidischen Raum und eine davon unabhängige absolute Zeit annimmt, dann kann die Elektrodynamik nicht in jedem Inertialsystem gelten. Einfaches Beispiel: Ein mit konstanter Geschwindigkeit fliegendes geladenes Teilchen ist von einem elektrischen und einem magnetischen Feld umgeben. Ein mit gleicher Geschwindigkeit nebenan fliegendes, gleichgeladenes Teilchen erfährt durch das elektrische Feld eine abstoßende Kraft (gleichnamige Ladungen stoßen sich ab), aber gleichzeitig durch das Magnetfeld eine anziehende Lorentzkraft, die die Abstoßung teilweise kompensiert (bei Lichtgeschwindigkeit wäre die Kompensation vollständig). Wechseln wir nun in das Bezugssystem der beiden Ladungsträger, so stellen wir fest, dass der erste Ladungsträger ruht, so dass er gar kein magnetisches Feld hat, und auch der zweite Ladungsträger ruht, so dass er selbst von einem vorhandenen Magnetfeld nicht abgelenkt würde. Somit wirkt in diesem Bezugssystem nur die Coulombkraft, und der Ladungsträger wird stärker beschleunigt, als aus dem Bezugssystem gesehen, in dem sich beide Ladungen bewegen. Dies widerspricht aber der Tatsache, dass in der newtonschen Physik die Beschleunigung nicht vom Bezugssystem abhängt. Diese Tatsache führte zunächst zur Annahme, in der Elektrodynamik gäbe es ein bevorzugtes Bezugssystem (Äthersystem). Versuche, die Geschwindigkeit der Erde gegen den Äther zu messen, schlugen jedoch fehl. Albert Einstein löste dieses Problem in seiner speziellen Relativitätstheorie, indem er Newtons absoluten Raum und absolute Zeit durch eine vierdimensionale Raumzeit ersetzte. In der Relativitätstheorie tritt an die Stelle der Galilei-Invarianz die Lorentz-Invarianz, die von der Elektrodynamik erfüllt wird. In der Tat lässt sich die Verringerung der Beschleunigung und damit die magnetische Kraft im obigen Beispiel über eine Rücktransformation der Beobachtungen im bewegten System in das ruhende System als Folge der Längenkontraktion und Zeitdilatation berechnen. In gewisser Weise lässt sich daher die Existenz von magnetischen Phänomenen letztlich auf die Struktur von Raum und Zeit zurückführen, wie sie in der Relativitätstheorie beschrieben wird. Unter diesem Gesichtspunkt erscheint auch die Struktur der Grundgleichungen für statische Magnetfelder mit ihren Kreuzprodukten weniger verwunderlich.

Erweiterungen

Die Quantenelektrodynamik (QED) vereint die Elektrodynamik mit quantenmechanischen Konzepten. Die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung vereinigt die QED mit der schwachen Wechselwirkung und ist Teil des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Die Struktur der QED ist ebenfalls Ausgangspunkt für die Quantenchromodynamik (QCD), welche die starke Wechselwirkung beschreibt. Allerdings ist die Situation dort noch komplizierter (z.B. drei Ladungsarten, siehe Farbladung). Eine Vereinheitlichung der Elektrodynamik mit der allgemeinen Relativitätstheorie (Gravitation) ist unter dem Namen Kaluza-Klein-Theorie bekannt, und stellt einen frühen Versuch zur Vereinheitlichung der fundamentalen Wechselwirkungen dar.

Literatur

- Demtröder, Wolfgang: Experimentalphysik. Bd.2 : Elektrizität und Optik Springer, Berlin 2004, ISBN 3540202102
- Jackson, John D.: Klassische Elektrodynamik Gruyter, Berlin 2002, ISBN 3110165023

Siehe auch

- Theoretische Elektrotechnik
- Elektrizität
- Rechte-Hand-Regel
- Rechtssystem (Mathematik)
- Portal:Physik
- Monopol (Physik)
- Ponderomotorische Kräfte
- Korkenzieherregel

Weblinks

- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/materialseiten/m08_elektromagnetismus.htm Versuche und Aufgaben zur Elektrodynamik] Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Elektrodynamik ja:電磁気学 ko:전자기학

Gravitation

Die Gravitation bezeichnet das Phänomen der gegenseitigen Anziehung von Massen. Sie ist die Ursache der irdischen Schwerkraft oder Erdanziehung, die die Erde auf Objekte ausübt. Sie bewirkt damit beispielsweise, dass Gegenstände zu Boden fallen. Die Gravitation bestimmt auch die Bahn der Erde und der anderen Planeten um die Sonne, und sie spielt eine bedeutende Rolle in der Kosmologie.

Einführung

Die Gravitation wurde erstmals von dem britischen Physiker und Mathematiker Isaac Newton mathematisch beschrieben. Das von ihm formulierte newtonsche Gravitationsgesetz war die erste physikalische Theorie, die sich in der Astronomie anwenden ließ. Es bestätigt die bereits zuvor entdeckten keplerschen Gesetze der Planetenbewegung und damit ein grundlegendes Verständnis der Dynamik des Sonnensystems mit der Möglichkeit präziser Vorhersagen bezüglich der Bewegung von Planeten, Monden und Kometen. In der 1916 von Albert Einstein aufgestellten allgemeinen Relativitätstheorie wird die Gravitation auf eine Krümmung der Raumzeit zurückgeführt, die unter anderem durch die beteiligten Massen provoziert wird. Das newtonsche Gravitationsgesetz ergibt sich dabei als nichtrelativistischer Grenzfall für die Situation hinreichend schwacher Raumzeitkrümmung, wie sie beispielsweise in unserem Planetensystem herrscht. Die korrekte Beschreibung von Neutronensternen und schwarzen Löchern oder die Erklärung der Periheldrehung des Merkur sind aber der allgemeinen Relativitätstheorie vorbehalten. Die Gravitation ist die schwächste der vier bekannten Grundkräfte der Physik. Aufgrund ihrer unbegrenzten Reichweite und des Umstandes, dass sie sich nicht abschirmen lässt, ist sie dennoch die Kraft, die die großräumigen Strukturen des Kosmos prägt. Sie spielt daher in der Kosmologie eine entscheidende Rolle.

Das newtonsche Gravitationsgesetz

Das newtonsche Gravitationsgesetz besagt, dass die Gravitationskraft

F

, mit der sich zwei Massen

m_1

und

m_2

anziehen, proportional zu den Massen beider Körper, der Gravitationskonstanten

G

und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes

r

der Massenschwerpunkte ist: :

F = G\,\frac

wobei :

G = (6,6742\pm 0,0010) \cdot 10^\;\mathrm

. Danach ist die Gravitationskraft eine Wechselwirkung, die auch wie im Falle der Anziehung zwischen Erde und Sonne durch das Vakuum wirkt. Man bezeichnet sie als Fernwirkungskraft, die sich mittels Kraftfeldern beschreiben lässt. Im Rahmen der newtonschen Physik wird dabei angenommen, dass sich Veränderungen des Feldes durch Bewegungen der Massen instantan im Raum ausbreiten. Aus dem newtonschen Gravitationsgesetz folgt, dass die Gravitation an einem Punkt einer sphärisch symmetrischen (kugelförmigen) Massenverteilung im Abstand r von ihrem Schwerpunkt stets so groß wie die Gravitation einer Punktmasse in diesem Schwerpunkt ist, deren Masse gerade der Teil der Gesamtmasse entspricht, der sich innerhalb der Kugel mit dem Radius r befindet. Innerhalb einer homogenen Kugel bedeutet das, dass die Gravitationskraft proportional zum Abstand vom Mittelpunkt ist. Die Gravitation einer homogenen Kugel im Vakuum ist daher an ihrer Oberfläche am größten. Das gilt auch für die Erde.

Allgemeine Relativitätstheorie

In der allgemeinen Relativitätstheorie werden Raum und Zeit als Einheit beschrieben, die als Raumzeit bezeichnet wird. Diese Raumzeit wird lokal durch die Anwesenheit von Massen gekrümmt. Ein Gegenstand, auf den keinerlei Kraft ausgeübt wird, bewegt sich zwischen zwei Punkten der Raumzeit stets entlang des geradlinigsten Weges, einer so genannten Geodäte. Die Gravitation lässt sich auf diese Weise auf ein geometrisches Phänomen in einer gekrümmten Raumzeit zurückführen. In diesem Sinne reduziert die allgemeine Relativitätstheorie die Gravitationskraft auf den Status einer Scheinkraft. In der Relativitätstheorie wird die Gravitation zwischen zwei Massen damit über die lokale Krümmung der Raumzeit vermittelt, wobei sich Änderungen nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten können. Die Gravitation hat daher den Status einer Nahwirkungskraft. Die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitation bedingt bei Systemen beschleunigter Massen die Existenz von Gravitationswellen.

Gravitation und Quantentheorie

Falls die Gravitation durch eine Quantenfeldtheorie beschreibbar ist (Quantengravitation), sollte das Graviton, ein bislang noch nicht nachgewiesenes, hypothetisches Teilchen, existieren. Das Graviton hätte dann eine dem Photon der elektromagnetischen Wechselwirkung analoge Rolle.

Literatur

- Charles W. Misner, Kip S. Thorne, John Archibald Wheeler, Gravitation, Freeman, 23rd Printing 2000, ISBN 0-7167-0344-0 (englisches Standardwerk für Physiker)
- Claus Kiefer:Gravitation, Fischer kompakt, 2002; ISBN 3-596-15357-3

Siehe auch

- Gewicht
- Träge Masse
- Wurfparabel
- Gravitationsfeld
- Schwerelosigkeit
- Gravitationswelle
- Einsteinsche Feldgleichungen
- Erdbeschleunigung
- Ortsfaktor
- Erdmessung
- Physikalische Konstanten
- Beschleunigung
- Oberflächenbeschleunigung

Weblinks

- [http://www.aei.mpg.de Max-Planck-Institut für Gravitations-Physik]
- [http://www.geo600.uni-hannover.de GEO 600 Home Page (Hannover)]
- [http://www.zeit.de/2003/02/N-Naturkonstanten Newtons Gravitationskonstante]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/didaktik/U_materialien/leifiphysik/web_ph11/materialseiten/m10_gravitation.htm Versuche und Aufgaben zum Gravitationsgesetz] Kategorie:Gravitation Kategorie:Himmelsmechanik Kategorie:Allgemeine Relativitätstheorie Kategorie:1666 ja:重力 zh-min-nan:Tāng-le̍k

Stringtheorie

Die Superstringtheorie, oft auch nur Stringtheorie genannt, ist der Hauptkandidat für eine TOE (Theory of Everything). Der Begriff Superstringtheorie soll ausdrücken, dass ein wichtiger Bestandteil der Stringtheorie die so genannte Supersymmetrie ist. Das letztliche Ziel ist es, die beiden Hauptpfeiler der heutigen Physik zu vereinigen: die Allgemeine Relativitätstheorie, welche bei Strukturen im Großen gültig ist, und die Quantenfeldtheorie, die im Mikrokosmos angewendet wird. Darüber hinaus erscheinen sozusagen als Nebenprodukt Elementarteilchen und ihre Eichwechselwirkungen, weswegen die Stringtheorie eine Vereinheitlichung der bekannten Grundkräfte der Natur (Quantenelektrodynamik, Quantenchromodynamik, Schwache Wechselwirkung, Gravitation) bewirkt.

Die Stringtheorie - Aussagen und Probleme

Die primäre Aussage der Stringtheorie ist: Alle verschiedenen Elementarteilchen-Sorten manifestieren sich als unterschiedliche Anregungszustände einer einzigen Art von Objekten, den so genannten Strings. Die Strings der Stringtheorie sind eindimensionale Fäden, welche wie Saiten (daher auch der englische Name string) in einem vieldimensionalen Raum schwingen. Je nachdem, mit welcher "Frequenz" (Energie) und in welchen der Raumdimensionen die Strings schwingen, stellen sie unterschiedliche Varianten von Elementarteilchen dar. Ein intuitiver Vorteil der Stringtheorie ist damit, dass sogenannte Punktteilchen umgangen werden können, die traditionell für große Schwierigkeiten in Form von unendlichen Größen in der mathematischen Formulierung verantwortlich waren. Nach den Vorstellungen der Stringtheoretiker entsprechen die beobachteten Teilchen wie z. B. Elektronen oder Quarks (nahezu) masselosen Anregungszuständen ("Nullmodi") von Strings. Besonders ermutigend ist, dass einer dieser masselosen Zustände genau die Eigenschaften des hypothetischen Gravitons hat. Das bedeutet letztlich, dass die Superstringtheorie die Gravitationswechselwirkung als Untersektor enthält. Analoges gilt für Eichbosonen, welche Eichwechselwirkungen vermitteln. Daneben gibt es ein Vibrationsspektrum von unendlich vielen Schwingungsmoden, welche aber zu hohe Massen (Energien) haben, um direkt beobachtet werden zu können. Denn aus theoretischen Überlegungen sollten Strings eine Ausdehnung in der Größenordnung der Planck-Länge besitzen, was bedeutet, dass die Vibrationsmodi Massen besitzen, die ein Vielfaches von ca. 10¹⁹ Giga-Elektronenvolt betragen; das liegt um viele Größenordnungen über dem, was man experimentell beobachten kann. Daher wird man auf einen direkten Nachweis dieser Vibrationsmodi verzichten müssen und stattdessen versuchen, im Sektor der (nahezu) masselosen Teilchenanregungen Eigenschaften zu finden, die spezifisch für die Stringtheorie und gleichzeitig experimentell beobachtbar sind. Dies stößt aber auf die Schwierigkeit, dass gerade der zugängliche masselose Sektor in nur geringem Maß von der zugrundeliegenden Stringtheorie bestimmt wird (zumindest nach heutigen Erkenntnissen). Das liegt daran, dass Superstringtheorien natürlicherweise in 10 oder 11 Dimensionen formuliert werden und nur in diesen Dimensionen ein mehr oder weniger eindeutiges Spektrum haben. Um auf unsere 4-dimensionale Raum-Zeit zu kommen, muss man eine sog. Kompaktifizierung (grob: Aufwicklung) der 6 bzw. 7 "überschüssigen" Dimensionen postulieren, die der direkten Beobachtung nicht zugänglich sind. Der Punkt ist, dass der Prozess dieser Kompaktifizierung bei weitem nicht eindeutig ist und zu einer Überfülle von möglichen 4-dimensionalen Theorien führt. Bislang hat man keine Eigenschaften des masselosen Sektors finden können, welche spezifisch für die Stringtheorie und in naher Zukunft experimentell (z. B. mit dem LHC) überprüfbar wären. Deshalb ist ein großer Teil der Forschung mehr mit theoretischen und konzeptionellen Fragen beschäftigt, z. B. mit Problemen, die im Zusammenhang mit der Quantisierung von Schwarzen Löchern stehen.

Einzelne Theorien und Dualität

Die Stringtheorie wurde ursprünglich rein mathematisch aus Symmetrie- und Konsistenzprinzipien abgeleitet. Hieraus ließen sich fünf Stringtheorien (Typ I, Typ IIA, Typ IIB, O-heterotisch, E-heterotisch) entwickeln, die sich später als verschiedene Approximationen einer umfassenden Theorie (M-Theorie) herausstellten. Der Nachweis, dass es sich bei diesen Theorien um Aspekte einer einzelnen Theorie handelt, wurde durch Aufzeigen von Dualitäten zwischen den einzelnen Stringtheorien erbracht. Ein interessantes Ergebnis dieser Vereinigung der Teiltheorien war, dass die elfdimensionale Supergravitation als weiterer Grenzfall der M-Theorie erkannt wurde. Diese enthält aber keine Strings, sondern ist eine Teilchen-Approximation von 2- und 5-dimensionalen Membranen. Das verdeutlicht, dass die Stringtheorie mehr enthält als nur eindimensionale Strings, und in der Tat hat sich in den letzten Jahren gezeigt, dass höherdimensionale Membranen (D-branes) eine sehr wichtige Rolle in der Stringtheorie spielen. Ein neues kosmologisches Modell nutzt diese Membranen als Erklärungsmodell, um die theoretischen Unzulänglichkeiten des Urknallmodells zu umgehen (ekpyrotisches Universum). Wichtige Beiträge zur Stringtheorie wurden u. a. von Michael Green, John Schwarz und Edward Witten geleistet.

Siehe auch

- Loop-Quantengravitation

Literatur

Populärwissenschaftliche Bücher

- Brian Greene: The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, ISBN 0393058581. (Das elegante Universum, 2002, ISBN 3442760267)
- Brian Greene: Der Stoff, aus dem der Kosmos ist - Raum, Zeit und die Beschaffenheit der Wirklichkeit, 2004, ISBN 388680738X

Lehrbücher

- Michael Green, John Schwarz und Edward Witten, Superstring theory, Cambridge University Press (1987).
- Vol. 1: Introduction, ISBN 0-521-35752-7.
- Vol. 2: Loop amplitudes, anomalies and phenomenology, ISBN 0-521-35753-5.
- Clifford Johnson, D-branes, Cambridge University Press (2003). ISBN 0-521-80912-6.
- Joseph Polchinski, String Theory, Cambridge University Press (1998).
- Vol. 1: An introduction to the bosonic string, ISBN 0-521-63303-6.
- Vol. 2: Superstring theory and beyond, ISBN 0-521-63304-4.
- Zwiebach, Barton. A First Course in String Theory. Cambridge University Press (2004). ISBN 0-521-83143-1.
Weblinks

- [http://www.teilchen.at/neu_jens.shtml#a4 teilchen.at]
- [http://superstringtheory.com/index.html The Official String Theory Web Site] (in engl. Sprache)
- [http://www.mitglied.lycos.de/techfreaq/physikStringtheorie.htm Stringtheorie-Überblick]
- [http://www.sukidog.com/jpierre/strings/ Superstrings!] (in engl. Sprache)
- [http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/program.html The Elegant Universe] (gute TV Dokumentation in engl. Sprache mit Untertitel und auf der Webseite als Video verfügbar)
- [http://www.arte-tv.com/de/wissen-entdeckung/Wissen/Was_20Einstein_20noch_20nicht_20wusste/798958.html Beitrag bei Arte mit Video] simple:string theory Kategorie:Gravitation Kategorie:Teilchenphysik Kategorie:Theoretische Physik Kategorie:Physik Kategorie:Stringtheorie

Kategorie:Theoretische Physik

In diese Kategorie gehören alle Beiträge die hinreichend allgemein in der theoretischen Physik Anwendung finden. Ein Paradebeispiel ist Feld (Physik). Kategorie:Physik

Wikipedia:WikiProject Anatomy

Some Wikipedians have formed a project to better organize information in articles related to Anatomy. This page and its subpages contain their suggestions; it is hoped that this project will help to focus the efforts of other Wikipedians. If you would like to help, please inquire on the talk page and see the to-do list there.

Title

WikiProject on Anatomy

Scope

This particular project may expand in scope to become the Anatomy WikiProject (but we're starting small).

Parentage

- Science
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Participants

- Phyzome is Tim McCormack 19:05, 2005 Mar 19 (UTC)

Subproject: Gray's Anatomy

Gray's Anatomy is an incredible public domain resource for both text and images. Help gather together this treasure trove of information and integrate it into Wikipedia!

Goals

# Gather images from Gray's Anatomy and standardize the files, their descriptions, and their licensing. # Gather text from Gray's Anatomy and integrate it into Wikipedia articles, while bringing the language up to date.

Images

There is a gallery of all Gray's images at Wikipedia:Gray's Anatomy images with missing articles. Let's say you see "Missing Image: Gray310.png". Here's how to upload it: # Find the image at http://www.bartleby.com/107/illus310.html # Copy caption from beneath image. In this case, it is "Articulation of the mandible. Medial aspect." # Convert to PNG format. # Upload image to http://commons.wikimedia.org as Gray310.png # Image description for images: # Add a few appropriate category labels and/or add the image to an appropriate gallery. And on to the next one!

Text

Text needs to be brought up-to-date into modern language. Anatomy

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