Kleines Lexikon physikalischer Begriffe zu Raum und Zeit
Absolute Zeit
Lineare Zeit, die unabhängig von den Ereignissen und den räumlichen Dimensionen
existiert, auch newtonsche Zeit genannt. Newton stellte sich die Zeit als universell
gültig vor, wobei die Gleichzeitigkeit von zwei Ereignissen im ganzen Universum
unabhängig vom Beobachter existiert." Die absolute, wahre und mathematische Zeit
verfließt an sich und vermöge ihrer Natur gleichförmig und ohne Beziehung auf
irgendeinen äußeren Gegenstand"
Antiteilchen
Zu jedem Teilchen der "normalen" Materie existiert ein Antiteilchen. Sie besitzen gleiche Masse und Spin, tragen aber
eine entgegengesetzte Ladung. Wenn ein Teilchen und sein entsprechendes Antiteilchen
aufeinandertreffen, so vernichten sie einander und es entsteht elektromagnetische
Strahlung. Bisher wurde nur wenig Antimaterie im Kosmos beobachtet und es ist unklar,
warum die Natur eine von zwei möglichen Formen der Materie bevorzugt. Allerdings können
die Antiteilchen heute von den Physikern mit Beschleuniger künstlich erzeugt werden. Das
Antiteilchen des Elektrons bezeichnet man als Positron. Es wurde 1932 durch Anderson bei
der Durchsicht von Nebelkammeraufnahmen zufällig entdeckt, obwohl seine Existenz durch
die relativistische Quantentheorie bereits vorausgesagt worden war. Eine moderne
Interpretation nach Feynman besagt, dass das Positron auch als ein Elektron angesehen
werden kann, das in der Zeit rückwärts reist.
Avancierte Potentiale
Gewöhnliches Licht (d.h. elektromagnetische Strahlung) bezeichnet man als retardiert,
weil ein Empfang der Lichtwellen der Aussendung immer zeitlich nachfolgt. Umgekehrt
handelt es sich bei avancierten Lichtwellen um elektromagnetische Wellen bei denen der
Empfang zeitlich vor der Aussendung liegt. D.h. die avancierten Wellen kommen aus der
Zukunft. Beide Formen der elektromagnetischen Wellenausbreitung werden von den
Maxwellschen Gleichungen der klassischen Elektrodynamik zugelassen. Ebenso wie die
Grundgleichungen der Mechanik zeichnen die Maxwellgleichungen keine besondere Richtung der
Zeit aus. Ein Prozess, der aus der Vergangenheit in Richtung Zukunft abläuft, ist ebenso
zulässig wie einer, der sich aus der Zukunft in die Vergangenheit bewegt. In Experimenten
sind die avancierten Potentiale allerdings bisher nicht nachgewiesen worden. Die
avancierten Lösungen der Maxwellgleichungen scheinen eine Option der Natur zu sein, die
offensichtlich nicht ausgenutzt wird. Einige Wissenschaftler glauben nun, dass die in der
Zeit rückwärts laufenden elektromagnetischen Wellen tatsächlich existieren. Allerdings
sind die avancierten Potentiale durch Umständen, die mit dem Problem der Zeitrichtung
zusammenhängen, nicht direkt nachweisbar. Es wird vermutet, dass sich ihre Wirkungen
gegenseitig stören und sich im Durchschnitt aufheben. Die Diskussion über den Status der
avancierten Lösungen der Maxwellgleichungen ist daher eng dem Problem des
Zeitpfeils verknüpft, dessen Einsinnigkeit aus den
Grundgleichungen nicht ohne Zusatzannahmen abgeleitet werden kann.
Bezugssystem
Eine Gesamtheit von materiellen Gegenständen, auf die die Physiker ihre theoretischen
Aussagen und Messungen beziehen. Dieses System oder "physikalische Laboratorium"
heißt auch Inertialsystem, wenn ein kräftefreier Körper dort in Ruhe verharrt oder sich
geradlinig und gleichmäßig bewegt. Die im System ablaufende Zeit heißt Inertialzeit.
Bezugssysteme heißen nicht-inertial, wenn die genannten Kriterien für Inertialsysteme
nicht zutreffen, insbesondere da, wo Beschleunigungen auftreten. Eine zentrale Aussage der
Einsteinschen Relativitätstheorie ist, dass die Zeit in
verschiedenen Inertialsystemen verschieden abläuft.
Chronon
Hypothetischer und diskreter Träger des Flusses der Zeit. Die gequantelte Zeit ist eine
Idee aus der Quantentheorie. In der Größenordnung der Plankschen
Zeit ( 6,3 * 10(-43) s ) verlieren die Begriffe Vorher und Nachher ihre Bedeutung.
Messbare Veränderung im Rahmen einer kausalen Zeitordnung läßt sich daher nur oberhalb
eines Zeitquantums, des Chronons, feststellen.
CPT-Theorem
Der Physiker untersucht die Größen in einem System oder einem Prozess, die bei
physikalischen Operationen invariant bleiben. Danach stellt er seine Prinzipien auf. Er
geht zunächst von etwas Bleibendem, den Invarianten, aus, auch wenn sich diese Invarianz
später als nicht gültig herausstellt. So bedeutet z.B. die Invarianz der Parität, dass
ein Phänomen und sein Spiegelbild gleich mögliche Prozesse in der Natur darstellen. Und
es gab lange Zeit keinen Grund, an dieser Paritätserhaltung zu zweifeln. Die
Spiegelinvarianz oder Parität wurde 1957 durch die beiden amerikanischen Physiker Yang
und Lee experimentell in Frage gestellt. Sie wiesen nach, dass die Parität zwar bei
starken oder elektromagnetischen Wechselwirkungen erhalten bleibt, dass sie aber bei
gewissen schwachen Wechselwirkungen verletzt wird. Zeitinvarianz bei den atomaren
Wechselwirkungen bedeutet, dass alle in der Natur vorkommenden Reaktionen zwischen
Elementarteilchen auch zeitlich umgekehrt möglich sind. Die Zeitinvarianz wird heute von
der Mehrzahl der Physiker zweifelsfrei anerkannt. Das Prinzip der Ladungsinvarianz besagt,
dass alle atomaren Prozesse gleich verlaufen, wenn man die Teilchen durch ihre
Antiteilchen ersetzt. Das von Lüders und Pauli aufgestellte
CPT-Theorem liefert den Zusammenhang zwischen den drei Invarianzen der Parität (P) , der
Ladungskonjugation (C) und der Zeitumkehr (T). Wenn die Erhaltung des Zeitoperators
absolut ist, was zur Zeit kaum bestritten wird, folgt daraus die Gültigkeit der
kombinierten Operation CP. Oder anders ausgedrückt: die Links-Rechts-Symmetrie bleibt
erhalten, wenn nur ein Teilchen in sein Antiteilchen verwandelt wird. Alle
Wechselwirkungen sind gegen gleichzeitige Vertauschung von Teilchen und Antiteilchen und
Raumspiegelung invariant. Die CPT-Invarianz besagt ferner, dass alle Rechnungen ihre
Gültigkeit besitzen, wenn man die Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt, den Raum
spiegelt und die Zeit umkehrt.
Dimensionen
Der physikalische Raum besteht aus drei unabhängigen Dimensionen, die in der
klassischen Physik zu einem flachen drei-dimensionalen, euklidischen Kontinuum
zusammengefasst werden. Diese räumliche Mannigfaltigkeit lässt sich bequem durch
kartesische Koordinaten beschreiben und erfüllt die Postulate der euklidischen Geometrie.
Zu jedem Punkt des Kontinuums gehören drei unabhängige Koordinaten mit Bezug auf einen
vorgegebenen Nullpunkt. Die drei kartesischen Koordinatenachsen, die den Raum aufspannen,
sind geometrische Repräsentanten der drei räumlichen Dimensionen. In der normalen
Anschauung werden die drei Dimensionen eines Körpers durch die Größen Länge, Breite
und Höhe wiedergegeben. Zeit wird in der Physik als ein ein-dimensionales Kontinuum
aufgefasst, vollständig homogen und von unendlicher Ausdehnung. Jeder Punkt auf der
linearen Zeitachse wird mit einem Zeitpunkt verknüpft. Die Folge der Zeitpunkte kommt aus
einer unendlichen entfernten Vergangenheit und geht über den Gegenwartspunkt weiter in
eine unendliche Zukunft. Die Aufteilung der Zeitdimension in Vergangenheit, Gegenwart und
Zukunft ist willkürlich und spiegelt unsere subjektive Zeitwahrnehmung wieder. - Die
Zeitdimension wurde zunächst als vollständig unabhängig von den drei räumlichen
Dimensionen angesehen (klassische oder Newtonsche Physik). Erst die moderne Physik
(Relativitätstheorie) kombinierte Raum und Zeit zu einem
vierdimensionalen Raum-Zeitkontinuum, das durch komplizierte Modelle der Riemannschen
Geometrie beschrieben wird. Die Messung von Raum- und Zeitintervalle hängt dabei
wesentlich von der Geschwindigkeit des Bezugssystems und von
der Verteilung der Massen in der Umgebung des lokalen Beobachters ab. Aktuelle
physikalische Theorien beschränken sich in ihren Modellen nicht mehr nur auf die
Vierdimensionalität. Sie nehmen an, dass unsere Wirklichkeit durch höher-dimensionale
Geometrien (mit einer Dimensionszahl grösser als vier) strukturiert ist.
Einstein-Rosen-Brücke
In den dreissiger Jahren des 20.Jahrhunderts wurden spezifische Lösungen der Einsteinschen Feldgleichungen
entdeckt, die eine Art von Durchtunnelung der Raum-Zeit beschreiben. Diese Tunnel wurden
zuerst von Albert Einstein und seinem Mitarbeiter Nathan Rosen bei der sogenannten
Schwarzschildlösung der Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie gefunden. Die
Schwarzschildlösung beschreibt die Verhältnisse in der Umgebung eines Schwarzen Lochs
und zeigt, dass im Inneren des Schwarzen Lochs eine Verbindung zu einem anderen
Raum-Zeitgebiet existiert. Man bezeichnet solch eine Verbindung als
Wurmloch oder auch als Einstein-Rosen-Brücke. Die
Schwarzschildlösung zeigt jedoch, dass eine Kommunikation über eine solche Brücke nicht
möglich ist, da das Wurmloch nicht lange genug geöffnet ist, um mit weniger als
Lichtgeschwindigkeit durchquert zu werden. Wenn ein
Schwarzes Loch jedoch Ladung besitzt oder rotiert sind die
Verhältnisse komplizierter. Es lassen sich relativistische Modelle aufstellen, die
Transport von Masse und Information über eine Einstein-Rosen-Brücke im Prinzip zulassen.
In diesem Zusammenhang gibt es aktuelle Überlegungen der Physiker, ob Wurmlöcher
Zeitreisen in die Vergangenheit ermöglichen.
Ereignis
Einen Punkt im Kontinuum der Raum-Zeit nennt man Ereignis oder Weltpunkt. Ein Ereignis
ist mit einem bestimmten Ort und einer bestimmten Zeit verknüpft. In der mathematischen
Beschreibung der Raum-Zeit werden einem Ereignis vier reelle Parameter zugeordnet : drei
räumliche Koordinaten x, y, z und eine Zeitkoordinate t. Der Abstand zwischen zwei
Ereignisse der Raum-Zeit bleibt in der Relativitätstheorie eine absolute Größe
unabhängig vom Bezugssystem:
Ereignishorizont
Ein Objekt, das sich verdichtet (z.B. ein zusammenbrechender Stern), erhöht seine Oberflächenschwerkraft und damit die
Fluchtgeschwindigkeit. Es existiert eine kritische Distanz, bei der die
Fluchtgeschwindigkeit größer wird als die Lichtgeschwindigkeit.
Diese spezielle Grenze der Komprimierung eines Masseobjektes wird auch als
Schwarzschildradius bezeichnet. Wenn ein Körper auf die Größe
seines Schwarzschildradius schrumpft (oder darüber hinaus), so kann er keine Strahlung,
Materie oder Information mehr verlieren. Die Grenze, die den Schwarzschildradius markiert
wird, als Ereignishorizont bezeichnet. Der Ereignishorizont schliesst das Objekt vom Rest
des Universums unumkehrbar ab, dieses Objekt wird zum Schwarzen
Loch Das Schwarze Loch hat eine einbahnstraßenartige Oberfläche. Die physikalischen
Bedingungen jenseits des Ereignishorizontes sind nur noch über Modellrechnungen ableitbar. .
Der Schwarzschildradius für einen Körper mit Sonnenmasse beträgt ungefähr 3 km. Es wird vermutet,
dass Schwarze Löcher in unserem Universum als Endstadien im Prozess der Sternentwicklung auftreten.
Exotische Materie
Wie von den Physikern Morris, Thorne und Yurtsever gezeigt werden konnte, besitzt
Material, das benötigt wird, um das Wurmloch offen zu halten, in bestimmten
Bezugsrahmen eine negative Energiedichte. Eine Materie dieser Art (oder auch Feld) wird
"exotisch" genannt. Die kalifornischen Physiker nahmen dabei Bezug auf ein
Experiment des holländischen Physikers Casimir, der schon 1948 negative Energiedichten
zwischen zwei geladenen Kondensatorplatten untersucht hatte. Sie berechneten, dass ein
Feld dieser Art das Wurmloch offen halten kann, so dass ein drohender Zusammenbruch
verhindert wird.
Gödelkosmos
Eine Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen, die ein Universum beschreibt, in dem die
zusammenziehenden Kräfte der universellen Gravitation durch die zentrifugalen Kräfte einer
universellen Rotation kompensiert werden. Ähnlich wie im konventionellen expandierenden
Universum besitzt das Gödeluniversum kein ausgezeichnetes Zentrum der Rotation. In diesem
Universum gibt es eine Familie von Lichtkegeln, die durch die Rotation so verdreht werden, dass sich
Vergangenheit und Zukunft teilweise überlappen. Daher kann ein Reisender auf einem speziellen Pfad in seine eigene
Vergangenheit reisen kann, ohne dass sein Pfad raumartig wird. Man spricht daher von einer
geschlossenen zeitartigen Kurve (CTL)
Großvaterparadox
Das klassische Paradox jeder Zeitmaschine besteht in der Möglichkeit mittels einer
Zeitreise in die Vergangenheit gerade die Umstände zu verändern, die zu der Zeitreise
geführt haben. Im berühmten Granny- oder Großvater-Paradox wird dargestellt, wie die
Umstände, die zur eigenen Existenz gehören, durch die Zeitreise existenziell gefährdet
werden können. Der Zeitreisende könnte im Prinzip einen seiner Vorfahren, z.B. den
eigenen Großvater, töten oder ihn daran hindern, Kinder zu erzeugen. Wenn daher sein
Vater niemals geboren wird, dann kann es auch keinen mörderischen Enkel geben, der mit
einer Zeitmaschine in die Vergangenheit reist, also kann es auch keinen Mord geben, usw.
Graviton
Kleinstes Paket des gravitativen Feldes. Es ist das Botenteilchen der Gravitationskraft und wird
in der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantentheorie der Wellenfelder
postuliert. Die Theorie gibt für den den Spin den Wert +/- 2 vor, die Ruhemasse erhält den Wert 0 (wie
Lichtquanten). Die Existenz von Gravitonen ist noch nicht direkt bewiesen.
Heisenbergsche Unschärferelation
Ein Folgerung aus den Grundgesetzen der Quantenmechanik ist, dass bestimmte Produkte physikalischer
Grössen grundsätzlich eine Unbestimmtheit aufweisen. Dieses Unbestimmtheitsprinzip wurde erstmals 1927 von
Werner Heisenberg formuliert und gilt im Bereich der atomaren Grössenordnungen. Diese Unschärfe in der
Mikrowelt kann nicht als Folge einer Messungenauigkeit aufgefasst werden, sondern ist eine
prinzipielle Eigenschaft. Alle Elementarteilchen unterliegen diesem Unbestimtmheitsprinzip.
So ist es z.B. nicht möglich, gleichzeitig die genauen Werte für Ort und Geschwindigkeit
eines Elementarteilchens zu bestimmen. Es lässt sich zeigen, dass die Impulsunbestimmtheit dp
eines Elementarteilchens und seine Ortsunbestimmtheit dx der Beziehung dp * dx ~ h
gehorchen müssen. Die konstante Grösse h wird als Plancksches Wirkungsquantum bezeichnet und hat
den Wert
h = 6.6.261 * 10(-34) Js .
Kausalität
Kausalität ist das Verhältnis, in dem Wirkung und Ursache zueinander stehen. Die Physik
versucht bei Ereignissen den Zusammehang zwischen Wirkungen und Ursachen systematisch darzustellen.
Durch physikalische Gesetze werden zukünftige Ereignisse auf zeitlich früher liegende
zurückgeführt werden und aus vorhandenen Daten werden zukünftige Zustände vorausberechnet. d.h. die Ursache
liegt zeitlich immer früher als die Wirkung. Die kausale Struktur der relativistischen
Raum-Zeit unterscheidet sich grundlegend von der klassischen, Newtonschen Raum-Zeit. In der Newtonschen Physik
nahm man an, dass alle zeitlich früher liegenden Ereignisse im Prinzip alle zukünftigen
Ereignisse beeinflussen konnten. Dazu musste man aber eine unendlich schnelle Ausbreitung
der Wirkungen postulieren.(Fernwirkungstheorie). Mit der Relativitätstheorie, die für jede Form
der Signalausbreitung eine obere Grenze setzte (die Lichtgeschwindigkeit), erkannte man,
dass es keinen unbeschränkten Kausalzusammenhang geben kann. Für jedes Ereignis E der Gegenwart
teilt der zu E gehörige Lichtkegel den Raum in drei Bereiche ein:
(1) Im Zukunftskegel liegen alle die Ereignisse, die von E durch elektromagnetische
Wechelswirkungen beeinflusst werden können.
(2) Im Vergangenheitskegel liegen alle Ereignisse, die E hätten beeinflussen können.
(3) Alle anderen Ereignisse bilden den dritten Bereich ausserhalb, das "Anderswo".
Die relativistische Bedingung, dass reale Weltlinien niemals den Lichtkgel verlassen
können, sichert die Kausalstruktur unserer vierdimensionalen Raum-Zeit.
Lichtgeschwindigkeit
Die Lichtgeschwindigkeit ist eine universelle Naturkonstante und stellt eine absolute Grenze
für Signalgeschwindigkeiten dar. Die
Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts beträgt im Vakuum c=299 792,458 km/s. Die Konstanz
der Lichtgeschwindigkeit wurde in der Relativitätstheorie zu
einem universellen Prinzip erhoben. Demnach besitzt die Lichtgeschwindigkeit in allen
Inertialsystemen, unabhängig vom Bewegungszustand der Lichtquelle denselben Wert. Aus der
Relativitätstheorie folgt, dass bei hohen Geschwindigkeiten
drei anschaungsungewohnte Effekte auftreten : die Längenverkürzung, die
Zeitdehnung und die Massenzunahme. Diese durch vielfältige
Experimente belegten Effekte sind grundsätzlicher Natur. Raum und Zeit hängen vom
Bewegungszustand ab und die Lichtgeschwindigkeit ist eine universelle
Grenzgeschwindigkeit. Kein materieller Körper, kein Signal und keine Informationen
können sich schneller als das Licht fortbewegen.
Lichtkegel
Der Lichtkegel zum Ereignis E besteht aus zwei Teilen. Der Vergangenheitskegel besteht aus
allen Ereignissen der Vergangenheit, die E kausal beeinflussen können. Der Zukunftskegel enthält
alle zukünftigen Ereignisse, auf die E im Prinzip einen Einfluss ausüben kann. Alle Ereignisse
ausserhalb der beiden Teilkegel besitzen in der vierdimensionalen Raum-Zeit keinen kausalen
Zusammenhang mit E, weder in der Vergangenheit noch in der Zukunft.
Lineare Zeit
No-Hair-Theorem
Das No-Hair-Theorem sagt aus, dass beim Zusammenbruch eines Sterns, der zu einem
Schwarzen Loch führt, fast alle Informationen verlorengehen. Ein kollabierender Körper
enthält viele Informationen über Materieart, Multipolmomente, Massenverteilung usw. Der
Endzustand des Schwarzen Lochs ist jedoch völlig unabhängig
von diesen Daten. Es bleiben als Freiheitsgrade nur die Parameter Drehimpuls, Masse und
Ladung übrig
Paralleluniversum
In einer modernen Interpretation der Quantentheorie (Viele-Welten-Theorie)
wird eine hypothetische Erweiterung unseres Universums angenommen. Unser aktueller Kosmos ist Teil eines umfassenden
Multiversums, das aus einer ungeheuren Anzahl von separaten, unterschiedlichen oder auch parallelen Universen besteht. Direkte
Wechselwirkungen (z.B. Austausch von Materie) zwischen diesen Universen sind nicht zulässig.
Photon
Das kleinstes Paket des elektromagnetischen Feldes. Es ist das Austauschteilchen der elektromagnetische
Wechselwirkung(von den Radiowellen über das sichtbare Licht bis hin zur Gammastrahlung). Als Elementarteilchen
besitzt das Photon keine Ruhemasse, da es sich konstant mit Lichtgeschwindigkeit
fortbewegt. Licht kann als ein Strom von Photonen aufgefaßt werden, von denen jedes die
Energie E = h *v besitzt. Jedem Photon kann in Übereinstimmung mit dem Welle-Teilchen-Dualismus eine
Wellenlänge und eine Frequenz zugeordnet werden. Dabei gilt : je höher die Frequenz,
desto kürzer ist die Wellenlänge und desto energiereicher ist die Strahlung.
Planksche Länge
Eine Längeneinheit, die mit den Gesetzen der Quantengravitation
verknüpft ist. Sie errechnet sich aus den Grundkonstanten der Physik und hat den Wert
l(p) = 1,62*10(- 33) cm
In dieser Größenordnung hört der Raum auf, wie wir ihn kennen.
Unterhalb der Plankschen Länge wird der Raum zum sogenannten
Quantenschaum und unterliegt gewaltigen Quantenfluktuationen.
Planksche Zeit
Exakt: die Zeit, die das Licht braucht , um die Plancksche Länge zurückzulegen. Wenn man die Planksche Länge durch
die Lichtgeschwindigkeit teilt, so erhält man ungefähr
t(p) = 6,3 * 10(-43) s
Die Planckzeit ist mit den Gesetzen der Quantengravitation
verknüpft. Wenn zwei Ereignisse durch ein Zeitintervall getrennt sind, das kürzer als
die Planksche Zeit ist, dann läßt sich nicht mehr feststellen, welches Ereignis früher
oder später stattgefunden hat. Die Kausalordnung geht in der Welt der Plankschen
Dimensionen verloren.
Quantengravitation
Die beiden anerkannten Grundpfeiler und fundamentalen Theorien der Physik sind die
Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik. Bei der Quantengravitation
handelt es sich um ein Programm, das diese beiden Theorienzweige vereinheitlichen will.
Angestrebt wird eine umfassende Theorie der Gravitation, die auch Quanteneffekte
einbezieht.
Quantenschaum
Schaumartige Struktur des Raumes, die sich nach den Gesetzen der
Quantengravitation
unterhalb der Plankschen Länge ausbildet. Er erscheint toplogisch betrachtet als
dynamisch vielfach zusammenhängend. Winzige Henkel, Öffnungen und Wurmlöcher
durchbrechen die glatte Struktur des Normalraumes und verbinden sich zu einem komplexen
Gebilde, in dem Quantenfluktuationen dominieren.
Raum-Zeit
Alle Ereignisse, ebenso wie alle Massen, existieren in Raum und Zeit. Einem Ereignis kann man vier
Koordinaten zuordnen, drei Raumkoordinaten x, y , z und eine Zeitkoordinate t. Diese Koordinaten
bilden einen Ereignispunkt in einem vierdimensionale Kontinuum. Die Raum-Zeit ist die Gesamtheit aller
Ereignisspunkte. Weltlinien, die sich aus Ereignispunkten zusammensetzen, beschreiben Ereignisse und
Bewegungen von Körpern. Da die Lichtgeschwindigkeit die größtmögliche Kommunikationsgeschwindigkeit ist,
liegen die Weltlinien innerhalb der relativistischen Lichtkegel, die der Raum-Zeit eine besondere Struktur
verleihen.
Raum-Zeitkrümmung
Die Existenz von Gravitationsfelder bedingt in unserem Universum eine von Ort zu Ort wechselnde
geometrische Struktur des Raumes, die Raumkrümmung. In der Nachbarschaft von massereichen Körpern wird
der Raum so verändert, dass elektromagnetische Strahlung und Materieteilchen gekrümmten Bahnen folgen
(Geodäten). Untersucht man die Struktur des Universums als Ganzes, dann ergeben sich drei theoretisch
mögliche Fälle:
(1) Raumkrümmung Null :
Die Struktur des Raumes entspricht dem unendlichen, euklidischen, flachen Raum,
in dem die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten eine gerade Linie ist.
(2) Raumkrümmung negativ:
Es handelt sich um einen gekrümmten, unendlich offenen, hyperbolischen Raum
(Lobatschewskische Geometrie).
(3) Raumkrümmung positiv:
In diesem Fall erhalten wir einen Raum, der ohne Rand in sich geschlossen ist, wie die Oberfläche
einer Kugel (Riemannsche Geometrie).
Zur Zeit ist nicht hinreichend geklärt, welcher Fall für unser aktuelles Universum
zutrifft.
Relativitätsprinzip
In seiner Relativitätstheorie formulierte Einstein:
"Es ist unmöglich, auf Grund irgendwelcher physikalischer Erscheinungen ein
absolutes Bezugssystem zu bestimmen"
Als weitere Folgerungen ergaben sich:
(1) Es gibt es keine Möglichkeiten, die absolute Geschwindigkeit zu messen.
(2) Die Lichtgeschwindigkeit ist unabhängig von der Bewegung
der Lichtquelle.
(3) c ist endlich und eine obere Grenze für alle in Raum und Zeit möglichen
Geschwindigkeiten.
Bis heute gibt es keine Experimente, die dem Relativitätsprinzip widersprechen.
Relativitätstheorie
Die spezielle Relativitätstheorie (1905 von Albert Einstein postuliert) geht von der fundamentalen Annahme
aus, dass die physikalischen Gesetze für alle Beobachter, die sich mit konstanter Geschwindigkeit relativ zueinander
bewegen, die gleiche Form haben; jeder Beobachter ist berechtigt, sich als ruhend zu betrachten. Die Beurteilung,
ob zwei Ereignisse gleichzeitig ablaufen hängt wesentlich vom Bewegungszustand des Beobachters ab. Diese
paradoxe Schlussfolgerung zwingt zur Aufgabe der Vorstellung einer absoluten Zeit. Der Zeitverlauf hängt entscheidend
vom Bewegungszustand des Systems ab. Dieses Relativitätsprinzip wird in der Allgemeinen
Relativitätstheorie zum Äquvalenzprinzip erweitert: Eine beschleunigte Bewegung lässt sich im Prinzip nicht von von
einer Bewegung im Gravitationsfeld unterscheiden, d.h. schwere Masse und träge Masse sind äquivalent. Das Vorhandensein
von Gravitationsfeldern bedingt eine vom Ort abhängige Krümmung des Raumes und beeinflusst auch den Verlauf der Zeit. Die
Raumgeometrie, Zeit, Gravitation und Energie sind in der Allgemeinen Relativitätstheorie untrennbar miteinander verbunden
und lassen sich im Prinzip durch Weltmodelle beschreiben, die aus den Einsteinschen Feldgleichungen abgleitet werden.
Retrokausalität
Retrokausalität ist in (hypothetischen) Prozessen wirksam, in denen die Reihenfolge von Ursache und Wirkung umgekehrt ist.
d.h. die Wirkung liegt zeitlich vor der Ursache. Dies impliziert, dass in der Gegenwart Effekte auftreten können, die von
Ursachen aus der Zukunft erzeugt werden. Es gibt einige physikalische Theorien, die Interpretationen zulassen, dass
Retrokausalität in realen Naturprozessen vorkommt. Noch ungelöste Probleme in der modernen Physik, bei denen es um offene Fragen
der Quantentheorie und Gravitationstheorie geht, deuten aber darauf hin, dass unter bestimmten Bedingungen retrokausale Effekte
möglich sind. Zum Beispiel erlauben exakte Lösungen der Einsteinschen Feldgleichungen die Existenz von
geschlossenen zeitartigen Kurven . Retrokausalität wurde auch als Mechanismus vorgeschlagen,
um das zu erklären, was Einstein als "unheimliche Wirkung aus der Entfernung" bezeichnet hat. Dabei geht es um Effekte,
die bei der Verschränkung von Photonen in der Quantenmechanik beobachtet werden.
Schwarzschildradius
Ein Objekt, dass sich verdichtet, erhöht seine Oberflächenschwerkraft und damit die
Fluchtgeschwindigkeit. Es existiert eine kritische Distanz, bei der die
Fluchtgeschwindigkeit größer wird als die Lichtgeschwindigkeit.
Diese spezielle Grenze bei der Komprimierung eines Masseobjektes wird auch als
Schwarzschildradius bezeichnet. Wenn ein Körper auf die Größe seines
Schwarzschildradius schrumpft (oder darüber hinaus), so kann er keine Strahlung, Materie
oder Information mehr verlieren. Der Schwarzschildradius für einen Körper mit Erdmasse
beträgt nur wenige Zentimeter, für die Sonnenmasse liegt er bei 3 km.
Schwarzes Loch
Ein stellares Schwarzes Loch ist ein Raumgebiet, in dem ein Stern kollabiert ist. Ein
Sternzusammenbruch findet in der Regel dann statt, wenn sich sein nuklearer Ofen
erschöpft hat. Die Gravitationskraft zieht die Masse des Sterns in sich zusammen.
Wenn sich die Masse in diesem Prozess auf ein Gebiet reduziert, dass kleiner
als der sogenannte Schwarzschildradius ist, dann beherrscht die Gravitation alle anderen
Kräfte und schnürt dieses Raumgebiet vom äusseren Universum ab. Die Gravitationskraft
wächst im Inneren des Schwarzen Lochs auf unendliche Werte. Nicht einmal die Photonen des
Lichts können den Anziehungsbereich eines Schwarzen Lochs verlassen. Das Zentrum eines
Schwarzen Lochs, das sich jeder physikalischen Interpretation entzieht, wird als
singulär bezeichnet. An der Singularität verliert jede
physikalische Theorie ihre Bedeutung. Zur Zeit sind Schwarze Löcher noch hypothetisch,
doch besitzen die Astronomen einige Indizien. Es werden einige kosmischen Objekte
analysiert, deren Beobachtungsdaten auf Schwarze Löcher hinweisen.
Ein Schwarzes Loch lässt sich nur durch drei physikalische Kenngrößen beschreiben
(sogenanntes No-Hair-Theorem):
Masse, Drehimpuls und Elektrische Ladung
(a) keine elektrische Ladung t und nicht rotierend - Schwarzschild-Metrik
(b) keine elektrische Ladung ,rotierend - Kerr-Metrik
(c) elektrisch geladen, nicht rotierend - Reissner-Nordström-Metrik
(d) elektrisch geladen , rotierend - Kerr-Newman-Metrik
Singularität
Ein Punkt im Kontinuum der Raum-Zeit. in dem die physikalischen Gesetze keine Gültigkeit
mehr besitzen. Wenn anerkannte Standardtheorien in diesem Punkt unendliche Werte für
Dichte, Masse und Gravitationskräfte voraussagen, geben sie indirekt zu, dass keine
sinnvollen und empirisch überprüfbaren Aussagen möglich sind. Z.B. wird der Big Bang auch
als Anfangsingularität unseres Universums bezeichnet. Die Frage, was vor dem Big Bang
geschehen ist, können die Physiker nicht sinnvoll beantworten. Das singuläre Geschehen
im Ursprung setzt für jede Theorie eine unüberwindbare Schranke.
Strings, kosmische
Fadenförmige kosmische Relikte aus der Anfangsphase des Universums. Ihr Durchmesser
(ca. 10(-30) cm) ist kleiner als der eines Atomkerns und sie erstrecken sich über riesige
kosmische Distanzen. Strings entstehen nicht aus Materie, sondern sind Störungen des
Vakuums. Sie sind mit Energie aufgeladener leerer Raum, entstanden in den den turbulenten
Phasenübergängen des frühen Universums. Es wird angenommen, dass sie als
"Samen" bei der Ausbildung von Galaxien eine wichtige Rolle spielen.
Tachyonen
Hypothetische überlichtschnelle Teilchen, die von der
Relativitätstheorie
nicht notwendig ausgeschlossen werden. Die Theorie fordert nur, dass sie jenseits der
Lichtbarriere immer unter sich bleiben müssen. Tachyonen können die
Lichtgeschwindigkeit niemals unterschreiten und daher ist es sehr
fraglich, ob Wechselwirkungen mit Unterlichtteilchen, also auch mit Messinstrumenten der
Physiker, überhaupt möglich sind.
Vakuumsfluktuation
Unter einem Vakuum versteht man einen Bereich der Raum-Zeit,
in dem weder Teilchen noch Felder vorhanden sind. Im Vakuum entstehen (bedingt durch die
Heisenbergsche Unschärferelation) zufällige und spontane Energieschwankungen,
indem sich benachbarte Raumgebiete gegenseitig Energie ausleihen und wieder zurückgeben. Dadurch entstehen
zwangsläufig Oszillationen eines physikalischen Feldes. Z.B. bilden sich spontan virtuelle Photonen,
die Träger der elektromagnetischen Vakuumsfluktuationen. In entsprechender Weise verkörpern virtuelle Gravitonen den
Teilchenaspekt der Gravitionswellen.
Viele-Welten-Theorie
Eine 1957 von dem Physiker Hugh Everett vorgeschlagene Deutung der Quantenmechanik.
Diese Deutung zielt darauf ab, das vieldiskutierte Messproblem der Quantenmechanik zu
lösen. Es handelt sich dabei um den sogenannten Zusammenbruch der Wellenfunktion. Wenn
man eine Messung durchführen will, um eine physikalische Größe zu bestimmen, befindet
sich das System vor der Messung in einem Zustand, indem alle Lösungen für das zeitliche
Verhalten des physikalischen Systems enthalten sind. Das System wird durch die
Schrödinger- Wellenfunktion vollständig beschrieben. Dabei ist die Quantisierung der
physikalischen Größen automatisch Bestandteil der Lösungen. Die Wellenfunktion bricht
bei der Messung zusammmen, da nur eines der vielen wahrscheinlichen Resultate gemessen und
realisiert wird. Die vorherrschende Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik besagt, dass
die Wellenfunktion, in der alle Möglichkeiten enthalten sind, keine Realität an sich
darstellt. Das Quadrat des Absolutbetrags der Wellenfunktion lässt sich aber anschaulich
beschreiben: es gibt die Wahrscheinlichkeit des Teilchen oder des Teilchensystems an, dass
es sich in einem bestimmten Raumgebiet aufhält. Über die Eigenschaften von Teilchen
werden in der Kopenhagener Deutung nur Wahrscheinlichkeitsaussagen gemacht. In der Deutung
der Viele-Welten-Theorie versucht man nun, alle anderen Messergebnisse, die beim
Zusammenbruch der Wellenfunktion als Ballast ausscheiden , in die Realität zu holen.
Jedes mögliche Messergebnis existiert tatsächlich, nur jeweils in einem eigenen
Universum. Jede Wahlmöglichkeit des Systems spaltet das Universum in voneinander
unabhängige Zweige auf. Der Messprozess stellt daher keine Wahl zwischen Messergebnissen
dar, sondern eine Wahl zwischen Universen. Alle Möglichkeiten der Wellenfunktion werden
in einem Superuniversum paralleler Welten realisiert. Zur Zeit wird die
Viele-Welten-Theorie von der Mehrzahl der aktiven Physiker abgelehnt. Die Idee einer
unermesslichen Vielfalt von parallelen Universen, die für uns physikalisch unerreichbar
sind, wird von vielen Physikern als unnötiger Begriffsballast verworfen.
Virtuelle Teilchen
Elementarteilchen, die spontan und extrem kurzfristig im Vakuum entstehen. Sie verdanken
ihre Existenz der Heisenbergschen Unschärferelation. Die Teilchen entstehen paarweise und "borgen" sich Energie aus
den benachbarten Raumgebieten. Die Unschärferelation verlangt, dass sie ihre Energie schnell wieder
zurückgeben, so dass sie nicht eingefangen werden können. Die "geborgte" Energie wird
zurückbezahlt und die Teilchen vernichten sich. Virtuelle Teilchen lassen sich daher als
Resultat von Vakuumsfluktuationen aufassen.
Weißes Loch
Das hypothetische Gegenstück eines Schwarzen Lochs. Während in einem Schwarzen Loch
die Materie unaufhaltsam in die Singularität kollabiert, strömt aus der
Singularität des Weissen Lochs unablässig Materie in den umgebenden Raum.
Welle-Teilchen-Dualismus
Beschreibung subatomarer Phänomene als Wellen u n d als Teilchen. Seit dem
17.Jahrhundert herrschte unter den Physikern Streit darüber, ob das Licht als Welle oder
als transportable Masse (Teilchen) anzusehen ist. Auf der einen Seite stand Newton, der
die Teilchenhypothese vertrat, auf der anderen Seite Huyghens, der das Licht als
Wellenbewegung deutete. Im 18. und 19.Jahrhundet schien sich mit den erfolgreichen
Interferenz- und Beugungsversuchen des Lichts zunächst die Auffassung Huyghens
durchzusetzen. Bis Einstein 1905 in seiner Erklärung des photoelektrischen Effekts
nachwies, dass sich Licht auch als diskreter Strom von Photonen äussern kann. Photonen
bezeichnen die partikelhaften Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung. Als um 1920
gezeigt wurde (de Broglie u.a.), dass man umgekehrt auch Elektronen eine Wellenlänge
zuordnen kann, wurde der Welle-Teilchen-Dualismus als Beschreibung subatomarer Phänomene
endgültig anerkannt. Niels Bohr formulierte die Idee der Komplementarität. Ein
bestimmtes Geschehen, z.b. Licht, kann nicht nur auf der Basis einer einzigen Vorstellung
allein beschrieben werden, sondern es existiert eine dazu komplementäre Beschreibung.
Welle und Teilchen sind im Bereich der atomaren Größenordnungen gleichberechtigte
Beschreibungsweisen. Die beiden komplementären Beschreibungen schliessen sich allerdings
bei der Interpretation eines Experiments gegenseitig aus.
Weltlinie
Linie in einem Minkowskidiagramm. Sie beschreibt die Geschichte und Bahn eines Teilchens
in den Dimensionen von Raum und Zeit.
Wurmloch
Ein Henkel in der dynamischen Geometrie des Raumes, der zwei entfernte Gebiete des Universums
miteinander verbindet.
Zeitmaschine
Ein Gerät, mit dem sich Menschen in der Zeitdimension frei bewegen können.
Einige durchaus realistische Modelle der
Einsteinschen Feldgleichungen lassen die Existenz von geschlossenen
zeitartigen Kurven zu. Diese CTC können sich bei extremen Konfigurationen von Energie
und Masse ausbilden, wie etwa in der Nähe eines rotierenden
Schwarzen Lochs. Eine technische Nutzung dieser theoretischen Option durch den Menschen
wird von den meisten modernen Physikern zum jetzigen Zeitpunkt ausgeschlossen.
Zeitdehnung
Die Relativitätstheorie behauptet, dass bewegte Uhren langsamer gehen
als ruhende, wenn man sie vom ruhenden System aus betrachtet, d.h. für den
bewegten Beobachter verlangsamt sich der Zeitverlauf. Ist im System S die Dauer
der Ereignisse gleich dt, so beträgt sie im bewegten System S*- entsprechend der
Lorentztransformation
dt*= dt · SQRT(1- v2/c2)
Z.B. blieb 1971 ein Flugzeug mit einer extrem genauen Cs-Atomuhr 15 Stunden lang in der
Luft. Die durchschnittliche Reisegschwindigkeit des Flugzeugs betrug ca. 1200 km/h, das
sind etwa 0.001% von c. Nach 15 Stunden wurde eine Zeitverschiebung von 0.00000047
Sekunden gegenüber eine identischen, am Boden zurückgebliebenen Uhr gemessen. Das ist
genau die Größe der zu erwartenden Zeitdehnung.
| v/c |
Zeitdehnung t*(Tage) |
| 0.5 |
1.15 |
| 0.9 |
2.29 |
| 0.99 |
7.09 |
| 0.999 |
22.37 |
| 0.9999 |
70.71 |
| 0.99999 |
223.61 |
| 0.999999 |
707.11 |
| 0.9999999 |
2236.07 |
| 0.99999999 |
2235720.41 |
Zeitpfeil
Zwillingsparadox
Ein Gedanken-Experiment zur Zeitdehnung. Einer von beiden Zwillingen
steigt in eine Rakete und entfernt sich von der Erde mit einer Geschwindigkeit v, die der
Lichtgeschwindigkeit c nahe kommt. Ist nach der Bordzeit in der
Rakete ein Jahr vergangen, kehrt er zur Erde zurück. Dort findet er seinen
Zwillingsbruder um viele Jahre gealtert. Dessen Uhr (d.h. die Eigenzeit auf der Erde) lief
im Vergleich dazu schneller, ebenso wie alle Lebensprozesse. Beispiel: Reist der eine
Zwilling mit v = 0.9 ·c , dann berechnet sich die Zeitdehnung durch die relativistische
Formel .
t* = 1 / SQRT( 1- 0.9*0.9 ) = 2.29
Wenn der reisende Zwillingsbruder ein Jahr im Raumschiff (mit der Geschwindigkeit 0.9 c)
durchlebt hat, sind auf der Erde 2.29 Jahre vergangen.
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