Relativität und Quanten

Die allgemeine Relativitätstheorie ist eine der Säulen der modernen Physik. Ihre Gesetze bestimmen, was auf großräumigen Skalen im Kosmos geschieht, von der Bewegung der Planeten im Sonnensystem über Sterne und Galaxien bis hin zur Entwicklung des Gesamtuniversums, die wir im vorangehenden Abschnitt kennengelernt haben.

Es gibt aber noch eine weitere, mindestens ebenso grundlegende Säule: die Quantentheorie, die unabdinglich ist, um das Verhalten der Materie auf mikroskopischen Größenskalen zu beschreiben. Fast zeitgleich mit der speziellen Relativitätstheorie am Anfang des 20. Jahrhunderts entstanden, liegt die Quantentheorie der modernen Elementarteilchenphysik zugrunde, der Atomphysik und der Festkörperphysik, und ihre Anwendungen haben in Form der Laser von CD-Spielern und der Transistoren jeglicher Elektronik längst Einzug in den Alltag gehalten.

Für den Elektromagnetismus und die elementaren Kräfte, die Atomkerne zusammenhalten und für radioaktive Zerfälle verantwortlich sind, haben die Physiker längst eine genaue Beschreibung als Quantenkräfte formulieren können, die sich in Teilchenbeschleuniger-Experimenten bestens bewährt.

Nur die Gravitation hat sich einer Quantenbeschreibung bislang erfolgreich widersetzt – wie eine Theorie der Quantengravitation aussieht gehört trotz vielversprechender Ansätze zu den offenen Fragen der Physik.

Relativität und Quanten / Einsteiger-Tour Teil 1: Speziell-relativistische Quanten

Quantentheorie und Relativitätstheorien sind allesamt Kinder des beginnenden zwanzigsten Jahrhunderts, und es verwundert nicht, dass sich die Physiker recht bald Gedanken zu machen begannen, ob es möglich sei, diese Theorien miteinander zu verbinden und beispielsweise eine Quantentheorie relativistischer Teilchen zu formulieren. Was die Spezielle Relativitätstheorie angeht, haben sich die entsprechenden Versuche als äußerst erfolgreich erwiesen. […]

Relativität und Quanten / Einsteiger-Tour Teil 2: Zerstrahlende Schwarze Löcher?

Lassen sich die Konzepte der relativistischen Quantenfeldtheorien auch auf gekrümmte Raumzeiten übertragen – auf die Raumzeiten mit Gravitationsquellen, wie sie die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt? Die Antwort darauf ist ein vorsichtiges Ja. Der wohl berühmteste Schritt in diese Richtung gelang Anfang der 1970er Jahre dem Physiker Stephen Hawking. Hawking betrachtete Quantenteilchen, die nicht in der gravitationsfreien […]

Relativität und Quanten / Einsteiger-Tour Teil 3: Grenzen der Gravitation

In den bisherigen Kapiteln von Einstein für Einsteiger zeigten sich an zwei Stellen Grenzen der Allgemeinen Relativitätstheorie. In beiden Fällen ging es um Raumzeit-Singularitäten. Erstes Beispiel war das Innere Schwarzer Löcher. Wie im Abschnitt Schwarze Löcher kurz angesprochen, lauert im Inneren ein Raumzeitrand, an dem die Reise eines hineinfallenden Objektes ein abruptes Ende findet, eine […]

Relativität und Quanten / Einsteiger-Tour Teil 4: Gravitation in Schleifen

Aus Sicht der Einsteinschen Theorie ist eigentlich nicht überraschend, dass die Versuche scheitern, die Schwerkraft so als Quantenkraft zu beschreiben wie Elektromagnetismus und Kernkräfte. Gravitation ist bei Einstein gerade keine Kraft wie andere Kräfte, sondern eine Eigenschaft der Raumzeit selbst. Ein Versuch, eine eng an der Geometrie orientierte Quantentheorie der Gravitation zu entwickeln, ist die […]

Relativität und Quanten / Einsteiger-Tour Teil 5: Superfäden und universelle Harmonie

Derjenige Ansatz für eine Theorie der Quantengravitation, an dem derzeit am intensivsten geforscht wird, ist die sogenannte Stringtheorie. Sie ist eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Modelle der Elementarteilchenphysik, allerdings mit einem entscheidenden Unterschied: Ihre Grundbestandteile sind nicht Punktteilchen, sondern eindimensionale Objekte, die namensgebenden Fäden, englisch strings. Im Gegensatz zu Punktteilchen können Strings in sich schwingen, wie […]

Relativität und Quanten / Einsteiger-Tour Teil Fazit

Die Kombination aus Relativitätstheorie und Quantentheorie führt zum Teil zu wissenschaftlichen Triumphen, zum Teil zu immer noch ungelösten Fragen. Die Verbindung von Spezieller Relativitätstheorie und Quantenkonzepten führt zu den relativistischen Quantenfeldtheorien, der Grundlage der modernen Teilchenphysik, und liefert eine Vielzahl von Vorhersagen, die mit großer experimenteller Genauigkeit bestätigt werden konnten. Auf die Frage, wie eine […]

Definitioner

Stringtheorie (String)

Ansatz für eine Theorie der Quantengravitation; eine Quantentheorie, in der die elementaren Bestandteile winzige, eindimensionale schwingende Saiten (englisch: Strings) sind.

Einen kurzen Überblick über Ideen der Stringtheorie bietet die Seite Strings und kosmische Harmonie im Kapitel Relativität und Quanten von Einstein für Einsteiger.

Gravitation

In der klassischen Physik äußert sich die Gravitation als Gravitationskraft, als Fernkraft, aufgrund derer sich alle Körper, die eine Masse besitzen, gegenseitig anziehen (siehe Newtonsche Gravitation), Synonym: Schwerkraft. Das zugehörige Feld ist das Gravitationsfeld (wie Kraft und Feld zusammenhängen, beschreibt das Vertiefungsthema Von der Kraft zum Feld).

In Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie: Der Umstand, dass Materie, die Masse, Energie oder Druck besitzt die Raumzeit verzerrt und das diese Verzerrung umgekehrt auf die in der Raumzeit enthaltene Materie zurückwirkt.

Eine Einführung in die Grundideen der allgemeinen Relativitätstheorie liefert der Abschnitt Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger. Speziell dem Thema, was Gravitation in Einsteins Theorie denn nun eigentlich ist, widmet sich das Vertiefungsthema Gravitation: Vom Fahrstuhl zur Raumzeitkrümmung. Näheres dazu, welche Eigenschaften der Materie für ihre Gravitationswirkung entscheidend sind, bietet das Vertiefungsthema Masse und mehr.

Teilchenphysik

Siehe Elementarteilchenphysik

Schleifen-Quantengravitation

Ansatz für eine Theorie der Quantengravitation, der auf geometrische Art und Weise versucht, die Aussagen der Allgemeine Relativitätstheorie mit der Sprache der Quantentheorie zu formulieren.

Eine Kurzbeschreibung liefert die Seite Gravitation in Schleifen im Kapitel Relativität und Quanten von Einstein für Einsteiger.

Relativitätstheorie

Die auf Albert Einstein zurückgehenden Theorien von Raum und Zeit: Die Spezielle Relativitätstheorie, in der die Gravitation außen vor bleibt, und die Allgemeine Relativität, in der die Gravitation als Verzerrung von Raum und Zeit in Erscheinung tritt. Eine Einführung in die Grundideen der beiden Relativitätstheorien bieten die Kapitel Spezielle Relativitätstheorie und Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger. Viele weitere Informationen zu den Relativitätstheorien und der auf ihnen basierenden relativistischen Physik bieten unsere Vertiefungsthemen.

Relativitätstheorien (Relativitätstheorie)

Quantentheorie

Sammelbegriff für physikalische Gesetze, die überall dort wichtig werden, wo mikroskopische Größenskalen ins Spiel kommen - sei es, weil es um den Aufbau der Materie geht, etwa in der Physik der Atome, Atomkerne oder Elementarteilchen, sei es im Zusammenhang mit ultragenauen Messungen wie denen an Gravitationswellendetektoren.

Die Gesetze der Quantentheorie unterscheiden sich beträchtlich von dem, was wir aus dem Alltag gewohnt sind und von den Vorstellungen der klassischen Physik.

Erste ungewohnte Eigenschaft ist, dass die Quantentheorie in vielen Fällen nurmehr Wahrscheinlichkeitsaussagen erlaubt: In der klassischen Physik kann man Teilchen zu jedem Zeitpunkt einen Ort und eine Geschwindigkeit zuordnen, und wer diese Größen genau bestimmen kann, kann im Prinzip genau vorhersagen, wo sich die Teilchen in der Zukunft aufhalten werden. In der Quantentheorie lässt sich einem System von Teilchen nurmehr ein abstrakter Zustand zuordnen, aus dem sich keine exakten Vorhersagen, sondern nur noch Wahrscheinlichkeiten dafür ableiten lassen, ein bestimmtes Teilchen zu einem zukünftigen Zeitpunkt an einem gegebenen Ort anzutreffen. Ob man das Teilchen wirklich an diesem Ort antrifft, ist vom Zufall bestimmt. (Eine Möglichkeit, die Wahrscheinlichkeiten zu berechnen, bieten so genannte Pfadintegrale; siehe das Vertiefungsthema Auf allen möglichen Wegen zum Ziel.)

Zweite ungewöhnliche Eigenschaft ist, dass die Genauigkeit bestimmter Messungen prinzipiell eingeschränkt ist (Heisenbergsche Unschärferelation). Je genauer man beispielsweise den Ort eines Teilchens bestimmt, umso ungenauer werden die Aussagen, die sich über seine Geschwindigkeit treffen lassen.

Die dritte Eigenschaft hat der Quantentheorie ihren Namen gegeben: Eine Reihe physikalischer Größen kommen in der Natur nur in winzigen Paketen vor, den Quanten. Elektromagnetische Strahlung etwa besteht in der Quantentheorie aus winzigen Lichtpaketen, den Photonen.

Beispiele für Quantentheorien sind die Quantenmechanik und relativistische Quantenfeldtheorien wie die Quantenelektrodynamik oder die anderen Teile des Standardmodells der Elementarteilchen.

Quantengravitation

Theorie, die sowohl die Effekte und Gesetze der Quantentheorie berücksichtigt, wie auch die der Allgemeinen Relativitätstheorie. Bislang gibt es noch keine vollständige Formulierung einer solchen Theorie; die bekanntesten Ansätze dafür sind die Stringtheorie und die Schleifen-Quantengravitation. Einige Informationen zum Problem der Quantengravitation finden sich im Kapitel Relativität und Quanten von Einstein für Einsteiger ab der Seite Grenzen der Gravitation. Informationen zu einer Reihe weiterer Aspekte der Quantengravitation finden sich bei den Vertiefungsthemen in der Kategorie Relativität und Quanten.