Lexikon
KAGRA
Der Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) ist ein unterirdischer japanischer Gravitationswellendetektor mit drei Kilometer langen Armen. KAGRA zeichnet sich durch die verwendete Kyrotechnik aus, das heißt, die Spiegel des Interferometers werden auf 20 Kelvin gekühlt, um thermisches Rauschen zu reduzieren. Die unterirdische Bauweise verspricht darüber hinaus ein reduziertes seismisches Rauschen. Der Detektor ging 2020 in den Beobachtungsbetrieb.
kalt
Die physikalischen Eigenschaften von Materie bei so hoher Temperatur, dass ihre Bestandteile fast mit Lichtgeschwindigkeit durcheinanderfliegen, ähneln in vielen Punkten den Eigenschaften von Strahlung. Solche Materie wird (beispielsweise im Zusammenhang mit der Kosmologie) als heiße Materie bezeichnet; langsame Materie, mit Teilchengeschwindigkeiten die gegenüber der Lichtgeschwindigkeit sehr klein sind, als kalte Materie.
Synonyms: kalte Materie
Kausalität
Im Rahmen der Relativitätstheorien: Kausalität betrifft die Frage, welche Ereignisse welche anderen Ereignisse verursachen (lateinisch causa, der Grund, die Ursache) oder, allgemeiner, beeinflussen können. In der Speziellen Relativitätstheorie gilt: Nichts, keine Materie, kein Einfluss kann schneller sein als das Licht. Ein Ereignis kann ein anderes Ereignis prinzipiell nur dann beeinflussen, wenn der hypothetische Einfluss (etwa ein Signal oder eine Kraft) dazu nicht schneller übertragen werden müsste als das Licht. Das Licht bestimmt folglich die Kausalstruktur der Raumzeit (vergleiche Lichtkegel). Modelle und Theorien, die diese Struktur berücksichtigt, heißen kausal – zum Beispiel die relativistischen Quantenfeldtheorien.
In der Allgemeine Relativitätstheorie spielt das Licht seine Rolle als Hüter des kosmischen Tempolimits nur noch lokal: Kein Körper, kein Einfluss kann ein direkt neben ihm losfliegendes Lichtsignal ein- oder gar überholen. Auch daraus lässt sich eine Kausalstruktur ableiten und bestimmen, welche Ereignisse welche anderen Ereignisse beeinflussen können. Da die Gravitation allerdings die Bahnen von Licht verbiegt und seine Laufzeit verzögern, macht das die Analyse etwas komplizierter. Aber nach wie vor gilt: Die Ausbreitung des Lichts bestimmt die Kausalstruktur.
Synonyms: kausal Kausalstruktur
Kelvin-Temperaturskala
In der Physik übliche Temperaturskala, synonym: absolute Temperaturskala. Außerdem die Maßeinheit für Temperatur gemäß dem Internationalen Einheitensystem.
Nullpunkt ist der absolute Nullpunkt; ein Temperaturunterschied von einem Kelvin (abgekürzt 1 K, manchmal auch „ein Grad Kelvin“) ist dasselbe wie ein Unterschied von einem Grad Celsius, denn die beiden Skalen unterscheiden sich nur durch die Wahl des Nullpunkts: X Grad Celsius sind X plus 273,15 Kelvin, Y Kelvin sind Y minus 273,15 Grad Celsius.
Beziehung zu der in den USA üblichen Fahrenheit-Skala: X Grad Fahrenheit sind (X+459,67)*5/9 Kelvin, Y Kelvin sind (Y*9/5)-459,67 Grad Fahrenheit.
Synonyms: Kelvin
Keplersche Gesetze
Grundgesetze der Bewegung der Planeten um die Sonne. Erstes Keplersche Gesetz: Die Bahn, auf der jeder Planet die Sonne umläuft, hat die Form einer Ellipse, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht. Zweites Keplersches Gesetz: Verbindet man den Planeten und die Sonne durch eine gedachte Linie, so überstreicht diese Linie bei der Bewegung des Planeten in demselben Zeitintervall immer die gleiche Fläche, egal, wo sich der Planet auf seiner Bahn befindet. Drittes Gesetz: Teilt man das Quadrat der Umlaufzeit eines Planeten durch die dritte Potenz seines mittleren Abstandes von der Sonne, dann ergibt sich für jeden Planeten im Sonnensystem derselbe Wert, als Formel: (Umlaufzeit)2/(mittlerer Sonnenabstand)3 = const.
Die Keplerschen Gesetze ergeben sich aus den Gesetzen der klassischen Mechanik und dem Newtonschen Gravitationsgesetz. Schaut man genau hin, dann gelten sie nur näherungsweise – die Gravitationseinflüsse der Planeten untereinander und der Umstand, dass letztendlich nicht das Newtonsche Gesetz, sondern die Allgemeine Relativitätstheorie die Eigenschaften der Gravitation bestimmt (Stichwort relativistische Periheldrehung), führen zu kleinen Abweichungen von den Keplerschen Ellipsenbahnen.
Synonyms: Keplersche Bahngesetze
Kern
Siehe Atomkern.
Kernfusion
Prozess, bei dem sich zwei leichtere Atomkerne zu einem schwereren Atomkern verbinden; bei der Fusion von Atomkernen, die leichter sind als die des Eisens wird Energie frei. Kernfusion ist die Hauptenergiequelle von Sternen wie unserer Sonne. Einige weitere Informationen zur Kernfusion finden sich im Vertiefungsthema Ist das Ganze die Summe seiner Teile; der Rolle, die Einsteins berühmte Formel E=mc2 dabei spielt, ist das Vertiefungsthema Von E=mc2 zur Atombombe gewidmet.
Synonyms: Kernverschmelzung
Kernkraft
Kraft, die Protonen und Neutronen zu Atomkernen zusammenbindet; ein Nebeneffekt der starken Kernkraft.
Siehe auch schwache Kernkraft oder starke Kernkraft.
Kernphysik
Dasjenige Teilgebiet der Physik, das sich mit den Eigenschaften der Atomkerne beschäftigt. In relativistischer Hinsicht beispielsweise interessant, weil es Hinweise auf die Materieeigenschaften im frühen Universum der Urknallmodelle gibt und nötig ist, um das Innere der aus Kernteilchen bestehenden Neutronensterne zu beschreiben.
Kernspaltung
Kernspaltung (auch „Fission“) ist jeder Prozess, bei dem sich ein schwererer Atomkern in zwei oder mehrere Atomkerne aufspaltet; ist der Ausgangs-Atomkern schwer genug, wird bei der Spaltung Energie frei. Kernspaltung wird in herkömmlichen Atomreaktoren zur Energieerzeugung genutzt.
Einige weitere Informationen zur Kernspaltung finden sich im Vertiefungsthema Ist das Ganze die Summe seiner Teile; der Rolle, die Einsteins berühmte Formel E=mc2 dabei spielt, ist das Vertiefungsthema Von E=mc2 zur Atombombe gewidmet.
Kerr-Lösung
Eine Lösung der Einstein-Gleichungen, die die einfachste Form von rotierendem Schwarzem Loch beschreibt. Langfristig entwickeln sich alle rotierenden, nicht elektrisch geladenen Schwarzen Löcher zu Kerr-Löchern (siehe das Vertiefungsthema Wieviele verschiedene Arten von Schwarzen Löchern gibt es?).
Synonyms: Kerr-Loch
Kerr-Newman-Lösung
Eine Lösung der Einstein-Gleichungen, die die einfachste Form von rotierenden, elektrisch geladenen Schwarzen Löchern beschreibt. Langfristig entwickeln sich alle rotierenden, elektrisch geladenen Schwarzen Löcher zu Kerr-Newman-Löchern (siehe das Vertiefungsthema Wieviele verschiedene Arten von Schwarzen Löchern gibt es?).
Die Kerr-Newman-Lösung ist allgemeiner und schließt die Kerr-Lösung ein, wenn die elektrische Ladung des Schwarzen Lochs Null ist.
Synonyms: Kerr-Newman-Loch
Kilogramm
Physikalische Einheit der Masse im Internationalen Einheitensystem; bis Mai 2019 definiert über eine in Paris aufbewahrte Referenzmasse, das Urkilogramm. Seither über die Festlegung der Planck-Konstante und die Avogadro-Zahl, die einen exakten experimentell bestimmbaren Wert hat, der die Einheit Mol festlegt.
kinetische Energie
Anderer Ausdruck für Bewegungsenergie.
klassisch
In der Physik hat das Wort zwei Bedeutungen: Erstens bezeichnet es physikalische Modelle oder Theorien, die weder die Effekte der Einsteinschen Relativitätstheorien noch jene der Quantenphysik berücksichtigen, etwa die klassische Mechanik. In seiner zweiten Bedeutung bezeichnet es alle physikalischen Modelle oder Theorien, die nicht nach den Regeln der Quantenphysik formuliert sind; in diesem Sinne ist beispielsweise die Allgemeine Relativitätstheorie eine klassische Theorie.
klassische Mechanik
Siehe Mechanik, klassische
Klein-Gordon-Gleichung
Gleichung, die das Verhalten eines relativistischen Quantenteilchens beschreibt, das den Spin 0 trägt.
kompakt
Das Verhältnis der Masse eines Körpers zu seiner Längenausdehnung (etwa seinem Durchmesser) – je größer dieses Verhältnis ist, umso kompakter der Körper.
Genauer: Jeder Masse lässt sich eine Länge zuordnen, der so genannte Schwarzschild-Radius. Ist die Masse M, so ist der zugeordnete Schwarzschild-Radius
wobei G die Gravitationskonstante und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Ein ungefähres Maß für die Kompaktheit eines Körpers – eine allgemeingültige exaktere Definition gibt es nicht – ist dann der seiner Masse zugeordnete Schwarzschildradius, geteilt durch eine für den Körper charakteristische Länge (bei einer Kugel der Radius, bei einem Würfel beispielsweise die Seitenlänge).
Die Kompaktheit ist ein Maß für die Stärke der Gravitation nahe der Oberfläche des Körpers. Eine Kugelmasse wird beispielsweise genau dann zu einem Schwarzen Loch, wenn ihre Kompaktheit (Schwarzschildradius durch Kugelradius) den Wert eins überschreitet.
Synonyms: Kompaktheit
konische Singularität
Eine besondere Art von Raumzeitsingularität (also einer Grenze, an der die Raumzeit endet), die nicht mit unendlich großer Krümmung assoziiert ist, sondern eine Art höherdimensionales Analogon einer Kegelspitze ist.
Weitere Informationen über die verschiedenen Arten von Singularitäten bietet das Vertiefungsthema Raumzeitsingularitäten.
Konstanz der Lichtgeschwindigkeit
Eines der grundlegenden Postulate der speziellen Relativitätstheorie: Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum hat für alle frei im gravitationsfreien Raum treibenden Beobachter (genauer: für alle Inertialbeobachter) denselben konstanten Wert. Dieser Wert ist insbesondere unabhängig von der Bewegung dieser Beobachter relativ zur Lichtquelle.
Kontinuum
Eine Menge von unendlich vielen Punkten, die so „dicht“ beieinander liegen, dass zwischen je zwei Punkten immer noch unendlich viele weitere liegen. Ein kontinuierlicher Raum kann immer weiter in kleinere Teilräme aufgeteilt werden, ohne dass dieser Prozess je an eine Grenze stößt. Raum und Zeit in der klassischen Physik sind Kontinua, ebenso die Raumzeit der Relativitätstheorien.
Gegensatz eines Kontinuums ist ein diskreter Raum, in dem ein Aufteilungsprozess nach endlich vielen Schritten an sein Ende gelangt. Solche Räume spielen in einigen Ansätzen für eine Theorie der Quantengravitation eine Rolle.
Synonyms: kontinuierlicher Raum
Koordinaten
Ein Koordinatensystem ist eine Vorschrift, jedem Punkten eines allgemeinen Raumes (sprich: einer Gerade, einer Fläche, dem dreidimensionalen Raum oder höherdimensionalen Entsprechungen) oder einer Raumzeit zur Identifikation Zahlen zuzuordnen. Jede Klasse von Zahlen heißt dabei Koordinate.
Zwei Beispiele dürften Leser aus der Schule kennen: Bei der Zahlengerade entspricht jedem Punkt auf einer Gerade eine reelle Zahl, die man als seine Koordinate betrachten kann. Wichtig ist, dass die Koordinate die Nachbarschaftsverhältnisse richtig wiedergibt: Die Zahl 1 liegt zwischen der Zahl 0 und der Zahl 2; der Punkt mit der Koordinate 1 liegt auf der Zahlengeraden zwischen dem Punkt mit der Koordinate 0 und dem Punkt mit der Koordinate 2. Zweites Beispiel ist das übliche X-Y-Koordinatensystem, mit dem jedem Punkt in der Ebene zwei Koordinatenwerte zugeordnet werden: Eine Zahl, die seinen X-Koordinatenwert angibt und eine zweite, die seinen Y-Koordinatenwert definiert.
Die Beispiele spiegeln bereits eine wichtige Eigenschaft wieder: Um einen Punkt in einem Raum zu identifizieren benötigt man genau so viele Koordinatenwerte, wie der Raum Dimensionen hat.
Von den vier Koordinatenwerte, die ein Ereignis in einer Raumzeit kennzeichnen, dienen dementsprechend drei dazu, den Ort im dreidimensionalen Raum anzugeben, während ein Koordinatenwert den Zeitpunkt festhält.
Synonyms: Koordinatensystem
Kosmische Hintergrundstrahlung
Kosmische Strahlung
Hochenergetische Teilchenströme aus den Tiefen des Alls, bestehend aus Protonen und leichten Atomkernen.
Kosmische Zeit
Maß für die zeitliche Entwicklung eines expandierenden Universums wie jenem der Urknallmodelle. Entsprechend der Anzeige von Uhren, die ohne zusätzliche Eigenbewegung an der kosmischen Expansion teilnehmen und die am hypothetischen Urknall auf Null gesetzt werden. Synonym: Weltalter.
Die Grundlagen der kosmischen Modelle, auf die sich die kosmische Zeit bezieht, werden im Kapitel Kosmologie von Einstein für Einsteiger erklärt.
Kosmische Zensur
Wohl die sonderbarste Konsequenz der Allgemeinen Relativitätstheorie sind die Singularitäten, deren Existenz die Theorie vorhersagt – typischerweise Raumzeitregionen, in denen Dichte und/oder Krümmung gegen unendlich gehen.
Höchstwahrscheinlich handelt es sich bei den Singularitäten um Artefakte, die resultieren, weil Einsteins Theorie Quanteneffekte außen vor lässt – und die in einer vollständigen Theorie der Quantengravitation abwesend sind. Doch selbst wenn man die Quantentheorie beiseite lässt und im Rahmen der klassischen Allgemeinen Relativitätstheorie argumentiert, ist es gut möglich, dass Singularitäten zwar existieren, aber zumindest gut versteckt sind.
Dies besagt jedenfalls die kosmische Zensur-Hypothese, genauer: wann immer ein Körper soweit kollabiert, dass sich eine Singularität bildet, entsteht ein Schwarzes Loch – und die Singularität ist somit hinter dem Horizont des Loches versteckt und für einen äußeren Beobachter komplett unsichtbar.
Derzeit gibt es noch keine Beweis für die Hypothese der kosmischen Zensur – im Gegenteil, es gibt einige Gegenbeispiele, die freilich hoch idealisierte Situationen beschreiben und somit kaum etwas über die wirkliche Welt aussagen dürften. Wie ein solcher Beweis (der sich dann auf realistisch-unsymmetrische Situationen beschränken müsste) aussieht, ist eine der großen offenen Fragen der Forschung zur Allgemeinen Relativitätstheorie.
Kosmologie
Die Lehre vom Aufbau und der Entwicklung des Universums als Ganzes. Kernstück der modernen Kosmologie sind die auf der Allgemeinen Relativitätstheorie basierenden Urknallmodelle, deren grundlegende Eigenschaften im Abschnitt Kosmologie von Einstein für Einsteiger vorgestellt werden.
Informationen zu einer Reihe weiterer Aspekte der Kosmologie finden sich bei den Vertiefungsthemen in der Kategorie Kosmologie.
kosmologische Konstante
In den Urknallmodellen eine dem Raum selbst innewohnende Tendenz zu Abbremsung oder Beschleunigung der Expansion. Unser Weltall scheint eine kosmologische Konstante zu besitzen, die seine Expansion weiter und weiter zu beschleunigen sucht.
kosmologische Rotverschiebung
Nebeneffekt der kosmischen Expansion in den Urknallmodellen: Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, umso stärker ist im Mittel das Licht, welches wir von ihr empfangen, in Richtung auf niedrigere Frequenzen hin verschoben.
Kraft
In der Mechanik: Einfluss, der auf einen Körper wirkt und ihm eine Beschleunigung zu erteilen sucht.
Allgemeiner: Art, wie Elementarteilchen oder zusammengesetzte Teilchen in Wechselwirkung treten können; Kraft und Wechselwirkung sind in diesem Sinne synonym. Das Standardmodell der Elementarteilchen umfasst drei Grundkräfte: Elektromagnetismus, Starke Kernkraft und Schwache Kernkraft, nicht aber die vierte grundlegende Wechselwirkung, die Gravitation.
Die Grundkräfte werden in der Physik als Auswirkung so genannter Felder beschrieben – wie Kraft und Feld zusammenhängen schildert das Vertiefungsthema Von der Kraft zum Feld.
Kraftteilchen
Im Rahmen der relativistischen Quantentheorien wirken Kräfte durch die Übertragung so genannter Kraftteilchen. Die elektrische Kraft zwischen zwei Elektronen beispielsweise kommt zustande, weil zwischen den Elektronen laufend Photonen hin- und herlaufen, die Kraftteilchen der elektromagnetischen Kraft. Kraftteilchen haben ganzzahligen Spin, etwa Spin 0,1 oder 2. Synonym: Botenteilchen, Trägerteilchen.
Krümmung
In einer zweidimensionalen Fläche: Kriterium, anhand dessen es sich entscheiden lässt, ob es sich bei der Fläche um eine Ebene handelt (d.h. ob darin die üblichen Regeln der in der Schule gelehrten Mathematik gelten) oder nicht. Zwei Möglichkeiten, die Krümmung einer Fläche zu definieren, sind die folgenden:
Erstens: Winkelsumme im Dreieck. In der Ebene beträgt die Summe der drei Winkel eines aus Geraden gebildeten Dreiecks immer 180 Grad. Auf einer allgemeineren Fläche kann die Winkelsumme für ein aus geradestmöglichen Linien (Geodäten) gebildetes Dreieck größer oder kleiner als 180 Grad sein. Die Abweichung, also der Winkelüberschuss oder das Winkeldefizit, die man üblicherweise noch durch die Fläche des Dreiecks teilt, sind ein Maß für die Krümmung der Fläche in der Region rund um das betrachtete Dreieck.
Zweitens: Kreisumfang. In der Ebene ist der Umfang eines Kreises gleich 2 mal Pi mal dem Kreisradius. Auf einer allgemeineren Fläche kann der Umfang größer oder kleiner sein. Die Abweichung, üblicherweise noch durch Radius-hoch-drei geteilt, führt zum gleichen Krümmungsmaß wie die Winkelsumme im ersten Dreieck.
Einfache Beispiele für gekrümmte Flächen sind die Kugelfläche (positive Krümmung, das heißt: Winkelsumme im Dreieck größer als 180 Grad, Kreisumfang kleiner als 2 mal Pi mal Radius) und die Sattelfläche (negative Krümmung, das heißt: Winkelsumme im Dreieck kleiner als 180 Grad, Kreisumfang größer als 2 mal Pi mal Radius).
Auch für höherdimensionale, allgemeine Räume lassen sich Krümmungsmaße definieren, die die Abweichung vom flachen Raum messen. Dabei ist allerdings mehr als eine Größe vonnöten, und die Krümmung wird zu einem mathematischen Kombinationsobjekt mit verschiedenen Komponenten.
Informationen zu den Arten der Raumkrümmung, die unser Weltall laut der kosmologischen Urknallmodelle aufweisen kann, bietet das Vertiefungsthema Die Form des Raums; wie man diese Krümmung anhand von Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung nachweisen kann, erklärt das Vertiefungsthema Kosmischer Schall und die Krümmung des Raums.
In Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie spielt die Krümmung der Raumzeit eine wichtige Rolle – sie ist direkt mit bestimmten Aspekten der Gravitation verknüpft, insbesondere mit so genannten Gezeitenkräften. Weitere Informationen hierzu bietet das Vertiefungsthema Gravitation: Vom Fahrstuhl zur Raumzeitkrümmung.
Krümmungssingularität
Eine besondere Art von Raumzeitsingularität (also einer Grenze, an der die Raumzeit endet), die mit unendlich starker Gravitation und somit auch mit unendlich großer Krümmung assoziiert ist.
Zwei verschiedene Arten von Krümmungssingularität sind Ricci- und Weylsingularität.
Weitere Informationen über die verschiedenen Arten von Singularitäten bietet das Vertiefungsthema Raumzeitsingularitäten.
Kugel
Eine Kugelfläche ist ein Beispiel für eine einfache gekrümmte Fläche. Am besten vorstellbar eingebettet in den üblichen dreidimensionalen Raum: Darin ist die Kugelfläche die Menge aller Punkte, die sich in einem vorgegebenen Abstand von einem bestimmten Punkt befinden, dem Kugelmittelpunkt.
Mathematisch gesehen lässt sich eine Kugelfläche mit genau den gleichen geometrischen Eigenschaften auch ohne Einbettung konstruieren – wenn Mathematiker von der Geometrie der Kugeloberfläche reden, ist (fast) immer die „innere Geometrie“ gemeint: Diejenigen Eigenschaften, die zweidimensionale, in der Fläche lebende Wesen feststellen könnten – etwa, indem sie Längen und Winkel messen.
Kugel wird oft synonym zu Kugelfläche gebraucht (im Gegensatz zur Vollkugel als solider, dreidimensionaler Ball), und nicht nur für zweidimensionale, sondern auch für Kugelflächen mit weniger oder mehr Dimensionen. Eine Eins-Kugel beispielsweise ist ein Kreis, eine Zwei-Kugel eine herkömmliche Kugelfläche, eine Drei-Kugel ihr dreidimensionales Analogon.
Synonyms: Kugelfläche