Lexikon

Knapp 500 Begriffe rund um die Relativitätstheorie und ihre Anwendungen, von „absolute Bewegung“ bis „Zwillingseffekt“ – auswählbar z.B. über diese Buchstabenliste:

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Paarerzeugung

Im Rahmen von relativistischen Quantenfeldtheorien sind Prozesse erlaubt, bei denen ein Teilchen und ein entsprechendes Antiteilchen zusammentreffen und sich in elektromagnetische Strahlung verwandeln (Paarvernichtung) und umgekehrt Prozesse, bei denen aus elektromagnetischer Strahlung ein Teilchen und ein entsprechendes Antiteilchen entstehen (Paarerzeugung).

Diese Prozesse zeigen, dass sich tatsächlich alle mit der Masse von Materieteilchen gemäß Einsteins Masse-Energie-Äquivalenz verbundene Energie in andere Energieformen (eben elektromagnetische Strahlungsenergie) umwandeln kann.


Synonyms: Paarvernichtung

Parametrisierte Post-Newtonsche Näherung (PPN)

Ein Formalismus, der es für Situationen mit vergleichsweise schwacher Gravitation erlaubt, Abweichungen von den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie anhand von Zahlenwerten (den Werten der namensgebenden Parameter) auszudrücken. Umgekehrt kann so erfasst werden, wie genau diese Vorhersagen mit Beobachtungen übereinstimmen. Der Formalismus basiert auf der so genannten ersten post-Newtonschen Näherung.

Weitere Informationen bietet das Vertiefungsthema Ein Prüfstand für die Allgemeine Relativitätstheorie.


Synonyms: PPN

Parsec

Astronomische Längeneinheit; es gilt (gerundete Werte):

1 Parsec = 3,26 Lichtjahre
= 200 000 Astronomische Einheiten
= 30 Billionen Kilometer.

Abkürzung: pc. Parsec ist ein Kurzwort für „Parallaxensekunde“.

passive schwere Masse

Siehe schwere Masse

Pauli-Prinzip

Grundprinzip der Quantentheorie, das besagt, dass sich niemals zwei Fermionen im gleichen Zustand befinden dürfen. Beispielsweise können sich niemals zwei Fermionen mit denselben Eigenschaften am gleichen Ort aufhalten. Erstmals formuliert wurde dieses Prinzip von dem Physiker Wolfgang Pauli.

Da zu den Fermionen insbesondere die Elektronen zählen, bestimmt das Pauli-Prinzip ganz entscheidend die Eigenschaften der uns umgebenden Materie: Erst der Umstand, dass sich eben nicht alle Elektronen eines Atoms gleichzeitig in dem Zustand geringster Energie ganz nahe am Atomkern befinden können, sondern sich die Elektronen auf andere Zustände verteilen, führt zu den verschiedenen chemischen Eigenschaften von Atomen mit unterschiedlich vielen Elektronen, auf denen die gesamte Chemie basiert.


Synonyms: Paulisches Ausschließungsprinzip Pauli-Verbot

Perihel

Sonnennächster Punkt der Bahn eines Planeten oder anderen Himmelskörpers um die Sonne. Aus Sicht der Allgemeinen Relativitätstheorie interessant aufgrund des Effekts der relativistischen Periheldrehung.

Periheldrehung, relativistische

Für die Planetenbahnen treffen Newtonsche Gravitationstheorie und Allgemeine Relativitätstheorie leicht unterschiedliche Aussagen. In der Newtonschen Theorie ist beispielsweise die Bahnkurve eines einsamen, um einen Stern kreisenden Planeten im allgemeinen eine Ellipse, in der Relativitätstheorie dagegen eine Art Rosette, also eine Art Ellipsenbahn, die sich bei jedem Umlauf im ganzen etwas weiterdreht. Da sich dabei auch der sonnennächste Punkt der Bahn, das Perihel, etwas weiterdreht, heisst diese zusätzliche Bewegungskomponente relativistische Periheldrehung. Ein Bild dazu zeigt die Seite Planet auf Abwegen im Kapitel Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger.


Synonyms: relativistische Periheldrehung

Perimeter Institute for Theoretical Physics

Auf private Initiative hin gegründetes Institut für Grundlagenforschung in der Theoretischen Physik in Waterloo, Kanada. Hauptforschungsgebiete sind Quantengravitation, die Grundlagen der Quantentheorie und Quantencomputer.

Webseiten des Perimeter Institute

Pfadintegral

Eine Rechentechnik der Quantentheorie. Grob gesagt ergibt sich dabei die Wahrscheinlichkeit eines bestimmten Ereignisses (beispielsweise, dass ein Teilchen den Ort A zur Zeit t erreicht) aus einer Art Summe über alle möglichen Entwicklungen, aus denen sich das betreffenden Ereignis ergeben kann (in unserem Beispiel alle Arten und Weisen, wie sich das Teilchen bewegen kann, so dass es zur Zeit t den Ort A erreicht).

Eine kurze Beschreibung der Pfadintegralformulierung der Quantentheorie bietet das Vertiefungsthema Auf allen möglichen Wegen zum Ziel.

Photoeffekt

Wenn Licht auf ein Metall fällt, kann es aus den Metall atomen Elektronen herausschlagen. Das ist der Photoeffekt, und seine Eigenschaften – wie hängen Anzahl und Energie der Elektronen von der Frequenz und Intensität des Lichts ab? – lassen sich nur erklären, wenn man annimmt, Licht sei keine bloße elektromagnetische Welle sondern bestünde aus einer Art Lichtteilchen. Mit dieser Annahme ebnete Einstein im Jahre 1905 den Weg für die spätere Entwicklung der Quantenmechanik.


Synonyms: photoelektrischer Effekt

Photon

Synonym: Lichtteilchen. In der Quantentheorie ist Licht keine kontinuierliche elektromagnetische Welle sondern ein steter Strom von winzigen Energiepaketen, den Photonen.


Synonyms: Photonen

Photonenradius

In einem bestimmten Abstand von einem kugelsymmetrischen Schwarzen Loch ist die Lichtablenkung aufgrund der Gravitationswirkung des Loches so groß, dass Licht sich auf geschlossenen Kreisbahnen bewegen kann – Photonen (Lichtteilchen) können in diesem Abstand um das Schwarze Loch kreisen wie ein Planet um die Sonne. Der Abstand heißt dementsprechend Photonenradius.

Für einen Beobachter, der sich am Photonenradius aufhält, bedeutet das, dass er seinen eigenen Hinterkopf sehen kann (oder zumindest einen Ausschnitt davon) – dann nämlich, wenn das von seinem Hinterkopf ausgesandte Licht einmal um das Schwarze Loch und ihm von vorne wieder in die Augen fliegt.

Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Das Metrologie-Institut der Bundesrepublik Deutschland mit Standorten Braunschweig und Berlin, zuständig sowohl für die Festlegung und Überwachung der offiziellen Maßeinheiten als auch für die Festlegung der einheitlichen Zeit. Um das offizielle Funk-Zeitsignal und mehr geht es im Vertiefungsthema Zeitbestimmung mit Radiosignalen – von der Funkuhr zur Satellitennavigation.

> Webseiten der PTB


Synonyms: PTB

Pierre-Auger-Observatorium

Observatorium zur Beobachtung hochenergetischer kosmischer Strahlung; Standort ist das westliche Argentinien. Im Zusammenhang mit der relativistischen Physik ist dabei unter anderem interessant, dass die kosmische Strahlung winzige Schwarze Löcher erzeugen könnte (siehe das Vertiefungsthema Schwarze Löcher in Teilchenbeschleunigern?).

> Deutsche Webseiten des Pierre-Auger-Observatoriums

Planck-Einheiten

Natürliche Einheiten für Länge, Zeit, Energie und Masse, die sich jeweils als geeignete Kombination der grundlegenden Naturkonstanten ergeben, die die Raum-Zeit-Struktur, die Stärke der Gravitation und die Quantenwelt regieren, nämlich der Gravitationskonstanten, des Planckschen Wirkungsquantums und der Lichtgeschwindigkeit.

Siehe: Planck-Länge, Planck-Zeit, Planck-Energie, Planck-Masse.

Planck-Energie

Natürliche Energiemenge, die sich allein aus Kombination der grundlegenden Naturkonstanten ergibt, die die Raum-Zeit-Struktur, die Stärke der Gravitation und die Quantenwelt regieren, nämlich der Gravitationskonstanten, des Planckschen Wirkungsquantums und der Lichtgeschwindigkeit. Überall dort, wo Elementarteilchen solche Energie erreichen, sollten sowohl Effekte der Quantentheorie wie auch Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie wichtig werden, kurz: solche Situationen sollten sich nur durch eine Theorie der Quantengravitation beschreiben lassen.

Vergleiche: Planck-Masse, Planck-Länge, Planck-Zeit.

Planck-Konstante

Siehe Plancksche Konstante.

Planck-Länge

Natürlicher Längenwert, der sich als Kombination der grundlegenden Naturkonstanten ergibt, die die Raum-Zeit-Struktur, die Stärke der Gravitation und die Quantenwelt regieren, nämlich der Gravitationskonstanten, des Planckschen Wirkungsquantums und der Lichtgeschwindigkeit. Die Planck-Länge beträgt ungefähr 1,6 mal 10-35 Meter.

[Probleme mit Ausdrücken wie 10-35? Siehe Stichwort Zehn-Hoch-Schreibweise]

Bei Größenskalen dieser Länge sollten sowohl Effekte der Quantentheorie wie auch Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie wichtig werden, kurz: was dort vor sich geht sollte sich nur durch eine Theorie der Quantengravitation beschreiben lassen.

Vergleiche: Planck-Zeit, Planck-Energie, Planck-Masse,

Planck-Masse

Natürlicher Massenwert, der sich allein aus Kombination der grundlegenden Naturkonstanten ergibt, die die Raum-Zeit-Struktur, die Stärke der Gravitation und die Quantenwelt regieren, nämlich der Gravitationskonstanten, des Planckschen Wirkungsquantums und der Lichtgeschwindigkeit. Gemessen an Alltagsmassen ist die Planck-Masse sehr klein, nämlich nur rund 2 Hunderttausendstel Gramm. Ist diese Masse dagegen in einem einzigen Elementarteilchen konzentriert, sollten sowohl Effekte der Quantentheorie wie auch Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie wichtig werden, kurz: solch ein Teilchen sollte sich nur durch eine Theorie der Quantengravitation beschreiben lassen.

Vergleiche: Planck-Energie, Planck-Länge, Planck-Zeit.

Planck-Zeit

Natürliches Zeitintervall, das sich als Kombination der grundlegenden Naturkonstanten ergibt, die die Raum-Zeit-Struktur, die Stärke der Gravitation und die Quantenwelt regieren, nämlich der Gravitationskonstanten, des Planckschen Wirkungsquantums und der Lichtgeschwindigkeit. Die Planck-Zeit beträgt rund 5 mal 10-44Sekunden und ist die Zeit, die Licht benötigt um eine Strecke der Länge eine Planck-Länge zurückzulegen.

[Probleme mit Ausdrücken wie 10-44? Siehe Stichwort Zehn-Hoch-Schreibweise]

Bei Zeitskalen dieser Dauer – beispielsweise bei einem Weltalter von der Größenordnung der Planck-Zeit in den Urknallmodellen – sollten sowohl Effekte der Quantentheorie wie auch Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie wichtig werden, kurz: so kurze Geschehnisse sollten sich nur durch eine Theorie der Quantengravitation beschreiben lassen.

Vergleiche: Planck-Länge, Planck-Energie, Planck-Masse

Plancksche Konstante

Synonym: Plancksches Wirkungsquantum. Grundlegende Konstante in der Quantentheorie mi t der Einheit Energie mal Zeit. Die Energie eines Photons beispielsweise ist gleich seiner Frequenz mal der Planckschen Konstanten. Formelsymbol: h.


Synonyms: Plancksches Wirkungsquantum

Plancksches Strahlungsgesetz

Das Plancksche Strahlungsgesetz ist das grundlegende Gesetz für die einfachste Form der Wärmestrahlung – der Strahlung eines Schwarzen Körpers. Es beschreibt das Spektrum dieser Strahlung allein in Abhängigkeit von universellen Konstanten und einem einzigen Parameter – der Temperatur des Körpers. Ein Spektrum der betreffenden Form wird auch Planck-Spektrum genannt.

Einige weitere Informationen sowie eine Abbildung der Form des Planck-Spektrums bietet das Vertiefungsthema Warum man Wärme sehen kann.


Synonyms: Planck-Spektrum

Planet

Größere Begleiter eines Sterns, die selbst weder Sterne sind noch es je waren. Die Planeten unseres Sonnensystems sind, von der Sonne aus aufgezählt: Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Bis zum August 2006 zählte auch Pluto zu den Planeten, doch er wurde zum „Zwergplanet“ heruntergestuft. Am Nachthimmel machen sich Planeten dadurch bemerkbar, dass sich ihre Position relativ zu dem unveränderlichen Muster der Sterne mit der Zeit verändert – der Begriff kommt denn auch von einem griechischen Wort für „umherschweifend“, und ein anderer Ausdruck für Planet ist „Wandelstern“.

Plasma

Zustandsform (Aggregatzustand) der Materie, in der die Atome weitgehend oder sogar vollständig in Elektronen und Atomkerne aufgespalten sind, die in einem energiereichen Gemisch durcheinanderfliegen.

Vergleiche die anderen Aggregatzustände: Gas, Flüssigkeit und Festkörper.

Polarisation

Besonders einfache Wellen lassen sich durch ihre Ausbreitungsrichtung und -geschwindigkeit, Schwingungsfrequenz und Amplitude vollständig beschreiben. Für andere einfache Wellen reichen diese Größen nicht ganz aus – zusätzlich muss noch angegeben werden, wie der charakteristische Schwingungsvorgang der Welle im Raum orientiert ist. Diese Orientierung heißt Polarisation: Bei elektromagnetischen Wellen definiert sie die Richtungen des elektrischen und magnetischen Feldes der Welle, bei Gravitationswellen die Lage derjenigen beiden senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen, in denen räumliche Abstände beim Durchgang der Welle maximal gestaucht und gestreckt werden.

Positron

Positronen sind die Antiteilchen der Elektronen: elektrisch positiv geladene, leichte Elementarteilchen.

post-Newtonsche Näherung

Für Situationen mit nur sehr schwacher Gravitation treffen Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie und Newtons Gravitationstheorie sehr ähnliche Vorhersagen über die Bewegung von Körpern und die Lichtausbreitung. Solche Situationen lassen sich daher beschreiben, indem man mit der Newtonschen Theorie beginnt und dann Schritt für Schritt Korrekturterme hinzufügt, mit denen die Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie berücksichtigt werden. Die post-Newtonsche Näherung ist ein Formalismus, der es erlaubt die entsprechenden Korrekturen systematisch zu bestimmen. Die Korrekturen sind dabei hierarchisch geordnet: Werden nur die gröbsten Abweichungen berücksichtigt, spricht man von der ersten post-Newtonschen Näherung (oder der post-Newtonschen Näherung erster Ordnung, 1pN), inklusive der nächst kleineren Korrekturen erhält man die zweite post-Newtonsche Näherung (2pN), und so fort.

Die post-Newtonsche Näherng ist auch entscheidend, um relativistische Effekte in Doppelsternsystemen (zwei sich umkreisende Neutronensterne oder Schwarze Löcher) zu beschreiben. Er spielt daher eine Schlüsselrolle beim direkten Nachweis von Gravitationswellen: Basierend auf dem post-Newtonschen Formalismus werden verschiedene mögliche Gravitationswellenformen modelliert und für die Suche nach Signalen in den Detektordaten verwendet. Der post-Newtonsche Formalismus ist unverzichtbarer Bestandteil aller Wellenformmodelle, besonders wichtig ist er allerdings für Neutronen-Doppelsterne. Für solche Systeme liegt der größte Teil des beobachteten Gravitationswellensignals in dem Regime, in dem die post-Newtonschen Terme dominant sind. Dank eines post-Newtonschen Modells wurden im Jahr 2017 erstmals Gravitationswellen aus der Verschmelzung von zwei Neutronensternen nachgewiesen.

Weitere Informationen zu den post-Newtonschen Näherungen bietet das Vertiefungsthema Schritt für Schritt von Newton zu Einstein.


Synonyms: post-Newtonsche Näherungen

Potential

Einem Körper, auf den Newtonsche Gravitationskräfte wirken, muss man eine Energie zuschreiben, die potentielle Energie heißt. Überlässt man solch einen Körper sich selbst, so beginnt er zu fallen, und die potentielle Energie wird in Bewegungsenergie (Synonym: kinetische Energie) umgewandelt. Die potentielle Energie ist gleich der Masse des Körpers mal einer nur vom Ort abhängigen Größe, dem Gravitationspotential.

Das Gravitationspotential ist eine Möglichkeit, die Gravitationswirkung der beteiligten Massen vollständig zu beschreiben. Das ebenfalls zur Beschreibung nützliche Gravitationsfeld lässt sich direkt aus dem Potential ableiten – es ist ein Maß dafür, wie sich das Potential von Ort zu Ort ändert.

Potentiale lassen sich auch für elektrische und Magnetkraft definieren. Auch für diese Wechselwirkungen ergibt sich das zugehörige Kraftfeld daraus, wie sich das Potential von Ort zu Ort ändert.


Synonyms: potentielle Energie

Potenz

In der Mathematik: die n-te Potenz der Zahl x, geschrieben xn, mit n einer ganzen Zahl, ist die Zahl x, n-mal mit sich selbst malgenommen: x2=x·x, x3=x·x·x, usw.

Präzession, de Sitter-

Die Achse eines Kreisels, auf den keine äußeren Kräfte wirken, behält ihre Richtung im Raum mit großer Genauigkeit bei – Grundlage beispielsweise für Kreiselkompasse. In einer gekrümmten Raumzeit, wie wir sie laut Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie rund um massive Objekte vorfinden, gilt dies freilich nicht mehr ganz: Die Achse eines frei fallenden Kreisels in einer Umlaufbahn um eine kugelförmige Masse zeigt nach jedem Umlauf in eine leicht andere Richtung als vorher. Dieser Effekt der allgemeinen Relativitätstheorie ist als de Sitter-Präzession oder geodätische Präzession bekannt.


Synonyms: geodätische Präzession

Proton

Positiv geladenes, vergleichsweise massives Teilchen; die Kerne der Atome bestehen aus Protonen und Neutronen.

Protonen sind keine Elementarteilchen, sondern bestehen ihrerseits aus Quarks, die von der starken Kernkraft zusammengehalten werden. Protonen, Neutronen und eine Reihe ähnlicher Teilchen werden zusammengefasst als Baryonen bezeichnet.

PSR J0737-3029A/B

Der erste bekannte Doppelpulsar, entdeckt im Jahre 2003: Ein Doppelstern, der aus zwei einander umkreisenden Neutronensternen besteht, die beide Pulsare sind, von denen wir hier auf der Erde regelmäßige Radiopulse auffangen können.

Messungen an diesem System erlauben hochgenaue Tests der Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie für relativistische Lichtlaufzeitverzögerung, Lichtablenkung, Periheldrehung sowie einer systematischen Verkürzung der Umlaufzeit (die derzeit 2,4 Stunden beträgt) als Konsequenz der Abstrahlung von Gravitationswellen.

PSR1913+16

Ein bestimmter Doppelstern, der aus zwei einander umkreisenden Neutronensternen besteht, von denen einer ein Pulsar ist, von dem wir hier auf der Erde regelmäßige Radiopulse auffangen können. Aus Sicht der Allgemeinen Relativitätstheorie ist das System nicht nur interessant, weil sich an den Pulsen Effekte wie die relativistische Lichtlaufzeitverzögerung mit sonst nicht erreichbarer Präzision nachweisen lassen, sondern vor allem, weil er den ersten indirekten Nachweis der Existenz von Gravitationswellen liefert: Die Umlaufzeit der Doppelsternpartner umeinander nimmt mit der Zeit exakt so ab wie, man es im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie aufgrund der Abstrahlung von Gravitationswellen erwarten würde.

Pulsar

Rotierender Neutronenstern, von dem uns regelmäßige Strahlungspulse erreichen. Der einfachste Mechanismus hinter diesen Pulsen ist, dass der Pulsar enge Bündel von Strahlung aussendet, die das Weltall aufgrund der Drehung des Pulsars überstreichen wie die Lichtstrahlen eines Leuchtturms. Eine Illustration dieses Effekts findet sich auf der Seite Neutronensterne und Pulsare im Kapitel Schwarze Löcher & Co. von Einstein für Einsteiger.

Punkt

„Elementarbaustein“ von geometrischen Gebilden wie Flächen oder allgemeineren Raum. Eine Fläche beispielsweise ist zunächst einmal die Summe aller ihrer Punkte, aller Orte auf der Fläche, und auch geometrische Gebilde in dieser Fläche sind durch ihre Punkte definiert – beispielsweise eine aus (unendlich vielen) Punkten gebildete Linie in der Fläche.

Pythagoras, Satz des

Für ein rechtwinkliges Dreieck in der Ebene oder in einem beliebigen anderen flachen Raum gilt: Die Längen a und b der beiden Seiten, die im rechten Winkel aufeinanderstehen („Katheten“), und die Länge c der dritten Seite („Hypothenuse“) hängen zusammen über die Formel

a²+b²=c².


Synonyms: Satz des Pythagoras