Lexikon

Ähnlich wie der Nachhall einer geläuteten Glocke klingt die Kollision zweier schwarzer Löcher in Form von Gravitationswellen nach. Diese sind schwächer als die der eigentlichen Verschmelzung und entstehen durch eine vorübergehende Schwingung des nun entstandenen schwarzen Lochs, während dieses sein Gleichgewicht findet. Man nennt diese Phase, in der noch Gravitationswellen ausgesendet werden, „Ringdown“ oder „Abklingzeit“

Bewegung lässt sich zum einen relativ zu anderen Objekten messen – ein fahrender Zug bewegt sich relativ zur Erde; umgekehrt bewegt sich auch die Erde relativ zu dem betreffenden Zug. Gibt es auch absolute Bewegung – kann ein Beobachter in einer abgeschlossenen Kabine ohne Bezug auf irgendwelche äußeren Objekte allein durch physikalische Experimente feststellen, ob er sich in Bewegung oder in Ruhe befindet? Das hypothetische Bezugssystem für solche absolute Bewegung heißt auch absoluter Raum.

Mit der Speziellen Relativitätstheorie setzte sich die Vorstellung durch, dass es keine absolute Bewegung gibt. In dieser Theorie sind alle Inertialbeobachter gleichberechtigt; jeder von ihnen kann mit gleichem Recht behaupten, er befände sich in Ruhe. Es gibt keine physikalischen Experimente, anhand derer sich zwischen den Bewegungszuständen der verschiedenen Inertialbeobachter unterscheiden ließe (so die Aussage des Relativitätsprinzips).

Die niedrigstmögliche Temperatur. Physikalisch gesehen ist die Temperatur ein Energie-Mittelwert. Die Temperatur eines Gases ist beispielsweise proportional zum Mittelwert der Bewegungsenergie der Teilchen im Gas. Im klassischen Sinne wäre der absolute Nullpunkt erreicht, wenn sich die Teilchen überhaupt nicht mehr bewegten. In quantenmechanischer Betrachtungsweise hat ein quantenmechanisches System am absoluten Temperaturnullpunkt die sogenannte Nullpunktsenergie und damit ist eine minimale vibrations Bewegung verbunden, welche sich durch die Heisenbergsche Unschärferelation ergibt.

Der absolute Nullpunkt liegt bei -273,15 Grad der Celsius-Temperaturskala und bildet den Ausgangspunkt der Kelvin-Skala.

Für den normalen dreidimensionalen Raum kennen wir ihn alle: den Abstand, eine Maßzahl, die sich jedem Punktepaar des Raumes zuordnen lässt und angibt, wie weit die beiden Punkte voneinander entfernt sind. Diese Art von Maßzahl lässt sich auch auf Räume mit weniger oder mehr als drei Dimensionen verallgemeinern.

Auch für die Raumzeit lässt sich ein Abstandsbegriff definieren. Je nachdem, um welche zwei Raumzeitpunkte es sich handelt, gibt dieser so genannte relativistische Abstand eine Art zeitlichen Abstand zwischen den Raumzeitpunkten an, eine Art rämlichen Abstand, oder er gibt dem Umstand wieder, dass beide Raumzeitpunkte auf der Weltlinie ein und desselben Lichtsignals liegen.

Eine Menge heißt abzählbar, wenn sich eine eindeutige Vorschrift angeben läßt, ihre Elemente durchzunummerieren (sprich, jedem Element eine natürliche Zahl 1,2,3,… zuzuordnen). Jede Menge mit nur endlich vielen Elementen ist abzählbar. Mengen mit unendlich vielen Elementen können abzählbar oder nicht abzählbar („überabzählbar“) sein (abzählbar, aber unendlich ist beispielsweise die Menge der natürlichen Zahlen selbst; überabzählbar ist die Menge der Punkte eines kontinuierlichen Raumes).

Abkürzung für Astronomische Einheit, siehe dort.

Ein und dieselbe Portion Materie kann, je nach den äußeren Verhältnissen (etwa: je nach Temperatur), ganz unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Die wichtigsten Zustandsformen sind für ein weites Spektrum an Materiesorten dieselben und heißen Aggregatzustände: fest, flüssig, gasförmig oder plasmaartig. Bei sehr geringer Temperatur formen die Atome der Materie einen formstabilen Festkörper, der, erhöht man die Temperatur, zu einer Flüssigkeit schmelzen kann, die bei noch höherer Temperatur zu einem Gas, wild durcheinander flitzender Atome und/oder Moleküle wird. Bei noch höherer Temperatur können sich die Elektronen frei bewegen und sind nicht mehr an den Atomkern gebunden. Diesen Aggregatzustand nennt man Plasma.

Wenn Gas, Staub oder andere Arten von Materie auf ein kompaktes, massives Objekt zufallen (etwa ein Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern), dann bildet sich in der Regel eine Materiescheibe rund um das Zentralobjekt, eben die Akkretionsscheibe.

Die Energie, die die Materie beim Fallen gewinnt, wird in Wärmeenergie der Akkretionsscheibe umgesetzt, und Akkretionsscheiben sind daher in der Regel sehr heiß. Die Wärmestrahlung von Akkretionsscheiben ist daher ein wichtiges Hilfsmittel, um Neutronensterne oder Schwarze Löcher aufzuspüren. Für die Materie führt die innere Reibung innerhalb der Scheibe dazu, dass sie weiter und weiter zum inneren Scheibenrand spiralt und letztendlich auf das kompakte Objekt stürzt oder, im Falle Schwarzer Löcher, durch den Ereignishorizont fällt.

Die Kernregionen junger Galaxien können heftige Aktivität entfalten, die mit gewaltigen Energieausstößen einher geht. Beispiele sind sogenannte Radiogalaxien und Quasare.

Energiequelle ist nach heutiger Auffassung das supermassive Schwarze Loch im Galaxienkern. Hintergrundinformationen dazu, wie das Schwarze Loch die Freisetzung so großer Mengen an Strahlungsenergie bewirkt, liefert das Vertiefungsthema Glühende Scheiben: Wie Schwarze Löcher ihre Nachbarschaft zum Leuchten bringen.

Siehe schwere Masse

Forschungsinstitut der Max-Planck-Gesellschaft, das sich mit Forschungen zur Einsteinschen Gravitationstheorie beschäftigt – von den mathematischen Grundlagen über die Astrophysik der Gravitationswellen bis zur Quantengravitation. Das 1995 gegründete Institut befindet sich im Ortsteil Golm in Potsdam. Ein Teilinstitut in Hannover, das der Forschung mit dem Gravitationswellendetektor GEO 600 gewidmet ist, kam 2002 hinzu.

Webseiten des AEI
Webseiten des AEI-Teilinstituts Hannover

Albert Einsteins Theorie der Gravitation; eine Weiterentwicklung der speziellen Relativitätstheorie.

Eine Einführung in die Grundlagen der Allgemeinen Relativitätstheorie bietet der Abschnitt Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger.

Weitergehende Informationen zu ausgewählten Aspekten der allgemeinen Relativitätstheorie und ihrer Anwendungen bieten unsere Vertiefungsthemen, und zwar die Kategorien Allgemeine Relativitätstheorie, Gravitationswellen, Schwarze Löcher & Co., Kosmologie und Relativität und Quanten.

Anderer Ausdruck für nackte Atomkerne des Elements Helium, die aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen.

Für eine sich periodisch ändernde physikalische Größe ist die Amplitude ein Maß, wie stark sich diese Größe während einer Periode von Maximum zu Minimum ändert.

Das einfachste Beispiel ist eine Sinusschwingung. Im Laufe der Zeit oszilliert die Sinuskurve zwischen ihrem Minimal- und ihrem Maximalwert, und die Amplitude misst, wie groß diese Oszillation ist. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Amplitude zu definieren. Einige Definitionen verwenden die Spitze-Tal-Differenz für die Amplitude (Maximum des Signals minus Minimum des Signals). Andere Definitionen für Signale mit symmetrisch um Null zentrierten Werten geben die Amplitude als Maximalwert des Signals an (Hälfte der Spitze-Tal-Amplitude).

Die Bedeutungen der Amplitude sind sehr unterschiedlich. Für ein hin und her schwingendes Pendel ist die Amplitude zum Beispiel der maximale Winkel zwischen der Pendelschnur und der Senkrechten. Für eine elektromagnetische Welle ist die Amplitude der maximale erreichte Wert des elektrischen Feldes oder, äquivalent dazu (da die beiden Maxima direkt zusammenhängen) das Maximum des Magnetfeldes. Bei einer (schwachen) Gravitationswelle ist die Amplitude ein Maß dafür, welche Entfernungsänderungen die Gravitationswelle bewirkt – beim Durchgang einer Welle mit der Amplitude A werden Entfernungen maximal um einen Faktor (1+A/2) gestreckt und um einen Faktor (1–A/2) gestaucht.

Amplituden können sich mit der Zeit ändern. Bei einem einfachen Pendel beispielsweise wird die Luftreibung dazu führen, dass der Pendelschlitten bei jedem Durchgang etwas weniger weit ausgelenkt wird als beim vorigen Mal. Die Amplitude einer Welle wird außerdem vom Ort abhängen: Im allgemeinen nimmt sie mit zunehmender Entfernung zur Quelle ab.

Es ist eine allgemeine Eigenschaft von Theorien, die Spezielle Relativitätstheorie und Quantentheorie verbinden, dass sie zu jeder Teilchensorte eine Sorte von Antiteilchen vorhersagen. Zu den Elektronen existieren als Antiteilchen die Positronen, zu den Protonen gehören die Antiprotonen, usw.

Allgemein gilt, dass Antiteilchen dieselbe Masse besitzen wie die zugehörigen Teilchen, aber entgegengesetzte Ladungen; beispielsweise haben Elektronen und Positronen dieselbe Masse, aber die Elektronen sind elektrisch negativ geladen, die Positronen elektrisch positiv. Bei Teilchen, die gar keine Ladung tragen, sind Teilchen und Antiteilchen identisch.

Sonnenfernster Punkt auf der Ellipsenbahn eines Planeten oder anderen Himmelskörpers, der um die Sonne kreist. Der sonnennächste Punkt heißt Perihel. In Bezug auf die Allgemeine Relativitätstheorie interessant, weil diese vorhersagt, dass sich Aphel und Perihel bei der Bahnbewegung leicht verschieben und ihrerseits um die Sonne wandern sollte, siehe relativistische Periheldrehung.

Siehe Masse-Energie-Äquivalenz

Eines der Grundpostulate der Allgemeinen Relativitätstheorie: In einer kleinen Raumregion rund um einen Beobachter, der sich in einem Gravitationsfeld im freien Fall befindet, gelten in guter Näherung und über einen nicht allzu langen Beobachtungszeitraum hinweg dieselben physikalischen Gesetze wie bei völliger Abwesenheit der Gravitation. Mehr dazu findet sich im Vertiefungsthema Kabine, Schwerkraft und Rakete: Das Äquivalenzprinzip; wie die Allgemeine Relativitätstheorie vom Äquivalenzprinzip zu einer allgemeineren Beschreibung der Gravitation kommt, steht in Gravitation: Vom Fahrstuhl zur Raumzeitkrümmung.

Auch ohne Hinzunahme des Formalismus der Allgemeinen Relativitätstheorie lassen sich direkt aus dem Äquivalenzprinzip bereits eine Reihe (zum Teil allerdings nur näherungsweise gültiger) physikalischer Aussagen etwa zur Gravitations-Rotverschiebung und zur Lichtablenkung ableiten (mehr zu letzterer bietet das Vertiefungsthema Vom Äquivalenzprinzip zur Lichtablenkung).

Für Distanzen innerhalb des Sonnensystems übliche Längeneinheit, der mittlere Abstand der Erde von der Sonne, abgekürzt AE (international: au). Dabei gilt:

In der Physik des 19. Jahrhunderts: Hypothetisches Medium, in dem sich Licht und andere Arten elektromagnetischer Strahlung als Wellen ausbreiten. Die Existenz des Äthers warf die Fragen auf: Bewegt sich die Erde relativ zu diesem Medium? Wenn ja, wie schnell? Läßt sich diese Bewegung anhand von Messungen der Lichtausbreitung nachweisen? Einsteins Spezielle Relativitätstheorie, in der der Wert Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Bewegung der Quelle und des Beobachters (genauer: des Inertialbeobachters) ist machte das Konzept des Äthers überflüssig.

Die Materie, die wir aus dem Alltag kennen, besteht aus kleinsten Einheiten, den Atomen – die Luft, die wir atmen, besteht aus durcheinanderfliegenden Atomgrüppchen, die Plastiktastatur eines Computers aus verknoteten Atomketten, die Metallunterlage, auf der er ruht, ist ein Kristall gitterförmig angeordneter Atome. Dabei spielen in unserem Alltag weniger als hundert verschiedene Atomsorten (synonym: chemische Elemente) eine Rolle.

Jedes Atom besteht aus einem Atomkern, den eine Wolke aus Elektronen umgibt. Im Atomkern sitzt der überwiegende Teil der Masse des Atoms; die Elektronen bestimmen, wie das Atom an andere Atome binden kann (synonym: seine chemischen Eigenschaften). Jedes chemische Element lässt sich über die charakteristische Zahl von Protonen in einem Atomkern charakterisieren. Atome, die einen Teil ihrer Elektronenhülle verloren haben, heissen Ionen. Da Atome sehr klein sind (Atomdurchmesser liegen in der Region von einem Zehntel Milliardstel Meter = 10^-10 Meter), muss man zu ihrer näheren Beschreibung die Quantentheorie heranziehen.

Superdichte Zentralregion eines Atoms, bestehend aus Protonen und Neutron, die durch Kernkräfte zusammengehalten werden. Die Zahl der Protonen bestimmt, um welches chemisches Element es sich handelt.

Typische Atomkerndurchmesser liegen in der Region von einem Billiardstel Meter = 10^-15 Meter. Atomkerne sind damit rund hunderttausend Mal kleiner als Atome.

Atomuhren sind die derzeit ganggenauesten und zuverlässigsten Uhren. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie ihren Takt direkt aus atomaren Vorgängen ableiten, bei denen elektromagnetische Strahlung mit fester, durch die physikalischen Gesetze eindeutig festgelegter Frequenz entsteht. Bei Cäsium-Atomuhren beispielsweise verwendet man dieselben atomaren Vorgänge, über die auch die Zeiteinheit Sekunde des internationalen Einheitensystems definiert ist, bei Wasserstoffmaser-Uhren bestimmte Übergänge in den Elektronenhüllen von Wasserstoffatomen.

Atomuhren bilden das Rückgrat der Weltzeit UTC; nähere Informationen dazu finden sich im Vertiefungsthema Wie Zeit gemacht wird.

Siehe TAI (Internationale Atomzeit)

Siehe Pierre-Auger-Observatorium

In der Elementarteilchenphysik: Sammelbegriff für Teilchen, die im wesentlichen aus drei Quarks bestehen. Wichtigste Beispiele sind Protonen und Neutronen.

In der Kosmologie vor allem gebraucht als Bezeichnung für herkömmliche Materie, im Gegensatz zu exotischen Materieformen, die einen Gutteil der so genannten Dunklen Materie und damit einen Gutteil der Gesamtmasse des Universums stellen dürften. Die Masse herkömmlicher Materie, etwa von Atomen, steckt im wesentlichen in den Atomkernen, und die wiederum sind eben aus Protonen und Neutronen aufgebaut, also aus Baryonen.

Das Wort Beobachter wird im Zusammenhang mit den Relativitätstheorien in zweierlei Sinn gebraucht.

Oft ist Beobachter synonym zu Bezugssystem oder (Raum-Zeit-)Koordinatensystem: Ein Beobachter in diesem Sinne ist jeder, der es unternimmt, Raum und Zeit um sich herum und alles, was darin passiert, zu vermessen und insbesondere allen Ereignissen Raum- und Zeitkoordinatenwerte zuzuordnen. Im Zusammenhang mit der Speziellen Relativitätstheorie ist dabei oft eine ganz bestimmte Art von Bezugssystem gemeint – ein Beobachter ist dort in der Regel ein Inertialbeobachter.

Bei anderer Gelegenheit ist der Begriff dagegen enger gefasst – ein Beobachter ist dabei jeder, der sich an einem bestimmten Ort befindet und sich aus den Lichtsignalen, die ihn erreichen, ein Bild seiner Umgebung macht. In diesem Sinne wird das Wort vor allem verwendet, wenn es im Zusammenhang mit den Relativitätstheorien um optische Effekte geht, etwa um Gravitationslinsen.

Im Zusammenhang mit den Relativitätstheorien ist vor allem die Gleichberechtigung oder Nicht-Gleichberechtigung der Beobachter interessant. Näheres dazu bietet das Vertiefungsthema Das Ende der Privilegien.

Jede Änderung einer Geschwindigkeit mit der Zeit ist eine Beschleunigung.

Vom Alltagsgebrauch, wo Beschleunigung oft nur für das Schnellerwerden eines Objekts verwandt wird, weicht diese Definition in zweierlei Hinsicht ab: Auch ein Abbremsen ist eine Geschwindigkeitsänderung und damit eine („negative“) Beschleunigung. Zudem ist in der physikalische Definition auch die Bewegungsrichtung eines Objekts ein Aspekt seiner Geschwindigkeit, und auch der Umstand, dass ein Objekt zwar gleich schnell bleibt, aber seine Bewegungsrichtung ändert (etwa ein Auto, das ohne Abbremsen um die Kurve fährt) entspricht einer Beschleunigung.

Form der Energie, die einem Körper alleine deswegen zukommt, weil er sich relativ zum Bezugssystem bewegt.

Synonym: kinetische Energie.

Bereits in der Speziellen Relativitätstheorie gilt: Bewegung ist relativ, und wer beispielsweise von einer bewegten Uhr redet sollte tunlichst dazu sagen: Bewegt relativ zu wem oder was? Ein solches „wer oder was“, sprich: Ein Objekt und eine Vorschrift, relativ dazu Positionen zu bestimmen, zusammen mit einer Vorschrift, Ereignissen eine Zeit zuzuordnen, heißt Bezugssystem.

In der speziellen Relativitätstheorie gibt es eine besonders wichtige Klasse von Bezugssystemen, die so genannten Inertialsysteme.

Die Energie die nötig ist, um ein gebundenes System aus zwei oder mehr Komponenten in seine Einzelteile zu zerlegen.

Näheres zur Bindungsenergie, dem von ihr verursachten Massendefekt und den Zusammenhang mit Kernfusion und Kernspaltung findet sich im Vertiefungsthema Ist das Ganze die Summe seiner Teile?

Das Internationale Büro für Maße und Gewichte in der Nähe von Paris. Es spielt eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der Weltzeit UTC und deren Vorstufen – nähere Informationen hierzu liefert das Vertiefungsthema Wie Zeit gemacht wird.

Webseiten des BIPM

Ein Theorem der Allgemeinen Relativitätstheorie, zuerst formuliert im Jahre 1921 von J. T. Jebsen; 1923 unabhängiv wiederentdeckt durch George D. Birkhoff, nach dem das Theorem bis heute benannt ist: Jede kugelsymmetrische Raumzeit hat die gleichen Eigenschaften wie eine einfache Art von Raumzeit, die Karl Schwarzschild 1916 gefunden hat. Konkreter: Die kugelsymmetrische Raumzeit rings um eine kugelsymmetrische Materieanordnung (etwa, in guter Näherung, die Erde) hat die gleichen Eigenschaften wie die Raumzeit rund um ein Schwarzschild-Loch der gleichen Masse. (Ein paar weitere Informationen hierzu bietet das Vertiefungsthema Wieviele Arten von Schwarzen Löchern gibt es?)

Vermutung der sowjetischen Physiker Wladimir Belinskij, Isaak Chalatnikow (englische Transkription: Khlalatnikov) und Jewgeni Lifschitz: In der Nähe einer Singularität ist der Beitrag der Materie zur Gesamtgravitation vernachlässigbar klein – entscheidend ist dort, dass die Gravitation selbst als Gravitationsquelle wirkt, siehe das Vertiefungsthema Die Gravitation der Gravitation; außerdem spielt dort kaum eine Rolle, wie die Gravitation von Ort zu Ort variiert – entscheidend ist die Zeitentwicklung der Gravitation. Weitere Informationen bietet das Vertiefungsthema Singularitäten als Raumzeit-Knetmaschinen.

Die Frequenz einer einfachen Lichtwelle hängt direkt mit ihrer Farbe zusammen (siehe auch: Spektrum). Hochfrequentes, sichtbares Licht entspricht der Farbe Blau-Violett. Verändert sich die Frequenz einer einfachen Lichtwelle hin zu höheren Frequenzen (etwa durch den Dopplereffekt), dann entspricht das einer Verschiebung in Richtung auf das blauviolette Ende des Spektrums und wird daher Blauverschiebung genannt.

Von diesem Ausgangspunkt aus hat sich die Bezeichung „Blauverschiebung“ für eine Frequenzerhöhung allgemein eingebürgert und wird auch für elektromagnetische Strahlung verwandt, deren Frequenzen überhaupt keiner sichtbaren Farbe mehr entsprechen, noch allgemeiner auch für andere Arten von Wellen (etwa Gravitationswellen).

Siehe auch Rotverschiebung.

Chemisches Element mit dem Symbol Pb. Jeder Blei-Atomkern enthält 82 Protonen.

Bleikerne, ihrer Elektronen entkleidet, gehören zu den Sorten von Schwerionen, die in Teilchenbeschleunigern wie dem Relativistic Heavy Ion Collider zur Kollision gebracht werden, um die Eigenschaften von Materie kurz nach dem Urknall zu erforschen.

Siehe Brookhaven National Laboratory (BNL)

Unterteilungen eines Winkelgrades, analog zur alltäglichen Einteilung der Zeit: Sechzig Bogensekunden ergeben eine Bogenminute; sechzig Bogenminuten (oder 3600 Bogensekunden) ergeben ein Winkelgrad. Ein rechter Winkel entspricht 90 Grad, also 5400 Bogenminuten oder 324000 Bogensekunden.

Sammelbegriff für Quantenteilchen, die einen ganzzahligen Spin besitzen, also etwa Spin 0, 1, 2.

Für die Elementarteilchen gilt: Unter ihnen sind die Bosonen gerade die Botenteilchen der Kräfte, etwa Photonen. Die Materieteilchen wie Elektronen oder Quarks sind dagegen so genannte Fermionen.

Im Rahmen der relativistischen Quantenfeldtheorien wirken Kräfte durch die Übertragung so genannter Botenteilchen. Die elektrische Kraft zwischen zwei Elektronen beispielsweise kommt zustande, weil zwischen den Elektronen laufend Photonen hin- und herlaufen, die Botenteilchen der elektromagnetischen Kraft. Botenteilchen haben ganzzahligen Spin, etwa Spin 0,1 oder 2. Synonym: Kraftteilchen, Trägerteilchen.

In der Stringtheorie sind die Grundbausteine der Welt nicht punktartige Elementarteilchen, sondern Strings, eindimensionale ausgedehnte Fäden. Im Rahmen der Theorie können allerdings auch noch höherdimensionale Gebilde existieren: Gebilde etwa, die zwei räumliche Ausdehnungen haben und ähnlich wie Membranen in den Raum eingebettet sind, oder Gebilde mit noch mehr Dimensionen. Der Sammelbegriff für alle diese Gebilde lautet „Bran“, abgeleitet von Membran. Eine 1-Bran ist ein Gebilde mit einer Dimension, wie ein String, eine 2-Bran ist eine zweidimensionale Fläche, und so weiter. In einigen Modellen sind sogar die vertrauten drei Dimensionen des Raums und die Zeit Teil einer Bran, die in höherdimensionale Räume eingebettet ist – unser Universum als Branwelt.

Die Aussprache variiert von Bran (wie deutsch Membran) zu Brane (wie englisch brain, Gehirn).

Gravitationstheorie, in der die Gravitation genau wie in der Allgemeinen Relativitätstheorie mit Verzerrungen der Raumzeit assoziiert ist; allerdings gibt es zusätzlich noch eine weitere „Sorte“ von Gravitation, die mit einem so genannten Skalarfeld zusammenhängt. In der Brans-Dicke-Theorie kann sich der Wert der Gravitationskonstanten im Laufe der Expansionsgeschichte des Universums verändern.

Wie weit die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie und jene der Brans-Dicke-Theorie voneinander abweichen, hängt von dem Wert einer Konstanten ω ab, die bestimmte Eigenschaften des Gravitations-Skalarfeldes festlegt – je größer diese Konstante, umso geringer die Unterschiede.

Bisherige Messungen und Beobachtungen haben keinerlei Hinweise darauf ergeben, dass diese Erweiterung der Allgemeinen Relativitätstheorie notwendig wäre, um die Eigenschaften der Gravitation zu erklären.

In einigen Modellen der Stringtheorie ist unser Universum ein ausgedehntes Gebilde (im Stringtheorie-Jargon: eine Bran), das in einen höherdimensionalen Raum eingebettet ist – das höherdimensionale Analogon einer zweidimensionalen Fläche, die in den gewohnten dreidimensionalen Raum eingebettet ist.

Weitere Informationen liefert das Vertiefungsthema Die eingebettete Welt.

Verhinderter Stern: Gasball mit zwischen einem und zehn Prozent der Sonnenmasse und damit nicht massiv genug, als dass die Temperatur- und Druckverhältnisse in seinem Inneren die für Sterne typischen Kernfusionsreaktionen anstießen.

In der Optik: Punkt, an dem eintreffende, parallele Lichtstrahlen, die durch eine Linse gebündelt werden, zusammentreffen.

In der Geometrie: Brennpunkte einer Ellipse sind zwei Punkte im Ellipseninneren, so dass gilt: Für jeden Punkt auf der Ellipse ergibt sich derselbe Wert, wenn man seinen Abstand zum einen Brennpunkt und seinen Abstand zum anderen Brennpunkt zusammenzählt.

Nationales Forschungszentrum in den Vereinigten Staaten mit Hauptsitz Long Island, New York. Das BNL betreibt unter anderem den Relativistischen Schwerionenbeschleuniger RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), mit dessen Hilfe sich extreme Materiezustände präparieren lassen, wie sie Sekundenbruchteile nach dem Urknall im frühen Universum herrschten. Außerdem betreibt das BNL Beschleuniger zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung, von denen einer, der VUV-Ring, auf der Seite E=mc2 im Kapitel Spezielle Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger abgebildet ist.

Webseiten des Brookhaven National Laboratory
National Synchrotron Light Source II am Brookhaven National Laboratory

Siehe BIPM (Bureau International des Poids et Mesures)

Wichtige Forschungsuniversität in Pasadena, Kalifornien; Forschung unter anderem zu den Themen Allgemeine Relativitätstheorie, Elementarteilchenphysik, Quantengravitation und Kosmologie; außerdem ist Caltech einer der Hauptstandorte für die Forscher (allerdings nicht der eigentlichen Detektoren!) des LIGO-Projektes, das die derzeit empfindlichsten Gravitationswellendetektoren betreibt. Auch das Einstein Papers Project, das eine wissenschaftliche Gesamtausgabe der Schriften Albert Einsteins erarbeitet, ist am Caltech angesiedelt.

Webseiten des Caltech
Webseiten der Gruppe Theoretische Astrophysik und Relativität

Atomuhr, die ihren Takt über die Schwingungsdauer der elektromagnetischen Strahlung definiert, die bei einem bestimmten Übergang in der Elektronenhülle von Atomen des Typs Cäsium-133 freigesetzt wird. Über die gleiche Schwingungsdauer ist auch die Zeiteinheit Sekunde des internationalen Einheitensystems definiert.

Im mitteleuropäischen Alltag übliche Temperaturskala; Temperaturen werden in Grad Celsius (abgekürzt °C) angegeben. Definiert dadurch, dass ihr Nullpunkt (0°C) beim Schmelzpunkt des Wassers, der Wert 100°C beim Siedepunkt des Wassers liegt (jeweils bei einem bestimmten Luftdruckwert, der Normaldruck heißt).

Beziehung zu der in den USA üblichen Fahrenheit-Skala: X Grad Celsius sind (9/5 mal X) +32 Fahrenheit, Y Fahrenheit sind (Y-32)*5/9 Grad Celsius.

Beziehung zur in der Physik üblichen Kelvin-Skala: X Grad Celsius sind X plus 273,15 Kelvin, Y Kelvin sind Y minus 273,15 Grad Celsius. In Kelvin gemessenen Temperaturunterschiede sind die gleichen wie in Grad Celsius angegebene Unterschiede; die beiden Skalen unterscheiden sich nur in der Wahl des Nullpunkts.

Europäisches Forschungszentrum für Kern- und Teilchenphysik (Centre Européen pour la Récherche Nucleaire), angesiedelt nahe Genf beidseits der französisch-schweizerischen Grenze, gegründet 1954.

CERN ist nicht nur für seine Teilchenbeschleuniger wie den Large Hadron Collider (LHC) bekannt, sondern auch als Geburtsort des World Wide Web.

Webseiten des CERN

Obere Massengrenze für Weiße Zwerge, also für den Endzustand massearmer Sterne, die ihren Kernbrennstoff aufgebraucht haben. Erstmals berechnet von dem US-amerikanischen Astrophysiker indischer Herkunft Subramanian Chandrasekhar.

Die Chandrasekhar-Masse liegt bei 1,4 Sonnenmassen. Dass kein Weißer Zwerg mehr als diese Masse besitzen kann, ergibt sich aus der Gleichgewichtsbedingung, der innerer Druck des Sterns und Gravitationsanziehung genügen müssen. Für größere Massen kann der so genannte Entartungsdruck, der den Weißen Zwerg vor dem Kollaps bewahrt, der Schwerkraft nicht mehr die Waage halten

NASA-Weltraumteleskop zur Beobachtung von kosmischen Gammastrahlen, von 1991 bis 2000 in Betrieb. Beobachtungsziele u.a. Gammastrahlenausbrüche, Pulsare, Supernovae und Akkretionsphänomene in der Nähe von Schwarzen Löchern.

Link: Webseiten des CGRO (NASA, auf Englisch)

Siehe UTC (Coordinated Universal Time, Weltzeit)

Eine Scheinkraft, wie sie ein Beobachter in einem rotierenden Bezugssystem einführen muss um zu erklären, warum bestimmte bewegte Körper seitlich zu ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt werden.

Die Corioliskraft spielt eine Rolle in der Meteorologie: sie erklärt aus Sicht eines auf der Erdoberfläche ruhenden Beobachters die systematische Ablenkung bestimmter Luftströme.

Cosmic Explorer ist ein geplanter Gravitationswellendetektor, der zusammen mit anderen zukünftigen Detektoren der dritten Generation, wie dem Einstein Teleskop, neue Einblicke in die Erforschung von Gravitationswellen ermöglichen soll. Der Detektor soll in den USA gebaut werden und aus zwei L-förmigen Messarmen von 40 Kilometer Länge bestehen.

Projektwebsite des Cosmic Explorer (auf Englisch)

Ungelöste Frage der modernen Kosmologie: Astronomische Beobachtungen zeigen, dass die mit der Dunklen Energie assoziierte Dichte zum jetzigen Zeitpunkt von derselben Größenordnung ist wie die Dichte der im Universum enthaltenen Materie. Das ist ein bemerkenswertes Zusammentreffen – in der Vergangenheit war die Materiedichte deutlich größer als die Dichte der Dunklen Energie, und in der fernen Zukunft wird es gerade anders herum sein. Ist es ein Zufall, dass wir unsere Beobachtungen gerade zu jener besonderen Zeit vornehmen, da die beiden Dichten ähnlich groß sind, oder gibt es dafür eine physikalische Erklärung?

Siehe Präzession, de Sitter-

Deuterium ist die Bezeichnung für „schweren Wasserstoff“, also für Wasserstoff, bei dem die Atomkerne zusätzlich zu dem für Wasserstoff charakteristischen einzelnen Proton noch ein Neutron enthalten. Ein solcher Atomkern heisst Deuteron.

Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie ist Deuterium vor allem von Interesse, da es bei der Entstehung der leichten Elemente im frühen Universum (primordiale Nukleosynthese) eine wichtige Rolle spielt.

Forschungszentrum für Elementarteilchenphysik und Forschung mit Photonen, gegründet 1959, angesiedelt in Hamburg. Betrieb u.a. den Teilchenbeschleuniger HERA, an dem die Struktur des Protons genau untersucht wurde.

Webseiten des DESY

Im engeren Sinne synonym zu Massendichte: Die mittlere Massendichte der Materie in einer Raumregion ist die Masse der in der Region enthaltenen Materie, geteilt durch das Volumen der Region.

Allgemeiner kann Dichte auch andere physikalische Größen betreffen: Die Energiedichte in einer Raumregion beispielsweise ist die Menge der in der Region enthaltenen Energie, geteilt durch das Volumen.

Gase oder Flüssigkeiten bestehen aus Molekülen, die sich ungeordnet durcheinanderbewegen. Sind Gas oder Flüssigkeit nicht auf einen Raumbereich eingeschränkt (etwa durch die Wände eines Behälters), dann führen diese Bewegungen dazu, dass die Moleküle mit der Zeit immer weiter auseinanderlaufen. Dieses Auseinanderlaufen heißt Diffusion.

Ein Beispiel dafür ist ein Tropfen Tinte der sich in einem Glas Wasser langsam, auch ohne Umrühren, mit dem Wasser mischt. Dies geschieht mit höherer Temperatur schneller, denn die Tintemoleküle wie auch die Wassermoleküle bewegen sich dann schneller und es kommt schneller zu einer Durchmischung.

Anzahl der unabhängigen Richtungen innerhalb einer Menge von Punkten, alternativ: Anzahl der Koordinaten die angegeben werden müssen, um einen Punkt der Menge eindeutig zu benennen.

Beispiele:

Eine Linie ist eindimensional. Auf ihr gibt es nur eine Richtung (eine Gegenrichtung wird dabei nie extra mitgezählt): Vor-Zurück. Eine einzige Zahlenangabe reicht, um einen Punkt auf der Linie zu definieren – so weiss etwa die Polizei bei einer Kilometerangabe auf der Autobahn sofort, wo ein Unfall stattgefunden hat.

Eine Fläche ist zweidimensional. Auf ihr gibt es zwei unabhängige Richtungen, etwa Vor-Zurück und Links-Rechts. Zwei Zahlenangaben – geografische Länge und Breite – reichen aus, um einen Ort auf der zweidimensionalen Erdoberfläche eindeutig zu definieren.

Der uns umgebende Raum ist dreidimensional: Es gibt drei unabhängige Richtungen, etwa Vor-Zurück, Links-Rechts und Auf-Ab. Um einen Ort im Raum zu definieren, sind drei Angaben nötig – zusätzlich dazu, wo sich ein Haus auf der Erdoberfläche befindet (zwei Angaben, siehe oben) etwa noch das Stockwerk, die Höhe über dem Erdboden.

Nimmt man zum dreidimensionalen Raum noch die Zeit hinzu, dann ist das Resultat die vierdimensionale Raumzeit. Um ein Ereignis in der Raumzeit eindeutig zu definieren, sind vier Angaben vonnöten: Drei davon definieren, wo es im Raum stattfindet, und eine Angabe definiert den Zeitpunkt.

Einigen Ansätzen für eine Theorie der Quantengravitation zufolge sollte unsere Welt sogar noch weitere Raumdimensionen besitzen – über die drei uns aus dem Alltag bekannten hinaus. Einige Informationen über solche Extradimensionen bieten die Vertiefungsthemen „Extradimensionen – und wie man sie versteckt“, „Extradimensionen auf der Spur“, „Eine Frage der Sichtweise“ und „Die eingebettete Welt“.

Gleichung, die das Verhalten eines relativistischen Quantenteilchens beschreibt, das den Spin 1/2 trägt, beispielsweise ein Elektron. Aufgestellt im Jahre 1928 von Paul Dirac, der anhand seiner Gleichung auch erstmals die Existenz von Antiteilchen vorhersagte.

Synonym: Diskontinuum. In der klassischen Physik und in Einsteins Relativitätstheorien sind Raum und Zeit Kontinua, das heißt: Jeder Raumbereich und jedes Zeitintervall lassen sich im Prinzip beliebig fein unterteilen; zwischen je zwei Raumpunkten (oder je zwei Zeitpunkten) liegen unendlich viele weitere Raumpunkte (Zeitpunkte). Räume ohne diese Eigenschaften heißen diskret: Wer eine (endlich große) Raumregion eines diskreten Raums immer weiter unterteilt, stößt nach endlich vielen Schritten auf eine nicht mehr weiter teilbare Elementarregion. In diesem Sinne besteht ein diskreter Raum aus elementaren Bausteinen endlicher Ausdehnung, ähnlich, wie jede aus Lego gebaute Figur aus endlich großen Bausteinen besteht. Zwischen zwei gegebenen Bausteinen liegt nur eine endlich große Zahl weiterer Bausteine. Diskrete Räume spielen vor allem bei der Suche nach der Quantengravitation eine wichtige Rolle – in vielen Ansätzen für eine Theorie der Quantengravitation haben Raum und Zeit auf mikroskopischen Größenskalen eine diskrete Struktur.

Ein System aus zwei Sternen, die einander umkreisen. Aus relativistischer Sicht sind Systeme besonders interessant, in denen ein Partner (oder gar beide) ein Neutronenstern ist, sowie Systeme, in denen ein Stern ein Schwarzes Loch umkreist, da bei solcher Umkreisung unter geeigneten Umständen starke Gravitationswellen freiwerden sollten.

Nach dem österreichischen Forscher Christian Doppler benannter Effekt, der vor allem Wellen betrifft. Wenn sich eine Quelle, die eine Welle aussendet, relativ zum Beobachter bewegt, misst der Beobachter für die Welle eine andere Frequenz als ein Messgerät, das relativ zur Quelle ruht, genauer: Bewegen sich Quelle und Beobachter aufeinander zu, misst der Beobachter eine höhere Frequenz als das Messgerät an der Quelle, bewegen sie sich voneinander fort, misst er eine niedrigere.

Im Alltag bekannt ist der Doppler-Effekt von den Schallwellen. Bei dem „Taaatüüü-Taaatüüü“, das vor einem im Einsatz befindlichen Polizei- oder Feuerwehrfahrzeug warnt, werden die beiden Töne „Taa“ bzw. „Tü“ mit einer konstanten Tonhöhe (entsprechend einer konstanten Frequenz der Schallwelle) ausgeschickt. Doch wenn das Fahrzeug auf uns zufährt, nehmen wir sein Signal als höher, wenn es sich von uns entfernt, als tiefer wahr — besonders deutlich ist dies, wenn das Fahrzeug an uns vorbeifährt und sich dabei die Tonhöhe zu ändern scheint.

In Bezug auf die Relativitätstheorie ist insbesondere der optische Dopplereffekt für Lichtwellen interessant. In diesem Zusammenhang heißt eine Frequenzerhöhung Blauverschiebung, eine Frequenzerniedrigung Rotverschiebung.

Eine physikalische Größe, die mit der Rotationsbewegung eines Objektes verbunden ist und für die ein Erhaltungssatz gilt.

In der klassischen Physik leistet jede Region eines Körpers zum Gesamtdrehimpuls einen Beitrag, der proportional zur in der Region enthaltenen Masse, mal dem Abstand der Region von der Drehachse, mal der Geschwindigkeitskomponente, die senkrecht zur Drehachse steht.

Weitere Informationen bietet das Vertiefungsthema Was Eiskunstläufer, Planeten und Neutronensterne gemeinsam haben.

Im Kontext der Allgemeine Relativitätstheorie ist Drehimpuls beispielsweise eine interessante Eigenschaft einfacher Schwarzer Löcher – weitere Informationen hierzu bietet das Vertiefungsthema Wieviele verschiedene Arten von Schwarzen Löchern gibt es?

In der Ebene und anderen flachen Räumen: Geometrisches Gebilde, das aus drei (Eck-)Punkten und den sie verbindenen Geradenabschnitten besteht.

Allgemeiner formuliert, so dass die Definition auch in gekrümmten Räumen gültig ist: Geometrisches Gebilde, das aus drei (Eck-)Punkten und drei sie verbindenen Geodätenabschnitten besteht.

Maß für den Widerstand, den Materie (beispielsweise ein Gas) Versuchen entgegensetzt, das ihr zur Verfügung stehende Raumvolumen zu verkleinern.

Im Rahmen der Allgemeine Relativitätstheorie trägt auch Druck zur Gravitationswirkung bei (siehe hierzu das Vertiefungsthema Masse und mehr).

Vergleicht man die neuesten astronomischen Beobachtungen mit den Vorhersagen der Urknallmodelle, dann ergibt sich, dass die Dichte unseres Universums zu über 70 Prozent auf sogenannte Dunkle Energie zurückgeht, eine Art Energie, die mit dem leeren Raum assoziiert ist, sich bei der Expansion des Universums nicht verdünnt. Das Vorhandensein dieser Energie ist äquivalent zu dem Vorliegen einer kosmologischen Konstante, und ihre Wirkung besteht darin, die Raumexpansion zu beschleunigen.

Wie (und ob) sich die Dunkle Energie in unser heutiges Verständnis vom Aufbau der Materie einpasst, etwa in das Standardmodell der Elementarteilchen oder seine möglichen Erweiterungen, ist noch nicht geklärt, und die Dunkle Energie stellt daher eines der größten Rätsel der modernen Physik dar.

Beobachtungen an Galaxien und Galaxienhaufen sowie Vergleiche der astronomischen Beobachtungen mit den Vorhersagen der Urknallmodelle zeigen, dass sich nur rund 15 Prozent der Materie in unserem Universum durch ihr Leuchten (d.h. durch die Aussendung elektromagnetischer Strahlung) verrät. Die restlichen 85 Prozent sind dunkle Materie, und es gibt überzeugende Hinweise, dass es sich bei einem Gutteil davon um Materie handelt, die nicht aus den üblichen Protonen und Neutronen besteht, sondern aus einer nicht näher bekannten Art von Teilchen, die nur über die Gravitation mit herkömmlicher Materie wechselwirkt.

Siehe Masse-Energie-Äquivalenz.

Fläche, in der die Axiome der Euklidischen Geometrie (synonym: Ebene Geometrie) gelten – die Regeln der Geometrie, wie sie standardmäßig in der Schule gelehrt wird, mit wohlbekannten Formeln wie dem Satz des Pythagoras oder „Kreisumfang gleich 2 mal Pi mal Kreisradius“.

Siehe Eigenzustand

Die Eigenzeit einer Uhr ist diejenige Zeit die sich direkt an der Uhr ablesen lässt. Mit ihrer Hilfe können zunächst nur Aussagen über Zeitintervalle und Zeitpunkte getätigt werden, die sich auf Vorkommnisse direkt am Ort der Uhr beziehen.

Im Unterschied dazu ist eine Zeitkoordinate eine Vorschrift, die es erlaubt, mit Hilfe einer Uhr jedem Ereignis einen Zeitpunkt und jedem zeitlich begrenzten Vorgang eine Zeitdauer zuzuordnen, egal ob Ereignis beziehungsweise Vorgang am Ort der Uhr oder anderswo im Raum stattfinden.

Eine wichtige Erkenntnis der Speziellen Relativitätstheorie besteht darin, dass die Eigenzeiten zweier Uhren sich im allgemeinen unterscheiden, wenn sich die Uhren relativ zueinander bewegen. Ruht die eine Uhr in einem Inertialsystem, während sich die zweite vom Ort der ersten aus auf eine Raketenrundreise begibt, dann ist die Eigenzeitdifferenz zwischen Abflug- und Rückkehrzeitpunkt für die Uhr in der Rakete geringer als für die ruhende erste Uhr (so genannter Zwillingseffekt).

Ein Eigenzustand bezüglich einer gegebenen Messgröße ist jeder Zustand eines quantenmechanischen Systems, in dem diese Messgröße einen eindeutig definierten Wert hat. Dieser Wert wird Eigenwert genannt.

Beispiel: Ein Elementarteilchen in einem Orts-Eigenzustand hat einen eindeutig bestimmten Ort. Eine Ortsmessung an diesem Elementarteilchen hat damit (in der Quantentheorie nicht selbstverständlich!) ein eindeutiges, vorhersagbares Ergebnis.

Quantensysteme in einem Eigenzustand bezüglich einer bestimmten Messgröße sind damit typischerweise völlig unbestimmt bezüglich einer zugehörigen zweiten Messgröße (so genannte Heisenbergsche Unschärferelation). Beispielsweise ist das Ergebnis einer Messung der Geschwindigkeit des oben erwähnten Elementarteilchens völlig unvorhersehbar.

Betrachten wir eine bestimmte Auswahl der physikalischen Gesetze – etwa die Gesetze der Allgemeinen Relativitätstheorie. Wieweit schränken diese Gesetze die Wirklichkeit ein? Etwas genauer gefragt: Gibt es beispielsweise nur eine einzige Art von rotierenden Schwarzen Löchern, oder lassen die Gesetze der Allgemeinen Relativitätstheorie eine unendliche Vielfalt solcher Objekte zu? Theoreme, die sich mit Fragen dieser Art beschäftigen, heißen Eindeutigkeitssätze oder -theoreme. In ihrer reinsten Form sagen sie aus, dass physikalische Gesetze wie die der Allgemeinen Relativitätstheorie, gekoppelt mit für den betreffenden Eindeutigkeitssatz charakteristischen Zusatzbedingungen (in unserem Beispiel die Aussage, dass wir nur rotierende Schwarze Löcher betrachten wollen) nur eine einzige Lösung, etwa eine einzige Konfiguration von Raumzeit und Materie, zulassen.

Die berühmtesten Theoreme dieser Art in der Allgemeinen Relativitätstheorie sind die Eindeutigkeitssätze für Schwarze Löcher, mit denen sich das Vertiefungsthema Wieviele verschiedenen Arten von Schwarzen Löchern gibt es? beschäftigt.

Siehe SI (Système International d’Unités, Internationales Einheitensystem) oder Planck-Einheiten

Sammelbezeichnung für Einsteins letztlich vergebliche Versuche, eine Theorie zu formulieren, in der die Gravitation und andere Wechselwirkungen, insbesondere der Elektromagnetismus, in einheitlicher Weise beschrieben werden – Gravitation und Elektromagnetismus wären dann bloße Teilaspekte der vollständigen einheitlichen Theorie, ähnlich, wie Magnetismus und elektrische Kraft aus heutiger Sicht bloße Teilaspekte einer umfassenden Beschreibung des Elektromagnetismus sind.

Nach Einstein haben noch weitere Wissenschaftler sich um eine Vereinheitlichung aller Wechselwirkungen bemüht; die bekannteste moderne Inkarnation der Vereinheitlichungsidee ist die Stringtheorie.

Projekt am California Institute of Technology, in dessen Rahmen die wissenschaftliche Gesamtausgabe der Schriften Albert Einsteins erstellt wird.

Webseiten des Einstein Papers Project
Online-Archiv der Schriften Einsteins

Die Einstein-Gleichungen sind das Kernstück der Allgemeinen Relativitätstheorie. Sie sagen aus, wie die Verzerrung der Raumzeit mit den Eigenschaften (Masse, Energie, Druck…) der anwesenden Materie zusammenhängt.

Einsteins Gleichungen können mit mathematischen Abkürzungen so geschrieben werden, dass sie wie eine einzige Gleichung aussehen, letztendlich handelt es sich allerdings um ein ganzes System von Gleichungen. Daher wird der Begriff manchmal im Plural, manchmal im Singular verwandt – gemeint ist dasselbe.

Eine elementare Beschreibung von Allgemeiner Relativitätstheorie und Einstein-Gleichungen bietet der Abschnitt Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger.

Das Einstein-Teleskop ist ein geplanter Gravitationswellendetektor der dritten Generation, der Messungen mit zehn Mal höherer Genauigkeit als Advanced Virgo oder Advanced LIGO ermöglichen soll. Der unterirdische Detektor würde mit einer Armlänge von 10 Kilometern einen noch tieferen Blick ins Universum erlauben.

Projektwebsite des Einstein-Teleskops (auf Englisch)

Projekt, das private Computer einsetzt, um die Daten von Gravitationswellendetektoren nach interessanten Signalen zu durchforschen. Mehr Informationen dazu bietet die Projekt-Webseite

Einstein@Home (University of Wisconsin-Milwaukee)

Die mit dem Elektromagnetismus assoziierte Ladung: eine Körpereigenschaft, die bestimmt, wie stark die elektrische Kraft ist, die er auf andere geladene Körper ausübt, und wie stark die elektrischen Kräfte sind, die solche Körper auf ihn ausüben. Bewegte elektrische Ladungen sind Quellen für magnetische Felder und werden durch magnetische Felder beeinflusst.

Die elektrische Kraft ist eine Fernkraft, wie sie elektrische Ladungen aufeinander ausüben; das elektrische Feld ist das dazugehörige Kraftfeld. Wie Kraft und Feld zusammenhängen beschreibt das Vertiefungsthema Von der Kraft zum Feld.

Elektrische Felder lassen sich nicht unabhängig von Magnetfeldern verstehen – vollständig lassen sie sich nur im allgemeineren Rahmen des Elektromagnetismus beschreiben.

Im einfachsten Fall, nämlich in zeitlich nicht veränderlichen Situationen, ist die elektrische Kraft die so genannte elektrostatische Kraft.

Dasjenige Teilgebiet der Physik, dass sich mit der Erforschung und Beschreibung des Elektromagnetismus (siehe dort) befasst.

Elektrische oder magnetische Krafteinflüsse (in der Sprache der Physik: elektrisches oder magnetisches Feld), die sich auch ohne Beisein elektrischer Ladungen so gegenseitig anregen, dass ein Wellenphänomen entsteht, das sich durch den Raum ausbreitet.

Da diese Welle Energie durch den Raum trägt, handelt es sich nach der Definition der Physiker um elektromagnetische Strahlung.

Spielarten der elektromagnetischen Strahlung sind, von niedrigeren zu höheren Frequenzen hin aufgezählt, Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot-Strahlung, sichtbares Licht, UV-Strahlung, Röntgen– und Gamma-Strahlen.

In der Quantentheorie erweist sich, dass elektromagnetische Strahlung aus winzigsten Energiepaketen besteht, den Lichtteilchen oder Photonen.

Gesamtheit der Phänomene, die im Beisein elektrischer Ladungen auftreten können, etwa die elektrostatische Kraft, Magnetkräfte, aber auch elektromagnetische Strahlung. Die Grundgesetze des Elektromagnetismus sind die Maxwell-Gleichungen. Elektrische und magnetische Einflüsse werden dabei als Felder beschrieben (näheres hierzu im Vertiefungsthema Von der Kraft zum Feld). Das Teilgebiet der Physik, das sich mit der Erforschung der Gesetzmäßigkeiten und Phänomene des Elektromagnetismus beschäftigt, ist die Elektrodynamik.

Im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie zeigt sich deutlich, dass magnetische Kräfte und elektrische Kräfte relativ sind – welche davon in einer bestimmten Situation wirksam sind, hängt vom Beobachter ab. Aus Sicht eines Beobachters mag die Anziehung, die ein Draht auf ein bewegtes geladenes Teilchen ausübt, rein elektrostatisch sein – für einen bewegten Beobachter, der relativ zu dem erwähnten Teilchen ruht, wirkt dort eine reine Magnetkraft. Ebenso, wie es in der speziellen Relativitätstheorie sinnvoll ist, von der Raumzeit zu reden – wie exakt diese Raumzeit in Raum und Zeit aufgeteilt wird, ist von Beobachter zu Beobachter unterschiedlich – ist es daher sinnvoll, von elektromagnetischen Kräften zu reden – ein wie großer Anteil einer gegebenen elektromagnetischen Kraft sich als elektrische Kraft äußert und ein wie großer Anteil als magnetische Kraft ist wiederum von Bezugssystem zu Bezugssystem verschieden.

Leichtes Elementarteilchen, elektrisch negativ geladen.

Von den Atomen, aus denen die uns umgebende Materie zusammengesetzt ist, besteht jedes aus einem von Elektronen umgebenen Atomkern.

Energieeinheit, definiert als die Energie, die ein Teilchen mit der elektrischen Ladung eines Elektrons gewinnt, wenn es im Vakuum über eine Spannung von einem Volt beschleunigt wird. Ein Elektronenvolt, kurz: 1 eV entspricht 1,6022·10^–19 Joule (wobei Joule die übliche SI-Einheit für Energie ist).

Das Elektronenvolt, abgekürzt eV, ist die bevorzugte Energieeinheit in der Elementarteilchenphysik. Gebräuchliche Vielfache von eV sind

Kiloelektronenvolt: 1 keV = 1000 eV

Megaelektronenvolt: 1 MeV = 1.000.000 eV =10⁶ eV

Gigaelektronenvolt: 1 GeV = 1,000,000,000 eV =10⁹ eV

Teraelektronenvolt: 1 TeV = 1.000.000.000.000 eV =10¹² eV

Teilchenphysiker nutzen die Masse-Energie-Äquivalenz aus und verwenden eV/c² als Einheit für die Massen von Teilchen, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Da in der Teilchenphysik in der Regel ein Einheitensystem verwendet wird, in dem die Lichtgeschwindigkeit den dimensionslosen Wert eins hat, c = 1, werden Teilchenmassen oft auch schlicht in eV angegeben, ohne den Faktor c² explizit anzugeben.

Die Energie, die nötig ist, um ein Elektron aus der Hülle eines Atoms zu lösen, liegt im Bereich von einigen bis einigen Dutzenden eV. Photonen der Röntgenstrahlung haben typischerweise eine Energie von einigen bis einigen Dutzenden keV. Die Ruhemasse eines Elektrons beträgt 511 keV, die eines Protons 938 MeV. Jedes Proton in den Protonenstrahlen, die im Teilchenbeschleuniger LHC zur Kollision gebracht werden, hat eine Bewegungsenergie von 7 TeV.

Da Temperatur ein Maß für die durchschnittliche Energie ist, mit der die Bestandteile eines Systems an der ungeordneten Wärmebewegung teilnehmen, kann auch sie in eV gemessen werden. Dabei entspricht eine Durchschnittsenergie von 1 eV einer Temperatur von 11.604 Kelvin.

Die elektrische Kraft (d.h. die Fernkraft, mit der sich Körper allein aufgrund des Umstandes, dass sie elektrische Ladungen tragen, gegenseitig beeinflussen) in Situationen, in denen sich die Ladungsanordnungen mit der Zeit nicht ändern.

Stoff, der sich chemisch nicht in noch elementarere Grundstoffe zerlegen lässt. Aus physikalischer Sicht entspricht jedem chemischen Element eine Sorte von Atom, dessen Atomkern eine für das Element charakteristischen Anzahl von Protonen enthält (Beispiele: Wasserstoff-Atomkerne enthalten nur ein einziges Proton, Helium-Atomkerne zwei, Lithium drei, Eisen aber schon 26 und Uran gar 92 Protonen).

Synonym: Teilchenphysik; Teil der Physik, der sich mit denjenigen Teilchen befasst, die nach heutigem Wissen elementar, also nicht aus weiteren Untereinheiten aufgebaut sind, zum Beispiel mit Elektronen, Quarks oder Neutrinos. Zur Teilchenphysik zählt auch die Erforschung von zusammengesetzen Teilchen wie Protonen oder Neutronen, nicht aber von zusammengesetzten Atomkernen (Kernphysik) oder ganzen Atomen. Auch die Frage, ob es doch noch elementarere Gebilde als die oben genannten Elementarteilchen gibt, ob etwa alle diese Teilchen aus einer Sorte Strings hervorgehen, beschäftigt die Teilchenphysiker.

Theoretisches Werkzeug der Elementarteilchenphysik sind die relativistischen Quantenfeldtheorien, mit denen sich elementare Teilchen auf Grundlage von Quantentheorie und spezieller Relativitätstheorie beschreiben lassen; experimentelles Hauptwerkzeug sind Teilchenbeschleuniger, in denen Teilchen mit hoher Energie zur Kollision gebracht werden.

Synonym: Nukleosynthese. Nach den Urknallmodellen bestand unser Universum vor langer Zeit aus einer Teilchensuppe, die beispielsweise Protonen und Neutronen enthielt. Mit Elemententstehung sind diejenigen Prozesse gemeint, dank derer aus dieser Suppe letztendlich die zusammengesetzten Atomkerne hervorgegangen sind, die wir heute im Universum finden.

Nach heutigem Wissen ist ein Teil der leichten Elemente (schwerer Wasserstoff, Helium, Lithium) bereits bei einer kosmischen Zeit von Sekunden bis Minuten entstanden (primordiale Nukleosynthese); leichte und schwerere Elemente bis hin zum Eisen entstanden und entstehen bei der Kernfusion im Inneren von Sternen; schwerere Elemente entstehen bei Supernova-Explosionen in deren Rahmen die im Sterninneren erzeugten Elemente (stellare Nukleosynthese) zudem in den Weltraum hinausgeblasen werden.

Einen Überblick über die primordiale Elemententstehung bietet das Vertiefungsthema Elemententstehung im frühen Universum. Informationen zur Physik hinter der Elemententstehung finden sich im Vertiefungsthema Gleichgewicht und Veränderung, während Der Blick in die chemische Vergangenheit ausführt, wie sich die entsprechenden Vorhersagen der Urknallmodelle anhand von astronomischen Beobachtungsdaten überprüfen lassen.

Wie häufig sind Wasserstoffatomkerne im Universum, wie häufig Heliumkerne, wie häufig die anderen Elemente? In Bezug auf die Relativitätstheorie ist das insbesondere interessant, weil die relativistischen Urknall-Modelle vorhersagen, wie viele Kerne von leichten Elementen (schwerer Wasserstoff, Helium, Lithium) im frühen Universum entstanden sein sollten. Messungen der Elementhäufigkeit in dem unseren Beobachtungen zugänglichen Teil des Alls, kombiniert mit Berechnungen, wieviele der betreffenden Atomkerne im Inneren von Sternen entstanden sein sollten, ermöglichen einen Test dieser Vorhersage.

Siehe LISA

Geometrische Figur bestehend aus einer geschlossenen ovalen Kurve. Alle Punkte auf dieser Kurve sind so angeordnet, dass die Summe der Abstände dieser Punkte zu zwei innerhalb der Kurve liegenden Brennpunkten gleich ist.

Spezialfälle der Ellipse sind Kreise (die beiden Brennpunkte fallen zusammen) und Geradenabschnitte (der vorgegebene Abstandswert entspricht gerade dem Abstand der Brennpunkte).

In Bezug auf die Gravitation sind Ellipsen von Interesse, da die Bahn eines einsamen Planeten um ein Zentralgestirn in der Newtonschen Gravitationstheorie gerade eine Ellipse ist.

Ein EMRI-System (Extreme mass ratio inspiral) besteht aus zwei kosmischen Objekten mit sehr unterschiedlichen Massen. Das leichtere nähert sich spiralförmig dem schwereren an. Bei einem EMRI-System dauert es allerdings sehr lange, bis es zur Kollision kommt. Dadurch ist es möglich, das starke Gravitationsfeld des schwarzen Lochs zum Beispiel mithilfe von Gravitationswellen zu untersuchen.

Physikalische Größe, die sich dadurch auszeichnet, dass bei physikalischen Prozessen niemals Energie erzeugt oder vernichtet, sondern lediglich bestimmte Energieformen ineinander umgewandelt werden.

Beispiele für spezielle Energieformen sind Bewegungsenergie, Wärmeenergie und die Energie elektromagnetischer Strahlung.

Für Alltagsanwendungen ist dabei besonders interessant, dass bei Energieumwandlungen Arbeit verrichtet werden kann, wenn etwa elektrische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt wird (wie in einer elektrischen Lokomotive, die einen Zug in Bewegung setzt) oder in Wärmeenergie (wie in einer elektrischen Heizdecke).

Wichtige Aussage der Speziellen Relativitätstheorie ist, dass Energie und Masse einander komplett äquivalent sind – zwei Möglichkeiten, um letzendlich dieselbe physikalische Größe zu definieren. Siehe das Stichwort Masse-Energie-Äquivalenz.

Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie trägt auch Energie zur Gravitationswirkung bei (siehe hierzu das Vertiefungsthema Masse und mehr).

Siehe Masse-Energie-Äquivalenz.

Die Energie ist eine Erhaltungsgröße: Bei physikalischen Prozessen kann Energie zwar von einer in eine andere Form umgewandelt, aber weder erzeugt noch vernichtet werden. Ändert sich der Energieinhalt eines Systems, dann nur, weil ihm Energie zu- oder abgeführt wird.

Für ein Gas aus Elektronen machen sich Effekte der Quantentheorie bemerkbar. Vereinfacht gilt: Es ist verboten, dass sich zwei Elektronen am gleichen Ort aufhalten (siehe Pauli-Prinzip), und jeder Versuch, Elektronen in einem kleinen Raumvolumen zusammenzupferchen, bringt sie dazu, wild hin und herzuflitzen (Heisenbergsche Unschärferelation). Genau wie in herkömmlichen Gasen führt das Durcheinanderflitzen zu einem Druck, dem Entartungsdruck.

Es ist dieser Entartungsdruck des Elektronengases, der beispielsweise einen Weißen Zwergstern vor dem weiteren Kollaps bewahrt.

Der Entartungsdruck kann nicht nur bei Elektronen auftreten, sondern bei einer ganzen Klasse von Quantenteilchen, den so genannten Fermionen, beispielsweise Neutronen oder Protonen.

Der EOB-Formalismus oder die Effektiv-Ein-Körper-Näherung ist ein analytischer Ansatz, der die Dynamik zweier verschmelzender schwarzer Löcher beschreibt. Damit sollen die Gravitationswellen modelliert werden, die solch ein Ereignis erzeugt, was zur Analyse von Gravitationswellendaten genutzt wird. Der EOB-Formalismus geht auf Thibault Damour und Alessandra Buonanno zurück.

Beschleunigung, die der Gravitationseinfluss Körpern erteilt, die sich an der Erdoberfläche befinden: Hebt man einen Körper ein wenig über den Erdboden und lässt ihn los, so beschleunigt er mit 9,81 Metern pro Sekunde pro Sekunde (kein Fehler!), sprich: Er wird in jeder Sekunde um 9,81 Meter/Sekunde schneller.

Die Erdbeschleunigung, abgekürzt g, wird oft als Maß für Beschleunigungen verwandt: eine Beschleunigung von 2g beispielsweise entspricht 2·9,81=19,62 Metern/Sekunde².

Unser eigener Planet im Sonnensystem – von der Sonne aus gesehen der dritte Planet von innen.

Etwas, das an einem bestimmten Ort und zu einem bestimmten Zeitpunkt passiert. Im Zusammenhang mit Allgemeiner und Spezieller Relativitätstheorie ist mit Ereignis in der Regel ein idealisiertes Geschehen gemeint, das durch Angabe eines einzigen Raumpunktes und eines exakten Zeitpunktes eindeutig definiert ist. Solche (im Vergleich zum Alltag idealisierten) Ereignisse spielen in Bezug auf die Raumzeit dieselbe Rolle wie mathematische Punkte in Bezug auf den Raum – ebenso wie ein Raum die Menge aller seiner Punkte ist, ist die Raumzeit die Gesamtheit aller Ereignisse. Synonym daher auch: Raumzeitpunkt.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie: Geschlossene Fläche, die ein Schwarzes Loch begrenzt. Was einmal von außen durch diese Fläche hindurchgetreten ist, kann sie nie wieder verlassen.

Synonym: Horizont.

Das Event Horizon Telescope oder Ereignishorizont-Teleskop ist ein Zusammenschluss aus mehreren global verteilten Radioteleskopen. Mithilfe von Very Long Baseline Interferometry (VLBI) detektieren sie kosmische Signale. Aufgrund ihres großen Abstands zueinander erreichen die Radioteleskope im Zusammenspiel eine deutlich bessere Auflösung als jedes einzelne. Die Auswertung der kombinierten Daten ermöglicht es, Bilder vom Ereignishorizont schwarzer Löcher wie Sagittarius A* aufzunehmen.

Für einige der wichtigsten Größen der Physik gelten sogenannte Erhaltungssätze: Was sie repräsentieren kann weder erzeugt noch vernichtet werden, sondern der Gesamtwert bleibt zeitlich konstant. Solche Größen heißen Erhaltungsgrößen.

Das wichtigste Beispiel ist die Energie: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Wenn sich der Energiegehalt eines Systems erhöht, dann geht dies nur, wenn Energie von außen in das System eingebracht wurde (und die Außenwelt demnach nun weniger Energie besitzt).

Weitere wichtige Beispiele für Erhaltungsgrößen sind Ladungen, etwa die elektrische Ladung. Eine wichtige Erhaltungsgröße in der Mechanik ist der Drehimpuls, der mit der Rotation eines Objektes zusammenhängt.

Im engeren Sinne: Euklidische Geometrie ist diejenige Form der Geometrie auf Flächen, wie sie in der Schule gelehrt wird (Synonym: Ebene Geometrie). Im weiteren Sinne: Die Verallgemeinerung dieser Geometrie auf den dreidimensionalen Raum und abstraktere, noch höherdimensionale Räume. Der dreidimensionale Raum unserer Alltagserfahrung heißt dementsprechend auch Euklidischer Raum. Höherdimensionale Räume, in denen die verallgemeinerte Euklidische Geometrie gilt, heißen flach.

Abgekürzt ESO. Internationales Kooperationsprojekt von 16 Mitgliedsstaaten, das eine Reihe von astronomischen Großteleskopen betreibt, etwa das „Very Large Telescope“ (VLT) und das „Atacama Large Millimeter/submillimeter Array“ (ALMA). Die Standorte des Observatoriums sind in Chile; Verwaltung und Hauptsitz befinden sich in Garching bei München.

ESO-Webseiten

Europäische Weltraumagentur; beteiligt an Projekten wie dem Weltraumteleskop Hubble oder dem Gravitationswellendetektor LISA.

ESA-Webseiten

Eine Größe, deren Wachstum zur Größe selbst proportional ist, wächst exponentiell. Exponentielles Wachstum ist beispielsweise ein Modell für das Bevölkerungswachstum auf einem Planeten mit unbegrenzten Ressourcen: Je mehr Menschen es bereits gibt, umso mehr Kinder werden geboren, und umso schneller wächst daher die Bevölkerung an.

Interessant ist exponentielles Wachstum im Rahmen der Relativitätstheorien in der Kosmologie. In der hypothetischen Inflationsphase in der Frühzeit des Universums hat sich unser Weltall exponentiell anwachsend ausgedehnt.

Einigen Ansätzen für eine Theorie der Quantengravitation zufolge, insbesondere laut der Stringtheorie, sollte unsere Welt außer den üblichen drei Dimensionen des Raums, die wir aus dem Alltag kennen, noch weitere Raumdimensionen besitzen, eben die Extradimensionen.

Informationen über die Extradimensionen, die Möglichkeiten, sie nachzuweisen und ihren Nutzen beim Bau physikalischer Modelle bieten die Vertiefungsthemen  „Extradimensionen – und wie man sie versteckt“, „Extradimensionen auf der Spur“, „Die eingebettete Welt“ und „Eine Frage der Sichtweise“.

Kennzahl einer Ellipse, welche die Abweichung der Kurve von der Kreisform angibt. Die (numerische) Exzentrizität ergibt sich aus dem Unterschied zwischen dem größten Abstand a eines Ellipsenpunktes vom Mittelpunkt der Figur und dem kleinsten Abstand b, geteilt durch den Wert von a. Ist die Exzentrizität null, dann haben wir es mit einem Kreis zu tun; ist die Exzentrizität eins, dann ist die Ellipse soweit zusammengestaucht, dass sie nicht mehr von einer Linie zu unterscheiden ist.

In den USA übliche Alltags-Temperaturskala, Temperatur werden in Fahrenheit (F) angegeben; definiert dadurch, dass ihr Nullpunkt bei der tiefsten im Winter 1708/1709 gemessenen Außentemperatur von Fahrenheits Heimatstadt Danzig liegt und 100 Fahrenheit bei der menschlichen Körpertemperatur liegen.

Beziehung zur in Mitteleuropa üblicheren Celsius-Skala: X Fahrenheit sind (X-32)*5/9 Grad Celsius, Y Grad Celsius sind Y*9/5 +32 Fahrenheit.

Beziehung zur in der Physik üblichen Kelvin-Skala: X Fahrenheit sind (X+459,67)*5/9 Kelvin, Y Kelvin sind Y*9/5-459,67 Fahrenheit.

Siehe freier Fall

Nur ein kleiner Teil astronomischer Beobachtungen betrifft Licht, also elektromagnetische Strahlung, die das menschliche Auge sehen kann. Um das Erscheinungsbild von Himmelsausschnitten in anderen Wellenlängenbereichen, etwa im Infrarotlicht, im Radiobereich oder im Röntgenlicht, anschaulich darzustellen, werden den verschiedenen Wellenlängen willkürlich Farben zugeordnet.

In ähnlicher Weise lassen sich auch Größen in Farben übersetzen, die überhaupt keiner elektromagnetischen Strahlung entsprechen.

Allgemein bezeichnet ein Feld in der Physik die Verteilung einer physikalischen Größe im Raum. Beispielsweise ist ein Feld durch die Gesamtheit der Krafteinflüsse, die in einer gegebenen Region auf kleine Testkörper wirken definiert. Die elektrischen Kräfte, die ein elektrisch geladener Körper auf Testkörper ausüben würde, die man in seine Nähe bringt, definieren das elektrische Feld in seiner Umgebung, die Gravitationskräfte, die eine Massekugel auf kleine Testkörper in ihrer Nähe ausübt das Gravitationsfeld der Kugel. Wichtig ist, dass sich das Feld als eigenständige physikalische Größe auffassen lässt, die sich zeitlich verändern kann, überall im Raum definiert ist (also den Raum erfüllt) und der man auch Energie zuschreiben muss. Theorien, die die Dynamik und Entwicklung bestimmter Felder beschreiben, heißen Feldtheorien – ein Beispiel ist die Maxwellsche Beschreibung des Elektromagnetismus. Nähere Informationen zum Begriff des Feldes bietet das Vertiefungsthema Von der Kraft zum Feld.

Sammelbegriff für Quantenteilchen, die einen halbzahligen Spin besitzen, also etwa Spin 1/2, 3/2 oder 5/2.

Fermionen sind, anschaulich gesprochen, Materieteilchen, also die Teilchen aus denen Materie besteht wie etwa Elektronen oder Quarks. Im Gegenteil dazu gibt es zum Beispiel Botenteilchen, die für die Übertragung von Kräften zuständig sind, sogenannte Bosonen.

Ganz allgemein gilt für Fermionen das so genannte Pauli-Prinzip. Salopp gesagt: Es können sich niemals zwei Elektronen am selben Ort befinden. Etwas genauer: Es können sich niemals zwei Elektronen im gleichen Zustand befinden. Das trägt entscheidend zu den Materieeigenschaften bei: 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.

Eine Kraft oder ein Einfluss, der von einem Ort zum anderen wirkt, ohne, dass dazu eine materielle Verbindung nötig wäre – mittels elektrischer Kräfte oder der Gravitationskraft beispielsweise können sich auch weit auseinanderliegende Körper im leeren Raum gegenseitig beeinflussen.

Oder: Eine Kraft oder ein Einfluss, der instantan von einem Ort zum anderen wirkt, ohne dass es aufgrund der Entfernung zu einer Zeitverzögerung käme. Willkürlich steuerbare Fernkräfte dieser Art widersprechen dem relativistischen Konzept der Kausalität.

Fernkräfte werden in der modernen Physik typischerweise als Wirkungen so genannter Felder beschrieben (wie Kraft und Feld zusammenhängen beschreibt das Vertiefungsthema Von der Kraft zum Feld).

Zustandsform (Aggregatzustand) der Materie, bei dem die Atome beziehungsweise Moleküle so fest aneinander gebunden sind, dass insgesamt ein fest zusammenhängendes Gebilde entsteht. Im Gegensatz etwa zu einer Flüssigkeit, die ihre Form jedem Behälter, in den man sie füllt, sofort anpassen, behalten Festkörper ihre Form bei.

Vergleiche auch die anderen Aggregatzustände: Flüssigkeit, Gas, Plasma.

Flach ist ein Raum, wenn in ihm die verallgemeinerten Gesetze der aus der Schule bekannten, Euklidischen Geometrie gelten. Ein flacher zweidimensionaler Raum ist eine Ebene, und in sehr guter Näherung ist auch der dreidimensionale Raum, den wir aus dem Alltag gewohnt sind, flach.

Gegensatz eines flachen ist ein gekrümmter Raum.

Gebilde mit zwei Dimensionen. Beispiele sind die Ebene oder die Oberfläche einer Kugel.

Aggregatzustand in dem die Atome und Moleküle der Materie so schwach aneinander gebunden sind, dass die Materie eine gegebene Form nur mit äußerer Unterstützung aufrecht erhalten kann: Füllt man ein Fluid in einen Behälter, wird sich die Form des Fluids dem des Behälters anpassen (im Gegensatz zum Festkörper, der seine Form beibehält). Beispiele für Fluide sind Gase, Flüssigkeiten und Plasmen.

Zustandsform (Aggregatzustand) der Materie, in dem die Atome und Moleküle aus denen die Materie besteht, zwar aneinander gebunden sind (im Gegensatz zum Gas), aber so locker, dass die Materie keinerlei Formstabilität besitzt: Füllt man eine Flüssigkeit in ein Gefäß, so gleicht sie ihre Form der Gefäßform an (im Gegensatz zum Festkörper).

Vergleiche auch die anderen Aggregatzustände: Festkörper, Gas, Plasma.

Wenn auf einen Körper außer der Gravitation keine weiteren Kräfte wirken (insbesondere keine Kräfte, die ihn daran hindern, der Gravitationswirkung nachzugeben und zu fallen), dann sagt man, er befinde sich im freien Fall; ein Teilchen im freien Fall heisst dementsprechend „freies Teilchen“.

Frei fallende Körper an ein und demselben Ort in einem gegebenen Gravitationsfeld fallen mit derselben Beschleunigung – diese so genannte Universalität des freien Falls war einer der Ausgangspunkte für Einsteins Entwicklung seiner Allgemeinen Relativitätstheorie.

Im Gegensatz zu unserer Alltagserfahrung muss freier Fall dabei nicht heißen, dass die betreffenden Objekte in irgendeine bestimmte Richtung beschleunigt werden – fernab von allen Gravitationsquellen treiben freie Teilchen einfach so mit konstanter Geschwindigkeit durch den Raum oder sie ruhen relativ zu einem ebenfalls frei treibenden Beobachter. An solchen freien Teilchen lässt sich beispielsweise die Wirkung von Gravitationswellen besonders einfach demonstrieren.

Maß für die Schnelligkeit einer Schwingung, definiert als Kehrwert der Schwingungsdauer: Ein Schwingungsvorgang, der für eine Schwingung 0,1 Sekunden benötigt hat die Frequenz 1/0,1 Sekunden = 10 Hz. (Die Maßeinheit Hertz, abgekürzt Hz, ist definiert als 1 Hz = 1/Sekunde.)

Für eine Welle ist die Frequenz dadurch gegeben, wieviele Wellenberge pro Sekunde am Beobachter vorbeistreichen. Zehn vorbeistreichende Wellenberge pro Sekunde entsprechen wiederum einer Frequenz von 10 Hz.

Siehe Eintrag Kernfusion

Sterne sind keine Einzelgänger, sondern sind im All in der Regel in Ansammlungen von Millionen, Milliarden oder noch mehr Sternen vertreten, eben den Galaxien. Auch unsere Sonne ist Teil einer Galaxie, der Milchstraße. Die griechische Form Galaxis wird in der Regel nur für unsere Milchstraße verwandt.

Junge Galaxien können ein sehr turbulentes Dasein führen. Beispiele für junge, aktive Galaxienkerne sind Radiogalaxien und Quasare.

Auch Galaxien sind keine Einzelgänger, sondern finden sich zu Haufen zusammen. Unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, ist beispielsweise Teil der so genannten Lokalen Gruppe. Der uns nächste größere Galaxienhaufen ist der so genannte Virgo-Haufen.

Astronomische Ereignisse, die sich durch extrem starke Energieblitze im Gammastrahlen-Bereich bemerkbar machen. Was sich dahinter verbirgt, ist noch ungeklärt; im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie sind diese Ereignisse interessant, weil einige davon auf verschmelzende Neutronensterne und/oder Schwarze Löcher zurückgehen könnten. Wenige Sekunden nach der Beobachtung der Gravitationswelle GW170817 wurde ein Gamma-Ausbruch registriert, was die Hypothese stützt.

Die höchstenergetische Form der elektromagnetischen Strahlung, mit Frequenzen von über 10 Trillionen Schwingungen pro Sekunde, entsprechend Wellenlängen von weniger als einem Hundertstel Milliardstel Meter.

Im engeren Sinne: Zustandsform (Aggregatzustand) der Materie, bei der die Atome oder Moleküle wild durcheinanderfliegen, ohne aneinander gebunden zu sein. Die Bewegung der Gasmoleküle führt zu einem inneren Druck, ihre mittlere Bewegungsenergie ist das Maß für die Temperatur des Gases.

Vergleiche auch die anderen Aggregatzustände: Flüssigkeit, Festkörper, Plasma.

Im weiteren Sinne wird Gas auch für andere Gemische ungeordnet durcheinanderfliegender Teilchen gebraucht, etwa beim Elektronengas, dessen Druck einen Weißen Zwerg vor dem Kollaps bewahrt.

Siehe Krümmung.

Deutsch-britischer Gravitationswellendetektor mit dem Standort Ruthe (nahe Hannover). GEO600 ist ein interferometrischer Gravitationswellendetektor mit 600 Metern Armlänge.

Webseiten von GEO600

Geradestmögliche Linie in einer Fläche oder einem allgemeineren Raum. In einer Ebene sind dies die Geraden, auf einer Kugelfläche die Großkreise

Siehe Präzession, de Sitter-

Eine gedachte „mittlere Oberfläche“ der Ozeane, die die Erde bedecken; der übliche Bezugspunkt für Angaben der „Höhe über dem Meeresspiegel“.

Aus relativistischer Sicht ist der Geoid interessant, da sich zeigen lässt, dass dieselbe Gleichgewichtsbedingung, welche die Lage des Wasserspiegels bestimmt (aus Sicht eines mit der Erde rotierenden Beobachters: Gravitations- und Zentrifugalkraft halten sich die Waage) dazu führt, dass die Summe der relativistischen Zeitdehnungseffekte (Zeitdehnung aufgrund der durch die Erdrotation bedingten Bewegung plus Zeitdehnung aufgrund des Gravitationsfeldes) für alle Uhren, die sich direkt auf dem Geoid befinden, denselben Wert hat. Der Geoid stellt daher eine natürliche Bezugsfläche für die Definition der internationalen Atomzeit TAI und der Weltzeit UTC (Coordinated Universal Time) dar; weitere Infformationen hierzu liefert das Vertiefungsthema Wie Zeit gemacht wird.

Teilgebiet der Mathematik, das sich mit Flächen oder allgemeineren Räumen, darin definierbaren Objekten wie Punkten oder Linien und daraus konstruierbaren Gebilden wie Dreiecken beschäftigt.

Ein Großteil der Forschung zur Allgemeinen Relativitätstheorie beschäftigt sich mit einfachen Modelluniversen – von den Urknallmodellen bis zu einfachen Modellen für Schwarze Löcher. Im Gegensatz dazu beschäftigt sich die globale Geometrie mit sehr allgemeinen Raumzeiteigenschaften, etwa damit, wie sich Licht ausbreitet und was dies für die Kausalität bedeutet. So lassen sich allgemein gültige Aussagen ableiten; die berühmtesten darunter sind die so genannten Singularitätentheoreme, die zeigen, dass Raumzeitsingularitäten in der Allgemeinen Relativitätstheorie unter recht allgemeinen Bedingungen (im Inneren Schwarzer Löcher, am Anfangspunkt eines Urknalluniversums) unvermeidbar sind.

In einer Ebene, im dreidimensionalen Raum unserer Alltagserfahrung oder in allgemeineren flachen Räumen: Linie, die die kürzeste Verbindung zweier Punkte darstellt. Vergleiche Raumzeitgerade.

In der Physik hat Geschwindigkeit zwei Aspekte: Erstens, wie im Alltag: wie schnell ist ein Objekt? Zweitens, etwas ungewohnter: in welche Richtung bewegt es sich? Physiker fassen diese beiden Informationen in einer einzigen Größe zusammen, einer „gerichteten Größe“ oder einem „Vektor“, den sie die Geschwindigkeit des Objekts nennen. Im Alltag ist mit Geschwindigkeit oft nur die Schnelligkeit gemeint, und der physikalische Sprachgebrauch ist daher etwas gewöhnungsbedürftig: Ein Auto, das mit 100 Stundenkilometern um die Kurve fährt, ändert seine Bewegungsrichtung und damit im Sprachgebrauch der Physiker auch seine Geschwindigkeit – obwohl es während der Kurvenfahrt immer gleich schnell ist.

Siehe Elektronenvolt.

Allgemein: Die Stärke der Gravitationskraft, die auf einen Körper wirkt. Da wir es im Alltag auf der Erdoberfläche mit einer Situation zu tun haben, in der die Gravitationskraft von Ort zu Ort nicht sonderlich variiert, und da die auf einen Körper wirkende Gravitationskraft in solch einer Situation nur noch von seiner Masse abhängt, wird der Unterschied zwischen Gewicht und Masse oft vernachlässigt – wenn das Gewicht eines Körpers angegeben wird, dann meist in einer Masseneinheit wie Kilogramm, obwohl das Gewicht strenggenommen in einer Krafteinheit wie Newton gemessen wird. Wer (und sei es nur in Gedanken) auf andere Himmelskörper reist, muss sich des Unterschiedes bewusst sein: Wenn ich ein Objekt von der Erde auf den Mond transportiere, bleibt seine Masse unverändert; sein Gewicht ist dagegen auf dem Mond rund sechs Mal geringer als auf der Erde.

Die Gravitationswirkung, die ein Objekt von andere Körpern erfährt, hängt üblicherweise davon ab, wo sich das Objekt befindet. Ein Beispiel: Von zwei identischen Objekten unter dem Gravitationseinfluss eines massereichen Körpers wird dasjenige Objekt stärker angezogen, das dem massereichen Körper näher ist. Alle Auswirkungen, die darauf zurückgehen, dass der Gravitationseinfluss solchermaßen von Ort zu Ort variiert, heißen Gezeiteneffekte.

Überall dort, wo die Gravitation als Kraft aufgefasst wird (etwa in der Newtonschen Gravitationstheorie) stecken hinter den Gezeiteneffekten Kraftdifferenzen – Differenzen der Gravitationskraft an einem und an einem zweiten Ort. Diese Kraftunterschiede heißen ihrerseits Gezeitenkräfte.

Hintergrund der Namensgebung ist der Umstand, dass auch die Gezeiten, Ebbe und Flut, auf die Ortsabhängigkeit der Gravitation zurückgehen – vereinfacht gesprochen werden die Ozeane auf der dem Mond zugewandten Erdseite stärker vom Mond angezogen als der Erdball, und der wiederum stärker als die Ozeane auf der abgewandten Erdseite.

Auch in Einsteins Beschreibung der Gravitation, in der Allgemeinen Relativitätstheorie, spielen Gezeitenkräfte eine wichtige Rolle – sie sind direkt mit einer geometrischen Eigenschaft der Raumzeit verknüpft, die Krümmung heisst. (Weitere Informationen hierzu bietet das Vertiefungsthema Gravitation: Vom Fahrstuhl zur Raumzeitkrümmung.) Besonders interesssant sind Gezeiteneffekte im Zusammenhang mit so genannten Singularitäten; siehe das Vertiefungsthema Singularitäten als Raumzeit-Knetmaschinen.

Siehe Elektronenvolt.

Ein physikalisches System ist im thermodynamischen Gleichgewicht, wenn seine Energie gleichmäßig auf all die verschiedenen Richtungen verteilt ist, in welche sich die Systemkomponenten bewegen oder vibrieren können und es zu keinen Energieflüssen innerhalb oder an den Grenzen des Systems kommt.

Beispielsweise haben im thermodynamischen Gleichgewicht alle Teilchen eines Gases im Mittel die gleiche Bewegungsenergie und somit im Mittel die gleiche Temperatur.

Auch die Gesamtheit aller elektromagnetischen Felder ist ein physikalisches System. Befinden sich ein Körper und die umgebenden elektromagnetischen Felder im thermodynamischen Gleichgewicht, kommt es zu so genannter Wärmestrahlung (weitere Informationen hierzu bietet das Vertiefungsthema Warum man Wärme sehen kann).

Etwas komplizierter ist die Situation in Systemen, bei denen sich einzelne Komponenten umwandeln können – Beispielsweise eines Teilchengemisches, in dem Teilchen der Sorte A zu Teilchen der Sorte B zerfallen können, und umgekehrt. In solchen Systemen geht mit dem thermodynamischen Gleichgewicht ein bestimmter (freilich von der Temperatur abhängiger) Wert für die relativen Häufigkeiten der verschiedenen Teilchensorten einher. Diese Art von Gleichgewicht spielt eine wichtige Rolle im frühen Universum, wie es von den Urknallmodellen beschrieben wird; nähere Informationen liefert das Vertiefungsthema Gleichgewicht und Veränderung.

Ein wichtiger Schritt Einsteins auf dem Weg zur Speziellen Relativitätstheorie war die Erkenntnis, dass Gleichzeitigkeit nichts Naturgegebenes ist sondern einer Definition bedarf. Nach seiner Definition kann man Uhren synchronisieren (also gleichzeitig die gleiche Zeit anzeigen lassen), indem man Lichtsignale zwischen ihnen hin und herschickt. Mehr dazu steht im Vertiefungsthema Die Unselbstverständlichkeit des Jetzt.

Zur praktischen Anwendung dieses Gleichzeitigkeitsbegriffs siehe das Vertiefungsthema Zeitbestimmung mit Radiosignalen – von der Funkuhr zur Satellitennavigation.

Beispiel für ein Satellitennavigationssystem, ein System aus Satellitensendern und mobilen Empfängern, das es ermöglicht, die Position im Raum mit großer Präzision festzustellen. Wichtig etwa für Navigationssysteme für Flugzeug, Autos sowie in Smartphones, und gleichzeitig eine industrielle Anwendung von Einsteins Spezieller und Allgemeiner Relativitätstheorie: Würden die Effekte, die diese Theorien für den Lauf bewegter Uhren in Gravitationsfeldern vorhersagen, nicht berücksichtigt, wäre die Positionsbestimmung unakzeptabel ungenau.

Auf das Funktionsprinzip von Satellitennavigationssystemen und ihren Bezug zur Relativitätstheorie wird in den Vertiefungsthemen Relativität und Satellitennavigation und Zeitbestimmung mit Radiosignalen – von der Funkuhr zur Satellitennavigation eingegangen.

Siehe Geometrie, globale

Gluonen sind die Botenteilchen der Starken Kernkraft. Es gibt acht verschiedene Sorten von Gluonen.

Wie der Gluonenaustausch vor sich geht, beschreibt die so genannte Quantenchromodynamik, eine der relativistischen Quantenfeldtheorien des Standardmodells der Elementarteilchenphysik.

Chemisches Element mit dem Symbol Au. Jeder Gold-Atomkern enthält 79 Protonen.

Goldkerne, ihrer Elektronen entkleidet, gehören zu den Sorten von Schwerionen, die in Teilchenbeschleunigern wie dem Relativistic Heavy Ion Collider zur Kollision gebracht werden, um die Eigenschaften von Materie kurz nach dem Urknall zu erforschen.

Siehe Gravity Probe A, Gravity Probe B.

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.

Entsprechend der Allgemeinen Relativitätstheorie erfährt Licht, das sich von einem massereichen Körper (oder einer anderen Gravitationsquelle) entfernt, eine Rotverschiebung – seine Frequenz wird niedriger und die Energie des Lichts nimmt ab. Umgekehrt erfährt Licht, das auf einen massereichen Körper zufliegt, eine Blauverschiebung: seine Frequenz und Energie nehmen zu. Der Effekt lässt sich auch ohne Rückgriff auf den vollen Formalismus der Allgemeinen Relativitätstheorie aus dem schwachen Äquivalenzprinzip ableiten.

Die Gesamtheit aller Gravitationseinflüsse, die ein oder mehrere Massekörper auf Objekte in ihrer Umgebung ausüben.

Genauer: An jedem Ort im Raum ist das Gravitationsfeld definiert über die Beschleunigung, die ein kleiner Testkörper, der sich an diesem Ort befände, aufgrund der Gravitationskräfte der ihn umgebenden Massen erfahren würde. Nähere Informationen dazu, wie Kraft und Feld zusammenhängen, gibt das Vertiefungsthema Von der Kraft zum Feld.

Das Gravitationsfeld ist außerdem ein direktes Maß dafür, wie stark das so genannte Gravitationspotential von einem Ort zum anderen variiert.

Naturkonstante, die im Newtonschen Gravitationsgesetze als Proportionalitätsfaktor auftritt und damit so etwas wie die natürliche Stärke der Gravitation beschreibt. In den Einstein-Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie tritt sie analog als Proportionalitätsfaktor auf, der festlegt, wie stark Masse, Energie und ähnliche Materieeigenschaften Raum und Zeit verzerren. Symbol in Formeln: G.

G = 6.674 30(15)·10^-11m³kg^-1s^-2.

Im Vergleich zu anderen Naturkonstanten, ist G nur mit einer relativ geringen Genauigkeit bekannt.

Siehe Gravitation

Eine Ladung ist eine physikalische Größe, die angibt, wie stark ein bestimmtes Objekt an einer gegebenen Wechselwirkung teilnimmt. Für die Newtonsche Gravitation spielt die Masse die Rolle der Gravitationsladung (mehr zu den verschiedenen Massendefinitionen im Vertiefungsthema Träge und Schwere Masse), in der Allgemeinen Relativitätstheorie kommen Größen wie Energie und Druck hinzu (siehe das Vertiefungsthema Masse und mehr).

In Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie wirkt die Gravitation auch auf Licht, und Licht, das beispielsweise an einem massiven Körper vorbeistreicht, wird dabei etwas abgelenkt (siehe auch Lichtablenkung). Dabei kann es dazu kommen, dass Licht ein und desselben kosmischen Objekts auf mehreren verschiedenen Wegen zu einem Beobachter gelangt, der dann entsprechend mehrere Bilder des Objekts am Himmel sieht. Massen, die in dieser Weise als optische Linse wirken, heißen Gravitationslinsen.

Weitere Informationen bietet das Vertiefungsthema Zur Geschichte der Gravitationslinsen.

Im Rahmen der klassischen, Newtonschen Gravitationstheorie: Eine an jedem Ort definierte Größe, mit der sich der Gravitationseinfluss einer Masse oder einer Gruppe von Massen beschreiben lässt.

Das Gravitationspotential ist ein direktes Maß dafür, wieviel Energie ein Körper im freien Fall aufgrund des Gravitationseinflusses der anwesenden Massen gewinnen kann, konkret: Wenn ein Körper der Masse m im freien Fall von A nach B fliegt, dann ist die Bewegungsenergie, die er dabei gewinnt, gleich seiner Masse mal der Differenz der Gravitationspotentiale in A und in B.

Wie stark das Gravitationspotential von einem Ort zum anderen variiert, zeigt das Gravitationsfeld an – eine weitere Beschreibungsgröße für den Gravitationseinfluss einer Massenanordnung.

Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie ist das Gravitationspotential ein direktes Maß für die gravitative Zeitdehnung, also dafür, wie die Gravitation den Gang von Uhren (allgemeiner: das „Vergehen der Zeit“) beeinflusst.

Siehe Allgemeine Relativitätstheorie (Einsteins Gravitationstheorie) oder Newtonsche Gravitation.

Störungen der Raumgeometrie, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum ausbreiten.

Nähere Informationen liefert der Abschnitt Gravitationswellen von Einstein für Einsteiger.

Informationen zu einer Reihe weiterer Aspekte der Gravitationswellenphysik finden sich in den Vertiefungsthemen in der Kategorie Gravitationswellen.

Teilgebiet der Astronomie, in dem es darum geht, durch den Nachweis von Gravitationswellen Daten über Himmelskörper oder das Weltall als Ganzes zu erhalten – etwa über die Ereignisse im Inneren von Supernovae, über Neutronensterne oder über die heiße Frühzeit des Kosmos.

Die größte Herausforderung besteht darin, diese Wellen mit Hilfe von Gravitationswellendetektoren nachzuweisen, was seit 2015 gelingt. Damit beginnt jetzt das Zeitalter der Gravitationswellenastronomie.

Siehe auch Ein erster Katalog kosmischer Kollisionen.

Derzeit laufen weltweit Versuche, die Gravitationswellen, die uns aus dem fernen All erreichen, direkt nachzuweisen. Im wesentlichen sind dabei zwei Arten von Detektor im Einsatz, so genannte interferometrische Detektoren wie GEO600 oder die LIGO-Detektoren, und so genannte Resonanzdetektoren.

Nähere Informationen zu Gravitationswellen liefert der Abschnitt Gravitationswellen von Einstein für Einsteiger.

Einen Überblick über die derzeit in Betrieb befindlichen Gravitationswellendetektoren liefert das Vertiefungsthema Ohren in aller Welt.

Gravitationswellendetektoren der dritten Generation sollen eine höhere Empfindlichkeit bei der Messung von Gravitationswellen erreichen als bisherige Detektoren, wie z.B. Advanced LIGO oder Advanced Virgo. Solche Vorhaben sind zum Beispiel das Einstein-Teleskop und der Cosmic Explorer. Mehr Informationen bietet das Vertiefungsthema Die Gravitationswellendetektoren der dritten Generation.

Siehe Zeitdehnung.

In Situationen mit vergleichsweise schwacher Gravitation können die im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie auftretenden Gravitationswirkungen näherungsweise (erste post-Newtonsche Näherung) in Analogie zum Elektromagnetismus beschrieben werden: Diejenige Wirkung, die bereits durch die Newtonschen Gravitationskraft erfasst wird, ist dabei analog zur elektrischen Kraft. Darüber hinaus gibt es eine Kraftwirkung, die zur Magnetkraft analog ist und immer dann auftritt, wenn Gravitationsquellen rotieren. Sie wird als Gravitomagnetismus bezeichnet. Der gravitomagnetische Einfluss einer rotierenden Masse auf ihre Umgebung heißt auch Lense-Thirring-Effekt.

Hypothetisches Botenteilchen einer als Quantentheorie beschriebenen Gravitationskraft. Allerdings wissen die Physiker heutzutage noch nicht, wie eine solche Theorie der Quantengravitation letztendlich aussehen wird.

GRAVITY ist Teil des Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der Europäischen Südsternwarte in Chile. Das im nahen Infrarot betriebene Instrument kombiniert das Licht von vier Teleskopen und erreicht dadurch die räumliche Auflösung eines Teleskops mit 130 Metern Durchmesser. Dank dieses hohen Auflösungsvermögens können Forschende sehr kleine Himmelskörper sichtbar machen. GRAVITY kann außerdem Entfernungen und damit auch Bewegungen sehr gut messen. Mithilfe von GRAVITY gelang es beispielsweise, die Bewegung eines Sterns um das schwarze Loch in unserer Galaxie zu beobachten und damit Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu bestätigen.

Synonym: Vessot-Levine-Experiment. Experiment zum präzisen Nachweis der gravitativen und der speziell-relativistischen Zeitdehnung, durchgeführt im Jahre 1976. Dazu wurde eine Atomuhr an Bord einer Rakete auf eine Flughöhe von rund 10.000 Kilometern geschossen. Mit Hilfe von Radarsignalen wurden sowohl Flughöhe und -geschwindigkeit der Rakete als auch der Gang der an Bord befindlichen Uhr überwacht. Die Genauigkeit der Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie über den Gang dieser einerseits in Bewegung, andererseits in einem schwächeren Gravitationsfeld als auf der Erde befindlichen Uhr wurde in diesem Experiment mit einer Messungenauigkeit von weniger als 0,02 Prozent bestätigt.

Satellitengestütztes Experiment zum Nachweis des Lense-Thirring-Effektes („frame-dragging“). Dabei wird die Richtung der Drehachse von hochpräzise gefertigten kugelförmigen Kreiseln überwacht, die an Bord eines Satelliten um die Erde kreisen. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie sollten zwei Effekte dafür sorgen, dass sich die Achsenrichtung der Kreisel mit der Zeit leicht verändert: Die geodätische Präzession, ein Nebeneffekt der Krümmung der Raumzeit in Erdnähe sollte zu einer Verschiebung von knapp sieben Bogensekunden pro Jahr führen. Der Lense-Thirring-Effekt kommt zustande, da die Erde rotiert und die sie umgebende Raumzeit dabei grob gesprochen ein wenig mitzieht. Das sollte zu einer weiteren Achsenrichtungsänderung von rund 0,04 Bogensekunden führen.

Start der Mission war April 2004; Messungen wurden von August 2004 bis August 2005 vorgenommen; die Bekanntgabe erster Ergebnisse erfolgte im April 2007 (Bestätigung der geodätischen Präzession mit einer Genauigkeit von 1 Prozent; noch keine Ergebnisse zum Lense-Thirring-Effekt). Die Bekanntgabe des Gesamtergebnisses ist für Dezember 2007 angekündigt.

Webseiten der Mission Gravity Probe B

Im Sprachgebrauch der Physik: Der Wert einer Größe, gerundet bis auf die nächste Zehnerpotenz. Die Höhe eines Menschen ist beispielsweise von der Größenordnung her ein Meter, die Höhe eines zweistöckigen Hauses 10 Meter. Über Größenordnungen zu reden, ist beispielsweise für grobe Vergleiche sinnvoll, die der Orientierung dienen – dass ein zweistöckiges Haus rund 10 Mal größer ist als ein Mensch, ist ein nützlicher ungefährer Wert; jede genauere Angabe wäre angesichts der Tatsache, dass sowohl Menschen wie Häuser in ihrer genauen Größe variieren, unangemessen oder sogar irreführend. In der Physik wird man von stark vereinfachten Modellen nicht verlangen, dass ihre Vorhersagen exakt zutreffen, allerdings sollten sie ungefähr in der richtigen Größenordnung liegen.

Kreis auf einer Kugeloberfläche, dessen Mittelpunkt gleichzeitig der Mittelpunkt der Kugel ist. Der Äquator ist ein Großkreis auf der Erdkugel, die Meridiane sind Großkreishälften.

Die geradestmögliche Weise, auf einer Kugeloberfläche entlangzulaufen, führt entlang von Großkreisen; in der Sprache der Mathematiker: Großkreise sind Geodäten der Kugeloberfläche.

Wärmestrahlung, wie sie Schwarze Löcher aufgrund von Quanteneffekten abstrahlen sollten. Erstmals berechnet von dem britischen Physiker Stephen Hawking in den 1970er Jahren. Die charakteristische Temperatur der Strahlung heißt auch Hawking-Temperatur.

Charakteristische Temperatur der Hawking-Strahlung eines Schwarzen Lochs. Für einfache, kugelsymmetrische Löcher beträgt sie

TH = 6 mal 10^–8 (Sonnenmasse/Masse des Schwarzen Lochs) Kelvin. [Probleme mit Ausdrücken wie 10^–8? Siehe Stichwort Zehn-Hoch-Schreibweise.]

Die Heisenbergsche Unschärferelation ist ein grundlegendes Gesetz der Quantentheorie, welches besagt, dass es ein Limit für die Genauigkeit gibt mit der man zwei komplementäre physikalische Größen messen kann. Wird eine der Größen mit sehr hoher Präzision gemessen, kann die Andere zwangsläufig nur sehr ungenau bestimmt werden. Gleichzeitig lassen sich beide Größen nur bis zu einem Limit, welches durch die Heisenbergsche Unschärferelation gegeben ist, genau bestimmen.

Ein Beispiel für ein solches Paar an komplementären Größen sind der Ort und der Impuls eines Quantenteilchens: Will man den Ort des Teilchens sehr genau bestimmen, werden dadurch sehr genaue Aussagen über den Impuls unmöglich und genauso anders herum.

Helium ist nach Wasserstoff das zweitleichteste Element. Sein Atomkern besteht aus zwei Protonen und üblicherweise zwei Neutronen. Helium-Atomkerne werden auch Alpha-Teilchen genannt.

Einheit für die Frequenz, Abkürzung Hz. Ein Hertz entspricht einer Schwingung pro Sekunde.

Siehe HII-Regionen.

HII-Regionen (sprich: „H-Zwei-Regionen“) sind Gebiete unserer oder anderer Galaxien, die größe Mengen an ionisiertem Wasserstoff enthalten, also an Wasserstoff, bei dem das Elektron sich vom Atomkern gelöst hat.

Typischerweise bilden sich in HII-Regionen neue Sterne.

Die Lehre von den Gesetzen, die die Bewegung der Himmelsobjekte bestimmen. Ursprünglich unabhängig von der Bewegungslehre für Objekte auf der Erde formuliert (beispielsweise Keplersche Gesetze) ist sie seit Newton, der die kosmischen Bewegungsgesetze aus seinen Grundgesetzen der Bewegung und seinem Gravitationsgesetz ableitete (siehe klassische Mechanik), Unterkapitel einer allgemeineren Mechanik.

Für die meisten astronomischen Anwendungen ist die Newtonsche Mechanik ausreichend; bei sehr genauen Messungen oder im Einflußbereich starker Gravitationsfelder wird die Himmelsmechanik von den relativistischen Bewegungsgesetzen der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie bestimmt.

Elektromagnetische Reststrahlung aus der heißen Frühzeit unseres Universums. Erstmals vorhergesagt durch die auf der allgemeinen Relativitätstheorie basierenden Urknallmodelle; in den 1960er Jahren durch Radiobeobachtungen nachgewiesen.

Wie sich anhand der Hintergrundstrahlung die Raumkrümmung unseres Universums nachweisen lässt, ist Inhalt des Vertiefungsthemas Kosmischer Schall und die Krümmung des Raums.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie: Grenze, welche die Raumzeit in zwei Bereiche trennt, wobei für einen dieser Bereiche gilt, dass nichts, was darin geschieht, die Geschehnisse in dem zweiten Bereich irgendwie beeinflussen kann. Der bekannteste Spezialfall ist die geschlossene Fläche, die ein Schwarzes Loch begrenzt.

Oft werden die Begriffe „Horizont“ und „Ereignishorizont“ synonym verwendet. Genaugenommen ist der Ereignishorizont nur eine Möglichkeit, den Horizont zu definieren, nämlich als Grenze, von der aus kein Teilchen (und auch kein Licht) nach dem Überschreiten jemals ins Unendliche entkommen kann. Eine andere Art von Horizont ist der so genannte scheinbare Horizont – kein Teilchen (und kein Licht), das diese Grenze überschritten hat, kann jemals wieder außerhalb des scheinbaren Horizonts gelangen.

Kooperationsprojekt der NASA und der ESA: Weltraumteleskop, das seit 1990 in 600 Kilometer über der Erde (und daher durch die Atmosphäre weit weniger behindert als Teleskope auf dem Erdboden) astronomische Beobachtungen durchführt.

Webseiten des Space Telescope Science Institute (der Betreiber des Hubble-Teleskops)

In einem Universum, das sich ausdehnt wie das Weltall der Urknallmodelle gilt für jeden Beobachter auf einer der frei fallenden Galaxien automatisch: Die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien um ihn herum ist proportional zu ihrem Abstand; je weiter eine Galaxie bereits von ihm entfernt ist, umso mehr nimmt dieser Abstand in einem gegebenen Zeitraum zu. Dieser Zusammenhang, den der Astronom Edwin Hubble in den 1920er Jahren erstmals durch Beobachtungen an entfernten Galaxien nachweisen konnte, heisst Hubble-Beziehung oder Hubble-Relation; der Umstand, dass dieser Zusammenhang auftritt heißt Hubble-Effekt; die Proportionalitätskonstante heißt Hubble-Konstante.

Eine Veranschaulichung des Hubble-Effekts findet sich auf der Seite Kosmos auf Expansionskurs im Kapitel Kosmologie von Einstein für Einsteiger.

In aller Strenge gilt die Hubble-Relation nur für Universum, deren Expansion sich weder beschleunigt noch verlangsamt. In unserem eigenen Universum gilt sie in sehr guter Näherung für Galaxien, die nicht allzuweit von uns entfernt sind.

Wissenschaftliche Institution mit Zentralbüro in Frankfurt am Main. Eine Hauptaufgabe des IERS besteht darin, Daten zur Erdrotation zu sammeln und zu verbreiten; in diesem Zusammenhang spielt er eine wichtige Rolle bei der Definition der Weltzeit UTC (nähere Informationen bietet das Vertiefungsthema Wie Zeit gemacht wird).

Webseiten des IERS

In bestimmten Rechnungen in der Quantentheorie (insbesondere im Zusammenhang mit so genannten Pfadintegralen) spielt die folgende algebraische Umformung eine Rolle: Wo immer in einem bestimmten Stadium der Rechnung die Zeitkoordinate t auftritt, wird sie durch i·t ersetzt, wobei i die „imaginäre Einheit“ ist, definiert durch die bemerkenswerte Eigenschaft i·i=-1. Dann wird mit dieser veränderten Zeitkoordinate weitergerechnet, und in einem späteren Stadium der Rechnung wird die Ersetzung wieder rückgängig gemacht. Die Kombination T=i·t heisst imaginäre Zeit.

Die meisten solcher Rechnungen gehören in den Kontext der herkömmlichen Elementarteilchenphysik, in der Raum und Zeit durch die Spezielle Relativitätstheorie beschrieben werden. Dort gibt es mathematisch strenge Beweise die zeigen, dass das Rechnen mit der imaginären Zeit zu korrekten Resultaten führt.

Auch in einigen Ansätzen für eine Theorie der Quantengravitation spielt die imaginäre Zeitkoordinate eine Rolle. Dort allerdings haben wir es mit der flexiblen Zeit der Allgemeinen Relativitätstheorie zu tun, und dadurch wird die Angelegenheit ungleich schwieriger. Im Kontext der Quantengravitation ist bislang weder engültig geklärt, wie man beim Rechnen mit imaginärer Zeit im einzelnen vorgehen sollte, noch inwieweit solche Rechnungen tatsächlich zum richtigen Ergebnis führen. Beide Fragen sind Gegenstand aktueller Forschung.

Einige weitere Informationen über Pfadintegrale und die Rolle der imaginären Zeit bietet das Vertiefungsthema Auf allen möglichen Wegen zum Ziel, während der Zusammenhang mit der Quantenkosmologie im Vertiefungsthema Die Suche nach dem Quanten-Anfangszustand des Universums angesprochen wird.

Der Impuls eines Körpers ist gleich seiner Masse mal seiner Geschwindigkeit (in der Speziellen Relativitätstheorie: seiner relativistischen Masse mal seiner Geschwindigkeit).

Wichtig für die Physik ist, dass der Impuls eine Erhaltungsgröße ist – treten verschiedene Körper in Wechselwirkung, dann ist die Summe ihrer Impulse vorher und nachher dieselbe, allenfalls ist Impuls von einem Körper auf einen anderen übertragen worden.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist Impuls neben Größen wie Masse und Energie eine Gravitationsquelle.

Der Impuls ist eine Erhaltungsgröße: Der Gesamtimpuls eines Systems kann sich nur dann ändern, wenn dem System Impuls zugeführt oder entzogen wird.

Ein Inertialsystem ist ein Bezugssystem, in dem das Trägheitsgesetz der Mechanik gilt: Körper, auf die keine Kräfte wirken, befinden sich in Ruhe oder laufen mit konstanter Geschwindigkeit auf geraden Bahnen. Ein Inertialbeobachter ist ein Beobachter, der relativ zu einem Inertialsystem ruht. Im Zusammenhang der Relativitätstheorien entspricht ein Inertialsystem einem System, das im gravitationsfreien Raum schwebt, ohne beschleunigt zu werden oder zu rotieren.

Inertialsysteme spielen eine wichtige Rolle in der Speziellen Relativitätstheorie: deren Grundbausteine sind das Relativitätsprinzip (die Gesetze der Physik sind in allen Inertialsystemen die gleichen – kein Inertialsystem ist in dieser Hinsicht vor anderen ausgezeichnet) und das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (alle Inertialbeobachter messen für die Lichtgeschwindigkeit denselben konstanten Wert).

In der Allgemeinen Relativitätstheorie gibt es im allgemeinen allenfalls „lokale Inertialsysteme“: Aussage des Äquivalenzprinzips ist, dass die Gesetze der Physik für einen Beobachter, der frei fällt und über einen nicht allzu langen Zeitraum hinweg Ereignisse in seiner unmittelbaren Nähe betrachtet, in guter Näherung dieselben sind wie für einen Inertialbeobachter.

Siehe Inertialbeobachter

Hypothetische Phase in der Frühzeit unseres Universums, in der sich das Weltall exponentiell ausdehnte.

Elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich von einigen Hundert Milliarden bis Billionen Schwingungen pro Sekunde, beziehungsweise mit Wellenlängen von 0,8 Mikrometer bis 1 Millimeter. Auch die mit warmen Alltagstemperaturen verbundene Wärmestrahlung fällt in den Infrarotbereich.

Der Inspiral ist jene Phase im Lebenszyklus eines Doppelsystems, in der die beiden schwarzen Löcher einander umrunden und sich dabei annähern. Durch Abstrahlung von Gravitationswellen verlieren sie Energie, weshalb ihre Umlaufbahnen immer kleiner werden. Die schwarzen Löcher bewegen sich mit zunehmender Geschwindigkeit in Spiralen aufeinander zu, bis sie kollidieren und miteinander verschmelzen.

Ende 2002 gestartetes Satellitenobservatorium der ESA, dessen Instrumente astronomische Beobachtungen im Bereich der Gammastrahlung vornehmen.

Outreach-Seiten für die INTEGRAL-Mission

Wenn Wellen aufeinandertreffen und sich überlagern, kann es zu Verstärkungs- und Auslöschungseffekten kommen, die zusammen als Interferenzeffekte bezeichnet werden: Wo Wellenberg auf Wellenberg trifft, entsteht ein deutlich höherer Wellenberg (Verstärkung; konstruktive Interferenz); wo Wellenberg auf Wellental treffen, kann es zum völligen Ausgleich zwischen den beiden kommen (Abschwächung oder sogar völlige Auslöschung; destruktive Interferenz).

Interferenz kann beispielsweise bei elektromagnetische Wellen (etwa bei Licht) auftreten, aber auch bei Wasserwellen oder Schallwellen.

Gravitationswellendetektoren, die Interferenzeffekte des Lichts nutzen, um nachzuweisen, wie eine Gravitationswelle die Abstände zwischen Testmassen und zwischen diesen Testmassen hin- und herlaufendes Licht beeinflusst.

Die Funktionsweise interferometrischer Detektoren wird im Vertiefungsthema Licht als Maßstab beschrieben.

Beispiele für interferometrische Detektoren sind GEO600 und die LIGO-Detektoren.

Dünnes Gas, das einen Teil der leeren Raumregionen zwischen den Galaxien ausfüllt. Die Verteilung des intergalaktischen Mediums ist ungleichmäßig: Zwischen Filamenten von Gas liegen Leerräume mit weit niedrigerer Dichte. Hauptbestandteil des intergalaktischen Mediums ist ionisierter Wasserstoff, mit anderen Worten: ein Plasma, das zu gleichen Teilen aus Wasserstoff-Atomkernen (Protonen) und Elektronen besteht. Abschätzungen zufolge liegt die mittlere Dichte des intergalaktischen Mediums zwischen zehn und hundert Wasserstoffatomen pro Kubikmeter.

Siehe IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service)

Siehe TAI (Internationale Atomzeit)

In internationaler Zusammenarbeit von 16 Nationen gebaute Raumstation in der Erdumlaufbahn. Aus Einsteinscher Sicht vor allem interessant als Beispiel für ein im Gravitationsfeld der Erde frei fallendes Laboratorium.

ISS-Seiten der NASA

Siehe ITER

Siehe BIPM (Bureau International des Poids et Mesures)

Siehe SI (Système International d’Unités, Internationales Einheitensystem)

Üblicherweise besitzen Atome genauso viele elektrisch positiv geladene Protonen im Kern wie elektrisch negativ geladene Elektronen in ihrer Hülle, und sind damit im Ganzen elektrisch neutral. Atome, die mehr oder weniger Elektronen besitzen als normal und daher im Ganzen elektrisch geladen sind heißen Ionen.

Ionisation ist der Vorgang, bei dem ein elektrisch neutrales Atom in ein Ion umgewandelt wird. Ionen eines bestimmten Elements werden daher auch oft mit dem Adjektiv „ionisiert“ bezeichnet, Wasserstoffionen etwa als „ionisierter Wasserstoff“.

Atomkernsorten („Nuklide“) können sich in zweierlei Hinsicht unterscheiden: Einmal durch die Zahl der Protonen, zum anderen durch die Zahl der Neutronen, die sie enthalten. Alle Kerne mit derselben Anzahl von Protonen gehören zu ein und demselben chemischen Element und heissen Isotope dieses Elements. Die verschiedenen Isotope eines Elements unterscheiden sich nur durch die Anzahl ihrer Neutronen.

Internationales Kooperationsprojekt zur Konstruktion eines Reaktors, der durch Kernfusionsreaktionen nutzbare Energie erzeugt. Baubeginn war 2010; Fernziel ist es, die Kernfusion als Energiequelle praktisch nutzbar zu machen (allerdings noch nicht mit dem ITER-Reaktor selbst).

> ITER-Webseiten

Im astronomischen Sinne sind Jets scharf gebündelte, hochenergetische Teilchenströme, wie sie von bestimmten aktiven Galaxienkernen ausgesandt werden. Sichtbar sind Jets insbesondere, wenn sie riesige Gasgebiete zum Leuchten anregen, sogenannte Radioblasen.

Siehe Brans-Dicke-Theorie.

Die Einheit der Energie im internationalen Einheitensystem (SI). Ein Joule entspricht einem Kilogramm mal Quadratmeter durch Quadratsekunde. Das ist die Bewegungsenergie, die ein Objekt mit der Masse 1 Kilogramm gewinnt, wenn es über eine Strecke von einem Meter Länge mit einem Meter pro Quadratsekunde beschleunigt wird.

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.

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.

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.

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.

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.

Siehe Atomkern.

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.

Kraft, die Protonen und Neutronen zu Atomkernen zusammenbindet; ein Nebeneffekt der starken Kernkraft.

Siehe auch schwache Kernkraft oder starke Kernkraft.

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 (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.

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?).

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.

Siehe Elektronenvolt.

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.

Anderer Ausdruck für Bewegungsenergie.

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.

Siehe Mechanik, klassische

Gleichung, die das Verhalten eines relativistischen Quantenteilchens beschreibt, das den Spin 0 trägt.

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.

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.

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.

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.

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.

Siehe Hintergrundstrahlung, kosmische

Hochenergetische Teilchenströme aus den Tiefen des Alls, bestehend aus Protonen und leichten Atomkernen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Einerseits: Maß für die Stärke einer Kraft, die von einem Körper ausgeht oder mit der er auf einen Krafteinfluss reagiert. Bekanntestes Beispiel ist die elektrische Ladung: Elektrisch geladene Körper üben auf andere elektrisch geladene Körper elektrostatische Kräfte aus – je größer die elektrische Ladung der beteiligten Körper, ums größer die Kräfte.

Für Ladungen ist charakteristisch, dass sie erhalten bleiben, dass sie also weder aus dem Nichts entstehen noch vernichtet werden. Wenn beispielsweise ein Positron mit elektrischer Ladung 1 sich mit einem Elektron mit der elektrischen Ladung -1 zu elektromagnetischer Strahlung vernichtet, dann ist der Ladungserhaltung genüge getan: Vor der Vernichtung war die Summe der Ladungen 1+(-1)=0, nach der Vernichtung ist die Ladung der elektrisch neutralen Strahlung ebenfalls Null.

Die Elementarteilchenphysik kennt zusätzlich noch abstraktere Ladungen, die zwar nicht direkt mit Kräften zusammenhängen, aber für die bei Reaktionen zwischen Elementarteilchen ebenfalls ein Erhaltungssatz gilt.

Elektromagnetische Strahlung wird von Atomen nur bei ganz bestimmten, von der Atomsorte abhängigen Frequenzen abgestrahlt. Für einige dieser charakteristischen Frequenzen sagt die relativistische Quantentheorie des Elektromagnetismus, die so genannte Quantenelektrodynamik, gegenüber früheren Theorien eine winzige Verschiebung voraus, eben den Lamb-Shift. Die experimentelle Überprüfung bestätigte diese Vorhersage.

Effekt der Speziellen Relativitätstheorie: Ein Beobachter (genauer: ein Inertialbeobachter) misst für ein relativ zu ihm bewegtes Objekt eine kürzere Länge als für eine baugleiche Kopie des Objekts, die neben ihm ruht (die Länge bezieht sich dabei auf die Ausdehnung des bewegten Objekts in Bewegungsrichtung – Ausdehnungen senkrecht zur Bewegungsrichtung bleiben unbeeinflusst).

Siehe LHC

Abkürzung für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, zu deutsch etwa: Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsaussendung. Verfahren zur Erzeugung sehr konzentrierten, starken Lichtes mit fester Frequenz, das in Form einer sehr gleichförmigen elektromagnetischen Welle ausgesendet wird. Dabei haben alle ausgesendeten Wellen jeweils zur gleichen Zeit ihre Maxima und Minima („kohärentes Licht“).

Siehe LIGO

Siehe LISA

Nach den Urknallmodellen entstanden bereits im frühen, heißen Universum, bei einem Weltalter von Sekunden bis Minuten, leichte Elemente wie schwerer Wasserstoff, Helium oder Lithium. Die Urknallmodelle sagen sogar die relativen Häfigkeiten vorher, in denen die verschiedenen Elemente entstanden sein sollten, etwa, wieviele Helium- oder Lithiumkerne sich für jeden Kern schweren Wasserstoffs bildeten. Die Überprüfung dieser Vorhersage stellt einen wichtigen Test dar, in dem sich die Vorhersagen der Modelle gut bestätigt haben.

Ein Effekt der Allgemeinen Relativitätstheorie: Eine rotierende Masse bringt die sie umgebende Raumzeit in gewisser Weise (und in begrenztem Maße) dazu, mitzurotieren.

Dadurch werden die Bahnen von Körpern beeinflusst, die um die betreffende Masse umlaufen; außerdem ändern die Drehachsen von Kreiseln, die sich in der Nachbarschaft der Masse im freien Fall befinden, ihre Richtung. Die direkte Messung des Lense-Thirring-Effekts mit Hilfe solcher Kreisel ist das Ziel der Mission Gravity Probe B.

„Leptonen“ ist der Sammelbegriff für Elementarteilchen, die nicht an der starken Wechselwirkung teilnehmen (also derjenigen Wechselwirkung, welche die Quarks beispielsweise zu Protonen und Neutronen zusammenbindet). Beispiele für Leptonen sind das Elektron und diverse Sorten von Neutrinos.

Der Large Hadron Collider, zu deutsch etwa die große Maschine, um Kernteilchen zusammenstoßen zu lassen, ist ein Teilchenbeschleuniger am Teilchenforschungszentrum CERN. Aus Sicht der Relativitätstheorie ist er nicht nur interessant, weil die in ihm beschleunigten Protonen so hohe Energien erreichen wie nie zuvor und so neue Tests der relativistischen Quantenfeldtheorien ermöglichen, auf denen die moderne Elementarteilchenphysik beruht, sondern auch, weil sich bei so hohen Energien erste Spuren einer bislang noch nicht experimentell nachgewiesenen Symmetrie der Natur zeigen sollten, der so genannten Supersymmetrie, die eine wichtige Rolle im Zusammenhang mit der Stringtheorie spielt, einem der Ansätze, Allgemeine Relativitätstheorie und Quantentheorie zu einer Theorie der Quantengravitation zu verbinden. Außerdem gibt Physik bei so hohen Energien Aufschluss über die Eigenschaften der Materie des frühen, heißen Universums, die für die Urknallmodelle wichtig sind.

Webseiten des CERN

Licht im engeren Sinne ist elektromagnetische Strahlung, die wir Menschen mit bloßem Auge wahrnehmen können, entsprechend Wellenlängen zwischen 400 und 700 Nanometer. In der Relativitätstheorie und auch sonst in der Astronomie wird der Begriff Licht dagegen oft allgemein für alle Arten elektromagnetischer Strahlung verwendet, man spricht beispielsweise vom Infrarotlicht oder vom Röntgenlicht; Licht im engeren Sinne heißt dann „sichtbares Licht“.

Im Rahmen der klassischen Physik wird das Verhalten des Lichts durch die Maxwellschen Gleichungen beschrieben; in der Quantenphysik stellt sich heraus, dass Licht ein Strom von Energiequanten ist, die Lichtteilchen oder Photonen genannt werden.

Zu den Grundaussagen der Allgemeinen Relativitätstheorie gehört, dass auch Licht durch die Gravitation beeinflusst wird. So wird Licht, das an einem massiven Körper vorbeistreicht, dabei ein wenig abgelenkt. Dies ist die Grundlage der so genannten Gravitationslinsen.

Weitere Informationen bietet das Vertiefungsthema Lichtablenkung durch Gravitation. Einige Rückschlüsse zur Lichtablenkung lassen sich bereits aus dem Äquivalenzprinzip ziehen – nähere Informationen finden sich im Vertiefungsthema Vom Äuquivalenzprinzip zur Lichtablenkung.

Die Geschwindigkeit, mit der sich Licht oder, allgemeiner, elektromagnetische Strahlung ausbreitet. Zentrale Größe in der Speziellen Relativitätstheorie: Dort ist die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ein Grundpostulat und es gilt: Jeder Beobachter (genauer: Inertialbeobachter) misst für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum denselben konstanten Wert, 299792458 Meter pro Sekunde.

Wichtig ist außerdem, dass die Lichtgeschwindigkeit eine obere Geschwindigkeitsgrenze definiert: In der Speziellen Relativitätstheorie kann sich nichts schneller bewegen als das Licht, und auch Information und Einflüsse können nicht schneller übertragen werden. In der Allgemeinen Relativitätstheorie gilt dieses Prinzip zumindest lokal: Kein Objekt, keine Information, keine Materie kann direkt nebenherfliegendes Licht ein- oder gar überholen. (Vergleiche: Kausalität.)

Grundlegendes zum Zusammenhang von Lichtgeschwindigkeit und Spezieller Relativitätstheorie erklärt der Abschnitt Spezielle Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger.

Längeneinheit: Ein Lichtjahr ist die Strecke, die ein Lichtsignal binnen eines Jahres zurücklegt, eine Lichtsekunde die Strecke, die es binnen einer Sekunde zurücklegt, und entsprechend für Lichtminute, Lichtstunde und Lichttag.

Eine Umrechnung in die vertrauteren Kilometer zeigt die folgende Tabelle (gerundete Werte):

1 Lichtsekunde = 300000 km

1 Lichtminute = 18 Millionen km

1 Lichtstunde = 1,1 Milliarden km

1 Lichttag = 25 Milliarden km

1 Lichtjahr = 9,5 Billionen km

In der Speziellen wie in der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Obergrenze für die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Signalen oder die Übertragungsgeschwindigkeit von Einflüssen die Lichtgeschwindigkeit. Das Licht ermöglicht es daher, die Menge aller Ereignisse in diejenigen zu scheiden, die ein gegebenes Ereignis A im Prinzip beeinflussen könnte, diejenigen, von denen das Ereignis A im Prinzip seinerseits beeinflusst werden könnte und diejenigen Ereignisse, bei denen ein gegenseitiger Einfluss unmöglich ist (vergleiche Kausalstruktur). Die Grenze zwischen diesen Ereignismengen hat in grafischer Darstellung die Form eines Doppelkegels, des Lichtkegels (eine Skizze dazu zeigt die Seite Raumzeit im Kapitel Spezielle Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger). Gebildet wird sie von den Weltlinien aller hypothetische Lichtsignale, die am Ereignis A in eine beliebige Raumrichtung ausgesandt oder, aus einer beliebigen Richtung kommend, absorbiert werden.

Zeit, die Licht benötigt, um von einem Himmelskörper zu uns auf die Erde zu gelangen. Lichtlaufzeit, gemessen anhand der kosmischen Zeit, ist eine Möglichkeit, in unserem Universum Entfernungen zu definieren.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie kann die Gravitationswirkung Licht nicht nur ablenken, sondern auch dazu führen, dass das Licht auf seinen Reisen ins All manchmal etwas mehr Zeit benötigt, als nach der klassischen Physik zu erwarten. Dies wird relativistische Lichtlaufzeitverzoegerung oder Shapiro-Effekt genannt. Im Sonnensystem ist es beispielsweise durch Messungen an Radarsignalen nachgewiesen worden, die von der Erde ausgesandt, am Planeten Venus reflektiert und dann wieder auf der Erde aufgefangen wurden. Der Lauf solcher Signale wird deutlich verzögert, wenn sie auf ihrer Bahn nahe an der massiven Sonne vorbeilaufen.

Hypothetische Uhr, bei der hin- und herlaufendes Licht als Taktgeber dient. Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit stellt dabei sicher, dass solch eine Uhr gleichmäßig tickt.

Weitere Informationen bietet das Vertiefungsthema Von der Lichtuhr zur Zeitdilatation.

Licht ist, genau wie jede andere Form elektromagnetischer Strahlung, ein Gemisch aus einfachen Wellen, bei denen Maxima und Minima des elektromagnetischen Felds in schöner Regelmäßigkeit aufeinander folgen.

Laser-Interferometer-Gravitationswellenobservatorium: ein Detektor für Gravitationswellen in den USA, welcher zwischen 2010 und 2015 zum Advanced LIGO ausgebaut wurde. Der Detektor besteht aus zwei interferometrischen Gravitationswellendetektoren, mit jeweils vier Kilometern Armlänge. Einer davon steht in Hanford im US-Bundesstaat Washington, ein weiterer in Livingston im US-Bundesstaat Louisiana. An LIGO wurden 2015 die ersten Gravitationswellen direkt nachgewiesen.

LIGO-Webseiten

Geometrisches Gebilde mit nur einer Dimension – entweder als selbstständiger eindimensionaler Raum betrachtet (in jenem mathematischen Sinne, in dem ein Raum durchaus mehr oder weniger als 3 Dimensionen haben kann) oder eingebettet in einen anderen allgemeinen Raum wie eine auf ein Blatt Papier (in eine Fläche) gemalte Linie.

Über 20 Jahre wurde LISA (Laser Interferometer Space Antenna) als Konzept eines weltraumbasierten Gravitationswellendetektors gemeinsam von den europäischen und amerikanischen Weltraumbehörden ESA und NASA voran getrieben. Es soll ein interferometrischer Detektor aus drei Satelliten, angeordnet in einem Dreieck mit 2,5 Million Kilometer Kantenlänge entstehen, welcher vom Weltraum aus nach Gravitationswellen suchen soll. Zwischenzeitlich eLISA benannt, heißt das Projekt wieder LISA und soll 2034 starten.

LISA-Website

LISA Pathfinder war eine Testmission der europäischen Weltraumagentur ESA für die LISA-Mission. LISA Pathfinder zeigte die Funktionsfähigkeit von zentralen LISA-Technologien, mit denen das erste Gravitationswellen-Observatorium im All niederfrequente Gravitationswellen beobachten wird.

Chemisches Element, dessen Atomkerne je drei Protonen enthalten. Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie interessant, weil die Urknallmodelle Vorhersagen darüber machen, wieviel Kerne dieses und anderer leichter Elemente sich im frühen Universum gebildet haben sollten.

Das Lockman Hole (wörtlich das Lockman-Loch) ist ein Himmelsbereich im Sternbild Großer Bär, rund 75 Mal so groß wie der Vollmond. Wer in diese Richtung in die Tiefen des Weltalls schaut, dem kommen innerhalb unserer Galaxis so gut wie keine Wolken neutralen Wasserstoffgases in die Quere, und das heißt: Der Blick in die Ferne, über unsere Galaxie hinaus, ist klar und ungetrübt. Dementsprechend ist das Lockman Hole eine der bestuntersuchtesten Regionen am Nachthimmel.

Art der graphischen Darstellung physikalischer Daten oder Zusammenhänge, bei der Werte entsprechend ihres Zehnerlogarithmus aufgetragen werden. Der Zehnerlogarithmus y = log(x) einer Zahl x ist die Zahl y, für die gilt x = 10^y; der Logarithmus von 10 ist 1, der Logarithmus von 100 ist 2, und so weiter.

In normalen („linearen“) Diagrammen ist der Abstand zwischen den Werten 1 und 2 derselbe wie zwischen den Werten 2 und 3. In logarithmischer Darstellung ist der Abstand zwischen den Werten 1 und 10 derselbe wie zwischen 10 und 100 und wie zwischen 100 und 1000. Diese Art der Darstellung ist daher sehr hilfreich, wenn es darauf ankommt, die Entwicklung einer physikalischen Größe über einen Wertebereich von vielen Größenordnungen zu verfolgen.

Derjenige Galaxienhaufen, zu dem die Galaxie gehört, in der wir uns befinden, unsere Milchstraße. Im kosmischen Maßstab ist die lokale Gruppe ein winzig kleiner Haufen – außer unserer Milchstraße gehören nur die Andromeda-Galaxie, die Galaxie M33 und einige Zwerggalaxien dazu (etwa die so genannten Magellanschen Wolken).

Siehe unter Schleifen-Quantengravitation.

Bestandteil der Speziellen Relativitätstheorie: Satz von Vorschriften, der es erlaubt, zwischen zwei relativ zueinander bewegten Inertialsystemen zu vermitteln, insbesondere auszurechnen, wie sich die Ortsangaben und Zeitangabe (genauer: die Koordinaten), die einer der Beobachter einem gegebenen Ereignis zuordnet, zu den Ortsangaben und der Zeitangabe verhalten, die der andere Beobachter demselben Ereignis zuordnet.

Im Kontext der Allgemeinen Relativitätstheorie ist eine Lösung, genauer: eine Lösung der Einsteingleichungen, ein Modelluniversum, das den von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorgeschriebenen Gravitationsgesetzen genügt.

Ergebnisse der Stringtheorie legen nahe, dass die grundlegende physikalische Theorie unserer Welt eine Theorie von ausgedehnten Gebilden (Branen) sein könnte, die in einer Raumzeit mit elf Dimensionen definiert sind. Von dieser Theorie kennen die Physiker bislang allerdings nur eine Facetten. Einen Namen hat sie allerdings bereits bekommen, eben M-Theorie.

Wenn Körper beschleunigt werden, machen sich Trägheitskräfte bemerkbar – die Kraft, die uns in den Sitz drückt, wenn das Auto, in dem wir sitzen, beschleunigt, oder die Zentrifugalkräfte, die die Sitze des Kettenkarussels nach außen ziehen. In der klassischen Mechanik war der Bezugsrahmen für diese Beschleunigungen der der „absolute Raum“ – Trägheitskräfte wirken, sobald sich ein Körper relativ zum absoluten Raum beschleunigt bewegt. Der österreichische Physiker Ernst Mach stellte dagegen die Hypothese auf die Trägheitskräfte seien nicht auf ein abstraktes Gebilde wie den absoluten Raum zurückzuführen, sondern träten auf, wann immer ein Körper sich relativ zu den Hintergrundmassen im Universum (den fernen Fixsternen etwa) beschleunigt bewege. Diese Hypothese ist auch als Mach’sches Prinzip bekannt. Dieses Prinzip hat eine wichtige Rolle gespielt, als Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie entwickelte. In ihrer endgültigen Form respektiert Einsteins Theorie das Mach’sche Prinzip allerdings nicht – auch dort sind die Trägheitskräfte nicht alleine auf den Einfluss ferner Massen zurückzuführen.

Magnetkräfte sind bestimmte Fernkräfte, mit denen elektrische Ströme (d.h. bewegte elektrische Ladungen) auf andere elektrische Ströme wirken. Das Magnetfeld ist das zugehörige Feld (wie Kraft und Feld zusammenhängen beschreibt das Vertiefungsthema Von der Kraft zum Feld). Die Gesamtheit der mit den Magnetkräften zusammenhängenden Phänomene heißt auch Magnetismus; die betreffenden Phänomene sind ein Teilaspekt des Elektromagnetismus.

Ein Typ von Atomuhr. Der Frequenzstandard (die Referenz für das „Ticken“ der Uhr) ist dabei ein so genannter Maser; ein Gerät, das auf demselben Grundprinzip basiert wie der Laser und mit dessen Hilfe sich elektromagnetische Strahlung genau definierter Frequenz erzeugen lässt.

In der klassischen Physik spielt die Masse eines Köpers drei Rollen gleichzeitig. Zum einen ist die Masse ein Maß dafür, wie leicht sich der Bewegungszustand eines Körpers ändern lässt („träge Masse“). Fliegen an einem schwerelosen Raumfahrer ein Elefant und eine Maus vorbei, und gibt der Raumfahrer jedem der Tiere einen Schubs gleicher Stärke, dann ist der Umstand, dass die Maus ihre Flugrichtung und/oder Geschwindigkeit daraufhin sehr stark ändert, der Elefant dagegen kaum, sicheres Zeichen dafür, dass die Masse des Elefanten wesentlich größer ist als die der Maus. Zweitens ist die Masse ein Maß dafür, aus wieviel Materie ein Körper besteht. Atome ein und derselben Sorte haben dieselbe Masse, und die Gesamtmasse eines Körpers ergibt sich, indem man all die winzigen Massen seiner atomaren Bestandteile zusammenzählt. Drittens bestimmt die Masse gemäß dem Newtonschen Gravitationsgesetz, wie stark ein Körper andere Körper über die Schwerkraft anzieht und wie stark andere Massen ihn anziehen („schwere Masse“).

Auch in der Speziellen Relativitätstheorie lässt sich eine Masse definieren, die ein Maß dafür darstellt, wie stark sich der Körper Versuchen wiedersetzt, seinen Bewegungszustand zu ändern. Diese relativistische Masse ist allerdings davon abhängig, wie schnell sich der betreffende Körper gegenüber dem Beobachter bewegt (relativistische Massenzunahme). Ihren berühmtesten Auftritt hat diese Masse in der Formel E = mc² (Masse-Energie-Äquivalenz).

Den kleinsten Wert hat die relativistische Masse eines gegebenen Körpers für einen Beobachter, der sich relativ zum Körper in Ruhe befindet. Dies ist die so genannte Ruhemasse des Körpers, und wenn etwa in der relativistischen Teilchenphysik von Masse die Rede ist, ist meist die Ruhemasse gemeint. Die Ruhemasse ist wie in der klassischen Physik eine Art Maß für den Materiegehalt des Körpers. Bei zusammengesetzten Körpern tragen nun aber beispielsweise die Energien der Bindungskräfte etwas zur letztendlichen Masse bei (wieder ein Beispiel für die Masse-Energie-Äquivalenz.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Masse nach wie vor ein Maß für die Gravitationswirkung, die von einem Körper ausgeht; zusätzlich zur Masse tragen hier allerdings auch Größen wie Energie, Impuls und innerer Druck bei (siehe hierzu das Vertiefungsthema Masse und mehr).

Die Maßeinheit der Masse im internationalen Einheitensystem ist das Kilogramm.

Mit der Definition von träger und schwerer Masse – Masse als Trägheitsmaß und „Gravitationsladung“ – und mit dem Zusammenhang dieser Definitionen mit dem so genannten Äquivalenzprinzip, einem der Ausgangspunkte der Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie, beschäftigt sich das Vertiefungsthema Träge und schwere Masse.

Bereits in der Speziellen Relativitätstheorie zeigt sich, dass Masse und Energie letztendlich dasselbe sind. Jeder herkömmlichen Energieform entspricht eine Masse – wer einem Körper Wärmeenergie zuführt, der erhöht damit auch seine Masse. Bereits aufgrund ihrer Masse wohnt Materie eine große Energie inne die, beispielsweise, wenn ein Teilchen auf sein Antiteilchen trifft und die beiden sich in einem Blitz elektromagnetischer Strahlung vernichten, komplett in andere Energieformen umgesetzt werden kann.

Die Umrechnung von Massen in die entsprechenden Energien und umgekehrt beschreibt Einsteins berühmte Formel

E = mc² („E gleich m c-Quadrat“)

Dabei ist E die Energie, m die ihr entsprechende Masse und die Konstante c die Lichtgeschwindigkeit.

Zur Systematik der Atomkernbindungen – Grundlage von Kernfusion und Kernspaltung, die sich gemäß Einsteins Formel in den Massen der Atomkernen niederschlägt, gibt das Vertiefungsthema Ist das Ganze die Summe seiner Teile weitere Informationen; der Rolle, die Einsteins Formel bei Kernfusion und -spaltung spielt, ist das Vertiefungsthema Von E = mc² zur Atombombe gewidmet.

Die Masse astronomischer Objekte ist zwar eine der grundlegendsten Eigenschaften, aber in der Regel nicht einfach zu bestimmen. Die meisten Verfahren nutzen die Gesetze der Himmelsmechanik aus um daraus, wie schnell sich zwei (oder mehr) Objekte umkreisen, auf ihre Massen zu schließen. In einigen Fällen lassen sich auch relativistische Effekte wie die Lichtablenkung oder Lichtlaufzeitverzögerung ausnutzen, um die Massen astronomischer Objekte zu bestimmen.

Wenn zwei oder mehr Objekte durch starke Kräfte aneinander gebunden sind, dann entspricht der Bindungsenergie – sie entspricht der Energie, die nötig ist, die Bindung wieder zur lösen – nach Einsteins berühmter Formel E = mc² (siehe Masse-Energie-Äquivalenz ) eine gewisse Masse. Um diese Masse, den so genannten Massendefekt, ist die Masse des gebundenen Objekts geringer als die Summe der Massen seiner Teile.

Mehr Informationen bietet das Vertiefungsthema Ist das Ganze die Summe seiner Teile?

Siehe träge Masse

Eine Vorhersage der Speziellen Relativitätstheorie ist, dass es umso schwieriger ist, den Bewegungszustand eines Körpers zu ändern, je schneller sich der Körper bereits bewegt. Daraus ergibt sich beispielsweise, dass es unmöglich ist, einen Körper auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen: Je schneller der Körper bereits ist, umso mehr Kraft muss aufgewendet werden, um seine Geschwindigkeit noch weiter zu steigern, und nahe der Lichtgeschwindigkeit wird dieser Effekt so stark, dass eine unendlich hohe Kraft vonnöten wäre, um dem Körper das entscheidende letzte bisschen Extra-Geschwindigkeit zu verpassen.

Mit dem Widerstand gegenüber Änderungen des Bewegungszustands als einer Definition der Masse heißt dieses Phänomen auch relativistische Massenzunahme.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie: Alle Gebilde, die zur Krümmung der Raumzeit beitragen, also Teilchen, Staub, Gase, Flüssigkeiten, elektromagnetische und andere Felder.

In der Elementarteilchenphysik: Alle Elementarteilchen mit halbzahligem Spin, etwa Elektronen und Quarks und aus ihnen zusammengesetzte Gebilde wie Protonen und Neutronen, im Gegensatz zu Kraftteilchen.

Organisation zur Förderung der Grundlagenforschung, die 84 Max-Planck-Institute betreibt (Stand Januar 2018), deren jedes bestimmten Teilbereichen der Forschung gewidmet ist – siehe die nachfolgenden Einträge. Gegründet 1948 als Nachfolgerin der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft; der Verwaltungssitz ist München.

Webseiten der MPG

Forschungsinstitut der Max-Planck-Gesellschaft, das sich mit astrophysikalischen Themen wie Sternentwicklung, der Physik der Supernovae, Galaxienbildung und Kosmologie beschäftigt. Gegründet wurde das in Garching bei München angesiedelte Institut im Jahre 1958.

Webseiten des MPA

Forschungsinstitut der Max-Planck-Gesellschaft, das denjenigen Teilen der Astronomie und Astrophysik gewidmet ist, denen Beobachtungen im Infrarot-, Röntgen und Gammastrahlenbereich der elektromagnetischen Strahlung zugrundeliegen. Das 1963 gegründete Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik ist in Garching bei München angesiedelt.

Webseiten des MPE

Forschungsinstitut der Max-Planck-Gesellschaft, das sich mit Forschungen zur Einsteinschen Gravitationstheorie beschäftigt – von den mathematischen Grundlagen über die Astrophysik der Gravitationswellen bis zur Quantengravitation. Das 1995 gegründete Institut befindet sich im Ortsteil Golm in Potsdam. Ein Teilinstitut in Hannover, das der Forschung mit dem Gravitationswellendetektor GEO 600 gewidmet ist, kam 2002 hinzu.

Webseiten des AEI
Webseiten des AEI-Teilinstituts Hannover

Forschungsinstitut der Max-Planck-Gesellschaft, das der Radio- und Infrarot-Astronomie gewidmet ist. Das Institut wurde 1966 gegründet und hat seinen Sitz in Bonn und in Bad Münstereifel-Effelsberg.

Webseiten des MPIfR

Die vier Grundgleichungen des Elektromagnetismus, die beschreiben, wie elektrische und magnetische Krafteinflüsse – in der Sprache der Physiker: elektrisches und magnetisches Feld – entstehen: Elektrische Felder werden erzeugt durch elektrische Ladungen, aber auch durch die zeitliche Änderung von Magnetfeldern. Magnetfelder entstehen durch elektrische Ströme, aber auch durch die zeitliche Änderung von elektrischen Feldern. Dass elektrische und magnetische Felder auch ohne Ladungen und Ströme existieren können, durch gegenseitige Anregung, in der die zeitliche Änderung des elektrischen Feldes ein Magnetfeld hervorruft und umgekehrt, ist die Grundlage der elektromagnetischen Wellen.

Teilgebiet der Physik, das sich mit der Bewegung der Körper und damit beschäftigt, wie sie auf die Einwirkung von Kräften reagieren. Je nachdem, in welchem Rahmen die Bewegungsgesetze formuliert sind, handelt es sich um klassische Mechanik, relativistische Mechanik oder Quantenmechanik.

Synonym: Newtonsche Mechanik. Nach der klassischen Mechanik wird die Bewegung von Körpern unter dem Einfluss von Kräften von drei Gesetzen bestimmt, den Newtonschen Axiomen. Erstens: Körper, auf die keine Kraft wirkt, bleiben in Ruhe oder bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit entlang gerader Bahnen im Raum (Trägheitsgesetz). Zweitens: Für die Kraft, die auf einen Körper wirkt, für seine Masse und für die Beschleunigung, die er aufgrund der Krafteinwirkung erfährt, gilt: Kraft gleich Masse mal Beschleunigung. Drittens: Übt ein Körper A auf einen Körper B eine Kraft aus, so erfährt er seinerseits vom Körper B eine Kraft gleicher Stärke, aber in umgekehrter Richtung („actio gleich reaction“).

Eine Alternativformulierung des zweiten Gesetzes verwendet den Begriff des Impulses: Die Änderung des Impulses eines Körpers mit der Zeit ist gleich der Kraft, die auf ihn wirkt.

Speziell-relativistische Erweiterung der klassischen Mechanik, mit sehr ähnlichen Grundgesetzen. Erstens: Körper, auf die keine Kräfte wirken, bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit entlang gerader Bahnen, das heißt in der Sprache der Speziellen Relativitätstheorie: auf Raumzeitgeraden. Zweitens: Die Änderung des Impulses eines Körpers mit der Zeit entspricht der Kraft, die auf ihn wirkt. (Aufgrund der relativistischen Massenzunahme folgt daraus nicht die Formulierung des Gesetzes in der klassischen Mechanik, „Kraft gleich Masse mal Beschleunigung“.) Drittens gilt: der Impuls bleibt erhalten – bei physikalischen Reaktionen ist die Summe aller Impulse vorher dieselbe wie nachher.

Die Gesetze der relativistischen Mechanik lassen sich, wenn man neue Größen wie den „Vierer-Impuls“ einführt, auch direkt in einer der vierdimensionalen Raumzeitgeometrie angepassten Form niederschreiben.

Siehe Elektronenvolt.

Der sonnennächste Planet. Im Zusammenhang mit der Allgemeinen Relativitätstheorie interessant, weil die Theorie für Planeten einen etwas anderen Bahnverlauf vorhersagt als die Newtonsche Gravitationstheorie und weil diese Abweichung, die relativistische Periheldrehung für den sonnennahen Merkur besonders ausgeprägt ist und an seinem Beispiel erstmals nachgewiesen werden konnte.

Beim Messen einer physikalischen Größe spielen viele kleine Störeinflüsse eine Rolle, die das Messergebnis mal etwas zu hoch, dann wieder etwas zu niedrig ausfallen lassen. Solche unsystematischen Störungen lassen sich mit Hilfe der mathematischen Statistik vergleichsweise einfach beschreiben, insbesondere gilt: Wird dieselbe Art von Messung mehrmals ausgeführt, dann lässt sich aus den Einzelmessungen sowohl eine Abschätzung für den gesuchten wahren Wert der Größe ableiten („Mittelwert“) wie auch ein Maß für die Genauigkeit des Messung („Standardfehler“, oft „Messungenauigkeit“, „Messgenauigkeit“ oder „Messfehler“ genannt).

Wird das Ergebnis einer Messung veröffentlicht, werden sowohl die Abschätzung für den Mittelwert als auch die Abschätzung für den Messfehler angegeben. Typischerweise steht dort ein Ausdruck wie 0,99989±0,00045. Aus dieser Messung ergibt sich als beste Abschätzung für γ der Wert 0,99983 und für die Messgenauigkeit der Wert 0,00045. Eine Alternativschreibweise für dasselbe Ergebnis ist γ=0,99983(45), wobei die Ziffern in Klammern (hier: 45) die Ungenauigkeit der letzten angegebenen Ziffern des Messwertes (hier: 83) nennen.

Die Messgenauigkeit ist ein Maß für die zu erwartende Abweichung des gemessenen vom wirklichen Wert. Ihre genaue Definition kann von Veröffentlichung zu Veröffentlichung variieren. Weit verbreitet ist eine Konvention („zwei Sigma“), in welcher der angegebene Messfehler die folgende Bedeutung hat: Betrachten wir einen Messprozess, der als Mittelwert für die gemessene Größe den Wert X und als Messfehler den Wert Y ergibt. Dann liegt der wahre Wert der gemessenen Größe mit einer Wahrscheinlichkeit von rund 95,5 Prozent zwischen X-Y und X+Y. In anderen Konventionen kann die Wahrscheinlichkeit eine andere sein, z.B. nur rund 68 Prozent („ein Sigma“; dann liegt der wahre Wert mit einer Wahrscheinlichkeit von 95,5 Prozent im größeren Intervall zwischen X-2Y und X+2Y). Oft werden auch die Abschätzungen von systematischen Messfehlern miteingerechnet (solche Messfehler äußern sich nicht in zufälligen Schwankungen um den tatsächlichen Wert, sondern in systematischen Abweichungen – z.B. darin, dass der gemessene Wert dazu tendiert, ein wenig größer zu sein als der tatsächliche Wert).

Der oder das Meter ist im internationalen Einheitensystem die Basiseinheit der Länge. Seit 1983 nutzt die Definition dieser Längeneinheit die mit der Speziellen Relativitätstheorie erkannte Konstanz der Lichtgeschwindigkeit aus, und die Definition erfolgt über die der Zeiteinheit Sekunde: ein Meter ist die Länge, die Licht im Vakuum in einer 299792458tel Sekunde zurücklegt.

Siehe Elektronenvolt.

Experiment, mit dem die Physiker Albert Abraham Michelson und Edward Morley im Jahre des 1887 untersuchten, ob die Lichtgeschwindigkeit von der Richtung abhängt, in die sich das Licht ausbreitet. Solch eine Abweichung wäre zu erwarten, wenn sich Licht wie in einer Reihe vor-Einsteinscher Modelle in einem Wellenmedium ausbreitet, relativ zu dem sich die Erde in Bewegung befindet. Dass sich bei Experimenten dieser Art keine Richtungsabhängigkeit zeigt, ist ein wichtiger Test der Grundannahmen der Speziellen Relativitätstheorie. Um noch sehr kleine Geschwindigkeitsänderungen nachweisen zu können, machten sich Michelson und Morley Interferenzphänomene des Lichts zunutze.

„Mikro“ ist die Vorsilbe für „ein Millionstel“; ein Mikrometer beispielsweise ist daher ein Millionstel Meter.

Ein astronomisches Objekt, das in etwa die Größe eines Sterns besitzt, aber ungleich größere Mengen an Energie abstrahlt. Für die Energieabstrahlung sind die gleichen Prozesse verantwortlich wie bei Quasaren oder anderen aktiven Galaxienkernen: Im Inneren des Mikroquasars steckt ein stellares Schwarzes Loch, und die Strahlung des Mikroquasars entsteht, wenn Materie, die von diesem Schwarzen Loch angezogen und darauf zu beschleunigt wird, auf die so genannte Akkretionsscheibe trifft, eine Materiescheibe, die das Schwarze Loch umgibt. Weitere Informationen liefert das Vertiefungsthema Glühende Scheiben: Wie Schwarze Löcher ihre Nachbarschaft zum Leuchten bringen.

Elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen einem Millimeter und dreißig Zentimetern, entsprechend Frequenzen zwischen einigen und einigen Hundert Milliarden Schwingungen pro Sekunde.

Die allermeisten Anteile der kosmischen Hintergrundstrahlung liegen in heutiger Zeit im Bereich der Mikrowellen.

Siehe Hintergrundstrahlung, kosmische

Unsere Heimatgalaxie, eine Spiralgalaxie mit einem Scheibendurchmesser von rund hunderttausend Lichtjahren und einer Scheibendicke zwischen drei- und sechstausend Lichtjahren, die rund 100 Milliarden Sterne enthält.

Nähere Informationen zum supermassiven Schwarzen Loch im Kern unserer Milchstraße bietet das Vertiefungsthema Im Herzen der Milchstraße

„Milli“ ist die Vorsilbe für „ein Tausendstel“; ein Millimeter beispielsweise ist daher ein Tausendstel Meter.

Eine andere Bezeichnung für die Raumzeit der Speziellen Relativitätstheorie, benannt nach dem deutschen Mathematiker und Physiker Hermann Minkowski, der die Spezielle Relativitätstheorie erstmals so umformulierte, dass deutlich wurde, wie Raum und Zeit in Einsteins Theorie zu einem einheitlichen Gebilde verschmelzen, eben der Raumzeit.

Der Minkowskiraum ist außerdem die einfachste Lösung der Einsteingleichungen, mit anderen Worten: das einfachste Modelluniversum, das den Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie genügt – ein vollkommen leerer Kosmos, frei von jeglicher Materie und ohne jede Gravitation.

Wie überall in der Physik konstruiert man auch im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie vereinfachte Modelle, um bestimmte Ausschnitte der wirklichen Welt beschreiben zu können. Da Einsteins Theorie allerdings zwangsläufig den Raum als Ganzes erfasst, sind solche Modelle automatisch ganze Universen. Teilbereiche dieser Modelluniversen lassen sich dann mit Bereichen unseres eigenen Universums vergleichen. Um ein kugelsymmetrisches Schwarzes Loch zu beschreiben, kann man beispielsweise ein Modelluniversum betrachten, das bis auf ein einziges Schwarzes Loch völlig leer ist. Die Physik in der Nähe dieses Schwarzen Loches lässt sich dann auf begrenzte Regionen unseres Universums übertragen, die ebenfalls Schwarze Löcher enthalten.

Gebilde aus zwei oder mehreren Atomen, die durch elektromagnetische Kräfte aneinander gebunden sind.

Ein natürlicher Himmelskörper, der einen Planeten (oder anderen größeren Himmelskörper) umkreist.

Speziell Erdmond: Der Himmelskörper, der unsere Erde umkreist. Durch genaue Vermessung der Mondbahn lassen sich relativistische Effekte wie die von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagte geodätische Präzession nachweisen.

Verfahren, um die Wellenlänge der von einer bestimmten Atomkernsorte ausgesandten Gammastrahlung mit hoher Genauigkeit zu messen. Das Verfahren macht sich den so genannten Mößbauer-Effekt zunutze und verwendet bei der Messung zudem den Dopplereffekt. Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie ist es von Interesse, da sich so die von der Theorie vorhergesagte Gravitations-Rotverschiebung, eine direkte Konsequenz der gravitativen Zeitdehnung, experimentell nachweisen lässt.

Eine Sorte von Elementarteilchen. Ein Myon trägt die gleiche elektrische Ladung wie ein Elektron, besitzt aber eine rund 207 mal größere Masse. Elektronen und Myonen haben beide die Eigenschaft, dass sie nicht vermittels der starken Kraft wechselwirken; beide Teilchensorten gehören damit zu den so genannten Leptonen.

Vorsilbe für „Milliardstel“. Beispiel: ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter.

Luft- und Weltraumbehörde der USA, nicht nur für die bemannte Raumfahrt, sondern auch für unbemannte Sonden und Satelliten zuständig und daher beteiligt an Projekten wie dem Weltraumteleskop Hubble oder dem Gravitationswellendetektor LISA.

Webseiten der NASA

Nationales Radioastronomie-Observatorium der Vereinigten Staaten mit Sitz in Charlottesville, Virginia. Betreibt unter anderem das Very Large Array-Verbundteleskop in New Mexico und das Very Large Baseline Array, ein Netz aus zehn weit auseinander liegenden Radioteleskopen.

Webseiten des NRAO

Dem Elektron verwandte Art von Elementarteilchen, allerdings elektrisch ungeladen und mit extrem kleiner Masse. Es gibt drei Sorten von Neutrinos, die Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino und Tau-Neutrino heißen.

Elektrisch neutrales, vergleichsweise massives Teilchen; die Kerne der Atome bestehen aus Neutronen und Protonen.

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

Verschiedene Arten von Neutronenmaterie sind der Stoff, aus dem Neutronensterne sind.

Endstufe massereicher Sterne, die aus dem Gravitationskollaps massereicher Sterne entstehen. Der Sternenkern kollabiert dabei zu einem extrem kompakten Gebilde von rund 1,4 Sonnenmassen, das fast vollständig aus Kernmaterie besteht, überwiegend aus Neutronen.

Für die Astronomen sind Neutronensterne interessant, weil wir von einigen von ihnen, den sogenannten Pulsaren, höchst regelmäßige Pulse elektromagnetischer Strahlung empfangen. Für die Relativisten sind sie interessant, weil die für die Allgemeine Relativitätstheorie typischen Effekte bei so kompakten Körpern besonders deutlich auftreten (vgl. PSR 1913+16 und den Doppelpulsar PSR J0737-3029A/B).

Englischer Physiker (1643-1727), siehe weiter unten Newtonsche Gravitation.

Die Einheit der Kraft im internationalen Einheitensystem (SI). Ein Newton entspricht dabei der Kraft, die nötig ist, um einem Objekt mit einer Masse von einem Kilogramm eine Beschleunigung von einem Meter pro Sekunde-Quadrat zu erteilen.

In der vor-Einsteinschen Mechanik, die auf den englischen Physiker und Mathematiker Isaac Newton (1643-1727) zurückgeht, ist die Gravitation eine Kraft, mit der sich Massen gegenseitig anziehen. Wie bei anderen Kräften führt diese Kraftwirkung zu einer Beschleunigung der betreffenden Körper.

In seiner einfachsten Form beschreibt das Newtonsche Gravitationsgesetz die Schwerkraft, die zwischen zwei Massekugeln wirkt. Die Stärke der Kraft, mit der die erste auf die zweite Massekugel wirkt ist gleich der Masse der ersten Kugel mal der Masse der zweiten Kugel mal der Newtonschen Gravitationskonstanten, geteilt durch das Quadrat des Abstandes zwischen den beiden Kugelmittelpunkten. Wie sich aus diesem Gesetz kompliziertere Gravitationswirkungen ableiten lassen, beschreibt ein Abschnitt des Vertiefungsthemas Die Gravitation der Gravitation.

Die Unterschiede zwischen der Newtonschen Gravitation und Einsteins Gravitationstheorie, der Allgemeinen Relativitätstheorie, lassen sich im Rahmen der so genannten post-Newtonschen Näherungen systematisch beschreiben.

In einigen physikalischen Theorien lassen sich Einflüsse direkt addieren – ist beispielsweise die elektrische Kraft eines bestimmten geladenen Körpers bekannt, sowie die elektrische Kraft, die von einem zweiten Körper ausgeht, dann ist die elektrische Kraft, die ein Testteilchen verspürt, wenn beide Körper anwesend sind, gerade die Summe der Einzelkräfte. Theorien mit solcher einfachen Addition heißen linear; Theorien, in denen sich die Einzeleinflüsse nicht einfach addieren, heißen nichtlinear.

Ein Beispiel für eine nichtlineare Theorie ist Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie. Weitere Informationen hierzu wie zur Definition von Linearität und Nichtlinearität bietet das Vertiefungsthema Die Gravitation der Gravitation.

Fachausdruck für Elemententstehung. Nach Aussage der Urknallmodelle war das frühe Universum mit einer Teilchensuppe gefüllt, die beispielsweise Protonen und Neutronen enthielt. Nukleosynthese ist der Sammelbegriff für all jene Prozesse, dank derer aus dieser Suppe letztendlich die zusammengesetzten Atomkerne hervorgegangen sind, die wir im heutigen Universum finden.

Dabei ist ein Teil der leichten Elemente (schwerer Wasserstoff, Helium, Lithium) bereits bei einer kosmischen Zeit von Sekunden bis Minuten entstanden (primordiale Nukleosynthese); leichte und schwerere Elemente bis hin zum Eisen entstanden und entstehen bei der Kernfusion im Inneren von Sternen; schwerere Elemente entstehen bei Supernova-Explosionen in deren Rahmen die im Sterninneren erzeugten Elemente (stellare Nukleosynthese) zudem in den Weltraum hinausgeblasen werden.

Einen Überblick über die primordiale Nukleosynthese bietet das Vertiefungsthema Elemententstehung im frühen Universum. Informationen zur Physik hinter der Elemententstehung finden sich im Vertiefungsthema Gleichgewicht und Veränderung, während Der Blick in die chemische Vergangenheit ausführt, wie sich die entsprechenden Vorhersagen der Urknallmodelle anhand von astronomischen Beobachtungsdaten überprüfen lassen.

Teilgebiet der Physik, das die Struktur und Anwendungen von Einsteins Relativitätstheorien – der Speziellen und insbesondere der Allgemeinen Relativitätstheorie – mit Hilfe von Computersimulationen erforscht.

Kernstück der Allgemeinen Relativitätstheorie sind die Einsteingleichungen. Sie beschreiben den Zusammenhang zwischen bestimmten Materieeigenschaften einerseits und geometrischen Eigenschaften der Raumzeit andererseits. Ein Modelluniversum, in dem die Materie die Raumzeit in genau jener Weise verzerrt, wie es die Einsteingleichungen vorschreiben – und in dem die Raumzeit umgekehrt in genau der vorgeschriebenen Weise die Bewegung der Materie beeinflusst – bezeichnet man als Lösung der Einsteingleichungen. Einige einfache Lösungen lassen sich direkt in Form von einfachen Formeln angeben („exakte Lösungen“). Andere Lösungen, insbesondere solche, die komplizierteren Materiekonfigurationen entsprechen, lassen sich nur angeben, wenn man Raum, Zeit und Materie mit Hilfe von Computern simuliert („numerische Lösungen“) – solche Simulationen durchzuführen ist eine Hauptaufgabe der numerischen Relativitätstheorie.

Die numerische Relativitätstheorie hat bereits zu einer Reihe interessanter Erkenntnisse etwa über die Eigenschaften von Schwarzen Löchern und Gravitationswellen geführt, beispielsweise was die Gravitationswellen betrifft, die erzeugt werden, wenn zwei Schwarze Löcher zusammenstoßen und miteinander verschmelzen. Weiterhin verdanken wir den numerischen Methoden wertvolle Informationen über die Vorhersagen, die sich aus der Allgemeinen Relativitätstheorie über die Eigenschaften der Raumzeit nahe der Singularitäten im Inneren Schwarzer Löcher gewinnen lassen (siehe das Vertiefungsthema Singularitäten als Raumzeit-Knetmaschine).

In einem zeitlich unveränderlichen, unendlich ausgedehnten Universum, das gleichmäßig mit Sternen angefüllt ist, müsste der „Nachthimmel“ auf der Erde so hell erscheinen wie die Oberfläche der Sonne. Der Grund: Je weiter entfernt ein Stern von uns ist, umso schwächer das Licht, das uns von ihm erreicht. Andererseits aber: Je größer die Entfernung, umso mehr Sterne, die in dieser Entfernung von uns stehen. Beide Effekte gleichen sich exakt aus.

In den auf Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie basierenden kosmologischen Modellen, den Urknallmodellen mit einem zeitlich veränderlichen Universum, das vor endlich langer Zeit aus einer heißen Anfangsphase hervorgegangen ist, tritt dieses Paradoxon nicht auf.

Das Teilgebiet der Physik, das sich mit der Ausbreitung des Lichtes und damit beschäftigt, wie uns das Licht Bildinformationen zutragen kann. Seit Ende des 19. Jahrhunderts ist bekannt, dass Licht eine bestimmte Art von elektromagnetischer Welle ist, und die Optik damit letztendlich ein Teilgebiet der Elektrodynamik.

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.

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.

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“.

Siehe schwere Masse

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.

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

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.

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

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.

Wenn Licht auf ein Metall fällt, kann es aus den Metallatomen 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.

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

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.

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

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?).

Webseiten des Pierre-Auger-Observatoriums

Natürliche Einheiten für Länge, Zeit, Energie und Masse, die sich jeweils als geeignete Kombination der grundlegenden Naturkonstanten ergeben, welche die Raum-Zeit-Struktur, die Stärke der Gravitation und die Quantenwelt regieren. Dies sind die Gravitationskonstanten, das Planckschen Wirkungsquantum und die Lichtgeschwindigkeit.

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

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.

Siehe Plancksche Konstante.

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,

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.

Natürliches Zeitintervall, das sich als Kombination der grundlegenden Naturkonstanten ergibt, die die Raum-Zeit-Struktur, die Stärke der Gravitation und die Quantenwelt regieren: Die Gravitationskonstanten, das Planckschen Wirkungsquantum und die 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

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

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.

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“.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

„Elementarbaustein“ von geometrischen Gebilden wie Flächen oder im Allgemeinen von Räumen. Eine Fläche ist beispielsweise 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.

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.

Siehe Quantenchromodynamik.

Siehe Quantenelektrodynamik.

Quantentheorie der starken Kernkraft und damit der starken Wechselwirkungen zwischen Quarks (oder Teilchen, die aus Quarks zusammengesetzt sind). Wie in relativistischen Quantenfeldtheorien üblich wird diese Wechselwirkung als Austausch von Botenteilchen verstanden; die Botenteilchen der starken Kernkraft sind die Gluonen.

Die Quantenchromodynamik ist eine der Sälen des Standardmodells der Elementarteilchen.

Physikalische Effekte, die sich nur im Rahmen der Quantentheorie beschreiben lassen.

Ein Beispiel ist der Tunneleffekt, zu dem es in der klassischen Physik keinerlei Entsprechung gibt.

Quantentheorie der elektromagnetischen Kraft. Die Wirkung dieser Kraft wird auf der Basis von Botenteilchen erklärt, den Photonen: Wenn sich beispielsweise zwei Elektronen elektromagnetisch abstoßen dann, weil sie miteinander Photonen austauschen, die die Abstoßung übertragen.

Die Quantenelektrodynamik ist ein Teil des Standardmodells der Elementarteilchen. Sie ist außerdem das einfachste Beispiel für eine relativistische Quantenfeldtheorie – eine Theorie, die die Prinzipien der Quantentheorie und der Speziellen Relativitätstheorie verknüpft.

Theorie, die die Prinzipien der Quantentheorie und der Speziellen Relativitätstheorie verknüpft. Typisch für relativistische Quantentheorien ist: Zu jeder Teilchensorte existiert eine Sorte von Antiteilchen; Kräfte werden durch den Austausch von Botenteilchen übertragen.

Einfachstes Beispiel für eine relativistische Quantenfeldtheorie ist die Quantenelektrodynamik.

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.

Gemäß der Urknallmodelle war die Energiedichte im frühen Universum kurz nach dem Urknall extrem hoch, und der gesamte Inhalt des heutzutage beobachtbaren Universums war auf ein winziges Volumen zusammengepresst, sehr viel kleiner als das Volumen eines Atomkerns. Unter solchen Bedingungen sollte die Quantentheorie einen mindestens ebenso großen Beitrag zur Beschreibung leisten wie die Allgemeine Relativitätstheorie, mit anderen Worten: Diese Frühphase unseres Kosmos lässt sich eigentlich nur mit Hilfe einer Theorie der Quantengravitation richtig beschreiben. Zur Quantenkosmologie zählen alle Versuche, die verschiedenen Kandidaten für solch eine Theorie der Quantengravitation auf die Kosmologie anzuwenden und das Universum als Ganzes als ein Quantensystem zu beschreiben.

Weitere Informationen finden sich im Vertiefungsthema Die Suche nach dem Quanten-Anfangszustand des Universums. Um quantenkosmologische Anwendungen der Schleifen-Quantengravitation geht es in den Vertiefungsthemen Den Urknall überspringen und Die gebändigte Dichte.

Im allgemeineren Sinne: synonym zu Quantentheorie. Im spezielleren Sinne: Die Quantentheorie von Teilchen, die sich unter dem Einfluss von Kräften bewegen – wobei die Teilchen als Quantenobjekte beschrieben sind, die Kräfte dagegen nicht. Eine wichtige Anwendung der Quantenmechanik ist die Physik der Hüllen der Atome (vulgo „Atomphysik“). Will man die Quantengesetze auch auf die Kräfte selbst ausdehnen, gelangt man zu den relativistischen Quantenfeldtheorien.

Gesamtheit der Theorien, Modelle, Experimente und Anwendungen, die auf den Gesetzen der Quantentheorie basieren.

In der klassischen Physik kann man sich Teilchen als winzige Kugeln vorstellen, die sich zu jedem Zeitpunkt an einem bestimmten Ort befinden. In der Quantentheorie sind (Quanten-)Teilchen dagegen weit flüchtiger. Es lässt sich allenfalls ein abstrakter Zustand ausrechnen, der vorhersagt, mit welcher Wahrscheinlichkeit man ein Teilchen zu einem gegebenen Zeitpunkt an bestimmten Orten nachzuweisen hoffen kann.

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.

Siehe Tunneleffekt.

Quantisierung ist erstens der Vorgang, bei dem eine klassische Theorie in eine korrespondierende Quantentheorie überführt wird. Wer die klassische, Maxwellsche Elektrodynamik quantisiert, landet bei ihrer Quantenversion, der Quantenelektrodynamik.

Quantisieren bedeutet auch, eine physikalische Größe in Bausteine oder Pakete zu unterteilen. In der Quantentheorie ist beispielsweise die Energie des Lichts quantisiert: eine gegebene Lichtmenge besteht aus einer endlichen Anzahl von Energiepaketen, so genannten Photonen.

Elementarteilchen, das durch die starke Kernkraft beeinflusst wird und in sechs Sorten vorkommt: Up-Quark, Down-Quark, Strange-Quark, Charme-Quark, Bottom-Quark und Top-Quark. (Die letzten beiden Sorten vereinzelt „Beauty“ und „Truth“ genannt.)

Quarks sind die Bestandteile von Kernteilchen wie Protonen und Neutronen, und damit letztendlich der Stoff, aus dem Atomkerne bestehen.

Exotische Zustandsform der Materie, in der wahrscheinlich ein Großteil der Materie  Sekundenbruchteile nach dem Urknall vorlag. Unter normalen Umständen findet man Quarks nur im Inneren größerer Teilchen, vor allem in Protonen und Neutronen, wo sie von den Trägerteilchen der Starken Kernkraft (den Gluonen) so zusammengehalten werden, dass es unmöglich ist, ein einzelnes Quark herauszulösen. Bei extrem hohen Dichten und Temperaturen dagegen, so wird vermutet, lösen sich diese größeren Teilchen auf, und es entsteht eine dichte Suppe miteinander wechselwirkender Quarks und Gluonen: ein Quark-Gluon-Plasma (QGP).

Es sollte möglich sein, ein Quark-Gluon-Plasma an Teilchenbeschleunigern künstlich herzustellen; tatsächlich spricht einiges dafür, dass den Teilchenphysikern am Relativistic Heavy Ion Collider genau das gelungen ist.

Klasse von aktiven Galaxienkernen. Den Radioastronomen ursprünglich nur als sehr helle Radioquellen aufgefallen, die am Himmel nicht viel größer waren als Sterne, daher der Name, eine Zusammenziehung von „Quasi-stellar radio source“, quasi-sternartige Radioquelle.

Quasi-normale Moden sind eine mathematische Beschreibung des Energieverlustes eines schwarzen Lochs, wenn es nach einer Störung in einen stationären Zustand zurückfällt. Es handelt sich also um seine „Abkling“-Frequenzen.

Abkürzung des englischen „Radio Detection and Ranging“, etwa: Nachweis und Abstandsbestimmung mit Hilfe von Radiowellen. Auf der Erde eingesetzt u.a. im Flug- und Schiffsverkehr; für die Allgemeine Relativitätstheorie interessant, da sich durch an Planeten reflektierte Radarsignale beispielsweise die relativistische Lichtlaufzeitverzögerung nachweisen lässt.

Teilgebiet der Astronomie, das sich mit der Beobachtung von Radiowellen beschäftigt, die uns aus den Tiefen des Alls erreichen. Solche Beobachtungen haben beispielsweise zur Entdeckung der Radiogalaxien, der Quasare und der Pulsare geführt.

Abschnitt des Spektrums elektromagnetischer Strahlung, der Frequenzen von einigen Tausend bis einigen Milliarden Schwingungen pro Sekunde umfasst, entsprechend Wellenlängen von einigen Kilometern bis einigen Zentimetern. Wie der Name schon sagt: Dies sind die elektromagnetischen Wellen, dank derer Radio- und Fernsehsendungen vom Funkturm über Antennen ins Empfangsgerät gelangen. Auch die Beobachtungen kosmischer Radiowellen im Rahmen der Radioastronomie hat sich als äußerst interessant erwiesen.

Eine Variante der aktiven Galaxienkerne, junger Galaxien, deren Zentralbereich extrem viel Energie abstrahlt. Radiogalaxien zeichnen sich durch sehr hohe Radioabstrahlung aus (größer als 10³⁵ Watt), deren Quellen auch außerhalb des sichtbaren Teils der Galaxie liegen. Üblicherweise stehen dahinter Radioblasen, Gasbereiche, die von sogenannten Jets zum Leuchten angeregt werden.

Energiequelle ist nach heutiger Auffassung das supermassive Schwarze Loch im Galaxienkern.

Antenne, die Astronomen verwenden, um damit Radioastronomie zu betreiben, also etwa um Pulsare oder Radiogalaxien zu beobachten.

Elektromagnetische Wellen mit Frequenzen von einigen Tausend bis einigen Milliarden Schwingungen pro Sekunde, entsprechend Wellenlängen von einigen Kilometern bis einigen Zentimetern. Wie der Name schon sagt: Dies sind die elektromagnetischen Wellen, dank derer Radio- und Fernsehsendungen vom Funkturm über Antennen ins Empfangsgerät gelangen. Auch die Beobachtungen kosmischer Radiowellen im Rahmen der Radioastronomie hat sich als äußerst interessant erwiesen.

Im engeren Sinne: Der Raum, wie wir ihn aus dem Alltag kennen – die Gesamtheit aller Orte, an denen sich Objekte befinden können, ein Gebilde mit drei Dimensionen.

Im allgemeineren Sinne sind in der Mathematik auch allgemeinere Punktmengen Räume – eine Linie beispielsweise, eine Punktmenge mit nur einer Dimension, oder eine zweidimensionale Fläche, aber auch höherdimensionale Räume. In solchen Räumen muss zudem nicht zwangsweise die Euklidische Geometrie gelten, wie sie in den Schulen gelehrt wird, es kann sich auch um allgemeinere, verzerrte Gebilde handeln, etwa um Räume mit Krümmung.

Siehe Krümmung.

Bereits im Rahmen der Speziellen Relativitätstheorie kommen relativ zueinander bewegte Beobachter zu unterschiedlichen Ergebnissen, wenn es darum geht, ob zwei Ereignisse gleichzeitig stattfinden oder wie weit entfernt voneinander zwei Objekte sind. Vom Beobachter unabhängig ist dort nur die Gesamtheit von Raum und Zeit, die Gesamtheit aller Ereignisse, die irgendwo im Raum zu irgendwelchen Zeitpunkten stattfinden, eben die Raumzeit. Oder in anderen Worten: Beide Beobachter sind sich einig, dass ein Ereignis stattgefunden hat. Wie diese Raumzeit in Zeit und Raum zerlegt wird, variiert von Beobachter zu Beobachter.

Der Raum, den wir aus dem Alltag gewohnt sind, hat drei Dimensionen. Nimmt man die Zeit hinzu, dann kommt damit auch eine weitere Dimension hinzu – die Raumzeit hat insgesamt vier Dimensionen.

Die Idee der Raumzeit ist zudem ein Grundbaustein der Allgemeinen Relativitätstheorie. Analog dazu, wie eine Ebene flach ist, eine Kugelfläche dagegen gekrümmt, treten in der Allgemeinen Relativitätstheorie gekrümmte und verzerrte Versionen der einfachen Raumzeit der Speziellen Relativitätstheorie auf. Krümmung ist in der Allgemeinen Relativitätstheorie mit dem Vorhandensein von Gravitation verbunden.

Eine Einführung in die Grundideen der beiden Relativitätstheorien bieten die Kapitel Spezielle Relativitätstheorie und Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger. Mit Analogien zwischen Raumzeit und Alltagsraum beschäftigen sich zwei Vertiefungsthemen: Mit einem Raum-Analogon zur Zeitdilatation das Thema Zeitdilatation und Wanderschaft, mit dem Zwillingsproblem das Thema Zwillinge und Wanderer.

In der Speziellen Relativitätstheorie: Eine Weltlinie eines Objektes, dass sich mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geraden Bahn bewegt. Das Raumzeit-Analogon zu Geraden im Raum oder in der Fläche.

Siehe Krümmung.

Siehe Singularität.

Phase bei einem Weltalter von rund 380 000 Jahren, in dem das durch die Urknallmodelle beschriebene Universum bei seiner Expansion kalt genug geworden war, so dass sich Atomkerne und Elektronen zu Atomen verbinden konnten, ohne gleich wieder aufgespalten zu werden. Die Etymologie von „Re-Kombination“ ist missverständlich – es handelte sich eher um eine Erst-Kombination dieser Teilchen zu Atomen. Bei diesem Prozess koppelte sich außerdem das Geschick der kosmischen Hintergrundstrahlung von dem des restlichen Universums ab.

Ein Teilchenbeschleuniger am Brookhaven National Laboratory auf Long Island, New York. Dort werden Schwerionen – Atomkerne, die man aller ihrer Elektronen entkleidet hat – bei hohen Energien zur Kollision gebracht. Die dabei entstehenden Materiezustände geben wichtige Anhaltspunkte über das heiße, frühe Universum und über die Beschreibung der Materie in den Urknallmodellen der relativistischen Kosmologie.

Webseiten von RHIC

Modelle, Effekte oder Phänomene, bei denen die Spezielle Relativitätstheorie oder die Allgemeine Relativitätstheorie eine Rolle spielen, heißen relativistisch.

Beispiele sind die relativistische Massenzunahme als ein Effekt der Speziellen Relativitätstheorie und die relativistische Lichtlaufzeitverzögerung als ein Effekt der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Außerdem werden Bedingungen, unter denen die Unterschiede zwischen der relativistischen Physik und ihren klassischen Vorgängertheorien besonders ausgeprägt sind, als relativistisch beschrieben. Wenn beispielsweise Objekte Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit erreichen, so dass Effekte wie relativistische Massenzunahme oder Zeitdehnung sehr deutlich werden, spricht man auch von relativistischen Geschwindigkeiten; niedrige Geschwindigkeiten, in denen die relativistischen Effekte kaum messbar sind, heißen nichtrelativistisch.

Siehe Mechanik, relativistische.

Grundprinzip der Speziellen Relativitätstheorie: für zwei mit konstanter Geschwindigkeit gegeneinander bewegte Beobachter (genauer: Inertialbeobachter) sind die Gesetze der Physik dieselben. Es gibt kein Schlüsselexperiment, anhand dessen man argumentieren könnte, einer dieser Beobachter sei absolut „in Ruhe“ – in Bezug auf die Physik sind alle Beobachter gleichberechtigt, jeder kann sich selbst mit dem gleichen Recht als in Ruhe betrachten, und letztendlich gibt es nur Bewegungen der verschiedenen Beobachter relativ zueinander – zumindest, was Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit angeht.

Eine Einführung in die von Einstein gezogenen Konsequenzen des Relativitätsprinzips bietet das Kapitel Spezielle Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger.

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.

Detektor für Gravitationswellen, bei dem es darum geht, den Einfluss dieser Wellen auf eine in sich schwingende Testmasse nachzuweisen.

Das Funktionsprinzip der Resonanzdetektoren wird im Vertiefungsthema Schwingende Körper beschrieben.

Eine besondere Art von Raumzeitsingularität (also einer Grenze, an der die Raumzeit endet), die mit unendlich hoher Energiedichte assoziiert ist.

Weitere Informationen über die verschiedenen Arten von Singularitäten bietet das Vertiefungsthema Raumzeitsingularitäten.

Teilgebiet der Astronomie, das sich mit der Beobachtung von Röntgenstrahlung beschäftigt, die uns aus den Tiefen des Alls erreicht. Sehr heiße Materie sendet solche Strahlung als Wärmestrahlung aus, und so zeigen sich im Röntgenlicht beispielsweise die heißen Gase in den Akkretionsscheiben von Schwarzen Löchern.

Elektromagnetische Wellen mit Frequenzen von einigen 100 Billiarden bis 100 Trillionen Schwingungen pro Sekunde, entsprechend Wellenlängen von einigen Milliardstel bis Billionstel Metern. Im Alltag vor allem als medizinisches Werkzeug bekannt – mit Hilfe von Röntgenstrahlung lassen sich Bilder des Körperinneren erstellen. Die Strahlen dienen in der Röntgenastronomie aber auch der Erforschung des Weltalls.

Die Frequenz einer einfachen Lichtwelle hängt direkt mit ihrer Farbe zusammen (siehe auch: Spektrum). Niederfrequentes Licht entspricht der Farbe Rot. Verändert sich die Frequenz einer einfachen Lichtwelle hin zu niedrigeren Frequenzen (etwa durch den Dopplereffekt), dann entspricht das einer Verschiebung in Richtung auf das rote Ende des Spektrums und wird daher Rotverschiebung genannt.

Von diesem Ausgangspunkt aus hat sich die Bezeichung „Rotverschiebung“ für eine Frequenzerniedrigung allgemein eingebürgert und wird auch für elektromagnetische Strahlung verwandt, deren Frequenzen überhaupt keiner sichtbaren Farbe mehr entsprechen, noch allgemeiner auch für andere Arten von Wellen (etwa Gravitationswellen).

Im Rahmen der allgemeinen Relativiätstheorie ist insbesondere die kosmologische Rotverschiebung interessant.

Die Rückwirkung der Gravitation auf sich selbst muss in der Störungstheorie schwarzer Löcher berücksichtigt werden. Sie beschreibt den Effekt, den das Gravitationsfeld eines Partikels auf seine eigene Bewegung ausübt.

In der Speziellen Relativitätstheorie ist die träge Masse eines Objekts davon abhängig, wie schnell es sich relativ zum Beobachter bewegt. Die Ruhemasse ist die träge Masse eines Objekts, gemessen von einem relativ zu diesem Objekt ruhenden Beobachter. Mit dieser Definition ist die Ruhemasse so etwas wie ein Maß für den Materieinhalt des Körpers.

Systeme aus Satellitensendern und mobilen Empfängern, die es ermöglichen, die Position im Raum (und nebenbei auch den Zeitpunkt) mit großer Präzision festzustellen. Wichtig etwa für Navigationssysteme für Flugzeug und Autos, und gleichzeitig eine industrielle Anwendung von Einsteins Spezieller und Allgemeiner Relativitätstheorie: Würden die Effekte, die diese Theorien für den Lauf bewegter Uhren in Gravitationsfeldern vorhersagen, nicht berücksichtigt, wäre die Positionsbestimmung unakzeptabel ungenau.

Auf das Funktionsprinzip solcher Systeme und ihren Bezug zur Relativitätstheorie wird in den Vertiefungsthemen Relativität und Satellitennavigation und Zeitbestimmung mit Radiosignalen – von der Funkuhr zur Satellitennavigation eingegangen.

Das bekannteste Beispiel für Satellitennavigation ist das Global Positioning System.

Chemisches Element, bei dem der Atomkern acht Protonen und üblicherweise acht Neutronen enthält.

Sauerstoffkerne entstehen im Inneren von Sternen, aber nicht bei der Bildung der leichten Elemente in der Frühzeit des Universums (primordiale Nukleosynthese). Sie sind daher ein wichtiger Indikator für Astronomen bei dem Versuch, die Elementhäufigkeiten im frühen Universum zu rekonstruieren. Weitere Informationen hierzu bietet das Vertiefungsthema Der Blick in die chemische Vergangenheit.

Ein Beobachter, der kein Inertialbeobachter ist, muss zusätzliche Kräfte einführen, wenn er mit Hilfe des mechanischen Gesetzes „Kraft gleich Masse mal Beschleunigung“ die Bewegung der Körper um sich herum erklären will. Diese zusätzlichen Kräfte heißen in der Physik Scheinkräfte. Sie wirken gewissermaßen von außen auf die betroffenen Körper, im Unterschied zu „echten“ Kräften wie elektrischer, magnetischer oder Schwerkraft, für die sich jeweils angeben lässt, welcher Körper dort auf einen anderen Körper einwirkt.

Bekanntestes Beispiel: Ein mitbewegter Beobachter auf einem sich drehenden Kettenkarussell muss die Zentrifugalkraft einführen, wenn er erklären will, wie die Sitze des Kettenkarussells nach außen gezogen werden.

Im allgemeinen wird sich ein ausgedehnter Körper im freien Fall aufgrund von Gezeiteneffekten verformen. Fällt beispielsweise ein Körper Richtung Erde, dann wirkt auf die erdnäheren Partien eine minimal stärkere Gravitationskraft als auf die erdferneren, und der Körper wird ein wenig in die Länge gezogen. Einige der Deformationen verändern das Volumen des Körpers; derjenige Anteil der Verformungen, der nicht das Volumen betrifft, sondern lediglich die Form des Körpers ändert, heißt Scherung. Einige Beispiele für Scherung finden sich im Vertiefungsthema Singularitäten als Raumzeit-Knetmaschinen.

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.

Eine der Grundkräfte im Standardmodell der Elementarteilchen, verantwortlich für bestimmte radioaktive Umwandlungsprozesse wie jenen, bei dem ein Proton unter Aussendung eines Positrons und eines Neutrinos zu einem Neutron wird.

Synonym: Universalität des freien Falls.

An ein und demselben Ort in einem Gravitationsfeld (und damit, näherungsweise, überall hier auf der Erdoberfläche) fallen alle Körper gleich schnell – zumindest, wenn sonstige Einflüsse (etwa Reibungskräfte) ausgeschaltet werden. Genauer: In solch einer Situation erfahren alle Körper dieselbe Beschleunigung. Dieser Umstand wird als „Universalität des freien Falls“ oder als „schwaches Äquivalenzprinzip“ bezeichnet, und er steht am Anfang von Einsteins Entwicklung seiner Allgemeinen Relativitätstheorie (nähere Informationen bietet das Vertiefungsthema Kabine, Schwerkraft und Rakete: Das Äquivalenzprinzip).

In einer Theorie wie der von Newton, in der Gravitation als eine Kraft beschrieben wird, ist das schwache Äquivalenzprinzip gleichwertig mit der Aussage, dass zwei verschiedene Definitionen des Begriffs Masse übereinstimmen – in Kurzform: „träge Masse ist gleich schwere Masse“. Weitere Informationen hierzu bietet das Vertiefungsthema Träge und schwere Masse.

Idealisierter Körper, der alle Formen elektromagnetischer Strahlung absorbieren und emittieren kann, unabhängig von deren Wellenlänge. Für die von solch einem Körper ausgehende Wärmestrahlung gelten besonders einfache Gesetze, wie das Plancksche Strahlungsgesetz, das Stefan-Boltzmann-Gesetz und das Wiensche Verschiebungsgesetz.

Raumgebiet, das im Vergleich mit seiner Ausdehnung so viel Masse enthält, dass sich eine kosmische Einbahnstraße bildet – eine Raumregion, in die Materie und Licht zwar von außen hereinfallen können, welche aber von nichts und niemandem, jemals wieder verlassen werden kann.

Grundlegende Informationen zu diesem zentralen Phänomen der Einsteinschen allgemeinen Relativitätstheorie sind im Abschnitt Schwarze Löcher und Co. von Einstein für Einsteiger zu finden.

Im Rahmen von Einsteins Theorie gilt: Da Schwarzen Löchern nichts entkommen kann, sind sie tatsächlich schwarz – sie strahlen insbesondere keinerlei Licht ab. Bezieht man die Quantentheorie mit ein, ergibt sich jedoch, dass Schwarze Löcher trotzdem strahlen – sie senden so genannte Hawkingstrahlung aus. Für die astrophysikalischen Schwarzen Löcher (mit Massen größer als die Sonnenmasse) ist dieser Effekt freilich so klein, dass er selbst in direkter Nachbarschaft des Schwarzen Lochs mit heutigen Sensoren nicht nachweisbar wäre.

Informationen zu einer Reihe weiterer Aspekte der Physik Schwarzer Löcher finden sich bei den Vertiefungsthemen in der Kategorie Schwarze Löcher & Co..

Eine bestimmte Lösung der Einstein-Gleichungen: Sie beschreibt ein Modelluniversum, in dem sich ein einsames, kugelsymmetrisches Schwarzes Loch befindet. Die Lösung ist außerdem wichtig, weil ihre Außenregionen in guter Näherung die Raumzeitverzerrung rund um fast kugelsymmetrische Gebilde wie die Sonne oder die Erde beschreiben. Alle nicht rotierenden, elektrisch ungeladenen Schwarzen Löcher entwickeln sich im Laufe der Zeit zu Schwarzschild-Löchern (siehe das Vertiefungsthema Wieviele verschiedene Arten von Schwarzen Löchern gibt es?).

Der Schwarzschildradius ist ein Maß für die Ausdehnung eines kugelsymmetrischen Schwarzen Loches. Er ist definiert über den Flächeninhalt des Horizonts des Schwarzen Loches, A_H: In der üblichen Schulgeometrie hängen Radius r und Flächeninhalt A einer Kugelfläche zusammen als

F = 4 × π × r².

Der Schwarzschildradius r_S ist indirekt definiert über die Formel

A_H = 4 × π × r_S².

Er ist direkt proportional zur Masse des Schwarzen Loches.

Allgemein gilt: Wer Materie in Kugelform immer weiter zusammenpresst erzeugt damit ein Schwarzes Loch, sobald der Kugelradius kleiner wird als der Schwarzschildradius.

Eine Möglichkeit, die Masse zu definieren, nutzt ihre Rolle als Gravitationsladung aus – Masse ist ein Maß dafür, wie stark Körper an der Gravitationswechselwirkung teilnehmen. Wo es darauf ankommt, dass diese Massendefinition gemeint ist, aber z.B. nicht die der Masse als Maß für die Trägheit eines Körpers (träge Masse) benutzt man den Begriff schwere Masse.

Will man noch genauer differenzieren, kann man zusätzlich noch unterscheiden zwischen dem Maß dafür, wie ein Körper von einem gegebenen Gravitationsfeld beeinflusst wird („passive schwere Masse“) und wie er andere Körper vermittels der Gravitation beeinflusst („aktive schwere Masse“).

Weitere Informationen zu diesem Begriff bietet das Vertiefungsthema Träge und schwere Masse.

Welche Beschleunigung ein Körper im freien Fall an einem gegebenen Ort innerhalb eines Gravitationsfeldes erfährt, ist unabhängig von den Eigenschaften des Körpers (Universalität des freien Falls). Anstatt die Gravitationswirkung als Kraft zu beschreiben, kann man daher auch gleich die für alle Körper gültige Beschleunigung angeben, die Schwerebeschleunigung genannt wird.

Nahe der Erdoberfläche beträgt die Schwerebeschleunigung rund 9,81 m/s².

Von der Erde sind wir gewohnt, dass auf alle Körper eine Schwerkraft wirkt, die sie gen Erdboden zieht – ihre „Schwere“. Ist solch eine Kraft abwesend, und bleiben Körper, die man im Raum platziert, dort ganz einfach schweben, befinden wir uns in der Schwerelosigkeit.

Es gibt zwei Arten von Situationen, in denen Schwerelosigkeit auftritt: Erstens, wenn man sich weit hinaus in den Weltraum begäbe, soweit entfernt von allen Körpern großer Masse, dass deren Gravitationseinfluss vernachlässigbar wird. Zweitens im freien Fall – diese Art von Schwerelosigkeit herrscht beispielsweise auf der Internationalen Raumstation, die sich auf einer Erdumlaufbahn und damit im freien Fall um die Erde befindet. Dass beide Arten von Schwerelosigkeit bei nicht allzu genauem Hinschauen nicht voneinander zu unterscheiden sind, ist die Aussage des Äquivalenzprinzips, eines der Bausteine der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Synonym: Gravitation. Im engeren Sinne ist Schwerkraft synonym zur Gravitationskraft der klassischen, Newtonschen Gravitationstheorie, im weiteren Sinne wird das Wort oft auch für die Gravitation der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie verwendet – obwohl die Gravitation dort eigentlich keine Kraft ist, die Körper von ihren geraden Bahnen ablenkt, sondern eine Eigenschaft der Raumzeit-Geometrie

Zeiteinheit im Internationalen Einheitensystem. Definiert über die Schwingungsdauer der elektromagnetischen Strahlung, die bei einem bestimmten Übergang in der Elektronenhülle von Atomen des Typs Cäsium-133 freigesetzt wird.

Siehe Lichtlaufzeitverzögerung, relativistische

Das weltweit einheitliche System der Maßeinheiten, eingeführt 1960. Von den sieben SI-Basiseinheiten sind im Zusammenhang mit Einstein Online vor allem das Meter als Längeneinheit, die Sekunde als Zeiteinheit, das Kilogramm als Einheit der Masse und das Kelvin als Temperatureinheit wichtig. Aus den Basiseinheiten können alle anderen SI-Einheiten durch Multiplizieren oder Dividieren abgeleitet werden, die Einheit für die Geschwindigkeit beispielsweise als Quotient der Längen- und der Zeiteinheit, Meter pro Sekunde.

Informationen zum SI auf den Webseiten der PTB

Bei der Messung von Gravitationswellen nutzen Forschende sogenannte Schablonen, um Gravitationswellensignale vom Hintergrundrauschen zu unterscheiden. Dazu berechnen sie, welche Form Gravitationswellen eines bestimmten Ursprungs, etwa verschmelzender schwarzer Löcher, haben. Das Wissen über das Aussehen dieser Signale erleichtert anschließend die Suche nach ihnen in den Detektordaten.

Irregulärer Rand an Raumzeiten der Allgemeinen Relativitätstheorie; oft wird dort die Krümmung der Raumzeit unendlich groß. Laut allgemeiner Relativitätstheorie enthält jedes Schwarze Loch in seinem Inneren eine Raumzeitsingularität, und auch den Anfang von expandierenden Universen wie dem unsrigen bildet eine Singularität, ein so genannter Urknall. Das Auftreten solcher Singularitäten entspricht einem Versagen der Allgemeinen Relativitätstheorie – um die entsprechenden Raumzeitbereiche zutreffend zu modellieren, dürfte eine Theorie der Quantengravitation nötig sein.

Weitere Informationen über Singularitäten bieten die Vertiefungsthemen Raumzeitsingularitäten und Singularitäten als Raumzeit-Knetmaschinen.

Theoreme, bewiesen durch Roger Penrose und Stephen Hawking, welche Gesetze der Allgemeinen Relativitätstheorie und einige allgemeine Annahmen über Materieeigenschaften zugrundegelegt. Die Theoreme besagen, dass, sowohl im Inneren eines Schwarzen Lochs wie auch am Anfang eines Urknall-Universums zwangsläufig eine Raumzeit-Singularität existieren muss.

Der Sinus ist eine mathematische Funktion, bei der mit perfekter Regelmäßigkeit Maxima auf Minima folgen und umgekehrt, so wie hier dargestellt:

Sinuswellen sind die einfachsten vorstellbaren Wellen, bei denen die Aufeinanderfolge von Wellenbergen und -tälern gerade durch die Sinusfunktion beschrieben wird.

Siehe Präzession, de Sitter-

Ist jedem Ort in einer Raumregion während eines gewissen Zeitraums zu jedem Moment ein bestimmter Wert einer gegebenen physikalischen Größe zugeordnet, so sprechen Physiker von einem Feld der betreffenden Größe. Lässt sich die Größe durch einen einzigen Zahlenwert beschreiben, dann handelt es sich um ein Skalarfeld.

Beispiele für Skalarfelder sind ein Temperaturfeld, das jedem Ort im Raum die Temperatur der dort befindlichen Materie zuordnet, oder ein Gravitationspotential. Ein Beispiel für ein Feld, das kein Skalarfeld ist, ist das Gravitationsfeld – bei diesem Feld ist jedem Ort nicht nur ein Zahlenwert (die Stärke der Gravitationskraft) sondern zusätzlich noch eine Richtung zugeordnet (die Richtung der Gravitationskraft, vgl. Vektorfeld).

Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie ist der Begriff des Skalarfeldes noch enger gefasst – dort wird beispielsweise noch unterschieden, ob es sich bei der betreffenden Größe um eine Dichte handelt, bei deren Definition die Volumenmessung (und damit die Raumgeometrie) eine Rolle spielt, oder nicht.

Zentrale Masse unseres Sonnensystems; der uns nächste Stern; Gasball mit einem Radius von 700 000 km und einer Masse von 1,989·10³⁰ Kilogramm (Probleme mit Ausdrücken wie 10³⁰? Siehe den Eintrag Zehn-Hoch-Schreibweise), in dessen Innerem Kernfusionsprozesse ablaufen, die letzendlich für das stetige Leuchten der Sonne verantwortlich sind.

Die Masse der Sonne beträgt 1,989·10³⁰ Kilogramm oder 332 946 Erdmassen.

(Probleme mit Ausdrücken wie 10³⁰? Siehe den Eintrag Zehn-Hoch-Schreibweise)

In der Astronomie wird die Sonnenmasse häufig als Masseneinheit verwendet („Die Masse dieses Sterns beträgt 3 Sonnenmassen, 3 M_⊙„).

Unsere nähere kosmische Nachbarschaft, bestehend aus dem uns nächsten Stern(der Sonne), den acht Planeten, die um sie kreisen und diversen kleineren Himmelskörpern, Staub und Gas.

In Bezug auf die Relativitätstheorie ist das Sonnensystem vor allem als Laboratorium interessant, in dem sich Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie überprüfen lassen – insbesondere jene, die von den Vorhersagen der klassischen, Newtonschen Gravitationstheorie abweichen. Beispiele sind die relativistische Periheldrehung der Planetenbahnen, die Lichtablenkung am Sonnenrand sowie relativstische Lichtlaufzeit-Verzögerungen.

Zeitkoordinate, die ihre Zeiteinheit aus der Rotation der Erde ableitet. Vereinfacht gesagt ist ein mittlerer Sonnentag das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Mittagen (zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sonnenhöchstständen), gemittelt über das ganze Jahr. Eine Sonnensekunde ist ein 86400tel eines solchen mittleren Sonnentages (1 Tag = 24 Stunden = 1440 Minuten = 86400 Sekunden); bis Ende der 1960er Jahre beruhte die Definition der Zeiteinheit Sekunde in dieser oder ähnlicher Weise auf der Erdrotation.

Die moderne Zeitmessung leitet sich nicht mehr von der Erdrotation, sondern von atomaren Prozessen ab. Die Sekunde des internationalen Einheitensystems nutzt Eigenschaften bestimmter Cäsiumatome als Referenzgröße, und die Weltzeit UTC (Coordinated Universal Time) verwendet eine Gruppe von Atomuhren, um ihre Zeiteinheit zu bestimmen – allerdings werden dabei in unregelmäßigen Abständen zusätzliche Sekunden eingeschoben, um sicherzustellen, dass UTC und Sonnenzeit nur minimal voneinander abweichen (weitergehende Informationen zur UTC bietet das Vertiefungsthema Wie Zeit gemacht wird).

Institut in Baltimore, USA, dass das Hubble-Weltraumteleskop betreibt.

Webseiten des Space Telescope Science Institute

Die elektromagnetische Strahlung, die man aus einer bestimmten Quelle empfängt, ist in der Regel ein Gemisch aus elektromagnetischen Wellen der verschiedensten Frequenzen, und ein Spektrum ist so etwas wie die Inhaltsangabe des Gemischs: Wieviel der Strahlungsenergie entfällt auf Wellen dieser einen Frequenz? Wieviel auf jene andere Frequenz?

Von Albert Einstein formulierte Theorie über die Grundlagen von Raum, Zeit und Bewegung, allerdings ohne Einbeziehung der Gravitation. Eine kurze Einführung bietet der Abschnitt Spezielle Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger.

Weitergehende Informationen zu ausgewählten Aspekten der speziellen Relativitätstheorie und ihrer Anwendungen bieten unsere Vertiefungsthemen der Kategorie Spezielle Relativitätstheorie.

Grundlegende Quanteneigenschaft von Elementar- und zusammengesetzten Teilchen. Bei Elementarteilchen entscheidet der Spin, ob es sich um Materieteilchen (halbzahliger Spin von 1/2, 3/2, 5/2 etc.) oder um Kraftteilchen (ganzzahliger Spin von 0, 1, 2 etc.) handelt.

In der Schleifen-Quantengravitation (einem Kandidaten für eine Theorie der Quantengravitation) liegt der mikroskopischen Struktur des Raums ein so genanntes Spinnetzwerk zugrunde – ein Graph, bestehend aus Linien und Knoten, wobei jede Linie mit einem halbzahligen Zahlenwert gekennzeichnet ist. Dieser Zahlenwert hängt mathematisch direkt mit dem so genannten Spin zusammen, einer grundlegenden Eigenschaft, die man Elementarteilchen zuordnen kann.

Die Grundlage unseres heutigen Verständnisses vom Aufbau der Materie. Beschreibt auf der Grundlage von Spezieller Relativitätstheorie und Quantentheorie das Verhalten von Materie-Elementarteilchen wie Elektronen, Neutrinos und Quarks sowie ihrer Antiteilchen, zwischen denen drei Quantenkräfte wirken: Elektromagnetismus, die Schwache Kernkraft und die Starke Kernkraft. Die Wirkung dieser Kräfte geschieht durch das Hin- und Hersenden von Kraftteilchen. Die Gravitation als vierte Grundkraft bleibt in dieser Beschreibung unberücksichtigt.

Anderer Name für die Urknallmodelle.

Neben elektromagnetischer Kraft, schwacher Kernkraft und Gravitation eine der vier Grundkräfte in unserem Universum. Verantwortlich für den Zusammenschluss von Quarks zu Protonen und Neutronen sowie, mittelbar, für deren Zusammenschluss zu Atomkernen.

Teil der Physik, der sich damit beschäftigt, wie sich die Eigenschaften von Systemen mit vielen Bestandteilen aus den Eigenschaften eben dieser Bestandteile ergeben. Zwei einfache Beispiele: vielen makroskopischen Körpern kann man eine Temperatur ordnen. Die statistische Physik zeigt, dass diese Gesamteigenschaft eines Körpers ein direktes Maß für die durchschnittliche Energie ist, mit der sich seine Bestandteile ungeordnet hin- und herbewegen. Auch für den Druck eines Gases liefert die statistische Physik eine mikroskopische Erklärung: er ergibt sich aus der Vielzahl von kleinen Stößen, mit der die wild durcheinanderfliegenden Moleküle des Gases immer wieder gegen die Behälterwände fliegen.

Eines der Grundgesetze für die einfachste Form der Wärmestrahlung – der Strahlung eines Schwarzen Körpers: Die Gesamtmenge der pro Zeiteinheit abgestrahlten Energie eines solchen Körpers ist proportional zur vierten Potenz seiner Temperatur (in Kelvin).

Schwarze Löcher mit Massen zwischen einigen und einigen Dutzend Sonnenmassen, die etwa beim Kollaps massereicher Sterne entstehen.

Grundlegende Erklärungen zu Schwarzen Löchern bietet der Abschnitt Schwarze Löcher und Co. von Einstein für Einsteiger.

Fällt im Weltall eine Wolke aus Staub und Gas in sich zusammen, kommt es unter günstigen Bedingungen zur Bildung eines Sterns, eines kosmischen Fusionsofens, in dessen Inneren Wasserstoff und andere Atomkerne miteinander verschmolzen werden. Die dabei freiwerdende Energie macht Sterne zu leistungsstarken Lichtquellen. Der uns nächste Stern ist die Sonne.

Ist der Kernbrennstoff verbraucht, kann ein Weisser Zwerg, ein Neutronenstern oder auch ein Schwarzes Loch entstehen.

Chemisches Element, bei dem der Atomkern sieben Protonen und üblicherweise sieben Neutronen enthält.

Stickstoffkerne entstehen im Inneren von Sternen, aber nicht bei der Bildung der leichten Elemente in der Frühzeit des Universums (primordiale Nukleosynthese). Sie sind daher ein wichtiger Indikator für Astronomen bei dem Versuch, die Elementhäufigkeiten im frühen Universum zu rekonstruieren. Weitere Informationen hierzu bietet das Vertiefungsthema Der Blick in die chemische Vergangenheit.

Störungstheorie ist ein mathematischer Ansatz, um die Form von Gravitationswellen zu berechnen, sogenannte Signal-Schablonen oder Templates. Er geht von einem einem EMRI-System aus, das aus einem schwarzen Loch und einem kompakten, kleinen Objekt besteht, der als punktförmiges Teilchen behandelt wird, welches die Raumzeit ‚stört‘.

Alle Phänomene, bei denen Energie in Form von Wellen oder Teilchen durch den Raum transportiert wird. Beispiel: elektromagnetische Strahlung.

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.

Im Alltag übliche Einheit der Geschwindigkeit. Synonym: Kilometer pro Stunde. Abkürzung: km/h.

Im Kontext des üblichen Physik-Sprachgebrauchs ist „Stundenkilometer“ eine eher verwirrende Bezeichnung. Solche Genitivkonstruktionen sind zwar nicht ungewöhnlich (der „Stundenlohn“ ist schließlich auch der „Lohn pro Stunde“). Aber wenn Physiker Einheitenwörter aneinanderhängen, ist damit generell ein Produkt von Einheiten gemeint. „Newtonmeter“ beispielsweise ist die Krafteinheit Newton mal die Längeneinheit Meter, und in Physikerohren klingt Stundenkilometer nicht wie der Genitiv „Kilometer der (d.h. pro) Stunde“ sondern wie ein unsinniges „Kilometer mal Stunde“.

Klasse von Modellen, die die Allgemeine Relativitätstheorie so erweitern, dass das Endprodukt den Erfordernissen der Supersymmetrie genügt.

Heutzutage insbesondere im Zusammenhang mit der Stringtheorie interessant: Im Grenzfall niedriger Energien (unter anderem alle Energien, die sich mit irdischen Teilchenbeschleunigern erreichen lassen) gehen die Stringtheorien näherungsweise in bestimmte Supergravitationsmodelle über.

sind Schwarze Löcher mit Massen von mehr als einer Million Sonnenmassen. „Supermassereich“ ist zwar weniger verbreitet, aber sprachlich angemessener als das aus dem Englischen eingedeutschte „supermassiv“, geht es doch um die große Masse, nicht um den inneren Aufbau oder die Wucht der betreffenden Objekte.

Nach heutigen Erkenntnissen ist in der Zentralregion fast aller Galaxien ein supermassives Schwarzes Loch zu finden. Solche zentralen Schwarzen Löcher sind die Energiequelle für Radiogalaxien und andere aktiven Galaxienkerne.

Grundlegende Erklärungen zu Schwarzen Löchern bietet der Abschnitt Schwarze Löcher und Co. von Einstein für Einsteiger.

Gewaltige Sternexplosion am Lebensende von Sternen, deren Masse mehr als rund zehn Sonnenmassen beträgt. Die äußeren Sternregionen werden dabei unter gewaltigem Energieausstoß ins All hinausgeschleudert; der Kern kollabiert zu einem Neutronenstern oder sogar zu einem Schwarzen Loch.

Synonym: Supersymmetrische Stringtheorie. Stringtheorie, die die Erfordernisse der Superymmetrie berücksichtigt. Alle Modelle der Stringtheorie, die als realistische Kandidaten für eine Theorie der Quantengravitation infrage kommen, sind Superstringtheorien.

Abstrakte Symmetrie mancher Modelle der Elementarteilchenphysik: In solchen Modellen gibt es für jede Sorte von Teilchen eine Partnersorte von Teilchen derselben Masse. Handelt es sich bei einer Teilchensorte um Materieteilchen (Fermionen) sind die Teilchen der Partnersorte Kraftteilchen (Bosonen) und umgekehrt.

Eine Situation besitzt eine Symmetrie, wenn bestimmte Änderungen keinerlei Unterschied bewirken. Beispiel: Ein spiegelsymmetrisches Bild bietet den gleichen Anblick, nachdem man es an seiner Mittelachse gespiegelt hat. Eine perfekte Kugel bietet immer noch den gleichen Anblick, wenn man sie um eine beliebige, durch ihren Mittelpunkt gehende Achse gedreht hat (Kugelsymmetrie).

Die Elementarteilchenphysik kennt zusätzlich noch schwerer vorstellbare, abstraktere Symmetrien wie die Supersymmetrie.

Ein Teilchenbeschleuniger, in dem Elementarteilchen in aufeinanderfolgenden Umläufen durch elektrische Felder immer weiter beschleunigt werden, während immer stärkere Magnetfelder sie auf ihrer Bahn halten. (Dass mit größerer Geschwindigkeit immer stärkere Magnetfelder benötigt werden, ist eine direkte Folge der relativistischen Massenzunahme.)

Elektromagnetische Strahlung, die entsteht, wenn elektrisch geladene Teilchen (beispielsweise Elektronen) in Teilchenbeschleunigern auf Kreisbahnen oder andere Kurvenbahnen gezwungen werden. Auch wenn Teilchen in astrophysikalischen Situationen in vergleichbarer Weise beschleunigt werden, spricht man von Synchrotronstrahlung.

Effekte der Speziellen Relativitätstheorie sorgen dafür, dass Synchrotronstrahlung stark gebündelt und sehr intensiv ist. Diese Eigenschaften sowie der Umstand, dass es sehr einfach ist, auf diese Weise Strahlung mit klar definierter Frequenz zu erzeugen, machen die Synchrotronstrahlung zu einem höchst nützlichen Forschungswerkzeug mit einer Vielfalt von Anwendungen von Physik über Materialforschung bis hin zu Biologie und Medizin.

War die Synchrotronstrahlung ursprünglich ein störendes Nebenprodukt an Teilchenbeschleunigern, die zur Erforschung der Eigenschaften von Elementarteilchen dienten, gibt es heute eine Vielzahl von Laboratorien, in denen Synchrotronstrahlung gezielt eingesetzt werden. Ein solcher Beschleuniger ist auf der Seite E=mc² im Kapitel Spezielle Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger abgebildet.

Einige europäische Synchrotronstrahlungs-Forschungsstätten sind etwa BESSY II, PETRA III und die ESRF, hier dargestellt auf der Website fis-landschaft.de:

In den USA befindet sich die
National Synchrotron Light Source II am Brookhaven National Laboratory

Forschungsuniversität (ca. 20.000 Studenten) im US-Bundesstaat New York. Forschungsgebiete des Fachbereichs Physik unter anderem klassische und Quantengravitation, Kosmologie und Gravitationswellen.

Theoretische Kosmologie- und Teilchenphysikgruppe an der Syracuse University
Gravitationswellen-Forschungsgruppe an der Syracuse University

Siehe SI (Système International d’Unités, Internationales Einheitensystem)

Realisierung der Zeit(koordinate), die Zeitintervalle mit Bezug auf eine ideale Uhr auf der Erdoberfläche (genauer: auf dem Geoid) definiert, mit Hilfe von über 200 über den ganzen Globus verteilten Atomuhren. Koordiniert wird die TAI vom BIPM (Bureau International des Poids et Mesures; auf ihr basiert auch die Weltzeit UTC (Coordinated Universal Time). Weitere Informationen bietet das Vertiefungsthema Wie Zeit gemacht wird.

Die wichtigste experimentelle Methode der Elementarteilchenphysik besteht darin, elektrisch geladene Teilchen mit Hilfe elektrischer Kräfte zu beschleunigen, miteinander kollidieren zu lassen und aus dem Ergebnis der Kollision Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Teilchen und ihrer Wechselwirkungen zu ziehen.

Um das Verhalten von Teilchen im Beschleuniger zu berechnen und solche gewaltigen Maschinen zu planen, ist die aus der Speziellen Relativitätstheorie abgeleitete relativistische Mechanik unabdingbar. Im Zusammenhang mit der Allgmeinen Relativitätstheorie, genauer: in einigen auf den Ideen der Stringtheorie basierenden Modellen, besteht die Möglichkeit, dass in Teilchenbeschleunigern wie dem LHC winzige Schwarze Löcher erzeugt werden könnten (weitere Informationen bietet das Vertiefungsthema Schwarze Löcher in Teilchenbeschleunigern?).

Siehe Elementarteilchenphysik

In Systemen mit vielen Teilchen, seien es Festkörper, Flüssigkeiten oder Gase, befinden sich die Bestandteile immer in ungeordneter Bewegung gegeneinander – sei es, dass die Atome eines Kristalls ein wenig schwingen oder die Gasmoleküle wild durcheinanderlaufen und miteinander zusammenstoßen. Die mittlere Energie, die auf jede Bewegungsmöglichkeit entfällt, ist dabei dieselbe, und diese mittlere Energie wird als Temperatur bezeichnet. Je höher die mittlere Energie, desto höher die Temperatur – ein heißer Festkörper ist beispielsweise einer, in dem die Atome wesentlich heftiger schwingen als in einem kalten.

Auch bestimmten Gemischen elektromagnetischer Strahlung lässt sich eine Temperatur zuweisen (Strahlungstemperatur), der Wärmestrahlung nämlich, deren Eigenschaften nur durch einen einzigen Parameter bestimmt werden, eben die Temperatur.

In der Physik (und im internationalen Einheitensystem SI) wird die Temperatur in Kelvin gemessen, im Alltag in Celsius oder, etwa in den USA, in Fahrenheit .

Siehe TAI (Internationale Atomzeit)

Siehe Elektronenvolt.

Im Zusammenhang mit der Gravitation: Körper, dessen Masse so gering ist, dass man ihn verwenden kann, um das Gravitationsfeld anderer Körper auszuloten, ohne, dass sein eigenes Gravitationsfeld die Situation dabei merklich verändern oder stören würde.

Analog dazu beispielsweise für den Elektromagnetismus: Kleiner, geladener Körper mit so geringer Ladung, dass man ihn verwenden kann, die elektromagnetischen Einflüsse anderer Körper zu erkunden, ohne dass seine Anwesenheit die Situation merklich verändern oder stören würde.

Siehe Elektronenvolt.

Siehe Wärmestrahlung.

Siehe Gleichgewicht, thermodynamisches.

Eine Definition von Masse ist als Maß dafür, wie sehr sich Körper Bewegungsänderungen widersetzen (so ist beispielsweise ein Spielzeugauto durch äußere Einflüsse deutlich leichter in schnelle Bewegung zu versetzen als Lastwagen) – ein Maß für die Trägheit von Körpern. Wo es darauf ankommt, dass diese Massendefinition gemeint ist, aber z.B. nicht die der Masse als Gravitationsladung („schwere Masse“), spechen die Physiker explizit von „träger Masse“.

Weitere Informationen bietet das Vertiefungsthema Träge und schwere Masse.

Im Rahmen der relativistischen Quantenfeldtheorien wirken Kräfte durch die Übertragung so genannter Trägerteilchen. Die elektrische Kraft zwischen zwei Elektronen beispielsweise kommt zustande, weil zwischen den Elektronen laufend Photonen hin- und herlaufen, die Trägerteilchen der elektromagnetischen Kraft. Trägerteilchen haben ganzzahligen Spin, etwa Spin 0,1 oder 2. Synonym: Kraftteilchen, Botenteilchen.

Siehe träge Masse.

Grundgesetz der Mechanik, gilt in der klassischen Mechanik ebenso wie in der Speziellen Relativitätstheorie: Körper, auf die keine äußeren Kräfte wirken, bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit auf geraden Bahnen. In der geometrischen Sprache der Speziellen Relativitätstheorie lässt sich das umformulieren zu: Körper, auf die keine äußeren Kräfte wirken, bewegen sich auf Raumzeitgeraden.

Strenggenommen gilt dieses Gesetz nur in bestimmten Bezugssystemen. Man kann es daher etwas allgemeiner formulieren als: Es ist immer möglich, ein Bezugssystem zu finden, in dem sich Körper, auf die keine äußeren Kräfte wirken, mit konstanter Geschwindigkeit auf geraden Bahnen bewegen. Solche Bezugssysteme heißen Inertialsysteme.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie gilt das Trägheitsgesetz in leicht abgewandelter Form. Körper, auf die keine äußeren Kräfte wirken, bewegen sich dort im allgemeinen nicht mehr auf Raumzeitgeraden, aber auf den geradestmöglichen Raumzeitlinien, so genannten Geodäten.

Tritium ist die Bezeichnung für „überschweren Wasserstoff“, nämlich für Wasserstoff, bei dem die Atomkerne zusätzlich zu dem für Wasserstoff charakteristischen einzelnen Proton noch zwei Neutron enthalten.

Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie ist Tritium vor allem von Interesse, da es bei der Entstehung der leichten Elemente im frühen Universum (primordiale Nukleosynthese) eine wichtige Rolle spielt.

Ein Phänomen aus der Quantentheorie, das man sich wie folgt veranschaulichen kann. Man stelle sich einen Ball vor, der auf einen Hügel zurollt:

Solange wir Quanteneffekte außen vor lassen (mit anderen Worten, in der klassischen Physik), hängt allein von der Energie des Balles ab, was passiert: Wenn sich der Ball schnell genug bewegt (mit anderen Worten, genügend viel Energie besitzt) wird er den Hügel hochrollen, am Gipfel B vorbei und auf der anderen Seite nach unten. Hat der Ball zu wenig Energie, wird er nicht den Gipfel erreichen, sondern lediglich eine bestimmte Maximalhöhe; anschliessend wird er zurückrollen in die Richtung, aus der er kam.

Geht es nicht um einen Ball, sondern um ein Quantenteilchen, gibt es noch eine weitere Möglichkeit. Selbst ein Teilchen, das nur genügend Energie besitzt, um zur Höhe A zu gelangen, aber nicht, um zum Gipfel B zu kommen, kann auf der rechten Seite des Hügels am Punkt C auftauchen und von dort weiterrollen. Solch ein Übergang heißt tunneln – es ist, als hätte das Teilchen einen geheimen Tunnel durchlaufen, um direkt von A nach C zu gelangen, ohne über die verbotene Gipfelregion B reisen zu müssen.

Allgemeiner haben wir es immer dann mit dem Tunneleffekt zu tun, wenn ein Quantensystem von einem Zustand A in einen Zustand C übergehen kann, das analogische klassische System dies allerdings nicht könnte, weil dabei ein unzugänglicher Zwischenzustand B durchlaufen werden müsste.

Elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich von einigen Billiarden bis einigen Hundert Billiarden Schwingungen pro Sekunde, entsprechend Wellenlängen von einigen Hundert Milliardstel bis einigen Milliardstel Metern. Aus dem Alltag bekannt als derjenige Anteil der Strahlung der Sonne, der eine Bräunung der Haut verursacht.

Siehe den Eintrag UTC (Coordinated Universal Time, Weltzeit).

Synonym: schwaches Äquivalenzprinzip

Der Umstand, dass an ein und demselben Ort in einem Gravitationsfeld (und damit, näherungsweise, überall hier auf der Erdoberfläche) alle Körper gleich schnell fallen – zumindest, wenn sonstige Einflüsse wie etwa Reibungskräfte ausgeschaltet werden, also im „freien Fall“. Genauer: In solch einer Situation erfahren alle Körper dieselbe Beschleunigung. Dieser Umstand wird als „Universalität des freien Falls“ oder als „schwaches Äquivalenzprinzip“ bezeichnet, und er steht am Anfang von Einsteins Entwicklung seiner Allgemeinen Relativitätstheorie (nähere Informationen bietet das Vertiefungsthema Kabine, Schwerkraft und Rakete: Das Äquivalenzprinzip.

In einer Theorie wie der von Newton, in der Gravitation als eine Kraft beschrieben wird, ist die Universalität des freien Falls gleichwertig mit der Aussage, dass zwei verschiedene Definitionen des Begriffs Masse übereinstimmen – in Kurzform: „träge Masse ist gleich schwere Masse„. Weitere Informationen hierzu bietet das Vertiefungsthema Träge und schwere Masse.

Siehe Heisenbergsche Unschärferelation.

Früher Name für den Urzustand, aus dem sich das heutige Universum entwickelt hat, siehe Urknallmodelle.

Die Urknallmodelle sind die Standardmodelle der heutigen Kosmologie. Sie beschreiben ein expandierendes Universum, das aus einer heißen Frühphase hervorgegangen ist. In ihnen ist der Anfang des Universums eine Raumzeit-Singularität, ein Zustand unendlich großer Dichte (weitere Informationen zu Singularitäten bietet das Vertiefungsthema Raumzeitsingularitäten). Diese Singularität ist der Urknall im engeren Sinne, im weiteren Sinne wird Urknall dagegen auch für die auf die Singularität folgende heiße Frühphase verwandt, aus der unser Universum hervorgegangen ist. Diese Unterscheidung ist wichtig: Die Physik der heißen Frühphase ist durch Beobachtungen gut abgesichert, die Anfangssingularität ist dagegen höchstwahrscheinlich ein unphysikalisches Artefakt, dass sich ergibt, da die Allgemeine Relativitätstheorie, auf der die Urknallmodelle beruhen, die Effekte der Quantenphysik außer acht lässt (weitere Informationen zu den beiden Bedeutungen des Wortes bietet das Vertiefungsthema Der doppelte Urknall).

Eine Einführung in die Grundlagen dieser Modelle bietet das Kapitel Kosmologie von Einstein für Einsteiger.

Informationen zu einer Reihe weiterer Aspekte der Urknallmodelle finden sich bei den Vertiefungsthemen in der Kategorie Kosmologie.

Einheitliche internationale Zeitkoordinate; Grundlage der gesetzlichen Zeit in Deutschland und in vielen weiteren Ländern. Die Bestimmung der UTC und die relativistischen Effekte, die dabei eine Rolle spielen, sind Inhalt des Vertiefungsthemas Wie Zeit gemacht wird.

Siehe Ultraviolett-Strahlung.

Ein Modelluniversum, das einerseits den Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie folgt – und damit eine Lösung der Einsteingleichungen darstellt – und das andererseits keinerlei Materie enthält.

Neben dem Minkowskiraum, der sowohl frei von Materie als auch frei von jeglicher Gravitation ist (und in dem die Gesetze der Speziellen Relativitätstheorie gelten) sind die bekanntesten Vakuumlösungen Modelluniversen, die ein einzelnes Schwarzes Loch enthalten, insbesondere die Schwarzschild-Lösung und die Kerr-Lösung.

Ein Vektor ist eine physikalische Größe, die durch einen Zahlenwert und eine Richtung definiert ist. Wichtige Beispiele sind Geschwindigkeit (der Zahlenwert gibt an, wie schnell die Bewegung stattfindet, die Richtung die Bewegungsrichtung) und Kraft (der Zahlenwert gibt die Stärke der Kraft an; zusätzlich muss angegeben werden, in welche Richtung die Kraft wirkt).

Ist jedem Ort in einer Raumregion während eines gewissen Zeitraums zu jedem Moment ein bestimmter Wert einer gegebenen physikalischen Größe zugeordnet, so sprechen Physiker von einem Feld der betreffenden Größe. Ist die Größe ein Vektor, dann handelt es sich um ein Vektorfeld. Beispiele sind ein Geschwindigkeitsfeld, bei dem jeder infinitesimal kleinen Region einer Flüssigkeit die Flussgeschwindigkeit der darin enthaltenen Materie zugeordnet ist, und ein Gravitationsfeld.

Von der Verschmelzung schwarzer Löcher spricht man, wenn zwei solche Objekte infolge des Inspirals miteinander kollidieren und sich zu einem einzigen, größeren schwarzen Loch vereinen. Die Abstrahlung von Gravitationswellen erreicht in diesem Moment ihren Höhepunkt.

Virgo ist ein französisch-italienischer Gravitationswellendetektor, der zunächst bis 2011 in Betrieb war und anschließend zu Advanced Virgo umgebaut wurde, der zehnmal empfindlicher sein soll. Dieser ging 2017 in den Betrieb. Seither dient er zusammen mit LIGO, GEO600 und KAGRA der Erforschung des Weltalls mithilfe von Gravitationswellensignalen.

Der uns nächste größere Galaxienhaufen. Der Virgo-Haufen ist rund 50 Millionen Lichtjahre von uns entfernt, steht am Nachthimmel im Sternbild Jungfrau (lateinisch: virgo) und besteht aus rund 2000 Galaxien.

Ein Verfahren, zwei oder noch mehr Radioteleskope über größere Entfernungen („very long baseline“ – sehr große Basisabstände zwischen den Teleskopen) so zusammenzuschalten, dass sie sich in einiger Hinsicht wie ein einziges großes Teleskop verwenden lassen. Dabei werden die Welleneigenschaften der empfangenen Radiosignale ausgenutzt, insbesondere die Möglichkeit, solche Wellen zu überlagern (Interferenz).

Mit Hilfe von VLBI lassen sich zum einen detailreiche Bilder ferner kosmischer Objekte (beispielsweise Radiogalaxien) gewinnen. Zum anderen lässt sich höchst genau bestimmen, wie weit zwei Radioquellen am Himmel auseinanderliegen; das kann beispielsweise genutzt werden, um die relativistische Lichtablenkung im Gravitationsfeld der Sonne mit großer Genauigkeit zu messen.

A method of interconnecting two or even more radio telescopes over long distances (very large baseline distances between telescopes) in such a way that they can be used, in some respects, like a single large telescope. This is done by exploiting the wave properties of the received radio signals, in particular the ability to superimpose.

On the one hand, VLBI can be used to obtain detailed images of distant cosmic objects (such as radio galaxies). On the other hand, it is possible to determine with high precision how far apart two radio sources are in the sky; this can be used, for example, to measure the relativistic deflection of light in the Sun’s gravitational field with great accuracy.

Was wir im Alltag als Wärme kennen, entspricht auf mikroskopischer Ebene (etwa auf Ebene der Atome und Moleküle) einer ungeordneten Bewegung der kleinsten Materiebestandteile – sei es, dass die Moleküle eines Gases durcheinander fliegen, oder die eines Festkörpers gegeneinander vibrieren. Diese ungeordnete Bewegung heißt auch Wärmebewegung und ist umso heftiger, je höher die Temperatur des betroffenen Systems ist (vergleiche den nachfolgenden Eintrag Wärmeenergie).

Synonym: thermische Energie. Die Energie der ungeordneten Durcheinanderbewegung der Bestandteile eines Körpers – etwa die Energie, mit der die Atome oder Moleküle eines Gases durcheinanderfliegen, oder die eines Festkörpers gegeneinander vibrieren. Führt man einem Körper weitere Energie zu, die in Wärmeenergie umgesetzt wird, so erhöht sich dabei seine Temperatur.

Im engeren Sinne: Synonym für Infrarotstrahlung.

Im weiteren Sinne: Die elektromagnetische Strahlung, die jeder Körper, dessen Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts liegt, einem Grundgesetz der Wärmelehre folgend abstrahlt. Die Energieverteilung dieser Strahlung (ihr Spektrum) hängt von der Temperatur des Körpers ab. Im einfachsten Fall, dem eines Schwarzen Körpers, ist die Temperatur sogar der einzige Parameter, von dem die Strahlungseigenschaften abhängen.

Für Alltagstemperaturen, etwa bei einer nicht allzu heißen Kochplatte, wird die Wärmestrahlung vor allem als Infrarotstrahlung abgestrahlt. Bei noch höheren Temperaturen wird auch sichtbares Licht abgestrahlt – eine sehr heiße Kochplatte wird erst dunkelrot, dann ein immer helleres Rot, flüssiges Metall wird gelblich und schließlich sogar weiß. In extremeren Situationen jenseits des Alltags kann die Wärmestrahlung noch wesentlich höhere Energie besitzen – Gase in der Akkretionsscheibe eines Schwarzen Lochs beispielsweise sind so heiß, dass sie riesige Mengen an Wärmestrahlung im Röntgenbereich abstrahlen!

Das leichteste (und in unserem Universum: das häufigste) chemische Element. Der Atomkern eines Wasserstoffatoms ist üblicherweise ein einzelnes Proton. Enthält der Atomkern zusätzlich ein Neutron, handelt es sich um so genannten schweren Wasserstoff oder Deuterium.

Atomuhr, die ihren Takt über die Schwingungsdauer der elektromagnetischen Strahlung definiert, die bei einem bestimmten Übergang des Elektrons im Wasserstoffatom freigesetzt wird. Der entsprechende Übergang ist auch Astronomen bekannt – er ist für die (nach ihrer Wellenlänge benannte) „21 cm-Linie“ verantwortlich.

Art und Weise, wie Elementarteilchen oder zusammengesetzte Teilchen einander beeinflussen können, in der Elementarteilchenphysik synonym zu Kraft.

Das Standardmodell der Elementarteilchen kennt drei grundlegende Wechselwirkungen: den Elektromagnetismus, die Starke Kernkraft und die Schwache Kernkraft. Eine weitere Wechselwirkung, die Gravitation, ist bislang noch nicht in die Elementarteilchenphysik eingegliedert.

Sterne mit bis zu acht Sonnenmassen kollabieren, wenn sie den zur Aufrechterhaltung der Kernfusion nötigen Brennstoff an leichten Atomkernen aufgebraucht haben, zu einem Weißen Zwerg – einem vergleichsweise kleinen, dichten Gasball, der durch den so genannten Entartungsdruck der Elektronen, einen auf quantenphysikalischen Effekten basierenden Druck, vor weiterem Kollaps bewahrt wird.

Allgemein: Ein Muster, das sich ausbreitet, ohne dass dabei notwendigerweise Materie mittransportiert wird. Beispiele kennen wir aus dem Alltag: Wasserwellen, deren Berge und Täler über die Wasseroberfläche wandern – obwohl die Wassermoleküle selbst nicht mitwandern, sondern sich allenfalls hin- und herbewegen. Eine Laola-Welle die entsteht, wenn Zuschauer etwa im Fußballstadion in koordinierter Weise aufstehen und sich setzen.

Besonders einfache Wellen sind sinusförmig – bei ihnen folgt regelmäßig Wellenberg auf Wellental.

Am Beispiel der Gravitationswellen werden die grundlegenden Welleneigenschaften in dem Vertiefungsthema Die Wellennatur der Gravitationswellen vorgeführt.

Für einfache Wellen, bei denen in perfekter Regelmäßigkeit Minima und Maxima, Wellentäler und Wellenberge aufeinander folgen, lässt sich eine charakteristische Wellenlänge definieren: Die Wellenlänge ist der Abstand von einem Maximum zum darauffolgenden Maximum.

Anderer Name für die kosmische Zeit in Urknallmodellen: Die Zeit, gemessen ab dem Urknall auf einer Uhr, die auf einer der Expansionsbewegung folgenden Galaxie angebracht ist.

Ein punktförmiges Objekt überstreicht in der vierdimensionalen Raumzeit eine Linie, die Weltlinie genannt wird und anzeigt, wo sich das Objekt zu jedem gegebenen Zeitpunkt im Raum befindet.

Siehe UTC (Universal Coordinated Time, Weltzeit)

Eine besondere Art von Raumzeitsingularität (also einer Grenze, an der die Raumzeit endet), die mit unendlich starken Gezeitenkräften assoziiert ist.

Weitere Informationen über die verschiedenen Arten von Singularitäten bietet das Vertiefungsthema Raumzeitsingularitäten.

Eines der Grundgesetze für die einfachste Form der Wärmestrahlung – der Strahlung eines Schwarzen Körpers: Das Produkt aus der Temperatur solch eines Schwarzen Körpers (in Kelvin) und der Wellenlänge, bei der er am meisten Wärmestrahlung aussendet, ist eine universelle Konstante.

Satellitenteleskop der NASA zur Vermessung der Eigenschaften der kosmischen Hintergrundstrahlung.

Webseiten von WMAP

Siehe Eintrag Plancksche Konstante, Plancksches Wirkungsquantum

Einstein’s general theory of relativity can be used to construct model universes in which shortcuts in space exist. For certain regions of space one has two possibilities to travel from one to the other – one conventionally through space, the other by entering a spherical region, a „mouth“ of the wormhole, to come out near the target in a similar region, the other mouth – without having to travel a long distance on the way from one mouth to the other. If the two wormhole mouths could be set in motion relative to each other, it would even be possible to create a time shift: anyone who dives into one mouth of the wormhole and comes out at the other end would have travelled a little into the future or the past.

According to all we know, wormholes are certainly very unrealistic and speculative model universes. In order to stabilize a wormhole to such an extent that it would be traversable, one would need matter with highly exotic properties – it is quite possible that for this reason alone, there are no wormhole shortcuts in the real universes.

Mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie lassen sich Modelluniversen konstruieren, in denen Raumabkürzungen existieren. Für bestimmte Raumregionen gibt es dann zwei Möglichkeiten, von einer zur anderen zur reisen – einmal herkömmlich durch den Raum, zum anderen, in dem man in eine kugelförmige Region eintaucht, einen „Mund“ des Wurmlochs, um nahe dem Ziel in einer ähnlichen Region herauszukommen, dem anderen Mund – ohne, dass man auf dem Weg vom einen Mund zum anderen eine große Entfernung hätte zurücklegen müssen. Gelänge es, die beiden Wurmlochmünder relativ zueinander in Bewegung versetzen, könnte man sogar eine Zeitverschiebung erzeugen: Wer in den einen Mund des Wurmlochs eintauchte und am anderen Ende herauskäme, wäre dabei ein wenig in die Zukunft oder in die Vergangenheit gereist.

Nach allem, was wir wissen, sind Wurmlöcher freilich sehr unrealistische und spekulative Modelluniversen. Um ein Wurmloch soweit zu stabilisieren, dass es durchquerbar würde, würde man Materie mit höchst exotischen Eigenschaften benötigen – gut möglich, dass es schon aus diesem Grund im wirklichen Universen keine Wurmloch-Abkürzungen gibt.

Röntgensatellit der Europäischen Weltraumagentur ESA und der amerikanischen NASA; im All seit Dezember 1999. Als Weltraumteleskop für Röntgenstrahlung ist XMM-Newton besonders geeignet für die Erforschung der Umgebund von Schwarzen Löchern.

> XMM-Newton-Seiten der NASA
> XMM-Newton Science Operations Centre Home Page (ESA)

In der Physik werden sehr große und sehr kleine Zahlenwerte üblicherweise mit Hilfe von Potenzen der Zahl 10 geschrieben. Für große Zahlen ist 10ⁿ, mit n einer nichtnegative ganzen Zahl, eine 1 mit n nachfolgenden Nullen, beispielsweise:

10⁰ = 1 = Eins
10¹ = 10 = Zehn
10² = 100 = Hundert
10³ = 1000 = Tausend
10⁶ = 1.000.000 = eine Million
10⁹ = 1.000.000.000 = eine Milliarde
10¹² = 1.000.000.000.000 = eine Billion
10¹⁵ = 1.000.000.000.000.000 = eine Billiarde

Sehr kleine Bruchteile lassen sich als 10^-n, mit n einer nichtnegativen ganzen Zahl schreiben. n zählt auch hier die Nullen:

Zahlen, die keine glatte Potenz der Zahl zehn sind, lassen sich schreiben, indem man die Zehnerpotenz als Faktor herauszieht: So ist etwa

1748 = 1,748·1000 = 1,748·10³

in Taschenrechnern auch geschrieben 1,748E3. Als Beispiel für eine kleine Zahl ist

0,000.4175.5 = 4,1755·0,0001 = 4,1755·10^-4 = 4,1755E-4.

Dass in unserer Welt nicht alles auf ein Mal passiert, sondern dass gewisse Ereignisse in bestimmter Reihenfolge nacheinander stattfinden, ist eine Alltagserfahrung. Die Zeitkoordinate (kurz: Zeit), so, wie sie die Physiker definieren, ist eine Vorschrift, jedem Ereignis einen Zahlenwert zuzuordnen, der diese Reihenfolge wiedergibt. Der erste Schritt ist die Konstruktion einer Uhr: Dazu wird ein bestimmter einfacher Vorgang gewählt, der sich regelmäßig wiederholt. (Was dabei „regelmäßig“ heißt, ist wieder eine Sache der Konvention, doch scheint die Natur so eingerichtet sein, dass alle einfachen Vorgänge, vom Hin- und Herschwingen eines Pendels bis zu den Schwingungsvorgängen von Atomen oder von elektronischen Schwingkreisen auf denselben Begriff der Regelmäßigkeit führen.) Dann wird ein Zählwerk konstruiert, das den Zählerstand der Zeitkoordinate bei jeder Wiederholung des gewählten einfachen Vorgangs erhöht. Damit lässt sich zumindest Ereignissen, die nahe der Uhr stattfinden, eine Zeit zuordnen, nämlich den Zählerstand der Uhr. Findet Ereignis B nach Ereignis A statt, so entspricht Ereignis B auch ein höherer Zählerstand.

Um Ereignissen eine Zeit zuzuordnen, die nicht direkt am Ort der Uhr stattfinden, ist zudem eine Definition der Gleichzeitigkeit vonnöten – dass ein fernes Ereignis A zum Zeitpunkt 12:00 Uhr stattfindet heißt schließlich gerade, dass das Ereignis A und die 12:00 Uhr-Anzeige der Uhr gleichzeitig stattfinden. Dass es notwendig ist, hier eine Definition zu treffen ist ein zentraler Baustein der Speziellen Relativitätstheorie und samt Einsteinscher Gleichzeitigkeitsdefinition Inhalt eines eigenen Vertiefungsthemas Die Unselbstverständlichkeit des Jetzt.

Sind all diese Vorbereitungen getroffen können die Physiker im Prinzip jedem Ereignis einen Zeitkoordinatenwert („eine Zeit“) zuordnen und genauer beschreiben, wie schnell oder langsam beobachtbare Prozesse oder Entwicklungen relativ zu der gewählten Zeitkoordinate stattfinden.

Zur Umsetzung solcher Verfahren zur Zeit(koordinaten)bestimmung siehe das Vertiefungsthema Zeitbestimmung mit Radiosignalen – von der Funkuhr zur Satellitennavigation.

Zum einen ein Effekt der Speziellen Relativitätstheorie: Aus Sicht eines Beobachters (genauer: eines Inertialbeobachters) geht eine relativ zu ihm bewegte Uhr langsamer als eine baugleiche Uhr, die neben ihm ruht. Dasselbe gilt für alle Prozesse, die in einem bewegten Bezugssystem stattfinden, beispielsweise in einem an unserem Beobachter vorbeifliegenden Raumschiff: Die Uhren und alle Vorgänge in dem Raumschiff sind aus Sicht unseres Beobachters in derselben Weise verlangsamt.

Die scheinbar paradoxe Wechselseitigkeit der Zeitdilatation – für zwei bewegte Inertialbeobachter gehen jeweils die Uhren des anderen langsamer! – behandelt das Vertiefungsthema Die Dialektik der Relativität. Mit einem geometrischen Analogon zur Zeitdilatation beschäftigt sich das Vertiefungsthema Zeitdilatation und Wanderschaft, während sich in Von der Lichtuhr zur Zeitdilatation eine einfache Ableitung der Zeitdilatation aus den Grundpostulaten der Speziellen Relativitätstheorie findet.

Die gravitative Zeitdehnung dagegen ist ein Effekt der Allgemeinen Relativitätstheorie: Eine Uhr geht umso langsamer, je näher sie einer Masse (oder sonstigen Gravitationsquelle) ist. Das lässt sich beispielsweise feststellen, wenn man die Uhren mit Hilfe von Lichtsignalen vergleicht.

Griechischer Philosoph (5. Jahrhundert vor unserer Zeitrechnung), der sich mit der Einheit alles Seienden, und im Zusammenhang damit insbesondere mit den Paradoxien der Teilbarkeit von Raum und Zeit und den Grundeigenschaften von Bewegung beschäftigte.

Scheinkraft, die ein Beobachter in einem rotierenden Bezugssystem einführen muss um zu erklären, warum so gut wie alle Objekte von der Drehachse fort nach außen beschleunigt werden.

Siehe Aggregatzustand.

Effekt der Speziellen Relativitätstheorie, Variation der Zeitdilatation: Ein Zwilling, der sich in eine hochgezüchtete Rakete setzt und fast mit Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum fliegt ist, wenn er zur Erde zurückkehrt, weniger stark gealtert als der Zwilling, der auf der Erde geblieben ist. Da nur bei genauerem Hindenken klar wird, warum der fliegende Zwilling den Spieß nicht einfach umdrehen, sich als ruhend definieren und für den anderen Zwilling ein Jüngerbleiben ableiten kann, ist diese Situation auch als Zwillingsproblem oder gar Zwillingsparadoxon bekannt.

Um die Grundlagen des Zwillingsproblems geht es im Vertiefungsthema Die problematischen Zwillinge, um eine einfache geometrische Analogie von Zwillingen in der Raumzeit und Wanderern im alltäglichen Raum im Vertiefungsthema Zwillinge und Wanderer.