Was ist Gravitation?
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- Ina Hase
- vor 8 Jahren
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1 Was ist Gravitation? Über die Einheit fundamentaler Wechselwirkungen Hans Peter Nilles Physikalisches Institut Universität Bonn Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 1/19
2 Wie gewiss ist Wissen?...die Paradigmen von morgen, werden das Erscheinungsbild unseres Wissens gründlich ändern? Alles nur eine Mode der Zeit? Können wir Fortschritte in unserem Verständnis natürlicher Phänomene feststellen? Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 2/19
3 Wie gewiss ist Wissen?...die Paradigmen von morgen, werden das Erscheinungsbild unseres Wissens gründlich ändern? Alles nur eine Mode der Zeit? Können wir Fortschritte in unserem Verständnis natürlicher Phänomene feststellen? Fundamentale Kräfte: Was wissen wir? Was ist unabhängig von zeitgeschichtlichen Paradigmen? Was könnte sich in unserem Verständnis ändern? Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 2/19
4 Was ist Kraft? Klassifikation: welche Kräfte gibt es? Muskelkraft Wasserkraft, Sonnenkraft (Sonnenenergie) Himmelskraft Lebenskraft... Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 3/19
5 Was ist Kraft? Klassifikation: welche Kräfte gibt es? Muskelkraft Wasserkraft, Sonnenkraft (Sonnenenergie) Himmelskraft Lebenskraft... Wichtig ist eine präzise Definition: Was bewirkt eine Kraft? Gibt es fundamentale Kräfte? Was ist der Ursprung dieser Kräfte? Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 3/19
6 Gravitation Definition des Begriffes Kraft Grundlegende Erkenntnisse zur Schwerkraft (Gravitation) (I. Newton, ) Kraft = Masse x Beschleunigung Bewegung der Himmelskörper und Erdanziehung haben den gleichen Ursprung und werden durch die gleichen Gesetze beschrieben! Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 4/19
7 Wie gewiss ist Wissen?...die Paradigmen von morgen werden das Erscheinungsbild unseres Wissens gründlich ändern? Alles nur eine Mode der Zeit? Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 5/19
8 Wie gewiss ist Wissen?...die Paradigmen von morgen werden das Erscheinungsbild unseres Wissens gründlich ändern? Alles nur eine Mode der Zeit? Gravitation: Planetenbewegungen und Erdanziehung sind von gleichem Ursprung und folgen gleichen Gesetzen! Gleichgültig was nun der genaue Ursprung der Gravitation sein könnte: obige Aussage unterliegt nicht der Mode der Zeit! Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 5/19
9 Wie gewiss ist Wissen?...die Paradigmen von morgen werden das Erscheinungsbild unseres Wissens gründlich ändern? Alles nur eine Mode der Zeit? Gravitation: Planetenbewegungen und Erdanziehung sind von gleichem Ursprung und folgen gleichen Gesetzen! Gleichgültig was nun der genaue Ursprung der Gravitation sein könnte: obige Aussage unterliegt nicht der Mode der Zeit! Die Gravitation erscheint als fundamentale Kraft. Gibt es weitere fundamentale Kräfte? Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 5/19
10 Elektrizität und Magnetismus Maxwellsche Gleichungen Elektromagnetische Wechselwirkungen J. C. Maxwell, Die Einheit von Elektrizität und Magnetismus Der Begriff des elektromagnetischen Feldes Endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit! Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 6/19
11 Elektromagnetische Wellen Elektromagnetisches Feld hat physikalische Bedeutung und ist nicht nur ein mathematisches Konstrukt. (H.Hertz, ) Die Entdeckung der elektromagnetischen Wellen Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit! Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 7/19
12 Die Substanz des Feldes Spezielle Relativitätstheorie Photo-Effekt: Lichtquanten (Photonen) (A. Einstein, ) Feld-Quanten als Substanz der Kraftfelder das Konzept des Austauschteilchens fundamentaler Wechselwirkungen Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 8/19
13 Allgemeine Relativitätstheorie Die allgemeine Relativitätstheorie ist eine Erweiterung der Newtonschen Theorie der Gravitation beschrieben durch ein Gravitationsfeld endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der gravitationellen Wirkung Gravitation als geometrische Eigenschaft (Krümmung) der Raum-Zeit Existenz von Gravitationswellen? Graviton als Feldquant? Gravitationswechselwirkungen sehr viel schwächer als elektromagnetische Wechselwirkungen. Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 9/19
14 Fundamentale Wechselwirkungen Zu diesem Zeitpunkt kannte man zwei fundamentale Wechselwirkungen Gravitation und Elektromagnetismus Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 10/19
15 Fundamentale Wechselwirkungen Zu diesem Zeitpunkt kannte man zwei fundamentale Wechselwirkungen Gravitation und Elektromagnetismus Physik der Atome und Moleküle kann komplett durch elektromagnetische Wechselwirkungen erklärt werden Suche nach einheitlicher Theorie (Welt-Formel) Entdeckung zweier neuer (offenbar fundamentaler) Kräfte Schwache und starke Wechselwirkung im subatomaren Bereich Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 10/19
16 Fundamentale Wechselwirkungen Starke Wechselwirkung: Stärke 1, Reichweite cm Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 11/19
17 Fundamentale Wechselwirkungen Starke Wechselwirkung: Stärke 1, Reichweite cm Elektromagnetismus: Stärke 10 2, Reichweite, Photon, Spin 1 Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 11/19
18 Fundamentale Wechselwirkungen Starke Wechselwirkung: Stärke 1, Reichweite cm Elektromagnetismus: Stärke 10 2, Reichweite, Photon, Spin 1 Schwache Wechselwirkung: Stärke 10 5, Reichweite cm Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 11/19
19 Fundamentale Wechselwirkungen Starke Wechselwirkung: Stärke 1, Reichweite cm Elektromagnetismus: Stärke 10 2, Reichweite, Photon, Spin 1 Schwache Wechselwirkung: Stärke 10 5, Reichweite cm Gravitation: Stärke 10 38, Reichweite, Graviton, Spin 2 Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 11/19
20 Theoretische Entwicklungen Quantenelektrodynamik (QED) als quantenmechanisch korrekte Beschreibung der elektromagnetischen Wechselwirkungen Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 12/19
21 Theoretische Entwicklungen Quantenelektrodynamik (QED) als quantenmechanisch korrekte Beschreibung der elektromagnetischen Wechselwirkungen Konzept der Eichtheorien (Yang-Mills Theorien) als Verallgemeinerung der QED Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 12/19
22 Theoretische Entwicklungen Quantenelektrodynamik (QED) als quantenmechanisch korrekte Beschreibung der elektromagnetischen Wechselwirkungen Konzept der Eichtheorien (Yang-Mills Theorien) als Verallgemeinerung der QED Die Beschreibung von schwacher und starker Wechselwirkung im Rahmen von Eichtheorien Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 12/19
23 Theoretische Entwicklungen Quantenelektrodynamik (QED) als quantenmechanisch korrekte Beschreibung der elektromagnetischen Wechselwirkungen Konzept der Eichtheorien (Yang-Mills Theorien) als Verallgemeinerung der QED Die Beschreibung von schwacher und starker Wechselwirkung im Rahmen von Eichtheorien Einheitliche Beschreibung von schwacher Wechselwirkung und Elektromagnetismus Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 12/19
24 Glashow-Salam-Weinberg Beschreibung der schwachen und elektromagnetischen WW im Rahmen der Eichtheorie SU(2) U(1) Vorhersage der Eichbosonen W +,W,Z (1967) Nachweis 1983 am CERN in Genf Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 13/19
25 Fundamentale Wechselwirkungen Starke Wechselwirkung: Stärke 1, Reichweite cm, Gluon, Spin 1 Elektromagnetismus: Stärke 10 2, Reichweite, Photon, Spin 1 Schwache Wechselwirkung: Stärke 10 5, Reichweite cm, W +,W,Z, Spin 1 Gravitation: Stärke 10 38, Reichweite, Graviton, Spin 2 Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 14/19
26 Evolution der Eichkopplungen Αi log 10 Μ GeV Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 15/19
27 Grand Unification Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 16/19
28 Gravitation heute Klassisch beschrieben durch die allgemeine Relativitätstheorie Einsteins Gravitationsfeld mit endlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit der gravitationellen Wirkung Gravitationswellen? Graviton als Feldquant (Spin 2)? Gravitation als Geometrie der Raum-Zeit schwächste der fundamentalen Kräfte Aber: bisher keine konsistente Einbettung in die Quantentheorie! Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 17/19
29 Quanten-Gravitation Die Suche nach der Weltformel Stringtheorie zusätzliche Raumdimensionen (Kaluza-Klein) 10-dimensionale Raumzeit und Bran-Welten holographisches Prinzip AdS/CFT Dualität Die Gravitation ist die bisher am wenigsten verstandene der fundamentalen Kräfte! Alle bekannten Kräfte könnten ihren Ursprung in höherdimensionaler Gravitation finden. Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 18/19
30 Die Rolle der Wechselwirkungen Starke Wechselwirkung: Stabilität der Atomkerne und damit aller Materie Elektromagnetismus: Atom- und Molekülphsik, Biologie Schwache Wechselwirkung: Sternentwicklung, Sonnenenergie Gravitation: Entwicklung des Kosmos als Ganzem Alle fundamentalen Wechselwirkungen sind von großer Bedeutung für unsere Existenz! Was ist Gravitation, Stuttgart, November 2010 p. 19/19
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