Was ist Gravitation?

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1 Was ist Gravitation? Über die Einheit fundamentaler Wechselwirkungen zur Natur schwarzer Löcher Hans Peter Nilles Physikalisches Institut, Universität Bonn Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 1/28

2 Schwerkraft=Gravitation die wohl am längsten bekannte Kraft erste bedeutende Erkenntnisse durch Newton Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins trotzdem bisher nur sehr eingeschränktes Verständnis: die am wenigsten verstandene der fundamentalen Kräfte Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 2/28

3 Schwerkraft=Gravitation die wohl am längsten bekannte Kraft erste bedeutende Erkenntnisse durch Newton Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins trotzdem bisher nur sehr eingeschränktes Verständnis: die am wenigsten verstandene der fundamentalen Kräfte Gravitation und Quantentheorie? das Jahrhundertproblem das Rätsel der schwarzen Löcher Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 2/28

4 Schwarzes Loch Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 3/28

5 Schwerkraft=Gravitation die wohl am längsten bekannte Kraft erste bedeutende Erkenntnisse durch Newton Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins trotzdem bisher nur sehr eingeschränktes Verständnis: die am wenigsten verstandene der fundamentalen Kräfte Gravitation und Quantentheorie? das Jahrhundertsproblem das Rätsel der schwarzen Löcher Fortschritt auf Umwegen: müssen wohl zuerst die anderen Kräfte verstehen. Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 4/28

6 Was ist Kraft? Klassifikation: welche Kräfte gibt es? Muskelkraft Wasserkraft, Sonnenkraft (Sonnenenergie) Himmelskraft Lebenskraft... Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 5/28

7 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, UniClub Bonn, März p. 5/28

8 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, UniClub Bonn, März p. 6/28

9 Fundamentale Kräfte genügen einfachen Gesetzen tragen zum Verständnis der Naturphänomene bei vereinheitlichte Beschreibung der Kräfte Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 7/28

10 Fundamentale Kräfte genügen einfachen Gesetzen tragen zum Verständnis der Naturphänomene bei vereinheitlichte Beschreibung der Kräfte Gravitation: Gravitation erscheint (vorläufig) als fundamental gibt es andere fundamentale Kräfte? Elektrizität? Magnetismus? Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 7/28

11 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, UniClub Bonn, März p. 8/28

12 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, UniClub Bonn, März p. 9/28

13 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, UniClub Bonn, März p. 10/28

14 Allgemeine Relativitätstheorie Die allgemeine Relativitätstheorie ist die relativistische 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, UniClub Bonn, März p. 11/28

15 Fundamentale Wechselwirkungen Zu diesem Zeitpunkt kannte man zwei fundamentale Wechselwirkungen Gravitation und Elektromagnetismus Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 12/28

16 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, UniClub Bonn, März p. 12/28

17 Fundamentale Wechselwirkungen Starke Wechselwirkung: Stärke 1, Reichweite cm Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 13/28

18 Fundamentale Wechselwirkungen Starke Wechselwirkung: Stärke 1, Reichweite cm Elektromagnetismus: Stärke 10 2, Reichweite, Photon, Spin 1 Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 13/28

19 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, UniClub Bonn, März p. 13/28

20 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, UniClub Bonn, März p. 13/28

21 Theoretische Entwicklungen Einbettung der Wechselwirkungen im Rahmen der Quantentheorie (=Quantenfeldtheorie) Quantenelektrodynamik (QED) als quantenmechanisch korrekte Beschreibung der elektromagnetischen Wechselwirkungen Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 14/28

22 Theoretische Entwicklungen Einbettung der Wechselwirkungen im Rahmen der Quantentheorie (=Quantenfeldtheorie) Quantenelektrodynamik (QED) als quantenmechanisch korrekte Beschreibung der elektromagnetischen Wechselwirkungen Konzept der Eichtheorien (Yang-Mills Theorien) als Verallgemeinerung der QED Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 14/28

23 Theoretische Entwicklungen Einbettung der Wechselwirkungen im Rahmen der Quantentheorie (=Quantenfeldtheorie) 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, UniClub Bonn, März p. 14/28

24 Theoretische Entwicklungen Einbettung der Wechselwirkungen im Rahmen der Quantentheorie (=Quantenfeldtheorie) 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, UniClub Bonn, März p. 14/28

25 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, UniClub Bonn, März p. 15/28

26 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, UniClub Bonn, März p. 16/28

27 Evolution der Eichkopplungen Αi log 10 Μ GeV Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 17/28

28 Grand Unification Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 18/28

29 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 Konsistente Einbettung in die Quantentheorie noch nicht geglückt! Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 19/28

30 Probleme der Gravitation Probleme sind rein theoretischer Natur Singularitäten und Renormierbarkeit Graviton als Feldquant (Spin 2)? Schwarzschildlösung und schwarze Löcher Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 20/28

31 Sschwarzschild-Metrik Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 21/28

32 Schwarzes Loch Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 22/28

33 Die Rätsel schwarzer Löcher Hawking-Strahlung: das schwarze Loch ist gar nicht schwarz der Horizont des schwarzen Loches Oberfläche und Volumen: holographisches Prinzip Entropie wächst mit der Oberfläche der Horizont als physikalisches Objekt Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 23/28

34 Dualitäten Dualitäten der Stringtheorie verknüpfen verschiedene Theorien AdS/CFT relevant für die Gravitation eine Quantenfeldtheorie am Rand beschreibt Gravitation im Innern (J. Maldacena, ) vielfältige Anwendungen (AdS/QCD, AdS/CondMat...) erlaubt quantenmechanisch konsistente Beschreibung schwarzer Löcher Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 24/28

35 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 als Chamäleon Alle bekannten Kräfte könnten ihren Ursprung in höherdimensionaler Gravitation finden. oder die Gravitation ist nichts anderes als eine Eichtheorie am Rande des Volumens. Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 25/28

36 Vereinheitlichte Wechselwirkungen Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 26/28

37 Die Rolle der Wechselwirkungen Starke Wechselwirkung: Stabilität der Atomkerne und damit aller Materie Elektromagnetismus: Atom- und Molekülphysik, Biologie Schwache Wechselwirkung: Sternentwicklung, Sonnenenergie Gravitation: Entwicklung des Kosmos als Ganzem Alle fundamentalen Wechselwirkungen sind von großer Bedeutung für unsere Existenz! Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 27/28

38 Calabi Yau Manifold Was ist Gravitation, UniClub Bonn, März p. 28/28

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