Grundkräfte des Universums

Grundkräfte des Universums

Wir erkennen vier bis fünf Grundkräfte des Universums. Sie haben sich seit dem Urknall herausgebildet.

  1. Gravitation. Sie wirkt zwischen Massen.
  2. Elektrische Kraft. Sie wirkt zwischen Teilchen mit der Eigenschaft „elektrische Ladung“.
  3. Magnetische Kraft. Sie wirkt zwischen Teilchen mit der Eigenschaft „magnetisch“.
  4. Starke Wechselwirkung. Sie hält in Protonen und Neutronen die Quarks zusammen, aus denen sie bestehen.
  5. Schwache Wechselwirkung. Sie spielt eine Rolle bei einer Art des radioaktiven Zerfalls. Zusammenhang mit Neutrinos.

Die 2. und 3. Kraft wird oft als „elektromagnetische Kraft“ zusammengefasst. Dann wären es insgesamt vier Grundkräfte, von denen man spricht.

Kräfte werden auch als Wechselwirkungen bezeichnet. Dieses Thema wird also auch als „fundamentale Wechselwirkungen“ beschrieben. Übrigens: Kräfte sind Erscheinungen, die die Geschwindigkeiten von Körpern verändern können.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Fundamentale_Wechselwirkung


Diese Texte sind Starthilfen zum Lernen. Sie geben Ihnen einen Einblick, worum es bei dem Thema geht. Die Idee. Achtung: Es ist möglicherweise nicht unbedingt genau das, was Ihr:e Prüfer:in darüber hören möchte. Es ist auch nicht der ganze Stoff. Machen Sie sich nach dem Lesen des Textes ein eigenes Bild mit Ihren Büchern und den anderen Quellen. Ein freies Online-Schulbuch aus Österreich: https://physikbuch.schule, aus Deutschland: https://www.leifiphysik.de/. Weitere empfehlenswerte Schulbuchreihen der Oberstufe aus Österreich: Big Bang, Sexl, Physik kompakt.

Newton’sche Axiome

Isaac Newton hat drei Aussagen über Kräfte gemacht, die als Newton’sche Axiome bezeichnet werden. Kräfte sind übrigens jene „Erscheinungen“, die Geschwindigkeiten verändern können. Die also Beschleunigungen hervorrufen können.

  1. Wenn es keine Kraft gibt, bleibt ein Körper ruhig oder in gleichförmiger Bewegung.
  2. Wenn es eine Kraft gibt, wird ein Körper beschleunigt. Je nachdem, welche Masse er hat, unterschiedlich stark.
  3. Wenn dich wer schlägt, schmerzt es die schlagende Person genau so. Kraft ist gleich Gegenkraft.

Klar ist das physikalisch ein wenig anders formuliert, als „Formel“. Die schlägst du am besten nach.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Newtonsche_Gesetze


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Eigenschaften der Masse

Eigenschaften der Masse

Sie begegnen einer Masse im Supermarkt. Und sagen „Hallo“. Wie erkennen Sie, dass eine Masse vor Ihnen steht? Anders gefragt? Was sind die Eigenschaften einer Masse? Wenn Licht vor Ihnen steht, ist das keine Masse. Mhm. Andere Eigenschaften. Nochmals: was sind die Eigenschaften einer Masse?

  1. Eine Masse ist träge. Wenn Sie anstoßen, bleibt sie erst mal stehen und sie tun sich weh an ihr. Erst mit etwas Verzögerung weicht sie zurück, wenn hinter ihr Platz ist. Anderes Experiment: Sie werfen eine Orange in die Luft und zerschlagen/zerschneiden sie mit einem Messer in der Luft. Achtung, aufpassen. Aber in der Zeit, wo das Messer durch die Orange zischt, bleibt sie mal an der Stelle in der Luft. Sie ist träge. Erst dann fällt sie auseinander.
  2. Eine Masse ist schwer. Wenn Sie sie auf die Waage legen, zeigt diese etwas an. Und zwar, wie schwer sie genau ist. Massen reagieren also auf Schwerkraft. Die Waage funktioniert ja genau deswegen, sie zeigt an, wie sehr die Masse von der Erde angezogen wird – wie schwer sie ist.

Es war gar nicht so leicht, zu zeigen, dass die „träge Masse“ gleich der „schweren Masse“ ist, dass also für ein Objekt die beiden Massewerte (in kg) übereinstimmen müssen.

https://de.wikipedia.org/wiki/Masse_(Physik)


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Gravitationswellen (Weiss/Barish/Thorne)

Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit – in „Zeit und Raum“. Man kann sich das vorstellen, wie bei elektromagnetischen Wellen (Licht, Radio, Gammstrahlen etc.): Wenn ein Elektron beschleunigt wird, strahlt es elektromagnetische Wellen ab. In einer Antenne passiert das. Gravitationswellen entstehen, wenn Massen beschleunigt werden. Es müssen große Massen sein, die beschleunigt werden, damit Gravitationswellen messbar werden, zum Beispiel, wenn Schwarze Löcher kollidieren (zusammenstoßen). Es geht bei diesem Thema auch um die Frage, ob die Gravitation im ganzen Universum „sofort“ spürbar ist, oder ob sie sich ausbreitet, so wie das Licht. Letzteres ist der Fall.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Gravitationswelle


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Neutrinooszillationen (Kajita/McDonald)

Neutrinos sind Elementarteilchen, elektrisch neutral, mit sehr geringer Masse. Sie entstehen bei Umwandlungen von Elementarteilchen, zum Beispiel beim radioaktiven Zerfall (beim Beta-Zerfall). Diese Teilchen sind wichtig, weil die Gesamtbilanz von Erhaltungsgrößen nicht stimmen würde. Man kann sich das so vorstellen wie bei einer Schachtel Süßigkeiten. Wenn immer die Gummibärlis fehlen, sie aber niemand im Raum gegessen hat, muss es „etwas“ geben, das sie gegessen hat. Auch wenn man dieses „Etwas“ nicht wahrnimmt. Bei den Neutrinos ist es ähnlich, die Wahrnehmung wäre durch die „schwache Wechselwirkung“ möglich. Große Detektoranlagen können Neutrinos wahrnehmen/messen. Es gibt verschiedene Arten von Neutrinos – und Neutrinos können ihre Art wechseln, das wird „Neutrinooszillation“ genannt.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Neutrino


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Higgs-Teilchen (Englert/Higgs)

Das Higgs-Teilchen ist ein Elementarteilchen, nach dem lange gesucht wurde. Bei Experimenten in einem Elementarteilchenbeschleuniger (CERN) wurde es gefunden. Man sagt: Higgs-Teilchen sind Elementarteilchen, die der Materie Masse verleihen. Das ist eine recht schnelle Formulierung. Warum war es schwierig, das Higgs-Teilchen zu finden? Es sind bei den Experimenten hohe Energien nötig, das Higgs-Teilchen zerfällt rasch, und man kann es nicht einfach so „sehen“, man kann es finden, indem man Daten statistisch analysiert.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Higgs-Boson


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Beschleunigte Expansion des Universums (Perlmutter/Schmidt/Riess)

Das Universum ist im Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren entstanden. Seither dehnt es sich aus. Die Geschwindigkeit dieser Ausdehnung nimmt aber zu. Man spricht von der „beschleunigten Expansion des Universums“. Das Ganze muss man natürlich erklären. Dazu wurde das Konzept „Dunkle Energie“ eingeführt. Wenn es diese „dunkle Energie“ gibt, dann stimmt die Beobachtung mit der Theorie überein. Dafür gab es 2011 den Physik-Nobelpreis für die Astrophysiker Perlmutter, Schmidt und Riess.

Hier stehen die Details sehr schön beschrieben: https://www.weltderphysik.de/gebiet/universum/news/2011/nobelpreis-fuer-physik-2011-geht-an-perlmutter-schmidt-und-riess/


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Graphen (Geim/Novoselov)

Kohlenstoff. Dieses Element kann in zwei bekannten Erscheinungsformen vorkommen: als Graphit (schwarz, weich) und als Diamant (hart, durchsichtig). Es gibt aber auch noch eine dritte Erscheinungsform – Graphen. In Schichten. Für grundlegende Forschung dazu haben Andre Geim und Konstantin Novoselov 2010 den Physik-Nobelpreis erhalten.

Hier gibt es einen guten Übersichtsartikel dazu: https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/news/2010/physik-nobelpreis-an-andre-geim-und-konstantin-novoselov-fuer-die-arbeit-zu-graphen/


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Bose-Einstein-Kondensat (Kettele/Cornell/Wiemann)

Normalerweise können wir Teilchen unterscheiden, auch wenn sie gleich aussehen. Wir könnten sie nummerieren, weil wir sie unterscheiden können. Diese Teilchen bilden sogenannte Aggregatszustände: wir kennen alle „flüssig“, „fest“, „gasförmig“, es gibt aber noch andere. Das Bose-Einstein-Kondensat ist nun ein spezieller Aggregatszustand, in dem die beteiligten Teilchen ununterscheidbar sind, weil sie alle die gleichen Merkmale haben, wir sprechen von „gleichen quantenphysikalischen Zuständen“.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Bose-Einstein-Kondensat


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Quantenelektrodynamik (Feynman)

Die Quantenelektrodynamik beschäftigt sich mit den Phänomen von Elektronen, Positronen und Photonen. Und sie beschäftigt sich mit der elektromagnetischen Kraft. Sie ist eingebettet in den Versuch, Teilchen und Kräfte des Universums zu „ordnen“, sprich: zu verstehen. Der US Physiker Werner Feynman hat wesentlich am Konzept der Quantenelektroynamik gearbeitet.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Quantenelektrodynamik


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Pauliprinzip (Pauli)

Können Teilchen am selben Platz sein? Normalerweise nicht. Außer bei Elementarteilchen. Zum Beispiel bei Elektronen im Atom. Man kann sich vorstellen, dass sie in Orbitalen (Aufenthaltsräumen) organisiert sind. Interessanterweise dürfen zwei Elektronen im selben Orbital sein, wenn sie sich in einer Quantenzahl – dem Spin – unterscheiden. Der hat zwei Möglichkeiten: Spin up, Spin down – und diese zwei Elektronen sind dann „am selben Platz“.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Pauli-Prinzip


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Entdeckung des Positrons (Anderson)

Das Positron ist das Antiteilchen zum Elektron. Wenn es auf ein Elektron trifft, findet die sogenannte „Paarvernichtung“ statt – die beiden löschen sich aus – sie wandeln sich in Energie um. Umgekehrt kann aus Energie ein Positron-Elektron Pärchen entstehen. Positronen sind bei radioaktiven Zerfällen zu finden – das wird auch in der Medizin bei bildgebenden Verfahren ausgenutzt. Positronen entstehen auch bei Stoßprozessen (Wechselwirkung), zum Beispiel dort, wo kosmische Strahlung auf die Atomsphäre der Erde trifft. Der US-Physiker Carl David Anderson hat das Positron erstmals in einer Nebelkammer nachgewiesen, es wurde zuvor von Dirac „postuliert“, das heißt, vorhergesagt.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Positron


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Weiterentwicklung der Quantenphysik (Schrödinger)

Vielleicht erzählt man hier die Geschichte von „Schrödingers Katze“. Ein Gedankenexperiment. Kein Tier kommt zu Schaden.

Eine Katze wird in eine Kiste gesetzt, nach einer Stunde – so weiß man – ist sie mit der Wahrscheinlichkeit 50:50 tot. Wir würden sagen. Sobald wir den Deckel öffnen, sehen wir, ob sie irgendwann gestorben ist. Wir sehen sie lebendig oder tot.

Schrödinger sagt: Bis zum Moment des Öffnens ist die Katze in einem überlagerten Zustand. Im Moment des Öffnens wird der Zustand festgelegt. Sie ist entweder lebendig oder tot.

Das ist die Kurzfassung. Schrödinger erklärte mit diesem Gedankenexperiment das Doppelspaltexperiment. Licht geht durch zwei Löcher gleichzeitig, solange man nicht hinschaut. Man sieht das an einem Interfernzmuster auf der anderen Seite. (Licht ist eine Welle – das muss man daraus schließen). Wenn man aber hinschaut, geht das Licht durch das eine oder durch das andere Loch (das sieht man wieder auf der anderen Seite. (Licht besteht aus Teilchen, das muss man daraus schließen).

Was nun? Eine große Erkenntnis in der Physik: Licht ist beides. Welle und Teilchen zugleich.

Die Quantenphysik ist eigentlich eine formal sehr anspruchsvolle Beschreibung der Welt. Diese Geschichten mit Katzen und Löchern sind Versuche, das Ganze in der Beschreibung, und in Experimenten zu zeigen bzw. verständlich zu machen. Die „Schrödingergleichung“ ist so eine mathematische Beschreibung in der Quantenphysik. Sie ist mathematisch anspruchsvoll. Man wird sie aus Entfernung nicht leicht verstehen, man kann sie sich aber erklären lassen bzw. lernen, was sie beutet.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Schrödingergleichung


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Quantenmechanik (Heisenberg)

Die Quantenmechanik wurde ab 1900 bekannt. Sie stellte einige Gesetze der „klassischen Physik“ (vorher) ziemlich auf dem Kopf.

  1. Viele Größen sind quantisiert, sie kommen nur in bestimmten Mengen vor. Energie zum Beispiel. Drehimpuls. Vielleicht auch die Zeit.
  2. Heisenberg’sche Unschärferelation: Bestimmte Größenpaare kann man nicht Gleichzeit genau bestimmen. Ort und Impuls eines Teilchens, zum Beispiel. Oder Zeit und Energie. Das hat ziemliche Konsequenzen, wenn man das an Beispielen sieht. Man kann zum Beispiel keine Bahnhkurven mehr von Elektronen um den Atomkern zeichnen. Denn das würde bedeutetn, wir wissen, wo die Elektronen sind und in welche Richtung sie sich als nächstes bewegen. Geht nicht. Orbitale müssen nund gezeichnen werden, „Aufenthaltsräume“ um die Atomkerne, wie Wolken, mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, dass sich Elektronen darin befinden.

    Ein Witz: Der Quantenphysiker Werner Heisenberg fährt mit stark überhöhter Geschwindigkeit auf der Autobahn. Er wird angehalten. Der Polist frag ihn: „Wissen Sie, wie schnell Sie fahren“. „Nein“, antwortete der Quantenphysiker, „aber dafür weiß ich genau, wo ich bin.
  3. Welle-Teilchen-Dualismus. Licht ist Welle und Teilchen zugleich.
  4. Messen verändert das Gemessene.
  5. Verschränkung von Teilchen – Beamen erscheint möglich.

Details gibt’s jede Menge, aber auch schon mit dem Wissen um diese 5 Punkte ist die Quantenphysik großartig, spannend und immer noch neu und ganz anders als das, was wir im Alltag erleben.

Schau dir doch diese Details auch an: https://www.phyx.at/worum-geht-es-in-der-quantenphysik/


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De-Broglie-Welle (De-Broglie)

Irgendwann war man sich einig, dass Lichtwellen aus Teilchen bestehen. (Welle-Teilchen-Dualismus). Wenn nun so etwas „wellenartiges“ wie Licht aus Teilchen besteht („Materie“), kann es nicht auch umgekehrt sein, dass man Materie als Welle sehen kann? Kann man. Das Ganze wird „Materiewelle“ genannt und wurde von De Broglie erforscht bzw. erklärt.

Man kann so zum Beispiel Elektronenmikroskopie betreiben. Die Elektronen benehmen sich auch wie Wellen – allerdings mit einer geringeren Wellenlänge als Licht (je mehr Materie/Energie, desto kürzer die Wellenlänge). Damit wird die Auflösung eines Mikroskops besser bzw. genauer.

Schau hier weiter nach: https://de.wikipedia.org/wiki/Materiewelle


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