Die größten Rätsel der Physik
1.) Die klassische Mechanik
1. Ist die Natur durch Physik beschreibbar?
2.) Die Thermodynamik
2. Wie lässt sich unsere turbulente Welt verstehen?
3.) Die Elektrodynamik
3. Wo stecken magnetische Monopole?
4.) Die Relativitätstheorie
4. Was sind Raum und Zeit?
5. Wie viele Dimensionen hat das Universum?
5.) Die Quantentheorie
6. Worin besteht das Messproblem der Quantenmechanik?
7. Was ist Quantengravitation?
8. Quantencomputing – die Technologie von morgen?
9. Was ist künstliche Intelligenz und wo liegen ihre Grenzen?
6.) Die Atomphysik
10. Gibt es Teilchen aus dem Nichts?
11. Wie konstant sind die Naturkonstanten?
12. Worin besteht das Rätsel der heißen Plasmen?
7.) Die Physik der kondensierten Materie
13. Wie funktioniert Hochtemperatur – Supraleitung?
14. Leuchtende Blasen – wie erklärt sich die Sonolumineszenz?
15. Täglich genutzt und doch unverstanden – was sind eigentlich Gläser?
8.) Die Biomolekül- und Biophysik
16. Wie lassen sich Quantenphänomene in Vielteilchensystemen erklären?
17. Lässt sich die Dynamik von Molekülen physikalisch erfassen?
18. Was ist Leben?
19. Wie funktioniert Bewusstsein?
9.) Die Hadronen- und Kernphysik
20. Wie erklären sich die Geheimnisse der Nukleonen?
21. Was passiert zwischen Quarks und Gluonen?
22. Weshalb sind die magnetischen Dipolmomente von Teilchen anormal?
23. Weshalb verletzt die Kernkraft keine Symmetrien?
24. Gibt es die Insel der stabilen Kerne, und wo liegt sie?
10.) Die Teilchenphysik
25. Welche Rolle spielt das Higgsfeld?
26. Welche Rolle spielt das Neutrino im Universum?
27. Wieso gibt es drei Teilchengenerationen?
28. Weshalb gibt es mehr Materie als Antimaterie?
29. Wieso sind die fundamentalen Wechselwirkungen so unterschiedlich stark?
30. Gibt es eine Physik jenseits des Standartmodells?
11.) Die Atomphysik
31. Was ist Dunkle Materie?
32. Wie funktionieren kosmische Beschleuniger?
33. Gravitationswellen, Neutronensterne und Schwarze Löcher – alles klar?
34. Wie entstehen schwere Elemente?
35. Gibt es eine Kosmische Zensur?
12.) Die Kosmologie
36. Was ist die Dunkle Energie?
37. Welche Gestalt hat das Universum und wohin dehnt es sich aus?
38. Wie sieht die „Welt“ hinter dem Kosmischen Horizont aus?
39. Gilt das Kopernikanische Prinzip?
40. Was war am Anfang des Universums, und wie verläuft sein ende?
41. Was sind Ziel und Zweck der Evolution?
42. Weshalb 42 Fragen?
Kurze Antworten der 42 Fragen:
1.) Ende des 19. Jahrhunderts konnte der französische Mathematiker „Henri Poincare´“ nachweisen, dass es schon im Fall von „nur“ 3 miteinander wechselwirkenden Teilchen keine geschlossene mathematische Lösung mehr gibt! Die physikalische Beschreibung des „Dreikörperproblems“ ist nicht mehr EXAKT, sondern nur NÄHERUNGSWEISE und damit NUMERISCH lösbar. Punkt!
2.) In der Natur tritt Chaos sehr häufig in Form von Turbolenzen auf. Beispiel: Wasserfall oder Luftwirbel und Winde! Im Unterschied zu gleichförmigen (laminaren) Strömungen in Flüssigkeiten oder Gasen zeichnet sich eine turbulente Strömung durch unterschiedliche Geschwindigkeiten und Druckschwankungen aus.
3.) Magnetfelder werden nicht durch magnetische Ladungen erzeugt, sondern durch elektrische Ströme, also durch bewegte elektrische Ladungen, oder durch entsprechend magnetisierte Gegenstände. Magnetische „Monopole“ finden sich in klassischen „Permanentmagneten“ nicht! Wenn man einen klassischen „Permanentmagneten“ zerbricht, teilt er sich wieder in einen Nord- und einen Südpol auf! Mit anderen Worten: wir können niemals einen magnetischen „Monopol“ isolieren.
4.) Während Vergangenheit, und Zukunft zeitliche Intervalle beschreiben, ist die Gegenwart nur ein Punkt.
5.) Vielleicht mehr, als wir denken, aber sie sind uns verborgen – wir spüren nur, wenn etwas verschwindet.
6.) In der klassischen Mechanik lassen sich Ort und Geschwindigkeit eines Teilchens messen, beispielsweise einer Billardkugel auf dem Billardtisch. Aber, die gleiche Aussage können wir nicht über ein Quantenteilchen treffen.
7.) Die Wissenschaft versucht, die Allgemeine Relativitätstheorie, die für makroskopische Objekte gilt, mit der Quantentheorie, die für die kleinsten Bausteine gilt, zu vereinigen. Diese „Vereinigung“ ist eine der größten Herausforderungen der Physik.
8.) Die Quantenphysik ist längst ein Teil unseres technischen Alltags geworden. Die gesamte Elektronik in unseren elektrischen „Helfern“ wäre ohne die Kenntnisse der Quantenphysik nicht möglich.
9.) Mit zunehmender Leistungsfähigkeit der experimentellen Methoden, wie dem Teilchenbeschleuniger dem LHC am CERN, steigt auch die Datenmenge ins schier Unendliche.
10.) Nach der „Heisenbergschen“ Unschärfe können Ort UND Geschwindigkeit, sprich Energie und Zeit, eines Quantenteilchens nicht gleichzeitig genau bestimmt werden.
11.) Die physikalischen Gesetze (Postulate) enthalten Naturkonstanten, die die physikalischen grundkräfte bestimmen. Sie ändern ihre seit 13,82 Milliarden geltenden Gesetze nicht.
12.) Ein Plasma ist der „4.te“ Aggregatszustand. Die Atome in einem Plasma, wie z.B, in den Atmosphären von Sternen, bewegen sich so schnell (Temperatur ist Bewegungsenergie der Atome und Moleküle), dass den Atomen ihre Elektronen „abhanden“ kommen. Diese Bewegen sich „frei“, und nicht an ihre Kerne gebunden, bis die Temperatur abfällt, sodass sie von den Atomkernen wieder „eingefangen“ werden.
13.) Das Ohm´sche Gesetz besagt, dass mehr Teperaur mehr elektrischen Widerstand bedeutet. Elektrischer Widerstand berechnet sich: R = U:I, wobei „R“ der Widerstand ist, „U“ die elektrische Spannung in Volt, und „I“ die elektrische Stromstärke in Ampere. Bei der „Supraleitung“ geht der elektrische Widerstand beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur, der „Sprungtemperatur“, gegen Null.
14.) Die Sonolumineszenz ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, dass Materie auch unter scheinbar unspektakulären Randbedingungen rätselhaftes und Spektakuläres zu bieten hat.
15.) Diese Frage ist fachlich im Bereich zwischen Physik und Chemie sowie Material und Ingenieurwissenschaften angesiedelt. Tatsächlich ist die Antwort davon abhängig, wie das Material verarbeitet wurde.
16.) Wir sind von Materie umgeben, bestehen aus Materie, die mikroskopisch betrachtet aus Atomkernen und Elektronen besteht. Wenn man die Anordnung von Atomen und ihrer Elektronen in Materie etwas genauer anschaut, lässt sich feststellen, dass Elektronen der verschiedenen Atome mit einander Wechselwirken und Korrelationen zeigen.
17.) Physikalisch- chemische Prozesse verlaufen in der Natur nicht statisch, sondern dynamisch. Bewegung im Sinne eines chemischen Prozesses sehen wir vielerorts. In chemischen Reaktionen bei molekularen Vorgängen, wie schlussendlich in lebender Materie (Organismen). Die kleinsten Objekte, die wir in diesem Zusammenhang physikalisch beobachten, die Atome und Elektronen, bewegen sich – je nach Prozess und Reaktion – innerhalb von millionstel, milliardstel oder trillionstel Sekunden.
18.) Diese Frage kann nur im Rahmen eines engen Zusammenspiels von Physik, Chemie und Biologie beantwortet werden. Mit den Konzepten der Physik können Mechanismen in biologischen Systemen sehr genau erklärt werden.
19.) Diese Frage zählt schon seit der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts zu einem der 7 Welträtseln.
20.) Die Dichte in einem Atomkern ist unabhängig von der Anzahl seiner einzelnen Nukleonen (Protonen, Neutronen). Da z.B ein Kohlenstoffatom die gleiche Dichte wie ein Uranatom hat, haben die Nukleonen in jedem Atom einen konstanten Abstand zueinander. Dieser liegt bei 1,6 Femtometern, was 1,6 * 10 -15 Metern entspricht, also 1,6* 10-12 Millimetern.
21.) Das ist der Blick ins Innerste von Kernteilchen und die „Ursuppe“ unseres Kosmos.
22.) Das magnetische Dipolmoment ist ein Maß für die Stärke und Ausrichtung eines Magneten. Auch quantemechanische Teilchen verfügen mit dem Spin (Drall) ½ ein magnetisches Dipolmoment.
23.) Die Quantenchromodynamik schließt nicht aus, dass Prozesse der starken Kernkraft asymmetrisch erfolgen, ist eine CP-Asymmetrie bei der starken Kernkraft noch niemals beobachtet worden.
24.) Die Atome werden in der Wissenschaft nach ihrer Zusammensetzung sortiert. Die chemischen Elemente sind im Periodensystem gemäß der Anzahl Protonen im Atomkern geordnet. Wegbereiter der Atomtheorie war der englische Naturforscher John Dalton. Er machte Anfang des 19. Jahrhunderts Arbeiten zu den Atomgewichten – eine Vorlage für die spätere Aufstellung des „Periodensystems“ der Elemente.
25.) Um diese Frage zu beantworten, muss man sich das Standartmodell der Teilchenphysik etwas näher anschauen. Die grundlegenden Bausteine der Materie sowie die Wechselwirkungen, also Kräfte, die zwischen diesen Bausteinen wirken.
26.) Ein Neutrino ist das leichteste Fermion, also Teilchen. Es ist elektrisch neutral und wirkt nur über die „schwache Kernkraft“ und die noch viel schwächere Gravitation. Neutrinos durchdringen normale Materie nahezu ungehindert. Sie entstehen in ungeheurer Anzahl bei Kernfusion. 1039 Neutrinos produziert die Sonne pro Sekunde.
27.) Unterteilten wir die Frage nach den drei Teilchengenerationen in zwei Teilfragen: Erstens, woher wissen wir das? Zweitens, wieso ist das so? Dazu muss man wissen, dass die bekannten kleinsten Materiebausteine, die Leptonen und Quarks, in der Elementarteilchenphysik in verschiedene Gruppen eingeteilt werden: 12 Teilchen, von denen jeweils 4 einer sogenannten Generation zugeordnet sind. 12 : 4 = 3 Teilchengenerationen.
28.) Der kleine Unterschied, dem wir unsere Existenz verdanken. Materie und Antimaterie wurden im Moment des Urknalls in gleicher Menge „produziert“, doch aus noch ungeklärten Gründen ist nach deren gegenseitiger Vernichtung nur Materie übrig geblieben! Diese Materie stellt auch nur einen Bruchteil der ursprünglich beim Urknall erzeugten Materie dar, nämlich ein 5 Milliardstel!
29.) Und, warum es sein könnte, dass die Gravitation mit uns Verstecken spielt. Es gibt 4 fundamentale Kräfte oder Wechselwirkungen, die allen Prozessen im Universum zugrunde liegen. Mit diesen Wechselwirkungen lassen sich mikroskopisch Abstrahlung, Aufnahme, Erzeugung und Vernichtung von Teilchen beschreiben.
30.) Wie wir versuchen, die losen Enden der Theorie ein zu fangen. Das Standartmodell der Teilchenphysik beschreibt die Elementarteilchen – mit Ausnahme der Gravitation – die zwischen ihnen wirkenden fundamentalen Wechselwirkungen.
31.) Weshalb die Sterne am Himmel nur die Spitze des Eisbbergs sind. Die Sterne, in Galaxien und die Galaxien in Galaxienhaufen scheinen sich bei genauerer Betrachtung nicht so zu bewegen, wie aufgrund der Gravitationsgesetze zu erwarten wäre. Etwas Mysteriöses scheint sie zusammen zu halten.
32.) Naturgewalten, die sich jeglicher Vorstellungskraft entziehen. Schon Werner Heisenberg war der Ansicht, dass die moderne Teilchenphysik ihren Ausgangspunkt in der Erforschung der kosmischen Strahlung hatte. Diese ersten Messungen dazu führte der Österreichische Physiker Franz Hess vor etwa 100 Jahren durch.
33.) Wie kosmische Katastrophen unser Universum erschüttern. Die Erforschung von Neutronensternen und schwarzen Löchern hat durch die jüngsten Erfolge auf dem Gebiet der Messung von Gravitationswellen einen enormen Aufschwung erfahren.
34.) Von unserer Geburt aus Sternenstaub und woher das Gold kommt. Sterne wie unsere Sonne verschmelzen während ihres langen Lebens leichte chemische Elemente wie Wasserstoff oder Helium zu schwereren Elementen und geben dabei Energie ab. Bei Fusionsprozessen in massereicheren Sternen entstehen auf diese Weise chemische Elemente bis hin zu Eisen. Schwerere Elemente entstehen in super massereichen Sternen, die bei ihrem Sternentod, der Super Novae, ihre „Fracht“ an schweren Elementen im Raum verteilen. Die Energie der Super Novae lässt schwerere Elemente entstehen – die Geburt von neuen Sonnensystemen.
35.) Die Kosmische Zensur versteckt eine Singularität im Schwarzen Loch. Ein schwarzes Loch entsteht, wenn ein sehr massereicher Stern kollabiert und der Zusammenfall nicht mehr aufgehalten werden kann. Am Ende bildet sich in seinem Inneren ein „Ort“ unendlicher Raumzeitkrümmung – eine Singularität.
36.) Was unser Universum auseinander treibt und wofür wir keine Worte finden. Mit dem Begriff „Dunkle Energie“ wird die mysteriöse Ursache umschrieben, dass das Universum – auf großen Skalen – immer schneller expandiert.
37.) Auf diese Frage gibt es eine knappe Antwort: Die Gestalt des Universums ist in allen Regionen die gleiche, und dahin dehnt es sich auch gleichmäßig aus.
38.) Der Kosmische Horizont ist ein Ereignishorizont. Ereignisse, die jenseits dieses Horizonts liegen, können von einem in unserer Welt stehenden Beobachter nicht gesehen werden.
39.) Das Koperkanische Prinzip besagt, dass der Mensch auf der erde kein privilegierter Beobachter des Universums ist. Es knüpft an das im 16. Jahrhundert von Nikolaus Kopernikus eingeführte heliozentrische Weltbild an, nach dem sich nicht die Sonne und die Planeten um die Erde drehen, sondern die Planeten und die Erde um die Sonne drehen.
40.) Warum der Beginn ein Rätsel bleibt und die ferne Zukunft Spekulation. Der Astro Physiker Matthias Steinmetz vom Leibniz – Institut für Astro Physik in Potsdam äußert sich vorsichtig zum ersten Teil der Frage. „Was ganz am Anfang war, wissen wir nicht. Da bricht unser theoretisches Modell zusammen“.
41.) Wieso es kein Ziel und Zweck gibt und wir dennoch Ziele und Zwecke verfolgen.
42.) Warum es darauf eine Antwort gibt, die keine ist. Für Thomas Naumann vom Deutschen Elektronen – Synchrotron schließt sich mit einer solchen Frage der Rätselreigen der Physik. „Eine Frage, wie sie schon bei den alten Griechen zu Beginn der Naturerkenntnis steht: Weshalb gibt es etwas und nicht nichts?
Alle, die an der Physik, der kausalen Zusammenhänge und Astronomie interessiert sind und mehr erfahren wollen, empfehle ich dieses Buch……