Die offenen Fragen der Physik

[McWire]

Vielleicht sollte man auch mal über die Größenordnung der Variabilität reden. Offenbar ist sie noch messbar, aber sehr, sehr gering. Vermutlich könnte ein Theoretiker auch ausrechnen, wie groß die Abweichungen vom derzeit angenommenen Wert sein dürfen, ohne dass etwas "Seltsames" passiert, z.B. ein als eigentlich stabil anzusehendes Molekül auf rätselhafte Weise auseinanderfällt.

Es gab dazu mal eine nette Sendung bei Alpha Centauri, wo genau dieses Thema zur Sprache kam.

Die maximal mögliche Abweichung scheint irgendwo in der Größenordnung bei 0,01% zu sein, ab wann die Abweichungen signifikante Stabilitätsprobleme in der Materie auslöst.

Allerdings können solche Abweichungen durchaus schon makroskopische Auswirkungen haben, da sie Effekt wie Kernspaltung und Kernfusion beeinflussen.

Bei einer Abweichung von mehr als 1/1000 der aktuellen Werte von Elementarladung oder Gravitationskonstante könnte z.B. die Lebensdauer der Sonne schon um mehrere Millionen Jahre variieren.

Auch wenn die mathematischen Theorien der Physik noch nicht ausgereift sind, so sprechen die Beobachtungen doch Bände.
Man kann mit einer großen Sicherheit behaupten, dass die Naturkonstanten seit dem Urknall in der Größenordnung von 1/100.000 konstant geblieben sind, weil man ja Referenzmesswerte aus verschiedenen Epochen des Universums zum Vergleich hat, insbesondere spektroskopische Daten von verschieden weit entfernten Galaxien.

[Agent Scullie]

Damit, dass die Maxwellgleichungen im mikroskopischen Bereich nicht in der gewohnten Form gelten, meine ich, dass man die Felder in der Quantenelektrodynamik quantisiert, oder wie siehst du das ?

Auf der Seite Quantenfeldtheorie ? Wikipedia wird das so ein bisschen angedeutet, dass man eine Lagrangedichte aufstellt, usw. Die Maxwellgleichungen alleine tun es nicht, aber man kriegt sie offenbar als Grenzfall wieder heraus.

eine Lagrange-Dichte gibt's auch klassisch schon, die Maxwell-Gleichungen lassen sich aus dieser ableiten. Zum Quantisieren muss man die dann nur geringfügig modifizieren, durch Fixierung der Lorentz-Eichung. Bei der Quantisierung werden aus den klassischen Feldern Feldoperatoren, wobei die Maxwell-Gleichungen AFAIK nicht zu Gleichungen für die Operatoren werden, sondern für die Erwartungswerte, was mit der Fixierung der Eichung zu tun hat (Stichwort: Gupta-Bleuler).

Wenn es dich interessiert, kannst du hier:

http://www.itp.uni-bremen.de/~noack/SS05/feldops.pdf (Abschnitt E)

http://itp.tugraz.at/LV/ewald/QFP/qft5.pdf

mehr nachlesen (ist allerdings viel Mathematik).

Klar sind virtuelle Photonen im Grunde nur mathematische Artefakte. Am Ende hat man sowieso nur noch mathematische Beschreibungen und kaum mehr etwas, das man sich wirklich noch klipp und klar vorstellen kann.

ganz so extrem ist es nun aber auch wieder nicht. Freie Felder lassen sich schon recht gut verstehen, und für wechselwirkende Felder gibt es auch nicht-störungstheoretische Methoden, wie die Gitter-Eichtheorie. In der sieht man nichts von virtuellen Teilchen.

[Halman]

Schwere Masse existiert nicht / Gravitation ist keine Kraft

Ein interessanter Thread. Ich hoffe, niemand hat was dagegen, wenn ich an dieser Stelle auf drei Jahre alte Beiträge antworte, weil diese m. E. unbefriedigend abgehandelt wurden.

Ok. Ich versuch mal, mitzukommen. Irgendwo muß es ja zu knacken sein, warum wird zwischen schwerer und träger Masse unterschieden?

In der newtonischen Physik unterschied man zwischen träger - und schwerer Masse, weil ihnen unterschiedliche Ursachen zugeschrieben wurden:

• Träge Masse ist unabhängig vom Gewicht. Versetzt man dieser Masse einen Stoß, so erhält sie einen Impuls, bspw. vom Betrag 1. Bei einer doppelt so hohen Masse führt ein gleich starker Stoß nur zur halben Geschwindigkeit. Der Impuls beträgt aber auch hier 1 (2 x 0,5).
• Schwere Masse ist eine Folge der Gravitation, die Newton als Kraft beschriebt. Ihre Ursache liegt also nicht in der Massenträgheit begründet, auch wenn ihr Wert identisch ist. (Diese Tatsache führte Einstein übrigens auf die Spur zu Allgemeinen Relativitätstheorie.)

Leute, Trägheit IST doch Masse, oder net?

Das Gesetz der Impulserhaltung erzwingt m. E. die Massenträgheit. Eine doppelte Masse hat bei gleicher Geschwindigkeit auch die doppelte Wucht, benötigt also den doppelten Impuls. Da man mehr Energie aufwenden muss, um eine größere Masse zu bewegen, spricht man von Massenträgheit.

Die Masse nimmt im Weltraum ab, weil es dort nicht mehr mit der Trägheit der Erde zu kämpfen hat.

Du kannst ganz leicht, viel leichter als auf der Erde, deinen Körper hin- und herschwenken.

Das Gravitationsfeld der Erde macht dich doch SCHWERER! Deshalb bist du ja träger!

Im Weltraum bist du viel leichter, weil die Erde dich nicht runterzieht, du bist LEICHT, du kannst...

Erschwert die Erdgravitation unsere Masse, wird man dadurch träger, Ja!

Die Massenträgheit ist von der Gravitation unabhängig. Ein Raumschiff mit doppelter Masse braucht auch einen doppelt so starken Antrieb, um gleiche Beschleunigungswerte zu erhalten.
Oder um ein irdischereres Beispiel zu nehmen: Eine Eiskunstläuferin kann waagerecht über das Eis dahingleiten, und dass um so schneller, je stärker ihr Impuls ist, den sie sich oder ihr Partner ihr versetzt. Hier spielt die Massenträgheit die wesentliche Rolle und nicht das Gewicht der Eiskunstläuferin.
Wenn ihr Partner sie aber hochheben will, so muss er gegen ihr natürliches Bestreben kräftefrei zu fallen, Energie einsetzen, um sie am freien Fall zu hindern. Erst durch den Druck seiner Hände erhält sie Gewicht.

"Gewicht" ist die Kraft, mit der ein Körper von einem anderen (im Normalfall unsere Erde) angezogen wird.

Gewicht ist etwas völlig anderes als der freie Fall infolge der Gravitation, den man auch als freies Schweben bezeichnen kann. Gewicht erhält ein Körper erst, wenn dieser am freien Fall gehindert wird, üblicherweise vom Fussboden. Dieser drückt von unten gegen uns - Gewicht ist also ein Vektor von unten nach oben - der freie Fall der Gravitation verleiht uns aber einen Vektor von oben nach unten.

Aber okay, der Beitrag ist alt und ich respektiere natürlich, dass Du über Physik viel mehr weiß als ich, Stormking. Dein von mir zitierter Satz scheint mir allerdings unglücklich formuliert zu sein. Er vermittelt die Vorstellung, dass Gravitation eine Kraft sei und es folglich eine schwere Masse gebe. Im Grunde gibt es sie gar nicht: Nur träge Masse ist gemäß der ART real existent.
Hier mal ein Link, wo es wesentlich besser erklärt wird, als ich es könnte

http://www.scifi-forum.de/off-topic/off-topic-allgemein/technik-wissenschaft/61525-welche-rolle-spielt-masse-allgemeinen-relativit-tstheorie.html#post2279470

.
EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Halman schrieb nach 25 Minuten und 13 Sekunden:

Allerdings muss ich zugeben, dass mich Kosmologie nicht besonders interessiert und ich keine Forschung in diesem Bereich mit öffentlichen Geldern finanzieren würde.

Okay, zur aktuellen Diskussion: Was hast Du gegen Kosmologie? Versucht diese Wissenschaft nicht, uns unsere Welt zu erklären? Ist dies nicht vom öffentlichen Interesse?

[irony]

Damit, dass die Maxwellgleichungen im mikroskopischen Bereich nicht in der gewohnten Form gelten, meine ich, dass man die Felder in der Quantenelektrodynamik quantisiert, oder wie siehst du das ?

Auf der Seite http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenfeldtheorie wird das so ein bisschen angedeutet, dass man eine Lagrangedichte aufstellt, usw. Die Maxwellgleichungen alleine tun es nicht, aber man kriegt sie offenbar als Grenzfall wieder heraus.

Klar sind virtuelle Photonen im Grunde nur mathematische Artefakte. Am Ende hat man sowieso nur noch mathematische Beschreibungen und kaum mehr etwas, das man sich wirklich noch klipp und klar vorstellen kann.

[Agent Scullie]

In diesem Bereich gelten die Maxwellgleichungen doch sowieso nicht mehr in der gewohnten Weise. Da hat man doch die Quantenelektrodynamik und virtuelle Photonen, die sich nach der Heisenbergrelation ohnehin nicht mit konstanter Lichtgeschwindigkeit bewegen müssen.

sich virtuelle Photonen als überhaupt in irgendeiner Weise bewegend vorzustellen, wäre ohnehin vollkommen falsch. Virtuelle Teilchen sind ein Artefakt der mathematischen Rechentricks, derer man sich in der Störungsrechnung bedient. Die Störungsrechnung dient dem Zweck, bei Wechselwirkungsprozessen Übergangswahrscheinlichkeiten von Anfangs- in Endzustände zu berechnen, sie ist kaum in der Lage, etwas über die Details des Prozesses auszusagen.

Technisch gesprochen entspricht eine virtuelle Photonenlinie in einem Feynman-Diagramm einem Photonenpropagator in der S-Matrix, einem mathematischen Ausdruck der Störungsrechnung. Hinter den sich angeblich mit v > c bewegenden virtuellen Photonen steckt einfach nur, dass der Photonenpropagator für raumartige Abstände nicht verschwindet. Das hat aber überhaupt nichts mit der Heisenbergschen Unschärferelation oder eine Ungültigkeit der Maxwell-Gleichungen zu tun, sondern ist ein vollkommen klassischer Effekt, der schon in der Maxwellschen Theorie auftritt. Der nämlich darin steht, dass die elektrischen Feldlinien einer gleichförmig bewegten Ladung stets zur aktuellen Position der Ladung hinlaufen, statt zur retardierten Position, was zur Folge hat, dass wenn zwei Ladungen miteinander wechselwirken, beide ein Zweiteilchenpotential spüren, das sich so verhält, als wäre eine instantane Wechselwirkung am Werk.

Ursache für diese scheinbar instantane elektrische Wechselwirkung ist aber keineswegs eine instantane Wirkungsausbreitung, sondern das Zusammenspiel zweier retardierter Effekte: das elektrische Feld einer bewegten Ladung hat zwei Beiträge, der eine davon ist nur von der retardierten Position abhängig und würde für sich genommen dazu führen, dass der Feldstärkevektor zur retardierten Position zeigt, der zweite Beitrag jedoch hängt von der retardierten Geschwindigkeit ab, und führt zu einer Richtungskorrektur des Feldstärkevektors, so dass dieser bei einer gleichförmig bewegten Ladung zur aktuellen Position hin gerichtet ist (bei einer beschleunigten Ladung dagegen nicht, man kann zeigen dass dies gerade zur EM-Wellenemission bei beschleunigten Ladungen führt). Das ist wie gesagt ein völlig klassischer, aus den Maxwell-Gleichungen ableitbarer Effekt, Stichwort Liénard-Wiechert-Potentiale.

[irony]

das hätte eine Variabilität der Feinstrukturkonstante auf jeden Fall, egal ob sie nun über eine Variabilität der Lichtgeschwindigkeit oder der elektrischen Feldkonstante realisiert wird.

Vielleicht sollte man auch mal über die Größenordnung der Variabilität reden. Offenbar ist sie noch messbar, aber sehr, sehr gering. Vermutlich könnte ein Theoretiker auch ausrechnen, wie groß die Abweichungen vom derzeit angenommenen Wert sein dürfen, ohne dass etwas "Seltsames" passiert, z.B. ein als eigentlich stabil anzusehendes Molekül auf rätselhafte Weise auseinanderfällt.

[Agent Scullie]

Wenn die Lichtgeschwindigkeit variabel wäre, wären doch auch die elektrische und magnetische Feldkonstante variabel, wegen der Maxwell-Gleichungen, oder?

wenn man eine Variabilität der Feinstrukturkonstante auf eine Variabilität der Lichtgeschwindigkeit zurückführen und die elektrische Feldkonstante epsilon_0 konstant lassen würde, würde das auf eine Variabilität der magnetischen Feldkonstanten mu_0 hinauslaufen, ja. Die elektrische Feldkonstante epsilon_0 wäre hingegen per Konstruktion konstant.

Hätte das nicht seltsame Auswirkungen auf atomarer oder molekularer Ebene?

das hätte eine Variabilität der Feinstrukturkonstante auf jeden Fall, egal ob sie nun über eine Variabilität der Lichtgeschwindigkeit oder der elektrischen Feldkonstante realisiert wird.

[irony]

Wenn die Lichtgeschwindigkeit variabel wäre, wären doch auch die elektrische und magnetische Feldkonstante variabel, wegen der Maxwell-Gleichungen, oder?

Hätte das nicht seltsame Auswirkungen auf atomarer oder molekularer Ebene?

In diesem Bereich gelten die Maxwellgleichungen doch sowieso nicht mehr in der gewohnten Weise. Da hat man doch die Quantenelektrodynamik und virtuelle Photonen, die sich nach der Heisenbergrelation ohnehin nicht mit konstanter Lichtgeschwindigkeit bewegen müssen.

Auf der oben angegebenen Wikipedia-Seite heißt es:

In quantum field theory the Heisenberg uncertainty relations indicate that photons can travel at any speed for short periods. In the Feynman diagram interpretation of the theory, these are known as "virtual photons", and are distinguished by propagating off the mass shell. These photons may have any velocity, including velocities greater than the speed of light.

To quote Richard Feynman "...there is also an amplitude for light to go faster (or slower) than the conventional speed of light. You found out in the last lecture that light doesn't go only in straight lines; now, you find out that it doesn't go only at the speed of light! It may surprise you that there is an amplitude for a photon to go at speeds faster or slower than the conventional speed, c."[4]

These virtual photons, however, do not violate causality or special relativity, as they are not directly observable and information cannot be transmitted acausally in the theory. Feynman diagrams and virtual photons are interpreted not as a physical picture of what is actually taking place, but rather as a convenient calculation tool (which, in some cases, happen to involve faster-than-light velocity vectors).

[Mondkalb]

Wenn die Lichtgeschwindigkeit variabel wäre, wären doch auch die elektrische und magnetische Feldkonstante variabel, wegen der Maxwell-Gleichungen, oder?

Hätte das nicht seltsame Auswirkungen auf atomarer oder molekularer Ebene?

[irony]

warum?

Um Alternativen / Erweiterungen zur Relativitätstheorie zu bekommen. Die Weltformel ist ja noch nicht gefunden, die Physik in diesem Sinne nicht abgeschlossen, vieles ist noch nicht klar.

Ich denke, es ist okay, an einigen Grundannahmen anzusetzen und sie zu hinterfragen. Eines der Postulate der speziellen Relativitätstheorie ist die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Es ist ein Postulat, experimentell ganz gut bestätigt, aber so wirklich verstanden ist die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit wohl noch nicht.

Allerdings muss ich zugeben, dass mich Kosmologie nicht besonders interessiert und ich keine Forschung in diesem Bereich mit öffentlichen Geldern finanzieren würde.

[Agent Scullie]

Und du bist kein Esoteriker mit deiner Quantenfeldtheorie und Alcubierre-Physik ?

mit der QFT bin ich kein Esoteriker, nein. Falls du mit "Alcubierre-Physik" meine Beschäftigung mit Konzepten für eine FTL-Raumfahrt meinst: ich habe zu keiner den Anspruch erhoben, dass es sich dabei um offizielle Physik handele.

Die Lichtgeschwindigkeit ist offenbar eine Eigenschaft des Raumzeitkontinuums, das durch die inhomogene Verteilung der Materie selbst inhomogen ist.

in der ART ist die Lichtgeschwindigkeit lokal stets konstant, egal wie die Raumzeit auf größeren Skalen gekrümmt ist (sofern die Krümmung nicht singulär ist).

Die Variation der Lichtgeschwindigkeit ist wohl nur minimal, die Lichtgeschwindigkeit aber im ganzen Universum für alle Zeiten konstant zu setzen, ist unglaublich dogmatisch.

daran ist rein gar nichts dogmatisch. Dogmatismus impliziert das Fehlen der Bereitschaft, die vertretene These aufzugeben.

Es muss auch Modelle mit variabler Lichtgeschwindigkeit geben.

warum?

Dass ausgerechnet die Elementarladung variiert glaube ich sehr viel weniger,

dass es die Elementarladung wäre, liegt ja auch nur an der Verwendung der cgs-Einheiten, in denen man die Kopplungsstärke in die Ladung steckt. Wenn also die Kopplungsstärke variiert, variiert (in cgs-Einheiten) die Elemtarladung (trivialerweise, man hat sie ja in diese hineingesteckt). In SI-Einheiten steckt die Kopplungsstärke in der Dielektrizitätszahl epsilon_0, da gilt dann für die Feinstrukturkonstante:

alpha = e² / (2 epsilon_0 h c)

Bei Variation der Kopplungsstärke variiert dann nur epsilon_0, die Elementarladung e bleibt konstant.

In cgs-Einheiten macht man die Elemtarladung explizit kopplungsstärkenabhängig (natürlich mit dem Hintergedanken, die Kopplungsstärke der EM-Wechselwirkung sei immer konstant, aber halt auch mit dem Risiko, dass sie es eben nicht ist, und die Elementarladung dann halt auch nicht), so dass du keinen Anlass hast, an eine Variabilität der Elementarladung (in cgs-Einheiten) weniger zu glauben als eine Variabilität der Lichtgeschwindigkeit.

Wie du richtig sagst, ist die Lichtgeschwindigkeit eine Eigenschaft der Raumzeit. Die EM-Kopplungsstärke ist demgegenüber nur eine Eigenschaft der EM-Wechselwirkung. An die Variabilität der Kopplungsstärke einer einzelnen Wechselwirkung weniger zu glauben als an die Variabilität einer Eigenschaft der Raumzeit ist nicht plausibel.

[irony]

nur weil ein paar Esoteriker

Und du bist kein Esoteriker mit deiner Quantenfeldtheorie und Alcubierre-Physik ?

herausgefunden haben, wie man bei Wikipedia Artikel erstellt, würde ich noch nicht unbedingt sagen, die Lichtgeschwindigkeit solle nicht konstant sein.

Die Lichtgeschwindigkeit ist offenbar eine Eigenschaft des Raumzeitkontinuums, das durch die inhomogene Verteilung der Materie selbst inhomogen ist. Die Variation der Lichtgeschwindigkeit ist wohl nur minimal, die Lichtgeschwindigkeit aber im ganzen Universum für alle Zeiten konstant zu setzen, ist unglaublich dogmatisch. Es muss auch Modelle mit variabler Lichtgeschwindigkeit geben. Wichtig ist nur, dass man es experimentell überprüfen kann, was gilt.

da die Feinstrukturkonstante eine elektromagnetische Größe ist, wäre zu erwarten, dass es am ehesten die elektromagnetischen Größen in der Formel sind, die bei einer Inkonstanz der Feinstrukturkonstanten inkonstant sind. In der von dir angegebenen Schreibweise in cgs-Einheiten wäre das die Elementarladung e. In SI-Einheiten stattdessen die Dielektrizitätszahl epsilon_0 (die man in cgs-Einheiten in die Ladung reingesteckt hat).

Dass ausgerechnet die Elementarladung variiert glaube ich sehr viel weniger, aber wirklich ausschließen kann und würde ich nichts.

[Agent Scullie]

Die Lichtgeschwindigkeit c soll ja auch nicht konstant sein, siehe dazu auch Variable speed of light - Wikipedia, the free encyclopedia

nur weil ein paar Esoteriker herausgefunden haben, wie man bei Wikipedia Artikel erstellt, würde ich noch nicht unbedingt sagen, die Lichtgeschwindigkeit solle nicht konstant sein.

Feinstrukturkonstante und Lichtgeschwindigkeit hängen auch zusammen:

da die Feinstrukturkonstante eine elektromagnetische Größe ist, wäre zu erwarten, dass es am ehesten die elektromagnetischen Größen in der Formel sind, die bei einer Inkonstanz der Feinstrukturkonstanten inkonstant sind. In der von dir angegebenen Schreibweise in cgs-Einheiten wäre das die Elementarladung e. In SI-Einheiten stattdessen die Dielektrizitätszahl epsilon_0 (die man in cgs-Einheiten in die Ladung reingesteckt hat).

[irony]

- Warum sind die Naturkonstanten genau so, wie sie sind?

Zu dieser Frage gibt es jetzt Neuigkeiten (Spiegel.de):

Nun haben John Webb und seine Kollegen von der University of New South Wales in Australien nachgelegt: Sie kombinierten Messungen am VLT und am Keck Telescope und stellten dabei minimale Abweichungen der Feinstrukturkonstante fest, je nachdem in welche Richtung die Teleskope gerichtet waren. Alpha erwies sich in der nördlichen, von Hawaii aus beobachteten Hemisphäre größer als in der südlichen, die mit dem VLT untersucht wurde, schreiben die Forscher. Ihre Studie haben auf Arxiv.org veröffentlicht und beim Fachblatt "Physical Review Letters" zur Publikation eingereicht.

Siehe auch [1008.3907] Evidence for spatial variation of the fine structure constant
Wer es nicht weiß (Wikipedia):

Die Feinstrukturkonstante α ist eine dimensionslose physikalische Konstante, die die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung angibt. Sie wurde 1916 von Arnold Sommerfeld zur Beschreibung der Aufspaltung (Feinstruktur) von Spektrallinien im Spektrum des Wasserstoffatoms eingeführt, daher wird sie oft auch Sommerfeldkonstante oder Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante genannt.

Der Wert dieser Konstante ist ungefähr 1/137.

Aber möglicherweise gibt es so etwas wie Naturkonstanten auch gar nicht bzw. wesentlich weniger Konstanten als man denkt. Die Lichtgeschwindigkeit c soll ja auch nicht konstant sein, siehe dazu auch Variable speed of light - Wikipedia, the free encyclopedia

Feinstrukturkonstante und Lichtgeschwindigkeit hängen auch zusammen:

[Stormking]

Leute, Trägheit IST doch Masse, oder net?

Nein. Trägheit ist eine Konsequenz der Masse. Trägheit bedeutet nichts anderes als daß ein bewegter Körper sich immer mit konstanter Geschwindigkeit in die gleiche Richtung weiterbewegen wird. Um seine Geschwindigkeit oder Bewegungsrichtunng zu ändern, muß erst von außen einer Kraft auf ihn einwirken.

Die Trägheit im Weltraum wird LEICHTER.

Weil die Gravitation der Erde dich nicht lähmt!

Die Masse nimmt im Weltraum ab, weil es dort nicht mehr mit der Trägheit der Erde zu kämpfen hat.

Du kannst ganz leicht, viel leichter als auf der Erde, deinen Körper hin- und herschwenken.

Das Gravitationsfeld der Erde macht dich doch SCHWERER! Deshalb bist du ja träger!

Im Weltraum bist du viel leichter, weil die Erde dich nicht runterzieht, du bist LEICHT, du kannst...

Erschwert die Erdgravitation unsere Masse, wird man dadurch träger, Ja!

Sorry, aber soviel Blödsinn auf einmal habe ich bisher nur selten gelesen. Vielleicht solltest Du, anstatt hier in einem Thread über ungelöste physikalische Probleme Dein Nichtwissen zu präsentieren, Dir mal ein Buch über die grundlegendsten gelösten Fragen der Physik besorgen. Oder einfach mal aufhören, den Physikunterricht zu schwänzen. Alle Deine Fragen werden normalerweise in der 5. oder 6. Klasse beantwortet.