Hat Energie Gravitation?

[Stefan S.]

Masse ist einfach eine Energieform mit enorm hoher Energiedichte, deshalb fällt es bei dieser Energieform stärker auf, dass sie den Raum verdellt, als bei anderen.

Das würde ich so nicht sagen. Masse ist zunächst eine physikalische Eigenschaft der Materie, also einem Körper basierend auf Fermionen. Wenn wir von der Ruhemasse sprechen, also den für das Elementarteilchen charakteristischen Massenwert, dann gelangen wir im Standardteilchenmodell zum Higgs-Feld, welches im leeren Raum der Quantenfluktuationen den masselosen Teilchen Masse verleiht.

Die Masse ist also nicht einfach eine "Energieform mit enorm hoher Energiedichte". Vielmehr ist es die klassische Materie - eine Art komprimierte Energie, die sich zum größten Teil, ca. 95 Prozent, in der Bindungsenergie wiederspiegelt. Das betrifft nicht nur die durch die starke Wechselwirkung im Kern zusammengehaltenen Protonen, sondern vor allem die Wechselwirkung der Quarks und Gluonen miteinander.

Oder anders ausgedrückt: Newtons Gravitationsgesetz stimmt als Näherung für bestimmte Fälle mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie überein, es ist aber keine Gleichung, die immer und für alle Fälle oder exakt gilt.

Generell kann man sich das einfach merken. Newton wird unbrauchbar, sobald im System Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit auftreten. Diejenigen Terme in der ART, in denen die Lichtgeschwindigkeit gar nicht vorkommt, führen zu den Gleichungen der Newtonschen Gravitationstheorie. Gleichzeitig wird die Relativitätstheorie im Kleinen unbrauchbar und an ihre Stelle tritt die Quantentheorie.

[Agent Scullie]

Das würde ich so nicht sagen. Masse ist zunächst eine physikalische Eigenschaft der Materie, also einem Körper basierend auf Fermionen.

auch nicht-fermionische Teilchen haben die physikalische Eigenschaft der Masse. Das Higgs-Boson und die W- und Z-Bosonen z.B.

Wenn wir von der Ruhemasse sprechen, also den für das Elementarteilchen charakteristischen Massenwert, dann gelangen wir im Standardteilchenmodell zum Higgs-Feld, welches im leeren Raum der Quantenfluktuationen den masselosen Teilchen Masse verleiht.

das ist jetzt ein Widerspruch in sich: im leeren Raum der Quantenfluktuationen gibt es gar keine Teilchen, denen das Higgs-Feld Masse verleihen könnte. Die gibt es erst, wenn der Raum nicht mehr leer ist.

Die Masse ist also nicht einfach eine "Energieform mit enorm hoher Energiedichte". Vielmehr ist es die klassische Materie - eine Art komprimierte Energie, die sich zum größten Teil, ca. 95 Prozent, in der Bindungsenergie wiederspiegelt. Das betrifft nicht nur die durch die starke Wechselwirkung im Kern zusammengehaltenen Protonen, sondern vor allem die Wechselwirkung der Quarks und Gluonen miteinander.

die durch die starke Wechselwirkung im Kern zusammengehaltenen Protonen betrifft es überhaupt nicht. Bei allen "gutartigen" Wechselwirkungen, wie der starken WW zwischen Hadronen oder dem Elektromagnetismus, ist es nämlich anders herum: die Masse eines gebundenen Systems ist kleiner als die Summe der Massen der ungebundenen Konstituenten, weil die Bindungsenergie als beim Entstehen der Bindung freigesetzte Energie negativ in die Masse des gebundenen Systems eingeht: ein He-Kern z.B. hat weniger Masse als zwei freie Protonen und zwei freie Neutronen zusammengenommen.

Lediglich die starke WW zwischen Quarks hat sehr exotische Eigenschaften, die dazu führen, dass die Quarks gar nicht im ungebundenen Zustand erzeugt werden können, und deswegen auch deren Massen nicht auf herkömmliche Weise definierbar sind.

Gleichzeitig wird die Relativitätstheorie im Kleinen unbrauchbar und an ihre Stelle tritt die Quantentheorie.

hier muss man unterscheiden: die spezielle Relativitätstheorie wird nicht unbrauchbar, nur die allgemeine. Diese durch eine Quantentheorie der Gravitation zu ergänzen (Quantengravitation), ist derzeitiges Arbeitsgebiet der Physik.

[Stefan S.]

auch nicht-fermionische Teilchen haben die physikalische Eigenschaft der Masse. Das Higgs-Boson und die W- und Z-Bosonen z.B.

Das ist hinsichtlich der genannten Materie irrelevant, weil zu den Fermionen alle Teilchen gehören, aus denen sich die angesprochene Materie aufbaut.

das ist jetzt ein Widerspruch in sich: im leeren Raum der Quantenfluktuationen gibt es gar keine Teilchen, denen das Higgs-Feld Masse verleihen könnte. Die gibt es erst, wenn der Raum nicht mehr leer ist.

Das ist kein Widerspruch. Zum einen existiert in dem Sinne kein "leerer Raum" und zum anderen hatte ich nirgends geschrieben dass das Higgs-Feld nicht vorhandenen Teilchen eine Masse verleihen könnte. Die Existenz des Higgs-Feldes hängt nicht von der Anwesenheit von Teilchen ab.

Im Übrigen können in der Quantentheorie bei sehr kleinen Abständen auch sehr schwere virtuelle Teilchen in sehr kurzlebigen Zwischenzuständen existieren ohne dass dass Impuls- und Energieerhaltungssatz verletzt wird.

Bei allen "gutartigen" Wechselwirkungen, wie der starken WW zwischen Hadronen oder dem Elektromagnetismus, ist es nämlich anders herum: die Masse eines gebundenen Systems ist kleiner als die Summe der Massen der ungebundenen Konstituenten, weil die Bindungsenergie als beim Entstehen der Bindung freigesetzte Energie negativ in die Masse des gebundenen Systems eingeht: ein He-Kern z.B. hat weniger Masse als zwei freie Protonen und zwei freie Neutronen zusammengenommen.

Das ist prinzipiell korrekt, steht aber in keinem Kontext zu meiner Aussage. Darüberhinaus wäre ich mit der etwas unpräzisen Aussage die Masse eines gebundenen Systems ist kleiner als die Summe der Massen der ungebundenen Konstituenten ein wenig vorsichtig. Jenseits von Fe trifft dieser Satz nämlich nicht zu. Bei der Spaltung von Uran ist die Bindungsenergie des einzelnen Nukleons in den Spaltprodukten höher als im ursprünglichen schweren Urankern. Das heißt der ursprüngliche Urankern hatte eine größere Masse, als die Spaltprodukte. Besser wäre es direkt von den ungebundenen Elementarteilchen zu sprechen.

[Agent Scullie]

Das ist hinsichtlich der genannten Materie irrelevant, weil zu den Fermionen alle Teilchen gehören, aus denen sich die angesprochene Materie aufbaut.

du hast aber nicht von einer speziellen genannten oder angesprochenen Materie gesprochen, sondern von Masse an sich.

Das ist kein Widerspruch. Zum einen existiert in dem Sinne kein "leerer Raum" und zum anderen hatte ich nirgends geschrieben dass das Higgs-Feld nicht vorhandenen Teilchen eine Masse verleihen könnte.

du hattest geschrieben, dass das Higgs-Feld "im leeren Raum der Quantenfluktuationen den masselosen Teilchen Masse verleiht". Und das ist ein Widerspruch, da es im leeren Raum der Quantenfluktuationen gar keine Teilchen gibt, denen das Higgs-Feld Masse verleihen könnte.

Die Existenz des Higgs-Feldes hängt nicht von der Anwesenheit von Teilchen ab.

aber seine Eigenschaft, anwesenden Teilchen eine Masse zu verleihen. Ohne anwesende Teilchen kann es diese Eigenschaft nicht ausüben, sie hängt folglich von der Anwesenheit von Teilchen ab.

Im Übrigen können in der Quantentheorie bei sehr kleinen Abständen auch sehr schwere virtuelle Teilchen in sehr kurzlebigen Zwischenzuständen existieren

wenn man populärwissenschaftlichen Poesiealben à la Hawkings kurzer Zeitgeschichte Glauben schenkt. Ein Blick in die Fachliteratur zeigt aber ziemlich schnell, dass das Kokolores ist: virtuelle Teilchen treten nur bei Wechselwirkungsprozessen auf, und da auch nur wenn man sich den Rechenhilfsmittels der Störungsrechnung bedient. Vakuumfluktuationen haben mit virtuellen Teilchen überhaupt nichts am Hut, da fluktuieren einfach nur die Feldstärken der Quantenfelder. Die Teilchenzahl ist dabei null - Teilchen sind in der Quantenfeldtheorie als Anregungen von Feldern definiert, im Vakuumzustand sind die Felder aber nicht angeregt, auch wenn die Fluktuationen der Feldstärke nicht verschwinden.

Das ist prinzipiell korrekt, steht aber in keinem Kontext zu meiner Aussage.

na aber sicher tut es das. Du hattest gesagt, dass ein positiver Beitrag der Bindungsenergie zur Masse auch die starke WW der Protonen im Atomkern betreffen würde - und das tut es nicht, da dort die Bindungsenergie negativ beiträgt. Einen positiven Beitrag gibt es nur bei der starken WW zwischen Quarks.

Darüberhinaus wäre ich mit der etwas unpräzisen Aussage die Masse eines gebundenen Systems ist kleiner als die Summe der Massen der ungebundenen Konstituenten ein wenig vorsichtig. Jenseits von Fe trifft dieser Satz nämlich nicht zu. Bei der Spaltung von Uran ist die Bindungsenergie des einzelnen Nukleons in den Spaltprodukten höher als im ursprünglichen schweren Urankern.

aber sicher trifft der Satz auch da zu. Die mittlere Bindungsenergie pro Nukleon ist zwar beim Uran geringer als beim Eisen, aber ein U238-Kern hat immer noch weniger Masse als seine 238 Protonen und Neutronen als freie Teilchen zusammengenommen hätten.

[Stefan S.]

du hast aber nicht von einer speziellen genannten oder angesprochenen Materie gesprochen, sondern von Masse an sich.

Nö, ich sprach explizit von Materie. Diesen Begriff habe ich sogar unterstrichen.

du hattest geschrieben, dass das Higgs-Feld "im leeren Raum der Quantenfluktuationen den masselosen Teilchen Masse verleiht". Und das ist ein Widerspruch, da es im leeren Raum der Quantenfluktuationen gar keine Teilchen gibt, denen das Higgs-Feld Masse verleihen könnte.

Es dürfte wohl offensichtlich sein das die Abwesenheit von Teilchen dazu führt, dass das Higgs-Feld diesen nicht existierenden Teilchen auch keine Masse verleihen kann. Vielmehr ging es in meiner ursprünglichen Aussage um die Existenz des Higgs-Feldes als ein omnipräsentes Hintergrundfeld.

aber seine Eigenschaft, anwesenden Teilchen eine Masse zu verleihen. Ohne anwesende Teilchen kann es diese Eigenschaft nicht ausüben, sie hängt folglich von der Anwesenheit von Teilchen ab.

Die Frage ob es seine Eigenschaft ohne anwesende Teilchen ausüben würde, hatte sich nicht gestellt. Die Aussage war dass das Higgs-Feld den masselosen Teilchen ihre Masse verleihen würde und diese Higgs-Felder das ganze Universum durchziehen könnten.

na aber sicher tut es das. Du hattest gesagt, dass ein positiver Beitrag der Bindungsenergie zur Masse auch die starke WW der Protonen im Atomkern betreffen würde - und das tut es nicht, da dort die Bindungsenergie negativ beiträgt. Einen positiven Beitrag gibt es nur bei der starken WW zwischen Quarks.

Na, aber sicher tut es das nicht. Ich hatte nirgends behauptet das die starke WW zwischen den Protonen einen positiven Beitrag zur Masse leisten würden, geschweige denn das ich davon sprach die Bindunsgenergie wäre im Fall der Nukleonen positiv.

aber sicher trifft der Satz auch da zu. Die mittlere Bindungsenergie pro Nukleon ist zwar beim Uran geringer als beim Eisen, aber ein U238-Kern hat immer noch weniger Masse als seine 238 Protonen und Neutronen als freie Teilchen zusammengenommen hätten.

Nein, der ursprüngliche Satz trifft sicherlich nicht zu! Du hast ihn erst jetzt korrigiert, nachdem ich dich darauf hingewiesen hatte das deine eigentliche Formulierung etwas unpräzise war. Das waren deine Worte.

die Masse eines gebundenen Systems ist kleiner als die Summe der Massen der ungebundenen Konstituenten

Ein Konstituent ist ein Element einer größeren Einheit und kein Teilchen! Insofern wäre deine Formulierung in der ursprünglichen Form bei dem von mir genannten Beispiel mit dem Uran nicht korrekt gewesen.

[Mondkalb]

Das Gammastrahlen-Weltraumteleskop Fermi bestätigt die Relativitätstheorie, genauer gesagt die Gravitation als Folge der Krümmung der Raumzeit. Bei einem sehr weit entfernten Gammastrahlenausbruch wurde keine Abweichung der Geschwindigkeit der Photonen in Abhängigkeit von der Wellenlänge gefunden, wie sie manche Theorien für eine Quantentheorie der Gravitation vorhersagen:

Fermi: Einblick in die Struktur der Raumzeit

scinexx - Raumzeit: Einstein hatte Recht: Gammastrahlenmessung bestätigt Relativitätstheorie

[Colonel O'Neill]

QLG <-- Oh oh!

Sieht nicht gut aus für die Quantenschleifen-Gravitation ...
Frage an die physikalisch besser informierten Leute hier im Forum:

Hat die QLG jetzt noch Chancen, im Sinne einer entsprechend (dem Ergebnis der Messung der Sonde) anderen Formulierung?

Wäre echt schade wenn die Theorie vom Tisch wäre.

[Colonel O'Neill]

Nachtrag Schleifen-Quantengravitation

Ich hab mich selbst mal um gehört, und herausgefunden, wie es um die QLG (falsche Abkürzung wiederverwendet um den Bezug zu meinem letzten Beitrag herzustellen) steht.
Tatsächlich ist die Messung des Fermi Satelliten so aussagekräftig, dass die QLG so gut wie vom Tisch ist.

Wer sich wundert, weshalb es Zeitunterschiede in der Messung gab, dies ist mit Effekten rund um die Entstehung der Strahlung und die Röntgendurchsichtigkeit des Universums erklärbar.

Außerdem gab die QLG einen Erwartungsrahmen für die Zeitdifferenz an, und der kleinste von der QLG angenommene Wert war um ein vielfaches größer als der gemessene Unterschied, selbst wenn man dieser Messung gewisse "konservativere Freiräume" gewährt. Immerhin handelte es sich bei einigen der Photonen um extrem hochenergetische Gamma-Photonen von 25-36 GeV Energie.

[0908.1832] Testing Einstein's special relativity with Fermi's short hard gamma-ray burst GRB090510
(oben rechts; "Download PDF")

Auf jeden Fall wäre es ein Experimentum crucis Experimentum crucis ? Wikipedia vergleichbar mit dem Michelson-Morley-Experiment zum Lichtäther im späten 19. Jahrhundert.

[Agent Scullie]

Ich hab mich selbst mal um gehört, und herausgefunden, wie es um die QLG (falsche Abkürzung wiederverwendet um den Bezug zu meinem letzten Beitrag herzustellen) steht.
Tatsächlich ist die Messung des Fermi Satelliten so aussagekräftig, dass die QLG so gut wie vom Tisch ist.

wo hast du dich denn umgehört?

[Colonel O'Neill]

wo hast du dich denn umgehört?

Bei Astronomie begeisterten Kommilitonen. Einer von ihnen hatte sich bereits früher tiefer in die Materie eingelesen, ich hab den Link zum Artikel als 12. Fußnote am englischen Wikipediaartikel zur Schleifen-Quantengravitation gefunden. Am Ende zogen wir den -vorsichtigen- Analogieschluss zum Michelson-Morley-Experiment.