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Lexikon der Astronomie: Energie

Energie – Wichtigste Größe der Physik Die Energie ist die zentrale Größe in der Physik. Der Begriff Energie geht auf energeia zurück, was erstmals in der Antike von Aristoteles (384 – 322 v.Chr.) verwendet wurde. Damals bedeutete dies soviel wie 'Geist' oder 'Seele'. In der Tat beseelt die Energie die Vorgänge in der Physik, wenn man in dieser metaphorischen Sprache bleiben möchte.

Energie in der Physik

Doch fassen wir den Energiebegriff physikalisch und betten ihn mathematisch streng ein. Ich möchte dabei chronologisch vorgehen. Es zeigt sich, dass die Energie sich wie ein roter Faden durch die Physik zieht:

  • Die Klassische Mechanik ist historisch wohl das erste Gebiet der Physik gewesen, das die Energie exzessiv nutzt. Begriffe wie kinetische Energie (Bewegungsenergie) und potentielle Energie (Energie der Lage) sind sicher jedem noch aus der Schulphysik geläufig. Die Dynamik von Massenpunkten kann so sehr gut beschrieben werden. Zentral ist der empirisch begründete Energieerhaltungssatz. So wandelt sich die potentielle Energie einer ruhenden Kugel beim Hinabrollen auf einer schiefen Ebene in kinetische Energie um, während die potentielle Energie abnimmt. Schnell kann man auf diese Weise die Geschwindigkeit am Fußpunkt der schiefen Ebene rechnerisch bestimmen.
    Eine typische Methode der klassischen Mechanik basiert darauf, die Hamilton-Funktion eines zu untersuchenden Systems zu bestimmen. Der klassische Formalismus definiert, dann eindeutig die Bewegungsgleichung, die nach einem festen Algorithmus aus der Hamilton-Funktion folgt.
  • In der Phänomenologischen Thermodynamik gibt es fundamentale Hauptsätze, wobei der Erste Hauptsatz der Thermodynamik nichts anderes ist als der Energieerhaltungssatz, bezogen auf thermodynamische Größen. Eine wesentliche Energieform ist hier die Wärmeenergie oder thermische Energie. Die makroskopischen Größen der klassischen Thermodynamik erhalten ihre mikroskopische Deutung in der Statistischen Physik und Quantenstatistik.
  • Die Klassische Elektrodynamik beschäftigt sich mit elektrischen und magnetischen Phänomenen in der Natur. In elektrischen und magnetischen Feldern ist Energie gespeichert, die freigesetzt werden kann, beispielsweise, wenn sich eine Ladung entlang der elektrischen Feldlinien bewegt oder wenn sie von magnetischen Feldern bei einer Bewegung abgelenkt wird (Lorentz-Kraft).
    Vor allem aber folgt aus den Maxwellschen Gleichungen eine besondere Form der Energie: die elektromagnetische Welle, in quantisierter Form Photon genannt. Es handelt sich um die für die Astronomie so wichtige Strahlungsenergie.
  • Die Relativitätstheorie ist die erste wesentliche Theorie des 20. Jahrhunderts. In ihrer speziellen Formulierung erkennt sie die Äquivalenz von Masse und Energie in Einsteins berühmter Formel. In ihrer allgemeinen Formulierung tritt die Kopplung von Energie und Raumzeitkrümmung zutage. Die Gravitation entpuppt sich als ein Phänomen, das auf das Vorhandensein von Energie in jedweder Form zurückzuführen ist. Andererseits gibt es eine komplizierte Rückkopplung der Raumzeit auf die Energie, was sich in einem nichtlinearen Charakter der Einsteinschen Feldgleichungen widerspiegelt. In der Tensorschreibweise der Allgemeinen Relativitätstheorie steckt die Energieform vollständig im Energie-Impuls-Tensor. Er verschwindet bei Abwesenheit von Energie und Materie (Vakuumfall) und hat eine wohldefinierte Form für bestimmte Energieformen, wie Staub, eine ideale Flüssigkeit oder ein elektromagnetisches Feld (relativistisch, aber unquantisiert!). Die Energie offenbart sich in der Relativitätstheorie als bestimmende Größe von Raum und Zeit!
  • Der zweite, erkenntnistheoretische Sprung in Bezug auf den Energiebegriff gelang im 20. Jahrhundert mit der Quantentheorie bzw. Quantenmechanik. Die Energieformen wurden als diskontinuierlich oder quantisiert – wie man seither sagte – erkannt. Historisch gelang dies zuerst bei der Strahlungsenergie, in der Deutung der Strahlung eines Schwarzen Körpers, als quantisierte Wärmestrahlung. Daher gilt Max Planck als 'Vater der Quantentheorie', wenngleich das gesamte theoretische Gebilde ein Werk vieler Quantenphysiker (Bohr, Rutherford, Sommerfeld, de Broglie, Fermi, Heisenberg, Schrödinger, Pauli, Dirac u.v.m.) war.
    Die Hamilton-Funktion der klassischen Mechanik wird in der Quantenmechanik vom Hamilton-Operator abgelöst. Er ist der Protagonist der quantenmechanischen Probleme, wie dem Wasserstoff-Problem und legt in der Schrödinger-Gleichung die Dynamik des Systems fest. Im zeitunabhängigen Fall wird die Schrödinger-Gleichung zu einer Eigenwert-Gleichung und die Eigenwerte des Hamilton-Operators bestimmen die energetischen Zustände des Systems, während die Eigenfunktionen die Wellenfunktion (Ψ, 'Psi') festlegen.
  • Die Erfolge in der Quantenmechanik läutete den Siegeszug der Quantenfeldtheorien ein. Die vier fundamentalen Wechselwirkungen der Physik, elektromagnetische, schwache, starke und gravitative Wechselwirkung, wurden als Austausch bestimmter Quanten, den intermediären Bosonen, begriffen. Gegenstand der Quantenfeldtheorien ist nun der Versuch, alle vier Wechselwirkungen zu quantisieren. Dies ist bis auf die Gravitation gelungen. Wesentlicher Ausfluss dieser Bemühungen in verschiedenen Quantenfeldtheorien ist das Standardmodell der Elementarteilchen.
    Weder die theoretische Beschreibung einer quantisierten Gravitation oder Quantengravitation ist in konsistenter Form gelungen, noch wurde das quantisierte Austauschteilchen der Gravitation, das Graviton, experimentell gefunden. Aussichtsreichster Kandidat zur Lösung dieses Problems sind die Stringtheorien.
  • Die wohl seltsamste Form von Energie hat eine zentrale Bedeutung in der Kosmologie und heißt Dunkle Energie. Diese Energieform tritt als der so genannte Lambda-Term in den Einsteinschen Gleichungen neben dem Energie-Impuls-Tensor in Erscheinung. Einstein selbst war es wiederum, der diese Energieform einführte (wenn er sie auch nicht Dunkle Energie nannte), um ein Statisches Universum theoretisch zu bewerkstelligen. Auch wenn nach den modernen Erkenntnissen das Universum expandiert, so stellte sich die Dunkle Energie als vital heraus, wie astronomische Messungen belegen: sie wirkt antigravitativ und treibt den Kosmos auseinander! Ihr Anteil überwiegt andere Energieformen bei weitem: sie macht offenbar etwa 70% aus!
    Die Dunkle Energie hat nicht nur kosmologische Relevanz, sondern ist ebenfalls die wesentliche Zutat bei den Gravasternen. Dabei handelt es sich um eine reguläre Raumzeit ohne Ereignishorizont, die die bisher favorisierten, aber singulären Schwarzen Löcher ablösen könnte. Die Dunkle Energie erscheint somit in vielfacher Hinsicht als interessante, kosmische Energieform.

Fazit: wohl die wichtigste Größe der Physik!

Dieser Streifzug durch die wesentlichen Teildisziplinen der Physik zeigt, dass sich die Energie wie ein Ariadnefaden durch das Labyrinth von Fragen der modernen Physik zieht. Immer wieder stoßen die Physiker auf den Energiebegriff, deuten und definieren ihn neu, finden neue Energieformen und erkennen die Energie als zentrales Element in der Natur. Die uralte Bedeutung Geist könnte nach modernem Verständnis treffender nicht sein.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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