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Physik: Was ist ein Teilchen?

Zur grundlegenden Natur der kleinsten Bausteine der Welt gibt es zahlreiche Hypothesen: Sie könnten punktartige Objekte sein, schwingende Felder – oder Einblicke in eine mathematische Ordnung des Kosmos ­gewähren. Theoretiker ringen heute intensiver als je zuvor um das sinnvollste Konzept.
Ultraleichte Teilchen, Axion

Alle Erscheinungen im Universum lassen sich auf Teilchen und die Wechselwirkungen zwischen ihnen zurückführen. Angesichts dessen ist die Frage naheliegend, was genau Teilchen eigentlich sind.

Die einfachste Antwort erweist sich schnell als unbefriedigend. Nämlich, dass Elektronen, Photonen, Quarks und die übrigen fundamental genannten Objekte keine Substruktur oder räumliche Ausdehnung mehr besitzen. Mary Gaillard von der University of California in Berkeley, die in den 1970er Jahren die Massen zweier Arten von Quarks vorhersagte, fasst die Perspektive heute so zusammen: »Wir stellen uns Teilchen im Wesentlichen als punktförmige Objekte vor.« Und doch haben sie unterschiedliche Eigenschaften wie Ladung und Masse. Wie soll ein dimensionsloser Punkt etwas wiegen? Der Theoretiker Xiao-Gang Wen vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge bekräftigt: »Zu behaupten, Teilchen seien fundamental, ist nur eine andere Art, zu sagen: ›Fragen Sie bitte nicht weiter, ich weiß keine Antwort!‹«

Die Eigenarten jedes physikalischen Objekts hängen von dessen Beschaffenheit ab, also letztendlich von seinen kleinsten Bestandteilen. Deren Charakter wiederum lässt sich nur noch mit Zahlen und Gleichungen beschreiben. Somit spannen die Teilchen zwischen der gewohnten Wirklichkeit und der abstrakten Mathematik gewisser­maßen eine Brücke – die auf einem unsicheren Fundament ruht …

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Spektrum - Die Woche – Von der Entropie zur Quantengravitation

Die Verbindung von Schwerkraft und Quanten ist ein zentrales Rätsel der Physik. Die Informationstheorie liefert Antworten – und vielleicht den Schlüssel zur Quantengravitation. Außerdem: Eine Revolution des Bauens? Carbonbeton benötigt im Vergleich zu Stahlbeton nur einen Bruchteil des Materials.

Sterne und Weltraum – Raumzeit: Experimente zur Quantennatur

Die Relativitätstheorie Albert Einsteins ist das Meisterwerk zur Beschreibung der Schwerkraft. Seit Jahrzehnten steht aber die Frage im Raum, ob die Gravitation auf submikroskopischen Längenskalen modifiziert werden muss. Gibt es quantenhafte Austauschteilchen, die Gravitonen? In unserem Titelbeitrag stellen wir Überlegungen vor, wie man experimentell eine Quantennatur der Raumzeit testen könnte. Im zweiten Teil unseres Artikels zur Urknalltheorie beleuchten wir alternative Ansätze zur Dunklen Energie: das Local-Void- und das Timescape-Modell. Außerdem: Teil zwei unserer Praxistipps für die Astrofotografie mit dem Smartphone – Mond und Planeten im Fokus, die Ordnung im Chaos des Dreikörperproblems und woher stammen erdnahe Asteroiden?

Spektrum der Wissenschaft – Eine Theorie von allem: Lassen sich Quantenphysik und Schwerkraft vereinen?

Lassen sich Quantenphysik und Schwerkraft vereinen? In der aktuellen Ausgabe der PMT haben wir Beiträge für Sie zusammengestellt, in denen Forscherinnen und Forscher über die Ergebnisse ihrer Suche nach einer fundamentalen Theorie unserer Welt berichten. Entstanden ist eine erkenntnisreiche Sammlung an Beiträgen über die Quantennatur der Raumzeit, denkbaren Experimenten zum Nachweis von Gravitonen, Schwarzen Löchern, der Theorie der Quantengravitation, teleparalleler Gravitation und vielem mehr. Lesen Sie, welche Fortschritte es in den letzten Jahren gab, die Gesetze der Quantenwelt mit den geometrischen Konzepten von Raum und Zeit zu vereinigen, und welche Hürden dabei noch zu überwinden sind.

  • Quellen

Van Raamsdonk, M.: Building up spacetime with quantum entanglement. General Relativity and Gravitation 42, 2010

Wigner, E.: On unitary representations of the inhomogeneous Lorentz group. Annals of Mathematics 40, 1939

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