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Warum sind physikalische Gesetze schön?

Warum sind physikalische Gesetze schön?. Amand Fäßler , Institut für Theoretische Physik d er Universität Tübingen.

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Warum sind physikalische Gesetze schön?

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Presentation Transcript

  1. Warum sind physikalische Gesetze schön? Amand Fäßler, Institut für Theoretische Physik der Universität Tübingen

  2. Pythagoras von Samos 570 -510 vor Ch. hat die Naturwissenschaften auf den mathematischen Weg gesetzt. „Das Wesen des Kosmos ist die Zahl“Etwa gleichzeitig mit Konfuzius ~500 u. Buddha ~430. Einfache Verhältnisse der Saitenlänge bestimmen die Harmonie: Oktave: 2:1; Quinte: 3:2; Quarte: 4:3; Universum: Sphärenharmonie (Johannes Kepler 1596) Leibniz: „Die Musik ist eine verborgene arithmetische Übung der Seele, die nicht weiß, dass sie mit Zahlen umgeht.“

  3. Satz des Pythagoras: • Tragische Entdeckung der Pythagoräer: „Alle Zahlen lassen sich als rationale Zahlen, d.h. Brüche ganzer Zahlen darstellen.“ War falsch! x = ; 2 b b

  4. Empedokles aus Agragas(450 vor Chr.) 4 Elemente: Erde, Wasser, Luft, Feuer. Aristoteles: Woher wissen die Elemente, wo sie hin oder von wo sie weg streben müssen?  Äther (Quinta Esentia) 384 -322 v. Ch.

  5. De fünf platonischen Körper: Würfel=Hexaeder Oktoeder Dodekaeder Tetraeder Ikosaeder Feuer, Wasser, Aether, Luft, Erde

  6. Johannes Kepler, Student der Univ. Tübingen1571 – 1630: bis 1594 in Weil, Bebenhausen, Stift Die Keplerschen Gesetze Saturn  Würfel  Jupiter Tetraeder Mars  Dodekaeder  Erde Ikosaeder  Venus  Oktoeder  Merkur Mysterium Cosmographicum 1596 Jugendsünde in Graz = a Sonne

  7. Kepler und die Anfänge der Kristalogrophie

  8. Kepler-Vermutung: Die hexagonale Packung ist die dichteste Kugelpackung. Jeder glaubt dies, doch bis heute nicht bewiesen.

  9. Die Eulersche Zahl e wichtig bei Zinseszins: = -1 = i = Wurzel aus -1 = 3,14159265… Kreisumfang = 2r

  10. Die Schönheit moderner physikalischer Gesetze wird in der mathematischen Formulierung sichtbar. Dies macht es schwierig diese Schönheit ohne mathematische Vorbildung zu sehen. • Wird fordern: • Invarianz bei zeitliche Verschiebung  Ernergieerhaltung: E= const • Invarianz bei räumlicher Verschiebung  Impulserhaltung: Ptotal = • Invarianz bei Rotation  Drehimpulserhaltung: Lbahn == const • Quantenmechanik + Invarianz unter Rotation um 3600: L= |L| = n); n=0,1,2, … • Quantenmechanik + Invarianz unter Rotation um 7200: S = |S| = Spin= • Quantenmechanik: Drehimpulserhaltung: Jtotal= L + S = )

  11. Diese harmlos aussehende Gleichung beschreibt alle Spin - Teilchen: Elektronen, Quarks, Neutrinos, Protonen und Neutronen und die Wechselwirkung mit elektromagnetischen Feldern. - mc2 = 0

  12. Forderung: Naturgesetze gelten auch in Systemen mit konstanter Geschwindigkeit mit überall gleicher Lichtgeschwindigkeit  Spezielle Relativitätstheorie (Einstein 2005) Forderung: Naturgesetze gelten auch in beschleunigten Systemen • Allgemeine Relativitätstheorie (Einstein 2015) Das Eimerexperiment von Mach.

  13. Standard-Modell der ElementarteilchenWegen Eichinvarianz sind ursprünglich alle Massen null. Beispiel der Ulmer, der Nürnberger undAugsburger Elle. Kräfte-Teilchen Materie-Teilchen Amand Fäßler, Tübingen

  14. Das Higgs-Teilchen ist ein Flavor-Dublett wie das Proton-Neutron-Paar oder die up und down-Quarks. (Higgs hat Flavor-Ladung) Higgs kann es nur mit Teilchen mit Flavor-Ladung wechselwirken. Photon = g = Isospin-Singulett(Hat keine Flavor-Ladung); Gluon = g = Isospin-Singulett(Hat keine Flavor-Ladung); Amand Fäßler, Tübingen

  15. Wie produziert das Higgs die Masse?

  16. Szenarium (wieder für Alle): • Beim Urknall sind sehr viele Higgs-Teilchen entstanden. Bei der Expansion und Abkühlung zerfallen sie nicht. Higgs-Kondensat im ganzen Universum: <Higgs> grösser als 0. • CDU-Parteimitglieder im Foyer bei einem Parteitag und Frau Merkel kommt herein. Amand Fäßler, Tübingen

  17. Frau Merkel auf dem CDU-Parteitag Frau Merkel erhält eine große effektive Masse Amand Fäßler, Tübingen

  18. Der „Large Hadron Collider“(LHC) bei Genf ist ein Ringbeschleuniger von 27 km Länge mit einer Kollisionsenergie von Proton auf Proton von 4+4 = 8 [TeV] = 8*1012 [eV] = 8 Billionen [eV]. 4 TeV Protonen 4 TeV Protonen Amand Fassler, Tübingen

  19. Teil der 27 km langen Strahlführung und Beschleunigungsstrecke des „Large Hadron Colliders“. Amand Fassler, Tübingen

  20. Blick auf den ATLAS-Detektor Amand Fäßler, Tübingen

  21. ATLAS-Messung im zwei Gamma-Zerfall H  g+gals Funktion der Masse des zerfallenden Teilchens. Amand Fäßler, Tübingen

  22. Down –Quark Ladung = -1/3 Nukleon: Proton, Neutron Proton Starke Wechsel-W. Up – Quark Ladung = 2/3 GluonFarbe-Antifarbe Neutron

  23. farblos Quark kann nicht weg (farbig) Gluon nicht weg (Farbe-Antifarbe). Quarks: Color Existiert (farblos) existiert nicht (farbig)

  24. Elektromagnetische WW = Austausch von Photonen Photon (Licht; Masse = 0) Abschirmung der Ladung durch Vakuumpolarisation: Elektron:

  25. Elektromagnetische WW = Austausch von Photonen Physik-Nobelpreis 2004 Photon (Licht; Masse = 0) Abschirmung der Ladung durch Vakuumpolarisation: -

  26. Elektromagnetische WW = Austausch von Photonen Physik-Nobelpreis 2004 kleine Energie: kleine Ladung große Energie: große Ladung Sichtbare Ladung des Elektrons:

  27. Elektromagnetische und schwache Wechselwirkung Physik-Nobelpreis 2004 Schwache Kraft: Betazerfall nach Tschernobyl 2

  28. Vereinheitlichung der elektromag. und der schwachen Kraft Große Abstände = kleine Energien = = Kraft schwach Kleine Abstände = große Energien = = Kraft stark Ladung αStärke der Kraft elektromagnet. Kraft schwache Kraft

  29. Große Vereinheilichung: elektroschwach = stark Starke Kraft: Quantenchromodynamik Kräfte greifen an Farbladung (rot, blau, grün) an und nicht an elektrischer Ladung. Träger der Kräfte sind die Gluonen: Haben Farbe x Antifarbe (z. B. rot x antiblau)

  30. Nochmals die 8 Gluonen 8 Gluonen (nur ein Photon):

  31. Vakuumpolarisation der Starken Wechselwirkung

  32. Das umgekehrte Verhalten der Starken WW Große Abstände = kleine Energie = = große Ladung = starke Kraft Kleine Abstände = große Energie = = kleine Ladung = kleine Kraft

  33. Gemessene und berechnete Starke Ladung = Kopplungskonstante

  34. Ladungen und die große Vereinheitlichung Ladung αKraft Asymptotic Freedom -- Infrared Slavery Farbladung elektr. Ladung Vereinheitlichung der Kräfte? schwache Ladung Energie [GeV]

  35. Traum von der Einheit aller Kräfte bei hohen Energien beim Urknall. Einfachste und schöne Naturgesetze Elektromagnetische Kraft Schwache Kraft Starke Kernkraft ??? Schwerkraft??? ENDE

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