Zusammenfassung
Dieses Kapitel folgt den Entwicklungen von den Anfängen der modernen Physik bis zur Quantenelektrodynamik. Die spezielle Relativitätstheorie beschreibt Phänomene bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit, während die Quantenmechanik erlaubt, die Vorgänge in den Atomen zu berechnen. Für ein grundlegendes Verständnis der Physik auf den kleinsten Skalen müssen diese beiden Theorien vereinigt werden. Dies hat einige erstaunliche Konsequenzen, die im Folgenden erläutert werden. Nebenbei lernt der Leser, wie man mit einfachen Mitteln die Geschwindigkeit des Teilchenstrahls im LHC berechnen kann.
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Notes
- 1.
Im Folgenden werden wir der Einfachheit halber oft die Masse von Teilchen als Energie angeben, wie es in der Teilchenphysik üblich ist. Damit ist dann die Ruheenergie gemeint.
- 2.
Manchmal wird die Größe \( E_{bewegt}/c^{2} \) als bewegte Masse bezeichnet und gesagt, dass die Masse bewegter Objekte zunähme. Diese Sprachregelung mag für manche Zwecke nützlich sein, wird aber eher als veraltet angesehen. Mit Masse meine ich hier immer die der Ruheenergie entsprechende Masse – also eine Größe, die vom Bewegungszustand unabhängig ist.
- 3.
Damit ist nicht der psychologische Effekt gemeint, dass sich Wartezeiten, in denen man still sitzt, ewig zu ziehen scheinen. Der physikalische Effekt ist viel kleiner und im Alltag nicht bemerkbar.
- 4.
Hier steht man vor der philosophischen Frage, ob Ort und Geschwindigkeit von Objekten einfach nicht gleichzeitig exakt messbar sind oder tatsächlich nicht als festgelegte Größen in der Natur existieren, und was das bedeutet. Dies hängt genau genommen davon ab, welche Interpretation der Quantenmechanik man zugrunde legt, oft wird aber von der einfacheren Annahme ausgegangen, dass sie nicht als solche existieren.
- 5.
Konzeptionell nähert man sich hier den Elektronen und dem Licht aus entgegengesetzten Richtungen: im Fall der Elektronen war klar, dass es sich um Teilchen handelt, und die quantentheoretische Beschreibung offenbarte ihre zweite Natur als Welle. Das Licht war nach Maxwell und Hertz als klassische Welle experimentell und theoretisch verstanden, und die quantentheoretische Beschreibung brachte das Verständnis seines Teilchencharakters, der beispielsweise im Photoeffekt sichtbar wird.
- 6.
Natürlich ist diese Anschauung wie so oft mit Vorsicht zu genießen – beispielsweise treten die Teilchenanregungen der Quantenfelder nur in diskreten Paketen – den Quanten – auf, während die Amplitude einer klassischen Welle eine kontinuierliche Größe ist.
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Knochel, A. (2016). Über die klassische Physik hinaus. In: Neustart des LHC: das Higgs-Teilchen und das Standardmodell. essentials. Springer Spektrum, Wiesbaden. https://doi.org/10.1007/978-3-658-11627-9_1
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