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

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Präsentation zum Thema: "Warum sind physikalische Gesetze schön? Amand Fäßler, Institut für Theoretische Physik der Universität Tübingen."—  Präsentation transkript:

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

2 Pythagoras von Samos 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:

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) v. Ch.

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

6 Johannes Kepler, Student der Univ. Tübingen 1571 – 1630: bis 1594 in Weil, Bebenhausen, Stift Mysterium Cosmographicum 1596 Jugendsünde in Graz Saturn Würfel Jupiter Tetraeder Mars Dodekaeder Erde Ikosaeder Venus Oktoeder Merkur Die Keplerschen Gesetze 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:

10 Die Schönheit moderner physikalischer Gesetze wird in der mathematischen Formulierung sichtbar. Dies macht es schwierig diese Schönheit ohne mathematische Vorbildung zu sehen.

11

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 Elementarteilchen Wegen Eichinvarianz sind ursprünglich alle Massen null. Beispiel der Ulmer, der Nürnberger und Augsburger Elle. Amand Fäßler, Tübingen13 Materie-Teilchen Kräfte-Teilchen

14 14 MaterieWechselwirkung Elementare Teilchen (punktförmig, s = ½) Felder: (Strahlung, s=1, 2) Materiewellen Leptonen, Quarks Higgs fällt aus dem Rahmen Photonen, Vektorbosonen, Gluonen, Gravitonen Higgs s = 0 Elementare Teilchen und Kräfte Elektron Photon Elektron Atomkern Photon Elektron Elektron W-Boson Neutrino Quark Gluon Quark Taschenlampe.....Licht Auge Laser Photonen Retina Antenne Radiowellen.....Radio Beispiele:

15 Wechselwirkung: Flussröhre Eletromagnetische Kern-Kräfte + - Kugelfläche F = 4 r 2 Kraft konstant Farbeinschluss

16 16 Starke Kraft = Kernkraft = Austausch von Gluonen Quantenchromodynamik Kräfte = Gluonen greifen an Farbladung (rot, blau,gelb) an und nicht an elektrischer Ladung. Träger der Kräfte sind die Gluonen: Haben Farbe x Antifarbe (z. B. rot x antiblau)

17 17 Kernkraft = starke Wechselwirkung: Austausch von Gluonen 8 Gluonen (nur ein Photon):

18 Coulomb-Kraft zwischen zwei Protonen (elektrische WW) Amand Fäßler, Tübingen18 Proton-Neutron (keine elektrische Wechselwirkung)

19 Das Higgs-Teilchen ist ein Flavor-Dublett wie das Proton-Neutron-Paar oder die up und down-Quarks. (Higgs hat Flavor- Ladung) Amand Fäßler, Tübingen19 Higgs kann es nur mit Teilchen mit Flavor- Ladung wechselwirken. Photon = = Isospin-Singulett (Hat keine Flavor-Ladung); Gluon = g = Isospin-Singulett (Hat keine Flavor-Ladung);

20 Wie produziert das Higgs die Masse?

21 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: grösser als 0. CDU-Parteimitglieder im Foyer bei einem Parteitag und Frau Merkel kommt herein. Amand Fäßler, Tübingen21

22 Frau Merkel auf dem CDU- Parteitag Amand Fäßler, Tübingen22 Frau Merkel erhält eine große effektive Masse

23 Amand Fassler, Tübingen 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*10 12 [eV] = 8 Billionen [eV]. 4 TeV Protonen

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

25 Amand Fäßler, Tübingen25 Blick auf den ATLAS-Detektor

26 ATLAS-Messung im zwei Gamma-Zerfall H als Funktion der Masse des zerfallenden Teilchens. Amand Fäßler, Tübingen26

27 27 Nukleon: Proton, Neutron Up – Quark Ladung = 2/3 Gluon Farbe- Antifarbe Down –Quark Ladung = -1/3 Starke Wechsel-W. Proton Neutron

28 28 Quarks: Color Existiert (farblos) existiert nicht (farbig) farblos Gluon nicht weg (Farbe- Antifarbe). Quark kann nicht weg (farbig)

29 29 Elektromagnetische WW = Austausch von Photonen Photon (Licht; Masse = 0) Abschirmung der Ladung durch Vakuumpolarisation: Elektron:

30 30 Physik-Nobelpreis 2004 Photon (Licht; Masse = 0) Abschirmung der Ladung durch Vakuumpolarisation: Elektromagnetische WW = Austausch von Photonen -

31 31 Physik-Nobelpreis 2004 kleine Energie: kleine Ladung große Energie: große Ladung Sichtbare Ladung des Elektrons: Elektromagnetische WW = Austausch von Photonen

32 32 Physik-Nobelpreis 2004 Schwache Kraft: Betazerfall nach Tschernobyl Elektromagnetische und schwache Wechselwirkung 2

33 33 Vereinheitlichung der elektromag. und der schwachen Kraft Große Abstände = kleine Energien = = Kraft schwach Kleine Abstände = große Energien = = Kraft stark Ladung α Stärke der Kraft elektromagnet. Kraft schwache Kraft

34 34 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)

35 35 Nochmals die 8 Gluonen 8 Gluonen (nur ein Photon):

36 36 Vakuumpolarisation der Starken Wechselwirkung

37 37 Physik-Nobelpreis 2004

38 38 Physik-Nobelpreis 2004

39 39 Physik-Nobelpreis 2004

40 40 Physik-Nobelpreis 2004

41 41 Das umgekehrte Verhalten der Starken WW Große Abstände = kleine Energie = = große Ladung = starke Kraft Kleine Abstände = große Energie = = kleine Ladung = kleine Kraft

42 42 Gemessene und berechnete Starke Ladung = Kopplungskonstante

43 43 Ladungen und die große Vereinheitlichung Asymptotic Freedom -- Infrared Slavery Ladung α Kraft Farbladung elektr. Ladung schwache Ladung Vereinheitlichung der Kräfte? Energie [GeV]

44 44 Traum von der Einheit aller Kräfte bei hohen Energien beim Urknall. Einfachste und schöne Naturgesetze Elektromagnetische Kraft Schwache Kraft Starke Kernkraft ??? Schwerkraft??? ENDE

45 45 Physik-Nobelpreis 2004


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