Benutzer:Allander/Baustelle Planck-Schwelle/Geschichte

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Die Geschichte der Entdeckung der Planck- Schwelle als Geschichte der Vereinigung der Grundkräfte

Die Plancksche Schwelle kann also als unüberschreitbare Grenze der Naturwissenschaft - insbesondere deren „vorderster Front“, der Vereinheitlichung der Grundkräfte der Physik - bezeichnet werden. Die geschichtliche Entwicklung soll im Nachfolgenden beschrieben werden.

Newton

Die erste, heute fast trivial erscheinende Vereinigung in der Physik wird die Newtonsche Gravitationstheorie angesehen. Im 17. Jahrhundert gelang es Isaac Newton die irdischen Kräfte fallende Körper und die kosmischen Kräfte der Planetenbewegungen zu vereinheitlichen und als wesensgleich zu identifizieren.

Maxwell

Im 19. Jahrhundert folgte dann die zweite große Vereinheitlichung der Physik in Form des Elektromagnetismus durch James Clerk Maxwell. Elektrische und magnetische Phänomene konnten unter den Maxwell-Gleichungen subsummiert werden. Aus ihnen folgt auch, dass Licht und andere elektromagnetische Strahlung eine Welle ist, die sich auch im Vakuum ausbreitet.

Planck

Max Planck führte die Konstante $h\,$ (von Hilfsgröße) im Jahr 1899 zunächst nur als Hilfsmittel zur Lösung des Problems der Beschreibung des Strahlungsverhaltens schwarzer Körper ein. Er war damals noch nicht einmal Atomist. Planck hielt durch Betrachtungen zur Entropie einen damals unbekannten Zusatzterm für möglich und erhielt eine Strahlungsformel, welche die schon bekannten Strahlungswerte richtig beschrieb. Er nahm deshalb an, daß die gefundene Formel richtig sei, und suchte nach einer Erklärung. Dabei fiel ihm eine gewisse Ähnlichkeit der Formel mit der Formel der Geschwindigkeitsverteilung in der statistischen Gastheorie auf. Deshalb nahm er an, daß Strahlung der Frequenz ν nur in Energiepaketen der Größe E = h.ν emittiert und absorbiert werden kann. Das Wirkungsquantum ist also hier vorerst eine Proportionalitätsfaktor zwischen Energie und Frequenz, deren Größe sich aus der Anpassung an die experimentell ermittelten Werten der Hohlraumstrahlung ergibt. Planck hielt den nicht-kontinuierlichen Charakter – die Quantisierung - der Energie zunächst für eine Folge der Eigenschaft der Strahlungsquelle, aber schon bald erkannte er die Tragweite seiner fundamentalen Entdeckung:

„...die Möglichkeit gegeben ist, Einheiten für Länge, Masse, Zeit und Temperatur aufzustellen, welche, unabhängig von speciellen Körpern oder Substanzen ihre Bedeutung für alle Zeiten und für alle, auch ausserirdische und aussermenschliche Culturen nothwendig behalten und welche daher als >>natürliche Maasseinheiten << bezeichnet werden können.“-

aus: Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin -1899, Max Planck,

Rede zur Nobelpreisverleihung 1918:

In diesem Falle muss das Wirkungsquantum eine fundamentale Rolle in der Physik spielen, und hier war etwas voellig Neues, noch nie vorher Gehoertes, das berufen zu sein schien, unser ganzes physikalisches Denken, welches seit der Einfuehrung der Infinitesimalrechnung durch Leibniz und Newton auf der Annahme der Kontinuitaet aller kausalen Zusammenhaenge beruht, grundlegend zu revidieren.

Einstein

Albert Einstein veröffentlichte 1905 die Lichtquantenhypothese, die besagt, daß die Quantisierung unabhängig von der Strahlungsquelle eine Eigenschaft des Strahlungsfeldes ist. Anlaß dazu waren die experimentellen Ergebnisse zum photoelektrischen Effekt. Im gleichen Jahr veröffentlichte er auch die heute so genannte Spezielle Relativitätstheorie, welche die Lichtgeschwindigkeit als Maximalgeschwindigkeit postuliert.

1916 folgte die Allgemeine Relativitätstheorie in der die physikalischen Begriffe Masse und Energie vereinheitlicht wurden und dadurch das Verständnis der Wirkumsquantums als Proportionalitätsfaktor von Masse (m= E/c²), Geschwindigkeit und Wellenlänge (bzw. Frequenz) bewirkte. Auch die Gravitationskonstante (G) erfuhr einen Bedeutungswandel: Sie wurde zum Maß der Krümmung des massebehafteten Raumes.

Schwarzschild und Heisenberg

In den Schützengräben des ersten Weltkriegs - entdeckte Karl Schwarzschild die nach ihm benannten Schwarzschildmetrik als bislang erste Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen und den Schwarzschildradius bzw. Ereignishorizont von „gefrorenen Sternen“, den später so genannten Schwarzen Löchern - also stärkst komprimierter Materie. Damit war der erste Schritt zur Geometrisierung der Materie getan.

1923 erkannte Louis de Broglie die Welleneigenschaften massereicher Teilchen. Ab 1926 wurden die Lichtquanten Einsteins dann Photonen genannt. Nunmehr werden wesentliche Teilcheneigenschaften der Materie- Masse und Geschwindigkeit- mit einer wesentlichen Welleneigenschaft der Materie- der Wellenlänge- in eine quantitative Beziehung gebracht. Diese Beziehung ist in der klassischen Physik nicht vorhanden. Durch das Wirkungsquantum konnten nun erstmals einander widersprechende Teilgebiete der Physik - der Dualismus von Welle und Teilchen elektromagnetischer Strahlung - miteinander verknüpft werden, und dadurch neue begriffliche und ineinander umrechenbare mathematische Strukturen bilden.. 1927 entdeckte Werner Heisenberg die Unschärferelation, die aus heutiger Sicht ganz wesentlich für die Bedeutung der Planckschwelle als Kausalitätsgrenze ist. Das plancksche Wirkungsquantum tritt auch hier auf: $\Delta x\cdot \Delta p\geq {\frac {h}{4\pi }}={\frac {\hbar }{2}}$ Manchmal wird $\hbar$ deshalb als die fundamentalere Konstante angesehen.

Schames

1933, Laengenquant" und "Zeitquant" bedingt sofort oberen Grenze fuer die physikalische Geschwindigkeit , wiederentdeckt Pokrowski und Levi, 1928 bzw. 1926 von ganz anderen Ueberlegungen ausgehend auch zur Annahme eines Zeitquants - sie nennen es Zeitatom und Chronon gekommen sind. Zitat:

Vergleichen wir zum Schluss die kontinuierliche und die atomistische Auffassung, so ist ganz allgemein zu sagen, dass die kontinuierliche Auffassung als die unserer Denkstruktur angemessenere erscheint. Aber die Struktur unseres Denkens und die der Wirklichkeit brauchen sich nicht immer zu decken. Von dieser Einsicht aus ist die atomistische Theorie der Materie der altgriechische Philosophen in Anbetracht ihrer geringen Kenntnis der naturwissenschaftlichen Wirklichkeit eine umso bewunderungswuerdige Leistung. Dass die Opposition des Aristoteles gegen die Atomistik so lange und so nachhaltig gewirkt hat, liegt eben darin, dass sie die Opposition des reinen Denkens war. Hat man aber einmal erkannt, dass die Wirklichkeit anders als unser Denken geartet sein kann und sich nicht als kontinuierlich, sondern als atomistisch darbietet, so muessen wir diese Erkenntnis auch auf unserer Koordinaten des Geschehens, also auf Raum und Zeit, ausdehnen. Waehrend ich zuerst diese atomistische Auffassung von Raum und Zeit fuer ganz neu hielt, fand ich nachtraeglich bei L a s s w i t z , dass schon die arabischen Philosophen (im 9. bis 12. Jahrhundert) die gleichen Konsequenzen aus der Atomistik der alten Griechen gezogen hatten. Sie sahen nicht nur Raum und Zeit als aus kleinsten, nicht weiter teilbaren Teilchen aufgebaut an, sondern sie zogen daraus auch ganz richtig die Folgerung, dass es eine groesste Geschwindigkeit geben muesse, eine Erkenntnis, die die moderne Wissenschaft erst 1000 Jahre spaeter an Hand der speziellen Relativitaetstheorie wieder neu entdeckte.

QGD, Loops, Strings

Erst nach ersten Arbeiten zur Vereinigung von Quantentheorie und Gravitation in den späten 1930ern entstand das spätere Anwendungsgebiet der Planck-Einheiten. Als John Archibald Wheeler und Oskar Klein 1955 über die Planck-Länge als Grenze der Anwendbarkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie veröffentlichten, war Plancks Vorschlag zu seinem System Natürlicher Einheiten schon fast vergessen. Nach der „Wiederentdeckung“ der Planckschen Vorschläge für ein solches Maßsystems wurde dann ab 1957 der Name Planck-Einheiten gebräuchlich.

1961 entwickelte John Wheeler das erste Konzept der Quantengeometrie auf der Planck Skala- die Quantengeometrodynamik-, Anfang der 1970 er Jahre entstand die Yang-Mills-Theorie, Roger Penrose entwarf 1971 in der Idee der Spin- Netzwerke erste Ansätze zur Loop- Schleifenquantengravitation und ab 1984 entwickelten Edward Witten, Michael Green, Leonard Susskind und John Schwarz die Stringtheorien. 1986 entstand durch Amitaba Sen- Abhay Ashtekar und Ted Jacobson- Lee Smolin die Variable „Zusammenhänge“ und damit die „Wilson- Loops“. Durch diese neuen mathematischen Objekte entstand erstmals eine Interpretation der ART die ohne Extradimensionen und Supersymmetrie auskam und Raum, Zeit und Materie an der Planckschwelle quantisierte.

QFT´s, QED

Die erste Vereinheitlichung von Quantenfeldtheorien erfolgte 1967 durch Sheldon Lee Glashow, Steven Weinberg und Abdus Salam durch Aufstellung der Elektroschwachen Theorie. Konzepte der QED konnten mit denjenigen der Schwachen Wechselwirkung vereinheitlicht werden. Die Quantenfeldtheorien etablierten eine neue Sprache für alle Theorieansätze der Wechselwirkungen: Die kräfteübertragenden Teilchen wurden zu Eichbosonen bzw. Eichfelder und werden in Eichtheorien eingebunden. Eine Wechselwirkung wird hier durch die Angabe ihres Wirkungsfunktionals oder ihrer Lagrangedichte festgelegt. Mathematisch folgen daraus unzweideutig die Feldgleichungen. Die Feldgleichungen kann man als Bewegungsgleichungen dynamischer Felder verstehen.

GUT´s, x-Kraft

Die Erfolge des Vereinheitlichungsgedankens der monistischen Idee, alles auf einen gemeinsamen Ursprung zurückzuführen, spornen weiter an um auch die anderen Wechselwirkungen in eine einheitliche Formulierung einzubetten. Die Gruppe der Große vereinheitlichte Theorieen (engl. Grand Unification Theorie- GUT) konnten theoretisch die Quantenchromodynamik der Starken Kernkraft als dritte Kraft zur Elektroschwachen Theorie hinzuziehen. Die zentrale Aussage der GUT´s ist, dass ab Energien von 10¹⁶ GeV die schwache, starke und elektromagnetische Wechselwirkung – die sogenannte X- Kraft- wesensgleich sind. Ein direkter experimenteller Nachweis ist aber wegen der unerreichbaren Höhe dieser Vereinigungsenergie nicht zu führen.