Praktisches & Grundsätzliches zur Informatik

Elementarteilchen, Materie, Raumzeit der Quanten

Energie, Masse, Materie, Raumzeit

Unsere gesamte physikalische Welt scheint aus durch die Raumzeit wandernden Energieportionen zu bestehen, die sich laufend neu gestalten, indem sie

Ebenso wie z.B. Wasser nicht nur als Flüssigkeit auftreten kann, sondern zudem noch in der Form von Gas (als Wasserdampf) oder festem Körper (als Eis), so hat auch Energie zwei unterschiedliche Zustände: einen abstrakteren — Energie genannt — und einen konkreteren — Masse genannt. Nach Einstein gilt


E = m c2



Jede Portion von Materie ist nichts anderes als eine Menge

mehr oder weniger lange

in (typisierbaren) Gruppen zusammensitzender Elementarteilchen.


Je elementarer solche Gruppen sind, desto besser lassen sie sich typisieren.


Genauer:

Neben Elementarteilchen dieser 3 Sorten aber gibt es weitere, die sich nicht so bereitwillig zu Gruppen bestimmten Typs zusammenfinden (und dann über längere Zeit auch so gruppiert bleiben).

Schlimmer noch: Zahlreiche Typen von Elementarteilchen existieren als Masseteilchen nur extrem kurze Zeit. Man nennt sie daher instabil.

Stabilität in diesem Sinne aber ist ein sehr relativer Begriff: Selbst Teilchen, deren Lebensdauer weit unter einer Milliardstel Sekunde liegt, werden heute als stabil bezeichnet — und das einfach deswegen, weil man inzwischen andere kennt, deren Lebensdauer noch um viele Größenordnungen kürzer ist.


Auf die Elementarteilchen einwirkende Kräfte nehmen Einfluss auf die Form, in der sich die Teilchen zu Gruppen — und die wieder zu noch größeren Konfigurationen — zusammenfinden:

Unter einem Quant verstehen die Physiker ein Objekt, das den Gesetzen der Quantenmechanik gehorcht. Man nennt es ein Elementarteilchen, wenn es sich nicht als Gruppe noch kleinerer Quanten darstellt.

Als Energieportion ist jedes Elementarteilchen Kraft (ein Boson) oder Masse (ein Fermion). Es ent­steht in einem atomaren, den Zustand des Universums abändernden Ereignis — einem sog. Elementar­ereignis — und existiert unverändert bis es später durch ein weiteres Elementarereignis zerstört, ersetzt oder hinsichtlich einer seiner Eigenschaften modifiziert wird (solche Eigenschaften könnten Spin oder Polarisation sein).

Jedes Elementarereignis kann demnach aufge­fasst werden als ein Zustandswechsel des Universums, der eine Menge von Quanten durch eine neue Menge von Quanten ersetzt. Ein dieser beiden Mengen kann — muss aber nicht — leer sein.

Die real existierende Raumzeit sollte man sich modelliert denken als einen gerichteten Graphen — genannt die Raumzeit der Quanten (RZQ) —,

Als mathematisches Objekt ist dieser Graph Teilmenge jener differenzierbaren 4-dimensionalen Mannig­faltigkeit, die in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie als mathematisches Modell der Raumzeit dient.

Die zeitliche Reihenfolge von Ereignissen entspricht der durch die gerichteten Kanten des Graphs gege­benen Ordnung. In räumlicher Hinsicht ist jede von ihnen Abschnitt einer Geodäte der Raumzeit.


Materie ist Information

Wie sich sehr deutlich am Beispiel von DNA-Molekülen zeigt, ist jede Gruppierung, zu der sich Elementar­teilchen zusammengefunden haben, letztlich Information, die eine Art Bauplan darstellt, der mitbestimmt, mit welcher Wahrscheinlichkeit durch kommende Ereignisse möglich gemachte Zustandsänderungen der Gruppierung dann auch wirklich eintreten. Jede solche Modifikation der Gruppierung ist zugleich Fort­schreibung dieses Bauplanes.

Materie — gesehen als eine sich ständig im Umbau befindliche Gruppierung von Elementarteilchen — neigt dazu, sich selbst durch immer mehr hinzu­kommende Teilchen zu vergrößern. Hierbei bilden sich Subgrup­pierungen, die erstaunlich weitgehend einheitliche Struktur bekommen: Wer z.B. an die Blütenkerzen oder die Blätter eines Kastanienbaumes denkt, wird wissen, was ich meine.

Damit lässt sich feststellen:


Energie führt zu Materie,

Materie bedeutet (Struktur-) Information,

und die macht vor allem Ereignisse wahrscheinlich, die die Gruppierung vergrößern

und ihr immer redundantere Struktur geben.



Eine Konsequenz dieser Tatsache ist, dass physikalische Objekte — und keineswegs nur solche, die wir als Lebewesen bezeichnen — oft umso größere Ähnlichkeit aufweisen, je näher in der Vergangenheit sie Teil einer möglichst kleinen, aber doch schon ganz und gar nicht mehr trivialen Gruppierung von Elementar­teilchen waren: Zwillinge etwa sind einander i.A. weit ähnlicher, als man das bei Geschwistern sonst vorfindet. Dennoch werden auch sie sich mit zunehmendem Alter zunehmend unterscheiden, und solche Unterschiede werden umso deutlicher, je mehr sie in unterschiedlicher Umgebung aufwachsen oder leben.

Wo sich immer komplexere Strukturen bilden sinkt — der oft so weitgehend wiederverwendeten Baupläne wegen — die Informationsdichte.

Dies scheint im Widerspruch zum 2. Hauptsatz der Thermodynamik zu stehen (der sagt, dass die Entropie eines geschlossenen Systems fast sicher stets nur zunimmt).

Die bevorzugte Wiederverwendung schon existierender Baupläne hat Folgen:


Die Freiheitsgrade eines Objekts, sich in jede nur denkbare Richtung fortzuentwickeln,

reduzieren sich mehr und mehr:

Es wird — als Schöpfer seiner selbst — voreingenommen (!)



 
Wissenswertes zu "Raumzeit der Quanten, Materie, Elementarteilchen" zusammengestellt durch Gebhard Greiter.
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