Interessantes zu Theoretischer Physik

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

miteinander kollidieren und sich dabei neu aufteilen
oder einfach nur spontan zerfallen oder spontan ihre Erscheinungsform ändern.

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 relativen — Energie E genannt — und einen absoluten — Ruhemasse m genannt. Nach Einstein gilt

E = m c² im Ruhezustand. /m

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:

Materie gliedert sich in Moleküle,
deren jedes sich gliedert in Atome,
deren jedes sich gliedert in Elektronen und einen Kern, der aus Neutronen und Protonen besteht.
Neutronen und Protonen gliedern sich ihrerseits in je drei Quarks der Typen Up und Down.
Elektronen und Quarks scheinen elementar zu sein (also nicht weiter in unterscheidbare Einzelteile gegliedert).
Dennoch gilt: Tatsächlich elementar (da unteilbar) sind nur harmonische Anregungen des Feldes der physikalischen Grundkräfte (sog. QuBits).

Note: Seiner Beobachtbarkeit nach kann man sich jedes Teilchen als durch seine de-Brouglie-Welle gegeben vorstellen. Sie ist Summe harmonischer Wellen, die einzeln — per Quantenfluktuation — entstehen und vergehen können.
QuBits im Sinne von Quantencomputern sind nur "effektive" QuBits (also keine wirklich unteilbaren).

Neben Elementarteilchen im Sinne des sog. Standardmodells der Elementarteilchenphysik gibt es somit Bestandteile davon, 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:

Gravitationskraft (wirkt anziehend, wird bei zunehmendem Abstand geringer:
Diese Kraft, so vermutet man, kommt als Summe von Quanten des Typs Graviton.
Elektroschwache Kraft (wirkt zwischen Teilchen gleicher Ladung abstoßend, ansonsten aber anziehend — klingt ab mit zunehmendem Abstand:
Diese Kraft ist präsent als Summe von Quanten des Typs Photon.
Starke Kernkraft (versucht Quarks beinander zu halten — und das umso entschiedener, je weiter sie sich voneinander entfernen:
Diese Kraft ist präsent als Summe von Quanten des Typs Gluon ("gummiartiger Leim").

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) —,

dessen Knoten Elementarereignisse sind
und dessen Kanten man als je ein Quant zwischen seiner Geburt und seinem Tod zu verstehen hat.

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 (!)

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Raumzeit der Quanten, Materie, Elementarteilchen