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Physik in 9 Zeilen - Ergebnisse und Erstaunliches als Anregungen zur Physikdidaktik

Authors:
  • Motion Mountain Research - Germany and Italy

Abstract

Folien zu den 9 Zeilen, die die Natur beschreiben - und uns staunen lassen.
Physik in 9 Zeilen
Ergebnisse und Erstaunliches
als Anregungen zur Physikdidaktik
Christoph Schiller
motionmountain.net/9lines
Das Prinzip der kleinsten (stationären) Wirkung
dW=0(1)
Gilt für alles, was sich in der Natur bewegt: Teilchen, Raum, Horizonte.
Wirkung ("action") ist ein Maß für die Veränderung in einem
physikalischen System.
Die Natur ist faul. Sie ‘minimiert’ die Wirkung.
Gilt im täglichen Leben, in der Quantentheorie, und in der
Relativitätstheorie. Durch jedes Experiment bestätigt.
Beinhaltet die Existenz von Lagrangedichten: W=RLdV
Diese Lagrangedichten werden in den nächsten 8 Zeilen festgelegt.
2
Das Prinzip der größten (Energie-) Geschwindigkeit
vc3·108m/s(2)
Gilt für alle Energieformen: Signale, Materie, Strahlung.
Gilt im täglichen Leben, in der Quantentheorie, und im Weltall. Durch
jedes Experiment bestätigt.
Ergibt die spezielle Relativitätstheorie, mit Zwillingsparadoxon,
Längenkontraktion, usw.
Die Natur ist träge. Sie läßt sich nicht hetzen.
Beinhaltet, dass Lagrangedichten Lorentzskalare sind: die Wirkung ist
unabhängig vom Beobachter.
3
Das Prinzip der größten Kraft
Fc4/4G3·1043 N(3)
Gilt allgemein für lokale Werte der Kraft.
Ist äquivalent zum größten Masse-Längen-Verhältnis c2/4G.
Zusammen mit den ersten beiden Zeilen folgt aus der größten Kraft die
allgemeinen Relativitätstheorie, mit den einsteinschen Feldgleichungen und
der Hilbertwirkung (s. Bibliographie).
Die Natur begrenzt Gewalt.
Die kosmologische Konstante bleibt unbestimmt.
4
Das (reduzierte) Wirkungsquantum und das Prinzip der Wirkungsquantisierung
W~1.1·1034 J/s(4)
Gilt allgemein für alles was sich bewegt, für jedes physikalische System.
Ergibt die Quantentheorie, Wellenfunktionen, und
Unbestimmtheitsrelation. Legt die Form der Lagrangedichte für
Quantensysteme fest.
Die Natur ruht nie. Etwas ändert sich immer.
Die Details der Lagrangedichte werden in den nächsten Zeilen festgelegt.
5
Die Boltzmann-Konstante und das Prinzip der kleinsten Entropie
Skln 21023 J/K(5)
Gilt allgemein für alles was sich bewegt, für jedes physikalische System.
Definiert die Thermodynamik.
Die Natur mag keine vollständige Ordnung. Die Entropie ist nie Null.
Diese Zeile wird oft als nicht fundamental angesehen, da sie eng mit der
vorigen verknüpft ist.
6
Festlegung 1: Der Elektromagnetismus
Die Eichgruppe U(1)(6)
Gilt für alle elektische und magnetische Effekte, vom Blitz zum
Regenbogen und der kosmischen Hintergrundstrahlung.
Definiert die minimale Kopplung und die Eichinvarianz.
Beinhaltet die Coulombkraft.
Legt zusammen mit Zeilen 1, 2 und 4 die Lagrangedichte der
Quantenelektrodynamik fest. Beinhaltet im klassischen Grenzwert die
Maxwellgleichungen.
Die Feinstrukturkonstante, die Massen und die elektrischen Ladungen der
Teilchen sind hiermit noch nicht festgelegt.
7
Festlegung 2: Die Kernwechselwirkungen
SU(3)und gebrochene SU(2)(7)
Diese Eichgruppen gelten für alle Beobachtungen: Radioaktivität,
Teilchenreaktionen, Sterne, Kernkraftwerke, usw..
Definieren deren minimale Kopplung und deren Eichinvarianz.
Bestimmen zusammen mit Zeilen 1, 2 und 4 die Lagrangedichte der
Quantenchromodynamik und der schwachen Wechselwirkung.
Die Kopplungskonstanten, die Teilchen, deren Massen und Quantenzahlen
sind hiermit noch nicht festgelegt.
8
Festlegung 3: Die Bausteine der Natur
18 Teilchen (8)
6 Leptonen: Elektron, Muon, Tau, deren Neutrinos
6 Quarks
4 Eichbosonen: γ, W, Z, Gluon
1 Higgsboson
1 Graviton (aus den Gravitationswellen erschlossen)
Bilden alle Materie und alle Strahlung in der Natur.
Ihre Quantenzahlen (Spin, Paritäten, Ladungen) bestimmen die
Lagrangedichte des Standardmodells der Elementarteilchenphysik, sowie
alle Erhaltungssätze.
Die Kopplungskonstanten, die Teilchenmassen und ihre Mischungswinkel
sind hierdurch aber noch nicht festgelegt.
9
Festlegung 4: Die letzte Zeile
27 Konstanten (9)
3 Kopplungskonstanten u.a. die Feinstrukturkonstante 1/137.0359992(1)
12 Fermionenmassen bzw. deren Verhältnisse zur Planckmasse
2 Bosonenmassen (3 minus 1, da eine redundant ist)
8 Mischungswinkel und -phasen für Quarks und Neutrinos
1 kosmologische Konstante
1 Anzahl der Raumdimensionen
Alle dimensionslos.
Bestimmen die letzten Details der Wirkung des Standardmodells der
Teilchenphysik und der Hilbertwirkung der allgemeinen Relativitätstheorie.
Bestimmen alle Farben.
10
Experimente zu den 9 Zeilen
Alle Experimente bestätigen die 9 Zeilen seit 400 Jahren. Ohne Fehler.
Die Zeilen selbst sind alle über 50 Jahre alt.
Die Entdeckung einer Ausnahme re eine Sensation.
Die 9 Zeilen beschreiben alle Gleichungen der Physik.
Und alle Messungen. Sowie alle Beobachtungen.
Sie beschreiben auch die Chemie, Biologie, Medizin,
Materialwissenschaften, Geologie, Astronomie, Kosmologie und
Ingenieurswissenschaften. Die gesamte Natur.
Die Physik hat also seit 50 Jahren eine fast vereinheitlichte Theorie: die
Kombination aus dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik (mit
massiven Dirac-Neutrinos) und der allgemeinen Relativitätstheorie.
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Fragen zur Zukunft der Fundamentalphysik
Die 9 Zeilen sind keine vereinheitlichte Theorie, weil einige Fragen offen
sind:
Ist dunkle Materie in den 9 Zeilen enthalten oder nicht?
Woher kommen die Prinzipien 1 bis 5?
Woher kommen die Festlegungen in Zeilen 6 bis 9?
Ein Theorie ist vereinheitlicht, wenn sie Antworten bietet.
Ein Theorie ist richtig, wenn die Antworten mit den Experimenten
übereinstimmern.
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Erstaunliche Folgerungen aus den 9 Zeilen
Die vereinheitlichte Theorie beinhaltet die kleinste Länge p4G~/c3und
die kleinste Zeit p4G~/c5. Exakte Kontinuität widerspricht der modernen
Physik. Und: die kleinsten Werte sind unerreichbar. Daher gilt auch:
Einzelne Gravitonen sind unbeobachtbar.
Eine vereinheitlichte Theorie hat keine Bewegungsgleichungen und
Lagrangedichte. Eine vereinheitlichte Theorie beinhaltet nur eine
statistische Beschreibung.
Eine vereinheitlichte Theorie muss die Zeilen 6 bis 9 ohne neue Physik
erklären, insbesondere die Feinstrukturkonstante 1/137.0359992(1), und
somit alle Farben. (Siehe z.B. motionmountain.net/research)
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Danksagungen und Bibliographie
Mit Dank an Erik Baigar, Michael Good, Chandra Sivaram und Arun Kenath für den
anregenden Austausch. Mit Dank an die Klaus Tschira Stiftung für Ihre Unterstützung.
C. Schiller, Motion Mountain The Adventure of Physics, 5 Bände, kostenloses
Physikbuch in 5 Bänden. Als pdf mit Filmen bei https://www.motionmountain.net;
auch bei Amazon in Papierform.
G.W. Gibbons, The maximum tension principle in general relativity, Foundations of
Physics 32 (2002) 1891. Preprint auf https://www.arxiv.org/abs/hep-th/0210109.
C. Schiller, Comment on "Maximum force and cosmic censorship", Physical Review D
104 (2021) 068501, https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.068501. Preprint auf
https://www.motionmountain.net/maximumforce.html.
C. Schiller, Tests for maximum force and maximum power (2021), Physical Review D
104 (2021) 124079, https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.124079. Preprint auf
https://www.motionmountain.net/maximumforce.html. Mit vollständiger
Bibliographie zur größten Kraft.
Siehe auch die ausführlichere Bibliographie im Preprint zum vorliegenden Vortrag auf
der Seite https://www.motionmountain.net/9lines.html.
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Article
Full-text available
Two ways to deduce the equivalence of the field equations of general relativity and the principle of maximum force c 4 /4G-or the equivalent maximum power c 5 /4G-are presented. A simple deduction of inverse square gravity directly from maximum force arises. Recent apparent counter-arguments are refuted. New tests of the principle in astronomy, cosmology, electrodynamics, numerical gravitation and quantum gravity are proposed.
Article
Full-text available
Despite suggestions to the contrary, no counterargument to the principle of maximum force or to the equivalent principle of maximum power has yet been provided.
Article
Full-text available
I suggest that classical General Relativity in four spacetime dimensions incorporates a Principal of Maximal Tension and give arguments to show that the value of the maximal tension is $c^4 \over 4 G$. The relation of this principle to other, possibly deeper, maximal principles is discussed, in particular the relation to the tension in string theory. In that case it leads to a purely classical relation between $G$ and the classical string coupling constant $\alpha ^\prime$ and the velocity of light $c$ which does not involve Planck's constant. Comment: 10 pages Latex, no figures. To appear in a special issue of Foundations of Physics celebrating the 30th anniverssary of Jacob Bekenstein's work on Black Hole Thermodynamics
Chandra Sivaram und Arun Kenath für den anregenden Austausch. Mit Dank an die Klaus Tschira Stiftung für Ihre Unterstützung
  • Mit Dank An
  • Erik Baigar
  • Michael Good
Mit Dank an Erik Baigar, Michael Good, Chandra Sivaram und Arun Kenath für den anregenden Austausch. Mit Dank an die Klaus Tschira Stiftung für Ihre Unterstützung.