ELEKTROMAGNETISMUS RELATIVIT¨AT und QUANTEN

ELEKTROMAGNETISMUS
RELATIVITÄT und QUANTEN
Der Weg zur modernen Physik
J. H. KÜHN
Universität Karlsruhe (TH)
Forschungsuniversität • gegründet 1825
Elektrizität
Magnetismus
ελεκτρoν
elektron
λιθoσ µαγνεσ
lithos magnes
Bernstein ist elektrisch“
”
Stein aus Magnesia
1
Heldengalerie des 18. & 19. Jahrhunderts
Coulomb
(*1736, †1806)
Volta
(*1745, †1827)
Biot
(*1774, †1862)
Ampère
(*1775, †1836)
Gauß
(*1777, †1855)
Ohm
(*1789, †1854)
Savart
(*1791, †1841)
Faraday
(*1791, †1867)
Maxwell
(*1831, †1879)
Heinrich Hertz
(*1857, †1894)
2
Die fundamentalen Gesetze
Ladung ist Quelle des elektrischen Feldes
div ~E =
1
ε0 ρ
es gibt keine Quellen des Magnetfeldes (nur geschlossene Feldlinien)
div ~B = 0
3
Änderung des magnetischen Flusses führt zu einer Ringspannung (Faraday)
∂~B
~
rot E + ∂t = 0
Wirbel im elektrischen Feld
Anwendung: Starkstromtechnik, Generator, Transformator
ein elektrischer Strom ruft ein Magnetfeld hervor (Ampère)
rot ~B = µ0 J~
Wirbel im magnetischen Feld
Anwendung: Elektromagnet, ...
4
zusammen:
div ~E
div ~B
∂~B
~
rot E + ∂t
rot ~B
=
1
ε0 ρ
=
0
=
0
= µ0 J~
}
Quellen des elektrischen
und magnetischen Feldes
}
Wirbel des elektrischen
und magnetischen Feldes
5
zusammen:
div ~E
div ~B
=
1
ε0 ρ
=
0
∂~B
~
= 0
rot E + ∂t
∂~E
~
rot B − µ0 ε0 ∂t = µ0 J~
}
Quellen des elektrischen
und magnetischen Feldes
}
Wirbel des elektrischen
und magnetischen Feldes
Maxwell:
Änderung des elektrischen Feldes führt zu Wirbeln im magnetischen Feld
empirisch µ0 ε0 = 1/c2 , c = Lichtgeschwindigkeit
6
Änderung im
elektrischen Feld
=⇒
Änderung im
=⇒
magnetischen Feld
Änderung im
elektrischen Feld
=⇒ Welle; Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit
Licht ≡ elektromagnetische Welle
7
=⇒ . . .
Heinrich Hertz:
Sender:
Ladungen + Ströme
Empfänger:
Ladungen + Ströme
8
Strategie:
mathematische Konsistenz, Eleganz und Symmetrie
Experiment
Gültigkeit über weite Bereiche
9
NEUE KONZEPTE
weit entfernt von der Anschauung !
tiefere Einsichten !
experimentell verifizierbar !
10
Relativität
Quanten
Elementarteilchenphysik heute
Offene Fragen
11
Relativitätstheorie
12
Maxwell-Gleichungen =⇒ Ausbreitung von Licht gleich in jedem Bezugssystyem
v = vSchall /2
elektromagnetische Welle
v = 2 vSchall
13
Spezielle Relativitätstheorie (Einstein 1905)
E = m c2
Massendefekt:
e
+p
−→H
+ 13 eV
0.511 MeV + 938.272 MeV = 938.783 MeV
EBind /m c2 ≈ 1/100 000 000
4 p + 4 e −→ He + 2 ν + 30 MeV
EBind /m c2 ≈ 1%
e+ + e− −→ γ + γ
| {z }
| {z }
Massendefekt = 100%
In Ruhe
1.022 MeV
14
Allgemeine Relativitätstheorie (Einstein 1913)
R
Rµν − 2 gµν
|
{z
Krümmung des Raumes
}
=
8πG
− c4
Tµν
| {z } |{z}
Naturkonstanten
Materie
(Dichte, Druck,...)
Einstein
⇓ Masse
15
GPS und Relativitätstheorie
16
Geschwindigkeit = 3,8 km/s
⇒ Zeitdilatation
(Spezielle Relativitätstheorie)
-7 µs/Tag
Bahnradius = 4,2 × Erdradius
Blauverschiebung im Gravitationsfeld
(Allgemeine Relativitätstheorie)
+45 µs/Tag
1µs =
ˆ 300m
17
Quanten
18
Strahlungsformel (1900)
Energie der Oszillatoren gequantelt“
”
E = h ν = h̄ ω
ν: Frequenz
ω: Kreisfrequenz
Planck
Photoelektrischer Effekt (1905) Einstein
Photon“ bei Stoß wie Teilchen
”
aber Ausbreitung wie Welle
19
Quantisierungsbedingung (1913)
nur diskrete Energieniveaus
E0
En = − 2 ; E0 = 13.6 eV
n
Photonen: Eγ = En − Em
nur diskrete Energien
Bohr
Atome sind stabil; Spektren immer gleich
Elektronen breiten sich aus wie Wellen (1924)
(Teilchen ⇔ Welle)
de Broglie
20
Maxwell: Elektronen auf Kreisbahnen können nicht stabil sein (Strahlung!)
21
Schrödingergleichung (1925-1927)
Energieniveaus =
ˆ Schwingungszustände
Schrödinger
Heisenbergsche Unschärferelation (1927)
h̄
2
gute Ortsauflösung =
ˆ kleines ∆x =
ˆ kleine Wellenlänge =
ˆ großer Impuls
gute Zeitauflösung (∆t) =
ˆ große Frequenz =
ˆ hohe Energie
∆x · ∆p ≥
22
Heisenberg
1930 – Heute
Elementarteilchenphysik
23
Quanten-Elektrodynamik
Streuprozess: e− + e− → e− + e−
Austausch eines virtuellen“ Photons
”
24
25
p
E = ± (m c2 )2 + p2 c2 = ± m c2 (für p = 0)
Dirac: Positron !
Teilchen ⇔ Antiteilchen (gleiche Masse)
Beliebige Teilchen und Antiteilchen können im Labor erzeugt werden,
wenn die Energie groß genug ist.
e+ e− −→ virtuelles“ Photon −→ µ+ µ−
”
reine Feldenergie
Muon = schwerer Partner des Elektrons, mµ ≈ 200 me
26
LEP: Large Electron Positron Collider: E ≈ 200 GeV
(Elektronen durchlaufen Potentialdifferenzen von 2 × 100 000 000 000 Volt)
Energie-Äquivalent eines Bleikerns
reine Feld-Energie, konzentriert in 10−3 fm
27
28
29
Fundamentale Bausteine der Materie
Leptonen
(Elektron, Muon, Tau; Neutrinos)
.
.
u d u
u d d
: Proton
Quarks
: Neutron
.
.
30
Periodensystem der Teilchenphysik
leptons
νe
e
νµ
µ
⇐=
⇐=
top
Experimente mit
Karlsruher Beteiligung
bottom
in den USA
ντ
τ
31
u
c
d
s
b
e
t
32
Einheitliche Theorie der Wechselwirkung
Kräfte =⇒ Austausch von Photonen, (W± -, Z - Bosonen), Gluonen
gleiches Konzept für


elektromagnetische 



schwache
Wechselwirkung





starke
Das Photon hat 11 Geschwister“ bekommen
”
33
Feldkonfigurationen
schwache
WW
starke
WW
elektromagnetische WW
34
Zusammenfassung
QUANTENMECHANIK + RELATIVITÄTSTHEORIE + SYMMETRIE
=⇒ KONSISTENTE THEORIE
der elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkung
35
offene Fragen
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Quarks und Leptonen in einem Multiplett ?
(Große Vereinheitlichte Theorie, GUT, nur eine Art der Wechselwirkung)
=⇒ Übergänge zwischen Quarks und Leptonen
=⇒ Proton-Zerfall:
Protonen + Elektronen −→ π0 + e+ + e− −→ 4 Photonen
(weniger als 1 aus 1033 Protonen (=
ˆ 1000 Tonnen) pro Jahr)
37
Mechanismus der Massenerzeugung Higgs“
”
38
Mechanismus der Massenerzeugung Higgs“
”
39
dunkle Materie
40
dunkle Materie
41
=⇒ neue hypothetische Teilchen, vorhergesagt in Supersymmetrischen Theorien
1300 Zitate
700 Zitate
42
There are difficulties; there are certainly difficulties ....
Have you any alternative theory which will meet the facts?
Sherlock Homes: The Sign of Four – A.C. Doyle
43
Experiment
Large Hadron Collider (LHC)
Start:
Dezember 2007
p =⇒⇐= p
14 TeV
44
45
46
Experiment mit starker Karlsruher Beteiligung
Compact Muon Selenoid ⇒ CMS
BMBF-Förderschwerpunkt CMS
47
Spur-Detektor: Silizium-Chips
1
mm
Auflösung ca 100
Fläche ca. 20 m2
Durchmesser ca. 2,4 m
mit starker Karlsruher Beteiligung
48
Vorbereitung der Analysen
Theoretische Untersuchungen
• BMBF-Förderschwerpunkt CMS
• Astroteilchenphysik gemeinsam mit FZK
• Sonderforschungsbereich TR-9 Computational Particle Physics“
”
• Graduiertenkolleg Teilchen- und Astroteilchenphysik“
”
gemeinsam im
Centrum für Elementarteilchen und Astroteilchenphysik
mit ca. 70 Doktoranden, 70 promovierten Mitarbeitern
49
50
Zur Rolle akademischer Forschung
Henrik Casimir, Theoretischer Physiker (*1909,†2000), Forschungsdirektor von Phillips
I have heard statements that the role of
Ich habe Behauptungen über den unbedeu-
academic research in innovation is slight. It is
tenden Beitrag akademischer Forschung
about the most blatant piece of nonsense it has
zur Innovation gehört. Dies ist der wohl
been my fortune to stumble upon.
größte Unsinn, der mir je untergekommen
ist.
Certainly, one might speculate idly whe-
Natürlich, man könnte nutzlos spekulie-
ther transistors might have been discovered
ren, ob Transistoren von Leuten entdeckt
by people who had not been trained in and
werden hätten können ohne Ausbildung in
had not contributed to wave mechanics or the
und Beiträge zur Quantenmechanik und zur
quantum theory of solids. It so happened that
Quantentheorie der Festkörper. Tatsächlich
the inventors of transistors were versed in and
waren die Erfinder des Transistors auf die-
contributed to the quantum theory of solids.
sem Gebiet Experten mit eigenen wissen-
(Shokley, Bardeen, Brattain, 1956)
schaftlichen Beiträgen. (Shokley, Bardeen,
Brattain, 1956)
51
Basic circuits in computers
..
.
nuclear power
..
.
Schaltkreise in Computern
..
.
Kernenergie
..
.
Or whether, in an urge to provide better com-
Oder ob man, mit dem Ziel besserer Tele-
munication, one might have found electroma-
kommunikation, elektromagnetische Wel-
gnetic waves. They weren’t found that way.
len entdeckt hätte. Sie wurden nicht auf die-
They were found by Hertz who emphasised the
sem Weg entdeckt. Sie wurden von Hertz
beauty of physics and who based his work on
entdeckt, der die Schönheit der Physik be-
the theoretical considerations of Maxwell.
tonte und der seine Arbeiten auf den theoretischen Überlegungen Maxwells aufbaute.
I think there is hardly any example of twen-
Ich glaube, es gibt kaum ein Beispiel einer
tieth century innovation which is not indebted
Innovation des zwanzigsten Jahrhunderts,
in this way to basic scientific thought.
die wir nicht in dieser Weise grundlegenden wissenschaftlichen Überlegungen verdanken.
52
Folgerungen für unser Weltbild,
die Rolle von Raum, Zeit und Materie
53