Wichtigste wissenschaftliche Theorien in der Physik

Die bedeutendsten physikalischen Theorien

Die physikalischen Theorien sind zahlreich und erstrecken sich über viele Bereiche, einschließlich der Kernphysik, Optik, Astrophysik, Mechanik, Elektromagnetismus, Quantentheorie, Thermodynamik sowie der modernen Physik, die die Relativitätstheorie umfasst. Jede dieser Disziplinen beinhaltet verschiedene Theorien und Gesetze, die dazu dienen, die jeweiligen Themen zu erklären, zu verdeutlichen und zu verstehen. Im Folgenden werden einige der bekanntesten und bedeutendsten physikalischen Theorien vorgestellt:

Newtons Bewegungsgesetze

Der Wissenschaftler Isaac Newton formulierte drei Bewegungsgesetze, die das Verhalten von Körpern unter dem Einfluss externer Kräfte beschreiben. Diese grundlegenden Gesetze der klassischen Physik lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Das erste Gesetz besagt, dass ein Körper in Ruhe bleibt oder sich mit konstanter Geschwindigkeit in gerader Linie bewegt, solange keine äußere Kraft auf ihn einwirkt.
• Die Beschleunigung eines Körpers hängt sowohl von seiner Masse als auch von der auf ihn wirkenden Kraft ab.
• Wirkt ein Körper mittels einer Kraft auf einen anderen Körper ein, so erfährt dieser Körper eine gleich große, ihm entgegengesetzte Reaktion.

Die Relativitätstheorie

Die Relativitätstheorie, entwickelt von dem Physiker Albert Einstein, umfasst die spezielle Relativitätstheorie von 1905 und die allgemeine Relativitätstheorie von 1915. Einstein revolutionierte die zuvor bestehenden Konzepte von Raum, Zeit, Materie, Energie und Gravitation und legt die Grundlage für das Verständnis kosmischer Prozesse sowie der Struktur des Universums.

Die spezielle Relativitätstheorie beschäftigt sich mit den Beziehungen zwischen Raum und Zeit und gilt für Objekte, die sich in gleichmäßiger Bewegung relativ zueinander bewegen. In diesen Fällen ist es für einen Beobachter in rein mechanischen Experimenten unmöglich, zwischen den Bewegungen zu unterscheiden. Aus dem Verhalten von Licht und anderen elektromagnetischen Strahlen ziehen die Relativitätstheorien Schlussfolgerungen, die im Widerspruch zu alltäglichen Erfahrungen stehen, aber durch physikalische Experimente bestätigt sind.

Ein zentrales Postulat der speziellen Relativitätstheorie ist, dass kein materieller Körper die Lichtgeschwindigkeit erreichen kann, sondern lediglich annähern. Dies führt zur berühmtesten Gleichung in der Wissenschaft, E=mc^2. Weitere wichtige Aspekte der Theorie sind:

• Die Geschwindigkeit des Lichts ist in allen Inertialsystemen konstant und unabhängig von Ort und Zeit, unabhängig von der Quelle des Lichts.
• Die spezielle Relativitätstheorie umfasst auch Ergebnisse zu Äquivalenz von Masse und Energie sowie zur Relativität von Zeit und Raum: Die Zeit ist relativ, abhängig vom beobachtenden Rahmen für den sich bewegenden Körper.
• Die allgemeine Relativitätstheorie befasst sich mit der Gravitation als einer der fundamentalen Kräfte im Universum und beschreibt großräumige physikalische Phänomene wie Planetenbewegungen, die Geburt und den Tod von Sternen, schwarze Löcher und die Entwicklung des Universums.
• Sie hat zur Erkenntnis geführt, dass Gravitation den Lauf der Zeit beeinflusst, Lichtstrahlen in Gravitionsfeldern gekrümmt werden und dass das Universum sich ausdehnt und Teile sich von einander und von der Erde schneller als das Licht entfernen.
• Die spezielle und allgemeine Relativitätstheorie haben tiefgreifende Auswirkungen auf die physikalischen Wissenschaften sowie auf die Menschheit gehabt, insbesondere in Anwendungen wie der Kernenergie und deren Waffentechnologie, und führten zu einem grundlegenden Umdenken in Bezug auf die Konzepte von Zeit und Raum.

Die Urknalltheorie

Bezüglich des Ursprungs des Universums ist die Urknalltheorie die am weitesten akzeptierte wissenschaftliche Erklärung. Sie bietet ein astrophysikalisches Modell, das die Entstehung des Universums beschreibt. Die Theorie erklärt, wie das Universum aus einem anfänglichen Zustand mit extrem hoher Dichte und Temperatur expandiert ist und sich schließlich abgekühlt hat, sodass sich Teilchen bildeten, die später zu Atomen wurden. Diese primären Elemente, Helium, Wasserstoff und Lithium, begannen durch Gravitation zu kondensieren und führten zur Entstehung von Sternen und Galaxien. Laut dieser Theorie expandierte das Universum vor 13,8 Milliarden Jahren, um die Galaxien und unser Sonnensystem, wie wir es heute kennen, zu bilden.

Die Quantentheorie

Niels Bohr und Max Planck zählen zu den Gründervätern der Quantentheorie, wobei auch Einstein einen bedeutsamen Beitrag leistete und somit als dritter Mitbegründer gilt. Die Quantentheorie postuliert, dass Energie in diskreten Einheiten, sogenannten „Quanten“, existiert und nicht nur in Form von elektromagnetischen Wellen. Diese neue Disziplin der Physik ermöglicht es Wissenschaftlern, die Wechselwirkungen zwischen Energie und Materie im subatomaren Bereich zu beschreiben.