Astro-Lexikon I 2

I
A-Z

In der Fachsprache ist der Begriff intermediate-mass black hole (IMBH), was übersetzt soviel heißt wie 'Schwarzes Loch mittlerer Masse' sehr gebräuchlich. Für den deutschsprachigen Raum hat sich die Bezeichnung mittelschwere Schwarze Löcher bewährt.

Eine Bezeichnung in der Astronomie, die wörtlich 'zwischen den Planeten befindlich' meint. Es handelt sich um eine Orts- bzw. Skalenangabe, die auf den Bereich des Sonnensystems beschränkt ist. So kennt man beispielsweise interplanetares Gas, das in der Ekliptik (Hauptebene im Sonnensystem, in der nahezu alle Planeten um die Sonne kreisen) verteilt ist und durch Streuprozesse das so genannte Zodiakallicht erzeugt. Das Zodiakallicht ist vor allem in den Tropen als dreieckförmige Aufhellung beobachtbar, entweder kurz vor Sonnenaufgang oder kurz nach Sonnenuntergang.

Eine Bezeichnung in der Astronomie, die wörtlich 'zwischen den Sternen befindlich' meint. Es handelt sich um eine Orts- bzw. Skalenangabe, die auf den Bereich zwischen Sternen oder innerhalb einer Galaxie beschränkt ist. So kennt man beispielsweise das interstellare Medium (ISM). Es handelt sich um dünnes, verteiltes Gas, das sich zwischen den Sternen auf der parsec-Skala befindet. Stellare Prozesse wie Supernovae oder Sternewinde (siehe Roter Riese, Wolf-Rayet-Stern) reichern das ISM mit 'Metallen' (in der Astronomie: Elemente schwerer als Helium!) an und erhöhen dessen Metallizität.
Das ISM rotiert auch mit der jeweiligen Galaxie und kann als Indikator dienen, um Geschwindigkeitsdispersionen (also die Verteilungen von Geschwindigkeiten der Gasteilchen) zu messen. Solche Messungen eignen sich zur Bestimmung der Zentralmassen (typischerweise im Bulge) von Galaxien.

Das Studium von Symmetrien physikalischer Systeme ist ein sehr wichtiger und weitreichender Aspekt in der theoretischen Physik.

Symmetrie - Erhaltungsgröße

Nach dem Noether-Theorem ist mit jeder Symmetrie eine physikalische Erhaltungsgröße assoziiert. An diesen ist man besonders interessiert, weil sie das physikalische Problem stark vereinfachen und auch den analytischen Zugang erleichtern.

Beispiele

Beispiele gibt es unzählige in der Physik: schon mit den Mitteln der klassischen Mechanik kann gezeigt werden, dass axialsymmetrische Systeme eine Erhaltung des Drehimpulses zeigen; moderne Theorien der Elementarteilchenphysik fordern eine Supersymmetrie der Teilchen, die eine Klassifikation des 'Teilchenzoos' ermöglicht, aber auch um viele neue bisher nicht entdeckte Teilchen erweitert.

Symmetrien in Einsteins Theorie

Das Studium der Symmetrien von Raumzeiten im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie ist ebenso ratsam wie erfolgreich. Es gilt dabei, alle Koordinatentransformationen zu untersuchen, die die Metrik (form)invariant lassen. Das heißt, dass sich die Metrik vor der Transformation von der nach der Transformation nicht unterscheidet. Koordinatentransformationen, die diese Eigenschaft haben, heißen Isometrien (iso, grch. 'gleich'; metros, grch. 'Maß'). Infinitesimale Koordinatentransformationen mit einem additiven Zusatzterm in Form eines Vektorfelds führen dabei auf die so genannte Lie-Ableitung. Verschwindet die Lie-Ableitung des metrischen Tensors, so liegt eine Isometriebedingung vor. Diese Gleichung heißt Killing-Gleichung und deren Lösungen Killing-Vektorfelder. Die Kenntnis aller Killing-Felder beschreibt also sämtliche raumzeitlichen Symmetrieeigenschaften der Metrik. Als Beispiel möge die Kerr-Metrik dienen: Stationarität ist eine Symmetrie, die die Erhaltung der Energie nach sich zieht; Axialsymmetrie bewirkt die Erhaltung des Drehimpulses. Es existieren demnach in diesem Fall zwei Killing-Vektorfelder.
Noch höher ist die Symmetrie der Minkowski-Metrik, die die flache, materiefreie Raumzeit beschreibt: Sie besitzt sogar zehn Killing-Vektorfelder!

Der Isospin ist eine wichtige Eigenschaft von Teilchen in der Kern- und Teilchenphysik, der zu ihrer Klassifizierung dient. Mathematisch gesehen handelt es sich um einen Drehimpuls; das ist so zu verstehen, dass der Isospin ein wohl definierten Drehimpulsalgebra und Gruppe gehorcht. Die Quantentheorie stellt für Drehimpulse einen ganzen mathematischen Apparat zur Verfügung (Kommutatorrelationen), der gezielt verwendet werden kann. Das gilt für den Spin, ebenso wie für den Isospin. Beides sind Eigenschaften von Teilchen, die in der Teilchenphysik als Quantenzahlen bezeichnet werden.

Heisenbergs Idee

Der deutsche Quantenphysiker Werner Heisenberg hat den Isospin vorgeschlagen, um Proton und Neutron einheitlich zu beschreiben. Beide Nukleonen mögen den Gesamtisospin 1/2 haben, sich aber in der dritten Komponente des Isospins, der so genannten Isospinprojektion, unterscheiden: Ist die dritte Komponente dieses Nukleons -1/2, so spricht man vom Neutron; ist er +1/2, so handelt es sich um das Proton (Vorzeichen können je nach Konvention auch umgekehrt zugeordnet werden).
Zu einem Isospin I gehören 2I+1 Isospinzustände. Ein Gesamtisospin I=1/2 ermöglicht entsprechend 2 × 1/2 + 1 = 2 Zustände, nämlich +1/2 (isospin up) oder -1/2 (isospin down). In der Sprache der Teilchenphysik kennzeichnet das gerade ein Isospindublett.

Proton = Neutron?

Der Witz ist, dass in Abwesenheit von elektromagnetischen Kräften zwischen Proton und Elektron an sich kein Unterschied besteht. Der Massenunterschied, die so genannte Massenentartung, entsteht erst durch die Symmetriebrechung, das eine elektrische Ladung zugeordnet wird. Ohne Elektromagnetismus sind Proton und Neutron im Rahmen der Vereinheitlichung als Nukleon zu beschreiben.

Isospin anderer Teilchen

Die Kaonen haben die gleiche Isospinsymmetrie wie die Nukleonen (Isospindublett), aber dagegen einen Spin null (skalare Teilchen). Der Gesamtisospin der Pionen ist 1; es handelt sich in der Terminologie daher um ein Isospintriplett (2 × 1 + 1 = 3). Analog kann der Isospin für weitere Teilchen verallgemeinert werden.

I
A-Z

nach oben

© Andreas Müller, August 2007

Index