Letzte Aktualisierung: 29. August 2025

Physikalische und kosmologische Konstanten: universelle Zahlen am Ursprung von allem

Kosmologische und physikalische Konstanten

Warum gibt es in der Physik Konstanten?

Ihre Existenz könnte darauf zurückzuführen seinAnfangsbedingungen des Universumswährend des Urknalls oder zu tiefen Eigenschaften der grundlegenden Realität, die wir noch nicht verstehen. Tatsächlich konnten die Anfangsbedingungen des Universums die Werte der Konstanten festlegen, die dann die Entwicklung und Struktur des Universums, wie wir es kennen, beeinflussten. Einige Theoretiker beschwören die Idee eines Multiversums, in dem unser Universum nur eine von vielen möglichen Realitäten wäre. In diesem Zusammenhang könnten die Konstanten von einem Universum zum anderen variieren, und unser Universum hätte die Werte, die die Entstehung von Leben und bewussten Beobachtern ermöglichen.

Wenn es um unsere materielle Welt geht, sind die Konstanten der Physik „feste“ Werte, die die grundlegenden Eigenschaften des gesamten Universums bestimmen, vom unendlich Kleinen bis zum unendlich Großen. Diese Konstanten sind notwendig, um das Verhalten physikalischer Phänomene sowie die Eigenschaften von Materie und Energie auf verschiedenen Skalen zu beschreiben und vorherzusagen. Diese Konstanten ermöglichen es, die Kohärenz physikalischer Gesetze aufrechtzuerhalten und die Vielfalt der auf verschiedenen Skalen beobachteten Phänomene zu berücksichtigen. Sie sind auch Werkzeuge, die es uns ermöglichen, die Grenzen unserer wissenschaftlichen Theorien (Newtonsche Gravitation, Spezielle Relativitätstheorie, Quantenmechanik, Quantenelektrodynamik, Allgemeine Relativitätstheorie usw.) zu untersuchen und zu testen. Damit sich die moderne Physik entwickeln kann, braucht sie universelle Gesetze. Diese Gesetze ermöglichen es, Erfahrungen hier und anderswo, heute und morgen innerhalb eines Rahmens, der das Universum ist, zu wiederholen. Konstanten spielen daher in physikalischen Theorien eine zentrale Rolle. Paradoxerweise können Konstanten über sehr lange Zeiträume variieren. Dies hindert jedoch nicht daran, die Gültigkeitsbereiche der verschiedenen physikalischen und astrophysikalischen Theorien zu strukturieren.

Hinweis: Konstanten verwenden drei Grundeinheiten der Physik: das Kilogramm (Symbol kg), das Meter (Symbol m) und die Sekunde (Symbol s). Obwohl der Wert einer Konstanten eng mit dem willkürlichen Wert des Meters, des Kilogramms und der Sekunde verknüpft ist, definieren wir stattdessen Verhältnisse (Massenverhältnisse, Kraftverhältnisse usw.), um Rechenfehler zu vermeiden.

Was sind die Konstanten der Physik?

(G) Universelle Gravitationskonstante: G = ≈ 6,674 × 10^-11 m^3/kg/s^2.
Diese Konstante definiert die Gravitationskraft zwischen zwei beliebigen Massen. Es wurde vom englischen Physiker Isaac Newton (1643-1727) in seiner 1687 erschienenen Hauptpublikation „Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica“, kurz „Principia“ genannt, definiert.
(e) Grundgebühr: e ≈ 1,602 × 10^-19 C. Diese Konstante ist die kleinste Einheit der elektrischen Ladung, die von einem Elektron oder Proton getragen wird. Es wurde zwischen 1777 und 1785 vom französischen Physiker Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806) bei Experimenten zu elektrischen Wechselwirkungen zwischen elektrischen Ladungen definiert.
(kₑ) Elektrische Konstante: kₑ ≈ 8,988 × 10^9 N·m²/C².
Diese Konstante definiert die elektrische Kraft zwischen Ladungen im Vakuum. Es wurde 1785 vom französischen Physiker Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806) definiert.
(ε₀) Vakuumpermittivitätskonstante: ε₀ ≈ 8,854 × 10^-12 F/m.
Diese Konstante beschreibt die Intensität der elektrischen Wechselwirkung zwischen Ladungen im Vakuum, also die Fähigkeit des Vakuums, die Ausbreitung elektrischer Felder zu ermöglichen. Es wurde vom britischen Physiker James Clerk Maxwell (1831-1879) definiert.
(c) Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: c ≈ 299.792.458 m/s.
Diese Konstante ist die maximale Geschwindigkeit, mit der sich Informationen oder Energie im Universum ausbreiten können. Es wurde zwischen 1881 und 1887 von Albert Abraham Michelson (1852-1931) in seinen Experimenten zur Messung der Lichtgeschwindigkeit mit Interferometern mit großer Präzision definiert.
(h) Planck-Konstante: h ≈ 6,626 × 10^-34 J·s.
Diese Konstante setzt die Energie eines Teilchens auf seine Frequenz. Sie wurde 1900 vom deutschen Physiker Max Planck (1858-1947) im Rahmen seiner Arbeiten zur Schwarzkörperstrahlung definiert.
(α) Feinstrukturkonstante : α ≈ 1/137.
Diese Konstante charakterisiert die elektromagnetische Kraft und misst die Intensität elektromagnetischer Wechselwirkungen zwischen Ladungen. Es wurde erstmals 1916 vom englischen Physiker Arnold Sommerfeld (1868–1951) eingeführt und von Physikern wie Richard Feynman (1918–1988) und anderen genau berechnet.
(mₑ) Ruhemasse des Elektrons: mₑ ≈ 9,109 × 10^-31 kg.
Diese Konstante ist die Eigenmasse des ruhenden Elektrons. Es wurde von Albert Abraham Michelson (1852-1931) und Edward Williams Morley (1838-1923) eingeführt, die Interferometrieexperimente durchführten, um das Plancksche Wirkungsquantum (h) und die Lichtgeschwindigkeit (c) mit großer Präzision zu messen, wodurch die Ruhemasse des Elektrons (mₑ) genauer berechnet werden konnte.
(Nₐ) Avogadro-Konstante: Nₐ ≈ 6,022 × 10^23 mol^-1.
Diese Konstante verknüpft die Menge der Materie mit der Anzahl der Teilchen. Es wurde 1865 vom italienischen Wissenschaftler Amedeo Avogadro (1776-1856) vorgeschlagen und eingeführt.
(σ) Stefan-Boltzmann-Konstante: σ ≈ 5,67 × 10^-8 W/m²K^4.
Diese Konstante beschreibt den von einem schwarzen Körper abgestrahlten Energiefluss als Funktion seiner Temperatur. Es wurde 1879 und 1884 dank der gemeinsamen Arbeit des österreichischen Physikers Josef Stefan (1835-1893) und des deutschen Physikers Ludwig Boltzmann (1844-1906) definiert.
(k) Boltzmann-Konstante: k ≈ 1,381 × 10^-23 J/K.
Diese Konstante setzt die Wärmeenergie in Beziehung zur Temperatur. Es wurde vom deutschen Physiker Ludwig Boltzmann (1844-1906) im Zusammenhang mit seinen Arbeiten zur Entropie entwickelt.
(mₚ) Planck-Masse: mₚ ≈ 2,176 × 10^-8 kg. Diese Konstante bestimmt, wie die Physik bei extrem hohen und kleinen Energien und räumlichen Maßstäben funktioniert. Es wurde 1900 vom deutschen Physiker Max Planck (1858-1947) im Rahmen seiner Forschungen zur Thermodynamik schwarzer Körper eingeführt.
(Λ) Kosmologische Konstante: Λ ≈ 2,3 x 10^-18 s^-2.
Diese Konstante ist mit dunkler Energie und der beschleunigten Expansion des Universums verbunden. Es wurde 1917 von Albert Einstein (1879-1955) in die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie eingeführt.
(mₚ) Masse des Protons: mₚ ≈ 1,672 × 10^-27 kg.
Diese Konstante definiert die Masse eines Protons, aus dem Atomkerne bestehen. Die genaue Messung der Protonenmasse wurde durch Experimente in Teilchenphysik- und Kernphysiklaboren auf der ganzen Welt ermöglicht.
(mₙ) Neutronenmasse: mₙ ≈ 1,675 × 10^-27 kg.
Diese Konstante definiert die Masse eines Neutrons, aus dem auch Atomkerne bestehen. Eine der präzisesten und einflussreichsten Messungen wurde 1969 von einem Physikerteam unter der Leitung von Richard Edward Taylor (1929–2018) an der University of Toronto durchgeführt.
(αₛ) Starke Kopplungskonstante : αₛ ≈ 1.
Es ist die starke Wechselwirkungskonstante, die Protonen und Neutronen zusammenhält (starke Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen). Es wurde in den frühen 1970er Jahren definiert, als eine Reihe von Wissenschaftlern die Quantenchromodynamik entwickelten.
(mᵧ) Neutrinomasse: (mᵧ) ≈ 1 eV/c² (sehr klein).
Diese Konstante definiert die Masse von Neutrinos in der Teilchenphysik. Die Suche nach der Neutrinomasse dauerte mehrere Jahrzehnte und umfasste mehrere Experimente auf der ganzen Welt.
(G_F) Fermi-Konstante:G_F≈ 1,166 × 10^-5 GeV^-2.
Diese Konstante wird verwendet, um schwache Wechselwirkungen zwischen subatomaren Teilchen zu beschreiben. Sie wurde vom italienischen Physiker Enrico Fermi (1901-1954) im Rahmen seiner Theorie der schwachen Wechselwirkung eingeführt.
(a₀) Bohr-Radius: a₀ ≈ 5,292 × 10^-11 m.
Diese Konstante definiert die durchschnittliche Größe der Umlaufbahn eines Elektrons um einen Kern in Wasserstoff. Es wurde 1913 vom dänischen Physiker Niels Bohr (1885-1962) in seinem Atommodell definiert.
(u) Atommassenkonstante: u ≈ 1,660 × 10^-27 kg.
Diese Konstante wird verwendet, um Atommassen in Atommasseneinheiten auszudrücken (ein Zwölftel der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms). Es wurde 1961 von der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) definiert.
(λₑ) Compton-Länge: λₑ ≈ 2,43 × 10^-12 m.
Diese Konstante (Lambda e) beschreibt die Diffusionswirkung von Partikeln aufgrund elektromagnetischer Kräfte. Die Compton-Länge ist ein charakteristischer Abstand, der mit der Ablenkung eines Teilchens, beispielsweise eines Elektrons, durch ein einfallendes Teilchen, beispielsweise ein Photon, verbunden ist. Es wurde vom amerikanischen Physiker Arthur Holly Compton (1892-1962) bei Forschungen auf dem Gebiet der Streuung von Röntgenstrahlen und Licht durch geladene Teilchen definiert.

Was konnten wir anhand der Konstanten überprüfen?

Fundamentalkonstanten haben eine entscheidende Rolle bei der Überprüfung wissenschaftlicher Theorien und physikalischer Modelle gespielt. Sie ermöglichten den Nachweis, dass das Absorptionsspektrum der verschiedenen Elemente seit rund 10 Milliarden Jahren unverändert geblieben ist.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (C) und Plancks Konstante (H) waren von wesentlicher Bedeutung für die Validierung von Einsteins Vorhersagen der speziellen Relativitätstheorie, einschließlich der Auswirkungen der Zeitausdehnung und der Raumkontraktion bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit.
Die universelle Gravitationskonstante (G) wurde verwendet, um die Vorhersagen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie zu testen, indem die Lichtbeugung um massive Objekte und die Eigenschaften von Schwarzen Löchern beobachtet wurden.
Konstanten wie Elementarladung (e), die Masse des Elektrons (M_e) und Plancks Konstante (H) ermöglichte es, die Vorhersagen der Quantenmechanik über das Verhalten subatomarer Teilchen zu validieren.
Die elektrische Konstante (k_e) und die Feinstrukturkonstante (α) wurden verwendet, um Vorhersagen zum Quantenelektromagnetismus zu verifizieren, einschließlich Atomspektren und Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen.
Die starken Kopplungskonstanten (α_S) und schwach (G_F) waren entscheidend, um die Vorhersagen starker (Kernkraft) und schwacher (für den Beta-Zerfall verantwortlicher) Wechselwirkungen zu bestätigen.
Die Massenkonstanten von Teilchen, beispielsweise die des Elektrons, Protons und Neutrons, wurden zur Verifizierung von Modellen der Teilchenphysik, einschließlich des Standardmodells, verwendet.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass physikalische Konstanten als Grundlage für die Validierung wissenschaftlicher Theorien gedient haben. Sie ermöglichten die Konstruktion eines kohärenten Rahmens zur Erklärung und Vorhersage einer breiten Palette von im Universum beobachteten Phänomenen, von unendlich klein bis unendlich groß.

Physikalische und kosmologische Konstanten: universelle Zahlen am Ursprung von allem

Warum gibt es in der Physik Konstanten?

Was sind die Konstanten der Physik?

Was konnten wir anhand der Konstanten überprüfen?

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