2944 Fragen zu Physik

Die Frage, ob ein akausales Universum mathematisch existieren kann, berührt sowohl Physik als auch Mathematik und Philosophie. Mathematisch betrachtet ist es durchaus möglich, Modelle zu formulieren, in denen Kausalität – also die Beziehung von Ursache und Wirkung – nicht zwingend vorausgesetzt wird. In der Mathematik gibt es viele Strukturen, die keine Kausalität enthalten oder benötigen. Zum Beispiel sind viele Gleichungssysteme, geometrische Räume oder abstrakte Mengenlehren akausal, weil sie keine zeitliche Abfolge oder Ursache-Wirkung-Relation voraussetzen. In der theoretischen Physik gibt es ebenfalls Modelle, die Kausalität nicht als Grundvoraussetzung haben. Ein Beispiel sind bestimmte Interpretationen der Quantenmechanik oder die sogenannte Blockuniversum-Interpretation der Relativitätstheorie, in der Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft gleichermaßen „existieren“ und Kausalität eher als emergentes Phänomen erscheint. Ob ein solches mathematisches Modell die Realität beschreibt, ist eine andere Frage. Die Naturwissenschaften gehen meist davon aus, dass Kausalität eine fundamentale Eigenschaft unseres Universums ist, weil sie in Experimenten und Beobachtungen bestätigt wird. Aber rein mathematisch ist ein akausales Universum durchaus denkbar und beschreibbar. Zusammengefasst: **Mathematisch kann ein akausales Universum existieren, da es möglich ist, Modelle ohne Kausalitätsannahme zu formulieren. Ob diese Modelle die physikalische Realität beschreiben, ist jedoch eine offene Frage.**

Wenn ein Alphateilchen (also ein Heliumkern, bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen) auf ein Elektron trifft, können verschiedene Dinge passieren, abhängig von der Energie des Alphateilchens und den genauen Bedingungen des Zusammenstoßes: 1. **Ionisation:** Das Alphateilchen kann das Elektron aus einem Atom herausschlagen (ionisieren). Das passiert häufig, wenn Alphateilchen durch Materie fliegen – sie verlieren dabei Energie, indem sie Elektronen aus Atomen entfernen. 2. **Streuung:** Das Elektron kann durch die elektrische Abstoßung (Coulomb-Kraft) vom Alphateilchen abgelenkt werden. Das nennt man elastische Streuung. 3. **Einfang:** In sehr seltenen Fällen und bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten kann das Alphateilchen ein Elektron einfangen und zu einem Heliumatom werden. Eine direkte „Kollision“ im klassischen Sinn ist sehr unwahrscheinlich, da das Elektron extrem leicht und das Alphateilchen sehr viel schwerer ist. Meistens läuft der Prozess über die elektromagnetische Wechselwirkung ab. Weitere Informationen findest du z.B. bei [Wikipedia: Alphateilchen](https://de.wikipedia.org/wiki/Alphateilchen).

Wechselstrom ist elektrischer Strom, der seine Richtung regelmäßig ändert. Das passiert zum Beispiel in Kraftwerken durch Generatoren.

Wechselstrom entsteht, wenn sich die Richtung des elektrischen Stroms periodisch durch einen Generator ändert.

Wenn du die Schnur eines Drachens in 25 m Höhe loslässt, verliert der Drache die Spannung, die ihn durch die Schnur in einer stabilen Fluglage hält. Ohne diese Kontrolle durch die Schnur ist der Drache den Windverhältnissen und der Schwerkraft ausgesetzt. In den meisten Fällen wird Folgendes passieren: - **Der Drache beginnt zu taumeln oder zu trudeln**, weil er nicht mehr stabil gehalten wird. - **Er verliert an Höhe**, da er nicht mehr gegen den Wind ausgerichtet werden kann. - **Je nach Windstärke und -richtung** kann der Drache ein Stück weit mit dem Wind treiben, bevor er schließlich zu Boden sinkt. - **Die Schnur fällt ebenfalls zu Boden**, es sei denn, sie bleibt irgendwo hängen. Insgesamt wird der Drache also relativ schnell an Höhe verlieren und zu Boden fallen, es sei denn, sehr starke und konstante Winde tragen ihn noch eine Weile weiter.

Die beobachteten Peaks bei 15 keV und 79 keV im Gammaspektrum einer Bleiburg (Abschirmung aus Blei) lassen sich wie folgt deuten: **15 keV Peak:** Dieser Peak liegt im Bereich der charakteristischen Röntgenstrahlung (Kα-Linie) von Blei (Pb). Wenn Gammastrahlung auf das Blei trifft, kann sie innere Elektronen aus den K-Schalen herausschlagen. Beim Nachrücken von Elektronen aus höheren Schalen entsteht charakteristische Röntgenstrahlung. Für Blei liegt die Kα-Linie bei etwa 74–75 keV, die Lα-Linie bei etwa 10–15 keV. Der Peak bei 15 keV stammt daher sehr wahrscheinlich von der Lα-Röntgenstrahlung des Bleis selbst. **79 keV Peak:** Der Peak bei 79 keV entspricht ziemlich genau der Kα1-Linie von Blei, die bei etwa 74,96 keV liegt. Es könnte sich aber auch um die Kβ-Linie handeln, die bei etwa 84,94 keV liegt. Der Wert von 79 keV liegt dazwischen, was auf eine Überlagerung oder eine leichte Kalibrierungsabweichung hindeuten könnte. In jedem Fall ist dies ebenfalls charakteristische Röntgenstrahlung von Blei. **Fazit:** Beide Peaks stammen sehr wahrscheinlich von der charakteristischen Röntgenstrahlung des Bleis in deiner Bleiburg. Diese entsteht, wenn die Bleiatome durch die Hintergrundstrahlung angeregt werden und dann ihre überschüssige Energie in Form von Röntgenquanten abgeben. **Weitere Informationen:** - [Charakteristische Röntgenstrahlung – Wikipedia](https://de.wikipedia.org/wiki/Charakteristische_R%C3%B6ntgenstrahlung) - [Blei – Wikipedia](https://de.wikipedia.org/wiki/Blei) **Hinweis:** Solche Peaks sind typisch für Messungen mit Bleischirmen, da das Blei selbst durch die Wechselwirkung mit Gammastrahlen zur Emission seiner charakteristischen Röntgenstrahlung angeregt wird.

Die drei Newtonschen Gesetze (auch Newtonsche Axiome genannt) lauten: 1. **Trägheitsgesetz (1. Newtonsches Gesetz):** Ein Körper bleibt in Ruhe oder in gleichförmiger geradliniger Bewegung, solange keine Kraft auf ihn einwirkt. 2. **Aktionsprinzip (2. Newtonsches Gesetz):** Die Änderung der Bewegung (Beschleunigung) eines Körpers ist proportional zur einwirkenden Kraft und erfolgt in deren Richtung. Mathematisch: **F = m · a** (Kraft = Masse × Beschleunigung) 3. **Reaktionsprinzip (3. Newtonsches Gesetz):** Übt ein Körper A auf einen Körper B eine Kraft aus, so übt Körper B auf Körper A eine gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Kraft aus. (Actio = Reactio) Weitere Informationen findest du z.B. bei [Wikipedia – Newtonsche Gesetze](https://de.wikipedia.org/wiki/Newtonsche_Gesetze).

Materie und Antimaterie bestehen aus Teilchen, die sich in bestimmten Eigenschaften unterscheiden, insbesondere in ihrer elektrischen Ladung. Für jedes Teilchen der Materie (z. B. Elektron, Proton, Neutron) gibt es ein entsprechendes Antiteilchen (z. B. Positron, Antiproton, Antineutron), das die gleiche Masse, aber die entgegengesetzte Ladung und andere Quantenzahlen besitzt. **Unterschiede im Überblick:** - **Elektrische Ladung:** Ein Elektron (Materie) hat eine negative Ladung, ein Positron (Antimaterie) eine positive. - **Andere Quantenzahlen:** Auch Eigenschaften wie die sogenannte Baryonenzahl oder Leptonenzahl sind entgegengesetzt. - **Masse:** Beide haben exakt die gleiche Masse. **Warum vernichten sie sich gegenseitig?** Wenn ein Teilchen und sein Antiteilchen aufeinandertreffen, können sie sich gegenseitig auslöschen – dieser Vorgang heißt **Annihilation**. Dabei wird die gesamte Masse der beiden Teilchen gemäß Einsteins Formel \(E=mc^2\) in Energie (meist in Form von hochenergetischen Photonen, also Gammaquanten) umgewandelt. Das passiert, weil die entgegengesetzten Quantenzahlen sich gegenseitig aufheben, sodass keine Teilchen mehr übrig bleiben, sondern nur noch Energie. **Zusammengefasst:** Materie und Antimaterie unterscheiden sich vor allem in der Ladung und anderen Quantenzahlen. Treffen sie aufeinander, vernichten sie sich und setzen dabei Energie frei, weil ihre gegensätzlichen Eigenschaften sich gegenseitig aufheben.

Poise (abgekürzt P) ist die Einheit der dynamischen Viskosität im CGS-Einheitensystem (Zentimeter-Gramm-Sekunde-System). Sie ist nach dem französischen Physiker Jean Léonard Marie Poiseuille benannt. **Definition:** 1 Poise (P) entspricht der Viskosität eines Fluids, bei dem ein Schubspannungsgradient von 1 Dyn/cm² erforderlich ist, um eine Geschwindigkeit von 1 cm/s zwischen zwei parallelen Ebenen, die 1 cm voneinander entfernt sind, aufrechtzuerhalten. **Formel:** 1 P = 1 g/(cm·s) **Umrechnung in SI-Einheiten:** 1 Poise = 0,1 Pascal-Sekunden (Pa·s) **Weitere Infos:** - In der Praxis wird oft die kleinere Einheit Centipoise (cP) verwendet: 1 cP = 0,01 P = 1 mPa·s. - Wasser bei 20 °C hat eine Viskosität von etwa 1 cP. Weitere Informationen findest du z.B. bei [Wikipedia – Poise (Einheit)](https://de.wikipedia.org/wiki/Poise_(Einheit)).

Ein Centipoise (Abkürzung: cP) ist eine Maßeinheit für die dynamische Viskosität. Sie wird vor allem in der Physik und Chemie verwendet, um die Zähflüssigkeit (Viskosität) von Flüssigkeiten zu beschreiben. **Definition:** 1 Centipoise entspricht einem Hundertstel (1/100) eines Poise. Mathematisch: 1 cP = 0,01 Poise = 1 mPa·s (Millipascal-Sekunde) im SI-System. **Beispiel:** Wasser bei 20 °C hat eine Viskosität von etwa 1 cP. **Weitere Informationen:** - 1 Poise = 0,1 Pa·s (Pascal-Sekunden) - 1 cP = 1 mPa·s (Millipascal-Sekunde) Weitere Details findest du z. B. bei [Wikipedia – Poise (Einheit)](https://de.wikipedia.org/wiki/Poise_(Einheit)).

Um aus dem Bremsweg die Geschwindigkeit zu berechnen, nutzt man die Faustformel für den Bremsweg bei einer Vollbremsung auf trockener Fahrbahn: **Bremsweg (in Meter) = (Geschwindigkeit in km/h : 10) × (Geschwindigkeit in km/h : 10)** Das heißt: \[ s = \left(\frac{v}{10}\right)^2 \] Gegeben: - Bremsweg \( s = 25 \) Meter Gesucht: - Geschwindigkeit \( v \) in km/h **Umstellen der Formel nach v:** 1. \( s = \left(\frac{v}{10}\right)^2 \) 2. \( \sqrt{s} = \frac{v}{10} \) 3. \( v = 10 \times \sqrt{s} \) **Einsetzen:** \( v = 10 \times \sqrt{25} = 10 \times 5 = 50 \) km/h **Antwort:** Bei einem Bremsweg von 25 Metern beträgt die Geschwindigkeit etwa **50 km/h** (unter Annahme einer Vollbremsung auf trockener Fahrbahn und ohne Reaktionsweg).

Helligkeit ist das Maß für Lichtintensität, sichtbar und wahrnehmbar.

Die Stärke eines elektromagnetischen Feldes kann sehr unterschiedlich sein und hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. der Stromstärke, der Bauweise des Elektromagneten und dem verwendeten Material. **Magnetische Flussdichte (B-Feld):** - Die Stärke eines Magnetfelds wird meist in Tesla (T) gemessen. - Ein typischer Haushaltsmagnet hat etwa 0,01 bis 0,1 Tesla. - Starke Elektromagnete in Laboren erreichen mehrere Tesla, z. B. 10–20 T. - Die stärksten stationären Labormagnete erreichen derzeit etwa 45 T (z. B. im National High Magnetic Field Laboratory, USA: [https://nationalmaglab.org/](https://nationalmaglab.org/)). - Pulsierende Magnetfelder (nur für sehr kurze Zeit) können sogar über 100 T erreichen. **Elektrische Feldstärke (E-Feld):** - Die elektrische Feldstärke wird in Volt pro Meter (V/m) gemessen. - In der Praxis sind Felder von einigen 100.000 V/m (z. B. bei Hochspannungsleitungen) möglich. - In Laboren können mit speziellen Vorrichtungen auch Felder von mehreren Millionen V/m erzeugt werden. **Grenzen:** - Die praktische Grenze wird durch Materialeigenschaften (z. B. Sättigung von Eisenkernen), Kühlung und die Gefahr von elektrischen Durchschlägen gesetzt. - Theoretisch gibt es auch eine sogenannte Schwinger-Grenze (~4,4 × 10^9 T), bei der das Vakuum selbst instabil wird, aber solche Felder sind mit heutiger Technik unerreichbar. **Zusammengefasst:** Mit heutiger Technik sind stationäre Magnetfelder bis etwa 45 Tesla und elektrische Felder bis einige Millionen Volt pro Meter möglich. In Spezialfällen (z. B. Pulsfelder) können Magnetfelder kurzfristig noch deutlich stärker sein.

Die relative Dielektrizitätskonstante (Permittivität) von Kunststofffolien sinkt mit steigender Frequenz, weil die Polarisationsmechanismen im Material nicht mehr schnell genug auf das sich ändernde elektrische Feld reagieren können. Im Detail: Kunststoffe bestehen aus Molekülen, deren elektrische Dipole sich im elektrischen Feld ausrichten (Polarisierung). Bei niedrigen Frequenzen können sich diese Dipole gut an das wechselnde Feld anpassen, was zu einer hohen Dielektrizitätskonstante führt. Steigt die Frequenz, können die Dipole und andere Polarisationsmechanismen (z.B. Orientierungspolarisation, Ionenpolarisation) dem schnellen Wechsel des Feldes nicht mehr folgen. Dadurch nimmt ihr Beitrag zur Gesamtpolarisation ab, und die relative Dielektrizitätskonstante sinkt. Zusammengefasst: Mit steigender Frequenz werden immer weniger Polarisationsmechanismen wirksam, weshalb die relative Dielektrizitätskonstante von Kunststofffolien abnimmt.

Die relative Dielektrizitätskonstante (Permittivität) eines Materials beschreibt, wie stark es ein elektrisches Feld beeinflusst bzw. wie gut es elektrische Ladungen polarisieren kann. Bei Kunststofffolien (also polymeren Isolatoren) steigt die relative Dielektrizitätskonstante mit der Temperatur aus folgenden Gründen: 1. **Erhöhte Molekularbeweglichkeit:** Mit steigender Temperatur bewegen sich die Polymerketten und ihre Seitenketten stärker. Dadurch können sich die Dipole im Material leichter an ein äußeres elektrisches Feld anpassen und ausrichten. Das führt zu einer stärkeren Polarisierbarkeit und damit zu einer höheren Dielektrizitätskonstante. 2. **Thermische Aktivierung von Dipolen:** Bei niedrigen Temperaturen sind viele Dipole im Kunststoff "eingefroren" und können sich kaum bewegen. Mit zunehmender Temperatur werden mehr dieser Dipole beweglich und können sich am elektrischen Feld ausrichten, was die Permittivität erhöht. 3. **Reduzierte Relaxationszeiten:** Die Zeit, die ein Dipol benötigt, um sich an ein verändertes elektrisches Feld anzupassen (Relaxationszeit), nimmt mit steigender Temperatur ab. Dadurch können mehr Dipole dem Feld folgen, was die effektive Permittivität erhöht. **Grenzen:** Dieser Effekt gilt meist nur bis zu einer bestimmten Temperatur (z. B. unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoffs). Bei sehr hohen Temperaturen kann die Permittivität auch wieder abnehmen, etwa wenn der Kunststoff schmilzt oder sich zersetzt. **Zusammengefasst:** Die relative Dielektrizitätskonstante von Kunststofffolien steigt mit der Temperatur, weil die Moleküle beweglicher werden und sich besser am elektrischen Feld ausrichten können.