Wie bewegen sich Menschen und Tiere, Steine und Sterne, Bilder und leerer Raum? Was ist Bewegung? Warum existiert sie?

Wie entsteht ein Regenbogen? Wie kann man Dinge schweben lassen? Sind Zeitmaschinen möglich? Was ist die größte Kraft in der Natur? Was sind die offenen Fragen der Physik?

Das Motion-Mountain-Projekt veröffentlicht ein kostenloses Physikbuch, in dem erzählt wird, wie jahrtausendelanger Suche möglich wurde, diese und viele andere Fragen zur Bewegung zu beantworten. Das Buch garantiert Spannung und Staunen auf jeder Seite. Wenn Sie zwischen 16 und 106 Jahre alt sind, werden Sie es mögen; diese Videos zeigen, warum. Bisher ist das Buch über 500.000-mal heruntergeladen worden.

Kostenloser Download Alle Bände des englischsprachigen „Motion Mountain Physics Textbook“. Das ist eine einzige ZIP-Datei mit 550 MB; die PDF-Dateien enthalten zahlreiche Bilder, Filme und Animationen sowie Überraschungen auf jeder Seite.

Ausgehend von vielen Beobachtungen aus dem täglichen Leben und aus dem Tierreich stellt das Buch die faszinierendsten Teile der Mechanik, der Thermodynamik, der Relativitätstheorie, der Elektrodynamik, der Quantentheorie und der modernen Vereinheitlichungsversuche vor. Das Wesentliche an diesen Gebieten wird einfach und mit so wenig Mathematik wie möglich erklärt.

Das Buch führt bis zu den Grenzen von Raum und Zeit und zeigt die erstaunlichen Erkenntnisse vor, die man dort gewinnt. Es ist für Schüler, Studenten, Lehrer und jeden Leser gedacht, der sich für die genaue Beschreibung der Natur interessiert.

Zu jedem Gebiet der Physik finden Sie die neuesten Forschungsresultate, die besten Rätsel und die interessantesten Überraschungen. Mehr als 800 gelöste Aufgaben, 700 farbige Bilder und Filme sowie 100 Tabellen sind im Text enthalten.

Dieses kostenlose Physikbuch wird von dem gemeinnützigen Motion Mountain Physikverein veröffentlicht. Steuerlich absetzbare Spenden sind möglich – und herzlich willkommen.

Das Buch gibt es auch in vielen Übersetzungen. Bisher gibt es keine deutschsprachige Fassung. Neben Beruf und Familie ist die Zeit der letzten 25 Jahre in die englischsprachige Fassung und in das Fadenmodell geflossen. Und ein freiwilliger Übersetzer hat sich noch nicht gefunden.
 

Die größte Kraft in der Natur

Das Prinzip der größten Kraft c⁴/4G und das äquivalente Prinzip der größten Leistung c⁵/4G werden auf einer eigenen Seite vorgestellt. Aus diesen Grenzen, die schwarze Löcher kennzeichnen, kann die gesamte allgemeine Relativitätstheorie vollständig abgeleitet werden. Veröffentlichungen dazu sind auf der Seite zu finden. Inzwischen greifen immer mehr Forschungsgruppen das Thema auf. Das Prinzip der größten Kraft c⁴/4G wurde unabhängig auch von Gary Gibbons vorgeschlagen.

Die größte Kraft in der allgemeinen Relativitätstheorie entspricht der größten Geschwindigkeit c in der speziellen Relativitätstheorie. Diese Grenzgrößen werden im Band zur Relativitätstheorie vorgestellt und behandelt.

Zusammen mit der kleinsten messbaren Wirkung, dem Planckschen Wirkungsquantum, bedeuten diese Grenzen, dass es in der Natur eine kleinste Länge gibt. Eine eigene Seite stellt die vielen spannenden Themen zur kleinsten Länge vor.
 

Die kleinste Entropie eines physikalischen Systems

Uwe Hohm und ich haben zusammen eine Veröffentlichung zur kleinsten Entropie k ln 2 in der Natur verfasst. Wir zeigen darin, dass man von einem Prinzip der kleinsten Entropie sprechen kann, weil man daraus die gesamte Thermodynamik ableiten kann. Entropieunterschiede und Entropiewerte pro Teilchen können zwar beliebig klein werden. Der Gesamtwert der Entropie eines physikalischen Systems ist aber in keinem Fall kleiner als k ln 2. Dieser kleinstmögliche Entropiewert erklärt auch die Eigenschaften schwarzer Löcher.
 

Warum Physik faszinierend ist

Nach gegenwärtigem Wissen beschreiben neun Zeilen die gesamte Natur – und zwar exakt. Die Folien zum Vortrag „Physik in neun Zeilen“ gibt es hier.
Die neun Zeilen fassen die gesamte Grundlagenphysik zusammen:
 

1. Die Natur mag keine Verschwendung:	dW = 0	Die Wirkung W=∫L dt wird bei jeder lokalen Bewegung minimiert. Lokal gilt L = Ekin-Epot.	Vol. I: Fall, Flow and Heat.
2. Die Natur mag keine Eile:	v ≤ c	Energiegeschwindigkeiten v sind durch die Lichtgeschwindigkeit c begrenzt.	Vol. II: Kapitel zur speziellen Relativitätstheorie.
3. Die Natur mag keine übermäßige Kraft:	F ≤ c4/4G	Die Kraft F wird durch c und die Gravitationskonstante G begrenzt.	Vol. II: Kapitel zur allgemeinen Relativitätstheorie und Kosmologie.
4. Die Natur mag keine Faulheit:	W ≥ ħ	Die Wirkung W ist nie kleiner als das Plancksche Wirkungsquantum ħ.	Vol. IV: The Quantum of Change.
5. Die Natur mag keine perfekte Ordnung:	S ≥ k  ln 2	Die Entropie S ist nie kleiner als ln 2 mal die Boltzmannkonstante k.	Vol. I (und Vol. VI)
6. Elektrische Ladungen bleiben erhalten und ziehen sich an oder stoßen sich ab:	U(1)	ist die Symmetrie des Elektromagnetismus.	Vol. III: Light, Charges and Brains.
7. Atomkerne zeigen zwei weitere Arten von Ladungen und Kräften:	SU(3) und gebrochene SU(2)	sind die Symmetrien der beiden Kernwechselwirkungen.	Vol. V: Pleasure, Technology and Stars.
8. Was sich bewegt, besteht aus Teilchen:	18 Elementar- teilchen	mit ihren Ladungen und Eigenschaften bilden alles, was sich bewegt.	Vol. V: Pleasure, Technology and Stars.
9. Die Natur bestimmt die fundamentalen Konstanten:	27 Zahlen	– Dimensionen, kosmologische Konstante, Kopplungskonstanten, Teilchenmassenverhältnisse und Mischungswinkel – bestimmen alle Beobachtungen, alle Farben und alles Schöne in der Natur.	Vol. V: Pleasure, Technology and Stars.

 

Diese neun Zeilen fassen die gesamte Physik zusammen. Weitere physikalische Details und eine Veröffentlichung zu den neun Zeilen sind hier zu lesen. Die Klärung des Ursprungs der Zeile 1, und vor allem der Zeilen 6 bis 9, sind die großen offenen Fragen der modernen Physik. Viel Freude beim Stöbern und Nachdenken!
 

Das Fadenmodell und die Vereinheitlichung der Physik

Aus dem Physikbuch und den genannten neun Zeilen ist ein Ansatz zur vollständigen Beschreibung der Natur entstanden. Dieser Ansatz beruht auf einem einzigen Naturgesetz, dem sogenannten Grundprinzip des Fadenmodells. Er wird auf einer Seite auf einfache Weise und auf einer zweiten Seite im Detail vorgestellt, zusammen mit einem Dutzend Veröffentlichungen. Vortragsfolien sind hier zu finden.

Das Grundprinzip des Fadenmodells erklärt die Zahl und den Ursprung der vier Grundkräfte der Natur, die Zahl und den Ursprung der Elementarteilchen sowie alle deren Eigenschaften. Dazu gehören die berühmte Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante 1/137.035 999 1(1), die die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung beschreibt, aber auch die Stärken der anderen Wechselwirkungen, die Massen der Elementarteilchen, und alle ihre anderen Eigenschaften (Symmetrien, Ladung, Mischungswinkel, Parität). Das Fadenmodell erklärt somit die Zeilen 6 bis 9, inklusive der drei Dimensionen des Raumes.

Das Fadenmodell ist die erste veröffentlichte Erklärung für jede dieser Eigenschaften. Es ist gleichzeitig die erste Erklärung der Grundlagenphysik, die aus einem einzigen Naturgesetz folgt. Und es liefert für den Ursprung von Zeile 1, dem Prinzip der kleinsten Wirkung, die erste Erklärung, die in der Literatur überhaupt zu finden ist.

Das Fadenmodell macht drei experimentelle Vorhersagen:
(1) Es werden keine neuen Naturgesetze, keine neuen Kräfte oder Wechselwirkungen, keine neuen Teilchen und keinerlei Abweichungen von den bereits bekannten Naturgesetzen beobachtet werden. Insbesondere sind die einzigen nichttrivialen messbaren Effekte der Quantengravitation die Kopplungskonstanten, die Teilchenmassen und die Mischungswinkel.
(2) Jede dieser bisher unerklärten Fundamentalkonstanten hat nur einen einzigen möglichen Wert, der berechnet werden kann.
(3) Kein anderer unabhängiger Ansatz zur Vereinheitlichung der Physik ist möglich. (Fäden lassen sich auch als eine Form von Causal Sets auffassen, ebenso als Strings nach der Kompaktifizierung auf drei Dimensionen, und weiter als eine Variante der Schleifengravitation.)
Detaillierte experimentelle Vorhersagen und zusätzliche Tests des Fadenmodells sind hier aufgeführt.

Wenn die experimentellen Ergebnisse das Fadenmodell weiterhin bestätigen, dann sind das Prinzip der größten Kraft, das Prinzip der kleinsten Entropie und das Grundprinzip des Fadenmodells die letzten Naturgesetze, die noch unentdeckt waren. Falsifizieren die experimentellen Ergebnisse das Fadenmodell auch künftig nicht, wie schon seit 2014, ist die Grundlagenphysik abgeschlossen. Die Zukunft wird klären, ob diese kühne Aussage zutrifft. Selbst wenn sie zutrifft, bleiben die Physikforschung und die Physik als Ganzes aber spannend! Es gibt in der Medizintechnik, in der Biophysik, in der Halbleiterphysik, in der Lasertechnik, in der Photovoltaik, in der theoretischen Physik, in der Geophysik, in der Astrophysik und in vielen anderen Bereichen noch viel zu entdecken und zu erfinden.

In technischer Sprache: Das Grundprinzip des Fadenmodells erlaubt es, die Lagrangedichte des Standardmodells der Elementarteilchen mit massiven Neutrinos und die Lagrangedichte der allgemeinen Relativitätstheorie abzuleiten. Insgesamt beschreibt das Grundprinzip die gesamte Natur mit einem einzigen Naturgesetz: Kreuzungswechsel von unbeobachtbaren Fäden mit Planckradius sind beobachtbar und ergeben das Plancksche Wirkungsquantum ħ. Insbesondere erklärt dieses Gesetz zum ersten Mal überhaupt die Eichwechselwirkungen mit deren Lie-Gruppen und der SU(2) Symmetriebrechung, die Elementarteilchen mit allen ihren Quantenzahlen und vor allem alle Fundamentalkonstanten. Alle experimentellen Vorhersagen und alle Tests stimmen mit allen Beobachtungen überein – trotz weltweiter intensiver Suche nach Gegenbeispielen.
 
 

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