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[Icon] mittlerer Wissensdurst Symmetrien der Gesetze

Wenn Teilchenphysiker Symmetrien auf der Spur sind, dann wollen sie nicht das Universum drehen oder auf dem Kopf stellen, sondern sind den Naturgesetzen auf der Spur, die in ihm gelten.

Unser Weltall ist gar nicht sonderlich symmetrisch. Unsere Erde ist nur fast ein perfekte Kugel, sie ist an den Polen flacher als am Äquator. Und die Erde gibt es beispielsweise auch nur einmal und zwar hier. Verschöben wir unseren Aufenthaltsort um 10 Lichtjahre, würden wir auf keine zweite Erde stoßen. Gegenüber einer solches Verschiebung ist das Weltall nicht symmetrisch. 

Bei Naturgesetzen sieht das schon anders aus. Da gehen Physiker davon aus, dass diese hier an Ort und Stelle genauso gelten sollten wie in 10 Lichtjahren Entfernung. Es sollte egal sein, wie unser Labor gedreht ist, wenn wir Naturgesetze untersuchen. Auch im Spiegelbild gelten in der Regel dieselben Gesetze. Und morgen sollten die Welt von keinen anderen Naturgesetze beherrscht werden als gestern. Es sind solche Symmetrieannahmen, die Physiker zahlreiche Bedingungen dafür liefern, wie Naturgesetze aussehen können. Denn sie müssen so gebaut sein, dass sie sich symmetrisch verhalten.

Schauen wir uns die einzelnen Symmetrieannahmen noch einmal im Detail an: 

Ort verschieben

Die physikalischen Gesetze in unserem Universum sollten dieselben an verschiedenen Orten sein. Oder sollte etwa ein Physiker andere Naturgesetze entdecken als sein Kollege im Zimmer nebenan?

Ein unendlich ausgedehntes Gitter lässt sich verschieben, ohne dass es sein Aussehen ändert. Hier liegt eine Verschiebungssymmetrie vor.

Richtung drehen

Welche Naturgesetze findet wohl ein Physiker, der Zeit seines Lebens mit einem zur Seite geneigten Kopf durch die Welt läuft? Dieselben wie sein aufrecht gehender Kollege. Denn wie man das Universum auch dreht: Es sollten dieselben Naturgesetze gelten. Die Gesetze des Universums sind drehsymmetrisch.

Drehsymmetrie: Ein Würfel kann auf viele Weisen gedreht werden, ohne dass sich sein Aussehen verändert.

Spiegeln

Wenn man es manchmal auch nicht wahrhaben mag: Das Ding da morgens im Badezimmer ist das eigene Spiegelbild und sieht einem ganz schön ähnlich. Denn wir Menschen sind im Großen und Ganzen spiegelsymmetrisch aufgebaut. Und auch die meisten der Gesetze der Physik müsste man nicht umschreiben, wenn wir in einer gespiegelten Version unseres Universums lebten.

[Trickfilm] Ein sich veränderndes Kaleidoskop-Muster
Kaleidoskop-Muster wie diese entstehen durch Mehrfachspiegelung.

Zeit verschieben

Es ist 20:15. Gerade lief der Wetterbericht. Als nächstes steht die Vorhersage für die physikalischen Gesetze von Morgen auf dem Programm. Wie stark wird die Schwerkraft sein? Wird es morgen überhaupt Atome geben? Oder ist zur Abwechslung mal alles ganz anders? Absurde Vorstellung? Stimmt! Denn wir gehen davon aus, dass das Universum heute, gestern und morgen denselben physikalischen Gesetzen gehorcht. Die Gesetze im Universum sind symmetrisch bei einer Verschiebung der Zeit.

Der Apfel fällt nie weit vom Stamm.

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