Die 12 wichtigsten Naturkonstanten der Physik
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Die Naturkonstanten der Physik sind wichtig für das Verständnis des Universums. Die Naturkonstanten, sind, wie der Name schon sagt, universelle und unveränderliche Werte, die experimentell bestimmt werden. Ihre Werte gelten überall im Universum, sodass wir auch auf die Physik außerhalb unserer Erde, außerhalb unseres Sonnensystems und sogar auf die Physik in anderen Galaxien unseres Universums schließen können. In dieser Lektion werfen wir einen Blick auf einige der wichtigsten Naturkonstanten und ihre Bedeutung für die Physik.
Lichtgeschwindigkeit
Lichtgeschwindigkeit gibt an, wie schnell sich das Licht im leeren Raum (Vakuum) ausbreitet. Sie hat den folgenden exakten Wert:
Diese Konstante ist die maximale Geschwindigkeit, mit der Informationen oder Signale durch den Raum reisen können, und spielt eine grundlegende Rolle in der Relativitätstheorie von Albert Einstein. Mit den Interferometer-Experimenten (z.B. mit Michaelson-Morley-Experiment) lässt sich die Lichtgeschwindigkeit ermitteln und deren Konstanz bestätigen.
Elementarladung
Die Elementarladung ist eine Naturkonstante und ist die kleinste, frei existierende elektrische Ladung in unserem Universum. Sie hat den folgenden exakten Wert:
Alle anderen elektrisch geladenen Körper tragen ein Vielfaches der Elementarladung \(e\). Die Elementarladung legt in unserem Universum fest, wie stark sich Elementarteilchen anziehen und abstoßen. Der Wert der Elementarladung kann beispielsweise mit dem Millikan-Experiment bestimmt werden.
Magnetische Feldkonstante
Die magnetische Feldkonstante tritt in den Gleichungen auf, die mit magnetischen Feldern zu tun haben. Sie hat den folgenden experimentell bestimmten Wert:
Die magnetische Feldkonstante verbindet magnetische Flussdichte und magnetische Feldstärke und beeinflusst Phänomene wie elektromagnetische Induktion.
Elektrische Feldkonstante
Die elektrische Feldkonstante tritt in den Gleichungen auf, die mit elektrischen Feldern zu tun haben. Sie hat den folgenden experimentell bestimmten Wert:
Wirkungsquantum (Planck-Konstante)
Das Wirkungsquantum (auch Planck-Konstante genannt), ist eine Naturkonstante, die immer dann in den Gleichungen auftaucht, wenn die Gleichung Quanteneffekte beschreibt. Sie hat den folgenden exakten Wert:
Die Planck-Konstante beschreibt die kleinstmögliche Wirkung (in Joulesekunden) des Universums in einem physikalischen Prozess.
Gravitationskonstante
Die Gravitationskonstante tritt im Newton-Gravitationsgesetz und Einstein-Feldgleichungen auf, die die Wechselwirkung zwischen den Massen beschreiben. Sie hat den folgenden experimentell bestimmten Wert:
Die genaue Bestimmung der Gravitationskonstante ist entscheidend für die Präzision von astronomischen Berechnungen und die Verständlichkeit von Massenverteilungen im Universum.
Boltzmann-Konstante
Die Boltzmann-Konstante tritt in den Gleichungen auf, die Systeme mit vielen Teilchen beschreiben. Sie hat den folgenden exakten Wert:
Die Boltzmann-Konstante verbindet die statistische Mechanik mit der Thermodynamik. Sie kommt beispielsweise in der Boltzmann-Verteilung vor und gibt an, wie sich die Energie von Teilchen auf verschiedene Energieniveaus verteilt. Die Boltzmann-Konstante ist entscheidend für die Definition der Temperatur.
Elektronenmasse
Die Ruhemasse eines Elektrons hat den folgenden experimentell bestimmten Wert:
Protonenmasse
Ruhemasse eines Protons hat den folgenden experimentell bestimmten Wert:
Neutronenmasse
Ruhemasse eines Neutrons hat den folgenden experimentell bestimmten Wert:
Avogadro-Konstante
Die Avogadro-Konstante gibt an, wie viele Teilchen in einem Mol vorhanden sind. Sie hat den folgenden exakten Wert:
Diese Konstante dient beispielsweise zur Verknüpfung von makroskopischen und mikroskopischen Eigenschaften von Materie. Bei einem Gas stellt die Avogadro-Konstante die Verbindung zwischen Volumen, Druck und Temperatur.
Gaskonstante
Die universelle Gaskonstante tritt in der Thermodynamik auf - bei der Beschreibung von Gasen (z.B. Luft). Sie hat den folgenden exakten Wert:
Die Gaskonstante kommt beispielsweise im idealen Gasgesetz vor, das für ideale Gase gilt und den Zusammenhang zwischen Gasdruck, seinem Volumen, seiner Temperatur und der Gasteilchenzahl beschreibt.