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| Prolog |
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Alles fließt - Heraklit von Ephesos
Bisher ist auch noch nicht entgültig sicher, dass die grundlegenden Naturkonstanten für alle Zeit gleich bleiben.
Es gibt bisher noch keine Theorie, aus der sich, die grundlegenden physikalischen Konstanten herleiten lassen. Diese müssen weiter durch Messungen bestimmt werden.
Eine Anforderung an eine Weltformel oder an eine Theorie von allem ist, dass sich die physikalischen Naturkonstanten daraus ableiten lassen.
| Naturkonstanten |
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| Größe | Formel | Symbol | Wert | Potenz | Einheit |
| Lichtgeschwindigkeit im Vakuum | c | 299 792 458 | m/s | ||
| Permeabilität des Vakuums | 4 ·10-7 |
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1,256 637 061 4.. | 10-6 | N/A2 |
| Dielektrizitätskonstante des Vakuums | 1/c2 |
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8,854 187 817 | 10-12 | F/m = A·s/V·m |
| Elementarladung | e | 1,602 176 53 (14) | 10-19 | C | |
| Gravitationskonstante | G | 6,672 59 (85) | 10-11 | Nm2/kg2 | |
| Coulombsche Konstante | 1/4πε0 | k | 8,987 551 788 | 10 9 | Nm2/C2 |
| Plancksche Wirkungsquantum | h | 6,626 075 5 (40) | 10-34 | J·s | |
| h quer | h/2 |
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1,054 572 99 (63) | 10-34 | J·s |
| Feinstrukturkonstante | e2/4πεoc2 |  |
7,297 353 08 (33) | 10-3 | |
| Inverse Feinstrukturkonstante |  |
137,035 989 5 (61) | |||
| Atomare Masseneinheit | u | 1,660 540 | 10-27 | kg | |
| u | 931,494 32 | MeV/c2 | |||
| Boltzmann-Konstante | R/NA | k | 1,380 658 (12) | 10-23 | J/K |
| Avogadro-Konstante | NA, L | 6,022 136 7(36) | 10 23 | Teilchen · mol-1 | |
| Universelle Gaskonstante | NAk | R | 8,314 472 (15) | J · mol-1·K-1 | |
| Ruhemasse des Elektrons | me | 9,109 381 9 (7) | 10-31 | kg | |
| Ruhemasse des Protons | mp | 1,672 621 6 (1) | 10-27 | kg | |
| Ruhemasse des Neutrons | mn | 1,674 927 2 (1) | 10-27 | kg |
| Die Plancksche Skala |
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Aus den fundamentalen Naturkonstanten lassen sich die folgenden Größen ableiten.
| Größe | Formel | Symbol | Wert | Potenz | Einheit |
| Plancklänge |  |
lP | 1,6 | 10-35 | m |
| Planckzeit | lP/c | tP | 5,4 | 10-44 | s |
| Planckenergie |  |
EP | 1,22 | 10 19 | GeV |
| Planckmasse | EP/c2 | mP | 1,3 | 10 19 | Protonenmassen |
| Plancktemperatur | EP/k | TP | 1,4 | 10 32 | K |
| Planckladung | eP | 1,6 | 10-19 | As |
Die Physiker nehmen an, dass diesen Größen eine besondere Bedeutung besitzen. Zum Beispiel wird postuliert, dass unterhalb der Plancklänge der Begriff Länge seine Bedeutung verliert, d.h, unsere Raumvorstellung bricht unterhalb der Plancklänge zusammen.
| Elementarteilchen - Die fundamentalen Bausteine der Materie |
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Materie
| Ladung | Gruppe | erste Familie | zweite Familie | dritte Familie |
| +2/3 | Quarks | Up - u | Charm - c | Top - c |
| +1/3 | ||||
| 0 | neutrale Leptonen (Neutrinos) |
Elektron-Neutrino νe | Myon-Neutrino νμ | Tau-Neutrino ντ |
| -1/3 | Quarks | Down - d | Strange - s | Bottom - b |
| -2/3 | ||||
| -1 | geladene Leptonen | Elektron - e- | Myon - μ- | Tauon - τ- |
Antimaterie
Zu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen, welches die gleiche Masse wie das Teilchen hat, aber eine entgegengestzte Ladung. Beispiel: Das Antiteilchen des Elektrons das Positron, welches eine positive Ladung hat.
Austauschteilchen - Eichbosonen
Des weiteren gibt es Austauschteilchen, die bei den verschiedenen Wechselwirkungen der Physik auftreten:
| Elektromagnetische-Wechselwirkung | Schwache-Wechselwirkung | Starke-Wechselwirkung | Gravitation |
| Photon | W+, Z0, W- | Gluon | Graviton oder Higgs-Teilchen? Wird zur Zeit heftig gesucht. |
| SI - Système international dŽunités |
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SI-Basiseinheiten
Das Internationale Einheitenystem SI (Système international dŽunités) bekam auf der 11. Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahr 1960 diesen Namen.
Das SI fußt auf sieben Basiseinheiten und zahlreichen "abgeleiteten Einheiten", die durch reine Multiplikation und Division aus den Basiseinheiten, immer mit dem Faktor 1, gebildet werden.
Das SI entstammt den Bedürfnissen der Wissenschaft nach einem einheitlichen Maßsystem, ist aber mittlerweile auch das vorherrschende Maßsystem der internationalen Wirtschaft. In Deutschland sind die SI-Einheiten als gesetzliche Einheiten für den amtlichen und geschäftlichen Verkehr eingeführt.
Das SI-System ist ein MKSA-System (Metrisches Einheitensystem). Das heißt, es beruht auf den Einheiten Meter, Kilogramm, Sekunde und Amper (MKSA).
| Tabelle der SI-Basiseinheiten |
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| Basisgröße | Name | Einheitenzeichen | Definition |
| Länge | Meter | m | Das Meter ist die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauer von (1/299792 458) Sekunden durchläuft. |
| Masse | Kilogramm | kg | Das Kilogramm ist die Einheit der Masse; es ist gleich der Masse des Internationalen Kilogrammprototyps. |
| Zeit | Sekunde | s | Die Sekunde ist das 9192 631 770 fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung. |
| Elektrische Stromstärke | Ampere | A | Das Ampere ist die Stärke eines konstanten elektrischen Stromes, der, durch zwei parallele, geradlinige, unendlich lange und im Vakuum im Abstand von einem Meter voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je einem Meter Leiterlänge die Kraft 2 · 10-7 Newton hervorrufen würde. |
| Temperatur | Kelvin | K | Das Kelvin, die Einheit der thermodynamischen Temperatur, ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers. |
| Stoffmenge | Mol | mol | Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensovielen Einzelteilchen besteht, wie Atome in 0,012 Kilogramm des Kohlenstoffnuklids 12C enthalten sind. Bei Benutzung des Mol müssen die Einzelteilchen spezifiziert sein und können Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen sowie andere Teilchen oder Gruppen solcher Teilchen genau angegebener Zusammensetzung sein. |
| Lichtstärke | Candela | cd | Die Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz 540 · 1012 Hertz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung (1/683) Watt durch Steradiant beträgt. |
| Abgeleitete Größen |
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| Abgeleitete Größe | Name | Einheitenzeichen | Formelzeichen | Definition durch Basisgrößen |
| Frequenz (Anzahl der Schwingungen pro Sekunde) |
Hertz | Hz | ν, f | s-1 (Eins durch Sekunde) |
| Geschwindigkeit (zurückgelegter Weg pro Zeit) |
v | m/s (Meter pro Sekunde) |
||
| Beschleunigung (Geschwindigkeit pro Zeit) |
a | m/s2 (Meter pro Sekundequadrat) |
||
| Dichte (Masse pro Volumen) |
ρ | kg/m3 (Kilogramm pro Kubikmeter) |
||
| Kraft (Masse mal Beschleunigung) |
Newton | N | F | kg·m/s2 (Kilogramm mal Meter pro Sekundequadrat) |
| Druck (Kraft pro Fläche) |
Pascal | Pa | p | N/m2 (Kilogramm pro Quadratmeter) |
| Arbeit (Kraft mal Weg) Energie (Masse mal Geschwindigkeitsquadrat) |
Joule | J | E, W, A | N·m = W·s = kg·m2/s2 (Ein Newtonmeter ist gleich einer Wattsekunde.) |
| Leistung (geleistete Arbeit pro Zeit, Energie pro Zeit) |
Watt | W | P | J/s = V·A (Ein Joule pro Sekunde ist gleich Volt mal Ampere.) |
| Wirkung (Energie mal Zeit) |
J·s | |||
| Wärmemenge (Energieäquivalent) |
Joule | J | N·m | |
| Die Wärmemenge,
die man benötigt, um ein Gramm Wasser, bei Normaldruck, von 14,5 °C auf 15,5 °C zu erwärmen, bezeichnet man als eine Kalorie. |
Kalorie | cal | 1 cal = 4,186 8 J | |
| Elektrische Ladung (Stromstärke mal Zeit) |
Coulomb | C | q, Q | A·s |
| Spannung (elektrische Leistung pro Stromstärke) |
Volt | V | U | W/A = Nm/C = J/C (Ein Watt pro Ampere ist gleich ein Newtonmeter pro Coulomb gleich ein Joule pro Coulomb) |
| Elektrischer Widerstand (Spannung pro Stromstärke) |
Ohm | Ω | R | V/A (Ampere pro Sekunde) |
| Kapazität (Ladung pro Spannung) |
Farad | F | C | C/V (Coulomb pro Volt) |
| Elektrische Feldstärke (Kraft pro Ladung) (Spannungsdifferenz pro Länge) |
E | N/C = V/m (Ein Newton pro Coulomb ist gleich ein Volt pro Meter) |
||
| Elektrische Flußdichte | D = ·E |
A·s/m2 = C/m2 | ||
| Magnetische Feldstärke (magnetischer Fluß pro Fläche) |
Tesla | T | B | Wb/m2 = V·s/m2 = J/C·m2·s-1 = N/C·m·s-1 |
| Gauß | G | 10-4·T | ||
| Induktivität (Magnetischer Fluß pro Stromstärke) |
Henry | H | L | Wb/A |
| magnetischer Fluß (Induzierte Spannung in einer Leiterschleife mal Zeit) |
Weber | Wb |  |
V·s |
| Präfixe der Zehnerpotenzen |
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| Faktor | 1024 | 1021 | 1018 | 1015 | 1012 | 109 | 106 | 103 | 102 | 101 |
| Name | Yotta | Zetta | Exa | Peta | Tera | Giga | Mega | Kilo | Hekto | Deka |
| Zeichen | Y | Z | E | P | T | G | M | k | h | d |
| Faktor | 10-1 | 10-2 | 10-3 | 10-6 | 10-9 | 10-12 | 10-15 | 10-18 | 10-21 | 10-24 |
| Name | Deci | Centi | Mili | Mikro | Nano | Pico | Femto | Atto | Zepto | Yokto |
| Zeichen | d | c | m | μ | n | p | f | a | z | y |
| Griechische Buchstaben |
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Alpha |  |
Iota |  |
Rho |
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Beta |  |
Kappa |  |
Sigma |
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Gamma |  |
Lambda |  |
Tau |
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Delta |  |
My |  |
Ypsilon |
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Epsilon |  |
Ny |  |
Phi |
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Zeta |  |
Xi |  |
Chi |
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Eta |  |
Omikron |  |
Psi |
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Theta |  |
Pi |  |
Omega |
| Gaußsches Maßsystem |
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Das Gaußsche Maßsystem oder auch Gaußsches CGS-System (CGS-centimetre gram second system of units), beruht auf den drei Basiseinheiten Zentimeter, Sekunde und Gramm.
Basiseinheiten
| Basisgröße | Name der Einheit | Einheitenzeichen |
| Länge | Zentimeter | cm |
| Zeit | Sekunde | s |
| Masse | Gramm | g |
Einheiten Tabelle für wichtige abgeleitete Größen im Gaußschen Maßsystem
| Größe | Name der Einheit | Formel Zeichen | physikalische Diemension |
| elektrische Ladung | q | cm3/2 s-1 g1/2 | |
| elektrischer Strom | I | cm3/2 s-2 g1/2 | |
| elektrische Feldstärke | E | cm-1/2 s-1 g1/2 | |
| dielektrische Verschiebung | D | ||
| Polarisation | P | ||
| magnetische Induktion | Gauß | B | cm-1/2 s-1 g1/2 |
| magnetische Feldstärke | Oerstead | H | cm-1/2 s-1 g1/2 |
| Magnetisierung | M | cm-1/2 s-1 g1/2 | |
| magnetischer Fluß | Maxwell | Φ | cm3/2 s-1 g1/2 |
| elektrische Leitfähigkeit | σ | s-1 | |
| elektrischer Leitwert | Λ | cm s-1 | |
| elektrischer Widerstand | R | cm-1 s | |
| Pointing-Vektor | S | s-3 g | |
| Vektor Potential | A | cm1/2 s-1 g1/2 | |
| skalares elektrisches Potential | φ | cm1/2 s-1 g1/2 | |
| Frequenz | Hertz | ν | Hz = s-1 |
| Kapazität | C | cm | |
| Induktivität | L | cm-1 s2 | |
| Kraft | dyn | F | dyn = cm s-2 g |
| Druck | p | cm-1 s-2 g | |
| elektromagnetische Energiedichte | w | cm-1 s-2 g | |
| Energie | erg | E | erg = cm2 s-2 g |
| Leistung | P | cm2 s-3 g |
| Mathematische Konstanten |
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Die ersten 100 000 Nachkommazahlen von PI |
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