Basiswissen

Es gibt einige physikalisch messbare Größen, von denen man aktuell glaubt, dass sie sich im Universum als Ganzes gesehen nicht verändern. Nach aller Erfahrung ändern sie sich nie in einem abgeschlossenen System. Die Idee, dass etwas nicht aus dem Nichts entstehen kann wird auf Latein auch ausgedrückt mit dem Satz ex nihilo nihil fit. Hier stehen Beispiele zu sogenannten Erhaltungsgrößen der Physik.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Wenn das Universum ein abgeschlossenes Systems ist, dann ist in ihm möglicherweise die Menge der elektrischen Ladung, des Impulses und Drehimpulses sowie der Energie unverändlich. © Robert Williams (NASA, ESA, STScI) ☛

Liste von Erhaltungsgrößen

👉 Massenerhaltungssatz [Chemie]

👉 Energieerhaltungssatz

👉 Impulserhaltungssatz

👉 Ladungserhaltungssatz

Rolle Relativitätstheorie

Gedankenexperiment

Wenn man nun zum Beispiel sagt, dass die elektrische Ladung eine der Erhaltungsgrößen sei, dann heißt das mit Blick auf die ganze Welt: die Summe aller Ladungen kann sich unter dem Strich nicht ändern. Diese noch nicht sehr enge Formulierung erlaubt es, dass zum Beispiel Ladung langam schleichend in einem Labor in Bremerhaven verschwindet und zeitlich zum Ausgleich gut 10 Lichtjahre entfernt auf dem Exoplanete Epsilon Eri b wieder auftaucht. Die Ladung wäre jederzeit erhalten geblieben.

Einstein sagt nein

Gemäß der Relativitätstheorie kann aber nichts im Universum, auch etwa Information, schneller unterwegs sein als das Licht im Vakuum schnell ist. Der instantene, das heißt sofortige Ausgleich der Ladung über welche Entfernung auch immer ist nach der Theorie Einsteins nicht möglich. Wie kann dann aber die Ladung erhalten bleiben? Die Antwort findet man in der Idee von einer Feldladung oder einer Ladungsdichte.

Feldladung als Lösung

Wenn die elektrische Ladung an einem Ort verschwindet, dann fließt sie sozusagen in das benachbarte elektromagnetische Feld ab. Die Ladung wandert dann dann gedanklich in immaterieller Form als sogenannte Ladungsdichte von Feldbereich zu Feldbereich. Und diese Wanderung unterliegt Einsteins Beschränkung der maximalen Geschwindigkeit. Sinngemäß gilt diese Überlegung auch für andere Größen. So kann man einem Feld sogar einen Feldimpuls zuornden. Siehe dazu beispielhaft den Artikel 👉 Feldimpuls

Quaestiones

Philosophisch Interessant: ist Geist oder ganz allgemein das Psychische eine Erhaltungsgröße? Falls ja, würde das zum Beispiel heißen, dass im Kosmos vielleicht lebensnahe Strukturen entstehen können, aber mit der wachsenden Anzahl solcher Strukturen nicht alle gleichermaßen beseelt werden könnten.^[3] Wäre das ein Lösungsansatz für das sogenannte 👉 Fermi-Paradoxon

Fußnoten

[1] Eugen Paul Wigner: Über die Erhaltungssätze in der Quantenmechanik. In: Arthur S. Wightman (Hrsg.): The Collected Works of Eugene Paul Wigner.

[2] Interessant ist, dass zwar der Impuls nicht aber die Bewegungsenergie, die kinetische Energie ½mv², eine Erhaltungsgröße ist. Das herauszufinden hat weit über 100 Jahre lang die klügsten Köpfe Europas beschäftigt.

[3] Der amerikanische Poet Edgar Allan Poe (1809 bis 1849) hielt die Glücksfähigkeit Gottes für eine Erhaltungsgröße: "There was an epoch in the Night of Time, when a still-existent Being existed—one of an absolutely infinite number of similar Beings that people the absolutely infinite domains of the absolutely infinite space. It was not and is not in the power of this Being — any more than it is in your own — to extend, by actual increase, the joy of his Existence; but just as it is in your power to expand or to concentrate your pleasures (the absolute amount of happiness remaining always the same) so did and does a similar capability appertain to this Divine Being, who thus passes his Eternity in perpetual variation of Concentrated Self and almost Infinite Self-Diffusion." In: Edgar Allan Poe: Eureka: A Prose Poem. Herausgegeben von GEO. P. PUTNAM, Neu York, 1848. Der größere Zusammenhang, in dem dieses Zitat steht, ist betrachtet im Artikel zur weltanschaulichen Position des 👉 Kosmotheismus

[4] Richard Feynman zeigt das Problem, dass weltweit (global) gesehen eine Größe erhalten bleiben könnte, wenn sie ohne Durchquerung von Raum an irgendwelchen Stellen verschwinden und an anderen Stellen dazu passend wieder auftauchen könnten. Doch dieser Gedanke, so Feynman, vertößt gegen Einsteins Relativitätstheorie: "Suppose that there is some charge Q1 near some point (1) while there is no charge near some point (2) some distance away […]. Now suppose that, as time goes on, the charge Q1 were to gradually fade away and that simultaneously with the decrease of Q1 some charge Q2 would appear near point (2), and in such a way that at every instant the sum of Q1 and Q2 was a constant. In other words, at any intermediate state the amount of charge lost by Q1 would be added to Q2. Then the total amount of charge in the world would be conserved. That’s a “world-wide” conservation, but not what we will call a “local” conservation, because in order for the charge to get from (1) to (2), it didn’t have to appear anywhere in the space between point (1) and point (2). Locally, the charge was just “lost.” In: Feynman, Richard P., Robert B. Leighton, and Matthew Sands. The Feynman Lectures on Physics. Vol. II, Mainly Electromagnetism and Matter. Chapter 27, "Field Energy and Field Momentum." Reading, MA: Addison-Wesley, 1964. Siehe auch 👉 Feldimpuls

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Siehe auch