Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Masse – Was ist sie und woher kommt sie?
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Vortragender: H. Fritzsch, München

In der heutigen Theorie der elementaren Teilchen gibt es drei verschiedene Arten der Massenerzeugung, die anscheinend nichts miteinander zu tun haben.

Der Hauptteil der sichtbaren Masse des Universums kommt von der Masse der Nukleonen. In der Quantenchromodynamik wird diese Masse erzeugt durch einen Mechanismus, der kurz als "mass from no-mass" bezeichnet wird. Diese Masse ist gebundene Feldenergie der Gluonen und Quarks in den Nukleonen. Im Rahmen der QCD kann sie berechnet werden.

Der zweite Mechanismus ist eine Massenerzeugung fuer die Leptonen und Quarks durch ein Higgs-Feld. Wir wissen bis heute nicht, ob diese Theorie richtig ist. Es koennte sein, dass die Massen der elementaren Fermionen auch gebundene Fel-denergien sind. Dies ist jedoch nur moeglich, wenn die Leptonen und Quarks auch Systeme wie die Nukleonen sind, die eine weitere Substruktur besitzen.

Die dritte Art von Masse ist die dunkle Materie im Universum, die sich nur durch gravitative Effekte bemerkbar macht und von der wir bis heute nicht wissen, woraus sie besteht.

Welch dunkle Energie dominiert das Universum?
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Vortragender: C. Wetterich, Heidelberg

Dunkle Energie – eine homogen verteilte kosmische Energiedichte – scheint eine Reihe von Beobachtungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung und der Bildung von Strukturen sowie auch die beschleunigte Expansion des Universums zu erklären. Der Usprung der Dunklen Energie gehört zu den grossen Rätseln, deren Lösung Aufschluss üueber die Vereinheitlichung von Gravitation und fundamentalen Quanten-Wechselwirkungen liefern könnte.

Quintessenz – eine dynamische Form der dunklen Energie ” mag von einer kosmologischen Konstanten durch zukünftige Beobachtungen unterschieden werden. Quintessenz könnte mit einer neuen fundamentalen makroskopischen Kraft verknüpft sein und zu einer geringen Zeitvariation der fundamentalen Konstanten führen.

Experimente zur Äquivalenz schwerer und träger Masse
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Vortragender: Hansjörg Dittus,(Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation, Universität Bremen)

Die Äquivalenz von schwerer und träger Masse ist im Lauf der letzten 350 Jahre in vielen Experimenten verifiziert worden. Entsprechende Tests wurden bereits 1648 von G. Galileo in seinen berühmten Discorsi erwähnt. Pendel- und Torsionswaagen-Experimente, aber auch die präzise Beobachtung des Erde-Mond-Systems im Schwerefeld der Sonne machten es möglich die Äquivalenz von träger und schwerer Masse mit einer Genauigkeit von etwas besser als 10-12 experimentell zu bestätigen.

In seiner Theorie zur Gravitation, der Allgemeinen Relativitätstheorie, führte Albert Einstein das Prinzip der Äquivalenz von schwerer und träger Masse als Fundamentalhypothese ein und erweiterte es durch die Forderung, dass die Wirkung von Gravitationsfeldern lokal durch Wahl geeigneter Koordinatensysteme kompensiert werden kann. Die Formulierung des Einstein´schen Äquivalenzprinzips umfasst die die Aussagen, dass die Ergebnisse aller nicht-gravitativen Experimente (1) unabhängig von Orientierung und Geschwindigkeit des Labors sein müssen (Lokale Lorentz-Invarianz) und (2) unabhängig davon sind, wo und wann die Experimente im Gravitationsfeld durchgeführt werden (Lokale Positions-Invarianz). Eine direkte Konsequenz der Lokalen Positions-Invarianz ist damit die Universaltität der gravitativen Rotverschiebung, die besagt, dass sich alle Uhren unabhängig von ihrem physikalischen Funktionsprinzip in gleicher Weise im Gravitationsfeld verhalten, bzw. ihr Uhrengang sich im Gravitationsfeld in gleicher Weise ändert.

Experimente zum Test des Äquivalenzprinzips werden deshalb nicht nur auf die Durchführung von klassischen Freifall-Versuchen oder Torsionswaagen-Experimenten beschränkt, sondern umfassen Versuche zur Lokalen Positions-Invarianz und zur gravitativen Rotverschiebung. Raumfahrt-Experimente sind dabei unabdingbar geworden.

Experimente mit wesentlich verbesserter Genauigkeit sind motiviert durch die Tatsache, dass die meisten theoretischen Ansätze zur Vereinigung der Wechselwirkungen Verletzungen des Äquivalenzprinzips fordern. Über den Stand der experimentellen Bemühungen soll berichtet werden.

Quo vadis kilogram: a problem of mass?
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Vortragender: Giovanni Mana, Turin

The kilogram is equal to the mass, invariable by definition, of a man-made artefact, the international prototype. Since this mass is suspected of having drifted by parts in a hundred millions, a demand for an invariant and natural definition of the kilogram is at the top of the metrology's agenda. The conceptual and practical frameworks for this change are set by modern physics and technology. The lecture will outline the mass concept in classical and modern physics, the limitations of the present kilogram definition, the proposals of new definitions based on the mass of an atom or on the quantum field theory, the networking of measurement units via the fundamental constants of physics. The kilogram prototype cannot be replaced without being able to put the new definition into practice. So, experiments aiming at demonstrating the technologies allowing such "mise en pratique" will be discussed as well.

Das Universum hören mit Einsteins Gravitationswellen
Vortragender: Karsten Danzmann, Hannover

Jede Art von Energie und Masse, egal, ob sie leuchtet oder nicht, verbiegt den Raum. Bei nichtsymetrischer Beschleunigung werden Gravitationswellen ausgestrahlt, die uns Informationen über das Universum geben können, die uns auf keine andere Weise zugänglich sind. Erste kilometergroße Observatorien sind jetzt auf der Erde in Betrieb gegangen und ein Weltraumdetektor ist in Vorbereitung.