Raumstruktur

Der Raum ist in der menschlichen Erfahrung durch die drei Dimensionen Höhe, Breite und Tiefe bzw. Abstand, Richtung und Höhe bestimmt. Raum ermöglicht allen materiellen Objekten eine Ausdehnung, er selbst existiert als grundlegendes Ordnungsmodell, dies aber nur in Relation zu diesen Objekten. Ebenso spielen sich alle physikalischen Vorgänge in "Raum" ab, er ist somit eine Art „Behälter“ für Materie und Felder.

Zur physikalischen Beschreibung werden formale Eigenschaften verschiedener mathematischer Räume, meistens des euklidischen Raumes benutzt. Der Raumbegriff hat sich in der ständigen Fortentwicklung der Physik stark gewandelt.

Raum in der klassischen Mechanik

In der klassischen Mechanik gilt die Raumdefinition von Isaac Newton:

• Der Raum ist absolut, unveränderlich und unbeeinflusst von den physikalischen Vorgängen, die sich in ihm abspielen.
• Der Raum ist euklidisch und dreidimensional.

Hierbei entsprechen die Dimensionen eines Raumes den von ihm realisierten kartesischen Koordinaten, üblicherweise angegeben in x-, y-, und z-Richtung. Man bezeichnet diese als Raumkoordinaten und die durch sie aufgespannten Dimensionen als Raumdimensionen, wobei keine Raumdimension einem Punkt, eine Raumdimension einer Geraden oder Kurve und zwei Raumdimensionen einer Fläche entsprechen. Die Bestimmung des Bezugspunktes eines Koordinatensystems benötigt reale Objekte. Meistens wird dazu der Schwerpunkt einer großen Masse wie der Erde oder der Sonne genommen.

Neben der Vorstellung des unabhängig von der Materie existierenden, wenngleich von diesem beeinflussten Raums, gibt es auch das Machsche Prinzip, welche besagt, dass der Raum erst durch die Materie erzeugt wird, dass also kein Raum ohne Materie existieren könnte.

Raum und Zeit

Die Entdeckung, dass die Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter gleich ist, erforderte eine Modifikation des Raumbegriffes. Albert Einstein leistete in seiner Speziellen Relativitätstheorie die Vorarbeit, so dass Hermann Minkowski Raum und Zeit zu einem gemeinsamen Gebilde, der Raumzeit zusammenfassen konnte. Damit ist der Raum nicht mehr absolut, sondern vom Beobachter (genauer: dem Inertialsystem) abhängig. Dies äußert sich zum Beispiel in der Lorentzkontraktion, der zufolge relativ zueinander bewegte Beobachter für dasselbe Objekt eine unterschiedliche Länge messen.

In der Speziellen Relativitätstheorie ist der Raum zwar vom Beobachter abhängig, nicht jedoch von den physikalischen Vorgängen in ihm. Er ist immer noch für jeden Beobachter euklidisch. Das ändert sich in der Allgemeinen Relativitätstheorie. In dieser wird die Gravitation durch die Krümmung der Raumzeit beschrieben, welche auch eine Krümmung des Raumes bedeutet. Die Geometrie der Raumzeit hängt vom Energie-Impuls-Tensor, also von den im Raum vorhandenen Teilchen und Feldern ab. Der Raum ist daher nur noch lokal euklidisch.

Siehe auch: 4D

Moderne Theorien zur Raumzeit

Die Kaluza-Klein-Theorien und Stringtheorien, die zum Ziel haben, die Gravitation mit den anderen Grundkräften zu vereinigen, fügen der Raumzeit zusätzliche Dimensionen hinzu. Diese zusätzlichen Dimensionen sind allerdings nicht, wie die bekannten 4 Raum-Zeit-Dimensionen, ins (beinahe) unendliche ausgedehnt; vielmehr sind sie von einer Ausdehnung von weniger als einem Atomkerndurchmesser. Zusätzlich nimmt man an, dass sie periodisch „aufgerollt“ sind.

Ein Ziel dieser Theorien ist, den Raum mit seinen Eigenschaften nicht als etwas Gegebenes zu postulieren, sondern ihn in einer umfassenden Theorie gemeinsam mit den bekannten Grundkräften und Elementarteilchen zu begründen.

Eine abweichende Meinung stellt die konstruktivistische Protophysik dar, in der Geometrie und Chronometrie durch Normen für die Messinstrumente bestimmt wird.

Literatur

Klassiker

• Ulf Heuner (Hrsg.): Klassische Texte zum Raum., Berlin: Parados 2006, ISBN 3-938880-05-8
• Nick Huggett (Hg.): Space from Zeno to Einstein, MIT Press 1999 Auswahl kurzer klassischer Texte in engl. Übers.

Wissenschaftsgeschichte

• Max Jammer: Das Problem des Raumes : die Entwicklung der Raumtheorien, Darmstadt: Wiss. Buchges. 1960.
• Max Jammer: Concepts of space : the history of theories of space in physics, Vorwort von Albert Einstein, 3. A., New York: Dover Publ. 1993.

Systematische Darstellungen

• Roman Sexl, Herbert Kurt Schmidt: Raum Zeit Relativität., Braunschweig 1991.
• Carlo Rovelli, What is Time? What is Space?, Di Renzo Editore, 2006, ISBN 8883231465

siehe auch die allgemeine Literatur unter: Philosophie der Physik, Wissenschaftstheorie

Weblinks

• Francisco Caruso / Roberto Moreira Xavier: Sources für the history of space concepts in physics from 1845 to 1995, Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas 1996