Teilchen

Ein Teilchen ist ein sehr einfaches physikalisches System. Es ist charakterisiert durch eine Menge unveränderlicher Eigenschaften. Ausserdem befindet sich es zu jedem Zeitpunkt in einem bestimmten Zustand. Dieser Zustand ist dadurch gegeben, daß eine Menge von Variablen einen bestimmten Wert haben.

In der Newtonschen Mechanik ist ein Teilchen (``Massepunkt'') charakterisiert durch die träge Masse $m_t$ (die träge Masse legt die Energie $E=p^2/2m_t$ des freien Teilches fest). Diese geht in das Newtonsche Bewegungsgesetz $\mathbf{F} = m_t \mathbf{a}$ ein. In der klassischen Mechanik legen die Variablen Ort und Impuls den Zustand eines Teilchens fest: zu jeder Zeit $t$ befindet sich ein Teilchen an einem bestimmten Ort und es besitzt einen bestimmten Impuls (der Impuls ist in der Regel durch träge Masse mal Geschwindigkeit $\mathbf{v}$ des Teilchens gegeben). Bei gegebener auf das Teilchen wirkender Kraft wird die Änderung des Zustands des Teilchens durch o.g. Newtonsches Bewegungsgesetz bestimmt.

Zur Verdeutlichung eine Anwendung dieser Begriffe auf ein thermodynamisches System: das einfache ideale Gas. Der Zustand ist (z.B.) durch Werte der 3 Variablen Entropie $S$, Volumen $V$ und Stoffmenge $N$ gegeben. Die unveränderliche Eigenschaft ist die Relation $E(S,V,N)$, die jedem Zustand die Energie des Gases zuordnet. Alle anderen thermodynamischen Größen wie Temperatur $T$, Druck $p$ und chemisches Potential $\mu$ sind dadurch festgelegt.

Zurück zum Teilchen in der Newtonschen Mechanik. Die Wechselwirkung von Teilchen mit Kraftfeldern wird durch weitere unveränderliche Eigenschaften des Teilchens charakterisiert. In der Newtonschen Gravitationstheorie koppelt das Teilchen mit seiner schweren Masse $m_s$ an das Gravitationsfeld $\mathbf{g}$. Die Kraft auf das Teilchen ist durch die Beziehung $\mathbf{F} = m_s \mathbf{g}$ gegeben (Eötvös hat experimentell gezeigt, daß die träge gleich der schweren Masse ist. Dies hat das Äquivalenzprinzip der Allgemeinen Relativitätstheorie wiedergegeben).

Weiterhin ist in der Maxwellschen Elektrodynamik die Kopplung des Teilchens an das elektromagnetische Feld durch die Eigenschaft der elektrischen Ladung $q$ des Teilchens gegeben. Die Kraft auf das Teilchen ist durch die Lorentzkraft $\mathbf{F} = q (\mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B})$ gegeben. Dabei beschreiben $\mathbf{E}$ und $\mathbf{B}$ das elektromagnetische Feld.

Die restlichen grundlegenden Kräfte in der Physik sind die schwache und die starke Wechselwirkung. Diese spielen jedoch nur innerhalb der Quantenmechanik eine Rolle.