Die Wärme im Schwarzen Körper tritt in zweierlei Formen in Erscheinung, einmal in Form elektromagnetischer Strahlung und zum andern in Form von Schwingungen der Festkörperatome. Die Gitterschwingungen werden auch Phononen genannt.

Es ist nun eine reizvolle Hypothese, so wie die Photonen auch die Phononen als Quanten zu betrachten. Wärme ( = Entropie) wird demnach in Quanten von einem Festkörper , von einer Flüssigkeit oder auch von Gasen aufgenommen oder abgegeben.

Das Wärmequantum - oder auch Entropiequantum genannt - ist die Boltzmannkonstante k.

Interessant wird es, wenn die Boltzmann - Gleichung umgeschrieben wird :

S = k ln W in S / k = ln W

Wenn die Entropie quantisiert wird : n= S / k , dann wird auch die Wahrscheinlichkeit diskontinuierlich .

Ergänzt man noch die Boltzmann-Gleichung durch den Skalierungsfaktor a = e²/2 und a = e gemäß n= S / a k , dann erhält man für W wie durch Zauberhand die Massenverhältnisse und nach Normierung das Massenspektrum der Quarks und der Leptonen.

Für die Quarks gilt n = 0 , 1 , 3 , 5, 6 , 9

Für die Leptonen gilt n = 0 , 2 , 3

Eines der hartnäckigsten Probleme der Physik ist die Erklärung der Massenhierarchie der Elementarteilchen. Nach der herrschenden Lehre muß es mindestens 2 verschiedene Higgs-Bosonen geben. Das Higgs-Boson, nach dem am LHC gesucht wird, hat eine Masse zwischen 100 GeV und 200 GeV. Es ist dafür verantwortlich, daß die Bosonen der elektroschwachen Wechselwirkung Masse bekommen.

Daneben muss es auch Higgs-Bosonen geben, die den Bosonen der GUT-Kraft ihre Masse verleihen. Die Vereinigung der elektroschwachen Kraft mit der starken Kraft geschieht bei um viele Größenordnungen höheren Temperaturen bzw. Energien.

Wie können diese unterschiedlichen Higgs-Bosonen nebeneinander existieren ?

Die Planckwelt-Theorie löst dieses Problem dadurch, daß bei den niedrigen Temperaturen der vereinigten elektroschwachen Kraft nur die Wärmequanten (= Entropiequanten) mit den niedrigen Quantenzahlen aktiviert werden.

Bei den Kollisionsprozessen in den Beschleunigern entstehen auf kleinsten Raum ultrahohe Temperaturen. Es bilden sich Hadronen, Mesonen und Leptonen, die in Bruchteilen von Sekunden in andere Hadronen, Mesonen und Leptonen zerfallen. Sie werden von den verschieden angeordneten Detektoren elektronisch registriert und identifiziert. Dabei werden u.a. Impulse und Wegstrecken gemessen. Die Teilchen zerfallen in unterschiedlichen Kanälen, denen jeweils eine bestimmte Wahrscheinlichkeit zugeordnet wird.

In den 40-iger Jahren wurde von 3 verschiedenen Arbeitsgruppen die Quantenelektrodynamik QED entwickelt, die die Elektrodynamik Maxwells quantisiert. 20 Jahre vorher hatte Dirac die Elektrodynamik mit der Speziellen Relativitätstheorie vereinigt.

Von den 3 Arbeitsgruppen hatte Richard Feynman die eleganteste Methode entwickelt, die sog. Pfadintegralmethode. Die einzelnen möglichen Prozesse werden durch sog. Feynman-Graphen dargestellt. Dabei werden -wie beim GPS - die Wahrscheinlichkeiten der unterschiedlichen Wege durchgerechnet . Der Weg, der nach dem Minimalprinzip den Wert der kleinsten Wirkung hat , wird dann auch am wahrscheinlichsten eingeschlagen.

Bei niedrigen Kollisionsenergien, entsprechend niedrigen Temperaturen funktioniert die Methode ganz gut. Die Prozesse können mit hoher Präzision berechnet werden und stimmen mit den experimentellen Ergebnissen hervorragend über ein.

Bei Kollisionsenergien nahe 1 TeV entstehen dann die Probleme. Die errechneten Wahrscheinlichkeiten werden über 1 und gehen sogar richtig unendlich und werden damit unsinnig. Wir bekommen die Wahrscheinlichkeitskatastrophe, so wie wir vor Plancks Entdeckung der Quantisierung die Ultraviolettkatastrophe hatten.

Wärme gehört zum Leben wie Wasser, Nahrung und Luft. Mit dem Gebrauch des Feuers machte sich die Spezies Mensch weniger abhängig von der Wärme der Sonne. Im 18. Jahrhundert entdeckte der Mensch dann die Kraft des Dampfes. Die Dampfmaschine befreite ihn von der Last körperlicher Arbeit. In Frankreich und Deutschland beschäftigten sich Wissenschaftler mit der Theorie der Wärme, um den Wirkungsgrad der Dampfmaschinen zu steigern. Ergebnis : Nur ein Teil der Wärme kann für mechanische Arbeit genutzt werden. Eingeführt wurde die " Entropie ", die sich dann zu einer fundamentalen und vielseitigen physikalischen Größe entwickeln sollte.

Am Ende des 20. Jahrhunderts beschäftigte ein Problem der Wärme die klügsten Köpfe ihrer Zeit. Es war das Strahlungsspektrum des Schwarzen Körpers. Das Wiensche Strahlungsgesetz und das Gesetz von Stefan-Boltzmann konnten die mit guter Genauigkeit gemessenen Strahlungsintensitäten in Abhängigkeit von Frequenz und Temperatur nicht berechnen. Sie versagten bei hohen Frequenzen und führten zur Ultraviolett-Katastrophe. Die experimentell ermittelten Daten zeigten bei gleicher Temperatur eine verdrückte logarithmische Häufigkeits-Glockenkurve mit einem Maximum der Strahlungsintensität bei einer bestimmten Frequenz. Mit steigender Temperatur verschob sich diese Frequenz zu höheren Frequenzen.

Erst Max Planck konnte dieses Rätsel lösen, in dem er eine Konstante einführte, die mit der Frequenz multipliziert wurde. Für ihn war es ein Rechentrick, der funktionierte. Die philosophischen Konsequenzen erkannte er damals noch nicht. Die Konstante war beta. Später erkannte er, daß daraus die Temperatur separiert werden konnte, so daß letztendlich die Konstante h übrigblieb : beta = h / k T .

Diese Konstante h , genannt das Plancksche Wirkungsquantum, machte die Energie unstetig. Die Energie wurde in Quanten übertragen, deren Beträge mit steigender Energie immer größer wurden. Es entstand für die Strahlungsenergie eine Treppenkurve anstatt wie früher eine Rampe. Die Quantennatur der Strahlungsenergie sorgte dafür, dass bei hohen Frequenzen die vorhandene Energie für immer weniger Quanten zur Verfügung steht.

Man kann sich das so vorstellen, daß am Bankschalter ein Millionengewinn mit unterschiedlich großen Scheinen ausgezahlt wird. Nach der klassischen Methode könnte der Gewinn nur in kleinen 1 Cent Stücken ausgezahlt werden. Würde man den Geldwert des Cents noch gegen 0 gehen lassen, so käme es zur Gewichts-Katastrophe.

Es war dann Albert Einstein in seinem Wunderjahr 1905 , dem die präzise Übereinstimmung der experimentellen Werte mit der Planckschen Strahlungsformel keine Ruhe ließ. Er untersuchte akribisch die zu Grunde liegende Statistik und kam zu dem Schluß, daß das Licht sich wie aus einzelnen Teilchen bestehend verhalten musste. Später nannte man die Lichtteilchen Photonen.

Die Licht-Photonen-Hypothese Einsteins war eine der umstrittendsten Theorien am Anfang des 20. Jahrhunderts. Während er mit der Speziellen Relativitätstheorie in der akademischen Welt schnell Anerkennung fand, musste er bei der Photonen.Hypothese bald 20 Jahre warten. Selbst Max Planck, der Förderer von Albert Einstein sagte anläßlich einer Ehrung Einsteins, daß er damit weit über das Ziel hinausgeschossen wäre.

Erst die Streuversuche von harter Gamma-Strahlung mit Elektronen 1927 bestätigten die Photonen-Hypothese und brachten Einstein den verdienten Nobelpreis. Die Gammastrahlung wechselwirkte mit den Elektronen und verhielt sich wie ein Teilchenstrom.

Wozu das alles ? Die Frage erinnert an eine Begebenheit 1998 als der damalige Premierminister den berühmten Entdecker des Elektrons W. Thompson in seinem Labor besuchte und fragte, was man denn damit anfangen könnte. Thompson anwortete : "Sir, in 100 Jahren werden Sie das Elektron besteuern können" . So lange hat es nicht gedauert. Schon wenige Jahre später kamen die ersten Produkte auf dem Markt, das Radio , das Fernsehen, die ganze Unterhaltungselektronik und vieles mehr.

Warum soll man sich mit der Theorie der Wärme auseinandersetzen ? Wenn auch das Wärmequantum k unvorstellbar klein ist mit 1,34 10-23 J/K , ähnlich klein wie das Wirkungsquantum h, so tritt der Quantencharakter der Wärme in der Nanotechnologie in Erscheinung. Winzige Kapseln , gefüllt mit Eisenatomen , werden in die Blutbahn injiziert. Erreichen sie krankes Gewebe, werden sie durch elektromagnetische Strahlen in Schwingungen versetzt. Sie erwärmen sich und zerstören durch Hitze das kranke Gewebe. Die Wärmetherapie steht kurz vor der klinischen Zulassung.

Wenn die Fledermaus in der Kältestarre ihre Körpertemperatur senkt und für den gesamten Winter nur 1 g Fett für die Verbrennung zur Verfügung hat, dann ist schon eher an den Quantenquarakter der Wärme zu denken.

Gerade vor dem Hintergrund der Erderwärmung und der Energieeinsparung gewinnt ein tieferes Verständnis der Wärme immer mehr an Bedeutung. Es gilt Wärmeleitfähigkeiten und Wärmekapazitäten der Materialien zu verstehen und zu optimieren.

Die Wärme - Licht - Kopplung verspricht neue interessante Produkte in der Sensor- und Regeltechnik und eröffnet neue Möglichkeiten in der Biotechnik.

Die wichtigste Konsequenz der Planckwelt-Theorie mit ihren Photonen und Phononen ist die neue Strategie zur Vereinheitlichung.
Mit der Erklärung und Berechnung der Singularitäten der Allgemeinen Relativitätsthorie , den Schwarzen Löchern, durch thermodynamische Gesetze, ist es gelungen, die Quantentheorie in die Gravitation einzuführen. Die Fläche des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs ist gleich der Entropie. Das kleinste gekrümmte Flächenelement ist das Quadrat der Plancklänge und entspricht dem Entropiequantum k. Entropie ist Wärme. Schwere ist gefrorene Wärme.

Die Planckwelt-Theorie favorisiert nicht das Graviton mit dem Spin 2h , sondern identifiziert es als Phonon. Photonen und Phononen sind dual wie Welle und Teilchen !