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Raumspiegelung
Die volle Raumspiegelung erhält man, wenn nach der Spiegelung an einer Ebene noch eine Drehung um 180° um die Normale ausführt. Betrachtet man im Zusammenhang …
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Grundidee
Die Raumspiegelung, auch Inversion genannt, ist ein Begriff aus der Physik. Sie bezeichnet eine Punktspiegelung des Raumes am Ursprung: Jeder Punkt wird auf den gegenüberliegenden Punkt abgebildet. Für einen Ortsvektor gilt dabei die genaue Abbildung: r geht in -r über.
In kartesischen Koordinaten bedeutet Raumspiegelung, dass sich die Vorzeichen aller räumlichen Koordinaten umkehren. Wird die Zeit im Zusammenhang mit der Raumzeit als weitere Dimension betrachtet, verändert die Raumspiegelung nur die räumlichen Koordinaten; die Zeit bleibt unverändert.
Abgrenzung zur Ebenenspiegelung
Die Raumspiegelung ist nicht dasselbe wie die Spiegelung an einer Ebene, etwa an einem ebenen Spiegel. Bei einer Ebenenspiegelung wird nur die Koordinate entlang der Spiegelnormalen umgekehrt. Die Spiegelnormale ist die Richtung, die senkrecht auf der Spiegelebene steht.
Eine volle Raumspiegelung erhält man, wenn man nach der Spiegelung an einer Ebene zusätzlich eine Drehung um 180° um die Normale ausführt.
Vektoren und Parität
In der Physik unterscheidet man im dreidimensionalen Raum zwischen polaren Vektoren und axialen Vektoren. Axiale Vektoren werden auch Pseudovektoren genannt. Polare Vektoren ändern bei der Raumspiegelung ihr Vorzeichen, axiale Vektoren nicht.
Beispiele für polare Vektoren sind der Ort r und die Kraft F. Das Drehmoment M = r × F ist dagegen ein axialer Vektor. Es entsteht durch ein Kreuzprodukt. Weil bei der Raumspiegelung beide Faktoren r und F ihr Vorzeichen wechseln, bleibt das Vorzeichen des Drehmoments erhalten.
Ein physikalisches Objekt kann bei Raumspiegelung in sich selbst übergehen. Dann befindet es sich in einem Zustand positiver Parität. Werden dagegen Vorzeichen vertauscht, spricht man von negativer Parität. Das ist bei Objekten wie einem Kraftfeld, einer Schwingung, einer Welle oder einem quantenmechanischen Zustandsvektor möglich.
Spiegelinvarianz der Kräfte
Bei den vier fundamentalen Kräften der Physik verhalten sich nicht alle gleich gegenüber der Raumspiegelung. Gravitation, Elektromagnetismus und starke Wechselwirkung sind invariant unter Raumspiegelungen. Das heißt: Wenn man den Anfangszustand eines Systems spiegelt, führen diese Kräfte das System in derselben Zeit in den entsprechend gespiegelten Endzustand über.
Die schwache Wechselwirkung verletzt die Spiegelinvarianz. Diese Paritätsverletzung wurde 1956 von den Physikern Tsung-Dao Lee und Chen Ning Yang postuliert und unter anderem von C. S. Wu beim Betazerfall experimentell bestätigt.
Alle vier fundamentalen Kräfte sind jedoch invariant unter der erweiterten CPT-Symmetrie. CPT steht hier für Raumspiegelung, Zeitumkehr und Ladungsumkehr, also die Vertauschung von Teilchen und Antiteilchen.