vorwort

Die Entwicklung der physikalischen Wissenschaften ist eng damit verbunden, dass tiefere Einsichten in die mikroskopische Struktur der Materie gewonnen wurden. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts entwickelten Physiker und Chemiker die Vorstellung, dass die Materie aus Atomen besteht, aus kleinsten elementaren Einheiten (der Name ist abgeleitet vom dem griechischen Wort »atomos« – unteilbar). Die ersten experimentellen Hinweise auf die Atomstruktur der Materie erhielt man zu Beginn des 20. Jahrhunderts.

Heute wissen wir: Die Atome bestehen aus den Atomkernen und den Elektronen der Atomhülle, die Atomkerne wiederum aus Nukleonen, also aus Protonen und Neutronen. Man nahm zunächst an, dass die Protonen und Neutronen elementare Teilchen sind. Inzwischen ist geklärt, dass auch die Nukleonen eine innere Struktur besitzen – sie bestehen aus den Quarks. Elektronen scheinen jedoch elementare Teilchen zu sein. Eine innere Struktur der Elektronen wurde bis heute nicht gefunden – in den Experimenten erweisen sie sich wie die Quarks als elementar, als punktförmig. Falls die Elektronen eine innere Struktur besitzen sollten, müsste sie kleiner als 10–17 cm sein.

Die Physik der Elementarteilchen entstand in den Fünfzigerjahren des 20. Jahrhunderts. In den Siebzigerjahren wurde das Standardmodell der Teilchenphysik aufgestellt. In diesem Modell gibt es Materieteilchen und Kraftteilchen. Die Materieteilchen sind die Quarks, etwa die u- und d-Quarks in den Kernteilchen, und die Leptonen, zum Beispiel die Elektronen in der Atomhülle.

Zwei Verwandte des Elektrons wurden entdeckt: 1936 das Myon und 1975 das Tauon. Zudem gibt es neben diesen geladenen Teilchen noch jeweils ein Neutrino, ein elektrisch neutrales Teilchen. In unserem Universum gibt es also sechs Leptonen.

Es existieren auch sechs verschiedene Quarks, darunter die Quarks u und d (»up« und »down«), die Konstituenten des Protons. Die weiteren Quarks sind das »strange«- Quark s, das »charm«-Quark c, das »bottom«-Quark b und das »top«-Quark t. Die Materie im Kosmos besteht jedoch nur aus den u- und d-Quarks, den Bausteinen des Protons und des Neutrons. Alle anderen Quarks sind instabil und zerfallen – kurz nachdem sie in einer Teilchenkollision erzeugt wurden.

Außer den Materieteilchen, also den Leptonen und den Quarks, gibt es im Standardmodell die Kraftteilchen. Neben den masselosen Photonen, die die elektromagnetischen Kräfte vermitteln, gibt es die massiven W- und Z-Teilchen für die schwachen Wechselwirkungen und die masselosen Gluonen für die starken Wechselwirkungen im Innern der Atomkerne. Heute beschreibt man die elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen zusammen durch die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkungen. Die starken Wechselwirkungen der Quarks und Gluonen werden durch die Theorie der Quantenchromodynamik beschrieben.

Das Standardmodell ist die Vereinigung der Theorie der elektroschwachen Wechselwirkungen und der Quantenchromodynamik. Wir wissen heute, dass das Standardmodell der Wahrheit zumindest sehr nahe kommt. Es gibt bisher keine experimentellen Resultate, die im Widerspruch zu diesem Modell stehen. Einige Phänomene kann man jedoch im Standardmodell nicht erklären, etwa das Phänomen der Gravitation oder die Oszillationen von Neutrinos.

Das Standardmodell enthält 28 freie Naturkonstanten, die experimentell bestimmt werden müssen, darunter die zwölf Massen der Leptonen und der Quarks. Niemand weiß, woher diese Konstanten kommen. Das ist sehr unbefriedigend, und viele Physiker nehmen an, dass das Standardmodell nicht die endgültige Theorie unseres Universums ist, sondern nur eine gute Annäherung an die Wirklichkeit.

In diesem Buch werden Diskussionen über das Standardmodell beschrieben, fiktive Diskussionen zwischen Isaac Newton, Albert Einstein, Murray Gell-Mann und dem erfundenen Physiker Adrian Haller, der die aktuelle Forschung vertritt. Der Leser bekommt durch die Diskussionen einen Überblick über den Stand der Forschung in der Teilchenphysik. Und er wird hoffentlich besser verstehen, was daran so spannend ist.

Die Teilchenphysiker erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält. Es geht nicht um Währungskrisen oder um Aktienkurse, sondern um etwas wirklich Wichtiges: das tiefere Verständnis unserer Welt. Diese Forschung ist nicht billig. Moderne Beschleuniger, etwa der Large Hadronic Collider (LHC) am CERN bei Genf, kosten mehrere Milliarden Euro. Es stellt sich natürlich die Frage, ob sich dieser Aufwand lohnt. Direkte Anwendungen der Teilchenphysik in der Technik gibt es nämlich nicht. Indirekte Anwendungen jedoch erwiesen sich als sehr wichtig. Als ein Beispiel sei das Internet genannt. Es entstand am CERN, als man die Computer der verschiedenen Experimente miteinander vernetzte. Dieses Verfahren war sehr erfolgreich und wurde schnell von der Industrie aufgenommen. Nach wenigen Jahren schon spielte das Internet eine äußerst wichtige Rolle in der Industrie und in der modernen Gesellschaft.

Auch die Forschung in der Astronomie und der Astrophysik bringt keinen direkten Nutzen für die Industrie. Neue Erkenntnisse auf diesen Gebieten erweitern jedoch unseren Horizont und befriedigen unsere Neugier. Für die beteiligten Wissenschaftler stellt die Grundlagenforschung in der Physik eine interessante und sie motivierende Herausforderung dar. Oftmals resultieren dann daraus auch wichtige Anwendungen in der Industrie, etwa das Internet. Ich bin optimistisch, dass die Gespräche zwischen den vier genannten Physikern den Lesern zeigen können, was uns Naturwissenschaftler antreibt.

Harald Fritzsch

München, im Dezember 2011

kurze biografien der physiker

albert einstein

Am 14. März 1879 wurde Albert Einstein als Sohn des Kaufmanns Hermann Einstein und dessen Frau Pauline (geb. Koch) in Ulm geboren. Bereits kurz nach der Geburt Alberts zog die Familie 1880 nach München, wo sein Vater und sein Onkel eine Fabrik für elektrische Geräte (Elektrotechnische Fabrik J. Einstein & Cie) gründeten. Die Firma Einstein war für das erste elektrische Licht auf dem Münchner Oktoberfest verantwortlich und verlegte auch in großen Teilen des Münchner Stadtteils Schwabing Stromkabel.

Albert Einstein war ein aufgeweckter Schüler. Seine Leistungen waren gut bis sehr gut, weniger gut in den Sprachen, herausragend jedoch in den Naturwissenschaften. Einstein las viel und intensiv, mit Vorliebe populärwissenschaftliche Bücher, und verschaffte sich so einen Überblick über den jeweiligen Forschungsstand. 1884 begann er Geige zu spielen, und erhielt Privatunterricht. Im Jahr darauf kam er in die Volksschule, ab 1888 besuchte er das Luitpold-Gymnasium in München.

Zu Beginn der 1890er-Jahre ging Hermann Einsteins Firma bankrott. Die Familie verließ Deutschland, und Hermann Einstein baute in Mailand ein neues Unternehmen auf. Albert blieb allein in München zurück, um die Schulausbildung zu beenden. Doch das von Zucht und Ordnung geprägte Schulsystem des Kaiserreiches war ihm bald zuwider und er machte daraus keinen Hehl. Seine Lehrer warfen ihm vor, seine Respektlosigkeit würde auf Mitschüler abfärben. Einstein entschloss sich im Jahr 1894, das Gymnasium ohne Abschluss zu verlassen und seiner Familie nach Mailand zu folgen.

In Zürich bewarb er sich um einen Studienplatz am Polytechnikum, der heutigen Eidgenössischen Technischen Hochschule. Da Einstein kein Abiturzeugnis vorweisen konnte, musste er im Sommer 1895 eine Aufnahmeprüfung ablegen, die er – mit 16 Jahren der jüngste Teilnehmer – jedoch nicht bestand. Auf Vermittlung des Hochschulrektors und Physikers Heinrich Weber besuchte er im Folgejahr die liberal geführte Kantonsschule in Aarau und erwarb dort die Matura. Während dieser Zeit wohnte er bei der Familie Winteler, deren Sohn Paul 1910 Einsteins Schwester Maja heiraten sollte. Mit Beginn des akademischen Jahres 1896 nahm er sein Studium am Polytechnikum in Zürich auf.

 

Er verließ die Hochschule 1900 mit einem Diplom als Fachlehrer für Mathematik und Physik. Seine Bewerbungen auf Assistentenstellen am Polytechnikum in Zürich und den anderen Universitäten in der Schweiz wurden jedoch abschlägig beschieden. Er verdingte sich zunächst als Hauslehrer in Winterthur, dann in Schaffhausen und schließlich in Bern. 1901 wurde seinem Antrag auf die Schweizer Staatsangehörigkeit stattgegeben. Im Juni 1902 erhielt Einstein eine feste Anstellung als Experte 3. Klasse beim Schweizer Patentamt in Bern.

Während des Studiums hatte er die Studentin Mileva Marić kennengelernt. Sie stammte aus Serbien und studierte wie Einstein Physik in Zürich. Sie heirateten 1902. Von Oktober 1903 bis Mai 1905 wohnte Einstein in Bern in der Kramgasse 49. Heute ist diese Wohnung ein kleines Museum.

In der Wohnung in der Kramgasse schrieb Einstein sehr wichtige Arbeiten. Im Juni 1905 reichte er seine Abhandlung »Zur Elektrodynamik bewegter Körper« bei den Annalen der Physik ein. Diese Arbeit bildet die Grundlage der Speziellen Relativitätstheorie. Etwa gleichzeitig publizierte er eine Arbeit über den Fotoeffekt, in der er die Lichtquanten, die Photonen, einführte.

1909 berief man Einstein zum außerordentlichen Professor für theoretische Physik an der Universität Zürich. Im Jahr 1911 wechselte er an die deutschsprachige Universität in Prag. Doch schon im Jahr darauf kehrte er nach Zürich als Professor an die Eidgenössische Technische Hochschule zurück.

Anfang 1914 gelang es Max Planck, Einstein für die Berliner Akademie zu gewinnen. Er wurde Direktor am Kaiser-Wilhelm-Institut in Berlin und Professor an der dortigen Universität, jedoch ohne Lehrverpflichtung. 1916 publizierte Einstein in Berlin seine Allgemeine Relativitätstheorie.

Zu Beginn des Jahres 1919 ließ sich Einstein von seiner Frau Mileva scheiden. Wenig später heiratete er seine Cousine Elsa Löwenthal, die auch in Berlin lebte.

Im Mai 1919 beobachteten englische Astronomen unter der Leitung von Arthur Eddington in Brasilien die Lichtablenkung durch die Sonne. Sie fanden die Voraussagen der Allgemeinen Relativitätstheorie bestätigt. Einstein wurde mit einem Schlag weltberühmt. Er erhielt 1921 den Nobelpreis für Physik, allerdings nicht für seine Relativitätstheorie, sondern für seine Arbeit über den Fotoeffekt aus dem Jahr 1905.

1930 kaufte Einstein ein Grundstück in der Waldstraße im Dorf Caputh bei Potsdam und ließ dort ein Sommerhaus errichten. In den folgenden Jahren verbrachte er den Sommer in Caputh. Im Herbst 1932 reiste er in die USA, um dort Vorträge zu halten. Er kehrte jedoch wegen der Machtergreifung Hitlers nicht mehr nach Deutschland zurück.

1933 wurde Albert Einstein Mitglied des Institute for Advanced Study, einem kurz zuvor in der Nähe der Princeton University in Princeton, New Jersey gegründeten privaten Forschungsinstitut. Vom August 1935 bis zu seinem Tod lebte Einstein in der Mercer Street 112 in Princeton. Die Stadt war damals eine Art Mikrokosmos der modernen Forschung. Einstein befasste sich bald mit der Suche nach einer einheitlichen Feldtheorie, welche seine Feldtheorie der Gravitation (die Allgemeine Relativitätstheorie) mit der des Elektromagnetismus vereinigen sollte. Bis zu seinem Tode bemühte er sich vergeblich darum, eine Lösung für dieses Problem zu finden.

Die Entdeckung der Kernspaltung 1938 durch Otto Hahn und Lise Meitner in Berlin beschwor die nukleare Bedrohung herauf – so sahen es viele Wissenschaftler. Im August 1939, kurz vor Beginn des Zweiten Weltkriegs, unterzeichnete Einstein einen von Leo Szilard verfassten Brief an den amerikanischen Präsidenten Franklin D. Roosevelt, der vor der Gefahr einer Bombe neuen Typs warnte, die Deutschland möglicherweise bald würde einsetzen können. Roosevelt setzte dann das Manhattan-Projekt in Gang – mit dem erklärten Ziel der Konstruktion einer Atombombe. Leiter des Manhattan-Projekts wurde J. Robert Oppenheimer.

An den Arbeiten zur Atombombe war Einstein dann jedoch überhaupt nicht beteiligt. Er wurde obendrein in den USA wegen seiner unverhüllten Sympathien für den Kommunismus als Sicherheitsrisiko eingestuft und vom Geheimdienst beobachtet. So erfuhr er von der ersten militärischen Nutzung der von ihm postulierten Umwandelbarkeit von Masse zu Energie – wie die meisten anderen Menschen auch – erst aus dem Radio. Am 6. August 1945 wurde die erste Atombome über Hiroshima abgeworfen, am 9. August über Nagasaki. Nach Kriegsende engagierte sich Einstein für die internationale Rüstungskontrolle. Im Jahr 1952 wurde ihm angeboten, Präsident von Israel zu werden, was er allerdings ablehnte.

Albert Einstein starb am 18. April 1955 im Alter von 76 Jahren in Princeton.

murray gell-mann

Murray Gell-Mann wurde am 15. September 1929 in New York City geboren. Sein Vater kam aus der Stadt Cernowitz in der heutigen Ukraine und betrieb in New York eine Sprachenschule. Als 14-jähriger Schüler erhielt Gell-Mann ein Stipendium für die Yale University. Er begann schon 1944, Physik zu studieren. Nach dem Studium ging er als Doktorand an das Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, USA. Im Alter von nur 21 Jahren promovierte Gell-Mann bei Victor Weisskopf.

Nach seiner Promotion ging Gell-Mann an das Institute for Advanced Study in Princeton. Er befolgte den Rat des Institutsdirektors J. Robert Oppenheimer und begann, sich mit den Problemen der Teilchenphysik zu beschäftigen. Bereits 1952 wechselte Gell-Mann als Dozent an die Universität von Chicago, wo er engen Kontakt mit Enrico Fermi hatte.

 

Im Jahr 1955 nahm Gell-Mann einen Ruf an das California Institute of Technology in Pasadena an. Bereits ein Jahr später wurde er dort im Alter von 26 Jahren zum ordentlichen Professor ernannt. Am CalTech arbeitete Gell-Mann auch mit Richard P. Feynman zusammen. Erst im Jahr 1993 verließ er das CalTech und ging an das Santa Fe Institute, New Mexico.

Die ersten wissenschaftlichen Arbeiten von Gell-Mann bezogen sich auf die neu entdeckten Elementarteilchen, die zwar schnell in subnuklearen Kollisionen erzeugt wurden, aber nur langsam zerfielen. Er führte bereits 1952 eine neue Quantenzahl ein, die sogenannte Seltsamkeit (»strangeness«). Damit konnte er das Verhalten der neuen Teilchen gut beschreiben. Diese Quantenzahl hat zur Folge, dass die neuen Teilchen immer paarweise erzeugt werden.

1958 schlugen Feynman und Gell-Mann vor, die schwache Wechselwirkung durch eine Theorie zu beschreiben, in der die beteiligten Fermionen nur als linkshändige Fermionen wirksam sind. Diese V-A-Theorie der schwachen Wechselwirkungen wurde in der Folge durch zahlreiche Experimente verifiziert und spielte eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des heutigen Eichmodells der schwachen Wechselwirkungen.

Gell-Mann entdeckte im Jahr 1961, dass man die neuen Teilchen durch ein Symmetrieschema beschreiben konnte, das auf der Gruppe SU(3) aufbaute. Dieses Symmetrieschema wurde damals auch von dem israelischen Physiker Yuval Neeman vorgeschlagen.

Die Mesonen und Baryonen beschrieb Gell-Mann durch Oktetts dieser Gruppe, die Baryonen-Resonanzen durch ein Dekuplett. Von diesem Dekuplett waren nur neun Teilchen bekannt. Gell-Mann sagte voraus, dass es ein neues Teilchen geben müsste, das Omega(Ω)-Baryon, mit der Ladung –1. Es wurde 1964 entdeckt. Für das SU(3)-Schema erhielt Gell-Mann im Jahr 1969 den Nobelpreis für Physik.

1964 schlug er vor, die Mesonen und Baryonen aus fundamentalen Objekten aufzubauen, die Tripletts bezüglich der SU(3)-Symmetrie sind und die er dann als »Quarks« bezeichnete. Diese Quarks hatten in Einheiten der elektrischen Elementarladung die Ladungen 2/3 und –1/3. Das Quarkmodell wurde unabhängig von Gell-Mann zur gleichen Zeit von George Zweig am CERN nahe Genf entwickelt.

Im Quarkmodell besteht das Omega-Baryon aus drei s-Quarks. Ein solches Teilchen dürfte nach den Gesetzen der Quantentheorie (Pauli-Prinzip) eigentlich nicht existieren, da es symmetrisch bezüglich des Austauschs zweier s-Quarks ist.

Im Jahr 1971 führte Gell-Mann zusammen mit dem Autor eine neue Quantenzahl ein, die Farbe der Quarks. Jedes der Quarks kommt in drei verschiedenen Farben vor. Das Omega-Baryon besteht dann aus drei s-Quarks, wobei jedes Quark eine andere Farbe hat. Die Wellenfunktion des Teilchens ist antisymmetrisch, und es gibt kein Problem mit dem Pauli-Prinzip.

Ein Jahr später schlugen der Autor und Gell-Mann vor, die starke Wechselwirkung durch eine Eichfeldtheorie von Quarks und Gluonen zu beschreiben, wobei die Gluonen analog den Photonen der Quantenelektrodynamik sind und die Wechselwirkung zwischen den Quarks erzeugen. Diese Theorie, die Quanten-Chronodynamik, gilt heute als die korrekte Theorie der starken Wechselwirkung.

Gell-Manns Arbeiten zur Teilchenphysik waren das Fundament, auf dem das heutige Theoriegebäude des »Standardmodells« errichtet wurde. Physikalische Intuition, ein exzellentes Gedächtnis, intellektuelle Schärfe und ein ausgeprägtes Gespür für das Einfache in sehr komplexen Situationen waren ihm stets zuverlässige Begleiter auf seinem Weg, der ihn zum »Chefarchitekten« der modernen Teilchenphysik werden ließ.

isaac newton

Isaac Newton wurde am 4. Januar 1643 in Woolsthorpe, England geboren. Isaac wuchs bei seiner Mutter und Großmutter auf. Er besuchte die Dorfschule und danach die Lateinschule im Nachbarort Grantham. Ein als Pfarrer tätiger Onkel sorgte dafür, dass Newton nicht den väterlichen Gutshof übernehmen musste, sondern seiner starken Neigung zu mathematischen Studien und experimentellen Untersuchungen folgen durfte. Mit 18 Jahren begann er, an der Cambridge University zu studieren und hatte dort das Glück, in Isaac Barrow, Inhaber des naturwissenschaftlich orientierten Lehrstuhls, einen Lehrer zu finden, der seine Begabung sofort erkannte und sehr förderte.

Als 1665 die Pest England heimsuchte, verbrachte Newton zwei Jahre zu Hause in Lincolnshire. Jetzt hatte er genügend Zeit zum Nachdenken. Sowohl seine bedeutenden Leistungen in der Infinitesimalrechnung als die in der Mechanik und Optik haben ihre Wurzeln in jener Lebensphase. Newton durchlief danach die akademische Stufenleiter rasch und wurde schon 1669, im Alter von 26 Jahren, Barrows Nachfolger auf dessen Lehrstuhl.

Newton gehört zu den bedeutendsten Naturwissenschaftlern aller Zeiten. Grundlegende Beiträge zur Dynamik, Optik, Himmelsmechanik, Mathematik und Chemie charakterisieren sein Lebenswerk ebenso wie die Tatsache, dass das von ihm geprägte naturwissenschaftliche Weltbild mehr als zwei Jahrhunderte unangefochten Gültigkeit besessen hat. Auf mathematischem Gebiet ist Newton vor allem in der Infinitesimalrechnung und in der Algebra hervorgetreten. Ohne Zweifel überragt Newtons physikalisches Werk seine mathematischen Leistungen, so bedeutend diese auch sind. Newton baute seine Physik auf Grundlagen auf, die von Galileo Galilei stammten, etwa das Trägheitsprinzip.

 

In seinem Werk Philosophiae Naturalis Principia Mathematica leitete Newton das Gesetz der Gravitation ab und bewies dessen Bedeutung für die Keplerschen Gesetze. Er führte die Gravitationskonstante als universelle Naturkonstante ein. Newton war in der Lage, die Planetenbewegungen, insbesondere die Keplerschen Gesetze, direkt aus dem Gravitationsgesetz abzuleiten. Die Grundgesetze der Bewegung physikalischer Körper und die Konzepte von absoluter Zeit und absolutem Raum wurden von ihm formuliert. Dies waren die Grundprinzipien der Physik des ausgehenden Mittelalters. Sie bildeten über 200 Jahre hinweg die Basis des naturwissenschaftlichen Weltbildes.

Am 31. März 1727 starb Sir Isaac Newton in London. Er wurde in Westminster Abbey in London beigesetzt.