Auf der Suche nach der Urkraft

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung

Einer der grundlegenden und ältesten Gedanken in der Geschichte der Physik besteht in der Vermutung, daß die unübersehbare Vielfalt der physikalischen Erscheinungen letzten Endes auf einige wenige Grundbausteine und Kräfte reduziert werden könne. Heute bildet diese Annahme die Motivation für einen Zweig der Physik, der als „Elementarteilchenphysik“ bezeichnet wird.

Christian Spiering

2. Was ist das — Kraft?

Zusammenfassung

Im Alltagsverständnis verbindet man mit dem Begriff Kraft zuallererst die Muskelkraft. Für alle Handlungen, mit denen man auf die Umwelt einwirkt, benötigt man sie — ob man unter vollem Einsatz des Bizeps ein Gewicht hebt oder ob man mit dem Zeigefinger eine Schreibmaschinentaste herunterdrückt.

Christian Spiering

3. Gravitation

Zusammenfassung

Es waren in der Tat ungewöhnlich schöne und große Steine, die Newton „am Rande des Ozeans der Wahrheit“ fand. Der größte und schönste ist wohl die Vereinigung der Himmelsmechanik und der Erdmechanik im Rahmen der Newtonschen Physik. Die Himmelsmechanik hatte ihren vorläufigen Höhepunkt in den Keplerschen Gesetzen der Planetenbewegung gefunden, während die wesentlichen Vorarbeiten zur Erdmechanik von Galilei (Trägheitsgesetz, Fallgesetze) geleistet worden waren. Aber noch fehlte die Synthese. Diese nahm Newton, ausgehend von den drei erwähnten Axiomen, mit atemberaubender Folgerichtigkeit vor.

Christian Spiering

4. Die erste Vereinigung: Elektrizität + Magnetismus = Elektromagnetismus

Zusammenfassung

Neben der Schwerkraft gibt es eine weitere Kraft, die jedem von uns vertraut ist: die elektrische Kraft. Im Gegensatz zur Schwerkraft (die immer anziehend wirkt) kann sie sowohl anziehend als auch abstoßend wirken. Zwei elektrisch geladene Körper ziehen einander an, wenn ihre Ladungen ungleichnamig sind, d. h., wenn die eine positiv, die andere negativ ist. Sind dagegen beide Ladungen positiv oder beide negativ, so stoßen sich die Körper ab. Die Kraft, mit der die Ladungen Q₁ und Q₂ aus einer Entfernung r einander beeinflussen, ist durch das Coulombsche Gesetz gegeben:

$$K = \frac{1}{{4\pi{\varepsilon_0}}}\frac{{{Q_1}{Q_2}}}{{{r^2}}}.$$

.

Christian Spiering

5. Die starke und die schwache Kraft

Zusammenfassung

Bis ins zweite Viertel unseres Jahrhunderts hinein schien es, als hätte es die Natur bei den behandelten Wechselwirkungsarten — Gravitation und Elektromagnetismus — bewenden lassen. Alle makroskopischen Vorgänge können auf das Zusammenwirken dieser beiden Kräfte zurückgeführt werden.

Christian Spiering

6. Die Welt der Quantenmechanik

Zusammenfassung

Um den Denkansätzen der Elementarteilchenphysik folgen zu können, ist es unerläßlich, sich mit einigen grundlegenden Prinzipien der Mikrophysik bekannt zu machen. Mit Mikrophysik meinen wir jenes Teilgebiet der Physik, das die Wechselwirkungen von Körpern über sehr kurze Entfernungen, über atomare oder subatomare Distanzen umfaßt. Die Theorie, die die Gesetzmäßigkeiten dieses so gänzlich außerhalb unserer Alltagserfahrung liegenden Bereiches umfaßt, heißt Quantentheorie oder Quantenmechanik.

Christian Spiering

7. Was ist ein Elementarteilchen?

Zusammenfassung

Das erste Elementarteilchen wurde schon im vorigen Jahrhundert entdeckt. 1897 zeigte der Engländer J.J.Thomson, daß die von einer erhitzten Kathode im Vakuum abgegebenen „Kathodenstrahlen“ sich wie elektrisch negativ geladene Teilchen verhalten. Diese Teilchen erhielten die Bezeichnung „Elektron“.

Christian Spiering

8. Quarks

Zusammenfassung

Vielheit und Elementarität sind zwei entgegenstehende Begriffe. Die große Anzahl von Hadronen, die zu Beginn der sechziger Jahre bekannt waren, ließ darum die Physiker daran zweifeln, es noch mit wirklich elementaren Objekten zu tun zu haben.

Christian Spiering

9. Die Struktur der Materie

Zusammenfassung

In den beiden letzten Kapiteln sind wir die Stufenleiter der Materie bis zu den Quarks herabgestiegen.

Christian Spiering

10. Teilchen als Botschafter der Kraft

Zusammenfassung

Erinnern wir uns an die im 4. Kapitel beschriebene Suche nach einem Mittler der Kraft. Diese Suche führte zur Einführung des Feldbegriffs durch Faraday und wenig später zu der mathematischen Ausformung der Feldidee durch Maxwell.

Christian Spiering

11. Kredit beim Vakuum

Zusammenfassung

Jede Ladung emittiert und absorbiert fortlaufend Mittlerteilchen. Die Größe der Ladung ist dabei ein Maß für die Emissions- bzw. Absorbtionsaktivität.

Christian Spiering

12. Die elektromagnetische Kraft im Quantenbild

Zusammenfassung

Die erste der vier Grundkräfte, die durch eine bis ins Detail ausgearbeitete Theorie beschrieben werden konnte, war die elektromagnetische Kraft. Die Quantenfeldtheorie des Elektromagnetismus wird als Quantenelektrodynamik bezeichnet und mit QED abgekürzt.

Christian Spiering

13. Die starke Kraft

Zusammenfassung

Das 5. Kapitel hat uns eine zunächst nur oberflächliche Bekanntschaft mit der starken Kraft vermittelt. Bringen wir uns die wesentlichen Charakteristika der starken Kraft in Erinnerung.

Christian Spiering

14. Asymptotische Freiheit und Infrarotsklaverei

Zusammenfassung

Die spektakulärste Aussage der QCD ist zweifellos das Verbot freier, nicht in Hadronen gebundener Quarks. Dieses Verbot ist eine Konsequenz der Farbladung der Mittlerteilchen der QCD. Wie in Kap. 12 erklärt, ist ein Elektron im Vakuum von einer Wolke virtueller Photonen und virtueller Elektron-Positron-Paare umgeben. Die letzteren werden polarisiert und schirmen dabei einen Teil der „nackten“ Elektronladung ab.

Christian Spiering

15. Schwache Wechselwirkungen — die Natur dreht links!

Zusammenfassung

Zur Illustration der bisher beschriebenen Kräfte boten sich Systeme an, die durch eben diese Kräfte zusammengehalten werden. Das Sonnensystem verdankt seine Existenz der Gravitationskraft; Elektronen werden durch die elektromagnetische Kraft gezwungen, um den Kern zu kreisen; die Kernteilchen im Innern des Kerns werden durch die starke Kraft, die Quarks im Innern der Kernteilchen durch die Farbkraft aneinandergeleimt.

Christian Spiering

16. Die elektroschwache Kraft oder: γ und Z sind Brüder

Zusammenfassung

An den Kopplungspunkten der W-Bosonen in Abb. 21 wandeln sich ein Elektronneutrino in ein Elektron bzw. ein d- in ein u- Quark um: v_e→e^-, d→u. Die genannten Teilchen bilden die erste der drei Generationen, in die sich Leptonen und Quarks gruppieren (siehe Kap. 9). Ähnliche Prozesse lassen sich auch für die Mitglieder der zwei höheren Generationen anführen.

Christian Spiering

17. Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen

Zusammenfassung

Vor Aufstellung des Weinberg-Salam-Modells benutzten die Physiker bei der Berechnung schwacher Prozesse die sog. Fermi-Theorie. Die Fermi-Theorie ist keine Quantenfeldtheorie, sie beruht nicht auf dem Konzept des Austauschs virtueller Teilchen. Trotz grundsätzlicher Unstimmigkeiten, die in ihr selbst begründet lagen, ermöglichte sie immerhin das Verständnis eines Großteils des damals vorliegenden experimentellen Materials.

Christian Spiering

18. Die große Vereinigung

Zusammenfassung

Elektromagnetische und schwache Kraft sind auf einen Nenner gebracht. Sie haben sich als Erscheinungsformen ein und derselben Basiskraft, nämlich der elektroschwachen Kraft erwiesen.

Christian Spiering

19. Zerfallende Protonen und die Monopole

Zusammenfassung

Wenn man die Lebensdauern der in Tab. 2 (S. 38) aufgeführten Elementarteilchen durchgeht, fällt auf, daß von allen Hadronen nur eines als stabil ausgewiesen ist: das Proton. Tatsächlich zerfallen alle Hadronen mit Ausnahme des Protons nach mehr oder weniger kurzer Zeit. Die Endprodukte von Mesonzerfällen sind Leptonen und Photonen. Bei den Baryonen bleibt zum Schluß außerdem noch ein Proton übrig, das seinerseits dann nicht mehr weiter zerfällt. Selbst das Neutron lebt im Mittel nur 15 min — zumindest wenn es frei, d. h. nicht in einem Kern gebunden ist.

Christian Spiering

20. Urkraft und Urknall

Zusammenfassung

Die „Großen Vereinheitlichenden Theorien“ haben es erlaubt, hinter die Vielfalt der Teilchen und Kräfte zu sehen und sie als Repräsentanten einer Teilchenfamilie (fast könnte man sagen: als verschiedene Erscheinungsformen eines „Urteilchens“) und einer Urkraft aufzufassen. Das gegenwärtige Universum ist so kalt, daß die Symmetrien zwischen den verschiedenen Teilchen und Wechselwirkungen „ausgefroren“ sind. In der Physik der uns zugänglichen Phänomene äußern sie sich höchstens indirekt. Es gab jedoch eine Epoche, während derer diese Symmetrien noch nicht gebrochen waren. „Epoche“ ist ein großes Wort angesichts der Dauer dieses Zeitintervalls und ein kleines angesichts seiner Bedeutung für die Struktur der Welt. Es waren die ersten Sekundenbruchteile nach dem Urknall, mit dem die Entwicklung des heutigen Universums ihren Anfang nahm …

Christian Spiering

21. Warum gibt es keine Antiwelten?

Zusammenfassung

Zu jeder Teilchenart gibt es eine entsprechende Sorte von Antiteilchen. Gleich in bezug auf ihre Masse, nehmen die beiden für eine Reihe von Merkmalen genau entgegengesetzte Werte an, z. B. für die elektrische Ladung. Einige Teilchen-Antiteilchen-Paare wurden schon mehrmals erwähnt: Proton und Antiproton, Elektron und Positron, positives und negatives Pion (π⁺ und π⁻). Auch zum Neutron existiert ein Antiteilchen, das Antineutron. Im Gegensatz zum Neutron zerfällt es nicht in Proton, Elektron und Antineutrino, sondern in deren Antiteilchen, also in Antiproton, Positron und Neutrino. Manche neutrale Teilchen sind ihre eigenen Antiteilchen — etwa das Photon oder das neutrale Pion, π⁰.

Christian Spiering

22. Die Welt vom Anfang bis zum Ende

Zusammenfassung

Wir haben schon mehrfach betont, wie problematisch es ist, Begriffe der Alltagssprache zur Beschreibung von Vorgängen zu benutzen, die weit außerhalb unseres direkten Erfahrungsbereiches liegen. „Anfang“ ist normalerweise ein wohldefinierter Begriff. In unmittelbarer Nähe der kosmologischen Singularität (t < 10⁻⁴³ s), unter physikalischen Bedingungen, bei denen sich Raum und Zeit gänzlich anders verhalten, als wir es gewohnt sind, ist das anders. Raum und Zeit erlangen nun wahrscheinlich einen gequantelten, diskreten Charakter, sie fluktuieren, oder, um einen beliebten Vergleich zu benutzen, sie werden „schaumig“. Wenn die Struktur der Raum-Zeit Quantenfluktuationen unterworfen ist, ist kein traditioneller Hintergrund mehr vorhanden, auf dem eine physikalische Theorie in gewohnter Weise formulierbar wäre. Raum und Zeit sind nicht mehr die vorgegebene Bühne, auf der das Geschehen abläuft. Sie werden selbst zu Akteuren. Unter diesen Umständen läßt sich auch nicht mehr wie gewohnt definieren, was man unter „Anfang“ von etwas zu verstehen hat — nämlich den Moment, in dem dieses Etwas beginnt und vor dem es nicht existierte. Die Frage, was vor der Singularität, etwa In der minus ersten Sekunde, stattgefunden hat, wäre demnach inkorrekt gestellt.

Christian Spiering

23. Schlußbemerkung

Zusammenfassung

„Vereinheitlichung“ heißt der rote Faden, dem die Darstellung dieses Büchleins gefolgt ist. Phänomene, die auf den ersten Blick nichts miteinander zu tun zu haben scheinen, erwiesen sich dabei als miteinander verwandt. Abb. 32 illustriert den über Jahrhunderte reichenden Prozeß der Vereinigung unterschiedlicher Kräfte.

Christian Spiering

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