Kritik der reinen Physik(3): Weltformel gesucht
07. April 2011, 20:12
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Für meinen Bruder reduziert sich der Auftrag eines Physikers im Wesentlichen darauf, die so genannte Weltformel zu finden und damit den Nobelpreis zu gewinnen. Jedes Mal, wenn wir uns sehen, ist daher seine einzige Frage in Bezug auf mein berufliches Schaffen, ob ich sie denn schon gefunden habe. Ich sage dann: „Nein. Noch nicht", bevor das physikalische Interesse meines Bruders auch schon wieder erschöpft ist und er das Thema wechselt. Dabei ist es ihm relativ egal, dass die Wahrscheinlichkeit vermutlich nicht sehr hoch ist, dass sich die Weltformel im Themengebiet meiner Doktorarbeit - also im Umfeld interstellarer Schockwellen oder in der Nähe kalten kosmischen Staubs - versteckt. Er geht fest davon aus, dass ich sie trotzdem früher oder später irgendwie aufspüren werde.

Lesepensum für die Frühjahrsschule: der Weg zur schlauen Antwort auf die brüderliche Weltformelfrage führt zunächst einmal hinein in die Fachliteratur (Bild: S. Anderl)
Trotz der großen Hoffnungen meines Bruders hatte ich mich im Grunde schon damit abgefunden, dass ich mein Leben als beobachtende Astrophysikerin ohne Kontakt zur Weltformel verbringen würde. Überraschenderweise war sie dann aber doch plötzlich in greifbarer Nähe. Als Teilnehmerin der „First International Spring School on Particle Physics und Philosophy" verbrachte ich zehn Tage mit anderen Wissenschaftlern aus Physik, Philosophie und Wissenschaftsgeschichte in der Einsamkeit des Bergischen Landes, um über die philosophische Deutung der Teilchenphysik zu diskutieren. Eines der angebotenen Gruppenarbeitsthemen dort lautete „Unification" - Vereinheitlichung, die in äußerster Konsequenz das hervorzubringen vermag, was mein Bruder und andere als Weltformel bezeichnen. Wahrscheinlich war die Beharrlichkeit meines Bruders nicht unschuldig daran, dass ich dieses Thema gewählt habe, trotz der Gefahr als Astrophysikerin ohne emotionale Bindung zu Eichtransformationen und Gruppentheorie unter den Teilchenphysikern recht schnell als klare Exotin entlarvt zu werden.
Wenn man sich die Geschichte der Physik anschaut, finden sich bereits viele Beispiele, in denen Dinge vereinheitlicht wurden. Newtons Mechanik war in der Lage, sowohl die in den Kepler'schen Gesetzen beschriebenen Planetenbewegungen, als auch die durch Galilei beschriebenen irdischen Fallbewegungen durch ein gemeinsames Gravitationsgesetz zu erklären. Die Schönheit der sogenannten kovarianten Formulierung der Elektrodynamik im Rahmen der Speziellen Relativitätstheorie besteht nicht zuletzt darin, dass elektrische und magnetische Felder auf einen gemeinsamen Ursprung (den elektromagnetischen Feldstärketensor) zurückgeführt werden können. Und ein besonders prominentes Beispiel stellt natürlich Einsteins Erkenntnis dar, dass die numerische Gleichheit von schwerer und träger Masse kein bloßer Zufall sein kann, sondern dass dies als Hinweis auf eine mögliche Vereinigung von Trägheits- und Gravitationsphänomenen innerhalb der gekrümmten Raumzeit der Allgemeinen Relativitätstheorie zu sehen ist.

Teilchenwald: Die Frühjahrsschule fand in der Abgeschiedenheit des Bergischen Landes statt (Bild: S. Anderl)
Die hinter dem Streben nach Vereinheitlichung stehenden Beweggründe scheinen vielfältig zu sein. Zunächst einmal steckt dahinter „Ockhams Rasiermesser": das Prinzip der Sparsamkeit. Unter verschiedenen Theorien, die das gleiche erklären können, ist diejenige vorzuziehen, die mit weniger Größen auskommt.
Das kann zum einen heißen, dass die Theorie selbst möglichst einfach sein sollte, also z.B. mit möglichst wenigen Gleichungen auskommt. Zum anderen sollte sie möglichst wenige physikalische Objekte postulieren. Je komplizierter eine Theorie ist, desto stärker ist die Skepsis und Unzufriedenheit unter den Physikern. Woher dieser Glaube an die Wahrheit der Einfachheit kommt, ist eine interessante Frage, umso mehr, zumal dieser Glaube sich in der Physik bisher als so erfolgreich erwiesen hat. Unabhängig davon scheint es aber rational zu sein, nach vereinheitlichenden Theorien zu suchen, denn sofern eine solche Theorie existiert, kann sie typischerweise auch mehr erklären als die vorher gültigen, separaten Theorien. Unverstandene, zufällige Relationen wie die erwähnte empirische Gleichheit von träger und schwerer Masse werden durch die Rückführung auf ein gemeinsames unterliegendes Prinzip zu einer verstandenen Notwendigkeit.

Vereinheitlicht: das elektrische und das magnetische Feld, die innerhalb der klassischen Elektrodynamik als jeweils eigenständige Größen angesehen werden, können innerhalb der Speziellen Relativitätstheorie als Komponenten des zugrundeliegenden elektromagnetischen Feldstärketensors identifiziert werden (Graphik: S. Anderl).
Wie steht es nun aktuell um das Projekt, die Einfachheit der physikalischen Naturbeschreibung auf die Spitze zu treiben und die so genannte Weltformel zu finden? Mit dieser Frage bewegt man sich hinein in das Reich der kleinsten Bestandteile unserer Welt, in das Reich der Elementarteilchen und Wechselwirkungen. Während noch 1930 experimentell lediglich das Elektron und Proton als mögliche Grundbausteine unserer Materie nachgewiesen waren, sind die Verhältnisse heute im Zeitalter hochenergetischer Teilchenbeschleuniger erheblich komplizierter geworden. Mittlerweile kennt man einen ganzen Zoo von Teilchen: zum einen gibt es sechs verschiedene Leptonen (Elektron, Muon, Tau und zugeordnete Neutrinos), die teilweise an die elektromagnetische und alle an die schwache Kraft koppeln. Die schwache Kraft wirkt nur auf sehr kleinen Skalen und ist beispielsweise für den Beta-Zerfall verantwortlich. Zum anderen hat sich herausgestellt, dass Protonen und Neutronen aus Quarks aufgebaut sind. Quarks treten ebenfalls in sechs verschiedenen Typen auf (up, down, charm, strange, top und bottom) und wechselwirken zusätzlich zu elektromagnetischer und schwacher Kraft untereinander aufgrund der starken Kernkraft, die für den Zusammenhalt der Atomkerne sorgt.
Teilchenzoo: innerhalb des Standardmodells werden sechs verschiedene Leptonen sowie sechs verschiedene Quarks postuliert. Die starke, schwache und elektromagnetischen Wechselwirkungen werden durch Bosonen vermittelt. Das Higgs Boson, das den Teilchen zu einer Masse verhilft, ist das letzte noch nicht beobachtete Teilchen innerhalb des Standardmodells.
Die drei Wechselwirkungen (stark, schwach und elektromagnetisch) werden ihrerseits durch Teilchen, die so genannten Bosonen, vermittelt: das Photon, das Z-Boson, die W-Bosonen sowie die Gluonen. Alle drei Wechselwirkungen sind unterschiedlich stark (technisch: ihre Kopplungskonstanten haben unterschiedliche Werte). Am stärksten ist die starke Kernkraft, dann folgen die schwache und schließlich die elektromagnetische Kraft. Bei weitem am schwächsten ist die vierte Wechselwirkung, die uns aber gleichzeitig am besten bekannt ist: die Gravitation. Die grundsätzliche Idee einer Vereinheitlichung kann nun so formuliert werden, dass bei sehr hohen Energien alle Wechselwirkungen auf eine einzige zurückgeführt werden können (indem sie gleich stark werden), und außerdem die Unterschiede zwischen verschiedenen Teilchen verschwinden.
Der erste Schritt einer solchen Vereinheitlichung geschieht in der Formulierung einer gemeinsamen Theorie der elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkung. Auf den ersten Blick wirkt es unwahrscheinlich, dass elektromagnetische und schwache Kraft auf einen gemeinsamen Ursprung zurückführbar sein können, denn beide Wechselwirkungen haben extrem unterschiedliche Charakteristika. Die elektromagnetische Kraft hat eine unendliche Reichweite (verbunden mit der Masselosigkeit von Photonen), während die schwache Kraft auf unvorstellbar kleinen Skalen von nur etwa 10-16 cm wirkt. Letzteres wiederum hängt damit zusammen, dass die entsprechenden Wechselwirkungsbosonen sehr schwer sind und eine etwa 100mal größere Masse als ein Proton besitzen. Wenn man eine gemeinsame Theorie aufstellen möchte, müssen sich beide Kräfte aber gleich verhalten: die Bosonen der schwachen Theorie dürfen daher aus formalen Gründen keine Masse besitzen. Die Masse der Wechselwirkungsbosonen der schwachen Kraft ist aber nun mal eine experimentelle Tatsache. Wie erreicht man, dass das Projekt einer Vereinheitlichung nicht bereits an dieser Stelle zum Scheitern verurteilt ist?
Die Antwort auf diese Frage ist die Einführung des Konzepts der spontanen Symmetriebrechung. Die zunächst etwas künstlich anmutende Idee ist, dass das zugrunde liegende Naturgesetz eine Symmetrie zwischen elektromagnetischer und schwacher Kraft aufweist, auch wenn diese Symmetrie in den tatsächlich vorliegenden Phänomenen nicht existiert. Man kann sich die Idee anhand von Beispielen plausibel machen, in denen eine vollkommen symmetrische Konstellation trotzdem Anlass zu asymmetrischem Verhalten geben kann. So kann man sich einen gewölbten, perfekt axial-symmetrischen Boden einer Weinflasche denken. Wenn nun auf diesen Boden perfekt mittig ein symmetrischer Tropfen fällt, wird der Tropfen nach dem Aufprall in eine bestimmte Richtung den gewölbten Boden hinab laufen und damit die bis dahin gültige Symmetrie brechen. Wenn man dieses Experiment mehrfach wiederholte, würde man sehen, dass die durch den Tropfen ausgezeichnete Richtung beliebig ist.
Verfehlt: die Vereinheitlichung der Kräfte innerhalb eines SU(5) Models scheitert empirisch. Die Stärke von starker (alpha1), schwacher (alpha2) und elektromagnetischer Kraft (alpha3) weisen für hohe Energien keinen gemeinsamen Schnittpunkt auf (oben). Dieses Problem kann durch die Einführung eines supersymmetrischen Modells behoben werden (unten) (Quelle: Dimopoulos et al. 1991, Physics Today, American Institute of Physics).
In diesem Sinne ist die Symmetrie weiterhin allgemein gültig, wenn auch in den Phänomenen selbst nicht direkt sichtbar / versteckt. Diese Idee macht, zusammen mit dem komplizierten Higgs-Mechanismus, der in der Lage ist, Teilchen zu einer Masse zu verhelfen, die Formulierung der elektroschwachen Theorie möglich, der vereinten Theorie von Elektromagnetismus und schwacher Kraft. Die starke Kernkraft kann separat im Rahmen der Quantenchromodynamik beschrieben werden.
Zusammen mit der elektroschwachen Theorie ergibt sich damit das Standardmodell der Teilchenphysik. Für eine vereinheitlichte Theorie der starken Kraft zusammen mit der elektroschwachen benötigt man aber eine so genannte „Grand Unified Theory" (GUT). Eine solche Vereinheitlichung kann die von Howard Georgi und Sheldon Glashow 1974 entwickelte SU(5)-Theorie liefern, die unter anderem behauptet, dass bei hohen Energien bzw. kleinen Distanzen alle drei Kräfte tatsächlich äquivalent werden. Die Kopplungskonstante der starken Kraft wird für hohe Energien kleiner, die der schwachen ebenfalls, während die elektromagnetische Wechselwirkung stärker wird, so dass sich alle Kopplungskonstanten schließlich in einem gemeinsamen Wert treffen können.
Im Prinzip hat man mit der SU(5) als vereinheitlichter Theorie durchaus erreicht, was man wollte. Allerdings gibt es ein Problem: es zeigt sich experimentell, dass die Kopplungskonstanten der drei Kräfte sich gemäß SU(5) bei hohen Energien doch nicht treffen, sondern sich verfehlen. Dieses Problem kann durch die Einführung einer supersymmetrischen Theorie behoben werden (wobei die Supersymmetrie wiederum als gebrochen angesehen wird). Die Zahl der Elementarteilchen ist dabei noch einmal zu verdoppeln. An dieser Stelle kann man natürlich fragen, ob diese Zunahme der Zahl postulierter Teilchen überhaupt noch mit der Idee einer Vereinheitlichung zusammen passt. Die vielen Teilchen lassen sich aber in wenigen Gruppen so genannter Multipletts zusammenfassen, so dass argumentiert werden kann, dass man es in Wirklichkeit mit nur wenigen Typen von Teilchen zu tun hat. Nach supersymmetrischen Teilchen wird derzeit in Teilchenbeschleunigern gesucht. Was nun grundsätzlich noch zur „echten Weltformel" fehlt, ist die Miteinbeziehung der Gravitation. Dieses Projekt einer „Theory of Everything" (TOE) gestaltet sich bekanntermaßen schwierig, da die Allgemeine Relativitätstheorie eine völlig andere Struktur hat, als die Beschreibungen der drei anderen Kräfte. Alle bisherigen Versuche, dieses Problem beispielsweise durch die Einführung von Strings zu lösen, konnten noch keinen durchschlagenden Erfolg vermelden.

Teilchenbeschleuniger: am Large Hadron Collider (LHC) nahe Genf wird derzeit nach dem Higgs-Boson als Zeichen für die Gültigkeit des Standardmodells und nach supersymmetrischen Teilchen gesucht. (Foto Cern)
Wenn mein Bruder mich das nächste Mal nach der Weltformel fragt, bin ich jetzt nach zehn Tagen unter Teilchenphysikern endlich in der Lage, ihm jenseits eines bloßen „Noch nicht" ausführlich Auskunft zum Stand der Lage zu geben. Und das wird dann wahrscheinlich dazu führen, dass er diese Frage nie wieder stellt, weil er das alles so genau dann doch gar nicht wissen wollte.
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