Vereinheitlichung: Die Metaphysik der Physik

ResearchBlogging.orgEine der großen metaphysischen Ideen der theoretischen Physik ist die Überzeugung, dass sich die Kräfte, die zwischen den Dingen wirken, irgendwie einheitlich beschreiben lassen müssen. Aber ausgerechnet die Kraft, die wir im Alltag und ganz ohne Verwendung von Messgeräten oder auch nur kleinsten technischen Hilfsmitteln spüren und erleben – die Gravitationskraft – will sich einfach nicht in ein einheitliches Modell zwingen lassen. Trotzdem können die Theoretiker nicht davon lassen, eine einheitliche Beschreibung aller Kräfte zu suchen.

Bevor wir uns einen aktuellen Schritt auf dieser „Straße zur Vereinheitlichung“ (wie nature es auf dem Titelblatt seiner Ausgabe vom 04.11.2010 nennt) ansehen, möchte ich kurz noch einmal skizzieren, was die so genannten „fundamentalen Kräfte“, die per Vereinheitlichung irgendwann auf einen noch fundamentaleren Mechanismus gebracht werden sollen, eigentlich mit der Erfahrung zu tun haben:

Wie gesagt, die Gravitationskraft ist die Kraft des Alltags. Sie sorgt dafür, dass es schmerzhaft ist, wenn man in Bauchlage vom Drei-Meter-Brett ins Wasser springt, eine Erfahrung, die ich als Junge immer aufs Neue gemacht habe, sie ist dafür verantwortlich, dass Geschirr auf dem Boden zerschellt, dass die Luft, die wir zum Atmen brauchen, in Erdnähe verbleibt und dass der Mond sich nicht selbständig macht sondern regelmäßig wieder in gleicher Größe am Himmel sichtbar wird.

Magnetismus und Elektrizität kennen wir zumeist nur durch technische Erfindungen aus eigener Erfahrung, auch wenn diese Erfindungen, wie z.B. der Kompass oder der elektrische Strom, uns inzwischen von klein auf geläufig sind und wir gelernt haben, dass auch andere Phänomene des Alltags, beispielsweise Blitze, mit Elektrizität zu tun haben.

Mit der Vereinheitlichung von Magnetismus und Elektrizität in der Theorie des elektromagnetischen Feldes begann der Traum von der einheitlichen Feldtheorie, die alle Kräfte, welche dafür sorgen, dass Objekte in Bewegung geraten oder an ihrer freien Bewegung gehindert werden, auf eine Beschreibung reduziert werden können.

Zunächst aber wurden weitere Kräfte gefunden, Kräfte, die mit unserer Alltags-Erfahrung nicht das Geringste zu tun haben. Sie entfalten ihre Macht innerhalb des Atomkerns (die „schwache Kraft“, die Protonen und Neutronen zusammenhält) oder in noch kleinerem Maßstab (die „starke Kraft“, welche die Quarks innerhalb der Protonen und Neutronen aneinander bindet.

Am Rande möchte ich bemerken, dass diese Kräfte Teile einer Modellvorstellung sind, die quasi von den ursprünglichen Kraftfeld-Modellen der Alltagserfahrung abgeschaut sind, und zwar sowohl, wenn man ihre Veranschaulichung (kleine Teilchen, die von Anziehungs- oder Abstoßungskräften festgehalten werden, wobei die Stärke dieser Kräfte vom Abstand der Teilchen abhängt) als auch, wenn man ihre mathematischen Beschreibungen in bestimmten Typen von Feldgleichungen betrachtet. Während wir für Gravitatation – wie gesagt – die Wirkung des Feldes und der Kraft an Alltagsgegenständen wunderbar beobachten und analysieren können (auch wenn wir Kräfte und Felder selbst nicht sehen, hören, riechen, fühlen oder schmecken) sind uns die schwache und die starke Kraft ja nur durch Theorien zugänglich, und auch die Objekte, auf die sie wirken, sind Konstruktionen der Theorie, auf deren Existenz wir sehr theorie-vermittelt aus Experimenten schließen können.

Die Vereinigung von elektromagnetischer und schwacher Kraft ist gelungen in der elektroschwachen Kraft, und für die starke Kraft gibt es gute Aussichten, dass sie die „Dritte im Bunde“ sein kann. Nur die Gravitation benimmt sich wie ein Gallier, der sich tapfer der Einvernahme widersetzt.

Hier setzt nun der neue Versuch des britischen Physikers David J. Toms [1] an. Giovanni Amelino-Camelia [2] meint, Toms’ Ansatz könnte für das Finden der gesuchten Vereinheitlichung wesentlich sein, und das wiederum ist wichtig für die theoretische Physik, denn, so Amelino-Camelia, „alle der meistuntersuchten Ansätze der theoretischen Physik sind, wenigstens zum Teil, von der Möglichkeit der Vereinheitlichung inspiriert.“

Toms’ Arbeit zeigt, von welcher Art die Schritte die Theoretiker auf dieser „Straße der Vereinheitlichung“ sind, sie zeigt, dass es eher ein Tasten ist, dass die Straße offenbar schlecht beleuchtet ist, voller Schlaglöcher, vielleicht ist es eher ein Pfad, der sich immer wieder im Ungewissen verliert, ein Holzweg.

Toms geht von der weitgehend akzeptierten und teilweise experimentell bestätigten Annahme aus, dass die Kopplungs-Konstanten gar keine Konstanten sind, sondern dass sie mit zunehmender Energie abnehmen, sodass sie bei unendlicher Energie unendlich klein wären (ein Konzept, dass man „asymptotische Freiheit“ nennt). Die Kopplungskonstante der Elektromagnetischen Kraft ist die Ladung, die der Gravitation ist die Gravitationskonstante.

Für das elektromagnetische Feld lässt sich diese asymptotische Freiheit aber nicht ohne weiteres ableiten. Im Gegenteil, in der Quantenelektrodynamik nimmt die Kopplung mit zunehmender Energie sogar zu. Toms zeigt nun, dass eine solche Ableitung möglich wird, wenn man die Gravitation ins Spiel bringt, und zwar in einer Weise, wie sie durch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie beschrieben wird, wobei das nur für Energien unterhalb der Planck-Skala möglich ist.

Wenn nun die berühmte kosmologische Konstante 0 ist oder sehr klein, dann, so kann Toms zeigen, liefert die Gravitation einen negativen Beitrag zur Kopplungskonstante der Elektromagnetischen Kraft, und zwar in quadratischer Abhängigkeit zur Energie, sodass bei hohen Energien die Kopplungskonstante tatsächlich kleiner werden würde, so wie es die Idee von der „asymptotischen Freiheit“ fordert.

Bleibt die Frage, mit welcher Begründung eigentlich solche Konstruktionen erdacht werden. Die Idee von der einheitlichen Feldtheorie stammt aus der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts und man muss wohl kein Prophet sein um vorhersagen zu können, dass sie ihren 100. Geburtstag als Idee und nicht als bewiesene Tatsachenbeschreibung feiern wird. Was fasziniert die Physiker so daran?

Eines steht fest: Die Vereinheitlichung der Felder ist eine große metaphysische Geschichte, sie treibt das Denken weiter. Wohin das Denken treibt, ist ungewiss.

[1] David J. Toms (2010). Quantum gravitational contributions to quantum electrodynamics Nature 468:56-59,2010 arXiv: 1010.0793v1

[2] Amelino-Camelia G (2010). Fundamental physics: Gravity’s weight on unification. Nature, 468 (7320), 40-1 PMID: 21048752

Hinterlasse einen Kommentar zu Helmut Hansen Antworten abbrechen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind markiert *


× sieben = 63

Du kannst folgende HTML-Tags benutzen: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>