Raphael JÄGER
Physikalische Errungenschaften
und deren Auswirkungen auf die Gesellschaft
Quantenelektrodynamik
M a s t e r a r b e i t
zur Erlangung des akademischen Grades Master of Education
im Studium Lehramt Sekundarstufe Allgemeinbildung im Entwicklungsverbund Süd-Ost
vorgelegt an der Pädagogischen Hochschule Steiermark
Begutachter: HS-Prof. Mag. Dr. Bernhard Schmölzer
Graz, August 2021
Eidesstattliche Erklärung
Hiermit erkläre ich an Eides statt, die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne unerlaubte fremde Hilfe verfasst, dabei die Richtlinien guter wissenschaftlicher Praxis eingehalten und keine anderen als die angegebenen Quellen verwendet sowie die den Quellen wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht zu haben. Die Arbeit wurde bisher in identer oder ähnlicher Form an keiner anderen inländischen oder ausländischen Prüfungsbehörde vorgelegt und auch nicht veröffentlicht. Die vorliegende Fassung entspricht der eingereichten elektronischen Version.
01.08.2021
Zusammenfassung
Das Ziel dieser Masterarbeit ist es, physikalische Errungenschaften und deren Auswirkung auf die Gesellschaft zu beleuchten. Die dieser Arbeit zugrunde liegende Forschungsfrage zielt in diesem Sinne speziell auf die Errungenschaften der Quantenelektrodynamik (QED) ab.
Um die Forschungsfrage wissenschaftlich adäquat klären zu können, müssen zuvor allgemeine Inhalte erläutert werden. Dabei steht vor allem die Wechselwirkung zwischen Physik und Gesellschaft im Fokus. Unumstritten haben diese zwei Faktoren eine Bindung miteinander und können ohneeinander kaum existieren und fortschreiten. Die Quantenelektrodynamik ist eines der vielen Produkte, welches sich aus der Beziehung Gesellschaft und Physik ergeben hat. In ihr kommen die wesentlichsten physikalischen Errungenschaften der letzten Jahrhunderte zusammen und formen die wahrscheinlich mathematisch genaueste Theorie, die es jemals geben wird. Im Kontext der Gegenwart spielt die Quantenelektrodynamik ebenfalls eine essenzielle Rolle für die Menschheit.
Viele aktuelle wissenschaftliche Erkenntnisse und technische Errungenschaften wie die Magnetresonanztomographie, Smartphones oder Nanotechnologien für Kommunikation basieren auf der QED. Im Zuge dieser Arbeit wurde ebenfalls der Bereich Schule beleuchtet und kritisch analysiert. Aus der Untersuchung ging hervor, dass es für die Zukunft der Schülerinnen und Schüler wichtig ist, dass man vom alten Bild des Physikunterrichts abweicht. Denn das Ziel einer jeden Lehrperson sollte es sein, Unterricht zu gestalten, der auf die Interessen der Schülerinnen und Schüler abgestimmt ist und ihnen dennoch eine fundamentale physikalische Grundlage bietet.
Am Ende wird die Quantenelektrodynamik ihrem Namen als „Juwel der Physik“ gerecht.
In ihr findet ein großes Spektrum an physikalischen Inhalten Einklang und wird von verschiedensten Teilen der Gesellschaft in diversen Kontexten verwendet. Die QED ist die bisher genaueste Theorie der gesamten Menschheit. Man darf jedoch nicht unterschätzen, welche Erkenntnisse die Zukunft zeigen wird, denn die Grand Unified Theory (GUT), die Theory of Everything (TOE), die Stringtheorie und die Theorie der Supergravitation bringen noch viele Mysterien mit sich, die erforscht werden müssen, um das Universum vollständig zu verstehen.
Abstract
The aim of this master thesis is to cover physical achievements and their impact on society. In this matter the research question underlying this thesis is specifically targets the achievements of quantum electrodynamics (QED).
In order to be able to clarify the research question in a scientifically adequate manner general content must be explained at first. Primarily the focus is on the interaction between physics and society. It is undisputed that these two factors have a bond and can hardly exist and progress without each other. Quantum electrodynamics is only one of many products that have resulted from the relationship between society and physics. In QED the most essential physical achievements of the last centuries come together and form what is probably the most mathematically precise theory that will ever exist. In the context of the present quantum electrodynamics also plays an essential role for humanity.
Many current scientific topics such as medical devices, smartphones or nanotechnologies for communication are based on QED. Furthermore, the area of schools was examined and critically analysed. The investigation showed that parts of quantum electrodynamics are also part of the curriculum in schools. Nevertheless, it is important to depart from the old image of teaching physics. The goal of every teacher should be to design lessons that are tailored to the interests of the students and yet provide them with a fundamental physics foundation.
Finally, quantum electrodynamics lives up to its name as the jewel of physics. In QED a wide range of physical content finds unison and is used by diverse parts of society in many contexts. Of course, QED is the most accurate theory of mankind so far, but we should not underestimate what will happen in the future. The Grand Unified Theory (GUT), the Theory of Everything (TOE), string theory and the theory of supergravity are only a few which will bring many mysteries that will need to be solved in order to fully understand the universe.
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG 7
2 PHYSIK UND GESELLSCHAFT 8
2.1 ROLLE DER PHYSIK IN DER MODERNEN GESELLSCHAFT 8
2.2 PERIODISIERUNG 10
2.3 PARADIGMENWECHSEL 12
2.4 DYNAMIK DER PHYSIKGESCHICHTE 13
2.5 GESELLSCHAFTLICHE FORSCHUNGSSCHWERPUNKTE 16
3 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN 18
3.1 DAS STANDARDMODELL DER ELEMENTARTEILCHEN 18
3.2 FERMIONEN 20
3.2.1 LEPTONEN 20
3.2.2 QUARKS 22
3.3 BOSONEN UND WECHSELWIRKUNGEN 24
3.4 DIE 4SÄULEN DER QUANTENELEKTRODYNAMIK 29
3.4.1 KLASSISCHE MECHANIK 29
3.4.2 ELEKTRODYNAMIK 31
3.4.3 SPEZIELLE RELATIVITÄTSTHEORIE 33
3.4.4 QUANTENTHEORIE 35
4 QUANTENELEKTRODYNAMIK (QED) 38
4.1 EINFÜHRUNG IN DIE QED 38
4.2 WAS IST QED? 40
4.2.1 HISTORIE 40
4.2.2 PHOTONEN 42
4.2.3 ELEKTRONEN 44
4.3 FEYNMAN UND WIE DIE QED FUNKTIONIERT 46
5 GESELLSCHAFT UND SCHULE 52
5.1 GESELLSCHAFT 52
5.1.1 GEGENWART 52
5.1.2 ZUKUNFT 53
5.1.2.1 Grand Unified Theory (GUT) and Theory of Everything (TOE) 53
5.1.2.2 Stringtheorie 55
5.1.2.3 Supergravitation 56
5.2 SCHULE 57
5.2.1 ALLGEMEIN 57
5.2.2 SPRACHE 59
5.2.3 QED IN DER SCHULE – DER LEHRPLAN 61
6 LITERATURVERZEICHNIS 66
7 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 70
1 Einleitung
Ziel dieser Arbeit ist es, die Frage Wie wirken sich physikalische Errungenschaften der Quantenelektrodynamik (QED) auf die Gesellschaft aus? zu beantworten. Bei dem Begriff Quantenelektrodynamik sucht wohl jeder Laie das Weite. Anders wäre die Reaktion womöglich, wenn man in der Schulzeit bereits von der QED gehört hätte und all die unglaublichen Anwendungen wie medizinische Hilfsmittel, Kommunikationsmittel oder Navigationsgeräte, deren Grundstein die QED ist, in Erinnerung rufen könnte.
Zu Beginn dieser Arbeit wird auf die Wechselwirkung zwischen Physik und Gesellschaft eingegangen. Diese Beziehung ist wissenschaftlich unumstritten und besteht immer aus einem Geben und Nehmen. Anschließend sollen die Grundlagen der Quantenelektrodynamik erklärt werden. Dabei werden besonders das Standardmodell der Elementarteilchen und die vier Säulen der QED (klassische Mechanik, Elektrodynamik, spezielle Relativitätstheorie und Quantentheorie) in den Fokus gerückt, um Verständnis für das nachfolgende Kapitel zu schaffen. Nachdem grundlegende Inhalte geklärt worden sind, soll folgend die Quantenelektrodynamik in all ihren Facetten thematisiert werden.
Im letzten Kapitel dieser Arbeit wird die Gesellschaft weitreichend besprochen. Hier werden offene Fragen sowie auch ein Ausblick in die Zukunft und mögliche Fortschritte der QED bearbeitet. Am Ende wird in den wohl prägendsten gesellschaftlichen Bereich vorgedrungen – die Schule.
Meine persönliche Motivation mich mit dem Thema Physik und Gesellschaft, beziehungsweise im Speziellen der Quantenelektrodynamik unter dem gesellschaftlichen Gesichtspunkt zu beschäftigen, ist es, die Relevanz der Quantenelektrodynamik für die Allgemeinbildung besser hervorzuheben, sowie die enge Vernetzung zu anderen wichtigen Bereichen der Physik klar darzustellen. Außerdem soll dem Leser und den Leserinnen gezeigt werden, dass Quantenelektrodynamik nicht nur kompliziertes Berechnen ist, sondern dass es, gesellschaftlich gesehen, wohl kein anderes Gebiet gibt, dass so vielseitige Anwendungen findet. Natürlich kann man im Physikunterricht nicht auf alles bis ins kleinste Detail behandeln, aber trotzdem sollte man den Schülerinnen und Schülern Anstöße dazu geben, sich selbst weiterzubilden.
2 Physik und Gesellschaft
Zwischen der Entwicklung der Physik als Wissenschaft und der Entwicklung der Gesellschaft gibt es eine sehr starke Wechselwirkung. Entdeckungen, besser gesagt, wissenschaftliche Erkenntnisse, können erheblichen Einfluss auf das gesellschaftliche Dasein haben. Andererseits haben aber auch gesellschaftliche Faktoren Einfluss auf die Wissenschaft. Gesellschaftlich festgelegte Normen können die Wissenschaft fördern und lenken, aber natürlich auch bremsen und behindern, falls diese nicht den Vorstellungen der Machtinhabern entsprechen. Diese Zusammenhänge sind, wie zu erwarten, sehr komplex und vielseitig und müssen daher genau analysiert werden.
„Der Inhalt der Physik geht die Physiker an, die Auswirkungen alle Menschen.“
(Dürrenmatt, 1998, S. Anhang)
2.1 Rolle der Physik in der modernen Gesellschaft
Die Rolle der Physik in der modernen Gesellschaft ist vor allem hinsichtlich der Industrie höchst interessant. Die fortschreitende Technologie in der Industriebranche ermöglicht es immer mehr Menschen ein Leben ohne finanzielle Sorgen zu führen. Die Menschen sind seit Anbeginn der Zeit wandelnde und sich weiterentwickelnde Wesen. Sie ändern sich mit Fortschritt der Zeit und passen sich an. Wunsch eines jeden ist es, ein finanziell unabhängiges Leben zu führen. Das Streben nach Entwicklung einer vielseitigen Persönlichkeit steht irgendwann aber im Gegensatz zum Wunsch nach Professionalität.
In gewisser Weise muss man sich für eine der beiden Seiten entscheiden. Wenn man nach Heterogenität strebt, muss man hinsichtlich der Professionalität Abstriche machen und umgekehrt. Daher muss sich der modern denkende und aufgeschlossene Mensch die Frage stellen: Ist es möglich, die Kluft zwischen zwei Kulturen, der naturwissenschaftlichen und der humanistischen, zu schließen? Außerdem sollte auch hinterfragt werden, ob dies überhaupt als sinnvoll erachtet werden kann oder ob es nicht sogar von Vorteil ist, wenn sich diese beiden Bereiche weiter voneinander entfernen? In der Realität ist es dennoch so, dass man die Kultur als großes Ganzes sehen muss. Nur für den Menschen selbst stellt sich die Frage der Abgrenzung innerhalb dieses Komplexes, da die vollständige Aneignung des Wissens unmöglich erscheint (Simonyi, 2017, S. 15f.).
Physik im Allgemeinen ist für alle Altersschichten der Gesellschaft interessant – zumindest kann sie interessant dargestellt werden. Ob für Schülerinnen und Schüler, Studierende oder Erwachsene, für alle Altersgruppen gibt es Anekdoten, Geschichten, Fakten und Experimente, die das Interesse wecken können. Aber keinesfalls soll die Physik nur Zahlen und Fakten sein, denn auch sie steht eng in Verbindung mit anderen Wissenschaften, welche die Menschen mit großem Interesse seit Jahrhunderten verfolgen. Um nur kurz ein Beispiel zu nennen, soll hier die Philosophie genannt werden:
Lebensideale, Verhaltensweisen, Methoden, Experimente, Werte und Normen – all das sind Schnittstellen, die auf die Gesellschaft großen Einfluss haben und aus der Physik entstanden sind (ebd., S. 15f.)
Physik wird dennoch sehr oft als hochkomplexe Wissenschaft, die viel zu abstrakt für den Normalbürger ist, dargestellt. Dies ist natürlich auch in gewisser Weise richtig, aber dennoch muss auch hier, wie in allen anderen Wissenschaften, gesagt werden, dass man mit Hilfe von Modellen und altersgerechter Sprache jeden Teil der Gesellschaft ansprechen kann.
Besonders wichtig ist es daher auch, der Gesellschaft klarzumachen, dass Physik für alle begreifbar ist und das nicht nur Archimedes, Newton und Einstein wichtige Physiker waren, sondern dass Physik zeitgenössisch ist. Wie auch der Mensch als Teil der Gesellschaft, entwickelt sich die Physik weiter. Auf altem Wissen wird aufgebaut und weitergearbeitet. So wäre hier Werner Heisenberg zu nennen. Dieser führte seine einheitliche Feldtheorie bis ins antike Griechenland auf Platon zurück (Rechenberg, 2009, S. 301f.).
„Am Anfang war die Symmetrie“, das ist sicher richtiger als die Demokritsche These
„Am Anfang war das Teilchen“. Die Elementarteilchen verkörpern die Symmetrien, sie sind ihre einfachsten Darstellungen, aber sie sind erst eine Folge der Symmetrien. In der Entwicklung des Kosmos kommt später der Zufall ins Spiel. Aber auch der Zufall
fügt sich den zu Anfang gesetzten Formen, er genügt den Häufigkeitsgesetzen der Quantentheorie… Die Elementarteilchen können mit den regulären Körpern in Platons
„Timaios“ verglichen werden. Sie sind die Urbilder, die Ideen der Materie (Simonyi, 2017, S. 75).“
Außerdem ist die Physik eine Wissenschaft, die stets den menschlichen Intellekt vor neue Herausforderungen stellt und ihn zum Nachdenken und Überdenken anregt. Auch heute noch muss der Mensch sich, wie in allen Bereichen der Gesellschaft, weiterentwickeln und nach neuen Möglichkeiten suchen. Dies bringt des Öfteren Entdeckungen mit sich, die zur Folge haben, dass Ansichten zurückgenommen werden müssen. Somit sieht man, dass der Mensch nie auslernt und sich in einem lebenslangen Prozess der Entwicklung befindet. Wenn man all diesen immensen Zuwachs an Informationen nun auf die kurze zeitliche Periode der Schulzeit abbildet, merkt man, dass es natürlich für Schülerinnen und Schüler eine große Herausforderung darstellt, all die Verknüpfungen und Querverstrebungen zwischen Physik und anderen Wissenschaften zu verstehen. Aber nicht nur der Nachwuchs der Gesellschaft steht vor dieser Herausforderung, sondern auch die Lehrpersonen haben mit diesen Zeitproblemen zu kämpfen. Nun sind wir genau an diesem Punkt angelangt, der die Situation der Gegenwart widerspiegelt: Ein gewisses Grundwissen, das durch den Lehrplan abgedeckt wird, soll von allen, die die Schule besuchen, beherrscht werden. Man muss sich also als Lehrperson im Klaren sein, dass man nicht alles bis ins Detail genau bearbeiten kann. Auch neueste Entdeckungen und Forschungsergebnisse sollen aber in den Unterricht miteingebunden werden und stellen somit eine große zeitliche Herausforderung dar. Um nun den Bogen wieder zurück zum Beginn dieses Kapitels zu spannen, müssen auf irgendwelche Art und Weise Einbußen gemacht werden. Entweder man behandelt alles und dafür nichts allzu genau oder man spezialisiert sich auf gewisse Bereiche und das mit dem Effekt, dass dadurch manche Teile einfach nicht gut genug wahrgenommen werden können (ebd., S. 15f.)
2.2 Periodisierung
Physikalische Errungenschaften gibt es immer wieder und schon seit sehr langer Zeit.
Offensichtlich fallen diese Ereignisse nicht immer mit runden Jahreszahlen zusammen, aber dennoch lässt sich eine Einteilung in Perioden finden, die für die Menschheit von großer Bedeutung ist. Wenn man die Auswirkungen von physikalischen Errungenschaften auf den Menschen in ein mathematisches Diagramm gibt, erhält man folgendes Ergebnis: Man weiß, dass es im Verlauf der letzten 2500 Jahre nur zwei Intensitätsmaxima gegeben hat. Das erste Maximum (500 v.Chr. bis 200 v.Chr.) fällt in die Epoche der griechischen Antike. Der nächste große Aufschwung nach langer Zeit ohne nennenswerte Entdeckungen war im 17. Jahrhundert (ebd., S. 17f.).
Somit lassen sich folgende drei Perioden festlegen:
• Epoche der antiken griechischen Wissenschaften
• Periode des Übergangs
• Wissenschaft der Neuzeit
Für die heutige Gesellschaft ist der interessanteste Teil der Physikgeschichte die Zeit, in welcher das klassische Erbe überwunden und neue Grundsteine gesetzt worden sind. Die vielen Entdeckungen aus der Antike sind zwar sehr interessant, doch kann man mit diesen viele physikalische Vorgänge nicht mehr vollständig beschreiben. Somit muss die Wissenschaft der Neuzeit, abermals unterteilt werden:
• Klassische Physik
• Physik des 20. Jahrhunderts (ebd., S. 18f.)
Abbildung 1: Intensität des intellektuellen Schaffens von den ionischen Weisen bis zur Gegenwart (Simonyi, 2017, S. 18)
Das Interesse der Gesellschaft liegt heutzutage vor allem im zuletzt genannten Zeitabschnitt. Genau deshalb soll dieser auch genauestens beleuchtet und anhand der Quantenelektrodynamik (QED) analysiert werden. In der QED kommen nämlich Entdeckungen aus verschiedensten Epochen zusammen und ergeben gemeinsam eine faszinierende Errungenschaft der Physik.
2.3 Paradigmenwechsel
Neben den direkten Einflüssen der Physik auf die Gesellschaft und umgekehrt, gibt es natürlich auch noch andere Bereiche, mit denen die Physik wechselwirkt. Ein ganz wichtiger und prägender Bereich ist die Philosophie. Besser gesagt, sind es meist philosophische Strömungen, die mit der wissenschaftstheoretischen Position wechselwirken. Genau dieser Austausch gibt die für die jeweilige Zeit typischen Denkmuster oder Paradigmen vor.
Um solch ein Paradigma genauer beleuchten zu können, sollte zuvor geklärt werden, was man darunter überhaupt versteht.
Thomas S. Kuhn, der den Begriff in der modernen Wissenschaftsgeschichte prägt, versteht darunter die Gesamtheit von Grundauffassungen, die in einer gewissen Zeitspanne eine wissenschaftliche Disziplin ausmachen.
Thomas S. Kuhn definiert ein wissenschaftliches Paradigma als:
• „das, was beobachtet und überprüft wird
• die Art der Fragen, welche in Bezug auf ein Thema gestellt werden und die geprüft werden sollen
• wie diese Fragen gestellt werden sollen
• wie die Ergebnisse der wissenschaftlichen Untersuchung interpretiert werden sollen“ (Kuhn, 2009, S. 57f.)
Beispielhaft könnte man hier den Übergang des geozentrischen Weltbilds zum heliozentrischen Weltbild als Paradigmenwechsel sehen. Bis mit Hilfe der kopernikanischen Wende bisher ungeklärte Fragen logisch begründet werden konnten, herrschte die Auffassung, dass die Erde der Mittelpunkt aller Himmelskörper sei. Auch
diese mit der Beschreibung von physikalischen Prozessen, wie Sonnen- und Mondfinsternissen. Wie wir heute wissen, war dies mehr Glück als Verstand, aber dennoch glaubte die gesamte Menschheit daran und erst Kopernikus konnte mit dem heliozentrischen Weltbild einen Paradigmenwechsel einleiten. Es lässt sich somit feststellen, dass die gesamte Geschichte der Menschheit eine Folge von Paradigmenwechseln ist. Paradigmenwechsel dauern natürlich über einen längeren Zeitraum hinweg an, denn die Denkmuster der gesamten Gesellschaft müssen verworfen und neu aufgebaut werden. Dies stellt die Menschheit oft vor große Probleme. Man denke nur an Sir Isaac Newton, der die Teilchenauffassung des Lichts vertrat. Die Wellenauffassung, die es gleichzeitig auch gab, hatte aufgrund des hohen Einflusses von Newton keine Chance und wurde erst viel später mit Hilfe der Interferenz von Licht bestätigt. Ein anderes Beispiel wäre der Äther, der angeblich den gesamten Raum ausfüllen solle und somit der Grund für die mechanische Ausbreitung von Lichtwellen sei. Diese Theorie konnte auch erst sehr viel später von Maxwell durch die elektromagnetische Feldtheorie und durch Einstein mit der Relativitätstheorie widerlegt werden. Noch heute gibt es aber Menschen, die an der Äthertheorie festhalten.
Max Planck formulierte Paradigmenwechsel wie folgt:
„Eine neue wissenschaftliche Wahrheit pflegt sich nicht in der Weise durchzusetzen, daß ihre Gegner überzeugt werden und sich als belehrt erklären, sondern vielmehr
dadurch, daß die Gegner allmählich aussterben und daß die heranwachsende Generation von vornherein mit der Wahrheit vertraut gemacht ist.“
(Planck, 1948, S. 22)
2.4 Dynamik der Physikgeschichte
Nach Simonyi (Simonyi, 2017, S. 29f.) kann man die Physik durchaus als sehr schematische Wissenschaft sehen. Ihre Struktur gleicht annähernd einem Kochbuchrezept, welches Schritt für Schritt abgearbeitet werden muss. Somit erscheint die Physik fälschlicherweise als starres, unbewegliches, statisches Gerüst, das kaum Flexibilität oder Kreativität aufweisen kann. Nach den bisherigen Beschreibungen der Physik als kochbuchartiges Rezept stellt sich Simonyi die Frage: „Wo bleibt innerhalb dieses Schemas Platz für schöpferische Tätigkeit?“
Tägliche Aufgaben sind zum Großteil Routinearbeit, aber dennoch kommt es immer wieder zu Momenten, in welchen die altbekannten Strukturen auf neue situationsbedingte Umstände angewendet werden müssen. Als Beispiel nennt Simonyi hier die Maxwell‘schen Gleichungen aus der Elektrodynamik. Neue Materialien und Medien sowie verschiedene geometrische Konfigurationen fordern neue, innovative Lösungen der Maxwellgleichungen, wenn neue technische Geräte wie Antennen, Richtschalter oder Hohlraumresonatoren für die Praxis entwickelt werden sollen. In Kenntnis dieser Problematik, kann anschließend erforscht werden, wie und inwiefern es überhaupt möglich ist, die in den Lehrbüchern aufgezeichnete Physik zu einem lebendigen, sich entwickelnden Organismus zu machen.
Kuhns (Kuhn, 2009, S. 65f.) Deutung und Erforschung der Paradigmen hatte natürlich auch interessante Auswirkungen auf die Physik. Heutzutage ist ein großer Teil der Wissenschafter und Wissenschafterinnen der Meinung, dass man die Physik als ständigen Umwandlungsprozess von Paradigmen sehen kann. Hierbei ist dennoch anzumerken, dass sich natürlich der Fokus weg von psychologischer Kreativität nach Kuhn, eher hin zu Entwicklungsprozessen in der Physik verschiebt. Diese Prozesse bestehen aus vielen kleinen Einzelleistungen, gemacht von verschiedensten berühmten und weniger berühmten Wissenschaftern und Wissenschafterinnen. Gesehen wird dabei aber nicht jede Kleinigkeit, sondern der Prozess an sich gilt als großes Ganzes und wird demnach auch als solcher betrachtet. Genau deshalb kann nach Kuhn die ganze Physik als eine Folge von revolutionären Umwälzungen und Paradigmen angesehen werden.
Offensichtlich haben nicht nur physikalische Errungenschaften Einfluss auf die Gesellschaft, sondern auch die Gesellschaft hat Einflüsse auf große Physiker. Diese Wechselwirkung kann förderlich aber auch bremsend sein. Verschiedene wissenschaftliche Strömungen korrespondieren seit jeher mit der Physik und weder Einstein noch Faraday konnten den günstigen oder ungünstigen Einflüssen der Gesellschaft entgehen. All diese Wechselwirkung darf aber nicht als negativ gesehen werden, denn die Physik an sich ist ein Phänomen des Gesellschaftslebens und ihre Entwicklung ist ein Teil der Entwicklung der Gesellschaft. Wenn man die Physik so betrachtet, kommt auch der Marxismus ins Spiel, der die Wirtschaft als Basis der Gesellschaft sieht. Die wirtschaftliche Struktur ist also das Fundament auf welchem das Haus errichtet werden soll. Ist das Fundament schlecht errichtet, wird dort nie ein Haus stehen können, ist es jedoch gut gebaut, so kann darauf aufgebaut werden. Wenn also die wirtschaftliche Struktur funktionsfähig ist, dann nehmen rechtliche, politische, ideologische Formen und Verhältnisse Einfluss. Dieses Programm kann gut auf einige
Bereiche übertragen werden, doch aus naturwissenschaftlicher Sicht ist dies eher kritisch zu betrachten, denn Physik, Chemie oder Biologie können weder dem Fundament noch dem Haus zugeordnet werden, denn sie sind beides gleichzeitig (Kuhn, 2009, S. 104f.).
Um nun die Physik doch ein bisschen genauer zu charakterisieren kann man definitiv feststellen, dass unterschiedlichste menschliche Tätigkeiten in engem Zusammenhang mit natürlichen Gegebenheiten stehen. In diesem Wechselspiel kann man der Physik folgende Partner zuteilen: Technik, Mathematik, Philosophie und Religion. Gemeinsam mit der Technik ist die Physik die Basis einer jeden gesellschaftlichen Ordnung.
Philosophie und Religion bringen durch Wechselwirkung die Physik zur Weiterentwicklung und zum Nachdenken über bereits Bewährtes. Zu guter Letzt ist die Mathematik wohl der offensichtlichste Partner der Physik, ohne welchen absolut nichts möglich wäre. Am Ende entsteht rund um die Physik ein großes Netz mit verschiedensten Knotenpunkten, welche alle in irgendeiner Form mit ihr und somit auch mit der Gesellschaft wechselwirken (Simonyi, 2017, S. 29f.).
Gibt es irgendwann einen Zeitpunkt, zu welchem die Menschheit alles erforscht hat? Gibt es gewisse Grenzen, die einfach nicht überschritten werden können oder werden ethnische Schranken irgendwann die Forschung eingrenzen oder gar verbieten? Die Beantwortung der ersten zwei Fragen ist schnell gefunden. Neue Erkenntnisse werfen immer neue Fragen auf und somit ist die Natur in einem unendlich lang andauernden Prozess, aus dem es, wie es scheint, kein Entkommen gibt. Die Frage nach ethnischen Schranken wirft sofort Grauzonen der wissenschaftlichen Forschung auf. Kernwaffen, chemische und biologische Kriegsführung zählen zu diesen Bereichen. Tatsache ist aber, dass trotz moralischer Bedenken die Wissenschaft, sei es mit Zustimmung der Gesellschaft oder nicht, diese inoffiziellen Grenzen längst überschritten hat. Die Forschung in diesen Bereichen ist hochaktuell und hochinteressant. Die Wissenschaft an sich wird in Zukunft sicher nicht an Einfluss verlieren, da komplexe Thematiken immer wichtiger werden. Gesellschaftlich gesehen wird das Ziel der Wissenschaft immer sein, wirtschaftlichen Erfolg zu machen und materiellen Wohlstand zu erreichen. Abgesehen vom materiellen Wert der Wissenschaft muss auch der künstlerische und schöpferische Aspekt unabhängig vom Nutzen miteinbezogen werden. Im Endeffekt ist es ein Zusammenspiel aus den zuvor genannten Komponenten, welches die Zukunft ausmachen wird. Im Prinzip muss jedoch jeder Mensch für sich selbst entscheiden, welchen Nutzen man aus der Physik und der Wissenschaft generell ziehen möchte. Als Beispiel nennt Simonyi hier die Frage nach größerem Nutzen von Halbleitertechnik oder theoretischer
Betrachtung der Krümmung des Kosmos. Jeder Mensch wird hier wohl seine Wahl auf die Halbleitertechnik legen, denn diese ist hochaktuell und deren Weiterentwicklung hat mehr Nutzen für die Gesellschaft als die Erforschung des Kosmos. Aber wozu brauchen wir die Halbleitertechnik noch? Die Menschheit benötigt sie auch, um sich über das Krümmungsverhalten des Kosmos zu informieren. Somit sieht man, dass nicht nur ein Element wichtig ist, sondern dass in der Physik sehr vieles miteinander vernetzt ist und alles als großes Ganzes betrachtet werden muss (ebd., S. 30f.)
Abbildung 2: Charakteristika der Epochen in stark vereinfachter Darstellung (Simonyi, 2017, S. 39)
In der obenstehenden Abbildung ist eine stark vereinfachte Darstellung der Entwicklung der Physik dargestellt. Sie zeigt die zeitliche Epoche und auch jeweils dazugehörige wichtige Ereignisse und Persönlichkeiten.
2.5 Gesellschaftliche Forschungsschwerpunkte
Forschung ist immer sehr eng an die Gesellschaft gebunden. Forschung muss gewissen gesellschaftlichen Interessen folgen und wird meist auch dadurch finanziert, dass irgendein gesellschaftlicher Nutzen davon hervorgeht. Diese Verhältnisse, die vorausgesetzt werden, sind gewiss keine Konstanten, sondern variabel und ändern sich mit der Zeit, wie auch die Interessen der Gesellschaft. Exemplarisch hierfür wäre zum Beispiel das große Interesse der USA an der Kernforschung in den 1940er Jahren, hervorgerufen durch die Angst eines Atomangriffs des nationalsozialistischen Deutschlands.
Aber auch heute noch wird die Forschung sehr stark von der Gesellschaft geleitet.
Schwerpunkte werden meist klar von den momentanen Interessen der weltweiten Bevölkerung vorgegeben. In den letzten Jahrzehnten lag höchste Priorität in verschiedensten Bereichen der Physik. Momentan scheint es so, als ob das Interesse in andere Wissenschaften wandern würde. Biologie, besser gesagt Genforschung, ist hochaktuell und momentan die klare Nummer Eins der Interessen. Hier sollte auch deutlich gemacht werden, dass nicht nur die Wissenschafter und Wissenschafterinnen den Weg vorgeben, sondern dass Forschungsschwerpunkte meist indirekt von aktuellen Entwicklungen, Auffassungen und gesellschaftlichen Notwendigkeiten beeinflusst werden. Hier denke man an die überraschend auftretende Covid-19 Pandemie und die Forschung hinsichtlich eines Impfstoffes.
Wenn man all diese zuvor genannten gesellschaftlichen Aspekte der Forschung betrachtet, stellt sich früher oder später die Frage, ob Forschung als international gesehen werden kann? Oder müssen auch hier, nationale Unterschiede gemacht werden?
Grundlegend kann gesagt werden, dass Forschungsinteressen die die gesamte Menschheit betreffen, von der Gesellschaft weltweit beeinflusst werden und somit international sind.
Moderne Forschung ist natürlich sehr kostspielig und mit viel Aufwand verbunden. Daher werden große Forschungsprojekte auch oft international organisiert und finanziert. Im Genaueren heißt das, dass mehrere Staaten oder Organisationen gemeinsam planen, finanzieren und forschen. Solch internationale Einrichtungen in Europa wären zum Beispiel: die Europäische Raumfahrt-Agentur (ESA), das Europäische Kernforschungszentrum (CERN) in Genf oder die Europäische Südsternwarte (ESO).
3 Physikalische Grundlagen
Um im nächsten Kapitel genauer auf die Quantenelektrodynamik eingehen zu können, müssen einige grundlegende Thematiken der Physik genau beleuchtet werden. Dazu gehören neben den Grundbausteinen aller Materie, den Elementarteilchen, auch deren
„Kleber“, der sie quasi zusammenhält, die sogenannten Wechselwirkungskräfte. Die Quantenelektrodynamik kann in diesem Kontext als großes Haus gesehen werden. Das Fundament dieses Hauses besteht aus vier großen Bereichen der Physik, welche alle essenziell zum Verständnis der QED sind. Diese vier Bereiche sind in sich so komplex und umfassend, dass in diesem Kapitel nur ein kleiner Einblick gegeben werden kann, denn die klassische Mechanik, die Elektrodynamik, die Spezielle Relativitätstheorie und die Quantentheorie können jeweils Stoff für hunderte Masterarbeiten geben. Demnach wird das Ziel dieses Kapitels sein, die Physik im Hintergrund der QED so zu erklären, dass man anschließend ohne weitere tieferführende Erläuterungen direkt in die Materie der QED eintauchen und bei Bedarf nachlesen kann.
3.1 Das Standardmodell der Elementarteilchen
Unter Elementarteilchen versteht man die wahrscheinlich kleinsten Bausteine der Materie, aus der alle Stoffe, von der die Menschheit weiß, aufgebaut sind. Als Elementarteilchen bezeichnet man also kleine, subatomare Teilchen, die nicht mehr teilbar sind. Im Fachjargon nennt man sie Quarks und Leptonen. Aber es gibt auch noch andere Elementarteilchen, denn einige von ihnen haben die Funktion eines Wechselwirkungsteilchen. Diese Gruppe von Elementarteilchen nennt man Bosonen. Im Jahr 2012 wurde zu guter Letzt, das zuvor theoretisch vorhergesagte, Higgs-Boson von der europäischen Organisation für Kernforschung am Beschleunigungszentrum CERN experimentell am Large Hadron Collidor nachgewiesen und die Familie der Elementarteilchen somit vervollständigt. Aus den Quarks und Leptonen ist sämtliche Materie aufgebaut. Die Eichbosonen übermitteln alle Wechselwirkungen zwischen der Materie und durch Interaktion mit dem Higgs-Boson erhalten die Elementarteilchen ihre Masse. Was diese Teilchen nun von anderen Unterscheidet ist, dass sie unteilbar sind und dass auch ihr Radius ungleich Null ist (Meschede, 2015, S. 958f.).
Abbildung 3: Das Standardmodell der Elementarteilchen (Österreichische Akademie der Wissenschaften, 2021)
In der oben angeführten Abbildung sind die Elementarteilchen zu sehen. Die Fermionen, zu welchen die Untergruppen Quarks und Leptonen zählen, lassen sich in drei Generationen der Materie einteilen. Zur Ersteren gehören einerseits der up- und down- Quark und andererseits das Elektron und das Elektron-Neutrino. Gleiches gilt für die zweite Generation mit charm- und strange-Quark sowie Muon und Muon-Neutrino und die Teilchen der dritten Generation sind top- und bottom-Quark sowie das Tau und Tau- Neutrino. Die Bosonen, also die Teilchen, die für die Wechselwirkungen zuständig sind, sind in der Grafik rot hinterlegt. Diese heißen: Gluon, Photon, Z-Boson und W-Boson.
Genaueres zu ihren Wechselwirkungen wird später genannt. Am rechten Rand der Grafik erkennt man gelb hinterlegt noch das Higgs-Boson, welches eine sehr spezielle Stellung innerhalb der Elementarteilchen innehat, da es allen anderen Teilchen die Eigenschaft der Masse verleiht.
Als aller Erstes muss also der Unterschied zwischen Fermionen und Bosonen deutlich gemacht werden. Fermionen besitzen halbzahligen Spin und existieren ausschließlich gemeinsam mit ihren Antiteilchen. Bosonen hingegen werden mit Feldern assoziiert und daher als Wechselwirkungsteilchen charakterisiert.
3.2 Fermionen
Fermionen besitzen halbzahligen Spin und können nur gemeinsam mit ihren Antiteilchen existieren, entstehen und vergehen. Fermionen werden im alltäglichen Leben mit der Materie in Kontext gebracht, daher nennt man Fermionen auch Materieteilchen. Zu den elementaren Fermionen zählt die Familie der Leptonen und der Quarks. Nicht elementare Fermionen sind Teilchen, welche aus verschiedenen Quarks bestehen. Dazu werden Hadronen, Mesonen oder Baryonen gezählt. Diese bilden quasi die nächstgrößere Stufe der Bausteine unseres Universums.
3.2.1 Leptonen
Von diesen elementaren Fermionen ist das wohl berühmteste das Elektron. Dieses war nicht nur das erste, das tatsächlich identifiziert worden ist, sondern auch das Teilchen, das mit all seinen Eigenschaften und Besonderheiten die Physik wie kein anderes Teilchen beeinflusst hat. Nicht ohne Grund wurde die heutige Quantenmechanik, um 1925, oft als Elektronentheorie bezeichnet. Die Entdeckung des Elektrons war bahnbrechend für die heutige Physik. Man konnte mit Hilfe des Elektrons verschiedenste Erklärungen für unabhängige Wissenschaftsbereiche wie Röntgenstrahlung oder chemische Bindungen finden. Das Elektron ebnete aber auch die Entdeckung neuer Teilchen, die quasi mit ihm verwandt sind. Diese zwei Teilchen, die hier von großer Bedeutung sind, sind das Myon und das Tauon. Diese drei Teilchen, die die Familie der Leptonen bilden, haben einige wichtige Gemeinsamkeiten. Eine dieser gemeinsamen Eigenschaften ist das klassisch unerklärbare Ausschließungsprinzip von Wolfgang Pauli aus dem Jahre 1925. Dieses Prinzip trägt auch den Beinamen Fermi-Dirac-Statistik, woher auch der Name der Fermionen stammt. Eine weitere Gemeinsamkeit ist der schon zu Beginn genannte halbzahlige Spin. Als letzter gemeinsamer Nenner ist noch das magnetische Moment zu betrachten, welches aus klassischer physikalischer Sicht einfach viel zu groß ist. Dirac gelang es in den Jahren nach der Entdeckung all dieser Phänomene mit Hilfe der nach ihm benannten Dirac-Gleichung diese vollständig zu beschreiben. Ein Punkt, den Dirac unbeantwortet ließ, war es, dass seine Gleichung voraussetzte, dass zu jedem Lepton ein Antiteilchen und nicht nur das, sondern dass diese zusätzlich immer paarweise existieren müssen. 1932 wurde dies mit der Entdeckung des Positrons, dem Antiteilchen zum Elektron, bestätigt. Einige Jahre danach wurden das Myon als Komponente der Höhenstrahlung und das Tauon als Produkt aus Experimenten in Hochenergiebeschleunigern erfolgreich entdeckt und bestätigt. Die Gruppe der Leptonen
vervollständigten die drei Neutrinos. Somit besteht die Gruppe der Leptonen aus den jeweils negativ geladenen Teilchen e-, µ-, t-, deren ungeladenen Neutrinos und den sechs Antiteilchen (Bleck-Neuhaus, 2013, S. 425f.).
Wichtig dabei ist auch, dass lediglich das Elektron stabil ist. Myon und Tauon sind instabil. Ob überhaupt und welche Gesetzmäßigkeiten und Zusammenhänge innerhalb der drei Generationen der Leptonen existieren, ist bis heute noch nicht geklärt, da zum Beispiel ihre Massen als völlig unabhängig erscheinen. So ist die Masse eines Elektrons
! = 0,511!"#$! , des Myons ! = 105!"#$! und die Masse des Tauons mit ! = 1777!"#$! sogar wesentlich größer, als die Masse eines Protons ! = 938!"#$! (Demtröder, Experimentalphysik 4, 2017, S. 170f.).
Leptonen sind außerdem strukturlose Punktteilchen und können als elementar betrachtet werden, da sie sicher nicht mehr teilbar sind. Die drei Neutrinos der Teilchen wurden zu Beginn als masselos angesehen. Dies wurde jedoch nach genaueren Untersuchungen wieder verworfen. Stand der Wissenschaft ist es, dass Neutrinos eine Masse besitzen, diese aber sehr klein ist. Diese minimale Masse der Neutrinos hätte aber im Makrokosmos große Auswirkungen. Mit dem Wissen der Masse könnte man die Frage der Expansion des Universums beantworten, da die maximale Ausdehnung mitunter auch von der Masse abhängt (Tipler & Mosca, 2019, S. 1368f.).
Neutrinos wurden außerdem bereits in den 1930er Jahren von Wolfgang Pauli vorhergesagt. Dieser schlussfolgerte deren Existenz aus seltsamen Ergebnissen und Messungen bei Untersuchungen des ,-Zerfalls. Der ,-Zerfall ruft auch einen speziellen Typ von Wechselwirkung hervor, die schwache Wechselwirkung. Diese werden wir im Kapitel Bosonen und Wechselwirkungen genauer behandeln (Fritzsch, 1983, S. 63f.).
Zu guter Letzt müssen aus der Familie der Leptonen noch die Antiteilchen genauer besprochen werden. Antiteilchen können nie allein, sondern nur in Form von Teilchen- Antiteilchen-Paaren auftreten. Alle Antiteilchen sind stabil, obwohl ihre Lebensdauer nur Bruchteile einer Sekunde ist. Die Begriffsdefinition als Antiteilchen ist ein wenig irreführend. Teilchen und Antiteilchen unterscheiden sich nur in ihrer Polarität und sonst in keiner einzigen Eigenschaft. Antiteilchen sind genauso fundamental wie Teilchen (Tipler & Mosca, 2019, S. 1370f.).
Was jedoch definitiv sicher ist: Leptonen unterliegen der schwachen Wechselwirkung, der Gravitation und falls sie elektrisch geladen sind auch der elektromagnetischen Wechselwirkung. Genaueres zu diesen Wechselwirkungskräften wird im Abschnitt Bosonen und Wechselwirkungen erläutert.
Tabelle 1: Leptonen und deren Eigenschaften
Generation Name Symbol Elektrische Ladung in e
Masse in MeV/c2
1 Elektron e -1 0,511…
Elektron-Neutrino -e 0 < 1,1 • 10-6
2 Myon . -1 105,66…
Myon-Neutrino -µ 0 < 0,17
3 Tauon / -1 1777,9…
Tauon-Neutrino -τ 0 < 15,5
3.2.2 Quarks
Quarks gehören wie auch die Leptonen zu den Fermionen. Daher ist es auch nicht verwunderlich, dass auch sie halbzahligen Spin besitzen. Im Gegensatz zu den Leptonen unterliegen sie neben der schwachen, elektromagnetischen Wechselwirkung und der Gravitation auch der starken Wechselwirkung. Quarks sind die Bausteine der zusammengesetzten Teilchen, auch Hadronen genannt. Zu dieser Gruppe gehören unter anderem Protonen und Neutronen. Von diesen zwei Teilchen ausgehend, wird jetzt auch der Begriff des Isospins erläutert werden. Schon Werner Heisenberg verwunderte es in den 1930er Jahren, dass sich Proton und Neutron stark in ihren Eigenschaften ähneln, obwohl ihre elektrische Ladung verschieden ist. Nach genauerer Betrachtung dieses Kontextes fand man heraus, dass die starke Wechselwirkung, von der wir später noch mehr hören werden, invariant beim Austausch von Protonen und Neutronen ist. Genau diesen Kontext nennt man Isospinsymmetrie. Diese Symmetrie ist eine Eigenschaft der Bestandteile von Hadronen und genau diese Bestandteile sind die Quarks. Eine weitere Eigenschaft, neben dem Isospin, ist die elektrische Ladung und auch die sogenannte Farbladung (Fritzsch, 1983, S. 87f.).
Da die Ausrichtung im Raum und die Seltsamkeit, eine Eigenschaft aus dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik abgeleitet aus dem englischen Wort strangeness, die Ladung eines Teilchens bestimmen, konnte man mithilfe der Gell-Mann- Nishijima-Formel daraus schließen, dass Quarks auch Ladungen besitzen müssen. Nicht irgendwelche Ladungen, sondern drittelzahlige Ladungen, nämlich −%& und +'& . Direkt daraus lässt sich wieder ableiten, dass Baryonen, die aus drei Quarks aufgebaut sind, Spin
%
' haben müssen. Dadurch erkennt man sofort, dass Quarks Fermionen sind. Mesonen, die aus einem Quark und Antiquark bestehen, somit ganzzahligen Spin haben, werden zu den Bosonen gezählt. Baryonen hingegen, die aus drei Quarks bestehen, halbzahligen Spin besitzen, gehören zu den Fermionen, sind aber dennoch zusammengesetzte Teilchen (Dosch, 2005, S. 120f.).
Die dritte Eigenschaft von Quarks ist die Farbladung. Das Quarkmodell, das bis 1964/1965 galt, stand vor zwei großen Problemen. Einerseits galten die gebrochenzahligen Ladungen als unvorstellbar und andererseits machte sich das Ausschließungsprinzip von Wolfgang Pauli in den Köpfen der Wissenschafter als unüberwindbare Hürde breit. Bei Mesonen ist das Pauli Prinzip kein Problem, da sie aus zwei verschiedenen Teilchen, Quark und Antiquark, bestehen. Bei Baryonen hingegen sieht das ganz anders aus. Diese sind aus drei Quarks aufgebaut, wobei nach Pauli zwei Quarks nicht dieselbe Ladung besitzen dürften, was unmöglich schien. Genau hier brachten M.Y. Han und Y. Nambu 1965 eine neue Eigenschaft ins Spiel, die Farbladung.
Jeder Quark kann ihrer Entdeckung nach in drei verschiedenen Farben auftreten. Wichtig dabei ist aber zu wissen, dass diese Farbe absolut nichts mit der optischen Farbgebung zu tun hat. Dieser Ansatz löste sowohl das Pauli-Verbot-Problem, als auch die Irritation durch die schwer vorstellbaren gebrochenzahligen Ladungen der Quarks (Dosch, 2005, S. 130f.).
Im ursprünglichen Modell existierten nur drei Arten von Quarks: up, down und strange.
Der up Quark mit Ladung '&2, der down und strange Quark mit Ladung −%&2. Aufgrund der Zugehörigkeit zu den Fermionen besitzt jeder Quark außerdem den Spin %' und die Baryonenzahl %& (Tipler & Mosca, 2019, S. 1376f.).
Heute weiß man, dass es sechs Arten von Quarks gibt, die sich wiederum in drei große Generationen einteilen lassen. Man unterscheidet zwischen: up, down, charm, strange, top und bottom. Zur ersten Generation gehören up und down Quark. Diese beiden Teilchen haben auch die geringste Masse. Die schwereren Quarks, also charm, strange, top und bottom, sind weniger stabil und zerfallen in kürzester Zeit wieder zu up und down Quarks. Dies ist auch der Hauptgrund, weshalb man überall im Universum up und down Quarks finden kann, die anderen vier jedoch nur bei hochenergetischen Prozessen auftreten. Aufgrund dessen, dass Quarks Fermionen sind, hat natürlich jeder Quark auch einen Antiquark, welcher sich nur in einer Eigenschaft vom Quark unterscheidet (Osterhage, 2016, S. 174f.).
Eine weitere Besonderheit von Quarks ist, dass sie nie als einzelnes Teilchen auftreten, sondern immer nur im Verbund von Hadronen. In den Hadronen sind sie permanent gebunden und es ist auch nicht möglich sie aus dieser Bindung zu separieren.
Tabelle 2: Quarks und ihre Eigenschaften
Generation Name Symbol Elektrische Ladung in e
Masse in MeV/c2
1
Up u +2
3 2,16(),'+,),-.
down 5 −1
3 4,67(),%/,),-0
2
Charm 7 +2
3 1 270 ± 20
Strange 9 −1
3 93(1,%%
3
Top : +2
3
172 900
± 400
Bottom ; −1
3 4 180('),&)
3.3 Bosonen und Wechselwirkungen
Die Bosonen, auch Feldquanten, Eichbosonen oder Wechselwirkungsteilchen genannt, sind für die vier Kräfte im Universum zuständig: Die elektromagnetische Kraft, die beinahe alle Dinge des täglichen Lebens wie Licht oder chemische Reaktionen erklärt;
die Gravitation, die die Welt im Makrokosmos definiert; die starke Wechselwirkung, die Atomkerne trotz der großen Abstoßung der Coulomb-Kraft zusammenhält und die schwache Wechselwirkung, die besonders durch den ,-Zerfall bekannt ist (Meschede, 2015, S. 966f.).
Photonen sind die Feldquanten des elektromagnetischen Felds und somit des Lichts. Die Geschichte der Photonen begann bereits im 19. Jahrhundert, als man sich sehr darum bemühte dem Lichtteilchen entweder Teilchen- oder Welleneigenschaften zu geben. 1867 schien Maxwell mit seinen Gleichungen der Durchbruch gelungen zu sein, um Licht als elektromagnetische Welle charakterisieren. Widersprüchlich dazu war dann aber das Experiment zum Photoelektrischen Effekt 1887. Nachdem Max Planck 1900 die Quantisierung der elektromagnetischen Strahlung vom Planckschen Strahlungsgesetz aus ableitete, konnte Albert Einstein 1905 in seiner Publikation zum Photoelektrischen Effekt die Lichtquantenhypothese aufstellen. Licht sind Einsteins Meinung nach Energiequanten, die sich im Raum bewegen, nicht teilbar sind und nur als Ganzes absorbiert oder erzeugt werden können. Für diese Theorien erhielten Planck und Einstein später sogar den Nobelpreis. Diese Idee blieb jedoch trotzdem sehr umstritten, bis es Arthur Compton 1922 gelang, Röntgenstrahlen an Elektronen zu streuen und dabei eine kleine Frequenzveränderung zu bestimmen. Die Elektronen wie auch Photonen der Röntgenstrahlung verhielten sich dabei wie Billardkugeln und somit, physikalisch ausgedrückt, wie Teilchen. Auch er erhielt später für diesen nach ihm benannten Compton-Effekt den Nobelpreis. Die heute gültige Theorie, die Photonen am genauesten behandelt, ist die Quantenelekrodynamik (QED), dazu aber in einem späteren Kapitel mehr (Baker, 2015, S. 31f.).
Man weiß heute, dass das elektrische Feld eines Teilchens durch Photonen beschrieben wird, welche fortlaufend emittiert und absorbiert werden. Photonen haben keine Masse, besitzen jedoch Energie, Impuls und Drehimpuls. Energie und Impuls sind abhängig von der Frequenz des Lichts und ein Photon kann von jedem Teilchen, welches elektrische Ladung besitzt, erzeugt oder vernichtet werden. Aus dem Fehlen von Masse und Ladung lässt sich aber auch sofort schließen, dass die elektromagnetische Wechselwirkung unendliche Reichweite hat und auch im Makrokosmos wirken kann (Tipler & Mosca, 2019, S. 1378f.).
Um das nächste Eichboson genauer zu besprechen, fehlt der Wissenschaft von heute noch die Information. Die Menschheit weiß, dass es das Graviton wahrscheinlich geben muss, da auch die schwächste der elementaren Grundkräfte, die Gravitation, existiert und von höchster Relevanz ist. Die Quantenphysik kann jedoch bis heute die Rätsel und Mythen dieser Wechselwirkung und vor allem des hypothetischen Wechselwirkungsteilchens nicht wirklich erklären (Osterhage, 2016, S. 179f.).
Völlig anders ist es bei der starken Wechselwirkung. Sie ist die Wechselwirkung, welche die Atomkerne zusammenhält, also die Bindung zwischen Quarks innerhalb der Hadronen. Die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung nennt man Gluonen.
Davon gibt es acht Arten, welche sich durch die Farbladung unterscheiden. Die Gluonen haben die Eigenschaft, dass sie Farbladungen auf Quarks übertragen können. Diese Eichbosonen können somit untereinander interagieren und Farbladungen sowie Antifarbladungen austauschen. Die potenziellen Variationen können einen achtdimensionalen Raum füllen, demnach sprechen Wissenschafter von 8 Gluonen (Dosch, 2005, S. 187f.).
Die starke Wechselwirkung ist die stärkste Kraft der elementaren Kräfte. Gleichzeitig hat sie aber die geringste Reichweite, weshalb wir Menschen sie direkt am wenigsten wahrnehmen können. Sie ist im Verhältnis 100mal stärker als die elektromagnetische Wechselwirkung und sogar 1039mal stärker als die Gravitation, dies entspricht der nicht mehr in Worten zu fassenden, ausgeschriebenen Zahl: 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Für den Menschen verwunderlich ist jedoch die minimale Reichweite im Gegensatz zu den zuvor genannten anderen zwei Wechselwirkungen.
Sowohl Gravitation als auch Elektromagnetismus haben unendliche Reichweite. Die starke Wechselwirkung hat jedoch nur eine Reichweite von 10-15m (Osterhage, 2016, S.
143f.).
Separierte Gluonen konnten bisher noch nie experimentell erforscht werden. Gluonen sind wie Photonen masselos und besitzen keine Ladung, jedoch werden sie durch ihre Farbladung charakterisiert (Tipler & Mosca, 2019, S. 1378f.).
Zu guter Letzt muss noch die schwache Wechselwirkung besprochen werden. Diese wird durch drei Feldquanten, auch Vektorbosonen oder Z0-Boson, W+-Boson und W—Boson genannt, vermittelt. Die beiden W-Bosonen und auch das Z-Boson wurden 1983 am
CERN in der Schweiz nachgewiesen. Besonders dabei ist, dass die mittels der Mathematik vorhergesagten Massen der drei Bosonen fast völlig mit den experimentell ermittelten Massen übereinstimmten. Im Gegensatz zu den anderen Bosonen sind W+- Boson und W—Boson elektrisch geladen, das Z-Boson ist elektrisch neutral. Ein weiterer Punkt, durch welchen sich diese Eichbosonen von den anderen unterscheiden ist, dass sie Masse besitzen (Tipler & Mosca, 2019, S. 1377f.).
Eine weitere Besonderheit der Bosonen der schwachen Wechselwirkung ist, dass sie nicht spiegelsymmetrisch sind, sondern dass sie unser Universum sozusagen asymmetrisch bzw. linkshändig machen (Demtröder, Experimentalphysik 4, 2017, S. 185f.).
Die schwache Wechselwirkung steuert zum Beispiel radioaktive Zerfallsprozesse, wo schwere Elemente zu leichteren zerfallen. Im völligen Gegensatz zum Zerfall ist auch die schwache Wechselwirkung die Ursache der Kernfusion in den Sternen, in welcher aus leichteren, schwerere Elemente erzeugt werden. Die Feldstärke der schwachen Wechselwirkung ist dabei um mehr als eine Billion Mal schwächer als die der starken Kernkraft. Setzt man die Feldstärke in Vergleich mit der der elektromagnetischen Kraft, so sieht man, dass auch diese Milliarden Mal stärker ist. Außerdem beschränkt sich die Reichweite der schwachen Wechselwirkung auf 0,1% des Durchmessers eines Protons und ist somit extrem klein (Baker, 2015, S. 104f.).
Nach den Entdeckungen der Bosonen der schwachen Wechselwirkung im Jahr 1983, kam es im Juli 2012 am CERN zu einer Sensation. Der in den 1960er Jahren vorhergesagte Higgs-Mechanismus, nachdem alle Elementarteilchen erst durch die Wechselwirkung mit dem allgegenwärtigen Higgs-Feld selbst ihre Masse erlangen, wurde durch die Detektion des Higgs-Teilchens im LHC am CERN bestätigt (Resag, 2014, S. 335f.).
Das Higgs Feld an sich ist eigentlich ein weiterer Baustein des Standardmodells, somit quasi das vierte Standbein neben den Leptonen, Quarks und den Bosonen. Wichtig ist hierbei, dass das Higgs-Boson kein Eichboson ist. Vielmehr verleiht das Higgs-Feld durch Wechselwirken den Leptonen, Quarks und Eichbosonen die Masse. Im normalen Zustand ist das Higgsfeld einem Vakuum ohne Teilchen ähnlich. Sobald aber eine Wechselwirkung mit einem massiven Elementarteilchen stattfindet, wird das Higgs-Feld angeregt und das Higgs-Boson ist die Konsequenz daraus. Es ist nicht masselos, sondern hat eine unglaublich große Masse von 125100 ± 140 MeV/c2 und ist sowohl farb- als auch
elektrisch neutral. Es ist essenziell zu wissen, um der komplexen Thematik dieses Higgs- Teilchens folgen zu können, dass das Higgs-Boson nicht durch Selbstwechselwirkung mit dem Higgs-Feld seine Masse erhält, sondern dass dies eine triviale Voraussetzung für den Higgs-Mechanismus ist (Demtröder, Experimentalphysik 4, 2017, S. 194f.).
Tabelle 3: Bosonen und deren Eigenschaften
Eichboson Masse in MeV/c2 Elektrische Ladung in e
Vermittelte Wechselwirkung
Photon 0 0 elektromagnetische
Graviton (noch
nicht bekannt) < 6 • 10-38 0 Gravitation
8 Gluonen 0 0 Starke
Z0-Boson 91 187,6 ± 2,1 0
schwache W+-Boson
80 379 ± 12 +1
W--Boson -1
Higgs Boson H0 125 100 ± 140 0 Higgs-Mechanismus
3.4 Die 4 Säulen der Quantenelektrodynamik
Die Quantenelektrodynamik, kurz QED, steht auf vier Säulen. Diese vier Grundbausteine sind klassische Mechanik, Elektrodynamik, spezielle Relativitätstheorie und Quantentheorie. Um im nächsten Kapitel genau auf die Quantenelektrodynamik eingehen zu können, ist es unausweichlich auch diese vier Gebiete der Physik grundlegend zu besprechen.
3.4.1 Klassische Mechanik
Leonard Susskind schreibt in seinem Werk „The theoretical minimum – What you need to know to start doing physics” über die Kernaussage der klassischen Mechanik folgendes:
„Okay, Lenny. Calm down. I’ll make it simple. All you have to remember is that the action is always stationary.” (Susskind & Hrabovsky, The Theoretical
Minimum - What you need to know to start doing physics, 2014, S. 105) Die wohl prägendste Person der klassischen Mechanik ist ohne Zweifel Sir Isaac Newton.
Newton wurde 1642 geboren. Während seiner Zeit des Studiums interessierte er sich besonders für die Werke von Galileo Galilei und Johannes Kepler. Diese drei Wissenschafter beschäftigten sich alle mit dem Universum, Planeten, Bahnen und Geschwindigkeiten. Newton stellte sich dann auch die Frage, welche Kräfte im Sonnensystem wirken müssen und so kam er während seiner Forschungen auf das Gravitationsgesetz und natürlich auch auf die Basis der klassischen Mechanik und die Grundgesetze aller Bewegungen – die Newton’schen Bewegungsgleichungen (Tipler &
Mosca, 2019, S. 83f.).
Mithilfe der Newton’schen Bewegungsgleichungen kann man die Bewegung von Körpern unter dem Einfluss von Kräften mathematisch beschreiben. Isaac Newton ging dabei von drei Axiomen aus, die basierend auf Beobachtungen aufgestellt wurden und Gültigkeit überall auf der Erde haben müssen. Das erste Axiom beschreibt den Ruhezustand oder die gleichförmige geradlinige Bewegung eines Körpers, solange keine Kraft auf ihn wirkt. Abgeleitet aus der Kraft wurde dann der Begriff des Impulses, der das Produkt aus Masse mal Beschleunigung ist, eingeführt. Dieser ist zeitlich konstant,
genau diesen Zusammenhang zwischen Impuls und Kraft mathematisch. Die Kraft kann als zeitliche Ableitung des Impulses gesehen werden. Das dritte Newton‘sche Axiom beschreibt die Wirkung von Kräften. Zwei Körper, die nur unter sich wechselwirken, haben die exakt gleich große Kraft. Sie unterscheiden sich nur in ihrer Polarität. Dieses Gesetz trägt den bekannten Namen „Actio = Reactio“ (Demtröder, Experimentalphysik 1, 2017, S. 48f.).
Die Entdeckung der Gravitationskraft geht auch auf Sir Isaac Newton zurück. Lässt man einen Körper in der Nähe der Erdoberfläche fallen, wird er in Richtung der Erdoberfläche hin beschleunigt. Wenn man dabei auch noch den Widerstand der Luft vernachlässigt, ist diese Beschleunigung, die dem fallenden Körper widerfährt, für alle Körper gleich. Aus diesem Kontext und der zweiten Newton’schen Bewegungsgleichung stellt der Wissenschafter dann die Formel für die Gravitationskraft auf, die heute auch als die mathematische Beschreibung des Freien Falls bekannt ist (Tipler & Mosca, 2019, S. 91f.
).
Sind somit Ort, Geschwindigkeit und Impuls einer bestimmten Masse zu einer bestimmten Zeit bekannt, so lässt sich mit Hilfe der Bewegungsgleichungen der gesamte Bewegungsablauf konstruieren. Dabei ist nicht nur die Gegenwart berechenbar, sondern auch jeder Zustand aus Vergangenheit oder Zukunft kann bestimmt werden. Ein solches System ist determiniert. Außerdem ist es auch kausal. Wenn man nämlich zu einem bestimmten Zeitpunkt t=0 das System stört, wirkt sich diese Störung nur auf die Gegenwart und Zukunft aus, die Vergangenheit hingegen bleibt, wie sie ist. Es erfolgt keine Übermittlung von Signalen in die Vergangenheit, Ursache und Wirkung bleiben stets in der gleichen Reihenfolge. Außerdem hat die klassische Mechanik noch eine wichtige Eigenschaft für die Quantenelektrodynamik parat. Da laut Newton keine äußeren Kräfte auf den Körper wirken, kann im Koordinatensystem sowohl Zeit als auch Ort im Raum frei gewählt werden. Die Bewegungsgleichung bleibt bei beliebiger Verschiebung des Koordinatenursprungs invariant. Die klassische Mechanik ist somit invariant in Zeit und Raum. Unmittelbar daraus lassen sich die Erhaltungssätze ableiten.
Die Erhaltung der Energie und des Impulses folgt aus der Invarianz gegen Translation der Zeit und des Raumes und die Drehimpulserhaltung lässt sich direkt mit der Invarianz gegen die Rotation des Raumes verknüpfen. Die Erhaltungssätze haben aber nicht nur in der klassischen Mechanik ihre Gültigkeit, sondern sie gelten in allen Theorien der Physik, insofern Punkte nicht willkürlich Zeit und Raum beanspruchen. Als letzte wichtige
Errungenschaft der klassischen Mechanik muss noch der Zusammenhang zu gleichförmig bewegten Bezugssystemen betrachtet werden. Das System ist relativistisch invariant, in dem Sinne, dass ausschließlich Relativgeschwindigkeiten messbar sind.
Absolutgeschwindigkeiten im ruhenden Raum sind in diesem Sinne nicht messbar (Macke, 1995, S. 15f.).
3.4.2 Elektrodynamik
Die Elektrondynamik ist trivialerweise Teil der Elektrizitätslehre. Genauer gesagt beschreibt sie bewegte elektrische Ladungen und zeitlich veränderliche elektrische und magnetische Felder. Die Kraft, die für all das verantwortlich ist, wurde bereits in Kapitel 1.3 genauer besprochen, ist die elektromagnetische Kraft.
Als Entdecker des Zusammenhangs zwischen Elektrizität und Magnetismus gilt Hans Christian Ørsted. 1820 beobachtete er wie die Nadel eines Kompasses in der Nähe eines stromdurchflossenen Drahtes ausschlug. Nach vielen Versuchen postulierte er die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms. Das Magnetfeld einer bewegten Ladung kann relativistisch als eine Änderung des elektrischen Feldes angesehen werden (Demtröder, Experimentalphysik 2, 2017, S. 100f.).
In der Elektrodynamik, die für die QED relevant ist, ist James Clerk Maxwell die unumstrittene Nummer Eins. Er formulierte zwischen 1861 und 1865 die Gleichungen des elektromagnetischen Feldes. Dabei ging er von Michael Faradays Kraftlinienbild aus und stellt die Verbindung zwischen Änderung des Magnetfeldes und dem elektrischen Strom her. Jede zeitliche Änderung des elektrischen Feldes erzeugt ein magnetisches Feld. Mit dieser Erkenntnis schlussfolgerte er, dass aus dem Zusammenspiel von zeitlich veränderlichen elektrischen und magnetischen Feldern die elektromagnetischen Wellen entstehen. Die Maxwell-Gleichungen sind die Axiome, die die Elektrodynamik beschreiben, sie lauten:
Abbildung 4: Maxwell-Gleichungen in Integralform (Wolschin, 2016, S. 11)
Abbildung 5: Maxwell-Gleichungen in differenzieller Form (Wolschin, 2016, S. 12)
Die in den Abbildung 4 und 5 dargestellten Gleichungen beschreiben denselben Zusammenhang. Sie sind nur in verschiedenen Schreibweisen angegeben. Das Faraday’sche Induktionsgesetz beschreibt die Erzeugung einer elektrischen Spannung an einem Leiter, wenn dieser sich in einem wechselnden magnetischen Feld befindet. Das Ampére’sche Gesetz besagt grundlegend, dass elektrischer Strom ein Magnetfeld hervorruft, dessen Richtung mit der des Stroms eine rechtsdrehende Schraube bildet. Die dritte Maxwell-Gleichung erklärt, dass jedes zeitlich veränderliche Magnetfeld von geschlossenen Feldlinien umgeben ist. Die letzte Gleichung charakterisiert die Quellenfreiheit des Magnetfeldes. Ein magnetisches Feld hat weder Quellen noch Senken (Petrascheck & Schwabl, 2019, S. 12f.).
Wenn man nun diese fundamentalen Kenntnisse der Elektrodynamik in Beziehung zu Newtons Bewegungsgleichungen bringt, entsteht folgender Kontext. Man ersetze die mechanischen Kräfte mit der Coulombschen Kraft und man sieht sofort, dass nun neben der Abhängigkeit von der Masse auch noch die Abhängigkeit von der elektrischen Ladung hinzukommt. Diese Kraft zwischen zwei Punkten hängt bei genauerer Betrachtung jedoch nur vom gegenseitigen Abstand ab. Wenn man nun auch noch ins
verblüffenden Erkenntnissen. Die Fernwirkung wird als trivial angenommen, da es offensichtlich ist, dass die Kraft zwischen den beiden Punkten ohne Vermittlung des Raumes dazwischen wirke. Die Nahwirkung ist ein wenig komplexer, da hier die Quelle des Feldes der ersten Ladung die zweite Ladung ist. Diese Nahwirkungsinterpretation, auf die nicht näher eingegangen wird, hat aber im Gegensatz zur Fernwirkung den Nachteil, dass die Symmetrieeigenschaft verloren geht. Mit der Vorstellung eines Mediums, das die Kraft „überträgt“ geht einher, dass auch ein absolut ruhender Raum existieren muss. Diese Interpretation widerspricht jedoch der relativistischen Invarianz der klassischen Mechanik, obwohl die Symmetrie nach wie vor erhalten ist. Andererseits lässt die Fernwirkungstheorie auch Geschwindigkeiten zu, die kleiner als die Lichtgeschwindigkeit sind. Wenn man all das miteinbezieht, kommt man auf das Fazit, dass Maxwell in seinen Gleichungen vorher nicht möglich geglaubte Inhalte vereint.
Erstens gibt es Ausbreitungsgeschwindigkeiten die kleiner als die Lichtgeschwindigkeit sind und zweitens können diese Absolutgeschwindigkeiten des Äthers auch gemessen werden. Am Ende lässt sich sagen, dass auch die Elektrodynamik, wie die klassische Mechanik determiniert, kausal und invariant ist, jedoch mit der Bemerkung, dass erst die Summe aus mechanischer und elektrischer Energie eine Erhaltungsgröße ergibt (Macke, 1995, S. 17f.).
3.4.3 Spezielle Relativitätstheorie
Die nächste Ergänzung, die gemacht werden muss, um die QED und anschließend auch deren Auswirkungen auf die Gesellschaft zu verstehen, ist die Spezielle Relativitätstheorie. Diese stammt von Albert Einstein und zeigte auf, dass klassische Mechanik und Elektrodynamik die Physik nicht vollständig beschreiben. Ziel der Speziellen Relativitätstheorie ist es, Bewegungen von Körpern und Feldern in Raum und Zeit richtig zu beschreiben. Einsteins große Erkenntnis dabei war es, dass weder Raum noch Zeit absolut und diese außerdem untrennbar miteinander verbunden sind. Die beiden fundamentalen physikalischen Größen hängen nämlich immer vom Bewegungszustand des Betrachters ab. Daher musste Einstein gewisse mathematische Umformungen vornehmen, damit für alle Bewegungen, dieselben Gleichungen verwendet werden konnten. Mithilfe der Lorentz-Transformation war dies möglich (Feuerbacher, 2017, S.
248f.).
