Die elektroschwache Kraft, die gar nicht mal so schwach ist…

Posted on 29. März 2011 by Alexander Thomas

Jeder benutzt Tagtäglich den Elektromagnetismus, sei’s in der Microwelle, dem Fernsehen, Radio, Handy. Er umgibt uns und verhindert, das wir zum Mittelpunkt der Welt fallen. Doch das alles ist nur ein kleiner Aspekt einer weit geheimnisvolleren Kraft.

Seit Urzeiten versucht der Mensch die Natur zu beschreiben, sie zu erklären und hinter das Geheimnis der Götter zu kommen. Dabei sind viele Ideen entstanden die die Natur mit den gerade bekannten Erkenntnissen beschrieben haben. Zuerst erklärte man Blitz und Donner als wütende Ausbrüche von unbeherrschten Göttern, so erkannte man dann doch irgendwann, das dahinter keine übernatürlichen Wesen standen und alles seinen eigenen Regeln und Gesetzen gehorcht. Das war die Geburtsstunde der Naturwissenschaften.

 

Himmelskunde für das Volk: Die Atmosphäre (Holzstich) von Camille Flammarion

Geschichte zur elektroschwachen Kraft

Kurz nachdem man sich daran gemacht hat Elektrizität und Magnetismus zu beschreiben entdecke man, das beides irgendwie zusammen zu hängen schien.

Blitz und Donner bewegten Kompassnadeln, dabei war der Blitz ja elektrisch und der Kompass magnetisch. Wie passte das beides zusammen? Man konnte beides schon irgendwie phänomenologisch Beschreiben und auch berechnen, doch passte beides nicht so wirklich zusammen. Es hat dann einige Zeit gedauert bis ein Physiker aus Schottland die richtige Idee hatte: James Clerk Maxwell. Er beschrieb den Elektromagnetismus in vier eleganten Gleichungen auf, die miteinander verbunden waren.

Mit diesen Gleichungen war der Grundstein für das Radio, Fernsehen, Computer, ja sogar für die Kosmologie über den Umweg der Relativitätstheorie gelegt. Vier einfache Formeln um zwei Naturkräfte zu vereinigen. Die großen Naturwissenschaftler dieser Zeit dachten sich dann, was mit dem Magnetismus und der Elektrizität funktioniert hat, müsse doch auch mit dem Elektromagnetismus und der Schwerkraft funktionieren.

Leider hat sich herausgestellt, das es doch nicht funktioniert. Beide Kräfte sehen sich auf dem ersten Blick so ähnlich, doch könnten sie nicht unterschiedlicher sein. Mit mit der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein hat gezeigt, dass die Gravitation eine Scheinkraft ist. Und bis heute haben wir es nicht geschafft die Schwerkraft im Rahmen einer quantenfeldtheoretischen Formulierung zu beschreiben. Dies ist aber unbedingt erforderlich um beide Kräfte vereinigen zu können.

Erste Versuche der Vereinigung

Wobei es aber sehr aussichtsreiche Ansätze beide Kräfte zu vereinigen gab. Theodor Kaluza hat bereits 1921 die Einsteinschen Feldgleichungen in einem 5-dimensionelen Raum erweitert und gezeigt, das in diesem Raum die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie und des Elektromagnetismus die gleiche Form annehmen. Aber wir die Welt die wir tagtäglich erleben ist keine 5-dimensionele sondern eine 4-dimensionale: Länge, Breite, Höhe und Zeit. Wie kann man also diese Extradimension verstecken? Oscar Klein postulierte 1926 dann, dass diese Zusatzdimension sehr wohl vorhanden sein kann, allerdings sehr stark aufgerollt. Wie man sich eine aufgerollte Dimension vorstellen kann, werde ich in einem weiteren Artikel über die (Super-)String-Theorie beschreiben.

Leider war diesem eleganten Ansatz auch kein Erfolg beschienen, da die geometrische Vereinigung den Prinzipien der Quantenmechanik widerspricht. Zudem wurden in den darauf folgenden Jahren weitere elementare Wechselwirkungen gefunden. Zuerst die starke und etwas später die schwache Kernkraft.

Einsteins späte Tragödie

Natürlich hat man weiterhin versucht die Elementarkräfte zu vereinigen, selbst Einstein hat dies bis zu seinem Tod 1955 erfolglos versucht. Doch dann ist man seinem Traum von der Vereinigung aller Kräfte auf anderem Gebiet näher gekommen, und sicher anders, als er es sich vorgestellt hat. Einstein hielt ja zeit seines Lebens die Quantenmechanik für eine Fehlentwicklung und sein berühmter Satz, Gott würfle nicht, ist ein bekanntes Zeichen seiner Abneigung gegen die Quantenmechanik.

Symmetrien

So hat sich 1967 gezeigt, dass sich der Elektromagnetismus und die Schwache Wechselwirkung durch Einführung von bestimmten Eich-Symmetrien, der sogenannten SU(2) x U(1) Symmetrie, beschreiben lassen. Diese elektroschwache Vereinigung sagt nun vier masselose Austauschteilchen auch Bosonen genannt voraus. Die sogenannten W±-, W0- und B0-Teilchen. Warum diese Teilchen masselos sein müssen erklärt sich im Rahmen der Nambu-Goldstone-Theorie, auf die ich in einem extra Artikel gesondert eingehe.

Diese Teilchen bilden die Grundteilchen für die tatsächlich gemessenen realen Teilchen wie das W±-, Z0-Teilchen und dem Photon. Diese realen Teilchen sind Mischzustände der oben genannten und der Weinbergwinkel, nach Steven Weinberg, gibt das Mischungsverhältnis an. Für diese Theorie haben schließlich 1979 Sheldon Glashow, Abdus Salam und Steven Weinberg den Nobelpreis für Physik erhalten.

Higgs-Mechanismus

Nun nochmal zurück zur Masse der Teilchen, denn hier ergibt sich mit der ein Problem, da die Reichweite der schwachen Kernkraft mit 10-15m auf sehr massive Bosonen hindeutet. Die Reichweite einer Wechselwirkung korrespondiert indirekt proportional zur Masse ihrer Austauschteilchen. So ist die Reichweite des Elektromagnetismus unendlich und somit die Ruhemasse der Lichtteilchen Null. Wie kommen nun also die Bosonen der elektroschwachen Wechselwirkung zu ihrer Masse?

Um dieses Problem zu lösen hat bereits 1964 Peter Higgs einen Mechanismus ausgearbeitet, in dem das ganze Universum von einem skalaren Higgs-Feld erfüllt ist, in dem sich die Teilchen bewegen und ihnen ihre Masse verleiht. Anschaulich wird das Higgs-Feld dabei mit einer Party verglichen und die Teilchen darin mit Partygästen. Kommt nun ein VIP-Gast in die Party ist er sofort von einer Traube von Menschen umgeben und kann sich nur schwer fortbewegen. Der VIP wäre im elektroschwachen Fall das Z0- und W±-Teilchen. Ein Photon, das Austauschteilchen des Elektromagnetismus, kann man sich dagegen als einen ungepflegten Nerd sehen, um den die Gäste einen weiten Bogen machen.

Links:

Quellen:

 

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