Teilchenphysik

Carlo Rovelli: Sieben kurze Lektionen über Physik

Für Laien über Physik zu schreiben, ist nicht einfach. Carlo Rovelli, Professor für Theoretische Physik an der Uni Marseille, versucht sich gleich am Meisterstück: Eine Kurzeinführung in die komplexesten Themen der Physik für Menschen ohne Vorkenntnisse. Das gelingt ihm auch durchaus passabel. Gravitation, Quanten und Kosmologie sind nur drei seiner Themen. Vieles ist dem Wissenschaftsinteressierten natürlich bekannt, trotzdem sieht man neue Zusammenhänge und bekommt neue Einsichten. Über Quantengravitation etwa erfahre ich viel Neues. Rovelli stellt seine theoretischen Steckenpferde allerdings etwas irreführend so dar, als seien sie bereits physikalischer Mainstream, was allerdings gar nicht zutrifft. Auch wenn er ins Philosophische abdriftet und etwa plötzlich über Heidegger schwadroniert, schadet das dem Buch mehr als es ihm nützt. Trotzdem habe ich selten eine so konzise und gut verständliche Darstellung von Einsteins Relativitätstheorien gelesen.

Carlo Rovelli: Sieben kurze Lektionen über Physik. (Rowohlt)

Neuigkeiten aus dem Teilchenzirkus

In den letzten Tagen sorgte der vom CERN bestätigte Nachweis des Higgs-Bosons für großes Aufsehen und als großer Freund der Naturwissenschaften möchte ich diesen lang erwarteten Meilenstein in den Notizen zumindest erwähnen.

Einen guten Überblick dazu erhält man in dem immer sehr lesenswerten Blog Astrodictium Simplex. Der aktuelle The Economist hebt das neue Partikel sogar auf den Titel, und erläutert ausführlich die Zusammenhänge. Auch der Leitartikel dazu ist lesenswert.

The discovery puts the finishing flourish on the Standard Model, the best explanation to date for how the universe works—except in the domain of gravity, which is governed by the general theory of relativity. The model comprises 17 particles. Of these, 12 are fermions such as quarks (which coalesce into neutrons and protons in atomic nuclei) and electrons (which whizz around those nuclei). They make up matter. A further four particles, known as gauge bosons, transmit forces and so allow fermions to interact: photons convey electromagnetism, which holds electrons in orbit around atoms; gluons link quarks into protons and neutrons via the strong nuclear force; W and Z bosons carry the weak nuclear force, which is responsible for certain types of radioactive decay. And then there is the Higgs.

The Higgs, though a boson (meaning it has a particular sort of value of a quantum-mechanical property known as spin), is not a gauge boson. Physicists need it not to transmit a force but to give mass to other particles. Two of the 16 others, the photon and the gluon, are massless. But without the Higgs, or something like it, there is no explanation of where the mass of the other particles comes from.

Persönlich hoffe ich ja noch immer, dass dieser unübersichtliche Teilchenzoo in (ferner?) Zukunft durch ein völlig neues und hoch elegantes Modell abgelöst werden wird. Derzeit ist das Standardmodell jedenfalls eine beeindruckende und gut bestätigte physikalische Theorie.

Teilchenphysik trifft Ägyptologie

Mark Henderson berichtet über ein neues Durchleuchtungsverfahren, welches nicht nur dem Innenleben von Sarkophagen und Mumien auf die Spur kommen soll.

Was die Welt im Innersten zusammenhält…

… ist auch nach dem letzten, von erstaunlichen physikalischen Innovationen und „Revolutionen“ gekennzeichneten Jahrhundert unter theoretischen Physikern stark umstritten. Freeman Dyson schrieb für die New York Review of Books 8/2004 einen lesenswerten Artikel* zum Thema, in dem er sich mit dem neuen Buch von Brian Greene, einem Proponenten der Stringtheorie, beschäftigt: „The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality“. Diese Theorie ist zumindest mathematisch in der Lage, eines der größten physikalischen Probleme unserer Zeit zu lösen, nämlich die Inkonsistenz zwischen Relativitäts- und Quantentheorie. Greene kann das sehr schön erläutern:

Superstring theory tells a different story. It does not deny the key role played by electrons, quarks, and the other particle species revealed by experiment, but it does claim that these particles are not dots. Instead, according to superstring theory, every particle is composed of a tiny filament of energy, some hundred billion billion times smaller than a single atomic nucleus (much smaller than we can currently probe), which is shaped like a little string. And just as a violin string can vibrate in different patterns, each of which produces a different musical tone, the filaments of superstring theory can also vibrate in different patterns. But these vibrations don’t produce different musical notes; remarkably, the theory claims that they produce different particle properties. A tiny string vibrating in one pattern would have the mass and the electric charge of an electron; according to the theory, such a vibrating string would be what we have traditionally called an electron. A tiny string vibrating in a different pattern would have the requisite properties to identify it as a quark, a neutrino, or any other kind of particle. All species of particles are unified in superstring theory since each arises from a different vibrational pattern executed by the same underlying entity.

Leider hat dieser elegante Ansatz einen großen Haken, der mit der Art und Weise zu tun hat, wie Naturwissenschaften funktionieren, nämlich dass kein Experiment denkbar ist, das fundamentale Aussagen über den Wahrheitsgehalt der Stringtheorie erwarten lässt: Sie ist empirisch nicht testbar. Ähnliches gilt für den Nachweis von Gravitonen (den postulierten Schwerkraft-Teilchen):

I propose as a hypothesis to be tested that it is impossible in principle to observe the existence of individual gravitons. I do not claim that this hypothesis is true, only that I can find no evidence against it. If it is true, quantum gravity is physically meaningless. If individual gravitons cannot be observed in any conceivable experiment, then they have no physical reality and we might as well consider them non-existent. They are like the ether, the elastic solid medium which nineteenth-century physicists imagined filling space. Electric and magnetic fields were supposed to be tensions in the ether, and light was supposed to be a vibration of the ether. Einstein built his theory of relativity without the ether, and showed that the ether would be unobservable if it existed. He was happy to get rid of the ether, and I feel the same way about gravitons.

Das ist ein Grund, warum Dyson auf dem unorthodoxen Standpunkt beharrt, dass Relativitäts- und Quantentheorie gut nebeneinander existieren können, und man nicht krampfhaft nach einer vereinheitlichenden Theorie suchen müsse.

* Der Artikel ist mittlerweile Teil des kostenpflichtigen NYRB-Archivs

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„Die Presse“ meint:

"Aber das Internet ist nicht schuld daran, dass Zeitungen reihenweise ihre Literaturseiten „gesundschrumpfen“. Vielmehr hat es das Monopol der traditionellen Medien auf seriöse Literaturkritik gebrochen. Blogs wie die „Notizen“ des promovierten österreichischen Literaturwissenschaftlers Christian Köllerer (koellerer.net) zeigen: Es gibt genug Qualität, man muss sie nur suchen."
(5. Januar 2013)

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