05.10.2004 · Drei amerikanische Theoretiker teilen sich den Nobelpreis für Physik: H. David Politzer, Frank Wilczek und David J. Gross. Sie lieferten einen wertvollen Beitrag für eine künftige Weltformel.
Von Manfred Lindinger
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Die neuen Preisträger: Gross (oben), Politzer (li.), Wilczek
Seit der Antike beschäftigt die Menschheit die Frage, woraus die Materie und damit auch der Mensch selbst besteht. Demokrit hatte erstmals von den Atomen als unzerstörbaren Grundbausteinen gesprochen. Lange versuchte man, die Natur mit Hilfe unteilbarer und unendlich harter Kügelchen zu erklären, die von Kräften wie mit Spiralfedern zusammengehalten werden. In den vergangenen zwei Jahrhunderten konnten die Forscher immer tiefer in die Struktur der Materie blicken und dabei fortwährend kleinere Bausteine entdecken - von den Molekülen und Atomen über die Atomkerne, die ihrerseits aus Protonen und Neutronen bestehen, bis hin zu den Quarks, die zusammen mit den Elektronen das Elementarste darstellen, was die Physiker heutzutage kennen.
Dabei mußte man einsehen, daß die Kräfte, die zwischen Bausteinen wirken, kaum mehr mit Spiralfedern zu vergleichen waren. Das galt besonders für die starke Kernkraft, die die Quarks in den Protonen und Neutronen aneinanderbindet. David Gross, David Politzer und Frank Wilczek sind der seltsamen Natur der starken Kernkraft Anfang der siebziger Jahre auf die Schliche gekommen. Für ihre Verdienste ist den drei amerikanischen Theoretikern der diesjährige Nobelpreis für Physik zuerkannt worden.
Wie durch ein Gummiband verbunden
Noch immer geben die Quarks, die man mit Up, Down, Strange, Charm, Bottom und Top bezeichnet, und die zwischen ihnen wirkende starke Kraft den Physikern viele Rätsel auf. Ganz anders als Elektronen tragen Quarks nämlich drittelzahlige Ladungen - ein bislang ungelöstes Phänomen. Zudem treten sie niemals einzeln, sondern immer als Dreierbund in Form von Protonen und Neutronen oder als Zweierbund in Form von Mesonen auf. Selbst unter Aufgebot gigantischer Energien lassen sich Quarks nicht isolieren. Lediglich in der frühen Phase des Universums soll es nach heutiger Vorstellung einen Zustand extremer Hitze und Dichte gegeben haben, in dem die Quarks als freie Teilchen existierten.
Die Theoretiker hatten bis in die sechziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts vergeblich versucht, die Kraft zwischen den Quarks in ähnlicher Weise zu beschreiben wie man es von der elektromagnetischen oder der schwachen Kraft, die für den radioaktiven Betazerfall verantwortlich ist, gewohnt war. Die Stärke beider Kräfte nimmt mit der Entfernung auf charakteristische Weise ab. Ganz anders die starke Kraft. So ziehen sich die Quarks desto stärker an, je weiter man sie voneinander entfernt. Bei kleinen Abständen ist sie am schwächsten, die Quarks verhalten sich dann fast wie freie Teilchen. Das Phänomen wird als Asymptotische Freiheit bezeichnet. Vergleichen läßt sich das Verhalten mit einem Gummiband - je stärker man zieht, desto stärker wird der Widerstand.
Farbenlehre bringt Klarheit
Den drei Nobelpreisträgern ließ diese seltsame Eigenschaft der starken Kraft keine Ruhe. Das Rätsels Lösung, das Gross, Politzer und Wilczek 1973 in den „Physical Review Letters“ der Öffentlichkeit präsentierten, hatten sie kurioserweise in der Farbenlehre gefunden. Die drei Forscher hatten den Quarks zusätzlich zur elektrischen Ladung eine sogenannte Farbladung verpaßt, mit der entsprechenden „Farbtönung“ Rot, Blau oder Grün. Die Quarks sollten sich nach Vorstellung der Physiker nur dann zu Zweier- oder Dreiergruppen verbinden können, wenn sich hinterher „Weiß“ beziehungsweise der Quantenzustand „Neutral“ ergibt. Und das ist genau dann erfüllt, wenn sich beispielsweise zwei Up-Quarks mit einem Down-Quark zu einem Proton zusammenschließen. Und auch die neutralen Klebeteilchen, die Gluonen, die die Kraftwirkung zwischen den Quarks vermitteln, sollten plötzlich eine Farbe tragen und sogar mit sich selbst wechselwirken können, was das gummibandähnliche Verhalten der starken Kraft erklärte.
Experimentalphysik konnten Theorie bestätigen
Mit dem anschaulichen Bild von Gross, Politzer und Wilczek gelang es, die starke Kraft in ein mathematisches Gerüst zu fassen, das als Quantenchromodynamik, kurz QCD, bekannt geworden ist. Nach der Veröffentlichung schlug die Stunde der Experimentalphysiker, die die Berechnungen der Theoretiker an ihren Teilchenbeschleunigern bestätigen konnten. Dank der drei Nobelpreisträger, ist die QCD sogar zu einem festen Bestandteil des Standardmodells der Teilchenphysik geworden, des Weltmodells, mit dem Physiker den Aufbau der Materie und des Universums erklären können.
Frank Wilczek, 1951 in New York geboren, studierte an der Princeton University, wo er 1974 promoviert wurde. Seit 2000 arbeitet er am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. David Gross, 1941 in Washington geboren, ist 1966 promoviert worden. Mehrere Jahre arbeitete er an der Princeton Universität. Im Jahr 1997 ging er an die University of California. David Politzer erhielt seinen Doktortitel in Physik an der Harvard Universität. Er ist Professor für Physik am California Institute of Technology in Pasadena.
