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Nobelpreis : "Meine Instinkte sind mathematisch"

Traumkarriere: Nobelpreisträger Frank Wilczek Bild: EPA

Er machte eine Traumkarriere und gelangte als Mathematiker bis in den Olymp der theoretischen Physik: Ein Besuch bei Frank Wilczek, dem diesjährigen Physik-Nobelpreisträger.

          3 Min.

          Das Büro von Frank Wilczek schmücken keine Astrokalender oder Dilbert-Comics. Auch die bei Physikern sonst so beliebten Zeichnungen M. C. Eschers fehlen dem Raum im Massachusetts Institute of Technology (MIT) am Charles River. Einziger Wandschmuck ist eine Packung Waschmittel der Marke "Axion".

          Ulf von Rauchhaupt
          (UvR), Wissenschaft

          Axion? "Als ich es Ende der siebziger Jahre zum ersten Mal sah", sagt Wilczek, "dachte ich, das ist doch ein toller Name für ein Elementarteilchen. Also entwickelte ich eine Theorie, die eine neue Sorte Teilchen postuliert. Und weil sich diese Arbeit um ein Problem drehte, bei dem es um sogenannte ,axiale Ströme' geht, hatte ich einen schönen Vorwand, die Teilchen ,Axionen' zu nennen."

          Kein Standard

          Nach den Axionen wird bis heute gefahndet. Wenn es sie gibt, müßten sie extrem leicht sein und mit normaler Materie nur sehr selten reagieren. Allerdings könnten sie beim Urknall in solcher Zahl entstanden sein, daß sie vielleicht hinter der geheimnisvollen "dunklen Materie" im Weltraum stecken. Normale Teilchen, die in das sogenannte Standardmodell passen, können es nicht sein.

          Dieses Standardmodell beschreibt das Verhalten aller bekannten fundamentalen Partikel: der Neutrinos, der Elektronen und ihrer Vettern - und der Quarks, aus denen Protonen, Neutronen und andere schwere Teilchen bestehen. Auch wenn Physiker Gründe für die Annahme haben, daß das noch nicht alles gewesen sein kann - die "dunkle Materie" ist nur einer davon -, so ist das Standardmodell bei der Erklärung dessen, was sie experimentell beobachten können, ungeheuer erfolgreich.

          Eine bahnbrechende Entdeckung

          Und Frank Wilczek war einer derjenigen, der diesem Ideengebäude den letzten großen Stein einfügte: die sogenannte Quantenchromodynamik, die die Wechselwirkungen der Quarks beschreibt. Wilczeks Arbeiten, für die er zusammen mit David Gross und David Politzer den diesjährigen Nobelpreis für Physik bekommt, machen verständlich, warum man Quarks nie als freie Teilchen beobachtet, sondern immer nur als Bausteine zusammengesetzter Teilchen.

          Ahnten er und seine Kollegen, daß ihnen eine bahnbrechende Entdeckung gelungen war? "Ich hatte schon das Gefühl", sagt Wilczek, "aber David Gross, mit dem ich das machte, war sich weniger sicher." Vielleicht lag Wilczeks Zuversicht auch daran, daß er damals, im Frühjahr 1973, gerade mal 21 Jahre alt war. Gleichzeitig mit Politzer, der unabhängig die gleiche Idee hatte, publizierten die beiden ihre Theorie. Es war Wilczeks erste Veröffentlichung. Sie entstand, noch bevor er mit seiner Doktorarbeit angefangen hatte.

          Berufsziel Naturwissenschaftler

          Wilczek war, als er als Doktorand nach Princeton kam, nicht einmal Physiker. "Mein Abschluß war in Mathe", sagt er, "weil ich so um die Experimentalphysik herumkam." Meßgeräte im Labor bedienen wollte er nie. Wilczek ist ein überzeugter Papier-und-Bleistift-Theoretiker, der in Gleichungen, Transformationen und Symmetrien denkt. "Meine Instinkte sind mathematisch, ich wollte schon immer die physikalische Welt mit Hilfe der Mathematik verstehen."

          Das Berufsziel Naturwissenschaftler stand für ihn immer fest. "Mein Vater ist Elektroingenieur, unser Haus war fast ein Museum für Radios und Fernsehgeräte. Vor allem aber bin ich ein Kind des Apollo-Zeitalters", sagt Wilczek. Hatten ihn Astronomie und Raumfahrt zur Physik gebracht, ging er als Student andere Wege. "Anfang der siebziger Jahre wurde klar, daß die Elementarteilchenphysik gerade einen revolutionären Wandel durchmachte. Da ließ ich alles andere stehen und liegen."

          Wechselwirkung zwischen Quarks

          Die Revolution war der Siegeszug des Standardmodells, dessen Grundlagen gerade gelegt waren und das eine geradezu anmutige Ordnung in den ausufernden Zoo subatomarer Teilchen brachte, den die Experimentalphysiker mit ihren immer leistungsfähigeren Beschleunigern und ausgeklügelteren Detektoren ansammelten. Bahnbrechend war vor allem die Idee, die Bausteine der Atomkerne und anderer schwerer Teilchen als Kombinationen von zwei oder drei noch fundamentaleren Objekten, eben den Quarks, aufzufassen.

          Damit existierte nun der Umriß eines gemeinsamen theoretischen Rahmens für drei der vier Arten, wie Elementarteilchen aufeinander Einfluß nehmen können: die elektromagnetische, die "schwache" sowie die "starke" Wechselwirkung. Dabei stellt man sich vor, daß jede dieser Wechselwirkungen ein Austausch bestimmter Teilchen ist.

          Komm näher

          Im Falle der starken Wechselwirkung, die sich nur zwischen Quarks findet, nannte man die Austauschteilchen "Gluonen". Doch gerade die machten Schwierigkeiten. Die Rechenmethoden, die sich bei Elektromagnetismus und schwacher Wechselwirkung bewährt hatten, schienen hier nicht zu greifen - bis Gross, Wilczek und Politzer kamen. Sie fanden den Beweis, daß die Kräfte zwischen den Quarks mit dem Abstand zu-, nicht abnehmen. Das bedeutet auch, daß Quarks um so weniger voneinander spüren, je dichter sie sich auf die Pelle rücken - bis sie, einander sehr nah, fast ganz voneinander loskommen und "asymptotisch frei" werden, wie die Physiker sagen."

          Damit wurde auf sehr kleinen Längenskalen plötzlich alles ganz einfach", sagt Frank Wilczek, der anschließend eine Traumkarriere bis in den Olymp der theoretischen Physik, eine Professur am Institute for Advanced Studies in Princeton, absolvierte. Vor vier Jahren ist er ans MIT gegangen. Er arbeitet jetzt auch auf Gebieten, deren Erforschung hier Tradition hat, etwa das Verhalten von Materie bei sehr tiefen Temperaturen. Außerdem gibt es hier eine Gruppe von Experimentalphysikern, die nach Axionen sucht. Würden sie gefunden, hätte Wilczek gute Chancen auf einen zweiten Nobelpreis.

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