Auf dem Weg zu neuen grundlegenden Theorien in der Physik, oder wieder mal nur das Resultat von Messungenauigkeiten?

BLOG: Beobachtungen der Wissenschaft

Grenzgänge in den heutigen Wissenschaften
Beobachtungen der Wissenschaft

Die letzte grosse Theorie in der Teilchenphysik, die die Physik in ihren Grundlagen fundamental weiterbrachte, war die in den späten 1960er-Jahren durch Steven Weinberg, Sheldon Glashow und Abdus Salam gelungene Integration der Quantenfeldtheorie der schwachen Kernkraft und die Quantenelektrodynamik als zwei verschiedene Seiten einer einzigen Theorie, die die Physiker heute „Theorie der elektroschwachen Kraft“ nennen. Sie ist charakterisiert durch die Eichinvarianz der SU(2) x U(1)-Gruppe – ein Ausdruck, den jeder Teilchenphysiker, einige andere Physiker und Mathematiker und sonst niemand anders kennt (und der auch hier nicht ganz so leicht in Texten wie diesem Blogs erklärt werden kann). Die gesamte Teilchenphysik ist heute durch diese Theorie zusammen mit der Theorie der ziemlich zeitgleich entwickelten starken Kernkraft (die durch die Eichinvarianz der achtdimensionalen SU(3)-Gruppe gegeben ist) charakterisiert. Entsprechend ist die Teilchentheorie durch die Invarianz-Gruppe SU(3) x SU(2) x U(1) charakterisiert. Hinzu kommt die in der generellen Physik – z.B. in unserem Leben – als vierte Kraft wirkende Gravitationskraft. Diese ist für die Elementarteilchen im Vergleich zur starken und schwachen Kernkraft sowie die Elektrodynamik allerdings so schwach, dass sie in der Teilchenphysik keine Rolle spielt – erst bei grossen Körpern wie Planenten und Sonnen kommt sie stark ins Spiel.

Dies ist in möglichst kurzer Form das Wesen der heutigen Physik: Vier Kräfte, die auf Körper, von Sonnen bis zu Elementarteilchen wirken. Ihre Theorien sind alle mehr als 50 Jahre alt (die Allgemeine Relativitätstheorie sogar über 100 Jahre) und bis heute durch nichts verändert worden. Es ist keine  Übertreibung, wenn man sagt, dass sie kaum weiter von einer erwünschten eleganten Gesamttheorie der Physik entfernt sein könnten: Einerseits mit der uneleganten Symmetriestruktur im Standardmodell für den Mikrokosmos (eben die SU(3) x SU(2) x U(1) – Gruppe), andererseits die davon komplett unabhängige und prinzipiell nicht mit denen im Mikrokosmos vereinbarende  Symmetriegruppe der Gravitationstheorie. Letztere ist die Symmetrie, die die Gravitation beschreibende Allgemeine Relativitätstheorie umfasst, die allgemeine Lorenzgruppe (die wie SU(3) und SU(2) eine lokale Symmetriegruppe darstellt), die alle Translationen in Raum und Zeit umfasst, d.h. lokale Verschiebungen, Drehungen und Geschwindigkeitstransformationen. All diese Symmetriestrukturen in der heutigen Physik stellen im Ganzen eine recht abstruse und alles andere als elegante, einheitliche Struktur dar. Die widerspricht den Vorstellungen der Physiker, dass die Physik zuletzt elegant und einheitlich zu erfassen sein muss.

Für die drei Kräfte in der Elementarteilchentheorie existieren bereits seit vielen Jahren eine ganze Anzahl von überzeugenden Theorien, die die Symmetrien allesamt in eine Gesamt-Symmetriegruppe zusammenfassen. Die Physiker sprechen in diesem Zusammenhang von der „grossen vereinheitlichten Theorie“ (Grand Unification Theory, GUT). Unter ihnen ist am populärsten wohl die 24-dimensionale SU(5)-Gruppe. Diese und alle anderen haben jedoch ein fundamentales Problem: Die Energieskalen, auf denen sich eine solche Einheit im Experiment offenbaren soll, liegen viele Grössenordnungen höher, als was die Physiker in experimentellen Teilchenbeschleunigern heute zu erreichen vermögen, so dass GUT-Theorien wie die SU(5)-Gruppe unüberprüfbar bleiben. Aber könnten sich manche Eigenschaften dieser Theorien nicht vielleicht auch auf niedrigeren Energien zeigen? Die 24-dimensionalen Invarianztransformations-Matrix der SU(5)-Gruppe sagt bei bestimmten Energien verschiedene neue Teilchen voraus, die eventuell auch schon auf niederen Energien auffindbar sein könnten, jedoch bisher unentdeckt geblieben sind.

Wie dann zuletzt noch die Gravitationskraft integriert werden soll, ist noch völlig unbekannt. Doch auch hier gibt es bereits Theorien, die aber noch einige weiteren Grössenordnungen an Energie von uns entfernt sind, so dass wir diese erst Recht nicht validieren – oder falsifizieren – können. Zudem verlangt die ultimative Theorie eine Vereinheitlichung der Quantentheorie und der allgemeinen Relativitätstheorie (eine „Theory of Everything“ (TOE)), die in vielen Ansätzen bis heute grundlegend unvereinbar sind.

So liess sich in den letzten fünf Jahrzehnten diesem uneleganten Teilchenmodell nichts hinzufügen. Auch folgen die Werte zahlreicher wichtiger Parameter (insgesamt 17) nicht aus dem Modell, sondern müssen experimentell bestimmt werden, was im Detail die Arbeit von zwei ganze Generationen von Teilchenphysikern war. Dabei wissen die Physiker heute, dass ihre Teilchentheorie und/oder die Allgemeine Relativitätstheorie aktualisiert werden müssen, können sie beide heute bereits zu 99% sichergestellte Phänomene nicht erklären. Konkret handelt es sich um das Vorhandensein von unsichtbarer Materie im Weltraum, der so genannten Dunklen Materie, sowie die anhaltende Beschleunigung der Expansion des Universums durch eine Kraft namens Dunkle Energie.

Doch nun wächst die Aufregung der heutigen Teilchenphysiker auf einmal. Seit kurzem spekulieren sie darüber, ob sie in einigen noch nicht ganz klar deutbaren Experimenten vielleicht eine fünfte fundamentale  Kraft erkannt haben. Diese Art von Vermutung ist nicht neu, bereits Einstein und seine Zeitgenossen spekulierten darüber, ob es eine solche gibt (wenn auch eine ganz andere als die, über die heute spekuliert wird). Die Teilchenphysiker sind so aufgeregt wie schon seit vielen Jahren nicht mehr. Schon sehr bald wird im CERN bei Genf ein Beschleuniger, der gerade renoviert und gesäubert wurde, wieder aufgemacht.  Dieser besitzt noch nicht einmal die höchste Energie für die Teilchenkollision, die heute im CERN erreicht werden kann. Doch bzgl. der Messgenauigkeit für die hier entscheidenden Bestimmung ist sie besonders gut. So hören wir bereits seit ca. einem Jahr von Messwerten bestimmter Teilchen, die vom Standardmodell abweichen, wenn auch nur in sehr geringem Ausmass, so dass die Abweichung schwer zu erkennen ist. Mit einer nicht unbedeutenden Wahrscheinlichkeit könnte es sich immer noch um einfache Messfehler handeln und daher den Traum der Physiker platzen lassen, über das heutige Teilchenmodell endlich hinauszugehen. Unterdessen wurden die Messungen jedoch in einigen verschiedenen Experimenten gemacht, so neben dem CERN auch im Fermilab in Chicago. Diese erscheinen recht konsistent in ihren Resultaten. Doch nach wie vor liegt die Ungenauigkeit der Messung im möglichen Bereich von nicht zu überkommenden statistischen Fluktuationen der Messwerte. Nur noch genauere Messungen werden uns zeigen, ob es sich um eine normale statistische Fluktuation handelt oder wirklich den so ersehnten neuen Typ einer physikalischen Kraft im Mikrokosmos.

Die Kommunikation der Physiker vom amerikanischen Fermilab in Illinois (vielleicht ein wenig typisch für Amerikaner im Allgemeinen) zeigt eine grosse Aufregung. Auch das Team dort hat herausgefunden, dass die als W-Boson bezeichnete Teilchen (verantwortlich für die schwache Kernkraft) etwas massereicher zu sein scheint als in den Theorien vorhergesagt. Die beteiligten Physiker wie z.B. Prof. David Toback, ein Co-Sprecher des Projekts, bezeichnet die Messung gar als «schockierend»: «Die Entdeckung könnte zur Entwicklung einer neuen, umfassenderen Theorie über die Funktionsweise des Universums führen. Wenn die Ergebnisse durch andere Experimente bestätigt werden, wird die Welt anders aussehen»”, gibt er gegenüber der Presse von sich. «Es muss einen Paradigmenwechsel geben. Die Hoffnung ist, dass dieses Ergebnis vielleicht den Damm brechen wird.»

Die Wissenschaftler haben allerdings nur einen winzigen Unterschied in der Masse der W-Bosonen gefunden im Vergleich zu dem, was die Standardtheorie der Teilchenphysik besagt – noch nicht einmal 0,1 %. So muss es erst durch weitere Experimente bestätigt werden, wie z.B. eben demnächst am noch genaueren CERN. Auch hier ist die Aufregung gross: «Es könnte das erste von vielen neuen Ergebnissen sein, die den größten Wandel in unserem Verständnis des Universums seit Einsteins Relativitätstheorien vor mehr als hundert Jahren einläuten könnten.»

Dabei sollte Aufregung in der Physikgemeinde durch Vorsicht gedämpft werden. Obwohl das Fermilab-Ergebnis die bisher genaueste Messung der Masse der W-Bosonen darstellt, steht es im Widerspruch zu zwei der nächstgenaueren Messungen aus zwei verschiedenen Experimenten dort, die mit dem Standardmodell übereinstimmten. So richten sich nun alle Augen auf den Teilchenbeschleuniger bei Genf, den Large Hadron Collider (LHC), der nach einer dreijährigen Aufrüstung seine Experimente schon sehr bald wieder aufnehmen soll. Auch hier erhofft man sich Ergebnisse, die den Grundstein für eine neue, umfassendere Theorie der Physik legen werden.

Dabei sind die meisten Teilchenphysiker jedoch noch ein wenig vorsichtig, waren sie doch schon einige Male an Punkten wie diesem, nur um enttäuscht zu werden, da das Standardmodell zuletzt doch alles erklären konnte. Aber insgeheim hoffen wir alle, also auch Nicht-Teilchenphysiker oder gar Nicht-Physiker, dass es wirklich so weit ist, dass dieses furchtbar unelegante Standardteilchenmodell  überschritten werden kann und wir nun endlich neue Physik erklären können, was uns vielleicht sogar auf eine umfassend erweiterte Theorie bringt. Doch ob dafür weniger als 0.1% Veränderungen in den Messwerten der Teilchenphysik ausreichen, muss zunächst  offenbleiben. Doch erinnern wir uns: Die erste Vorhersage der Einstein’schen Allgemeinen Relativitätstheorie war auch nicht besonders gross: Unter dem Einfluss der Sonne verändert sich der Winkel der an der Sonne vorbeigehenden Strahlen anderer Sterne um acht Bogensekunden, also in etwa ein Fünfhundertstel eines einzigen Grades (genauer 1/450). Dies hat Einstein von heute auf morgen die Krone der Physik gebracht.

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www.larsjaeger.ch

Jahrgang 1969 habe ich in den 1990er Jahren Physik und Philosophie an der Universität Bonn und der École Polytechnique in Paris studiert, bevor ich am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden im Bereich theoretischer Physik promoviert und dort auch im Rahmen von Post-Doc-Studien weiter auf dem Gebiet der nichtlinearen Dynamik geforscht habe. Vorher hatte ich auch auf dem Gebiet der Quantenfeldtheorien und Teilchenphysik gearbeitet. Unterdessen lebe ich seit nahezu 20 Jahren in der Schweiz. Seit zahlreichen Jahren beschäftigte ich mich mit Grenzfragen der modernen (sowie historischen) Wissenschaften. In meinen Büchern, Blogs und Artikeln konzentriere ich mich auf die Themen Naturwissenschaft, Philosophie und Spiritualität, insbesondere auf die Geschichte der Naturwissenschaft, ihrem Verhältnis zu spirituellen Traditionen und ihrem Einfluss auf die moderne Gesellschaft. In der Vergangenheit habe ich zudem zu Investment-Themen (Alternative Investments) geschrieben. Meine beiden Bücher „Naturwissenschaft: Eine Biographie“ und „Wissenschaft und Spiritualität“ erschienen im Springer Spektrum Verlag 2015 und 2016. Meinen Blog führe ich seit 2014 auch unter www.larsjaeger.ch.

13 Kommentare

  1. Ja, einerseits sind sich fast alle Teilchenphysiker einig, dass das Standardmodell nicht vollständig ist, denn es kann nicht alle beobachteten Phänomene erklären, andererseits gibt es aber auch keine Messungen mit Resultaten, die sehr stark von den Vorhersagen des Standardmodells abweichen.
    Die kleinen Abweichungen, die man findet, wie etwa die um 0.1% zu grosse Masse des W-Bosons, könnten aber durchaus indirekte Effekte einer neuen Physik sein, einer neuen Physik, deren Teilchen in einem weit höheren Energiebereich liegen, als Maschinen recht irdischer Dimensionen, wie es der LHC ist, heute direkt nachweisen können. Sollte sich die Massenanomalie des W-Bosons bestätigen, stellt sich aber sofort die Frage, was man aus dieser Anomalie macht und ob man eventuell mit einem 10 bis 100 Mal so grossen LHC-Nachfolger weiterkommen würde.

    Eines lässt sich schon jetzt mit ziemlicher Sicherheit sagen: die Teilchenphysik wird auch in 50 Jahren nicht vollständig und abgeschlossen sein und niemand wird in 50 Jahren sagen: CASE CLOSED und damit meinen, es gäbe jetzt eigentlich nichts mehr zu tun.

  2. Ich habe da mal eine Frage …

    Soweit ich weiß, gehen wir davon aus, dass eine Masse den Raum “krümmt” und die Raumzeit verändert.

    Wenn wir dann solche Verzerrungen feststellen und keine passende Masse dazu auffinden, schließen wir ja deswegen auf die Existenz von dunkler Materie, die solche Verzerrungen hervor bringe.

    Könnte es auch sein, dass es “nackte” Raumverzerrungen ( “Krümmungen” ) gibt, ganz ohne Materie?

    Dann wäre es kein Wunder, wenn wir keine ( noch so dunkle ) Materie finden.

    • @Karl Meier (Zitat): „ Könnte es auch sein, dass es “nackte” Raumverzerrungen ( “Krümmungen” ) gibt, ganz ohne Materie?„
      Jein, gemäss Einstein wird das Gravitationsfeld durch die Energiedichte bestimmt und das schliesst Materie (über E=mc^2) und andere Energieformen mit ein.

      „nackte“ Raumverzerrungen ohne zugrundeliegende Energieverteilung aber kennt die Physik nicht, denn es ist kein Mechanismus bekannt wie das zustande kommen könnte. Zudem gibt es keine „Daten“ dazu, womit es der physikalischen Untersuchung nicht zugänglich ist.

  3. Danke für diesen interessanten Artikel. Nur eine Frage habe ich: Wenn es diese Zahl von Parametern (17) gibt, wäre es dann eventuell nicht möglich, an einigen oder allen Parameter “zu drehen”, um auch diese andere Masse des W-Bosons zu erhalten?

    Gruß
    Rudi Knoth

  4. @Hauptartikel

    “So liess sich in den letzten fünf Jahrzehnten diesem uneleganten Teilchenmodell nichts hinzufügen. Auch folgen die Werte zahlreicher wichtiger Parameter (insgesamt 17) nicht aus dem Modell, sondern müssen experimentell bestimmt werden, was im Detail die Arbeit von zwei ganze Generationen von Teilchenphysikern war.”

    Was sucht man denn hier vergeblich? Wenn die Wirklichkeit eher wie ein Computerspiel aufgebaut ist, dann wäre schon klar, dass diese 17 Parameter eben speziell so eingestellt sind, dass Atome, Sterne, Planeten, Leben und Bewusstsein möglich und wohl auch verbreitet ist.

    Die dazwischen liegende Systematik von “(eben die SU(3) x SU(2) x U(1) – Gruppe)” wären die Grundstruktur dieses Wirklichkeitsspiels im Kleinen, und im Großen völlig unabhängig davon die Gravitationstheorie.

    Was fehlt denn hier überhaupt? Offenbar ist eine konsistente Lösung für alles im Kosmos in einer Formel unmöglich. Es gibt viel Konsistenz, aber eben doch auch eine fast willkürliche Konstruktion, mit dem offensichtlichem Ziel von Leben und Bewusstsein auf möglichst vielen geeigneten Planeten.

    Hierbei könnte auch die Gravitationssystematik und die kosmische Grundkonstruktion noch Überraschungen bereithalten. Was wenn nicht nur eine Variabilität der Gravitationskräfte bei Entfernungen größer als 1000 Lichtjahre vorhanden ist, sondern Gravitation auf diesen Skalen individuell verschieden sein kann. Und so ein gezielter Einfluss auf die Galaxien- und Sternentwicklung möglich wird. Das würde ja zu einem Computerspiel-Kosmos gut passen, neben den speziellen Werten dieser 17 Parameter.

    • @Tobias Jeckenburger (Zitat): „ Was fehlt denn hier überhaupt?„

      Es fehlen Teilchen, welche die beobachtete dunkle Materie erklären und es fehlt eine Erklärung der dunklen Energie (beschleunigte Expansion des Universums).

      Es fehlt eine Quantengravitation und wenn man an die Stringtheorie glaubt, fehlen die supersymmetrischen Teilchen, denn ohne die ergeben sich in der Stringtheorie keine realistischen Universen.

  5. Mich würde interessieren, wieviel % der Forschungsgelder in die Teilchenphysik fließen. Ist die denn wirklich so wichtig ?
    Es gäbe doch genug Alternativen. Im Augenblick ist man auf der Suche nach Akkus mit einem viel höheren Wirkungsgrad.der Physik sollte viel mehr im Dienste der Technik stehen.

  6. Lars Jaeger schrieb (17. Apr 2022):
    > […] durch Steven Weinberg, Sheldon Glashow und Abdus Salam gelungene Integration der Quantenfeldtheorie der schwachen Kernkraft und die Quantenelektrodynamik als zwei verschiedene Seiten einer einzigen Theorie, die die Physiker heute „Theorie der elektroschwachen Kraft“ nennen.

    > […] zusammen mit der Theorie der […] starken Kernkraft

    … (insbesondere verbunden mit Nobelpreisträgern Murray Gell-Mann, David Gross, David Politzer, Frank Wilczek) …

    > Die gesamte Teilchenphysik ist heute durch diese Theorie[n …] charakterisiert.

    … (womit gewiss auch weitergehende Theorie-Beiträge inbegriffen sind; namentlich von Peter Higgs).

    > […] die Werte zahlreicher wichtiger Parameter (insgesamt 17)

    … anderswo ist auch von “19 freien Parametern” der o.g. Gesamt-Theorie die Rede …

    > [folgen] nicht aus dem Modell, sondern müssen experimentell bestimmt werden

    Die Werte der (als Messgrößen definierten) “freien Parameter” der Theorie folgen nicht aus der Theorie, d.h. nicht aus der Definition des betreffenden Messoperators, sondern können bzw. müssen (jeweils durch Anwendung dieses Messoperators, auf gegebene Beobachtungsdaten) erst ermittelt werden.

    Aber das gegenwärtig bekannte Standardmodell (der o.g. Gesamt-Theorie, bzw. der gesamten Teilchenphysik) besteht insbesondere aus den bislang experimentell bestimmten Werten (bzw. Vertrauensbereichen) dieser Parameter (sowie von allen weiteren Messgrößen, die sich dadurch ausdrücken lassen);
    verbunden mit der Erwartung/Vorhersage, dass auch alle weiteren diesbezüglichen (gültigen) Befunde damit konsistent sein werden
    (und somit ggf. zu einer weiteren Präzisierung des Standardmodells beitragen würden).

    Insofern folgen diese Werte, soweit schon ermittelt, doch aus dem Standardmodell.

    > […] So hören wir bereits seit ca. einem Jahr von Messwerten bestimmter Teilchen, die vom Standardmodell abweichen,

    (Um dieses kurze Zitat recht zu verstehen: Es handelt sich um Messwerte betreffend Teilchen, deren Eigenschaften sich ansonsten weitgehend im Standardmodell beschreiben lassen und die also zum Standardmodell gehören.)

    Die Feststellung, dass bestimmte Messwerte (bestimmter im Rahmen der o.g. Theorie definierter Messgrößen) mehr oder weniger deutlich vom bereits bekannten Standardmodell-Wert bzw. -Vertrauensbereich abweichen,
    setzt ja offensichtlich voraus, dass das Standardmodell bestimmte Werte oder bzw. Vertrauensbereiche dieser Größen beinhaltet.

    > […] etwas massereicher zu sein scheint als in den Theorien vorhergesagt.

    Eine bestimmte Vorhersage des Wertes eines “freien Parameters” einer Theorie kann nicht aus dieser Theorie kommen,
    sondern kommt aus einem Modell; insbesondere dem betreffenden Standardmodell.
    (Wobei Modelle auch Werte von Messgrößen zusammenfassen können, die voneinander unabhängig in separaten Theorien definiert sind.)

    Die Definition einer bestimmten Messgröße, z.B. wie “Teilchenmasse” im Prinzip zu ermitteln ist (und welche Zusammenhänge mit weiteren Messgrößen sich deshalb als Theoreme herleiten lassen), beinhaltet zwar, dass ein (in einem “gültigen” Versuch ermittelter) “gültiger” Wert zwangsläufig im definierten Wertebereich (des betreffenden Messoperators) liegt; aber keinerlei Vorhersage oder Erwartung darüber hinaus.

    p.s.
    > […] Vorhersage der Einstein’schen Allgemeinen Relativitätstheorie […]: Unter dem Einfluss der Sonne verändert sich der Winkel der an der Sonne vorbeigehenden Strahlen anderer Sterne um acht Bogensekunden

    Das ist (offensichtlich) keine Vorhersage der Einstein’schen Allgemeinen Relativitätstheorie an sich (die u.a. beinhaltet, wie “Krümmungs”-Werte zu messen sind, und wie “Winkel”-Werte insbesondere auch in gekrümmten Regionen zu messen sind, und die wie die betreffenden Werte deshalb zusammenhängen);
    sondern eine Vorhersage eines (Standard-)Modells der Sonne (einschl. ihrer näheren Umgebung) anhand bestimmter, ggf. experimentell bestimmter “Krümmungs”-Werte.

  7. https://scilogs.spektrum.de/beobachtungen-der-wissenschaft/einer……….physik-nobelpreistraeger-auf-dem-gebiet-der-theoretischen-=40947&moderation-

    Zitat:

    Dieser Urteil basiert auf die absolut unbestreitbare Tatsache, dass W und Z Bosonen (Spin 1 Teilchen mit Masse) REINE Hirngespinste und in der physikalischen Welt nicht existent, weil kein Spin 1 Teilchen eine Masse haben kann.

    Weinberg und andere sind dafür verantwortlich, dass Millionen und Milliarden Stunden geistige Arbeit von Millionen Studenten und Professoren verschwendet wurde.

    Herr Jaeger

    Wie oft soll ich denn sagen?

    Ein Teilchen mit Spin 1 kann keine Masse haben.
    Ein Spin 1 Teilchen mit Masse ist reiner Hirngespinst.

    Was sagen Sie oder die Physiker, die Sie kennen, dazu?

    PS: Ich will mit ihnen Sprechen. Warum Sprechen Sie über Physik? Warum?
    Diese Frage hatte ich schon Mal gestellt. Beantworten Sie bitte die Frage.

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