Physik

5.2.

4

Kernphysik

Neben der Atomphysik wandte man sich in den dreißiger Jahren verstärkt der Quantentheorie der Atomkerne zu: der Kernphysik.

Der Begriff „Proton” für den Atomkern des Wasserstoffes wurde 1920 von Rutherford geprägt, der auch bald die Anwesenheit von neutralen Partnern, den „Neutronen”, in den Atomkernen vermutete. Das Neutron konnte 1932 von Sir James Chadwick (1891-1974) experimentell nachgewiesen werden.

Allmählich begann man die Möglichkeit einer Umwandlung der chemischen Elemente durch Zerfall der Atomkerne ins Auge zu fassen. Lange Zeit unverstanden war die kontinuierliche Verteilung der Energien der in der β-Strahlung auftretenden Elektronen, weil Kerne mit wohl definierter Energie ähnlich wie Atome ein diskretes Spektrum besitzen sollten. Dies schien dem Energieerhaltungssatz zu widersprechen, dessen Gültigkeit Bohr auch in Frage stellte. Enrico Fermi (1901-1954) postulierte Anfang der dreißiger Jahre (ähnlich auch schon Pauli 1927) die Existenz eines neuen Teilchens, das beim Zerfall des Neutrons entstehen sollte, um die Erhaltungssätze zu retten, und man nannte dieses hypothetische Teilchen „Neutrino” (italienisch: kleines Neutron). Das Neutrino wurde erst 1955 unter großem experimentellem Aufwand von Frederick Reines (1918-1998) und George Cowan (*1920) nachgewiesen. Fermis Theorie des β-Zerfalls verwendet den Begriff „schwache Wechselwirkung”, um die relative Schwäche dieser neuen Kraft im Vergleich zum Elektromagnetismus anzudeuten.

Ein zentrales Problem der Kernphysik bestand darin, den Zusammenhalt der sich wechselseitig elektrostatisch abstoßenden positiv geladenen Protonen auf engstem Raum zu erklären. Von Edward Condon (1902-1974) und George Gamow (1909-1968) wurde dazu die Existenz einer Kernkraft mit kurzer Reichweite postuliert. Mit der Entdeckung des Tunneleffekts (1928) konnten sie dann auch die Energieverteilung der a-Strahlung besser begründen. Die allgemeine Theorie der Kernkräfte wurde von Hideki Yukawa (1907-1981) gegeben, nach welcher der Austausch von massiven Teilchen, heute Mesonen genannt, die Kernkraft vermittelt, ähnlich wie die masselosen Photonen für die langreichweitigen elektromagnetischen Kräfte verantwortlich gemacht werden.

Auf der Suche nach diesen Mesonen entdeckten Carl David Anderson (1905-1991) und Seth Henry Neddermeyer (*1907) 1937 ein neues Teilchen in der kosmischen Strahlung, das sich allerdings als schwerer Partner des Elektrons herausstellte und heute Myon genannt wird. Der dritte, viel später entdeckte und noch schwerere Bruder des Elektrons heißt Tauon. Die „richtigen” Mesonen, genannt p ±-Mesonen, wurden erst 1947 von Césare Lattes (*1924), Giuseppe Occhiallini (*1907) und Cecil Powell (1903-1969) gefunden.

Dem Ehepaar Curie gelang es 1933/34, den ersten künstlichen radioaktiven Atomkern zu erzeugen. Enrico Fermi gelang es, durch Neutronenbeschuss schwerere Elemente als Uran, so genannte Transurane, herzustellen. Otto Hahn (1879-1968), Fritz Strassmann (1902-1980), Lise Meitner (1902-1980) und Otto Frisch (1904-1979) stellten bei ähnlichen Versuchen unerwarteterweise fest, dass es ihnen offenbar gelungen war, durch Neutronenbeschuss Urankerne zu spalten.

Es wurde bald klar, dass bei der Uranspaltung weitere Neutronen – im Mittel 2,5 pro Spaltung – entstehen. Die Möglichkeit einer Kettenreaktion mit enormer Energiefreisetzung lag zu Beginn des 2. Weltkrieges damit bereits auf der Hand. Mit einem ungeheuren Aufwand gelang es einer Gruppe der besten Physiker, die während des 2. Weltkrieges in den USA arbeiteten, unter Leitung von Robert Oppenheimer (1904-1967) in Los Alamos die Atombombe zu entwickeln, die dann auch in Hiroshima und Nagasaki 1945 eingesetzt wurde. Das deutsche Atombombenprojekt unter der Leitung von Heisenberg kam aus verschiedenen Gründen über die Anfänge nicht hinaus.

Hans Albrecht Bethe (*1906) beschäftigte sich insbesondere mit der Energieerzeugung in Sternen und zeigte, dass die Strahlungsenergie der Sonnen hauptsächlich aus einer Kernverschmelzung (Kernfusion) von Wasserstoff zu Helium stammt. Dieses Prinzip ist die Grundlage der Wasserstoffbombe, deren Entwicklung insbesondere von Edward Teller (*1908) vorangetrieben wurde. Die zur Zündung notwendige Energie stammt dabei von einer Atombombe. Die friedliche Nutzung in Form eines Fusionsreaktors wird bisher durch die technischen Probleme verhindert, den Brennstoff lange genug bei genügend großer Temperatur (ca. 100 Millionen °C) und hinreichender Dichte zu zünden und von den Wänden des Behälters fernzuhalten. Allerdings entstünden auch in Fusionsreaktoren radioaktive Abfälle.

5.2.

5

Quantenfeldtheorie und Elementarteilchenphysik

Paul Adrian Dirac (1902-1984), Werner Heisenberg, Pascual Jordan (1902-1980), Wolfgang Pauli, Wladimir Aleksandrowitsch Fock (1898-1975) und Victor F. Weisskopf (*1908) entwickelten Ende der zwanziger Jahre durch Anwendung der quantenmechanischen Prinzipien auch auf das elektromagnetische Feld die „Quantenfeldtheorie”. Dirac gelang es, eine relativistische Gleichung für das Elektron aufzustellen. Er fand Lösungen dieser „Dirac-Gleichung” auch mit negativer Energie und deutete diese als Antiteilchen der Elektronen, mit gleicher Masse, aber positiver Ladung. Dieses „Positron” wurde tatsächlich 1932 von Carl David Anderson (1905-1991) experimentell nachgewiesen. Heute geht man davon aus, dass es zu allen Elementarteilchen zugehörige Antiteilchen gibt. (Es konnte mittlerweile sogar ein „Anti-Wasserstoffatom” hergestellt werden.)

Die Quantenfeldtheorie wurde von Richard Phillips Feynman (1918-1988), Shin-Ichiro Tomonaga (1906-1979) und Julian Schwinger (1918-1994) weiterentwickelt. Insbesondere wurde der Umgang mit den häufig in Rechnungen auftretenden unendlich großen Ausdrücken mit der Renormierungstheorie geregelt. Die Quantenelektrodynamik, welche die Wechselwirkung von Elektronen mit Licht beschreibt, kam zu einer glänzenden Bestätigung: Der aus der Theorie berechnete Wert des magnetischen Moments des Elektrons stimmt auf mehr als zehn Dezimalstellen genau mit dem Experiment überein. Aus der Quantenelektrodynamik entwickelte sich die Quantenoptik und insbesondere die Laserphysik, die in den fünfziger und sechziger Jahren u. a. von Charles Townes (*1915) begründet wurde.

Die in immer größerer Zahl gefundenen „Elementarteilchen” (Hyperonen, Kaonen etc.) bestärkten bei manchen die Vermutung, dass auch Protonen und Neutronen aus kleineren Bestandteilen zusammengesetzt sein müssten. Diese Teilchen wurden von Murray Gell-Mann (*1929) 1964 „Quarks” getauft. Es gibt davon drei Familien (up und down, charm und strange, top und bottom), deren Mitglieder jeweils (minus) ein Drittel bzw. (plus) zwei Drittel der Ladung eines Elektrons besitzen. Sie wirken gegenseitig über den Austausch von bestimmten „Klebeteilchen”, den Gluonen. Man bezeichnet diese Art von Kraft als „starke Wechselwirkung”. Neutronen und Protonen bestehen aus drei, Mesonen aus je einem Quark und einem Anti-Quark. Die Kernkräfte Yukawas erscheinen damit als Resteffekte der starken Wechselwirkung und werden mit Mesonenwolken in Zusammenhang gebracht, die die Neutronen und Protonen umgeben.

1956 wurde von Tsung-Dao Lee (*1926) und Cheng Ning Yang (*1922) vorgeschlagen, dass beim β-Zerfall das zuvor für unantastbar gehaltene meta-physikalische Prinzip der „Paritätserhaltung” verletzt ist, nach dem zu jedem physikalischen Prozess auch sein Spiegelbild möglich sein sollte (siehe hierzu auch Parität). Diese „Paritätsverletzung” wurde ein Jahr später von Chieng-Shiung Wu (*1912) experimentell bestätigt, die eine deutliche Vorzugsrichtung bei der Emission von Elektronen eines β-Strahlers in einem starken Magnetfeld beobachten konnte. Die Theorie des β-Zerfalls der Kerne wurde von Abdus Salam (1926-1996), Lee Sheldon Glashow (*1926) und Steven Weinberg (*1933) mit der elektromagnetischen Wechselwirkung zur „elektroschwachen Wechselwirkung” vereinheitlicht. Die von der Theorie vorhergesagten neuen Kraftteilchen (Eichbosonen), die massiven W pm-Bosonen und das elektrisch neutrale Z 0-Boson, konnten an einem der Teilchenbeschleuniger am europäischen Kernforschungszentrum CERN 1984 gefunden werden (Carlo Rubbia, *1934). Viele der heutigen Teilchenbeschleuniger (z. B. LEP und HERA) sind gigantisch vergrößerte Weiterentwicklungen des von Ernest Orlando Lawrence (1901-1958) 1930 entwickelten Zyklotrons, in dem geladene Teilchen auf vielen kreisförmigen Umläufen auf große Energien beschleunigt werden. Das so genannte Higgs-Boson, das gemäß dem Prinzip der „Eichinvarianz” für die Masse der Elementarteilchen verantwortlich gemacht wird, entzieht sich jedoch bisher hartnäckig dem experimentellen Nachweis.

Die Kombination der oben beschriebenen Theorien der elektroschwachen Wechselwirkung und der starken Wechselwirkung bezeichnet man auch als „Standardmodell” der Elementarteilchenphysik.

Dieses Standardmodell wird allgemein als ästhetisch unbefriedigend empfunden, da die starke und die elektroschwache Wechselwirkung nicht in einheitlicher Form erscheinen und die Gravitationswechselwirkung nur in klassischer Form auftaucht. So sucht man intensiv nach Abweichungen vom Standardmodell, die in eine neue Richtung weisen könnten.

Ein viel diskutierter, aber experimentell noch nicht bestätigter Ansatz ist die Supersymmetrie, die zu jedem Teilchen ein supersymmetrisches Partnerteilchen fordert. Theorien, die die starke und die schwache Wechselwirkung zu vereinen versuchen, bezeichnet man als „GUTs” (Grand Unified Theories). Die von solchen Theorien vorhergesagten Effekte (z. B. der Zerfall des sonst stabilen Protons) konnten noch nicht beobachtet werden. Ein anderer Ansatz sind die Stringtheorien, in denen alle Punktteilchen durch Schwingungszustände sehr kurzer „Fäden” ersetzt werden. Aus dieser Theorie, die auch als Kandidat einer Vereinheitlichung mit der allgemeinen Relativitätstheorie gehandelt wird, ergaben sich jedoch bisher keine experimentell zugänglichen Voraussagen.

5.2.

6

Kondensierte Materie

Angefangen von quantentheoretischen Berechnungen der Wärmekapazität von Kristallen von Einstein und Peter Joseph Debye (1884-1966), wurden die Gesetze der Quantenmechanik konsequent auch auf feste Körper und Flüssigkeiten angewendet. Dabei gelangte man zu einem tieferen Verständnis des Phänomens der Phasenübergänge (z. B. Gefrieren von Wasser zu Eis) und allgemein der Selbstorganisation von Systemen vieler Teilchen. Bedeutende Entdeckungen waren die der Superfluidität, d. h. der reibungslosen Strömung extrem gekühlter (ca. 4 K) Flüssigkeiten, sowie der Supraleitung, d. h. der verlustfreien elektrischen Leitung von Elektronen besonders kalter Festkörper. Die Supraleitung wurde von Heike Kammerlingh Onnes entdeckt, dem zuvor auch die Verflüssigung von Helium gelungen war. John Bardeen (1908-1991), Leon Cooper (*1930) und John Robert Schrieffer (*1931) stellten dann eine Theorie der Supraleitung auf. Als Höhepunkt dieser Entwicklung kann die Entdeckung der „Hochtemperatursupraleitung” gelten, die teilweise sogar bereits bei der Temperatur flüssigen Stickstoffes (bei manchen Substanzen bei über 100 K) einsetzt, was lange Zeit als theoretisch ausgeschlossen betrachtet wurde. Für die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung erhielten Georg Bednorz (*1950) und Karl Müller (*1927) 1987 gemeinsam den Nobelpreis für Physik. Von enormer Tragweite erwies sich die Entwicklung des Bändermodells für die elektrische Leitung, u. a. als Startpunkt für das riesige Gebiet der Halbleiterphysik – Entwicklung des Transistors von Bardeen, Walter Brattain (1902-1987), William Bradford Shockley (*1910).

5.3

Kosmologie und Astrophysik

Die Kosmologie beschäftigt sich mit dem ältesten aller physikalischen Probleme, das schon das Denken der griechischen Antike bewegte: der Entstehung und Entwicklung unseres Universums. In keine andere Disziplin gehen so viele verschiede Zweige der Physik ein, insbesondere eine Kombination von Quantentheorie, allgemeiner Relativitätstheorie und Thermodynamik.

Der theoretische Rahmen der modernen Vorstellung von der Entstehung unseres Weltalls fußt auf der Einstein’schen allgemeinen Relativitätstheorie. Man nimmt an, dass das Universum vor etwa zehn bis 17 Milliarden Jahren in einem Urknall, dem „Big Bang”, entstanden ist. 1929 wurde die Rotverschiebung der Spektrallinien im Licht weit entfernter Sterne von Edwin Powell Hubble (1898-1953) gemessen. Dies wird dadurch erklärt, dass sich Galaxien umso schneller von uns wegbewegen, je weiter sie entfernt sind. Interpoliert man diese Bewegungen in der Zeit zurück, kann man den Zeitpunkt der anfänglichen gigantischen Explosion abschätzen. 1965 entdeckten die Radioastronomen Arno Allen Penzias (*1933) und Robert Woodrow Wilson (*1936) eine sehr homogene Temperaturstrahlung von etwa 2,7 Kelvin im Hintergrund des Sternenhimmels, die man als Echo dieses Urknalls deutete.

Die Theorien der Stern- und Galaxienentstehung (Subrahmanyan Chandrasekhar [1910-1995], Hans Bethe und viele andere) sowie der Quasare und Pulsare entwickelten sich zusammen mit den enorm gesteigerten Beobachtungsmöglichkeiten durch Teleskope, die teilweise im Weltraum stationiert sind – z. B. das Hubble-Weltraumteleskop oder verschiedene Forschungssatelliten, wie z. B. ROSAT(1990-1999). Man hat einige Objekte studiert, die als sichere Kandidaten für die theoretisch vorhergesagten „Schwarzen Löcher” gelten. Schwarze Löcher entstehen gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie aus dem „Gravitationskollaps” von Sternen, die eine bestimmte Masse in der Größenordnung von mehreren Sonnenmassen überschreiten. Ihre Gravitation ist so stark, dass selbst Lichtstrahlen nicht von ihrer Oberfläche entweichen können.

Die Frage, ob unser Weltall „offen” oder „geschlossen” ist, d. h. ob es auf Ewigkeit expandieren wird oder ob es in einem „Big Crunch” sein Ende findet, wird mit Spannung untersucht. Noch deuten die Beobachtungen darauf hin, dass die Materiedichte nicht ausreicht, um das Weltall zu schließen. Eine experimentelle Stützung der Hypothese der „dunklen Materie” (dark matter), welche die Diskrepanz zwischen beobachteter Expansionsgeschwindigkeit und sichtbarer Materieverteilung erklären würde, könnte dies ändern. Große Hoffnungen werden zurzeit in das Modell des „inflationären Universums” gesteckt, in dem man von einer enorm schnellen Ausdehnung des Universums in den ersten 10^-35 Sekunden nach dem Urknall ausgeht.

Es ist nicht verwunderlich, dass bei einer solchen Extrapolation der Theoriengebäude wie bei der Kosmologie auch deren Grundlagen auf eine harte Probe gestellt werden. Insbesondere erscheint es notwendig, die Quantentheorie auf das Universum als Ganzes anzuwenden. Dies erweist sich als sehr problematisch, denn die Quantentheorie erlaubt in ihrer Standardform nur Wahrscheinlichkeitsaussagen über das Ergebnis von Messungen. In diesem Zusammenhang ist es zu verstehen, dass nun auch die Vollständigkeit der Quantenmechanik wieder verstärkt in Zweifel gezogen wird.

6

Anwendungen

Die Anwendungen und Auswirkungen der physikalischen Forschung sind so vielfältig, dass nahezu jeder Aspekt der technischen Welt dazugerechnet werden kann.

Die Anwendungen der Hebeltechnik (Flaschenzug, Schleudermaschinen, hydraulische Pressen und Hebewerke) waren schon den Griechen bekannt. Dampfmaschine, Kühlverfahren und Elektromotoren trugen wesentlich zu einer Umwandlung der vorindustriellen Gesellschaft bei. Unter neueren Entwicklungen von herausragender Bedeutung sind zu nennen: der Telegraph von Guglielmo Marconi (1874-1937), die Kathodenstrahlröhre von Karl Ferdinand Braun (1850-1918), die Verstärkerröhre als Grundlage von Telekommunikation, Radio und Fernsehen. Eine Revolution in vielen Bereichen bedeutete die Entwicklung der auf der Halbleitertechnologie basierenden Computer und des Lasers. Besonders hervorzuheben ist die Entwicklung der Holographie von Denis Gabor (1900-1979).

Die Energieversorgung mancher Länder beruht zum überwiegenden Teil auf Kernreaktoren. Die Nutzung der Energie aus Fusionsreaktoren (Tokamak-Reaktor, Stellarator, Trägheitseinschluss) wird zwar mit großem Aufwand angestrebt, scheint aber noch weit von einer Anwendung entfernt zu sein. Im Bereich der regenerativen Energie wird in den Ausbau der Solartechnik (Aufwindkraftwerke, Solarzellen, Parabolrinnenanlagen) große Hoffnung gelegt.

In der Medizin spielen physikalische Verfahren für Diagnostik und Therapie eine wachsende Rolle (Röntgendiagnostik, Computer- und Kernspintomographie, Laseroperationen, Bestrahlung).

Die Bionik ist eine relativ neue Disziplin, die sich mit der physikalischen Realisierung von biologischen Konstruktions- und Funktionsprinzipien beschäftigt. Hervorzuheben sind die Entwicklung von neuronalen Netzwerken, mit der die Funktionsweise des Gehirns auf Computern nachgeahmt werden soll, der Versuch der Anwendung des Prinzips der Photosynthese zur Wasserspaltung (Wasserstofftechnologie) sowie die Entwicklung von Biosensoren, die für die Umwelttechnik eine bedeutende Rolle spielen.

Die Waffentechnik profitiert oft als erste von neuen Entwicklungen (Radaraufklärung, Atombombe, Wasserstoffbombe, SDI, Global Positioning System GPS), nicht zuletzt, da der Forschung aus diesem Bereich die größten Geldmittel zur Verfügung stehen.