GUTs

Die Wechselwirkungen, die wir um uns herum beobachten, können mit nur vier Kräften beschrieben werden, die jede für sich auch ganz gut verstanden wird. Den Physikern genügt das allerdings nicht, sie gehen davon aus, dass sich die vier Kräfte bei genügend hohen Energien vereinigen und dass eine gemeinsame Beschreibung dieser vereinigten Kräfte, das Verständnis für das Universum enorm erhöhen würde. Dabei haben Sie vor allem den Urknall im Hinterkopf, bei dem die Energiedichte so hoch gewesen sein dürfte, dass tatsächlich alle Kräfte vereinigt waren.

1831 machte Michael Faraday die ersten Schritte in Richtung dieser vereinheitlichten Theorie, als er zeigte, dass Magnetismus und elektrische Ströme sich gegenseitig beeinflussen, indem bewegte Ladungen ein Magnetfeld erzeugen und veränderliche Magnetfelder einen elektrischen Strom induzieren können. Daraus entwickelte sich die Theorie des Elektromagnetismus, welche James Clerk Maxwell 1864 der Royal Society präsentierte. Für quantenmechanische Prozesse traf diese Beschreibung noch nicht zu, aber mit der Quantenelektrodynamik (QED) wurde 1940 von Feynman, Schwinger and Tomonaga veröffentlicht, die dafür 1965 den Nobelpreis für Physik erhielten.

Und auch Albert Einstein verwendete die letzten dreißig Jahre seines Lebens mit dem, leider vergeblichen Versuch, eine einheitliche Theorie zu formulieren, mit der sich Elektromagnetismus, Gravitation und Raum beschreiben lassen. Mit diesem Vorstoß ging Einstein jedoch noch einen Schritt weiter, als die Wissenschafter, die heute nach einer großen vereinheitlichten Theorie suchen, denn dabei geht es nur um eine Verbindung von Elektromagnetischer, Schwacher und Starker Kernkraft, wobei die Gravitation och außen vor bleibt.

Man spricht hier von der Grand Unified Theory (GUT) - der großen Vereinigten Theorie, oder auch von einer Vereinheitlichten Feldtheorie - denn mit jeder Kraft ist ein Kraftfeld assoziiert, das die Wirkung vermittelt.

Es ist aber nicht nur die Ästhetik einer einheitlichen Beschreibung, welche die Wissenschaftler nach der GUT suchen lässt, man verspricht sich von ihr durchaus konkrete Antworten auf einige ungelöste Fragen in der Physik, wie zum Beispiel die Gleichheit von träger und schwerer Masse, welche zwar experimentell gut belegt ist, aber im theoretischen Verständnis nicht mehr als eine funktionierende Annahme darstellt.

In Hinsicht auf die Schönheit der Theorie versteht der Wissenschaftler natürlich etwas anderes, als meinetwegen der Blumenfreund, den Physiker gefällt vor allem nicht, das bei der Beschreibung der Kräfte und ihrer Wechselwirkungen noch so viele Parameter nur experimentell bestimmt werden können und nicht durch die Theorie vorhergesagt werden oder sich zumindest auch noch fundamentaleren Konstanten herleiten lassen. Im Augenblick hat jede Kraft eine eigene Kopplungskonstante, das ist bei der Gravitation, die Gravitationskonstante G (nicht zu verwechseln mit der Erdbeschleunigung g) oder etwa 1/137, die Kopplungskonstante der elektromagnetischen Wechselwirkung- auch Feinstrukturkonstante genannt. Das ist sehr unbefriedigend.

Deshalb versucht man, die Kräfte in Form einer Symmetriegruppe zu verbinden (Symmetrie ist hier wie die Gleichförmigkeit in einem Kristallgitter zu verstehen, dass sich ja auch in jede Richtung wiederholt), die dann zwar 24 Dimensionen haben kann, aber bei einer Energie von 1014 GeV dazu führt, dass sich alle Kräfte zu einer gemeinsamen Wechselwirkung vereinen, wie das bei der elektromagnetischen Kraft bereits bei alltäglichen Energien der Fall ist. Bei einer so hohen Energie würden dann auch Quarks (die Bausteine, aus denen sich Neutonen und Protonen zusammensetzen) und den Leptonen (zu den die Elektronen gehören) zu einer Gruppe gehören und die Unterschiede zwischen diesen Teilchen würden verloren gehen.

Allerdings würden bei dieser Vereinigungsenergie auch neue Teilchen entstehen, die wieder zu ganz anderen Problemen führen, denn die Anzahl der Teilchen in einem System müsste dann nicht erhalten bleiben. Konkret hieße das, das Protonen zerfallen können. Diese nicht mehr verschwindende Wahrscheinlichkeit für den Zerfall einen Protons, müsste sich auch bei geringeren Energien messen lassen, allerdings konnte ein solcher Zerfall auch in den größten bisher durchgeführten Experimenten (z. B. bei Super-Kamiokande, das inzwischen seit 1996 nicht nur Neutrinos registriert, sondern auch einen Protonenzerfall nachweisen könnte) nicht nachgewiesen werden. Außerdem gäbe es mit dieser supersymmetrischen Version der Grand Unified Theorie wahrscheinlich auch neue Partner des postulierten Higgs-Teilchens, welches man für die Masse verantwortlich macht, mit der Konsequenz, dass der Protonenzerfall so schnell ablaufen müsste, dass er deutlich innerhalb der Nachweisgrenze heutiger Experimente läge.

Aber bisher ist das Higgs-Teilchen noch nicht einmal entdeckt worden und zusätzlich deuten Neutrinooszillationen darauf hin, dass das Standardmodel, von dem die Wissenschaftler derzeit ausgehen, womöglich selbst noch unvollständig ist. Man versucht diese Schwierigkeiten in der GUT zu umgehen, indem man beispielsweise Superpartner für jede bekannte Teilchensorte postuliert, aber vielleicht muss man sich auch von der Idee einer supersymmetrischen Theorie verabschieden. Zweifellos liegt da noch viel Arbeit bei den Physikern, bevor eine einheitliche Theorie für die Elektromagnetische, Schwache und Starke Wechselwirkung gefunden wird und dann bleibt immer noch die Schwierigkeit die Gravitation ebenfalls in diesen Modell einzupassen und eine Theory of Everything (TOS - Eine Allumfassende Theorie) zu entwickeln.


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