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Was ist das Standardmodell in der Physik? Teilchenphysik – das Standardmodell: eine fortlaufende Geschichte. Teilchen und Superteilchen

Standardmodell ist eine moderne Theorie der Struktur und Wechselwirkungen von Elementarteilchen, die wiederholt experimentell überprüft wurde. Diese Theorie basiert auf einer sehr geringen Anzahl von Postulaten und ermöglicht es, die Eigenschaften Tausender verschiedener Prozesse in der Welt der Elementarteilchen theoretisch vorherzusagen. In den allermeisten Fällen werden diese Vorhersagen durch Experimente bestätigt, manchmal mit extrem hoher Genauigkeit, und die seltenen Fälle, in denen die Vorhersagen des Standardmodells vom Experiment abweichen, werden Gegenstand hitziger Debatten.

Das Standardmodell ist die Grenze, die in der Welt der Elementarteilchen das zuverlässig Bekannte vom Hypothetischen trennt. Trotz seines beeindruckenden Erfolgs bei der Beschreibung von Experimenten kann das Standardmodell nicht als endgültige Theorie der Elementarteilchen angesehen werden. Da sind sich die Physiker sicher es muss Teil einer tieferen Theorie der Struktur der Mikrowelt sein. Um welche Theorie es sich hierbei handelt, ist noch nicht sicher bekannt. Theoretiker haben eine große Anzahl von Kandidaten für eine solche Theorie entwickelt, aber nur das Experiment sollte zeigen, welcher davon der realen Situation in unserem Universum entspricht. Aus diesem Grund suchen Physiker ständig nach Abweichungen vom Standardmodell, nach Teilchen, Kräften oder Effekten, die das Standardmodell nicht vorhersagt. Wissenschaftler nennen all diese Phänomene zusammenfassend „Neue Physik“; genau Die Suche nach neuer Physik ist die Hauptaufgabe des Large Hadron Collider.

Grundkomponenten des Standardmodells

Das Arbeitsinstrument des Standardmodells ist die Quantenfeldtheorie – eine Theorie, die die Quantenmechanik bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit ersetzt. Die Schlüsselobjekte darin sind nicht Teilchen wie in der klassischen Mechanik und nicht „Teilchenwellen“ wie in der Quantenmechanik, sondern Quantenfelder: Elektron, Myon, elektromagnetisch, Quark usw. – eine für jede Art von „Entität der Mikrowelt“.

Sowohl das Vakuum als auch das, was wir als einzelne Teilchen wahrnehmen, und komplexere Gebilde, die sich nicht auf einzelne Teilchen reduzieren lassen – all dies wird als unterschiedliche Zustände von Feldern beschrieben. Wenn Physiker das Wort „Teilchen“ verwenden, meinen sie tatsächlich diese Feldzustände und nicht einzelne Punktobjekte.

Das Standardmodell umfasst die folgenden Hauptbestandteile:

Eine Reihe grundlegender „Bausteine“ der Materie – sechs Arten von Leptonen und sechs Arten von Quarks. Alle diese Teilchen sind Spin-1/2-Fermionen und organisieren sich auf ganz natürliche Weise in drei Generationen. Zahlreiche Hadronen, die an der starken Kraft beteiligten Teilchen, bestehen aus Quarks in unterschiedlichen Kombinationen.
Drei Arten von Kräften, wirkend zwischen fundamentalen Fermionen – elektromagnetisch, schwach und stark. Die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung sind zwei Seiten einer einzigen Elektroschwache Wechselwirkung. Die starke Wechselwirkung steht für sich allein und ist es, die Quarks zu Hadronen bindet.
Alle diese Kräfte werden auf der Basis beschrieben Messprinzip- Sie werden nicht „gewaltsam“ in die Theorie eingeführt, sondern scheinen aus dem Erfordernis der Symmetrie der Theorie in Bezug auf bestimmte Transformationen von selbst zu entstehen. Bestimmte Symmetrietypen führen zu starken und elektroschwachen Wechselwirkungen.
Trotz der Tatsache, dass die Theorie selbst eine elektroschwache Symmetrie aufweist, wird sie in unserer Welt spontan gebrochen. Spontaner Bruch der elektroschwachen Symmetrie ist ein notwendiges Element der Theorie, und im Standardmodell erfolgt die Verletzung aufgrund des Higgs-Mechanismus.
Numerische Werte für etwa zwei Dutzend Konstanten: Dies sind die Massen grundlegender Fermionen, numerische Werte von Kopplungskonstanten von Wechselwirkungen, die ihre Stärke charakterisieren, und einige andere Größen. Sie alle werden aus dem Erfahrungsvergleich ein für alle Mal extrahiert und in weiteren Berechnungen nicht mehr angepasst.

Darüber hinaus handelt es sich beim Standardmodell um eine renormierbare Theorie, d. h. alle diese Elemente sind so selbstkonsistent in das Modell eingeführt, dass Berechnungen grundsätzlich mit der erforderlichen Genauigkeit durchgeführt werden können. Allerdings erweisen sich Berechnungen mit der gewünschten Genauigkeit oft als unerschwinglich komplex, was jedoch nicht an der Theorie selbst, sondern an unseren Rechenfähigkeiten liegt.

Was das Standardmodell kann und was nicht

Das Standardmodell ist weitgehend eine deskriptive Theorie. Auf viele Fragen, die mit dem „Warum“ beginnen, gibt es keine Antworten: Warum gibt es so viele Teilchen und genau die richtigen? Woher kamen diese besonderen Wechselwirkungen und mit genau diesen Eigenschaften? Warum musste die Natur drei Generationen von Fermionen erschaffen? Warum sind die numerischen Werte der Parameter genau so, wie sie sind? Darüber hinaus ist das Standardmodell nicht in der Lage, einige in der Natur beobachtete Phänomene zu beschreiben. Insbesondere für Neutrinomassen und Dunkle-Materie-Teilchen ist kein Platz. Das Standardmodell berücksichtigt die Schwerkraft nicht und es ist nicht bekannt, was mit dieser Theorie auf der Planck-Energieskala passiert, wenn die Schwerkraft extrem wichtig wird.

Wenn Sie das Standardmodell bestimmungsgemäß verwenden, um die Ergebnisse von Kollisionen von Elementarteilchen vorherzusagen, können Sie je nach spezifischem Verfahren Berechnungen mit unterschiedlichem Genauigkeitsgrad durchführen.

Bei elektromagnetischen Phänomenen (Elektronenstreuung, Energieniveaus) kann die Genauigkeit Teile pro Million oder sogar besser erreichen. Den Rekord hält hier das anomale magnetische Moment des Elektrons, das mit einer Genauigkeit von besser als einem Milliardstel berechnet wurde.
Viele hochenergetische Prozesse, die aufgrund elektroschwacher Wechselwirkungen ablaufen, werden mit einer Genauigkeit von besser als einem Prozent berechnet.
Die am schwierigsten zu berechnende Wechselwirkung findet bei nicht zu hohen Energien statt. Die Genauigkeit der Berechnung solcher Prozesse ist sehr unterschiedlich: In manchen Fällen kann sie Prozentwerte erreichen, in anderen Fällen können unterschiedliche theoretische Ansätze mehrfach unterschiedliche Antworten liefern.

Es ist hervorzuheben, dass die Tatsache, dass einige Prozesse schwierig mit der erforderlichen Genauigkeit zu berechnen sind, nicht bedeutet, dass die „Theorie schlecht“ ist. Es ist nur sehr komplex und die aktuellen mathematischen Techniken reichen noch nicht aus, um alle Konsequenzen zu erfassen. Insbesondere betrifft eines der berühmten mathematischen Millenniumsprobleme das Problem der Beschränkung in der Quantentheorie auf nichtabelsche Eichwechselwirkungen.

Zusätzliche Literatur:

Grundlegende Informationen zum Higgs-Mechanismus finden Sie in den Büchern von L. B. Okun „Physics of Elementary Particles“ (auf der Ebene von Wörtern und Bildern) und „Leptons and Quarks“ (auf einer seriösen, aber zugänglichen Ebene).

Das Standardmodell der Teilchenphysik, oder einfach das Standardmodell, ist ein theoretischer Rahmen in der Physik, der die aktuelle Position von Elementarteilchen, ihre Bedeutung und ihr Verhalten am genauesten und erfolgreichsten beschreibt. Das Standardmodell ist keine „Theorie von allem“ und erhebt auch nicht den Anspruch, eine solche zu sein, da es weder dunkle Materie noch dunkle Energie erklärt oder die Schwerkraft einschließt. Weitere Bestätigungen des Standardmodells zum Nachteil des alternativen Supersymmetriemodells finden sich am Large Hadron Collider. Allerdings lieben nicht alle Physiker das Standardmodell und wünschen ihm einen baldigen Untergang, denn dies könnte möglicherweise zur Entwicklung einer allgemeineren Theorie von allem, einer Erklärung von Schwarzen Löchern und Dunkler Materie sowie der Vereinheitlichung von Schwerkraft, Quantenmechanik usw. führen generelle Relativität.

Wenn es nach Teilchenphysikern geht, könnten neue Beschleuniger eines Tages das faszinierendste subatomare Teilchen der Physik, das Higgs-Boson, untersuchen. Sechs Jahre nach der Entdeckung dieses Teilchens am Large Hadron Collider planen Physiker riesige neue Maschinen, die sich über Dutzende Kilometer in Europa, Japan oder China erstrecken werden.

Vor nicht allzu langer Zeit begannen Wissenschaftler, über ein neues kosmologisches Modell namens Higgsogenese zu sprechen. Ein Artikel, der das neue Modell beschreibt, wurde in der Zeitschrift Physical Review Lettres veröffentlicht. Der Begriff „Higgsogenese“ bezieht sich auf das erste Auftreten von Higgs-Teilchen im frühen Universum, ebenso wie sich Baryogenese auf das Auftreten von Baryonen (Protonen und Neutronen) in den ersten Augenblicken nach dem Urknall bezieht. Und obwohl die Baryogenese ein ziemlich gut untersuchter Prozess ist, bleibt die Higgsogenese rein hypothetisch.

In Abb. 11.1 haben wir alle bekannten Teilchen aufgelistet. Dies sind die Bausteine des Universums, zumindest ist das die Ansicht zum Zeitpunkt dieses Schreibens, aber wir gehen davon aus, noch ein paar mehr zu finden – vielleicht sehen wir das Higgs-Boson oder ein neues Teilchen, das mit der mysteriösen Dunklen Materie in Verbindung steht, die im Großen und Ganzen existiert Größen, die wahrscheinlich für Beschreibungen des gesamten Universums notwendig sind. Oder vielleicht erwarten wir supersymmetrische Teilchen, die durch die Stringtheorie vorhergesagt werden, oder Kaluza-Klein-Anregungen, die für zusätzliche Raumdimensionen charakteristisch sind, oder ein Techniquark oder ein Leptoquark, oder ... es gibt viele theoretische Überlegungen und die Verantwortung derjenigen, die dafür verantwortlich sind Die Durchführung von Experimenten am LHC besteht darin, die Suche einzugrenzen, falsche Theorien zu eliminieren und den Weg für die Zukunft zu weisen.

Reis. 11.1. Naturpartikel

Alles, was Sie sehen und berühren können; Jede unbelebte Maschine, jedes Lebewesen, jeder Stein, jeder Mensch auf dem Planeten Erde, jeder Planet und jeder Stern in jeder der 350 Milliarden Galaxien im beobachtbaren Universum besteht aus Teilchen der ersten Spalte. Sie selbst bestehen aus einer Kombination von nur drei Teilchen – einem Up-and-Down-Quark und einem Elektron. Quarks bilden den Atomkern und Elektronen sind, wie wir bereits gesehen haben, für chemische Prozesse verantwortlich. Das verbleibende Teilchen aus der ersten Säule, das Neutrino, ist Ihnen vielleicht weniger vertraut, aber die Sonne durchdringt jeden Quadratzentimeter Ihres Körpers mit 60 Milliarden Teilchen pro Sekunde. Sie durchdringen Sie und die gesamte Erde grundsätzlich ohne Verzögerung – deshalb haben Sie sie nie bemerkt oder ihre Anwesenheit gespürt. Doch wie wir gleich sehen werden, spielen sie eine Schlüsselrolle in den Prozessen, die die Energie der Sonne liefern und damit unser Leben ermöglichen.

Diese vier Teilchen bilden die sogenannte erste Generation der Materie – zusammen mit den vier grundlegenden Naturkräften scheint dies alles zu sein, was zur Entstehung des Universums erforderlich ist. Aus Gründen, die noch nicht vollständig geklärt sind, hat die Natur jedoch beschlossen, uns zwei weitere Generationen zu schenken – Klone der ersten, nur dass diese Partikel massiver sind. Sie sind in der zweiten und dritten Spalte von Abb. dargestellt. 11.1. Insbesondere das Top-Quark hat mehr Masse als andere Elementarteilchen. Es wurde am Beschleuniger des National Accelerator Laboratory entdeckt. Enrico Fermi in der Nähe von Chicago im Jahr 1995, und seine Masse wurde mit mehr als dem 180-fachen der Masse eines Protons gemessen. Warum sich das Top-Quark als solch ein Monster herausstellte, obwohl es einem Punkt so ähnlich ist wie einem Elektron, ist immer noch ein Rätsel. Auch wenn all diese zusätzlichen Materiegenerationen im alltäglichen Leben des Universums keine direkte Rolle spielen, waren sie wahrscheinlich Schlüsselakteure unmittelbar nach dem Urknall … Aber das ist eine andere Geschichte.

In Abb. 11.1 zeigt in der rechten Spalte auch Wechselwirkungsträgerpartikel. Die Schwerkraft wird in der Tabelle nicht angezeigt. Der Versuch, die Berechnungen des Standardmodells auf die Gravitationstheorie zu übertragen, stößt auf gewisse Schwierigkeiten. Das Fehlen einiger wichtiger Eigenschaften, die für das Standardmodell charakteristisch sind, in der Quantentheorie der Schwerkraft erlaubt es nicht, dort dieselben Methoden anzuwenden. Wir sagen nicht, dass es überhaupt nicht existiert; Die Stringtheorie ist ein Versuch, die Schwerkraft zu berücksichtigen, doch ihr Erfolg war bisher begrenzt. Da die Schwerkraft sehr schwach ist, spielt sie in Experimenten der Teilchenphysik keine nennenswerte Rolle, und aus diesem sehr pragmatischen Grund werden wir nicht weiter darüber sprechen. Im letzten Kapitel haben wir festgestellt, dass das Photon die Ausbreitung elektromagnetischer Wechselwirkungen zwischen elektrisch geladenen Teilchen vermittelt, und dieses Verhalten wird durch die neue Streuregel bestimmt. Partikel W Und Z Machen Sie dasselbe für die schwache Kraft, und Gluonen tolerieren die starke Kraft. Die Hauptunterschiede zwischen Quantenbeschreibungen von Kräften sind auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Streuregeln unterschiedlich sind. Ja, alles ist (fast) so einfach, und wir haben in Abb. einige neue Streuregeln gezeigt. 11.2. Die Ähnlichkeit zur Quantenelektrodynamik erleichtert das Verständnis der Funktionsweise der starken und schwachen Kräfte; Wir müssen nur die Streuregeln für sie verstehen, danach können wir dieselben Feynman-Diagramme zeichnen, die wir im letzten Kapitel für die Quantenelektrodynamik vorgestellt haben. Glücklicherweise ist die Änderung der Streuregeln für die physikalische Welt sehr wichtig.

Reis. 11.2. Einige Streuregeln für starke und schwache Wechselwirkungen

Wenn wir ein Lehrbuch über Quantenphysik schreiben würden, könnten wir mit der Ableitung der Streuregeln für jede der in Abb. 11.2 Prozesse sowie für viele andere. Diese Regeln sind als Feynman-Regeln bekannt und würden Ihnen – oder einem Computerprogramm – dann helfen, die Wahrscheinlichkeit eines bestimmten Prozesses zu berechnen, wie wir es im Kapitel über Quantenelektrodynamik getan haben.

Diese Regeln spiegeln etwas sehr Wichtiges in unserer Welt wider, und es ist ein großes Glück, dass sie auf eine Reihe einfacher Bilder und Aussagen reduziert werden können. Aber wir schreiben eigentlich kein Lehrbuch über Quantenphysik, also konzentrieren wir uns stattdessen auf das Diagramm oben rechts: dieses Dispersionsregel, besonders wichtig für das Leben auf der Erde. Es zeigt, wie sich ein Up-Quark in ein Down-Quark verwandelt und emittiert W‑Teilchen, und dieses Verhalten führt zu enormen Ergebnissen im Kern der Sonne.

Die Sonne ist ein gasförmiges Meer aus Protonen, Neutronen, Elektronen und Photonen in der Größe einer Million Erdkugeln. Dieses Meer kollabiert unter seiner eigenen Schwerkraft. Die Kompression mit unglaublicher Kraft erhitzt den Sonnenkern auf 15.000.000 ℃, und bei dieser Temperatur beginnen Protonen zu verschmelzen und Heliumkerne zu bilden. Dadurch wird Energie freigesetzt, die den Druck auf die äußeren Ebenen des Sterns erhöht und die innere Schwerkraft ausgleicht.

Wir werden uns diesen prekären Gleichgewichtsabstand im Nachwort genauer ansehen, aber zunächst wollen wir nur verstehen, was es bedeutet: „Protonen beginnen, miteinander zu verschmelzen.“ Es scheint ganz einfach, aber der genaue Mechanismus einer solchen Verschmelzung im Sonnenkern war in den 1920er und 1930er Jahren die Quelle ständiger wissenschaftlicher Kontroversen. Der britische Wissenschaftler Arthur Eddington war der erste, der vermutete, dass die Energiequelle der Sonne die Kernfusion sei. Es stellte sich jedoch schnell heraus, dass die Temperatur zu niedrig zu sein schien, um diesen Prozess gemäß den damals bekannten Gesetzen der Physik zu starten. Eddington blieb jedoch bei seiner Meinung. Seine Bemerkung ist bekannt: „Das Helium, mit dem wir es zu tun haben, muss irgendwann an irgendeinem Ort entstanden sein.“ Wir widersprechen nicht dem Kritiker, der behauptet, dass die Sterne für diesen Prozess nicht heiß genug seien; Wir schlagen vor, dass er sich einen heißeren Ort sucht.“

Das Problem besteht darin, dass, wenn sich zwei sich schnell bewegende Protonen im Sonnenkern einander nähern, elektromagnetische Wechselwirkung (oder, im Sprachgebrauch der Quantenelektrodynamik, Photonenaustausch) dazu führt, dass sie sich gegenseitig abstoßen. Um zu verschmelzen, müssen sie fast bis zur vollständigen Überlappung konvergieren, und Sonnenprotonen bewegen sich, wie Eddington und seine Kollegen gut wussten, nicht schnell genug (weil die Sonne nicht heiß genug ist), um ihre gegenseitige elektromagnetische Abstoßung zu überwinden. Das Rebus wird so gelöst: Es tritt in den Vordergrund W-Partikel rettet die Situation. Bei einer Kollision kann eines der Protonen zu einem Neutron werden und eines seiner Up-Quarks in ein Down-Quark verwandeln, wie in der Abbildung der Streuregel in Abb. 11.2. Nun können das neu gebildete Neutron und das verbleibende Proton sehr nahe zusammenkommen, da das Neutron keine elektrische Ladung trägt. In der Sprache der Quantenfeldtheorie bedeutet dies, dass es keinen Austausch von Photonen gibt, bei dem sich Neutron und Proton gegenseitig abstoßen würden. Befreit von der elektromagnetischen Abstoßung können Proton und Neutron (durch die starke Kraft) zu einem Deuteron verschmelzen, was schnell zur Bildung von Helium führt, das die Energie freisetzt, die dem Stern Leben verleiht. Dieser Vorgang ist in Abb. dargestellt. 11.3 und spiegelt die Tatsache wider, dass W- Das Teilchen lebt nicht lange und zerfällt in ein Positron und ein Neutrino. Dies ist die Quelle genau dieser Neutrinos, die in solchen Mengen durch Ihren Körper fliegen. Eddingtons militante Verteidigung der Kernfusion als Quelle der Sonnenenergie war gerechtfertigt, obwohl er nicht den geringsten Hinweis auf eine fertige Lösung hatte. W Das Teilchen, das erklärt, was passiert, wurde zusammen mit am CERN entdeckt Z‑ Teilchen in den 1980er Jahren.

Reis. 11.3. Die Umwandlung eines Protons in ein Neutron im Rahmen der schwachen Wechselwirkung mit der Emission eines Positrons und Neutrinos. Ohne diesen Prozess könnte die Sonne nicht scheinen

Um diesen kurzen Überblick über das Standardmodell abzuschließen, werfen wir einen Blick auf die starke Kraft. Die Streuregeln besagen, dass sich nur Quarks in Gluonen umwandeln können. Tatsächlich ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie genau das tun, größer als alles andere. Diese Neigung zur Emission von Gluonen ist der Grund, warum die starke Kraft ihren Namen hat und warum die Streuung von Gluonen die elektromagnetische Abstoßungskraft überwinden kann, die dazu führen würde, dass ein positiv geladenes Proton auseinanderbricht. Glücklicherweise kann die starke Atomkraft nur eine kurze Distanz zurücklegen. Gluonen legen eine Strecke von maximal 1 Femtometer (10–15 m) zurück und zerfallen wieder. Der Grund, warum der Einfluss von Gluonen so begrenzt ist, insbesondere im Vergleich zu Photonen, die sich durch das Universum bewegen können, liegt darin, dass Gluonen sich in andere Gluonen verwandeln können, wie in den letzten beiden Diagrammen von Abb. 11.2. Dieser Trick der Gluonen unterscheidet die starke Wechselwirkung deutlich von der elektromagnetischen und beschränkt ihr Wirkungsfeld auf den Inhalt des Atomkerns. Photonen haben keinen solchen Selbstübergang, und das ist gut so, denn sonst würden Sie nicht sehen, was vor Ihrer Nase passiert, weil die auf Sie zufliegenden Photonen von denen, die sich entlang Ihrer Sichtlinie bewegen, abgestoßen würden. Dass wir überhaupt sehen können, ist eines der Wunder der Natur und erinnert auch deutlich daran, dass Photonen kaum miteinander interagieren.

Wir haben nicht erklärt, woher all diese neuen Regeln kommen oder warum das Universum genau die Menge an Teilchen enthält, die es enthält. Und das aus gutem Grund: Auf keine dieser Fragen kennen wir die Antwort. Die Teilchen, aus denen unser Universum besteht – Elektronen, Neutrinos und Quarks – sind die Hauptakteure in dem kosmischen Drama, das sich vor unseren Augen abspielt, aber wir haben noch keine überzeugende Möglichkeit, zu erklären, warum die Besetzung so sein sollte.

Allerdings ist es wahr, dass wir anhand einer gegebenen Liste von Teilchen teilweise vorhersagen können, wie sie gemäß den Streuregeln miteinander interagieren. Die Physiker haben die Streuregeln nicht aus dem Nichts gezogen: In allen Fällen werden sie auf der Grundlage vorhergesagt, dass die Theorie, die die Wechselwirkungen von Teilchen beschreibt, eine Quantenfeldtheorie mit einer gewissen Ergänzung, der sogenannten Eichinvarianz, sein muss.

Die Erörterung der Ursprünge der Streuregeln würde uns zu weit vom Hauptanliegen des Buches wegführen – aber wir möchten dennoch betonen, dass die Grundgesetze sehr einfach sind: Das Universum besteht aus Teilchen, die sich entsprechend einer Reihe von Übergängen bewegen und interagieren Streuregeln. Mithilfe dieser Regeln können wir die Wahrscheinlichkeit berechnen, dass „etwas“ es passiert, Stapelreihen von Zifferblättern, wobei jedes Zifferblatt jeder Art und Weise entspricht, in der „etwas“ könnte passieren .

Ursprung der Masse

Indem wir erklären, dass Teilchen sowohl von Punkt zu Punkt springen als auch streuen können, betreten wir das Reich der Quantenfeldtheorie. Übergang und Zerstreuung sind praktisch alles, was sie tut. Allerdings haben wir die Masse bisher kaum erwähnt, da wir beschlossen haben, das Interessanteste zum Schluss aufzuheben.

Die moderne Teilchenphysik ist aufgerufen, die Frage nach dem Ursprung der Masse zu beantworten und liefert diese mit Hilfe eines schönen und erstaunlichen Zweigs der Physik, der mit einem neuen Teilchen verbunden ist. Darüber hinaus ist es nicht nur in dem Sinne neu, dass wir es auf den Seiten dieses Buches noch nicht kennengelernt haben, sondern auch, weil tatsächlich noch niemand auf der Erde ihm „von Angesicht zu Angesicht“ begegnet ist. Dieses Teilchen wird Higgs-Boson genannt und der LHC steht kurz davor, es zu entdecken. Im September 2011, während wir dieses Buch schreiben, wurde am LHC ein merkwürdiges Higgs-ähnliches Objekt beobachtet, aber es ist noch nicht genug passiert, um zu entscheiden, ob es eines ist oder nicht. Vielleicht waren das nur interessante Signale, die bei näherer Betrachtung verschwanden. Die Frage nach dem Ursprung der Masse ist insofern besonders bemerkenswert, als die Antwort darauf wertvoller ist als unser offensichtlicher Wunsch, zu wissen, was Masse ist. Versuchen wir, diesen eher mysteriösen und seltsam konstruierten Satz näher zu erklären.

Als wir in der Quantenelektrodynamik über Photonen und Elektronen sprachen, führten wir für jedes von ihnen eine Übergangsregel ein und stellten fest, dass diese Regeln unterschiedlich sind: für ein Elektron, das mit dem Übergang von einem Punkt verbunden ist A genau IN Wir haben das Symbol verwendet P(A, B) und für die entsprechende Regel, die dem Photon zugeordnet ist, das Symbol L(A, B). Jetzt ist es an der Zeit, darüber nachzudenken, wie sehr unterschiedlich die Regeln in diesen beiden Fällen sind. Der Unterschied besteht zum Beispiel darin, dass Elektronen in zwei Arten unterteilt werden (wie wir wissen, „drehen“ sie sich auf eine von zwei verschiedenen Arten) und Photonen in drei Arten unterteilt werden, aber dieser Unterschied wird uns jetzt nicht interessieren. Wir werden auf etwas anderes achten: Ein Elektron hat Masse, ein Photon jedoch nicht. Das werden wir erforschen.

In Abb. Abbildung 11.4 zeigt eine der Möglichkeiten, wie wir uns die Ausbreitung eines Teilchens mit Masse vorstellen können. Das Teilchen in der Abbildung springt von einem Punkt A genau INüber mehrere Etappen. Sie bewegt sich vom Punkt A zu Punkt 1, von Punkt 1 zu Punkt 2 und so weiter, bis es schließlich von Punkt 6 zu Punkt kommt IN. Es ist jedoch interessant, dass in dieser Form die Regel für jeden Sprung die Regel für ein Teilchen mit der Masse Null ist, allerdings mit einer wichtigen Einschränkung: Jedes Mal, wenn das Teilchen seine Richtung ändert, müssen wir eine neue Regel zum Verkleinern des Zifferblatts anwenden, mit Das Ausmaß der Abnahme ist umgekehrt proportional zur Masse der beschriebenen Partikel. Dies bedeutet, dass bei jeder Umstellung der Uhr die Zifferblätter der schweren Partikel weniger stark abnehmen als die Zifferblätter der leichteren Partikel. Es ist wichtig zu betonen, dass es sich hierbei um eine systemische Regel handelt.

Reis. 11.4. Massives Teilchen, das sich von einem Punkt bewegt A genau IN

Sowohl die Zick-Zack-Bewegung als auch das abnehmende Zifferblatt ergeben sich ohne weitere Annahmen direkt aus Feynmans Regeln für die Ausbreitung eines massiven Teilchens. In Abb. 11.4 zeigt nur eine Möglichkeit, wie ein Teilchen von einem Punkt aus auftreffen kann A genau IN– nach sechs Umdrehungen und sechs Abnahmen. Um das endgültige Zifferblatt zu erhalten, das einem massiven Teilchen zugeordnet ist, das sich von einem Punkt aus bewegt A genau IN, müssen wir wie immer eine unendliche Anzahl von Uhren addieren, die mit allen möglichen Wegen verbunden sind, auf denen ein Teilchen von einem Punkt aus seinen Zickzackweg zurücklegen kann A genau IN. Der einfachste Weg ist ein gerader Weg ohne Kurven, Sie müssen jedoch auch Strecken mit vielen Kurven in Betracht ziehen.

Für Teilchen mit einer Masse von Null ist der mit jeder Rotation verbundene Reduktionsfaktor einfach tödlich, weil er unendlich ist. Mit anderen Worten: Nach der ersten Umdrehung reduzieren wir den Drehknopf auf Null. Für Teilchen ohne Masse ist also nur der direkte Weg von Bedeutung – es gibt einfach kein Zifferblatt, das anderen Flugbahnen entspricht. Genau das haben wir erwartet: Für Teilchen ohne Masse können wir die Sprungregel anwenden. Für Partikel mit einer Masse ungleich Null sind jedoch Drehungen zulässig. Wenn das Partikel jedoch sehr leicht ist, beeinträchtigt der Reduktionsfaktor Flugbahnen mit vielen Drehungen stark.

Daher enthalten die wahrscheinlichsten Routen wenige Kurven. Umgekehrt erfahren schwere Partikel beim Drehen keinen allzu großen Reduktionsfaktor, sodass sie eher Zick-Zack-Bahnen folgen. Daher können wir davon ausgehen, dass schwere Teilchen als Teilchen ohne Masse betrachtet werden können, die sich von einem Punkt aus bewegen A genau IN Zickzack. Die Anzahl der Zickzacklinien nennen wir „Masse“.

Das ist alles großartig, denn wir haben jetzt eine neue Möglichkeit, massive Partikel darzustellen. In Abb. Abbildung 11.5 zeigt die Ausbreitung von drei verschiedenen Teilchen mit zunehmender Masse von einem Punkt aus A genau IN. In allen Fällen ist die mit jedem „Zickzack“ ihrer Bahn verbundene Regel dieselbe wie die Regel für ein Teilchen ohne Masse, und jede Drehung muss durch Verkleinern des Zifferblatts bezahlt werden. Aber wir sollten uns nicht zu sehr aufregen: Wir haben noch nichts Grundlegendes erklärt. Bisher wurde lediglich das Wort „Masse“ durch die Worte „Streben nach Zickzack“ ersetzt. Dies könnte möglich sein, da beide Optionen mathematisch äquivalente Beschreibungen der Ausbreitung eines massiven Teilchens sind. Aber selbst mit solchen Einschränkungen scheinen unsere Schlussfolgerungen interessant zu sein, und jetzt erfahren wir, dass es sich dabei um mehr als nur eine mathematische Kuriosität handelt.

Reis. 11.5. Teilchen mit zunehmender Masse bewegen sich von einem Punkt aus A genau IN. Je massereicher das Teilchen ist, desto zickzackförmiger ist seine Bewegung

Begeben wir uns in den Bereich des Spekulativen – auch wenn die Theorie zum Zeitpunkt der Lektüre dieses Buches möglicherweise bereits bestätigt ist.

Derzeit finden am LHC Protonenkollisionen mit einer Gesamtenergie von 7 TeV statt. TeV sind Teraelektronenvolt, was der Energie entspricht, die ein Elektron hätte, wenn es eine Potentialdifferenz von 7.000.000 Millionen Volt durchlaufen würde. Zum Vergleich: Dies ist ungefähr die Energie, die subatomare Teilchen eine Billionstelsekunde nach dem Urknall hatten, und diese Energie reicht aus, um aus dem Nichts eine Masse zu erzeugen, die 7000 Protonen entspricht (nach Einsteins Formel). E=mc²). Und das ist nur die Hälfte der berechneten Energie: Bei Bedarf kann der LHC höhere Geschwindigkeiten erreichen.

Einer der Hauptgründe, warum 85 Länder auf der ganzen Welt ihre Kräfte bündelten, dieses gigantische, gewagte Experiment ins Leben riefen und durchführten, war die Suche nach dem Mechanismus, der für die Entstehung der Masse fundamentaler Teilchen verantwortlich ist. Die häufigste Vorstellung vom Ursprung der Masse ist ihre Verbindung mit Zickzacklinien und begründet ein neues Grundteilchen, an das andere Teilchen „stoßen“, wenn sie sich durch das Universum bewegen. Dieses Teilchen ist das Higgs-Boson. Nach dem Standardmodell würden Elementarteilchen ohne das Higgs-Boson ohne Zickzackbewegungen von Ort zu Ort springen, und das Universum wäre völlig anders. Wenn wir jedoch den leeren Raum mit Higgs-Teilchen füllen, können diese die Teilchen ablenken, wodurch sie sich im Zickzack bewegen, was, wie wir bereits festgestellt haben, zum Erscheinen von „Masse“ führt. Es ist, als würde man durch eine überfüllte Bar gehen: Man wird nach links und rechts gedrängt und bahnt sich praktisch im Zickzack den Weg zur Theke.

Der Higgs-Mechanismus ist nach dem Edinburgher Theoretiker Peter Higgs benannt; Dieses Konzept wurde 1964 in die Teilchenphysik eingeführt. Die Idee lag offensichtlich in der Luft, denn sie wurde von mehreren Personen gleichzeitig geäußert: Erstens natürlich von Higgs selbst sowie den in Brüssel tätigen Robert Brout und Francois Engler sowie den Londonern Gerald Guralnik, Carl Hagan und Tom Kibble. Ihre Arbeit wiederum baute auf der früheren Arbeit vieler Vorgänger auf, darunter Werner Heisenberg, Yoichiro Nambu, Jeffrey Goldstone, Philip Anderson und Steven Weinberg. Das vollständige Verständnis dieser Idee, für die Sheldon Glashow, Abdus Salam und Weinberg 1979 den Nobelpreis erhielten, ist nichts weniger als das Standardmodell der Teilchenphysik. Die Idee selbst ist ganz einfach: Leerer Raum ist nicht wirklich leer, was zu einer Zickzackbewegung und dem Erscheinen von Masse führt. Aber wir haben natürlich noch viel mehr zu erklären. Wie kam es dazu, dass ein leerer Raum plötzlich mit Higgs-Teilchen gefüllt wurde – hätten wir das nicht schon früher bemerkt? Und wie kam es überhaupt zu diesem seltsamen Zustand? Der Vorschlag scheint ziemlich extravagant zu sein. Darüber hinaus haben wir nicht erklärt, warum einige Teilchen (z. B. Photonen) keine Masse haben, während andere ( W Bosonen und Top-Quarks) haben eine Masse, die mit der Masse eines Silber- oder Goldatoms vergleichbar ist.

Die zweite Frage ist zumindest auf den ersten Blick einfacher zu beantworten als die erste. Teilchen interagieren nur nach der Dispersionsregel miteinander; Higgs-Teilchen sind in dieser Hinsicht nicht anders. Die Streuregel für ein Top-Quark impliziert, dass es wahrscheinlich mit einem Higgs-Teilchen verschmilzt und die entsprechende Verringerung der Uhr (denken Sie daran, dass alle Streuregeln einen abnehmenden Faktor haben) viel weniger signifikant sein wird als im Fall leichterer Quarks. Aus diesem Grund ist das Top-Quark so viel massereicher als das Top-Quark. Dies erklärt jedoch natürlich nicht, warum die Dispersionsregel so ist, wie sie ist. In der modernen Wissenschaft ist die Antwort auf diese Frage beunruhigend: „Weil.“ Diese Frage ähnelt anderen: „Warum gibt es genau drei Generationen von Teilchen?“ und „Warum ist die Schwerkraft so schwach?“ Ebenso gibt es für Photonen keine Streuregel, die ihnen die Möglichkeit geben würde, sich mit Higgs-Teilchen zu paaren, sodass sie nicht mit ihnen interagieren. Dies wiederum führt dazu, dass sie sich nicht im Zickzack bewegen und keine Masse haben. Obwohl wir, so könnte man sagen, unserer Verantwortung entsagt haben, ist dies zumindest eine Erklärung. Und wir können mit Sicherheit sagen: Wenn der LHC Higgs-Bosonen erkennen und bestätigen kann, dass sie sich tatsächlich auf diese Weise mit anderen Teilchen paaren, dann können wir getrost sagen, dass wir eine Gelegenheit gefunden haben, einen Blick auf die Funktionsweise der Natur auf erstaunliche Weise zu werfen.

Die Antwort auf die erste unserer Fragen ist etwas schwieriger. Erinnern wir uns daran, dass wir uns gefragt haben: Wie kam es, dass der leere Raum mit Higgs-Teilchen gefüllt war? Um es aufzuwärmen: Die Quantenphysik sagt, dass es keinen leeren Raum gibt. Was wir es nennen, ist ein brodelnder Strudel subatomarer Teilchen, die nicht losgeworden werden können. Nachdem wir dies erkannt haben, akzeptieren wir viel eher die Tatsache, dass der leere Raum voller Higgs-Teilchen sein kann. Aber das Wichtigste zuerst.

Stellen Sie sich ein kleines Stück interstellaren Raum vor – eine einsame Ecke des Universums, Millionen Lichtjahre von der nächsten Galaxie entfernt. Im Laufe der Zeit stellt sich heraus, dass Partikel ständig aus dem Nichts auftauchen und im Nirgendwo verschwinden. Warum? Tatsache ist, dass die Regeln den Prozess der Entstehung und Vernichtung eines Antiteilchens ermöglichen. Ein Beispiel finden Sie im unteren Diagramm von Abb. 10.5: Stellen Sie sich vor, es wäre nichts darauf außer einer elektronischen Schleife. Das Diagramm entspricht nun dem plötzlichen Erscheinen und anschließenden Verschwinden eines Elektron-Positron-Paares. Da das Zeichnen der Schleife keine Regeln der Quantenelektrodynamik verletzt, müssen wir akzeptieren, dass dies eine reale Möglichkeit ist: Denken Sie daran, dass alles, was passieren kann, passiert. Diese besondere Möglichkeit ist nur eine von unendlich vielen Optionen für das pulsierende Leben im leeren Raum, und da wir in einem Quantenuniversum leben, ist es richtig, alle diese Wahrscheinlichkeiten zu addieren. Mit anderen Worten: Die Struktur des Vakuums ist unglaublich reichhaltig und besteht aus allen möglichen Arten des Erscheinens und Verschwindens von Partikeln.

Im letzten Absatz haben wir erwähnt, dass das Vakuum nicht so leer ist, aber das Bild seiner Existenz sieht recht demokratisch aus: Alle Elementarteilchen spielen ihre Rolle. Was macht das Higgs-Boson so anders? Wenn das Vakuum nur ein sprudelnder Nährboden für die Geburt und Vernichtung von Antimaterie-Materie-Paaren wäre, dann hätten alle Elementarteilchen weiterhin eine Masse von Null: Quantenschleifen selbst erzeugen keine Masse. Nein, Sie müssen das Vakuum mit etwas anderem füllen, und hier kommt eine ganze Wagenladung Higgs-Teilchen ins Spiel. Peter Higgs ging einfach davon aus, dass der leere Raum voller bestimmter Teilchen sei, ohne sich dazu verpflichtet zu fühlen, auf eine tiefergehende Erklärung einzugehen, warum das so ist. Higgs-Teilchen erzeugen im Vakuum einen Zickzack-Mechanismus und interagieren außerdem ständig und ohne Pause mit jedem massiven Teilchen im Universum, wodurch ihre Bewegung selektiv verlangsamt und Masse entsteht. Das Gesamtergebnis der Wechselwirkungen zwischen gewöhnlicher Materie und dem mit Higgs-Teilchen gefüllten Vakuum ist, dass die Welt von formlos zu vielfältig und großartig wird, bevölkert mit Sternen, Galaxien und Menschen.

Dies wirft natürlich eine neue Frage auf: Woher kamen die Higgs-Bosonen überhaupt? Die Antwort ist noch nicht bekannt, aber man geht davon aus, dass es sich dabei um Überreste des sogenannten Phasenübergangs handelt, der kurz nach dem Urknall stattfand. Wenn Sie an einem Winterabend, wenn das Wetter kälter wird, lange genug auf eine Fensterscheibe schauen, werden Sie sehen, wie aus dem Wasserdampf der Nachtluft wie von Geisterhand die strukturierte Perfektion von Eiskristallen entsteht. Der Übergang von Wasserdampf zu Eis auf kaltem Glas ist ein Phasenübergang, bei dem sich Wassermoleküle in Eiskristalle umwandeln; Hierbei handelt es sich um einen spontanen Bruch der Symmetrie einer formlosen Dampfwolke aufgrund eines Temperaturabfalls. Eiskristalle bilden sich, weil es energetisch günstig ist. So wie ein Ball einen Berg hinunterrollt, um einen niedrigeren Energiezustand darunter zu erreichen, so wie sich Elektronen um Atomkerne neu anordnen und Bindungen bilden, die Moleküle zusammenhalten, so ist die gemeißelte Schönheit einer Schneeflocke eine Konfiguration von Wassermolekülen mit einer niedrigeren Energie als eine formlose Dampfwolke.

Wir glauben, dass etwas Ähnliches zu Beginn der Geschichte des Universums passiert ist. Das neugeborene Universum bestand zunächst aus heißen Gasteilchen, dehnte sich dann aus und kühlte ab, und es stellte sich heraus, dass ein Vakuum ohne Higgs-Bosonen energetisch ungünstig war und der Zustand eines Vakuums voller Higgs-Teilchen natürlich wurde. Dieser Vorgang ähnelt im Wesentlichen der Kondensation von Wasser zu Tropfen oder Eis auf kaltem Glas. Die spontane Bildung von Wassertröpfchen beim Kondensieren auf kaltem Glas erweckt den Eindruck, als seien sie einfach „aus dem Nichts“ entstanden. So ist es auch mit den Higgs-Bosonen: In den heißen Stadien unmittelbar nach dem Urknall brodelte das Vakuum mit flüchtigen Quantenfluktuationen (dargestellt durch Schleifen in unseren Feynman-Diagrammen): Teilchen und Antiteilchen tauchten aus dem Nichts auf und verschwanden wieder im Nichts. Doch dann, als sich das Universum abkühlte, geschah etwas Radikales: Plötzlich, aus dem Nichts, erschien wie ein Wassertropfen, der auf Glas erscheint, eine „Kondensation“ von Higgs-Teilchen, die zuvor durch Wechselwirkung zusammengehalten und zu einem kurzen ... lebende Suspension, durch die sich andere Partikel ausbreiten.

Die Vorstellung, dass ein Vakuum mit Materie gefüllt ist, legt nahe, dass wir, wie alles andere im Universum, in einem riesigen Kondensat leben, das sich beim Abkühlen des Universums bildete, wie Morgentau im Morgengrauen. Damit wir nicht glauben, dass das Vakuum erst durch die Kondensation von Higgs-Bosonen an Inhalt gewonnen hat, weisen wir darauf hin, dass sie nicht die einzigen im Vakuum sind. Als sich das Universum weiter abkühlte, kondensierten auch Quarks und Gluonen, was nicht überraschend zu Quark- und Gluonenkondensaten führte. Die Existenz dieser beiden ist experimentell gut belegt und sie spielen eine sehr wichtige Rolle für unser Verständnis der starken Kernkraft. Tatsächlich entstand durch diese Kondensation der größte Teil der Protonen- und Neutronenmasse. Das Higgs-Vakuum erzeugte so letztlich die Massen der Elementarteilchen, die wir beobachten – Quarks, Elektronen, Tau, W- Und Z-Teilchen. Quarkkondensat kommt ins Spiel, wenn es darum geht zu erklären, was passiert, wenn sich viele Quarks zu einem Proton oder Neutron verbinden. Obwohl der Higgs-Mechanismus für die Erklärung der Masse von Protonen, Neutronen und schweren Atomkernen relativ wenig Aussagekraft hat, ist er interessanterweise vorhanden W- Und Z-Partikel sind sehr wichtig. Für sie würden Quark- und Gluonkondensate in Abwesenheit des Higgs-Teilchens eine Masse von etwa 1 GeV erzeugen, aber die experimentell ermittelten Massen dieser Teilchen sind etwa 100-mal höher. Der LHC wurde für den Betrieb in der Energiezone konzipiert W- Und Z‑Teilchen, um herauszufinden, welcher Mechanismus für ihre relativ große Masse verantwortlich ist. Was das für ein Mechanismus ist – das lang erwartete Higgs-Boson oder etwas, an das noch niemand denken konnte – werden nur Zeit- und Teilchenkollisionen zeigen.

Lassen Sie uns die Argumentation mit einigen erstaunlichen Zahlen verwässern: Die in 1 m3 leerem Raum enthaltene Energie infolge der Kondensation von Quarks und Gluonen beträgt unglaubliche 1035 Joule, und die Energie infolge der Kondensation von Higgs-Teilchen ist eine andere 100-mal größer. Zusammengenommen entsprechen sie der Energiemenge, die unsere Sonne in 1000 Jahren produziert. Genauer gesagt handelt es sich um „negative“ Energie, da sich das Vakuum in einem niedrigeren Energiezustand befindet als das Universum, das keine Teilchen enthält. Negative Energie ist die Bindungsenergie, die mit der Bildung von Kondensaten einhergeht und an sich keineswegs rätselhaft ist. Es ist nicht überraschender als die Tatsache, dass es Energie braucht, um Wasser zu kochen (und den Phasenübergang von Dampf zu Flüssigkeit umzukehren).

Aber es gibt immer noch ein Rätsel: Eine so hohe negative Energiedichte jedes Quadratmeters leeren Raums müsste tatsächlich so große Verwüstung im Universum anrichten, dass weder Sterne noch Menschen auftauchen würden. Das Universum würde wenige Augenblicke nach dem Urknall buchstäblich auseinanderfallen. Dies würde passieren, wenn wir die Vorhersagen der Vakuumkondensation aus der Teilchenphysik übernehmen und sie direkt zu Einsteins Gravitationsgleichungen hinzufügen und sie auf das gesamte Universum anwenden würden. Dieses unangenehme Rätsel ist als kosmologisches Konstantenproblem bekannt. Tatsächlich ist dies eines der zentralen Probleme der Grundlagenphysik. Sie erinnert uns daran, dass man sehr vorsichtig sein muss, wenn man behauptet, die Natur des Vakuums und/oder der Schwerkraft vollständig zu verstehen. Etwas ganz Grundlegendes verstehen wir noch nicht.

Mit diesem Satz beenden wir die Geschichte, denn wir sind an den Grenzen unseres Wissens angelangt. Der Bereich des Bekannten ist nicht das, womit der Forscher arbeitet. Wie wir am Anfang des Buches festgestellt haben, steht die Quantentheorie in dem Ruf, komplex und ehrlich gesagt seltsam zu sein, da sie nahezu jedes Verhalten materieller Teilchen zulässt. Aber alles, was wir beschrieben haben, mit Ausnahme dieses letzten Kapitels, ist bekannt und gut verstanden. Wir haben uns eher an Beweisen als an gesundem Menschenverstand orientiert und sind zu einer Theorie gelangt, die eine große Bandbreite an Phänomenen beschreiben kann, von der Strahlung heißer Atome bis zur Kernfusion in Sternen. Die praktische Anwendung dieser Theorie führte zum wichtigsten technologischen Durchbruch des 20. Jahrhunderts – dem Erscheinen des Transistors, und die Funktionsweise dieses Geräts wäre ohne einen Quantenansatz für die Welt völlig unverständlich.

Aber die Quantentheorie ist viel mehr als nur ein Triumph der Erklärung. Durch die Zwangsvermählung von Quantentheorie und Relativitätstheorie erschien Antimaterie als theoretische Notwendigkeit, die dann tatsächlich entdeckt wurde. Spin, eine grundlegende Eigenschaft subatomarer Teilchen, die der Stabilität von Atomen zugrunde liegt, war ursprünglich auch eine theoretische Vorhersage, die für die Stabilität der Theorie erforderlich war. Und jetzt, im zweiten Quantenjahrhundert, wagt sich der Large Hadron Collider ins Unbekannte, um das Vakuum selbst zu erforschen. Das ist wissenschaftlicher Fortschritt: die ständige und sorgfältige Erstellung einer Reihe von Erklärungen und Vorhersagen, die letztendlich unser Leben verändern. Das ist es, was die Wissenschaft von allem anderen unterscheidet. Wissenschaft ist nicht nur eine andere Sichtweise, sie spiegelt eine Realität wider, die sich selbst der Besitzer der verdrehtesten und surrealsten Vorstellungskraft nur schwer vorstellen kann. Wissenschaft ist das Studium der Realität, und wenn sich die Realität als surreal herausstellt, dann ist sie das. Die Quantentheorie ist das beste Beispiel für die Leistungsfähigkeit der wissenschaftlichen Methode. Ohne die sorgfältigsten und detailliertesten Experimente wäre niemand auf die Idee gekommen, und die theoretischen Physiker, die es geschaffen haben, waren in der Lage, ihre tief verwurzelten, bequemen Überzeugungen über die Welt beiseite zu legen, um die vor ihnen liegenden Beweise zu erklären. Vielleicht ist das Geheimnis der Vakuumenergie ein Aufruf zu neuen Quantenreisen; vielleicht wird der LHC neue und ungeklärte Daten liefern; Vielleicht ist alles, was in diesem Buch enthalten ist, nur eine Annäherung an ein viel tieferes Bild – der erstaunliche Weg zum Verständnis unseres Quantenuniversums geht weiter.

Als wir gerade über dieses Buch nachgedacht haben, haben wir einige Zeit darüber gestritten, wie wir es beenden sollten. Ich wollte eine Widerspiegelung der intellektuellen und praktischen Kraft der Quantentheorie finden, die selbst den skeptischsten Leser davon überzeugt, dass die Wissenschaft wirklich in jedem Detail das widerspiegelt, was in der Welt geschieht. Wir waren uns beide einig, dass eine solche Reflexion existiert, obwohl sie ein gewisses Verständnis der Algebra erfordert. Wir haben unser Bestes versucht, ohne sorgfältige Betrachtung der Gleichungen zu argumentieren, aber es gibt keine Möglichkeit, dies zu vermeiden, also geben wir zumindest eine Warnung. Damit endet unser Buch hier, auch wenn Sie gerne mehr hätten. Der Epilog enthält unserer Meinung nach die überzeugendste Demonstration der Leistungsfähigkeit der Quantentheorie. Viel Glück – und gute Reise.

Epilog: Tod der Sterne

Wenn viele Sterne sterben, entstehen am Ende superdichte Kugeln aus Kernmaterie, in denen viele Elektronen verflochten sind. Das sind die sogenannten Weißen Zwerge. Dies wird das Schicksal unserer Sonne sein, wenn ihr in etwa 5 Milliarden Jahren die Kernbrennstoffreserven ausgehen, und das Schicksal von mehr als 95 % der Sterne in unserer Galaxie. Mit nur einem Stift, Papier und einem kleinen Kopf lässt sich die größtmögliche Masse solcher Sterne berechnen. Diese Berechnungen, die erstmals 1930 von Subramanian Chandrasekhar durchgeführt wurden, nutzten Quantentheorie und Relativitätstheorie, um zwei klare Vorhersagen zu treffen. Erstens war es eine Vorhersage der Existenz von Weißen Zwergen – Materiekugeln, die nach dem Pauli-Prinzip durch die Kraft ihrer eigenen Schwerkraft vor der Zerstörung bewahrt werden. Zweitens, wenn wir unsere Gedanken von dem Blatt Papier mit allerlei theoretischem Gekritzel ablenken und in den Nachthimmel schauen, werden wir niemals Wir werden keinen Weißen Zwerg sehen, dessen Masse mehr als das 1,4-fache der Masse unserer Sonne beträgt. Beide Annahmen sind unglaublich mutig.

Heute haben Astronomen bereits etwa 10.000 Weiße Zwerge katalogisiert. Die meisten von ihnen haben eine Masse von etwa 0,6 Sonnenmassen, und die größte jemals gemessene Masse ist es ein bisschen weniger 1,4 Sonnenmassen. Diese Zahl, 1,4, ist ein Beweis für den Siegeszug der wissenschaftlichen Methode. Es basiert auf einem Verständnis der Kernphysik, der Quantenphysik und Einsteins spezieller Relativitätstheorie – den drei Säulen der Physik des 20. Jahrhunderts. Zu ihrer Berechnung bedarf es auch grundlegender Naturkonstanten, denen wir in diesem Buch bereits begegnet sind. Am Ende des Epilogs werden wir herausfinden, dass die maximale Masse durch das Verhältnis bestimmt wird

Schauen Sie sich genau an, was wir aufgeschrieben haben: Das Ergebnis hängt vom Planckschen Wirkungsquantum, der Lichtgeschwindigkeit, der Newtonschen Gravitationskonstante und der Masse des Protons ab. Es ist erstaunlich, dass wir die höchste Masse eines sterbenden Sterns mithilfe einer Kombination fundamentaler Konstanten vorhersagen können. Die dreiteilige Kombination aus Schwerkraft, Relativität und Wirkungsquantum, die in der Gleichung erscheint ( hc/G)½ heißt Planck-Masse, und wenn man die Zahlen ersetzt, stellt sich heraus, dass sie ungefähr 55 μg entspricht, also der Masse eines Sandkorns. Daher wird die Chandrasekhar-Grenze seltsamerweise aus zwei Massen berechnet – einem Sandkorn und einem Proton. Aus solch unbedeutenden Mengen wird eine neue grundlegende Masseneinheit des Universums gebildet – die Masse eines sterbenden Sterns. Wir könnten endlos darüber reden, wie die Chandrasekhar-Grenze ermittelt wird, aber stattdessen gehen wir etwas weiter: Wir beschreiben die eigentlichen Berechnungen, weil sie den faszinierendsten Teil des Prozesses darstellen. Wir werden nicht das genaue Ergebnis erhalten (1,4 Sonnenmassen), aber wir werden näher daran herankommen und sehen, wie professionelle Physiker durch eine Abfolge sorgfältig durchdachter logischer Schritte, die sich ständig auf bekannte physikalische Prinzipien berufen, zu tiefgreifenden Schlussfolgerungen gelangen. Zu keinem Zeitpunkt müssen Sie sich auf unser Wort verlassen. Mit kühlem Kopf werden wir langsam und unaufhaltsam zu absolut erstaunlichen Schlussfolgerungen gelangen.

Beginnen wir mit der Frage: Was ist ein Stern? Man kann mit ziemlicher Sicherheit sagen, dass das sichtbare Universum aus Wasserstoff und Helium besteht, zwei der einfachsten Elemente, die in den ersten Minuten nach dem Urknall entstanden sind. Nach etwa einer halben Milliarde Jahren der Expansion wurde das Universum so kalt, dass sich dichtere Regionen in Gaswolken unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft zusammenballten. Dies waren die ersten Anfänge von Galaxien, und in ihnen begannen sich um kleinere „Klumpen“ die ersten Sterne zu bilden.

Das Gas in diesen Prototypsternen wurde heißer, als sie kollabierten, wie jeder mit einer Fahrradpumpe weiß: Gas wird heißer, wenn es komprimiert wird. Wenn das Gas eine Temperatur von etwa 100.000℃ erreicht, können die Elektronen nicht mehr auf Umlaufbahnen um die Wasserstoff- und Heliumkerne gehalten werden und die Atome zerfallen und bilden ein heißes Plasma aus Kernen und Elektronen. Das heiße Gas versucht sich auszudehnen und widersteht einem weiteren Kollaps, doch wenn genügend Masse vorhanden ist, übernimmt die Schwerkraft die Oberhand.

Da Protonen eine positive elektrische Ladung haben, stoßen sie sich gegenseitig ab. Doch der Gravitationskollaps wird stärker, die Temperatur steigt weiter und die Protonen beginnen sich schneller zu bewegen. Mit der Zeit bewegen sich die Protonen bei Temperaturen von mehreren Millionen Grad möglichst schnell und nähern sich einander an, so dass die schwache Kernkraft überwiegt. Dabei können die beiden Protonen miteinander reagieren: Eines von ihnen wird spontan zum Neutron und emittiert gleichzeitig ein Positron und ein Neutrino (genau wie in Abb. 11.3 dargestellt). Von der Kraft der elektrischen Abstoßung befreit, verschmelzen Proton und Neutron durch die starke Kernkraft zu einem Deuteron. Dabei wird eine enorme Energiemenge freigesetzt, denn wie bei der Bildung eines Wasserstoffmoleküls wird beim Zusammenbinden von etwas Energie freigesetzt.

Eine einzelne Protonenfusion setzt im Alltagsmaßstab sehr wenig Energie frei. Eine Million Protonenpaarfusionen erzeugen Energie, die der kinetischen Energie einer fliegenden Mücke oder der Strahlungsenergie einer 100-Watt-Glühbirne pro Nanosekunde entspricht. Aber auf atomarer Skala ist das eine gigantische Menge; Denken Sie außerdem daran, dass es sich um den dichten Kern einer kollabierenden Gaswolke handelt, in der die Anzahl der Protonen pro 1 cm³ 1026 erreicht. Wenn alle Protonen in einem Kubikzentimeter zu Deuteronen verschmelzen würden, würden 10¹³ Joule Energie freigesetzt – genug um den Jahresbedarf einer Kleinstadt zu decken.

Die Verschmelzung zweier Protonen zu einem Deuteron ist der Beginn der ungezügeltsten Fusion. Dieses Deuteron selbst versucht, mit einem dritten Proton zu verschmelzen, ein leichteres Heliumisotop (Helium-3) zu bilden und ein Photon auszusenden. Diese Heliumkerne bilden dann ein Paar und verschmelzen zu normalem Helium (Helium-4), das zwei Protonen aussendet. In jeder Synthesestufe wird immer mehr Energie freigesetzt. Darüber hinaus verschmilzt das Positron, das ganz am Anfang der Transformationskette erschien, ebenfalls schnell mit einem Elektron im umgebenden Plasma und bildet ein Photonenpaar. Die gesamte freigesetzte Energie wird in ein heißes Gas aus Photonen, Elektronen und Kernen geleitet, das der Kompression der Materie widersteht und den Gravitationskollaps stoppt. Dies ist ein Stern: Durch Kernfusion wird der Kernbrennstoff im Inneren verbrannt, wodurch ein äußerer Druck entsteht, der den Stern stabilisiert und einen Gravitationskollaps verhindert.

Natürlich geht irgendwann der Wasserstoff-Treibstoff aus, denn seine Menge ist endlich. Wenn keine Energie mehr freigesetzt wird, hört der äußere Druck auf, die Schwerkraft übernimmt wieder und der Stern setzt seinen verzögerten Kollaps fort. Wenn ein Stern massereich genug ist, kann sein Kern Temperaturen von etwa 100.000.000 ℃ erreichen. In diesem Stadium entzündet sich Helium – ein Nebenprodukt der Verbrennung von Wasserstoff – und beginnt mit der Synthese unter Bildung von Kohlenstoff und Sauerstoff, und der Gravitationskollaps stoppt erneut.

Aber was passiert, wenn der Stern nicht massereich genug ist, um eine Heliumfusion zu ermöglichen? Etwas äußerst Überraschendes passiert mit Sternen, deren Masse weniger als die Hälfte der Masse unserer Sonne beträgt. Wenn der Stern kollabiert, erwärmt er sich, doch noch bevor der Kern eine Temperatur von 100.000.000 °C erreicht, stoppt etwas den Kollaps. Dieses Etwas ist der Druck von Elektronen, der dem Pauli-Prinzip gehorcht. Wie wir bereits wissen, ist das Pauli-Prinzip von entscheidender Bedeutung für das Verständnis, wie Atome stabil bleiben. Es liegt den Eigenschaften der Materie zugrunde. Und hier liegt noch ein weiterer Vorteil: Es erklärt die Existenz kompakter Sterne, die weiter existieren, obwohl ihr gesamter Kernbrennstoff bereits erschöpft ist. Wie funktioniert es?

Wenn sich ein Stern zusammenzieht, beginnen die Elektronen in seinem Inneren, weniger Volumen einzunehmen. Wir können das Elektron eines Sterns anhand seines Impulses darstellen P, wodurch es mit der de Broglie-Wellenlänge in Verbindung gebracht wird, h/p. Denken Sie daran, dass ein Teilchen nur durch ein Wellenpaket beschrieben werden kann, das mindestens so groß ist wie die ihm zugeordnete Wellenlänge. Das heißt, wenn der Stern dicht genug ist, sollten die Elektronen einander überlappen, das heißt, sie können nicht als durch isolierte Wellenpakete beschrieben angesehen werden. Das wiederum bedeutet, dass die Effekte der Quantenmechanik, insbesondere des Pauli-Prinzips, für die Beschreibung von Elektronen wichtig sind. Die Elektronen werden zusammengedrängt, bis zwei Elektronen um die gleiche Position konkurrieren, und das Pauli-Prinzip besagt, dass Elektronen dies nicht können. So vermeiden die Elektronen in einem sterbenden Stern einander, was dazu beiträgt, einen weiteren Gravitationskollaps zu vermeiden.

Dies ist das Schicksal leichterer Sterne. Was passiert mit der Sonne und anderen Sternen ähnlicher Masse? Wir haben sie vor ein paar Absätzen verlassen, als wir Helium zu Kohlenstoff und Wasserstoff verbrannten. Was passiert, wenn auch das Helium ausgeht? Auch sie müssen unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft beginnen, sich zu komprimieren, das heißt, die Elektronen werden dichter. Und das Pauli-Prinzip wird, wie im Fall leichterer Sterne, irgendwann eingreifen und den Kollaps stoppen. Aber für die massereichsten Sterne ist nicht einmal das Pauli-Prinzip allmächtig. Wenn sich der Stern zusammenzieht und die Elektronen dichter werden, erwärmt sich der Kern und die Elektronen beginnen sich schneller zu bewegen. In Sternen, die schwer genug sind, nähern sich die Elektronen der Lichtgeschwindigkeit, und dann passiert etwas Neues. Wenn Elektronen beginnen, sich mit dieser Geschwindigkeit zu bewegen, verringert sich der Druck, den die Elektronen aufbauen können, um der Schwerkraft zu widerstehen, und sie sind nicht mehr in der Lage, dieses Problem zu lösen. Sie können die Schwerkraft einfach nicht mehr bekämpfen und den Zusammenbruch stoppen. Unsere Aufgabe in diesem Kapitel besteht darin, zu berechnen, wann dies passieren wird, und den unterhaltsamen Teil haben wir bereits behandelt. Wenn die Masse des Sterns das 1,4-fache oder mehr der Sonnenmasse beträgt, verlieren Elektronen und die Schwerkraft gewinnt.

Damit endet die Überprüfung, die als Grundlage für unsere Berechnungen dienen wird. Jetzt können wir weitermachen und die Kernfusion vergessen, denn brennende Sterne liegen außerhalb unseres Interessenbereichs. Wir werden versuchen zu verstehen, was im Inneren toter Sterne passiert. Wir werden versuchen zu verstehen, wie der Quantendruck kondensierter Elektronen die Schwerkraft ausgleicht und wie dieser Druck abnimmt, wenn sich die Elektronen zu schnell bewegen. Der Kern unserer Forschung ist daher die Konfrontation zwischen Schwerkraft und Quantendruck.

Obwohl dies alles für die späteren Berechnungen nicht so wichtig ist, können wir an der interessantesten Stelle nicht alles aufgeben. Wenn ein massereicher Stern kollabiert, bleiben ihm zwei Möglichkeiten. Wenn es nicht zu schwer ist, komprimiert es Protonen und Elektronen weiter, bis sie zu Neutronen synthetisiert werden. Somit wandeln sich ein Proton und ein Elektron spontan in ein Neutron unter Emission von Neutrinos um, wiederum aufgrund der schwachen Kernkraft. Auf ähnliche Weise verwandelt sich der Stern unaufhaltsam in eine kleine Neutronenkugel. Laut dem russischen Physiker Lev Landau wird der Stern zu „einem riesigen Kern“. Landau schrieb dies in seiner Arbeit „Toward a Theory of Stars“ von 1932, die im selben Monat im Druck erschien, in dem James Chadwick das Neutron entdeckte. Es wäre wahrscheinlich zu gewagt zu sagen, dass Landau die Existenz von Neutronensternen vorhergesagt hat, aber er hat definitiv etwas Ähnliches vorausgesehen, und zwar mit großer Weitsicht. Vielleicht sollte Walter Baade und Fritz Zwicky Vorrang eingeräumt werden, die 1933 schrieben: „Wir haben allen Grund anzunehmen, dass Supernovae einen Übergang von gewöhnlichen Sternen zu Neutronensternen darstellen, die im Endstadium ihrer Existenz aus extrem dicht gepackten Neutronen bestehen.“ .“

Die Idee war so abwegig, dass sie in der Los Angeles Times parodiert wurde (siehe Abbildung 12.1), und Neutronensterne blieben bis Mitte der 1960er Jahre eine theoretische Kuriosität.

Im Jahr 1965 fanden Anthony Hewish und Samuel Okoye „Beweise für eine ungewöhnliche Hochtemperatur-Radiohelligkeitsquelle im Krebsnebel“, obwohl sie die Quelle nicht als Neutronenstern identifizieren konnten. Die Identifizierung erfolgte 1967 dank Joseph Shklovsky und bald, nach detaillierteren Recherchen, dank Jocelyn Bell und demselben Hewish. Das erste Beispiel eines der exotischsten Objekte im Universum wurde Hewish-Okoye-Pulsar genannt. Interessanterweise wurde dieselbe Supernova, die den Huish-Okoye-Pulsar hervorbrachte, 1000 Jahre zuvor von Astronomen bemerkt. Die Große Supernova von 1054, die hellste in der aufgezeichneten Geschichte, wurde von chinesischen Astronomen und, wie aus einer berühmten Höhlenmalerei bekannt ist, von den Bewohnern des Chaco Canyon im Südwesten der USA beobachtet.

Wir haben noch nicht darüber gesprochen, wie es diesen Neutronen gelingt, der Schwerkraft zu widerstehen und einen weiteren Kollaps zu verhindern, aber vielleicht können Sie selbst erraten, warum das passiert. Neutronen sind (wie Elektronen) Sklaven des Pauli-Prinzips. Sie können auch den Kollaps stoppen, und Neutronensterne sind wie Weiße Zwerge eine der Möglichkeiten, das Leben eines Sterns zu beenden. Neutronensterne sind eigentlich eine Abkehr von unserer Geschichte, aber wir kommen nicht umhin zu bemerken, dass es sich dabei um ganz besondere Objekte in unserem großartigen Universum handelt: Es handelt sich um stadtgroße Sterne, die so dicht sind, dass ein Teelöffel ihrer Substanz so viel wiegt wie ein Berg Auf der Erde zerfallen sie nicht nur aufgrund der natürlichen „Feindseligkeit“ von Teilchen mit demselben Spin zueinander.

Für die massereichsten Sterne im Universum gibt es nur noch eine Möglichkeit. In diesen Sternen bewegen sich sogar Neutronen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit. Solchen Sternen droht eine Katastrophe, weil Neutronen nicht in der Lage sind, genügend Druck zu erzeugen, um der Schwerkraft zu widerstehen. Es gibt keinen bekannten physikalischen Mechanismus, der verhindern könnte, dass der Kern eines Sterns, der etwa die dreifache Masse der Sonne hat, in sich zusammenfällt und ein Schwarzes Loch entsteht: ein Ort, an dem alle bekannten Gesetze der Physik außer Kraft gesetzt sind. Man geht davon aus, dass die Naturgesetze immer noch gelten, aber um das Innenleben eines Schwarzen Lochs vollständig zu verstehen, bedarf es einer Quantentheorie der Schwerkraft, die es noch nicht gibt.

Es ist jedoch an der Zeit, auf den Punkt zurückzukommen und uns auf unsere beiden Ziele zu konzentrieren: den Nachweis der Existenz von Weißen Zwergen und die Berechnung der Chandrasekhar-Grenze. Wir wissen, was zu tun ist: Wir müssen Schwerkraft und Elektronendruck ausgleichen. Solche Berechnungen können nicht im Kopf durchgeführt werden, daher lohnt es sich, einen Aktionsplan zu entwerfen. Hier ist also der Plan; Es ist ziemlich lang, weil wir zunächst einige kleinere Details klären und den Grundstein für die eigentlichen Berechnungen legen wollen.

Schritt 1: Wir müssen bestimmen, welchen Druck die stark komprimierten Elektronen im Inneren des Sterns ausüben. Sie fragen sich vielleicht, warum wir anderen Teilchen im Inneren eines Sterns keine Aufmerksamkeit schenken: Was ist mit Kernen und Photonen? Photonen gehorchen nicht dem Pauli-Ausschlussprinzip, daher werden sie den Stern irgendwann sowieso verlassen. Sie sind keine Hilfe im Kampf gegen die Schwerkraft. Was Kerne betrifft, so gehorchen Kerne mit halbzahligem Spin dem Pauli-Ausschlussprinzip, aber (wie wir sehen werden) üben sie aufgrund ihrer größeren Masse weniger Druck aus als Elektronen, und ihr Beitrag zum Kampf gegen die Schwerkraft kann getrost ignoriert werden. Dies vereinfacht das Problem erheblich: Alles, was wir brauchen, ist Elektronendruck. Beruhigen wir uns damit.

Schritt 2: Nachdem wir den Elektronendruck berechnet haben, müssen wir uns mit Gleichgewichtsfragen befassen. Es kann unklar sein, was als nächstes zu tun ist. Es ist eine Sache zu sagen, dass „die Schwerkraft drückt und Elektronen diesem Druck widerstehen“, aber es ist eine ganz andere, mit Zahlen zu operieren. Der Druck im Inneren des Sterns variiert: Im Zentrum ist er größer und an der Oberfläche geringer. Das Vorhandensein von Druckunterschieden ist sehr wichtig. Stellen Sie sich einen Würfel aus Sternmaterie vor, der sich irgendwo im Inneren eines Sterns befindet, wie in Abb. 12.2. Die Schwerkraft wird den Würfel zum Zentrum des Sterns lenken, und wir müssen verstehen, wie der Elektronendruck dem entgegenwirkt. Der Druck der Elektronen im Gas übt eine Wirkung auf jede der sechs Flächen des Würfels aus, und diese Wirkung entspricht dem Druck auf der Fläche multipliziert mit der Fläche dieser Fläche. Diese Aussage ist zutreffend. Zuvor haben wir das Wort „Druck“ verwendet, vorausgesetzt, wir hatten ein ausreichendes intuitives Verständnis dafür, dass ein Gas bei hohem Druck stärker „drückt“ als bei niedrigem Druck. Eigentlich kennt das jeder, der schon einmal einen leeren Autoreifen aufgepumpt hat.

Reis. 12.2. Ein kleiner Würfel irgendwo in der Mitte des Sterns. Die Pfeile zeigen die Kraft, die von den Elektronen im Stern auf den Würfel wirkt

Da wir die Natur des Drucks richtig verstehen müssen, machen wir einen kurzen Ausflug in vertrauteres Gebiet. Schauen wir uns das Beispiel eines Reifens an. Ein Physiker würde sagen, dass der Reifen Luft verliert, weil der innere Luftdruck nicht ausreicht, um das Gewicht des Autos zu tragen, ohne den Reifen zu verformen – deshalb werden wir Physiker geschätzt. Wir können darüber hinausgehen und berechnen, wie hoch der Reifendruck für ein Auto mit 1500 kg sein müsste, wenn 5 cm des Reifens ständigen Kontakt mit der Oberfläche hätten, wie in Abb. 12.3: Es ist wieder Zeit für Tafel, Kreide und Lappen.

Wenn die Breite des Reifens 20 cm beträgt und die Länge der mit der Straße in Kontakt stehenden Oberfläche 5 cm beträgt, beträgt die Oberfläche des Reifens in direktem Kontakt mit dem Boden 20 × 5 = 100 cm³ . Wir kennen den erforderlichen Reifendruck noch nicht – wir müssen ihn berechnen, also kennzeichnen wir ihn mit dem Symbol R. Wir müssen auch die Kraft kennen, die die Luft im Reifen auf die Straße ausübt. Er entspricht dem Druck multipliziert mit der Fläche des Reifens, die die Straße berührt P× 100 cm². Das müssen wir noch mit 4 multiplizieren, da ein Auto bekanntlich vier Reifen hat: P× 400 cm². Dies ist die Gesamtkraft der Luft in den Reifen, die auf die Straßenoberfläche wirkt. Stellen Sie sich das so vor: Ein Luftmolekül im Inneren eines Reifens wird auf den Boden geschlagen (um genau zu sein, es wird vom Gummi des Reifens, der Kontakt mit dem Boden hat, geschlagen, aber das ist nicht so wichtig).

Die Erde versagt in diesem Fall normalerweise nicht, das heißt, sie reagiert mit gleicher, aber entgegengesetzter Kraft (Hurra, endlich ist Newtons drittes Gesetz für uns nützlich). Das Auto wird durch die Erde angehoben und durch die Schwerkraft abgesenkt, und da es nicht im Boden versinkt oder in der Luft schwebt, verstehen wir, dass diese beiden Kräfte einander ausgleichen müssen. Somit kann davon ausgegangen werden, dass die Kraft P× 400 cm² wird durch den Abtrieb der Schwerkraft ausgeglichen. Diese Kraft entspricht dem Gewicht des Autos und wir wissen, wie man sie mithilfe des zweiten Newtonschen Gesetzes berechnet F = ma, Wo A– Erdbeschleunigung, die 9,81 m/s² beträgt. Das Gewicht beträgt also 1500 kg × 9,8 m/s² = 14.700 N (Newton: 1 Newton entspricht ungefähr 1 kg m/s², was ungefähr dem Gewicht eines Apfels entspricht). Da die beiden Kräfte also gleich sind

P × 400 cm² = 14.700 N.

Diese Gleichung ist leicht zu lösen: P= (14.700 / 400) N/cm² = 36,75 N/cm². Ein Druck von 36,75 H pro cm² ist vielleicht keine sehr gebräuchliche Art, den Reifendruck auszudrücken, lässt sich aber leicht in die bekannteren „Bars“ umrechnen.

Reis. 12.3. Unter dem Gewicht des Autos verformt sich der Reifen leicht.

Ein Bar ist der Standardluftdruck, der 101.000 N pro m² entspricht. 1 m² enthält 10.000 cm², also sind 101.000 N pro m² 10,1 N pro cm². Unser gewünschter Reifendruck beträgt also 36,75 / 10,1 = 3,6 bar (oder 52 psi – das können Sie selbst herausfinden). Anhand unserer Gleichung können wir auch verstehen, dass bei einem Abfall des Reifendrucks um 50 % auf 1,8 bar die Kontaktfläche des Reifens mit der Fahrbahn verdoppelt wird, das heißt, der Reifen verliert leicht an Luft. Nach diesem erfrischenden Ausflug in die Druckberechnungen sind wir bereit, zu dem in Abb. gezeigten Würfel aus Sternmaterie zurückzukehren. 12.2.

Wenn die Unterseite des Würfels näher an der Mitte des Sterns liegt, sollte der Druck darauf etwas größer sein als der Druck auf die Oberseite. Dieser Druckunterschied erzeugt eine auf den Würfel wirkende Kraft, die dazu neigt, ihn vom Zentrum des Sterns wegzudrücken („nach oben“ in der Abbildung), was wir erreichen wollen, weil gleichzeitig der Würfel vorbeigeschoben wird Schwerkraft in Richtung der Mitte des Sterns („unten“ in der Abbildung). Wenn wir herausfinden könnten, wie wir diese beiden Kräfte kombinieren können, würden wir unser Verständnis eines Sterns verbessern. Aber das ist leichter gesagt als getan, denn obwohl Schritt 1 Damit wir verstehen können, wie groß der Elektronendruck auf dem Würfel ist, müssen wir noch berechnen, wie groß der Gravitationsdruck in der Gegenrichtung ist. Übrigens muss der Druck auf die Seitenflächen des Würfels nicht berücksichtigt werden, da diese gleich weit von der Mitte des Sterns entfernt sind, sodass der Druck auf der linken Seite den Druck auf der rechten Seite ausgleicht, und Der Würfel bewegt sich weder nach rechts noch nach links.

Um herauszufinden, wie viel Kraft die Schwerkraft auf einen Würfel einwirkt, müssen wir zum Newtonschen Anziehungsgesetz zurückkehren, das besagt, dass jedes Stück Sternmaterie auf unseren Würfel mit einer Kraft einwirkt, die mit zunehmender Entfernung, also weiter entfernten Materiestücken, abnimmt drücken Sie weniger als nähere. Die Tatsache, dass der Gravitationsdruck auf unserem Würfel für verschiedene Stücke Sternmaterie je nach Entfernung unterschiedlich ist, scheint ein schwieriges Problem zu sein, aber wir werden sehen, wie wir diesen Punkt zumindest im Prinzip umgehen können: Wir schneiden den Stern in Stücke und dann berechnen wir die Kraft, die jedes dieser Teile auf unseren Würfel ausübt. Glücklicherweise ist es nicht nötig, den kulinarischen Star-Cut einzuführen, denn es gibt einen tollen Workaround, den Sie nutzen können. Das Gaußsche Gesetz (benannt nach dem legendären deutschen Mathematiker Carl Gauß) besagt: a) Wir können die Anziehungskraft aller Teile, die weiter vom Zentrum des Sterns entfernt sind als unser Würfel, völlig ignorieren; b) Der gesamte Gravitationsdruck aller Teile näher am Zentrum ist genau gleich dem Druck, den diese Teile ausüben würden, wenn sie genau im Zentrum des Sterns wären. Unter Verwendung des Gaußschen Gesetzes und des Newtonschen Anziehungsgesetzes können wir schließen, dass auf den Würfel eine Kraft ausgeübt wird, die ihn in Richtung der Mitte des Sterns drückt, und dass diese Kraft gleich ist

Wo Mindest– die Masse eines Sterns innerhalb einer Kugel, deren Radius gleich dem Abstand vom Mittelpunkt zum Würfel ist, Mcube ist die Masse des Würfels und R– Abstand vom Würfel zum Mittelpunkt des Sterns ( G– Newtonsche Konstante). Wenn sich beispielsweise ein Würfel auf der Oberfläche eines Sterns befindet, dann Mindest ist die Gesamtmasse des Sterns. Für alle anderen Standorte Mindest es wird weniger sein.

Wir haben einige Erfolge erzielt, denn um die Auswirkungen auf den Würfel auszugleichen (denken Sie daran, dass sich der Würfel nicht bewegt und der Stern nicht explodiert oder zusammenbricht), ist dies erforderlich

Wo Unten Und Ptop ist der Druck der Gaselektronen auf der Unter- bzw. Oberseite des Würfels und A ist die Fläche jeder Seite des Würfels (denken Sie daran, dass die durch Druck ausgeübte Kraft gleich Druck mal Fläche ist). Wir haben diese Gleichung mit der Nummer (1) markiert, weil sie sehr wichtig ist und wir später darauf zurückkommen werden.

Schritt 3: Machen Sie sich einen Tee und genießen Sie es, denn sobald Sie fertig sind Schritt 1, wir haben den Druck berechnet Unten Und Ptop, und dann Schritt 2 Es wurde klar, wie genau die Kräfte ausgeglichen werden sollten. Die Hauptarbeit liegt jedoch noch vor uns, denn wir müssen fertig werden Schritt 1 und bestimmen Sie die Druckdifferenz, die auf der linken Seite von Gleichung (1) erscheint. Das wird unsere nächste Aufgabe sein.

Stellen Sie sich einen Stern voller Elektronen und anderer Teilchen vor. Wie werden diese Elektronen gestreut? Achten wir auf das „typische“ Elektron. Wir wissen, dass Elektronen dem Pauli-Ausschlussprinzip gehorchen, was bedeutet, dass sich keine zwei Elektronen im selben Raumbereich befinden können. Was bedeutet das für das Elektronenmeer, das wir in unserem Stern „Gaselektronen“ nennen? Da die Elektronen offensichtlich voneinander getrennt sind, können wir davon ausgehen, dass sich jedes in seinem eigenen imaginären Miniaturwürfel im Inneren des Sterns befindet. Tatsächlich ist dies nicht ganz richtig, da wir wissen, dass Elektronen in zwei Arten unterteilt werden – „mit Spin-up“ und „mit Spin-down“, und das Pauli-Prinzip nur die Nähe identischer Teilchen verbietet, d. h. theoretisch kann es solche geben und zwei Elektronen. Dies steht im Gegensatz zu der Situation, die entstehen würde, wenn Elektronen nicht dem Pauli-Ausschlussprinzip gehorchen würden. In diesem Fall würden sie nicht paarweise in „virtuellen Containern“ sitzen. Sie würden sich ausbreiten und viel mehr Wohnraum genießen. Wenn es tatsächlich möglich wäre, die verschiedenen Arten der Wechselwirkung von Elektronen untereinander und mit anderen Teilchen in einem Stern zu ignorieren, gäbe es für ihren Lebensraum keine Grenzen. Wir wissen, was passiert, wenn wir ein Quantenteilchen einschränken: Es springt gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation, und je stärker es eingeschränkt wird, desto mehr Sprünge macht es. Das bedeutet, dass die Elektronen beim Zusammenbruch unseres Weißen Zwergs immer stärker eingeschlossen und zunehmend angeregt werden. Es ist der durch ihre Erregung verursachte Druck, der den Gravitationskollaps stoppt.

Wir können sogar noch weiter gehen, weil wir die Heisenbergsche Unschärferelation anwenden können, um den typischen Impuls eines Elektrons zu berechnen. Wenn wir beispielsweise ein Elektron auf einen Größenbereich beschränken Δx, es wird mit typischem Schwung springen P ~ h/Δx. Tatsächlich wird sich der Impuls, wie wir in Kapitel 4 sagten, der Obergrenze nähern, und ein typischer Impuls wird irgendwo zwischen Null und diesem Wert liegen; Merken Sie sich diese Informationen, wir werden sie später brauchen. Wenn Sie die Dynamik kennen, können Sie sofort zwei weitere Dinge wissen. Erstens: Wenn Elektronen nicht dem Pauli-Prinzip gehorchen, sind sie auf einen Bereich beschränkt, der nicht so groß ist Δx, aber viel größer. Das wiederum bedeutet viel weniger Schwingungen, und je weniger Schwingungen, desto weniger Druck. Es ist also klar, dass das Pauli-Prinzip ins Spiel kommt; Es übt einen so starken Druck auf die Elektronen aus, dass sie gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation übermäßige Schwingungen zeigen. Nach einer Weile werden wir die Idee der übermäßigen Schwingungen in die Druckformel umwandeln, aber zuerst werden wir herausfinden, was „zweitens“ passieren wird. Seit dem Impuls p = mv, dann hat die Schwingungsgeschwindigkeit auch einen umgekehrten Zusammenhang mit der Masse, Elektronen springen also viel schneller hin und her als schwerere Kerne, die ebenfalls Teil des Sterns sind. Deshalb ist der Druck von Atomkernen vernachlässigbar.

Wie kann man also, wenn man den Impuls eines Elektrons kennt, den Druck berechnen, der von einem aus diesen Elektronen bestehenden Gas ausgeübt wird? Zuerst müssen Sie herausfinden, wie groß die Blöcke sein sollten, die Elektronenpaare enthalten. Unsere kleinen Blöcke haben ein Volumen von ( Δx)³, und da wir alle Elektronen im Inneren des Sterns unterbringen müssen, kann dies als Anzahl der Elektronen im Inneren des Sterns ausgedrückt werden ( N), geteilt durch das Volumen des Sterns ( V). Um alle Elektronen unterzubringen, benötigen Sie genau N/ 2 Behälter, da jeder Behälter zwei Elektronen aufnehmen kann. Das bedeutet, dass jeder Behälter das Volumen einnimmt V, geteilt durch N/ 2, das ist 2( V/N). Wir werden die Menge immer wieder benötigen N/V(die Anzahl der Elektronen pro Volumeneinheit in einem Stern), also geben wir ihm ein eigenes Symbol N. Jetzt können wir aufschreiben, wie groß das Volumen der Behälter sein sollte, damit alle Elektronen des Sterns hineinpassen, also ( Δx)³ = 2 / N. Wenn wir die Kubikwurzel von der rechten Seite der Gleichung ziehen, können wir das ableiten

Dies können wir nun auf unseren aus der Unschärferelation abgeleiteten Ausdruck beziehen und den typischen Impuls von Elektronen anhand ihrer Quantenschwingungen berechnen:

p~ H(N/ 2)⅓, (2)

wobei das ~-Zeichen „ungefähr gleich“ bedeutet. Natürlich kann die Gleichung nicht exakt sein, da nicht alle Elektronen auf die gleiche Weise schwingen können: Einige bewegen sich schneller als üblich, andere langsamer. Das Heisenberg-Unschärfeprinzip kann nicht genau sagen, wie viele Elektronen sich mit einer Geschwindigkeit bewegen und wie viele mit einer anderen. Dies ermöglicht eine näherungsweise Aussage: Komprimiert man beispielsweise die Region eines Elektrons, so schwingt es mit einem Impuls von etwa gleich h/Δx. Wir nehmen diesen typischen Impuls und machen ihn für alle Elektronen gleich. Dadurch verlieren wir ein wenig an Genauigkeit der Berechnungen, gewinnen aber deutlich an Einfachheit und die Physik des Phänomens wird auf jeden Fall gleich bleiben.

Wir kennen jetzt die Geschwindigkeit der Elektronen und können so den Druck bestimmen, den sie auf unseren Würfel ausüben. Um dies zu sehen, stellen Sie sich eine ganze Flotte von Elektronen vor, die sich mit derselben Geschwindigkeit in die gleiche Richtung bewegen ( v) in Richtung des direkten Spiegels. Sie treffen auf den Spiegel und prallen zurück, wobei sie sich mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen, aber dieses Mal in die entgegengesetzte Richtung. Berechnen wir die Kraft, mit der die Elektronen auf den Spiegel wirken. Danach können Sie mit realistischeren Berechnungen für Fälle fortfahren, in denen sich Elektronen in verschiedene Richtungen bewegen. Diese Methodik ist in der Physik weit verbreitet: Zuerst sollten Sie über eine einfachere Version des Problems nachdenken, das Sie lösen möchten. Auf diese Weise können Sie die Physik des Phänomens mit weniger Problemen verstehen und Vertrauen gewinnen, um ein schwerwiegenderes Problem zu lösen.

Stellen Sie sich vor, dass eine Elektronenflotte aus besteht N Partikel pro m³ und hat der Einfachheit halber eine Fläche von 1 m² im Kreisabschnitt, wie in Abb. 12.4. In einer Sekunde nv Elektronen treffen auf den Spiegel (falls v gemessen in Metern pro Sekunde).

Reis. 12.4. Eine Flotte von Elektronen (kleine Punkte), die sich in die gleiche Richtung bewegen. Alle Elektronen in einer Röhre dieser Größe treffen jede Sekunde auf den Spiegel

Verwandte Informationen.

Standardmodell in der Teilchenphysik ein theoretisches Konstrukt, das die elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkungen aller Elementarteilchen beschreibt. Das Standardmodell berücksichtigt die Schwerkraft nicht.
Das Standardmodell besteht aus den folgenden Bestimmungen.
Die Wechselwirkungsträgerpartikel sind:

Im Gegensatz zur elektromagnetischen und starken Wechselwirkung kann die schwache Wechselwirkung Fermionen verschiedener Generationen vermischen, was zur Instabilität aller Teilchen außer den leichtesten und zu Effekten wie der Störung der Neutrino-CP-Oszillationen führt.

Bisher wurden alle Vorhersagen des Standardmodells durch Experimente bestätigt, teilweise mit einer fantastischen Genauigkeit von millionstel Prozent. Erst in den letzten Jahren zeichneten sich erste Ergebnisse ab, bei denen die Vorhersagen des Standardmodells leicht vom Experiment abweichen. Andererseits ist es offensichtlich, dass das Standardmodell nicht das letzte Wort in der Teilchenphysik sein kann, da es zu viele externe Parameter enthält und auch die Schwerkraft nicht berücksichtigt. Daher ist die Suche nach Abweichungen vom Standardmodell eines der aktivsten Forschungsgebiete der letzten Jahre. Es wird erwartet, dass Experimente am LHC-Beschleuniger viele Abweichungen vom Standardmodell registrieren können.
Beschreibt kleine Objekte mit hoher Energie [Quelle?] Die Quantenmechanik basiert auf folgenden Prinzipien: Wahrscheinlichkeit – Amplitudenmodul, Superpositionsprinzip, Interferenz. Spezielle Relativitätstheorie: Energie = Masse, Entstehung und Vernichtung von Materie. Als Ergebnis erhalten wir die Quantenfeldtheorie.
Die Bestandteile von Hadronen sind Quarks: Baryonen enthalten 3 Quarks, Mesonen enthalten ein Quark und ein Antiquark. Die 6 Geschmacksrichtungen von Quarks werden in 3 Familien (Generationen) zusammengefasst, von denen jede massiver ist. Up-Typ-Quarks (Q = 2/3): u, c, t und Down-Typ-Quarks (Q = - 1/3): d, s, b. Nach dem Quark-Modell besteht ein Proton aus Uud, ein Neutron aus Udd. Wurde es in den 50er Jahren eröffnet? + +, das Spin 3/2 hat und aus drei U-Quarks bestand. Dies widerspricht dem Pauli-Prinzip: Da Quarks Fermionen sind, können sie nicht im selben Quantenzustand sein (wobei alle Quantenzahlen gleich sind). Daher wurde eine weitere Quantenzahl (ein weiterer Freiheitsgrad) hinzugefügt – die Farbe, die die Werte Grün (oder Gelb), Blau und Rot annehmen kann. Die Namen der Farben sind der Einfachheit halber in Anlehnung an die Optik gewählt. Diese Quantenzahl kann in Experimenten nicht beobachtet werden, da alle beobachteten Teilchen farblos sind: Baryonen bestehen aus drei Quarks unterschiedlicher Farbe – wir erhalten weiße Farbe (wie beim Mischen von Licht), Mesonen bestehen aus zwei Quarks mit entgegengesetzten Farben (z. B. rot und rot). Anti-Rot). Der Zweig der Physik, der Farbwechselwirkungen untersucht, heißt Quantenchromodynamik.
Basierend auf der Gruppentheorie.

Alle Materie besteht aus Quarks, Leptonen und Teilchen – Trägern von Wechselwirkungen.

Heute wird das Standardmodell als die Theorie bezeichnet, die unsere Vorstellungen über das Ausgangsmaterial, aus dem das Universum ursprünglich aufgebaut wurde, am besten widerspiegelt. Es beschreibt auch, wie genau Materie aus diesen Grundkomponenten entsteht und welche Kräfte und Mechanismen der Wechselwirkung zwischen ihnen wirken.

Aus struktureller Sicht sind die Elementarteilchen, aus denen Atomkerne bestehen ( Nukleonen) und im Allgemeinen alle schweren Partikel - Hadronen (Baryonen Und Mesonen) - bestehen aus noch einfacheren Teilchen, die üblicherweise als Grundteilchen bezeichnet werden. Diese Rolle spielen wirklich grundlegende Primärelemente der Materie Quarks, dessen elektrische Ladung 2/3 oder –1/3 der positiven Einheitsladung eines Protons beträgt. Die häufigsten und leichtesten Quarks werden aufgerufen Spitze Und untere und bezeichnen jeweils u(aus dem Englischen hoch) Und D(runter). Manchmal werden sie auch genannt Proton Und Neutron Quark aufgrund der Tatsache, dass das Proton aus einer Kombination besteht uud, und das Neutron - udd. Das Top-Quark hat eine Ladung von 2/3; unten - negative Ladung –1/3. Da ein Proton aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark besteht und ein Neutron aus einem Up- und zwei Down-Quarks besteht, können Sie unabhängig voneinander überprüfen, ob die Gesamtladung eines Protons und eines Neutrons genau gleich 1 und 0 ist, und dies sicherstellen Das Standardmodell beschreibt die Realität angemessen. Die anderen beiden Quarkpaare sind Teil exotischerer Teilchen. Quarks aus dem zweiten Paar werden aufgerufen verzaubert - C(aus Fasziniert) Und seltsam - S(aus seltsam). Das dritte Paar ist WAHR - T(aus Wahrheit, oder auf Englisch Traditionen Spitze) Und Schön - B(aus Schönheit, oder auf Englisch Traditionen unten) Quarks. Fast alle vom Standardmodell vorhergesagten Teilchen, die aus verschiedenen Kombinationen von Quarks bestehen, wurden bereits experimentell entdeckt.

Ein weiterer Bausatz besteht aus sogenannten Ziegelsteinen Leptonen. Das häufigste Lepton – uns schon lange bekannt Elektron, in der Struktur von Atomen enthalten, aber nicht an nuklearen Wechselwirkungen beteiligt, sondern auf interatomare beschränkt. Darüber hinaus (und sein Gegenstück Antiteilchen genannt Positron) Leptonen umfassen schwerere Teilchen – das Myon und das Tau-Lepton mit ihren Antiteilchen. Darüber hinaus ist jedes Lepton mit seinem eigenen ungeladenen Teilchen mit einer Ruhemasse von Null (oder fast Null) verbunden; Solche Teilchen werden Elektron, Myon bzw. Taon genannt Neutrino.

Leptonen bilden also ebenso wie Quarks drei „Familienpaare“. Diese Symmetrie ist den aufmerksamen Augen der Theoretiker nicht entgangen, es wurde jedoch noch keine überzeugende Erklärung dafür angeboten. Wie dem auch sei, Quarks und Leptonen stellen die Grundbausteine des Universums dar.

Um die andere Seite der Medaille zu verstehen – die Natur der Wechselwirkungskräfte zwischen Quarks und Leptonen – müssen Sie verstehen, wie moderne theoretische Physiker das eigentliche Konzept der Kraft interpretieren. Eine Analogie wird uns dabei helfen. Stellen Sie sich zwei Bootsleute vor, die auf dem Fluss Cam in Cambridge in entgegengesetzte Richtungen rudern. Ein Ruderer beschloss aus Großzügigkeit, seinem Kollegen Champagner zu schenken und warf ihm, als sie aneinander vorbeisegelten, eine volle Flasche Champagner zu. Aufgrund des Impulserhaltungssatzes weicht der Kurs seines Bootes vom geraden Kurs in die entgegengesetzte Richtung ab, wenn der erste Ruderer die Flasche wirft, und wenn der zweite Ruderer die Flasche fängt, wird der Impuls auf ihn übertragen. und das zweite Boot wich ebenfalls vom geraden Kurs ab, jedoch in die entgegengesetzte Richtung. So änderten beide Boote infolge des Sektwechsels die Richtung. Nach den Newtonschen Gesetzen der Mechanik bedeutet dies, dass es zu einer Kraftwechselwirkung zwischen den Booten kam. Aber die Boote kamen nicht direkt miteinander in Kontakt? Hier sehen wir beide klar und verstehen intuitiv, dass die Kraft der Interaktion zwischen den Booten vom Träger des Impulses – der Flasche Champagner – übertragen wurde. Physiker würden es nennen Träger der Interaktion.

Genauso entstehen Kraftwechselwirkungen zwischen Teilchen durch den Austausch von Teilchen, die diese Wechselwirkungen tragen. Tatsächlich unterscheiden wir zwischen den Grundkräften der Wechselwirkung zwischen Teilchen nur insoweit, als verschiedene Teilchen als Träger dieser Wechselwirkungen fungieren. Es gibt vier solcher Interaktionen: stark(das ist es, was die Quarks im Inneren der Teilchen hält), elektromagnetisch, schwach(dies führt zu einigen Formen des radioaktiven Zerfalls) und Gravitation. Träger starker Farbwechselwirkung sind Gluonen die weder Masse noch elektrische Ladung haben. Diese Art der Wechselwirkung wird durch die Quantenchromodynamik beschrieben. Elektromagnetische Wechselwirkung entsteht durch den Austausch von Quanten elektromagnetischer Strahlung, die man nennt Photonen und auch ohne Masse . Die schwache Wechselwirkung hingegen wird durch die massive übertragen Vektor oder Eichbosonen, die 80-90-mal mehr „wiegen“ als ein Proton, wurden erstmals Anfang der 1980er Jahre unter Laborbedingungen entdeckt. Schließlich wird die Gravitationswechselwirkung durch den Austausch von Objekten übertragen, die keine eigene Masse haben Gravitonen- Diese Vermittler wurden experimentell noch nicht nachgewiesen.

Im Rahmen des Standardmodells wurden die ersten drei Arten grundlegender Wechselwirkungen zusammengefasst und nicht mehr separat betrachtet, sondern als drei verschiedene Manifestationen der Kraft einer einzigen Natur. Um auf die Analogie zurückzukommen: Nehmen wir an, dass ein anderes Paar Ruderer, die sich auf dem Fluss Cam begegneten, nicht eine Flasche Champagner, sondern nur ein Glas Eis austauschte. Dadurch weichen die Boote auch in entgegengesetzte Richtungen vom Kurs ab, allerdings deutlich schwächer. Für einen Außenstehenden mag es scheinen, dass in diesen beiden Fällen unterschiedliche Kräfte zwischen den Booten wirkten: Im ersten Fall kam es zu einem Flüssigkeitsaustausch (ich schlage vor, die Flasche zu ignorieren, da die meisten von uns an ihrem Inhalt interessiert sind), und im zweiten ein fester Körper (Eiscreme). Stellen Sie sich nun vor, dass in Cambridge an diesem Tag eine für nördliche Orte seltene Sommerhitze herrschte und das Eis im Flug schmolz. Das heißt, ein leichter Temperaturanstieg reicht aus, um zu verstehen, dass die Wechselwirkung tatsächlich nicht davon abhängt, ob ein flüssiger oder fester Körper als Träger fungiert. Der einzige Grund, warum wir den Eindruck hatten, dass unterschiedliche Kräfte zwischen den Schiffchen wirkten, war der äußere Unterschied des Eisträgers, der dadurch verursacht wurde, dass die Temperatur nicht zum Schmelzen reichte. Erhöhen Sie die Temperatur – und die Wechselwirkungskräfte erscheinen deutlich einheitlich.

Die im Universum wirkenden Kräfte verschmelzen auch bei hohen Wechselwirkungsenergien (Temperaturen) und sind dann nicht mehr zu unterscheiden. Erste Vereinen(so wird es allgemein genannt) schwache nukleare und elektromagnetische Wechselwirkungen. Als Ergebnis erhalten wir das sogenannte Elektroschwache Wechselwirkung, sogar im Labor bei Energien beobachtet, die von modernen Teilchenbeschleunigern entwickelt werden. Im frühen Universum waren die Energien so hoch, dass es in den ersten 10–10 Sekunden nach dem Urknall keine Trennlinie zwischen schwachen nuklearen und elektromagnetischen Kräften gab. Erst nachdem die Durchschnittstemperatur des Universums auf 10 14 K gesunken war, trennten sich alle vier heute beobachteten Kräftewechselwirkungen und nahmen ihre moderne Form an. Während die Temperatur über dieser Marke lag, waren nur drei grundlegende Kräfte am Werk: die starke, die kombinierte elektroschwache und die Gravitationswechselwirkung.

Die Vereinigung elektroschwacher und starker Kernwechselwirkungen erfolgt bei Temperaturen in der Größenordnung von 10 27 K. Unter Laborbedingungen sind solche Energien heute unerreichbar. Der leistungsstärkste moderne Beschleuniger – der Large Hadron Collider, der derzeit an der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz gebaut wird – wird in der Lage sein, Teilchen auf Energien zu beschleunigen, die nur 0,000000001 % derjenigen ausmachen, die zur Kombination der elektroschwachen und starken Kernkräfte erforderlich sind. Auf eine experimentelle Bestätigung dieser Vereinheitlichung werden wir also wohl noch lange warten müssen. Im modernen Universum gibt es keine derartigen Energien, jedoch lag die Temperatur des Universums in den ersten 10–35 Sekunden seiner Existenz über 10 27 K und im Universum wirkten nur zwei Kräfte – Elektrostark und Gravitationswechselwirkung. Theorien, die diese Prozesse beschreiben, werden „Grand Unified Theories“ (GUT) genannt. GUTs können nicht direkt verifiziert werden, sie machen aber auch bestimmte Vorhersagen über Prozesse, die bei niedrigeren Energien ablaufen. Bisher wurden alle GUT-Vorhersagen für relativ niedrige Temperaturen und Energien experimentell bestätigt.

Das Standardmodell in seiner verallgemeinerten Form ist also eine Theorie der Struktur des Universums, in der Materie aus Quarks und Leptonen besteht und starke, elektromagnetische und schwache Wechselwirkungen zwischen ihnen durch große Vereinigungstheorien beschrieben werden. Ein solches Modell ist offensichtlich unvollständig, da es die Schwerkraft nicht berücksichtigt. Vermutlich wird irgendwann eine vollständigere Theorie entwickelt ( cm. Universelle Theorien), und heute ist das Standardmodell das Beste, was wir haben.

„Elemente“

Typ