Willkommen in der Planckwelt
Emily Noether , ihr Geburtshaus steht in Erlangen, war die erste große deutsche Mathematikerin von Weltrang. Auf dem Weg ihrer akademischen Karriere war sie wüsten Beschimpfungen in einer von Männern dominierten Universitätswelt ausgesetzt. Aber sie hat sich mutig durchgesetzt. Sie bewies, dass jedem Erhaltungssatz eine Symmetrie zugrunde liegt und umgekehrt.
Ihr Beweis löste eine hektische Suche aus. Bewährte Erhaltungssätze sah man im neuen Licht. So versteckt sich hinter dem Energieerhaltungssatz die Symmetrie der physikalischen Gesetze bei der Zeittranslation und hinter
dem Impulserhaltungssatz die Symmetrie bei der Ortstranslation mit dem Ergebnis:
Die Naturgesetze gelten allzeit und allerorten .
Doch was steckte hinter dem lange bekannten Ladungserhaltungssatz ? Hier entdeckten die Physiker die lokale Eichsymmetrie. Sie besagt vereinfacht, dass die physikalischen Gesetze symmetrisch sind bei gleichzeitiger Vertauschung der negativen und positiven Ladungen. Die lokale Eichsymmetrie entwickelte sich dann später zu einem wertvollen Instrument bei der Theorie- Entwicklung der schwachen und starken Wechselwirkung.
Noch wichtiger als die erhaltenen Symmetrien sind die gebrochenen Symmetrien.
Für Richard Feynman, der sich um die Entwicklung der Quantenelektrodynamik verdient gemacht hat und hierzu die Pfadintegralmethode entwickelte, sind Antiteilchen Teilchen, die in der Zeit zurücklaufen. Wenn im Lauf der kosmologischen Zeit immer mehr Materie und immer weniger Antimaterie entstehen soll, dann muss die Zeitsymmetrie gebrochen sein.
Die Symmetriebrechung der Zeit bei der Ausbreitung des Lichts beschäftigte Feynman, der die Untersuchungen bei der Challenger-Katastrophe leitete, bis an sein Lebensende. Für ihn war es eines der größten Rätsel, warum Licht sich nur von der Quelle zur Senke ausbreitet und die Lichtwellen nie zur Quelle zurücklaufen, obwohl die zeitsymmetrischen Maxwellschen Gleichungen das nicht verbieten.
Die Maxwellschen Gleichungen sind in der isothermen vierdimensionalen Raumzeit formuliert und berücksichtigen nicht die Thermodynamik. Ein Lichtstrahl läuft immer von der wärmeren Quelle zur kühleren Senke. Ein Zurücklaufen verbieten die Gesetze der Thermodynamik. Licht bewegt sich längs eines Temperaturgradienten in der 5. Dimension.
Auch auf der Ebene der Elementarteilchen ist die Zeitsymmetrie gebrochen. Durch Experimente in den letzten 50 Jahren wurde die Verletzung der Zeitsymmetrie bestätigt.
Die erste
Symmetrieverletzung, die Verletzung der Spiegelsymmetrie ( Parität) beim
Beta-Zerfall, war eine Katastrophe für die damaligen Physiker. Nach diesem Schlag entwickelte sich die dann
1974 entdeckte kombinierte Verletzung der Ladungs- und Spiegelsymmetrie (
CP-Verletzung) beim Zerfall des neutralen Kaons langsam zu einem Segen für die
Physik. Eine CP-Verletzung hat einem wichtigen Theorem der Physik, dem
CPT-Theorem, zur Folge, dass auch die Zeitsymmetrie verletzt sein muss. Das CPT-Theorem
ist einer der wesentlichen Stützpfeiler der Allgemeinen Relativitätstheorie.
Für die CP-Verletzung
benötigt die Natur die Quarkflavormischung von mindestens 3 Quarkfamilien. So
verwandelt sich beim neutralen Kaon-Zerfall das d-anti-s-Meson über die
Quarkflavormischung in ein anti-d-s-Meson.
Da das s-Quark schwerer ist als das d-Quark entsteht ein Überschuss von
Materie gegenüber der Antimaterie. Die Zeit wird irreversibel.
Die Asymmetrie beim
Kaon-Zerfall liegt bei 1: 4 10^-6 und ist viel zu wenig, um das Verschwinden
der Antimaterie zu erklären. Aus der B-Mesonen-Fabrik am Fermilab liegen die
ersten Ergebnisse vom Zerfall des B-Mesons vor, die sehr ermutigend sind. Die
Asymmetrie ist bei 15 % .
Doch nach den heutigen
Erkenntnissen reicht die bislang bekannte CP-Verletzung nicht aus, um das
Verschwinden der Antimaterie zu erklären. Schon wird auf eine 4.
Quark-Leptonen-Familie spekuliert, obwohl am CERN aufgrund der Zerfallskanäle
der Z-Bosonen nachgewiesen wurde, dass es nur 3 Familien gibt. Der kürzlich
erfolgte Nachweis von Neutrinooszillationen, die Massen der Neutrinos
voraussetzen, gibt dieser Spekulation weiter Nahrung.
Nach der Massenformel liegt
die Masse des 4. geladenen Leptons bei 26.2 GeV. Diese Masse liegt im Bereich
heutiger Beschleuniger. Die kleinsten Massen der Supersymmetrie und der
M-Theorie liegen weit außerhalb dieses Bereichs. Vermutlich hat bis jetzt
niemand nach dem superschweren Elektron gesucht oder es gibt es einfach nicht !
Ein Meilenstein in der
Geschichte der modernen Physik war die Entwicklung des kosmologischen
Standardmodells und seine Verschmelzung mit dem Standardmodell der
Elementarteilchen.
Nach diesem Modell beginnt
die kosmologische Evolution bei der Planckzeit und bei der Plancktemperatur mit
dem kosmischen Ei von der Größe der Plancklänge. Das Universum hatte damals
eine nahezu unendliche Raumzeitkrümmung. Das Universum dehnte sich aus und
kühlte sich dabei ab. Aus einer anfänglichen Quark-Antiquark- und
Lepton-Antileptonen-Suppe entstanden „in den ersten 3 Minuten“ nach Steven
Weinberg Protonen und Leptonen im Hadronen- und Leptonenzustand. Nach 100 000
Jahren war das Plasma dann soweit abgekühlt, dass die Protonen die Elektronen
eingefangen und Wasserstoffatome gebildet haben. Seit dieser Zeit ist das
Weltall für die elektromagnetische Strahlung durchlässig.
Die bisher ältesten
Lichtquellen sind 1998 entdeckte Quasare. Ihr Licht war 12 Milliarden Jahre
unterwegs, bis es von unseren Messapparaturen eingefangen wurde. Es durcheilte
dabei einen gewaltigen Temperaturgradienten in der 5. Dimension. Da Universum
hatte damals eine andere Raumzeitkrümmung.
Prof. Atkins von der
Universität Cambridge setzt die absolute Temperatur mit einer imaginären Zeit
im mathematischen Sinne gleich und verweist dabei auf den gleichen Wortstamm
von Temperatur und Zeit ( =tempus) Die
Zeit hat sich anfangs der Mensch geschaffen, um sich im Wechsel der
Jahreszeiten und in seinem
gesellschaftlichen Umfeld zurechtzufinden und zu überleben. Im Laufe der Menschheitsgeschichte ist der
Zeitbegriff immer mehr verfeinert
worden, angefangen von den Jahreszeiten des Altertums bis zur Nanosekunde
unserer Tage.
Das Standardmodell der
Elementarteilchen und die Allgemeine Relativitätstheorie sind in der
vierdimensionalen Raumzeit definiert. Die einzige Theorie die den Widerspruch
zwischen den beiden Theorien, zwischen der Welt des ganz Kleinen und der Welt
des ganz Großen überwinden kann ist die M-Theorie. Sie ist 1996 aus den 5
Superstringtheorien hervorgegangen. Sie ist in 11 Dimensionen formuliert und
vermeidet die mathematischen Unendlichkeiten.
Die M-Theorie geht nicht vom mathematischen Punkt aus, sondern von
schwingenden flächigen Membranen, den b-branes. Quarks und Leptonen wären demnach
Membranen, die in 11 Dimensionen schwingen. Die M-Theorie ist eine viele
Physiker faszinierende mathematische Theorie höchster Symmetrie, für die noch
aufwendige mathematische Näherungsmethoden entwickelt werden müssen. Eine
Verbindung zum in der experimentellen Praxis hervorragend funktionierenden
Standardmodell ist bisher nicht zu erkennen. Doch dem Ideal des nicht weiter
teilbaren Urteilchens ist man mit der M-Theorie einen großen Schritt
weitergekommen. Wie kann ein Urteilchen, das in 11 Dimensionen schwingt, die 61
unterscheidbaren Teilchen des Standardmodells - mit Berücksichtigung des Spins und der Antiteilchen wären es noch
viel mehr, abbilden ?
Was meint die Planckwelt :
Im Standardmodell hat jedes
Quark eine Substruktur, bestehend aus 6 Ladungen :
Diese Ladungen werden in der
Planckwelt einem 6-dimensionalen Ladungsraum zugeordnet. Jedes Quark kann durch
6 Ladungszahlen eindeutig definiert werden. Damit vergleichbar ist die
Nomenklatur der Atomkerne. Hier gibt es einen 2-dimenionsalen Raum. Jeder der
über 100 Atomkerne kann in diesem Isospinraum durch 2 Zahlen eindeutig bestimmt
werden.
Beispiel :
Das Elektron mit seiner
negativen Ladung hat einer ganzen Industrie seinen Namen gegeben- der
Elektronik. Elektronische Bauelemente und Geräte haben in den letzten 100
Jahren seit der Entdeckung des Elektrons unsere Alltagswelt revolutioniert. Mit der Entwicklung der
Elektronenröhre begann der Siegeszug des Rundfunks in den 20-iger Jahren des
letzten Jahrhunderts. 1936 bauten dann deutsche Ingenieure das erste
funktionierende Fernsehgerät. In der 2.
Hälfte des 20. Jahrhunderts lernte man dann, in halbleitenden Werkstoffen die
Elektronenströme gezielt zu steuern , und es entstanden die Transistoren und
die Speicherelemente, die die Computerrevolution auslösten. Im Vordergrund
stand immer wieder die Nutzung der elektrischen Ladung des Elektrons.
Die vorhandene Spinladung des
Elektrons und den damit verbundenen zusätzlichen Freiheitsgrad beginnt man erst
jetzt zu nutzen in der Magnetoelektronik, die am Anfang steht und ein enormes
Marktpotential hat. Magnetoelektronische Bauelemente können mit geringerer
Energie trägheitslos durch polarisiertes Licht gesteuert werden. Es entstehen
neue optoelektronische Schalter und Speicher, die nicht mehr ständig
aufgefrischt werden müssen.
Die Technik wir die
Spinladung nutzen, die die Natur schon vor 4 Milliarden Jahren verwertet hat
mit den optisch aktiven Kohlenstoffatomen der lebenden Materie. Die
linksdrehende Aminosäure, die sich zu den Proteinen verketten und die
rechtsdrehenden Zuckermoleküle, die das Rückgrat der DNS bilden, basieren u.a.
auf Spinladungen. Linksdrehende und rechtsdrehende biologische Makromoleküle sind die Bausteine der lebenden Zelle
und bilden wie die aufgedrehten Schnüre in einem Gummimotor das Potential für
die Dynamik des Lebens.
Bei der Vorstellung von mehr
als 3 Dimensionen tun sich die Menschen im allgemeinen schwer. Mathematiker
denken in Variablen. Für sie stellen 100 Dimensionen kein Problem in der
Vorstellung dar.
Ein Beispiel für die
Veranschaulichung innerer Dimensionen
liefert der Farbfernseher. Von der Ferne aus gesehen, besteht die
Bildschirmfläche aus einzelnen farbigen Bildpunkten. Von der Nähe aus gesehen ,
besteht der Bildpunkt aus den 3 Farbpunkten rot, grün und blau. Im Prinzip
könnte der Bildpunkt auch von 6 unabhängigen Farbkanälen angesteuert werden. 6
unabhängige Farbpunkte sind im Bildpunkt kompaktifiziert und ergeben einen
definierten gemischten Farbeindruck.
Bei den Elementarteilchen
sind die 6 Dimensionen des Ladungsraumes im allgemeinen kompaktifiziert. So ist
die starke Ladung im Bereich des Atomkerndurchmessers eingeschlossen. Die
elektrische Ladung war bis zum Zeitalter der Industrialisierung auf die
Größenordnung der Moleküle beschränkt. Erst mit dem Beginn der großtechnischen
Nutzung der elektrischen Energie vor 150 Jahren gelang es, die elektrische
Ladung aus dem Gefängnis zu befreien und eine Ladungstrennung herbeizuführen,
die sich inzwischen über die ganze Erde ausbreitet. Die Entkompaktifizierung
der elektrischen Ladungsdimension ist die Basis des Wohlstands der
industrialisierten Länder.
Die 6-dimensionale
Ladungssubstruktur der Leptonen und Quarks bringt folgende Vorteile mit sich :
- Jedes der über 100 Quarks
und Leptonen wird durch 6 Zahlen eindeutig definiert.
- Die 6 Zahlen untereinander
geschrieben lassen die Ladungserhaltungssätze sofort erkennen.
- Baryonen und Mesonen können
so leicht gebildet und zugeordnet werden
und der Zerfall abgeleitet werden.
- die im Standardmodell
verborgenen Symmetrien und Dimensionen kommen zum Vorschein.
- Quarks und Leptonen
erhalten eine Substruktur, ohne dass neue Teilchen und Kräfte unter Beachtung
der Unschärferelation eingeführt
werden müssen.
- Quarks und Leptonen
erscheinen als ein Urteilchen in einem 6-dimensionalen Raum.
Ist das Leben eine besondere
Form von Materie ?
Surfen wir zu Erwin
Schrödinger !
Er schrieb das Buch „ Was ist
Leben ?