10.6 Vereinheitlichung der Kräfte: GUT und Weltformel
Quelle: Themenpool §12 · ✎ Ergänzung
Ein Leitziel der gesamten Physik ist die Vereinheitlichung: die vier Grundkräfte (§10.4) als verschiedene Erscheinungsformen einer einzigen Wechselwirkung zu beschreiben. Der Grundgedanke: Was wie getrennte Kräfte aussieht, könnte bei sehr hohen Energien (wie kurz nach dem Urknall) zusammenfallen. Historisch ist dieser Weg schon mehrfach geglückt.
Was bereits vereinheitlicht ist
| Schritt | Vereinte Kräfte | Wer / wann |
|---|---|---|
| Elektromagnetismus | Elektrizität + Magnetismus | Maxwell (1864), Licht = EM-Welle |
| Elektroschwache Wechselwirkung | Elektromagnetismus + schwache Kraft | Glashow, Salam, Weinberg (Nobelpreis 1979) |
- Schritt 1 — Elektromagnetismus: Bis ins 19. Jh. galten Elektrizität und Magnetismus als zwei getrennte Phänomene. Maxwell zeigte, dass beide nur zwei Seiten desselben elektromagnetischen Feldes sind (Licht = EM-Welle) — die erste große Vereinheitlichung (ausführlich Thema 14 §14.1 / Thema 13 §13.1).
- Schritt 2 — elektroschwache Wechselwirkung: Glashow, Salam und Weinberg zeigten, dass Elektromagnetismus und schwache Kraft bei hohen Energien eine einzige Kraft sind — die elektroschwache Wechselwirkung. Das ist experimentell bestätigt (u. a. durch die Entdeckung der
-Bosonen am CERN) und brachte 1979 den Nobelpreis.
Was noch fehlt — GUT und TOE
- GUT (Große Vereinheitlichte Theorie / Grand Unified Theory) — soll die starke Kraft mit der elektroschwachen Kraft vereinen (also stark + elektromagnetisch + schwach in einer Theorie). Sie ist bisher noch nicht bestätigt (eine ihrer Vorhersagen, der Protonzerfall, wurde trotz großer Detektoren nie beobachtet).
- TOE (Theory of Everything / „Weltformel") — soll zusätzlich die Gravitation einschließen, also alle vier Kräfte vereinen. Das ist bisher nicht gelungen: Der Grund ist, dass sich die Gravitation (Einsteins Raumzeit-Krümmung) bislang nicht quantisieren lässt — sie passt nicht in denselben quantenfeldtheoretischen Rahmen wie die anderen drei Kräfte (genau hier setzt die Suche nach einer Quantengravitation an).
✎ Quantenfeldtheorie (QFT) — der gemeinsame Rahmen. Drei der vier Kräfte werden durch Quantenfeldtheorien beschrieben. Grundidee: Nicht Teilchen sind das Fundamentale, sondern Felder, die den ganzen Raum durchziehen — ein „Teilchen" ist nur eine Anregung (ein Quant) seines Feldes (das Elektron eine Anregung des Elektronenfeldes, das Photon eine des elektromagnetischen Feldes — vgl. das Higgs-Teilchen als Anregung des Higgs-Feldes, §10.5). Das Paradebeispiel ist die QED (Quantenelektrodynamik), die Quantenfeldtheorie der elektromagnetischen Wechselwirkung (Elektron ↔ Photon) — maßgeblich von Feynman entwickelt, dessen Feynman-Diagramme Teilchenreaktionen anschaulich darstellen (mehr zur QED in Thema 13 / Thema 14). Genau weil sich die Gravitation diesem Feld-Quanten-Schema entzieht, fehlt bis heute die TOE.
✎ Anschluss: Warum die Gravitation der Stolperstein ist. Das Graviton wäre das (noch unentdeckte) Austauschteilchen einer quantisierten Gravitation (§10.4 / Thema 11). Ob die Gravitation überhaupt quantisiert werden muss, will erstmals Aspelmeyers Experiment experimentell prüfen: ein makroskopischer Spiegel in Superposition, dessen winziges Gravitationsfeld dann ebenfalls „in Superposition" wäre (Thema 9 §9.5). Eine bestätigte Quantengravitation wäre der entscheidende Baustein der Weltformel.