Big Bang HTL 4, Schulbuch

158 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) Der amerikanische Physiker R ICHARD F EYNMAN hatte die Idee, die Prozesse beim Teilchenaustausch zu verbildlichen. Man nennt diese Darstellungen Feynman-Diagramme. Die drei durch das Standardmodell erklärten Wechselwirkungen siehst du in Abb. 17.17 zusammengefasst. Die Stärke dieser Graphen liegt darin, dass jede Linie und jeder Verzwei- gungspunkt eindeutig einer physikalischen Größe ent- sprechen. Richtig „gelesen“ sind diese Diagramme daher mit einer Formel zu vergleichen. Abb. 17.17 a zeigt die Abstoßung zweier Elektronen durch den Austausch eines Photons ( γ ). Bei b siehst du, wie die Quarks in einem Proton durch den Austausch von Gluonen (g) zusammengehalten werden. Das Wort leitet sich vom englischen glue (Klebstoff) ab. Gluonen sind also „Klebstoff- teilchen“. Bei c siehst du den β -Zerfall eines Neutrons (siehe Kap. 15.1.2). Dabei spielt das sogenannte W – -Boson eine wichtige Rolle. Bei der schwachen Wechselwirkung stehen nicht Kräfte, sondern die Umwandlungen von Teilchen im Vordergrund, auch bei der Proton-Proton-Reaktion in der Sonne ( F25 , S. 170). Abb. 17.17: Je ein Beispiel für die drei Wechselwirkungen des Stan- dard-Modells als Feynman-Diagramme (siehe auch Tab. 17.7): a) Abstoßung zweier Elektronen; b) Zusammenhalt der Quarks im Proton; c) β -Zerfall eines Neutrons. Anti-Teilchen zeichnet man in der Zeit zurücklaufend ein. Info: Klebstoffteilchen -> S. 157 Zusammenfassung Man kann Kräfte durch den Austausch virtueller Teilchen er- klären. Dadurch gelingt es, die völlig verschiedenen Begriffe Kraft und Teilchen auf den Begriff Teilchen zu reduzieren. Das Entstehen der virtuellen Teilchen ist eine Folge der Hei- senberg’schen Unschärferelation. Ohne Quantenmechanik könnten wir die Kräfte in diesem Universum nicht verstehen. Z 17.3 Die Weltformel Vereinheitlichung der Kräfte In diesem Abschnitt geht es darum, wie man versucht, die fundamentalen Kräfte zu vereinigen. Teilweise ist das schon gelungen. Um die restlichen Kräfte auch zu vereinen, muss das Standardmodell allerdings erweitert werden. Mit Hilfe des Standardmodells der Teilchenphysik ist es gelungen, die Teilchen im Universum und auch drei der zwi- schen ihnen wirkenden Kräfte durch bloß zwei Dutzend Teil- chen zu erklären (Kap. 17.2). Es ist aber nicht „einzusehen“, warum es vier Wechselwirkungen geben soll. Ziel der Physi- ker war es ja schon immer, das Universum so einfach wie möglich zu beschreiben. Ideal wäre es daher, ließen sich alle Kräfte auf einen gemeinsamen Ursprung zurückführen, quasi auf eine „Urkraft“. Zwei Vereinigungen von Kräften sind schon lange her. Die erste geht auf I SAAC N EWTON zurück. Seit der Antike dachte man ja, dass alle Himmelsobjekte quasi auf der Himmels- kugel angeklebt seien. Newton fiel angeblich bei der Be- obachtung des Mondes der berühmte Apfel auf den Kopf. Das führte ihn zur Idee, dass der Mond und alle anderen Himmelsobjekte so wie der Apfel der Gravitation unter- worfen sind. Dieses allgemeine Gravitationsgesetz ver- öffentlichte Newton 1687 (Abb. 17.19; F15 ). Um das Jahr 1820 entdeckte C HRISTIAN Ø RSTED , dass eine Magnetnadel durch Stromfluss abgelenkt werden kann. Diese Entdeckung führte zur Vereinigung von elektrischer und magnetischer Kraft zur elektromagnetischen Kraft. Damit kommen wir ins 20. Jahrhundert. Elektromagnetische und schwache Wechselwirkung sind einander sehr ähnlich. Das sieht man besonders gut beim Austausch eines Z 0 -Bo- sons im Feynman-Diagramm (Abb. 17.18). Auf Grund dieser Ähnlichkeit wurde 1967 eine Hypothese entwickelt, die diese beiden Wechselwirkungen vereinigt. 1983 wurden am CERN die drei Bosonen der schwachen Wechselwirkung (W + , W – und Z 0 ) im Teilchenbeschleuniger nachgewiesen. Elektromagne- tische und schwache Wechselwirkung konnten somit zur elek- troschwachen Wechselwirkung zusammengefasst werden. Wie und wann kam Isaac Newton angeblich auf die Idee, dass auf Mond und Apfel dieselben Kräfte wirken? Lies nach in Kap. 10.4, NAWI 1. Was entdeckte C HRISTIAN Ø RSTED 1820? Warum schlug diese Entdeckung wie eine Bombe ein? Lies nach in Kap. 17.2, NAWI I. Ist das Neutron ein stabiles Teilchen? Lies nach in Kap. 15.1.2. Und wie steht es mit dem Proton? Was ist der Unterschied zwischen einer Theorie und einer Hypothese (Kap. 1.1, NAWI I)? Was versteht man unter einer stehenden Welle? Was sind Grund- und Obertöne? Wie werden auf diese Weise die Orbitale der Elektronen im Atom beschrieben (Kap. 13.3)? F15 F16 F17 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv