Sechsunddreißig Quarks und acht Gluonen

Elementarteilchenphysik kann verwirrend sein. Es gibt im Standardmodell einfach zu viele Teilchen und zu viele freie Parameter, die die Theorie nicht vorhersagt und die folglich nur experimentell bestimmt werden. Es gibt aber auch Zahlen im Standardmodell, die zwingend sind. Die sich logisch erklären lassen. Zum Beispiel, warum ich zuerst naiv davon ausging, dass es neun Gluonen geben müsse, und warum es tatsächlich acht sind.

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Treibhauseffekt und Klimawandel

Dieses Buch dokumentiert zum Thema Klimawandel und CO2 teils unbequeme wissenschaftliche Fakten bzw. Meldungen und die dazugehörigen Quellen. Sie sind eingeladen, selbst nachzudenken und sich zu fragen, was an den Theorien dran ist.
Es ist extrem wichtig, dass Sie sich informieren und die Fakten selbst durchdenken, bevor Sie sich der „Großen Transformation“ ihres Lebens anschließen. Es geht um Billionen von Euro, die weltweit für den Klimaschutz ausgegeben werden sollen, und die dann für wichtige Dinge fehlen. Es geht nicht nur um die Frage, ob wir Menschen auch künftig noch reisen, Auto fahren, Fleisch essen und komfortabel wohnen können, wenn CO2-Emissionen künftig sehr teuer bezahlt werden müssen.
Es geht auch darum, ob die Menschheit einen Klimawandel überhaupt aufhalten kann. Ob tatsächlich CO2 das Klima überwiegend beeinflusst und steuert. Ob das Klima überhaupt gerettet werden müsste. Ob die Daten, auf denen die Klimawandel-Theorie aufsetzt, für eine wissenschaftliche Theorie überhaupt ausreichen. Ob tatsächlich 97% „der Wissenschaftler“ die CO2-Theorie vertreten oder nur ein Bruchteil, der dafür aber die Apokalypse prophezeit und den Menschen Angst macht. Es geht auch um die Motive der Wissenschaftler, Medien, Politiker und derjenigen, die von einem Milliardengeschäft profitieren würden.
Eines kann der Herausgeber dieses Buchs auf jeden Fall versprechen: Es wird eine interessante Lektüre für Sie.

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Wege zur Physikalischen Erkenntnis

Diese erweiterte Neuauflage des Buchs „Wege zur physikalischen Erkenntnis“ enthält neben der wissenschaftlichen Selbstbiographie folgende Vorträge:

Die Einheit des physikalischen Weltbildes.
Die Stellung der neueren Physik zur mechanischen Naturanschauung.
Neue Bahnen der physikalischen Erkenntnis.
Dynamische und statistische Gesetzmäßigkeit.
Das Prinzip der kleinsten Wirkung.
Verhältnis der Theorien zueinander.
Das Wesen des Lichts.
Die Entstehung und weitere Entwicklung der Quantentheorie.
Kausalgesetz und Willensfreiheit.
Vom Relativen zum Absoluten.
Physikalische Gesetzlichkeit.
Das Weltbild der neuen Physik.
Positivismus und reale Außenwelt.
Wissenschaft und Glaube.
Die Kausalität in der Natur.
Ursprung und Auswirkung wissenschaftlicher Ideen.
Die Physik im Kampf um die Weltanschauung.
Vom Wesen der Willensfreiheit.
Religion und Naturwissenschaft.
Determinismus oder Indeterminismus.
Sinn und Grenzen der exakten Wissenschaft.
Scheinprobleme der Wissenschaft.
Wissenschaftliche Selbstbiographie.

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Aber zunächst zu der Anzahl von Quarks: Dass es drei Familien von Elementarteilchen gibt, dürfte vielen meiner Leserinnen und Lesern geläufig sein. Die erste Familie reicht dabei aus, um alle stabile Materie zu erklären. Sie besteht aus Up-Quark, Down-Quark, Elektron und Elektron-Neutrino. Zwei Quarks also. Aber auch die Antiteilchen möchte ich in meiner kleinen Zoologie der Elementarteilchen mitzählen.1 Das Anti-Down-Quark und das Anti-Up-Quark haben dieselben Eigenschaften wie Quarks und unterscheiden sich nur in ihren Ladungen. Wir haben also in der ersten Familie vier Quarks und vier leichte Teilchen2.

Zu den vier Quarks der ersten Familie müssen wir noch die vier der zweiten Familie3 und die vier der dritten Familie4 zählen. Also sind wir bei insgesamt zwölf Quarks. Diese Quarks unterscheiden sich in ihrer Ladung. Eine Übersicht gibt es auf der Quark-Seite der Quantenwelt.

Quarks kommen also als Teilchen und Antiteilchen vor. Sie stammen aus verschiedenen Familien und kommen in den Geschmacksrichtungen (engl. flavor) Up, Down, Strange, Charm und Top. Sie tragen verschiedene elektrische Ladungen und nicht zuletzt haben sie eine weitere Art von Ladungen, die Farb-Ladungen. Jedes der bisher erwähnten zwölf Quarks gibt es in drei verschiedenen Versionen, die man nach den Grundfarben Rot, Grün5 und Blau nennt. Antiquarks haben die entsprechenden negativen Ladungen Antirot, Antigrün und Antiblau. Wir müssen also die Anzahl der Quarks noch einmal mit drei multiplizieren. Insgesamt gibt es Sechsunddreißig Quarks. Achtzehn der gewöhnlichen Materie und achtzehn Antiquarks.6

Farbladungen funktionieren so ähnlich wie elektrische Ladung. Im Elektromagnetismus gibt es positive und negative Ladung und es gibt ein Teilchen, das an diese Ladung koppelt. Das Photon. Das Photon kann ein Paar geladener Teilchen erzeugen, es kann von einem geladenen Teilchen abgegeben werden, wenn dieses seine Bahn ändert. Es kann zwischen zwei geladenen Teilchen ausgetauscht werden und dabei Energie und Impuls austauschen.

All das geht bei der Farbladung auch. Es gibt drei „positive“ Ladungen Rot, Grün, Blau und dazu drei negative Ladungen Antirot, Antigrün und Antiblau. So wie in der elektromagnetischen Kraft ein Teilchen neutral also nach außen ungeladen ist, wenn es gleich viele positive wie negative Ladungen hat, ist ein Teilchen nach außen farbneutral, wenn jedes Rot durch Antirot, jedes Grün durch Antigrün und jedes Blau durch Antiblau ausgeglichen ist.7 Es gibt aber eine weitere Möglichkeit, Neutralität zu erreichen. Ein Teilchen ist ebenfalls neutral, wenn es gleich viel Rot, Grün und Blau enthält.8

Gluonen

Auch farbige Quarks können paarweise erzeugt werden, Teilchen abgeben, wenn sie ihre Bahn wechseln, oder einander anziehen, indem sie Teilchen austauschen. Diese Teilchen nennt man Gluonen. Gluonen unterscheiden sich von Photonen darin, dass sie selbst Träger der Art Ladung sind, von der sie die Austauschteilchen sind. Und zwar trägt jedes Gluon eine Farbladung und eine Antifarbladung. Bildet man alle möglichen Paare, so würde man also naiv annehmen, dass es neun arten von Gluonen geben muss. Jede der drei Farben kombiniert mit jeder der drei Antifarben. Das stimmt jedoch nicht ganz.

Wir müssen bedenken, dass Teilchen in der Elementarteilchenphysik etwas ganz anderes sind als die klassischen Punktteilchen in der Mechanik. Sie repräsentieren Rechenvorschriften, mit denen die Dynamik von Quantenobjekten untereinender beschrieben wird. Die Farben der Quarks sind Metaphern für eine bestimmte Symmetrie, die der starken Kernkraft zugrunde liegt. Diese Symmetrie heißt spezielle unitäre Gruppe und behandelt sowas wie verallgemeinerte Drehungen in Räumen aus komplexen Zahlen. Das klingt kompliziert und ist es auch, aber die Drehung gibt uns einen neuen Ansatz, bildhaft zu verstehen worum es geht.

Ich habe in einem früheren Beitrag mal geschrieben, wie interessant komplexe Zahlen für die Physik sind. Wir könenn mit ihnen recht einfach Schwingungen und Wellen beschrieben. Und weil Quantenobjekte wie Quarks über Wellenfunktionen beschrieben werden, ist es nicht verwunderlich, dass wir die Kräfte zwischen Quarks mit komplexen Zahlen beschreiben können.

Ein Photon, das elektrische Kraft überträgt, kann auch als komplexe Zahl beschrieben werden. Es hat als Welle eine Amplitude9 und eine Phase10. Die Übertragung von Photonen verändert die Geschwindigkeit von Elektronen, sie ändert die Wellenfunktion der Elektronen in mathematisch exakt definierter Art. Ganz ähnlich ist es mit der Farbwechselwirkung, nur dass es sich um einen Dreiklang unterschiedlicher Ladungen handelt, die wir Farbe nennen.

Die mathematische Struktur der Interaktion von Quarks kann nicht mit einfachen komplexen Zahlen arbeiten, sie muss Größen verwenden, die drei komplexe Zahlen enthalten. Das sind diese speziellen unitären Gruppen. Wir können sie uns wie Drehungen vorstellen. Beliebige Drehungen im Raum lassen sich in einzelne Komponenten zerlegen. Ein Flugzeug kann die Nase hoch und runter bewegen, das nennt sich Nicken (engl. pitch), es kann seitlich schwenken, was man als Gieren (yaw) bezeichnet, oder es kann sich um die Längsachse drehen, das ist das Rollen (roll).

Was der Austausch von Gluonen mit den Wellenfunktionen von Quarks macht ist Drehungen ähnlich. Da gibt es die sechs oben genannten farbändernden Drehungen, die durch Gluonen wie Rot-Antigrün oder Blau-Antirot vermittelt werden. Es gibt aber noch zwei andere Grunddrehungen, die die Farben lassen wie sie sind und nur die Phasen, also die relativen Lagen der Wellenfunktionen zueinander verändern. Diese beiden Drehungen sind Überlagerungen aus den denkbaren Zuständen Rot-Antirot, Grün-Antigrün und Blau-Antiblau. Es gibt für diese Phasendrehung nur zwei Freiheitsgrade, ähnlich wie man auf einer dreidimensionalen Kugel wie unserer Erde nur zwei Koordinaten braucht um einen Ort eindeutig zu bestimmen.

Insgesamt gibt es also acht Gluonen, die die Überträger von Kräften zwischen Quarks sind. Sechs von ihnen verändern dabei deren Farbladung, zwei lassen die Farben unangetastet und drehen nur an ihren relativen Phasen. Eine weitere Kombination von Rot-Antirot, Grün-Antigrün und Blau-Antiblau ist denkbar, gehört aber nicht zu den erlaubten Drehungen der speziellen unitären Gruppe und existiert deshalb nicht als Gluon.

(Mehr in: Quantenwelt)