Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

Gebäudes im kleinen Maßstab, das zur Darstellung und Erforschung seiner Architektur verwendet wird. Oder man könnte an numerische Simulationen auf einem Computer denken, die die Konsequenzen bekannter physikalischer Prinzipien berechnen – wie etwa die Modellierung des Klimas oder Modelle der Verbreitung ansteckender Krankheiten.
    Die Modellbildung in der Elementarteilchenphysik unterscheidet sich stark von jeder dieser Definitionen. Teilchenmodelle haben jedoch etwas von dem Flair der Modelle in Illustrierten oder Modeshows. Sowohl die Modelle auf dem Laufsteg als auch jene in der Physik illustrieren phantasievolle neue Ideen. Und die Leute scharen sich anfänglich um die schönen – oder zumindest um diejenigen, die verblüffender oder überraschender sind. Aber am Ende werden sie doch von denjenigen angezogen, die wirklich vielversprechend sind.
    Es ist klar, dass die Ähnlichkeit an dieser Stelle aufhört.
    Modelle der Elementarteilchenphysik sind Vermutungen darüber, was den Theorien zugrunde liegen könnte, deren Vorhersagen schon getestet wurden und die wir verstehen. Ästhetische Kriterien sind wichtig bei der Entscheidung, welche Ideen zu verfolgen sich lohnt. Aber dasselbe gilt für die Konsistenz und die Prüfbarkeit von Ideen. Modelle beschreiben verschiedene zugrunde liegende physikalische Elemente und Prinzipien, die sich auf Entfernungen und Größen beziehen, die kleiner sind als diejenigen, die schon experimentell überprüft wurden. Durch Modelle können wir das Wesen und die Konsequenzen verschiedener theoretischer Annahmen bestimmen.
    Modelle sind ein Mittel, um von dem, was wir wissen, zu extrapolieren, um Vorschläge für umfassendere Theorien mit größerer Erklärungskraft hervorzubringen. Dabei handelt es sich um beispielhafte Vorschläge, die sich als richtig oder falsch herausstellen können, sobald Experimente uns gestatten, in kleinere Entfernungen oder höhere Energien vorzudringen und ihre zugrunde liegenden Hypothesen und Vorhersagen zu testen.
    Man sollte beachten, dass eine »Theorie« nicht dasselbe ist wie ein »Modell«. Mit dem Wort »Theorie« meine ich keine groben Spekulationen wie im eher umgangssprachlichen Sinne. Die bekannten Teilchen und die bekannten physikalischen Gesetze, die sie befolgen, sind Bestandteile einer Theorie – einer bestimmten Menge von Elementen und Prinzipien mit Regeln und Gleichungen zur Vorhersage dessen, wie die Elemente miteinander wechselwirken.
    Aber selbst dann, wenn wir eine Theorie und ihre Implikationen vollständig verstehen, kann dieselbe Theorie auf viele verschiedene Weisen implementiert sein, und diese werden in der wirklichen Welt verschiedene physikalische Konsequenzen haben. Modelle sind eine Methode, diese Möglichkeiten zu erproben. Wir kombinieren bekannte physikalische Prinzipien und Elemente zu möglichen Beschreibungen der Wirklichkeit.
    Wenn Sie sich eine Theorie als eine PowerPoint-Schablone vorstellen, wäre ein Modell Ihre spezielle Präsentation. Die Theorie gestattet zwar Animationen, aber das Modell enthält nur diejenigen, die Sie brauchen, um Ihre Idee darzustellen. Die Theorie würde sagen, dass man einen Titel und ein paar Stichpunkte braucht, aber das Modell würde genau das enthalten, was Sie vermitteln wollen, und idealerweise würde es gut zu der jeweiligen Aufgabe passen.
    Das Wesen der Modellbildung in der Physik hat sich entsprechend den Fragen verändert, die die Physiker zu beantworten versucht haben. In der Physik geht es zwar immer um den Versuch, die größtmögliche Zahl physikalischer Größen anhand der kleinstmöglichen Anzahl von Annahmen vorherzusagen, aber das bedeutet nicht, dass es uns auch gelingt, unmittelbar die grundlegendsten Theorien zu identifizieren. Fortschritte in der Physik werden häufig auch dann schon gemacht, bevor man alles auf der fundamentalsten Ebene versteht.
    Im 19. Jahrhundert verstanden Physiker die Begriffe von Temperatur und Druck und nutzten sie in der Thermodynamik und bei der Gestaltung von Motoren, bevor irgendjemand diese Ideen auf einer fundamentaleren mikroskopischen Ebene als Ergebnis der zufälligen Bewegung einer großen Zahl von Atomen und Molekülen erklären konnte. Im frühen 20. Jahrhundert versuchten Physiker, Modelle zu entwerfen, um die Masse anhand von elektromagnetischer Energie zu erklären. Obwohl diese Modelle auf weitverbreiteten Überzeugungen darüber beruhten, wie diese Systeme funktionierten, erwiesen sie sich als falsch. Etwas