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

Bewegungsgesetze, die 1687 niedergeschrieben wurden, sagen uns immer noch, was geschieht, wenn wir eine Kraft auf eine bestimmte Masse ausüben. Sie gelten für die Knochen in unserem Körper, und sie gelten für den Ball, den Joakim wirft. Mit diesen Gesetzen können wir die Flugbahn eines Balles berechnen, den er hier auf der Erde wirft, und die Bahn berechnen, die der Planet Merkur beschreibt, wenn er die Sonne umkreist. In allen Fällen sagen uns Newtons Gesetze, dass die Bewegung sich immer weiter mit derselben Geschwindigkeit fortsetzen wird, solange keine Kraft auf den Gegenstand ausgeübt wird. Eine solche Kraft beschleunigt ein Objekt in Abhängigkeit von seiner Masse. Eine Kraft ruft eine gleich große, jedoch entgegengesetzte Gegenkraft hervor.
    Newtons Gesetze funktionieren auf bewundernswerte Weise für eine gut verstandene Bandbreite von Längen, Geschwindigkeiten und Dichten. Abweichungen erscheinen nur bei ganz kleinen Abständen, bei denen die Quantenmechanik die Regeln ändert, bei äußerst hohen Geschwindigkeiten, bei denen die Relativitätstheorie gilt, oder bei ungeheuren Dichten, wie z.B. denen, die in einem schwarzen Loch herrschen, wo die Allgemeine Relativitätstheorie die Geltung übernimmt.
    Die Effekte jeder der neuen Theorien, die Newtons Gesetze ablösen, sind zu klein, um jemals bei gewöhnlichen Abständen, Geschwindigkeiten oder Dichten beobachtet zu werden. Aber mit Entschlossenheit und der entsprechenden Technologie können wir in die Größenbereiche vordringen, in denen wir diesen Grenzfällen begegnen.
    Reise nach innen
    Wir müssen eine große Strecke zurücklegen, bevor wir den Bestandteilen der neuen Physik und neuen physikalischen Gesetzen begegnen. Aber es geschieht vieles in den Größenbereichen zwischen einem Meter und der Größe eines Atoms. Viele der Gegenstände, denen wir in unserem Alltag oder sonst im Leben begegnen, weisen wichtige Merkmale auf, die wir nur dann bemerken können, wenn wir kleinere Systeme erforschen, bei denen andere Verhaltensweisen oder Substrukturen in den Vordergrund treten (siehe Abbildung 13 zu einigen Größenbereichen, auf die wir uns in diesem Kapitel beziehen).
    Natürlich entstehen viele Objekte, mit denen wir vertraut sind, einfach dadurch, dass eine einzige grundlegende Einheit viele Male zusammengesetzt wird, ohne dass es viele interessante Einzelheiten oder irgendeine innere Struktur gäbe. Diese extensiven Systeme wachsen wie Mauern, die aus Ziegeln bestehen. Dadurch, dass wir mehr oder weniger Ziegel hinzufügen, können wir die Wände größer oder kleiner machen, aber die grundlegende funktionale Einheit ist immer dieselbe. Eine große Mauer ist in vielen Hinsichten genau wie eine kleine Mauer. Für diese Art des Übergangs von einer Skala zu einer anderen kann eine Vielzahl von großen Systemen als Beispiel dienen, die mit der Zahl wiederholter elementarer Bestandteile anwachsen. Das gilt beispielsweise für viele große Organisationen sowie für Speicherchips von Computern, die aus einer großen Zahl identischer Transistoren bestehen.
    Eine andere Art des Übergangs von einer Größenordnung zur anderen, die für andere Arten großer Systeme gilt, ist exponentielles Wachstum, das auftritt, wenn die inneren Verknüpfungen und nicht die grundlegenden Elemente das Verhalten eines Systems bestimmen. Obwohl solche Systeme ebenfalls dadurch wachsen, dass viele ähnliche Einheiten hinzugefügt werden, hängt doch das Verhalten von der Zahl der Verknüpfungen ab – und nicht nur von der Zahl elementarer Einheiten. Diese Verbindungen erstrecken sich nicht nur auf einen direkt angrenzenden Teil wie bei Ziegeln, sondern können sich auch auf andere Einheiten über das ganze System hinweg ausdehnen. Neuronale Systeme, die aus vielen synaptischen Verbindungen bestehen, Zellen mit vielen wechselwirkenden Proteinen und das Internet mit einer großen Zahl von miteinander verbundenen Computern sind alles Beispiele dafür. Dies ist an sich ein lohnenswerter Forschungsgegenstand, und einige Bereiche der Physik behandeln auch das entsprechende emergente makroskopische Verhalten.

Abb. 13: Eine Reise zu kleinen Skalen und die Längeneinheiten, die zu ihrer Beschreibung verwendet werden.
    Aber die Physik der Elementarteilchen bezieht sich nicht auf komplexe Systeme, die aus vielen Einheiten bestehen. Sie konzentriert sich auf die Bestimmung der elementaren Bestandteile und der Gesetze, denen sie gehorchen. Die Elementarteilchenphysik zielt auf