Eine kurze Geschichte der Zeit (German Edition)

zwei solchen Umdrehungen wieder gleich aussieht. Sie sagte auch voraus, daß das Elektron einen Partner haben müsse, ein Antielektron oder Positron. Die Entdeckung des Positrons im Jahre 1932 bestätigte Diracs Theorie, was dazu führte, daß ihm 1933 der Nobelpreis für Physik verliehen wurde. Wir wissen heute, daß zu jedem Teilchen ein Antiteilchen gehört. Bei ihrem Zusammentreffen vernichten, annihilieren sich beide gegenseitig. (Im Fall der kräftetragenden Teilchen sind die Antiteilchen mit den Teilchen selbst identisch.) Es könnte ganze Antiwelten und Antimenschen aus Antiteilchen geben. Doch sollten Sie Ihrem Anti-Ich begegnen, geben Sie ihm nicht die Hand! Sie würden beide in einem großen Lichtblitz verschwinden. Die Frage, warum es um uns her soviel mehr Teilchen als Antiteilchen zu geben scheint, ist von großer Bedeutung, und ich werde in diesem Kapitel noch einmal auf sie zurückkommen.
    In der Quantenmechanik gehen wir davon aus, daß die Kräfte der Wechselwirkungen zwischen Materieteilchen alle von Teilchen mit ganzzahligem Spin getragen werden – 0, 1 oder 2. Dabei wird ein kräftetragendes Teilchen von einem Materieteilchen, etwa einem Elektron oder Quark, emittiert. Der Rückstoß dieser Emission verändert die Geschwindigkeit des Materieteilchens. Das kräftetragende Teilchen kollidiert anschließend mit einem anderen Materieteilchen und wird absorbiert. Diese Kollision verändert die Geschwindigkeit dieses zweiten Teilchens, ganz so, als wirke eine Kraft zwischen den beiden Materieteilchen.
    Eine wichtige Eigenschaft der kräftetragenden Teilchen ist die Tatsache, daß sie dem Ausschließungsprinzip nicht unterworfen sind. Sie können also in unbegrenzter Zahl ausgetauscht werden und eine starke Kraft hervorrufen. Doch wenn die kräftetragenden Teilchen über große Masse verfügen, ist es schwer, sie über größere Distanzen hervorzurufen und auszutauschen. Deshalb haben die Kräfte, die sie tragen, nur eine kurze Reichweite. Wenn die kräftetragenden Teilchen dagegen keine eigene Masse haben, wirken die Kräfte über große Distanz. Die kräftetragenden Teilchen, die zwischen Materieteilchen ausgetauscht werden, heißen «virtuelle» Teilchen, weil sie im Unterschied zu «realen» Teilchen von einem Teilchendetektor nicht direkt entdeckt werden können. Doch wir wissen, daß es sie gibt, weil sie einen meßbaren Effekt haben: Sie rufen Kräfte zwischen Materieteilchen hervor. Auch Teilchen mit Spin 0, 1 oder 2 kommen unter bestimmten Umständen als reale Teilchen vor, die sich direkt entdecken lassen. Sie erscheinen uns in einer Gestalt, die ein klassischer Physiker als Welle bezeichnen würde – etwa als Licht- oder Gravitationswelle. Manchmal werden sie emittiert, wenn Materieteilchen durch den Austausch virtueller kräftetragender Teilchen aufeinander einwirken. (Beispielsweise ist die elektrische Abstoßungskraft zwischen zwei Elektronen auf den Austausch virtueller Photonen zurückzuführen, die sich direkt nicht beobachten lassen, doch wenn sich ein Elektron an einem anderen vorbeibewegt, können reale Photonen abgegeben werden, die wir als Lichtwellen wahrnehmen.)
    Kräftetragende Teilchen lassen sich – je nach Stärke der Kraft und nach Art der Teilchen, mit denen sie wechselwirken – vier Kategorien zuordnen. Es sei betont, daß diese Unterteilung in vier Klassen künstlich ist: Sie dient als bequemes Hilfsmittel bei der Entwicklung von Teiltheorien, geht aber möglicherweise am Kern der Dinge vorbei. Letztlich hoffen die meisten Physiker auf eine vereinheitlichte Theorie, die alle vier Kräfte als verschiedene Aspekte einer einzigen erklärt – viele Experten würden dies als das vorrangige Ziel der heutigen Physik bezeichnen. In letzter Zeit hat man mit Erfolg versucht, drei der vier Kräftekategorien zu vereinigen – auch davon wird in diesem Kapitel noch die Rede sein. Die Frage nach der Einbeziehung der verbleibenden Kategorie, der Schwerkraft, verschieben wir auf später.
    Die erste Kategorie ist die Gravitation. Diese Kraft ist universell, das heißt, jedes Teilchen spürt die Schwerkraft, je nach seiner Masse oder Energie. Die Gravitation ist von allen vier Kräften bei weitem die schwächste. Sie ist so schwach, daß wir sie gar nicht bemerken würden, hätte sie nicht zwei besondere Eigenschaften: Sie kann über große Distanzen wirken, und sie ist immer eine anziehende Kraft. So summieren sich die sehr schwachen Gravitationskräfte zwischen den einzelnen