Relativität und Quanten / Einsteiger-Tour Teil 1: Speziell-relativistische Quanten

Quantentheorie und Relativitätstheorien sind allesamt Kinder des beginnenden zwanzigsten Jahrhunderts, und es verwundert nicht, dass sich die Physiker recht bald Gedanken zu machen begannen, ob es möglich sei, diese Theorien miteinander zu verbinden und beispielsweise eine Quantentheorie relativistischer Teilchen zu formulieren.

Was die Spezielle Relativitätstheorie angeht, haben sich die entsprechenden Versuche als äußerst erfolgreich erwiesen. Die ursprüngliche Quantenmechanik basierte auf der Theorie von Punktteilchen, die den Gesetzen der klassischen, vor-Einsteinschen Mechanik folgten. Legte man ihr die Mechanik der Speziellen Relativitätstheorie zugrunde, so ergab sich eine relativistische Quantenmechanik mit unglaublichen Vorhersagen: Für jede Sorte relativistischer Teilchen, so sagte diese Theorie voraus, muss eine Art Spiegelbildsorte existieren, entsprechende Antiteilchen. Diese Antiteilchen haben dieselbe Masse wie ihre Teilchen-Partner, aber entgegengesetzte Ladungen. Beispielsweise fordert die relativistische Quantenmechanik in einer Welt, in der elektrisch negativ geladene Elektronen existieren, zwingend die Existenz von Anti-Elektronen, die dieselbe Masse haben, aber elektrisch positiv geladen sind. Dass solche Anti-Elektronen oder Positronen tatsächlich nachgewiesen werden konnten, war ein großer Triumph der Theorie.

Bald zeigte sich allerdings, dass die relativistische Verallgemeinerung der Quantenmechanik noch nicht ausreichte. Um die Wirkung von Kräften beschreiben zu können, musste man die Modelle noch erweitern und zu sogenannten relativistischen Quantenfeldtheorien übergehen. In diesen Theorien haben nicht nur die Materieteilchen, sondern auch die zwischen ihnen wirkenden Kräfte Quantencharakter. Kräfte werden von Teilchen übertragen: Dass sich beispielsweise zwei Elektronen elektrisch abstoßen erklärt sich auf Quantenebene durch den Austausch hin- und herflitzender Photonen, deren Aussendung und Absorption den Krafteinfluss von einem Elektron zum anderen überträgt.

Die Quantenfeldtheorien bilden die Grundlage der modernen Teilchenphysik. Die folgende Abbildung zeigt die Experimentalphysiker des ZEUS-Detektors am Forschungszentrum DESY vor ihrem Experiment, einem riesigen Detektor, mit dessen Hilfe Kollisionen von Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger bis ins Detail beobachtet werden können:

ZEUS-Detektor am Forschungszentrum DESY mit Team © DESY

Das grundlegende Standardmodell der Elementarteilchenphysik, das die Geschehnisse der Welt auf eine Handvoll elementarer Materieteilchen und drei zwischen ihnen wirkende Elementarkräfte zurückführt, und dessen Vorhersagen die Physiker mit Experimenten wie diesem überprüfen, ist eine Variante der relativistischen Quantenfeldtheorien. Es beruht auf der erfolgreichen Verbindung der Quantentheorie mit Einsteins Spezieller Relativitätstheorie.