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Vom Großen zum Kleinen

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"Vom Universum zu den Elementarteilchen" liegt voll im Trend. Das Buch von Ulrich Ellwanger bedient ein derzeit sehr populäres Thema der Theoretischen Physik: die Verbindung von Mikro- und Makrokosmos. Bereits Mitte des 20. Jahrhunderts hielt die Kernphysik Einzug in die Astronomie. Es wurden sehr erfolgreiche Theorien der Energieerzeugung in Sternen entworfen. Später ging man weiter und erkannte, dass Gravitation und Elementarteilchenphysik im Urknall eine enge Beziehung eingehen. Neuerdings gilt dies auch für die Kosmologie, denn populäre Stichworte sind Dunkle Materie und Dunkle Energie. Nicht zuletzt versucht aktuell die Stringtheorie die lang ersehnte Verbindung von Quantenfeldtheorie und Allgemeiner Relativitätstheorie herzustellen – mit dem Preis einer 10-dimensionalen Welt. Das ganz Große ist offenbar ohne das ganz Kleine nicht zu erklären – und umgekehrt.

Bücher über diese spannende Entwicklung zu schreiben, ist somit populär, aber das hat seine Tücken. Und die liegen gerade im "Populären". Wie soll man dem Laien etwas klar machen, das einen erheblichen mathematischen Aufwand erfordert? Schon Einsteins Relativitätstheorie hatte hier ihre Schwierigkeiten. Nur wenigen Autoren gelingt es, mit einfachen Worten, den Inhalt von Quantenfeld- und Gravitationstheorie zu vermitteln. Oft wird nur der Pseudowissenschaft gehuldigt. Wie auch immer, letztlich erscheint jeder Versuch unbefriedigend, denn der materielle Mensch hat weder zum Mikro- noch zum Makrokosmos irgendeinen Zugang. Der menschliche Geist aber schon: in Gestalt der mathematischen Logik, der die physikalische Welt glücklicherweise gehorcht. So sagt eine Formel wie etwa die Einstein'sche Feldgleichung (dem, der sie versteht) mehr als tausend Worte. Die normale Sprache ist dagegen ungeeignet, die physikalischen Gesetze eindeutig und klar zu formulieren. Die mysteriöse Quantenmechanik liefert hier ein krasses Beispiel. Und wie steht es erst mit dem gekrümmten Raum, dem Schwarzen Loch, der inflationären Expansion oder gar einem Multiversum mit 10 Dimensionen?

Das vorliegende Buch von Ellwanger, Professor für Theoretische Physik in Paris, versucht erst gar nicht die populäre, nicht-mathematische Darstellung. Es verfällt aber auch nicht in völlige Abstraktion. Das Niveau liegt zwischen Prosa und knallhartem Kalkül. Mitkommen dürften hier, wie bereits das Vorwort verrät, Studenten der Physik und begabte Gymnasiasten. Auf deren physikalischen und mathematischen Wissensstand ist der Stoff heruntergebrochen. Naturwissenschaftlich interessierte Leser sollten immerhin noch "die Faszination nachvollziehen, die mit dem Eindringen in die Grundgesetze der Natur einhergeht". Kein leichtes Unterfangen, denn wer ist schon mit Symmetriegruppen wie SU(3), Eichtransformationen, Feynmandiagrammen oder der Renormierungsgruppe vertraut. Es gilt also, Dinge deutlich zu vereinfachen, ohne die nötige Strenge zu vernachlässigen. Das führt natürlich zu einem schwer überschaubaren Konglomerat an neuen Begriffen.

Ellwanger geht hier den einzig richtigen Weg. Es lässt alle wesentlichen Grundlagen kompakt Revue passieren, bevor es wirklich ernst wird. Man sollte also – wie bei einem klassischen Lehrbuch – vorne anfangen und nicht gleich dem Reiz von Higgs-Bosonen oder Stringtheorie erliegen. Formeln und kürzere Ableitungen sind feste Bestandteile, auf denen aufgebaut wird. Nach einem ersten Überblick geht es, ganz wie der Titel verspricht, "Vom Universum zu den Elementarteilchen". Vorgestellt werden die Geschichte des Universums: vom Urknall über die Inflation bis zur gegenwärtigen (beschleunigten) Expansion. Gesonderte Kapitel behandeln die Spezielle und Allgemeine Relativitätstheorie. Die Feldtheorie eröffnet anschließend die Welt des Mikrokosmos mit ihren fundamentalen Kräften und Teilchen. Es geht um (Quanten-)Elektrodynamik, starke und schwache Wechselwirkung. Man wird mit Kopplungskonstanten, Vertizes, Isospin, Parität (und ihrer Verletzung), Neutrino-Oszillationen und Higgs-Feldern vertraut gemacht. Breiten Raum nehmen die Symmetrien ein, ein fundamentaler Bestandteil des heutigen Standardmodells. Wer noch nie eine partielle Differentialgleichung gesehen hat oder wem der Umgang mit Matrizen fremd ist, wird hier kaum auf seine Kosten kommen. Relativ harten Stoff bieten, trotz der betont "weichen" Verpackung, auch die letzten Kapitel. Hier geht es um Renormierung, Große Vereinheitlichung (GUT) und Supersymmetrie – mit dem krönenden Abschluss: Quantengravitation und Stringtheorie.

Wie gesagt, das alles ist "lesbar", wenn man die richtigen Voraussetzungen mitbringt. Dann macht es richtig Spaß, denn der Autor versteht es, die komplexen Gebilde der Theoretischen Physik mit passenden Worten einzukleiden. Damit entsteht eben kein trockenes Lehrbuch, sondern eine filigrane Darstellung der modernen Teilchen- und Astrophysik. Wer alles verstanden hat, wird auch kaum Probleme haben, die Übungsaufgaben (am Ende jedes Kapitels) zu bewältigen. Notfalls kann man auch bei den Lösungen im Anhang nachschlagen.

Entstanden ist ein didaktisch gelungenes Werk ohne nennenswerte Fehler, aus dem man mit den entsprechenden Vorkenntnissen viel Nutzen zieht. Man merkt die große Erfahrung des Autors als Forscher und Dozent – und fühlt sich stets sicher aufgehoben. In Erwartung des ersten Energieblitzes im brandneuen Large Hadron Collider des CERN ist allerdings zu empfehlen, das Buch noch rasch zu lesen – schließlich könnte ein umgewollt erzeugtes Schwarzes Miniloch uns alle verschlingen. Frei nach dem Motto "Mikrokosmos frisst Makrokosmos".
18.07.2008

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 18.07.2008

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