„Ist er ein Punkt oder ist er ein Fleck? Wenn er unter Wasser ist, wird er dann nass? Oder bekommt das Wasser ihn stattdessen? Nobody knows.“ -They Might Be Giants, „Particle Man“
In der Schule lernen wir, dass Materie aus Atomen besteht und dass Atome aus kleineren Bestandteilen zusammengesetzt sind: Protonen, Neutronen und Elektronen. Protonen und Neutronen bestehen aus Quarks, aber Elektronen nicht. Soweit wir sagen können, sind Quarks und Elektronen fundamentale Teilchen, die nicht aus etwas Kleinerem aufgebaut sind.
Es ist eine Sache zu sagen, dass alles aus Teilchen gemacht ist, aber was ist ein Teilchen? Und was bedeutet es, zu sagen, ein Teilchen sei „fundamental“? Woraus bestehen Teilchen, wenn sie nicht aus kleineren Einheiten aufgebaut sind?
„Im weitesten Sinne sind ‚Teilchen‘ physikalische Dinge, die wir zählen können“, sagt Greg Gbur, ein Wissenschaftsautor und Physiker an der University of North Carolina in Charlotte. Man kann nicht die Hälfte eines Quarks oder ein Drittel eines Elektrons haben. Und alle Teilchen eines Typs sind exakt identisch zueinander: Es gibt sie nicht in verschiedenen Farben oder mit kleinen Nummernschildern, die sie unterscheiden. Zwei beliebige Elektronen werden in einem Detektor das gleiche Ergebnis liefern, und das macht sie so fundamental: Es gibt sie nicht in einer Sortenpackung.
Es ist nicht nur Materie: Auch Licht besteht aus Teilchen, den Photonen. Die meiste Zeit sind einzelne Photonen nicht wahrnehmbar, aber Astronauten berichten, dass sie sogar mit geschlossenen Augen Lichtblitze sehen, die von einem einzelnen Gammastrahlen-Photon verursacht werden, das sich durch die Flüssigkeit im Inneren des Augapfels bewegt. Seine Wechselwirkungen mit Partikeln im Inneren erzeugen Blaulicht-Photonen, die als Cherenkov-Licht bekannt sind – genug, um die Netzhaut auszulösen, die ein einzelnes Photon „sehen“ kann (obwohl viel mehr nötig sind, um ein Bild von irgendetwas zu machen).
Teilchenfelder für immer
Das ist allerdings nicht die ganze Geschichte: Wir können zwar Teilchen zählen, aber sie können erzeugt oder zerstört werden und unter bestimmten Umständen sogar ihren Typ ändern. Bei einer Art von Kernreaktion, die als Betazerfall bekannt ist, spuckt ein Kern ein Elektron und ein fundamentales Teilchen, ein sogenanntes Antineutrino, aus, während sich ein Neutron im Inneren des Kerns in ein Proton verwandelt. Trifft ein Elektron bei niedrigen Geschwindigkeiten auf ein Positron, vernichten sie sich und es bleibt nur Gammastrahlung übrig; bei hohen Geschwindigkeiten erzeugt die Kollision eine ganze Reihe neuer Teilchen.
Jeder hat schon von Einsteins berühmtem E=mc2 gehört. Das bedeutet unter anderem, dass die Erzeugung eines Teilchens Energie erfordert, die proportional zu seiner Masse ist. Neutrinos, die eine sehr geringe Masse haben, sind leicht herzustellen; Elektronen haben eine höhere Schwelle, während schwere Higgs-Bosonen eine riesige Menge an Energie benötigen. Photonen sind am einfachsten herzustellen, weil sie weder Masse noch elektrische Ladung haben, so dass es keine Energieschwelle zu überwinden gibt.
Aber es braucht mehr als nur Energie, um neue Teilchen zu erzeugen. Man kann Photonen erzeugen, indem man Elektronen durch ein Magnetfeld beschleunigt, aber man kann auf diese Weise keine Neutrinos oder weitere Elektronen erzeugen. Der Schlüssel ist, wie diese Teilchen mit den drei fundamentalen Quantenkräften der Natur interagieren: Elektromagnetismus, die schwache Kraft und die starke Kraft. Aber auch diese Kräfte werden in der Quantentheorie mit Hilfe von Teilchen beschrieben: der Elektromagnetismus wird von Photonen getragen, die schwache Kraft wird von den W- und Z-Bosonen beherrscht und die starke Kraft beinhaltet die Gluonen.
Alle diese Dinge werden zusammen durch eine Idee beschrieben, die „Quantenfeldtheorie“ genannt wird.
„Die Feldtheorie umfasst die Quantenmechanik, und die Quantenmechanik umfasst den Rest der Physik“, sagt Anthony Zee, Physiker am Kavli Institute for Theoretical Physics und an der University of California, Santa Barbara. Zee, der mehrere Bücher über die Quantenfeldtheorie sowohl für Wissenschaftler als auch für Nicht-Wissenschaftler geschrieben hat, räumt ein: „Wenn man einen Physiker dazu drängt, zu sagen, was ein Feld ist, wird er sagen, ein Feld ist alles, was ein Feld tut.“
Trotz der Unschärfe des Konzepts beschreiben Felder alles. Wenn sich zwei Elektronen einander nähern, wirbeln sie das elektromagnetische Feld auf und erzeugen Photonen wie Wellen in einem Teich. Diese Photonen stoßen dann die Elektronen auseinander.
Was für Wellen?
Wellen sind die beste Metapher, um Teilchen und Felder zu verstehen. Elektronen sind nicht nur Teilchen, sondern gleichzeitig auch Wellen im „Elektronenfeld“. Quarks sind Wellen im „Quark-Feld“ (und da es sechs Arten von Quarks gibt, gibt es auch sechs Quark-Felder), und so weiter. Photonen sind wie Wasserwellen: Sie können groß oder klein sein, heftig oder kaum wahrnehmbar. Die Felder, die Materieteilchen beschreiben, sind eher wie Wellen auf einer Gitarrensaite. Wenn man die Saite nicht stark genug zupft, bekommt man überhaupt keinen Ton: Man braucht die Schwellenenergie, die einer Elektronenmasse entspricht, um einen zu erzeugen. Genug Energie aber, und man erhält die erste Harmonische, die ein klarer Ton (für die Saite) oder ein Elektron (für das Feld) ist.
Als Folge dieses Quantendenkens ist es oft wenig hilfreich, sich Teilchen wie winzige Kugeln vorzustellen.
„Photonen bewegen sich als Welle frei durch den Raum“, sagt Gbur, auch wenn sie gezählt werden können, als wären sie Kugeln.
Die Metapher ist nicht perfekt: Die Felder für Elektronen, Elektromagnetismus und alles andere füllen die gesamte Raumzeit aus und sind nicht wie ein eindimensionaler Faden oder eine zweidimensionale Teichoberfläche. Wie Zee sagt: „Was wellt sich, wenn eine elektromagnetische Welle durch den Raum geht? Nichts winkt! Es muss kein Wasser sein wie bei einer Wasserwelle.“
Und natürlich bleibt noch die Frage offen: Wenn Teilchen aus Feldern entstehen, sind dann diese Felder selbst fundamental, oder ist da eine tiefere Physik im Spiel? Bis die Theorie mit etwas Besserem aufwartet, ist die Beschreibung von Materie und Kräften durch Teilchen etwas, worauf wir uns verlassen können.