Philosophie der Naturwissenschaften

Philosophische Probleme der Physik

Ontologische und erkenntnistheoretische Probleme der Physik der Elementarteilchen

Mit der Entdeckung des Elektrons und der Spaltung des Atoms gewann die Frage nach der Natur der strukturellen Einheit der materiellen Welt außerordentliche Aktualität. Um die Wende zum 20. Jahrhundert entstand in der Physik die Skepsis gegenüber dem fundamentalen Begriff der Materie, die bisher mit Substanz assoziiert wurde und als atomar aufgebaut galt. Zunächst tritt das ontologische Problem der strukturellen Einheit der Welt in den Vordergrund, das neue philosophische Strömungen und neue physikalische Theorien über den Aufbau des Atoms hervorruft.

Das erste Atommodell, vorgeschlagen von J.J. Thomson im Jahr 1903, bestand nur kurz, festigte jedoch in der Vorstellung der Wissenschaftler die Idee, dass Elektronen die Bausteine jedes chemischen Elements sind.

Das nächste Atommodell wurde 1911 von Ernest Rutherford (1871–1937) vorgeschlagen und begründet. Zusammen mit seinen Schülern Hans Geiger (1882–1945) und Ernest Marsden (1889–1970) entdeckte er, dass das Atom ein positiv geladenes Kernzentrum besitzt, dessen Größe im Vergleich zum Atom selbst sehr klein ist. Rutherford schlug ein planetarisches Modell vor, bei dem das Atom aus einem Kern und Elektronen besteht, die diesen umkreisen. Der Vergleich mit dem Sonnensystem basierte auf dem Größenverhältnis von Sonne (Durchmesser 1,4·10⁶ km) und Sonnensystem (6·10⁹ km) sowie von Atomkern (10⁻¹² cm) und Atom (10⁻⁸ cm), die in etwa vergleichbar sind.

Die Atomtheorie entwickelte sich parallel zur Untersuchung der spontanen Strahlung von Uransalzen, die von Becquerel entdeckt wurde. Bei der Beobachtung der Ionisation der Luft und der Entladung geladener Körper durch die neue Strahlung stellte Becquerel zwei Fakten fest: 1) Die Aktivität der Uransalze bleibt über ein Jahr konstant; 2) Die Strahlungsintensität hängt nur von der Menge an Uran ab und nicht von den chemischen Verbindungen, die es bildet. Die Natur dieses Phänomens war zunächst unklar.

Die französischen Physiker Pierre Curie (1859–1906) und Marie Sklodowska-Curie (1867–1934) entdeckten, dass auch andere Substanzen wie Polonium und Radium „Becquerel-Strahlen“ aussenden. Dieses Phänomen, das die Curies natürliche Radioaktivität nannten, deutete auf die komplexe Zusammensetzung des Atomkerns hin.

Schon 1899 entdeckte Becquerel, dass bei Durchgang der spontanen Strahlung durch ein Magnetfeld die Strahlen in zwei Komponenten zerfallen, die in unterschiedliche Richtungen abgelenkt werden. Bald wurde eine dritte Komponente entdeckt, die nicht abgelenkt wurde. Die positiv geladene Komponente erhielt den Namen „α-Strahlen“, die negative „β-Strahlen“ und die neutrale „γ-Strahlen“. Die drei Strahlungsarten unterschieden sich in ihrer Durchdringungskraft: α-Strahlen sind am wenigsten durchdringend (0,1 mm Papier stoppt sie), β-Strahlen werden stark in Magnet- und elektrischen Feldern abgelenkt und weniger vom Material abgeschwächt (ein paar Millimeter Aluminium reichen aus), γ-Strahlen sind am durchdringendsten (1 cm Blei ist keine Barriere).

Rutherfords Experimente zeigten, dass die α-Teilchen eine doppelte Elementarladung (2e) besitzen und ihre Masse größer ist als die des Wasserstoffatoms, also der Masse eines Heliumatoms entspricht. Durch Ansammlung von α-Teilchen über mehrere Tage in einem speziellen Behälter konnte Rutherford durch Spektralanalyse nachweisen, dass sich dort tatsächlich Helium sammelte.

Bei der Untersuchung der β-Strahlen in Magnet- und elektrischen Feldern stellte sich heraus, dass sie einen Strom von Elektronen darstellen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts entstand die Theorie des radioaktiven Zerfalls, die auf der Vorstellung von Atomumwandlungen basiert. Es zeigte sich, dass es chemisch identische Elemente mit unterschiedlichen radioaktiven Eigenschaften gibt. F. Soddy nannte solche Elemente Isotope (die im Periodensystem den gleichen Platz einnehmen). Rutherford bestimmte experimentell das Gesetz des radioaktiven Zerfalls: jedem radioaktiven Stoff entspricht ein bestimmtes Zeitintervall, in dem seine Aktivität auf die Hälfte abnimmt – das sogenannte Halbwertszeitintervall. Die Halbwertszeit, also die Zeit, in der die Hälfte der radioaktiven Atome zerfällt, ist für verschiedene Substanzen unterschiedlich. Für Uran beträgt sie etwa 4,5 Milliarden Jahre. Je kürzer die Halbwertszeit, desto intensiver verläuft die Umwandlung. Atome sind in der Regel stabil; der Zerfall eines Atoms ist ein „Unglückfall“ in seinem Leben. Für radioaktive (instabile) Atome wird die mittlere Lebensdauer berechnet, die direkt proportional zur Halbwertszeit ist.

Im Jahr 1914 wurde das zweite Elementarteilchen entdeckt – das Proton, das den Kern des Wasserstoffatoms darstellt. Die erste künstliche Umwandlung von Atomkernen in der Geschichte der Physik wurde 1920 von Rutherford durchgeführt. Durch die Bombardierung von Stickstoff mit hochenergetischen α-Teilchen, die von Radium ausgesendet wurden, entdeckte er neue Protonen – Kerne des Wasserstoffatoms.

Das dritte Elementarteilchen, das Neutron, wurde 1932 in Experimenten des englischen Physikers J. Chadwick entdeckt. Seine Existenz war bereits zehn Jahre zuvor von Rutherford vorhergesagt worden. Die Masse des Neutrons ist geringfügig größer als die des Protons. Genau die Neutronen bildeten den Strom der γ-Strahlen. Nach der Entdeckung des Neutrons schlugen der sowjetische Physiker D. D. Iwanenko und der deutsche Wissenschaftler W. Heisenberg das Proton-Neutron-Modell des Atomkerns vor, das in nachfolgenden Experimenten bestätigt wurde. Es wurde eine Theorie der starken Wechselwirkungen entwickelt, die etwa hundertmal stärker sind als die elektromagnetischen Kräfte und nur auf kurzen Distanzen zwischen Nukleonen (Kernbestandteilen) wirken. Die Kernkräfte sind die stärksten Kräfte in der Natur.

Die Analyse und experimentelle Überprüfung der Kernbindung führte zur Entdeckung der künstlichen Radioaktivität (F. und I. Joliot-Curie, 1934). Dank dieser Entdeckung konnten instabile Isotope chemischer Elemente hergestellt werden, die in ihrem natürlichen Zustand stabil sind. Einen großen Beitrag zur theoretischen Entwicklung der Teilchenphysik leistete Enrico Fermi (1901–1954), unter dessen Leitung in den USA die erste kontrollierte Kettenreaktion durch Uranspaltung durchgeführt wurde.

Die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts war geprägt von der Entdeckung zahlreicher Elementarteilchen und der Entwicklung von Vorstellungen über ihre Natur. Es entstand ein verallgemeinertes Bild eines subatomaren Mikroteilchens, das eine Antiteilchen-Doppelgänger besitzt. 1931 sagte der englische theoretische Physiker Paul Dirac die Existenz des Positrons voraus, des Doppelgängers des Elektrons. Die Begegnung (Kollision) von Elektron und Antiteilchen erzeugt Photonen hoher Energie, während die Teilchen selbst annihilieren. Dirac zeigte, dass auch der umgekehrte Prozess möglich ist – die Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares bei der Kollision eines hochenergetischen Photons mit einem Kern. Zwei Jahre später wurde das Positron mit einer Wilson-Kammer in einem Magnetfeld nachgewiesen. Diese Entdeckung löste eine Sensation aus, begründete das Konzept der Antimaterie und beflügelte die Fantasie von Antiwelten. Zuvor hatte niemand vermutet, dass das Elektron, das älteste der Elementarteilchen und Hauptbaustein des Atoms, vergänglich sein könnte. Später wurden Antiteilchen für alle anderen Elementarteilchen nachgewiesen. Relativ kürzlich wurden Antiproton und Antineutron entdeckt. Atome, deren Kerne aus Antinukleonen und Hüllen aus Positronen bestehen, bilden Antimaterie. 1971 wurde in der UdSSR erstmals Antihelium erzeugt. Bei der Annihilation von Materie mit Antimaterie wird die Ruheenergie in kinetische Energie der entstehenden Teilchen umgewandelt. Die Ruheenergie erweist sich als der gewaltigste und konzentrierteste Energiespeicher im Universum.

Im Gesamtbild der Welt haben Elementarteilchen den demokritischen Atombegriff ersetzt. Im Gegensatz zum unveränderlichen Atom Demokrits ist die Hauptcharakteristik eines Elementarteilchens jedoch seine Lebensdauer. Die meisten bekannten Teilchen können nicht länger als zwei Millionstel Sekunden existieren, selbst ohne äußere Einflüsse. Ein freies Neutron (außerhalb des Atomkerns) lebt etwa 16 Minuten. Nur vier Teilchen könnten unverändert bestehen, wenn sie isoliert wären – Photon, Elektron, Proton, Neutrino.

Eines der rätselhaftesten Teilchen, das Neutrino, wurde theoretisch durch die Analyse der Prozesse beim β-Zerfall von Kernen vorhergesagt. Das Paradoxon bestand darin, dass der Kern ein Elektron emittierte, das im Kern selbst nicht vorhanden war. Das bedeutet, dass im Inneren β-radioaktiver Kerne ein Neutron in ein Proton (das im Kern bleibt) und ein Elektron (das austritt) zerfallen kann. Auffällig war auch, dass identische Kerne Elektronen unterschiedlicher Energien emittierten, während die entstehenden Kerne gleich blieben. Die Energie des Ausgangskerns entsprach nicht der Summe der Energien von Endkern und Elektron. Um dieses Problem zu lösen, das das fundamentale Energieerhaltungsgesetz zu verletzen schien, vermutete der Schweizer Physiker W. Pauli, dass neben Proton und Elektron beim Neutronzerfall ein unsichtbares Teilchen entsteht, das einen Teil der Energie mit sich führt. Es wird von Messgeräten nicht registriert, da es weder Ladung noch Ruhemasse besitzt. Es kann daher keine Atome ionisieren oder Kerne spalten und verursacht somit keine nachweisbaren Effekte. Pauli nahm an, dass dieses hypothetische Teilchen sehr schwach mit Materie wechselwirkt und daher jedes Material durchdringen kann. Enrico Fermi nannte dieses hypothetische Teilchen „Neutrino“ („kleines Neutron“). Es wurde 26 Jahre später nachgewiesen.

Die Vorstellungen vom Zerfall von Elementarteilchen mit extrem kurzer Lebensdauer sind in der modernen Physik paradox. Der Zerfall von Teilchen bedeutet nicht die Zerlegung eines Komplexen in Teile, sondern die Umwandlung von Elementarteilchen, bei der neue Teilchen entstehen, die im ursprünglichen System nicht vorhanden waren. Physiker der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entdeckten bereits 35 stabile und relativ stabile Elementarteilchen mit Lebensdauern von etwa 10^-17 Sekunden. Die Zahl der Teilchen mit Lebensdauern von 10^-22–10^-23 Sekunden beträgt bereits über 200.

Entsprechend der Zunahme der Ruhemasse wurden Gruppen von Elementarteilchen gebildet: Photonen; Leptonen – leichte Teilchen (Elektron, μ-Meson, Neutrino und deren Antiteilchen); Mesonen (π-Mesonen mit Massen von 264 Elektronenmassen, K-Mesonen und η⁰-Mesonen bis 1074 Elektronenmassen); Baryonen – schwere Teilchen (die leichtesten dieser Gruppe sind Protonen und Neutronen mit 1836 bzw. 1838 Elektronenmassen).

Schwere Teilchen erwiesen sich jedoch als nicht elementar. 1964 stellten G. Zweig und unabhängig davon M. Gell-Mann (USA) die Quark-Hypothese auf. Ein direktes Experiment, analog zu Rutherfords Versuch zur Entdeckung des Atomkerns, aber mit Strömen hochenergetischer Elektronen, die Protonen bombardierten, zeigte, dass die Wechselwirkung von Protonen mit Elektronen nicht dem Bild eines unteilbaren Protons von 10^-13 cm Größe entspricht. Die Streuung der Elektronen verlief so, als befänden sich innerhalb des Protons unabhängige Punktobjekte.

Nach dem anerkannten Standardmodell der Elementarteilchen bestehen die schweren Baryonen aus sechs fundamentalen Teilchen – den Quarks. Sechs Quark-Typen und sechs entsprechende Antiquarks wurden entdeckt, die sich durch Bruchladung, Spin, magnetische und Kernladung sowie andere Eigenschaften unterscheiden. Die Entdeckung des sechsten Quark-Typs wird auf 1994 datiert. Die Ladung der starken Wechselwirkung, an der ein Quark teilnehmen kann, wird als „Farbe“ bezeichnet. Jeder Quark kann nur eine Farbe der starken Wechselwirkung tragen: blau, grün oder rot. Bei der Bildung schwerer subatomarer Teilchen addieren sich die Farben, ähnlich wie in der Optik, und ergeben Weiß, charakteristisch für Protonen und Neutronen. Diese Eigenschaft der Quark-Wechselwirkungen gab dem neuen Forschungsbereich der Elementarteilchen den Namen „Quantenchromodynamik“.

Theoretische Berechnungen zeigten die Ungleichwertigkeit der Quark-Paarbindungen. Dementsprechend werden Quarks in drei Paare (oder Generationen) eingeteilt. Quarks der nächsten Generation sind schwerer als die der vorherigen. Die Lebensdauer von Mikroteilchen aus Quarks der zweiten und dritten Generation ist sehr kurz, weshalb sie schnell in Teilchen aus der ersten Generation zerfallen. Ähnlich verhalten sich Paare leichter Mikroteilchen (Leptonen). Insbesondere das Paar Elektron und Elektronneutrino (e^- und ν_e) bildet die Grundlage der stabileren Mikroteilchen und gilt als erste Generation der Leptonen. Es wurde festgestellt, dass nur Mikroteilchen aus Quarks und Leptonen der ersten Generation stabil sind. Nach neuesten Vorstellungen bilden streng genommen nur acht Urteilchen die Basis der Materie im Universum: die Quarks der ersten Generation (u- und d-Quark), die Leptonen der ersten Generation (e^- und ν_e) und ihre Antiteilchen.