Auszug aus: Vom Higgs zur Quantengravitation 1/2013 - Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form
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Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form
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Vom Higgs zur Quantengravitation - 1/2013
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SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT SPEZIAL Physik · MAthematik · Technik 1/ 13: Vom Higgs zur Quantengravitation
spe z i a l
Physik · M A t h e ma t i k · Technik
Vom Higgs zur
Quantengravitation
spezial Physik · MAthematik · Technik 1/13
Neue Teilchen,
exotische Zahlen
und die »Theorie
für alles«
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01
Higgs -Teilchen Quantenphysik im Alltag quantengravitatio n
4 192452 508909
Wie wurde es entdeckt? Was Schrödingers Katze auf Auf dem Weg zu einer
findet der LHC als Nächstes? dem Prüfstand Theorie aller Naturkräfte
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Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
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Editorial
Thilo Körkel
Redakteur dieser Ausgabe
Erkenntnissuche im Mikrokosmos
D iesen historischen Moment wollten die Physiker des CERN unter keinen Umständen verpassen. Zu
Hunderten verbrachten sie die Nacht in den Gängen vor dem Raum, in dem am darauf folgenden
Tag die bislang größte Leistung des Beschleunigers LHC verkündet werden sollte: die Entdeckung des
Higgs-Teilchens. In diesem »Spektrum Spezial« können nun auch Sie die Ereignisse noch einmal miterle-
ben. Was genau am 4. Juli 2012 und in den spannenden Wochen vorher und danach geschah, berichten
drei der beteiligten Forscher ab S. 16. Außerdem wollten wir wissen, wie es jetzt nach dem Higgs-Fund am
LHC weitergeht. Rede und Antwort stand uns CERN-Forscher Siegfried Bethke (S. 24).
Mit dem Riesenbeschleuniger könnten die Experimentatoren demnächst auch Hinweise darauf fin-
den, wie eine künftige Theorie der Quantengravitation aussehen muss. Eine solche »Weltformel« soll die
vier Grundkräfte der Natur in einem gemeinsamen theoretischen Rahmen zusammenfassen. Die Hin-
dernisse sind groß, aber in jüngerer Zeit erzielten die Forscher bemerkenswerte Fortschritte (S. 48).
Auch viele der anderen Pfade, auf denen Physiker zu einem immer tieferen Verständnis des Univer-
sums gelangen, leuchten wir in diesem Heft aus. Wieder einmal könnten es Mathematiker und Theore
tiker sein, die den Weg weisen. Schließlich war auch das Higgs zunächst nur ein theoretisches Konstrukt,
doch ein so überzeugendes, dass sich die Forscher auf eine fast 50-jährige Suche nach ihm einließen. Nun
wurde mit den so genannten Oktonionen ein schon in Vergessenheit geratenes exotisches Zahlensystem
wiederentdeckt, das möglicherweise ebenfalls eine fundamentale Eigenschaft der Natur zu erhellen ver-
mag. Viele der Ansätze zu einer Theorie der Quantengravitation gehen nämlich davon aus, dass die Welt
über zehn oder elf Raumdimensionen verfügt – und die Oktonionen bieten sich in idealer Weise an, ge-
nau eine solche Welt zu beschreiben (S. 70).
N och mysteriöser sind neue Erkenntnisse aus der Welt der Quanten. Immer deutlicher zeigen Experi-
mente, dass deren rätselhafte Gesetze nicht nur das Geschehen im Mikrokosmos regeln (S. 38). Man-
che Wissenschaftler spekulieren sogar, ob sie auch für lebende Organismen gelten könnten (S. 31).
Natürlich ziehen die Physiker auch Kritik auf sich: Manch einer wirft ihnen vor, sie würden immer
hochtrabendere Theorien entwickeln, die sich mit keinem Experiment der Welt mehr überprüfen lassen.
Princeton-Physiker Tony Rothman legt seinen Finger indessen in eine ganz andere Wunde (S. 77). Ihm zu-
folge übersehen wir, während wir die Grenzen unserer Erkenntnis immer weiter nach außen verschie-
ben, dass auch diesseits dieser Grenzen noch gewaltige Risse im Gebäude der Physik klaffen. Und er stellt
die Frage, ob Physiker wirklich verstehen, wie die Welt funktioniert – oder ob sie einfach nur gelernt ha-
ben, sie zu beschreiben. Doch entscheiden Sie selbst!
Viel Spaß beim Lesen wünscht
SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · www.spektrum.de 3
I N H A LT
6 16 58
Urknall-Plasma Sensationsfund am LHC Mehr als ein Rechentrick
Bei spektakulären Teilchenkolli Am 4. Juli 2012 verkündete das CERN die Ein neues mathematisches Verfahren
sionen im Beschleuniger LHC Entdeckung des Higgs-Teilchens, nach dem beschreibt sogar extrem komplexe
geht es zu wie im gerade entstan Physiker 50 Jahre lang gefahndet hatten. Teilchenkollisionen. Weist es in Rich-
denen Universum. Drei der beteiligten Forscher berichten. tung einer »Theorie für alles«?
Experimente ten über die spannenden Wochen kosmos. Einige Forscher halten es
rund um seine Entdeckung. für denkbar, dass sich sogar Pflan-
Urknall im Detektor zen oder Zugvögel Quanteneffekte
6 D
ie Jagd nach Zukunft der Teilchenphysik zu Nutze machen.
dem Quark-Gluon-Plasma 24 Der LHC nach Higgs –
Johanna Stachel und Die Suche bleibt spannend Makroskopische Quantenphysik II
Peter Braun-Munzinger Was bedeutet der Fund des neuen r 38 S chrödingers Katze
Wie sah das Universum kurz nach Partikels für die Teilchenphysiker? auf dem Prüfstand
dem Urknall aus? Kollidierende »Spektrum« sprach mit CERN-For- Markus Aspelmeyer und
Bleikerne im Beschleuniger LHC scher Siegfried Bethke. Markus Arndt
sollen die Antwort liefern. Forscher suchen bei immer größeren
QuantenPHYsik Objekten nach Quanteneffekten –
entdeckung im LHC und werden fündig! Wo genau liegt
r 16 Der lange Weg zum Higgs MAKROskopische Quantenphysik I die Grenze zwischen der geheim
Guido Tonelli, Sau Lan Wu r 31 Leben in der Quantenwelt nisvollen Welt der Quanten und der
und Michael Riordan Vlatko Vedral Realität, wie wir sie erleben?
Drei an der Suche nach dem Higgs- Die Gesetze der Quantenmechanik
Teilchen beteiligte Forscher berich- beherrschen nicht nur den Mikro-
4 Spezial Physik – Mathematik – Technik 1/2013: Vom Higgs zur Quantengravitation
70 31
Exotische Zahlen Quantenwelt im Makrokosmos?
Leben wir wirklich nur in einem Die Quantenmechanik gilt im Mikrokosmos, aber offenbar nicht nur dort.
3-D-Universum? Achtdimensio Vor allem die Verschränkung, ein typischer Quanteneffekt, tritt auch in makro
nale Oktonionen könnten revo- skopischen Systemen auf. Neue Forschungen zeigen: Selbst bei Pflanzen und
lutionäre Erkenntnisse liefern. Vögeln spielt sie möglicherweise eine Rolle.
J enseits Neue Rechenregeln für Teil- ein Universum, das zehn oder elf
des standardmodells chenkollisionen haben ungeahnte Dimensionen besitzt – genau, wie es
Konsequenzen. die Stringtheorie fordert.
Weltformel simulation
r 48 A
uf dem Weg Interview Wissenschaftstheorie
zur Quantengravitation 66 Antirealistischer Querdenker 77 D
ie Physik – ein
Claus Kiefer Peter Byrne baufälliger Turm von Babel
An einer Theorie, die Quantenphysik Leonard Susskind, Stringtheoretiker Tony Rothman
und Gravitation verknüpft, beißen von der Stanford University, ist da- Die Physiker entwickeln immer
sich Physiker seit Langem die Zähne von überzeugt, dass wir die Wirklich- hochtrabendere Modelle. Doch
aus. Nun vermelden sie Fortschritte. keit niemals ganz erfassen werden. arbeiten sie überhaupt auf einem
sicheren Fundament?
Mathematik Höhere Dimensionen
58 M
it einem Rechentrick 70 E xotische Zahlen
zur umfassenden Theorie und die Stringtheorie Editorial 3 · Impressum 60 · Vorschau 82
Titelmotiv: CERN / Maximilien Brice
der Naturkräfte John C. Baez und John Huerta Blick ins Innere des LHC-Detektors CMS
Zvi Bern, Lance J. Dixon Ein in Vergessenheit geratenes Die auf der Titelseite angekündigten
Artikel sind mit r gekennzeichnet.
und David A. Kosower Zahlensystem beschreibt elegant
www.spektrum.de 5
Urknall im detektor
Die Jagd nach dem
Quark-Gluon-Plasma
Schießt man die Kerne von Bleiatomen mit großer Energie auf
einander, entstehen im resultierenden Feuerball tausende
neue Teilchen. Sie verraten den Forschern des ALICE-Experiments
am Teilchenbeschleuniger LHC, was im Innersten der Materie
vor sich geht – und enthüllen, wie das Universum kurz nach dem
Urknall aussah.
Von Johanna Stachel und Peter Braun-Munzinger
A
m 8. November 2010 kurz nach 11 Uhr ist es so der kontinuierliche Betrieb mit Protonen, also Wasserstoff-
weit. Zum ersten Mal herrschen im Beschleuni- kernen, schon im November 2009 aufgenommen wurde,
ger LHC stabile Bedingungen für Kollisionen von ließ die Beschleunigermannschaft rund ein Jahr später erst-
Bleikernen: Die Teilchenstrahlen sind so fokus- mals auch Bleikerne kollidieren. Das Messprogramm mit
siert, dass sie mit konstanter Rate aufeinanderprallen. Das ist schweren Atomkernen wird etwa 1200 Wissenschaftler aus
das Signal für die Experten im Kontrollraum des ALICE-Expe- derzeit 36 Ländern mindestens während der nächsten Deka-
riments, ihre empfindlichen Messinstrumente einzuschal- de in Atem halten. Jetzt, in den ersten Monaten des Jahres
ten. Wenige Minuten später startet die erste Messkampagne, 2013, finden zum ersten Mal Kollisionen zwischen Protonen
bei der wir Kollisionen von schweren Atomkernen studieren und Bleiionen statt. Anschließend wird der LHC während
können. Als sie vier Wochen später endet, wurden Daten für einer etwa zweijährigen Umbauphase auf seine volle Leis-
etwa 20 Millionen solcher Kollisionen registriert, gespei- tungsfähigkeit gebracht.
chert, an Rechenzentren in aller Welt verschickt und von den Unsere erste Messkampagne im Jahr 2010 war der vorläu-
Wissenschaftlern des ALICE-Teams einer ersten Analyse un- fige Höhepunkt einer Entwicklung, die vor gut 20 Jahren be-
terzogen. Schon zu diesem Zeitpunkt haben internationale gonnen hatte. Bei einem Workshop am CERN diskutierten
Fachzeitschriften erste Ergebnisse zur Veröffentlichung ak- Forscher im Dezember 1990 erstmals über ein Experiment
zeptiert. mit schweren Atomkernen. Damals war der LHC bereits in
Der LHC (Large Hadron Collider) am europäischen Teil- Planung, und die Physiker hofften, ab 1998 mit Protonen ex-
chenforschungszentrum CERN bei Genf ist der weltweit perimentieren zu können.
größte Beschleuniger. In seinem 27 Kilometer langen Ring- Dies erwies sich allerdings als allzu optimistisch. Als wir
tunnel prallen gegenläufige Teilchenstrahlen bei bisher un- beide unsere Professuren an der Stony Brook University im
erreichten Energien und Intensitäten aufeinander. Während US-Bundesstaat New York aufgaben und Weihnachten 1995
6 Spezial Physik – Mathematik – Technik 1/2013: Vom Higgs zur Quantengravitation
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Vom Higgs zur Quantengravitation - 1/2013
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