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SHELDON GLASHOW |
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SHELDON GLASHOW und die Entdeckung des „Charm«. geb. 1932. in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelten die Physiker eine einflußreiche »Standardtheorie« zu den Elementarteilchen und den zwischen ihnen wirkenden Kräften. Die Theorie war von den Arbeiten MURRAY GELL-MANNS, der ausgehend von den Quarks die Quantenchromodynamik entwickelt hatte, angeregt worden und hat seitdem in Tausenden von Experimenten ihre Robustheit unter Beweis gestellt. Obwohl noch viele Fragen offen sind, beschreibt sie die fundamentalen Kräfte und Materieteilchen, aus denen das physikalische Universum besteht und die zur Erklärung der Entstehung der Welt herangezogen werden können. Die Standardtheorie faßt die starken und schwachen Wechselwirkungskräfte und die elektromagnetischen Kräfte unter einem konzeptionellen Dach zusammen und beinhaltet die Möglichkeit einer großen vereinheitlichenden Theorie (GUT, grand unified theory). Zahlreiche Physiker arbeiten daran, die zentrale und einflußreichste Gestalt unter ihnen aber ist zweifellos Sheldon Glashow. »Die Theorie, die wir nun besitzen, ist ein einheitliches Kunstwerk«, versicherte er. »Aus dem Flickwerk ist ein Wandteppich geworden.« Sheldon Lee Glashow wurde am 5. Dezember 1932 in New York als Sohn von Lewis Glashow, einem russischen Immigranten und Inhaber eines Installateurgeschäfts, und Bella Rubin Glashow geboren. Sein Interesse an Physik führt Glashow auf den Zweiten Weltkrieg zurück, als ihn das Problem beschäftigte, warum Bomben, wenn sie vom Flugzeug abgeworfen werden, eine Vorwärtsbewegung besitzen. Nach dem Besuch der Bronx High School of Science - einer seiner Klassenkameraden war Steven Weinberg, mit dem er sich später den Nobelpreis teilte -, ging er 1950 an die Cor-nell University, 1954 erhielt er seinen Abschluß. Anschließend arbeitete er in Harvard mit Julian Schwinger zusammen, einem der Architekten der Quantenelektrodynamik, und in diese Zeit fällt Glashows erste Begegnung mit den schwierigsten Problemen der theoretischen Physik.In den 50er Jahren hatte die Physik vier Naturkräfte identifiziert: die Schwerkraft, elektromagnetische Kräfte und die starke und schwache Wechselwirkung. Die starke Wechselwirkungskraft ist für den Zusammenhalt des Atoms verantwortlich, die schwache Wechselwirkung tritt beim radioaktiven Zerfall auf. Obwohl durch die Quantenelektrodynamik (QED) ungemein präzise Aussagen zu elektromagnetischen Interaktionen möglich waren, führte die Anwendung ähnlicher Methoden bei den anderen Kräften zu sinnlosen Resultaten. Zur Klärung der Situation hatte Julian Schwinger versuchsweise vorgeschlagen, die schwache Wechselwirkung und die elektromagnetischen Kräfte in einer einzigen, kohärenten Theorie zusammenzufassen. Er führte den Gedanken nicht aus, sondern gab Glashow dieses Thema für dessen Dissertation. »Er bat mich darüber nachzudenken«, sagte Glashow später. »Und das habe ich dann auch zwei Jahre lang getan - ich habe darüber nachgedacht.« In seiner Dissertation, die ihm 1958 den Doktorgrad eintrug, diskutierte Glashow die Möglichkeiten einer Theorie der schwachen Wechselwirkung, die wie die QED eine »renormalisierbare« Gauge-Theorie sein solle - d. h. sie erlaube Berechnungen mit Näherungswerten, um unverständliche Ergebnisse auszuschließen. Da diese Theorie auf der QED aufbaut, meinte er, daß, »wenn sie allgemein anerkannt werden sollte, nur dann zustandekommt, wenn beide vereint behandelt werden.« Es war nicht einfach, eine einheitliche Theorie zu den elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungskräften zu formulieren, die, als er sie vorlegte, nur zögernd anerkannt wurde. Aufgrund eines Stipendiums arbeitete Glashow von 1958 bis 1960 am Institut für theoretische Physik in Kopenhagen und am Europäischen Zentrum für Kernforschung (CERN) in Genf. Ende des Jahres 1958 kam er zu einer ersten - fehlerhaften - Formulierung seiner beide Kräfte umfassenden Theorie, die, als er sie im Frühjahr 1959 in London vortrug, rundweg abgelehnt und dann für einige Zeit schlicht ignoriert wurde. 1961 jedoch veröffentlichte er einen entscheidenden Artikel mit dem Titel »Partielle Symmetrien schwacher Wechselwirkungen.« Nach Glashow, schreiben Robert P. Crease und Charles C. Mann, »gleichen die schwachen und elektromagnetischen Kräfte in einem Atom zwei Kindern, die an separaten Steuerpulten über eine umfangreiche Spielzeugeisenbahn gebieten: Voller Begeisterung stellen sie die Weichen, lassen die Pfeifen ertönen, regeln die Geschwindigkeit, ohne sich abzusprechen.« Die eigentliche Bewegung des Zuges resultiert - ähnlich wie bei den atomaren Teilchen - aus den kombinierten Handlungen der beiden. »Es war ein brillanter Aufsatz«, so Glashow später, »den fast niemand gelesen hat.« Auf Einladung von Gell-Mann, der bereits zu den führenden Theoretikern in der Physik zählte, übernahm Glashow 1960 ein Forschungsstipendium am California Institute of Technology und blieb in den nächsten Jahren an der Westküste, um in Stanford und Berkeley zu lehren. Gell-Manns achtteiliger Pfad und seine Quarktheorie betrafen direkt Glashows eigene Arbeiten, und 1964 veröffentlichte er zusammen mit James D. Bjorken einen Aufsatz über die Quarktheorie. Gell-Manns ursprüngliche Theorie ging davon aus, daß die drei als »up«, »down« und »strange« bezeichneten Quarks die Bausteine der Hadronen, der schweren Elementarteilchen, bilden. Glashow und Bjorken schlugen ein viertes Quarkteilchen vor, das sie »charm« nannten und das ihrer Meinung nach der Theorie größere Einheit verlieh. Wie Glashows früherer Artikel wurde auch dieser Gedanke zunächst ignoriert, da ihm vor allem der experimentelle Nachweis fehlte. 1966 nahm Glashow eine Professur an der Universität Harvard an und kehrte an die Ostküste zurück. Zwei wichtige Entwicklungen führten dann zur einer grundlegenden Umwälzung in der Physik, die im neuen Standardmodell ihren Abschluß fand. Die eine war die Vervollständigung der Theorie der elektromagnetischen und schwachen Kräfte durch Steve Weinberg und - unabhängig von ihm - Abdus Salam in England. Die andere betraf ein Problem im Zerfallsschema der »strange particles«, das Glashow als »strangeness-changing neutral currents« (SCNC) bezeichnete (Strangeness verändernde neutrale Ströme). Glashow und seine Kollegen John Iliopoulos und Luciano Maiana erkannten, daß das Problem zu beseitigen war, wenn man das vor Jahren vorgeschlagene vierte Quarkteilchen - »charm« - in die Berechnungen miteinbezog. »Dascharm fanden wir heraus, stellt nicht nur die verlorene Symmetrie zwischen Leptonen und Quarks wieder her«, schrieb Glashow später, »sondern stellt zugleich einen natürlichen und eleganten Mechanismus dar, Strangeness verändernde neutrale Ströme zu unterdrücken.« Bei einer Konferenz über Massenspektroskopie an der Northeastern University 1974 prophezeite Glashow, daß Charms bald gefunden werden würden. In »Charm: Eine Erfindung, die auf ihre Entdeckung wartet« bot Glashow eine Wette an: »Erstens, sollten Charms nicht entdeckt werden, esse ich meinen Hut. Zweitens, sind es Spektroskopen, die Charms entdecken, dann feiern wir gemeinsam. Drittens, Charms werden gefunden, aber nicht von Spektroskopen, dann eßt ihr eure Hüte.« Die Charm-Teilchen wurden entdeckt, allerdings nicht durch die Massenspektroskopie, sondern durch Teilchenbeschleuniger. Die von den Experimentalphysikern »J/psi« genannten Teilchen bestätigten auf einen Schlag die Existenz von Quarks und Charms. Glashows zentraler Artikel zu diesem Thema, »Is Bound Charm Found?«, den er 1975 in Zusammenarbeit mit Alvaro De Rüjula verfaßte, ging auf die Bedeutung dieser Entdeckungen ein und wagte eine Reihe von Vorhersagen, von denen sich die meisten als richtig herausstellten - darunter das Auftreten von Teilchen mit »nackten Charm«, ein Quark mit allen Eigenschaften eines Charm. Bei einem Treffen mit Massenspektroskopen 1976 wurden ihnen glacierte Schokoladenhüte vorgesetzt. Die Entdeckung des Charm führte zur Bildung einer umfassenderen Theorie, die die Entdeckungen von Glashow, Gell-Mann, Weinberg und anderer Physiker in sich vereinigte. Damit löste das »Standardmodell«, wie es genannt werden sollte, das sogenannte »bootstrap«-Modell ab, das jahrelang mit der Quarktheorie konkurriert hatte. Das »bootstrap«-Modell (»nukleare Demokratie«) beinhaltet die Vorstellung, daß die bekannten Elementarteilchen - Elektronen, Neutronen, Protonen - nicht wesentlicher seien als andere weniger bekannte Teilchen und Grundbausteine der Materie. Das Standardmodell faßt die Quantenchromodynamik und die Theorie zu den elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen zusammen und liefert eine Erklärung für die starken, schwachen und elektromagnetischen Interaktionen aller Elementarteilchen (die Schwerkraft ist nicht Bestandteil der Theorie). Die Theorie, schreibt Glashow, »scheint in Form von siebzehn willkürlichen Parametern eine korrekte und vollständige Beschreibung der Teilchen-Phänomenologie zu geben. Es gibt keine losen Fäden, keine bekannten Phänomene, die mit der Theorie nicht vereinbar wären.« Trotz des großen Erfolgs der Standardtheorie bleiben eine Reihe von Fragen. Glashow gehört zu den wichtigsten Physikern, die an einer großen vereinheitlichenden Theorie (GUT) arbeiten. In einem kurzen Aufsatz, der die wichtigsten Entdeckungen in der Physik seit den 50er Jahren zusammenfaßte, hatte er 1974 unter der Bezeichnung SU (5) die erste GUT vorgeschlagen. SU(5) steht dabei für »special unitary group« (spezielle Einheitsgruppe) in fünf Dimensionen und beinhaltet die provokative Vorstellung, daß das als stabil geltende Proton - über extrem lange Zeitperioden -ebenfalls dem Zerfall ausgesetzt sei. SU(5) konnte bislang nicht experimentell verifiziert werden und ist heute eine von mehreren konkurrierenden GUT-Theorien. 1979 wurde Glashow für seine Arbeit über die schwache und elektromagnetische Wechselwirkung zusammen mit Steven Weinberg und Abdus Salam der Nobelpreis für Physik verliehen. Er ist Mitglied der National Academy of Sciences und wurde u. a. 1976 mit dem J. R. Oppenheimer Award ausgezeichnet. Seit 1987 ist er Inhaber des Mellon-Lehrstuhls an der Universität Harvard. Mit Joan Shirley Alexander, die er 1972 geheiratet hatte (eine Schwester von LYNN MARGULIS), hat er vier Kinder. Sein 1988 veröffentlichtes Interactions ist eine unterhaltsame Mischung aus Autobiographie und theoretischer Physik. |
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