Eines der bewegenden Probleme in der über 2000 jährigen Menschheitsgeschichte und noch immer so aktuell, wie zu Zeiten Demokrits, ist die Frage, was die Welt im Innersten zusammen hält und was demnach das Kleinste bzw. der Ursprung aller Dinge ist.

Seitdem sich Einsteins spezielle Relativitätstheorie durchgesetzt hat, was auch hier nirgends angezweifelt werden soll, wird die Existenz eines Lichtäthers negiert. Von Einstein selbst wurde das nicht so scharf formuliert. Die mathematische Formulierung basiert auf der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit sowie dem Relativitätsprinzip und er schrieb in [E 05] S. 892: "Die Einführung eines 'Lichtäthers' wird sich insofern als überflüssig erweisen, als nach der zu entwickelnden Auffassung weder ein mit besonderen Eigenschaften ausgestatteter 'absolut ruhender Raum' eingeführt, noch einem Punkte des leeren Raumes, in welchem elektromagnetische Prozesse stattfinden, ein Geschwindigkeitsvektor zugeordnet wird." Das bezieht sich aber nur auf die spezielle Relativitätstheorie und schließt die tatsächliche Existenz von "Etwas", was diese Eigenschaft verursacht, nicht aus. Zeit seines Lebens suchte Einstein nach Feldgleichungen zur Beschreibung der gesamten physikalischen Zusammenhänge und auch die Tensorfelder der allgemeinen Relativitätstheorie, welche zu Verzerrungen eines ansonsten leeren Raumes führen, sind Zuordnungen einer Art 'Äther'.

Trotz der großen Erfolge der Quantentheorie war auch Heisenberg unzufrieden und versuchte, dem Ziel, "das Naturgesetz zu finden, das die Dynamik der Materie festlegt" (vgl. [B 81] S.7), durch seine Spinortheorie der Elementarteilchen (siehe [H 67]) näher zu kommen.

Weizsäcker ging in seinen Ideen noch weiter. Das Grundproblem der Physik ist danach nur durch die Einführung von Uralternativen lösbar. Das zentrale Problem der Ur-Theorie, die Wechselwirkung durch einen "andersartigen Gedankengang" einzuführen ([W 85], S.329), wird aber nicht zufriedenstellend gelöst.

Als Arbeitshypothese soll deshalb das durchaus mögliche Vorhandensein von Urmaterie, auch im physikalischen Vakuum, angenommen und deren Struktur ermittelt werden.

Grundlage der theoretischen Physik sind heute, also zum Beginn des dritten Jahrtausends, das Standardmodell der Elementarteilchen und die Allgemeine Relativitätstheorie (ART). Diese versetzen Physiker in die Lage, das Naturgeschehen sehr erfolgreich mathematisch zu beschreiben und damit Versuchsergebnisse vorher zu sagen. Als anschauliches Bild für das Zusammenwirken der mathematischen Begriffe kann deshalb ungefähr folgendes Modell verwendet werden:

Ein von vielen Theoretikern erahntes Urmateriefeld stellt die Grundmenge für die Operationen der verschiedenen, zusammengefasst als Standardmodell (hier einschließlich der ART gedacht) bezeichneten, physikalischen Theorien dar. In dieser Menge herrscht eine noch unbekannte Selbstwechselwirkung.

Durch die innere Dynamik entstehen Symmetrien, welche durch Gruppen beschrieben werden können. Diese Gruppen operieren demnach auf der Grundmenge.

Die (unbekannte) Selbstwechselwirkung erzeugt aus dieser Psi-Materie bestehende Systeme (Elementarteilchen), welche wiederum durch gewisse Ordnungs-Symmetriegruppen beschrieben werden. Am weitesten gehen dabei die, allerdings bereits an ihre Grenzen gelangte, große vereinheitlichte Theorie (GUT) mit der SU(5), das Modell der Supergravitation und eine mögliche allumfassende Theorie mit Superstrings (vgl. z.B. [D 89]).

Allgemein gültige Symmetrien bei raum-zeitlichen, auch lokalen, Transformationen (Lorentz-Gruppe SO+(3,1)) und lokale Symmetrien bei Eich- bzw. Funktionstransformationen (Lie-Algebren) werden durch die innere Symmetrie der Grundmenge erzeugt. Ausdruck dessen sind das in allen Experimenten beobachtete Plancksche Wirkungsquantum h und die konstante Vakuumlichtgeschwindigkeit c sowie die Kopplungsfaktoren (bzw. noch Konstanten) der Wechselwirkungen.

Zur Beschreibung der gegen unendlich strebenden Vielfalt von zu betrachtenden Größen im Mikrogeschehen werden meist Hilberträume (oder Fockraum) und darin wirkende Operatoren verwendet. Selbstwechselwirkung in der Grundmenge zeigt sich nach den heutigen Vorstellungen in einem die Wechselwirkung hervorrufenden allgemeinen Eichprinzip. Die Quantisierung der Eichfeldgrößen führt auf Materieportionen, welche als Elementarteilchen bezeichnet und nach dem Standardmodell in den bekannten Gruppen der Leptonen sowie Quarks geordnet werden. Den verschiedenen Darstellungen von Symmetriegruppen entsprechen bestimmte Systembildungen in der Grundmenge mit den dazugehörenden Eigenwerten vertauschbarer Observablen, d.h. Zuständen, welche Elementarteilchen beschreiben. Eigenwerte der Erhaltungsgrößen heißen Quantenzahlen. Besondere Bedeutung hat die Drehgruppe, deren eindeutige Darstellungen Tensoren und zweideutige Darstellungen Spinoren sind. Die Tensoren und Spinoren zeigen sich als einzige geometrische Objekte, d.h. Grundgrößen der die Natur beschreibenden Felder. Spinoren sind dabei wiederum besonders ausgezeichnet, weil aus ihnen mit Hilfe der Dirac-Matrizen auch Tensoren konstruiert werden können. Aufgrund der Freiheitsgrade der z.T. nichtabelschen Eichsymmetrien (Gruppenparameter), wird eine entsprechende Anzahl noch massenloser Spin-1-Eichfelder (Vektorbosonen) eingeführt. Durch spontane Symmetriebrechung (Higgs-Mechanismus) können die entsprechenden Teilchen Massen erhalten.
 
 

Ein damit konstruierbares, für Laien wenigsten etwas verständliches, Modell sieht deshalb stark vereinfacht in möglichst anschaulichen Begriffen ungefähr folgendermaßen aus:

Materie kommt hauptsächlich in kleinen Portionen vor, welche als Quanten bzw. als Elementarteilchen bezeichnet werden. Diese bewegen sich, solange keine Wechselwirkung stattfindet, im euklidischen Sinn geradlinig.

Schwächste Wechselwirkung ist die Gravitation und es ist anzunehmen, dass unendlich fein verteilte Wirkungen durch sie möglich sind. Sie wirkt nur anziehend. Beschrieben wird diese gesicherte Erscheinung durch die ART mit mathematischen Hilfsmitteln, welche als Raumverzerrungen mit gummiartiger Wirkung umschrieben werden können.

Die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung verursachen Anziehungen sowie Abstoßungen, aber auch Veränderungen in den Urmaterieportionen selbst und können beispielweise durch skalare, vektorielle und axialvektorielle Ströme beschrieben werden, welche noch eine gewisse Anschaulichkeit erlauben. Bei der nötigen Potentialerzeugung wird allerdings oft vom Austausch virtueller, d.h. prinzipiell unbeobachtbarer Teilchen gesprochen. Dies können spontan erzeugt oder vernichtet werden. Es handelt sich anschaulich um ein Fließen von Materie, welche oft erst bei Versuchen mit hoher relativistischer Energie, die Form beobachtbarer Teilchen annimmt.

Die starke oder Color-Wechselwirkung und die eigentliche Beschreibung der meisten Elementarteilchen, darunter auch der, nur der elektroschwachen Wechselwirkung unterliegenden, Leptonen sowie der elementaren Quarks, benötigen Spinor- und Tensorfeldgrößen. Diese können als Wirbel oder Verzerrungen der Psi-Materie gedeutet werden und ihre Flüsse verursachen, teilweise wiederum nur in virtueller Form, die beobachtbaren Wechselwirkungen. Die zur Beschreibung verwendeten Quantenzahlen sind, gemeinsam mit der Größe h und der Unitaritätseigenschaft, ein Ausdruck des Wahrscheinlichkeitsverhaltens.

Durch Feynmann-Graphen (Pfadintegrale) lassen sich die Streuprozesse zwischen verschiedenen Materieportionen bis auf eine Rückwärtsbewegung in der Zeit anschaulich vorstellen. Diesen lässt sich aber mit der Vorstellung von "Löchern" die Antimaterieeigenschaft zuordnen. Schwer verständlich bleibt in einem angenommenen absolut leeren Vakuum der erforderliche negative Impulsübertrag. Bei der Gesamtbilanz einiger Streuprozesse mit "virtuellen Wechselwirkungsteilchen", wie übrigens bei allen anziehenden Wechselwirkungen, wird bei einer Anziehung nichts hinter einem Partner vermutet und die Vektorbosonen sind schwer als um diese Partner herum fliegend vorstellbar. Diese Verständnislücke ist wohl eine der wichtigsten Begründungen dafür, nach einem Vakuumszustand zu suchen, der auch noch niedrigere Zustände als Leere zulässt und demnach nicht als absolut "Nichts" bezeichnet werden kann. Im Standardmodell sind dies die Vakuumfluktuationen.
Das Zustandekommen des Quarkeinschlusses (Confinement) kann ebenfalls modellmäßig noch nicht mit zufriedenstellend erfasst werden (vgl. [B 86]), weil sehr große Kräfte von außerhalb der Hadronen den Zusammenhalt der ansonsten frei beweglichen Quarks verursachen müssten.
Die mathematische Beschreibung bereitet dagegen keine grundlegenden Probleme, weil durch die eingeführten Operatoren ein vorhandener Ausgangszustand korrekt, aber leider augenblicklich, in einen tatsächlich beobachtbaren Endzustand überführt wird. Dabei können auch Rückwärtsbewegungen,... vorkommen.

Da praktisch alle bekannten Elementarteilchen, zumindest paarweise mit ihren Anti-Materie-Partnern, aus reiner elektromagnetischer Energie erzeugt oder in diese vernichtet werden können, wird annähernd eine infinitesimale Teilbarkeit der Psi-Materie angenommen.

Die im Vakuum in bisherigen Versuchsgrenzen konstante Lichtgeschwindigkeit c und das alles beeinflussende Plancksche Wirkungsquantum h wirken immer und überall aus dem Vakuum heraus auf die Materieportionen und beschränken somit durch die beobachteten Symmetrien deren freie Beweglichkeit und die Portionsgrößen. Dies führt zur heute üblichen Wahrscheinlichkeitsinterpretation des mikrophysikalischen Geschehens, lässt aber die Frage nach dem tatsächlichen Etwas der Urmaterie offen.
Woher die Eigenschaft h ihre Beeinflussungsmöglichkeit schöpft und weshalb die Lichtgeschwindigkeit ihren konstanten Wert c annimmt, bleibt ungeklärt.
 

Bei der Annahme einer infinitesimalen Teilbarkeit, erschöpft sich aber die Möglichkeit von Erkenntnisgewinn, zur Aufdeckung der Gesetzmäßigkeiten unterhalb der Elementarteilchen, auf eine Verknüpfung und Analyse der Versuchsergebnisse. Deshalb soll in Konkurrenz zu den Projekten der offiziellen Forschungseinrichtungen und damit in Konkurrenz zum Superstring- oder Branes-Modell, also kleinen schwingenden Saiten oder Membranen in der Größenordnung der Planckschen Elementarlänge, ein neuer Ansatz versucht werden.
 
 

Literatur:

[B 81] Becher, Böhm, Joos; Eichtheorien der starken und elektroschwachen Wechselwirkung; Stuttgart 1981
[B 86] Bethge, K, Schröder, U.; Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen; Darmstadt 1986
[D 89] Davies, Brown (Hrsg.); aus dem Engl. H.-P. Herbst; Superstrings: eine Allumfassende Theorie; Basel, Boston, Berlin 1989
[E 05] Einstein, A.; Zur Elektrodynamik bewegter Körper, in Annalen der Physik; IV. Folge 1905 S.891 ff
[H 67] Heisenberg, W.; Einführung in die einheitliche Theorie der Elementarteilchen; Stuttgart 1967
[W 85] von Weizsäcker, C.F.; Aufbau der Physik; München, Wien 1985
 
 
 

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Wiese, Lothar: Struktur und Dynamik der Materie im Uratom-Modell, http://uratom.keyspace.de, Porec 2000
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