Die Quantenfeldtheorie verbindet die Ideen anderer Quantentheorien, um alle Teilchen als „Anregungen“ darzustellen, die in zugrunde liegenden Feldern entstehen. Der britische Physiker Paul Dirac brachte den Ball Ende der 1920er Jahre mit seiner Gleichung ins Rollen, die beschreibt, wie sich relativistische Elektronen – und damit die meisten anderen Materieteilchen – verhalten.
Die Standard-Quantentheorie, wie sie von Niels Bohr und Werner Heisenberg in den 1920er Jahren entwickelt wurde, eignet sich hervorragend, um die Funktionsweise einzelner Teilchen isoliert und mit langsamer Geschwindigkeit zu beschreiben. Aber um ihre Interaktionen in der realen Welt zu erklären, brauchen Sie etwas mehr.
Insbesondere müssen Sie die Quantentheorie mit der speziellen Relativitätstheorie verbinden, Einsteins Theorie, wie sich Raum und Zeit für Dinge verzerren, die mit hohen Geschwindigkeiten reisen. Die spezielle Relativitätstheorie besagt, dass Masse und Energie austauschbar sind, wie durch die Gleichung E = mc2 verkörpert. Heisenbergs Quantenunsicherheitsprinzip besagt, dass Teilchen für eine bestimmte Zeit Energie aus dem Vakuum entleihen können.
Die Dirac-Gleichung hatte einen Stich im Schwanz: es sagte die Existenz eines Teilchens voraus, das in jeder Hinsicht mit dem Elektron identisch ist, abgesehen von der entgegengesetzten elektrischen Ladung. Das Positron, das erste Antimaterieteilchen, wurde einige Jahre später ordnungsgemäß in der kosmischen Strahlung entdeckt. Es war das erste einer ganz neuen Menagerie von Teilchen, die Theoretiker als Quantenfeldtheorien vorschlugen – und die später in der Realität auftauchten.
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Zwei Quantenfeldtheorien liegen dem Standardmodell der Teilchenphysik zugrunde. Dieses Modell ist das Ergebnis jahrzehntelanger theoretischer Arbeit, die durch Experimente akribisch bestätigt wurde, und deckt die Funktionsweise von drei der vier Naturkräfte durch Wechselwirkungen krafttragender Bosonteilchen mit materiebildenden Fermionen ab.
Die Quantenelektrodynamik (QED) ist die einheitliche „elektroschwache“ Theorie des Elektromagnetismus und der schwachen Kernkraft, die Kernprozesse wie radioaktive Beta-Zerfälle regelt, die beispielsweise für die Verbrennung des Brennstoffs durch die Sonne von entscheidender Bedeutung sind.
Die Quantenchromodynamik (QCD) ist die Theorie der starken Kernkraft. Übertragen durch Bosonen, die Gluonen genannt werden, bindet diese starke, sehr Nahbereichskraft Quarks zusammen, um Teilchen wie Protonen und Neutronen zu bilden.
Die Krönung des Standardmodells kam 2012 mit der Entdeckung des Higgs-Bosons, das fast fünf Jahrzehnte zuvor vorhergesagt worden war. Masse ist die festeste Eigenschaft der Materie, und die Masse eines fundamentalen Teilchens wird durch seinen Grad der Wechselwirkung mit dem Higgs-Boson bestimmt. Nach einer Theorie, die erstmals 1964 vorgeschlagen wurde, liefert das melasseartige Feld, das mit dem Higgs assoziiert ist, einen Widerstand, der je nach Partikeltyp variiert.
Was uns jedoch noch fehlt, ist eine Quantenfeldtheorie der Schwerkraft. Als einzige der vier Kräfte hat die Schwerkraft keine Teilchen an sich und wird stattdessen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie als Verzerrung der Raumzeit erklärt – ein ganz anderer Fischkessel. Wolfgang Amadeus Mozart