Physiknobelpreis 1965: Richard Feynman — Julian Schwinger — Shin-Ichirō Tomonaga

Physiknobelpreis 1965: Richard Feynman — Julian Schwinger — Shin-Ichirō Tomonaga

 

Die drei Physiker aus den USA und Japan erhielten den Nobelpreis für ihre fundamentalen Leistungen in der Quantenelektrodynamik, die tief gehende Konsequenzen für die Elementarteilchenphysik hatten.

 

 Biografien

 

Richard Feynman, * New York 11. 5. 1918, ✝ Los Angeles 15. 2. 1988; 1942-45 Abteilungsleiter in Los Alamos beim Bau der ersten Atombombe, 1945-50 Professor für theoretische Physik an der Cornell University, seit 1950 Professor für Physik am California Institute of Technology.

 

Julian Schwinger, * New York 12. 2. 1918, ✝ Los Angeles 16. 7. 1994; 1940 Forschung an der University of California in Berkeley, seit 1943 Beteiligung an der Entwicklung von Kernreaktoren und von Radarsystemen, 1945-71 Professor an der Harvard University, 1972-88 Professor für Physik an der University of California in Los Angeles.

 

Shin-Ichirō Tomonaga, * Tokio 31. 3. 1906, ✝ Tokio, 8. 7. 1979; 1932-37 Tätigkeit am Institute of Physical and Chemical Research in Kyoto, 1938 Forschung auf dem Gebiet der Kernphysik bei Heisenberg in Leipzig, seit 1941 Professor für Physik an der Tokyo University of Education, 1949 Forschungsaufenthalt am Institute for Advanced Study in Princeton.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Auf Shelter Island, kurz vor der Küste des Staats New York, versammelten sich im Juni 1947 die führenden Physiker der westlichen Welt. Die 23 Männer hatten in den vergangenen Jahren ihr Können in den Dienst des Kriegs gegen den Faschismus gestellt, dem manche von ihnen nur knapp entronnen waren. Mit ihrer Hilfe wurde die Entwicklung von Radar, das Entschlüsseln von Nachrichten und der Bau der Atombombe vorangetrieben. Nun war es an der Zeit, die Probleme in der Physik, die bei Kriegsausbruch zurückgestellt worden waren, wieder aufzunehmen und Perspektiven für deren weitere Erforschung aufzuzeigen.

 

 Drei Tagungen und die Quantenfeldtheorie

 

Zum Auftakt der Tagung, die den Beginn einer Reihe von Arbeitstreffen mit für die Physik revolutionärem Ausgang bildete, berichtete Willis Lamb (Nobelpreis 1955) von seinem neuen Experiment zur Messung der Struktur des Wasserstoffspektrums. Dabei wandte er die Theorie der Wechselwirkung zwischen den quantisierten Elektronen und Photonen, die Quantenelektrodynamik, an. Einfache Rechnungen auf Basis dieser Theorie waren erfolgreich, aber kompliziertere Rechnungen ergaben scheinbar sinnlose Ergebnisse.

 

Die Organisatoren hatten sich entschlossen, neben den Altmeistern der Quantentheorie auch einige Nachwuchswissenschaftler zu der Tagung einzuladen. Unter ihnen hörten auch die Amerikaner Julian Schwinger und Richard Feynman gespannt den Vorträgen zu. In den Tagen und Monaten nach der Konferenz bemühten sich viele der Teilnehmer, die neuen Ergebnisse zu verstehen. Schwinger gelang es, eine vollständig relativistische Rechnung durchzuführen und die richtigen Werte für den Lamb-Shift und das magnetische Moment des Elektrons herzuleiten. Auf der zweiten Tagung im März 1948 stellten Schwinger und Feynman ihre Studien dar. Doch der von Schwinger entwickelte Formalismus und vor allem die Methoden Feynmans waren zu kompliziert und zu unkonventionell, als dass ihre Zuhörer immer hätten folgen können. Kurz nach dieser Tagung erhielt Robert Oppenheimer, der wissenschaftliche Leiter der Tagungen, einen Brief von Shin-Ichirō Tomonaga über die Ergebnisse zur Quantenelektrodynamik, die er und seine Studenten in Japan erarbeitet hatten. Es stellte sich heraus, dass er schon 1943 einen Formalismus entwickelt hatte, der solche relativistischen Berechnungen in der Quantenfeldtheorie ermöglichte. Bis zu der dritten Tagung im April 1949 hatten viele Physiker erkannt, dass Feynmans Methoden den schnellsten und einfachsten Weg darstellten, um Berechnungen in der Quantenelektrodynamik durchzuführen. Jetzt standen Feynmans Methoden sowie der gelungene Versuch des jungen Engländers Freeman Dyson, diese aufgrund der konventionellen Quantentheorie zu beweisen, im Mittelpunkt des Interesses.

 

Der wesentliche, neue Aspekt der Arbeiten von Feynman, Schwinger und Tomonaga ist die so genannte »Renormierung«. Hiernach sind die Parameter, die in die Theorie eingehen, um bestimmte Eigenschaften — beispielsweise die Ladung des Elektrons — zu beschreiben, nur indirekt mit den Größen verbunden, die von Experimentatoren gemessen werden. So ist die gemessene Ladung das Resultat vieler verschiedener Prozesse, die zur Wechselwirkung zwischen den Teilchen beitragen. Erst wenn alle diese Prozesse theoretisch berücksichtigt sind, kann man die Beziehung zu den Messgrößen herstellen. Wenn dies aber gelänge, käme eine Übereinstimmung zwischen theoretischen Vorhersagen und experimentellen Daten zustande, die ihresgleichen in der Geschichte der Physik sucht. Die Quantenelektrodynamik ist eine erfolgreiche Verallgemeinerung von Maxwells klassischer Elektrodynamik zur Mikrowelt der Atome, die sowohl die Quantentheorie als auch die spezielle Relativitätstheorie berücksichtigt.

 

 Die Weiterentwicklung nach 1949

 

Schwinger hat einmal die Quantenfeldtheorie mit einem Kind verglichen, das in den frühen 1930er Jahren geboren wurde und in den späten 1940er-Jahren — zu dem Zeitpunkt, als die oben erwähnten Entwicklungen stattfanden — in der Pubertät war. Tatsächlich hat sich das Kind in der nachfolgenden Zeit kräftig weiterentwickelt. Die Theorie wurde so verallgemeinert, dass man damit auch die starken und schwachen Kernkräfte verstehen kann. Die Nobelpreisträger von 1965 haben wichtige Beiträge zu dieser Weiterentwicklung geliefert.

 

Schwinger war von der Möglichkeit überzeugt, die schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkungen mithilfe einer einheitlichen Feldtheorie zu beschreiben. Diese für die Theorie der schwachen Wechselwirkung bedeutenden Erkenntnisse wurden später nachgewiesen.

 

Die Beschreibung physikalischer Prozesse mithilfe der Feynman-Diagramme ist zu einem der wichtigsten Veranschaulichungsmittel der theoretischen Physik im 20. Jahrhundert geworden. Die Feynman-Regeln ermöglichen es dagegen, zu jedem derartigen Diagramm eine Formel zu assoziieren, die eine quantitative Beschreibung des zugrunde liegenden Prozesses ergibt. Diese Rechenmittel haben überall Eingang in die theoretische Physik gefunden und gehören zu den effektivsten Werkzeugen des Physikers. Weiter schrieb Feynman grundlegende Arbeiten auf dem Gebiet der Festkörperphysik, der Supraflüssigkeit und der schwachen Wechselwirkung von Elementarteilchen. Sein Partonmodell, wonach das Proton aus kleineren Urbausteinen zusammengesetzt ist, war der erste Schritt zur Entwicklung der Theorie der starken Wechselwirkung, das heißt der Quantenchromodynamik. Feynman war eine der schillerndsten und faszinierendsten Persönlichkeiten in der modernen Physik. Seine Lehrbücher sind legendär und immer noch aktuell. Außer der Physik und der Wissenschaft interessierten ihn viele Aspekte des menschlichen Lebens leidenschaftlich. Er musizierte virtuos auf der Bongotrommel, lernte malen und spielte in Inszenierungen der studentischen Theatergruppe mit.

 

Tomonaga spielte eine hervorragende Rolle bei der Ausbildung von jungen Physikern im Japan der Nachkriegsjahre. Es ist auch seinen Bemühungen zu verdanken, dass Japan nach dem Krieg zu einer der führenden Technologienationen aufstieg.

 

A. Hirshfeld