Physiknobelpreis 1982: Kenneth Geddes Wilson

Physiknobelpreis 1982: Kenneth Geddes Wilson

 

Der amerikanische Physiker erhielt den Nobelpreis »für seine Theorie über kritische Phänomene bei Phasenumwandlungen«.

 

 Biografie

 

Kenneth Geddes Wilson, * Waltham (Massachusetts) 8. 6. 1936; ab 1971 Professor an der Cornell University in Ithaca (New York), ab 1988 Dirketor des amerikanischen Zentrums für Theorie und Simulation in Wissenschaft und Ingenieurwesen an der Ohio State University; Arbeiten über Feldtheorie in der Teilchenphysik, Phasenübergänge und Quantenchemie; Entwicklung von Computern und Algorithmen.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Ken Wilsons mathematisches Talent offenbarte sich schon früh. So soll er beim Warten auf den Schulbus zum Zeitvertreib Kubikwurzeln gezogen haben. Mit 16 begann er das Studium an der Harvard University, wo sein Vater ein angesehener Professor für physikalische Chemie war. Als er mit 20 zur Promotion ans California Institute of Technology ging, hatte der gelegentlich launische Richard Feynman (Nobelpreis 1965) keine Lust, sich mit ihm über ein Arbeitsthema zu unterhalten. Daher begab sich Wilson in die Obhut von Murray Gell-Mann (Nobelpreis 1969) und Francis Low. Seine 1960 eingereichte Dissertation beschrieb er selbst als »Mischmasch kurioser Rechnungen«. Immerhin hatte er aber dabei die quantenfeldtheoretische Technik der »Renormierung« gelernt, die ein Jahrzehnt später entscheidend für seine bahnbrechende Theorie kritischer Phänomene war.

 

 Kritische Phänomene

 

Neben den geläufigen Aggregatzuständen der Materie (fest, flüssig und gasförmig) gibt es viele andere, die sich weniger offensichtlich unterscheiden, wie beispielsweise (ferro-)magnetisch und unmagnetisch, supraleitend und normalleitend. Man bezeichnet sie auch als Phasen, die Übergänge dazwischen als Phasenübergänge, die man durch Änderung der Temperatur und anderer physikalischer Größen steuern kann. So kann zum Beispiel Wasser durch Druckerhöhung von der Gasphase (Wasserdampf) in die flüssige Phase gebracht werden. Die dabei auftretende Abnahme des Volumens wird bei höherer Temperatur geringer, und bei einer bestimmten Temperatur verschwindet sie völlig. Oberhalb dieser Temperatur ist es nicht mehr möglich, von zwei verschiedenen Phasen zu sprechen. Die Werte von Druck, Temperatur und Volumen, bei denen es gerade keinen Unterschied zwischen den Phasen mehr gibt, nennt man den kritischen Punkt. In der Umgebung des kritischen Punkts zeigen viele physikalische Größen Unregelmäßigkeiten: Sie werden unendlich groß, unendlich klein oder springen plötzlich von einem Wert auf einen anderen. Diese Vorgänge bezeichnet man als kritische Phänomene.

 

Die erste Theorie kritischer Phänomene hatte 1873 Johannes Diderik van der Waals (Nobelpreis 1910) für den Gas-Flüssigkeits-Phasenübergang entwickelt. Er hatte auch gezeigt, dass das qualitative Verhalten in der Nähe des kritischen Punkts für alle Substanzen gleich ist. Diese Universalität des kritischen Verhaltens ließ sich auch auf scheinbar völlig andersartige, beispielsweise magnetische Phasenübergänge erweitern. Der russische Physiker Lew Dawidowitsch Landau (Nobelpreis 1962) vertiefte 1937 das Verständnis der kritischen Phänomene für den Fall, dass das gesamte System im gleichen Zustand ist. 1950 verallgemeinerte er seine Theorie zusammen mit Vitali Lasarewitsch Ginzburg auf Substanzen, deren Zustand sich von Ort zu Ort ändern kann. Die Berücksichtigung dieser Schwankungen war entscheidend für spätere Arbeiten.

 

 Skaleninvarianz und Renormierung

 

Physikalische Systeme zeigen — je nachdem, auf welcher Skala man sie betrachtet — sehr unterschiedliches Verhalten: Für uns ist ein Stern ein funkelndes Lichtpünktchen, aus der Nähe betrachtet ein infernalisch heißer, glühender Gasball und noch stärker vergrößert ein chaotischer Wirbel von Atombruchstücken. Oft sind in der Physik nur Phänomene wichtig, die sich auf einer ganz bestimmten Längenskala abspielen. Alle anderen können vernachlässigt werden, sodass die theoretische Behandlung vereinfacht wird. Weit entfernt vom kritischen Punkt haben die Bereiche mit konstantem Systemzustand eine bestimmte, von der Temperatur abhängige Größe. Nähert man sich aber dem kritischen Punkt, so verwischt sich diese charakteristische Größe und man sieht etwa beim Gas-Flüssigkeits-Phasenübergang Flüssigkeitströpfchen und Gasbläschen aller Größen. Prozesse auf allen Längenskalen sind miteinander gekoppelt. Die mathematischen Formeln, die die kritischen Phänomene beschreiben, zeigen, dass keine Längenskala im Vergleich zu einer anderen wichtiger ist; man spricht von Skaleninvarianz.

 

Wilsons Mentoren hatten 1954 den Einfluss von Skalenänderungen in der Quantenelektrodynamik erforscht. Das Ergebnis: Skalenänderungen können formal durch Änderungen (Renormierungen) an den fundamentalen Größen der Theorie — der Masse und Ladung des Elektrons — beschrieben werden. Im Herbst 1970 wurde Wilson gebeten, einen Vortrag über die möglichen Anwendungen von Renormierungsmethoden auf Phasenübergänge zu halten, über die damals spekuliert wurde. Auf der Suche nach einem einfachen Beispiel befasste Wilson sich mit der Ginzburg-Landau-Theorie und erkannte, wie man die Renormierung verwenden konnte, um Prozesse auf einer bestimmten Längenskala in der Theorie zu berücksichtigen. Danach kann diese Längenskala aus dem theoretischen Modell eliminiert werden. Das Modell darf sich aber dabei nicht grundlegend ändern, da es ja nach den empirischen Befunden keine bevorzugte Längenskala geben kann. So konnte Wilson eine korrekte Modellvorstellung des kritischen Punkts konstruieren. Als er 1973 auf einer Tagung zum 100. Jubiläum der van-der-Waals-Theorie in Amsterdam über seine Arbeit referierte, waren seine Methoden bereits anerkannt und Physiker in aller Welt waren dabei, sie auf die verschiedensten Phasenübergänge anzuwenden.

 

 Weitere Entwicklung

 

Heute ist die wissenschaftliche Aktivität in diesem Bereich nicht mehr ganz so stark wie in den 1970er-Jahren: Zwar wurden viele einfache Probleme gelöst, doch auch die Renormierung stieß an ihre Grenzen. Man erkannte, dass die Methode keinesfalls ein Patentrezept ist, das einfache Lösungen für jede Situation garantiert, sondern ein Präzisionswerkzeug, das mit Umsicht benutzt werden will. Ein Vergleich zwischen damaliger und heutiger Fachliteratur zeigt aber, dass Wilsons Ideen einen revolutionären Charakter besaßen: Selbst wenn im konkreten Fall andere Methoden zur Anwendung gelangen, denkt man nun anders über die Probleme nach und verwendet eine andere Sprache.

 

Wilson war überrascht, dass er den Nobelpreis allein bekam. Er hatte erwartet, den Preis mit Leo Kadanoff von der Chicago University und Michael Fisher von der Cornell University zu teilen. Beide hatten entscheidende Arbeiten zu kritischen Phänomenen und deren Skalentheorie geleistet.

 

J. Stolze