Die Geschichte der Physik. Axel Bruns

Engagement verfolgt wurden, darunter so namhafte Wissenschaftler wie Einstein, Schrödinger, Meitner und andere. In der so genannten „Deutschen Physik“ (vertreten durch z. B. Philipp Lenard, Johannes Stark, u. a.) wurden wichtige Erkenntnisse der Modernen Physik aus ideologischen Gründen abgelehnt. Wie nicht anders zu erwarten, stellte sich die „Deutsche Physik“ jedoch als wissenschaftliche Sackgasse heraus. Auch Deutschland unternahm im Zweiten Weltkrieg im Rahmen des Uranprojekts militärisch motivierte Forschungen zur Kernspaltung, jedoch war es bis Kriegsende noch weit vom Bau einer Atombombe entfernt.In den 1930er Jahren wurde auch die Quantentheorie von Feldern entwickelt (Dirac, Jordan u. a.), mit dem grundlegenden Bild von Wechselwirkungen vermittelt durch den Austausch von Teilchen (Hideki Yukawa, Fermi).Ende der 1940er Jahre entstanden durch Richard Feynman (der auch nach einer Idee von Dirac die Pfadintegral-Formulierung der Quantenmechanik begründete), Julian Schwinger, Freeman Dyson und andere konsistente Formulierungen von Quantentheorien von Feldern (Quantenfeldtheorie, Quantenelektrodynamik). Aus den Radarforschungen im Zweiten Weltkrieg kamen viele neue experimentelle Verfahren, insbesondere die Entwicklung des Masers (Mitte der 1950er Jahre) und daraus die des Lasers (um 1960), die nicht nur die Spektroskopie revolutionierten, und Methoden wie Kernspinresonanzspektroskopie.

      Die Festkörperphysik lieferte eine weitere Säule der technologischen Entwicklung in Form von Halbleitern und dem Transistor (John Bardeen, William B. Shockley). Auch lange unverstandene makroskopische Quantenphänomene wie die von Supraleiter (John Bardeen u. a.) und Supraflüssigkeit fanden mit hier auf die Vielteilchenphysik angewandten quantenfeldtheoretischen Methoden eine Erklärung. Die Festkörperphysik sorgte immer wieder für überraschende Entdeckungen (wie Hochtemperatursupraleiter und Quanten-Hall-Effekt in den 1980er Jahren), nicht nur mit großen technologischen Auswirkungen, sondern auch mit theoretischen Ansätzen, die auch die Elementarteilchenphysik und andere Gebiete der Physik befruchteten. Von besonderer Bedeutung war hier die Entwicklung der Theorie der Phasenübergänge und kritischen Phänomene (Lew Landau, Kenneth Wilson). Wilson arbeitete das einflussreiche Konzept der Renormierungsgruppe heraus, die zum Beispiel bei der Theorie von Phasenübergängen und in der Elementarteilchenphysik und Quantenfeldtheorie Anwendung findet.Die Entwicklung der Teilchenbeschleuniger nach dem Krieg führte zur Entdeckung eines ganzen Elementarteilchen-Zoos, in den die Theoretiker besonders ab den 1960er Jahren Ordnung brachten. Dabei erwiesen sich Symmetrien und deren quantenfeldtheoretische Formulierung als Eichtheorien von besonderer Bedeutung. Eichtheorien wurden ursprünglich von Hermann Weyl als Erweiterungen der Allgemeinen Relativitätstheorie eingeführt und erwiesen sich insbesondere in Form von Yang-Mills-Theorien als grundlegend für das sich nun herausbildende Standardmodell der Elementarteilchen und fundamentalen Wechselwirkungen. Von großer Bedeutung war die Entdeckung der Verletzung einer grundlegenden Symmetrie in der schwachen Wechselwirkung, der Paritätsverletzung (1956, postuliert von Yang, Lee und bestätigt im Wu-Experiment). Wesentliche Beiträge leistete Murray Gell-Mann bei der starken Wechselwirkung, speziell durch die Einführung punktförmiger Konstituenten (Quarks), aus denen Mesonen und Baryonen aufgebaut sind und die Ende der 1960er Jahre in Hochenergieexperimenten beobachtet wurden. Ab den 1970er Jahren schälte sich eine spezielle Yang-Mills-Theorie, die Quantenchromodynamik als Theorie der starken Wechselwirkung und ein Baustein des Standardmodells heraus, gefolgt von einer Vereinigung der elektrischen und schwachen Wechselwirkung (Steven Weinberg, Abdus Salam, Sheldon Glashow, 1960er Jahre). Die Entwicklung der großen Beschleuniger, die exemplarisch für Big Science stehen, bei denen tausende Wissenschaftler an den Experimenten nichts ungewöhnliches sind, bestätigte Stück für Stück dieses Modell bis hin zur Entdeckung des letzten Quarks (Top Quark) in den 1990er Jahren und des Higgs-Teilchens Anfang der 2010er Jahre.

      Die theoretische Elementarteilchenphysik wurde in den Jahren nach Abschluss des Standardmodells (Ende der 1970er Jahre) von der Stringtheorie beherrscht, die die Phänomenologie des Standardmodells durch die Betrachtung ausgedehnter (fadenförmiger) statt punktförmiger Elementarteilchen zu erklären versucht und die Lösung eines weiteren großen ungelösten Problems der Physik, der Vereinigung von Gravitation und Quantentheorie, zum Ziel hat. Allerdings leidet die Theorie an dem großen Abstand der Planck-Skala der Beschreibung der Theorie und experimentell zugänglichen Dimensionen. Die Theorie war dagegen sehr fruchtbar für einen neuen gegenseitigen Austausch von Mathematik und Physik.Die durch die Miniaturisierung elektronischer Schaltungen möglich gemachte Entwicklung des Computers und der Elektronik machte nicht nur die Entwicklung der Teilchenbeschleunigerexperimente, die das Standardmodell bestätigten, möglich, sondern revolutionierte auch die Theoretische Physik. Zu den vor allem durch die Computerentwicklung ermöglichten neuen Zweigen gehört auch die Chaostheorie, die in den 1970er Jahren zu einem Paradigmenwechsel auch in Gebieten wie der klassischen Mechanik führte, die bis dahin als weitgehend abgeschlossen galten. Mit dem Computer erschlossen sich ganz neue Fragestellungen und Verbesserungen der Vorhersagemöglichkeiten von vielen Modellen. Die Miniaturisierung von Schaltkreisen wurde später bis in den Quantenbereich fortgetrieben und es entstanden neue Forschungsfelder wie Mesoskopische Physik und Quanteninformationstheorie.Im großen Maßstab der Kosmologie und Astrophysik (Quasare und aktive Galaxien, Neutronensterne und Pulsare, Schwarze Löcher) wurden in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts ebenfalls sowohl theoretisch als auch auf dem Gebiet der Beobachtungen (Astronomie in den unterschiedlichsten Wellenlängen) große Fortschritte erzielt. Schwarze Löcher wandelten sich von einer exotischen Möglichkeit zu einem etablierten Erklärungsmodell und die Kosmologie wurde insbesondere mit der Entdeckung der 3-K-Hintergrundstrahlung zu einer quantitativen Wissenschaft. Es stellten sich auch vielfältige Verbindungen von der Physik im ganz Kleinen (Elementarteilchen) zur Astrophysik und Kosmologie heraus (Astroteilchenphysik), zum Beispiel bei der Erklärung des Problems solarer Neutrinos. Das Inflationäre Modell wurde zu einem der Bausteine der modernen Naturerklärung, wobei sich Ende des 20. Jahrhunderts in Form der Entdeckung Dunkler Materie und der beschleunigten Expansion des Universums neue grundlegende ungelöste Probleme ergaben.