Zur Ontologie der Elementarteilchen: Eine philosophische Analyse der aktuellen Elementarteilchenphysik

202 Pages·2015·2 MB·German

by  Thomas Christian Brückner (auth.)

Zur Ontologie der Elementarteilchen
Thomas Christian Brückner
Zur Ontologie der
Elementarteilchen
Eine philosophische Analyse der
aktuellen Elementarteilchenphysik
PD Dr. rer. nat. Dr. phil. Thomas Christian Brückner
München, Deutschland
ISBN 978-3-658-09682-3 ISBN 978-3-658-09683-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-09683-0
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Vorwort
Das vorliegende Buch ist eine überarbeitete Fassung meiner Habi-
litationsschrift, welche im Jahr 2012 von der Ludwigs-Maximilians-
Universität in München als Habilitationsleistung angenommen wurde.
Es wäre ohne die Hilfe vieler Personen nicht denkbar gewesen. Danken
möchte ich daher insbesondere Herrn Prof. Dr. C. Ulises Moulines,
auf dessen Vorschlag hin diese Arbeit durchgeführt wurde, für die
exzellente Betreuung, die unermüdliche Diskussionsbereitschaft und
schließlich für die freundschaftliche Ermunterung in allen Phasen.
Danken möchte ich weiterhin meinen Mentoren Herrn PD Dr. Thomas
Bonk, Herrn Prof Dr. Christof Rapp und Herrn Prof. Dr. Martin
Faessler, die sich alle, auch wenn mitunter einem weit entfernten
Forschungsgebiet angehörig, auf dieses interdisziplinäre Abenteuer
eingelassen haben und damit eine ganzheitliche Sicht ermöglichten.
Danken möchte ich weiterhin meiner Familie, allen Kollegen und
Freunden, die mich während der Zeit der Abfassung tatkräftig unter-
stützt haben. Ich widme diese Arbeit meinen Eltern Lilo und Carl
Heinz Brückner.
München Thomas Brückner
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Gliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik 5
2.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Von den Atomen zum Standardmodell . . . . . . . . . 6
2.3 Elementarteilchen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.1 DieRollederElementarteilcheninderKosmologie 14
2.4 Wechselwirkungen und Ladungen . . . . . . . . . . . . 16
2.4.1 Die elektromagnetische Wechselwirkung . . . . 17
2.4.2 Die starke Wechselwirkung . . . . . . . . . . . 18
2.4.3 Die schwache Wechselwirkung . . . . . . . . . . 19
2.4.4 Ladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5 Suche nach einem Ordnungssystem . . . . . . . . . . . 25
2.5.1 Der Isospin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.2 Zusammenfassung in Multipletts . . . . . . . . 25
2.6 Die Beschreibung der Quarks . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6.1 Geschichte des Quarkmodells . . . . . . . . . . 27
2.6.2 Ladung der Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6.3 BauplanundDynamikbekannterHadronenund
Mesonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6.4 Farbladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6.5 Farbkombinationen . . . . . . . . . . . . . . . . 35
VIII Inhaltsverzeichnis
2.6.6 QCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6.7 Confinement und Massenbestimmung . . . . . 37
2.7 Grenzen des Standardmodells . . . . . . . . . . . . . . 39
2.7.1 Higgs-Boson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.7.2 Die Konstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.7.3 Die Theorien der Supersymmetrie . . . . . . . 41
2.8 Die Ergebnisse der modernen Elementarteilchenphysik 42
2.8.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.8.2 Wieviele Arten von Elementarteilchen gibt es? 44
3 Strukturalistische Rekonstruktionen 49
3.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2 Vom received view zum semantic view . . . . . . . . . 50
3.2.1 Der received view . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.2 Der semantic view . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.3 Zentrale Elemente des non-statement view . . . 55
3.3 Was kennzeichnet eine Theorie? . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.1 Rationale Rekonstruktion . . . . . . . . . . . . 59
3.4 Kernelemente der Rekonstruktion . . . . . . . . . . . . 60
3.4.1 Theorieelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4.2 Mengentheoretisches Prädikat . . . . . . . . . . 62
3.4.3 T-Theoretizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.4 Ramsey-Sätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.5 Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4.6 Intendierte Anwendungen . . . . . . . . . . . . 67
3.5 Beispiel Stoßmechanik CCM . . . . . . . . . . . . . . 68
3.6 Theorienetze, Holons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.6.1 Theorienetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Spezialisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Theoriennetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.6.2 Holons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.7 Historisch bedeutsame Rekonstruktionen . . . . . . . . 73
Inhaltsverzeichnis IX
3.8 Kritik am Strukturalismus . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4 Das Problem der theoretischen Terme 79
4.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2 Theoretische Terme in den Naturwissenschaften . . . . 80
4.3 Der logische Empirismus. . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.4 Die Zweistufenkonzeption . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4.1 Die Theoriebeladenheit der Beobachtung . . . 90
4.5 Grundeigenschaften eines Theoretizitätskriteriums . . 91
4.6 Intuitive Definition (Sneed, Stegmüller, Kamlah) . . . 95
4.6.1 Sneed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.6.2 Formale Präzisierung (Tuomela, Kamlah) . . . 97
4.6.3 Theoriehierarchien . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.7 Messmodelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.7.1 T-Kriterium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.7.2 Beispiel: Massenbestimmung in der klassischen
Stoßmechanik (CCM) . . . . . . . . . . . . . . 103
4.8 Rein formale, innertheoretische Definition (Gähde) . . 105
4.8.1 T-Kriterium am Beispiel CPM . . . . . . . . . 105
4.8.2 Verallgemeinerung auf beliebige, axiomatisierte
Theorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.9 T-Theoretizität und Holismus . . . . . . . . . . . . . . 108
5 Rekonstruktion von SMEP 113
5.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.2 Vorbereitende Anmerkungen . . . . . . . . . . . . . . 113
5.2.1 Äquivalenzrelation ∼ . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.2.2 EPO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.2.3 Ontologische Priorität . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3 Potenzielle Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.4 Aktuelle Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
X Inhaltsverzeichnis
5.5 Rekonstruktion von SMEP bei strenger Interpretation 125
str
5.5.1 EPO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.5.2 Potenzielle Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.5.3 Aktuelle Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.6 Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.7 Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.8 T-theoretische Terme von SMEP . . . . . . . . . . . . 136
5.8.1 Theoriehierarchien . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.8.2 Analyse der Elemente von Mp[SMEP] . . . . . 138
5.8.3 Definition von Mpp[SMEP] . . . . . . . . . . . 141
5.8.4 Ist SMEP eine echte Theorie? . . . . . . . . . . 142
5.8.5 SMEP als akkumulative Theorie . . . . . . . . 145
5.9 Intendierte Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.10 Der Theorienkomplex SMEP . . . . . . . . . . . . . 148
5.10.1 Theorienetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.10.2 Holon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.11 Ontologische Priorität . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6 Ontologie der Elementarteilchen 157
6.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.2 Grundeigenschaften der Elementarteilchen . . . . . . . 158
6.2.1 Leptonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.2.2 Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.2.3 Proton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Freie Protonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Protonen in Atomen . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.3 Zur Stabilität der Materie . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.4 Substanzontologie des Aristoteles . . . . . . . . . . . . 162
6.4.1 Begriffsgeschichte Substanz . . . . . . . . . . . 162
6.4.2 Substanz in verschiedenen Bedeutungen . . . . 163
6.5 Tropenontologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.5.1 Substrattheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Inhaltsverzeichnis XI
6.5.2 Die Bündeltheorie . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.5.3 Nukleustheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.5.4 Die Eigenschaften der Elementarteilchen als
Tropen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Leptonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Freie Protonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Gebundene Nukleonen . . . . . . . . . . . . . . 177
7 Zusammenfassung 181
7.1 Strukturalistische Rekonstruktion . . . . . . . . . . . . 181
7.2 Ontologie der Elementarteilchen . . . . . . . . . . . . 183
Literaturverzeichnis 185