Photogalerie „Die Essenz der Dinge“

Es bedurfte einer substantiellen Erweiterung der Physik, um zu erkennen, auf welchem Boden sich diese Wahrscheinlichkeitsfunktionen abspielen und das wir es tatsächlich mit einer fundamentalen Einheit des Universums zu tun haben.
Das Problem, das diese Lösung erforderte, war die Frage, wie ein Atom Licht abstrahlt, wenn seine Elektronen aus einem angeregten in den Grundzustand zurückfallen. Einstein schlug 1916 einen Prozess vor, den er spontane Emission nannte, fand aber keinen Weg ihn zu berechnen.
Paul Dirac erstellte 1927 die erste annähernd vollständige Theorie, die das elektromagnetische Feld und elektrisch geladene Teilchen (vor allem Elektronen) beschrieb, und bezeichnete diesen Wissenschaftsbereich mit dem neuen Begriff der Quantenelektrodynamik. Sie konnte jene in Frage stehenden Prozesse modellieren, bei denen Elektronen Quantensprünge vollbringen und Photonen ausstrahlen oder absorbieren. Damit war klar, daß die Energie jedes Oszillationsmodus eines elektromagnetischen Feldes quantisiert ist und Einsteins Idee des Photons wurde auf eine solide mathematische Basis gestellt.
Da sich die Photonen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, kann die normale Quantenmechanik aber nicht einmal eine annähernde Beschreibung dieses Vorgangs liefern. Sie beachtet die spezielle Relativitätstheorie nicht, die immer dann zum Zug kommen muss, wenn Geschwindigkeiten nahe der des Lichts erreicht werden. So wurde die Welt noch immer als aus zwei völlig verschiedenen Komponenten bestehend gedacht – Partikel und Felder – die beide auf jeweils unterschiedliche Art durch die Bedingungen der Quantenmechanik zu beschreiben waren. Partikel, wie Elektronen und Protonen, wurden als grundlegend, quasi ewig, verstanden. Im Gegensatz dazu wurde im Hinblick auf die Photonen angenommen, daß sie lediglich Manifestationen der ihnen zu Grunde liegenden Einheit, des quantisierten elektromagnetischen Feldes, waren und nach Belieben erschaffen und zerstört werden konnten.
Um diesen höchst unzufriedenstellenden Dualismus aufzulösen, musste eine vollständige relativistische Quantentheorie des elektromagnetischen Feldes her. Die entscheidenden Schritte dazu folgten 1928 von Pascual Jordan, Wolfgang Pauli und Paul Dirac. Jordan und Pauli zeigten durch einen Koordinatentransformation genannten mathematischen Vorgang, daß sich Quantenfelder in der von der speziellen Relativitätstheorie vorhergesagten Weise verhalten können. Dirac erstellte die nach ihm benannte Dirac-Gleichung, mit der sich zum ersten Mal Quantenobjekte, wie Elektronen, vollständig im Einklang mit der speziellen Relativitätstheorie beschreiben ließen. – Eine intellektuelle Leistung, die ihn in eine Reihe mit Newton, Maxwell und Einstein stellte! 1929 konnten Werner Heisenberg und Wolfgang Pauli dann die erste generelle Quantenfeldtheorie vorstellen. Sie zeigte, daß Materieteilchen als die Quanta (die diskreten Veränderungsstufen) verschiedener Felder verstanden werden können, genauso wie das Photon das Quantum des elektromagnetischen Feldes ist. Jedem Elementarteilchen wurde also ein eigenes Feld zugeschrieben.
So wurden die Bewohner des Universums als ein umfangreicher Satz verschiedener Felder verstanden – ein Elektronenfeld, ein Protonenfeld, ein elektromagnetisches Feld – und Partikel wurden zu Phänomenen reduziert, die zwar kausal verursacht wurden, selbst aber keine signifikante Wirkung haben. Diese Sichtweise ist das zentrale Dogma der Quantenfeldtheorie: Die Realität besteht aus einem Satz Felder, die den Regeln der speziellen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik gehorchen. Alles andere ergibt sich als Konsequenz der Quantendynamik dieser Felder.