Hugh David Politzer: Der Doktorand, der die starke Kraft neu schrieb

Im Jahr 1973 fand ein Doktorand an der Harvard University, der noch Jahre von einer Professur entfernt war, heraus, dass sich Quarks — die Teilchen, aus denen Protonen und Neutronen bestehen — genau entgegengesetzt zu allen bisherigen Erwartungen der Physiker verhalten: Je näher sie beieinander sind, desto schwächer wird die Kraft zwischen ihnen. Es war ein so merkwürdiges Ergebnis, dass Politzer zunächst befürchtete, ihm sei ein Fehler unterlaufen. Das war nicht der Fall, und die Erkenntnis, die zeitgleich und unabhängig auch von David Gross und Frank Wilczek in Princeton gewonnen wurde, sollte allen drei Männern drei Jahrzehnte später den Nobelpreis einbringen.

Sohn einer Flüchtlingsfamilie in der Bronx

Hugh David Politzer wurde am 31. August 1949 in New York City geboren. Seine Familie blickte auf eine eigene Fluchtgeschichte zurück: Seine Eltern waren 1939 vor der NS-Besatzung aus der Tschechoslowakei nach England geflohen und nach dem Zweiten Weltkrieg in die Vereinigten Staaten ausgewandert. Er besuchte die Bronx High School of Science, die berühmte öffentliche Schule, die eine außergewöhnlich hohe Zahl US-amerikanischer Nobelpreisträger hervorgebracht hat, und machte dort 1966 seinen Abschluss. Anschließend absolvierte er bis 1969 ein Physikstudium an der University of Michigan, bevor er für sein Promotionstudium an die Harvard University wechselte, wo er unter dem theoretischen Physiker Sidney Coleman arbeitete und 1974 seinen Ph.D. erwarb.

Die Berechnung, die das Quark-Confinement erklärte

Politzers entscheidender Beitrag gelang ihm noch vor dem Abschluss seiner Promotion. Im Jahr 1973 berechnete er als Doktorand, was mit der starken Kernkraft — der Kraft, die Quarks im Inneren von Protonen und Neutronen zusammenhält — geschieht, wenn der Abstand zwischen den Quarks schrumpft. Die herkömmliche Intuition, geprägt von Kräften wie Elektromagnetismus und Gravitation, legte nahe, dass Wechselwirkungen auf kurze Distanz stärker werden müssten. Politzer entdeckte das Gegenteil: Die starke Kraft wird tatsächlich schwächer, wenn sich Quarks einander nähern — eine Eigenschaft, die später als asymptotische Freiheit bezeichnet wurde. Zur gleichen Zeit und völlig unabhängig gelangten David Gross und sein Doktorand Frank Wilczek in Princeton zum identischen Ergebnis. Die von Politzer veröffentlichte Arbeit erschien zusammen mit der Arbeit von Gross und Wilczek 1973 in den Physical Review Letters und löste ein echtes Paradoxon der Teilchenphysik: Sie erklärte, wie die starke Kraft Quarks einerseits dauerhaft im Inneren von Teilchen wie Protonen einschließen konnte und sich andererseits in den damaligen Hochenergie-Kollisionsexperimenten so verhielt, als existiere sie kaum — denn bei den extrem kurzen Distanzen, die bei diesen Hochenergiekollisionen untersucht wurden, lässt die Kraft tatsächlich nach. Die Entdeckung wurde zu einem Grundpfeiler der Quantenchromodynamik, der Theorie zur Beschreibung der starken Wechselwirkung.

Vom Junior Fellow zum Caltech-Professor

Nach seiner Promotion verbrachte Politzer von 1974 bis 1977 drei Jahre als Junior Fellow an der Harvard Society of Fellows, einer hochselektiven Postdoktorandenstelle, die jungen Wissenschaftlern Freiheit von Lehrapflichten gewährt, um sich der Forschung zu widmen. Anschließend wechselte er an das California Institute of Technology (Caltech), zunächst 1975 als Visiting Associate, erhielt 1976 eine Festanstellung (Tenure) und stieg bis 1979 zum ordentlichen Professor auf. Von 1986 bis 1988 diente er als Executive Officer des Physik-Departments am Caltech und hatte schließlich den Titel des Richard Chace Tolman Professors für Theoretische Physik inne. Neben der asymptotischen Freiheit arbeitete Politzer auch mit Thomas Appelquist an theoretischen Vorhersagen zum Charmonium, einem gebundenen Zustand aus einem Charm-Quark und seinem Antiquark, und trug so in den 1970er-Jahren weiter zum jungen Feld der Quark-Physik bei.

Ein Nobelpreis, Jahrzehnte später

Der Nobelpreis für Physik des Jahres 2004 ging gemeinsam an Politzer, David Gross und Frank Wilczek "für die Entdeckung der asymptotischen Freiheit in der Theorie der starken Wechselwirkung". Damit wurde eine Arbeit gewürdigt, die alle drei bereits 1973, mehr als dreißig Jahre zuvor, abgeschlossen hatten — eine Erinnerung daran, wie lange das Nobelkomitee manchmal wartet, um sicherzustellen, dass ein theoretisches Ergebnis jahrzehntelanger experimenteller Überprüfung standhält. Politzer hatte für dieselbe Arbeit bereits frühere Anerkennungen erhalten, darunter den Sakurai-Preis für theoretische Teilchenphysik im Jahr 1986 und den Preis für Hochenergie-Teilchenphysik der Europäischen Physikalischen Gesellschaft im Jahr 2003. Später, im Jahr 2011, wurde er in die American Academy of Arts and Sciences gewählt.

Ein Physiker abseits gewohnter Pfade

Politzers Interessen außerhalb der Teilchenphysik waren für einen Theoretiker ungewöhnlich öffentlich. Er spielt Banjo und hat Forschungen zur Physik von Saiteninstrumenten betrieben, wobei er seine professionelle Ausbildung auf sein Hobby anwandte. In den 1980er-Jahren war er Leadsänger einer Band mit dem ironischen Namen "Professor Politzer and the Rho Mesons", ein Wortspiel mit dem Subatomarteilchen. Zudem hatte er 1989 einen unerwarteten Filmauftritt im Hollywood-Spielfilm Fat Man and Little Boy über das Manhattan-Projekt, in dem er den Physiker Robert Serber darstellte — was ihm nach einer Zählweise eine Erdős-Bacon-Zahl von fünf einbrachte, ein humorvolles Maß, das den akademischen Kollaborationsabstand mit dem Film-Schauspielabstand kombiniert.

Warum Hugh als Genie gilt

Politzers Genie beruht auf einer einzigen, tief fehlintuitiven Berechnung, die er noch als Student anstellte — einer Berechnung, die direkt der physikalischen Intuition widersprach, die jede andere Naturkraft den Physikern vermittelt hatte. Zu entdecken, dass eine Kraft auf kurze Distanz schwächer statt stärker wird, erforderte sowohl die technische Beherrschung der damals noch jungen Mathematik der Quantenfeldtheorie als auch genügend geistige Unabhängigkeit, um ein Ergebnis anzuerkennen, das auf den ersten Blick falsch aussehen musste. Die ehrlichste Relativierung der Geschichte besteht darin, dass die Entdeckung nicht ihm allein gehörte: David Gross und Frank Wilczek gelangten unabhängig und im Wesentlichen im selben Moment zum gleichen Ergebnis, und die Entscheidung des Nobelkomitees, den Preis dreizuteilen, spiegelt diese Gleichzeitigkeit wider, ohne Politzers eigene Leistung zu schmälern. Eine solche nahezu zeitgleiche Entdeckung ist in der Physik häufig, wenn ein Fachgebiet reif für eine Idee ist; sie löscht das Erreichte nicht aus, sondern kontextualisiert es: Politzers Erkenntnis war kein isolierter Geistesblitz, sondern die schärfste frühe Formulierung einer Schlussfolgerung, auf die die zugrundeliegende Mathematik der Quantenchromodynamik gewissermaßen gewartet hatte.

Vermächtnis

Die asymptotische Freiheit bleibt eine der tragenden Ideen des Standardmodells der Teilchenphysik und bildet die Grundlage für moderne Berechnungen des Verhaltens von Quarks und Gluonen in Protonen, Neutronen und den Trümmern von Hochenergie-Teilchenkollisionen an Einrichtungen wie dem Large Hadron Collider. Politzer setzte seine Karriere am Caltech noch Jahrzehnte nach der Entdeckung fort, die ihn berühmt machte. Er hinterließ ein wissenschaftliches Werk in der theoretischen Physik, das von ungewöhnlich vielseitigen Interessen außerhalb der Wissenschaft begleitet wurde — von der Banjo-Akustik bis hin zu einer Film-Nebenrolle in einem Hollywood-Drama über das Manhattan-Projekt.