Hugh David Politzer: Der Doktorand, der die starke Wechselwirkung neu definierte

Im Jahr 1973 fand ein Harvard-Doktorand, der noch Jahre von einer Professur entfernt war, heraus, dass sich Quarks – die Teilchen, aus denen Protonen und Neutronen bestehen – genau umgekehrt zu dem verhalten, was Physiker erwartet hatten: Je näher sie beieinander liegen, desto schwächer wird die Kraft zwischen ihnen. Es war ein so seltsames Ergebnis, dass Politzer zunächst befürchtete, einen Fehler gemacht zu haben. Das hatte er nicht, und diese Entdeckung, die zur gleichen Zeit unabhängig von David Gross und Frank Wilczek in Princeton gemacht 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 in eine Familie mit einer eigenen Fluchtgeschichte geboren: Seine Eltern waren 1939 vor der Nazi-Besatzung aus der Tschechoslowakei nach England geflohen und nach dem Zweiten Weltkrieg in die Vereinigten Staaten eingewandert. Er besuchte die Bronx High School of Science, die berühmte öffentliche Schule, die eine überproportionale Anzahl amerikanischer Nobelpreisträger hervorgebracht hat, und schloss sie 1966 ab. Er setzte sein Studium an der University of Michigan fort, wo er 1969 seinen Bachelor-Abschluss in Physik machte, bevor er für sein Doktoratsstudium nach Harvard wechselte. Dort arbeitete er unter dem theoretischen Physiker Sidney Coleman und promovierte 1974.

Die Berechnung, die das Quark-Confinement erklärte

Politzers entscheidender Beitrag kam, noch bevor er seine Promotion abgeschlossen hatte. 1973, als Doktorand, berechnete er, was mit der starken Kernkraft – der Kraft, die Quarks in Protonen und Neutronen zusammenhält – passiert, wenn der Abstand zwischen den Quarks schrumpft. Die konventionelle Intuition, die aus Kräften wie Elektromagnetismus und Gravitation abgeleitet wurde, legte nahe, dass Wechselwirkungen bei geringer Entfernung stärker werden sollten. Politzer fand das Gegenteil heraus: Die starke Kraft wird tatsächlich schwächer, wenn sich Quarks einander nähern, eine Eigenschaft, die als asymptotische Freiheit bezeichnet wurde. Zur gleichen Zeit und völlig unabhängig kamen David Gross und sein Doktorand Frank Wilczek in Princeton zu demselben Schluss. Die Arbeit, die Politzer zusammen mit der von Gross-Wilczek veröffentlichte, erschien 1973 in Physical Review Letters und löste ein echtes Paradoxon in der Teilchenphysik: Sie erklärte, wie die starke Kraft Quarks dauerhaft in Teilchen wie Protonen einschließen und sich dennoch so verhalten konnte, als ob sie in den Hochenergiekollisionsexperimenten, die Physiker damals durchführten, kaum existierte – denn bei den extrem kurzen Abständen, die diese Kollisionen untersuchten, wird die Kraft schwach. Die Entdeckung wurde zu einer tragenden Säule der Quantenchromodynamik, der Theorie, die die starke Wechselwirkung beschreibt.

Vom Junior Fellow zum Caltech-Professor

Nach Abschluss seiner Promotion verbrachte Politzer drei Jahre, von 1974 bis 1977, als Junior Fellow der Harvard Society of Fellows, einer hochselektiven Postdoc-Position, die jungen Wissenschaftlern Freiheit von Lehraufgaben für die Forschung gewährt. Anschließend wechselte er an das California Institute of Technology (Caltech), wo er 1975 zunächst als Gastdozent begann, 1976 eine feste Stelle erhielt und 1979 zum ordentlichen Professor aufstieg. Von 1986 bis 1988 war er geschäftsführender Leiter der Physikabteilung des Caltech und bekleidete schließlich den Titel des Richard Chace Tolman Professor für Theoretische Physik. Über die asymptotische Freiheit hinaus arbeitete Politzer auch mit Thomas Appelquist an theoretischen Vorhersagen zu Charmonium, einem gebundenen Zustand eines Charm-Quarks und seines Antiquarks, und trug damit in den 1970er Jahren weiter zum jungen Feld der Quark-Physik bei.

Ein Nobelpreis, Jahrzehnte später

Der Nobelpreis für Physik 2004 wurde gemeinsam an Politzer, David Gross und Frank Wilczek „für die Entdeckung der asymptotischen Freiheit in der Theorie der starken Wechselwirkung“ verliehen. Dies würdigte eine Arbeit, die alle drei 1973, mehr als dreißig Jahre zuvor, abgeschlossen hatten – eine Erinnerung daran, wie lange das Nobelkomitee manchmal wartet, um zu bestätigen, dass ein theoretisches Ergebnis jahrzehntelanger experimenteller Überprüfung standgehalten hat. Politzer hatte bereits zuvor Anerkennung für dieselbe Arbeit erhalten, darunter den Sakurai-Preis für Theoretische Teilchenphysik 1986 und den Hochenergie-Teilchenphysik-Preis der Europäischen Physikalischen Gesellschaft 2003, und wurde 2011 in die American Academy of Arts and Sciences gewählt.

Ein Physiker abseits ausgetretener 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 berufliche Ausbildung auf ein 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 subatomaren Teilchen. Er hatte auch einen unerwarteten Leinwandauftritt im Hollywood-Film „Fat Man and Little Boy“ von 1989 über das Manhattan-Projekt, in dem er den Physiker Robert Serber spielte – was ihm laut einer Zählung eine Erdős-Bacon-Zahl von fünf einbrachte, ein humorvolles Maß, das die akademische Kooperationsdistanz mit der Distanz der Zusammenarbeit bei der Filmschauspielerei kombiniert.

Warum Hugh als Genie bezeichnet wird

Politzers Genie-Status beruht auf einer einzigen, scharf kontraintuitiven Berechnung, die er noch als Student anstellte und die direkt gegen die physikalische Intuition verstieß, die Physiker bei jeder anderen Naturkraft erwartet hatten. Die Entdeckung, dass eine Kraft bei kurzer Reichweite schwächer statt stärker wird, erforderte sowohl die technische Beherrschung der noch jungen Mathematik der Quantenfeldtheorie als auch genug geistige Unabhängigkeit, um einer Antwort zu vertrauen, die auf den ersten Blick falsch erscheinen musste. Die ehrlichste Komplikation in der Geschichte ist, dass die Entdeckung nicht allein seine war: David Gross und Frank Wilczek kamen unabhängig und im Wesentlichen zur gleichen Zeit zu demselben Schluss, und die Entscheidung des Nobelkomitees, den Preis zu dritteln, spiegelt diese Gleichzeitigkeit wider und nicht eine Minderung von Politzers eigener Arbeit. Diese Art von nahezu gleichzeitiger Entdeckung ist in der Physik üblich, wenn ein Feld bereit für eine Idee ist, und sie löscht die Leistung nicht aus, sondern kontextualisiert sie: Politzers Erkenntnis war weniger ein isolierter Blitz individueller Brillanz als vielmehr die schärfste frühe Artikulation einer Schlussfolgerung, auf die die zugrunde liegende Mathematik der Quantenchromodynamik in gewissem Sinne gewartet hatte, bis sie jemand bemerkte.

Vermächtnis

Die asymptotische Freiheit bleibt eine der tragenden Ideen des Standardmodells der Teilchenphysik und untermauert moderne Berechnungen darüber, wie sich Quarks und Gluonen in Protonen, Neutronen und den Trümmern von Hochenergiekollisionen in Anlagen wie dem Large Hadron Collider verhalten. Politzer setzte seine Karriere am Caltech jahrzehntelang nach der Entdeckung fort, die ihn berühmt machte, und hinterließ ein Werk in der theoretischen Physik, das von einer ungewöhnlich eklektischen Reihe von Interessen außerhalb der Wissenschaft begleitet wurde, von der Akustik des Banjos bis hin zu einer Nebenrolle in einem der Hollywood-Dramen über das Manhattan-Projekt.