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Über die Physiker, ihre Theorien und einen physikalischen Traum

Von Marcel Bülow

Das Hauptproblem der modernen Physik besteht darin, dass es Anfang des 20. Jahrhunderts zwei große Revolutionen mit recht widersprüchlichen Ergebnissen gab. Die eine Revolution führte zu Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, die sich vor allem mit dem extrem Großen beschäftigt: Sternen, Galaxien, Galaxiehaufen bis hin zu den riesigen Räumen des Universums. Die andere Revolution führte zur Quantenmechanik, die sich mit dem ganz Winzigen befasst: den Molekülen und Atomen bis hinab zu deren Bauteilchen wie Elektronen und Quarks.

„Im Laufe vieler Jahre hat man fast alle Vorhersagen dieser beiden Theorien mit fast unvorstellbarer Genauigkeit experimentell bestätigen können“, schreibt Brian Greene, Professor für Physik und Mathematik an der Columbia Universität, in seinem Buch „Das elegante Universum“. Auch hätten die beiden Theorien, zu immensen physikalischen Fortschritten geführt - von Erklärungen für das expandierende Universum bis zu Erkenntnissen über den innersten Aufbau der Materie. Das Problem: Diese beiden Theorien wollten partout nicht zueinander passen. Und tatsächlich: Kaum etwas beschäftigte die theoretischen Physiker in den vergangenen Jahrzehnten so sehr wie der Versuch, eine Brücke zwischen der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik zu schlagen. Zumindest einen Namen hat die gesuchte einheitliche Theorie bereits: Quantengravitation.

Da hilft kein Schirm: Bei unendlich vielen Universen liegen sogar plätschernde Elefanten im Bereich des Möglichen. Zeichnung: Heike Becker

Kosmische Musik: eine Theorie aus schwingenden Saiten

Ein Universum, in dem es Elefanten regnet und die einzigen Lebewesen Mäuse sind: ein absurder Gedanke, aber prinzipiell möglich. Zumindest wenn man den neusten Erkenntnissen der String-Theoretiker Glauben schenkt. Vor über 30 Jahren begannen sie ihre Suche nach der Theorie aller Theorien. Derjenigen, die nicht nur die beiden anscheinend unvereinbaren zusammenführt, sondern auch erklärt, warum die Welt so ist, wie sie ist. In der Stringtheorie meinen sie ihren Heiligen Gral gefunden zu haben.

Zu den Anhängern der String-Theorie gehört der Physiker Robbert Dijkgraaf von der Universität Amsterdam. Er nimmt an, dass die Dinge in der Quantenwelt unscharf sind. Die allerkleinsten Teilchen sind demnach keine perfekt definierten Punkte sondern so etwas wie eindimensionale, schwingende Saiten. Je nach Schwingung dieser „Strings“ entstehen kleinste Teilchen oder Kräfte: „Dieser Ansatz ist faszinierend, denn wenn Sie annehmen, dass die Teilchen eine Art Strings sind, können Sie mit Hilfe der Mathematik die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins ohne weitere Annahmen anwenden. Als die Physiker das vor 30 Jahren entdeckten, begriffen sie, dass sie ein wichtiges Puzzleteil in den Händen hielten, um die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu verbinden“, so Dijkgraaf.

Aus demselben Holz geschnitzt: Der Stringtheorie zufolge bestehen alle Teilchen aus Strings mit unterschiedlichen Schwingungen - egal, ob Proton, Neutron oder Elektron. Zeichnung: Heike Becker

Zu viele Möglichkeiten

So fasziniert die weltweit etwa 1000 String-Theoretiker von ihrer Theorie auch sind, innerhalb der Physik ist sie heiß umstritten. „Die String-Theorie ist mathematisch sehr interessant, doch die Zahl der möglichen Ansätze ist einfach explodiert“, erklärt die Philosophin Brigitte Falkenburg von der Universität Dortmund. Die Vorsitzende des Arbeitskreises Philosophie der Physik der Deutschen Physikalischen Gesellschaft e.V. verweist damit auf das Hauptargument vieler String-Kritiker. Entgegen der ersehnten einen Lösung entpuppen sich die eleganten String-Gleichungen immer mehr als Monstren, denn als eine stimmige Beschreibung unseres singulären Universums. Die Zahl der denkbaren Ansätze ist inzwischen auf eine Zahl mit etwa 500 Nullen angestiegen. Jeder dieser Ansätze könnte ein Universum mit eigenen Naturkonstanten und physikalischen Gesetzen beschreiben.
Enige String-Theoretiker, wie etwa Leonard Susskind, sehen in dieser neuen Entwicklung jedoch kein Problem, sondern machen die Not sogar zur Tugend. Die Vielzahl der Universen erkläre eines der schwierigsten physikalischen Probleme: die Frage nämlich, warum unsere Welt so ausgesprochen menschenfreundlich ist. Hätten die Naturkonstanten nur geringfügig andere Werte, wäre ein Universum, wie wir es kennen, nicht möglich. Ein Universum also, in dem sich die glühend heiße Plasmamaterie kurz nach dem Big Bang zu Sternen und Planeten zusammenballt und letztendlich Leben, ja sogar theoretische Physiker hervorbringt.

Susskinds Antwort ist schnell erklärt: Bei unendlich vielen parallel existierenden Universen ist auch eines mit den passenden Naturkonstanten dabei. Unser Universum hat also auf seinem Lottoschein die Richtigen angekreuzt, nur dass es weit mehr als sechs sein müssten.

Der Beweis steht noch aus

Doch es gibt auch andere Meinungen: „Die Grundidee war, eine Theorie zu finden, die keine Theorie-Alternativen mehr hat und ganz viel Zufall auf der Welt eliminiert. Aber genau das klappt nicht. Diese Hoffnung hat sich nun leider wegen der explodierenden Anzahl von Ansätzen nicht erfüllt, und so würde eigentlich die empirische Anbindung wieder wichtiger und die steht eben noch aus“, erklärt Falkenburg.

Die String-Gemeinde scheint der fehlende Beweis jedoch nicht zu beunruhigen. Seit gut 30 Jahren forscht sie mit einem ungeheuren Selbstbewusstsein daran, eines Tages alle Kritiker eines Besseren zu belehren. Manche Befürworter wie etwa Dijkgraaf sehen den Beweis sogar schon kommen. Sie hoffen bald Teilchen beobachten zu können, die durch die Stringtheorie vorausgesagt werden, und lauern auf die so genannten  supersymmetrischen Teilchen , aus denen sich die bekannten Elementarteilchen zusammensetzen sollen. Sie sollen entstehen, wenn im Teilchenbeschleuniger  Large Hadron Collider  (LHC) des Cern Protonen mit hoher Energie zusammenstoßen.

Falkenburg zweifelt jedoch an dieser Beweisführung: „Selbst wenn man supersymmetrische Teilchen findet, ist nicht klar, ob damit die String-Theorie oder eine andere supersymmetrische Theorie belegt ist.“

Es gibt noch mehr Probleme. Physikalische Messungen können nur bis zu einer bestimmten Größenordnung durchgeführt werden. Alles was darunter liegt entzieht sich jeglicher Überprüfung. Der String-Ansatz setzt im Größenbereich der Planck-Länge, also bei 10^-34 Zentimeter an. Quarks, die Bestandteile des Protons und des Neutrons, sind etwa 10^-17 cm groß. Damit ist die Planck-Länge im Verhältnis zu den Quarks so klein, wie die Quarks im Verhältnis zu uns Menschen. „Man weiß wirklich nicht, ob die vertraute Physik, die man in Metern, Sekunden und Gramm angibt, dort noch trägt“, so Falkenburg. Natürlich könne es indirekte empirische Hinweise geben. Dafür müsse eine Theorie, die man für diese unvorstellbar winzige Größenskala konstruiert, Auswirkungen auf größere Objekte haben. Auswirkungen, die man dann sehr wohl messen könne. „Doch die String-Theorie ist schon sehr weit weg von den Experimenten“, erklärt Falkenburg

Wissenschaft oder Metaphysik?

Eine Theorie ohne empirische Basis also. Für viele stellt sich spätestens an diesem Punkt die Frage, ob die String-Theorie überhaupt noch den Kriterien einer wissenschaftlichen Theorie genügt oder nicht schon längst die Grenze zur  Metaphysik überschritten hat. „Hier scheiden sich die Geister“, erklärt Falkenburg das Dilemma. „Stringtheoretiker sagen: Wir machen eine wissenschaftliche Theorie mit wunderschöner Mathematik und haben die Hoffnung, dass wir irgendwann empirische Indizien finden. Sie haben einfach ganz andere, eher mathematische Kriterien als die große Kohorte der nichtspekulativen Experimentalphysiker. Diese sagen: Leute, lasst uns doch auf dem Boden der Experimente bleiben. Was ihr macht, ist doch wilde Spekulation.“

Als gescheitert sieht Falkenburg die String-Theorie jedoch nicht. „Der Ansatz ist nach wie vor spannend. Jedoch sind andere Forschungsprogramme - wie etwa die  Loop Quantum Gravity - gleichrangig und ebenso förderungswürdig wie die String-Theorie.“

Grenzen der physikalischen Erkenntnis

Doch ob man mit anderen Ansätzen mehr Glück haben wird, ist fraglich. Denn auch diese drücken sich um das 80 Jahre alte Messproblem der Quantenmechanik. „Die Quantenmechanik sagt nur die Wahrscheinlichkeit von Messergebnissen vorher“, erklärt Falkenburg. Sie liefere niemals gleichzeitig Information darüber, wo und wie schnell ein Teilchen bei einer Messung sei. Es gäbe zwar Fortschritte, jedoch ließen auch diese das quantenmechanische Messproblem für Einzelmessungen ungelöst. „Vielleicht ist es auch unlösbar, wer weiß. Es kann auch sein, dass es Grenzen der physikalischen Erkenntnis gibt“, meint Falkenburg. Die Idee einer grundlegenden Einheit der Physik könne und solle die Forschung zwar weiter beflügeln. „Zur vollständigen physikalischen Erkenntnis wird man wahrscheinlich nie gelangen. Aber das ist ja auch das Spannende an der Forschung.“ Und so kann es sein, dass die Physiker womöglich niemals eine befriedigende einheitliche Theorie der Quantengravitation finden werden.

Dennoch lohne es sich, weiter auf den verschiedenen physikalischen Gebieten zu forschen. Faszinierend findet Falkenburg, dass die Zusammenarbeit von Quantenmechanik und Relativitätstheorie in der Astroteilchenphysik fantastisch funktioniert. „Es scheint also doch eine Einheit der Natur zu geben. Die Frage ist nur, wie weit und ob wir ihr je auf die Schliche kommen. Aber ich  glaube schon, dass es zu den wesentlichen Fragen der Menschheit dazu gehört, weiter danach zu suchen.“

Und das werden die Physiker wohl auch, denn in den Universitäten lauern schon die Theoretiker von Morgen auf ihre Chance, sich an den ausstehenden Gleichungen zu versuchen. Ob sie dabei mehr Glück haben werden, kann man nur vermuten. Entweder rechnet und experimentieren sie auch in Hunderten von Jahren noch vor sich hin oder sie finden eines Tages die ersehnte allumfassende Theorie. Ob sich damit auch das Leben hier auf der Erde verändern wird, steht sprichwörtlich in den Sternen.


Dieser Beitrag entstand im Zuge des EuroScience Open Forum (ESOF) 2006.


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Kuriose physikalische Theorien erfreuen sich derzeit großer Aufmerksamkeit: solche Theorien beispielsweise, die neben unserem Universum unendlich viele Paralleluniversen voraussagen und zusätzlich zu den vier bekannten Dimensionen (Höhe, Breite, Tiefe, Zeit) noch bis zu sieben weitere. Als sei dies nicht abwegig genug, sind diese Theorien mit unseren heutigen Kenntnissen experimentell noch nicht einmal zu überprüfen. Sie existieren alleine in der Mathematik. Endgültig verwirrt ist der Laie spätestens dann, wenn er erfährt, dass diese Theorien zwar kompliziert und mathematisch faszinierend sind, am Ende aber gar nichts erklären.
Vielleicht ein Anzeichen dafür, dass Physiker selbst in einem völlig anderen Universum leben? Was haben diese Theorien überhaupt noch mit Wissenschaft zu tun?



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