Laut Stringtheorie besitzt der Raum mehr als drei Dimensionen. An jedem Punkt der Raumzeit hängt eine Mannigfaltigkeit mit zusätzlichen Dimensionen, die jedoch «aufgerollt» und damit nicht wahrnehmbar sind.
aus nzz.ch, 8. Mai 2014, 05:30
Märchen-Physik
Verabschiedet sich die Grundlagenphysik von der Realität? Die moderne Physik stösst manche Zeitgenossen vor den Kopf. Sie habe den Kontakt
zur Empirie verloren, lautet ein gängiger Vorwurf. Wer so argumentiert,
verkennt, dass Grundlagenphysik auch bedeutet, Undenkbares denkbar zu
machen.
von Eduard Kaeser
Es mutet paradox an: Eben
erst hören wir triumphale Töne anlässlich der Entdeckung des
Higgs-Bosons, und gleichzeitig mischen sich dissonante Rufe eines
regelrechten Physik-Bashings ein, des Vorwurfs, die Grundlagenphysik
treibe sich nur noch in windigen Höhen der Spekulation herum. Wie die
Finanzwelt erlebt heute die Physikwelt ihre «Blase». Buchtitel künden von der
Krise, dem Ende, dem Bankrott der Physik. Kürzlich hat der englische
Wissenschaftsautor Jim Baggott in seinem Buch «Farewell to Reality» die
neuesten Entwicklungen der Stringtheorie und der
Quantenkosmologie kritisch unter die Lupe genommen. Die Physik sei zu
weit gegangen. Märchen-Physik – «fairy tale physics» – nennt er sie, die
«Verrat an der Wahrheit» verübe und an der Grenze zur
Vertrauenserschwindelei liege. Die Physik stellt heute Fragen, die zu
beantworten den Horizont der Empirie übersteigt. Deshalb, so Baggott,
ist sie – zumindest auf gewissen Gebieten – in das Stadium einer
postempirischen Wissenschaft ohne Bodenhaftung übergetreten – man könnte
auch sagen: ins Stadium der Metaphysik.
Neuralgische Punkte
Das Stichwort «Abschied von der Realität»
bietet Anlass, den Blick auf drei neuralgische Stellen der
zeitgenössischen Physik zu werfen: auf eine wissenschaftspolitische,
eine disziplinäre und eine erkenntnistheoretische. Die erste Neuralgie
ist offensichtlich. Die theoretische Physik tut sich zunehmend schwer,
die Relevanz ihrer Ergebnisse einer kritischen Öffentlichkeit zu
erläutern. Die Prognosen der Teilchenphysik erreichen an ihrer
vordersten Front immer höhere Energieniveaus, auf denen die Experimente
proportional teurer werden. Man denke nur an das Milliardenunternehmen
des Large Hadron Colliders LHC.
Anstössig daran kann dem wissenschaftlichen Normalkonsumenten und Steuerzahler vorkommen, dass der enorme Aufwand den Ertrag nicht rechtfertigt, trotz des massierten Pop-Science-artigen
Aufschminkens der neuen Resultate zu Revolutionen und Versprechen, dass
das «Beste noch komme» – manch ein Physiker schreckt ja nicht vor
religiöser Salbaderei zurück.
Kurzum, die theoretische Physik hat ein Glaubwürdigkeitsproblem. Auf dem
Spiel steht das Vertrauen in ein Erkenntnisunternehmen, das über
Jahrhunderte hinweg den Wissenschaften als Ideal einer exakten
«experimentellen Philosophie» diente. Ironischerweise scheint sich nun
diese Vorbilddisziplin in ein neues spekulatives Netz zu verstricken.
Bezeichnend, was der amerikanische Nobelpreisträger Sheldon Glashow
schon 1986 in der Zeitschrift
«Physics Today» schrieb: «Zum ersten Mal seit dem Mittelalter sehen
wir, wie unsere noble Forschung enden könnte, nämlich damit, dass der
Glaube die Wissenschaft erneut ersetzt.» Die mathematische Rabulistik
der Stringtheoretiker, wie sie sechs Dimensionen in einem Raumgebiet der
Grössenordnung von 10-33 Metern zerknautschen können, übertrumpft
tatsächlich die Spekulationen mittelalterlicher Theologen, wie viele
Engel auf einer Nadelspitze Platz haben.
Symmetrien als Leitfaden
Es fällt auf, wie viele
Mathematiker sich an der modernen Physik versuchen. «Abschied von der
Realität» lässt sich deshalb auch so lesen: Die mathematische Physik
koppelt sich ab von der Physik. Das hat
durchaus interne Gründe. Der wohl zentralste Grund sind sogenannte
Symmetrien. Eigentlich entsprechen sie einer alltäglichen Intuition: Ein
«echtes» physikalisches Gesetz kann nicht vom Beobachterstandpunkt
abhängen; es gilt an jedem Ort, zu jeder Zeit des Universums. Es sollte –
wie man sagt – symmetrisch gegenüber zeitlichen und räumlichen
Transformationen sein.
Dieser Intuition hat eine geniale
Mathematikerin, Emmy Noether, 1918 eine exakte mathematische Fassung
gegeben, in einem nach ihr benannten Theorem: Jeder solchen
Symmetrie-Transformation entspricht eine bestimmte
physikalische Erhaltungsgrösse; der zeitlichen Transformation die
Energie, der räumlichen der Impuls, der Drehung der Drehimpuls.
Die
Bedeutung der Idee liegt in der Umkehr ihrer Logik. Wenn wir in einem
physikalischen Prozess beobachten, dass eine Grösse – etwa die elektrische
Ladung – erhalten bleibt, dann muss die Theorie, welche den Prozess
beschreibt, eine bestimmte Symmetrie aufweisen. Findet man sie, ist man
auf dem besten Weg zur mathematischen Fassung der Theorie. Die Forderung
nach einer bestimmten Symmetrie fungiert so gesehen wie ein
Theorien-Bauinstrument. Weinberg, Glashow und Salam stellten ihre
Nobelpreis-gekrönte vereinheitlichte Theorie der elektromagnetischen und
schwachen Wechselwirkung genau so auf.
«Abschied von der
Realität» heisst Abschied vom Standardmodell der Teilchen. Es weist zu
viele freie Parameter auf, d. h. Konstanten wie etwa die Teilchenmassen
oder die Stärken der fundamentalen Kräfte, die es nicht erklären kann,
sondern einfach als Gegebenheit experimenteller Messung hinnimmt. Physiker aber wollen das Gegebene hinterfragen. Dazu brauchen sie eine Theorie
mit grösserem Tiefgang. Die Idee, via neue, zunehmend ausgeklügeltere
Symmetrien zu einer solchen zu gelangen, ist ein verlockendes
Forschungsmotiv. Von weitem winkt der Nobelpreis. Aber der Preis, den
man dafür zahlt, ist nicht zu unterschätzen.
Ein
Beispiel mag das veranschaulichen. Materie, wie wir sie gewöhnlich
kennen, besteht aus einer Riesenzahl von Teilchen, deren Verhalten man
nur statistisch erklären kann. Das Standardmodell teilt alle Teilchen in
zwei Klassen mit unterschiedlicher Statistik ein: in Fermionen und
Bosonen. Die Frage stellt sich natürlich
schnell, ob denn diese auffällige Zweiteilung Ausdruck einer tiefer
liegenden Super-Symmetrie – und damit einer fundamentaleren Theorie der
Teilchen und Kräfte – sein könnte; einer «Mutter»-Theorie, die womöglich
auch die Gravitation einschlösse. Sie verspricht, erklären zu können,
warum die Teilchen gerade die Masse haben, die sie haben.
Das
Problem ist bloss, dass man sich dadurch eine wahre Teilchen-Inflation
einhandelt. Zu jedem bekannten Teilchen postuliert die Symmetrie einen
Superpartner: z. B. zum Elektron ein Selektron, zum Quark ein Squark, mit derselben Masse. Bisher hat man
sie nicht beobachtet. Und warum nicht? Die gängige Antwort lautet: Weil
sich die Super-Symmetrie in der Welt, wie wir sie kennen, versteckt.
Die Physiker nennen dieses Versteckspiel Symmetriebrechung. Eine Folge
davon ist, dass die Superteilchen grössere als theoretisch erwartete
Massen haben können und deshalb mit den heute zur Verfügung stehenden
Beschleunigern nicht erzeugt werden können. Folglich müsste man noch
grössere Beschleuniger bauen, um die supersymmetrischen Teilchen zu
entdecken.
So gesehen mutet die Super-Symmetrie wie eine
theoretische Hydra an: Um die zahlreichen willkürlichen Parameter im
Standardmodell zu erklären (zu eliminieren), konstruiert man ein
Post-Standardmodell mit noch viel mehr Parametern. Das ist die zweite
Neuralgie: Unter den Physikern ist eine interne Kontroverse über der
Frage entbrannt, ob man denn mit dem Aufstieg in immer dünnere
theoretische Höhen nicht eine Strategie verfolge, die dem alten
alchimistischen Prinzip «Ignotum per ignotius» zu ähneln beginnt:
Erklären von etwas Unbekanntem aus noch Unbekannterem.
Absurdes macht sich bezahlt
Zynismus
wirkt hier freilich billig. Oft lohnt es sich, eine Theorie auch dann
weiter zu verfolgen, wenn der Realitäts-Check vorerst nicht möglich ist.
Paul A. M. Dirac, einer der grössten Theoretiker des letzten
Jahrhunderts, formulierte die erste relativistische Quantenfeldtheorie
des Elektrons. Deren Grundgleichung liess allerdings eine Lösung zu, die
in den 1920er Jahren als absurd galt, weil sie das Vakuum als einen See
negativer Energie postulierte.
Dirac indes, von der
mathematischen Schönheit seiner Gleichung überzeugt, verstiess sie
nicht. Er interpretierte den «Dirac-See» einfach um und erweiterte auf
diese Weise den mathematischen Sprachschatz der Physik, der es im
Besonderen ermöglichte, das Konzept der Antimaterie zu formulieren. Das
Anti-Elektron oder Positron wurde schon vier Jahre nach seiner
Postulierung in der kosmischen Strahlung nachgewiesen. Inzwischen ist es
ein zentraler Bestandteil der bildgebenden medizinischen Technologie.
Erweiterung der Realität
Sicher
müssen Stringtheoretiker und Supersymmetriker mit ihren Superteilchen
länger warten als Dirac mit seinem Antiteilchen. Viele sagen: zu lange.
Hier stossen wir auf die dritte Neuralgie: Welchen Erkenntnisgewinn
bringen uns denn Theorien einer «Märchen-Physik», die den empirischen
Boden verlassen hat? Vielleicht sollte man die Frage nicht so stellen
und stattdessen in Erwägung ziehen, dass Theorien nicht nur dazu da
sind, Phänomene und Effekte zu erklären, sondern vielmehr noch, neue
Phänomene und Effekte überhaupt erst denkbar zu machen. Die
Quantentheorie machte so undenkbare Dinge wie die Strahlung von
Schwarzen Löchern oder verschränkte Quantenzustände denkbar. Das
erinnert nun stark an das Sagbar-Machen des vorher Nicht-Sagbaren: das
Wesen der Poesie. Sie ist nicht Abschied, sondern Erweiterung der
Realität.
Wie sagte Gottfried Benn: «Es gibt nur zwei verbale
Transzendenzen: die mathematischen Lehrsätze und das Wort als Kunst.»
Ich würde die theoretische Physik hinzufügen. Sie ist voller bizarrer
mathematischer Poesie. Sie ist die Poetin unter den Naturwissenschaften –
eingedenk der Urbedeutung von «poiein»: Hervorbringen. Hervorbringen
neuer Muster, Zusammenhänge, Ordnungen, Gesetze, die sich
günstigstenfalls im Experiment, in der Erfahrung bestätigen.
Vergessen
wir zudem nicht einen historischen Präzedenzfall. Am Anfang des 20.
Jahrhunderts erklärte eine Koryphäe der damaligen Physik, Lord Kelvin,
pontifikal vor der British Association for the Advancement of Science:
«In der Physik gibt es nichts Neues mehr zu entdecken. Was uns bleibt,
sind immer präzisere Messungen.» Das war eine epochale Fehldeutung. Das
20. Jahrhundert sollte sich als eine Ära physikalischer Entdeckungen nie
da gewesenen Ausmasses (und nie da gewesener Folgelast) herausstellen.
Und wir stehen erst am Anfang des 21. Jahrhunderts.