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Woodstock-Physik:Neues von der Suche nach der Weltformel

Während die Kosmologen auf den Spuren der großen Strukturen des Universums sind, suchen die Quantenphysiker nach den kleinsten Bausteinen. Und es will einfach nicht gelingen, die mathematische Beschreibung des Makrokosmos mit den Formeln des Mikrokosmos zu vereinigen.

Die Zugehörigkeit zu ihrem Orden dokumentieren Jesuiten, indem sie ihrem Namen das Kürzel SJ hinzufügen. Eigentlich bedeutet es "Societas Jesu", innerhalb der Kirche wird es jedoch mitunter scherzhaft - aber durchaus respektvoll - mit "Schlaue Jungs" übersetzt. Schließlich gelten die Jesuiten als kluge Cheftheoretiker des Katholizismus.

Wichtige Informationen versprechen sich die Physiker von den Experimenten mit dem Protonenbeschleuniger LHC am Forschungszentrum Cern bei Genf.

(Foto: AFP)

Eine ähnliche Gemeinschaft schlauer Jungs gibt es auch unter Physikern. Das sind nicht jene, die mit Detektoren oder Messgeräten hantieren, sondern die Theoretiker, die mit mathematisch eleganter Formelsprache versuchen, die Zusammenhänge alles Seienden zu erklären.

Doch sind die Physiker seit rund einhundert Jahren in zwei Fraktionen gespalten. Da gibt es zum einen die Kosmologen auf den Spuren der großen Strukturen des Universums. Die anderen sind die Quantenphysiker, auf der Suche nach dem Fundament des Ganzen, also den kleinsten Bausteinen und dem Mörtel.

Das seit Jahren drängende Paradoxon der modernen Physik ist: Es will einfach nicht gelingen, die mathematische Beschreibung des Makrokosmos mit den Formeln des Mikrokosmos zu vereinigen. Wie groß die Lücke zwischen den beiden Theoriegebäuden ist, hat am Montagabend Hermann Nicolai bei der Münchner Carl Friedrich von Siemens Stiftung beeindruckend vorgetragen. Nicolai ist Direktor am Albert-Einstein-Institut, dem für Gravitationsphysik zuständigen Max-Planck-Institut in Potsdam und dort für Quantengravitation und Vereinheitlichte Theorien zuständig.

Die Spaltung zwischen Mikro- und Makrokosmos nahm am Beginn des 20. Jahrhunderts ihren Lauf, berichtete Nicolai. 1905 widerlegte Albert Einstein mit seiner Relativitätstheorie die Ansicht Isaac Newtons, wonach die Zeit gleichmäßig und von äußeren Gegenständen unbeeindruckt fließt. Einstein erkannte, dass lediglich die Lichtgeschwindigkeit konstant bleibt, Zeit und Raum jedoch dehnbare Größen sind. 1910 gelang es dem deutschen Mathematiker Hermann Minkowski, Zeit und Raum mathematisch zu einem vierdimensionalen Gebilde zu vereinigen.

Einstein wiederum erweiterte von 1912 an seine Relativitätstheorie, indem er auch die Phänomene der Schwerkraft mit den Erkenntnissen über Raum- und Zeitdehnung verknüpfte. Massive Körper, insbesondere Sterne, Planeten und Galaxien, so belegte er, krümmen das Geflecht aus Raum und Zeit - so wie Steine, die auf einer Matratze liegen und diese eindellen. Als 1919 entdeckt wurde, dass Lichtstrahlen tatsächlich von schweren Himmelskörpern gebogen werden, war die kühne Theorie experimentell bestätigt und Einstein endgültig zur Ikone der Physik aufgestiegen.

Wenige Jahre später vollzogen Quantenphysiker, angeführt von Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger, eine ähnliche Revolution in der mikroskopischen Welt der Atome. Statt fester Orte und Bahnen, etwa für den Weg eines Elektrons um den Atomkern, gab es fortan nur noch Wahrscheinlichkeiten und unscharfe Partikelwolken.

Der Erfolg der Quantenmechanik war mindestens so groß wie der der Relativitätstheorie. Kaum ein modernes elektronisches Gerät wäre ohne sie denkbar. "Es ist die am besten überprüfte Theorie der gesamten Naturwissenschaft", sagt Hermann Nicolai.

Und doch sind die Physiker unzufrieden. Noch immer ist es nicht gelungen, die Beschreibung der atomaren und subatomaren Welt mit den von Einstein entdeckten Mechanismen der Gravitation zu vereinigen. Beide Formelwerke sind verblüffend gut experimentell belegt. Doch die große Vereinheitlichung zu einem allumfassenden Gleichungssystem, populär oft "Weltformel" genannt, ist bislang nicht gelungen.

Physiker vermuten nun, dies könnte an gewissen Ungereimtheiten in den beiden großen Theorien liegen. Im Fall der Allgemeinen Relativitätstheorie sind es die Schwarzen Löcher, die buchstäblich die ansonsten so stimmige Theorie perforieren. Diese merkwürdigen Gebilde entstehen dort, wo punktuell viel Masse zusammenkommt, zum Beispiel, wenn ein schwerer Stern kollabiert.

Mathematisch gesehen kommt es an diesen Orten zu einer sogenannten Singularität, in der die Begriffe von Raum und Zeit ihre Bedeutung verlieren. Ein ähnliches Problem haben Quantenphysiker mit der Annahme, dass Elementarteilchen punktförmig sind. Da viele Partikel eine Masse und eine elektrische Ladung besitzen, müsste zum Beispiel die Dichte bei einem Volumen von Null einen unendlichen Wert annehmen.

Mit diversen mathematischen Kniffen konnten sich Physiker in den vergangenen Jahrzehnten über diese Ungereimtheiten hinweg retten. Doch das seien letztlich "Taschenspielertricks" gewesen, sagt Nicolai. Womöglich müsse man sich von mancher gewohnten Annahme lösen, zum Beispiel jener, dass Raum und Zeit kontinuierlich sind, also glatte, in beliebig kleine Abschnitte teilbare Größen. Womöglich ist die Raumzeit in winzige vierdimensionale Würfelchen zersplittert - Raumzeit-Quanten sagen Physiker.

Einen anderen Lösungsansatz hat Nicolai selbst erstmals in den 1980er-Jahren formuliert. Er erweiterte Einsteins Gleichungen zu einer vieldimensionalen Theorie der Supergravitation, die einerseits die Schwachstellen der Allgemeinen Relativitätstheorie glätten könnte, andererseits jedoch eine irrwitzige Zahl bislang unentdeckter Elementarteilchen erfordern würde. Wie das genau funktioniert?

"Ich kann nicht mal anfangen zu versuchen, Ihnen das zu erklären", sagt Nicolai und zeigt eine psychedelisch wirkende Grafik: Die zweidimensionale Projektion eines achtdimensionalen Diamanten mit 240 Ecken soll die Eleganz seiner Theorie unterstreichen. So wie es aussieht, könnte das Motiv auch vom T-Shirt eines Woodstock-Besuchers des Jahres 1969 stammen.

Damit die Lösungsansätze für die große Vereinigung nicht in babylonischer Verwirrung münden, wünscht sich Nicolai dringend neue experimentelle Daten, speziell aus dem Protonenbeschleuniger LHC am Forschungszentrum Cern bei Genf. Dass der Physiker Stephen Hawking 1979 vorhersagte, es würde nur noch 20 Jahre dauern, bis die letzten Fragen der Physik geklärt seien, mutet heute jedenfalls bizarr an.

"Davon sind wir weiter denn je entfernt", sagt Hermann Nicolai, der es wissen muss - schließlich gehört er zu den schlauen Jungs unter den Physikern, von denen es auf seinem Niveau weltweit wohl weniger gibt als Jesuiten.

© SZ vom 13.07.2011/mcs
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