Vom Urknall zum Durchknall

Lautstarker Applaus erhob sich im Salon III/IV des Marriott-Hotels von Crystal City im amerikanischen Bundesstaat Virginia. In dem überfüllten Konferenzraum starrten alle wie gebannt auf die Leinwand, wo nicht mehr zu sehen war als ein nüchternes Diagramm aus zahlreichen Punkten und einer geschwungenen Kurve. Nur eine eigenartige Personengruppe konnte sich davon zu Emotionen hinreißen lassen – Physiker auf der Jahrestagung der Astronomischen Gesellschaft , die ihren Begeisterungssturm noch minutenlang fortsetzten. Was war geschehen? Die im Diagramm aufgetragenen Daten bestätigten mit einer nie da gewesenen Genauigkeit ein fundamentales Naturgesetz zur Wärmeabstrahlung von heißen Körpern. 1900 von Max Planck entdeckt, leuchtete es nun in geradezu mathematischer Reinheit auf. Noch sensationeller war der Ursprung der Daten – Mikrowellensignale verschiedener Frequenzen, die nicht aus einem irdischen Labor stammten, sondern von einem heißen Urzustand des Universums! Ein Feuerball aus Wasserstoff und Helium, noch ohne jegliche Strukturen, die irgendwann Leben ermöglichen sollten, ließ damals seinem Licht freien Lauf. Mehr als zehn Milliarden Jahre war es bis zu den Detektoren des vom Menschen gebauten Satelliten COBE unterwegs, der wenige Tage zuvor die Daten übertragen hatte. Wenn ich das alles wie einen Film in meiner Vorstellung ablaufen lasse, bekomme ich immer eine Gänsehaut, als würde ich die inzwischen extrem abgekühlte Strahlung tatsächlich spüren. Ihre Gleichverteilung im Raum macht uns auch deutlich, dass wir uns nicht einbilden dürfen, an einem besonderen Ort im Universum zu leben – intelligente Aliens könnten sich seitdem überall entwickelt haben! Sollten sie – was nicht wahrscheinlich ist – uns wirklich von Zeit zu Zeit über die Schulter schauen, dann hätten sie an jenem Nachmittag des 13. Januar 1990, als der Vortrag stattfand, bestimmt anerkennend mit ihrem großen Kopf genickt.

Es ist Anfang Oktober 1924, am Mount Wilson-Observatorium: Immer wieder betrachtet Edwin Hubble konzentriert eine Fotoplatte, die aus einer Aufnahme der Andromeda-Galaxie entstanden ist. Schließlich zuckt seine Hand, er streicht den Buchstaben „N“ für Nova durch und kritzelt „VAR!“ für Variabilität auf die Platte – dies muss einer der aufregendsten Momente seines Lebens gewesen sein. Er hatte einen besonderen Typ von Stern identifiziert und konnte daraus die Entfernung zu unserer Nachbargalaxie auf 900 000 Lichtjahre bestimmen – die große Debatte, ob es sich nicht auch um ein Objekt in unserer Galaxis handeln könnte, ist damit beendet. Immanuel Kant, der diese „Nebel“ bereits für Welteninseln gleich der Milchstraße gehalten hatte, hatte Recht behalten.

Die Mehrheit der Astronomen ist überzeugt, dass das Konkordanzmodell die Kosmologie im wesentlichen richtig beschreibt. Man tut dem Modell allerdings zu viel Ehre an, wenn man es als Inkarnation der Allgemeinen Relativitätstheorie betrachtet, da ihre für die Kosmologie relevanten Gleichungen sich sogar mit der Newtonschen Th eorie herleiten lassen. Denn Einsteins Th eorie geht für schwache Gravitationsfelder, also geringe Beschleunigungen, perfekt in das Newtonsche Gravitationsgesetz über. Das gleiche gilt für Newtons Bewegungsgesetze und die Spezielle Relativitätstheorie, die Einstein zehn Jahre früher, 1905, entwickelt hatte (wo, sehen Sie in Abb. 5). Sie baut auf einer überraschend einfachen Erkenntnis: Die Lichtgeschwindigkeit ist immer gleich groß, auch wenn man sich in einem bewegten System befindet. Ein solches Relativitätsprinzip hatte zuerst Galilei entdeckt und die Gegner des heliozentrischen Weltbildes darauf hingewiesen, dass uns Kühe und Bäume keineswegs um die Ohren fliegen müssen, wenn wir uns die Erde als bewegt vorstellen. In der Tat kann man mit keinem physikalischen Experiment zwischen dem Zustand der Ruhe und dem einer gleichförmigen Bewegung unterscheiden.

Obwohl die Allgemeine Relativitätstheorie für die Gravitation ein ganz neues Konzept entwirft , baut sie dennoch auf die Newtonsche Gravitationskonstante G . Interessanterweise hatte Newton mit seinem Gesetz die Bewegungen der Himmelskörper präzise beschreiben können, hielt es jedoch selbst für aussichtslos, die geheimnisvolle Kraft zwischen zwei kleinen Gewichten zu messen. Erst ein Jahrhundert später, 1798, gelang Henry Cavendish ein Experiment, das fast unverändert noch heute zur Bestimmung von G verwendet wird. Cavendish war ein sorgfältiger Experimentator, und es macht Spaß, im Buch Great Experiments of Physics die Details des Experimentes zur „Bestimmung der mittleren Dichte der Erde“ nachzulesen, das man heute Torsionsdrehwaage nennt. Er nutzte dabei aus, dass sich ein gespannter Faden schon mit winzigsten Kräft en verdrehen lässt. Hängt man an dem Faden ein Paar Metallkugeln geschickt auf, reagieren die Kugeln schon auf die Gravitationsanziehung gleichartiger in der Nähe aufgehängter Massen. Während man aus den Umlaufzeiten und Entfernungen der Planeten sehr präzise das Produkt GM bestimmen kann, ist die Bestimmung der Masse der Erde und jedes anderen Himmelskörpers nur möglich, wenn man unabhängig davon G direkt misst – nun war dies erstmals gelungen. Alle astronomischen Massenangaben, ja Abschätzungen für das gesamte beobachtbare Universum erfolgen relativ zur Erd- und Sonnenmasse, die wiederum auf dem Cavendish-Experiment beruhen. Tatsächlich gibt es bis heute kaum andere Apparaturen, die eine vergleichbare Genauigkeit erreichen.

Es ist der 3. März 1972, der Triebwerkslärm einer Rakete erschüttert Cape Canaveral. Seit der ersten Mondlandung sind noch keine drei Jahre vergangen, die NASA ist auf der Höhe ihres Erfolges, und dennoch ist der Start der Atlas-Centaur-Rakete, die die Raumsonde Pioneer 10 trägt, eine kleinere Aktion. Niemand ahnt, dass man die Mission dreißig Jahre später als „größtes Experiment der Menschheit“ bezeichnen wird, als Pioneer 10 in der unglaublichen Entfernung von 11 Milliarden Kilometern sein letztes Funksignal zur Erde sendet. Mit lediglich wissenschaft lichem Ehrgeiz soll die Sonde das äußere Sonnensystem erforschen und wohl mehr aus Jux klebt man eine Plakette mit ein paar Informationen über die Menschheit auf – dabei gibt die Andeutung der anatomischen Unterschiede zwischen Mann und Frau im prüden Amerika der Nixon-Ära noch Anlass zur Diskussion. Nach einigen Jahren Flugzeit haben die Sonden – die baugleiche Pioneer 11 wurde 1973 in fast entgegengesetzter Richtung gestartet – ihre Hauptaufgabe erfüllt und spektakuläre Nahaufnahmen von Jupiter und Saturn zur Erde gefunkt. Um möglichen unentdeckten Himmelskörpern nachzuspüren, achtete man auf sehr genaue Navigation der Sonden, aber die Mühe schien überflüssig, nichts Neues wurde gefunden. Lediglich eine langsam anwachsende kleine Abweichung der Fluggeschwindigkeit von der Vorhersage schien sich anzudeuten. Ein derartiger „Schmutzeff ekt“ konnte aber so vielfältige banale Ursachen haben, dass sich zwei Jahrzehnte lang niemand von den Ingenieuren darum kümmerte – Hauptsache die Dinger flogen. Schließlich beschließt der Gruppenleiter John D. Anderson doch, der Sache auf den Grund zu gehen. Eine umfangreiche Auswertung der Bahndaten beginnt, alle denkbaren Fehlerquellen von Staub im Sonnensystem über die Gravitationseinflüsse von Asteroiden bis zur Störung der Funksignale werden analysiert, jedoch kein Fehler gefunden. Die Lichtlaufzeit des Signals zu den Sonden erlaubt die Entfernungsbestimmung, und zusätzlich ermittelt man aus der Frequenzverschiebung des rückgesendeten Signals mit der Dopplerverschiebung die Geschwindigkeit. Aus beiden Datensätzen ergibt sich: Die Sonden werden dauernd etwas langsamer als erwartet, anscheinend gebremst mit einer gleichmäßigen Beschleunigung gegen die Flugrichtung, also zur Sonne hin. Halten Sie sich aber die Winzigkeit dieser Anomalie vor Augen: Sie entspricht der Verringerung der Beschleunigung einer U-Bahn, die diese durch Mitnahme von drei Ameisen erfährt.

Lange Zeit konzentrierte sich die Kosmologie auf eine Frage: Durch die Gravitation wird die Hubble-Expansion abgebremst, aber genügt dies, sie zum Stillstand zu bringen? Diesem Modell eines „geschlossenen“ Universums stellte man ein „off enes“ gegenüber, das trotz Gravitationsanziehung wegen zu geringer Materiedichte sich der dauernden Expansion nicht zu widersetzen vermag. Den Grenzfall zwischen einem off enen und geschlossenen Universum nennt man „flach“, jedoch wäre dieser Zustand äußerst instabil, gleich einer Nadel, die auf der Spitze steht. So wie diese durch die erste winzige Störung zu einer Seite fällt, hätte das Universum sein Schicksal „off en“ oder „geschlossen“ auch recht bald festlegen müssen. Die dafür bedeutsame Messung der mittleren Dichte ist allerdings irritierend: Zwar spricht sie etwas für ein off enes Universum, aber die Entscheidung hätte eigentlich schon viel früher fallen sollen – es ist so als ob wir eine Nadel beobachteten, die sich gerade etwas zur Seite neigt, jedoch vorher 14 Milliarden Jahre auf der Spitze gestanden war. Nicht gerade wahrscheinlich, doch dauerte es bis 1969, bis ein tiefer Denker der Gravitation, Robert Dicke, erstmals auf dieses Rätsel hinwies. Heute nennt man es Flachheitsproblem, da der merkwürdige Grenzfall in der Allgemeinen Relativitätstheorie durch das Verschwinden einer raumzeitlichen Krümmung beschrieben wird. Gleichzeitig liefert die Th eorie jedoch keine befriedigende Begründung, warum sich das Universum so lange in einem fein austarierten, jedoch instabilen Zustand befunden haben soll.

Das Standardmodell der Teilchenphysik basiert ganz wesentlich auf Überlegungen zur Symmetrie, deren bedeutende Rolle in der Physik von Emmy Noether begründet wurde. Sie war eine außergewöhnliche Mathematikerin, aber im konservativen Preußen, zu dem ihre Wirkungsstätte Göttingen um 1920 gehörte, war eine Frau als Fakultätsmitglied damals noch nicht denkbar. Selbst ihr Mentor, der berühmte Mathematiker David Hilbert, konnte mit dem Argument „Eine Universität ist doch keine Badeanstalt, meine Herren!“ ihre Habilitation zunächst nicht durchsetzen, so dass sie Vorlesungen nur als seine Assistentin halten konnte.

„Wir glauben, dass wir Einsteins Traum verwirklichen können … die Physiker vertrauen darauf, dass wir dort weitermachen, wo Einstein aufgehört hat“ schmeichelt der Physiker Brian Greene mit YouTube- Bildern aus Princeton dem Genie, das in seinen letzten Jahren dort gelebt hatte. Aber auch ohne Musikuntermalung wird Einstein gerne als Kronzeuge für komplizierte hochdimensionale Th eoriekonstrukte angerufen. Dies ist reichlich unverfroren, denn Einstein suchte asketisch nach Konzepten in der Geometrie, die alles Willkürliche vermeiden und neben der Gravitation auch die elektromagnetischen Phänomene erklären sollten. Diese gedankliche Sparsamkeit könnte keinen schärferen Kontrast finden als die modernen Th eorien, von denen wir in diesem Kapitel nur exemplarisch einige Auswüchse betrachten. Im Gegensatz zu diesen Phantasien behielt Einstein stets die Füße auf dem Boden und fragte nach Lösungen seiner Gleichungen, die den Elementarteilchen entsprechen sollten. Ob er diese Hoff nung angesichts der Teilchenblüten des Standardmodells noch gehabt hätte, ist eine andere Frage.

Es ist Februar 2001, als das Jahrestreff en der American Association for the Advancement of Science stattfindet, dem Herausgeber der renommierten Zeitschrift Science. In der Sitzung „Th e coming revolutions in particle physics“ hält David Gross einen Vortrag mit dem Titel „Th e power and glory of string theory“. Drei Jahre später sollte Gross den Nobelpreis erhalten – wenn auch nicht für die angekündigten Revolutionen. Gross gibt einen Rückblick auf dreißig Jahre Forschung, die für viele zu den bedeutendsten Errungenschaft en des menschlichen Geistes zählt, denn sie betrifft nichts geringeres als eine physikalische Th eorie der Weltformel, der Th eory of Everything. Wenn sich auch alles in zusätzlichen, nicht sichtbaren Dimensionen abspielen soll, so ist es doch Realität, dass man sich an den führenden Institutionen fast ausschließlich mit Stringtheorie beschäft igt. Sie wurde verschiedentlich populär dargestellt, wie in dem Buch Das elegante Universum von Brian Greene: In großen Teilen der mathematischen und physikalischen Gemeinschaft wächst die Überzeugung, dass von der Stringtheorie der Traum von der einheitlichen Theorie zu erwarten ist. Von einem Prinzip ausgehend – dass alles auf der fundamentalsten Ebene aus Kombinationen schwingender Fäden besteht – liefert die Stringtheorie ein einziges Erklärungsmodell, das alle Materie und alle Kräfte einschließt.

Poppers Kriterium ist ein scharfes Messer, mit dem man echte wissenschaft liche Hypothesen von Science-Fiction-Imitaten trennen kann. Gesunde Skepsis, die Forderung nach Falsifizierbarkeit und nach quantitativen Vorhersagen, all dies sind unbestechliche Mittel der Diagnose, die man sich von Phantasten, Schaumschlägern, aber auch von Wissenschaft sverwaltern und Lobbyisten beliebig interpretierbarer Experimente nicht verwässern lassen darf. Diese Instrumente des Kritischen Rationalismus sagen, wie Wissenschaft funktionieren sollte, und halten dabei einen Spiegel vor, in dem die Krankheiten sichtbar sind. Nicht ganz glücklich dagegen war Poppers Beschreibung der Wissenschaft sentwicklung als Geschichte der korrigierten Irrtümer, denn sie beschreibt das Entstehen von Th eoriegebäuden etwas unvollständig. Man beobachtet ja gerade, dass sich vieles der Widerlegung widersetzt, dass Ausflüchte gefunden werden, ehe man eine liebgewonnene Th eorie über Bord wirft.

Wenn Ihnen im letzten Kapitel meine Skepsis gegenüber den etablierten Konzepten der Th eoretischen Physik auf die Nerven gegangen ist, dann brauchen Sie jetzt Baldrian. Aber es gibt nur zwei Möglichkeiten: Entweder man gibt sich damit zufrieden, dass sich der Aufb au der Natur wie eine unübersichtliche Zirkustruppe präsentiert oder man untersucht die Naturgesetze konsequent auf ihre Einfachheit, indem man die Frage nach den freien Parametern stellt. Mit über dreißig unerklärten Zahlen sind die Standardmodelle der Physik in einem traurigen Zustand, bringen aber gegen die Forderung nach Vereinfachung ständig neue Sachzwänge vor. Daher werde ich mit dem Gedanken, die Th eoretische Physik solle irgendwann ganz ohne freie Parameter auskommen, als hoff nungsloser Illusionist dastehen. Entsprechend weit führt dieser Traum zurück in eine Zeit, in der die Physik ihre damals bescheidene Anzahl von Th eorien auf wenige Naturkonstanten baute.

Obwohl die Th eoretische Physik in den vergangenen Jahrzehnten der Natur nicht mehr viel Neues zu entlocken vermochte, entwickelten sich ihre mathematischen Methoden weiter, meist ungestört von Experimenten. Natürlich benötigt die Th eoretische Physik mathematisches Handwerkszeug wie Diff erenzial- und Integralrechnung, Vektoranalysis zur Darstellung von Feldern wie dem elektrischen, Funktionenräume und komplexe Zahlen in der Quantenmechanik, und generell Diff erenzialgleichungen, welche statt Zahlen ganze Funktionen als Lösungen haben. Für letztere braucht man Variationsrechnung, und schließlich in der allgemeinen Relativitätstheorie auch etwas Diff erenzialgeometrie. Dagegen liegt der Schwerpunkt heute auf der Ausweitung der Diff erenzialgeometrie auf höherdimensionale Räume, den dadurch verursachten topologischen Komplikationen und der Betrachtung von riesigen Symmetriegruppen.

Zu dem Spaß, den ich beim Schreiben dieses Buches hatte, mischt sich die Erkenntnis, dass die Physik hier alles andere als erschöpfend dargestellt wurde. Zu vielfältig sind die Faszinationen des Universums, und ich kann Sie nur ermuntern, diese weiter zu erforschen. Ebensowenig erschöpfend behandelt werden konnten all jene Absurditäten, die die Th eoretische Physik der letzten Jahrzehnte hervorgebracht hat und die ich Ihnen nur teilweise als entbehrlich darstellen konnte. Ich kann nur hoff en, dass sich hier niemand übergangen fühlt. Die schon kritischen Kommentare meiner mir eher wohlgesonnenen Korrekturleser erfüllen mich aber mit Zuversicht, jenen Experten genug Angriff sflächen geboten zu haben, um meine Kritik an den Konzepten der aktuellen Physik als unfundiert zu zerpflücken. Denn der Verdacht liegt natürlich nahe, dass hier ein Träumer einfach alles besser wissen will – wie jedes Kind weiß, haben Lehrer „vormittags Recht und nachmittags frei“ – vielleicht färbt ja das doch auf meine wissenschaft liche Tätigkeit ab, ohne dass ich es merke? Hoff entlich können mir dann mal Forscherkollegen, die durch steuerfinanzierte Konferenzteilnahmen zu überlegener Sachkompetenz gelangt sind, ein paar einfache Dinge erklären. Sollte ich sie immer noch nicht verstehen, bleibt mir nur ein Trost: Das Recht auf Meinungsäußerung ist mir ein unbefangener Genuss, denn anders als in den evaluierten Exzellenzclustern ist Unsinn nennen, was Unsinn ist, an bayerischen Gymnasien noch kein Dienstvergehen.