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Die Welt am Fädchen

VON TOBIAS HÜRTER

Wird Einsteins Traum von der Weltformel je wahr? Mit der Stringtheorie wähnen sich die Physiker inzwischen auf der richtigen Spur.

Die Welt am Fädchen© fotoliaxrender - Fotolia.comEinsteins letztes Projekt, die Stringtheorie, ist für Physiker noch heute eine große Herausforderung
Er hätte ebenso gut segeln gehen können. Auf dieses niederschmetternde Resümee brachte der Biograf Albrecht Fölsing die letzten drei Lebensjahrzehnte Albert Einsteins. Dabei hatte Einstein nach der Relativitätstheorie noch viel vorgehabt - er wollte eine Antwort finden auf seine berühmte Frage »Hatte Gott eine Wahl, als er die Welt erschuf?«. Einstein glaubte, die Antwort laute Nein. Deshalb suchte er die »Weltformel« - eine Theorie, die erklärt, dass die Welt exakt so sein müsse, wie sie sei, dass also nicht einmal Gott sie hätte anders erschaffen können. Doch Einstein suchte umsonst. Die Notizen zu einer »vereinheitlichten Feldtheorie« stapelten sich nach seinem Tod im Jahr 1955 auf seinem Schreibtisch in Princeton - Dokumente vergeblicher Mühen.

Nach Einstein hätte noch eine ganze Generation von Seglern folgen können. Seine Nachfolger setzten seine Suche mit ähnlicher Unverdrossenheit und ähnlich bescheidenem Erfolg fort. Es gab ein paar Ideen und viele Enttäuschungen. Seit ein paar Jahren jedoch wächst die Zuversicht der Physiker wieder. Viele von ihnen sind inzwischen überzeugt, die Blaupause der Weltformel bereits in Händen zu halten: Es ist ausgerechnet die viel geschmähte Stringtheorie. Lange war umstritten, ob sie mehr ist als elegante Mathematik. Doch allmählich schwinden die Zweifel. »Wenn die Stringtheorie nicht selbst schon die finale Theorie ist«, erklärt der Nobelpreisträger David Gross von der University of California in Santa Barbara, »dann ist sie zumindest ein sehr wichtiger Schritt dorthin.«

Die Stringtheorie ist nicht einfach eine Theorie, sie ist ein Politikum. Physiker hassen oder lieben sie, nur wenige beziehen Positionen dazwischen. Dabei waren ihre Anfänge ziemlich unscheinbar. Sie entstand um 1970 aus Versuchen von Physikern, die sogenannten »schwergewichtigen« Elementarteilchen - wie Neutronen oder Protonen - in ein Ordnungsschema zu bringen. Das funktionierte verblüffend gut, und so versuchten die Theoretiker, die Formeln auch auf andere Teilchen und Kräfte auszuweiten. Das funktionierte anfangs nicht so gut. Ein Jahrzehnt lang knobelten die Physiker, bis sie überhaupt eine widerspruchsfreie Formulierung gefunden hatten.

Physikalische Grundkräfte

Die »starke« Kraft bindet die Bausteine der Atomkerne (Quarks) aneinander. Sie ist also die Kraft, welche die Welt im Innersten zusammenhält.

Der Elektromagnetismus beschreibt jene Kräfte, die zwischen geladenen Teilchen wirken, und damit alle elektrischen sowie magnetischen Phänomene.

Die »schwache« Wechselwirkung können wir Menschen nicht wahrnehmen, sie ist aber verantwortlich für den radioaktiven Zerfall.

Die Schwerkraft (oder Gravitation) beschreibt die Anziehung zwischen allen Körpern mit Masse; sie regelt etwa die Bewegung der Himmelskörper
Die Grundidee der Stringtheorie ist so simpel, dass jeder sie verstehen kann: Alle Materie besteht aus winzigen, schwingenden »Saiten« (strings). Die Vielfalt ihrer Schwingungen erzeugt die Vielfalt der Teilchen und Kräfte - ähnlich wie die Schwingungen der Saiten einer Gitarre alle möglichen unterschiedlichen Melodien hervorbringen können. So soll zum Beispiel die Schwerkraft aus den Schwingungen geschlossener, also ringförmiger Strings entstehen. Klingt simpel. Aber es ist äußerst knifflig, daraus eine wirklich aussagekräftige physikalische Theorie zu schmieden. So zeigt sich, dass die Strings in vieldimensionalen Räumen schwingen müssen, die geometrisch verzerrt und gekrümmt sein können, oder auch »nicht-geometrisch«. Wie man sich das vorstellt? Am besten gar nicht. Selbst Experten scheitern daran. Damit rechnen lässt sich aber umso besser.

Bis in die 1990er Jahre entwickelten die Stringtheoretiker immer verwegenere Formelwerke von großer mathematischer Eleganz. Allerdings verloren sie vor lauter Mathematik mehr und mehr die Wirklichkeit aus den Augen. Um die Jahrtausendwende wurde es den Kritikern zu bunt. Sie warfen den Stringtheoretikern vor, statt echter Naturwissenschaft nur noch mathematische Spiegelfechterei zu betreiben. Die Stringtheorie, so lautete die Kritik, entziehe sich der experimentellen Prüfung und erstarre zur Ideologie; sie sei ein Ungetüm von mathematisch kaum zu überblickender Komplexität und empirisch mickriger Vorhersagekraft.

Ihre Vertreter würden sie mit politischer Macht durchsetzen statt mit wissenschaftlichen Argumenten - etwa indem sie nur gefügigen Schülern zu akademischen Stellen verhülfen. Selbst den Protagonisten der Stringtheorie wurde zu dieser Zeit ihr Geisteskind unheimlich: »Die Schönheit wurde zum Biest«, erklärte Leonard Susskind, einer der Mitbegründer der Stringtheorie. Im Jahr 2006 erreichte die Anti-String-Bewegung ihren Höhepunkt, als die Physiker Lee Smolin und Peter Woit ihre Protestbücher The Trouble With Physics und Not Even Wrong veröffentlichten. »Nicht einmal falsch« sei sie, warf Woit der Stringtheorie vor. Viele Physiker weigerten sich, sie überhaupt noch als echte Theorie anzuerkennen. Inzwischen aber sind die Kritiker leiser und die Befürworter wieder selbstbewusster geworden. Denn allmählich findet die Stringtheorie den Kontakt zur Wirklichkeit. Sie ist inzwischen so weit entwickelt, dass sie überprüfbare Aussagen über physikalische Systeme macht. »Die Stringtheorie hat fruchtbare neue Ideen für die Teilchenphysik und die Kosmologie gebracht und unerwartete Verbindungen zur Schwerionenphysik und anderen exotischen Materiezuständen gefunden«, sagt einer der weltweit führenden Stringtheoretiker, Joe Polchinski von der University of California in Santa Barbara. Und Dieter Lüst, Direktor am Max-Planck-Institut für Physik in München, lobt: »Heute kann die Stringtheorie Vorhersagen machen, die vor ein paar Jahren noch in weiter Ferne lagen.« So können die Theoretiker aus ihren Stringformeln zum Beispiel Eigenschaften sogenannter Quantenflüssigkeiten ableiten, etwa von Supraleitern und extrem heißer Materie, wie sie in Teilchenbeschleunigern entsteht. Mithilfe der »Saitentheorie« lässt sich berechnen, wie zäh solche Flüssigkeiten sind (Ergebnis: eher dünnflüssig).

Ein besonders interessantes Forschungsfeld ist derzeit die Physik der schwarzen Löcher. Seit Jahrzehnten tobt die Debatte darüber, ob die kosmischen Sonderlinge tatsächlich Information unwiederbringlich verschlucken - so wie es etwa Stephen Hawking behauptete. Andere hielten dagegen, Information dürfe nicht einfach verschwinden - Grundregel der Physik. Mehrmals in den vergangenen Jahren ging es hin und her: Information verschwindet, sie verschwindet nicht. Nun glauben die Stringtheoretiker, klarstellen zu können: Die Information bleibt erhalten. Die physikalische Welt wäre wieder in Ordnung.

Am ehesten prädestiniert, Einsteins letztes Projekt zu vollenden, scheint derzeit der Amerikaner Edward Witten. Zumindest gilt er unter Physikern als aussichtsreicher Kandidat. Viele von ihnen schätzen Wittens mathematische Fähigkeiten noch höher ein als jene Einsteins. Bei einer informellen Umfrage unter theoretischen Physikern, wer der scharfsinnigste unter ihnen sei, fiel am häufigsten der Name Edward Witten, und meistens wird er mit Ehrfurcht ausgesprochen.

Witten ist 62 Jahre alt und von großem Wuchs, hat eine hohe Stirn und eine überraschend hohe Stimme, und sein Weg führte ihn nicht geradlinig auf Einsteins Spuren. Zuerst studierte er Geschichte, liebäugelte mit dem Journalismus und arbeitete für den demokratischen Präsidentschaftskandidaten George McGovern, der 1972 Richard Nixon unterlag. Dann verlor Witten die Lust an der Politik und wandte sich der Physik zu - genauer: der Stringtheorie. »Es war klar, dass ich schlichtweg meine Berufung verfehlen würde, wenn ich mein Leben nicht damit verbringen würde, mich auf die Stringtheorie zu konzentrieren«, sagte er in einem Interview. Heute ist er am Institute for Advanced Study in Princeton angestellt, an dem auch Einstein wirkte - nur eine knappe Autostunde entfernt von den Segelquartieren der amerikanischen Ostküste.

Aber Witten hat keinen Kopf für Wassersport. »Ich bin einigermaßen optimistisch, dass unsere Physiker-Generation eine vereinheitlichte Theorie der Naturkräfte finden wird«, sagt er. Kein anderer Physiker hat die Entwicklung der Stringtheorie in den letzten Jahrzehnten so vehement vorangetrieben wie Witten. Vor allem ihm ist es zu verdanken, dass die Theorie dabei ist, sich von einem vagen Konzept zu einem aussagekräftigen, wenn auch noch ziemlich komplexen Gedankengebäude zu entwickeln.

Die Welt am Fädchen © ZEIT-Grafik Der Weg zur Weltformel
Witten und seine Anhänger betrachten sich als die legitimen Nachfolger des späten Einstein. »Die Stringtheorie steht im Geiste von Einsteins Programm einer vereinheitlichten Feldtheorie«, sagt Dieter Lüst. In gewisser Weise hatte Einstein sogar selbst ein wenig die Finger mit drin bei der Stringtheorie. Er ahnte nämlich schon damals, dass der Schlüssel zur Weltformel in der Annahme zusätzlicher raumzeitlicher Dimensionen liegen könnte. Und tatsächlich sind solche »Extradimensionen« heute ein wichtiger Bestandteil der Stringtheorie.

Die meisten Physiker glauben, dass man zu Einsteins Zeiten einfach zu wenig wusste, um die gesuchte vereinheitlichte Theorie finden zu können. So waren etwa die Kräfte in den Atomkernen noch weitgehend unbekannt, ebenso wenig wusste man über Quarks und andere Elementarteilchen. »Obwohl er eine wichtige Idee hatte, kam er nicht sonderlich weit«, sagt Edward Witten über Einstein. Doch seine vergebliche Mühe sei kein Scheitern gewesen: »Seine Idee der Extradimensionen wird noch 80 Jahre später von den Physikern als wichtig betrachtet. Sie ist Teil seines Vermächtnisses.«

Wir leben in einem neundimensionalen Raum - nur bemerken wir das nicht

Allerdings wirft die Vorstellung zusätzlicher Raumdimensionen - so hilfreich sie für die mathematische Theorie auch sein mag - eine entscheidende Frage auf: Warum kriegen wir nie etwas davon mit? Denn offensichtlich leben wir ja in einer dreidimensionalen Welt, nicht in dem postulierten neundimensionalen Raum. Die Antwort der Theoretiker: Wir bekommen deshalb nichts davon mit, weil die zusätzlichen Dimensionen »kompaktifiziert« sind, wie es im Physiker-Slang heißt. Das bedeutet, sie sind in mikroskopische Kugeln aufgewickelt. Neueste Theorien gehen sogar von einer »nicht geometrischen« Kompaktifizierung aus; diese würde statt eines glatten Raums einen körnigen ergeben. Wenn das stimmte, würden wir gewissermaßen in einer verpixelten Welt leben, mit mikroskopisch kleinen Pixeln. Einige sehr mutige Physiker glauben sogar, diese Verpixelung bereits jetzt in kleinen Unregelmäßigkeiten der kosmischen Hintergrundstrahlung erkennen zu können, die die europäische Raumsonde Planck im vergangenen Jahr gemessen hat.

Aber nicht alle teilen die neue Euphorie. »Mein Eindruck ist, dass die Aussichten schwer übertrieben werden«, sagt der altgediente String-Kritiker Peter Woit, der Mathematik an der Columbia University lehrt. Er bezweifelt noch immer, dass die Stringtheorie auf Tuchfühlung zur Realität gegangen ist, wie deren Verfechter behaupten. Derzeit ginge es allenfalls um die Frage, ob bereits existierende theoretische Modelle mit stringtheoretischen Methoden nachgebildet werden können. »Wenn all das funktioniert, ist es ein gutes Argument dafür, dass das Nachdenken über Stringtheorie zu interessanter mathematischer Physik führen kann«, sagt Woit, »es jedoch als 'Beleg für die Stringtheorie' zu bezeichnen ist ein Missbrauch der Sprache.«

Was also noch immer fehlt, ist der schlagende Beleg für die Stringtheorie, sozusagen ihr großer Auftritt. Der Nachweis des Higgs-Teilchens mit dem Large Hadron Collider (LHC) bei Genf war zwar ein Triumph der mathematischen Physik. Rein aus abstrakten Erwägungen hatten die Physiker seine Existenz und seine Masse treffend vorhergesagt. Aber die Stringtheorie war dabei höchstens am Rande beteiligt. Nun hoffen ihre Vertreter, dass die weiteren Messungen am LHC auch ihre theoretischen Überlegungen bestätigen.

Bisher ist die Ausbeute der Genfer Teilchenschützen in dieser Hinsicht aber eher enttäuschend. So sagt die Stringtheorie beispielsweise eine ganze Reihe neuer Elementarpartikel voraus, die entstehen sollten, wenn die Strings in höheren Dimensionen schwingen. Aber bisher sind diese Teilchen pure Hypothese. Außer auf dem Papier gab es bislang keinerlei Hinweis auf sie. Obenan auf der Fahndungsliste der Stringtheoretiker stehen die sogenannten supersymmetrischen Teilchen. Diese hypothetischen Gegenstücke zu den bekannten Elementarteilchen sollten, so meinen viele, schon aus rein ästhetisch-symmetrischen Gründen existieren. »Es wäre schade, wenn die Natur nicht die Chance ergreifen würde, die Supersymmetrie zu realisieren«, sagt etwa Dieter Lüst.

Zu schön, um nicht wahr zu sein? Tatsächlich haben solche ästhetischen Argumente eine lange Tradition in der Physik. Auch Einstein und viele seiner Nachfolger haben darauf immer wieder ihre Theorien aufgebaut. Aber vergangener Erfolg ist kein Garant für künftigen. Bislang jedenfalls wurde die Supersymmetrie noch nicht gesichtet. Wäre es auch möglich, dass die Teilchenphysik einfach aufhört - dass nach der Entdeckung des Higgs-Teilchens nun nichts mehr kommt? Für viele Physiker ist diese Vorstellung undenkbar, denn noch ist die Disziplin die Antworten auf wichtige Fragen schuldig geblieben. Zu klären ist beispielsweise: Wie funktioniert die Schwerkraft? Woraus bestehen die sogenannte Dunkle Materie und die noch geheimnisvollere »Dunkle Energie«, die durch unseren Kosmos geistern, und warum haben Neutrinos eine Masse? Das Higgs-Teilchen verleiht anderen Teilchen ihre Masse - so war es nach seiner Entdeckung in vielen populären Darstellungen zu lesen. Allerdings kann das nur die halbe Wahrheit sein. Denn dadurch kommt viel weniger Masse zustande, als die Theoretiker vorhersagen. Deshalb sind Witten, Lüst und andere Physiker überzeugt, dass neben dem Higgs-Teilchen noch ein anderer, raffinierterer Mechanismus am Werk sein muss, der die Teilchenmassen klein hält. »Das ist eine der Fragen, an deren Klärung wir besonders interessiert sind«, sagt Witten, »und wir hoffen, dass der LHC sie in den nächsten fünf Jahren seines Betriebs beantwortet.«

Kopfzerbrechen bereitet den Physikern auch der erste Wachstumsschub des Universums gleich nach dem Urknall, genannt Inflation. Damals blähte sich das Universum enorm schnell auf, in einem winzigen Sekundenbruchteil verquadrilliardenfachte sich seine Größe (eine Quadrilliarde ist eine Eins mit 27 Nullen). Doch nach den jetzt vorherrschenden Theorien ist das erstaunlich langsam. Was hat damals die Expansion gebremst? Irgendwelche noch nicht gefundenen Teilchen, vermuten die Theoretiker, und sie hoffen, dass der LHC sie ausspuckt.

Was, wenn das Higgs-Teilchen die letzte große Entdeckung der Physiker war?

Theoretisch muss es also noch weitergehen. Wie genau, lässt sich allerdings vom Schreibtisch aus nicht sagen. »Jetzt sind die Experimentatoren am Zug«, sagt Dieter Lüst, »wir brauchen weitere experimentelle Daten, um die Stringtheorie weiterzuentwickeln.« Doch damit wird er sich gedulden müssen. Denn vorerst ruht der Riesenbeschleuniger LHC. Bis 2015 wird er für höhere Energien aufgerüstet. Werden Beschleunigerexperimente wie in Genf in Zukunft dann die letzten Wissenslücken der Physiker schließen? »Das ist unsere große Unbekannte«, sagt Edward Witten. Auch er räumt ein, dass das Higgs-Teilchen das letzte sein könnte, das mit menschenmöglichen Mitteln zu finden war, dass also die nächste Stufe der Teilchenphysik - Supersymmetrie und Co. - erst bei Energien beginnt, die mit irdischer Technik unerreichbar sind. »Kann sein«, sagt Witten, »aber meine Generation von Physikern hat die letzten Jahre damit verbracht, das als unplausibel anzusehen.«

Und was, wenn er und seine Kollegen falsch liegen und sich die prognostizierten neuen Teilchen einfach nicht zeigen wollen in den Beschleuniger-Experimenten? »Es ist immer möglich, dass wir scheitern«, sagt Witten gelassen, »aber auch dann sind wir schlauer als zuvor. Die Suche nach der vereinheitlichten Theorie lohnt sich, selbst wenn wir sie nicht finden.« Sollten sich allerdings in den Detektoren eines Tages doch jene Befunde zeigen, die die Stringtheorie stützen, wäre das ein Triumph der Theorie, der den Fund des Higgs-Teilchens noch in den Schatten stellt. Einsteins Traum wäre wiederbelebt.

»Eine vereinheitlichte Theorie wäre nicht nur ein großer Schritt für die Physik«, sagt Witten, »sondern ihr natürliches Ende.« Zwar würden Menschen noch weiter staunen und fragen, aber das Programm, das die Physik seit Einsteins Zeiten verfolgt, wäre abgeschlossen. Und Edward Witten kann sich sogar vorstellen, dass die hoch abstrakte Stringtheorie eines Tages zum allgemeinen Bildungsgut zählt. »Zu Einsteins Zeiten fanden die Leute die Spezielle Relativitätstheorie unglaublich kompliziert und abstrakt«, sagt der Theoretiker aus Princeton. Heute stehe sie auf dem Lehrplan der Gymnasien. »Es ist möglich, dass auch die Stringtheorie eines Tages in der Highschool gelehrt wird«, spekuliert Witten - hält kurz inne und fügt dann hinzu, »oder zumindest im College.«

Aus DIE ZEIT :: 02.01.2014

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