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Expedition zum Urknall

von Robert Gast

Seit 350 Jahren versuchen Physiker, die Naturgesetze zu vereinheitlichen. Doch im Moment stecken sie fest und streiten über die richtige Orientierung.

Expedition zum Urknall© takasu - Fotolia.comTeilchenphysiker versuchen den Urknall, mit dem Kompass der Mathematik zu entschlüsseln
Vielleicht muss man sich Teilchenphysiker als Teilnehmer einer Polarexpedition vorstellen. Einer sehr langen, sehr mühsamen Reise zum Südpol. Der Weg ist weit, Schneestürme erschweren die Sicht, der Wind weht rau. Die Sonne haben die Männer und Frauen schon seit Längerem nicht mehr gesehen. Aber ihr Ziel ist klar, trotz der antarktischen Finsternis: Sie wollen erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält, wie es seit Faust so schön heißt. Und das bedeutet im Moment: den Urknall entschlüsseln, in dem vor 13,8 Milliarden Jahren unser Universum entstand.

Im Verlauf der Expedition sind einige der Naturforscher zu Legenden geworden. Nächste Woche könnte das einem weiteren passieren: Der Schotte Peter Higgs ist der Favorit für den Physiknobelpreis 2013, der am kommenden Dienstag verkündet wird. Higgs hat im Jahr 1964 ein Elementarteilchen vorhergesagt, das im vergangenen Jahr nach mühsamer Suche am Genfer Riesenbeschleuniger LHC nachgewiesen wurde. Aber das Higgs-Boson, populärwissenschaftlich fehlgedeutet als »Gottesteilchen«, ist nicht das Ende der Reise. Bis zum Südpol ist es noch ein weiter Weg. Seit 350 Jahren sind die Physiker schon unterwegs. Anfangs eilten sie ihrem Ziel mit Riesenschritten entgegen. Doch je näher sie dem Ziel kommen, desto mühsamer wird die Reise. Es ist gar nicht mehr so klar, ob das ganze Unternehmen überhaupt zum Ziel führen kann.

Die Kompassnadel dreht sich wild im Kreis. Die Zweifler unter den Forschern tuscheln so laut wie lange nicht mehr: Müssen wir das waghalsigste Abenteuer der modernen Wissenschaft unvollendet abbrechen? Existiert das Ziel, von dem wir träumen, vielleicht überhaupt nicht?

Der Entdecker des Kompasses kann nichts für den Schlamassel. Er saß im Garten eines britischen Weilers namens Woolsthorpe-by-Colsterworth, es war im Jahr 1664 oder 1665, so genau ist das nicht überliefert. Jedenfalls kam ihm dort die entscheidende Idee. Angeblich fiel ein Apfel vom Baum. Isaac Newton jedenfalls erkannte: Die Schwerkraft lässt nicht nur Äpfel auf den Boden fallen - alle Massen ziehen einander an, und das lässt sich mit einer einzigen, einfachen Formel beschreiben.

Seither diente die Mathematik Generationen von Gelehrten als Orientierungshilfe auf dem Weg zur Wahrheit. Die Formelsprache leitet sie beim Verständnis der Naturerscheinungen, sie ist ihr Kompass und Wegweiser bei dem Versuch, das Chaos der Realität zu bändigen.

Eines der ersten Expeditionsmitglieder, das auf dem Weg zum Pol den Wert dieses Kompasses erkannte, war James Clerk Maxwell, im polaren Schneesturm erkennbar an seinem mächtigen Zausebart. Maxwell sah sich im 19. Jahrhundert mit einer verwirrenden Vielfalt elektrischer und magnetischer Phänomene konfrontiert. Doch mithilfe der Mathematik verwandelte er das Chaos in Schönheit; er formulierte vier elegante Gleichungen, die eine profunde Wahrheit offenbarten: Magnetische und elektrische Kräfte sind zwei Facetten desselben Naturphänomens. Die »Elektrodynamik« war geboren, sie ermöglichte Stromleitungen, Glühbirnen und Radios.

Doch schon kurz nach Maxwells Entdeckung stand die Polarexpedition plötzlich an einem Scheideweg. Eine Gruppe von Männern wollte ein geheimnisvolles Fluidum ausgemacht haben - den »Äther«, eine hypothetische Trägersubstanz für die elektromagnetischen Erscheinungen. Ohne Äther kein Licht. Die anderen glaubten fest, auch ohne solch eine Hilfskonstruktion auszukommen, die Wellen würden sich auch im völlig leeren Raum ausbreiten. Ende des 19. Jahrhunderts widerlegten mehrere Experiment die Äther-Hypothese. Die Expedition war kurz davor, kehrt zu machen. Doch zwei große Durchbrüche zu Beginn des 20. Jahrhunderts brachten die Physiker wieder auf die richtige Fährte.

Die Quantenphysik und die Allgemeine Relativitätstheorie offenbarten die wahre Natur von Licht, Raum und Zeit. Erstere beschreibt das Innerste der Materie als Wechselspiel von Elementarteilchen und Feldern. Letztere macht die Schwerkraft zu einer Eigenschaft des Weltraums: Jede Masse verbeult ihn, wie eine Perle ein gespanntes Seidentuch. Die geistigen Väter der beiden großen Theorien, Albert Einstein sowie Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und Paul Dirac, ließen sich erneut von der Mathematik leiten - dass ihre Theorien die Wirklichkeit beschreiben, zeigte sich erst Jahre später.

Mit neuem Selbstvertrauen setzten die Physiker ihre Reise fort. Es begann das Zeitalter der Teilchenphysik und der schwungvollen Theorien. Den Kompass schnappte sich ein Amerikaner. Steven Weinberg ließ sich ganz von mathematischer Ästhetik leiten. 1967 sah er in seinen Formeln glasklar die weitere Route zum Pol: Es müsse, so postulierte er, eine weitere Vereinheitlichung der Wechselwirkungen geben.

So, wie es Maxwell einst mit Magnetismus und Elektrostatik vorgemacht hatte, vereinigte nun Weinberg (unterstützt von Abdus Salam und Sheldon Glashow) mit der Macht der Mathematik die sogenannte schwache Kernkraft (die Atomkerne zerfallen lässt) mit dem Elektromagnetismus zur »elektroschwachen« Kraft. Die soll in der Glut des Urknalls über das junge Universum geherrscht haben. Und als die unvorstellbar heiße Ursuppe in den ersten Sekundenbruchteilen allen Seins abkühlte, trennten sich die Kräfte in die uns bekannten Phänomene.

Möglich war diese Vorhersage dank einer verblüffenden Erkenntnis, die Physiker in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts erlangt hatten: Das Chaos zähmt man nicht, indem man über die ständigen Veränderungen Buch führt - sondern indem man das festhält, was unverändert bleibt. Haut man ein paar Pfeiler in den Boden, während der Schneesturm tobt, kann man sie als Orientierungspunkte nehmen, um ein Modell für den scheinbar chaotischen Tanz der Schneeflocken zu konstruieren.

Seitdem suchen Physiker nach »Symmetrien« - mathematischer Jargon für physikalische Größen, die stets gleich bleiben, wenn sich die Umgebung verändert. Mit ihnen als Ausgangspunkt können sie elegante »Eichtheorien« entwickeln, die bestimmte Felder und Elementarteilchen enthalten müssen. Um im Bild zu bleiben: Die Eigenschaften des Sturms werden so definiert, dass er die Pfeiler nicht ausreißen darf.

Auf Symmetrien hatten sich Weinberg, Salam und Glashow bei der Konstruktion ihrer elektroschwachen Theorie gestützt. Danach nutzten ihre Kollegen sie, um auch die »starke Kernkraft«, die Atomkerne zusammenhält, in ein elegantes Modell zu pressen. Zusammen ergaben sie das sogenannte Standardmodell der Elementarteilchen, das drei Grundkräfte und 61 elementare Partikel zusammenfasst. Das Modell könne so gut wie alles beschreiben, schwärmen Physiker: von den Reaktionen, die das Sonnenfeuer brennen lassen, bis zu den Kräften, die eine Schneeflocke zusammenhalten. Endlich schien der Weg, den der mathematische Kompass wies, klar zu sein.

In der Praxis aber türmten sich gewaltige Hindernisse wie Schneewehen vor den Physikern auf. So sagte die elektroschwache Vereinheitlichung die Existenz von drei neuen Elementarteilchen voraus, und ein viertes war nötig, um sie mit der restlichen Teilchenphysik zu versöhnen. Um in der Polarnacht weiter voranzukommen, wurde schweres Gerät notwendig. Zum Glück tobte in den Heimatländern der Expeditionsteilnehmer gerade ein Kalter Krieg, und die Gesellschaft war gern bereit, in Technologie zu investieren. Die Teilchenphysiker bekamen riesige, ringförmige Beschleuniger, in denen lichtschnelle Protonen mit Antiprotonen kollidierten. So wurden Bedingungen erzeugt, wie sie kurz nach dem Urknall geherrscht haben sollen.

Und tatsächlich: 1983 zeigten sich in einem knapp sieben Kilometer langen Teilchenbeschleuniger am europäischen Kernforschungszentrum Cern bei Genf die drei Elementarteilchen der elektroschwachen Theorie. Die Entdeckung dieser W- und Z-Bosonen wurde prompt 1984 mit dem Nobelpreis belohnt - die Physiker waren auf dem richtigen Weg. Für das vierte Teilchen benötigten sie allerdings eine noch größere Maschine, größer als alles, was Menschen bisher gebaut hatten - den Large Hadron Collider (LHC), der 2009 am Cern fertiggestellt wurde. 27 Kilometer ist er lang, drei Milliarden Euro hat er gekostet, und er verbraucht ein Zehntel des gesamten Stroms im Kanton Genf.

Im vergangenen Jahr war es dann so weit, das Higgs-Boson wurde nachgewiesen. Seitdem wissen die Forscher: Ihr ambitioniertes Modell für den Mikrokosmos beschreibt tatsächlich die Natur. Ist das Ziel damit in Reichweite? Leider nein. Die erste Billionstel Billionstel Billionstel Sekunde des Universums stellt die Physiker vor große Rätsel. Damals, noch bevor sich erste Elementarteilchen bilden konnten, soll der Kosmos von einer einzigen Urkraft beherrscht worden sein - aus der bald darauf die heute bekannten Grundkräfte hervorgingen, Schwerkraft, starke Kernkraft und elektroschwache Kraft.

Beschreiben soll diesen Urzustand des Kosmos eine »Weltformel« - eine große Vereinheitlichung der gesamten Physik, die sowohl das Standardmodell der Teilchenphysik als auch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie enthält. Gelänge es, die zwei Säulen der modernen Physik in einem eleganten Modell zusammenzufassen, wäre die Arbeit der Teilchenphysiker abgeschlossen.

Bislang aber widersetzt sich die Gravitationskraft jeder Vereinheitlichung; in das bisherige Schema der drei anderen Grundkräfte will sie sich partout nicht einfügen. Und auch etwas anderes hat die Expedition ausgebremst: Die Astronomen haben in letzter Zeit einige Entdeckungen gemacht, die den Physikern neue Rätsel aufgaben.

Im All verhielten sich die Gestirne ganz sonderbar, kein Modell konnte das beschreiben. Neben den bekannten Elementarteilchen müssten dort noch »Dunkle Materie« und »Dunkle Energie« am Werke sein, sagten die Astronomen; jedenfalls seien mehr als 95 Prozent des Universums unverstanden. Auch die Teilchenphysiker waren nicht mehr recht zufrieden. Je länger sie darüber nachdachten, desto weniger gefiel ihnen ihr Standardmodell. Denn wichtige Fragen lassen sich damit nicht auf übergeordnete mathematische Prinzipien zurückführen: Wieso haben die Elementarteilchen gerade jene Massen, die sie haben? Und wieso sind die drei im Standardmodell enthaltenen Kräfte so unterschiedlich stark? In ihre eleganten Gleichungen müssen die Physiker über 20 sogenannte »freie Parameter« per Hand einsetzen. Wirklich überzeugend ist das nicht.

So sieht es derzeit so aus, als stünde die Expedition vor einem Labyrinth aus messerscharfen Eisschollen, in dem jegliche Orientierung verloren geht. In welcher Richtung geht es zu den tieferen Prinzipien, die die freien Parameter festlegen? Dort müsste man auch auf die Weltformel stoßen, hoffen die Physiker. Ausgerechnet jetzt scheint der Kompass der Mathematik die Forscher im Stich zu lassen - ganz so, wie auch im richtigen Leben die Nadel zu rotieren beginnt, wenn man sich dem Pol nähert. Eine elegante Eichtheorie, die starke Kernkraft und elektroschwache Kraft vereinigt hätte, erwies sich als Irrweg. Ihr zufolge wäre das Proton instabil, worauf Physiker bis heute keinen Hinweis gefunden haben.

Wie viele Milliarden ist uns die Neugier der Physiker wert?

Nun setzen die Physiker auf die »Supersymmetrie«: Kurz nach dem Urknall soll jedes der bekannten Elementarteilchen einen (bislang noch unbekannten) Partner gehabt haben. Mit diesen zusätzlichen supersymmetrischen Teilchen ließen sich nicht nur elektroschwache Kraft und starke Kernkraft auf einen gemeinsamen Ausgangspunkt zurückführen; man könnte aus ihnen auch die Masse des Higgs-Teilchens elegant herleiten - einer der »freien Parameter«, der besonders am Stolz der Physiker nagt. Eventuell könnte eines der postulierten neuen Teilchen sogar die Existenz der Dunklen Materie erklären. Aber die Mathematik der Supersymmetrie ist alles andere als eindeutig. Mit ihr lassen sich zahlreiche Welten mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften konstruieren. Ob eine von ihnen tatsächlich die Natur beschreibt, weiß niemand. Zudem fanden sich in den Teilchenbeschleunigern trotz intensiver Suche bislang keine Hinweise auf Supersymmetrie. Ist der Kompass der Mathematik kaputt? In ihrer Not üben sich viele in Durchhalteparolen. Man müsse nur mit den Beschleunigern weitersuchen, sagen sie, irgendwann werde man schon supersymmetrische Teilchen finden - oder etwas anderes Spannendes. Und wenn der LHC dafür nicht ausreiche, brauche man eben ein noch größeres Gerät!

Aber wie viele Milliarden ist der Gesellschaft die Neugier der Physiker wert? Haben sich die Expeditionsteilnehmer mittlerweile nicht schon so weit von zu Hause entfernt, dass ohnehin kaum noch jemand versteht, wonach sie suchen? Für 99,9 Prozent der Menschen sei schon das Higgs-Teilchen nicht mehr nachvollziehbar, sagte etwa der Physiker und Fernsehmoderator Harald Lesch im vergangenen Jahr in einem Interview. Wen interessiert da noch die große Vereinigung der Kräfte, die - wenn überhaupt - nur für einen unvorstellbar kurzen Bruchteil einer Sekunde Realität war, damals, vor 13,8 Milliarden Jahren - und deren Physik auf der Erde vermutlich nie eine Rolle spielen würde? Auch der alte Weise der Polarreisenden, Steven Weinberg, ist pessimistisch. Im vergangenen Jahr hat er eine Klageschrift verfasst, The Crisis of Big Science. Über die Hoffnung auf einen noch größeren Teilchenbeschleuniger schreibt er: »Es wird sehr schwer werden, das zu verkaufen.« Weinberg erinnert an den in jeder Hinsicht vor Superlativen strotzenden »Superconducting Super Collider«, der Anfang der 1990er Jahre in Texas entstehen sollte - und dem kurz nach Baubeginn vom US-Repräsentantenhaus die Gelder gestrichen wurden.

Vielleicht braucht die Expedition auch nur eine Besinnungspause? Schließlich hat kaum noch jemand Zeit, sich einen Überblick über all die vielen Einzelergebnisse zu verschaffen und dann - ähnlich wie Einstein seinerzeit mit der Relativitätstheorie - einen Befreiungsschlag zu landen, der viele Fragen mit einem Mal in anderem Licht erscheinen lässt.

Heute versinken Professoren in Verwaltungstätigkeiten, und selbst Doktoranden klagen, ihnen fehle die Zeit, Arbeiten außerhalb ihres Nischenthemas zu lesen. Denn die Forschungsliteratur wächst und wächst. Im wichtigsten Physikerjournal Physical Review erschienen im Jahr 1893 gerade einmal 24 Aufsätze. Im Jahr 2013 werden es 4.050 Arbeiten in der mittlerweile zu Physical Review Letters expandierten Zeitschriftenfamilie sein, zusammen umfassen sie schwindelerregende 20.000 Seiten. Wer soll da noch den Durchblick haben? »Die Physik ist sehr viel fragmentierter als früher«, sagt Jürgen Renn vom Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte. Ob da noch einmal eine ähnliche Synthese gelinge wie zu Zeiten Einsteins, sei »die große Frage«.

Bleibt die Physik-Expedition also erneut stecken, so wie damals beim Äther? Auch das Gegenteil ist denkbar: Vielleicht funktioniert der Kompass der Mathematik nach wie vor tadellos - nur wissen wir sein scheinbar erratisches Verhalten nicht zu deuten. Zu dieser These neigen vor allem die Verfechter der Stringtheorie. Ihr zufolge sind Elementarteilchen und Kräfte nichts anderes als einander überlagernde winzige Schwingungen in der kosmischen Landschaft. Um die zu beschreiben, brauchen sie nicht nur komplexe Eichtheorien und Supersymmetrie, sondern auch einen Raum mit elf Dimensionen. Die mathematischen Gleichungen dafür sind hochelegant. Allerdings erlauben sie eine schier unendliche Vielzahl von Lösungen, genauer: 10.500 »kosmische Landschaften«. Welche davon ist die, in der wir leben? Bisher wissen die String-Theoriker noch nicht einmal, ob eine der Lösungen überhaupt unser Universum korrekt beschreibt. Einige haben sich daher zu einer optimistischen Interpretation durchgerungen - für sie entspricht jede Lösung einem Universum mit jeweils eigenen Naturgesetzen. Allerdings werden wir nie eine dieser Myriaden von anderen Welten besuchen oder auch nur beobachten können.

Die Forschungsreise könnte ein tragikomisches Ende nehmen

Ist das noch Physik oder schon Philosophie? Kann man die Stringtheorie jemals falsifizieren? Darüber streiten die Forscher seit Jahren. Immerhin: Die Hypothese der »Multiversen« würde mit einem Schlag die Willkür beseitigen, die Physiker am Standardmodell stört. Die »freien Parameter« hätten dann einfach den Wert, den sie haben, weil es uns sonst nicht geben würde. Selbst die Dunkle Energie könnte man so erklären.

Es wäre ein tragikomisches Ende der großen Reise zum Südpol. Die einen würden die sich drehende Kompassnadel als Beweis dafür sehen, dass man am Ziel war. Andere würden bis an ihr Lebensende behaupten, bloß auf einer rotierenden Eisscholle auf einem eiskalten See gestanden zu haben. Für sie wäre das Multiversum die ultimative Niederlage ihrer Zunft, die Absage an einen höheren Sinn unserer Existenz. Dass unser ganzes Universum letztlich nichts anderes sein könnte als eines von vielen, eine munter dahinwirbelnde Flocke in einem kosmischen Schneesturm - das wäre nicht nur für Physiker eine ziemlich ernüchternde Erkenntnis.

Aus DIE ZEIT :: 02.10.2013

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