Folge 385 – Suche nach der Weltformel

Heute schon gefasst. Der Podcast. Von Welt der Physik. Die Idee, mit einer einzigen Formel, das gesamte Universum zu beschreiben, ist ebenso verlackend wie utopisch. Dennoch gibt es Physikerinnen und Physiker, die nach einer Weltformel oder im Englischen nach einer Theorie auf Everything, also einer Theorie von allem suchen. Der Name Theorie of Everything, der ist ja durchaus mit einer gewissen, dass man daraus nicht unmittelbar die gesamte Welt wird erklären können. Sagt Alexander Bloom vom Max Planckinstitut für Wissenschaftsgeschichte in Berlin. Was sich Forschende von der Weltformel erhoffen, wie sie nach der Weltformel suchen und welche Schwierigkeiten ihm dabei begegnen, wird die jetzt in einem Beitrag von Kim Hermann, gesprochen von Ulrike Kattfer. Die Physik bietet eine große Bandbreite an Theorien, mit denen sich die unterschiedlichsten Phänomene beschreiben lassen. Den elektrischen Strom erklären wir mit der Elektrizitätsleere, die Bewegungen von Planeten mit der allgemeinen Relativitätstheorie und die Vorgänge in Atomen mit Hilfe der Quantenphysik. Doch einige Physikerinnen und Physiker träumen davon, eine große, übergördene Theorie zu finden, die alle Phänomene, die wir im Universum beobachten, miteinander vereint. Diesen Wunsch nach Vereinheitlichung kann man durchaus auch als ein Rückbesinn auf ein goldenes Zeitalter verstehen, wo es eben diese Vielfalt noch nicht gab. Denn als die Physik als eigenständige Naturwissenschaft im 17. Jahrhundert ihren Anfang nahm, herrschtet zunächst die Überzeugung, dass sich alle physikalischen Phänomene auf ein und dasselbe Prinzip zurückführen lassen. Da ist die Vorstellung nicht, dass es viele verschiedene Kräfte gibt, sondern dass alle Kräfte sich letztlich reduzieren lassen auf mechanische Stöße zwischen Atomen, alle Veränderungen, die wir heute vielleicht Kräften zuschreiben, wenn oder Kraftfeldern entstanden, nur durch Koalitionen von Materie. Doch schon gegen Ende des 17. Jahrhunderts änderte sich dieses Bild, vor allem durch den britischen Naturforscher Isaac Newton. Newton sagt, die Schwerkraft, die stelle ich mir jetzt eben nicht vor, dass die durch unmittelbarer Aufnander treffen von materiellen Teilchen geschieht, sondern das ist eine Fernwirkung, die über astronomische Entfernung, die Bewegung der Erde beeinflusst. Obwohl zumindest kein offensichtlicher Materie-Reträger dieser Kraft da ist. Neben der Schwerkraft gibt es in Newton's Vorstellung noch viele weitere Kräfte, die alle unterschiedlich wirken. Also Newton spricht z.B. von Elektrizität und Magnetismus, aber er spricht mich auch von Kohesionskräften, wie überhaupt die Gegenstände zusammenhalten und nicht auseinanderfallen. Er spricht von einer Fermentationskraft, was also die Kraft ist, die Veränderung in Organismen bewirkt. Also er hat da schon die Vorstellung davon, dass es mich eine Vielfalt von Kräften gibt, die in der Natur wirken. Im 19. Jahrhundert gab es dann einen weiteren wichtigen historischen Moment für die Physik. Es gelang forschenden, die elektrische Kraft und die magnetische Kraft zusammenzufassen. Durch diese Vereinheitlichung wurden sie als Aspekte der selben Kraft aufgefasst, der elektromagnetischen Kraft. Damit lesen sich zahlreiche Phänomene, die scheinbar nichts miteinander zu tun hatten, durch ein und dieselbe Kraft beschreiben. Und auch andere Kräfte, wie etwa Reibungs- oder Druckkräfte, ließen sich auf die elektromagnetische Wechselwirkung kleinster Materieteilchen zurückführen. Nur die Schwerkraft blieb weiterhin außen vor. Zwar entwickelte Albert Einstein zu Beginn des 20. Jahrhunderts die allgemeine Relativitätstheorie, mit der sich die Schwerkraft noch viel genauer beschreiben ließ als mit Newtonstheorie. Doch auch die allgemeine Relativitätstheorie ließ sich nicht mit der elektromagnetischen Kraft verbinden. Und so träumte auch Einstein von einer Vereinheitlichung der Kräfte. Die letzten 30 Jahre seines Lebens, also 1959, gestorben, hat er damit verbracht, nach einer Vereinheitlichen Feldtheorie, dieses Hieses bei ihm zu suchen. Eine Theorie, die sowohl die Schwerkraft mit der elektromagnetischen Kraft vereinheitlichen sollte, und gleichzeitig auch noch eine Vereinheitlichung von Kraftfeldern und Materieteilchen ermöglichen sollte. Doch schlussendlich scheiterte Einstein an dem Versuch. Und der Beginn der modernen Physik brachte noch weitere Überraschungen mit sich. Im Lauf des 20. Jahrhunderts wurden nämlich noch zwei weitere Kräfte entdeckt, die sich weder aus der elektromagnetischen Kraft noch aus der Schwerkraft ableiten ließen. Die sogenannte "Stärke" und die schwache Wechselwirkung. Diese Kräfte wirken im Inneren von Atomen und blieben daher so lange unentdeckt. Und diese Kräfte verkomplizierten den Versuch der Vereinheitlichung aller Kräfte enorm, denn nun galt es, vier unterschiedliche Kräfte in einer Theorie zusammenzufassen. Auch der Physiker Werner Heisenberg wagt einen Versuch. Im Jahr 1958 stellte er eine Gleichung vor, die das Verhalten aller Elementateichen, also der kleinsten Bausteine der Materie beschreiben sollte. Daraufhin verkündete die Presse euphorisch Heisenberg habe die Weltformel entdeckt. Und man kann auch durchaus sagen, dass diese Verwendung von Weltformen dadurch aus zutreffen, beitet eben diese eine knappe Formel, die sich eben auch an die Wand projezieren ließen und wirklich auch in Zeitungen, so als als ikkone Spieder geben ließ. Aber es war damals eigentlich schon klar, dass sowas angesichts der vielfältigen Phänomene in der Supnuclearenwelt, dass so eine einfache Formel ein bisschen unterkomplex war. Und tatsächlich zeigten damals neue Experimente sehr schnell, dass Heisenbergs Formel nicht stimmen konnte und die Welt der Elementateilchen viel komplexer ist, als es sich der Physiker vorgestellt hatte. Ein wichtiger Schritt gelang schließlich in den 1970er Jahren, als das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik entwickelt wurde. Mit diesem Modell lassen sich sowohl das Verhalten der Elementateilchen als auch die Kräfte, die zwischen ihnen wirken, bis auf zahnreiche Nachkommerstellen extrem genau beschreiben. Im Standardmodell der Teilchenphysik hatten man drei grundlegende Kräfte, den Elektromagnetismus und die Stärke und die schwacher Kernkraft. Doch um eine Weltformel handelt es sich bei dem Standardmodell nicht, denn die vierte Grundkraft, also die Gravitation, ist nicht Teil des Modells. Stattdessen werden mit dem Standardmodell Vorgänger auf sehr kleinen Skalen beschrieben, wie etwa im Inneren von Atomen. Dort spielen vor allem Effekte der Quantenphysik eine zentrale Rolle, die dazu führen, dass sich kleinste Teilchen völlig anders verhalten, als wir es von Objekten aus unserem Alltag gewohnt sind. Die allgemeine Relativitätstheorie, also die vierte Grundkraft, beschreibt hingegen Prozesse auf einer ganz anderen größten Skala. Ist eine klassische Theorie, die auf markroskopischen Skalen funktioniert, also auf Lengensgalen, die eben von unserer Alltagswelt reichen, wo sie den freien Fall von Gegenständen auf der Erde beschreibt, bis hin zum Collapse von massiven Sternen. Und im Ergebnis stellt es kein Problem dar, dass sich die Gravitation nicht mit dem Standardmodell der Teilchenphysik beschreiben lässt. Denn die Gravitationskraft zwischen Atomen oder noch kleineren Teilchen ist sehr schwach und im Vergleich zu den anderen Dreikräften tatsächlich vernachlässigbar. Aber wenn man zwei Elementarteichen immer, immer, immer näher aufeinander bringen würde, dann würde man irgendwann den Punkt erreichen, wo die Schwerkraft von der gleichen Größenordnung ist, wie die elektromagnetische Kraft, wo denn die schwer kräfte relevant werden würde. Physikerinnen und Physiker gehen davon aus, dass in diesem Fall, also wenn zwei Elementarteilchen ganz nah aneinander gebracht werden, dann auch Quanteneffekte der Gravitation auftauchen würden. Doch wie diese aussehen könnten, ist völlig unklar. Einerseits gibt es bisher keine Theorie, die diese Effekte beschreibt. Das wäre dann eine Theorie der sogenannten Quanten Gravitation. Und andererseits fehlen bislang noch Experimentellen. Hinweise auf die Quantengravitation. Denn um Elementarteilchen so nah aneinander zu bringen, dass die Schwerkraft ähnlich stark wird, wie die elektromagnetische Kraft, ist extrem viel energieerforderlich. Viel mehr als aktuell mit Teilchenbeschleunigern erreicht werden kann. Und auch andere Bereiche, in denen Effekte der Quantengravitation eine Rolle spielen könnten, entziehen sich unserer Beobachtung. Das wären zum einen Prozesse im Inneren von Schwarzen löchern und zum anderen während des Urknals. Auch das hat ja was mit kleinsten Längsgalen zu tun in dem Schwarzen Loch. Der wird die Materie auf aller kleinsten Längsgalen komprimiert, genauso im Urknal. Wenn wir uns in die Werfen zurückgefolgen, das wird immer dichter und immer immer kleiner. Also wenn haben wir es da wieder auch für, damit der Schwerkraft kleinsten Längsgalen zu tun, auch da sind wir eben sehr eingeschränkt, was unsere Beobachtung angeht. Also wir haben einfach astronomisch wieder auf das ganz frühe Universum, noch auf das Innere von Schwarzen Löchern einen klaren Zugriff. Somit gibt es bislang keine Experimente oder Beobachtungsdaten, die bei der Suche nach einer Theorie der Quantengravitation helfen könnten. Doch Physikerinnen und Physiker sind sich einig, um bei der Suche nach einer Weltformel weiterzukommen. Braucht es eine Theorie, um die Schwerkraft auf ganz kleinen Längsgalen zu beschreiben? Insofern muss man da sehr, sehr viel Kreativität reinstecken, was eben auch einige Experientatoren und Experientatoren durch das Versuchen, da irgendwie der Quantengravitation Experimentell H-Paf zu werden, aber quasi der Ort, wo wir intuitiv nach physikalischen Effekten der Quantengravitation suchen, der ist uns erst mal verwert. So liegt es vor allem an den theoretischen Physikerinnen und Physikern eine Theorie der Quantengravitation zu entwickeln. Dafür gibt es zahlreiche verschiedene Ansätze. Der berühmtes Ansatz ist da die Stringtheorie, die eben von einem, also ausgen von einem anderen Ansatz ausgehend, dass wir die Punktteilchen der Teilchenphysik ersetzen mit eindimensionalen Strings, die dann eben auch in einer höher-dimensionalen Raumzeit sich bewegen und daraus eine Theorie konstruiert, bei der sich dann wie von selbst die Gravitation und idealerweise eben auch die anderen Kräfte ergeben. In den 1980er Jahren löste die Stringtheorie einen regelrechten Heip unter ihren Anhängerinnen und Anhängern aus. Da hat man nämlich in der Stringtheorie gehofft, dass man eben nicht nur eine Theorie der Quantengravitation erhalten könnte, sondern dass man auch das gesamte Stand-Ammo-Dateichenphysik aus der Stringtheorie wird ableiten können, mit genauer Beschreibung der zwei Kernkräfte und elektrononomischen Kraft. Doch diese Hoffnung platzte, da es letztlich nicht gelangen, das Standardmodell mit Hilfe der Stringtheorie genau zu rekonstruieren und vorher sagen für Experimente zu treffen. Und auch bis heute ist das mit keinem anderen Ansatz gelungen. Die verschiedenen Ansätze machen der alle auch Schritt verschritt, also fortschrittene, um also die matematischen Komplexitäten in ihrem jeweiligen Ansatz aus dem Weg zu räumen. Aber das große Problem ist, also zumindest ist es meine Meinung, dass ganz unklaiss, wann man eigentlich wirklich fertig ist. Denn wie kann man wissen, dass man die richtige Theorie gefunden hat, wenn sie sich nicht mit Experimenten überprüfen lässt? Gerade eben dann in einer Forschungslandschaft, wo es viele verschiedene Ansätze gibt, die alle ja miteinander auch durchaus auch um Forschungsgelder und Stellen und Anerkennung ringen, ist es wirklich eine große Herausforderung, da irgendwie Kriterien zu benennen, auf die sich alle einigen können, wo man sagt, wenn man disk geschafft haben, haben wir eine Weltformel. Da sind wir immer sehr weit davon entfernt, so ein Kriterien zu haben. Ein überraschender Durchbruch ist natürlich immer möglich. Doch wie er aussehen könnte und wann er geschieht, lässt sich schwer vorhersagen. Und längst nicht alle sind davon überzeugt, dass sich die Suche nach einer Weltformel überhaupt lohnt. Ich würde sagen, es herrscht ein breiter Konsens, also außerhalb der Teilchen für Sekunden aller Relativitätstheorie, dass die Teilchen für Musik nicht ganz fertig ist und die Grafikation da irgendwie auch mit rein gehört und eine quantere Grafikation, also dass es so etwas in der Welt irgendwie gibt, in welcher Form auch immer. Da sind die Leute eigentlich einig. Ich würde sagen, die Frage ist eher wozu sowas gut ist. Einer der bekanntesten Kritiker der Weltformel war der Festkörper Physiker und Nobelpreisträger Philip Anderson. Und der hat da sehr wehement dafür argumentiert zu sagen, die Theory of Everything, ja ist wegen der Theory of Nothing, damit lässt sich ja letztlich nichts Neues erklären, was wir nicht schon erklären können. Wenn es in der Physik darum geht, Sachen zu erklären, dann sollten wir uns lieber auf die Festkörper Physikkunst nehmen, wo es ständig neue Phänomene gibt, die wir irgendwie erklären müssen. Und bei mehr Klären von neuen Phänomenen aus der Festkörper Physik wird die Weltformel nicht helfen. Denn auch unabhängig davon, wie viele neue Erkenntnisse man sich nun von einer Weltformel erhofft, ist allen klar, selbst wenn man die Weltformel eines Tages entdecken würde. Könnten wir mit ihr nicht plötzlich die gesamte Welt erklären? Man weiß, dass so eine Theorie die Welt nicht vollständig würde erklären können, weil ja schon bei den Theorien, die wir heute haben, bei den mikroskopischen Theorien, man nicht in der Lage ist, die zu komplexeren Systemen hoch zu extrapolieren. Also ab und zu mal schafft man es ja so einen Schritt hoch. Also zum Beispiel als die Quantenmechanik, im Standen ist in den 20 Jahren warm, in der Lage zumindest eine, in groben Zügen eine Theorie der chemischen Bindung zu liefern. Die Physik sich quasi eine Stufe hochbewegt in die Chemie. Aber selbst da war man natürlich nicht in der Lage irgendwie, die Quantenmechanische Wellenfunktionen für komplexe Molekühle aufzustellen und dann schon gar nicht, wenn diese Molekühle irgendwie in Bioorganismen waren oder sowas. Also das ist ganz klar, dass da einfach die Komplexität der Welt so groß ist, dass wir nicht in der Lage sind, diese Komplexität der Welt durch mikroskopische Theorien zu reproduzieren. Dennoch hoffen einige Personen mit einer Weltformel nicht nur neue Erkenntnisse über die Welt der kleinsten Teilchen zu gewinnen, sondern auch über die Rolle des Menschen im Universum. Das beginnt mit der Frage, was genau bei einer Messung eines Quantenmechanischen Teilchens passiert und welche Rolle dabei die beobachtende Person hat. Also da gab es immer wieder diese Ideen, dass da irgendwie der menschliche Blick auf die Welt, der menschliche Geister irgendwie eine Rolle spielt und dass wir hier bei einer Weltformel nochmal weitere Einblicke gewinnen könnten, in die Rolle, sagen wir mal, des Bewusstseins oder die Rolle zumindest komplexer biologischer Systeme. Denn Phänomene wie etwa das menschliche Bewusstsein tauchen in den Theorien, mit denen wir die mikroskopische Welt beschreiben, bislang überhaupt nicht auf und scheinen dort auch nicht vorhanden zu sein. Entweder diese Dinge, die wir für Genuine, neu und wichtig halten sind letztlich irgendwie Illusionen, Leben und Bewusstsein ist halt doch nur Bewegung von mikroskopischen Teilchen. Man kann sagen, irgendwie entsteht in großen komplexen Systemen etwas Genuine Neues, die Immergens, dass wir einfach nicht einfangen können in der mikroskopischen Physik oder es gibt eben in der mikroskopischen Physik noch irgendein extra Geheimnis verbogen, mit dem wir dann diesen Fragen von Leben und Bewusstsein auf die Spur kommen können. Aber welches von den drei es ist oder ob es noch eine vierte Möglichkeit gibt, ist halt letztlich philosophische Geschmacksache. Wenn ihr euch für philosophische und historische Aspekte von Physik interessiert und noch mehr über die Suche nach der Weltformel erfahren wollt, schaut auf unserem neuen YouTube-Kanal vorbei. Im aktuellen Video erhaltet ihr Einblicke in die hitzigen Debatten zwischen Werner Heisenberg und Wolfgang Pauli und erfahrt, was es mit den String Wars auf sich hat. Den Link dazu findet ihr in den Show Notes. Ein Beitrag von Kim Hermann, gesprochen von Ulrike Kappfer. Aufnahme? Das für Spielstudio Kreuzberg. Tonbearbeitung und Schnitt Elias Mkin. Redaktion, Welt der Physik. Welt der Physik wird herausgegeben vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt und von der deutschen physikalischen Gesellschaft. (upbeat music)