Forschung muss man unterteilen in Grundlagen & Anwendungen. Erstere fragen nicht nach dem Zweck, es geht um Erkenntnisgewinn; letztere haben ein konkretes Ziel, meist merkantiler Natur, vor Augen. Die Grenzen können fließend sein, und was gestern noch reine Grundlagen waren, wird heute industriell genutzt. Beispiele dafür sind Legion. Wer immer die Nützlichkeitsfrage an den Anfang stellt, verliert am Ende. Der sozialistische Ostblock ist ein Beispiel dafür. In meinem Studium hörte ich vom Mathematiker Riemann, der in seinem Habilitationsvortrag 1854 den Riemannschen-Tensor vorstellte, zur Beschreibung „gekrümmter Räume“. Es war pure Erkenntnis, die „völlig nutzlos“ zu sein schien. Es ist das Verdienst von Marcel Grossmann, der sechs Jahrzehnte später erkannte, dass eben diese Riemannsche Geometrie seinem Freund Albert Einstein bei der Formulierung der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) entscheidend weiterhelfen konnte. Unsere heutigen Satelliten-Navigationssysteme hätten ohne Riemann-Geometrie nicht die erforderliche Genauigkeit, denn sie nutzen die ART.
Als Max Planck 1899 sein Wirkungsquantum h einführte, und damit die Quantentheorie einläutete, erkannte er, das er durch eine „spielerische“ Kombination der Naturkonstanten neben einer Elementar-Masse vor allem eine Elementar-Zeit und eine Elementar-Länge erhielt, die man heute Planck-Zeit tPl & Planck-Länge lPl nennt. Das Kuriose war, dass tPl & lPl „unvorstellbare“ Werte hatten: tPl ≈10hoch-43 s bzw. lPl ≈10hoch-35 m und für nichts brauchbar zu sein schienen. [Bem.: Der Quotient lPl / tPl = c, die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit] Planck selbst muss sich wohl auch gewundert haben, denn er publizierte die gefundenen Größen nur so nebenbei in einer Fußnote. Im Verlauf des 20. Jahrhunderts erkannte man immer mehr die fundamentale Bedeutung beider Größen für die Physik.
Die ART gilt im Großen (Universum) wie im Kleinen (Mensch); nur im Umfeld des Menschen rechnet man lieber mit Newton, denn die Mathematik der ART ist viel zu aufwendig. Die ART ist eine streng deterministische Kontinuumstheorie und müsste, so sie denn vollständig ist, bis ins „unendlich Kleine“ gelten. Als die Astronomie ein dynamisches Weltbild mit einem Anfangspunkt, dem sog.
BIG BANG postulierte, ergaben Rückrechnungen, dass im Anfangspunkt unendliche Zustandsgrößen herrschen. Das ist Unsinn, und die ART ist für den BIG BANG selbst nicht brauchbar.
Die zweite große Theorie des 20. Jahrhunderts ist die Quantenmechanik (Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg, u.v.a.). Die ist fürs Kleine (Atom), aber sie ist nicht deterministisch. Aus totaler Exaktheit werden statistische Wahrscheinlichkeiten. Einstein konnte sich damit nie anfreunden. „Gott würfelt nicht“ pflegte er zu sagen und hielt die Quantentheorie für noch nicht vollständig. Er postulierte die Existenz verborgener Parameter, die nie gefunden worden sind und nach heutigem Wissen auch nicht existieren. Erst am Ende seines Lebens hat Einstein in einem Brief an einen Freund eingeräumt, dass die Welt möglicherweise doch nicht deterministisch aufgebaut sei.
[Bem.: Die neue Quantenwelt mit den Heisenbergschen Unschärferelationen wirkte auf gescheite Atheisten wie ein Super-Gau, denn diese haben sofort begriffen, dass jetzt ein Spielraum Gottes möglich erschien. Als Folge durfte in der großen sowjetischen Enzyklopädie die Quantentheorie überhaupt nicht erwähnt werden. Jahrzehnte später musste sich die UDSSR notgedrungen mit Quantenphysik befassen, sie wollte auch in den Besitz der Atombombe gelangen.]
Der „Heilige Gral“ der Physik wäre
eine Theorie, die das
ganze Naturgeschehen beschreibt. Wir sind weit davon entfernt. Vor allem müsste die Einsteinsche ART zu einer Quanten-Gravitation ausgebaut werden. Dafür gibt es kanonische Regeln, die, angewendet, zur sog. Wheeler-de-Witt-Gleichung führen. Für Lösungen dieser Gleichung existiert noch keine Mathematik, von sehr einschränkenden Spezialfällen abgesehen. Und doch kämpft eine wachsende Zahl junger Physiker durch Reduktion auf „sinnvoll“ erscheinende Variablen mit diesem Weg weiterzukommen. Schleifen-Quanten-Gravitation nennt sich diese Disziplin. Beim Rückrechnen zum Ursprung braucht man nicht bei tPl anzuhalten, die o,g. sinnlosen unendlichen Zustandsgrößen treten nicht auf, der Kosmos schrumpft nicht unter die Größe von lPl und weitet sich dann wieder. Man rechnet also tatsächlich in die Zeit vor dem Urknall, der jetzt nicht mehr so heißen kann, sondern ein Rückprall
BIG BOUNCE eines vorher kollabierenden Universums ist. Mein Staunen kann ich kaum beschreiben, als ich das erste Mal das gelesen habe. Wie viel Universen gab es vor unserem? Gab es einen UR-UR-Knall? Oder ist alles gar zyklisch, ohne Anfang & Ende? Solche Gedanken beschleichen einen, und die haben zweifellos theologische Aspekte.
Noch ein Umstand ist revolutionär. Sowohl die ART als auch die ursprüngliche Quantentheorie nehmen eine kontinuierliche Raumzeit an. Das gilt für die Schleifen-Quanten-Gravitation nicht mehr, und die Raumzeit selbst erhält eine „Körnung“ durch Quantelung. Allerdings extrem fein. Die Stufung in der Zeitvariable ist tPl , in den Raumvariablen lPl . Erst jetzt kommt die fundamentale Bedeutung der Planck-Größen für die Physik so richtig zum Vorschein. Wie unvorstellbar klein so ein „Raumkorn“, eine Qubik-Planklänge (lPl)hoch3 ist, möge folgender Vergleich anschaulich machen: In einen Qubik-Millimeter passen 100Millionen mal mehr Raumkörner, als das gesamte sichtbare Universum Qubik-Millimeter hat. Diese unglaubliche Aussage ist sehr leicht nachzurechnen.[Eine Kugel mit einem Radius von 13,7Milliarden Lichtjahren enthält 10hoch88 Qubik-Millimeter; ein Qubik-Millimeter enthält (10hoch32)hoch3 = 10hoch96 Raumkörner] Ich habe schon wieder gestaunt. Kombiniert man "spaßeshalber" beide Zahlen durch Multiplikation, so kommt man zum Ergebnis, dass das sichtbare Universum 10hoch(88+96)=10hoch184 Raumkörner enthält. Wer glaubt, dies sei nun die größte Zahl, die physikalisch sinnvoll ist, irrt gewaltig, wie gleich gezeigt wird.
Die Schleifen-Quanten-Gravitation ist noch jung, sie hat etablierte Wettbewerber, deren weitaus prominentester die Super-String-Theorie (SST) ist. In der SST ist es noch nicht ganz klar wie sie sich am Singularitätspunkt verhält, ewtl mit sinnlosen Zustandsgrößen. Man muss sich mit kleinsten „Fäden“ (Strings) & „Membranen“, der Größenordnung von lPl , „herumschlagen“, die in vielen Dimensionen (9,10 oder 11) schwingen. Dabei wird die Raumzeit kontinuierlich, d.h. ohne Körnung, angenommen. Wo sind denn die überzähligen Dimensionen? Sind sie so klein aufgerollt, dass sie unentdeckt bleiben? Es ist die SST-Mathematik, die nach ihnen verlangt. Beim SST-Modell ist ein Vor-Universum (noch?) unmöglich, aber die SST gestattet eine schier unendlich große Zahl von Möglichkeiten (10hoch500 wird geschätzt) wie sich Universen nach dem BIG BANG bilden können. Hat die Natur durch Zufall alle „durchgespielt“? Gemeint ist, dass jedes Universum mit Naturkonstanten zufälliger Größe ausgestattet worden ist, wobei unseres und vielleicht noch eine Reihe anderer „lebensfähig“ sind, der Rest wieder sofort in sich zusammenbricht. Man hat schon vor einigen Jahren zeigen können, dass unser Universum nur deshalb auf Dauer Bestand hat (sodass sich Leben entwickeln konnte), weil die Naturkonstanten gerade diese Größen haben, die sie haben. Geringste Abweichungen führen zum Kollaps des Universums. Die Naturkonstanten (u.a. Lichtgeschwindigkeit c, Wirkungsquantum h, Gravitation G) sind offenbar sehr fein aufeinander abgestimmt. Ein Rätsel; ein Schöpfungsakt; oder ein Hinweis auf eine übergeordnete allumfassende Theorie? Die Antwort durch die SST lautet klar: Wir sind nicht das Werk eines Schöpfers, sondern ein Zufallsprodukt aus 10hoch500 Möglichkeiten! Die Suche nach einer allumfassenden Theorie, dem o.g. „Heiligen Gral“, die alle Naturkonstanten zwingend vorschreiben würde, ist sinnlos! Ich muss gestehen, dass mir das SST-Szenario mehr Depression als Freude bereitet. Mein Favorit ist es nicht.
Ich habe zwei aussichtsreiche kosmologische Kandidaten genannt. Es gibt noch weitere, aber nur der wird sich durchsetzen, der sich in Experimenten bestätigt. Es klingt unwahrscheinlich, aber man glaubt doch an Möglichkeiten einer experimentellen Prüfung. Von allen Einrichtungen, die in die Vergangenheit blicken, kommt das kürzlich erfolgreich gestartete Raumteleskop PLANCK am nächsten an den BIG BOUNCE heran. Feinste Unregelmäßigkeiten in der Mikrowellen-Hintergrund-Strahlung könnten Entscheidungs-Hinweise geben. Ebenso die immer empfindlicher werdenden Gravitationswellen-Detektoren und auch Ergebnisse im Höchstenergiebereich des LHC im CERN könnten Aussagen enthalten, welches Modell, oder eine Kombination aus verschiedenen, relevant ist. Wenn das zu meinen Lebzeiten noch gelänge, hätte ich einen weiteren großen Grund zum Staunen.
Es gibt auch eine mathematische Erwartung an die kosmologischen Quanten-Kandidaten. Die müssten für wachsende Raumzeiten asymptotisch in die ART übergehen. Martin Bojowald, der nach seiner Promotion an der RWTH-Aachen jetzt an der Penn State University Pennsylvania USA die Details der Schleifen-Quanten-Gravitation ausarbeitet, hofft in einigen Jahren die genannte mathematische Erwartung erfüllen zu können. Damit hätte er gegenüber allen anderen „die Nase vorn“.
Es gibt einen anderen Aspekt, den ich mit zunehmendem Interesse in physikalischen Zeitschriften verfolge. Es ist, lapidar ausgedrückt, die Frage: Wie real ist unsere Realität? Die Quantenmechanik offenbart uns eine Welt, die mit unseren Alltags-Erfahrungen nichts gemein hat, aber sie bewährt sich in Experimenten in der Welt der Atome phantastisch genau. Es ist überliefert, dass Gründungsväter, wie Heisenberg, sich gefragt haben: GOTT, wie hast DU nur diese Welt geschaffen?
„Normalerweise“ ist ein Teilchen da, und durch eine Messung erfahren wir seine Eigenschaften. In der Quantenwelt ist jede Frage nach der Existenz eines Teilchens (oder eines Teilchenpaares, wobei der Partner mit dem ersten Teilchen gekoppelt ist (verschränkt sagt man) ) sinnlos, solange man nicht gemessen hat. Erst die Messung kreiert die Existenz & offenbart durch das Messergebnis auch die Eigenschaft des Teilchens. Und das ganz Unglaubliche: Instant mit der Messung (Zeitverzug Null!) wird das verschränkte Teilchen ebenfalls in die Realität gebracht mit Eigenschaften, die vom Messergebnis des ersten Teilchens abhängen. Dabei geht die räumliche Distanz zwischen dem verschränkten Paar überhaupt nicht ein. „Der Mond ist da, auch wenn keiner hinschaut“, und: „Das wäre eine Spukhafte Fernwirkung, die es bekanntlich nicht gibt“, spottete Einstein (Zu seiner Zeit gab es noch keine Bestätigung für diese durch die Mathematik geforderte Fernwirkung). Folglich schlussfolgerte er: „Die Quantenphysik ist noch unvollständig, verborgene Variable existieren und müssen noch gefunden werden“. Er, ebenfalls ein Gründungsvater, akzeptierte zwar die Leistung der neuen Wissenschaft, nicht aber deren Deutung, wie eingangs schon erwähnt. Berühmt sind die Redeschlachten, die Einstein mit Niels Bohr, dem „Chefideologen“ der sog. ‚Kopenhagener Deutung’ der Quantenwelt auf diversen Solvay-Konferenzen in Brüssel bis 1930 geführt hat. Einstein dachte sich fast täglich Fallstudien aus, die seiner Anschauung folgen, und die Bohrs Deutung wie ein Kartenhaus einstürzen lassen sollten. Bohr konterte und präsentierte oft erst am nächsten Morgen die Lösung. Immer hat Bohr gewonnen. Einstein gab nicht auf. Die schärfste Attacke führte Einstein zusammen mit Podolski & Rosen 1935 in einer Veröffentlichung, die als das EPR-Paradoxon in die Geschichte eingegangen ist, und bis heute die Gemüter bewegt. Bohr hat darauf zwar schnell, aber offenbar nicht tief genug geantwortet. Erst Bohm mit der Interpretation von Bell haben 30 Jahre später das nachgeholt, und es hat weitere 30 Jahre bedurft, ehe der Stein so richtig ins Rollen kam:
Ob Elektromagnetismus, ART oder Quanten, die Physik wird als Nahwirkung gesehen. Man spricht auch: Lokalität gilt in der Physik, allein schon deshalb, weil es keine Wirkung gibt, die sich schneller
als das Licht fortpflanzt, wie es die bewährte Spezielle Relativitätstheorie Einsteins fordert. Nun wurde im raffiniert ausgedachten EPR-Gedankenexperiment gezeigt, dass Quantenmechanik & Lokalität fordert: Es gibt lokale verborgene Parameter. Die Quanten-Mechanik ist daher unvollständig! Einstein drückte es auch so aus. „Weil die Mathematik der Quantenmechanik [verbotene] Fernwirkungen zulässt, ist sie noch unvollständig“.
In einer fundamentalen Arbeit hat der Ire J.S.Bell 1964 gezeigt, dass die von der Quantenmechanik vorausgesagten Beziehungen
nicht durch lokale verborgene Parameter erzeugt werden können. Zusammen mit dem vorhin erwähnten EPR-Argument ergibt sich, dass entweder die Quanten-mechanik falsche Voraussagen macht, oder die Annahme der Lokalität nicht gilt. Das war eine echte Herausforderung. Kein Mensch konnte das lösen, die Natur selbst musste entscheiden. In der Physiker-Gemeinschaft blieb es erstaunlich ruhig. Offenbar ist die Brisanz der Situation von den meisten nicht erkannt worden. Ich habe doch in dieser Zeit studiert bei renommierten Physikern der RWTH. Weder in meinen Mitschriften noch in meinem Gedächtnis findet sich auch nur ein einziger Hinweis zu dieser Problematik.
Ab 1981 hat die Natur in Experimenten von Alain Aspect und inzwischen vielen anderen geantwortet. Die quantenmechanischen Vorhersagen bestätigen sich auf breiter Front. „Spukhafte“ Fernwirkungen existieren, werden auf immer größeren Distanzen inzwischen im Kilometerbereich getestet, und wirken mit mindestens Zehntausend –facher Lichtgeschwindigkeit (wahrscheinlich sogar "instant"). Analoges erlebte die Welt vor 100 Jahren mit den Radioversuchen Marconis. Fazit:
Die Quanten-Mechanik ist nicht lokal. Weder Einstein noch Bohr & Heisenberg hätten das so erwartet.
Da die Quantenwelt die Basis für die ganze Physik ist, ist im Grunde alles nicht lokal. Soll das etwa heißen, dass unsere etablierten Naturgesetze die Welt zwar nützlich beschreiben, aber sie im Wesen nicht erfassen? Die „Erlebnisse“ mit der Quanten-Mechanik werfen die Frage auf: Was ist Realität? Philosophie & Theologie sind davon berührt.
Es ist eine Kopernikanische Wende, die sich da abspielt. Noch gilt die 75 Jahre alte Analyse des Ungarn v. Neumann, nach der die Fernwirkungen nicht zur Informationsübertragung geeignet sind, und daher die Spezielle Relativitätstheorie ihre Gültigkeit behält. Die Physik der Verschränkung ist inzwischen aus den Grundlagen in den Anwendungsbereich gegangen. Für Quantencomputer & Kryptographie. In der Tat, wir erleben eine spannende Phase in der Physik, vielleicht vergleichbar mit dem Beginn des 20. Jahrhunderts?! Es ist überliefert, dass Max Planck, als er den Wunsch äußerte Theoretische Physik zu studieren, entmutigt wurde. „Wozu? Auf diesem Gebiet ist doch fast alles bekannt“. Newton galt, Maxwell kam hinzu, und Boltzmann führte gerade die Thermodynamik auf die Newtonschen Stoßgesetze zurück. Planck hat sich nicht entmutigen lassen, und löste eine wahre Revolution aus.
Wo Grenzen überschritten werden, lauern Überraschungen. Ich bin überzeugt, die Physik hält noch so manches für uns bereit, das uns zum Staunen bringen wird. Nach Thomas von Aquin wird dadurch unsere Sehnsucht nach Wissen immer wieder neu entfacht.
Dr. Georg Linke, Aachen, Ende Mai 2009
