NATURKONSTANTEN – EINE GEFÄHRLICHE LIEBSCHAFT

Heute muss ich Ihnen noch ein paar Illusionen über Naturkonstanten rauben. Ich bin ein echter Naturwissenschaftler und das ist auch schon das Problem: Man kann sich nicht damit zufriedengeben, Zahlen von der Natur „serviert“ zu bekommen, die nicht weiter begründet sind. Ein Naturwissenschaftler will sie verstehen, letztlich berechnen.

Klingt logisch? Ja, finde ich auch. Die Liebhaber der Naturkonstanten sehen das aber scheinbar anders.

Die Liebe zu Naturkonstanten

Über den Sinn und Unsinn von Naturkonstanten – von nicht berechenbaren, willkürlichen Zahlen – diskutierte bereits Albert Einstein in einem Briefwechsel mit der Philosophie-Doktorandin Ilse Rosenthal-Schneider (nein, mit ihr hatte er keine Affäre):

„Ich kann mir keine einheitliche und vernünftige Theorie vorstellen, die explizit eine Zahl enthält, welche die Laune des Schöpfers ebenso gut anders hätte wählen können.“

Sie können Einsteins Aussage auch so formulieren: Warum sollte die Natur einer x-beliebigen Zahl eine besondere Bedeutung zuordnen? Das wäre ja wie in der Liebe: Dich unter den Millionen anderen Menschen finde ich toll, einfach darum. Offensichtlich wäre dies irrationales Denken, das Einstein zuwider war.

Und damit war er nicht allein: Alle großen Physiker sahen die Notwendigkeit, die Liebe zu solchen Zahlenwerten zu hinterfragen. Paul Dirac verachtete geradezu alle Versuche, das Rätsel unter den Tisch zu kehren. Oft fragte er junge Theoretiker, die ihn mit neuen Ideen aufsuchten, nach dem Ursprung der Feinstrukturkonstante – nur eines von mehreren Beispielen für solch zufällige Naturkonstanten. Hatten die Nachwuchswissenschaftler sich damit noch nicht beschäftigt, schickte er sie konsequent – und reichlich lieblos – nach Hause.

Und auch Richard Feynman, Nobelpreisträger von 1965 und unangefochtene Ikone der Nachkriegsphysik, schrieb noch 1985 in seinem Buch QED: The Strange Theory of Light and Matter über denselben Fall von Naturkonstanten: „Alle guten theoretischen Physiker schreiben sich diese Zahl an die Wand und grübeln darüber nach.“

Ein schlechter Tag für Zeus

Das mag in Ihren Ohren nun reichlich anstrengend klingen. Sich nie ganz auf die Liebe zu Naturkonstanten einzulassen, stets weiter darüber nachzugrübeln, andere Ansätze zu suchen. Doch genau das macht Wissenschaft letzten Endes aus. Ein Akzeptieren von unerklärten Zahlen als „Naturkonstanten“ wäre eine Regression in vorwissenschaftliches Denken, im Grunde nicht weit entfernt von antiken Völkern, die unerklärte Phänomene den Launen der Götter zuordneten. Ein Blitz? Oooh Zeus muss heute einen schlechten Tag haben! Vielleicht hat er sich mit seiner Hera gestritten?

Dabei würde ich mir wünschen, dass Zeus wirklich mal einen richtig miesen Tag hat. Nämlich den Tag, an dem ein paar mehr Physiker kapieren, dass es ihre Aufgabe ist, den Blitz hinter Zeus zu erklären, nicht nur zu beschreiben.

Niemand mit wachem Verstand wird sich endgültig mit der Vorstellung abfinden, die Natur habe uns mit Zahlen der Art 137,035999… beglücken wollen, die prinzipiell nicht zu berechnen sind. Von diesen Prinzipien der Denkökonomie hat die gegenwärtige liebesblinde Physik jedoch leider ziemlich Abschied genommen.

Naturkonstanten, ich mach’ Schluss!

Die traurige Wahrheit ist nämlich, dass die Standardmodelle der Teilchenphysik und der Kosmologie heutzutage geradezu verknallt sind in Naturkonstanten. Dutzende (!) von unerklärten Zahlen werden darin schlicht akzeptiert – und bei all der Liebe auch noch sorgsam aufgebläht mit unerklärlichen Phänomenen wie der dunklen Materie, der dunklen Energie oder der „Inflation“. Zum Verständnis in der Wissenschaft tragen diese Konzepte allerdings allesamt nicht wirklich bei. Höchstens eben zur rosaroten Brille, mit der sich die Forscher alles schön zurechtbiegen …

Elementare Logik legt unter diesen Umständen den Verdacht nahe, dass wir eben etwas noch nicht kapiert haben – und es wäre wohl auch unangebrachte Hybris, diese Möglichkeit auszuschließen. Manche Liebesbeziehungen nehmen eben auch einmal ein Ende. Und ganz ehrlich, liebe Naturkonstanten, so richtig geklappt hat es zwischen uns doch schon länger nicht mehr, oder?

EHRGEIZ KOMMT VOR DEM FALL

Ein Team mit viel Ambitionen und zu Beginn meist wilde Ratespielchen, was der Patient denn nun haben könnte. Und ein mürrischer Arzt, der seinen Patienten oft nicht einmal zu Gesicht bekommt und schwerwiegende Krankheiten aus seinem Büro heraus diagnostiziert – anhand der Symptome, die auf einem Flipchart stehen. Dr. Gregory House, gespielt von Hugh Laurie, und sein Ärzteteam sind alle so ehrgeizig bei der Diagnose und Behandlung, dass Sie den Wald vor lauter Bäumen nicht mehr sehen oder eben Bäume, wo überhaupt gar keine sind. Und trotzdem: House ist berühmt und eine Koryphäe auf seinem Gebiet.

Ehrgeiz durchzieht das ganze Leben: Wirtschaftsunternehmen wollen den größten Umsatz machen, Sportler Weltrekorde erzielen, Banken den größten Gewinn machen. Auch die Physik ist – leider – auf diesem Weg.

Der Versuch einer Entdeckung

Die Gesellschaft für Schwerionenforschung darf sich rühmen, immerhin 6 der 118 bisher bekannten chemischen Elemente entdeckt zu haben. Diese großen Erfolge wurden erreicht, indem die Forscher in einem Beschleuniger mit Kernteilchen auf schwere Atomkerne schossen.

Dabei entstanden durch Verschmelzung die besagten neuen Kerne und sie konnten sogar auf die Entdeckung ganz neuer Elementarteilchen hoffen. Genau das schien sich 1983 anzubahnen: Hinweise darauf gaben kurzzeitig entstandene Positronen, Antiteilchen des Elektrons mit umgekehrter Ladung. Diese Elektron-Positron-Paare entstehen durch Erzeugung von Materie aus bloßer Energie nach der Einsteinschen Formel E = mc². Diese neuen Teilchen hoffte das Forschungsteam nun mit sogenannten „Positronenlinien“ nachzuweisen, weshalb darauf nun alle Anstrengungen konzentriert wurden.

Kurzfristiger Ruhm

Mit Erfolg. Man fand die Linien mit einer Signifikanz, die über 99,9999 Prozent Wahrscheinlichkeit entsprach, so dass das Phänomen praktisch kein Zufall mehr sein konnte.

Die Theoretiker waren elektrisiert. Der Nachweis der Positronenlinien wäre sensationell und ein Kandidat für den Nobelpreis gewesen, von dem der Forschungsgruppenleiter, Autor eines ganzen Regalmeters von Lehrbüchern, bald träumte. Nach wie vor zeigte sich das Experiment jedoch kapriziös. In manchen Zusammenstößen waren die rätselhaften Signale einfach nicht zu sehen, was man auf ein ‚schlechtes Target‘ zurückführte, also auf einen unter Beschuss genommenen Atomkern, der irgendwie nicht so wollte. Solche Erklärungen häuften sich.

Ein neuer Direktor gab der Gruppe schließlich ein halbes Jahr Zeit, um die Sache endgültig zu klären. Aber mit einem verbesserten Versuchsaufbau war plötzlich gar nichts mehr zu sehen. Die Seifenblase war endgültig geplatzt.

Blickverengung durch zu viel Ehrgeiz

Berufsrisiko der Wissenschaft, könnten Sie jetzt sagen. Das mag sein. Ich denke jedoch, der Ehrgeiz war schuld. Und auch der Philosoph Ludwig Wittgenstein sah das wohl ähnlich mit seinem boshaften, aber sehr wahren Zitat: Ehrgeiz ist der Tod des Denkens.

Nun möchte ich der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt nicht unterstellen, dass sie 1983 Ratespielchen betrieb oder zu ehrgeizig war. Das muss man als Wissenschaftler schon auch sein, um Erfolge zu erzielen. Doch die ersten Hinweise machten die Forscher so euphorisch, dass sie in immer kleineren Teilmengen der Daten suchten. Diese waren als interessant ausgewählt worden, eben weil man dort das neue Phänomen sah.

Aber im Ergebnis war es leider eine gruppendynamisch verstärkte Selbsttäuschung. Zehn Jahre Forschungsarbeit umsonst. Eine entsprechende Katerstimmung machte sich breit.

Ob Dr. House oder Physik – wenn Sie vermeintlich interessante Daten herausfiltern, können Sie Effekte beeinflussen, aber eben auch Artefakte verstärken. Und sich damit selbst foppen. Also Vorsicht beim allzu ehrgeizigen „Herumdoktern“ an wissenschaftlichen Versuchsreihen …

IM DUNKELN IST GUT MUNKELN

Die Physik könnte ruhig ein bisschen Poesie vertragen. Warum? Weil schon Johann Wolfgang von Goethe wahre Worte gesprochen hat, die von mir aus gerne in die Bildungs- und Forschungseinrichtungen weitergetragen werden können:

„Und denn, man muß das Wahre immer wiederholen, weil auch der Irrtum um uns her immer wieder gepredigt wird, und zwar nicht von einzelnen, sondern von der Masse. In Zeitungen und Enzyklopädien, auf Schulen und Universitäten, überall ist der Irrtum oben auf, und es ist ihm wohl und behaglich, im Gefühl der Majorität, die auf seiner Seite ist.“

Also wirklich: Auch die Physik könnte sich diese Weisheit Goethes zu Herzen nehmen.

Verrückt, verrückter, Nobelpreis

Denn was passiert, wenn die Masse der Menschheit die Wahrheit wiederholt, konnten wir in diesem Jahrhundert schon beobachten. Sie erinnern sich sicher: Der Nobelpreis für Physik 2011 wurde vergeben für die Beobachtung, dass sich die Expansion des Weltalls mit der Zeit beschleunigt. 1998 zeigte sich, dass die Expansion des Universums heute schneller abzulaufen schien als früher. Für diese Entdeckung und die dazugehörige raffinierte Methode teilten sich zwei Beobachtergruppen, die sich ein spannendes Wettrennen um entfernte Supernovae geliefert hatten, den Nobelpreis für Physik, durchaus zu Recht.

Angeblich erschien diese Erkenntnis den Forschern anfangs so verrückt, dass sie sie selbst nicht glauben konnten. Die Ursache der kosmischen Beschleunigung, nämlich die Dunkle Energie, gilt als vollkommen unverstanden. Wenn man es genau nimmt, handelt es sich eigentlich um eine Anomalie, die Zweifel an dem herkömmlichen Modell der Expansion nährt. Aber wirklich das ganze Modell in Zweifel ziehen? Dann doch lieber eine Reparatur …

Keine Abwehrkräfte

Die ganz große Überraschung, als die die beschleunigte Expansion heute gerne dargestellt wird, war sie im Übrigen gar nicht. Denn jeder wusste, dass die vorherigen Messungen der Hubble-Konstante nur dann ein Weltalter von 14 Milliarden Jahren ergaben, wenn man die momentane Expansionsgeschwindigkeit einfach in die Vergangenheit zurückextrapolierte – so, als gäbe es keine Wirkung der Gravitation. Das ist doch verdächtig. Finden Sie nicht auch?

Die Einführung der Dunklen Energie, die zur Erklärung dieser Beschleunigung herangezogen wurde, erhöhte die Gesamtmasse des Universums um ein Vielfaches. Nun ja, die Abwehrkräfte gegen die Verbreitung dunkler Theorien (vorher war ja schon die Dunkle Materie postuliert worden) in der Physik sind vielleicht nicht mehr so stark, wie sie mal waren. Ist ja auch klar: Im Dunkeln ist eben gut munkeln – leider auch in der Wissenschaft. Oder wie Erwin Schrödinger einst so schön sagte: „Ist das Problem erst mal durch eine Ausrede beseitigt, entfällt auch die Notwendigkeit, darüber nachzudenken.“

Immer mehr Dunkelheiten

Die dunkle Energie soll angeblich eine der Gravitation entgegengesetzte Wirkung haben. Newton wäre davon sicher nicht begeistert gewesen, dass nun 70 % des Weltalls abstoßend sein sollen und 95 % gleich ganz unsichtbar – eigentlich absurd. Daher ist für mich die Idee viel näherliegend, dass die Expansion selbst eine Illusion ist (und damit auch die Dunkle Energie) – siehe Kapitel 10 meines Buches „Einsteins verlorener Schlüssel: Warum wir die beste Idee des 20. Jahrhunderts übersehen haben“.

Die Verfechter der Standard-Kosmologie sind mit der Dunklen Energie dagegen zufrieden. Fragen Sie jetzt aber bitte nicht, wieso genau so viel dunkle Energie im Universum ist, dass sich ihr Effekt exakt zum gewünschten Verhältnis mit dem der Gravitation aufhebt. Das ist bisher völlig im Dunkeln geblieben.

Die dunkle Seite des Alls ist in den letzten Jahren erstaunlich groß geworden. Und die Theorien dazu sind noch dunkler als ihr Gegenstand. Da könnte ich glatt glauben, Darth Vader hat zurückgeschlagen.

WENN DIE PHYSIK ZUR SÜSSIGKEITENSCHACHTEL WIRD

Sie kennen doch sicherlich M&M’s und Smarties. Diese Schokolinsen, die mit bunten Zuckerüberzug daherkommen und von denen manche behaupten, sie könnten den Unterschied in der Farbe schmecken. Ganz ähnlich wie eine Packung M&M’s kommt mir die Physik manchmal vor – jedenfalls dann, wenn es um Quarks geht.

Quarks – ist das was zum Essen?

Die Welt der Quarks ist bunter als die der M&M’s – und fast ebenso beliebig. Es gibt sie in drei Farben: rot, grün und blau. Und in sechs Geschmacksrichtungen: up, down, strange, bottom, top und charm. Und Überraschung: Laut Teilchenphysikern können Sie die bunten Teilchen sogar essen. Sie kommen sogar gar nicht umhin, sie zu essen. Denn Quarks sind angeblich – neben weiteren Teilchen – die grundlegenden Bausteine, aus denen Materie aufgebaut ist. Mhm, lecker.

Eines stößt mir aber sauer auf: Diese kulinarischen Köstlichkeiten wurden nicht durch Experimente entdeckt wie beispielsweise die Elektronen oder der Atomkern. Die Evidenz für Quarks ist viel „indirekter“, kurz gesagt: Physiker haben ihre Existenz einfach angenommen.

Nicht erklärbar? Das muss ein Teilchen sein.

Der Hochenergiephysiker und Wissenschaftshistoriker Andrew Pickering berichtet davon detailliert in seinem großartigen Buch „Constructing Quarks“. Das Muster ist immer das gleiche: Beobachten die Teilchenphysiker in ihren Experimenten etwas, das sie nicht erklären können, postulieren Sie ein Teilchen, dass genau die Eigenschaften hat, die die Lücke füllen. Ist ja prima …

Diesem Beispiel folgen die “modernen“ Forscher seit Jahrzehnten, was unter anderem zu Geschmacklosigkeiten wie den Quarks mit ihren unüberschaubar vielen Varianten und bizarren Eigenschaften führte. Stellen sie sich vor: „Teilchen“, die nie als solche einzeln vorkommen. Demokrit hätte sich im Grab umgedreht. Weil Pickerings Buch den Finger in solche Wunden legt, versteht man, warum es unter Teilchenphysikern recht unbeliebt ist.

Schlank und einfach statt bunte Vielfalt

Ich finde ja: Die Physik sollte die Produktion bunter Vielfalt doch besser den Süßigkeitenproduzenten überlassen und sich lieber darauf konzentrieren, ihre Modelle schlank und einfach – und vor allem: nachprüfbar – zu gestalten. Aber davon sind sie leider weit entfernt.

David Gross, der 2004 einen Nobelpreis für seine Arbeit an dem Quarkmodell erhielt, verließ ein Interview mit mir auch leicht angesäuert, als das Thema auf Pickerings Buch kam – vielleicht hätte ich ein paar M&M’s mitbringen sollen?

WENIGER IST MEHR – AUCH IN DER PHYSIK

Kosmologische Theorien werden immer dicker. Lässt sich eine Theorie nicht glaubhaft erklären, erdenken die Forscher einfach irgendwelche Hilfsmittelchen, die ihre Theorie plötzlich stimmig macht. Ein weiteres unnötiges Pfund auf der Waage.

Viele Physiker und Kosmologen bedienen sich bis heute dieser Methode: Wenn eine Theorie noch nicht schlüssig ist, einfach eine Konstante, ein unentdecktes Teilchen oder Ähnliches dazuerfinden, um das Problem zu lösen – ganz egal, ob es sich nachweisen lässt oder nicht.

Wenn Sie einmal genau hinschauen, beging die erste Sünde dieser Art schon Sir Isaac Newton, als er im Rahmen des Gravitationsgesetzes die Anziehungskraft zweier Körper beschrieb. Denn um seine Berechnung der Gravitationskraft stimmig zu machen, musste er die Gravitationskonstante. postulieren. Das ist ein fester Zahlenwert, der durch die Theorie jedoch nicht erklärt werden kann. Newtons Leistung bleibt trotzdem phänomenal – aber aus methodischer Perspektive ist eigentlich schon die Konstante G eine zu viel.

Schlankheitskur für das Gravitationsgesetz

Ich schlage da etwas anderes vor: eine radikale Schlankheitskur für die Theorien der Physik.

Ernst Mach hatte beispielsweise einen Einfall, wie das Gravitationsgesetz etwas abspecken könnte: Wenn die Stärke der Gravitationskraft von der Gesamtmasse des Universums abhinge, würde die Gravitationskonstante überflüssig, weil es dann eine Erklärung für den Wert gäbe, der hinter dieser Zahl steckt. Leider war Mach seiner Zeit so weit voraus, dass niemand die Idee schätzte.

Außerdem braucht es noch eine weitere Voraussetzung: Die Lichtgeschwindigkeit müsste veränderlich sein. Was die Gravitation mit der Lichtgeschwindigkeit zu tun hat? Machen Sie dazu einen Ausflug in die 60er Jahre, als der amerikanische Astrophysiker Robert Dicke die geniale Idee Machs aufgriff und endlich in einer Formel ausdrückte: Die Summe aller Gravitationspotenziale des Universums könnte genau dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit entsprechen. Viele bekannte Widersprüchlichkeiten der Kosmologie erschienen dadurch in einem ganz anderen Licht … aber die Kosmologen müssten sich erst einmal damit beschäftigen.

Revolutionäre Ideen ausschöpfen

Glücklicherweise ist die Idee einer variablen Lichtgeschwindigkeit gar nicht so weit gefehlt. Denn die von Einstein entwickelte allgemeine Relativitätstheorie kann entweder durch einen gekrümmten Raum oder durch eine variable Lichtgeschwindigkeit beschrieben werden. Beide Möglichkeiten sind rechnerisch äquivalent, kommen also über einen anderen Weg auf die gleichen Ergebnisse. Und alle modernen Tests, die es heute dazu gibt, werden von beiden Möglichkeiten korrekt beschrieben – das wurde inzwischen ausführlich gezeigt. Ziemlich tragisch also, dass Einstein die Möglichkeit der variablen Lichtgeschwindigkeit nicht weiterverfolgt hat und sie mittlerweile beinahe komplett in Vergessenheit geraten ist.

Ich wünschte mir ja, Forscher würden sich dieser Ideen annehmen und ihr revolutionäres Potenzial ausschöpfen. Wer weiß, was für ein ungeborgener Schatz da noch zu finden ist …

IDEE ODER SPINNEREI: DIE DUNKLE MATERIE

Die Erde ist hohl.

Wie, wussten Sie nicht? Dann hätten Sie mal besser auf den englischen Astronom Edmond Halley gehört. Jaaa, der hat das nämlich schon 1692 vermutet. Er ging von der allgemeinen Ansicht aus, dass alle Materie der Planeten und Monde die gleiche Dichte hätte. Im Vergleich zum Mond, so folgerte Halley, müsste ein Teil der Erde also hohl sein.

Klingt doch perfekt logisch, oder?

Querdenken erlaubt

Na gut, na gut, ich werde jetzt mal nicht weiter auf Halley rumhacken. Es ist ja auch ganz normal, dass in der Forschung ab und zu ein falscher Weg eingeschlagen wird. Und das ist absolut in Ordnung. Ohne ein bisschen Querdenkerei hätte die Wissenschaft viele tolle Ideen wohl nie entwickelt oder weiterverfolgt.

Aber da liegt auch die Krux der Sache: Die Fähigkeit, Ideen auszusortieren, die eben in die falsche Richtung geführt hätten, scheint der Physik und der Astronomie in den letzten Jahren verloren gegangen zu sein.

Nehmen Sie ein Beispiel, das selbst die populären Medien seit einer Weile mit Vorliebe ausbreiten: die Dunkle Materie.

Die dunkle Geschichte der Dunklen Materie

Erdacht hat sie der niederländische Astronom Jan Hendrik Oort im Jahr 1932. Er hatte die Bewegungen der Milchstraße beobachtet und gesehen, dass die Sterne in den Randbezirken der Galaxien viel schneller liefen als erwartet. Auf der Suche nach einer Erklärung kam ihm folgende tolle Idee: Es musste noch mehr Materie in den Galaxien geben – eine Materie, die zwar nicht sichtbar war, allerdings eine Gravitationswechselwirkung aufwies. Und von diesem Moment an zieht sich die Theorie von der Existenz Dunkler Materie durch die Geschichte.

Dabei können Forscher selbst bis heute nur einen Bruchteil davon sehen und was sie genau ist, weiß auch immer noch niemand so recht.

Doch die Idee hält und hält sich – höchst hartnäckig und höchst naiv, wie ich finde. Denn sie geht davon aus, dass das Gravitationsgesetz im Galaxienmaßstab gilt, obwohl diese millionenfach größer sind als das Sonnensystem.

Mörder entlarvt

Was ich aber doch am lustigsten finde an der ganzen Sache – oder am traurigsten, je nachdem wie Sie es sehen wollen –, ist die Hingabe, mit der die Theorie von der Dunklen Materie immer noch weitergesponnen wird – obwohl es zahlreiche Anomalien gibt, die darauf hindeuten, dass etwas nicht stimmt.

Haben Sie zum Beispiel schon mitbekommen, dass die Dunkle Materie auch ein Mörder ist? Sie war es, die vor 66 Millionen Jahren die Dinosaurier getötet hat! Sorry, Dino.

Also, ich weiß nicht, wie es Ihnen geht, aber ich bin jetzt so traurig, dass ich gleich noch ein bisschen um die Physik weinen gehe. Hoffen wir, dass nicht die Dunkle Materie unter meinem Bett lauert …

IST EINE PHYSIK OHNE NATURKONSTANTEN MÖGLICH?

Wenn Sie sich in Ihrer Welt umschauen, dann werden Sie vermutlich drei fundamentale Größen erkennen: Raum, Massen und eine zeitliche Abfolge von Ereignissen. Die Physik versucht seit ihrem bestehen, die Welt mit diesen drei fundamentalen Begriffen zu beschreiben – und scheitert dabei immer wieder. Auch jetzt steht ein solches Scheitern wieder bevor. Die Frage ist, was von der modernen Physik übrig bleibt, wenn diese Krise durch ist.

Die letzte Krise der Physik

Fragen Sie ruhig, wie es dazu kommen konnte. Schließlich behauptet die moderne Physik von sich, streng logisch aufgebaut und die exakteste Wissenschaft aller Zeiten zu sein. Und das stimmt: Die Exaktheit der Messmethoden, die heute erreicht wird, ist wirklich unglaublich. Die physikalische Theoriebildung hinkt diesen Spitzenleistungen jedoch leider weit hinterher.

Je mehr die Astronomen mit den immer größer und leistungsfähiger werdenden Teleskopen vom Weltall entdeckten und je größer die Dimensionen wurden, desto klarer stellte sich heraus, dass die Formeln Newtons hier nicht funktionierten. Und auch je weiter die Physik ins Kleinere vordrang, desto offensichtlicher wurde es, dass sich die Welt der Elementarteilchen nicht mit Newtons Theorie beschreiben lässt.

Einsteins Relativitätstheorie konnte diese Probleme in den großen Dimensionen und der Quantentheorie in der Teilchenwelt mehr oder weniger reparieren. Sie behielten jedoch die Gravitationskonstante G bei, die Newton eingeführt hatte, und es kamen noch zwei weitere Naturkonstanten dazu: c, die (endliche) Lichtgeschwindigkeit aus der Relativitätstheorie und h, das Plancksche Wirkungsquantum (bekannt auch durch die Heisenberg’sche Unschärferelation in der Quantentheorie und durch das Vorkommen in der Feinstrukturkonstante).

Diese drei fundamentalen Konstanten G, c und h benötigen wir nach wie vor zur Definition von Größen wie Kilogramm, Meter und Sekunde. Formal geschieht dies über die sogenannten Planck-Einheiten, die im Übrigen keine große Bedeutung haben. Es lässt sich jedoch abkürzen: Um überhaupt von den Einheiten m, s und kg sprechen zu können, müssen c (m/s), h (kg m²/s) und G (m³/s² kg) geeignet kombiniert werden.

Anzeichen der neuen Krise

Diese drei Naturkonstanten zeigen unmissverständlich an, dass die Physik im Kleinen wie im Großen etwas Grundlegendes noch nicht verstanden hat. Schon Einstein war davon überzeugt, dass echter Erkenntnisgewinn nur durch die Eliminierung dieser Konstanten zu gewinnen wäre. Aber statt sich mit diesem brennenden Thema zu befassen, bemüht sich die Physik seit gut 80 Jahren mehr und mehr um mystische Legendenbildung. Ja, so drastisch muss ich das formulieren.

Die Kosmologie bläht ihr Standardmodell mit unerklärlichen Phänomenen wie der dunklen Materie, der dunklen Energie oder auch dem Urknall mit der Inflationsphase auf – allesamt Konzepte, die in der Wissenschaft nicht wirklich zum Verständnis beitragen.

Auf der anderen Seite, im Kleinen, jagt die Teilchenphysik mit immer größeren, immer teureren Apparaturen wie den Large Hadron Collider am CERN immer kleineren Elementarteilchen hinterher, ohne über die zu Hauf postulierten Teichen irgendeine nachprüfbare Aussage machen zu können – auch hier also allerhand Mystifizierung.

Das ganze mutet an wie die Anbetung des goldenen Kalbes vor den zehn Geboten. Und genau das fehlt der Physik heute: Ein neues Gesetz, dass der Götzenanbetung ein Ende bereitet.

Licht im Dunkel?

Einen Ansatz dazu entwickelten geniale Physiker wie Robert Dicke, Dennis Sciama und Paul Dirac aus einer von Einstein nicht weiter verfolgten Hypothese einer variablen Lichtgeschwindigkeit. Robert Dicke konnte so die Gravitationskonstante G eliminieren und in einen berechenbaren und erklärbaren Wert umwandeln. Sciama und Dirac arbeiteten unabhängig an derselben Idee und konnten weitere wichtige Anhaltspunkte liefern, wohin die Reise in Zukunft gehen könnte.

Dass das Gros der Physiker diese Ansätze, die endlich Licht ins Dunkel der unerklärbaren Phänomene bringen könnten, bisher unter den Teppich kehren, beschreibt das Ausmaß der Krise, in der sich die moderne Physik befindet. Sie dürfen also gespannt sein, wann der Knoten platzt und die Physiker sich wieder mit den grundlegenden Problemen der Weltbeschreibung befassen.

Die Frage ist allerdings, wohin wir dann mit den neuen Theorien kommen. Stellen sich Zeit und Raum als von unseren Sinnen erzeugte Illusionen heraus? Erweisen sich die grundlegenden Eigenschaften der Materie „Masse“ und „Trägheit“ als durch alle Materie des gesamten Kosmos bestimmte Größen heraus, wie das der visionäre Denker Ernst Mach vermutet hatte?

Ob die Wissenschaft auf diesem Weg zu einer noch grundlegenderen Theorie gelangt, können wir letztlich nicht wissen. (Wohl erst, wenn h und c auch eliminiert wurden.) Aber auf die nächste Revolution dieser Weltbeschreibung dürfen Sie sich trotzdem freuen. Sie wird ein weiteres Mal unser Weltbild vom Kopf auf die Füße stellen.

WARUM DIE PHYSIK GEGEN DIE MYTHOLOGIE EINEN SCHWEREN STAND HAT

Die echten revolutionären physikalischen Ideen der letzten hundert Jahre gerieten samt und sonders in Vergessenheit oder wurden gar nicht erst bekannt. So auch die Robert Dickes, der den Schlüssel zur Revolution der Kosmologie aufnahm, den Albert Einstein fünfzig Jahre vorher verloren hatte.

Welcher Schlüssel?

„Aber Einstein hat doch die Kosmologie revolutioniert!“ mögen Sie jetzt empört ausrufen. Stimmt, aber er hätte sie doppelt revolutionieren können.
Natürlich war das Prinzip der Relativität ein Paradigmenwechsel, der die komplette Physik der großen Entfernungen revolutionierte. Aber die heute bekannte Version der allgemeinen Relativitätstheorie beruht auf der klassischen Gravitation mit der Gravitationskonstante G, wie sie Sir Isaac Newton postuliert hatte.
Was nur wenige wissen ist, dass Einstein lange versuchte, das sogenannte Machsche Prinzip in seine Theorie einzubauen. Demnach wäre die Stärke der Gravitation durch alle anderen Massen im Universum bestimmt und die Gravitationskonstante berechenbar – nur gelang ihm das leider aufgrund ungünstiger Umstände nicht. Deshalb entschied er sich für eine Variante seiner Relativitätstheorie mit konstanter Lichtgeschwindigkeit und gekrümmter Raumzeit. Schade! Denn damit verlor er den Schlüssel zu einer noch umfassenderen Revolution unseres Weltbildes.

Der Geniestreich

Fünfzig Jahre später arbeitete Robert Dicke an einer derartigen verbesserten Version der Relativitätstheorie, ganz im Sinne des Machschen Prinzips. Sein Ansatz war ebenfalls, die Gravitationskonstante zu eliminieren. Er schaffte das scheinbar Unmögliche und konnte dabei einen Fehler ausmerzen – nämlich den, den Einstein in der Formel zur Berechnung der Ablenkung des Lichts durch große Massen gemacht hatte.
Dicke hatte damit gezeigt, dass es rechnerisch keinen Unterschied zwischen den Versionen mit konstanter und variabler Lichtgeschwindigkeit gibt. In Einsteins Version breitet sich das Licht mit konstanter Geschwindigkeit aus, muss aber in der durch die Gravitation von Massen gekrümmten Raumzeit längere Wege zurücklegen. In Dickes Version hat die Gravitation keinen Einfluss auf die Raumzeit, beeinflusst jedoch die Lichtgeschwindigkeit. Das Ergebnis ist so oder so das gleiche und es können dieselben Beobachtungen mit beiden Versionen beschrieben werden.

Warum die Revolution ausblieb

Die Tragweite von Dickes Arbeit blieb jedoch weitgehend unerkannt. Er wusste gar nicht, dass Einstein ein halbes Jahrhundert zuvor eine fast identische Formel mit variabler Lichtgeschwindigkeit formuliert hatte – eben nur mit einer kleinen, aber fatalen Abweichung. Dadurch berief er sich nicht auf diese Arbeit Einsteins und der Zusammenhang blieb bei anderen Physikern ohne große Resonanz.
Schwerer noch wiegt vielleicht die Tatsache, dass seine Arbeit schlicht ignoriert und unter den Teppich gekehrt wurde, weil sie sich nicht mit der herkömmlichen Vorstellung des Urknalls verträgt. Der Urknall ist heute aber schon eine Art von Schöpfungsmythos geworden und als solcher scheint er fast unantastbar zu sein. Als physikalische Theorie taugt der Urknall nämlich eigentlich nur sehr bedingt, weil eine Extrapolation zu so frühen Zeiten irgendwann unseriös wird. Trotzdem ist er Teil des modernen kosmologischen Standardmodells. Und ein Großteil der mit Kosmologie befassten Physiker hält trotz vieler Widersprüche daran fest, weil ihnen einfach nichts Besseres einfällt. Und weil sie Dickes Arbeit aus dem Jahr 1957 nicht kennen.
Man muss wohl einfach Geduld haben, bis sich dies allmählich herumspricht. Es lohnt sich aber meiner Meinung nach, nicht aufzugeben. Die Aussicht auf die nächste Revolution unseres Weltbildes ist einfach zu faszinierend, um sie fallen zu lassen.
Oder was meinen Sie?

IST DIE PHYSIK IMPOTENT GEWORDEN?

Es war eine wilde Jagd. Die fast lichtschnellen Geschosse flogen in alle Richtungen. Gegen Mitternacht konnte die Polizei den berüchtigten Verbrecher stellen, wie ein Sprecher des Kriminalamtes auf einer Pressekonferenz berichtete. Die Beweise und Spuren, die zur Ergreifung des lange gesuchten Übeltäters beitrugen, wurden noch in derselben Nacht vernichtet. Für das Gerichtsverfahren archiviert wurde lediglich der Abschlussbericht.

Wenn Sie der Richter wären, würden Sie den Verbrecher aufgrund dieser Beweislage verurteilen? Nein? Ich auch nicht.

Wie verhindert wird …

Genau so hat sich die Jagd auf das Higgs-Boson und viele andere Elementarteilchen am CERN zugetragen. Die Rohdaten werden nur Sekunden, nachdem sie im Teilchenbeschleuniger entstanden sind, gefiltert und zu über 99,9 Prozent vernichtet. Und einen Versuchsaufbau wie den Large Hadron Collider können Sie nicht einfach nachbauen … Die zentralen Voraussetzungen für eine Überprüfung der Behauptung, das Teilchen sei gefunden worden, fehlen. Es ist, als sei das CERN Polizei, Staatsanwalt und Richter in Personalunion und die Welt soll einfach die Hände im Schoß falten und glauben.

„Wie werden Ergebnisse geprüft?“ „Wer überblickt eigentlich das ganze Experiment?“ „Gibt es unabhängige Tests der Software?“ Das CERN hat zu solchen Fragen immer dieselbe Antwort: „Das machen wir intern sehr sorgfältig.“

Ich will den Kollegen am CERN und anderen großen Instituten nicht vorwerfen, dass sie sich keine Mühe geben würden. Ich bin sicher, die meisten arbeiten mit guten Intentionen und nach bestem Wissen. Ein Vergleich drängt sich mir jedoch auf: Diese Diskurspraxis erinnert mich an die Debatten im Zetralkomitee der KPdSU.

… was möglich wäre

Das alles würde mich nicht umtreiben, wenn die Physik so fruchtbar wäre, wie eh und je. Sie hat den technischen Fortschritt befeuert wie keine andere Wissenschaft. Denken Sie nur mal an das Handy, Radio, TV, deren Entwicklung ohne die Entdeckung der elektromagnetischen Wellen durch Heinrich Hertz im Jahre 1886 nicht möglich gewesen wäre. Aber seit längerem tut sich nicht mehr so viel. Die letzten großen technischen Errungenschaften basieren auf Entdeckungen und Theorien, die 100 Jahre und älter sind. Nun, vielleicht entwickelt der Mensch demnächst einen Quantencomputer, der würde dann immerhin auf Theorien fußen, die um die vorletzte Jahrhundertwende herum entwickelt wurden.

Die heutigen Teilchenbeschleuniger, Raumsonden und Präzisionsmessgeräte könnten eine gewaltige Investition in die Zukunft sein, wenn sie Ergebnisse erzeugen, die verwertbar sind. Aber die Physik scheint mehr und mehr in sich abgeschlossen. Ein großer Kreislauf, der Unsummen verschlingt und sagenhafte Geschichten wie die Viele-Welten-Theorie und das Higgs-Boson ausspuckt.

Ist die Physik denn impotent geworden?

Auf dem Weg zu einer „open science“?

Die Entscheidung über diese Frage werden nachfolgende Generationen beantworten müssen. Die Frage für die Physik der Gegenwart kann nur sein, was sie tun muss, damit sie wieder zu reproduzierbaren, überprüfbaren und somit glaubwürdigen Theorien und Ergebnissen kommt. Und die wichtigste Komponente dabei ist ein Konzept, dass die Soziologin und Kulturwissenschaftlerin Caroline Y. Robertson – von Trotha in den 90ern geprägt hat: Die „öffentliche Wissenschaft“ oder englisch „open science“.

Dieses Konzept enthält die zentralen Forderungen nach:
wiederholbaren Experimenten,
Daten, die für jedermann offen und einsehbar sind und
dadurch falsifizierbare, also überprüfbare Ergebnisse und Theorien.

In meinem Buch „Auf dem Holzweg durch’s Universum“ liste ich zehn Vorschläge für die Experimentalphysik auf, die zeigen, wie die Forderung nach einer „open science“ im Internetzeitalter umgesetzt werden könnte (S. 286, http://www.amazon.de/Auf-dem-Holzweg-durchs-Universum/dp/3446432140). Eine solche „open science“ wird dieses Jahr durch die niederländische Präsidentschaft der EU politisch unterstützt. Ob das reicht, um die entsprechenden Arbeitsweisen und Prinzipien durchzusetzen, darf bezweifelt werden – aber es ist ein Anfang.

AUSSENSEITER – VERHASST UND GELIEBT

Gleißend hell wird eine heiße Fontaine hochgeschleudert, beschreibt einen majestätischen Bogen und stürzt auf die Oberfläche zurück.

Fasziniert schaue ich mir die hochauflösenden Videos der NASA von Sonneneruptionen an und für mein Auge ist alles klar: Da wird eine hellglühende Flüssigkeit hochgeschleudert und fällt auf die ebenfalls flüssige Oberfläche zurück, auf der sogar Ringwellen entstehen, wie bei einem Stein, der ins Wasser fällt. Fragt sich nur, ob ich meinen Augen da trauen darf.

Alles falsch?

Das Standardmodell der Sonne basiert nämlich auf der Annahme, dass die Sonnen komplett aus Gas besteht. Nur: es sieht einfach nicht nach Gas aus. Wenn da nur Gas wäre, gäbe es keine Spritzer, keine sichtbaren Aufprallstellen, keine Ringwellen.

Am Beispiel des Kometen Shoemaker Levy 9, der in Bruchstücken auf den Jupiter stürzte, können Sie sehen, wie es aussieht, wenn etwas eine Gasoberfläche durchbricht. Da gibt es keine hochspritzenden Massen und keine Ringwellen.

Solche und andere Diskrepanzen zwischen dem Beobachtbaren und dem Standardmodell übertünchen die Forscher mit komplizierten Erklärungen. Für das Ringwellenmuster haben sie beispielsweise eine Erklärung über Beugung der Schallwellen gefunden, die bei näherer Betrachtung jedoch an den Haaren herbei gezogen wirkt.

Außenseiter und Ketzer

Wenn Sie jedoch der Annahme folgen, dass die Sonnen flüssig ist, stellt sich die Frage, um welche Art von Flüssigkeit es sich handeln mag. Der Radiologe und renommierte Wissenschaftler Pierre-Marie Robitaille schlägt vor, es könnte sich um eine Form flüssigen, metallischen Wasserstoffs handeln. Er hat gute Argumente auf seiner Seite.

Die Astronomen und etablierten Sonnenforscher wollen davon jedoch nichts wissen. Sie diffamieren ihn als Nichtfachmann, sogar als Spinner. Als könnte nicht auch ein Radiologe oder jeder andere Interessierte sich in die Materie einarbeiten und zu relevanten Schlüssen kommen.

Ähnliche Beispiele gibt es einige in der Geschichte der modernen Wissenschaft. Als Alfred Wegener sein Modell der Kontinentaldrift vortrug, wurde er auch als fachfremder Spinner abgetan. Er war eben kein Geologe, sondern „nur“ ein anerkannter Polarforscher. Sechzig Jahre später mussten dann auch die Geologen zugeben, dass sein Modell die Beobachtungen am besten beschreibt.

Nicht lernwillig?

Was ist also dran, an den Außenseitern und ihren oft recht unbequemen Ideen? Warum haben gerade die Fachfremden manchmal die besseren Chancen auf Erkenntnis? Vielleicht, weil sie mit unvoreingenommenem Blick auf die Sache schauen. Sie folgen nicht notwendigerweise dem Standardmodell, mit dem den sogenannten Experten der freie Blick auf die Welt verstellt ist.

Dadurch können Außenseiter bisweilen die richtigen Puzzlestücke zusammenfügen, die vorher noch keiner in Verbindung gebracht hat. Im Fall Robitaille ist es die Beobachtung das die Sonnenoberfläche gut zu einer flüssigen Form von metallischem Wasserstoff passt – die übrigens 1935 von einem Nobelpreisträgere entdeckt wurde.

Da stellt sich die Frage, warum es in der Wissenschaft als verpönt gilt, ein Standardmodell zu hinterfragen, das viele Fragen offen lässt und Ungereimtheiten enthält – vor allem, wenn doch ein neuer Erklärungsansatz da ist. Ein Kollege, den ich auf das Thema ansprach, erklärte, er habe sich mit metallischem Wasserstoff nicht beschäftigt und sei auch nicht interessiert. Solcherlei Ignoranz ist schon erstaunlich – vor allem wenn sie als Gegenargument verwendet wird! Wahrscheinlich werden die Sonnenphysiker ihr Modell einmal als ganzes entsorgen müssen.

Genau dieses Schicksal ereilte die Geologen vor gut sechzig Jahren, als sie endgültig einsehen mussten, dass Alfred Wegener recht hatte. Heute wird er als Star der Geologie gefeiert. Es drängt sich mir die Frage auf: Wann werden die Astronomen bereit sein, vom Außenseiter zu lernen?