DIE STRINGTHEORIE: EIN MENÜ OHNE PREISANGABE

Ein Premium-Black-Angus-Steak bestellen, einen neuen Ferrari zu Weihnachten kaufen, eine Weltraumreise buchen – das klingt in der Theorie ganz gut. Wenn da nicht der Preis wäre.

Jeder, der ein bisschen Menschenverstand besitzt, weiß: Um eine Sache zu bewerten, ist die Kenntnis der Zahlen unabdingbar. Eine Relation, die manche Wissenschaftler wohl außer Acht lassen.

Denn Theorien, die ohne messbaren Zahlenwert präsentiert werden, sind einfach nicht glaubhaft! Die Wissenschaftler überprüfen diese Theorien sonst im Experiment nie konkret – und bei jedem Misserfolg stehen Ausflüchte offen.

Ein neues Elementarteilchen ohne Vorhersage der Masse sollten Sie sich also von einem Theoretiker ebenso wenig servieren lassen wie ein exquisites Menü ohne Preisangabe.

Lassen Sie sich nicht alles auftischen!

Denn was Ihnen der Kellner mit der Stringtheorie auftischen möchte, hat eigentlich nichts mit Physik zu tun. Diese Wissenschaft basiert nun mal auf Messen. Sie sollten ausrechnen können, wieviel ein Glas Wein und ein Steak am Ende kosten.

Bezeichnend ist zum Beispiel, dass die Stringtheorie in einem anerkannten Lehrbuch der Elementarteilchenphysik mit ganzen vier Zeilen erwähnt wird – in den vergangenen dreißig Jahren wurde eben kein einziges Problem durch diese Gedankenspielchen auch nur ansatzweise gelöst. Dennoch bleibt öffentlicher Widerspruch selten, und selbst die erklärten Gegner der Stringtheorie scheinen sich mit ihr zu arrangieren.

So hat etwa Lee Smolin, dessen Buch „Die Zukunft der Physik“ an Kritik nichts zu wünschen übrig lässt, inzwischen einen furchtsam anmutenden Relativierungsbrief auf seine Homepage gestellt und forscht einträchtig mit einer Reihe von Stringtheoretikern am Perimeter-Institut, dem Aushängeschild der Theoretischen Physik in Kanada.

Loop Quantum Gravity schmeckt wie Stringtheorie …

Manche Physiker möchte man fragen, ob sie als Arzt in einer Klinik arbeiten würden, die auch Handleser und Geistheiler beschäftigt. Sicher ist nur, dass die Physik – sie ist der Patient – nicht gefragt wird. Smolins eigenes Fachgebiet, die Loop quantum gravity oder „Schleifenquantengravitation“, ist übrigens ebenso abgehoben wie die Stringtheorie, und ihre Vorhersagen sind reine Feigenblätter jenseits aller experimentellen Überprüfbarkeit.

Insofern war das oft in Szene gesetzte Duell zwischen Strings und Loops immer schon uninteressant – wissenschaftlich sind beide nicht satisfaktionsfähig. Daher tendiert man in den deutschen Filialen der transatlantischen Trendsetter neuerdings wieder zum Konsens: Die Schleifenquantengravitation wird von Stringtheoretikern als „ernst zu nehmende Konkurrentin“ gewürdigt, während sich Vertreter der Loops mit der Idee anbiedern, die Ansätze müssten vielleicht eines Tages vereint werden.

Was würde Einstein sagen?

Gegenseitige Gastaufenthalte an den Hohepriester-Instituten in den USA begründen dabei wissenschaftliche Laufbahnen, deren Sahnehäubchen darin bestehen, von einem Nobelpreisträger öffentlich beim Vornamen gerufen zu werden.

Mit den Messproblemen aber, die Albert Einstein, Erwin Schrödinger und Paul Dirac bewegten, haben Stringtheorie und Loop quantum gravity nicht das Geringste zu tun.

Vielleicht zählen Lee Smolin und die anderen Theoretiker ja zu den Glücklichen, die überhaupt nie auf den Preis, also das Messbare, schauen müssen. Auch nicht bei Premium-Black-Angus-Steaks.

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 …

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?

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.

ZU TODE GEFILTERT – DIE LEIDEN DER ELEMENTARTEILCHEN

„Piiiieeep!“ macht der Detektor. Der Schatzsucher setzt den Spaten an. Er findet: Eine Dose. Vielleicht den Detektor feiner einstellen? Gedacht – getan. Er läuft weiter … „Piiieeep!“ Ein Kronenkorken. Detektor feiner einstellen. „Piiieeep!“ Eine Haarnadel – verdammt! Wo ist denn jetzt die Goldmünze?

Immer feinere Filter – kein Ende in Sicht

Die Teilchenphysiker gehen zwar nicht mit dem Metalldetektor über den Acker und sie suchen auch keinen Goldschatz, aber die Methode, mit der sie nach Elementarteilchen suchen, ist dieselbe. Wenn sie nicht das Gewünschte aufspüren, stellen sie ihre Geräte einfach immer feiner oder gröber ein, in der Hoffnung, doch noch das erwünschte Teilchen zu finden.

Wie zum Beispiel bei den Neutrinos. Bisher konnten die Forscher noch nicht messen, welche Masse die Neutrinos denn nun haben – und ohne diese Messung weiß die Physik praktisch nichts über diese Geisterteilchen. Also suchen sie in immer neuen Forschungsprojekten mit immer geringeren Energieniveaus nach einem Nachweis für die Teilchen. Trotzdem glauben viele Physiker mittlerweile die Legende, es seien Neutrinos nachgewiesen worden. (Warum ich das für eine Legende halte, erkläre ich in meinem Blogbeitrag „NEUTRINOS – BEGEISTERND ODER GEISTERHAFT?“)

Oder immer mehr Energie?

Ähnlich sieht es bei den Elementarteilchen aus, die durch die sogenannte Supersymmetrie postuliert werden, wie etwa das knuffige „Photino“ und das niedliche „Higgsino“. Die Theorie besagt nicht viel mehr, als dass es doch schön wäre, wenn jedes Teilchen, das die Physik kennt, noch einen Partner mit umgekehrten Eigenschaften hätte. Eine theoretische Notwendigkeit gibt es dafür nicht.

Trotz der – großzügig gesprochen – dünnen Theorie suchen die Forscher in immer teureren Projekten mit immer höheren Energien nach diesen Teilchen. Und irgendwann sehen sie die Theorie dann vermutlich als erwiesen an, bloß weil sie in einem Haufen unübersichtlicher Messwerte, die sie nicht erklären können, ein Signal finden, das sie unbedingt als eines der gesuchten supersymmetrischen Teilchen interpretieren müssen – wie beim Higgs-Boson.

Und mit diesem „Fund“ können sie dann weitere horrende Forschungsgelder anwerben, mit denen das Spiel von Neuem beginnt: Sie bauen einen neuen Beschleuniger mit noch höherer Energie, der die in der letzten Runde „erklärten“ Signale herausfiltert. Und aus dem Bodensatz der chaotischen Kollisionsdaten fischen sie dann die nächsten Banalitäten heraus, um diese mit irgendeiner vagen theoretischen Wunschvorstellung zu assoziieren.

Wie lange geht die Suche weiter?

Weil es in der modernen Teilchenphysik keine überzeugenden und konkreten Theorien mehr gibt, finden solche Versuche niemals ein Ende. Ohne handfeste Theorie, kein Abbruchkriterium – und die Suche nach den Teilchen endet in einem sich endlos drehenden Hamsterrad.

So als jüngstes Beispiel das leichteste supersymmetrische Teilchen, aus dem die dunkle Materie bestehen soll. Eines muss ich den Teilchenphysikern schon lassen: Die Marketing-Kooperation mit den Kosmologen funktioniert prächtig, wenn sie neue Forschungsgelder abgreifen wollen. Es gibt noch keinen Nachweis von dunkler Materie im Weltall und doch werden Forschungsgelder dafür ausgegeben, um nach einem Teilchen zu suchen, aus dem diese dunkle Materie bestehen soll.

Ob Sie es glauben, oder nicht: Die Teilchenphysik hat ihren Goldschatz schon gefunden. Ihr Goldschatz ist die Suche nach Teilchen selbst, die sie sich teuer bezahlen lässt.

DAS THEMA, DAS EINEN NOBELPREIS VERDIENT

„Alle guten theoretischen Physiker hängen sich diese Zahl (137,035999..) an die Wand und zerbrechen sich den Kopf darüber!“

Was für eine Ansage vom Nobelpreisträger Richard Feynman. Aber was ist das eigentlich für eine mystische Zahl, die er für so wichtig hält? Und warum ist sie so bedeutend, dass er sie quasi zu einem Hauptthema der theoretischen Physik macht? Etwas ist hier komisch …

Mysteriöse Konstanten – wo kommen sie her?

In der Physik existieren unterschiedliche Arten von Konstanten. Einerseits konkrete Messwerte, wie z.B. die Erdbeschleunigung g = 9,81m/s2, die für jeden der abermilliarden Himmelskörper anders ist. Andererseits gibt es auch Zahlen, von denen die Physiker annehmen, dass sie im ganzen Universum gelten, wie z.B. die Gravitationskonstante G = 0,0000000006673 m³/s2 kg. Die Einheiten Meter (m), Sekunde (s) und Kilogramm (kg) haben Wissenschaftler jedoch willkürlich festgelegt, weshalb der reine Zahlenwert dieser Konstanten für das Universum keine Bedeutung hat.

Die mysteriöse Zahl, von der Richard Feynman sprach, gehört allerdings zu den Zahlen ohne Einheit, von denen die Physiker fast sicher sind, dass sie im ganzen Weltall gelten – sogenannte Naturkonstanten. Sie entstehen aus der Kombination zweier oder mehrerer der oben genannten Konstanten, wobei sich alle Dimensionen wie Länge, Gewicht oder Zeit herausrechnen. Bis heute weiß jedoch niemand, warum sie ihre bestimmten Werte annehmen. Dennoch gibt es die Vermutung, dass sie der Schlüssel zum Verständnis der Welt sind.

Eine Frau stellt kluge Fragen – Einstein antwortet

Diese mysteriösen Naturkonstanten beschäftigten auch Ilse Rosenthal-Schneider, eine der wenigen Frauen in der Wissenschaft zu Lebzeiten Einsteins. Auch wenn der Wortlaut ihrer Fragen an ihn leider nicht überliefert sind – seine Antworten sind erhalten geblieben:

„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.“

Er war überzeugt, dass Physiker Wege finden können, die Konstanten berechenbar und somit erklärbar zu machen – z.B. indem sie auf mathematische Grundzahlen wie Pi oder die Eulersche Zahl e zurückgeführt werden. Für die Gravitationskonstante G vermutete der Philosoph und Physiker Ernst Mach beispielsweise, dass sie von allen Massen des Universums abhängt, also aus ihnen berechenbar sein sollte.

Einstein ist also derselben Meinung wie Feynman, der gegenüber seinen Kollegen betonte, wie wichtig das Thema ist. Die Auflösung einer solchen Naturkonstante durch Berechnung wäre ein echter Erkenntnisgewinn würde die Physik revolutionieren.

Und was macht die moderne Physik daraus?

Leider interessieren sich heute kaum noch Physiker für diese Zahlen. Im Gegenteil: Der schnelle technische Fortschritt hat die Beobachtungsmöglichkeiten z.B. in der Astronomie und der Teilchenphysik so weit verbessert, dass sogar immer mehr solcher unerklärbaren Konstanten in den Modellen auftauchen. Doch anstatt sich dieser Konstanten anzunehmen und sie verstehen und erklären zu wollen, tun die Theoretiker die mystischen Zahlen mit noch mysteriöseren Theorien ab. Die Theorie der Paralleluniversen ist da nur ein Beispiel. Sie behauptet: Wir lebten eben just in dem Universum, wo sich alles zufällig so zusammenfügt, dass genau diese Zahlen dabei herauskommen. In anderen, parallelen Universen seien es wiederum ganz andere Werte. Was für ein Blödsinn.

Damit ist natürlich nichts erklärt und nichts gewonnen, außer einer gehypten Publicity-Story. Viele, die sich heute Physiker nennen – Lawrence Kraus, Lisa Randall oder Max Tegmark – sind in Wirklichkeit zu Märchenonkels und -tanten geworden. Was für eine dunkle Zeit der Wissenschaft! Die Physik könnte so viel mehr erreichen. Ich tröste mich da meistens mit der Lektüre eines alten Artikels von Schrödinger, Einstein oder Mach. Die haben immer noch mehr zu sagen über echte Physik.

TOPFSCHLAGEN MIT TEILCHENBESCHLEUNIGERN

Wussten Sie, dass Teilchenphysiker auch gerne Topfschlagen spielen? Allerdings mit leicht abgewandelten Regeln. Normalerweise würde ein Physiker so spielen, wie Sie es kennen: Er würde eine Versuchsapparatur bauen, die er sozusagen als Löffel benutzt. Wenn er den Topf – sein Untersuchungsobjekt – gefunden hat, nimmt er sich die Augenbinde ab und betrachtet – oder besser gesagt: erforscht – es genauer.

Bei der „Jagd“ nach Elementarteilchen haben die beteiligten Physiker
eine neue Spielweise erfunden. Wenn sie mit dem Löffel einen Topf Physiker mit Augenbindegetroffen haben, nehmen sie diesen Topf aus dem Spiel, verbinden sich ihre Agen noch fester und begeben sich erneut auf die Suche nach etwas kleineren Töpfen.

Filterexperten am Werk

Klingt komisch, finden Sie? Ist es auch! Aber es ist Forschungsalltag an den Teilchenbeschleunigern. Dort werden Teilchen mit viel Energie aufgeladen und so beschleunigt. Wenn sie dann aufeinanderprallen, zerspringen sie in kleinere Teilchen. Alle diese kleineren Teilchen tragen wieder eine gewisse Energie, die in der Summe dem Ausgangswert entsprechen sollte. Wenn dabei jedoch Energie auf unerklärliche Weise verloren geht, vermuten die Forscher, dass sie in die Bildung eines neuen Teilchens gegangen sein muss.

An diesem Energieanteil oder neuen Teilchen verlieren sie dann das Interesse und filtern sein Signal mit Computerunterstützung heraus. Dann wird weiter beschleunigt – und zwar mit noch mehr Energie. Wenn wieder Energie auf rätselhafte Weise verloren geht, wird das nächste Teilchen als gefunden angenommen.

Heureka – vielleicht …

Anders als normalerweise in den Naturwissenschaften ist der Forschungsgegenstand hier also nicht das, was die Forscher finden, sondern das, was ihnen auf unerklärliche Weise verloren geht. Stück für Stück filtern sie heraus, was sie nicht erklären können, um einen noch geringeren Energieanteil zu finden, den sie auch nicht erklären können. Es ist, als würden sie die Augenbinde beim Topfschlagen immer fester und dichter umbinden.

Interessant ist bei diesem Spiel offensichtlich auch gar nicht die Erforschung dieser vermeintlichen Teilchen, sondern allein das Auffinden. Der vorgebliche Erkenntnisgewinn liest sich dann in etwa so: „Wir haben etwas gefunden, was ein neues Teilchen sein könnte. Wir haben uns die Daten nochmal ganz genau angeschaut und sind nun fast ganz sicher, dass es das gesuchte Teilchen sein muss.“ Vielleicht stimmen Sie mir zu, wenn ich große Zweifel daran habe, dass es sich hierbei um wirklich belastbare, glaubwürdige Ergebnisse handelt.

Der Trick mit der Augenbinde

Ab und zu reicht der gebaute Teilchenbeschleuniger dann einfach nicht mehr aus, um die Teilchen noch mehr zu beschleunigen, und ein größerer muss gebaut werden. Da die Deklarierung der im letzten Beschleuniger verloren gegangenen Energie als Elementarteilchen jeweils unkritisch mit einem Nobelpreis bedacht wird, werden die für den Bau benötigten Milliarden auch gerne bereitgestellt.

Statt mit einem Holzlöffel auf Topfsuche zu gehen, wird nun sozusagen ein goldener Löffel verwendet. Das Topfschlagen geht weiter. Ob hier etwas erarbeitet wird, das irgendwann einen allgemeinen Nutzen hat, bleibt im Dunkeln – als hätten die Teilchenphysiker nicht nur sich die Augen verbunden, sondern auch der Gesellschaft.

NEUTRINOS – BEGEISTERND ODER GEISTERHAFT?

In der Physik spukt es. Ja, wirklich. Im Weltall wimmelt es nämlich, so sagt es das Standardmodell der Teilchenphysik voraus, von Geisterteilchen – genannt „Neutrinos“. Angeblich werden wir von abermilliarden von ihnen in jeder Sekunde durchströmt.

Diese Neutrinos sind schon ganz spezielle Gesellen. Sie haben fast keine Masse und auch keine elektrische Ladung. Sie sind fast so schnell wie das Licht und esGeisterteilchen passiert nur äußerst selten,  dass mal eines mit einem anderen Teilchen reagiert. Diese Wechselwirkungen zwischen Neutrinos und anderen Teilchen sind extrem selten, dass nur Großtechnologie der „Big Science“ sie feststellen konnte. Dafür gab es dannauch einige Nobelpreise. Aber woher kommt eigentlich die Annahme, dass es diese Geisterteilchen geben muss?

Das geht auf den berühmten Physiker Wolfgang Pauli zurück. Der befasste sich in den 20er und 30er Jahren eingehend mit einer Art von radioaktivem Zerfall, dem sogenannten Beta-Minus-Zerfall. Bei diesem wird ein Elektron frei und eine gewisse Menge Energie – allerdings zu wenig! Pauli vermutete, dass diese fehlende Energie als Gammastrahlen abgegeben würde, konnte diese jedoch nicht nachweisen.

In seiner Not postulierte er ein weiteres Teilchen, das genau die erforderliche Menge Energie besaß und beim Beta-Minus-Zerfall neben dem Elektron abgestrahlt wurde. Das war natürlich fast schon eine faule Ausrede (was er in seiner erfrischenden Art auch selbst so bezeichnete), weil er die fehlende Energie nicht finden konnte. Er selbst bezeichnete das Neutrino später als „[…] das närrische Kind meiner Lebenskrise von 1930/31 […]“.

Das hat die Physiker allerdings nicht davon abgehalten, sich auf die Suche nach diesem Geisterteilchen zu begeben und Detektoren zu bauen, mit denen sie meinten, Neutrinos nachweisen zu können. Wie Sie sich vorstellen können, war es nicht einfach, Detektoren zu bauen, die derart flüchtige Teilchen einfangen. Tatsächlich dürfen Sie auch heute noch daran zweifeln, ob es die Neutrinos wirklich gibt. Denn was die Detektoren tatsächlich gemessen hatten, erforderte immer eine Interpretation mit vielen Annahmen.

Sehr oft gab es dabei Widersprüchlichkeiten. Die Detektoren konnten zum Beispiel die erwartete Menge an Neutrinos nicht nachweisen. Bis zu zwei Drittel fehlen. Auch das noch!

Die beteiligten Physiker kamen jedoch auf eine rettende Idee. Ganz in der unrühmlichen Tradition Paulis waren im Standardmodell noch zwei weitere Neutrino-Arten postuliert worden. Wie wäre es zusätzlich, wenn sich die Neutrinos immer wieder in eine andere Art umwandelten? Dann wäre es doch erklärbar, warum von der einen oder anderen Art nicht so viele gefunden werden, wie erwartet.

Die neue Generation von Detektoren konnte dann prompt mit Messergebnissen aufwarten, die der Theorie entsprechen – was für ein Zufall, die Theorie wurde ja auch konstruiert, um genau dieses Messergebnis zu “erklären“. Lachen Sie nicht – der Physiker und Soziologe Andrew Pickering hat die Mechanismen, die zu solchen Zirkelschlüssen geführt haben, detailliert erläutert.

Komischerweise wurde bisher aber immer nur nachgewiesen, dass eine bestimmte Menge an erwarteten Neutrinos in den Detektoren fehlt. Ein Überschuss von nicht erwarteten Neutrinos wurde hingegen bisher nie gefunden. Angesichts der Tatsache, dass ja die Theorie schon ordentlich zurechtgebogen worden war, um den Messergebnissen zu entsprechen, ist das doch ein reichlich mageres Ergebnis.

Das Nobelpreis-Komitee hat sich trotzdem dazu entschlossen, auch für dieses halbseidene Resultat 2015 einen Nobelpreis zu vergeben. Die Physik muss schon sehr arm an bahnbrechenden Erkenntnissen geworden sein, dass so dürftige Forschungsergebnisse dazu taugen, mit dem größten Forschungspreis der Welt ausgezeichnet zu werden.

Vielleicht handelt es sich bei den Neutrinos ja doch um echte Geister. Damit könnte wenigstens erklärt werden, warum die sonst doch eher nüchternen Physiker ihnen so närrisch hinterherlaufen – in der Hoffnung, mal eines zu schnappen.

CERN: Familienbesuch zu Weihnachten

Wieder einmal ist es soweit: Nach Abschluss der Messungen vor Jahresende wird verkündet, man habe etwas ganz Spannendes, möglicherwiese Sensationelles gefunden. Den „Cousin des Higgsteilchens“ , einen möglicherweise „supersymmetrischen“ Partner des Higgs-Bosons. Und wieder einmal handelt es sich um irgendein unerklärtes Signal, dem man nun endlich die theoretische Wunschvorstellung anzudichten hofft – so wie dies ja 2013 mit dem Higgs gelungen war. Wie lange wird sich die Öffentlichkeit von dieser Schaumschlägerei noch einlullen lassen? Sie dürfen gespannt sein, was in den nächsten Jahren noch an Zufallssignalen gefunden wird, die zu Erweiterungen des „Standardmodells“ führen – Cousins, Onkels, Großtanten, Schwägerinnen des Higgsteilchens? Ich kann nur sagen: Muss zu Weihnachten nicht sein :-)