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.

EINBILDUNG IST KEINE GUTE BILDUNG

Als man im Ptolemäischen Weltbild die beobachteten Planetendaten nicht mehr mit einfachen Kreisen um die Erde erklären konnte, führte man eine Kreisbewegung auf der Kreisbewegung ein, sogenannte Epizyklen. Als bessere Beobachtungen erneut eine Abweichung ergaben, wurden die Mittelpunkte der Hauptkreise jeweils um einen kleinen Wert verschoben, den Exzenter. Und alles stimmte wieder.

Naja, wer’s glaubt!

Ein neuer Anstrich schafft keine neue Grundlage

Nur kann jedes fehlerhafte Modell gerettet werden, „wenn man sich auf solche Fummeleien einlässt“, wie Simon Sing in seinem ausgezeichneten Buch Big Bang schreibt. Heute sind sich die Forscher daher einig, dass dieses Postulieren unverstandener Mechanismen kein Fortschritt war, sondern eine Erosionserscheinung der Wissenschaft, übermalter Rost einer Konstruktion, die brüchig wurde. Damals fiel es bekanntlich schwer, ein gefestigtes Weltbild aufzugeben – das gilt heute umso mehr, als keine vernünftigen Alternativen zu existieren scheinen.

Aber sollten wir nicht wenigstens gewarnt sein? Auf den Konferenzen dagegen begegnet man einer beunruhigenden Euphorie: Die beschleunigte Expansion samt ihren theoretischen Beschreibungen wie kosmologische Konstante, Dunkle Energie oder Quintessenz taucht an allen Ecken und Enden auf, jeder sieht sie nun ganz klar!

„Anders sind die Röntgenbeobachtungen nicht zu deuten“ oder „Die Galaxienverteilung ist sonst nicht mit den Modellen in Einklang zu bringen“ schreibt zum Beispiel Christopher Conselice von der Universität Nottingham mit bewundernswerter Naivität (C. Conselice, SdW 5/2007, S.36). Dabei sollte man sich als Wissenschaftler bewusst sein: Mit einem weiteren freien Parameter, also einer Zahl mehr, die man anpassen kann, erklärt sich jeder Datensatz besser.

Kein Zufall? Schon klar!

Analysiert man die bei verschiedenen Rotverschiebungen sichtbaren Supernovadaten, so ergibt sich folgendes Szenario: Zunächst, also in einer frühen Entwicklungsphase des Universums, war die Beschleunigung noch nicht wirksam und die Expansion daher gebremst. Schließlich gewann die Dunkle Energie an Bedeutung – sie wächst mit der Ausdehnung – und zu einem bestimmten Zeitpunkt ist die anfängliche Bremsung durch die Beschleunigung genau kompensiert. Nun raten Sie bitte, wann dies der Fall war: nach 14 Milliarden Jahren, also heute.

Vor Kurzem hat mir wieder ein Kosmologe versichert, dass dies reiner Zufall sei. Sie wundern sich? Zu recht. Diese Merkwürdigkeit heißt Koinzidenzproblem, denn das akzeptierte Modell ist schon etwas paradox: Die Phasen der Bremsung und Beschleunigung der Expansion könnten doch genauso gut so verteilt sein, dass unsere momentane Ausdehnungsrate, die Hubblekonstante, nicht viel mit dem Weltalter zu tun hat.

Es ist in etwa so, als ob sie auf einer längeren Autofahrt mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten unterwegs sind. Sie können dabei jederzeit die Durchschnittsgeschwindigkeit für die bisherige Strecke errechnen, aber die Wahrscheinlichkeit, dass sie in einem bestimmten Moment gerade mit dieser Durchschnittsgeschwindigkeit fahren, ist doch recht gering. Und nach neuesten Messungen ist die Evidenz für die Dunkle Energie sowieso viel schwächer als bisher angenommen …

Welch intelligentes Leben

Wenn wir also davon ausgehen, dass intelligentes Leben auch in einer früheren oder späteren Epoche des Universums entstehen kann, dann passiert uns gerade ein ulkiger Zufall. Oder lacht jemand da draußen?

Sind wir gerade wieder der Einbildung aufgesessen, unsere bescheidene Gegenwart sei etwas besonderes? Die Dunkle Energie hat Widersprüche bezüglich des Weltalters aufgelöst, aber das Koinzidenzproblem nährt den Verdacht, dass diese Reparatur zu bequem war. Der Kosmologe Lawrence Krauss hat übrigens auf eine paradoxe Folge hingewiesen: Die beschleunigte Expansion führt dazu, dass entfernte Objekte wieder aus unserem sichtbaren Horizont verschwinden.

So wird es beispielsweise in späteren Epochen des Universums unmöglich sein, den kosmischen Mikrowellenhintergrund zu beobachten. Zukünftige Kosmologen werden also ein recht eintöniges Universum vorfinden – umso besser also, dass wir jetzt schon alles verstanden haben!

Sie sehen: Ein neuer Anstrich als Makulatur und die Einbildung als die Hoffnung auf echte Intelligenz, bringen uns nicht immer im Leben weiter.

WENN DIE EXPANSION DES WELTALLS EIN GRANDIOSER IRRTUM WÄRE

Die Expansion des Kosmos ist heute eine allgemein anerkannte Theorie. Sie basiert auf der gemessenen Rotverschiebung des Lichts entfernter Galaxien – seit Edwin Hubble eine unbestrittene Tatsache. Offenbar scheinen die Himmelskörper mit hoher Geschwindigkeit von uns wegzufliegen, was die zu uns zurückgeworfenen Lichtwellen dehnt und somit „röter“ macht. Alle sind sich einig: Der Kosmos dehnt sich aus. Der Fachbegriff dazu: Expansion.

Nun, wenn das so ist, müssten wir die sich daraus ergebenden Effekte ja auch nachmessen können. Und genau das wird heute getan. Allerdings bergen die gemessenen Daten Überraschungen …

Nachgemessen

Die technologische Entwicklung ist für die Kosmologie ein Segen. Die Daten der modernen Teleskope verknüpft mit großen Datenbanken und dem Zugriff übers Internet ergeben zum Beispiel solch fantastische Dinge wie den Galaxienkatalog SDSS, den Sloan Digital Sky Survey, der jedem offen zugänglich ist. Diese Daten sind nichts anderes als eine Landkarte des Universums. Jedenfalls von etwa einem Viertel des Himmels.

In diese Landkarte werden derzeit die Positionen und Helligkeiten von mehr als 100 Millionen Himmelskörpern eingetragen. Außerdem sollen mit seiner Hilfe die Entfernungen und Eigenschaften von etwa einer Million Galaxien und Quasaren bestimmt werden. Seit 1998 werden die Daten nach und nach gesammelt und integriert. Das Gesamtbild wird immer genauer und vollständiger. Es zeigt sich immer präziser die faszinierende schaumartige Struktur des Universums mit seinen Galaxienhaufen und den großen dazwischen liegenden „Hohlräumen“ mit relativ geringer Galaxiendichte.

Aber leider stößt das anerkannte Modell des Universums, das auf der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins basiert, auf große Widersprüche!

Knoten im Kopf

Denn wenn Sie die Allgemeine Relativitätstheorie auf den Kosmos anwenden, führt das zu einem wahren Wirrwarr von merkwürdigen Postulaten. Unter anderem prognostiziert die Theorie die Größe der Galaxien am Himmel. Ab einer bestimmten Entfernung soll die scheinbare Größe der Galaxien der Theorie entsprechend nicht weiter ab- sondern zunehmen. So in etwa wie beim Scheinriesen in Michael Endes Erzählung von Jim Knopf und Lukas dem Lokomotivführer: Je weiter er wegläuft, desto größer erscheint er.

Das klingt nicht nur merkwürdig, es lässt sich auch durch die Daten des SDSS in keinster Weise bestätigen. Und das liegt nicht nur im Bereich von Messfehlern: Die Theorie sagt bis zu sechsmal größere Galaxienausdehnungen voraus als die in der Realität gemessenen.

Sie und ich würden nun sagen: An der Theorie kann etwas nicht stimmen. Da die Berechnungen auf Basis der Theorie korrekt sind, muss es an irgendwelchen falsch gewählten Voraussetzungen liegen. Wir müssen dringend zurückgehen und überlegen, wo wir falsch abgebogen sind.

Nicht so aber die theoretischen Physiker! Sie beharren steif und fest auf den grundlegenden Annahmen ihrer Theorie und fügen einfach willkürliche Zusatzannahmen und Parameter hinzu: Sie postulieren beispielsweise, die Galaxien würden sich eben in Helligkeit und Größe mit der Zeit entwickeln – und zwar genau so, dass es gerade wieder zu den Daten passt.

Doch dadurch werden die theoretischen Modelle immer komplizierter. Sie werden sozusagen um die beobachtete Wirklichkeit drumherum gebaut. Die Natur wird so nicht verstanden, sondern mathematisch nachgeäfft.

Ich bin sicher, Einstein hätte das nicht mitgemacht. Er hätte lieber seine Theorie grundsätzlich in Frage gestellt, als sie bis zur Unkenntlichkeit zu verkomplizieren. Denn die wahren Durchbrüche in der Wissenschaft waren immer mit einer Zunahme an logischer Eleganz verbunden, niemals mit einer opportunistischen Verknotung.

Und die Lösung der Expansion?

Erstaunlicherweise passen die beobachteten Daten des fernen Kosmos am besten zu einer ganz einfachen Interpretation: Es gibt keine nennenswerte Evolution von Galaxiengrößen. Es gibt auch keine Beschleunigung. Und auch keine Expansion! Die Daten passen am besten zu einem Universum, in dem die Materie statisch ist. Die sichtbare Ausdehnung der Galaxien am Himmel nimmt dann einfach ganz schlicht mit ihrer Entfernung ab, so wie man das ganz intuitiv auch erwarten würde.

Die Frage ist nur, was wir dann mit der beobachteten Rotverschiebung machen, die bislang immer als eine Art Doppler-Effekt interpretiert wurde, was ja auf die Expansion des Universums hingedeutet hat.

Da ist ja der eigentliche Widerspruch: Die gemessenen Galaxiengrößen deuten auf ein statisches Universum hin, die Rotverschiebung auf ein sich ausdehnendes Universum. Eins von beidem ist falsch, solange die Gesetze der Logik noch gelten. Bislang wurde die Interpretation der Rotverschiebung, also die Expansion des Universums, vorausgesetzt. Was wäre, wenn diese Annahme falsch wäre? Was wäre, wenn die gemessenen Daten ganz einfach interpretiert ein Beleg für ein statisches Universum wären? Dann müssten wir eine andere Deutung für die Rotverschiebung finden, um den Widerspruch auszuräumen.

Und diese andere Deutung gibt es! Einstein selbst hatte 1911 eine Version der Allgemeinen Relativitätstheorie entwickelt, die genau dazu führt. Unabhängig von ihm hatte der US-amerikanische Physiker Robert Dicke die gleiche Idee. In meinem Buch „Einsteins verlorener Schlüssel“ erkläre ich den heute leider vergessenen Ansatz genauer.

WENN THEORIEN IN RAUCH AUFGEHEN

Was passiert, wenn die Kohle in Ihrem Grill verbrennt? Ganz klar: Die Kohle enthält eine Menge Feuerstoff, das sogenannte Phlogiston, das bei Erhitzung der Kohle entweicht und in Flammen aufgeht.

Wie, das wussten Sie nicht? Nun, die europäischen Naturwissenschaftler waren sich darüber vor vier Jahrhunderten noch recht einig.

Phlogiston stellten sie sich als elementaren Stoff vor, der in allen Substanzen zu einem größeren oder kleineren Anteil vorhanden ist und ihre Eigenschaften mitbestimmt. Brennbare Stoffe wie Holz oder Kohle enthalten viel davon, Metalle weniger.

Viel Rauch um nichts

Die Theorie entstand im 17. Jahrhundert und hielt sich, bis Antoine Laurent de Lavoisier etwa 100 Jahre später das Prinzip der Oxidation entdeckte und damit die Phlogiston-Theorie widerlegte. Seitdem verbrennen die Kohlen auf Ihrem Grill durch Zuführung von Luftsauerstoff in einer Oxidationsreaktion.

Vor Lavoisier jedoch war die Verbrennung ein Rätsel, das die Wissenschaftler sich nicht erklären konnten. Der Feuerstoff war die vermeintliche Rettung aus der Bredouille.

Was den Naturwissenschaftlern damals wohl nicht auffiel: Das Erklärungsproblem war damit nur verschoben. Die Frage, die zwangsläufig hätte folgen müssen, war: „Wieso brennt das Phlogiston, wenn es erhitzt wird?“ Die Erklärung via Phlogiston war also vor allem viel Rauch um nichts.

Viel Rauch um nichts – Reloaded

Lustigerweise wiederholt sich das Muster der Scheinlösung durch Problemverschiebung im Wissenschaftsbetrieb immer wieder. Winston Churchill bemerkte ganz richtig: „Wer darin versagt, aus der Geschichte zu lernen, ist dazu verdammt, sie zu wiederholen.“

Eine verblüffend ähnliche Problemverschiebung wie die des Phlogistons geht auf eine Vermutung zurück, die der niederländische Astronom Jan Hendrik Oort 1932 erstmals äußerte. Er hatte beobachtet, dass die Sterne in den Randbezirken der Galaxien viel schneller liefen als erwartet. In meinem letzten Blogbeitrag mit dem Titel „Dunkel war’s, der Mond schien helle …“ gehe ich näher auf dieses Thema ein.

Oort konnte keine gute Erklärung für das merkwürdige Umlaufverhalten der Sterne finden und vermutete deshalb, es müsse noch mehr Materie in den Galaxien geben – eine Materie, die nicht sichtbar war, allerdings eine Gravitationswechselwirkung hatte. Die Theorie von der Existenz Dunkler Materie, damals noch „missing mass“ genannt, war geboren. Ein Großteil dieser Dunklen Materie wurde zwar später als Gas und Staub identifiziert, aber die zu schnell laufenden Sterne hat man bei Hunderten von Galaxien beobachtet. Die Idee hielt sich jedoch – einmal in die Welt gebracht – hartnäckig, auch wenn sie eigentlich naiv ist: denn man geht davon aus, dass das Gravitationsgesetz im Galaxienmaßstab gilt, obwohl diese millionenfach größer als das Sonnensystem sind.

Noch heute suchen Teilchenphysiker und Kosmologen nach dieser mysteriösen Dunklen Materie und es wurden auch neue, unerklärbare Phänomene gefunden, die mit ihr wunderbar erklärt – Verzeihung: verschoben – werden können. Eine hübsche Parallele zur Phlogiston-Theorie. Handelte es sich um einen Kinofilm, würde er wahrscheinlich den Titel „Viel Rauch um nichts – Reloaded“ erhalten.

Viel Rauch um nichts – Reloaded Reloaded

Die modernen Physiker haben sich aber mit der Problemverschiebung via Dunkler Materie nicht zufriedengegeben. Naturgemäß erzeugen solche Verschiebungen neue Probleme. So auch hier: Um das Verhalten von Galaxien und Galaxiehaufen mit Hilfe der Dunklen Materie erklären zu können, muss das Universum eine bestimmte Menge davon enthalten, die man in große Computersimulationen hineinsteckte. Ergebnis: ein völlig falsches Bild, man konnte die Entstehung von so viel Struktur im Universum nicht verstehen

Inzwischen wurde für das Problem der Strukturbildung wieder etwas neues erfunden, der sogenannte Bias. Was das ist? Keiner weiß es. Es ist die Verschiebung der Verschiebung sozusagen oder wenn Sie bei den Filmtiteln bleiben wollen: „Viel Rauch um nichts – Reloaded Reloaded“.

Wenn Ihnen das zu viel Rauch ist, kann ich Sie gut verstehen. Die Weigerung, etwas aus der Geschichte zu lernen, erscheint hier wirklich allzu hartnäckig. Interessanterweise ergibt die Kombination einer Idee von Einstein mit den Vorstellungen von Paul Dirac einen Erklärungsansatz, warum sich so viel Struktur im Universum gebildet hat: Vielleicht war die Gravitation im frühen Universum stärker.

Damit setze ich mich übrigens – unter anderem – in meinem neuen Buch „Einsteins verlorener Schlüssel: Warum wir die beste Idee des 20. Jahrhunderts übersehen haben“ auseinander.

DUNKEL WAR’S, DER MOND SCHIEN HELLE …

„Unser Universum besteht hauptsächlich aus dunkler Materie und dunkler Energie.“

Wie schön sicher das klingt. Dass bisher niemand dunkle Materie und dunkle Energie nachweisen konnte, scheint in der Physik wohl niemanden daran zu hindern, ihre Existenz als gegeben anzusehen. Dabei haben die Forscher die Existenz der beiden dunkeln Substanzen nur postuliert, um eine Diskrepanz zwischen dem nach der Gravitationstheorie erwarteten Verhalten von Galaxien und der tatsächlichen Beobachtung zu erklären.

Galaxien
Galaxien

Astronomen haben nämlich entdeckt, dass ab einem bestimmten Abstand vom Galaxiezentrum alle Sterne mit gleicher Geschwindigkeit um das Zentrum fliegen. Oder anders gesagt: Die äußere Sterne bewegen sich schneller als vom Gravitationsgesetz vorhergesagt.

Diese Diskrepanz wundert mich nun gar nicht so sehr. Wie soll sich denn ein Gravitationsgesetz, das auf der Erde gilt, auf das ganze Universum übertragen lassen – also in eine unvorstellbar größere Dimension?

Die Kosmologen wollten dieses Gesetz aber unbedingt beibehalten. War ja zunächst verständlich. Und deshalb suchten sie nach einem Ausweg für dieses Dilemma. Das Ergebnis: eine Materie, die die Forscher bisher noch nicht entdeckt haben, weil sie zwar Masse hat, also aktiv Gravitation ausübt, aber nicht nachgewiesen werden kann. Und davon gibt es im äußeren Bereich genau so viel mehr als im Inneren der Galaxien, dass sich die Sterne in Galaxien praktisch alle gleich schnell bewegen.

Kling logisch, oder?

Wenn Sie jetzt einmal von der Unplausibilität absehen, dass die Massenverteilung und Menge an dunkler Materie haargenau auf die Galaxie abgestimmt sein müsste, damit die Geschwindigkeiten in der Galaxie übereinstimmen, ergeben sich aus der Theorie der dunklen Materie noch ganz andere Probleme.

Um die Bildung der Galaxien im Universum zu erklären, muss man annehmen, dass die Dunkle Materie schon zur Frühzeit des Universums viel stärker konzentriert war als die normale – was natürlich eine völlig willkürliche Hypothese ist. Schließlich, um damit weitere Messungen zu „erklären“ nehmen die Kosmologie an, das Universum bestünde zu etwa 27 % aus dunkler Materie und zu knapp 68 % dunkler Energie. 95 % aller Substanzen im Universum hätte also noch kein Mensch jemals gesehen oder gemessen.

Entschuldigen Sie meinen ironischen Unterton, aber: Klingt logisch, oder?

Da freut es mich, wenn ich im Gegensatz dazu einen Satz lese wie den folgenden, zitiert aus Robert Sanders Buch The Dark Matter Problem: „Das wirkliche Problem ist: Dunkle Materie ist nicht falsifizierbar. Der Einfallsreichtum und die Einbildungskraft der theoretischen Physiker kann jeder astronomischen Nicht-Detektion mit der Erfindung neuer Kandidaten begegnen.“

Ziemlich gut auf den Punkt gebracht. Und das würde mich nicht so betrüben, würden nicht so unglaublich viele Forschungsgelder dafür ausgegeben werden, diesen dunklen Substanzen hinterherzujagen.