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.

WIEVIEL PSYCHOLOGIE STECKT IN DER PHYSIK?

Wieso gilt eine wissenschaftliche Theorie eigentlich als richtig oder falsch? Wenn Sie glauben, dass es dabei nur darauf ankommt, ob physikalische Beweise oder Gegenbeweise vorliegen oder nicht, muss ich Sie enttäuschen. Das ist nur die halbe Wahrheit.

Den Rest finden Sie im Reich der Psychologie …

Anerkennung dringend gesucht!

Die Geschichte Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie beispielsweise ist voller Emotionen und spektakulärer Beweismittel – aber ob daraus die richtigen Schlüsse gezogen wurden, steht buchstäblich in den Sternen.

Als Einstein zwischen 1912 und 1915 im Ringkampf mit der Mathematik seiner berühmten Theorie Schritt für Schritt immer näher kam, war das eine enorme gedankliche Leistung – und harte Arbeit. Er schrieb: „Ich beschäftige mich jetzt ausschließlich mit dem Gravitationsproblem. Das eine ist sicher, dass ich mich im Leben noch nicht annähernd so geplagt habe. Rauchen wie ein Schlot, arbeiten wie ein Ross, Essen ohne Überlegung und Auswahl, Spazierengehen leider selten, schlafen unregelmäßig.“

Gegen Ende 1915 wurde der Stress umso größer, als Einstein klar wurde, dass der berühmte Mathematiker David Hilbert auf seine Ideen aufmerksam geworden war. Ab sofort war Einstein getrieben von der Angst, dass der brillante Hilbert ihm noch zuvorkommen könnte beim Aufstellen der Gleichungen, die später als „Einsteinsche Gleichungen“ in die Geschichte eingehen sollten.

Mit den Gleichungen war Einstein praktisch am Ziel. Er war von der Richtigkeit seiner Berechnungen überzeugt und konnte vor Herzklopfen nicht schlafen, als er mit seiner Theorie eine beobachtete Anomalie der Umlaufbahn des Merkur um die Sonne korrekt berechnen konnte. Aber dennoch stand noch die offizielle, allgemeine Anerkennung aus. Der Ritterschlag fehlte noch. Und den konnte damals nur die führende Institution von Wissenschaftlern jener Zeit, die Royal Society in London vergeben. Auch wenn vermutlich keiner der Mitglieder die Einsteinsche Relativitätstheorie überhaupt verstand!

Was fehlte, war jedenfalls eine unabhängige Bestätigung seiner Theorie, ein Beleg, der von der Royal Society anerkannt wurde. Etwa fünf Jahre lang versuchten mehrere Wissenschaftler, die Relativitätstheorie durch Messungen von Naturphänomenen zu belegen oder zu widerlegen. Z.B. durch die Messung der Ablenkung von Sternenlicht durch die Gravitation unserer Sonne. Das war jedoch nur bei einer totalen Sonnenfinsternis möglich.

Der Moment, ab dem Einstein recht hatte

Der erste Weltkrieg machte es damals nicht leicht, auf dem Globus umherzureisen, um geeignete Sonnenfinsternisse zu vermessen. Da wurden auch schon mal Wissenschaftler als feindliche Spione festgesetzt, weil ihre merkwürdigen Messinstrumente Verdacht erregten – so passierte es dem Astronomen Erwin Freundlich auf der Krim 1914!

Aber Ende 1919 war es dann soweit. Dem jungen britischen Physiker Arthur Eddington gelang eine Expedition zu den abgelegenen Orten Sobral in Brasilien und Principe vor der westafrikanischen Küste. Zunächst störte das schlechte Wetter die Messungen, nur ganz wenige glückten. Die Fotoplatten aber wurden anschließend von der Hitze des Klimas stark beeinträchtigt. Die Auswertung der Ergebnisse war darum äußerst diffizil – und leider gar nicht eindeutig.

Dann aber ließ Eddington ein den gewünschten Ergebnissen widersprechendes Foto einfach weg (erst im Nachhinein stellte sich dies als gerechtfertigt heraus) und so passte es ganz gut: Einstein hatte eine Ablenkung des Sternenlichts von 1,7 Bogensekunden vorausgesagt und etwa dieser Wert konnte nun aus den Messdaten herausinterpretiert werden.

Eddington reiste nach London und präsentierte seine Ergebnisse am 06.11.1919 vor der Royal Society. Die führenden Physiker der Welt waren anwesend, darunter auch der berühmte, 84-jährige Lord Kelvin.

Eddington machte seine Sache gut, er trat entschieden und überzeugend auf und referierte, dass seine Messungen die neue Gravitationstheorie von Einstein bestätigten. Diese Aussage hatte eine ungeheure Wirkung: Wenn Einstein recht hatte, galt im Universum nicht die Newtonsche Physik, sondern die Einsteinsche!

Alle Anwesenden waren sich der Dimension dieser wissenschaftlichen Umwälzung bewusst, und einige der älteren Koryphäen verweigerten prompt ihre Zustimmung, Lord Kelvin verließ sogar erschüttert den Raum. Doch die anderen reagierten enthusiastisch.

Am nächsten Tag titelte die New York Times: „Einsteins Theorie triumphiert“ – und darunter: „Sterne nicht dort, wo erwartet, aber niemand muss sich Sorgen machen.“

Ab diesem Moment hatte sich Einsteins Theorie durchgesetzt.

Psychologie entscheidet über richtig oder falsch

Dass die Messergebnisse damals durchaus anzuzweifeln waren? Egal. Dass die Überzeugungskraft der Ergebnisse ganz wesentlich von Eddingtons Präsentationskünsten abhingen? Ach, kommen Sie! Dass kaum einer die Theorie überhaupt verstand? Was soll’s! Und dass man bis heute die von Einsteins Theorie vorhergesagten und in der Natur gemessenen Ergebnisse auch ganz anders interpretieren kann, als es Einstein und alle anderen Wissenschaftler damals und auch bis heute tun? Geschenkt!

Anstatt nämlich die Ablenkung mit einer Raumkrümmung zu interpretieren, können Sie auch genauso gut eine variable Lichtgeschwindigkeit annehmen. Einstein selbst hatte diese Idee 1911 sogar erwähnt. Die Wissenschaft hat diese vielleicht beste Idee des 20. Jahrhunderts seitdem konsequent übersehen. Sie würde eine einfachere und logischere Interpretation der Allgemeinen Relativitätstheorie ermöglichen, die die kosmologischen Daten viel besser beschreibt. Aber seit dem Triumph in der Royal Society von 1919 interessiert das niemanden.

Denn die ganze Wahrheit ist: Ob eine physikalische Theorie als richtig oder falsch gilt, hängt im Wesentlichen von einem soziologischen und psychologischen Prozess unter den Experten ab.

Glauben Sie’s oder glauben Sie’s nicht!

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.

Revolution durch Reduktion

Isaac Newton

Wie schwer Sie sich fühlen, hängt vielleicht nicht nur von Ihrer eigenen Körpermasse ab, sondern von der Gesamtmasse des Universums.

Sie erinnern sich vielleicht: Sir Isaac Newton war es, der zum ersten Mal die Anziehungskraft zweier Körper in seinem Gravitationsgesetz beschrieb. Ernst Mach hatte dazu einen interessanten Gedanken: Die Stärke der Gravitationskraft könnte von der Gesamtmasse des Universums abhängen.

Warum dieser Gedanke so spannend ist?

Newton hatte für seine Berechnung der Gravitationskraft einen mathematischen Kunstgriff benötigt, der als Gravitationskonstante bezeichnet wird. Es ist ein fester Zahlenwert, dessen Existenz die Theorie jedoch nicht erklären kann.

Hinge die Gravitation jedoch von der Gesamtmasse des ganzen Universums ab, würde die Gravitationskonstante wegfallen. Statt einer unerklärten Zahl, gäbe es eine Erklärung für den Wert, der hinter dieser Zahl steckt. Diese Reduktion um eine Konstante könnte für die Physik eine Revolution bedeuten.

Und jetzt kommt der Clou: Diese Revolution könnte gelingen, wenn die Lichtgeschwindigkeit veränderlich wäre.

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.

Alle modernen Tests, die es heute dazu gibt, werden von beiden Möglichkeiten korrekt beschrieben – das wurde inzwischen ausführlich bewiesen.

Allerdings hat Einstein die Möglichkeit der variablen Lichtgeschwindigkeit nicht weiter verfolgt und inzwischen ist sie fast völlig in Vergessenheit geraten. Es ist ein bisschen so, als hätte die Physik einen Schatz noch nicht gehoben, der schon seit über hundert Jahren versunken in ihrem Hafenbecken liegt. Unglaublich? Aber wahr.

Welchen Zusammenhang die Gravitation mit einer variablen Lichtgeschwindigkeit haben könnte, dazu hatte der geniale amerikanische Astrophysiker Robert Dicke 1957 eine Idee. Sie basiert auf einer Formel, die Einstein 1911 entwickelte, als er an seiner Relativitätstheorie arbeitete: Die Summe aller Gravitationspotenziale des Universums könnten genau dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit entsprechen.

Das heutige Standardmodell der Kosmologie hat für diesen Zusammenhang jedoch keine Erklärung. Da diese Möglichkeit so ein faszinierendes, revolutionäres Potenzial hat, lohnt es sich, sie nochmal aus der Gruft der ad acta gelegten Ideen der Physik zu holen und zu prüfen, ob sie nicht doch reanimiert werden kann.

Sie dürfen sich durchaus aufgefordert fühlen. Wer weiß, vielleicht heben Sie ja den versunkenen Schatz?

Mehr zum Thema erfahren Sie in meinem Buch „Einsteins verlorener Schlüssel“, das im November erscheint.