Das elegante Universum. Superstrings, verborgene Dimensionen und die Suche nach der Weltformel
Brian Greene, 1999
Die beiden genauesten Theorien der Physik widersprechen einander. Brian Greene zeigt, wo genau sie zusammenstoßen und wie die Stringtheorie versucht, sie zu versöhnen: Teilchen als Töne winziger Saiten, verborgene Dimensionen, ein Raum, der reißen kann. Schön, kühn und bis heute durch kein Experiment bestätigt.
Für wen
Für alle, die wissen wollen, woraus die Welt in ihrem tiefsten Inneren besteht, und die Stringtheorie ohne Formeln verstehen möchten, ohne eine schöne Idee mit einer geprüften Tatsache zu verwechseln.
In ihrer heutigen Form können die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik nicht beide zugleich richtig sein.
Worum es geht
Die Physik des 20. Jahrhunderts hat zwei große Theorien. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Gravitation, die Sterne und die Ausdehnung des Universums. Die Quantenmechanik beschreibt Atome und Teilchen. Beide sind mit enormer Genauigkeit geprüft. Und beide können, wie Brian Greene zeigt, in ihrer heutigen Form nicht zugleich richtig sein: Wo man beide auf einmal braucht, liefern die Rechnungen keine sinnvollen Antworten mehr.
Greene, Physiker an der Columbia University, arbeitet selbst an der Stringtheorie, dem wichtigsten Kandidaten für eine Versöhnung dieser beiden Theorien. Er führt den Leser fast ohne Formeln, anhand von Bildern: eine Geigensaite, einen Gartenschlauch, eine Ameise.
Wichtig von der ersten Seite an: Die Stringtheorie ist eine Hypothese. Als das Buch 1999 erschien, hatte kein einziges Experiment sie bestätigt, und bestätigt ist sie auch heute nicht. Greenes Analogien helfen zu verstehen, was die Theorie vorschlägt, aber sie beweisen nichts. Deshalb steht hier am Ende jeder Idee, wie gut sie bestätigt ist.
Idee 1. Zwei Wahrheiten, die sich nicht vertragen
Für Einstein ist der Raum ein glattes Gewebe, das Massen sanft krümmen. Für die Quantenmechanik zittert die Welt bei kleinen Abständen: Je kleiner der Ausschnitt, den du betrachtest, desto stärker sind die ungeordneten Schwankungen der Energie darin. Das verlangt die Unschärferelation.
Greene schlägt vor, den Raum immer näher zu betrachten, wie durch eine Lupe. Zuerst ist alles glatt. Dann tauchen Wellen auf. Und bei Abständen von etwa 10⁻³³ Zentimetern (das ist die sogenannte Planck-Länge) werden die Wellen zu einem Brodeln. Der Physiker John Wheeler nannte dieses Bild „Quantenschaum“. Nach diesem Bild gibt es dort das glatte Gewebe, auf dem Einsteins Theorie aufbaut, vielleicht gar nicht.
Im Alltag ist der Konflikt nicht zu bemerken: Sterne sind groß und schwer, Teilchen klein und leicht. Aber im Zentrum eines Schwarzen Lochs und ganz am Anfang des Universums ist eine riesige Masse auf ein winziges Volumen zusammengepresst. Dort braucht man beide Theorien zugleich, und zusammen liefern sie sinnlose Unendlichkeiten.
Beide Theorien sind durch Beobachtungen bestätigt, jede in ihrem Bereich, und ihre Unvereinbarkeit ist ein allgemein anerkanntes Problem. Der „Schaum“ bleibt ein Bild: Solche Skalen hat niemand direkt beobachtet.
Ein Tisch sieht glatt aus, unter dem Mikroskop aber ist er von Furchen durchzogen. Wenn du, wie Greene vorschlägt, noch näher heranzoomst, bleibt nirgends etwas Ebenes übrig.
Der Konflikt heißt nicht, dass eine der Theorien falsch ist. Eher könnten beide Annäherungen an etwas Tieferes sein.
Über den Autor
Brian Greene (geboren 1963) ist ein amerikanischer theoretischer Physiker, Professor an der Columbia University und Fachmann für Stringtheorie. Er ist einer der bekanntesten Vermittler der Physik für ein breites Publikum. „Das elegante Universum“ ist sein erstes populärwissenschaftliches Buch.
Alle Bücher des Autors: Brian Greene
Begriffe aus dem Buch
- Entropie
- Quantenmechanik
- Morrison
- Wheeler
- Photon
- Allgemeine Relativitätstheorie
- Stringtheorie
- Einstein: Albert Einstein, ein Physiker des 20. Jahrhunderts, Begründer der Relativitätstheorie. Seine Theorie des glatten Raums ist eine der beiden Theorien, zwischen denen die Stringtheorie zu vermitteln versucht.
- Unschärferelation: Ein Gesetz der Quantenmechanik, das Werner Heisenberg 1927 formulierte: Man kann nicht gleichzeitig genau wissen, wo sich ein Teilchen befindet und wie schnell es sich bewegt. Daraus folgt, dass die Energie auf kleinen Skalen ständig „zittert“.
- Planck-Länge: Etwa 10⁻³³ Zentimeter. Die Skala, auf der nach heutigem Verständnis die Quanteneffekte der Gravitation wesentlich werden.
- Quantenschaum: Ein Bild von John Wheeler: Der Raum könnte auf kleinsten Skalen wegen der Quantenschwankungen nicht glatt sein, sondern brodeln. Ein Bild zum Verstehen, keine Beobachtung.
- Veneziano: Gabriele Veneziano, ein italienischer theoretischer Physiker. Seine Formel von 1968 für Teilchenkollisionen wurde zum ersten Schritt zur Stringtheorie.
- Starke Wechselwirkung: Die stärkste der vier Grundkräfte der Natur. Sie hält die Quarks in Protonen und Neutronen zusammen und diese wiederum im Atomkern.
- Euler: Leonhard Euler, ein Schweizer Mathematiker des 18. Jahrhunderts, einer der produktivsten der Geschichte. Venezianos Formel stützte sich auf eine Funktion, die Euler zwei Jahrhunderte zuvor untersucht hatte.
- Scherk: Joël Scherk, ein französischer theoretischer Physiker. 1974 schlug er zusammen mit John Schwarz vor, Strings als eine Theorie zu betrachten, die die Gravitation einschließt.
- Schwarz: John Schwarz, ein amerikanischer theoretischer Physiker, einer der Begründer der Stringtheorie. 1974 entdeckte er zusammen mit Joël Scherk in den Strings das Teilchen der Gravitation.
- Graviton: Ein hypothetisches Teilchen, das die Gravitation überträgt, so wie das Photon das Licht überträgt. Es wurde bisher nicht nachgewiesen.
- Quark: Eines der kleinsten Teilchen, aus denen Protonen und Neutronen im Atomkern bestehen. Kommt in der Natur nicht einzeln vor.
- Kaluza: Theodor Kaluza, ein deutscher Mathematiker und Physiker. 1919 schlug er vor, dem Raum eine weitere Dimension hinzuzufügen, um Gravitation und Elektromagnetismus zu vereinen.
- Klein: Oskar Klein, ein schwedischer Physiker. 1926 erklärte er, warum Kaluzas zusätzliche Dimension nicht zu bemerken ist: Sie ist zu einem winzigen Ring aufgerollt.
- Aufgerollte Dimensionen: Zusätzliche Dimensionen des Raums, die die Stringtheorie verlangt. Der Hypothese nach sind sie so stark aufgerollt, dass man sie nicht bemerken kann. Anzeichen für ihre Existenz wurden bisher nicht gefunden.
- Calabi-Yau: Komplizierte sechsdimensionale Formen, benannt nach den Mathematikern Eugenio Calabi und Shing-Tung Yau. In der Stringtheorie sind sie Kandidaten für die Form der verborgenen Dimensionen.
- Aspinwall: Paul Aspinwall, ein theoretischer Physiker, Mitautor Greenes bei einer Arbeit von 1993 darüber, dass der Raum in der Stringtheorie ohne Katastrophe reißen kann.
- Witten: Edward Witten, ein amerikanischer theoretischer Physiker, einer der führenden Fachleute für Stringtheorie. Der einzige Physiker, der die Fields-Medaille erhalten hat, die höchste Auszeichnung der Mathematik. 1995 schlug er die M-Theorie vor.
- M-Theorie: Eine tiefere Theorie, die Edward Witten 1995 vorschlug und in der sich die fünf Varianten der Stringtheorie als Sonderfälle herausstellen könnten. Sie ist nicht vollständig formuliert.
- Strominger: Andrew Strominger, ein amerikanischer theoretischer Physiker. 1996 berechnete er zusammen mit Cumrun Vafa mithilfe der Stringtheorie die Entropie bestimmter Schwarzer Löcher.
- Vafa: Cumrun Vafa, ein amerikanischer theoretischer Physiker iranischer Herkunft, Mitautor der Berechnung der Entropie Schwarzer Löcher von 1996 zusammen mit Andrew Strominger.
- Bekenstein: Jacob Bekenstein, ein israelischer Physiker. 1972 vermutete er, dass ein Schwarzes Loch eine Entropie hat, die von der Größe seiner Oberfläche abhängt.
- Hawking: Stephen Hawking, ein britischer theoretischer Physiker. 1974 zeigte er, dass Schwarze Löcher schwach strahlen, und präzisierte Bekensteins Formel für die Entropie.
- Superpartner: Hypothetische schwere Doppelgänger der bekannten Teilchen, die von der Supersymmetrie vorhergesagt werden. Am Large Hadron Collider wurden sie bisher nicht gefunden.
- Supersymmetrie: Eine Hypothese, nach der jedes bekannte Teilchen einen schwereren Partner hat. Sie gehört zur Superstringtheorie, ist aber experimentell nicht bestätigt.
- Large Hadron Collider: Der stärkste Teilchenbeschleuniger der Welt: ein unterirdischer Ring von etwa 27 km Länge bei Genf, am CERN. Er ging 2008 in Betrieb, 2012 wurde an ihm das Higgs-Boson entdeckt.
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