"Man muss ja einen konkreten Zweck angeben können"

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Am 10. 9. ist es endlich soweit, dann soll der größte Teilchenbeschleuniger der Welt, der Lage Hadron Collider (LHC), am Kernforschungszentrum Cern bei Genf seinen Betrieb aufnehmen. Das Mega-Experiment soll den Wissenschaftlern neue Aufschlüsse darüber geben, was die Welt in ihrem Innersten zusammenhält.

Auf der Suche nach diesem Zusammenhang haben die Teilchenphysiker bisher immer neue Puzzlesteine gefunden – einen ganzen Zoo exotischer subatomarer Teilchen. Selbst die Bestandteile des Atomkerns, die Protonen und Neutronen, sind aus noch kleineren elementaren Bestandteilen zusammengesetzt: Quarks und Gluonen.

Das so genannte Standardmodell der Elementarteilchenphysik erklärt, wie das geht: Demnach bestehen die Grundbestandteile aus Atomkerns aus Quarks, die Gluonen austauschen und so zusammengehalten werden - ähnlich wie ein Elektron die Protonen eines Wasserstoff-Moleküls verbindet. Dabei hält sich das Elektron mal bei dem einen Proton auf und mal bei dem anderen. Beide Zustände sind energetisch ungünstiger als der kombinierte Zustand, in dem das Elektron beide Protonen umkreist und so die beiden Kerne bindet. Dieses Denkmodell lässt sich im Prinzip nicht nur auf die Kräfte im Inneren von Atomkernen anwenden: (Fast) jede Kraft, lässt sich im Standardmodell durch den Austausch von Wechselwirkungsteilchen darstellen.

Damit das atomare Puzzle passt, muss man jedoch annehmen, dass es mindestens zwei verschiedene Sorten (Flavour) von Quarks gibt, die unterschiedliche elektrische Ladungen besitzen. Neutronen kann man so beispielsweise aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark zusammensetzen. Teilchen, die dieser starken Wechselwirkung im Kern unterliegen, heißen Hadronen. Um die zahlreichen anderen beobachteten Teilchen zu erklären, muss man noch vier weitere Quark-Sorten einführen. Die oben genannte Kraft zwischen den Quarks durch Gluonenaustausch kommt durch eine neue Eigenschaft der Quarks zustande. Sie wird "Farbe" genannt und tritt in drei elementaren Varianten auf, die in Analogie zur Farblehre Rot, Grün und Blau heißen. Im Neutron neutralisieren sich die drei Farbladungen der Quarks, es ist "weiß"– das gilt im Prinzip für alle stabilen, in der Natur vorkommenden Teilchen.

Das Elektron fällt aus diesem Schema heraus, denn es reagiert nicht auf die starken Kernkräfte. Solche Teilchen werden als Leptonen bezeichnet. Sie reagieren auf die so genannte elektroschwache Wechselwirkung, indem sie ebenfalls spezielle Quanten austauschen. Eigentlich müsste die Masse dieser vermittelnden Teilchen null sein. Allerdings ist nur das Photon masselos. Die Bosonen Z0, W- und W+ besitzen dagegen von null verschiedene Massen. Um dieses Problem zu lösen, haben die Physiker im Standardmodell ein hypothetisches Partikel eingeführt, das Higgs-Boson, dessen Nachweis sich damit als Prüfstein des Standardmodells erweist.

Allerdings hat das Standardmodell einen kleinen Haken: Alle darin beschriebenen Teilchen sind masselos. Um Masse, und damit Gravitation, in das Modell einzuführen, wurde das Higgs-Teilchen postuliert, aber bis heute nicht nachgewiesen.

Doch es harren noch grössere Probleme einer Lösung als das Higgs-Boson. Die zeitgenössische Physik arbeitet mit zwei grossen Theoriegebäuden: den Relativitäts- und den Quantentheorien. Erstere erklären Phänomene im ganz Großen, letztere Phänomene im ganz Kleinen. Diese Theoriegebäude widersprechen sich. In Teilchenbeschleunigern werden sehr grosse Energien auf sehr engem Raum konzentriert, so dass die Welt des Grossen und die Welt des Kleinen zusammentreffen. Deshalb erhoffen sich die PhysikerInnen aus solchen Experimenten Hinweise darauf, wie sich die Widersprüche auflösen liessen.

Knackpunkt ist auch hier die Gravitation (Schwerkraft), die quantentheoretisch nicht erklärbar ist. Die Physik beobachtet vier Wechselwirkungen (Kräfte) zwischen Materieteilchen – die starke, die schwache, die elektromagnetische Wechselwirkung und die Gravitation. Viele PhysikerInnen hoffen, alle vier Kräfte als Ausdruck einer einzigen Urkraft verstehen zu können – das wäre die "Theorie für Alles" oder "Weltformel". Für die ersten drei Kräfte ist diese Vereinheitlichung gelungen.

Wird die Vereinheitlichung eines Tages ganz gelingen und auch die Gravitation mit einbeziehen? Der ambitionierteste Ansatz dazu heisst Superstringtheorie. Sie postuliert, dass die "Teilchen" ihrerseits aus "Strings" (englisch für Saite) aufgebaut seien – aus eindimensionalen, schwingenden Objekten. Damit diese Theorie mathematisch möglich ist, muss der Raum mindestens neun Dimensionen aufweisen.

Bisher ist nicht absehbar, dass die Superstringtheorie jemals experimentell überprüfbar sein wird. Verlässt sie theoretische Physik damit den Boden der Wissenschaft und wird zur puren Spekulation? Reiner Hedrich, Wissenschaftsphilosoph an der Technischen Universität Dortmund, befasst sich mit Theorien und Konzepten der zeitgenössischen Physik und hat die Debatte über die Wissenschaftlichkeit moderner physikalischer Konzepte untersucht.

Technology Review: Herr Hedrich, wenn man die Physiker fragt, was sie sich vom LHC erhoffen, so wird als erstes die experimentelle Bestätigung des Higgs-Bosons genannt. Ein milliardenteures Experiment, nur um ein Teilchen zu finden, dessen Existenz sowieso alle annehmen?

Reiner Hedrich: Man muss ja einen konkreten Zweck angeben können, wofür man das Geld ausgeben will. Das Higgs-Teilchen eignet sich dafür gut. Es ist interessant, weil damit die Quantenfeldtheorie (eine Weiterentwicklung der Quantenphysik, Anm. der Red.) steht und fällt. Existiert es nicht, muss man eventuell eine ganz neue Theorie entwickeln. Aber es geht am LHC nicht nur um das Higgs-Boson. Es gibt im Bereich der Quantengravitation viele hoch spekulative Theorien, zu denen man sich vom LHC Hinweise erhofft. Beispielsweise die Superstringtheorie. Diese erfordert die "Supersymmetrie", das heisst, zu jedem bekannten Teilchen muss ein "supersymmetrischer" Partner existieren. Findet man keine solchen Partnerteilchen, würde das darauf hinweisen, dass die Superstringtheorie falsch ist. Vielleicht findet man mit dem LHC aber auch gar nichts, das die Physik weiter bringt.

TR: Was bedeutet eigentlich "Teilchen"? Ist das etwas, das es tatsächlich gibt – oder ist das nur ein abstraktes Konzept, um die Welt mathematisch zu fassen?

Hedrich: Der Begriff ist sehr problematisch. "Higgs-Teilchen" ist nur ein Begriff für eine Ausprägung eines Quantenfeldes, des Higgs-Feldes. Mit dem Alltagsbegriff hat das nichts zu tun.

"Man muss ja einen konkreten Zweck angeben können"

TR: Sie sprachen von der Hoffnung, Hinweise auf die Superstringtheorie zu finden. Aber um "Strings" experimentell nachzuweisen, bräuchte es einen Beschleuniger, größer als unser Sonnensystem. Stößt die Physik mit dem LHC an die Grenze des Erforschbaren?

Hedrich: Man sucht nach Konsequenzen der Theorie, zu deren Nachweis es keine unmöglich großen Beschleuniger bräuchte – beispielsweise die Supersymmetrie. Der Stringansatz hat aber das Problem – manche sehen das als Vorteil –, dass er in etwa 10 hoch 500 Varianten denkbar ist. Könnte man konkretere Vorhersagen der Theorie im Experiment prüfen, dann passte zu allen Daten mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit eine Unzahl von Theorievarianten. Das brächte keinen Erkenntnisgewinn. Die Superstringtheorie kann heute aber gar keine numerischen Aussagen machen, die sich direkt allenfalls überprüfen ließen. Die Stringtheoretiker arbeiten deshalb an einer Theorie, die das könnte. Diese sogenannte M-Theorie gibt es jedoch noch gar nicht.

TR: Die M-Theorie ist erst die Idee einer Theorie?

Hedrich: Ich würde sagen: der Ansatz zu einer Idee zu einer Theorie.

TR: Einige Physiker, etwa der Nobelpreisträger Robert Laughlin, meinen, eine Theorie, die nicht überprüft werden könne, sei keine Wissenschaft, sondern Spekulation.

Hedrich: Ich würde sagen: Die Superstringtheorie ist etwas, das zu Wissenschaft werden könnte, wenn es weitere Erfolge haben sollte. Zur Zeit ist sie das Vorstadium einer Theorie.

TR: Einige meinen, sie sei doch Wissenschaft.

Hedrich: Was die Stringtheoretiker tun, ist nicht unsinnig. Sie tun, was Theoretiker immer taten: Sie denken theoretische Konzepte fort. Die Ausgangslage ist die, dass die Quantenfeldtheorie und die Relativitätstheorie unverträglich sind. Die Gravitation konnte bisher quantentheoretisch nicht erklärt werden. Die Stärke der Stringtheoretiker ist, dass sie die Gravitation formal reproduzieren können. Nur gibt es noch nicht einmal eine Idee, wie diese Theorien experimentell geprüft werden könnten. Und es gibt Grund zur Annahme, dass das so bleibt.

TR: Weshalb wird seit einem Vierteljahrhundert so viel intellektuelle Energie dafür aufgewendet, an etwas zu arbeiten, das sich sowieso nicht überprüfen lässt? Ist das nicht scholastische Haarspalterei?

Hedrich: Was wäre die Alternative? Man muss es versuchen. Das Problem der nicht vereinbaren Theorien ist seit den zwanziger Jahren bekannt. Mit den Strings – einem Konzept, das eigentlich auf einem anderen Gebiet entwickelt wurde – konnte man das Problem zumindest formal lösen. Es gibt aber auch andere Ansätze, die ganz andere Wege gehen – etwa die sogenannte Schleifen-Quantengravitation.

TR: Die Idee, dass sich die beiden grossen Theorien vereinheitlichen lassen, dass es eine Theorie von Allem gibt, oder auch die Idee der Supersymmetrie: Sind das nicht rein ästhetische Konzepte?

Hedrich: Es gibt zwei Typen der Vereinheitlichung. Der bescheidenere, dem die Schleifen-Quantengravitation folgt, versucht lediglich, die Widersprüche auszuräumen. Das scheint mir vernünftig, denn es ist schwer vorstellbar, dass die Welt nach Gesetzen funktioniert, die sich widersprechen. Der andere Ansatz, den die Stringtheoretiker verfolgen, will eine einheitliche "Weltformel" finden, die alle grundlegenden Naturgesetze erklärt. Das ist letztlich eine metaphysische Idee mit ästhetischem Anklang. Aber die Physik ist seit Newton mit dieser Idee erstaunlich weit gekommen.

TR: Bis in die frühe Neuzeit gab es die ästhetische Idee, alle Himmelskörper bewegten sich auf Kreisen. Je genauer die Beobachtungen wurden, desto kompliziertere – und hässlichere – theoretische Verrenkungen wurden nötig, um die Idee aufrecht zu erhalten. Bis Johanns Kepler kam und sagte: Es sind gar keine Kreise, es sind Ellipsen. Könnte es sein, dass wir wieder an einem solchen Punkt stehen?

Hedrich: Ich kann mir gut vorstellen, dass wir ganz andere Konzepte bräuchten. Möglicherweise sind wir in einer Sackgasse, vielleicht aber auch auf dem richtigen Weg. Vielleicht wird der LHC ganz unerwartete Indizien liefern, die uns die Richtung weisen.

"Man muss ja einen konkreten Zweck angeben können"

TR: Mir scheint, in der theoretischen Physik werde etwas getrickst. Nehmen wir das Beispiel der dunklen Materie, auf die man sich am LHC auch Hinweise erhofft. Man beobachtet eine gewisse Menge Materie im Universum, aber laut Theorie müsste es viel mehr davon geben. Also postuliert man einfach, dass neben der beobachteten Materie noch sehr viel andere, unsichtbare, eben "dunkle" Materie bestehe.

Hedrich: In Ihrem Beispiel würde ich nicht von Trickserei sprechen. Die Gravitationstheorie, die angesichts der vorliegenden astrophysikalischen Belege zur Folge hat, besagt, dass es mehr Materie geben muss, ist gut erprobt, mit ihr haben wir erfolgreich Raketen auf den Mond geschossen. Wenn man sie nicht aufgeben will, braucht man so etwas wie die dunkle Materie. Aber in anderen Fällen wird – in bester Absicht – schon manchmal getrickst.

TR: Einige argumentieren, die Superstringtheorie müsse stimmen, weil es anders nicht sein könnte.

Hedrich: Wenn diese Leute ehrlich wären, würden sie das Argument so formulieren: "Die Superstringtheorie muss stimmen, weil ich ihr zwanzig Jahre meines Berufslebens gewidmet habe..."

TR: Es gibt Befürchtungen, der LHC könnte Ereignisse auslösen, die die Erde zerstören werden. Das Cern argumentiert dagegen: Wir tun nichts, was in der Natur nicht auch geschieht. Ist das nicht eine unzulässige Gleichsetzung von Laborsituation und Realität?

Hedrich: Tatsächlich geschieht alles, was man am Cern tut, auch in der Natur, aber die Bedingungen sind teilweise andere. Die Leute am Cern unterscheiden sehr genau zwischen Labor und Natur, aber sie brauchen ein starkes Argument gegen die Befürchtungen. Es gibt andere gute Argumente, weshalb die Experimente nicht gefährlich sind, aber die sind viel komplizierter zu erläutern.

TR: Der Cern-Physiker Rolf Landua schreibt in seinem Büchlein "Am Rand der Dimensionen": "Vielleicht erleben wir gerade den Beginn der nächsten Stufe der Bewusstseinsentwicklung. Ein quasi-neuronaler Verbund aus Tausenden miteinander kommmunizierender Physiker löst ein extrem komplexes Problem, das ein einzelner Verstand nicht mehr überblicken kann. Wenn wir einen Sinn in unserer Existenz suchen, liegt er vielleicht darin, dass unser Universum durch uns zu einer Art Bewusstsein kommt und neue Wege sucht, über sich nachzudenken." Ist das nun eine Verheißung, eine abgedrehte Science-Fiction-Fantasie oder einfach nur Hybris?

Hedrich: Die Physiker am Cern sind im Moment alle etwas aufgeregt, da fließen die Hormone ... Ich will nicht ausschließen, dass es ein kollektives Bewusstsein geben kann, aber am Cern würde ich das nicht suchen. Ich finde es sehr kurios, wenn Wissenschaftler solche Dinge öffentlich äußern. (bsc)