Die Sehnsucht der Physiker nach der Weltformel

In der Physik wird seit jeher in zwei Abteilungen geforscht - und das mit grossem Erfolg. Die Experimentalphysiker stellen mit ihren Versuchen grosse Datenmengen bereit, die Theoretiker verdichten diese zu abstrakten Gedankengebäuden oder gar zu Axiomen. Einige Beispiele aus den verschiedenen Fachgebieten der Physik soll dies veranschaulichen.

Die klassische Mechanik befasst sich mit den Bewegungen der Körper und lässt sich bis zur Antike zurückverfolgen. Das Hebelgesetz oder die Wurfparabel kennt jeder Gymnasiast. Dem Engländer Isaac Newton gelang es bereits 1687 all diese Bewegungsphänomene in nur drei allgemeingültige Gesetze zu packen. Das zweite newtonsche Axiom heisst beispielsweise: Die Bewegungsänderung einer Masse ist proportional zur einwirkenden Kraft.

Auf dem Gebiet der Elektrik entwickelte der Schotte James Clerk Maxwell 1864 seine berühmten Maxwell-Gleichungen. In nur vier mathematischen Beziehungen beschrieb er den Zusammenhang von elektrischen und magnetischen Feldern mit elektrischen Ladungen und dem elektrischen Strom.

Eine der vier Maxwell-Gleichungen

Das Gebiet der Wärmelehre bzw. der Thermodynamik haben die Theoretiker durch drei sogenannte Hauptsätze strukturiert. Einer heisst z. B. ganz lapidar: Der absolute Nullpunkt ist unerreichbar. Ein anderer bestimmt, dass ein "perpetuum mobile" - also eine Maschine, die dauernd Arbeit leistet ohne, dass man ihr Energie zuführt - unmöglich sei. ( Viele "Erfinder" hat das allerdings bis heute nicht davon abgehalten, solche Maschinen dem Publikum vorzustellen). 


Die Kernphysik im Visier

Nach dem 2. Weltkrieg beschäftigten sich viele Physiker mit der Physik der Elementarteilchen. Die immer mehr ausufernde Kernphysik war ihnen jedoch ein Gräuel und sie versuchten dieses Fachgebiet in ein theoretisches Korsett zu pressen. Der deutsche Nobelpreisträger Werner Heisenberg war der erste, welcher 1958 mit seiner sog. Weltformel an die Öffentlichkeit ging. Das riesige Gebiet der Kernphysik hatte er auf eine einzige Gleichung reduziert. Leider war sie falsch und er musste sie bald darauf zurückziehen.

Auch Albert Einstein beschäftigte sich damals mit ähnlichen Ideen zur formalen Reduktion der Kernteilchenphysik. Er war jedoch klug genug, seine Gedanken darüber nicht zu veröffentlichen. Sie wären - wie die Durchsicht seines Nachlasses ergab - ebenfalls nicht richtig gewesen.

In den siebziger Jahren hatte man über Beschleunigerexperimente in Europa und den USA mittlerweile mehr als 200 Elementarteilchen entdeckt, die sich durch Merkmale, wie Masse, Ladung, Spin, Strangeness etc. voneinander unterschieden. Es war Zeit, eine gewisse Ordnung in diesen "Teilchenzoo" zu bringen. Das gelang mit dem sogenannten Standardmodell. Seine fundamentalen Objekte sind Raumfelder, innerhalb derer die schwachen und die starken Kernkräfte, sowie die elektromagnetischen Kräfte wirken. Viele Voraussagen des Standardmodells wurden später durch Experimente bestätigt.

Mit der Zeit deuteten sich aber auch die Defizite dieser Theorie an. Sie konnte beispielsweise das vermutete Higgs-Boson nicht erklären, ebensowenig wie die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Darüberhinaus enthielt sie nicht weniger als 18 freie Parameter, also Naturkonstanten, die man erst durch Messungen bestimmen musste und die nicht vom Standardmodell vorhergesagt wurden. Eine neue Theorie war also fällig geworden.


Die Stringtheorie - eine harte Nuss

Mitte der siebziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts tauchte eine neue Idee zur Vereinheitlichung des physikalischen Wissens auf, die bis heute die klügsten Köpfe der Physik in ihrem Bann hält. Ausgangspunkt war das scheinbar unlösbare Problem, dass die Gleichungen für die Kernteilchen immer wieder kollabierten, weil man sie als unendlich kleine Punkte betrachtet hatte. Der neue Ansatz war, dass man nun von Fäden bzw. Saiten endlicher Länge ("strings") ausging. Die Stringtheorie war geboren.

Verschiedenartige Strings und deren Umwandlung

Die Schwingungen dieser Saiten waren typisch für die bekannten Elementarteilchen. Alle Vibrationen zusammen liessen eine "Symphonie" erklingen, welches den Namen "Universum" trug. Die Physiker waren euphorisch. Aber nicht nur deswegen, sondern auch weil die Stringhypothese erlaubte, die vierte Kraft - die Gravitation - in das Gedankengebäude einzubeziehen. Jetzt hatte man endlich eine Theorie, welche in der Lage war, den Mikrokosmos und den Makrokosmos zu vereinen. Die Quantenphysik und Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie waren unter einem Dach. Die angelsächsischen Physiker prägten den Begriff  "Theory Of Everything" (TOE), der fortan den europäischen Terminus "Weltformel" ersetzen sollte.

Doch bald kehrte die Ernüchterung ein. Die strings "weigerten" sich, in einem dreidimensionalen Raum, wie es unserer Vorstellung entspricht, ihre Vibrationen auszuführen. Stattdessen benötigte man eine zehndimensionale Raumzeit. Da nun aber die für uns sichtbare Welt eindeutig dreidimensional ist (bzw. vierdimensional, wenn man die Zeit hinzurechnet), waren die sechs Zusatzdimensionen zu erklären. Die Theoretiker John Schwarz und Michael Green fanden den Ausweg, indem sie diese sechs Dimensionen als "zusammengeknäult" betrachteten. Sie waren also für das menschliche Auge nicht sichtbar, da sie zu einem winzigen Gebilde "kompaktiert" waren. Bald waren auch die "Superstrings" geboren, die ein ausserordentlich reichhaltiges Schwingungsspektrum zeigten, was auf einen neuen Satz von Elementarteilchen hindeutete. Sie werden in der Nomenklatur durch den Zusatz "-ino" gekennzeichnet. Dementsprechend hat jedes Photon ein Photino als Pendant und so fort.

Aber die Probleme mit der neuen Theorie setzten sich fort. Es stellte sich nach einiger Zeit heraus, dass es mindestens fünf Stringtheorien gab. Nur eine konnte unser Universum beschreiben. Welche Bedeutung hatten die vier anderen; wer lebte in jenen Universen? Die Hilfe kam bei diesem Dilemma von Edward Witten, einem US-Physiker, der schon im Alter von 28 Jahren den Lehrstuhl für theoretische Physik an der renommierten Universität von Princeton inne hatte. Wir befinden uns mittlerweile bereits im Jahr 1995, als er die sogenannte M-Theorie aufstellte und damit die "zweite Stringrevolution" einläutete. (Die erste war von Schwarz und Green begründet worden.). Witten verkündete, dass die früheren fünf Stringtheorien nichts weiter seien als spezielle Erscheinungsformen eines einzigen Urgesetzes, nämlich seiner M-Theorie. Dabei liess er offen, ob der Buchstabe M für Membran, Magie oder Mysterium steht. Das US-Nachrichtenmagazin "Time" bezeichnete ihn daraufhin "als den vielleicht brillantesten Physiker, der je gelebt hat". (Journalisten wissen darüber Bescheid.)

Offener String endet auf Membrane

Aber auch Witten musste Kompromisse machen. Seine M-Theorie benötigt nicht nur zehn sondern sogar elf Dimensionen. Und von der Verifikation durch Experimente ist sie weit entfernt. Die ca. 3.000 Stringforscher in aller Welt sind frustriert, weil sie anerkennen müssen: die Theorie ist intelligenter als wir. Die Kritik, insbesondere von Seiten der Experimentalphysiker wächst. Die meisten können diese mathematischen Exkursionen nicht nachvollziehen; nicht wenige halten sie für naturwissenschaftliche Esoterik. Neunzig Prozent der personellen und finanziellen Ressourcen für die theoretische Physik sind während der vergangenen 35 Jahre in die Stringtheorie gegangen, ohne, dass sich ein sichtbarer (oder verwertbarer) Erfolg gezeigt hätte. Die Community wird allmählich ungeduldig; sie ist unsicher, ob sie die Zukunft der Physik erlebt - oder deren Ende.

Der Fels in der Brandung sind die Auguren in Stockholm. Sie beobachten -
und haben bisher noch keinen einzigen Nobelpreis an die Stringtheoretiker vergeben.