Grundlagen der Physik

 

 

 

Not only is the Universe stranger than we think,

it is stranger than we can think.

 

Werner Heisenberg

 

Ist die moderne Physik überhaupt noch eine empirische Naturwissenschaft oder

spekuliert und rechnet sie nur noch mit Daten aus großen Experimentalmaschinen,

sodass sie am Ende eher deren Effekte als die Natur des Universums selbst erforscht?

 

 

 

 

Krise der Physik: Verführte Physiker

 

Ulf von Rauchhaupt in der FAZ vom 10.07.2018

 

Die theoretische Physik tritt seit Jahrzehnten auf der Stelle. Sabine Hossenfelder forscht über Quanten-gravitation und hat einen überraschenden Grund für die Krise ausgemacht.

 

Frau Hossenfelder, eines der erfolgreichsten populären Sachbücher über Physik stammt von dem amerikanischen Theoretiker Brian Greene und trägt den Titel „Das elegante Universum“. Nun haben Sie soeben ein Buch veröffentlicht, das im September auf Deutsch unter dem Titel „Das hässliche Universum“ erscheint. Dort gehen Sie mit der Meinung, die Physik müsse auf der Ebene der fundamentalen Naturgesetze schön und symmetrisch sein, hart ins Gericht. Wie kommen Sie darauf?

 

Ursprünglich sollte das Buch vor allem davon handeln, wie die Gruppendynamik in der wissenschaftlichen Community die Forschungsinteressen der einzelnen Wissenschaftler beeinflusst. Aber dann ist mir als Beispiel dieses Problem mit der Schönheit eingefallen. Es hat in letzter Zeit enorm an Aktualität gewonnen, nachdem am Large Hadron Collider (LHC), dem großen Beschleuniger in Genf, die neuen Elementarteilchen ausgeblieben sind, die man aufgrund der Supersymmetrie erwartet hatte, einer als besonders schön geltenden Theorie-Idee.

 

Soziale Phänomene in der theoretischen Physik gehören in Ihrem Buch trotzdem zum Thema. Nun sind Sie nicht die Erste, die darauf hinweist. Da gab es 2006 bereits Peter Woit mit „Not even wrong“ oder im gleichen Jahr Lee Smolins „The Trouble with Physics“. Schon diese Autoren prangern an, dass die Stringtheorie im Übermaß Ressourcen abgreift, nicht weil sie irgendwelche Beobachtungen besser erkläre als alternative Ansätze, sondern weil sie die größte Lobby hat.

 

Ja, die Stringtheorie. Mir ging es aber darum, klarzumachen, dass das wirklich ein allgemeines Problem ist. Ich beschränke mich in dem Buch auf die Grundlagen der Physik, weil ich dort selbst arbeite und mich am besten auskenne. Aber ich habe keinen Grund zu der Annahme, dass es in anderen Bereichen der Wissenschaft anders ist. In den Grundlagen der Physik aber liegt das Problem wie unter einem Vergrößerungsglas, weil wir dort eben die Daten nicht haben, die Theoretiker daher korrektivlos vor sich hin spekulieren können.

 

Dabei, sagen Sie, würden sich die Wissenschaftler allzu sehr vom Kriterium der Schönheit einer Theorie leiten lassen. Gemeint ist mathematische Schönheit, insbesondere Symmetrien. Solche ästhetische Beurteilung von theoretischen Ansätzen hätten überhandgenommen, seit das letzte Elementarteilchen des Standardmodells entdeckt ist und man vergeblich darauf wartet, dass in Experimenten Hinweise auf „neue Physik“ aufgetauchen. Aber waren mathematische Einfachheit und Symmetrie nicht vorher schon – zu Zeiten Albert Einsteins, Werner Heisenbergs und Paul Diracs – eine wichtige Richtschnur der theoretischen Physik? Und hatte man seinerzeit damit nicht großen Erfolg gehabt?

 

Manchmal klappt es und manchmal eben nicht. Es gab ja auch durchaus schöne Theorien, die nicht funktioniert haben. Und wenn Sie sich anschauen, in welcher Phase ihrer Karriere Physiker anfingen, über Schönheit zu faseln, dann war das in der Regel, nachdem ihnen ihre großen Durchbrüche gelungen waren. Und diese Durchbrüche hatten dann nichts mit Schönheit oder Hässlichkeit zu tun. Vielmehr waren das alles Fälle, wo es einen harten mathematischen Widerspruch gab. Paul Dirac zum Beispiel hatte den Widerspruch gelöst zwischen der nichtrelativistischen Quantenmechanik und der speziellen Relativitätstheorie. Nun stimmt es durchaus, dass die Dirac-Gleichung allgemein als schön angesehen wird, und das mag Dirac auch inspiriert habe. Aber vor allem hatte er einfach ein gutes Problem. Bei Einsteins Relativitätstheorien war das genauso und beim Higgs-Boson ebenfalls. Das Higgs war keine Vorhersage, die man gemacht hat, weil das Standardmodell vorher nicht hübsch genug war. Sondern das Higgs musste her, sonst hätte es nicht funktioniert.

 

Verwandt mit der Schönheit ist noch ein weiteres beliebtes und genauso wenig empiriegeleitetes Kriterium,

das Sie aufs Korn nehmen, die sogenannte „Natürlichkeit“. Worum geht es da?

 

Das erste historische Beispiel, das mir dafür untergekommen ist, wurde vorgebracht, als es um den Übergang vom geozentrischen aufs heliozentrische Weltmodell ging. Damals waren die astronomischen Daten lange noch nicht präzise genug, um die sogenannte Fixsternparallaxe nachzuweisen, also die scheinbare Verschiebung der Fixsternpositionen im Jahreslauf. Die hätte man aber sehen müssen, wenn die Erde sich um die Sonne dreht – so argumentierte etwa der Astronom Tycho Brahe –, es sei denn, die Fixsterne sind sehr viel weiter entfernt als die Planeten. Aber, so Brahe, warum sollte Gott solche unschön riesigen Proportionen zulassen? Das ist genau das gleiche Gefühl der „Unnatürlichkeit“ großer Zahlenverhältnisse, das man heute in der Elementarteilchenphysik und in der Astrophysik findet.

 

Während Sie sagen: Warum sollen Zahlenverhältnisse nicht genauso gut groß sein dürfen?

 

Das Argument der „Natürlichkeit“ hat eben keine mathematische Grundlage. Trotzdem findet man es zum Beispiel unnatürlich, dass die Masse des Higgs-Bosons so sehr viel kleiner ist, als man allein aufgrund der Quantenfeldtheorie erwarten würde, und versucht, diese Kleinheit des Higgs-Masse zu erklären, etwa durch Supersymmetrie.

 

Die Supersymmetrie taucht in Ihrem Buch mehrfach auf. Wenn die Natur supersymmetrisch ist, wie viele Theoretiker glauben, gäbe es zu jedem bekannten Elementarteilchen noch ein sehr viel schwereres Partne-rteilchen. Sie sehen keinen Grund, an diesem Glauben festzuhalten, nachdem keines dieser Partnerteilchen

im LHC gefunden wurde. Aber davor war das doch eine brillante Idee gewesen, oder etwa nicht?

 

Also mit dem Natürlichkeitsideal habe ich mich in meinem Blog schon 2008 kritisch auseinandergesetzt, das war, bevor der LHC überhaupt angefangen hat, etwas zu messen. Aber das mit der Supersymmetrie ging ja schon in den 1980er Jahren los. In den 1990ern gab es dann am Forschungszentrum Cern den Large Electron-Positron Collider, der in dem-selben Tunnel aufgebaut war, in dem heute der LHC steht. Damit hätte man zwar noch keine supersymmetrischen Partnerteilchen gefunden, aber nach den damaligen Modellen der Supersymmetrie hätten bestimmte Wechsel-wirkungen auftreten müssen, die man einfach nicht gesehen hat.

 

Schon damals sah man also, dass das mit der Supersymmetrie so nicht stimmen kann?

 

Richtig. Aber dann hat man auf die Supersymmetrie noch eine zusätzliche Symmetrie draufgesetzt, die sogenannte R-Parität. Das hatte den Seiteneffekt, dass es dann supersymmetrische Teilchen geben muss, die stabil sind. Das wären dann gute Kandidaten für die Dunkle Materie gewesen. Nach denen hat man dann gesucht, aber auch nichts gefunden.

 

Man sucht ja immer noch ...

 

Man sucht immer noch, und der Punkt ist: Immer wenn man in einem Energiebereich keine Supersymmetrie-Teilchen findet – und Dunkle-Materie-Teilchen findet man auch nicht –, dann schraubt man weiter an der Theorie herum. Damit aber ist es unmöglich, diese Theorie empirisch zu widerlegen. Ich sage ja nicht, dass Supersymmetrie nicht mal eine gute Idee war. Aber heute muss man doch zugeben: Die gute Idee hat leider nicht funktioniert.

 

Und ihr Vorwurf an das Wissenschaftssystem wäre, dass in Fällen wie diesen nicht irgendwann die Reißleine gezogen wird.

 

Das ist das eine. Das andere ist: Wenn Sie zunächst einmal gute Idee haben und dann eine kritische Masse von Forschern, die daran arbeiten, dann fängt diese Masse an, weiter zu wachsen. Einfach weil die Leute dann dazu veröffentlichen können. Da werden dann die absurdesten Sachen publiziert, deren Zusammenhang mit der beobachtbaren Realität sich einem auch mit viel gutem Willen nicht erschließt. Aber es wird publiziert, einfach weil es geht. Und darauf kann ich mir eben keinen anderen Reim machen als den, dass es da eine nur soziologisch zu erklärende Rückkopplung gibt, bei der viele Leute über ein Thema arbeiten, das sie deswegen für gute Wissenschaft halten, weil so viele Leute daran arbeiten.

 

Das gibt es auch in der Kosmologie. Dort haben wir eine Inflation von Varianten der sogenannten Inflations-theorie, die verschiedene Befunde der Astronomen damit erklärt, dass sich das Universum unmittelbar nach dem Urknall eine kurze Zeit lang exponentiell aufgebläht hat. Nun lässt sich aber zu beinahe jeder denkbaren Änderung der Datenlage eine passende Variante der Inflationshypothese aufstellen – ohne dass wir wissen,

ob die Grundidee richtig ist.

 

Das nennen wir in meinem Fachbereich das „Inverse Problem“: Die Inflationsidee passt zu den Daten, aber es ist sehr schwierig, aus den Daten zurückzurechnen, ob das frühe Universum wirklich eine inflationäre Phase durchgemacht hat oder nicht. Daher gibt es ja auch alternative Modelle. Ein wissenschaftliches Vorgehen wäre in dieser Situation meiner Meinung nach, ein minimales Modell zu betrachten. Da braucht man keine 194 Inflationsmodelle, die sich anhand der Daten sowieso nicht auseinanderhalten lassen. Und selbst wenn es neue Daten gibt und sie zu keinem der 194 passen, könnte man sich immer noch unendlich viele andere ausdenken.

 

Und das machen Forscher auch ...

 

Einfach weil es geht. Das sind ja auch keine wirklich schwierigen Rechnungen, wenn man so was mal gelernt hat. Dann nimmt man sich einfach ein Inflationsmodell, dreht an der Kurbel, und heraus kommt eine Veröffentlichung. Davon leben die Leute – aber es ist einfach eine Verschwendung von Hirnpower.

 

Vielleicht braucht man in diesen Gebieten nicht so viele theoretische Physiker, wie es heute gibt.

 

Das haben Sie jetzt gesagt. Ich sage nur, dass die Leute, die da sind, zu oft an Sachen arbeiten, die nicht vielversprechend sind – einfach weil die Selektion dessen, was als gute Wissenschaft gilt, hier nicht funktioniert. Es ist aber nicht so, dass wir zu wenig ungelöste Probleme hätten: Dunkle Materie, die dunkle Energie, die Quantengravitation und noch ein paar andere. Da gibt es viele Fragen, an denen aber kaum einer arbeitet – weil sie ganz einfach schwierig sind und man dazu eben nicht so schnell irgendwelche Papers produzieren kann. Und so gibt es dann eben auch keinen Fortschritt.

 

Aber für einen echten Forscher sollten doch die dicksten Bretter gerade die interessantesten sein ...

 

Man kann das nicht einfach den Physikern zum Vorwurf machen. Vieles geht da schief bei der Art und Weise, wie die Leute angestellt werden. Die typische Finanzierung eines Forschungsprojektes geht über zwei bis drei Jahre. In vielen Fällen ist das eine vollkommen realistische Zeit, etwa in der beobachtenden Astrophysik oder bei numerischen Modellierungen. Aber arbeiten Sie mal an Quantengravitation oder an Modifizierungen der allgemeinen Relativitätstheorie – da kommen Sie in zwei bis drei Jahren nicht weit.

 

Nun ist Ihr Buch aber kein bloßes Manifest. Sie haben sich umgehört, haben Nobelpreisträger wie Steven Weinberg und Frank Wilzcek besucht. Sie sprachen aber auch mit Wissenschaftlern wie Nima Arkani-Hamed, George Ellis oder dem kürzlich verstorbenen Joe Polchinski, die in der breiteren Öffentlichkeit weniger bekannt, aber in der Szene einflussreich sind. Diese Gespräche lesen sich oft recht unterhaltsam – aber das war wohl kaum der Grund, warum Sie die geführt haben, oder?

 

Bei meinem Thema gerät man schnell an Aussagen, die beginnen „Viele denken ...“ Da dachte ich mir: Der Leser will doch sicher wissen, wer das denkt. Also musste ich mit Leuten reden, und zwar möglichst mit solchen, die viel Einfluss haben.

 

Das kann man wohl sagen – nachdem Steven Weinberg begonnen hatte, die Idee vom Multiversum gut zu finden, redete jeder davon, und als Laie konnte man verschiedentlich den Eindruck bekommen, es sei nun wissenschaftlich erwiesen, dass unser Universum nur eines von unendlich vielen ist. Diesen Zahn ziehen Sie Ihren Lesern aber gründlich.

 

Da bin ich nicht die Erste, die sagt, dass beim Multiversum wissenschaftlich nichts dahinter ist. Diese Idee ist praktisch komplett nutzlos. Man kann damit nichts ausrechnen, was in unserem Universum beobachtbar wäre. Für das, was sich da ausrechnen lässt, reicht dieses eine Universum vollkommen. Das ist das Problem – nicht, dass wir diese Paralleluniversen nicht beobachten können. Theoretische Objekte, denen nichts entspricht, was wir direkt messen können, das gibt es anderswo auch, in der Quantenmechanik zum Beispiel.

 

Ihre Diagnose wäre also: Nicht eine immer größere Entfernung ihrer Grundbegriffe von der Anschaulichkeit ist das Problem für die theoretische Physik. Das Problem ist vielmehr die Vorstellung, man könne fehlende Möglich-keiten, Theorien durch Beobachtungsdaten zu überprüfen, durch Erwägungen der mathematischen Eleganz und Schönheit ersetzen und trotzdem behaupten, man treibe Naturwissenschaft und nicht etwa eine Art von Philosophie. Nun sind die Beobachtungsdaten aber nicht da. Wie also vorgehen?

 

Ich denke, worauf man in den Grundlagen der Physik achten sollte, ist, dass man Probleme beackert, die auch wirklich Probleme sind. Wenn von etwas gesagt wird, es sei nicht schön, dann ist das kein Problem. Man muss sich mit den mathematischen Widersprüchen befassen oder sich zumindest bemühen, solche mathematischen Widersprüche zu finden. Denn es kann ja sein, dass „Unnatürlichkeiten“ wie im Fall der Higgs-Masse eigentlich ein mathematischer Widerspruch zugrunde liegt, den man aber noch nicht identifiziert hat. Das Zweite ist: man sollte die experimentellen Tests nicht aus dem Auge verlieren. Das ist zum Beispiel in der Quantengravitation das Problem, wo jede Menge mathematischer Luftblasen produziert werden.

 

Sie würden also schon darauf bestehen, dass theoretische Physik sich nur das zum Gegenstand machen sollte, was man zumindest im Prinzip auch beobachten kann – entweder Phänomene, die man beobachtet, aber nicht versteht wie Dunkle Energie, oder solche, deren Beobachtbarkeit realistischerweise zu erhoffen ist, wenn man zum Beispiel mal einen größeren Beschleuniger als den LHC wird bauen können. Aber bedeutete das nicht, dass man notwendig an eine natürliche Grenze der Erkenntnis kommt – einfach weil man keine beliebig großen Beschleuniger bauen kann?

 

Diesen Pessimismus teile ich nicht. Ich selbst habe über die Frage gearbeitet, wie man Quantengravitationstheorien testen könnte. Da gibt es durchaus Möglichkeiten, aber da müssen Sie eben erst mal eine Weile drüber nachdenken. Und diese Gedanken hätte man sich durchaus auch schon vor zehn oder zwanzig Jahren machen können – hat aber niemand getan. Stattdessen haben sich die Leute darauf verlassen, die mathematische Konsistenz sei ausreichend, um zu einer Theorie zu kommen. So sind wir da schon seit 40 Jahren in einem Kreislauf, bei dem kein Erfolg zu noch weniger Erfolg führt. Die Theoretiker denken sich irgendwelche Theorien aus, von denen sie hoffen, dass sie einmal getestet werden können, aber die Theorien haben keine solide Grundlage, und darum finden auch die Experimente nichts, folglich hat man keine empirischen Kriterien dafür, wie man die Theorien weiterentwickeln soll, und das geht dann so weiter.

 

Wie könnte man denn diesen Kreislauf aufbrechen?

 

Da ist mein Vorschlag: Schaut euch mal richtige Probleme an. Wir müssen uns fragen, welche von den Theorien, die wir da so haben, ist denn nun die vielversprechendste? Und auf deren Test sollte man dann die Ressourcen konzentrieren. Aber wenn Sie dann nur Theorien haben, die eingeführt wurden, weil das Standardmodell einem nicht hübsch genug war, dann ist das meiner Meinung nach eben eine schlechte Idee. Da bekommt man allenfalls Nullergebnisse – auch wichtig, aber hilft der Theorieentwicklung nicht unbedingt weiter. Dazu will man neue Phänomene finden, die in den bisherigen Theorien nicht vorkommen. Ein gutes Problem ist da die Dunkle Materie. Da wissen wir wenigstens, dass da was ist, und das ist ja auch schon was. Wir wissen eben nicht was es ist – ob Teilchen oder modifizierte Gravitation. Die Teilchen waren bislang die Favoriten, weil die dann aus der Supersymmetrie kommen könnten. Aber man muss sich eben den gesamten Theorienwald anschauen und darf sich nicht nur auf einen Baum hocken, nur weil der eben besonders schön ist.

 

Sabine Hossenfelder, Jahrgang 1976, ist Research Fellow am Frankfurt Institute for Advanced Studies. Sie betreibt den Wissen-schafts-Blog „Backreaction“ und einen Youtube-Kanal, unter anderem mit eigenen Musikvideos. Ihr Buch „Das hässliche Uni-versum. Warum unsere Suche nach Schönheit die Physik in die Sackgasse führt“ erscheint im September im Verlag S. Fischer.