Vereinheitlichung ist ein altes Ziel der Physik. Seit im 19. Jahrhundert Physiker wie Maxwell und Clausius versucht hatten, scheinbar unvereinbare physikalische Phänomene doch zusammenzuzwängen, gehört die Suche nach der großen und einzigen Theorie, die alle bekannten Kräfte und physikalischen Gesetze in sich vereinigt, zu den impliziten wie expliziten Träumen der Wissenschaftler. Die Suche nach der Weltformel ist im weitesten Sinn ein Streben nach Harmonie, das Verlangen, das gesamte Universum durch die Linse eines einzigen, eleganten Gesetzes oder einer Gleichung zu betrachten, die alles erklärt.

Viele Einheitsbestrebungen waren bemerkenswert erfolgreich. Zuerst brachten die Pioniere der Thermodynamik die Mechanik und Hitze zusammen, dann verwoben Faraday und Maxwell spektakulär Elektrizität, Magnetismus und Optik zu einem nahtlosen Teppich. Sogar Einsteins berühmteste Gleichung kann als eine Art Vereinheitlichung betrachtet werden, die unterstreicht, dass selbst fundamentale Größen wie Materie und Energie nur zwei Seiten der gleichen Medaille sind.

Weltformel?
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So könnte sie aussehen: die Weltformel.

Das Einheitsdenken durchzieht das 20. Jahrhundert: von der Begründung des Welle-Teilchen-Dualismus bis hin zu einem gemeinsamen Rahmen für das Verständnis der speziellen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik. Pioniere der Teilchenphysik wie Feynman, Weinberg und t'Hooft brachten uns quälend nah ans ultimative Ziel einer Weltformel – aber eben nur so weit: Die Anziehungskräfte erwiesen sich als hartnäckig, und ihre Vereinigung mit der Quantentheorie blieb das wohl größte ungelöste Problem der Physik in den letzten 50 Jahren. Viele der größten Denker – von Einstein bis Edward Witten – bissen sich daran die Zähne aus: mit geringem Erfolg. Die Stringtheorie behauptet für sich, dass sie die Aufgabe bewältigen könne, doch gelang es ihr bislang ebenso wenig wie anderen Theorien, fundierte, prüfbare Voraussagen zu treffen.

Aus experimenteller Sicht ist einer der aussichtsreichsten Kandidaten, um eine Quantentheorie der Anziehungskräfte zu testen, die Suche nach Gravitonen: Teilchen, die zwischen den Anziehungskräften vermitteln. Das fundamentale Problem, die Gravitonen aufzuspüren, liegt in der extremen Schwäche dieser gravitativen Kräfte. Um es zu lösen, haben Physiker extrem empfindliche Geräte entwickelt, die prinzipiell selbst den leisesten Hauch eines Gravitons registrieren sollten – etwa LIGO, eines der Meisterstücke. Das Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory nutzt höchst sensible Interferometer, um winzigste Verschiebungen im Ereignisraum aufzuspüren, die vom Durchtritt einer Gravitationswelle verursacht werden. LIGO ist ein Wunder der Physik wie der Ingenieurkunst und wurde wahrhaftig dazu konstruiert, die Gravitationswellen zu registrieren, die von der klassischen allgemeinen Relativitätstheorie vorausgesagt werden. Ein typisches Experiment untersucht die Interferenz eines hochkonzentrierten Laserstrahls, der zwischen zwei verspiegelten Einwölbungen mit einer festgelegten Entfernung hin- und herspringt. Währenddessen wartet das Gerät darauf, dass eine Gravitationswelle aus einer festgelegten Quelle die Laserstrahlen passiert.

Sobald eine derartige Welle das Interferometer durchquert, verändert sich der Ereignisraum. Je nach Ausgangspunkt der Welle und ihrer Polarisation resultiert dies in einer effektiven Längenveränderung einer oder beider Einwölbungen. Letztlich kommt es zu einer Phasenverschiebung der beiden Teilwellen des Laserlichts, und deren Interferenz ändert die Intensität des Lichts, was sich messen lässt. Allerdings ist dieser Effekt winzig klein und muss mit höchster Vorsicht aufgezeichnet werden, um keine Messfehler zu erhalten.

Diese extreme Sensibilität verstärkt sich noch, wenn es an den eigentlichen Nachweis der Gravitonen geht. Wie fein würden die Einflüsse der abgesonderten Gravitonen sein? In einem Kapitel von John Brockmans neuem Buch "This explains everything" versucht Freeman Dyson vom Institute of Advanced Study in Princeton diese Feinheiten zu quantifizieren. In dessen Verlauf erzählt Dyson, dass die Anstrengungen, die Gravitation und die Quantenmechanik letztlich zu vereinen, zum Scheitern verurteilt ist. Das Schlüsselergebnis ist die Auslenkung der beiden Spiegel, die von der Passage der Gravitationswelle eingeleitet wird, was eine veränderte Interferenz der Laserstrahlen verursacht, die schließlich zum Signal führt.

Dysons Berechnung demonstriert, dass diese Veränderung so klein ausfällt, dass sie vom Hintergrundrauschen der Quantenfluktuationen im Ereignisraum schlicht verschluckt würde. Man könnte nun die Spiegel so schwer konstruieren, dass sie nicht mehr von Quantenfluktuationen gestört würden. Doch Dyson beschreibt, wie schwer sie ausfallen müssten: "Wegen des Hintergrundrauschens und des Lärms durch die Instrumente können die LIGO-Detektoren gegenwärtig nur Wellen erfassen, die wesentlich stärker als ein einzelnes Graviton sind. Doch selbst in einem völlig stummen Universum kann ich die Frage beantworten, ob ein idealer LIGO-Detektor ein einzelnes Graviton nachweisen könnte. Die Antwort lautet 'Nein'. Im stillen Universum wird die Exaktheit der Entfernungsmessung von der Unschärferelation der Spiegelpositionen bestimmt. Um diese Unschärferelation klein zu halten, müssen die Spiegel schwer sein. Eine einfache Rechnung, die auf den bekannten Gesetzen der Gravitation und Quantenmechanik basiert, führt zu einem eindrucksvollen Ergebnis: Um ein einziges Graviton mit LIGO nachzuweisen, müssten die Spiegel so schwer sein, dass sie sich unaufhaltsam anziehen und schließlich zu einem Schwarzen Loch zusammenstürzen! Mit anderen Worten: Die Natur schließt aus, dass wir mit diesem Instrument erfolgreich sein können."

Letztes Jahr erzählte mir Dyson, dass er intensiv nach Mängeln in seiner Kalkulation gesucht habe – erfolglos. Falls sie auch weiterhin Prüfungen standhält, gingen die Einschränkungen weit über den versuchten Nachweis einzelner Gravitonen hinaus. Es könnte bedeuten, dass die Welt der Gravitation und der subatomaren Teilchen für immer getrennt blieben: Eine fundamentale physikalische Barriere würde verhindern, dass sie das jeweils andere Reich durchdringen könnten.

Oder wie es Dyson ausdrückt: "Sollte sich diese Hypothese als wahr herausstellen, hieße das, dass sich die Theorien der Quantengravitation als nicht testbar und damit wissenschaftlich bedeutungslos herausstellen würden. Das klassische Universum und das Quantenuniversum könnten dann in friedlicher Koexistenz leben. Keine Unvereinbarkeiten zwischen beiden könnten je aufgezeigt werden. Beide Abbildungen des Universums könnten wahr sein – und die Suche nach der Weltformel würde sich als Illusion herausstellen."

Müssten wir uns ärgern, wenn dies tatsächlich der Fall sein sollte? Ich denke nicht. Das Fehlen einer Quantengravitationstheorie bedeutet vielleicht das Ende der Vereinheitlichung, aber es würde auch andeuten, dass das Universum vielfältiger ist, als wir bislang denken. Einheitlichkeit und Vielfalt tragen gleichermaßen zur Faszination des Kosmos bei. Darwins Evolutionstheorie illustriert diese Tatsache perfekt: Sie stellt einen gängigen Mechanismus für die Entwicklung der Arten dar und bezeugt gleichzeitig die erstaunliche Vielfalt der heute lebenden Spezies.

Entpuppt sich die Weltformel als Hirngespinst, sollten wir die Tatsache feiern, dass das Universum noch interessanter ist, als wir uns bislang vorgestellt haben – gleich welche Kräfte es hervorgebracht haben. Unser Scheitern würde einen weiteren Erfolg bedeuten: dass das Universum ein unerschöpflicher Quell an Reichtümern ist. Dafür sollten wir dankbar sein.