Die eine Dame und die 28 Herren hatten ihre Hüte abgenommen, ihre Schlipse zurecht gerückt und sich auf den Holzstühlen niedergelassen. Max Planck zog noch einmal an seiner Zigarette, Marie Curie legte die Hände in den Schoss und Werner Heisenberg setzte sein Spitzbubenlächeln auf. Als der Fotograf an diesem Oktobertag des Jahres 1927 den Auslöser drückte, schauten die meisten der 29 Forscher selbstbewusst in die Linse. Nur Albert Einstein wirkt auf dem Bild so, als hätte er sich verlaufen.

Die Schwarz-Weiss-Aufnahme hält einen historischen Moment fest: Die fünfte Solvay-Konferenz im Oktober 1927 gilt als Höhepunkt der modernen Physik. In den ersten zweieinhalb Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts hatten die Naturforscher zwei wissenschaftliche Revolutionen auf den Weg gebracht. Sie hatten das mechanische Weltmodell Isaac Newtons vom Podest gestoßen und es mit Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ersetzt. Und sie hatten die Widersprüchlichkeiten im klassischen Atommodell mit den druckfrischen Gesetzen der Quantenphysik aufgelöst. Doch 1927 waren noch nicht alle Fragen geklärt, im Gegenteil: die Forscher diskutierten erbittert über die Interpretation der Quantenmechanik. Aber das Fundament war gelegt für die nächsten 90 Jahre Physik. Für einen Tiefenrausch bis ins Innerste des Atomkerns und bis an den Anfang des Universums.

Heute löst der Blick auf das Solvay-Foto Nostalgie aus. Nie wieder war die Physik so erfolgreich wie damals. Je tiefer Forscher ins Innerste der Natur vordrangen, desto komplizierter wurden ihre Modelle. Der Aufwand, der für jeden weiteren Verständnisschritt nötig war, ist zuletzt rasant gestiegen. Und seit einigen Jahrzehnten häuft sich wieder das Unverständnis. Zahlreiche Beobachtungen im Weltall – allen voran die Dunkle Materie und die Dunkle Energie – stellen die Forscher vor große Rätsel. Und die große Hoffnung des älteren Albert Einsteins, alle Naturgesetze auf einen gemeinsamen Ursprung zurückzuführen, ist bis heute unerfüllt geblieben. Physiker warten auf einen neuen Paukenschlag, auf die nächste wissenschaftliche Revolution.

Die Ästhetik mathematischer Gleichungen

In der Vergangenheit konnten sie sich stets auf ein mächtiges Werkzeug verlassen: Die Ästhetik mathematischer Theorien war ein Wegweiser, der meistens den Weg in Richtung Wahrheit zu deuten schien. Davon machte schon James Clerk Maxwells "Elektrodynamik" Gebrauch: Die vier Gleichungen zur Vereinheitlichung von einer Vielzahl magnetischer und elektrischer Phänomene passen auf einen Bierdeckel; sie haben Stromleitungen, Glühbirnen und Funktürme möglich gemacht. Wer kommt da nicht ins Schwärmen? Auch Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie war erst ein elegantes Luftschloss aus Riemannschen Mannigfaltigkeiten, ehe eine ihrer Vorhersagen bei einer Sonnenfinsternis im Jahr 1919 bestätigt wurde.

Gruppenfoto der 5. Solvay-Konferenz
© Benjamin Couprie, Institut International de Physique de Solvay, 1927 / public domain
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Auf der 5. Solvay-Konferenz kam es zum Stelldichein der damaligen Physikelite: 17 der 29 Anwesenden besaßen oder bekamen in der Folgezeit den Nobelpreis für ihre Forschung – darunter Einstein, Curie, Heisenberg, Planck und Dirac.

Doch der eigentliche Rausch begann in den 1970er und 1980er Jahren, als das Zeitalter der "Eichtheorien" begann. Unter Physikern hatte sich eine verblüffende Erkenntnis durchgesetzt: Das Chaos zähmt man nicht, indem man über die ständigen Veränderungen Buch führt, sondern indem man das festhält, was unverändert bleibt. Seitdem suchen Physiker nach "Symmetrien" – mathematischer Jargon für physikalische Größen, die gleich bleiben, wenn sich die Umgebung verändert. Mit ihnen als Ausgangspunkt können sie elegante "Eichtheorien" konstruieren, die bestimmte Felder und Elementarteilchen enthalten müssen.

Mit diesem Werkzeug konnten Physiker auf dem Reißbrett ein Modell bauen, das zwei der vier Naturkräfte als Facetten einer übergeordneten Grundkraft beschreibt. Geleitet von mathematischer Ästhetik ersannen Steven Weinberg, Abdus Salam und Sheldon Glashow im Jahr 1967 die "elektroschwache" Kraft: Sie umfasst Elektromagnetismus und "schwache Kernkraft", die Atomkerne zerfallen lässt. Heute ist diese Urkraft das Herzstück des Standardmodells der Teilchenphysik – durch das Higgs-Teilchen, das jüngst mit dem Nobelpreis vergoldet wurde, ist die Theorie komplett. Bei ihr hatte sich das Prinzip der Symmetriesuche bewährt, denn auch die starke Kernkraft konnte mit Hilfe einer Eichtheorie gebändigt werden. "Wie Politik und Krieg sind Eichtheorien zu wichtig, um sie nur Experten zu überlassen", schwärmte der Autor eines Physiklehrbuchs im Jahr 1893.

"Alles, einschließlich des Menschen, kann vollständig von der Physik beschrieben werden"
Frank Tipler

61 Elementarteilchen und drei Grundkräfte haben die Physiker mit Hilfe des "Standardmodells der Teilchenphysik" zusammengefasst. Es könne so gut wie alles beschreiben, prophezeite ein Physiker einst: von den Reaktionen, die die Sonne brennen lassen, bis zu den Kräften, die eine Schneeflocke zusammenhalten. In Verneigung vor der Formelsprache nennen es die Physiker "SU(3)xSU(2)xU(1)". Die Mathematik zeige eine unheimliche Nützlichkeit, schrieb der Nobelpreisträger Eugene Wigner einmal. "Wir sind in einer ähnlichen Situation wie ein Mann, der einen Schlüsselbund in die Hand gedrückt bekommt, um mehrere Türen zu öffnen, und der immer beim ersten oder zweiten Versuch den richtigen Schlüssel wählt."

Mathematik als einzige korrekte Sprache

Für Wigner und seine Kollegen war sicher: Mit der Mathematik war die einzig korrekte Sprache gefunden, das Universum zu beschreiben – bis zu ihren tiefsten Wahrheiten. So überrascht es wenig, dass mancher Forscher heute davon schwärmt, mit Hilfe der Mathematik die nächste arabische Revolution vorherzusagen, oder ein Menschenhirn im Computer zu simulieren. Es ist ein Glaube, den wohl niemand so unverblümt formuliert hat wie der US-Kosmologe Frank Tipler: "Alles, einschließlich des Menschen, kann vollständig von der Physik beschrieben werden."

Dabei mahnten andere früh zur Demut: "Je mehr uns Teilchenphysiker über die grundlegenden Naturgesetze verraten, desto weniger Relevanz scheinen sie für die Probleme der anderen Wissenschaften zu haben, ganz zu schweigen von denen der Gesellschaft", schrieb der Festkörperphysiker und spätere Nobelpreisträger Philip W. Anderson 1972 in "Science". Die Warnung stieß auf taube Ohren, Anderson ist spätestens seit seinem Eintreten gegen den Superconducting Super Collider in den USA eine kontroverse Figur unter Physikern, die weiter von der großen Vereinheitlichung von Allgemeiner Relativitätstheorie und Standardmodell träumen. Dazu müssten zunächst starke und elektroschwache Kernkraft auf einen gemeinsamen Ausgangspunkt zurückgeführt werden – das Standardmodell begreift sie eher als wesensähnliche Brüder.

Doch den Weg größter mathematischer Einfachheit hat die Natur nicht gewählt: Eine Eichtheorie rund um die Symmetrie "SU(5)" könnte auf dem Papier die starke Kernkraft mit der elektroschwachen Kraft auf eine gemeinsame Urkraft zurückführen, gewissermaßen den Vater der Brüder beschreiben. Aber die Vorhersagen der Theorie bestätigten sich nicht: Ihr zufolge wäre das Proton instabil, worauf Physiker trotz langer Suche mit gewaltigen Detektoren keinen Hinweis gefunden haben.

Und auch das Standardmodell kann sie nicht restlos überzeugen. Jetzt wo es vollständig ist, lenken Physiker den Blick auf seine Unvollkommenheit. Wichtige Fragen ließen sich nicht auf übergeordnete mathematische Prinzipien zurückführen, monieren sie: Wieso haben die Elementarteilchen die Massen, die sie haben? Und wieso sind die drei im Standardmodell enthaltenen Kräfte so unterschiedlich stark? In ihre eleganten Gleichungen müssen die Physiker etwa 20 "freie Parameter" für die Massen der Teilchen und die Stärke der Kräfte per Hand einsetzen. Ein Hauch von Willkür – für den Stand der Physiker eine Kampfansage. Sie wollen weiterbuddeln auf dem Weg ins Innerste der Natur. Die Anthropologin Arpita Roy von der University of California in Berkeley, die das Cern zweieinhalb Jahre lang mit dem Blick einer Ethnologin erforschte, kommt in ihrer Doktorarbeit zu dem Schluss: "Die Teilchenphysik ist begierig darauf, in die Zukunft zu schreiten, auch wenn der gegenwärtige Stand ziemlich zufriedenstellend ist."

Es droht der Holzhammer

Für die Physiker war nach dem Aus der SU(5)-Eichtheorien die Zeit gekommen, den Holzhammer auszupacken. In den 1970er Jahren ersannen einige von ihnen eine "Supersymmetrie": In der Glut des Urknalls soll jedes der bekannten Elementarteilchen einen Tanzpartner gehabt haben. Damit ließe sich die Masse des Higgs-Teilchens elegant herleiten – einer der "freien Parameter", der besonders am Stolz der Physiker nagt. "Susy" führe die elektroschwache Kraft und starke Kernkraft auf einen gemeinsamen Ausgangspunkt zurück, so der Ansatz. Ein netter Nebeneffekt: Mit der Zeit erkannten die Physiker, dass eines der vielen neuen Teilchen ein guter Kandidat für die Dunkle Materie wäre.

"Wie Politik und Krieg sind Eichtheorien zu wichtig, um sie nur Experten zu überlassen"
(unbekannter Autor)

Aber um die Vorgabe der nun über 100 Elementarteilchen lassen sich zig Modelle konstruieren. Ob eines von ihnen (und wenn ja, welches) die Natur beschreibt, weiß niemand. "Ohne wirklichen Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells haben sich die Physiker entschlossen, eine Wette einzugehen", schreibt der Wissenschaftsautor Jim Baggot über die aufwändige Suche nach der Supersymmetrie. Und die vergangenen Jahre brachten nicht den erhofften Erlös. Wären die einfachsten Kandidaten einer Supersymmetrie Realität, hätten die Forscher in ihren Teilchenbeschleunigern längst erste Superpartner erzeugt. Aber am Genfer Riesenbeschleuniger LHC tauchte trotz großer Hoffnungen im Vorfeld nichts dergleichen auf. Nun hoffen die Physiker auf das Jahr 2015, in dem der LHC aus einer Umbauphase kommt und größere Chancen als bisher hätte, Susy-Partikel zu erzeugen.

Derweil werben sie für den nächsten großen Beschleuniger. Statt im Kreis würde er Teilchen auf einer geraden Strecke beschleunigen. 31 Kilometer soll der International Linear Collider (ILC) lang werden, statt mit Protonen und Anti-Protonen wollen die Forscher ihn mit Elektronen und Positronen befüllen. Damit soll das Higgs-Teilchen ganz genau vermessen werden. Die Hoffnung: Hinweise auf winzige Abweichungen vom Standardmodell, die den Weg zu einer tieferen Theorie deuten.

Weltformel?
© fotolia / Eti Ammos
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 Bild vergrößernWeltformel?
So könnte sie aussehen: die Weltformel.

Der ILC wird vermutlich nicht mehr kosten als die Olympischen Sommerspiele in London, gegenüber dem Militärbudget der USA wäre er geradezu spottbillig. Aber ob sich in Zeiten von Klimawandel und Finanzkrise die gesellschaftliche Unterstützung für das Projekt finden lässt, ist zweifelhaft. Oder wie Steven Weinberg, der Vater der elektroschwachen Vereinheitlichungen, letztes Jahr in dem Aufsatz "The Crisis of Big Science" schrieb: "Es wird sehr schwer werden, das zu verkaufen." Als Präzedenzfall dient Weinberg der tragische Fall des in jeder Hinsicht vor Superlativen strotzenden "Superconducting Super Collider", der Anfang der 1990er Jahre in Texas entstehen sollte und mitten im Bau vom US-Repräsentantenhaus die Gelder gestrichen bekam.

Beim Geldeintreiben hilft nicht, dass die Physik, um die es mittlerweile geht, sich weit von den Naturphänomenen der Erde entfernt hat. Schon das Higgs-Teilchen sei "für 99,9 Prozent der Menschen nicht mehr nachvollziehbar", sagte der Fernsehphysiker Harald Lesch 2012 in einem Interview mit der Süddeutschen Zeitung. Und die große Vereinigung der Kräfte war – wenn überhaupt – für einen unvorstellbar kurzen Bruchteil einer Sekunde Realität, vor 13,8 Milliarden Jahren. Die dafür nötigen Energien sind hundert Millionen Mal so hoch wie die der elektroschwachen Vereinheitlichung. Dass sie jemals auf der Erde erzeugt werden können, ist unwahrscheinlich, sofern nicht eine bahnbrechend neue Beschleunigertechnologie erfunden wird.

Der Frust regiert

Auch auf konzeptioneller Seite gibt es Frust: Professoren sind oft mehr Manager als Forscher, und Nachwuchswissenschaftler klagen darüber, dass ihnen die Zeit fehle, Arbeiten außerhalb ihres Nischenthemas zu lesen. Denn die Forschungsliteratur wächst unaufhaltsam: Im renommierten Physik-Journal Physical Review erschienen 1983 gerade einmal 24 Aufsätze. Dieses Jahr werden es in der zu den Physical Review Letters angeschwollenen Zeitschriftenfamilie voraussichtlich 4050 Arbeiten auf ungefähr 20 000 Seiten sein. "Die Physik ist sehr viel fragmentierter als früher", sagt Jürgen Renn vom Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte. Dabei werde es immer schwieriger, in fundamentale Gebiete der Physik vorzudringen.

Die große Krise vor der Formulierung von Quantenphysik und Relativitätstheorie hätten Einstein und Co überwunden, indem sie ganz viel Wissen aus verschiedenen Physikrichtungen zusammengetragen hätten. Ob solch eine Synthese heute noch einmal gelingen könne – und ob Physiker vor dem Hintergrund von Publikationsdruck und Karrierezwängen noch die nötigen kreativen Freiräume hätten, sei die große Frage, so Renn. Dennoch gibt sich der Wissenschaftshistoriker insgesamt zuversichtlich: "Es gibt sehr viele kluge Leute unter den Physiker", darunter viele, die in eine andere Richtungen als die des Mainstreams forschen.

"Ohne wirklichen Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells haben sich die Physiker entschlossen, eine Wette einzugehen"
Jim Baggot

Das zeigt sich aktuell beispielsweise am Cern. Michael Krämer von der RWTH Aachen etwa hat zusammen mit Kollegen eine Arbeitsgruppe "Simplified Models" gegründet, die diskutieren soll, inwieweit man noch unvoreingenommen an die Datenanalyse des Riesenbeschleunigers LHC herangeht: nicht, dass man am Ende spannende neue Physik verpasst, weil man zu sehr auf die Vorhersagen einiger mathematischen Modelle getrimmt ist.

Noch ist jedoch denkbar (wenn auch zunehmend unwahrscheinlich), dass die Physiker nach wie vor auf dem richtigen Weg sind, aber noch mehr Geduld aufbringen müssen. Ab 2015 könnten sich supersymmetrische Teilchen am LHC zeigen, sagen die Optimisten unter den Gelehrten. Sie glauben an die String-Theorie, an der aktuell etwa 1500 Menschen weltweit arbeiten. Sie fußt auf zwei komplexen Eichtheorien und der Supersymmetrie. Die String-Theorie fasst Elementarteilchen als winzige Schwingungen in einer unvorstellbar komplexen kosmischen Landschaft auf.

Mittlerweile konnten die Theoriekönige berechnen, wie viele Weltmodelle mit ihren Gleichungen kompatibel sind. Es ist eine Zahl mit bis zu 500 Nullen. Die sehr optimistische Interpretation: Jede dieser Möglichkeiten soll einem Universum mit eigenen Naturgesetzen entsprechen. Und eines von ihnen – welches genau können die String-Theoretiker bisher nicht genau sagen – soll einer Welt mit just jenen Parametern entsprechen, die Physiker in unserem Kosmos messen.

Darüber, ob die String-Theorie noch falsifizierbare Wissenschaft ist, streiten Wissenschaftler und Philosophen seit Jahren erbittert. So oder so: Die Hypothese der "Multiversen" würde mit einem Schlag die Spuren der Willkür erklären, die Physiker am Standardmodell stört. Die "freien Parameter" hätten den Wert, den sie haben, weil es uns sonst nicht geben würde. Es ist ein aus Verzweiflung geborener Gedanke, wie der Physiker Mikhail Shifman 2012 konstatierte. Und er ist die größte vorstellbare Ironie der Physikgeschichte. Im Kampf gegen die Beliebigkeit der Natur, auf der Suche nach kosmischer Ordnung, stoßen die Physiker darauf, dass unsere Existenz, ja unser ganzes Universum nicht mehr sein könnte als eine Laune des Chaos. Vielleicht war es ja eine böse Vorahnung davon, die Albert Einstein 1927 ein wenig irrlichternd in die Linse gucken ließ.