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Quantengravitation: Auf dem Weg zur Physik des 21. Jahrhunderts

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Physiker in aller Welt richten ihre Aufmerksamkeit derzeit auf eine einzigartige Anlage, die sich unweit von Genf in den französisch-schweizerischen Untergrund bohrt. Am 10. September nahm dort der "Large Hadron Collider" – eine gigantische Teilchenschleuder und die wohl komplizierteste Maschine, die jemals gebaut wurde – seinen Betrieb auf. Zwar war die Enttäuschung groß, als der LHC nach technischen Problemen vorerst wieder abgeschaltet werden musste. Doch schon im Frühjahr 2009 geht es weiter: Dann sollen Protonenbündel, die zuvor in einem 27 Kilometer langen Ringtunnel beschleunigt werden, viele Male pro Sekunde mit der Energie von Güterzügen aufeinanderprallen und bei jeder Kollision in Myriaden von Elementarteilchen zerfallen.

So stellen die Forscher Bedingungen her, die jenen kurz nach dem Urknall ähneln. Mehr noch als von den Präzisionsdaten, welche uns die moderne Astrophysik und Kosmologie liefern, erhoffen sich Physiker von diesem einen Instrument die Auflösung eines schon lange bestehenden Erkenntnisstaus. Es geht um die Frage, was uns jenseits der etablierten physikalischen Theorien des 20. Jahrhunderts erwartet.

Grundlage der modernen Physik bilden zwei Theorien, die bereits in der ersten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts entwickelt und zur Blüte gebracht wurden: die Quantentheorie, die die Physik des Mikrokosmos beschreibt, und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie (ART) für die Physik des Makrokosmos. Beide haben sich in unzähligen und immer genaueren Experimenten bewährt. Mit ihrer Hilfe loteten die Physiker subatomare Bereiche ebenso aus wie die Grenzen des sichtbaren Universums.

Weil sie bis heute keine Abweichungen von ihren theoretischen Vorhersagen fanden, könnten sich die Forscher eigentlich entspannt zurücklehnen. Bestünde da nicht ein zentrales Dilemma: Die beiden Theorien passen nicht zusammen. Ohne die "Verheiratung" von ART und Quantentheorie jedoch, so scheint es, werden unsere Grundfragen zum Aufbau der Materie und zur Entwicklung des Universums ohne Antwort bleiben.

1. Wir kennen heute 48 Grundbausteine der Materie (Quarks und Leptonen, die zusammenfassend als Fermionen bezeichnet werden). Warum sind es gerade so viele, und warum teilen sie sich in drei nahezu identische Familien auf? Und warum reicht bereits die erste der Familien völlig aus, um die uns umgebende Materie zu erklären?

2. Warum treffen wir in der Natur (mindestens) vier "Kräfte" an, die zwischen diesen Materiebausteinen wirken: die starke und schwache Kernkraft, die elektromagnetische Kraft und die Schwerkraft? Und warum ist Letztere um so vieles schwächer, nämlich um den Faktor 10 – 40, als die starke Wechselwirkung ("Hierarchieproblem")?

3. Lassen sich Massen und andere Parameter der Elementarteilchenphysik aus einer fundamentalen Theorie berechnen? Oder handelt es sich um "ambiente" Größen (wie etwa den Abstand zwischen Mond und Erde), deren Zahlenwerte der Zufall festlegt?

4. Können wir die Entwicklung des Universums erklären, insbesondere die "inflationäre" (exponentielle) Aufblähung des winzigen Feuerballs, aus dem der Kosmos einst hervorging (siehe "Die unsichtbare Hand des Universums", SdW 4/2007, S. 32; "Das Tempo der Expansion", SdW 7/2004, S. 42)? Worum handelt es sich bei der kosmologischen Konstante, die als Grund für die beschleunigte Ausdehnung des Universums gilt und auch als Dunkle Energie bezeichnet wird? Und warum erhalten wir, wenn wir sie mit Hilfe einfacher quantenmechanischer Abschätzungen berechnen, einen Wert, der um einen Faktor 10120 größer ist als unsere Messergebnisse?

5. Können wir verstehen, was im Augenblick des Urknalls "geschah", als das gesamte heute sichtbare Universum aus einem Punkt unvorstellbarer Dichte explodierte? Können wir gar über diesen singulären Punkt hinausgehen und verstehen, was "vorher" war? Oder aber zeigen, dass es gar kein "Vorher" gab, dass also Raum und Zeit selbst erst mit dem Urknall entstanden sind?

Die "Sehnsüchte der Theorie" fasste Albert Einstein (1879 – 1955) schon im Jahr 1929 zusammen: nämlich erstens möglichst alle Erscheinungen und deren Zusammenhänge zu erfassen ("Vollständigkeit"), und dies zweitens zu erreichen unter Zugrundelegung möglichst weniger voneinander logisch unabhängiger Begriffe und willkürlich gesetzter Beziehungen zwischen diesen ("logische Einheitlichkeit"). Erst dann ließe sich eine Antwort auf die Frage finden, ob die Welt ist, wie sie ist, weil sie genau so sein muss – oder ob "Gott bei der Erschaffung der Welt eine Wahl" hatte ...
November 2008

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft November 2008

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