Die großen Rätsel der modernen Physik

"Gott würfelt nicht!" Nicht selten wird mit diesem Zitat von Albert Einstein demselben unterstellt, er hätte sich den Konsequenzen der von ihm mitentdeckten Quantenmechanik verschlossen. Dabei war er es, der mit Nils Bohr um die Deutung der neuen Weltsicht gerungen hat. Er legte immer wieder den Finger in die Wunde und zwang seine Zeitgenossen, sich den großen Fragen zu stellen, die sich aus dieser neuen, wundersamen Theorie ergaben, die so fantastisch funktionierte. 1935 formulierte er gemeinsam mit Boris Podolsky und Nathan Rosen ein Gedankenexperiment, das EPR-Argument, das die verrückte Welt der Quanten scheinbar ad absurdum führte: Entweder muss sich die Menschheit von dem Konzept der Kausalität verabschieden oder von unserer Vorstellung der Realität. Beides schien für die Physiker nicht akzeptabel, also schlussfolgerten sie, dass die Quantenphysik noch nicht der Weisheit letzter Schluss sein kann. Sehr viel später erst zeigten ausgefallene Experimente, dass die Quantenmechanik keiner weiteren Ergänzung bedarf und wir notgedrungen auf entweder die Kausalität oder die Realität verzichten (oder beides) verzichten müssen - ein weiterer Grund, weshalb sich diese Theorie unserer Intuition entzieht. Sven und ich sprechen über die historischen Hintergründe, motivieren das EPR-Argument und besprechen, wie das Gedankenexperiment heutzutage im Labor nachgebaut werden kann. Viel Spaß beim Hören!

Anlässlich des Todes von Peter Higgs beschäftigen wir uns mit einer sehr grundlegenden physikalischen Größe, der Masse. Das Schöne an der Masse ist, dass wir einen intuitiven Zugang zu ihr haben: Dinge sind leicht oder schwer, und wenn man sie loslässt, fallen sie runter. Aber da fangen die Schwierigkeiten schon an: Lässt man eine Bowlingkugel und eine Feder im Vakuum fallen, so erreichen sie den Boden gleichzeitig. Noch nicht gesehen!? Das liegt daran, dass wir uns nicht im Vakuum befinden. Der Grund für diese überraschende Ergebnis ist, dass es nicht eine, sondern zwei Arten von Massen gibt: die träge und die schwere Masse. Erst Albert Einstein gelang es im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie, diese Konzepte zu verbinden. Aber was hat das mit Peter Higgs und seinem Teilchen zu tun? Anfangs gar nichts. Higgs versuchte ein abstraktes physikalisches Problem mathematisch zu lösen, das zunächst nichts mit der Masse von Elementarteilchen und zu tun hatte. Erst später wurde klar, dass sein Mechanismus die Massen der Elementarteilchen ermöglicht und den Abschluss des Standardmodells der Teilchenphysik bildet. Anhand der Masse spannen wir den Bogen von unserer Alltagswelt über die klassische Physik hin zu den Rätseln der modernen Physik.

In dieser Folge spreche ich mit Sven Ramelow über Quantenoptik. Sven leitet eine Nachwuchsgruppe an der HU Berlin, die mit Hilfe von Photonen Grundlagen der Quantenphysik untersucht, aber auch spannende Anwendungen entwickelt. Das Feld hat im letzten Jahr durch den Nobelpreis für Physik große Anerkennung bekommen, nicht zuletzt deswegen weil die grundlegenden Arbeiten bahnbrechend für die Entwicklung von Quantencomputern und Quantenkryptographie waren. Wir umreißen das Feld und geben einen Ausblick auf die Themen, die wir in den folgenden Podcasts besprechen wollen.

"Denn alles, was entsteht, ist wert, dass es zugrunde geht!" Nach dem Blick zurück zum Urknall, zur Entstehung der Welt, wagen jetzt wir einen Blick in die Zukunft des Universums. Die Vorstellung einer steten Entwicklung des Kosmos ist relativ neu: Als Albert Einstein mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie die moderne Kosmologie begründete, ging die Physik noch von einer statischen Welt aus. Um diese zu stabilisieren, führte er die kosmologische Konstante in seine Gleichungen ein - seine größte Eselei, die er bald darauf korrigierte. Erst der belgische Jesuitenpater Georges Lemaitre brachte mit seiner Vorstellung von einem Urknall Dynamik ins Universum. Seitdem hat sich die Vorstellung vom Werden unseren Welt stetig verändert. Beim Blick in die Zukunft stellen wir fest, dass wir nicht nur in der besten aller Welten leben, sondern wohl auch in der besten aller Zeiten. Unsere bunte vielfältige Welt wird nicht in alle Ewigkeit so weiter bestehen, sondern einem kalten langweiligen Universum Platz machen, in dem es keine Galaxien, keine Sterne, ja nicht einmal mehr die Kräfte gibt, die unsere Welt bestimmen. Aber wie mit jedem Wetterbericht ist es auch mit unserem Blick in die Zukunft: Es kann auch ganz anders kommen...

Im zweiten Teil von Raum und Zeit geht es um die Zeit, die sich durch ihre Eindimensionalität grundsätzlich vom Raum unterscheidet: Nur so lässt sich eine Ordnung, ein vorher und nachher definieren und damit auch so etwas wie Kausalität. Dabei ist die Zeit allerdings nicht der unabänderliche Fluss, das gleichmäßige Rinnen des Sandes durch die Sanduhr. Einstein hat in seinen Relativitätstheorien gezeigt, dass sowohl der Bewegungszustand als auch Materie den Gang der Zeit beeinflussen. Was sich wie Science Fiction anhört, hat sehr konkrete Auswirkungen: Ohne die relativistischen Korrekturen an den Uhren der GPS-Satelliten wäre eine Positionsbestimmung nicht möglich. Aber es wird noch wundersamer: In fast allen Bereichen der Physik lässt sich der Zeitpfeil umkehren oder sogar die Zeit vollständig aus den Gleichungen eliminieren. Wie kommt es dann, dass es eine Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft gibt? Der große Physiker Ludwig Boltzmann hat gezeigt, dass die Natur beim Übergang vom Mikrokosmos zum Makrokosmos immer den Zustand mit der größten Wahrscheinlichkeit anstrebt. Das ist der Zustand maximaler Unordnung. Damit werden physikalische Prozesse irreversibel . Dazu im scheinbaren Widerspruch steht das Leben selbst. Die Evolution hat hochgradig geordnete Strukturen hervorgebracht, und in der Entwicklung jedes Einzelwesens geschieht dasselbe. Das ist nur dadurch möglich, dass geschlossene Systeme im Ungleichgewicht ständig Energie aufnehmen und in negative Unordnung umwandeln können. Leben ist also ein ständiger Kampf um Struktur und Ordnung gegen das Chaos.

In der letzten Folge unserer Trilogie zur Frage: Was ist Wahrheit? sprechen wir über komplexe dynamische Systeme. Wetter, Klima, Ausbreitung von Infektionskrankheiten wie Corona oder die Funktion des Gehirns sind mit den Methoden der klassischen deterministischen Physik nicht beschreibbar. Wir sprechen darüber, wie beim Wechsel von der exakten Beschreibung elementarer mikroskopischer Vorgänge zur kollektiven Beschreibung komplexer makroskopischer Systeme neue Phänomene entstehen wie Strukturbildung und Evolution. Dieser Vorgang heißt Emergenz. Neben Experiment und Theorie tritt ein dritter Weg der wissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung auf den Plan: Modelle und Simulationen. Wetter, Klima oder die Ausbreitung von Corona müssen anhand von Daten mit beschränkter Güte und Menge und unsicheren Modellen simuliert werden. Sokrates sagte: Ich weiß, dass ich nicht(s) weiß. In diesem Sinne muss die Wissenschaft zuammen mit ihren Aussagen zugleich deren Fehler und Unsicherheiten kommunizieren. Sie muss auch sagen, was wir (noch) nicht wissen. Hier ist auch der naturwissenschaftliche Unterricht gefragt, der immer wieder zeigen muss, dass jede Wahrheit immer auch mit einer Unsicherheit behaftet ist. Sie ist Teil der wissenschaftlichen Wahrheit.

Nachdem wir der Frage nach der SCHÖNHEIT in der Physik nachgegangen sind, widmen wir uns nun der Frage: Was ist WAHRHEIT? Wir nähern uns in der ersten von drei Folgen dem Wahrheitsbegriff aus Sicht eines Physikers annähern und besprechen unter anderem die Beziehung zwischen Wahrheit und Realität, von deren Existenz wir als Naturwissenschaftler ausgehen müssen. Anhand mehrerer Beispiele zeichnen wir den Prozess der historischen Wahrheitsfindung nach, bei der "alte" Wahrheiten nicht etwa verworfen werden, sondern in neuen, übergeordneten Wahrheiten aufgehen. Das führt zu verschiedenen Schichten von Wahrheit: So lassen sich die komplexen Mechanismen menschlichen Zusammenlebens nicht aus den Gesetzen der Physik ableiten. Dazwischenliegen Chemie, Biologie und Psychologie mit jeweils eigenen Gesetzmäßigkeiten, die jeweils emergent aus den darunterliegenden Schichten hervorgehen. Wir betrachten Kriterien für eine "gute Theorie". Thomas wehrt sich gegen das Dogma der Falsifizierbarkeit: Als Wissenschaftler brauchen wir die Freiheit des Denkens und damit auch die Freiheit, Hypothesen zu generieren,die im Moment weder beweisbar noch widerlegbar sind. Dabei wird klar, dass der Prozess der Wahrheitsfindung in der Wissenschaft nicht geradlinig verläuft. Manchmal dauert es hundert Jahre, bis man von einer Hypothese zu einer bestätigten Theorie gelangt. Das ist gerade im aktuellen Diskurs um die Rolle der Wissenschaft in der Gesellschaft wichtig.

Kosmos heißt Schönheit, Harmonie und Ordnung. Die Suche nach der Schönheit in der Natur war für Wissenschaftler oft eine entscheidende Triebfeder und ein Erfolgsrezept bei der Suche nach der Wahrheit. Schönheit und Symmetrie schaffen nicht nur Ordnung und Harmonie in unserer Welt. Symmetrien bestimmen auch die Gesetze der Physik, die unsere Welt regieren. Zu schön, um nicht wahr zu sein - dürfen wir so an eine schöne Idee in der Wissenschaft herangehen? Bei aller Freude über die Schönheit von Symmetrien in der Natur - oft sind winzige Schönheitsfehler das Salz in der Suppe. Wie die winzige Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum, von der unsere gesamte materielle Existenz abhängt. Auf reizvolle Weise ergänzen also Schönheit und Hässlichkeit einander in unserer Welt.