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!

In dieser Folge sezieren wir einen der grundlegenden Versuche der Quantenmechanik, das Doppelspaltexperiment, von dem Richard Feynman sagt, er beinhalte das Herz der Quantenmechanik. Auch wenn Sven das nicht ganz so sieht, lassen sich anhand dieses einfachen Versuchsaufbaus ganz viele Fragen der Quantenmechanik behandeln: Was hat es mit den Wellen- und Teilcheneigenschaften von Quantenobjekten auf sich? Was hat der Messprozess mit dem Messobjekt zu tun? Und gibt es eine prinzipielle Grenze zwischen der Welt des Kleinen und der Welt des Großen? Und wenn ja, wo verläuft sie? Neben den akademischen Fragen schauen wir auch auf Anwendungen: Wie lassen sich die Quanteneigenschaften nutzen, um nützliche Informationen zu erhalten, die sich auch technisch nutzen lassen? 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.

"Da sprach Gott: Es werde Licht! Und es wurde Licht." Licht als Ursprung der Ordnung, die Dualität hell-dunkel beschäftigen die Menschheit wohl seit es Menschen gibt. In der modernen Wissenschaft begann die Frage nach dem Wesen des Lichts mit einem Streit, dem "Korpuskularstreit": Auf der einen Seite der Titan der Physik, Sir Isaak Newton, der Licht als Teilchen begriff, die sich nach den Gesetzen der Mechanik ausbreiten; auf der anderen Seiten der niederländische Physiker Christiaan Huygens, für den Licht eine Welle war, die sich im Raum ausbreitet. Beide Theorien konnten die meisten Eigenschaften von Licht erklären, aber aufgrund der Autorität Newtons blieb die Korpuskeltheorie vorherrschend bis weit ins 19. Jahrhundert. Mit der Formulierung der Maxwellgleichungen, die Elektrizitätslehre und Magnetismus äußerst elegant verband, folgte die Wellennatur: Licht ist eine elektromagnetische Welle, die sich mit unglaublicher Geschwindigkeit im Raum ausbreitet. Also doch eine Welle!? Nicht ganz. Albert Einstein nahm den "Rechentrick" von Max Planck ernst, eine kleinste Energieportion einzuführen, und konnte so die zu diesem Zeitpunkt sehr verwirrenden Ergebnisse des sogenannten Photoeffekts erklären. Damit war die Idee des Photons geboren und die Entwicklung der Quantenphysik nahm ihren Lauf. Wissen wir jetzt was Licht ist? Hört rein und findet es heraus...

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.

Ein Gespenst geht um in der Welt: Die künstliche Intelligenz. Wir sind keine KI-Experten und wagen einen kritischen Blick von außen. Als erstes fragen wir ganz naiv: Was ist eigentlich natürliche Intelligenz? Erst danach besprechen wir, wie wir sie auf Rechnern nachbauen können. Und fragen uns: Wo ist KI erfolgreich? Wie intelligent sind fahrende Autos? Worin unterscheidet sich menschliches Denken von KI? Kann KI von sich aus Gefühle oder einen Glauben entwickeln? Gibt es menschliche Dinge, die uns KI nicht nehmen kann? Nimmt sie uns das Privileg, uns als Krone der Schöpfung fühlen zu können? Und wo lauern ihre Gefahren?

"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...

In dieser Folge stellen wir die Frage: Was wäre, wenn - wenn Gott nur ein kleines bisschen an den Parametern dieser Welt gedreht hätte? Egal wie, wir würden meist in einem Universum landen, in dem es keine Atome, keine Sterne, keine Chemie, damit keine Biologie und somit auch keine Menschen geben würde, die sich über dieses "Finetuning" der Welt wundern könnten. Hatte also Gottfried Wilhelm Leibniz recht, als er sagte, dass Gott nur die besten aller möglichen Welten erschaffen konnte? Aber statt zu unterstellen, dass ein Gott diese Welt für uns schuf, betrachten wir eine andere Möglichkeit: Wie wäre es, wenn neben unserem Universum in einem Multiversum einige riesige Zahl alternativer Universen mit anderen physikalischen Gesetzen realisiert wären? Unter ihnen befände sich gewiss ein lebensfreundliches. Kann man mit diesen anderen Universen in Kontakt treten? Diese Frage besprechen wir in unserem Podcast.

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.

"Der absolute Raum ist unvergänglich und bleibt vermöge seiner Natur... stets gleich und unbeweglich", sagte Newton. Auch Kant betrachtete den Raum als Bühne, auf der sich das Welttheater abspielt, als absolute und unveränderliche Voraussetzung unseres Denkens. Aber ist der Raum wirklich nur reine Mathematik, bloßes Gefäß für den Inhalt, die Materie unserer Welt? Mit Einsteins Relativitätstheorie mussten wir uns vom absoluten Raum und der absoluten Zeit verabschieden (mehr dazu in Teil 2). Von nun an wird der Raum selbst zum Akteur, von einer mathematischen Grundlage zum Gegenstand der Physik. Wir sprechen darüber, was die Krümmung unseres Universums verursacht, was sie bedeutet, wie groß sie ist und ob und warum eine Welt mit unserer Krümmung die "Beste aller Welten" im Sinne von Leibniz ist.

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.

In der zweiten Folge zur Wahrheit in der Physik gehen wir der Frage nach, woher wir wissen können, wie alt das Universum wirklich ist oder was seine kleinsten Bausteine sind. Wichtig dabei sind Crosschecks, also voneinander unabhängige Messungen und Theorien, die zu denselben Ergebnissen führen. Dabei ist es verblüffend, in welchem Ausmaß wir unsere Welt mit Hilfe der Mathematik, die sich unserem intuitiven Verständnis entzieht, präzise beschreiben können. Wir beschäftigen uns auch anhand der Schöpfungsgeschichte mit der Frage, ob die physikalischen Gesetze Teil unserer Welt sind oder nur unser erkenntnistheoretischer Zugang zur Realität.

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.

Im ersten Teil sprachen wir über Schönheit, Symmetrie und Harmonie. Aber die Welt ist nicht nur schön und harmonisch. Interessant wird sie meist durch hässliche Asymmetrien. So ließ Johannes Kepler zum Glück die Natur sprechen und ersetzte seine Harmonien der Welt, die perfekten Sphären, durch Ellipsen, auf denen sich die Planeten um die Sonne bewegen. Dahinter steckt Newtons Kraftgesetz. Es ist perfekt rotationssymmetrisch, aber alle seine Lösungen brechen diese Symmetrie. Es sind gerade diese Schönheitsfehler, die unsere Welt ausmachen: So ist die winzige Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie, die kurz nach dem Urknall entstand, für die Materie verantwortlich, aus der die Galaxien, Sterne, Planeten und wir heute Menschen bestehen. Symmetriebrechung gibt es auch zwischen Elektrizität und Magnetismus und beim Higgsfeld, das unser Universum erfüllt und die Massen der Teilchen erzeugt. Wir sprechen auch darüber, wie die Wissenschaft zuweilen Hässliches und Unverstandenes verdrängt und unter den Teppich kehrt.

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.

In der ersten Ausgabe unseres Podcasts "Die großen Rätsel und offenen Fragen der modernen Physik" sprechen wir über Raum und Zeit, den Inhalt des Universums, seinen Anfang und sein Ende, Wahrheit und Schönheit. In den letzten Jahren ist es gelungen, zwei der erfolgreichsten Theorien der Physik durch Experimente zu bestätigen: Die Allgemeine Relativitätstheorie durch den Nachweis der Gravitationswellen und das Standardmodell der Elementarteilchenphysik durch die Entdeckung des Higgs-Teilchens. Damit sind aber nicht alle großen Fragen beantwortet, im Gegenteil ...