Verlag: FISCHER E-Books Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien Sprache: Deutsch Ausgabejahr: 2012

Die Vermessung des Universums E-Book

Lisa Randall

4.5 (20)
Bestseller

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E-Book-Beschreibung Die Vermessung des Universums - Lisa Randall

Jetzt mit einem aktuellen Anhang zur Higgs-Entdeckung!In keiner anderen Naturwissenschaft kündigen sich so umwälzende und aufregende Erkenntnisse für Mensch und Kosmos an wie in der Physik. Das große Ziel ist es, so kleine Dinge wie Atome und so große wie Galaxien einheitlich zu erklären. Doch wie soll das gelingen? In ihrem neuen Buch berichtet Besteller-Autorin Lisa Randall spannend und anschaulich aus den Laboren und Denkfabriken ihrer Kollegen: Welchen Fragen gehen Physiker nach? Welche Rolle spielen so gigantische Apparate wie der Teilchenbeschleuniger im CERN? Was hat es mit der Suche nach dem Higgs-Boson auf sich? Wie hängt angewandte mit theoretischer Physik zusammen? Lisa Randall zeichnet das Bild der gegenwärtigen Physik in all ihren Facetten und lässt ganz konkret werden, wie die moderne Grundlagenforschung funktioniert. Ein unterhaltsamer, lehrreicher Einblick in die faszinierende Welt der Physik und gleichzeitig ein Lob der kreativen Fähigkeiten des menschlichen Geistes und der Wissenschaft.

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E-Book-Leseprobe Die Vermessung des Universums - Lisa Randall

Lisa Randall

Die Vermessung des Universums

Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist

Aus dem Amerikanischen von Jürgen Schröder

Fischer e-books

Einleitung

Wir stehen kurz vor neuen Entdeckungen. Die größten und aufregendsten Experimente in der Elementarteilchenphysik und Kosmologie sind in vollem Gange, und viele der talentiertesten Physiker und Astronomen der Welt konzentrieren sich auf ihre Implikationen. Was Naturwissenschaftler innerhalb der nächsten zehn Jahre herausfinden, könnte Hinweise liefern, die letztendlich unser Verständnis des grundlegenden Aufbaus der Materie oder gar des Raums selbst verändern werden – und vielleicht auch ein vollständigeres Bild des Wesens der Wirklichkeit ergeben. Diejenigen von uns, die sich für diese Entwicklungen interessieren, glauben nicht, dass es sich dabei um bloße postmoderne Ergänzungen handeln wird. Wir sehen Entdeckungen entgegen, die ein völlig anderes Universum des 21. Jahrhunderts für den zugrunde liegenden Aufbau des Weltalls einleiten und unser Bild seiner grundlegenden Architektur aufgrund der auf uns wartenden Einsichten verändern könnten.

Der 10. September 2008 markierte den epochemachenden ersten Testlauf des Large Hadron Collider (LHC). Obwohl der Name – Large Hadron Collider – zwar treffend, aber einfallslos ist, gilt dasselbe nicht für die naturwissenschaftlichen Ergebnisse, die wir von ihm erwarten und die sich als spektakulär erweisen sollen. Das »large« (groß) bezieht sich auf den Teilchenbeschleuniger – nicht auf die Hadronen. Der LHC umfasst einen riesigen 26,6 Kilometer[1] langen kreisförmigen Tunnel tief unter der Erde, der sich zwischen dem Jura-Gebirge und dem Genfer See erstreckt und die französisch-schweizerische Grenze schneidet. Mit elektrischen Feldern innerhalb dieses Tunnels werden zwei Strahlen, von denen jeder aus Milliarden Protonen besteht (die zur sogenannten Teilchenklasse der Hadronen gehören – daher der Name des Teilchenbeschleunigers), bei ihren Umläufen – die etwa elftausend Mal pro Sekunde stattfinden – beschleunigt.

In diesem Teilchenbeschleuniger finden die in vielerlei Hinsicht größten und beeindruckendsten Experimente statt, die je gemacht wurden. Das Ziel besteht in detaillierten Untersuchungen der Struktur der Materie auf Abständen, die nie zuvor gemessen wurden, und bei Energien, die höher sind als alles, was bisher erforscht wurde. Diese Energien sollen eine Reihe exotischer Elementarteilchen erzeugen und Wechselwirkungen nachweisen, die früh in der Entwicklung des Universums auftraten – etwa eine Billionstel Sekunde nach dem Urknall.

Die Konstruktion des LHC führte sowohl die menschliche Erfindungsgabe als auch die Technik an ihre Grenzen, und seine Verwirklichung hatte mit noch viel weitreichenderen Hindernissen zu kämpfen. Zur großen Enttäuschung von Physikern und allen anderen, die an einem besseren Verständnis der Natur interessiert sind, löste eine schlecht ausgeführte Lötverbindung nur neun Tage nach dem vielversprechenden ersten Lauf des LHC eine Explosion aus. Als der LHC seine Arbeit im Herbst 2009 wieder aufnahm – und besser funktionierte, als irgendjemand zu hoffen wagte –, wurde das Versprechen eines Vierteljahrhunderts wahr.

Im Frühling desselben Jahres wurden die Satelliten »Planck« und »Herschel« in Französisch-Guayana gestartet. Ich erfuhr von der Zeitplanung durch eine begeisterte Gruppe von Caltech-Astronomen, die sich am 13. Mai um 5 Uhr 30 in Pasadena trafen, wo ich gerade zu Besuch war, um diesem historischen Ereignis aus der Ferne beizuwohnen. Der Herschel-Satellit wird Einblicke in die Bildung von Sternen geben, und der Planck-Satellit wird detaillierte Informationen über die Hintergrundstrahlung aus der Zeit des Urknalls liefern – und damit neue Informationen zur Frühgeschichte unseres Universums. Satellitenstarts wie diese sind zwar gewöhnlich aufregend, aber auch mit großer Anspannung verbunden, weil zwei bis fünf Prozent fehlschlagen und dadurch Jahre der Arbeit an maßgefertigten naturwissenschaftlichen Instrumenten in diesen Satelliten zerstören, wenn sie auf die Erde herabstürzen. Glücklicherweise verlief dieser besondere Start äußerst gut, und den ganzen Tag lang wurden Informationen zurückgesandt, die den Erfolg des Starts bestätigten. Aber dennoch werden wir einige Jahre warten müssen, bevor uns diese Satelliten ihre wertvollsten Daten über die Sterne und das Universum zur Verfügung stellen.

 

 

Die Physik stellt jetzt einen festen Bestand an Wissen darüber bereit, wie das Universum über ein äußerst großes Spektrum von Abständen und Energien funktioniert. Durch theoretische und experimentelle Untersuchungen sind Naturwissenschaftler zu einem tiefen Verständnis von Elementen und Strukturen gelangt, die vom winzig Kleinen bis zum riesig Großen reichen. Mit der Zeit haben wir eine detaillierte und umfassende Geschichte darüber abgeleitet, wie die Einzelteile zusammenpassen. Theorien beschreiben erfolgreich, wie der Kosmos sich aus winzigen Bestandteilen entwickelte, die Atome bildeten, die sich ihrerseits zu Sternen verbanden, welche in Galaxien und größeren Strukturen über das ganze Universum hinweg angeordnet sind, und wie manche Sterne dann explodierten und schwere Elemente erzeugten, die in unsere Galaxie und unser Sonnensystem eindrangen und die letztendlich für die Entstehung des Lebens notwendig sind. Mit den Ergebnissen vom LHC und von solchen satellitengestützten Forschungen, wie sie oben erwähnt wurden, hoffen die heutigen Physiker, auf dieser soliden und umfassenden Grundlage aufbauen zu können, um unser Verständnis auf kleinere Abstände und höhere Energien zu erweitern und um eine größere Genauigkeit als jemals zuvor zu erreichen. Es ist ein Abenteuer. Unsere Ziele sind ehrgeizig.

Wahrscheinlich haben Sie schon sehr deutliche und scheinbar präzise Definitionen von Naturwissenschaft gehört, insbesondere wenn sie mit Glaubenssystemen wie z.B. der Religion kontrastiert wird. Die wahre Geschichte der Entwicklung der Naturwissenschaft ist jedoch komplex. Obwohl wir sie gerne – zumindest ging es mir so, als ich meine ersten Schritte machte – für eine zuverlässige Widerspiegelung der äußeren Wirklichkeit und der Regeln halten, nach denen die physikalische Welt funktioniert, findet doch die aktive Forschung nahezu unvermeidlich in einem Zustand der Unbestimmtheit statt, in dem wir zwar die Hoffnung haben, Fortschritte zu erzielen, aber nicht wirklich sicher sein können. Die Herausforderung, die sich für Naturwissenschaftler stellt, besteht darin, sich mit vielversprechenden Ideen beharrlich auseinanderzusetzen, während man sie ständig in Frage stellt, um sich ihrer Wahrhaftigkeit und ihrer Implikationen zu vergewissern. Naturwissenschaftliche Forschung erfordert notwendigerweise einen heiklen Balanceakt auf dem Rande schwieriger und manchmal miteinander konfligierender und konkurrierender – aber oft auch aufregender – Ideen. Das Ziel besteht darin, die Grenzen des Wissens zu erweitern. Wenn man aber zum ersten Mal mit den Messdaten, Begriffen und Gleichungen jongliert, kann die richtige Interpretation für jedermann ungewiss sein – auch für jene, die am aktivsten daran beteiligt sind.

Meine Untersuchungen konzentrieren sich auf die Theorie der Elementarteilchen – die Untersuchung der kleinsten Objekte, die wir kennen – mit Vorstößen in die Stringtheorie und die Kosmologie – der Erforschung des Allergrößten. Meine Kollegen und ich versuchen zu verstehen, was sich im Innersten der Materie befindet, was es da draußen im Weltall gibt und wie alle die grundlegenden Größen und Eigenschaften, die die Experimentalphysiker entdecken, letztendlich miteinander zusammenhängen. Theoretische Physiker wie ich führen die tatsächlichen Experimente, die bestimmen, welche Theorien auf die wirkliche Welt anwendbar sind, nicht selbst durch. Stattdessen versuchen wir, mögliche Ergebnisse der Experimente vorherzusagen, und helfen dabei, innovative Mittel zur Prüfung bestimmter Ideen zu entwickeln. In absehbarer Zukunft werden die Fragen, die wir zu beantworten versuchen, wahrscheinlich nichts daran ändern, was die Menschen jeden Tag zu Abend essen. Aber diese Untersuchungen könnten uns am Ende etwas darüber sagen, wer wir sind und woher wir kamen.

Die Vermessung des Universums berichtet über unsere Forschung und die wichtigsten naturwissenschaftlichen Fragen, mit denen wir zu tun haben. Neue Entwicklungen in der Elementarteilchenphysik und der Kosmologie haben das Potential, unser Verständnis der Welt radikal zu revidieren: ihren Aufbau, ihre Entwicklung und die grundlegenden Kräfte, die für ihren Betrieb verantwortlich sind. Dieses Buch beschreibt experimentelle Forschungen am Large Hadron Collider und theoretische Untersuchungen, die versuchen vorherzusagen, was die Experimente finden werden. Es beschreibt auch Forschungen in der Kosmologie – wie wir es anstellen, das Wesen des Weltalls und insbesondere das der dunklen Materie abzuleiten, die sich im ganzen Weltall verbirgt.

Aber Die Vermessung des Universums hat auch eine umfassendere Perspektive. Dieses Buch erforscht allgemeinere Fragen, die alle naturwissenschaftlichen Untersuchungen betreffen. Neben der Beschreibung der Grenzen heutiger Forschung steht die Klärung des Wesens der Naturwissenschaft im Zentrum dieses Buches. Es beschreibt, wie wir entscheiden, welches die richtigen Fragen sind, die gestellt werden sollen, warum Naturwissenschaftler in diesem Punkt nicht immer übereinstimmen und wie sich richtige naturwissenschaftliche Ideen letztendlich durchsetzen. Dieses Buch erkundet die wirklichen Wege, auf denen die Naturwissenschaft vorwärtsschreitet, und die Hinsichten, in denen sie im Gegensatz zu anderen Möglichkeiten der Wahrheitsfindung steht. Es stellt einige der philosophischen Grundlagen der Naturwissenschaften dar und beschreibt die Zwischenstadien, in denen ungewiss ist, wo wir am Ende anlangen werden und wer recht hat. Außerdem und mit ebenso großem Gewicht zeigt es, wie naturwissenschaftliche Ideen und Methoden außerhalb der Naturwissenschaft Anwendung finden können und fördert so auch in anderen Bereichen eine rationalere Entscheidungsfindung.

Die Vermessung des Universums richtet sich an den interessierten, nichtprofessionellen Leser, der die gegenwärtige theoretische und Experimentalphysik gerne besser verstehen würde und der das Wesen der modernen Naturwissenschaft besser einschätzen möchte – sowie die Prinzipien einwandfreien naturwissenschaftlichen Denkens. Häufig versteht man nicht wirklich, was Naturwissenschaft ist und welche Antworten wir von ihr erwarten können. Dieses Buch ist mein Versuch, einige der Missverständnisse zu korrigieren – und vielleicht ein bisschen meiner Enttäuschung darüber Luft zu machen, wie Naturwissenschaft gegenwärtig verstanden und angewandt wird.

In den letzten paar Jahren konnte ich einige einzigartige Erfahrungen machen und lernte eine Menge aus Gesprächen. Diese Erfahrungen möchte ich gerne als Ausgangspunkte für die Erforschung einiger wichtiger Ideen mitteilen. Obwohl ich nicht auf allen Gebieten, die ich besprechen werde, Spezialistin bin und es nicht genügend Raum gibt, um allen volle Gerechtigkeit widerfahren zu lassen, hege ich doch die Hoffnung, dass dieses Buch den Leser in produktivere Richtungen lenken wird, während nebenbei einige aufregende neue Entwicklungen erhellt werden. Es sollte den Lesern auch dabei helfen, die zuverlässigsten Quellen naturwissenschaftlicher Information – oder Fehlinformation – zu bestimmen, wenn sie in der Zukunft nach weiteren Antworten suchen. Einige der Gedanken, die dieses Buch vorstellt, mögen zwar sehr elementar erscheinen, aber ein gründlicheres Verständnis des Denkprozesses, der der modernen Naturwissenschaft zugrunde liegt, wird dazu beitragen, sowohl die Forschung als auch wichtige Probleme, mit denen die moderne Welt gegenwärtig konfrontiert ist, besser in Angriff zu nehmen.

In dieser Zeit der Film-Prequels könnte man Die Vermessung des Universums als die Ursprungsgeschichte zu meinem letzten Buch Verborgene Universen betrachten, in Kombination mit einer Aktualisierung dessen, wo wir jetzt stehen und was wir erwarten. Es füllt die Lücken auf – indem es sich den Grundlagen der Naturwissenschaft zuwendet, auf denen neue Ideen und neue Entdeckungen beruhen – und erklärt, warum wir ungeduldig auf der Stuhlkante sitzen und darauf warten, dass neue Daten auftauchen.

Das Buch bewegt sich hin und her zwischen Einzelheiten, die die heutige Naturwissenschaft betreffen, und Überlegungen bezüglich der zugrunde liegenden Themen und Begriffe, die für die Naturwissenschaft zentral, aber auch nützlich für das Verständnis der Welt im weiteren Sinne sind. Der erste Teil des Buches, Kapitel 11 und 12 im zweiten Teil, Kapitel 15 und 18 im dritten und der letzte Teil (Zusammenfassung) beziehen sich stärker auf naturwissenschaftliches Denken, während die übrigen Kapitel sich mehr auf die Physik konzentrieren, darauf, wo wir heute stehen und wie wir bis hierher gelangt sind.

In mancher Hinsicht sind es zwei Bücher in einem – aber Bücher, die man am besten zusammen liest. Die moderne Physik mag manchen als zu weit entfernt von unserem Alltagsleben erscheinen, um von Bedeutung oder überhaupt nur verständlich zu sein, aber ein Verständnis der philosophischen und methodologischen Grundlagen, die unser Denken leiten, sollte sowohl die Naturwissenschaft als auch die Bedeutung des naturwissenschaftlichen Denkens erhellen – wie wir an vielen Beispielen sehen werden. Umgekehrt wird man die Grundelemente naturwissenschaftlichen Denkens nur dann ganz verstehen, wenn man sie auf eine wirkliche Naturwissenschaft bezieht, in der sie verankert sind. Leser mit einem größeren Interesse an dem einen oder anderen mögen sich zwar dafür entscheiden, einen der beiden Wege nur zu überfliegen oder gar auszulassen, aber erst beide zusammen machen eine ausgewogene Mahlzeit aus.

Ein in dem ganzen Buch immer wiederkehrender Grundgedanke ist der Begriff der Skala. Die Gesetze der Physik liefern einen einheitlichen Rahmen dafür, wie unzweifelhafte theoretische und physikalische Beschreibungen zu einem kohärenten Ganzen zusammenpassen, und zwar von den unendlich kleinen Abständen, die gegenwärtig am LHC erforscht werden, bis zur gewaltigen Größe des gesamten Weltalls.[2] Die Kategorie der Skala ist sowohl für unser Denken als auch für die besonderen Tatsachen und Ideen entscheidend, denen wir begegnen werden. Bewährte naturwissenschaftliche Theorien beziehen sich auf zugängliche Skalen. Aber diese Theorien konzentrieren sich auf zunehmend präzise und grundlegendere Skalen, wenn wir frisch erworbenes Wissen von den zuvor noch unerforschten Extremen kurzer oder langer Abstand hinzufügen. Das erste Kapitel bezieht sich auf das Kernelement der Skala und erklärt, inwiefern die Kategorisierung nach Abständen für die Physik und für die Art und Weise wesentlich ist, wie neue naturwissenschaftliche Entwicklungen auf früheren aufbauen.

Der erste Teil stellt auch verschiedene Möglichkeiten der Betrachtung von Wissen dar und kontrastiert sie miteinander. Wenn Sie andere Menschen danach fragen, woran sie denken, wenn sie an Naturwissenschaft denken, werden die Antworten wahrscheinlich genauso vielfältig sein, wie die Personen, die Sie befragen. Manche werden auf starren, unveränderlichen Aussagen über die physikalische Welt beharren. Andere werden Naturwissenschaft als eine Menge von Prinzipien definieren, die ständig durch andere ersetzt werden, und wieder andere werden antworten, dass Naturwissenschaft nicht mehr als ein weiteres System von Überzeugungen ist, das sich qualitativ nicht von der Philosophie oder der Religion unterscheidet. Und alle hätten unrecht.

Das sich entwickelnde Wesen der Naturwissenschaft steht im Zentrum des Problems, warum es überhaupt so viele Auseinandersetzungen geben kann – sogar innerhalb der naturwissenschaftlichen Gemeinschaft selbst. Dieser Teil stellt ein wenig von der Geschichte dar, wie die heutige Forschung in den geistigen Fortschritten des 17. Jahrhunderts verwurzelt ist, und fährt dann mit einigen weniger scharf bestimmten Aspekten der Debatte zwischen Naturwissenschaft und Religion fort – eine Auseinandersetzung, deren Ursprung in mancher Hinsicht auf jene Zeit zurückgeht. Er wirft auch einen Blick auf die materialistische Auffassung der Materie und ihre heiklen Folgen für die Frage nach dem Verhältnis von Naturwissenschaft und Religion sowie auf das Problem, wer die grundlegenden Fragen beantworten soll und wie das geschieht.

Teil II wendet sich dem physikalischen Aufbau der materiellen Welt zu. Er vermisst das Gelände für die naturwissenschaftliche Reise des Buches, indem er die Materie von vertrauten Skalen bis zu den kleinsten hinab verfolgt, wobei immer eine Aufteilung bezüglich der Skala vorgenommen wird. Dieser Weg wird uns von bekanntem Terrain zu submikroskopischen Größen hinabführen, deren innere Struktur nur durch riesige Teilchenbeschleuniger erkundet werden kann. Der Abschnitt endet mit einer Einführung in einige der wichtigsten Experimente, die heute durchgeführt werden – der Large Hadron Collider (LHC) und astronomische Untersuchungen des frühen Universums –, was die äußersten Grenzen unseres Verständnisses erweitern solle.

Wie bei jeder aufregenden Entwicklung besitzen diese mutigen und ehrgeizigen Unternehmungen das Potential, unsere naturwissenschaftliche Weltsicht radikal zu verändern. In Teil III beginnen wir damit, uns in die Funktionsweise des LHC zu vertiefen, und erforschen, wie diese Maschine Protonenstrahlen erzeugt und aufeinanderprallen lässt, um neue Teilchen zu schaffen, die uns Auskunft über die kleinsten zugänglichen Skalen geben. Dieser Abschnitt erklärt auch, wie die Experimentalphysiker das Gefundene interpretieren.

Das CERN (sowie der auf amüsante Weise irreführende Hollywood-Kassenschlager Illuminati) hat die experimentelle Seite der Teilchenphysik weitgehend bekannt gemacht. Viele haben jetzt von dem riesigen Teilchenbeschleuniger gehört, der sehr energiereiche Protonen aufeinanderprallen lassen wird, welche in einem winzigen Raumgebiet konzentriert sein werden, um Formen der Materie zu erzeugen, die noch nie zuvor gesehen wurden. Der LHC läuft jetzt und ist bereit, unser Verständnis des grundlegenden Wesens der Materie und sogar des Raumes selbst zu verändern. Aber wir wissen noch nicht, was er finden wird.

Im Laufe unserer naturwissenschaftlichen Entdeckungsfahrt werden wir über naturwissenschaftliche Unsicherheit nachdenken und darüber, was Messungen uns wirklich sagen können. Die Forschung befindet sich ihrem Wesen nach an den Grenzen unseres Wissens. Experimente und Berechnungen sollen so viele Ungewissheiten wie möglich reduzieren oder ausschalten und die verbleibenden so genau wie möglich bestimmen. Dennoch steckt die Naturwissenschaft im Alltag voller Unsicherheiten, obwohl das paradox klingen mag. Teil III untersucht, wie Naturwissenschaftler sich den Herausforderungen stellen, die ihren schwierigen Forschungen innewohnen, und wie jedermann vom naturwissenschaftlichen Denken profitieren kann, wenn er Aussagen interpretiert und versteht, die in einer zunehmend komplexeren Welt gemacht werden.

Teil III geht auch auf die schwarzen Löcher am LHC ein und auf den Gegensatz, in dem die Befürchtungen, die sie hervorgerufen haben, zu einigen wirklichen Gefahren stehen, denen wir gegenwärtig ausgesetzt sind. Wir betrachten die wichtigen Probleme der Kosten-Nutzen-Analyse und des Risikos und wie man sich ihnen gedanklich besser nähern kann – sowohl innerhalb als auch außerhalb von Forschungseinrichtungen.

Teil IV beschreibt die Suche nach dem Higgs-Boson sowie spezifische Modelle, die wohlbegründete Vermutungen darüber darstellen, was existiert, und die außerdem Forschungsziele für den LHC sind. Wenn LHC-Experimente einige der Ideen bestätigen, die Theoretiker ausgearbeitet haben – oder selbst, wenn sie etwas Unvorhergesehenes entdecken –, werden die Ergebnisse unser Weltbild verändern. Dieser Abschnitt erklärt den Higgs-Mechanismus, der für die Massen von Elementarteilchen verantwortlich ist, sowie das Hierarchieproblem, demzufolge wir noch mehr Teilchen finden sollten. Darin werden ebenfalls Modelle untersucht, die sich diesem Problem zuwenden, und die exotischen neuen Teilchen, die von diesen Modellen vorhergesagt werden, wie z.B. jene, die mit der Supersymmetrie oder Extra-Dimensionen des Raumes verbunden sind.

Neben der Darstellung spezifischer Hypothesen erklärt dieser Teil, wie Physiker bei der Konstruktion von Modellen vorgehen, und erläutert die Wirksamkeit von Leitprinzipien wie z.B. »Wahrheit durch Schönheit« und »von oben nach unten« im Vergleich zu »von unten nach oben«. Er erklärt, wonach der LHC sucht, aber auch, wie Physiker Vorhersagen darüber treffen, was er finden könnte. Dieser Teil beschreibt, wie Naturwissenschaftler versuchen, die scheinbar abstrakten Daten, die der LHC hervorbringt, mit einigen der tiefen und grundlegenden Ideen zu verbinden, die wir gegenwärtig erforschen.

Nach unserer Forschungsreise in das Innere der Materie blicken wir in Teil V nach außen. Zur selben Zeit, wie der LHC die kleinsten Skalen der Materie erkundet, werden Satelliten und Teleskope die größten Maßstäbe im Kosmos erforschen – indem sie die Beschleunigungsrate seiner Expansion untersuchen – und außerdem bestimmte Aspekte der Hintergrundstrahlung aus der Zeit des Urknalls analysieren. Unsere Epoche könnte Zeuge von neuen Entwicklungen in der Kosmologie werden, der Wissenschaft von der Entwicklung des Weltalls. In diesem Abschnitt werden wir das Universum bis zu größeren Maßstäben erforschen und die Verbindung zwischen der Elementarteilchenphysik und der Kosmologie besprechen sowie die schwer zu fassende dunkle Materie und die experimentelle Suche nach ihr.

Die Zusammenfassung am Ende von Teil VI denkt über Kreativität und die reichhaltigen und vielfältigen Gedankenelemente nach, die Bestandteile des kreativen Denkens sind. Sie untersucht, wie wir versuchen, die großen Fragen durch die etwas kleiner scheinenden Tätigkeiten in unserem Alltag zu beantworten. Wir schließen mit einigen Gedanken darüber, warum die Naturwissenschaft und das naturwissenschaftliche Denken heute so wichtig sind, sowie über die symbiotische Beziehung zwischen Technik und naturwissenschaftlichem Denken, die in der modernen Welt so viel Fortschritt hervorgebracht hat.

Ich werde häufig daran erinnert, wie knifflig es für Nicht-Naturwissenschaftler sein kann, die manchmal entlegenen Ideen zu würdigen, denen sich die moderne Naturwissenschaft zuwendet. Diese Herausforderung wurde offenkundig, als ich mich mit einer Klasse von College-Studenten nach einem öffentlichen Vortrag traf, den ich über Extra-Dimensionen und Physik hielt. Als man mir sagte, dass sie alle dieselbe drängende Frage hätten, erwartete ich eine gewisse Verwirrung hinsichtlich der Dimensionen, erfuhr aber stattdessen, dass sie wissen wollten, wie alt ich sei. Aber mangelndes Interesse ist nicht die einzige Herausforderung – und tatsächlich setzten sich die Studenten auch mit den naturwissenschaftlichen Ideen auseinander. Dennoch lässt sich nicht leugnen, dass die Grundlagenwissenschaft häufig abstrakt ist, und es kann schwierig sein, sie zu rechtfertigen – eine Hürde, mit der ich bei einer Anhörung im Kongress über die Bedeutung von Grundlagenwissenschaft konfrontiert war. Zusammen mit Dennis Kovar – Leiter für Hochenergiephysik am US-amerikanischen Energieministerium –, Pier Oddone – Leiter des Fermi National Accelerator Laboratory – und Hugh Montgomery – Leiter des Jefferson Lab, einer Einrichtung für Kernphysik – nahm ich im Herbst 2009 daran teil. Das war mein erster Besuch der Regierungseinrichtungen, seit mich mein Kongressabgeordneter, Benjamin Rosenthal, herumgeführt hatte, als ich vor vielen Jahren beim Westinghouse-Naturwissenschaftswettbewerb High-School-Finalistin war. Großzügigerweise vermittelte er mir mehr als den bloßen Fototermin, den die anderen Finalisten erhielten.

Bei meinem jüngsten Besuch genoss ich erneut den Anblick der Büros, in denen Politik gemacht wird. Der Raum, der dem parlamentarischen Ausschuss für Naturwissenschaft und Technik zur Verfügung steht, befindet sich im Rayburn House Office Building. Die Abgeordneten saßen hinten, und wir »Zeugen« saßen ihnen gegenüber. Tafeln mit Inschriften hingen über den Köpfen der Abgeordneten, von denen die erste lautete: »Ohne prophetische Offenbarung verwildert das Volk.« Sprüche 29,18.

Es scheint, dass die amerikanische Regierung sich sogar in demjenigen Kongresssaal, der ausdrücklich der Naturwissenschaft und Technik gewidmet ist, auf die Heilige Schrift beziehen muss. Trotzdem bringt der Spruch ein edles und richtiges Gefühl zum Ausdruck, dem wir alle gern entsprechen würden.

Auf der zweiten Tafel stand ein eher weltliches Zitat von Tennyson: »For I dipped into the future, far as my eyes could see. Saw the vision of the world and the wonder that would be.« (»Denn ich blickte in die Zukunft, so weit ich nur sehen konnte. Sah das Traumbild der Welt und das künftige Wunder.«)

Das war ebenfalls ein schöner Gedanke, den man im Gedächtnis behalten sollte, während wir unsere Forschungsziele beschrieben.

Ironischerweise war der Saal so eingerichtet, dass wir »Zeugen« aus der Welt der Naturwissenschaft – die für diese Aussagen bereits Sympathie empfanden – diesen Tafeln gegenübersaßen. Sie hingen direkt in unserer Blickrichtung. Die Abgeordneten dagegen saßen unter diesen Worten, so dass sie sie nicht sehen konnten. Der Kongressabgeordnete Lipinski, der bei seinem Eröffnungsplädoyer sagte, dass Entdeckungen zu weiteren Fragen – und großen metaphysischen Untersuchungen – führen, bestätigte, dass er die Tafeln zwar gewöhnlich bemerkte, sie jetzt aber nur allzu leicht in Vergessenheit gerieten. »Wenige von uns blicken je nach dort oben.« Er war dankbar dafür, daran erinnert zu werden.

Dann wandten wir Naturwissenschaftler uns von der Raumeinrichtung ab und konzentrierten uns auf die vorliegende Aufgabe – zu erklären, warum dies eine so aufregende und beispiellose Zeit für die Elementarteilchenphysik und die Kosmologie ist. Obwohl die Fragen der Abgeordneten gelegentlich spitz und skeptisch waren, konnte ich doch den Widerstand spüren, mit dem sie ständig zu tun haben, wenn sie ihren Wählern erklären, warum es ein Fehler wäre, die finanzielle Unterstützung naturwissenschaftlicher Arbeit einzustellen – selbst angesichts wirtschaftlicher Unsicherheiten. Ihre Fragen reichten von Einzelheiten im Hinblick auf den Zweck bestimmter Experimente bis zu allgemeineren Fragen zur Rolle der Naturwissenschaft und ihren Zielen.

Zwischen den Abwesenheitsphasen der Abgeordneten, die von Zeit zu Zeit den Saal verlassen mussten, um ihre Stimme abzugeben, stellten wir ein paar Beispiele für positive Nebeneffekte vor, die aus der Förderung von Grundlagenwissenschaft erwachsen. Selbst Naturwissenschaft, die als Grundlagenforschung angelegt ist, erweist sich häufig in anderen Hinsichten als fruchtbar. Wir sprachen über Tim Berners-Lees Entwicklung des World Wide Web als Mittel, um Physikern in verschiedenen Ländern eine bessere Zusammenarbeit an ihren gemeinsamen Experimenten am CERN zu ermöglichen. Wir diskutierten über medizinische Anwendungen, wie z.B. PET-Scans – Positronen-Emissions-Tomographie – eine Methode der Erforschung der inneren Körperstruktur durch das Antiteilchen des Elektrons. Wir erklärten die Rolle der industriellen Herstellung von supraleitenden Magneten, die für Teilchenbeschleuniger entwickelt wurden, aber jetzt gleichfalls bei bildgebenden Verfahren mit Magnetresonanz verwendet werden, und schließlich die bemerkenswerte Anwendung der Allgemeinen Relativitätstheorie auf die Präzisionsvorhersagen von GPS-Geräten, einschließlich des globalen Positionsbestimmungssystems, das wir täglich in unseren Autos benutzen.

Natürlich hat maßgebliche Naturwissenschaft nicht notwendig irgendeinen unmittelbaren praktischen Nutzen. Selbst wenn sie sich am Ende auszahlt, wissen wir zur Zeit der Entdeckung nur selten davon. Als Benjamin Franklin sich darüber klar wurde, dass ein Blitz Elektrizität ist, wusste er nicht, dass die Elektrizität bald das Anlitz des Planeten verändern würde. Und als Einstein an der Allgemeinen Relativitätstheorie arbeitete, sah er nicht vorher, dass sie einmal in einem praktischen Gerät zur Anwendung käme.

Die Argumentation, die wir an jenem Tag vortrugen, konzentrierte sich also nicht in erster Linie auf bestimmte Anwendungen, sondern vielmehr auf die entscheidende Bedeutung der reinen Naturwissenschaft. Obwohl der Status der Naturwissenschaft in Amerika prekär sein mag, erkennen doch viele Menschen gegenwärtig ihren Wert. Die Sichtweise, die die Gesellschaft vom Weltall, von der Zeit und vom Raum hat, änderte sich mit Einstein – wie der ursprüngliche Liedtext von »As Time Goes By« zeigt, der in Verborgene Universen zitiert wurde.[3]

Unsere Sprache und unsere Gedanken selbst ändern sich in dem Maße, in dem sich unser Verständnis der physikalischen Welt entwickelt und neue Wege des Denkens Fortschritte feiern. Was Naturwissenschaftler heute untersuchen und wie wir dabei vorgehen, wird sowohl für unser Verständnis der Welt als auch für eine widerstandsfähige und umsichtige Gesellschaft entscheidend sein.

In der Physik und der Kosmologie erleben wir gegenwärtig eine außergewöhnlich aufregende Zeit, in der einige der kühnsten Forschungen stattfinden, die je gemacht wurden. Durch ein breit gefächertes Spektrum von Untersuchungen streift Die Vermessung des Universums unsere verschiedenen Möglichkeiten, die Welt zu verstehen – durch Kunst, Religion und Naturwissenschaft –, aber hauptsächlich mit einem Schwerpunkt auf den Zielen und Methoden der modernen Physik. Letztendlich sind die ganz winzigen Gegenstände, die wir untersuchen, zentral für die Entdeckung, wer wir sind und woher wir kommen. Die Strukturen auf großen Skalen, über die wir mehr zu erfahren hoffen, könnten sowohl Licht auf unsere kosmische Umwelt als auch auf den Ursprung und das Schicksal unseres Universums werfen. Dieses Buch beschreibt, was wir zu finden hoffen und wie wir es möglicherweise finden werden. Die Reise soll ein faszinierendes Abenteuer sein – willkommen an Bord.

Teil IDie Vermessung der Wirklichkeit

Kapitel 1Was für dich so klein ist, ist für mich so groß

Unter den vielen Gründen für meine Entscheidung, Physik zu studieren, gab es den Wunsch, etwas zu tun, das eine bleibende Wirkung hätte. Wenn ich so viel Zeit, Energie und Engagement investieren würde, dann für etwas mit Anspruch auf Dauer und Wahrheit. Wie die meisten Menschen betrachtete ich naturwissenschaftliche Fortschritte als Ideen, die den Test der Zeit bestehen.

Meine Freundin Anna Christina Büchmann studierte Englisch am College, während ich Physik im Hauptfach studierte. Ironischerweise studierte sie aus demselben Grund Literatur, der mich zur Mathematik und Naturwissenschaft hinzog. Sie liebte es, wie eine erkenntnisreiche Geschichte die Jahrhunderte überdauerte. Als ich viele Jahre später mit ihr über Henry Fieldings Roman Tom Jones sprach, erfuhr ich, dass die Ausgabe, die ich gelesen und die mir durch und durch gefallen hatte, diejenige war, die sie mit Anmerkungen zu versehen half, als sie ihr Aufbaustudium absolvierte.[4]

Tom Jones wurde vor 250 Jahren veröffentlicht, doch die Themen des Romans und sein Witz finden bis zum heutigen Tag Anklang. Auf meiner ersten Japanreise las ich die weitaus ältere Geschichte vom Prinzen Genji und bewunderte ebenfalls die Unmittelbarkeit seiner Charaktere trotz der tausend Jahre, die vergangen sind, seit Murasaki Shikibu über sie schrieb. Homer schuf die Odyssee etwa zweitausend Jahre früher. Doch trotz ihres ganz verschiedenen Zeitalters und Kontexts genießen wir auch weiterhin die Erzählung von Odysseus’ Reise und ihre zeitlose Beschreibung der menschlichen Natur.

Naturwissenschaftler lesen selten solche alten – geschweige denn antiken – naturwissenschaftlichen Texte. Gewöhnlich überlassen wir das den Historikern und Literaturkritikern. Dennoch wenden wir das Wissen an, das über die Zeit hinweg erworben wurde, sei es von Newton im 17. Jahrhundert oder von Kopernikus noch mehr als hundert Jahre früher. Wir mögen zwar die Bücher selbst vernachlässigen, aber wir achten sorgfältig darauf, die wichtigen Gedanken, die sie möglicherweise enthalten, zu bewahren.

Die Naturwissenschaft besteht gewiss nicht in der statischen Feststellung universaler Gesetze, von denen wir alle in der Grundschule hören. Auch ist sie keine Sammlung willkürlicher Regeln. Die Naturwissenschaft ist ein sich entwickelnder Wissensbestand. Viele der Ideen, die wir gegenwärtig erforschen, werden sich als falsch oder unvollständig erweisen. Naturwissenschaftliche Beschreibungen verändern sich gewiss, wenn wir die Grenzen überschreiten, die dasjenige umschreiben, was wir wissen, und uns in entferntere Gebiete begeben, wo wir Hinweise auf die darüber hinaus existierenden, tieferen Wahrheiten erhaschen können.

Das Paradox, mit dem Naturwissenschaftler sich auseinandersetzen müssen, liegt darin, dass wir häufig Ideen erforschen, zu deren Veränderung oder Aufgabe uns experimentelle Daten oder ein besseres Verständnis zwingen werden, während wir zugleich Dauerhaftigkeit anstreben. Der solide Kern von Wissen, das geprüft wurde und auf das man sich bisher verlassen hat, wird immer von einer undeutlichen Grenze an Ungewissheiten umgeben, die Gegenstand der gegenwärtigen Forschung sind. Die Ideen und Vorschläge, die uns heute begeistern, werden bald vergessen sein, wenn sie schon morgen von überzeugenderen oder umfassenderen experimentellen Arbeiten für ungültig erklärt werden.

Als der republikanische Präsidentschaftskandidat von 2008, Mike Huckabee, sich auf die Seite der Religion gegen die Naturwissenschaft stellte – zum Teil weil naturwissenschaftliche »Überzeugungen« sich ändern, während die Christen als ihre Autorität einen ewigen, unveränderlichen Gott anerkennen –, sah er die Sache nicht völlig falsch, zumindest seiner Auffassung nach. Das Universum entwickelt sich, und unser naturwissenschaftliches Wissen, das wir ihm abgewinnen, entwickelt sich ebenfalls. Mit der Zeit schälen die Naturwissenschaftler Schichten der Wirklichkeit ab, um das freizulegen, was sich unter der Oberfläche verbirgt. Wir erweitern und bereichern unser Verständnis in dem Maße, in dem wir zunehmend entfernte Größenmaßstäbe erkunden. Das Wissen macht Fortschritte, und das unerforschte Gebiet weicht zurück, wenn wir diese schwer zugänglichen Abstände erreichen. Naturwissenschaftliche »Überzeugungen« entwickeln sich dann im Einklang mit unserem erweiterten Wissen.

Trotzdem geben wir die Theorien, die erfolgreiche Vorhersagen im Hinblick auf die Entfernungen und Energien oder Geschwindigkeiten und Dichten machten, die uns in der Vergangenheit zugänglich waren, nicht unbedingt auf, selbst wenn eine bessere Technik ein breiteres Spektrum von Beobachtungen ermöglicht. Naturwissenschaftliche Theorien wachsen und werden erweitert, um ein größeres Wissen aufzunehmen, während sie die zuverlässigen Teile von Gedanken beibehalten, die vorausgingen. Dadurch baut die Naturwissenschaft das alte, bewährte Wissen in das umfassendere Bild ein, das sich aus einem weiteren Spektrum von experimentellen und theoretischen Beobachtungen ergibt. Solche Veränderungen bedeuten nicht unbedingt, dass die alten Regeln falsch sind, aber sie können z.B. bedeuten, dass diese Regeln nicht mehr auf kleinere Größenverhältnisse, bei denen neue Bestandteile entdeckt wurden, anwendbar sind. So kann das Wissen zwar alte Ideen annehmen, aber sich doch über die Zeit hinweg erweitern, obwohl sehr wahrscheinlich immer etwas zu erforschen übrigbleiben wird. Genauso wie das Reisen fesselnd sein kann – auch wenn Sie nie jeden Ort auf der Erde (geschweige denn im Kosmos) besuchen werden –, bereichert auch unser wachsendes Verständnis der Materie und des Weltalls unsere Existenz. Das verbleibende Unbekannte dient zur Anregung weiterer Forschung.

Mein eigenes Forschungsgebiet der Elementarteilchenphysik untersucht zunehmend kleinere Abstände, um immer kleinere Bestandteile der Materie zu erforschen. Die gegenwärtige experimentelle und theoretische Forschung versucht freizulegen, was die Materie verbirgt – das, was immer tiefer in sie eingebettet ist. Aber trotz der häufig gebrauchten Analogie ist die Materie nicht einfach wie eine russische Matrioschka-Puppe, bei der sich ähnliche Elemente in immer kleineren Größenmaßstäben wiederholen. Was die Erforschung immer winzigerer Skalen interessant macht, ist die Tatsache, dass sich die Regeln ändern können, wenn wir neue Regionen erreichen. Neue Kräfte und Wechselwirkungen können bei diesen Größenverhältnissen auftreten, deren Wirkung zu klein war, um sie bei den größeren Abständen festzustellen, die zuvor untersucht wurden.

Der Begriff des Maßstabs, der den Physikern den Bereich von Größen oder Energien angibt, die für jede einzelne Untersuchung relevant sind, ist für das Verständnis des naturwissenschaftlichen Fortschritts entscheidend – sowie für viele andere Aspekte der uns umgebenden Welt. Indem wir das Universum in verschiedene verstehbare Größen einteilen, erfahren wir, dass die Gesetze der Physik, die die Realität am besten beschreiben, nicht unbedingt für alle Prozesse dieselben sind. Wir müssen Begriffe, die besser auf einen bestimmten Größenmaßstab zutreffen, mit denen verbinden, die bei einem anderen nützlicher sind. Wenn wir auf diese Weise kategorisieren, können wir alles, was wir wissen, in ein widerspruchsfreies Bild einfügen, während es uns gestattet, radikale Veränderungen bei Beschreibungen auf verschiedenen Längenskalen vorzunehmen.

In diesem Kapitel werden wir sehen, wie die Einteilung nach den Größenmaßstäben – welcher Maßstab auch immer relevant sein mag – bei der Klärung unseres Denkens hilft, und zwar sowohl des naturwissenschaftlichen als auch des sonstigen, und warum die subtilen Eigenschaften der Bausteine der Materie auf Skalen, mit denen wir in unserem Alltagsleben zu tun haben, so schwer zu bemerken sind. Dabei geht dieses Kapitel auch näher auf die Bedeutung von »Richtig« oder »Falsch« mit Bezug auf die Naturwissenschaft ein und auf die Frage, warum selbst scheinbar tiefgreifende Entdeckungen nicht unbedingt drastische Veränderungen im Bereich der Größenmaßstäbe erzwingen, mit denen wir bereits vertraut sind.

Es ist unmöglich

Allzu häufig verwechselt man sich entwickelndes naturwissenschaftliches Wissen mit überhaupt keinem Wissen und hält eine Situation, in der wir neue physikalische Gesetze entdecken, für das völlige Fehlen zuverlässiger Regeln. Ein Gespräch mit dem Drehbuchautor Scott Derrickson während eines kürzlichen Besuchs in Kalifornien half mir dabei, den Ursprung einiger dieser Missverständnisse herauszuschälen. Zu jener Zeit arbeitete Scott an ein paar Filmszenarien, die mögliche Verbindungen zwischen der Naturwissenschaft und Phänomenen darstellten, von denen er glaubte, dass Naturwissenschaftler sie wahrscheinlich als übernatürlich abtun würden. Da Scott ein starkes Interesse daran hatte, größere Schnitzer zu vermeiden, wollte er seinen phantasievollen Ideen für die Geschichten dadurch naturwissenschaftlich absichern lassen, dass er sie von einem Physiker prüfen ließ – nämlich von mir. Wir trafen uns also zum Mittagessen in einem Straßencafé, um unsere Gedanken auszutauschen und gemeinsam das Vergnügen eines sonnigen Nachmittags in Los Angeles zu genießen.

In dem Bewusstsein, dass Drehbuchautoren die Naturwissenschaft häufig falsch darstellen, wollte Scott also seine besonderen Geister- und Zeitreisegeschichten mit einem angemessenen Maß an naturwissenschaftlicher Glaubwürdigkeit schreiben. Die besondere Herausforderung, mit der er als Drehbuchautor konfrontiert war, bestand in seinem Bedürfnis, seinem Publikum nicht nur interessante neue Phänomene zu bieten, sondern auch solche, die sich wirkungsvoll auf eine Kinoleinwand übersetzen ließen. Obwohl er keine naturwissenschaftliche Ausbildung besitzt, hat Scott eine schnelle Auffassungsgabe und ist empfänglich für neue Ideen. Also erklärte ich ihm, warum trotz des Einfallsreichtums und des Unterhaltungswerts einiger seiner Handlungen die Beschränkungen der Physik sie aus naturwissenschaftlicher Sicht als unhaltbar erscheinen ließen.

Scott antwortete, dass Naturwissenschaftler schon häufig bestimmte Phänomene für unmöglich gehalten haben, die sich später als wirklich herausstellten. »Haben die Naturwissenschaftler nicht früher bezweifelt, was uns die Relativitätstheorie heute sagt?« »Wer hätte je gedacht, dass der Zufall irgendeine Rolle in grundlegenden physikalischen Gesetzen spielt?« Trotz seines großen Respekts vor der Naturwissenschaft fragte sich Scott immer noch, ob die Naturwissenschaftler – angesichts des sich entwickelnden Wesens der Naturwissenschaft – sich nicht manchmal über die Implikationen und Begrenztheiten ihrer Entdeckungen irrten.

Manche Kritiker gehen sogar noch weiter und behaupten, dass, obwohl Naturwissenschaftler eine Menge vorhersagen können, die Zuverlässigkeit dieser Vorhersagen stets zweifelhaft sei. Ungeachtet naturwissenschaftlicher Belege beharren Skeptiker darauf, dass es immer einen Haken oder eine Lücke geben könnte. Vielleicht könnten Menschen von den Toten zurückkehren oder zumindest durch ein Portal in das Mittelalter oder zur Mittelerde reisen. Diese Zweifler trauen einfach den Behauptungen der Naturwissenschaft nicht, dass etwas ein für alle Mal unmöglich ist.

Trotz der vernünftigen Einstellung, einen offenen Geist zu wahren und zu erkennen, dass neue Entdeckungen auf uns warten, verbirgt sich in dieser Logik jedoch ein tiefer Fehlschluss. Das Problem wird deutlich, wenn wir die Bedeutung solcher Behauptungen wie der oben gemachten analysieren und insbesondere den Begriff des Maßstabs anwenden. Diese Fragen ignorieren die Tatsache, dass wir, obwohl es immer unerforschte Entfernungs- oder Energiebereiche geben wird, in denen die Gesetze der Physik sich ändern könnten, die Gesetze der Physik bezogen auf menschliche Größenmaßstäbe äußerst gut kennen. Im Laufe der Jahrhunderte hatten wir ausgiebig Gelegenheit, diese Gesetze zu prüfen.

Als ich der Choreographin Elizabeth Streb im Whitney Museum begegnete, wo wir beide auf einem Podium über das Thema Kreativität sprachen, unterschätzte sie ebenfalls die Widerstandsfähigkeit naturwissenschaftlichen Wissens bezogen auf menschliche Größenmaßstäbe. Elizabeth stellte eine Frage, die jenen ähnlich war, die Scott gestellt hatte: »Könnten die winzigen Dimensionen, die von Physikern vorgestellt werden und zu einer unvorstellbar kleinen Größe eingerollt sind, nicht trotzdem die Bewegung unserer Körper beeinflussen?«

Ihre Arbeit ist wunderbar, und ihre Untersuchungen der Grundvoraussetzungen von Tanz und Bewegung sind faszinierend. Aber der Grund, warum wir nicht bestimmen können, ob neue Dimensionen existieren oder was ihre Rolle wäre, wenn es sie gäbe, ist gerade, dass sie für uns zu klein oder zu unkenntlich sind, als dass wir sie entdecken könnten. Damit meine ich, dass wir ihren Einfluss auf irgendeine Größe, die wir bislang beobachten konnten, noch nicht festgestellt haben, selbst nicht durch extrem detaillierte Messungen. Nur wenn die Auswirkungen von Extra-Dimensionen auf physikalische Phänomene erheblich größer wären, könnten sie auf wahrnehmbare Weise die Bewegung irgendeiner Person beeinflussen. Und wenn sie einen solchen bedeutenden Einfluss hätten, hätten wir ihre Wirkungen auch schon beobachtet. Deshalb wissen wir, dass die Grundlagen der Choreographie sich nicht ändern werden, auch wenn sich unser Verständnis der Quantengravitation verbessert. Ihre Wirkungen sind viel zu gering im Verhältnis zu allem, was in einem menschlichen Größenmaßstab wahrnehmbar ist.

Wenn sich Naturwissenschaftler in der Vergangenheit irrten, dann häufig deshalb, weil sie ganz kleine oder große Entfernungen oder extrem hohe Energien oder Geschwindigkeiten noch nicht untersucht hatten. Das hieß nicht, dass sie sich wie Technikfeinde gegenüber der Möglichkeit des Fortschritts verschlossen hatten. Es bedeutete nur, dass sie ihren allerneuesten mathematischen Beschreibungen der Welt und ihren erfolgreichen Vorhersagen der bislang beobachtbaren Gegenstände und Verhaltensweisen Vertrauen schenkten. Phänomene, die sie für unmöglich hielten, konnten manchmal bei Entfernungen oder Geschwindigkeiten auftreten, die sie nie zuvor erlebt oder geprüft hatten – und das taten sie manchmal auch. Aber natürlich konnten sie noch nichts von neuen Ideen und Theorien wissen, die sich letztendlich für den Bereich dieser winzigen Entfernungen oder gewaltigen Energien, mit denen sie noch nicht vertraut waren, durchsetzen würden.

Wenn wir Naturwissenschaftler sagen, dass wir etwas wissen, meinen wir nur, dass wir bestimmte Ideen und Theorien haben, deren Vorhersagen über einen bestimmten Bereich von Entfernungen und Energien gut geprüft wurden. Diese Ideen und Theorien sind nicht unbedingt die ewigen Gesetze fü¼¼r alle Zeiten oder die grundlegendsten physikalischen Gesetze. Sie sind Regeln, die so gut zutreffen, wie es für jedes beliebige Experiment zu prüfen möglich ist, nämlich über den Bereich von Parametern, die der gegenwärtigen Technik zur Verfügung stehen. Das bedeutet nicht, dass diese Gesetze niemals von neuen überholt werden. Newtons Gesetze sind hilfreich und korrekt, aber sie treffen bei oder nahe der Lichtgeschwindigkeit nicht mehr zu, wo Einsteins Theorie gilt. Newtons Gesetze sind zugleich sowohl korrekt als auch unvollständig. Sie gelten für einen begrenzten Bereich.

Das weiter fortgeschrittene Wissen, das wir durch bessere Messungen gewinnen, ist in Wirklichkeit eine Verbesserung, die ein Licht auf neue und verschiedene zugrunde liegende Begriffe wirft. Wir kennen viele Phänomene, die die Menschen der Antike mit ihren begrenzten Beobachtungstechniken nicht ableiten oder entdecken konnten. Insofern hatte Scott recht, dass die Naturwissenschaftler sich manchmal geirrt haben und Phänomene für unmöglich hielten, die sich am Ende als vollkommen wirklich erwiesen. Aber das bedeutet nicht, dass es keine Regeln gibt. Geister und Zeitreisende werden nicht in unseren Wohnungen auftauchen, und Aliens werden nicht plötzlich aus unseren Wänden hervortreten. Extra-Dimensionen des Raumes könnten existieren, aber sie müssten winzig oder verzerrt oder auf eine andere Weise verborgen sein, damit wir erklären können, warum sie noch keinen wahrnehmbaren Beleg für ihre Existenz gezeitigt haben.

Es mag in der Tat exotische Phänomene geben. Aber solche Phänomene werden nur in Größenmaßstäben auftreten, die schwer zu beobachten sind und die sich zunehmend weit entfernt von unserem intuitiven Verstehen und unseren gewöhnlichen Wahrnehmungen befinden. Wenn sie für immer unzugänglich bleiben, sind sie für Naturwissenschaftler nicht besonders interessant. Und sie sind auch weniger interessant für Autoren erfundener Geschichten, wenn sie keine beobachtbare Wirkung auf unser Alltagsleben haben.

Es sind zwar sonderbare Dinge möglich, aber diejenigen, für die sich Nichtphysiker verständlicherweise am meisten interessieren, sind solche, die wir beobachten können. Wie Steven Spielberg in einer Diskussion über einen Science-Fiction-Film sagte, den er in Erwägung zog: Eine seltsame Welt, die nicht auf einer Filmleinwand dargestellt werden kann – und welche die Figuren in dem Film nie erleben würden –, ist für den Zuschauer nicht besonders interessant. (Abbildung 1 belegt das auf amüsante Weise.) Nur eine neue Welt, zu der wir Zugang haben und die wir bewusst wahrnehmen können, könnte interessant sein. Obwohl beide Vorstellungsvermögen erfordern, unterscheiden sich abstrakte Ideen und erfundene Geschichten und haben verschiedene Ziele. Naturwissenschaftliche Ideen könnten für Bereiche gelten, die zu weit weg sind, um für einen Film oder für unsere Alltagsbeobachtungen von Interesse zu sein. Dennoch sind sie für unsere Beschreibung der physikalischen Welt wesentlich.

Abb. 1: Ein XKCD-Comic, der das verborgene Wesen winziger, eingerollter Dimension zum Ausdruck bringt.

Falsche Abzweigungen

Trotz dieser deutlichen Trennung durch verschiedene Entfernungen nehmen Menschen häufig Abkürzungen, wenn sie versuchen, schwierige Naturwissenschaft und die Welt zu verstehen. Und das kann leicht zu einer übereifrigen Anwendung von Theorien führen. Eine solche Fehlanwendung von Naturwissenschaft ist nicht neu. Im 18. Jahrhundert, als Naturwissenschaftler eifrig den Magnetismus in ihren Laboratorien untersuchten, beschworen andere die Vorstellung des »animalischen Magnetismus« herauf – eine vermutete magnetische »Lebensflüssigkeit« in Lebewesen. Ein französischer königlicher Ausschuss, der 1784 von Ludwig XVI. eingesetzt wurde und unter anderen Benjamin Franklin einschloss, war notwendig, um diese Vermutung ausdrücklich als Mythos zu entlarven.

Heute kommen solche irregeleiteten Extrapolationen eher im Zusammenhang mit der Quantenmechanik vor – wenn manche Leute versuchen, sie in makroskopischen Größenordnungen anzuwenden, wo ihre Konsequenzen sich ausmitteln und keine messbaren charakteristischen Signaturen hinterlassen.[5] Es ist beunruhigend, wie viele Menschen solchen Ideen vertrauen, wie sie z.B. in Rhonda Byrnes Bestseller Das Geheimnis dargestellt sind, in dem es darum geht, wie positive Gedanken Wohlstand, Gesundheit und Glück anziehen. Genauso beunruhigend ist Byrnes Behauptung: »In der Schule habe ich zwar nie Naturwissenschaft oder Physik gelernt, aber als ich schwierige Bücher über Quantenphysik las, habe ich sie vollkommen verstanden, weil ich sie verstehen wollte. Das Studium der Quantenphysik half mir dabei, ein tieferes Verständnis des Geheimnisses auf der Ebene der Energie zu erlangen.«

Wie sogar der Nobelpreisgewinner und Pionier der Quantenmechanik Niels Bohr bemerkte: »Wenn Sie von der Quantenmechanik nicht völlig verwirrt werden, verstehen Sie sie nicht.« Folgendes ist ein weiteres Geheimnis (das zumindest genauso wohlgehütet ist wie die Geheimnisse in einem Bestseller): Die Quantenmechanik ist berüchtigt dafür, dass sie missverstanden wird. Unsere Sprache und Intuition leiten sich vom klassischen Denken her, das die Quantenmechanik nicht berücksichtigt. Aber das bedeutet nicht, dass jedes absonderliche Phänomen auf der Grundlage der Quantenlogik möglich ist. Selbst ohne ein grundlegenderes, tieferes Verständnis wissen wir, wie sich die Quantenmechanik verwenden lässt, um Vorhersagen zu machen. Die Quantenmechanik wird gewiss nie Byrnes »Geheimnis« bezüglich des sogenannten Prinzips der Anziehung zwischen Menschen und entfernten Dingen oder Phänomenen erklären. Bei diesen großen Entfernungen spielt die Quantenmechanik keine messbare Rolle. Aus diesem Grund hat die Quantenmechanik nichts mit vielen der extrem verlockenden Ideen zu tun, die man ihr häufig zuschreibt. Ich kann ein Experiment nicht dadurch beeinflussen, dass ich es anstarre, die Quantenmechanik bedeutet nicht, dass es keine zuverlässigen Vorhersagen gibt, und die meisten Messungen werden durch praktische Begrenzungen, und nicht durch das Unbestimmtheitsprinzip eingeschränkt.

Solche Fehlschlüsse waren das Hauptthema in einem überraschenden Gespräch, das ich mit Mark Vicente führte, dem Regisseur des Films What the Bleep do we (k)now!? – ein Film, der der Fluch der Naturwissenschaftler ist –, in dem verschiedene Personen behaupten, dass der Einfluss des Menschen sich auf Experimente auswirkt. Ich war mir nicht sicher, wohin dieses Gespräch führen würde, aber ich konnte Zeit erübrigen, da ich mich mehrere Stunden auf der Rollbahn des Flughafens Dallas/Fort Worth befand und auf Mechaniker wartete, die eine Delle im Flügel reparieren sollten (welche zuerst als zu klein, um Auswirkungen zu haben, beschrieben wurde – aber dann »mit technischen Geräten« gemessen wurde, bevor das Flugzeug abheben konnte, wie ein Mitglied der Crew uns nützlicherweise erklärte).

Aber auch mit dieser Verzögerung wurde mir klar, dass, wenn ich überhaupt mit Mark sprechen würde, ich wissen musste, wie er zu seinem Film stand – mit dem ich aufgrund der zahlreichen Leute in meinen Vorlesungen vertraut war, die mir anhand dessen, was sie in ihm gesehen hatten, verrückte Fragen stellten. Marks Antwort überraschte mich. Er hatte eine recht frappierende Kehrtwendung gemacht. Er vertraute mir an, dass er sich der Naturwissenschaft ursprünglich mit vorgefassten Meinungen genähert hatte, die er nicht genug in Frage stellte, dass er jetzt aber sein früheres Denken eher als ein religiöses betrachtete. Schließlich kam Mark zu dem Schluss, dass das, was er in seinem Film dargestellt hatte, keine Naturwissenschaft war. Quantenmechanische Phänomene auf der Ebene des Menschen anzusiedeln, war vielleicht oberflächlich zufriedenstellend für viele Zuschauer, die seinen Film gesehen hatten, aber dadurch wurde es nicht wahr.

Selbst wenn neue Theorien radikal andere Annahmen erfordern – was bei der Quantenmechanik gewiss der Fall war –, bestimmen letztendlich doch gültige naturwissenschaftliche Argumente und Experimente, dass sie wahr sind. Es handelt sich nicht um Zauberei. Die wissenschaftliche Methode in Kombination mit Daten und der Suche nach Sparsamkeit und Widerspruchsfreiheit hatte den Naturwissenschaftlern gezeigt, wie sie ihr Wissen über das hinaus, was bei unmittelbar zugänglichen Größenmaßstäben intuitiv einsichtig ist, auf ganz andere Ideen ausdehnen können, die sich auf Phänomene beziehen, welche der Intuition nicht entsprechen.

Der nächste Abschnitt sagt mehr darüber, wie der Begriff des Maßstabs verschiedene theoretische Begriffe systematisch miteinander verbindet und uns gestattet, sie in ein einheitliches Ganzes einzubauen.

Effektive Theorien

Unsere eigene Größe liegt zufällig ziemlich genau in der Mitte, wenn man sie in Zehnerpotenzen ausdrückt und auf einer Skala zwischen der kleinsten vorstellbaren Größe und den gewaltigen Ausmaßen des Weltalls anordnet.[6] Im Vergleich mit der inneren Struktur der Materie und ihren winzigen Bestandteilen sind wir sehr groß, während wir verglichen mit Sternen, Galaxien und der Ausdehnung des Universums äußerst klein sind. Die Größen, die wir am leichtesten verstehen, sind einfach diejenigen, die uns am ehesten zugänglich sind – durch unsere fünf Sinne und durch die elementarsten Messinstrumente. Größenverhältnisse, die weiter entfernt sind, verstehen wir durch Beobachtungen in Kombination mit logischen Ableitungen. Das Größenspektrum mag zwar so aussehen, als enthielte es zunehmend abstrakte und nur schwer zu erfassende Größen, wenn wir uns von unmittelbar sichtbaren und zugänglichen Größenmaßstäben weiter weg bewegen. Aber Technik und theoretische Überlegungen gestatten uns, das Wesen der Materie über einen gewaltigen Bereich von Entfernungen zu bestimmen.

Bekannte naturwissenschaftliche Theorien gelten für diesen riesigen Bereich und erstrecken sich auf Entfernungen, die so klein wie die winzigen Objekte sind, die vom Large Hadron Collider (LHC) erforscht werden, bis zu den gewaltigen Längenmaßstäben der Galaxien und des Kosmos. Und für jede mögliche Größe von Objekten und Entfernungen zwischen ihnen können verschiedene Aspekte der Gesetze der Physik relevant werden. Physiker müssen die Fülle an Informationen bewältigen, die sich aus dieser gewaltigen Bandbreite ergibt. Obwohl die grundlegendsten Gesetze der Physik, die für winzige Entfernungen gelten, letztendlich für diejenigen Gesetze verantwortlich sind, die sich auf größere Maßstäbe beziehen, sind sie nicht notwendigerweise das effizienteste Mittel, um eine Berechnung durchzuführen. Wenn die zusätzliche Substruktur oder die zugrunde liegenden Gesetzmäßigkeiten für eine hinreichend genaue Antwort irrelevant sind, würden wir gerne auf eine praktischere Methode zurückgreifen, um Berechnungen anzustellen und einfachere Regeln effizient anzuwenden.

Eines der wichtigsten Merkmale der Physik besteht darin, dass sie uns sagt, wie wir den Größenbereich bestimmen können, der für eine beliebige Messung oder Vorhersage relevant ist – entsprechend der Genauigkeit, die wir erreichen können –, und dann die jeweiligen Berechnungen durchführen. Das Schöne an dieser Art und Weise, die Welt zu betrachten, liegt in der Möglichkeit, sich auf die Größenbereiche konzentrieren zu können, die für alles relevant sind, was auch immer uns interessiert, die Elemente zu bestimmen, die in diesen Größenbereichen operieren, und die Regeln, die die Beziehungen zwischen diesen Elementen beherrschen, entdecken und anwenden zu können. Naturwissenschaftler mitteln über physikalische Prozesse, die in unmessbar kleinen Größenbereichen vorkommen, oder ignorieren sie gar (manchmal unwissend), wenn sie Theorien formulieren oder Berechnungen anstellen. Wir suchen relevante Tatsachen aus und lassen Einzelheiten weg, wenn wir es uns erlauben können, und konzentrieren uns auf die nützlichsten Größenbereiche. Das ist die einzige Möglichkeit, mit einer unglaublichen Fülle an Informationen fertigzuwerden.

Wenn es angebracht ist, sollte man die genauen Details ignorieren, um sich auf das Thema, das einen ineressiert, zu konzentrieren und es nicht mit unwesentlichen Einzelheiten zu verschleiern. Ein Vortrag des in Harvard lehrenden Psychologieprofessors Stephen Kosslyn, den ich vor kurzem hörte, erinnerte mich daran, wie Naturwissenschaftler – und jeder andere auch – es vorziehen, den Überblick über Informationen zu behalten. In einem kognitionswissenschaftlichen Experiment, das er mit den Zuhörern durchführte, bat er uns alle, Liniensegmente im Auge zu behalten, die er nacheinander auf einem Bildschirm darbot. Jedes der Segmente konnte nach »Norden« oder Südosten« etc. weisen, und zusammen bildeten sie eine Zickzack-Linie (siehe Abbildung 2). Wir wurden gebeten, unsere Augen zu schließen und zu sagen, was wir gesehen hatten. Wir stellten fest, dass, obwohl unser Gehirn uns nur gestattet, ein paar wenige einzelne Segmente gleichzeitig im Auge zu behalten, wir uns dadurch an längere Folgen erinnern konnten, dass wir sie zu wiederholbaren Mustern gruppierten. Indem wir den Größenmaßstab der Form anstatt das einzelne Liniensegment betrachteten, konnten wir die Figur in unserem Gedächtnis behalten.

Abb. 2: Als Komponente können Sie entweder das einzelne Liniensegment oder eine größere Einheit wählen, wie z.B. die Gruppe von sechs Segmenten, die zweimal vorkommt.

Für nahezu alles, was Sie sehen, hören, schmecken oder berühren, haben Sie die Wahl zwischen der Untersuchung von Einzelheiten, indem sie die Dinge von ganz nah betrachten, oder der Untersuchung »des Ganzen« mit seinen anderen Prioritäten. Ob Sie ein Gemälde anschauen, eine Weinprobe machen, philosophische Literatur lesen oder Ihre nächste Reise planen, teilen Sie Ihre Gedanken automatisch zwischen den Kategorien auf, die von Interesse sind – seien diese nun Größen- oder Geschmackskategorien oder Vorstellungen von Entfernungen – und den Kategorien, die Sie zu diesem Zeitpunkt nicht relevant finden.

Der Nutzen davon, dass man sich auf geeignete Fragen konzentriert und Strukturen ignoriert, die zu klein sind, um relevant sein zu können, zeigt sich in vielen Zusammenhängen. Denken Sie nur daran, was Sie tun, wenn Sie MapQuest oder Google Maps benutzen oder auf den kleinen Bildschirm ihres iPhones schauen. Wenn Sie von weit her kämen, würden Sie zuerst eine ungefähre Vorstellung davon haben wollen, wo Ihr Ziel liegt. Anschließend, wenn Sie eine Groborientierung haben, würden Sie in eine Landkarte mit größerer Auflösung zoomen. Bei Ihrer ersten Annäherung brauchen Sie die zusätzlichen, detaillierten Informationen nicht. Sie wollen nur ein Gefühl dafür bekommen, wo sich der jeweilige Ort befindet. Aber wenn Sie damit anfangen, die Einzelheiten Ihrer Reise festzulegen – wenn Ihre Auflösung bei der Suche nach einer bestimmten Straße, die Sie fahren müssen, feiner wird –, werden Sie sich um die Einzelheiten in dem feineren Größenbereich kümmern, die für ihre erste Erkundung unwesentlich waren.

Natürlich bestimmt der Genauigkeitsgrad, den Sie haben wollen oder brauchen, den Maßstab, den Sie auswählen. Ich habe Freunde, die nicht besonders auf die Lage des Hotels achten, wenn sie New York City besuchen. Für sie sind die Abstufungen der Merkmale der Häuserblocks dieser Stadt irrelevant. Aber für jemanden, der New York kennt, sind diese Details wichtig. Es genügt nicht zu wissen, dass man im Zentrum absteigt. Für Bewohner von New York ist es wichtig, ob sie über oder unter der Houston Street sind oder im Osten oder Westen vom Washington-Square-Park oder sogar, ob sie zwei oder fünf Blocks entfernt sind.

Obwohl die genaue Wahl des Maßstabs sich zwischen verschiedenen Personen unterscheiden mag, würde doch niemand eine Landkarte der Vereinigten Staaten zu Hilfe nehmen, um ein Restaurant zu finden. Die notwendigen Details werden auf einem Computerbildschirm, der einen solchen übermäßig großen Maßstab anzeigt, nicht aufgelöst werden können. Andererseits braucht man nicht die Details eines Bauplans, nur um zu wissen, dass das Restaurant sich überhaupt an einer bestimmten Stelle befindet. Für jede Frage, die Sie stellen, wählen Sie den relevanten Maßstab aus. (Siehe ein weiteres Beispiel in Abbildung 3.)

Abb. 3: Unterschiedliche Informationen treten deutlicher hervor, wenn man sie in verschiedenen Maßstäben betrachtet.

Auf ähnliche Weise kategorisieren wir in der Physik nach der Größe, so dass wir uns auf die relevanten Fragen konzentrieren können. Unsere Tischplatte sieht zwar fest aus – und für viele Zwecke können wir sie auch entsprechend nutzen –, aber in Wirklichkeit besteht sie aus Atomen, die gemeinsam als die harte, undurchdringliche Oberfläche agieren, der wir in den Größenbereichen begegnen, mit denen wir in unserem Alltagsleben zu tun haben. Diese Atome sind ebenfalls nicht unteilbar. Sie bestehen aus Kernen und Elektronen. Und die Kerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die ihrerseits gebundene Zustände noch grundlegenderer Objekte sind, die Quarks genannt werden. Doch brauchen wir über die Quarks nichts zu wissen, um die elektromagnetischen und chemischen Eigenschaften von Atomen und Elementen (das Gebiet der Naturwissenschaft, das man als Atomphysik kennt) zu verstehen. Man hat jahrelang Atomphysik betrieben, bevor es überhaupt nur einen Hinweis auf eine zugrunde liegende Substruktur gab. Und wenn Biologen eine Zelle untersuchen, brauchen sie über die Quarks innerhalb des Protons ebenfalls nichts zu wissen.

Ich erinnere mich, dass ich mich etwas betrogen fühlte, als mein Gymnasiallehrer, nachdem er Monate auf Newtons Gesetze verwendet hatte, der Klasse sagte, dass diese Gesetze falsch seien. Aber mein Lehrer hatte mit seiner Aussage nicht ganz recht. Newtons Bewegungsgesetze funktionieren für die Entfernungen und Geschwindigkeiten, die man zu seiner Zeit beobachten konnte. Newton dachte über physikalische Gesetze nach, die Geltung besaßen, und zwar relativ zu der Genauigkeit, mit der er (oder jeder andere zu seiner Zeit) Messungen vornehmen konnte. Er brauchte nicht die Details der Allgemeinen Relativitätstheorie, um erfolgreiche Vorhersagen darüber zu machen, was damals gemessen werden konnte. Und wir brauchen diese Details ebenfalls nicht, wenn wir solche Vorhersagen machen, die für große Körper bei relativ geringen Geschwindigkeiten und Dichten relevant sind, für die Newtons Gesetze gelten. Wenn Physiker oder Ingenieure heute die Umlaufbahnen von Planeten untersuchen, müssen sie auch nicht die detaillierte Zusammensetzung der Sonnen kennen. Die Gesetze, die das Verhalten von Quarks regieren, wirken sich auch nicht wahrnehmbar auf die Vorhersagen aus, die für Himmelskörper gelten.

Ein Verständnis der elementarsten Bestandteile ist selten die effektivste Methode, die Wechselwirkungen zu verstehen, die größere Maßstäbe betreffen, wo winzige Substrukturen im Allgemeinen nur eine ganz kleine Rolle spielen. Wir wären in großen Schwierigkeiten, wenn wir in der Atomphysik durch die Untersuchung der noch winzigeren Quarks Fortschritte machen sollten. Erst wenn wir etwas über detailliertere Eigenschaften der Kerne wissen wollen, wird die Quark-Substruktur relevant. Solange keine unermessliche Genauigkeit gefragt ist, können wir gefahrlos Chemie und Molekularbiologie betreiben und dabei jegliche interne Substruktur im Atomkern ignorieren. Elizabeth Strebs Tanzbewegungen werden sich nicht ändern, was auch immer im Größenbereich der Quantengravitation geschehen mag. Die Choreographie beruht nur auf klassischen physikalischen Gesetzen.

Jedermann, Physiker eingeschlossen, verwendet lieber eine einfachere Beschreibung, wenn die Details unser Auflösungsvermögen übersteigen. Physiker formalisieren diese Intuition und organisieren Kategorien durch die relevanten Skalen oder Energien. Für jedes gegebene Problem verwenden wir das, was wir eine effektive Theorie nennen. Die effektive Theorie konzentriert sich auf die Teilchen und Kräfte, die auf die betreffenden Entfernungen Auswirkungen haben. Anstatt Teilchen und Wechselwirkungen in Begriffen nicht messbarer Parameter darzustellen, die ein grundlegenderes Verhalten beschreiben, formulieren wir unsere Theorien, Gleichungen und Beobachtungen in Begriffen derjenigen Dinge, die in den Größenbereichen, die wir messen können, tatsächlich relevant sind.

Die effektive Theorie, die wir bei größeren Entfernungen anwenden, geht nicht auf die Details einer grundlegenden physikalischen Theorie ein, die für kleinere Entfernungsmaßstäbe gilt. Sie bezieht sich ausschließlich auf Dinge, von denen man hofft, sie messen oder sehen zu können. Wenn etwas jenseits der Auflösung der Größenbereiche liegt, in denen man arbeitet, braucht man seine detaillierte Struktur nicht. Diese Praxis ist keine wissenschaftliche Hochstapelei, sondern eine Methode zur Nichtbeachtung des Wirrwarrs überflüssiger Informationen. Sie ist eine »effektive« Methode, um auf effiziente Weise präzise Antworten zu gewinnen und den Überblick darüber zu behalten, was sich in dem jeweiligen System befindet.

Der Grund, weshalb effektive Theorien funktionieren, besteht darin, dass man das Unbekannte gefahrlos ignorieren kann, solange es keine messbaren Auswirkungen hat. Wenn die einzigen unbekannten Phänomene in Größenbereichen, Entfernungen oder Auflösungen auftreten, bei denen ihr Einfluss immer noch nicht erkennbar ist, brauchen wir nichts über sie zu wissen, um erfolgreiche Vorhersagen zu treffen. Phänomene, die jenseits unserer gegenwärtigen technischen Reichweite liegen, werden per definitionem keine messbaren Konsequenzen außer jenen haben, die bereits berücksichtigt wurden.

Daher konnte man auch ohne Kenntnis so wichtiger Phänomene wie der Existenz relativistischer Bewegungsgesetze oder einer quantenmechanischen Beschreibung atomarer und subatomarer Prozesse trotzdem noch genaue Vorhersagen treffen. Dies ist ein Glücksfall, da wir schlicht und einfach nicht über alles zugleich nachdenken können. Wenn wir irrelevante Details nicht ausblenden könnten, würden wir nirgendwohin gelangen. Wenn wir uns auf Fragen konzentrieren, die wir experimentell überprüfen können, wird dieser Informationswirrwarr in allen Größenbereichen durch unsere endliche Auflösung gegenstandslos.

»Unmögliche« Dinge können zwar geschehen – aber nur in Bereichen, die wir noch nicht beobachtet haben. Ihre Konsequenzen sind irrelevant für die Größenbereiche, die wir kennen – oder zumindest für diejenigen Bereiche, die wir bereits erforscht haben. Was auf diese kurzen Entfernungen geschieht, bleibt so lange verborgen, bis technische Geräte mit höherer Auflösung entwickelt werden, mit denen man einen direkten Einblick gewinnen kann, oder bis hinreichend genaue Messungen die zugrunde liegende Theorie durch die winzigen unterscheidenden Merkmale, die sich auf größeren Skalen zeigen, ausfindig macht.

Naturwissenschaftler können bei Vorhersagen zu Recht alles ignorieren, was zu klein ist, um beobachtet werden zu können. Es ist nicht nur unmöglich, zwischen den Konsequenzen von zu winzigen Objekten und Prozessen unterscheiden zu können, sondern die physikalischen Effekte von Prozessen in diesen Größenbereichen sind auch nur insofern interessant, als sie einen Einfluss auf die physikalisch messbaren Parameter haben. Physiker charakterisieren daher die Objekte und Eigenschaften in messbaren Größenbereichen durch eine effektive Theorie und verwenden sie, um Naturwissenschaft zu betreiben, die für die jeweiligen Größenmaßstäbe relevant ist. Wenn man die auf kurzen Entfernungen existierenden Details oder die Mikrostruktur einer Theorie kennt, kann man die Größen in effektiven Beschreibungen von der grundlegenderen und detaillierteren Struktur ableiten. Andernfalls sind diese Quantitäten nur unbekannte Größen, die experimentell bestimmt werden müssen. Die beobachtbaren Quantitäten der effektiven Theorie, die in einem größeren Maßstabsbereich liegen, sind nicht Gegenstand der grundlegenden Beschreibung, sondern eine bequeme Möglichkeit, Beobachtungen und Vorhersagen zu systematisieren.

Eine effektive Beschreibung kann die Auswirkungen jeder Theorie auf kleinen Skalen zusammenfassen, die Beobachtungen in größeren Maßstabsbereichen reproduziert, deren unmittelbare Wirkungen jedoch zu klein sind, als dass man sie sehen könnte. Das hat den Vorteil, dass wir mit weniger Parametern Prozesse untersuchen und bewerten können, als wir bräuchten, wenn wir jede Einzelheit berücksichtigen würden. Diese kleinere Menge genügt völlig, um die uns interessierenden Prozesse zu charakterisieren. Außerdem ist die Menge von Parametern, die wir verwenden, universell – unabhängig von den zugrunde liegenden detaillierten physikalischen Prozessen sind es dieselben. Um ihre Werte in Erfahrung zu bringen, brauchen wir sie nur bei irgendeinem der vielen Prozesse, bei denen sie vorkommen, zu messen.

Über einen großen Bereich von Entfernungen und Energien gilt eine einzige effektive Theorie. Nachdem ihre wenigen Parameter durch Messungen bestimmt wurden, kann alles, was zu diesem Größenbereich dazugehört, berechnet werden. Die effektive Theorie enthält eine Menge von Elementen und Regeln, die eine große Anzahl von Beobachtungen erklären können. Jedes Mal, wenn wir eine Theorie für fundamental halten, erweist sie sich wahrscheinlich als effektive Theorie, da wir nie eine unendlich genaue Auflösung erreichen. Doch wir vertrauen auf die effektive Theorie, weil sie viele Phänomene erfolgreich vorhersagt, die in einem bestimmten Größenbereich von Entfernungen und Energien vorkommen.

Effektive Theorien der Physik beziehen sich nicht nur auf Informationen in einem Größenbereich kurzer Entfernungen, sondern können auch Wirkungen auf großen Skalen zusammenfassen, deren Konsequenzen ebenfalls zu klein sein könnten, um beobachtet zu werden. Beispielsweise ist das Universum, in dem wir leben, ganz leicht gekrümmt, und zwar so, wie Einstein uns lehrte, als er seine Gravitationstheorie entwickelte. Diese Krümmung gilt für größere Maßstäbe, die sich auf die Großstruktur des Raumes beziehen. Doch können wir gezielt verstehen, warum solche Krümmungseffekte zu klein sind, um sich auf die meisten Beobachtungen und Experimente auszuwirken, die wir lokal in viel kleineren Größenbereichen durchführen. Nur wenn wir die Schwerkraft in unsere Beschreibung von Elementarteilchen einschließen, müssen wir solche Effekte berücksichtigen – die zu gering sind, um sich auf einen Großteil dessen, was ich beschreiben werde, auszuwirken. Auch in diesem Fall sagt uns die geeignete effektive Theorie, wie die Effekte der Gravitationskraft in wenigen unbekannten Parametern zusammengefasst werden sollen, die experimentell bestimmt werden müssen.

Einer der wichtigsten Aspekte einer effektiven Theorie besteht darin, dass sie auch das kategorisiert, was fehlt, während sie zugleich beschreibt, was wir sehen können – sei es in kleinem oder großem Maßstab. Mit jeder effektiven Theorie können wir bestimmen, wie groß der Effekt sein wird, den die unbekannte (oder bekannte) zugrunde liegende Dynamik möglicherweise auf eine bestimmte Messung haben könnte. Selbst vor neuen Entdeckungen in verschiedenen Größenbereichen können wir mathematisch die maximale Stärke des Einflusses bestimmen, den eine beliebige neue Struktur auf die effektive Theorie in demjenigen Größenbereich haben kann, in dem wir arbeiten. Wie wir in Kapitel 12 weiter untersuchen werden, erkennt man die wirklichen Grenzen der effektiven Theorie erst dann, wenn die zugrunde liegende Physik entdeckt ist.

Als geläufiges Beispiel einer effektiven Theorie mag die Thermodynamik dienen, die uns sagt, wie Kühlschränke oder Motoren funktionieren, und lange vor der Atom- oder Quantentheorie entwickelt wurde. Der thermodynamische Zustand eines Systems wird durch seinen Druck, seine Temperatur und sein Volumen charakterisiert. Obwohl wir wissen, dass das System im Grunde aus einem Gas von Atomen und Molekülen besteht – mit einer viel detaillierteren Struktur als durch die genannten drei Größen überhaupt beschreibbar ist –, können wir uns für viele Zwecke auf diese drei Größen konzentrieren, um das unmittelbar beobachtbare Verhalten des Systems zu charakterisieren.