Der Skeptizismus bezweifelt, dass wir Wissen haben oder haben können. Die Physik versucht Wissen von den Grundzügen der Natur zu erlangen. Gibt es physikalisches Wissen, das wir nicht haben oder haben können? Oder anders gefragt: Gibt es eine skeptizistische Lehre der Physik? Ja, die gibt es. Und ihr Buch ist dicker als der Mensch des Alltages glaubt und der Physiker wahrhaben möchte. Nicht umsonst titulierte Tony Rothman, seinerseits renommierter Physiker an der Princeton Universität, seinen Spektrum-Artikel von 01/2012 mit „Die Physik – ein baufälliger Turm von Babel.“

Nachstehend möchte ich Ihnen einen kleinen Überblick über die Relevanz der modernen Physik für den Skeptizismus geben.

I. Astronomie

Dunkle Energie

Dunkle Energie muss postuliert werden, um die beschleunigte Expansion des Universums zu erklären. Diese beobachtete Expansion korrespondiert nämlich nicht mit unseren theoretischen Vorhersagen. Entweder muss es also eine Form „dunkler Energie“ geben, eine antigravitative Entität, die wir noch nicht kennen und diese Beschleunigung verursacht, oder unsere theoretische Grundlagen sind falsch bzw. falsifiziert.

Die Physik kann derzeit nicht die beschleunigte Expansion des Universums erklären. Mögliche Ursachen, „dunkler Energien“, sind: Vakuumenergie, kosmologische Konstante oder Elementarteilchen, die nicht der elektromagnetischen Wechselwirkung unterliegen.

Dunkle Materie

Mit der dunklen Materie verhält es sich ähnlich wie mit der dunklen Energie. Die Bewegung der sichtbaren Materie, insbesondere die der Sterne um das Zentrum von Galaxien, kann mit den herkömmlichen Theorien nicht erklärt werden. Deshalb postuliert man nicht (direkt) sichtbare Materie, um die fehlende Vorhersagekraft zu kompensieren.

Die Physik kann derzeit nicht die Rotationskurven von Galaxien erklären. Ein heißer Kandidat für die „dunkle Materie“ sind die leichtesten Superpartner. Möglicherweise müssen aber auch hier die zugrundliegenden Theorien angepasst werden, etwa durch eine modifizierte Newtonsche Dynamik.

Flachheitsproblem

Das Flachheitsproblem erwächst aus der mittleren Materie/-Energiedichte des Universums, die im Bereich der kritischen Dichte liegt. Von dieser Dichte hängt die mögliche positiv gekrümmte, negativ gekrümmte oder flache Gestalt des Universums ab. Die Gleichungen der ART verraten uns, dass das Universum schon zu seinen Anfangsphasen die kritische Dichte haben musste, wenn es heute flach ist. Wäre diese Dichte auch nur um ein Winzigstes anders gewesen, dann lebten wir heute in einem gänzlich anderen Universum.

Die Physik kann derzeit nicht die notwendigen, kosmologischen Feinabstimmungen innerhalb der Urknall-Modelle erklären. Ein Erklärungsmodell, das übrigens auch dutzende andere Probleme im Handumdrehen lösen kann, wäre die kosmologische Inflation. In einer Inflationsphase soll hier das Universum unmittelbar nach dem Urknall extrem schnell expandiert haben.

Gammablitz

Ein Gammablitz ist ein kurzzeitiger Ausbruch an Gammastrahlung. Dabei werden große Mengen Energie und elektromagnetische Strahlung freigesetzt. Wir können das Spektakel von der Erde aus beobachten. In zehn Sekunden setzt sich dann mehr Energie frei, als die Sonne in Milliarden von Jahren schafft. Was der ursächliche Grund für die Gammablitze ist, wurde noch nicht hinreichend geklärt.

Die Physik kann derzeit das Zustandekommen von Gammablitzen nicht zufriedenstellend erklären.

Hintergrundstrahlung

Mit und um die Hintergrundstrahlung herum gehen gleich mehrere ungelöste Probleme der Physik einher.

Man geht davon aus, dass der Mensch auf der Erde keine ausgezeichnete, spezielle Stellung im Kosmos einnimmt. Also muss der Kosmos im Wesentlichen auch homogen sein, alles andere würde eine Raumsequenz gegenüber einer anderen privilegieren. Diese Auffassung nennt man terminologisch „kopernikanisches Prinzip“, nach dem angeblichen Begründer des heliozentrischen Weltbildes Nikolaus Kopernikus. Anders, als es das kopernikanische Prinzip erwarten lässt, gibt es jedoch Korrelationen zwischen weit entfernten Raumsequenzen und unserem Sonnensystem. Dies wissen wir dank der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung. Diese Hintergrundstrahlung sollte aber eigentlich unabhängig von einer Galaxie sein, da ja alle gleichwertig koexistieren.

Die Physik kann derzeit die Unstimmigkeiten in der Hintergrundstrahlung nicht erklären. Es könnte sich generell um praktische Mess- oder theoretische Fehler handeln.

Nicht direkt mit der Hintergrundstrahlung, aber mit der kosmischen Strahlung hängen die Probleme um UHECR zusammen. UHECR ist Englisch und steht für ultra-high-energy cosmic ray, zu deutsch: Ultra-hochenergetische kosmische Strahlung. Diese Strahlung setzt sich aus einer Klasse von Teilchen mit unheimlich hohen Energien zusammen und entstammt wohl aus Quasaren oder Ähnlichem. Wir haben auch schon UHECR gemessen, dabei gibt es eigentlich gar keine Quasare in unserer Galaxie. Die UHECR muss also von außerhalb kommen, dabei müsste sie aber mit dem Mikrowellenhintergrund reagieren und dürfte aus diesem Grund nie bis zu uns durchkommen. Und so steht auch dieses Problem in, indirekter, Verbindung mit der Hintergrundstrahlung.

Die Physik kann derzeit weder den Weg von real gemessener, ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung von seinem extragalaktischen Ursprung, noch den Ursprung selbst erklären. Wie schon erwähnt, könnte die Strahlung Quasaren entstammen. Die Teilchen der kosmischen Strahlung können jedoch maximal 1,543*10²⁴ Meter reisen, in diesem Umkreis hat die Erde jedoch keinen Quasar (oder Vergleichbares) als Nachbar.

Horizontproblem

Das Horizontproblem ergibt sich aus zwei Grundannahmen der modernen Physik. Nach der ersten ist das Universum 13,7 Milliarden Jahre alt. Die zweite Annahme kommt aus der speziellen Relativitätstheorie und besagt, dass sich keine Information schneller als das Licht ausbreiten kann. Tatsächlich sind aber weit entfernte Regionen des Universums auffallend homogen u.w.

Die Physik kann derzeit die gleichen Eigenschaften verschiedener Regionen des Universums, die in 13,7 Milliarden Jahren noch nicht in Kontakt miteinander treten konnten, nicht erklären. Wie beim Flachheitsproblem soll die kosmologische Inflation auch das Horizontproblem lösen. Vielleicht zeigt uns das Horizontproblem aber auch, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht wie angenommen immer konstant, sondern variabel ist.

Schwarzes Loch

Bei der Beschreibung des Zentrums eines Schwarzen Loches versagen alle gängigen Gesetze der Physik. Diese komischen, astronomischen Objekte lassen sich einzig und allein von außen beschreiben und auch da nur, was durch das Keine-Haare-Theorem ausgedrückt wird, aufgrund ihrer Masse, elektrischer Ladung und ihres Drehimpuls. Das Erscheinungsbild eines Schwarzen Lochs ist durch dessen Gravitation determiniert. Diese ist so gigantisch, dass ab einer bestimmten Nähe zum Zentrum selbst Lichtstrahlen nicht mehr von selbigem entkommen können und unweigerlich eingezogen werden, deswegen ist es auch „schwarz“. Diese Grenze nennt man den Ereignishorizont.

Über alles, was dahinter liegt, das Innere eines Schwarzen Loches, werden wir Außenstehende auf empirischen Wege prinzipiell nie etwas in Erfahrung bringen können. Denn Information kann nur über Teilchen, etwa durch Photonen, vom Inneren eines Schwarzen Loches nach außen gelangen. Dieses S.L. ist jedoch gerade dadurch charakterisiert, dass eben keinerlei Teilchen sein Inneres verlassen kann und aus diesem Grund werden wir auch nie Informationen vom Inneren eines Schwarzen Loches empfangen. Oder sagen wir, fast nie. Denn, rein theoretisch, könnten wir, im Gegenteil etwa zum Rand des Universums, das Innere eines Schwarzen Loches ja auch direkt besuchen.

Die Physik kann derzeit, theoretisch und praktisch, die innere Beschaffenheit eines Schwarzen Loches nicht erklären. Ein großer Schritt um Singularität, Punkte unendlicher Dichte und Raumkrümmung und all die Kuriositäten mathematisch näher zu kommen, wäre die Formulierung einer konsistenten Quantengravitationstheorie.

Außerdem geraten hier der Sog des Schwarzen Loches und der makroskopische Informationserhaltungssatz in einen Clinch. Denn was erwarten wir von Information, die ja nicht verloren gehen kann, wenn ihr Träger von einem Schwarzen Loch aufgesogen wird? Können Schwarze Löcher Informationen aus dem Universum absaugen? Wohl kaum. Denn das verbietet ihnen die eben genannte Erhaltung aller Informationen im Universum, eine Grundsäule vieler Feldtheorien und der Stringtheorie. Nur was passiert mit Photonen & Co sonst, wenn sie in die nackte Singularität eines Schwarzen Loches fallen?

Die Physik kann derzeit das Informationsparadoxon Schwarzer Löcher nicht erklären. Die Beantwortung dieses Rätsels hängt eng mit der Suche nach einer Quantengravitationstheorie zusammen.

II. Kernphysik

Kernfusion

Das Phänomen der Kernfusion ist eigentlich ganz gut erforscht. Zwei Atomkerne verschmelzen zu einem, fertig. Diese Reaktion ist u.a. dafür verantwortlich, dass unsere Sonne leuchtet und infolgedessen überhaupt Leben auf der Erde entstehen konnte. Wo liegt also das Problem? Wir können diese schier unermessliche und relativ umweltfreundliche Energiequelle leider nicht gezielt auf Erden erzeugen und transformieren. Und das wäre aber wirklich verdammt praktisch, wenn wir das könnten. Etwa, um unsere Wohnhäuser mit Strom und Wasser zu versorgen. Siehe auch: Energiewende.

Die Physik kennt zwar theoretisch den Weg hin zur gezielten Nutzbarmachung der Kernfusionsenergie, bis zum Bau des ersten Fusionskraftwerkes müssen aber noch einige praktische Hürden genommen werden. Die von uns erzeugten Plasmen sind gerade noch zu instabil und die Magnetfelder zu klein, als dass wir die Fusion sicher kontrollieren könnten. Es arbeiten aber viele ambitionierte Forscher an den Lösungen für diese Probleme.

Nukleon

Nukleone sind die Bausteine der Atomkerne (Protonen, Neutronen usw.) und gehören zur Klasse der Hadronen. Ein Hadron wird durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten. Gäbe es diese stärkste aller fundamentalen Wechselwirkungen nicht, würde das Hadron in seine einzelnen Bestandteile, die Quarks, verfallen. Quarks sind die elementarsten, uns bekannten Konstituenten der Hadronen. Bevor dieses Quark-Modell eingeführt wurde, erklärte man sich die starke Wechselwirkung als eine anziehende Kraft zwischen den Nukleonen. Übrigens hält diese Wechselwirkung die Nukleonen auch in Isotopen zusammen. Heutzutage nennt man sie „Restwechselwirkung“ oder schlicht „Kernkraft“, ihr Wesen ist nach wie vor ungeklärt.

Die Physik kann derzeit die Natur der Restwechselwirkung aus Sicht der Quantenchromodynamik nicht erklären.

III. Kosmologische Evolution

Das Ende des Universums

Unter naiven Wissenschaftsenthusiasten trifft man oft auf die Meinung, die Physik wisse wie das Universum entstand und sich in vergangenen Jahrmilliarden entwickelt habe. Diese Einschätzung ist, wie wir noch sehen werden, optimistisch. Um nicht zu sagen falsch. Unsere kosmologische Vergangenheit ist uns noch recht ungewiss. Noch rätselhafter ist aber die Zukunft und schließlich das Ende des Universums.

Die Physik kann derzeit die Zukunft und das Ende des Kosmos nicht erklären. Beides hängt stark von der Entwicklung des Weltraumes ab. Nach der wahrscheinlichsten Hypothese expandiert das Universum zukünftig unbegrenzt, aber auch unbeschleunigt weiter. Bis in alle Ewigkeit. Im Gegensatz zum Kosmos haben die Elementarteilchen jedoch partout keine unbegrenzte Lebensdauer, sie zerfallen irgendwann. Dieses Zukunftsszenario ist somit zwar ewig, aber trotzdem relativ trostlos. Es gibt jedoch berechtigte Zweifler an diesem Ende: Der hypothetische Protonenzerfall ist z.B. bisher nur von Versionen der GUT-Theorie vorhergesagt, jedoch noch nicht experimentell bestätigt wurden. Vielleicht zerfallen manche Elementarteilchen gar nie und unsere heutigen Theorien erweisen sich als falsch oder unvollständig?

Fragen über Fragen konfrontieren die Physiker des 21. Jahrhunderts. Dieser Aufsatz skizziert diesen Umstand, mehr kann er in seiner Kürze nicht leisten. Und bis wir nicht von mehreren die Antwort kennen, bleiben alle futuristischen Spekulationen nichts weiter als selbige. Von zu vielen unbekannten, physikalischen Variablen hängt die Zukunft des Kosmos ab.

Kein Wunder also, dass es neben der gängigen Theorie von der „ewigen Expansion“ auch noch weitere gibt: Im „Big Freeze“ geht das Universum vom Expansions-, in einen statischen Zustand über. Der „Big-Crunch“ lässt das Universum gar schlagartig wieder zusammenziehen, erzählt uns also quasi die Geschichte des Urknalls rückwärts. Im „Big-Rip“ dagegen nimmt die Expansion des Universums noch einmal zu und die Objekte sind dann irgendwann so weit voneinander entfernt, dass sie nicht mehr in Wechselwirkung treten können. Als Letztes sei noch auf den „Big Bounce“ verwiesen. Hier zieht sich das Universum immer weiter zusammen, bis aus einem winzigen Durchmesser, und expandiert dann erneut. Siehe auch: Urknallmodelle.

Inflationsphase

Wie wir nun mehrfach gesehen haben, hilft uns die Annahme eines kurz nach dem Urknall schlagartig expandierenden Universums bei vielen Problemen weiter. Die sogenannte Inflationsphase bringt dafür aber auch ihre ganz eigenen Probleme mit sich. Ob überhaupt, wann und wie lang es eine Ära der kosmologischen Inflation gab, ist nämlich nicht geklärt. Vor allem auch das postulierte, notwendige, antigravitative Inflatonfeld bereitet der Fachwelt Kopfzerbrechen:

Die Physik kann derzeit die Frage nach der Existenz, Wirkungszeit und genaueren Beschaffenheit des Inflatonfeldes nicht erklären. Geeignet für ein Inflatonfeld wären die Higgs-Felder.

Die Annahme einer kosmologischen Inflation birgt aber noch weitere Tücken. Um einige Eigenschaften des gegenwärtigen Universums erklären zu können, muss sich das Universum damals mit einer unglaublichen Geschwindigkeit ins Nichts ausgebreitet haben. Fälschlicherweise wird sogar noch in vielen Sachbüchern behauptet, das Universum inflationiere gar mit Überlichtgeschwindigkeit.

Und jetzt wird unsere Reise entlang des Horizontes der modernen Physik erst so richtig skeptizistisch, in dem Sinne, dass wir an dieser Stelle auf prinzipielle Erkenntnisschranken stoßen. Denn was bedeutet eine überlichtschnelle Expansion in Konsequenz? Das wir nie das ganze Universum beobachten werden können. Über physikalische Gesetzmäßigkeiten oder sonst irgendetwas außerhalb des durch die Lichtgeschwindigkeit gegebenen Beobachtungshorizonts werden wir nie etwas empirisch gewisses über das Universum in Erfahrung bringen können. Das verbietet uns die Lichtkonstante und ist der Grund dafür, weshalb die Translationssymmetrie immer eine metaphysische Annahme bleiben muss. Wir werden auch nie einen möglicherweise existierenden Rand, ein räumliches Ende des Universums erreichen.

Kosmologische Konstante

Getrieben von der „positiven Kosmologischen Konstante“ dehnt sich das Universum nicht nur aus, nein es beschleunigt dabei sogar. Die Dunkle Energie, wir haben sie bereits kennengelernt, ist eine Verallgemeinerung der Kosmologischen Konstante. Und wie gesagt: Wir haben keine Ahnung, was dieses energetische Etwas ist, dass immer noch mehr Raum zwischen den Planeten entstehen lässt, sein soll. Spätestens seit der beobachteten Rotverschiebung weit entfernter Supernovae des Typs 1a wissen wir nun aber, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt. Nur warum?

Die Physik kann derzeit die beschleunigte Expansion des Universums nicht erklären.

Urknall

Die am weitesten verbreiteten Theorien sehen den Anfang des Universums in einem „Urknall“ liegen. Ausgehend von einem singulären Punkt formal unendlicher Dichte und Temperatur, dem „Big Bang“, soll die geometrische Raumzeit sich nach allen Seiten ausgedehnt haben. Bis zum heutigen Tag, etwa 13,798 Mrd. Jahre später. In diesem Ereignis stecken jetzt gleich mehrere Komplikationen. Ein paar werden hier exemplarisch vorgestellt. Zum Zeitpunkt t = 0 stoßen wir unweigerlich auf eine nicht behebbare Singularität. D.h. hier sind die physikalischen Gesetze nicht mehr definiert bzw. keine der heute gültigen Gesetze können auf diesen Zeitpunkt angewendet werden. Deswegen können wir den Urknall selbst auch niemals erforschen.

Wir kommen nur an eine Zeit nach der Inflationsphase - wir erinnern uns, die Epoche überlichtschneller Expansion – heran. Alles vor und während der Inflationsphase liegt für uns auf ewig im Dunkeln. Und danach, das Universum war etwa 380.000 Jahre alt und größer als der heute zu beobachtende Teil, sagt es uns nichts mehr über seinen Anfang. Über den Urknall? Ganz allgemein kann die Physik auch nicht erklären, wie im Urknall oder überhaupt irgendwann etwas aus Nichts entstanden sein sollte. Oder wie es zu den notwendigen Inhomogenitäten kommen konnte, um die heutigen Strukturen des Kosmos zu verstehen?

Die Physik kann derzeit, wie aufgezeigt wurde, alle Fragen zu dem Urknall und die gut dreihunderttausend Jahre danach nicht befriedigend erklären.

IV. Physik (allg.)

Entropie

Entropie ist ein Maß für „Unordnung“. Im Mittel nimmt die Entropie eines geschlossenen Systems stets zu. Diesen irreversiblen Prozess bezeichnet man auch als den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und ist das einzige der Physik bekannte Gesetz, das zwischen Vergangenheit (geringere Entropie) und Zukunft (höhere Entropie) unterscheidet. Die Hauptsätze der Thermodynamik sind von höchster Bedeutung und lehren uns beispielsweise, dass wir wohl nie ein Perpetuum mobile werden bauen können. Konträr zu besagtem Hauptsatz sind die newtonschen, elektrodynamischen und relativistischen Gesetze in der Physik alle reversibel. Will heißen, ihnen ist es egal, ob das Universum vorwärts oder rückwärts abläuft. Es herrscht somit eine Diskrepanz zwischen dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und den anderen, grundlegenden Theorien der Physik. Falls jedoch, wie angenommen wird und werden kann, Newton den Grundbaustein der Physik gelegt hat, dann muss sich der zweite Hauptsatz der Thermodynamik aus der newtonschen Mechanik herleiten lassen. Aber:

Die Physik kann derzeit den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auf Basis der newtonschen Mechanik nicht erklären.

Feld

Feldtheorien, speziell die Quantenfeldtheorien, kommen nicht ohne Renomierungen aus. Denn legt man die Energieskalen nicht entsprechend fest, stößt man unausweichlich auf unendliche Größen. Und da unendliche Größen als Zeichen der Fehlerhaftigkeit oder zumindest Unvollständigkeit einer Theorie gedeutet werden, wird ad-hoc renomiert.

Die Physik kann derzeit das Auftreten unendlich großer Ausdrücke in Feldtheorien nicht erklären. Die hilfreichen Renomierungen werden ohne weitere Erklärung ad-hoc eingeführt.

Symmetrie

Symmetrisch ist für einen Physiker ein Systemaspekt dann, wenn man ihn verändern kann und trotzdem einige seiner Merkmale gleich bleiben. Diese Fähigkeit unter gewissen Transformationen, zu Deutsch: Änderungen, unverändert zu bleiben heißt Invarianz. Bei der starken Wechselwirkung findet sich eine sog. CP-Invarianz. Diese Symmetrie sollte eigentlich gebrochen werden können, jedoch wurde bislang noch keine CP-Verletzung für die starke Wechselwirkung nachgewiesen.

Die Physik kann derzeit das Ausbleiben eines experimentellen Nachweises für die CP-Verletzung nicht erklären. Dieses Problem nennt sich „starkes CP-Problem“. Eine Lösung für das starke CP-Problem könnte das hypothetische Elementarteilchen Axion sein.

V. Quantenphysik

Grenze

Zur Beschreibung der Natur benötigen wir zweierlei Theorienansätze. Die Physik des Makrokosmos und die Quantenphysik für das ganz Kleine. Wo aber verläuft die Trennlinie zwischen herkömmlicher- und Quantenphysik? Und warum brauchen wir überhaupt zwei grundsätzlich unterschiedliche Beschreibungsmodelle für ein und dieselbe Natur?

Die Physik kann derzeit die Zusammenhänge zwischen herkömmlicher und quantenphysikalischer Naturbeschreibung nicht erklären. Es deutet sich jedoch schon seit längerem an, dass die Gültigkeitsrahmen beider Ansätze graduell ineinander übergehen und die Quantenphysik die grundlegendere von beiden Theorien ist.

Planck-Einheiten

Nach dieser Physik der Quanten sollen einige physikalische Größen nicht beliebig teilbar sind. Es gibt dort zum Beispiel eine Zeit, die Planck-Zeit von 5,39*10^(-44) Sekunden, unter der keine sinnvolle Darstellung eines Vorgangs möglich ist. In Summe nennen sich diese „kleinsten Größen“ die Planck-Einheiten. Man kann sich das in etwa so vorstellen, alsdass die Natur unter einem Zukunftsmikroskop aus lauter kleinen Kacheln besteht, die sich nicht weiter zerlegen lassen. Sind Raum und Zeit auch gequantelt oder kontinuierlich? Diese Frage drängt sich bei kleinsten Abständen – der Planck-Länge – und kleinsten Zeitspannen  - der Planck-Zeit.

Die allgemeine Relativitätstheorie geht davon aus, dass Raum und Zeit kontinuierlich sind. Für etliche Quantengravitationstheorien, etwa die Schleifenquantengravitation, müssen sie aber quantisiert sein. Interessanterweise müssten dann auch die Raumzeitgeometrie selbst Quantenfluktuationen unterliegen. Was ist der Fall?

Die Physik kann derzeit, ob räumliche und zeitliche Vorgänge in beliebig winzigen Schritten ablaufen können, oder ob elementare Raumzeit-Atome dies verbieten und nur diskrete Schritte in der Raumzeit zulassen, nicht erklären.

Quantenverschränkung

Der für mich sonderbarste Sachverhalt in der gesamten Quantenmechanik ist die Quantenverschränkung. Sie kann mikroskopischen Objekten u.U. ihrer Lokalität berauben. Lokalität bedeutet, dass Vorgänge nur über ein direkt oder indirektes räumliches Verhältnis zueinander, Auswirkungen aufeinander ausüben können. Beispiel: Ein Mann kann einem anderen nur auf sich aufmerksam machen, indem er beispielsweise zu ihm läuft und ihn direkt anstupst oder indirekt, durch Schallwellen, ruft. Das ist Lokalität. Ohne irgendwie die Distanz zwischen ihnen zu überwinden, kann er nicht mit dem anderen Mann interagieren. Abstrakter: Räumlich getrennte Dinge können sich nicht beeinflussen. Das verrät uns die Bellsche Ungleichung und o verhält es sich auch normalerweise. Zumindest in der Welt, die uns tagtäglich begegnet.

In der Quantenwelt und mit der Quantenverschränkung wird diese Lokalität nun manchmal aufgehoben, indem Teilchen verschränkt sein können. Sie verletzt somit die Bellsche Ungleichungen und schafft eine Korrelation, die, da nichtlokal, überlicht- ja unendlich schnell sein kann. Super wäre es jetzt natürlich, wenn wir Informationen auf diese Weise übertragen könnten. Bislang können wir das nicht. Können Informationen prinzipiell nicht auf nicht-lokale Weise übertragen werden, oder finden wir vielleicht nicht doch noch einen Weg?

Die Physik kann derzeit ein, eventuell mögliches, Konzept zur nicht-lokalen Informationsübertragung nicht erklären. Eine andere wichtige Frage wäre, ob es außer der Quantenverschränkung noch weitere, nicht-lokale Phänomene gibt?

VI. Teilchenphysik

Baryonenasymmetrie

Augenscheinlich gibt es im Universum viel mehr Materie, als Antimaterie. Man spricht auch von einer Dominanz der Materie gegenüber der Antimaterie und alles in allem von der Baryonensymmetrie. Worin liegt die Erklärung für diese Ungleichheit?

Die Physik kann derzeit die beobachtete Dominanz der Materie gegenüber der Antimaterie nicht erklären. Sie kann aber mit ­einigen Erklärungsansätzen aufwarten. Drei möchte ich kurz vorstellen:

Zunächst die Annahme von den Antimaterie-Welten: Hier wird davon ausgegangen, dass das Baryonenproblem in Wirklichkeit gar keines ist. Tatsächlich gibt es hiernach nämlich gleich viel Antimaterie, wie Materie. Sie sind nur nicht gleichmäßig im Universum verstreut. Man geht davon aus, dass räumlich getrennte Gebiete im Universum bestehen, in denen manchmal die bayronische, manchmal die antibayronische Materie die Überhand hat. Alles in allem halten sich die beiden aber die Waage. Dass wir eine Dominanz der Materie gegenüber der Antimaterie wahrnehmen, liegt nun einfach daran, dass wir in einem Teilgebiet des Universums leben, in dem es wirklich mehr Materie gibt. Heutzutage vertritt kaum noch jemand diese Ansicht. Es liegen einfach zu viele Befunde auf den Astronomentischen, die gegen die Existenz von Antimaterieregionen sprechen.

Eine sinnvollere Hypothese ist diese hier: Bereits in jungen Jahren barg das Universum eine Materie-Antimaterie-Asymmetrie in sich. Auf eine Milliarde Antiteilchen kamen eine Milliarde und ein Teilchen. Damals noch ein geringes Missverhältnis könnte daraus tatsächlich die brachiale Asymmetrie von heute erwachsen sein. Falls diese These zutreffend sein sollte, war das Einemilliardeneinste Teilchen vor vielen Jahren wirklich ein Zünglein an der Waage, das dafür gesorgt hat, dass wir heute nur noch verschwindend wenig Antimaterie im Himmel haben.

Das hypothetische Antiteilchen des Higgs-Boson bildet eine weitere mögliche Ursache für die Baryonensymmetrie. Aber wie gesagt: Woher das Ungleichgewicht aber tatsächlich rührt, wissen wir nicht.

Proton

Um das Proton ragen gleich zwei Mysterien. Das erste kennen wir schon von dem Abschnitt „Das Ende des Universums“: Ist das Proton stabil? Eigentlich wurde der Protonenzerfall schon längst von den GUT-Theorien vorhergesagt, nur nachweisen konnte ihn bis jetzt niemand. Überlebt das Proton also jede Zeit? Wir wissen es nicht. Falls jedoch nicht, falls das Proton irgendwann zerfällt, dann muss seine Halbwertszeit sehr, sehr, sehr groß sein.

Die Physik kann derzeit das Verhalten eines Protons über lange Zeit nicht erklären.

Das zweite Mysterium ist ziemlich kompliziert. Wir wollen uns trotzdem ran wagen: Der Ladungsradius eines Protons hat einen anderen Wert, als wir das bislang annahmen. Das sagen uns zumindest Experimente, bei denen die Lamb-Verschiebung am myonischen Wasserstoff gemessen wurde. Dass diese Differenz zwischen theoretischer Vorhersage und praktischer Beobachtung Fragen in Bezug die Quantenelektrodynamik aufwirft, macht alles gleich zweimal so schlimm. Denn diese galt unter Physikern als die bestgesicherte Theorie überhaupt.

Die Physik kann derzeit die vom erwarteten Wert abweichende Lamb-Verschiebung am myonischen Wasserstoff nicht erklären.

Quark

Äußerst bekannt ist das Confinement-Problem (engl. für „Gefangenschaft“). Quarks, aber auch Gluonen, kommen nie isoliert vor. Man sieht sie immer nur in Verbund zu den Teilchen, die aus ihnen aufgebaut sind. Schuld daran ist die starke Kernkraft.

Die Physik kann derzeit das Confinement theoretisch nicht vollständig erklären.

Standardmodell

Einer Palette an ungelösten Aufgaben konfrontiert uns das Standardmodell der Teilchenphysik. Frühstücken wir sie nacheinander ab:

Im SMT wimmelt es nur so von freien Parametern. Achtzehn an der Zahl, fünfundzwanzig sogar, wenn Neutrinos eine Masse besitzen, eine weitere offene Frage. Freie Parameter sind Werte, die sich nicht aus der Theorie ergeben und erst durch Messungen bestimmt werden müssen. Die achtzehn freie Parameter sind: 6 Quarkmassen, 4 Winkel zur Beschreibung von Quarkzerfällen, 3 Kopplungskonstanten, 3 Massen geladener Leptonen, ein Winkel bzgl. der CP-Verletzung und die Masse des Higgs-Teilchens. Dazu kommen sieben weitere Parameter, wenn Neutrinos eine massebehaftet sind.

Die Physik des Standardmodells kann derzeit seine freien Parameter nicht aus sich selbst heraus erklären.

Doch dabei belässt es das SMT nicht. Es liefert uns noch weitere Kuriositäten und Fragen, die bis heute einer Antwort harren. Zum Beispiel teilt es die zwölf uns bekannten Materieteilchen in drei fast identische Gruppen ein. Heraus kommt ein System erstaunlicher Ordnung, ähnlich wie beim Periodensystem der chemischen Elemente. Gibt es wirklich drei „Generationen“ an Teilchen in der Welt? Oder warum sonst „passt“ alles so gut ins SMT? Woher rührt der gewaltige Unterschied bei den Teilchenmassen zwischen den Generationen? Das Higgs-Boson offenbart uns mittlerweile, wie Massen erzeugt werden, aber nicht warum sie so ungleich verteilt sind. Außerdem lässt das SMT die Gravitation außen vor, und erinnern sie sich noch an das Problem mit der Baryonensymmetrie? Wir können also festhalten:

Die Physik kann derzeit viele Fragen, die sich im Laufe des Studiums des Standardmodells ergeben, nicht erklären.

Supersymmetrie

Dieses hypothetische Prinzip wird auch liebevoll „SUSY“ genannt und hat das Potential, viele Probleme, die wir hier kennen gelernt haben, zu beheben. Etliche GUT-Theorien und Stringtheorien sind supersymmetrisch, brauchen also die Supersymmetrie. Gewiss also ein nützliches Prinzip, allerdings aber ein hypothetisches. Bis heute konnte kein empirischer Nachweis der Supersymmetrie erbracht werden.

Die Physik kann derzeit nicht erklären, ob das Universum supersymmetrisch ist oder nicht.

8. Weltformel

Hierarchieproblem

Apropos Stringtheorie. Im Laufe unserer Bemühungen, die fundamentalen Wechselwirkungen zu handhaben und zu vereinigen, sind wir noch auf weitere Probleme gestoßen. Eines davon ist das Hierarchieproblem. Dieses wirft im Speziellen die Frage auf, weshalb die Gravitation so sehr schwächer als die elektroschwache Wechselwirkung ist. Allgemeiner weist das Hierarchieproblem auf die oft immensen Diskrepanzen zwischen theoretischen und dem tatsächlich experimentell nachgewiesenen Werten von Parametern hin.

Die Physik  kann derzeit die enorme Diskrepanz zwischen fundamentalen Parametern einer Theorie und tatsächlichem Wert nicht erklären. Mögliche Lösungen könnten in der Stringtheorie, beziehungsweise in der in ihr enthaltenen Supersymmetrie der Teilchen liegen.

Quantengravitation

Einer ihrer größten Herausforderungen­­­­­­­ sieht sich die moderne Physik im Formulieren einer konsistenten Quantengravitationstheorie gegenüber. In ihr stößt die Quantenmechanik, also die Welt des ganz Kleinen, auf die allgemeine Relativitätstheorie, die Welt der Hohen Massen und Geschwindigkeiten. Und das will irgendwie nicht zusammenpassen. Zudem ist die ART rein klassisch, was sie schon zweimal inkompatibel mit der Mikrowelt zu machen scheint. Dennoch versuchen Quantengravitationstheoretiker genau dies: Ein Modell aufstellen, das die QM und ART ersetzen, alle ihre inneren Widersprüche auflösen und beide als Grenzfälle beibehalten soll. Wer das schafft, könnte uns noch ganz nebenbei die Antwort auf die Frage nach der Grenze zwischen Mikro- und Makrowelt, wir erinnern uns, mitliefern. Unabdingbar ist eine vernünftige Quantengravitationstheorie beispielsweise beim Beschreiben des Inneren eines Schwarzen Loches.

Die Physik kann derzeit die formelle Struktur einer möglichen Quantengravitationstheorie nicht erklären.

Stringtheorie

Zu guter Letzt die Stringtheorie. Es ließe sich sicher ein ganzer neuer Aufsatz schreiben, über die neuen Probleme, die die Stringtheorie schafft und die alten, die sie uns löst. Hier mal nur ein Beispiel:

Für die Stringtheorie braucht es mindestens neun Raumdimensionen bzw. zehn Raumzeit-Dimensionen. Die Bosonische Stringtheorie verlangt sogar sechsundzwanzig. Das ist komisch, erleben wir selbst doch nicht mehr als drei Raum- (Höhe, Länge, Breite), plus eine Zeitdimension.

Die Physik kann derzeit die Anzahl und Größe der Raumdimensionen in der Natur nicht erklären.

Schlusswort

Immerhin ein Ausschnitt aus der Fülle an offenen Fragen, der sich die Physik noch stellen muss, konnte in diesem Aufsatz vorgestellt werden. Obzwar dieser nun recht lang wurde, mussten dabei viele Bereiche gänzlich ausgelassen werden. Beispielsweise das Handling chaotischer Systeme oder die Realität in der Quantenmechanik. Nichtsdestotrotz hoffe ich Ihnen einen kleinen Überblick über die skeptizistische Lehre der Physik verschafft haben zu können. Aber wurde das wirklich?

Wurde tatsächlich eine skeptizistische Lehre der Physik dargeboten? Aspekte also, die einem skeptisch gegenüber der Möglichkeit von Erkenntnis machen. Oder werfen dunkle Energie, Supersymmetrie und Kernfusion nicht einfach nur Fragen auf, die noch im Raum stehen, an sich aber lösbar sind? Haben wir nicht nicht nur Erkenntnishürden, statt Erkenntnisschranken, die wirklich zum Skeptizismus führen würden, kennengelernt?

Ja und Nein. Es stimmt schon, dass bei den meisten in diesem Aufsatz thematisierten Fragen nichts gegen deren prinzipielle Beantwortbarkeit spricht. Ja. Aber auch nein, indirekt haben wir trotzdem einiges über die grundsätzlichen Grenzen physikalischer Erkenntnis gelernt:

Eine Erkenntnisschranke „nach unten“ ziehen die Naturgesetze. Mithilfe einiger Naturkonstanten lassen sich die die kürzeste Länge, die kürzeste Zeit, die kleinste Masse und einige weitere kleinste Grundgrößen definieren. Was heißt das? Alles, was sich unterhalb dieser minimalen Werte abspielen könnte, ist uns unzugänglich. Einige meinen prinzipiell. Ob unsere Naturgesetze unter diesen Skalen schlichtweg versagen, eine Rede von Längen und Massen da überhaupt noch sinnvoll wäre, könnten wir nie herausfinden. Egal, wie wir uns ansträngten. Die Rede ist von den Planck-Einheiten, wir erinnern uns.

Die Gravitation ist hierbei unser größtes Problem. Wie diese Kraft über große und größte Entfernungen wirkt, wissen wir sehr genau. Aber von ihrem Verhalten auf extrem kurzen Entfernungen haben wir keinen blassen Schimmer. Solange uns eine Theorie fehlt, die Quantentheorie und Gravitation verknüpft, können uns die Physiker keine Auskunft über das Geschehen unmittelbar nach dem Urknall und über die Welt jenseits der Planck-Skalen geben. Wenn wir aber einmal eine Quantengravitationstheorie in den Händen halten sollten, dann können wir vielleicht mehr über diese Dinge sagen. Auch, ob Mutter Natur konsequent war und selbst Raum und Zeit in kleinste Paketchen geschnürt hat.

Vielleicht stellt uns die Quantisierung der Natur auf kleinsten Größen eine Erkenntnisschranke nach unten auf.

Die Lichtkonstante setzt nicht nur eine praktische, sondern auch eine epistemologische Grenze „nach oben“. Klar dürfte die praktische sein: Nichts, kein materieller Körper und keine Information, kann sich schneller fortbewegen als Licht im Vakuum. Damit ein Objekt sich mit Vakuumlichtgeschwindigkeit fortbewegt, müsste man unendlich viel Energie aufwenden, was in einem endlichen Kosmos schlichtweg unmöglich ist.

Bezüglich der Erkenntnisschranke nach oben haben wir schon ein Beispiel kennengelernt: das Horizontproblem. Unser kosmologischer Beobachtungshorizont ist kleiner als das Universum in Gänze, was der Obergrenze Lichtgeschwindigkeit zu Schulde kommt. Und weil sich keine Information schneller als Licht ausbreiten kann, werden wir auch nie ein Gravitationsloch untersuchen können, sobald es einmal „schwarz“ ist, d.h. nicht einmal mehr Licht herauslässt.

Das grundsätzliche Problem, das ich mit der Unterscheidung zwischen physikalischen Erkenntnishürden, die prinzipiell zu nehmen sind, und Erkenntnisschranken, die eine unüberschreitbare Trennlinie durch unseren Erkenntnishorizont ziehen, habe, ist unser mangelndes Wissen über unser Unwissen. Was meine ich damit? Woher will ich wissen, dass ich etwas nie wissen kann, oder doch gegenwärtig nur die existenten Antwortmöglichkeiten nicht sehe? Und wer sagt mir, dass hinter manch vermeintlichen Hürde nicht eine ganze Schranke schlummert? Wir wissen letztendlich nicht, welches Unwissen wir nur nicht wissen und welches wir nie wissen können werden.

Der dunkle Fluss
Alexander Unzicker (Interview)

Stand: 2015

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