Das hier ist die Rezension eines
Kapitels von “Der Stoff aus dem der Kosmos
ist” von Brian Greene. Links zu den Rezensionen der anderen Kapitel kann man hier finden.
Im letzten Kapitel hat Greene die inflationäre Kosmologie erklärt und damit auch gleichzeitig den gesamten Abschnitt über Kosmologie beendet. Von den Grundlagen der Relativitätstheorie und Quantenmechanik bis hin zur aktuellen Beschreibung der Entstehung von Universum, Raum und Zeit hat Greene einen spannenden Überblick über die moderne Physik gegeben. Noch sind wir allerdings nicht am Ziel angelangt – den prä-inflationären Zustand; quasi die Zeit vor dem Urknall, können wir immer noch nicht beschreiben. Für diesen Zeitpunkt existiert noch keine brauchbare Theorie; Relativitätstheorie und Quantenmechanik versagen. Doch vielleicht kann eine neue Theorie hier Ergebnisse liefern: die Stringtheorie!
Relativitätstheorie vs. Quantenmechanik
Die moderne Physik ist so erfolgreich wie nie zuvor. Von den Anfängen der Naturwissenschaft vor etwa 400 Jahren bis heute haben wir unser Wissen und Verständnis der Natur ständig erweitert. Niemals zuvor in der Geschichte der Menschheit hatten wir so ein umfassenden Wissen von unserer Umwelt. Die Theorien wurden im Laufe der Zeit immer wieder erweitert und verbessert. Man darf hier übrigens nicht dem Fehlschluss verfallen zu denken, dass jede neue Theorie die alte Theorie falsifiziert. Einsteins Relativitätstheorie hat Newtons Gravitationsgesetz abgelöst – aber deswegen lag Newton nicht “falsch”. Newtons Gesetz funktioniert im alltäglichen Bereich der kleinen Geschwindigkeiten und Massen immer noch extrem hervorragend und genau. Und genauso wie Einstein unser Verständnis von Raum und Zeit verändert und die Gravitationstheorie verbessert hat ist zu erwarten, dass eine noch zu findende neue Theorie Einsteins Relativitätstheorie ablöst.
Auch mit Einstein ist Newtons Gravitation nicht einfach verschwunden…
Anders geht es eigentlich auch gar nicht – denn immer mehr zeichnet sich ab, dass die Relativtätstheorie nicht der Weisheit letzter Schluß gewesen sein kann. Das gilt auch für die Quantenmechanik. Beide Theorie gehören zu den erfolgreichsten, die Physiker je aufgestellt haben – aber beide haben Probleme, bestimmte Dinge zu erklären. Das ist kritisch – denn beide Theorien behaupten, umfassend zu sein und die gesamte Welt beschreiben zu können. Die Relativitätstheorie sollte auch für Elementarteilchen gelten – sie funktioniert aber nur für große Massen gut. Die Quantenmechanik sollte auch die makroskopische Welt richtig beschreiben können – sie funktioniert aber nur in der Mikrowelt. Nun könnte man ja einfach so weiter machen wie bisher und jede Theorie nur dort anwenden, wo sie funktioniert. Aber das wäre ein äußerst unbefriedigender Zustand. Sollte unser Universum wirklich zwei verschiedene und einander widersprechende Theorien benötigen um Vorgänge auf verschiedenen Skalen zu beschreiben? Davon möchte kein Physiker ausgehen. Außerdem gibt es gewisse Probleme, bei denen nicht mehr klar ist, welche Theorie anzuwenden ist. Schwarze Löcher sind extrem kompakt – also enorm klein und damit Objekte, die quantenmechanisch beschrieben werden müssen. Andererseits sind sie enorm schwer und fallen damit in die Verantwortung der allgemeinen Relativitätstheorie. Gleiches gilt für das frühe, prä-inflationäre Universum. Wir brauchen eine vereinheitlichte Theorie; eine Theorie, die gleichzeitig Gravitation und Quantenmechanik beschreibt um mehr über den Urknall selbst herausfinden zu können.
Aber wo kommen eigentlich die Probleme her? Warum verstehen sich Relativitätstheorie und Quantenmechanik nicht? Der Grund ist die schon früher erwähnte Unschärferelation. Dieses Grundprinzip der Quantenmechanik sagt uns, dass wir über bestimmte Dinge nicht Bescheid wissen können. Wir können nicht gleichzeitig exakt den Ort und die Geschwindigkeit eines Teilchens kennen. Genausowenig können wir exakt den Wert eines Feldes und dessen Änderungsrate kennen. Das hat interessante Auswirkungen. Wenn ein Feld im Vakuum einen verschwindenen Wert annimmt – also null ist, dann kennen wir einen Wert exakt. Der andere Wert – die Änderungsrate des Feldes – muss also völlig unbestimmt; völlig zufällig sein und das Feld wird wild fluktuieren. Solche Vakuumfluktuationen existieren tatsächlich – man hat ihre Auswirkungen gemessen!
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