Widerspruch im Herzen der Physik

Von Lasern, Elektronenmikroskopen und Atomuhren ¨¹ber bildgebende Verfahren in der Medizin bis hin zur modernen Elektronik mit ihren Halbleitern: Ohne die Quantenmechanik w?ren viele Technologien heute undenkbar. Kaum eine andere wissenschaftliche Theorie wurde seit ihrer Begr¨¹ndung vor 100 Jahren derart oft und genau best?tigt. Drei der vier fundamentalen Kr?fte in der Physik, welche die Welt im Kleinen zusammenhalten, beruhen auf Konzepten der Quantenphysik: der Elektromagnetismus, der f¨¹r allt?gliche Ph?nomene wie Licht, Elektrizit?t und Magnetismus verantwortlich ist, die starke Kernkraft, die Atome zusammenh?lt, und die schwache Kernkraft die Atomkerne radioaktiv zerfallen l?sst.

Die vierte Grundkraft der Physik, die unser Universum zusammenh?lt und das Verhalten von Planeten erkl?rt, bleibt f¨¹r die Quantenmechanik jedoch bis heute ein R?tsel: die Gravitation. So gut die Quantenmechanik die Wechselwirkung von Teilchen auf mikroskopischer Ebene erkl?rt, so sehr st?sst sie bei gr?sseren Objekten, die der Schwerkraft unterliegen, an ihre Grenzen. ?Trotz zahlreicher Versuche von Koryph?en wie Albert Einstein, Richard Feynman oder Stephen Hawking gelang es bis heute nicht, die Gravitation quantenphysikalisch zu erkl?ren?, sagt Renato Renner, Professor f¨¹r Theoretische Physik an der ETH Z¨¹rich. In der makroskopischen Welt gilt nach wie vor eine Theorie, die ?hnlich wie die Quantenmechanik seit ¨¹ber 100 Jahren durch zahlreiche Experimente best?tigt wurde: die Allgemeine Relativit?tstheorie Albert Einsteins. Ohne sie w¨¹rden weder unsere GPS-Ger?te noch unsere Uhren genau funktionieren.

Alles in Ordnung im Reich der Physik, k?nnte man meinen. Doch weit gefehlt: Denn die Beschreibung des ganz Kleinen passt nicht zum Bild vom ganz Grossen. ?Die Allgemeine Relativit?tstheorie ist mit den Prinzipien der Quantenmechanik nicht vereinbar?, sagt Renner. Deshalb tr?umen viele Physikerinnen und Physiker seit Jahrzehnten davon, die beiden Theorien zu einem einheitlichen Bild der physikalischen Welt zu vereinen. Bisher vergeblich.

Kr¨¹mmung der Raumzeit

1915 ver?ffentlicht Albert Einstein seine Allgemeine Relativit?tstheorie und bringt damit unser traditionelles Weltbild ins Wanken. Anders als Isaac Newton knapp 200 Jahre vor ihm beschreibt er die Gravitation nicht mehr als Kraft, die von der Masse und der Entfernung zweier Planeten abh?ngt, sondern f¨¹hrt ein neues Konzept in die Physik ein: die Raumzeit. ?Einstein verschmilzt den uns bekannten dreidimensionalen Raum mit der Zeit zu einem vierdimensionalen mathematischen Gebilde. Er erkl?rt die Gravitation geometrisch durch die Kr¨¹mmung der Raumzeit?, sagt ETH-Professor Renner.

Nach diesem Bild erzeugen schwere Objekte wie Planeten Dellen in der Raumzeit. Deren Geometrie wiederum bestimmt, wie sich Objekte darin fortbewegen. Vereinfacht erkl?rt: Die Raumzeit ist wie ein Trampolin, auf dem eine schwere Kugel eine Delle erzeugt. Legt man einen Tennisball an den Rand, rollt er die Kr¨¹mmung hinab auf die schwere Kugel zu. Mit dem Konzept der Raumzeit l?sst sich zum Beispiel erkl?ren, warum Uhren in einem Flugzeug schneller laufen als auf der Erde. Auch die spezielle Bahn, auf der der Planet Merkur um die Sonne kreist, war durch Einsteins Theorie pl?tzlich kein R?tsel mehr.

Die Unsch?rfe der Quantenwelt

Etwa zeitgleich mit Einstein ersch¨¹ttern Physiker wie Werner Heisenberg, Niels Bohr oder Erwin Schr?dinger unser Bild von der Welt im Kleinen. Dort, wo Elektronen, Protonen und andere Elementarteilchen st?ndig in Bewegung sind und sich anziehen und abstossen, herrschen eigene Gesetze. W?hrend wir die Bahnen der Planeten mit Einsteins Formeln so genau berechnen k?nnen, als w¨¹rden sie auf Schienen um die Sonne kreisen, gilt diese Eindeutigkeit f¨¹r die Objekte der Quantenwelt nicht mehr. Im Mikrokosmos der Atome und Teilchen gibt es solche Bahnen nicht, und an die Stelle des Determinismus der klassischen Physik treten probabilistische Aussagen. ?Ein Elektron oder ein Proton kann an mehreren Orten gleichzeitig sein. Erst wenn wir es messen, hat es einen bestimmten Ort. F¨¹r diesen k?nnen wir vorab nur mehr eine Wahrscheinlichkeitsverteilung ermitteln?, erkl?rt ETH-Professorin Anna Soter, die am Institut f¨¹r Teilchenphysik forscht.

Solche Unsch?rfen sind in der Allgemeinen Relativit?tstheorie jedoch nicht vorgesehen. Denn wenn ein Teilchen gleichzeitig an mehreren Orten ist, l?sst sich nicht mehr berechnen, wo es die Delle in der Raumzeit erzeugt. Und dass auch kleinste Objekte die Raumzeit kr¨¹mmen und damit die Gravitation beeinflussen, gilt als unbestritten. Schliesslich haben sie Masse, genau wie gr?ssere Objekte. Da die Erde letztlich aus Teilchen besteht, denken viele Physikerinnen und Physiker, dass die Allgemeine Relativit?tstheorie in die Quantenmechanik integriert werden m¨¹sste. Doch bis heute ist unklar, wie sich die Gravitation aus diesen Teilchen und ihren unscharfen Bewegungen ergeben soll.