Das größte Rätsel der Physik
Vor über hundert Jahren haben zwei großartige Physiker die Grundlagen für unser heutiges modernes Weltbild geschaffen. Max Planck entdeckte das später nach Ihm benannte Wirkungsquantum „h“ und Albert Einstein erkannte, dass auch die Lichtgeschwindigkeit „c“ eine universelle und unveränderliche Naturkonstante ist.
Aufbauend auf diesen beiden fundamentalen Konstanten der Natur haben sich in der Folgezeit zwei ganz neue Felder innerhalb der Physik herausgebildet. Auf der einen Seite die Quantenphysik – begründet von Max Planck am 14. Dezember 1900. Sie basiert im Wesentlichen auf dem von ihm neu eingeführten Quantum der Wirkung. Dem gegenüber stehen die zwei Relativitätstheorien von Albert Einstein aus den Jahren 1905 und 1915. Diese beruhen in erster Linie auf der Annahme, dass die Lichtgeschwindigkeit eine Konstante ist, die in allen Bezugssystemenden stets den gleichen Wert “c” hat. Neben den unendlich vielen physikalischen und technischen Anwendungsmöglichkeiten, die sich aus diesen Überlegungen eröffnen, bilden die Theorien von Planck und Einstein vor allem aber die elementaren Grundlagen für die beiden großen derzeit verwendeten Modelle, nämlich das “Standardmodell der Teilchenphysik” und das erfolgreiche “Standardmodell der Kosmologie”. Die Quantenphysik und die Relativitätstheorien sowie die daraus hervorgegangenen Standardmodelle sind bis heute die tragenden Säulen unseres modernen Weltbildes.
Zum großen Leidwesen der Physiker gehen diese beiden außerordentlich erfolgreichen Theorien innerhalb der Physik schon seit ihrer „Geburt“ streng getrennte Wege. Sie scheinen einander vollkommen fremd zu sein und zwei ganz verschiedene Welten zu beschreiben. Da sie sich in einigen Bereichen mit ihren Vorhersagen sogar widersprechen, überrascht es nicht, dass sie unter den gegebenen Umständen nicht miteinander vereinigt werden können. Das gilt aber nur für den speziellen Fall, dass man ausschließlich die allgemein anerkannten Konventionen bezüglich der Dimensionen von Raum und Zeit – nämlich 3+1 – als Basis für sämtliche Überlegungen zugrunde legt. Und solange man an diesen gut etablierten und vermeintlich bestens bewährten Konventionen unverändert festhält, wird es zwangsläufig bei diesen Widersprüchen bleiben müssen, und damit natürlich auch bei der grundsätzlichen Unvereinbarkeit der beiden großen Theorien. Denn schon immer galt – und so gilt auch hier:
„Probleme kann man niemals mit der selben Denkweise lösen,
durch die sie entstanden sind!“
Albert Einstein (1879 – 1955)
Um den Weg für die Vereinigung dieser beiden großen Theorien frei zu machen, ist es daher erforderlich, die Paradigmen, sprich unsere derzeit gültigen, und allgemein anerkannten Konventionen kritisch zu hinterfragen. Genau wie die wissenschaftlichen Erkenntnisse selbst müssen auch die ihnen zugrunde liegenden Annahmen regelmäßig überprüft und, falls erforderlich, an die ständig sich verändernde Situation mit immer besser werdenden Beobachtungsdaten angepasst werden. Und darum ist es jetzt an der Zeit, ein Jahrtausende altes, vermutlich schon seit Menschengedenken bestehendes Ungleichgewicht zwischen den Dimensionen Zeit und Raum erstmals als solches zu erkennen und zu überwinden. Denn nur so kann die sehr unschöne und vielen physikalischen Zusammenhängen zuwiderlaufende Asymmetrie zwischen Raum und Zeit ein für alle Mal aus der Welt geschafft werden. Neuen und großen wissenschaftlichen Erkenntnissen im Wege steht nämlich einzig und allein die von uns Menschen intuitiv erfasste und sehr weit verbreitete – eigentlich aber schon lange überholte – Newtonsche Vorstellung von Raum und Zeit. Wir gehen ja bis heute noch immer unbeirrt davon aus, dass ein unbewegter “dreidimensionaler Raum” wie eine unveränderliche, statische Bühne von einer „eindimensionalen Zeit“ gleichmäßig und unaufhaltsam „durchströmt“ wird. Anders als der Raum spielt die Zeit in unserer Vorstellung also eine aktive, Regie-führende Rolle, indem sie alle Ereignisse und Vorgänge in ihrer Reihenfolge und der Richtung ihres Ablaufs sinnvoll ordnet und dabei strengstens über die Einhaltung der Kausalität wacht.
Genau diese “Bühne” ist es doch, auf der wir tagtäglich unsere Rollen spielen. Ein nur allzu vertrautes Szenario, das sich uns als die einzig mögliche Realität empfiehlt, weil es Raum und Zeit in einen sinnvoll erscheinenden Zusammenhang bringt und damit für unseren menschlichen Verstand erst begreifbar macht. Diese einfache Vorstellung haben wir aber nur deshalb so tief verinnerlicht, weil sie uns schon von frühester Kindheit an begleitet. Im Laufe der Jahre verfestigt sie sich mehr und mehr in unserem Bewusstsein, sodass sie irgendwann dauerhaft und untilgbar in unserer Denkstruktur verwurzelt ist. Und weil diese Annahmen durch unsere alltäglichen Beobachtungen immer wieder bestätigt werden, verwundert es nicht, dass sie – jedenfalls bisher – noch nie wirklich ernsthaft in Frage gestellt worden sind. Wenn eine bestimmte Annahme allein aufgrund Jahrhunderte langer Beobachtung als richtig und allgemein gültig angesehen wird und wir sie deshalb nicht hinterfragen, heißt das aber noch lange nicht, dass diese Annahme auch tatsächlich und objektiv richtig ist. Dafür ein einfaches Beispiel: Seit jeher haben die Menschen angenommen, dass die Erde ruht und die Sonne sich bewegt, weil es ja genau das ist, was sie jeden Tag beobachtet haben. Heute beobachten wir noch immer genau das selbe wie unsere Vorfahren schon viele tausend Jahre vor uns. Und doch wissen wir, dass die Sonne ruht und die Erde sich bewegt. Es gilt heute also genau das Gegenteil von dem, was früher einmal galt. Und der einzige Grund dafür ist, dass wir exakt dieselbe Situation heute aus einer anderen Perspektive sehen, als unsere Vorfahren es damals getan haben. Dennoch sollten wir nicht der Versuchung erliegen, zu glauben, dass gerade wir es sind, die jetzt die richtige und endgültige Version der Wirklichkeit kennen. Denn auch unser heutiger Kenntnisstand ist natürlich nur “der aktuelle Stand des Wissens“ und ganz bestimmt nicht der Weisheit letzter Schluss…
„Die Wissenschaft ist gezwungen, ihre Irrtümer laufend zu korrigieren.
Der aktuelle Stand des Wissens ist daher nichts anderes,
als der Stand der neuesten Irrtümer!“
Waltraud Puzicha (1925 – 2013)
Die “zeitlosen Einsichten” von Waltraud Puzicha und Albert Einstein gelten aber nicht nur für die Summe unserer bisherigen wissenschaftlichen Erkenntnisse und alle aktuell noch ungelösten Fragen und Probleme. Sie gelten auch und sogar in ganz besonderem Maße für die derzeit gültigen Paradigmen, also die von allen Wissenschaftlern stillschweigend als selbstverständlich und richtig angesehenen Konventionen z.B. über die Natur von Raum und Zeit. In jeder Epoche liegen bestimmte, allgemein anerkannte Paradigmen den wissenschaftlichen Erkenntnissen als ganz wesentliche Voraussetzungen zugrunde. Verändert man diese Voraussetzungen, so verändern sich schlagartig auch die Erkenntnisse, die auf Basis dieser Annahmen gewonnen wurden. Das kann sogar soweit gehen, dass nach einem solchen “Paradigmen-Wechsel” genau das Gegenteil von dem Gültigkeit hat, was noch kurz zuvor – oft über viele Jahrhunderte unangefochten als richtig angesehen wurde. Wichtig zu erwähnen ist hierbei, dass die Beobachtungsdaten, aus denen die wissenschaftlichen Erkenntnisse abgeleitet werden, sich bei so einem “Übergang” nicht im Geringsten verändern. Es verändert sich allein die Perspektive, also die Art und Weise, wie diese Beobachtungen gedeutet werden. Ein sehr anschauliches Beispiel für so einen grundlegenden Paradigmenwechsel ist die “Kopernikanische Wende”, also der Übergang vom “Geozentrischen” zum “Heliozentrischen” Weltbild. Auch hier sind die umfangreichen, zum Teil sogar sehr präzisen Beobachtungsdaten über die Planetenbahnen in unserem Sonnensystem allesamt absolut unverändert erhalten geblieben und doch drehte sich plötzlich nicht mehr die Sonne um die Erde, sondern die Erde um die Sonne.
„Wenn Sie die Art und Weise ändern, wie Sie die Dinge betrachten,
ändern sich die Dinge, die Sie betrachten.“
Max Planck (1858 – 1947)
Und so ein grundlegender Paradigmenwechsel steht nun wieder unmittelbar bevor. Vielleicht sogar der größte und bedeutendste, der in der Geschichte der Naturwissenschaften jemals stattgefunden hat. Schließlich ist es kein Geheimnis, dass sich über die letzten einhundert Jahre nach und nach immer mehr Beobachtungen und experimentelle Befunde angesammelt haben, die auf Grundlage der derzeit gültigen Konventionen nicht mehr zufriedenstellend und widerspruchsfrei erklärt werden können. Im Verlauf der letzten 30 Jahre hat sich die Situation mit unerklärbaren Phänomenen und widersprüchlichen Erkenntnissen sogar noch erheblich verschlimmert. Bereits heute ist absehbar, dass die Ratlosigkeit unter den Wissenschaftlern, nicht zuletzt durch die überraschenden Beobachtungen aus dem James-Webb-Space-Telescope schon bald einen historischen Höchststand erreichen wird. Und schließlich wird dieses großartige Teleskop mit seinen brillanten, gestochen scharfen Bildern aus den Tiefen unseres Universums unsere derzeit gültigen Weltmodelle zum Einsturz bringen. Denn durch die vielen neuen Erkenntnisse, die man aus den unerwarteten Beobachtungsdaten ableiten kann, werden diesen Modellen und ihren Verfechtern nach und nach ganz wesentliche Teile ihrer Grundannahmen abhanden kommen. Mehr und mehr tragende Elemente, die diese Konstruktion über viele Jahrzehnte gestützt und immer wieder eindrucksvoll bestätigt haben, stellen sich am Ende als nutzlose Attrappen heraus. Das geht aber nur noch so lange gut, bis schließlich irgendwann die Statik dieser Bauwerke unter der zunehmenden Last von Widersprüchen und Ungereimtheiten endgültig nachgibt. Die turmartig in den Himmel ragenden Weltmodelle, welche über die letzten fast einhundert Jahre errichtet und überzeugend verteidigt worden sind, werden dann krachend und restlos in sich zusammenfallen. Und wer dabei jetzt denkt: “Oh mein Gott – das ist ja eine absolute Katastrophe” der hat ganz offensichtlich nicht verstanden, wie wissenschaftlicher Fortschritt seit jeher von statten geht.
“Für jede physikalische Theorie kommt irgendwann der Tag der Wahrheit,
für die meisten schon kurz nach Ihrer Entstehung.”
Albert Einstein (1879 – 1955)
Aus wissenschaftlicher Sicht ist es nämlich alles andere als eine Katastrophe, sondern vielmehr eine glückliche Fügung, oder besser gesagt, ein ganz normaler Vorgang, wenn ein altes, ausgedientes Modell endgültig “seinen Geist aufgibt” und damit den Weg frei macht, für etwas grundlegend Neues. Nur wenn wir den Mut haben, alte marode Modelle zu verwerfen, kann auf einer grundlegend neuen Basis und mit Hilfe der neu gewonnenen Erkenntnisse ein ganz neues Weltbild entstehen. Dieses schlichte und einfache Modell wird die Natur dann umfassend und widerspruchsfrei beschreiben können, besser als je ein Modell zuvor. Für die Wissenschaftler eröffnen sich – gerade in Zeiten solch fundamentaler Krisen, wie wir sie gerade erleben – viele neue, ungeahnte Möglichkeiten und vor allem die ganz große Chance, den entscheidenden Schritt voranzukommen auf dem Weg zum Verständnis der Welt.
Maßgeblich für die Stabilität und die Dauerhaftigkeit eines Gebäudes ist ganz wesentlich die Tragfähigkeit des Fundaments, auf dem es steht. Und genauso verhält es sich auch mit den physikalischen Theorien. Nur wenn das Fundament aus seinen Annahmen auf der untersten Ebene der philosophischen Begriffe stabil und dauerhaft gegründet ist, kann ein darauf errichtetes Modell oder eine physikalische Theorie langfristig bestehen bleiben, im besten Fall solange, wie das Fundament selbst. Idealerweise erfolgt der Aufbau eines neuen Weltmodells auf einem grundsoliden Fundament. Dieses sollte noch breiter angelegt und tiefer gründet sein als jenes, das uns Albert Einstein vor weit über einhundert Jahren vorgelegt hat. Sehr zu wünschen wäre es außerdem, dass wir uns in der aktuellen Krise, vor allem aber beim Aufbau eines neuen Weltbildes an die zahlreichen Vorhersagen und die eindringlichen Mahnungen erinnern werden, die uns Albert Einstein noch zu seinen Lebzeiten mit auf den Weg gegeben hat. Eine seiner letzten “Botschaften” – möglicherweise die wichtigste von allen – gerichtet an seine Physiker-Kollegen nur vier Wochen vor seinem Tod, war diese:
“Für uns gläubige Physiker hat die Scheidung zwischen Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft
nur die Bedeutung einer – wenn auch hartnäckigen – Illusion!”
Albert Einstein (im März 1955)
Mit dieser geheimnisvollen Aussage stellt er allen Ernstes den Verlauf der Zeit in Frage, also um Nichts weniger, als ihre vergängliche Natur, das eigentliche und ureigenste Wesen der Zeit. Die Pflicht des Raumes ist “zu sein”. Die Aufgabe der Zeit aber ist es “zu vergehen”. Würde sie nicht vergehen, hätte sie ihren Sinn und damit ihre Existenzberechtigung verloren. Und genau diese Eigenschaft der Zeit – ihre Vergänglichkeit – die doch ihr eigentliches Wesen ausmacht, durch die sie ja erst vom Raum unterscheidbar wird, diese Eigenschaft soll der Zeit nun abgesprochen werden. Die Zeit vergeht nicht !? Diese Aussage muss uns erst einmal vollkommen absurd und unsinnig erscheinen. Widerspricht sie doch unser aller Lebenserfahrung und auch jeglicher Intuition und jeder Logik. Und doch wird sich diese Erkenntnis schon bald als der grundlegende Schlüssel zur Lösung der meisten heute noch ungeklärten Fragen und Rätsel im Herzen der Physik herauskristallisieren. Denn das Problem sind gar nicht die widersprüchlichen Theorien oder die vielen unerklärbaren Beobachtungen. Das eigentliche Problem ist vielmehr unsere grundlegend falsche Vorstellung vom Wesen der Zeit. Damit wir in den großen Fragen der Physik den alles entscheidenden Schritt nach vorne machen können, ist es unbedingt erforderlich, erst einmal das eigentliche Wesen oder die wahre Natur der Zeit zu erkennen. Denn die Zeit ist nicht das, was wir bisher angenommen haben – schon seit tausenden von Jahren – wohl schon seit Menschengedenken.
Die Zeit vergeht nicht – die Zeit ist!
Die Zeit ist vielmehr über die Konstante “c” fest und unzertrennlich mit dem Raum verwoben und zwar in allen drei Dimensionen. Denn die Zeit hat – so wie der Raum auch – drei Dimensionen. Die beiden Partner – Raum und Zeit – spannen gemeinsam eine symmetrische “sechsdimensionale Raumzeit” (3+3) – oder kurz c³ – auf. Und die große Herausforderung wird es nun sein, den uns umgebenden Raum und die damit fest verbundene Zeit als zwei absolut gleichwertige, gleichberechtigte und vollkommen symmetrisch angeordnete Partner anzuerkennen. Denn die früheren, seinerzeit noch wesensfremden “Komplementäre” Raum und Zeit treten in dieser symmetrischen Raumzeit in jeder Hinsicht als gleichberechtigte Partner auf. Sie verhalten sich in allen Situationen, zu jeder Zeit an jeder Stelle gleich und müssen daher auch vollkommen gleich behandelt werden. Wie die von Albert Einstein angedeutete “Illusion vom Verlauf der Zeit” entsteht, darauf werden wir später noch zu sprechen kommen. Doch fassen wir zunächst einmal das bisher schon gesagte kurz zusammen:
Die Zeit vergeht nicht
Die Zeit hat drei Dimensionen
Die Zeit ist in allen drei Dimensionen
unzertrennbar mit dem Raum verbunden
Diese drei Annahmen führen uns unweigerlich zu der Erkenntnis, dass es gar keinen Unterschied mehr gibt zwischen den Dimensionen Raum und Zeit. Die beiden uns so verschieden erscheinenden Entitäten sind letztlich also ein und dasselbe. Schon seit jeher streben die großen Denker hin zur Einheit, also nach der Vereinigung von verschieden scheinenden Begriffen und Erscheinungen. In der Zeit des antiken Griechenlands, spätestens aber seit Aristoteles und Platon forschten die Gelehrten danach, den “Urgrund allen Seins” zu finden. Gemeint ist die Substanz, aus der alles besteht was uns umgibt, was wir mit unseren Sinnen wahrnehmen und physikalisch messen können. Auf dieses Ziel hin ist der Weg ausgerichtet, den die Philosophen damals eingeschlagen haben. Und diesen Weg gehen wir noch immer aus voller Überzeugung, bis zum heutigen Tag! Er führt durch stetige Reduktion stufenweise zu einer Vereinigung von zunächst vollkommen verschieden erscheinenden Phänomenen. Vereint werden dabei aber nicht nur die beobachtbaren, physikalisch messbaren Phänomene, sondern mit ihnen auch die ihnen zugrunde liegenden Begriffe. Ein sehr schönes Beispiel dafür ist die von Albert Einstein vollzogene Vereinigung von Energie und Masse. Mit seiner weltberühmten Formel E = M c² ist es ihm gelungen, die beiden, damals noch vollkommen wesensfremd und zusammenhanglos existierenden Begriffe Masse und Energie auf einen gemeinsamen Ursprung zurückzuführen. Je länger wir diesen “Weg hin zur Einheit” verfolgen und je mehr verschiedene Begriffe zusammengeführt werden können, umso weniger einander wesensfremde Erscheinungen sollte es am Ende geben. Und schließlich müssten wir – sofern dieser Weg wirklich zielführend ist – dann irgendwann auf den Urgrund des Seins und damit auf das eigentliche Wesen aller Dinge stoßen. Das jedenfalls war und ist seit jeher die große Hoffnung der Physiker und Philosophen und gleichwohl auch die grundlegendste Motivation für ihr inniges Streben.
Fortsetzung folgt….
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