Viel Euphorie um ein kleines Higgs

Oder wie wenig wir immer noch von der Quantenwelt verstehen

Samstag, 07. Juli 2012

Symbolbild: sxc.hu

Seit dem 4. Juli 2012 steht die Welt der Wissenschaft Kopf. Das seit über 40 Jahren gesuchte Higgs-Boson – euphorisch „Gottesteilchen“ genannt – scheint endlich gefunden, vermeldet das Kernforschungszentrum CERN in Genf. Damit erhält das lange Zeit als verstaubt betrachtete, jedoch immer wieder neu belebte Standardmodell zur Erklärung der Entstehung des Universums und der darin vorkommenden Materieteilchen und Kräfte neue Bedeutung. Denn das Higgs-Boson, dessen Existenz bis jetzt umstritten war, ist das letzte in einer langen Reihe von Teilchen, mit der das Standardmodell die Bausteine der Materie und deren Wechselwirkungen untereinander beschreibt. Doch ist die Welt damit nun verständlicher geworden? Für die Teilchenphysiker sicher ja. Andere aber fragen sich achselzuckend: Was ändert sich, wenn zu der ironisch als „Teilchenzoo“ bezeichneten Vielfalt, die das Standardmodell braucht, um die Welt auf unendlich komplizierte Weise und nicht einmal vollständig zu erklären, ein weiteres auftaucht? Und – was ist überhaupt ist ein Teilchen?

Lästiger Kobold statt festes Bällchen

Für manche nur Plunder und Quark, so löst der Name doch zumindest unter wissenschaftlich interessierten Menschen die Vorstellung eines kleinen Bällchens aus, als Grundbaustein fester Materie. Doch auch wenn man Teilchen nur anhand ihrer Kollisionen identifizieren kann, sind sie alles andere als solide (hierzu beschleunigt man zwei Teilchenstrahlen magnetisch in gegenläufigen Richtungen und lässt sie dann aufeinanderprallen, wobei sie in weitere Teilchen zerplatzen, die im Detektor typische Signaturen hinterlassen). Ihr Verhalten, das durch die Quantenphysik beschrieben wird, ist sogar recht „unteilchenhaft“ – sagen wir mal, geradezu gespenstisch. Ein Teilchen kann sich demnach wie ein stoßendes Bällchen verhalten, dann wiederum wie eine Welle, die mit anderen interferiert, wobei sie sich dabei gegenseitig aufschaukeln, abschwächen oder sogar auslöschen. Tatsächlich ist es beides gleichzeitig. Je nach Versuchsaufbau ist jedoch immer nur entweder die Welleneigenschaft oder die Teilcheneigenschaft messbar. Dualismus nennt man dies in der Fachsprache, und es gibt kein anschauliches Analogon dafür in der makroskopischen Welt. Eigentlich sind Teilchen Felder in der Raumzeit, die jedoch nur quantisiert, also in diskreten Energiepaketen, vorkommen.

Doch selbst dann, wenn sich das Teilchen gerade wie ein Festkörper verhält, weil wir es mit nur-die-Bällchen-Eigenschaft-messenden Apparaturen beobachten, kann man seine Flugbahn niemals exakt vorausberechnen. Selbst dann nicht, wenn man Ausgangsposition, Flugrichtung und Geschwindigkeit kennt. Es folgt der klassischen Bahn nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit. Stets gibt es eine kleine Restwahrscheinlichkeit, mit der es sich genauso gut an einem x-beliebigen anderen Ort aufhalten könnte - und keiner kann erklären, wie es da hin gekommen ist... 

Kosmisches Würfelspiel

Bevor man also misst, wo sich das Teilchen tatsächlich aufhält, kann man seinen wahrscheinlichen Aufenthaltsort nur in Form von Wahrscheinlichkeitsprozenten angeben – wie bei einem Würfelspiel, wo man weiß, dass die Zahl sechs bei jedem Wurf mit einer Wahrscheinlichkeit von 1:6, also 16,6 Prozent, zu erwarten ist, ohne dass man voraussagen könnte, nach wie vielen Würfen die sechs kommt. Erst wenn man das Teilchen gemessen hat, kann man im Nachhinein sagen, dass es sich an besagtem Ort aufhielt. Die Zukunft eines Teilchens ist also so lange völlig offen, bis eine Messung seinen Zustand – mm also Ort, Geschwindigkeit und andere Eigenschaften – festlegt.
Daraus ergeben sich philosophisch weitreichende Konsequenzen: Denn erst der Beobachter legt durch den Akt der Beobachtung (Messung) fest, dass es das Teilchen in der realen Welt gibt! Davor schwebte es im geisterhaften Nirwana, irgendwo zwischen all seinen wahrscheinlichen Zuständen, die man auch überlagerte, wahrscheinliche Zukünfte nennen kann. Wenn man dies so betrachtet, dann legt Beobachtung die Zukunft fest, mit der Konsequenz, dass diese augenblicklich zur Gegenwart mutiert. Nach der Quantenphysik hat der Beobachter einen entscheidenden Einfluss auf das beobachtete Objekt, mit dem er in Wechselwirkung tritt. Genau diese Eigenschaft brachte Einstein, der an der Entdeckung der Quantenphysik entscheidend mitgewirkt hat, an den Rand der Verzweiflung. „Es scheint hart, dem Herrgott in die Karten zu gucken“, schreibt er am 21. März 1942 in einem Brief an Cornelius Lanczos. „Aber dass er würfelt und sich telepathischer Mittel bedient, kann ich keinen Augenblick glauben.“

Fluch und Segen

Mit der Quantenphysik verschwand die Anschauung aus der Physik – das philosophische Verstehenwollen, das Forscher früher motivierte. Statt dessen wurden theoretische Formelwerke geboren, mit denen man das Verhalten von Teilchen wenigstens einigermaßen zuverlässig berechnen konnte, sodass es heute sogar technische Anwendungen gibt, die auf quantenphysikalischen Effekten beruhen – etwa den Zufallszahlengenerator, den Laser oder den Quantenspeicher. Heutige Wissenschaftler stellen gar nicht mehr den Anspruch, anschaulich verstehen zu wollen, was „tatsächlich“ auf Quantenebene passiert. Zu sehr erinnert sie all dies an Phänomene, die man als Physiker meist aus dem gleichen Grund verdrängt – Telepathie, Teleportation und ähnlich Spukiges, das in der exakten Wissenschaft nichts zu suchen hat.

Gleichzeitig fällt mit den Entdeckungen der Quantenphysik aber auch der Determinismus, der besagt, wenn man alle Formeln kennt, bräuchte man nur hinreichend lange zu rechnen, um den genauen Zustand der Welt in der Zukunft zu erhalten. Daran ändert auch die Entdeckung des Higgs-Bosons nichts. Mit anderen Worten: Die Quantenphysik beweist, dass die Zukunft nicht vorbestimmt ist und lässt damit Raum für den freien Willen, den es in einer deterministischen Welt nicht geben könnte! 

Formelwelt und Teilchenzoo

Eigentlich müssen wir uns fragen, wieso die feste Welt überhaupt nach zuverlässigen Regeln funktioniert, wo alles aus gespenstischen Quanten aufgebaut ist. Doch wo viele Quanten zusammentreffen, verhält sich das Ensemble insgesamt „vernünftig“. So wird es niemals vorkommen, dass ein Stuhl sich urplötzlich in Nichts auflöst, obwohl theoretisch jedes Quant eine gewisse Tendenz hat, die Regeln der klassischen Physik zu verletzten. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies alle gleichzeitig tun, ist jedoch fast Null. Die wenigen ausbrechenden Teilchen hingegen fallen in der makroskopischen Welt gar nicht ins Gewicht. Insgesamt gilt daher: Je größer das Ensemble an Teilchen, desto stärker nähert sich das Formelwerk der Quantenmechanik an die Regeln der klassischen Physik an. Je kleiner hingegen, desto geisterhafter verhält sich der Teilchenhaufen.

Die Mechanik der einzelnen Quanten hingegen kann man nur abstrakt beschreiben, weil auch zukünftige Zustände in die Gleichungen eingehen. Das Formelwerk ist wie eine Blackbox, in die man oben etwas hineingibt, dann an der Raumzeitkurbel dreht und unten ein für die Gegenwart gültiges, sinnvolles Ergebnis ausgeworfen bekommt. Im Inneren verbirgt sich ein Mechanismus, der zwar zuversichtlich funktioniert, verstehen aber tut ihn keiner. Doch wie konstruiert man eine solche Blackbox?

Den mathematischen Mechanismus entwirft und testet man am besten im Experiment. Wenn das errechnete Ergebnis mit dem beobachteten übereinstimmt, ist die Blackbox gut. Andernfalls muss die Formel durch neue Parameter angepasst werden. Diese entsprechen entweder neuen, abstrakten Teilcheneigenschaften – den sogenannten Quantenzahlen –, die Physiker phantasievoll Spin, Farbe, Charme, Wahrheit oder Schönheit usw. nennen, oder neuen Teilchen – Quarks, Gluonen, Bosonen, Fermionen, etc. –, die es dann natürlich auch in irgendeiner Form geben muss. Deswegen sucht man sie – wie das Higgs-Boson – im Experiment zu bestätigen. Erst dann kann man davon ausgehen, dass der Formelsalat in der Blackbox richtig funktioniert.

Higgs – das letzte Zahnrädchen im Getriebe?

Ein solcher Mechanismus ist das schon erwähnte Standardmodell, wofür der Brite Peter Higgs 1964 das Higgs-Boson postulierte. Man braucht es, um zu beschreiben, wie bestimmte Teilchen ihre Masse erwerben. Entgegen vieler Behauptungen ist es jedoch nicht die Ursache für die Masse aller Objekte im Universum. Kritiker werfen dem Standardmodell zudem Unvollständigkeit vor, da es die Gravitationstheorie nicht einbezieht und die Vereinigung der drei Grundkräfte nicht schafft. Obwohl Grundlage der modernen Teilchenphysik, reicht es nicht annähernd aus, um die Welt erschöpfend zu erklären. Die Entdeckung des Higgs führt nur einen kleinen Schritt weiter.

Wieso so kompliziert?

Normalerweise vereinfachen sich die Dinge, wenn man den Beobachtungsrahmen erweitert. In der Quantenphysik ist dies bislang nicht gelungen. Kann die Welt tatsächlich so kompliziert sein, wie das Standardmodell mit seinem Teilchenzoo nahe legt? Hierzu ein Gedankenexperiment als Vergleich: Misst man die Bewegungen der Planeten von der Erde aus, ohne zu wissen, dass sich diese eigentlich um die Sonne drehen, ergeben sich höchst kompliziert zu berechnende Spiralbahnen – nur deswegen, weil wir den falschen Standpunkt haben. So ähnlich könnte es auch in der Quantenphysik sein.

Was würde wohl passieren, wenn man den Rahmen der Physik erweitert? Wenn man die verlorengegangene Anschauung wieder mit einbezieht und sich fragt, wie es kommt, dass sich die Quantenphysik überhaupt so paradox verhält. Betrachtet man das im Vergleich zur klassischen Physik „unbequeme“ Neue daran, springen einem folgende Aspekte ins Auge:

1. Der Akt des Beobachtens (Messens) zieht das beobachtete Quant aus seinen geisterhaft überlagerten, parallelen Zukünften in die physikalische Realität der Gegenwart hinein. Der Beobachter nagelt das Objekt damit in Zeit und Raum fest – er erschafft es sozusagen!

2. Die Tatsache, dass die Quantenphysik kein deterministisches Universum erlaubt, ermöglicht die Existenz des freien Willens. Dies legt nahe, dass Bewusstsein nicht allein das Produkt eines materiellen Gehirns sein kann. Es wäre somit eine eigene Qualität, die aber irgendwie mit Materie wechselwirkt. Die Schnittstelle scheint die Quantenwelt zu sein.

3. Zwischen dem Verhalten der Quanten und parapsychologischen Phänomenen gibt es frappierende Parallelen. Hat das Bewusstsein medial begabter Menschen etwa Zugang zu dem selben „Zukunftsraum“, in dem die noch unbeobachteten Quanten „schweben“?

Alle drei Aspekte bringen das Konzept des Bewusstseins mit ins Spiel. Ruhte das Gebäude der Wissenschaft bisher nur auf den Säulen von Raum und Zeit, könnte hier irgendwo der Ansatz zur Erweiterung des Rahmens liegen. Doch leider schaut die Masse der Physiker genau an dieser Stelle gezielt weg, überlässt ein hochinteressantes Gebiet den Esoterikern, die von Quantenphysik wiederum nichts verstehen und oft haarsträubenden Unsinn hineininterpretieren.

Verbindung zwischen Materie und Bewusstsein? Es darf halt nicht sein, was nicht sein darf. Lieber schießt man mit Kanonen auf Spatzen, äh, Protonen auf Protonen – und was kommt hinten raus? Ein kleines Higgs. Aber immer noch kein bisschen Licht in der spukigen Quantenwelt.

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