Mit der geballten Kraft der Physik

"Wiener Zeitung": Sie referieren heute, Mittwoch, in Wien über die "Grenzen der Physik". Wo liegen die Grenzen für diese universelle Wissenschaft - mit Masse, Energie oder Schwerkraft?

David Gross: Die Grenzen der Physik liegen dort, wo unser Wissen über die physische Welt aufhört. Sie trennen das Bekannte vom Unbekannten wie eine unscharfe Linie - zwischen den Dingen, die wir wissen, all jenem von dem uns bewusst ist, dass wir nichts darüber wissen, und dem, das wir nicht kennen. Ein Teil des wissenschaftlichen Strebens ist, solche Grenzen auszudehnen - ein anderer, bekannte Theorien besser, vertiefter zu verstehen.

Welche Grenzen haben Physiker als Nächstes zu überwinden? Was wissen wir nicht?

Es gibt ein Problem seit Albert Einsteins Relativitätstheorie: Die Quantenmechanik beschreibt die physische Realität und alle Kräfte und Wechselwirkungen, die auf sie einwirken. Nur für die Schwerkraft funktioniert sie nicht.

Worin genau liegt das Problem?

Nach Newton ist Gravitation universell - sie zieht alles an. Somit hat alles, selbst kleinste Teilchen, eine Schwerkraft. Es ist unmöglich, ein Phänomen ohne Schwerkraft zu beschreiben. Wenn also die Quantenmechanik nicht mit ihr konsistent ist, führt das zu Widersprüchen, die einen Theoretiker stören. Manche Physiker sind daher der Ansicht, dass wir eine Quantentheorie der Schwerkraft benötigen. Ich selbst bin jedoch überzeugt, dass wir die Quantemechanik nicht verändern werden, sondern eine größere Theorie benötigen.

Sie treten damit in die Fußstapfen von Albert Einstein, der intensiv nach einer Theorie suchte, die alles erklärt. Warum verfolgen auch Sie einen Ansatz, dessen Lösung Sie vermutlich zu Lebzeiten nicht finden werden?

Eine Theorie für alles hätte Kraft und wäre schön. Physiker fragen außerdem nicht nach dem Warum, sondern danach, was ist. Kann eine Theorie für alles sein? Die Wissenschaft verfolgt seit zwei bis drei Jahrhunderten die Richtung, viele unterschiedliche Phänomene zu vereinen - in der Physik, im Verständnis des Lebens, der Erde und der Entstehung des Universums. Um darauf zurückzukommen: Eine der ersten physikalischen Theorien war Newtons Theorie der Schwerkraft, wonach das gleiche Gesetz für vom Baum fallende Äpfel und für Planeten gilt. Je mehr wir also lernen, desto klarer wird uns, dass die Natur auf der Basis einiger weniger Prinzipien konstruiert ist. Und wenn man diese Prinzipien zusammenführt, kann man immer mehr Beobachtungen immer besser begreifen. Wir wissen heute viel mehr über die Welt und die Wechselwirkungen zwischen Teilchen und Atomkernen als früher, und die Grundlagen der physischen Konstruktionen des Daseins sind verblüffend einfach. Zudem ist diese Art, Physik zu betreiben, enorm erfolgreich. Ob wir je eine Theorie für alles finden, ist zwar immer noch offen, aber es könnte gut sein.

Sie befürworten die Stringtheorie, wonach Materie nicht aus Atomen und noch kleineren Teilchen, sondern aus Linien und Fäden, den Strings, besteht, die wie Saiten einer Gitarre schwingen - allerdings in zehn Dimensionen. Könnte das eine Theorie für alles sein? Oder gibt es ernsthafte Mitbewerber?

Die Stringtheorie ist weniger eine Theorie als ein quantenmechanisch-relativistisches Rahmenwerk. Am Anfang erschien sie revolutionär, weil sie nicht nur die Schwerkraft, sondern auch alle anderen Kräfte erklärt: Sie verbindet Einsteins Gleichungen in einer "stringenten" Version mit der Quantenmechanik. Nun zeigt sich aber, dass die Stringtheorie doch nicht ganz so revolutionär ist wie angenommen. Vermutlich ist sie nicht die finale Theorie, sondern ein wichtiger Schritt zu oder ein Teil eines viel größeren Rahmenwerks, das auch ein neues Licht auf die Quantengravitation und Schwarze Löcher wirft. Zum Beispiel war (der britische Physiker, Anm.) Stephen Hawking der Ansicht, dass Schwarze Löcher Information unwiederbringlich verschlucken. Stringtheoretiker hielten dagegen, dass dem nicht so ist, die Information bleibe erhalten. Hawking zog seine These zurück.

Haben wir heute die technischen Möglichkeiten, derart komplexe Theorien experimentell nachzuweisen?

Wir stehen vor so manchen Problemen - allein schon, wenn wir den exakten Aufbau der Schwerkraft untersuchen wollen. Denn in der Natur ist die Schwerkraft schwach. Um sie zu spüren, müssen sehr viele Atome zusammengeballt einen Planeten ergeben. Wenn die Erde an mir zieht, spüre ich es - die Schwerkraft eines Mitmenschen spüre ich nicht.

Ein Viertel des Universums besteht aus der unsichtbaren Dunklen Materie, ein Objekt der Forschung. Wie leicht ist sie nachzuweisen?

Dunkle Materie ist leichter nachzuweisen als die Gravitation von Teilchen, weil das Universum so viel Dunkle Materie enthält, dass wir ihre Schwerkraft sehr wohl messen können: Wir wissen, wie viel es davon gibt. Das bringt uns zur Regentschaft der Energien: Mit der Energiemenge, die der LHC (Large Hadron Collider im Kernforschungszentrum Cern in Genf, Anm.) erzeugen kann, könnten wir Dunkle Materie herstellen. Das wird wahrscheinlich auch gelingen und die größte Entdeckung des kommenden Jahrzehnts sein.

Anders verhält es sich mit Dunkler Energie. Sie ist kein Rätsel, sondern eine Vorhersage von Einstein. Das Seltsame an ihr ist, dass sie sehr stark konzentriert ist. Auch hier benötigen wir eine gut gestellte wissenschaftliche Frage, damit sich die Lösung irgendwann entblättert. Ebenso verhält es sich mit der Frage, wie alles im Universum begann: Kosmologen messen Gravitationswellen, und die Frage ist immer besser gestellt. Aber ich bin nicht sicher, ob ich die Antwort noch in meinem Leben bekommen werde.

David Gross (75) ist ein US-Physiker und Träger des Nobelpreises für Physik 2004. Der prominente Vertreter der Stringtheorie spricht heute, Mittwoch, Abend, auf Einladung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und des Institute of Science and Technology (IST) Austria im Festsaal der ÖAW in Wien.