Verschränkte Raumzeit

Der Endpunkt menschlicher Erkenntnis ist absehbar, wenn auch nicht genau zu terminieren – das jedenfalls sagte mir der theoretische Physiker Nathan Seiberg von der Princeton University. Die Feststellung fand ich zuerst einmal überraschend – und vielleicht sogar etwas arrogant, denn ich unterstellte gleich, dass damit gemeint war, der Mensch könne zu absoluter Erkenntnis über das Universum und seine eigene Existenz kommen. Thesen solcher Art halte ich nämlich für eine ziemlich anthropozentrisch geprägte Anmaßung. Aber nach der ersten Konfrontation mit einer derartigen Aussage fand ich, dass die Begründung von Nathan Seiberg schlüssig und auch anders zu interpretieren ist. Denn er meint damit: Sind wir erst einmal zu einer theoretisch fundierten und experimentell bestätigten Quantengravitation gekommen, haben wir also die Raumzeit quantenphysikalisch erfasst und ihre Konsequenzen ausgearbeitet, dann „ist es das“: Dann haben wir die grundlegende Struktur dessen erreicht, was wir verstehen können.

Nathan Seiberg
Nathan Seiberg beim Interview mit HYPERRAUM.TV

Man möge diese Aussage etwas genauer analysieren. Sie ist nicht gleichbedeutend damit, dass der Mensch die fundamentale Grundlage dessen erkennt, wie die Welt tatsächlich „ist“, sondern vielmehr nur das Regelwerk dessen, was er selbst über sich und die Welt um ihn herum erkennen kann. Denn wenn der makroskopisch in Raum und Zeit gefangene Mensch die kleinste für ihn messbare Einheit erreicht hat, in der diese ihn definierenden Größen von Raum und Zeit sinnlos werden, dann ist für ihn tatsächlich die endgültige Grenze der Erkenntnis erreicht. Faktisch wird das noch einige Zeit dauern. Natürlich will sich Seiberg nicht auf eine Prognose einlassen, wann wir dahin kommen könnten, aber immerhin deutet er am Ende meiner Reportage an, welche Dimension er für realistisch hält: Er spricht von einem Zeitraum einiger Jahrhunderte. Wir alle werden es also – trotz immer weiter fortschreitender lebenserhaltender Medizin – nicht mehr erleben. Ich persönlich finde das gut; die Vorstellung, in einer gänzlich „aufgeklärten“ Welt zu leben, in der die große Frage nach der letzten Erkenntnis nicht mehr offen ist, erscheint mir nicht als sonderlich attraktiv.

Die Anfänge dieser wissenschaftlichen Entwicklung sind bereits zu sehen. Die Quantenphysik hat in den kleinsten Dimensionen diesen „Urgrund“ schon erreicht und kann uns einen gewissen Ausschnitt der Welt in letzter Instanz theoretisch untermauern. Mehr noch: Die Experimentatoren können die Theorie auch faktisch beweisen, denn Quantenphysiker messen Teilchen, die sich scheinbar „zeit- und raumlos“ verschränken können. In dieser Welt ist die Physik schon an ihre Grenze gestoßen. Noch aber müssen wir darin die Vorgänge in den großen Dimensionen integrieren. Die Welt bis hinaus zur universellen Gravitation und der Expansion des Alls. Die Forscher sprechen von der Quantengravitation, zu der sie kommen wollen. Soweit ist es noch nicht. Die Quantenfeldtheorie rechnet uns aber bereits vor, dass es am Beginn der elektromagnetischen Strahlung – 380.000 Jahre nach dem Urknall – zu Quantenfluktuationen kam, die zu deutlichen Verteilungsunterschieden der kosmischen Materie geführt haben müssen. Diese bedingen nicht nur bis heute die großräumige Struktur des sich immer weiter ausbreitenden Universums. Sie sind für uns selbst jetzt noch messbar: als sogenannte Hintergrundstrahlung, die den expandierenden Kosmos immer noch erfüllt. Heute ist diese extrem schwache Strahlung auf nur noch drei Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt und kann deshalb nur mit hochsensitiven Instrumenten außerhalb der Erdatmosphäre gemessen werden – wie zuletzt an Bord des Satelliten „Planck“. Nach den ersten Messungen vor etlichen Jahrzehnten schien diese Reststrahlung des Urknalls noch gänzlich isotrop, also gleichverteilt im All, heute wissen wir, dass sie deutliche Strukturen zeigt, eben jene, die uns die Quantenfeldtheorie erklären kann.
Himmelsatlas Hintergrundstrahlung
Himmelsatlas Hintergrundstrahlung, aufgenommen vom Satelliten „Planck“ © Foto: ESA

Die Quantenfeldtheorie ist der erste große Meilenstein. Sie gibt wissenschaftlich begründbaren Anlass, die große, ganze Theorie einer künftigen Quantengravitation an zu visieren, die die Allgemeine Relativitätstheorie auf der Quantenebene holt. Ihr größtes Problem sieht Seiberg darin, dass es derzeit keine Möglichkeit gibt, solche weit führenden Berechnungen der Stringtheoretiker experimentell zu überprüfen. Am besten jedenfalls gelingt es dort, wo – wie Seiberg sagt – beide Welten gleichbedeutend sind, dort, wo auf kleinstem Maßstab im universalen Raum extreme Masse zu finden und experimentell zu messen ist, also beispielsweise am Anfang des Universums vor rund 14 Milliarden Jahren oder auch heute bei Supernova-Explosionen und Schwarzen Löchern.

Manche Stringtheoretiker vertiefen sich heute sogar noch konsequenter in die Erkenntnisse der Allgemeinen Relativitätstheorie. Einer von ihnen ist Leonard Susskind, der zusammen mit seinem Kollegen Juan Maldacena an der Princeton University der Frage nachgeht, ob die Verschränkung von QuantenBits und die Wurmlöcher der Allgemeinen Relativitätstheorie einen physikalischen Zusammenhang haben. Die quantenphysikalische Verschränkung von Teilchen kann heute im Labor messtechnisch nachgewiesen werden. Was jedoch in Schwarzen Löchern „los ist“ – und ob es im Universum Wurmlöcher, jenen Sonderfall gänzlich materieloser Schwarzer Löcher, überhaupt gibt, kann heute experimentell nicht nachgewiesen werden. Wurmlöcher sind derzeit ein rein theoretisches, weil gänzlich materieloses „Etwas“ reiner Raumzeit-Geometrie. Aber klar ist auch: In der quantenphysikalischen Verschränkung von Teilchen wie in den materielosen Wurmlöchern haben die den Menschen definierenden Größen von Raum und Zeit ihre Bedeutung verloren. Nur ein Zufall? Maldacena und Susskind sagen: nein – Verschränkung und Wurmlöcher sind wie zwei Seiten der gleichen Medaille! Mehr dazu ist im aktuellen Heft von „Spektrum der Wissenschaft“ in Juan Maldacenas Beitrag „Verschränkte Schwarze Löcher“ nachzulesen. Immerhin setzt dieses Konzept Quantenphysik und Gravitation in eine plausible, wenn auch vorläufig nur rein theoretisch berechenbare Beziehung. Und es ist nicht die einzige Idee, wie das Seiberg nennt. Andere Stringtheoretiker verfolgen abweichende Konzepte. Der Weg der Wissenschaft zur Quantengravitation ist noch lang, aber für Seiberg ist dennoch klar, dass die Wissenschaft die Fragen um die Quantengravitation irgendwann einmal beantworten können wird. Welches Modell wird am Ende dasjenige sein, das den Menschen zu letztem Erkenntnisgewinn führen wird?

Und was kommt dann? …

Das drei-minütige Teaser-Video für „Spektrum der Wissenschaft“ zum Thema gibt es hier:

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Ich habe viele Jahre journalistisch im Bereich Wissenschaft und Technologie gearbeitet, später dann mit meiner kleinen Beratungsfirma als Medienexpertin. 2010 erfüllte ich mir meinen großen Traum und gründete den Spartensender HYPERRAUM.TV, für den ich eine medienrechtliche Rundfunklizenz erteilt bekam. Seither mache ich als One-Woman-Show mit meinem „alternativen TV-Sender“ gewollt nicht massentaugliches Fernseh-Programm. Als gelernte Wissenschaftshistorikern habe ich mich gänzlich der Zukunft verschrieben: Denn die Vergangenheit können wir nur erkennen, die Zukunft aber ist für uns gestaltbar. Wir sollten versuchen, nicht blind in sie hinein zu stolpern!

11 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. In jedem Jahrhundert wurde behauptet, die Physik hätte die Grenze der Erkenntnis erreicht . Die Verschränkung der Lichtquanten zum allgemeingültigen Konzept der Natur zu erklären, ist etwas voreilig.
    Hier wird von Schwarzen Löchern geredet, als ob das Fakt sei. So ist das nicht. Schwarze Löcher sind nur Teil einer Theorie, bewiesen sind sie nicht.
    Mit Wurmlöchern betreten wir den Raum der Phantasie.

  2. Gute Darstellung der Landschaft der letzten Fragen der Physik, die zugleich die Landschaft der letzten Fragen der Kosmologie ist. Der Interviewpartner macht deutlich, dass ein experimenteller Zugang zu Dingen, die diesen dort geltenden tiefsten Gesetzen unterliegen, einen Vorstoss zu Bedingungen wie sie in schwarzen Löchern oder kurz nach dem Urknall herrschen, nötig macht. Mit heutiger Technologie wäre ein Instrument, welches uns Zugang zu dieser Welt verschaffen könnte, ein Large Hadron Collider kosmischen Ausmasses. Und wer weiss, vielleicht entdecken wir ja die erste extraterrestrische Zivilisation über von ihr geschaffene Artefakte solch gigantischen Ausmasses. Einen alternativen Zugang zu den Orten wo diese letzten Gesetze gelten, könnten kosmologische Beobachtungen bieten. Ein bekannter Stringtheoretiker hoffte darauf, dass wir irgendwann einen primordialen String kosmischen Ausmasses über den Himmel wandern sehen. Mit grösster Wahrscheinlichkeit wird aber beides nicht passieren. Das bedeutet dann, dass wir über die letzten Gesetze nur spekulieren können wie wir das jetzt schon mit der Stringtheorie tun. Mit anderen Worten, anstatt in zwei bis drei Jahrhunderten zu den letzten Gesetzen vorzustossen, könnten wir auch nie dazu vorstossen. Ich vermute auch, dass die Kenntnisse der letzten Gesetze keine technologischen Auswirkungen haben wird. Ehrlich gesagt erwarte ich keinen zukünftigen nach stringtheoretischen Erkenntnissen funktionierenden Kühlschrank oder auch nur eine String-Quantencomputer. Die Physik, welche die Grundlage unsere Technologie bildet, die wurde alle schon entdeckt. Und sie reicht nicht nur aus um Kühlschränke zu bauen, sondern sie reicht auch aus um Quantencomputer zu bauen oder unsere Milchstrasse zu besiedeln.

  3. Martin Holzherr,
    Ihre Meinung zu Physik und technik klingt optimistisch. Und Recht haben Sie. Wer hätte vor 150 Jahren an Kernkraft gedacht? wer hätte vor 50 Jahren an Handys gedacht, wer hätte vor 5 Jahren an Donald Trump gedacht (kleiner Spaß) ?
    Die Entwicklung der Technik und die Entdeckungen in der Physik lassen sich nicht voraussagen. Die Wirklichkeit übersteigt die Phantasie.
    Und die Zukunft hat erst begonnen.

    • Optimismus wird zu Realismus, wenn die Zukunft offen bleibt. Jede biologische Art und jede Zivilisation ist der Versuch der Etablierung einer Ordnung – einer Ordnung die neben anderen Ordnungen existiert. Die grösste Gefahr für die Menschheit ist, dass sie sich die Optionen für die Zukunft verbauen könnte, indem sie nur noch konforme Entwicklungen zulässt oder indem sie existenziellen, selbst verantworteten Risiken zum Opfer fällt. Vielleicht müssen wirksam wirklich zur multiplanetaren Spezies werden um den Gefahren zu entgehen, die von uns selbst ausgehen.

  4. Martin Holzherr,
    ……multiplanetare Spezies,
    die Chancen stehen gut, dass es so kommt. Die Siencefiction Industrie wird sich noch wundern.

    Mal sehen, wie Donald Trump zur Raumfahrt steht.

  5. Noch eine Anmerkung zum letzten Video über die Vereinigung von Quantentheorie und Gravitation. Es stimmt, dass diese Vereingung mit der Quantenfeldtheorie (und dem Standardmodell) nicht gelingt. In der Stringtheorie jedoch lässt sich die Gravitation ohne weiteres integrieren, wie man der Website Space time and string theory entnehmen kann. Die Stringtheorie wäre ein Vereinheitlichungskandidat. Leider aber gibt es keine bekannten Phänomene, die nur mit der Stringtheorie erklärt werden können, womit diese Theorie Spekulation bleibt. Ohne Experimente bleibt eine Theorie eine Hypothese, selbst wenn noch so viel für sie spricht.

    • Kurz noch folgende Info: Klar kann die Stringtheorie im Kontext von Schwarzen Löchern oder gar Wurmlöchern nicht experimentell nachgewiesen werden. Aber soweit ich Seiberg und Maldacena verstanden habe, ist die Stringtheorie als solche im Rahmen der Teilchenphysik als „bewiesen“ anzusehen.

      Für alle, die sich für Stringtheorie und Raumzeit interessieren, hier der Link zu Maldacenas Vortrags auf der Strings 2015, aus dem ich in der Sendung auch Auszüge zeige. Den finde ich recht kurzweilig und – soweit meine intellektuellen Fähigkeiten reichen – auch einigermaßen nachvollziehbar hinsichtlich seiner Herleitung von Stringtheorie und Raumzeit. Alles derzeit unbeweisbare Theorie, aber man muss ja irgendwo anfangen … Auch Wissenschaftler sollten, finde ich, das „Grundrecht“ auf Fehlertoleranz haben!

      • Ich stimme zu, dass die Stringtheorien kompatibel mit dem heutigen Wissen sind und dass sie zudem überraschende Zusammenhänge herstellen. „Bewiesen“ sind sie damit ungefähr gleich stark wie die allgemeine Relativitätstheorie am 25.11.1915, als Einstein seine Theorie der preussischen Akademie der Wissenschaften vortrug. Doch seither gab es unzählige Beobachtungen bis hin zum kürzlichen Nachweis von Gravitationswellen, die die allgemeine Relativitätstheorie immer bestätigten, aber nie widerlegten. Dasselbe kann man von den Stringtheorien (es gibt eine ganze Landschaft von Strintheorien) nicht sagen.
        Letzlich geht es hier um die tiefere Frage Was bestätigt eine physikalische Theorie? wo Richard Dawid vom Münchner Zentrum für mathematische Philosophie zuerst einmal feststellt, dass alle fundamentalen physikalischen Theorien der letzten 40 Jahre empirisch nicht bestätigt werden konnten. Das Wort „empirisch“ ist hier das Entscheidende. Es bedeutet, dass es Beobachtungen oder gar Experimente gibt ( oder eben nicht gibt ), die mit der Theorie auf dem Prüfstand besser erklärt werden können als mit allem bekannten.
        Die Stringtheorien sind empirisch nicht bestätigt. Trotzdem haben die Stringtheorien Qualitäten, die ein gewisses oder gar hohes Vertrauen in sie rechtfertigen. Zu diesen Qualitäten gehören:
        NAA: No Alternative Argument (Quantengravitation kann (heute) nur mit der Stringtheorie physikalisch konsistent erklärt werden)
        MIA: Meta-Inductive Inference : Es können korrekte Schlüsse gezogen werden
        UEA: unexpected explanatory interconnections: Mit der String Theorie können Dinge erklärt werden, für die die String Theorie aber gar nicht entwickelt wurde. Sie hat also eine unerwartet grosse Erklärungsmacht.

      • Zustimmung zu: Zitat:

        Auch Wissenschaftler sollten, finde ich, das „Grundrecht“ auf Fehlertoleranz haben

        Wissenschaft tastet sich vor. Es gibt heute eine Gruppe von String-Theorie Kritikern rund um Leute wie Lee Smolin und Peter Woit, die der String-Theorie nicht etwa vorwerfen, etwas falsches zu sagen, sondern sie werfen ihr vor, Dinge zu sagen, die nie überprüfbar sein werden. Peter Woit hat für diese Art der String-Theorie-Kritik den Slogan geschaffen: „Not Even Wrong“ (Der Titel (es ist auch ein Buch) ist einer abschätzigen Bemerkung von Wolfgang Pauli für Theorien entlehnt, die nicht einmal falsch sind (da nicht überprüfbar)).

        Es gibt innerhalb der Physikergemeinde jedenfalls Auseinandersetzungen, ob dermassen viel Geld und Anstrengung in eine kaum empirisch überprüfbare Theorie wie die Stringtheorie gesteckt werden soll. Juri Milner hat viele Millionen an Preisgeldern an Stringtheoretiker ausgegeben wie man auf Breakthrough Prize in Fundamental Physics findet. Auch Nathan Seiberg gehörte im Jahr 2012 zu den Preisträgern, wobei Seiberg sich sowohl mit Quantenfeldtherie als auch mit Stringtheorie auseinandersetzte. Die Preisträger von 2017, nämlich Joseph Polchinski, Andrew Strominger und Cumrun Vafa, sind alle Stringtheoretiker.

        Allerdings gibt es beim Vorstoss zum Allerletzten, zu Dingen wie der kosmischen Inflation oder den letzten Zusammenhängen in der Quantenwelt keine Alternative zu nicht-empirischen Theorien wie der String Theorie, denn diese letzten Dinge sind in unserem Alltag nicht zu beobachten, während etwa Quantenverschränkungen (Quantum entanglement) selbst in einfachen chemischen Systemen wie sie in der Biologie vorkommen (Photosynthese etc), eine entscheidende Rolle spielen.

  6. Hallo Frau Päch,
    man kann das, was Herr Seiberg da erklärt, auch anders verstehen: nämlich daß das Ende der Sackgasse in Sicht ist, in die die Physik seit langem geraten ist.

    Sie ist in der Sackgasse, weil sie immer mehr von den Regeln, die die materielle Welt beherrschen, herausfindet, aber immer weniger weiß, was da geregelt wird. Kann man doch mit Quanten und Feldern Vorhersagen machen – aber warum diese Vorhersagen eintreten weiß keiner.

    Ist die Natur so beschaffen, wie in den Modelle der Physik beschrieben ? Warum brauche ich zur Beschreibung der Welt Begriffe wie Quanten und Felder, die zwar in den Modellen eine bestimmte Bedeutung haben, angewendet auf die Welt vollkommen abstrus sind ? Wie die Wirklichkeit zu beschreiben ist, wird in der Physik mehr und zur Glaubensfrage.

    Das methaphysische Fundament der Physik ist dabei zusammenkrachen.

    Offenbar muß die Physik erst die letzten Regeln finden, bis sie erkennt, daß ihre Erkenntnisse sinnlos sind, weil sie das, was da geregelt wird, nicht mehr beschreiben kann.

    Grüße
    Fossilium

  7. Nur philosophisch angemerkt ganz kurz hierzu:

    Die Feststellung fand ich zuerst einmal überraschend – und vielleicht sogar etwas arrogant, denn ich unterstellte gleich, dass damit gemeint war, der Mensch könne zu absoluter Erkenntnis über das Universum und seine eigene Existenz kommen. Thesen solcher Art halte ich nämlich für eine ziemlich anthropozentrisch geprägte Anmaßung. Aber nach der ersten Konfrontation mit einer derartigen Aussage fand ich, dass die Begründung von Nathan Seiberg schlüssig und auch anders zu interpretieren ist. Denn er meint damit: Sind wir erst einmal zu einer theoretisch fundierten und experimentell bestätigten Quantengravitation gekommen, haben wir also die Raumzeit quantenphysikalisch erfasst und ihre Konsequenzen ausgearbeitet, dann „ist es das“: Dann haben wir die grundlegende Struktur dessen erreicht, was wir verstehen können.

    Die Einschätzung war womöglich Marketing, das hier – ‚Dann haben wir die grundlegende Struktur dessen erreicht, was wir verstehen können.‘ – würde meinen, dass das Erkenntnissubjekt die Welt über sich selbst verstehen könnte bzw. diesem Verstehen durch sich selbst entscheidend Grenzen gesetzt wären.

    Grenzen des Lernens („Verstehens“) gibt es aber nicht, dies ist gelernt worden, eine der wenigen Sicherheiten des Lernens sozusagen.

    Die Welt ist im skeptizistischen Sinne eine „schwarze Kiste„.

    Wer Lust und Zeit hat, kann hier gedankenexperimentell auch über „Allmächtige Götter“ und ihnen unterstehende Welten philosophieren, was die wissen und nicht wissen könnten.

    MFG
    Dr. Webbaer

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