Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

Größenbereichen, Entfernungen oder Auflösungen auftreten, bei denen ihr Einfluss immer noch nicht erkennbar ist, brauchen wir nichts über sie zu wissen, um erfolgreiche Vorhersagen zu treffen. Phänomene, die jenseits unserer gegenwärtigen technischen Reichweite liegen, werden per definitionem keine messbaren Konsequenzen außer jenen haben, die bereits berücksichtigt wurden.
    Daher konnte man auch ohne Kenntnis so wichtiger Phänomene wie der Existenz relativistischer Bewegungsgesetze oder einer quantenmechanischen Beschreibung atomarer und subatomarer Prozesse trotzdem noch genaue Vorhersagen treffen. Dies ist ein Glücksfall, da wir schlicht und einfach nicht über alles zugleich nachdenken können. Wenn wir irrelevante Details nicht ausblenden könnten, würden wir nirgendwohin gelangen. Wenn wir uns auf Fragen konzentrieren, die wir experimentell überprüfen können, wird dieser Informationswirrwarr in allen Größenbereichen durch unsere endliche Auflösung gegenstandslos.
    »Unmögliche« Dinge können zwar geschehen – aber nur in Bereichen, die wir noch nicht beobachtet haben. Ihre Konsequenzen sind irrelevant für die Größenbereiche, die wir kennen – oder zumindest für diejenigen Bereiche, die wir bereits erforscht haben. Was auf diese kurzen Entfernungen geschieht, bleibt so lange verborgen, bis technische Geräte mit höherer Auflösung entwickelt werden, mit denen man einen direkten Einblick gewinnen kann, oder bis hinreichend genaue Messungen die zugrunde liegende Theorie durch die winzigen unterscheidenden Merkmale, die sich auf größeren Skalen zeigen, ausfindig macht.
    Naturwissenschaftler können bei Vorhersagen zu Recht alles ignorieren, was zu klein ist, um beobachtet werden zu können. Es ist nicht nur unmöglich, zwischen den Konsequenzen von zu winzigen Objekten und Prozessen unterscheiden zu können, sondern die physikalischen Effekte von Prozessen in diesen Größenbereichen sind auch nur insofern interessant, als sie einen Einfluss auf die physikalisch messbaren Parameter haben. Physiker charakterisieren daher die Objekte und Eigenschaften in messbaren Größenbereichen durch eine effektive Theorie und verwenden sie, um Naturwissenschaft zu betreiben, die für die jeweiligen Größenmaßstäbe relevant ist. Wenn man die auf kurzen Entfernungen existierenden Details oder die Mikrostruktur einer Theorie kennt, kann man die Größen in effektiven Beschreibungen von der grundlegenderen und detaillierteren Struktur ableiten. Andernfalls sind diese Quantitäten nur unbekannte Größen, die experimentell bestimmt werden müssen. Die beobachtbaren Quantitäten der effektiven Theorie, die in einem größeren Maßstabsbereich liegen, sind nicht Gegenstand der grundlegenden Beschreibung, sondern eine bequeme Möglichkeit, Beobachtungen und Vorhersagen zu systematisieren.
    Eine effektive Beschreibung kann die Auswirkungen jeder Theorie auf kleinen Skalen zusammenfassen, die Beobachtungen in größeren Maßstabsbereichen reproduziert, deren unmittelbare Wirkungen jedoch zu klein sind, als dass man sie sehen könnte. Das hat den Vorteil, dass wir mit weniger Parametern Prozesse untersuchen und bewerten können, als wir bräuchten, wenn wir jede Einzelheit berücksichtigen würden. Diese kleinere Menge genügt völlig, um die uns interessierenden Prozesse zu charakterisieren. Außerdem ist die Menge von Parametern, die wir verwenden, universell  – unabhängig von den zugrunde liegenden detaillierten physikalischen Prozessen sind es dieselben. Um ihre Werte in Erfahrung zu bringen, brauchen wir sie nur bei irgendeinem der vielen Prozesse, bei denen sie vorkommen, zu messen.
    Über einen großen Bereich von Entfernungen und Energien gilt eine einzige effektive Theorie. Nachdem ihre wenigen Parameter durch Messungen bestimmt wurden, kann alles, was zu diesem Größenbereich dazugehört, berechnet werden. Die effektive Theorie enthält eine Menge von Elementen und Regeln, die eine große Anzahl von Beobachtungen erklären können. Jedes Mal, wenn wir eine Theorie für fundamental halten, erweist sie sich wahrscheinlich als effektive Theorie, da wir nie eine unendlich genaue Auflösung erreichen. Doch wir vertrauen auf die effektive Theorie, weil sie viele Phänomene erfolgreich vorhersagt, die in einem bestimmten Größenbereich von Entfernungen und Energien vorkommen.
    Effektive Theorien der Physik beziehen sich nicht nur auf Informationen in einem Größenbereich kurzer Entfernungen,