Einstein, Quantenspuk und die Weltformel (German Edition)

unbefriedigender Zustand, dass der Baustein der Materie ein stetig wachsender Teilchenzoo sein sollte. Im Jahr 1964 setzte der Physiker Gell-Mann mit der Vorhersage der Quarks, wiederum noch kleinerer Teilchen, aus denen beispielsweise Protonen und Neutronen zusammengesetzt sind, einen oben drauf. Fünf Jahre später erhielt er den Nobelpreis. Heute kennen wir genau drei Familien verschiedener Quarks und eine Vielzahl verschiedener Elementarteilchen, die daraus bestehen. Es gibt nämlich neben den Protonen, Neutronen und Elektronen zahlreiche weitere Elementarteilchen, die sich aus unterschiedlichen Kombinationen der verschiedenen Quarks zusammensetzen. Ihr Küchentisch besteht aus Atomen, die Atome aus Elementarteilchen, die Elementarteilchen aus Quarks, den kleinsten uns bis dahin bekannten Bausteine der Materie. Quarks existieren allerdings nicht ausserhalb von Teilchenbindungen, weshalb wir auch Neutronen oder Protonen weiterhin als Elementarteilchen bezeichnen dürfen. Aus was in aller Welt bestehen aber die Quarks? Und warum gibt es genau drei Quark-Familien, und nicht 4, 5, 6, 7 oder 8? Und überhaupt: Was sind die wirklichen Bausteine der Materie, also die allerkleinsten Teilchen, die es überhaupt gibt?
    Mitte der Siebzigerjahre war die Quantenmechanik ziemlich gut ausformuliert und zahlreiche Ergebnisse durch Experimente bestätigt. Da sich die Quantenmechanik der vollständigen Entschlüsselung zu nahen schien, spähten einige Physiker nach neuen Forschungsgebieten. Und sie sollten fündig werden. Nach wie vor ungelöst war nämlich der rätselhafte Konflikt, der sich zwischen der Quantenphysik und der Relativitätstheorie ergab. Beide Theorien waren experimentell zwar sehr gut bestätigt. Sie standen aber im Widerspruch zueinander. Die Raumzeit ist gemäss der Relativitätstheorie flach und ruhig, wenn keine Masse oder Energie anwesend ist. Etwa so, wie ein Blatt Papier, das auf Ihrem Schreibtisch liegt. In der Quantenphysik zeigt sich das genaue Gegenteil. Sobald man ein Gebiet immer weiter vergrössert (das heisst immer kleinere Abstände betrachtet), wird es immer unschärfer und die Quanten bewegen sich immer wilder (fluktuieren). Dieser so genannte Quantenschaum ist es, der die Vereinheitlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenphysik 57 bisher verunmöglicht hat.
    Jetzt war es an der Zeit, diesen rätselhaften Konflikt anzugehen. Auf der Suche nach kreativen Ansätzen, um dieses Problem zu lösen, gruben einige Physiker die Kaluza-Klein-Theorie wieder aus. Diese war in Vergessenheit geraten, da sie sich nicht mit der boomenden Quantenmechanik vereinen liess. Mittlerweile waren sechzig Jahren vergangen und zwei bis dahin unbekannte Naturkräfte (die starke und schwache Kraft) entdeckt worden. Einige Fachleute vermuteten nun, dass die Kaluza-Klein-Theorie möglicherweise nur zu wenig mutig formuliert worden sei. Damals wusste man nämlich noch nichts von der schwachen und der starken Kraft. Kaluza benutzte eine fünfdimensionale Raumzeit, um die Gravitation mit dem Elektromagnetismus zu vereinen. Dabei verfolgte er den Ansatz, dass der Elektromagnetismus ebenso durch eine Krümmung einer eigenen Dimension charakterisiert wird wie die Gravitation durch die Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit. Die Physiker mutmassten nun, dass er, der die schwache und starke Kraft noch nicht gekannt hat, bei der Dimensionierung zu zurückhaltend vorgegangen sein könnte. Möglicherweise könnte die Vereinigung aller Kräfte aber gelingen, wenn die Theorie um einige Extradimensionen erweitert würde. Ein Grundgedanke der Stringtheorie war geboren. Tatsächlich sollte sich zeigen, dass die Stringtheorie mindestens zehn Dimensionen benötigt, damit sie sinnvolle Ergebnisse liefern kann. Sinnvoll ist ein Ergebnis dann, wenn es einen endlichen Wert liefert. In der Quantenphysik können wir das Verhalten von Teilchen oder das Eintreten eines Ereignisses nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit vorhersagen. Damit ein Ergebnis in der Wahrscheinlichkeitsrechnung sinnvoll ist, darf es nur Werte zwischen null und eins respektive zwischen null Prozent (tritt nie ein) und hundert Prozent (tritt sicher ein) annehmen. Bei allen bisherigen Vereinigungsversuchen ergaben sich immer wieder negative oder unendliche Wahrscheinlichkeiten. Diese waren gewichte Hinweise darauf, dass die Theorie unvollständig oder unkorrekt war. Nur wenn man in den Rechnungen von mindestens zehn Dimensionen ausgeht, liefert die