Interessantes zu Theoretischer Physik


Knowhow: Beispiele extrapolierender Physik

Extrapolierende Physik:  Ihr Wesen und Wert

Spätestens seit Isaac Newton ist die Physik (als Wissenschaft) beides:

Experimentalphysik einerseits und Theoretische Physik andererseits.


Bis hin zu Einstein allerdings war die Theoretische Physik nur dazu da, die Ergebnisse experimenteller Physik zu ordnen, zueinander in Beziehung zu setzen und so ihrem Wesen nach zu erklären.

Einsteins Idee, die Gravitationskraft als Krümmung des 4-dimensionalen Raum-Zeit-Gefüges zu erklären, markiert den Anfang eines völlig neuen (Selbst-) Verständnisses der Theoretischen Physik: Mit Einstein — spätestens aber mit den String­theoretikern — hat die Theoretische Physik sich verselbständigt bis hin zu dem Punkt, ab dem Experimentalphysik ihr kaum noch folgen kann (und das einfach nur aufgrund rein praktisch gegebener Beschränkungen: Elektronenbeschleuniger zu bauen, die ähnlich groß sind wie eine ganze Galaxis, ist uns einfach nicht mehr möglich).

Ist es dann aber nicht an der Zeit, auch über das Wesen Theoretischer Physik neu nachzudenken? Sollte man sie nicht gegliedert sehen in

  • eine Teildisziplin, die erwartet, dass ihre Ergebnisse von Experimentalphysikern bestätigt werden
  • und einen zweite Teildisziplin, der sehr wohl bewusst ist, dass ihre Ergebnisse beides sein können: richtig, aber dennoch niemals durch gezielt geplante Experimente zu bestätigen?

Dies zweite Teildisziplin — nennen wir sie Extrapolierende Physik — existiert heute vor allem in Form sogenannter M-Theorie, als das also, was man (etwas ungenauer) auch Stringtheorie nennt. Die wohl ver­ständlichste Beschreibung ihres spekulativen, extrapolierenden, aber dennoch streng wissenschaft­lichen Charakters ebenso wie der durch sie betrachteten Kern­fragen und schon erzielten Ergebnisse ist sicherlich Brian Greenes Buch The Hidden Reality, Vintage Books 2011.

Greenes Bücher und jene seiner Aufsätze, die sich an physikalische Laien richten, sind von besonderem Wert, da sie

  • authentische, aktuelle Wissenschaft (Greene ist einer der derzeit führenden Theoretischen Physiker)
  • ohne jedes mathematische Formelwerk erfolgreich erklären und allgemein verständlich machen (Greenes Sprache sind sorgfältig gewählte Analogien aus unserem Alltag).

Präzise definiert gilt:

Extrapolierende Physik charakterisiert sich über die Eigenschaft, dass als einziger Maßstab für die Wahrscheinlichkeit, daß ihre Aussagen zutreffen, der Grad zur Verfügung steht, in dem durch sie erarbeitete physikalische Weltmodelle schon bewährte Modelle als vergröberte Sicht mit enthalten und von Wider­sprüchen befreien — das Ausmaß also, in dem sich diese neuen Modelle als
die am besten begründete Extrapolation
dessen erweisen, was Experimentalphysik wirklich bestätigen kann.


Geschickte Spekulation — das Finden von Vermutungen also, die es dann logisch abzuklopfen gilt, — waren schon immer wichtiger Schritt hin zu jeder nicht ganz trivialen Entdeckung. Wo Experimentalphysik an ihre Grenzen gerät, kommt solch gedanklichem Vorfühlen noch weit mehr Bedeutung zu: Denkbares zu denken wird dann nämlich konkurrenzlos in seiner Eigenschaft, erster Schritt hin zu neuer Erkenntnis zu sein.

Genau aus diesem Grund sollte man Kritiker der Stringtheorie, die nur damit argumentieren, dass Aus­sagen der M-Theorie, die über vorher schon Bekanntes hinausgehen, durch die Experimentalphysik noch nicht bestätigt seien, überhaupt nicht ernst nehmen.

Wirklich erstaunlich ist, dass Mathematik uns so ausnehmend guter Führer hinein in komplexeste physika­li­sche Zusammenhänge ist. Kann das wirklich Zufall sein? [so frägt sich z.B. auch Wigner]


Beispiele extrapolierender Physik

Sein Buch The Hidden Reality widmet Greene vor allem der Frage, ob das Universum, in dem der Mensch existiert, wirklich schon das allumfassende ist. Diese Frage genauer zu diskutieren sollte man unterscheiden zwischen

  • dem gesamten Universum einerseits (im Sinne von Alles, was ist) und
  • unserem Universum anderseits (im Sinne von Alles, was der Mensch — im Prinzip jedenfalls — direkt oder indirekt zu beobachten in der Lage ist).

Ganz offensichtlch ist unser Universum ein Teil des gesamten Universums. Gilt aber auch die Umkehrung, d.h. könnte unser Universum schon das ganze sein?

Neuere Erkenntnisse der Astronomie ebenso wie durch die Stringtheorie nahegelegte Weltmodelle haben dazu geführt, dass die Physiker (und daher auch Greene in seinem Buch) nun schon wenigstens ein halbes Dutzend Möglichkeiten diskutieren, die eher ein NEIN auf diese Frage nahelegen.

Zunächst die mit Abstand verständlichste:

  • Schon lange war bekannt, dass unser Weltall sich in ständiger Ausdehnung befindet (vergleichbar einem aufgehenden Hefeteig). Seit 1998 weiß man auch, dass diese Ausdehung mit zunehmender Geschwindigkeit vor sich geht und dass — sollte das anhalten — früher oder später fast alle der den Astronomen heute noch sicht­baren Galaxien von unserer Erde so weit entfernt sein werden, dass von ihnen in unsere Richtung abge­sandtes Licht niemals mehr ankommen kann: die Zeitspanne, die es unterwegs sein müsste, wird dann nämlich größer sein als das Alter jener Sterne.

    Konsequenz daraus: Selbst wenn es heute wirklich so sein sollte, dass das Weltall im Sinne unserer Astronomie schon das ganze Universum ist, so wird das mit großer Wahrscheinlich­keit keineswegs bis in alle Zukunft hinein so bleiben. (Man hat errechnet, dass schon in etwa 100 Mrd. Jahren aus der Milchstraße heraus nur noch Sterne zu sehen sein werden, die in ihr selbst oder ihrer unmittel­baren Umgebung liegen; gemeint ist: in der sog. Lokalen Gruppe — diese Gruppe, bestehend aus nur etwa 30 Galaxien, wird dann eine Welt sein, in der nichts mehr darauf hindeutet, dass es über sie hinaus noch weitere Teile des Universums gibt.)

Ganz andere, weniger leicht zu verstehende Möglichkeiten kommen aus der M-Theorie: Sie legt nahe, dass das gesamte Universum ein 11-dimensionaler Raum ist. Nur drei (von einigen mehr) Möglichkeiten, wie unser Universum darin eingebettet sein könnte, wären die folgenden:

  • Es könnte sein, dass auch unser Universum 11 Raum-Zeit-Dimensionen hat (und 7 davon einfach nur so winzige Struktur darstellen, dass unsere Experimentalphysik sie bisher übersehen hat).
  • Es könnte aber auch sein, dass unser Universum einfach nur 4-dimensionaler Teilraum des Gesamt­universums ist (ein Teilraum im Sinne der Mathematik). Die Grenze also, die Astronomen dann hindert, über den Rand unseres Universums hinauszublicken, wäre in diesem Fall eine viel grund­sätzlichere: eine dann schon allein in unserer nur 4-dimensionalen Natur begründete.
  • Auch eine Mischung beider Möglichkeiten kann derzeit nicht ausgeschlossen werden: Es könnte sein, dass unser Universum N-dimensionaler Teilraum des gesamten Universums ist mit 4 < N < 11.

Greene diskutiert noch weitere, wesentlich utopischer anmutende Möglichkeiten, darunter auch solche, aus denen sich ergäbe, dass die Physik des Gesamtuniversums weit facettenreicher ist als die jenes Teiluniver­sums, das uns hervorgebracht hat und das unserer Astronomie und Experimentalphysik — nicht aber unserem Denken — als das allumfassende, einzig mögliche erscheint.

Die Grenze unseres Universums könnte z.B. eine rein nur aus der Sicht des Menschen existierende sein – gegeben als Beobachtungsgrenze, die dadurch zustande kommt, dass unser Universum endliches Alter hat und wir nichts beobachten können, was von uns weiter entfernt ist als die Strecke, die das Licht seit dem Urknall zurückzulegen in der Lage war.

Interessant ist auch, dass — falls die Größe des Gesamtuniversums die Größe unseres (Sub-) Universums um ein bestimmtes, sehr großes Vielfaches überschreitet — die Wahrscheinlichkeit groß ist, dass neben unserem Universum exakte Kopien davon existieren (und die sich sogar überlappen könnten): Greenes gedanklicher Weg dahin erscheint mir, als Mathematiker, aber nicht so ganz schlüssig. Interessierte Leser mögen sich selbst ein Urteil bilden, indem sie die Kapitel 1 und 2 seines Buches lesen.

Warum man überhaupt auf den Gedanken kam, unser Universum könne weniger sein als das gesamte, hat vor allem drei Gründe:

  • Man kann nicht ausschließen, dass es mehr als nur einen Urknall gab: Unser Universum könnte vergleichbar sein mit einem der vielen Funken, die entstehen, wenn ein Feuerwerk hochgeht.
  • Kein bislang diskutiertes physikalisches Modell liefert Argumente für oder gegen die Unendlichkeit des Gesamtuniversums. Das unserer Astronomie und Experimentalphysik zugängliche Universum aber ist endlich (dann jedenfalls, wenn es wirklich in einem Urknall geboren wurde und somit endliches Alter hat).
  • Zudem gelten alle Aussagen zur Lichtgeschwindigkeit nur relativ zur Raum-Zeit-Struktur, die uns umgibt. Greene – hier als Experte für Relativitätstheorie sprechend – schreibt: "The speed of light refers solely to the motion of objects through space. But galaxies recede from each other not because they are traveling through space — they do so because space itself is swelling and the galaxies are being dragged along by the overall flow ... Relativity places no limit on how fast space can swell, so there is no limit on how fast galaxies being pushed apart by the swell recede from one another: The rate of recession between any two galaxies can exceed any speed, including the speed of light." (Seite 51 aus: The Hidden Reality, 2011). Damit ist nicht ausgeschlossen, dass schon jetzt ständig ganze Sternsysteme über den unserer Astronomie gesetzten Horizont hinaus in den Rest des Gesamt­universums wandern.

Weitere Beispiele extrapolierter Physik


Festzuhalten ist:

Führt man sich vor Augen, dass die Theoretische Physik sich heute — als vor allem extrapolierende Physik — in Bereiche vorwagt, in denen sie eher nicht mehr auf die Unterstützung der Experimentalphysik hoffen kann, so wird schnell klar, dass das Einzige, was ihr an Hilfsmitteln bleibt, die Mathematik ist.

Das aber kann nur dann gut gehen, wenn wirklich im gesamten Universum identische mathematische Gesetze gelten. Kann man davon wirklich ausgehen? Und muss man dann nicht eigentlich sie als das letztendlich fundamentalste Gesetz der Physik sehen?

Bisher — so scheint mir — hat sich diese Fragen noch niemand so wirklich gestellt.


Schlusswort:

Extrapolierende Physik (im oben definierten Sinn) scheint mir gutes Beispiel dafür, dass die Informatik — Informationsverarbeitung also — auf dem besten Wege ist, sich zu verselbständigen: Entstanden als ein ande­ren Wissenschaften nur dienendes Hilfswerkzeug zeigt sich jetzt, dass sie klassische Werkzeuge, die an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit kommen (wie z.B. die Experimentalphysik), jenseits solcher Grenzen ersetzen kann.

Hierdurch wird Informatik mehr und mehr zum alles dominierenden Motor, der den Menschen unerwartet schnell aus seiner ersten, relativ primitiven Epoche heraus drängt hin in eine Zukunft, in der seine Fähig­keit, logisch zu denken, eine noch weit zentralere Rolle spielen wird als bisher.

Wenn die Stringtheorie nicht völlig daneben liegt, und wenn es wirklich ein Universum gibt, in dem das unsere sich als nur eine Welt unter zahlreichen anderen wiederfindet, so wären

Mathematik und Informatik (als Universalmethodik)

der wirklich einzige Weg, der uns gestattet, über die ansonsten unüberwind­lichen Grenzen unseres Weltalls hinweg den Rest des Gesamtuniversums einzusehen und wenigstens seinen Eigenschaften nach tatsächlich kennen zu lernen. Welch ein Gedanke!


VORSICHT ABER:

Selbst unserem Denken (und insbesondere der Stringtheorie) sind Grenzen gesetzt:


Gedanklich extrapolierte Physik wird heute nur noch dann als wahrscheinlich zutreffendes physikalisches Modell anerkannt, wenn es gelungen ist, solche Extrapolation auch mathematisch zu begründen, sie also herzuleiten über wirklich nur solche Regeln für Informationsverarbeitung, die absolute Axiome sind.

Auf Seite Die Kernfrage definiere ich: Eine Aussage ist genau dann absolutes Axiom, wenn der Mensch sie als in jedem nur denkbaren Kontext mit Sicherheit wohldefiniert und wahr erachtet.

Streng genommen aber gilt (wie auch §1 aus Hans Reichenbachs Buch "Die philosophische Bedeutung der Relativitätstheorie" sagt), dass  a l l e  mathematischen Axiome — auch die absoluten — nichts anderes als Definitionen sind: Aussagen also, von deren Wahrheit wir ausgehen, ohne sie beweisen zu können.

Gäbe es also einen Teil des Kosmos — ein Universum — in dem wider Erwarten eine Aussage, die wir als absolutes mathematisches Axiom anerkennen, doch nicht gilt, so würde mit an Sicherheit grenzender Wahr­scheinlichkeit unser Denken (speziell String­theorie) dieses Universum NICHT modellieren können.
Wissenswertes zu "Brian Greene, Stringtheorie, Extrapolierende Physik, Extrapolierte Physik" zusammengestellt durch Gebhard Greiter.
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