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Quantengravitation : Die Abschaffung der Zeit

Sollte sich die Entwicklung dieses planetaren Nebels nur einer Illusion von Zeitlichkeit verdanken, die in einer tatsächlich fundamentalen Theorie nicht mehr zu finden ist? Bild: dpa

Wie lassen sich die beiden grundlegenden, aber unverträglichen Theorien der Physik, Gravitationstheorie und Quantenmechanik, zusammenführen? Ein junger Kölner Professor für theoretische Physik hat zu dieser Frage ein exzellentes Buch geschrieben.

          „Für uns gläubige Physiker“, schrieb Albert Einstein kurz vor seinem Tod, „hat die Scheidung zwischen Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft nur die Bedeutung einer wenn auch hartnäckigen Illusion.“ Das Zitat ist wie geschaffen für eine Trauerrede. Mancher hat sich vielleicht auch schon ausbedungen, in seiner Todesanzeige möge das Bonmot den Psalmvers ersetzen - wobei dann die Pietät gebietet, die ersten vier Worte wegzulassen: Ein Physiker glaubt doch nicht. Er weiß.

          Ulf von Rauchhaupt

          verantwortlich für das Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.

          Nun ist aber auch das Wissen der Physiker noch immer Stückwerk. Und am weitesten klaffen die Nähte tatsächlich bei der Frage nach der Zeit. Denn diese hängt eng mit dem Problem zusammen, dessen Lösung zuweilen als „Weltformel“ apostrophiert wird: Wie lässt sich die im Makrokosmos bewährte Einsteinsche Gravitationstheorie mit der die submolekulare Welt durchwaltenden Quantenphysik unter einen mathematischen Hut bringen?

          Die Suche nach dem mathematischen Hut

          Die Versuche, eine solche Theorie der Quantengravitation zu konstruieren, haben schon mehrere Theoretikergenerationen verschlissen - und schuld daran sind nicht zuletzt die völlig inkompatiblen Zeitbegriffe: In der Quantenphysik bleibt das physikalische Geschehen genauso in einen äußeren Zeitablauf eingebettet wie die Stühle und Steine unserer Anschauungswelt. In der Gravitationstheorie dagegen ist die Zeit kein externer Taktgeber mehr, sondern verändert sich nach Maßgabe dessen, was in ihr geschieht.

          Es ist eines der Verdienste des Buches von Claus Kiefer, einem breiteren Publikum diesen Zusammenhang zwischen dem alten Zeitproblem und der modernen Physik vor Augen zu führen. Und abgesehen von Roger Penroses monumentalem Werk „The Road to Reality“ ist es das vielleicht reichhaltigste und genaueste Buch, das gegenwärtig zu dem Thema zu haben ist und das am eindringlichsten erklärt, was die auf diesem Gebiet tätigen Wissenschaftler wirklich umtreibt.

          Drei Kandidaten

          Dabei scheint der junge Kölner Professor für theoretische Physik auf den ersten Blick nur getan zu haben, was Stephen Hawking und mancher andere Physiker auch schon unternommen haben: ein Buch über die eigene Lieblingstheorie zu schreiben, das gleichwohl verheißt, ganz allgemein in das geheime Wissen der Physiker einzuweihen. Doch „Der Quantenkosmos“ ist keine solche Mogelpackung.

          Das Buch ist tatsächlich allgemeinverständlich, allerdings nicht in einem platten, Anstrengungslosigkeit versprechenden Sinn. Sein Stil ist klar und ohne die bemühten Begriffscartoons, die manches dickleibigere Werk angelsächsischer Provenienz zwar vielleicht leichter lesbar, aber damit noch lange nicht leichter verständlich machen. Kiefer schreibt knapp, doch mit Geduld und Bereitschaft zum gelegentlichen Zurückblättern lässt sich das enorme Panorama, das er ausschreitet, auch ohne Physik-Vordiplom verstehen.

          Von den Hawking-Klonen unterscheidet sich das Buch auch darin, dass Kiefer nicht so tut, als seien die letzten Dinge der Physik eigentlich so gut wie geklärt. Theoretiker versuchen auf sehr verschiedenen Wegen zur Quantengravitation zu kommen, und zu den beiden führenden Kandidaten gibt Kiefer einen fairen Überblick: Der eine wird unter dem Etikett „Stringtheorie“ gehandelt und ist in gewissem Sinn die konservativere Variante, da sie von kleinsten Materieeinheiten - den Strings - ausgeht, die in einer extern fließenden Zeit existieren, so dass die Frage nach deren Wesen ausgeklammert bleibt. Der zweite Weg, die Schleifen-Quantengravitation, ist konzeptionell komplizierter, dafür operiert man hier unmittelbar mit der Einsteinschen Einsicht, dass Raum und Zeit Mitspieler und nicht nur die Bühne physikalischen Geschehens sind: Sie werden als ein Schleifennetzwerk aus Raumzeitquanten aufgefasst, die dynamisch untereinander und mit der sie erfüllenden Materie im Austausch stehen.

          Zum Raum wird hier die Zeit

          Claus Kiefer allerdings favorisiert einen dritten Weg zur Quantengravitation, der nicht bei der Mikrophysik ansetzt, sondern beim Kosmos insgesamt: Diese Quantenkosmologie operiert statt mit Strings oder Schleifen mit der sogenannten „kanonischen Quantisierung“, einem mathematischen Verfahren, das der bewährten Quantentheorie entlehnt ist, aber die Grundgrößen Ort und Impuls durch zwei geometrische Eigenschaften des Raumes ersetzt. In dieser Beschreibung wird das Universum durch eine einzige mathematische Funktion beschrieben, die einer einzigen Grundgleichung genügt und in der keine Zeitvariable mehr vorkommt.

          Eine von einem Moment zum nächsten fortschreitende Zeit gibt es in dieser Quantengravitation so wenig, wie es in der herkömmlichen Quantenphysik den Flug eines Teilchens entlang einer bestimmten Bahn gibt. Die Zeit ist lediglich eine innere Eigenschaft der universellen Funktion und unsere Zeitwahrnehmung nichts als das Ergebnis unseres beobachtenden Blickes auf die Welt.

          Aber ist die Welt so beschaffen? Es ist das größte Problem jeder möglichen künftigen Quantengravitationstheorie, dass sie sich nicht von ungeklärten Beobachtungstatsachen leiten lassen kann, sondern von dem Wunsch nach einer auf fundamentaler Ebene einheitlichen Naturbeschreibung. Die Hoffnung, solches Wünschen könnte zielführend sein, knüpft sich an die Gravitationstheorie, zu der Einstein durch eine Verallgemeinerung seiner Relativitätstheorie fand.

          Grundentscheidungen für eine Theorie

          Allerdings gelangen Einstein sogleich beobachtbare Vorhersagen, an der sich die Theorie testen ließ. Eine Quantengravitation aber macht sich nur im Inneren schwarzer Löcher oder Sekundenbruchteile nach dem Urknall bemerkbar. Es ist nicht völlig ausgeschlossen, dass Spuren dieser Epoche in der frühesten beobachtbaren Phase der kosmischen Geschichte, 380 000 Jahre später, erhalten geblieben sind. Ob sie sich dann allerdings eindeutig mit Strings oder mit Schleifen oder mit einem Quantenkosmos Kieferscher Gestalt in Verbindung bringen lassen, ist noch einmal eine ganz andere Frage.

          Die Gründe, warum sich jemand für einen bestimmten Weg zur Quantengravitation entscheidet, können folglich nicht eigentlich naturwissenschaftlicher Art sein. Tatsächlich sind sie eher ästhetischer und metaphysischer Natur und bei aller mathematischen Eleganz, die gerade der kanonischen Quantisierung eigen ist, dürfte bei Kiefer die Metaphysik eine noch größere Rolle gespielt haben als bei Anhängern der Schleifen- oder der Stringtheorie.

          Der Grund dafür wiederum ist vielleicht auch biographisch zu erhellen. Kiefer ist Schüler und ehemaliger Mitarbeiter des Heidelberger Theoretikers H. Dieter Zeh, der 1970 eine der wichtigsten Entwicklungen der neueren Quantenphysik begründete, die sogenannte „Dekohärenz“, von der bei Kiefer fast so viel die Rede ist wie von der Quantengravitation. Die Dekohärenz machte es auf der Ebene des mathematischen Formalismus verständlich, warum wir in unserer Makrowelt für gewöhnlich keine Quanteneffekte wahrnehmen, sondern zum Beispiel Teilchen an konkreten Orten messen. Sie eröffnet aber auch die Möglichkeit einer einheitlichen ontologischen Interpretation von Mikro- und Makrophysik. Dabei wird Niels Bohrs Auffassung, in der Physik gehe es nicht um die Natur, sondern um das, was wir über sie sagen können, als „positivistisch“ verworfen und stattdessen gewissen Grundobjekten der Quantenphysik, den Wellenfunktionen, die eigentliche Realität zugesprochen.

          Eine einzige Wellenfunktion

          Zusammen mit der Dekohärenz führt diese philosophische Entscheidung allerdings zwingend auf die „Viele-Welten-Interpretation“ der Quantenphysik, bei der sich der lokale Beobachter oder dessen Bewusstsein in jedem Moment in faktisch unendlich viele verschiedene Kopien aufspaltet. Dadurch wird der Indeterminismus der Quantenphysik, das „Würfeln Gottes“, das Einstein so störte, als etwas erklärt, das sich lediglich der beschränkten Perspektive des seine Aufspaltung nicht bemerkenden Beobachters verdankt. Physikern wie Zeh und Kiefer ist das alte Ideal einer einheitlichen und vollständigen Beschreibbarkeit der physikalischen Welt unter Wahrung eines strikten Determinismus so wichtig, dass sie die damit einhergehende und gelinde gesagt problematische ontologische Struktur solch einer Welt in Kauf nehmen.

          Die Kiefersche Quantenkosmologie, die das Universum als eine einzige, zeitlose und überaus komplexe Wellenfunktion auffasst, ist eine konsequente Erweiterung dieses Quanten-Realismus. Nur wird nun auch noch die Zeit beseitigt, entlang der sich die Wellenfunktionen in der „Viele-Welten-Interpretation“ ins Unendliche verzweigen. Die universale Funktion wird zu etwas ewig Räumlichem und der Determinismus auf die Spitze getrieben - denn wo es auf fundamentaler Ebene keine Zeit gibt, da gibt es auch keine Zukunft, die auf irgendetwas hin offen sein könnte.

          Einfachheit der Theorie vor jener der Tatsachen

          Kiefer ist so ehrlich, offen zuzugeben, dass er hier von bestimmten metaphysischen Voraussetzungen ausgeht. „Das Vertrauen in die Grundgleichungen und die Einfachheit der Theorie hat sich in der Geschichte der Wissenschaft fast immer bewährt, und zwar mehr als das Festhalten an der Einfachheit der Tatsachen“, schreibt er. Aber abgesehen davon, dass diese Grundgleichungen noch gar nicht gefunden sind - die Quantengravitation steht ja noch aus -, ist es nicht ein sehr hartnäckiges Festhalten an „Tatsachen“, wenn man partout zu der alten und von der Quantenphysik eigentlich ruinierten Vorstellung eines deterministischen Kosmos zurück will, dessen fundamentale Realität wir in Gleichungen einfangen können? Dem kann man entgegnen, dass auch derjenige, der weitergehen will, auf irgendeinem Grund voranschreiten muss. Genau das ist aber der Punkt: Wer wissen will, muss immer auch glauben - sogar als Physiker.

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