Physiker haben einige der größten Rätsel des Universums gelöst. Aber sie sind noch nicht fertig.

Wenn Isaac Newton plötzlich aus einer Zeitmaschine käme, wäre er erfreut zu sehen, wie weit die Physik gekommen ist. Dinge, die vor ein paar Jahrhunderten noch völlig rätselhaft waren, werden heute im Physikunterricht für Erstsemester gelehrt (die Zusammensetzung von Sternen ist ein gutes Beispiel).

Newton wäre verblüfft, wenn er riesige Experimente wie den Large Hadron Collider (LHC) in der Schweiz sähe – und möglicherweise beunruhigt, wenn er erfährt, dass seine Theorie der Schwerkraft von einer Theorie abgelöst wurde, die sich ein gewisser Einstein ausgedacht hat. Die Quantenmechanik würde ihm wahrscheinlich bizarr vorkommen, obwohl die heutigen Wissenschaftler genauso denken.

Aber wenn er erst einmal auf dem Laufenden war, würde Newton zweifellos den Errungenschaften der modernen Physik Beifall zollen – von der Entdeckung der Natur des Lichts im 19. Jahrhundert über die Bestimmung der Struktur des Atoms im 20. Und doch sind Physiker heute die ersten, die zugeben, dass sie nicht alle Antworten haben.

Es folgt ein kurzer Rundgang durch sieben der größten ungelösten Probleme der Physik. (Wenn Sie sich wundern, warum Rätsel wie die dunkle Materie und die dunkle Energie nicht auf der Liste stehen, so liegt das daran, dass sie bereits in unserer früheren Geschichte über die fünf größten Fragen zum Universum behandelt wurden).

1. Woraus besteht die Materie?

Wir wissen, dass Materie aus Atomen besteht, und Atome sind aus Protonen, Neutronen und Elektronen aufgebaut. Und wir wissen, dass Protonen und Neutronen aus kleineren Teilchen, den so genannten Quarks, aufgebaut sind. Würden tiefer gehende Untersuchungen noch fundamentalere Teilchen zutage fördern? Wir wissen es nicht mit Sicherheit.

Wir verfügen über das so genannte Standardmodell der Teilchenphysik, mit dem sich die Wechselwirkungen zwischen subatomaren Teilchen sehr gut erklären lassen. Das Standardmodell wurde auch verwendet, um die Existenz bisher unbekannter Teilchen vorherzusagen. Das letzte Teilchen, das auf diese Weise gefunden wurde, war das Higgs-Boson, das LHC-Forscher im Jahr 2012 entdeckten.

Aber es gibt einen Haken: Das Standardmodell erklärt nicht alles, es erklärt nicht, warum das Higgs-Boson existiert. Es erklärt nicht im Detail, warum das Higgs-Boson die Masse hat, die es hat.

Die Rätsel hören damit nicht auf. Es ist bekannt, dass Atome elektrisch neutral sind – die positive Ladung der Protonen wird durch die negative Ladung der Elektronen aufgehoben -, aber warum das so ist, weiß niemand.

2. Warum ist die Schwerkraft so seltsam?

Keine andere Kraft ist uns so vertraut wie die Schwerkraft – schließlich ist sie es, die unsere Füße auf dem Boden hält. Und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie liefert eine mathematische Formulierung für die Schwerkraft, die sie als eine „Verformung“ des Raums beschreibt. Aber die Schwerkraft ist eine Billion Billion Billionen Mal schwächer als die anderen drei bekannten Kräfte (Elektromagnetismus und die beiden Arten von Kernkräften, die über winzige Entfernungen wirken).

Eine Möglichkeit – die zu diesem Zeitpunkt noch spekulativ ist – besteht darin, dass es neben den drei Dimensionen des Raums, die wir täglich wahrnehmen, noch weitere verborgene Dimensionen gibt, die vielleicht auf eine Weise „zusammengerollt“ sind, die es unmöglich macht, sie zu entdecken. Wenn diese zusätzlichen Dimensionen existieren – und wenn die Schwerkraft in sie „eindringen“ kann – könnte dies erklären, warum uns die Schwerkraft so schwach erscheint.

Einige Physiker hatten gehofft, dass die Experimente am LHC einen Hinweis auf diese zusätzlichen Dimensionen geben würden – aber bisher hatten sie kein Glück.

3. Warum scheint die Zeit nur in eine Richtung zu fließen?

Seit Einstein denken Physiker, dass Raum und Zeit eine vierdimensionale Struktur bilden, die als „Raumzeit“ bekannt ist. Der Raum unterscheidet sich jedoch in einigen grundlegenden Punkten von der Zeit. Im Raum können wir uns frei bewegen, wie wir wollen. Was die Zeit betrifft, so sitzen wir fest. Wir werden älter, nicht jünger. Und wir erinnern uns an die Vergangenheit, aber nicht an die Zukunft.

Im Gegensatz zum Raum scheint die Zeit eine bevorzugte Richtung zu haben – Physiker nennen sie den „Pfeil der Zeit“.

Einige Physiker vermuten, dass der zweite Hauptsatz der Thermodynamik einen Anhaltspunkt liefert. Er besagt, dass die Entropie eines physikalischen Systems (grob gesagt, der Grad der Unordnung) mit der Zeit zunimmt, und Physiker glauben, dass dieser Anstieg der Zeit ihre Richtung gibt. (Zum Beispiel hat eine zerbrochene Teetasse mehr Entropie als eine intakte – und natürlich scheinen zerbrochene Teetassen immer nach intakten Tassen zu entstehen, nicht davor).

Die Entropie mag jetzt steigen, weil sie früher niedriger war, aber warum war sie anfangs so niedrig? War die Entropie des Universums vor 14 Milliarden Jahren, als der Urknall es ins Leben rief, ungewöhnlich niedrig?  (Jüngste Computersimulationen scheinen zu zeigen, wie sich die Asymmetrie der Zeit aus den grundlegenden Gesetzen der Physik ergeben könnte, aber die Arbeit ist umstritten, und die letztendliche Natur der Zeit sorgt weiterhin für leidenschaftliche Debatten).

4. Wo ist die ganze Antimaterie hin?

Antimaterie ist in der Fiktion vielleicht bekannter als im wirklichen Leben. In der Originalserie Star Trek reagiert Antimaterie mit gewöhnlicher Materie, um den Warp-Antrieb anzutreiben, der die U.S.S. Enterprise mit überlichtschnellen Geschwindigkeiten vorantreibt. Während der Warp-Antrieb reine Fiktion ist, ist Antimaterie sehr real. Wir wissen, dass es für jedes Teilchen der gewöhnlichen Materie ein identisches Teilchen mit der entgegengesetzten elektrischen Ladung geben kann. Ein Antiproton ist zum Beispiel genau wie ein Proton, aber mit einer negativen Ladung. Das Antiteilchen, das dem negativ geladenen Elektron entspricht, ist das positiv geladene Positron.

Physiker haben im Labor Antimaterie erzeugt. Dabei entsteht jedoch eine ebenso große Menge an Materie. Das legt nahe, dass der Urknall Materie und Antimaterie in gleicher Menge erzeugt haben muss. Doch fast alles, was wir um uns herum sehen, vom Boden unter unseren Füßen bis hin zu den entferntesten Galaxien, besteht aus gewöhnlicher Materie.

Was ist hier los? Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie? Unsere beste Vermutung ist, dass der Urknall irgendwie ein winziges bisschen mehr Materie als Antimaterie erzeugt hat. In den ersten Momenten der Geschichte des Universums – gleich nach dem Urknall – müssen auf 10 Milliarden Antimaterieteilchen 10 Milliarden und ein Materieteilchen gekommen sein. „Und die Materie und die Antimaterie löschten die 10 Milliarden aus, so dass ein einziges übrig blieb. Und dieses kleine ‚Eine‘ ist die Masse, aus der wir bestehen.

Aber warum gibt es überhaupt einen leichten Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie? Wären die anfänglichen Mengen an Materie und Antimaterie gleich groß gewesen, hätten sie sich in einem Energiestoß vollständig ausgelöscht.

Einige Antworten könnten sich ergeben, wenn das Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) im Jahr 2026 mit der Datenerfassung beginnt. DUNE wird einen Neutrinostrahl – winzige, ungeladene und nahezu masselose Teilchen – analysieren, der von Fermilab zur etwa 800 Meilen entfernten Sanford Underground Research Facility in South Dakota geschossen wird. Der Strahl wird Neutrinos und Antineutrinos enthalten, um herauszufinden, ob sie sich gleich verhalten – und damit möglicherweise einen Hinweis auf die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie in der Natur geben.

5. Was passiert in der Grauzone zwischen fest und flüssig?

Feste und flüssige Stoffe sind gut bekannt. Einige Materialien verhalten sich jedoch sowohl wie eine Flüssigkeit als auch wie ein Feststoff, so dass ihr Verhalten schwer vorherzusagen ist. Sand ist ein Beispiel dafür. Ein Sandkorn ist so fest wie ein Stein, aber eine Million Körner können durch einen Trichter fließen, fast wie Wasser. Und der Verkehr auf der Autobahn kann sich ähnlich verhalten: Er fließt ungehindert, bis er an einem Engpass blockiert wird.

Ein Sandkorn ist so fest wie ein Stein, aber eine Million Körner können durch einen Trichter fließen, fast wie Wasser.

Ein besseres Verständnis dieser „Grauzone“ könnte also wichtige praktische Anwendungen haben.

Seltsamerweise kann eine Behinderung des Verkehrsflusses unter bestimmten Bedingungen sogar Staus verringern. Das ist sehr kontraintuitiv.

6. Können wir eine einheitliche Theorie der Physik finden?

Wir haben jetzt zwei übergreifende Theorien, die so gut wie jedes physikalische Phänomen erklären: Einsteins Theorie der Schwerkraft (allgemeine Relativitätstheorie) und die Quantenmechanik. Erstere erklärt die Bewegung von Golfbällen bis hin zu Galaxien. Die Quantenmechanik ist in ihrem eigenen Bereich – dem Reich der Atome und subatomaren Teilchen – ebenso beeindruckend.

Das Problem ist, dass die beiden Theorien unsere Welt auf sehr unterschiedliche Weise beschreiben. In der Quantenmechanik spielen sich die Ereignisse vor einem festen Hintergrund der Raumzeit ab, während in der allgemeinen Relativitätstheorie die Raumzeit selbst flexibel ist. Wie würde eine Quantentheorie der gekrümmten Raumzeit aussehen? Das hat die Menschen nicht davon abgehalten, es zu versuchen. Seit Jahrzehnten wird die Stringtheorie – die sich die Materie als aus winzigen vibrierenden Strings oder Energieschleifen bestehend vorstellt – als die beste Möglichkeit angepriesen, eine einheitliche Theorie der Physik zu entwickeln. Einige Physiker bevorzugen jedoch die Schleifen-Quantengravitation, bei der man sich den Raum selbst aus winzigen Schleifen vorstellt.

Beide Ansätze haben einen gewissen Erfolg – insbesondere die von den Stringtheoretikern entwickelten Techniken erweisen sich als nützlich, um bestimmte schwierige physikalische Probleme zu lösen. Aber weder die Stringtheorie noch die Schleifenquantengravitation wurden bisher experimentell getestet. Die lang ersehnte „Theorie von allem“ bleibt uns also vorerst noch verwehrt.

7. Wie hat sich das Leben aus unbelebter Materie entwickelt?

Während der ersten halben Milliarde Jahre war die Erde leblos. Dann setzte sich das Leben durch und gedeiht seither. Aber wie ist das Leben entstanden? Wissenschaftler glauben, dass vor der biologischen Evolution eine chemische Evolution stattfand, bei der einfache anorganische Moleküle zu komplexen organischen Molekülen reagierten, höchstwahrscheinlich in den Ozeanen. Aber was hat diesen Prozess überhaupt in Gang gesetzt?

Nachdem das Leben vor etwa vier Milliarden Jahren auf unserem Planeten Wurzeln geschlagen hatte, breitete es sich überall aus. Doch wie sich das Leben aus unbelebter Materie entwickelt hat, bleibt ein Rätsel.

Was macht das Leben für Physiker so schwer zu erforschen? Alles, was lebt, ist „weit vom Gleichgewicht entfernt“, wie ein Physiker sagen würde. In einem System, das sich im Gleichgewicht befindet, ist eine Komponente so ziemlich wie jede andere, ohne dass Energie ein- oder ausgeht. (Ein Stein wäre ein Beispiel; ein Kasten voller Gas ist ein anderes.) Das Leben ist genau das Gegenteil. Eine Pflanze zum Beispiel absorbiert Sonnenlicht und nutzt dessen Energie, um komplexe Zuckermoleküle herzustellen, während sie Wärme an die Umgebung abgibt.