Ein wegweisender Irrtum

Am 24. Februar 1958 gegen 17 Uhr strömten zahlreiche Professoren und Studenten zu einem Kolloquium in den Hörsaal 1 des Physikalischen Instituts der Universität Göttingen. Rasch füllte sich der Saal bis auf den letzten Platz. Denn kein Geringerer als Werner Heisenberg, Nobelpreisträger und Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik, hatte angekündigt, zum Thema »Fortschritte in der Theorie der Elementarteilchen« zu referieren. Während seines Vortrags schrieb Heisenberg eine lange Formel an die Tafel und erklärte, dass sich daraus möglicherweise die Gesamtheit der Elementarteilchen ableiten lasse. »Die Formel bestimmt die Struktur der kleinsten Materieteilchen und damit der Materie selbst.«

Den Anwesenden war rasch klar, dass einem außergewöhnlichen wissenschaftlichen Ereignis beiwohnten. Dennoch glaubte Heisenberg, die Neuigkeit zunächst auf den kleinen Kreis seiner Zuhörer in Göttingen beschränken zu können. Der Öffentlichkeit wollte er seine Formel erst zwei Monate später präsentieren, anlässlich einer Feier zum 100. Geburtstag von Max Planck in Berlin. Was Heisenberg nicht wusste: Unter den Gästen der Veranstaltung war auch ein Journalist, der über das Ereignis berichtete. Darüber hinaus bezeichnete dieser Heisenbergs Schöpfung als »Weltformel« und prägte damit einen Ausdruck, der seither aus der Physik nicht mehr wegzudenken ist. Viele Zeitungen rühmten Heisenbergs Arbeit, das Nachrichtenmagazin »Der Spiegel« nannte sie eine »wissenschaftliche Sensation vom Range des ersten Sputnik-Starts«. Vermutlich spielten bei alldem auch nationalistische Motive eine Rolle. Denn endlich konnten deutsche Physiker, die nach dem Zweiten Weltkrieg ihre einstige Führungsrolle in der Welt verloren hatten, etwas Bahnbrechendes auf ihrem Gebiet vorweisen. Heisenberg indes war verärgert über die Berichterstattung. »Am Montag habe ich im Physikalischen Kolloquium über unsere Arbeit vorgetragen«, schrieb er an seinen Freund Wolfgang Pauli. »Leider kam davon etwas in die Zeitung, natürlich in furchtbar dummer Form.«

Pauli, der als die graue Eminenz der theoretischen Physik galt, stand Heisenbergs Suche nach einer einheitlichen Theorie der Elementarteilchen zunächst wohlwollend gegenüber und beteiligte sich an deren Ausarbeitung. Zum Jahreswechsel 1957/58 hatte er Heisenberg wissen lassen: »Das Bild verschiebt sich mit jedem Tag. Alles ist im Fluss. Noch nicht publizieren, aber es wird etwas Schönes werden.« Wenig später reiste Pauli zu einer Vortragsreise in die USA und stellte an der New Yorker Columbia University die neue Theorie vor. Dabei stieß er auf heftige Kritik, die ihn selbst zu einer Umkehr veranlasste. »Plötzlich schrieb er mit ziemlich brüsk, er habe sich entschlossen, sich weder an der Bearbeitung des Gegenstandes noch an der Veröffentlichung zu beteiligen«, erinnerte sich Heisenberg später. »Wolfgang stellte sich mir fast feindlich gegenüber. Er kritisierte Einzelheiten unserer Analyse auch dort, wo mir diese Kritik unberechtigt schien.« Als Heisenberg in einem Radiovortrag erklärte, die neue Theorie sei praktisch fertig, es fehlten nur noch ein paar technische Details, schickte ihm Pauli im März 1958 eine Postkarte, auf der lediglich ein schwarzer Rahmen zu sehen war. Darunter stand die Sätze: »Das zeigt der Welt, dass ich malen kann wie Tizian. Es fehlen nur noch ein paar technische Details.«

Gleichwohl fuhr Heisenberg am 25. April 1958 nach Berlin und hielt in der Kongresshalle seinen angekündigten Festvortrag zum 100. Geburtstag von Max Planck. Im Auditorium drängten sich knapp 2000 Menschen, weitere 1000 saßen im Theatersaal und in der Vorhalle. Nachdem ein Orchester Werke von Mozart und Bach gespielt hatte, projizierte Heisenberg seine berühmte Materieformel an die Wand. Die Grundidee, die dieser zugrunde liegt, erläuterte er so: »Ich möchte die Elementarteilchen eigentlich nur als verschiedene Formen auffassen, in die sich die Energie begeben muss, um zu Materie zu werden. Diese Formen sind wohl im Wesentlichen die einzigen Formen, die es gibt.« Das heißt, laut Heisenberg gehen alle Elementarteilchen aus einer Ursubstanz hervor, die er mit seiner Formel zu beschreiben versuchte, und zwar so, dass deren Lösungen mit den Teilchen identisch sind.

Viele Physiker blieben skeptisch, auch aufgrund der ablehnenden Haltung Paulis, der im Dezember 1958 mit 58 Jahren an Krebs starb. Weder schien Heisenbergs Formel geeignet, nachprüfbare empirische Vorhersagen zu machen noch galt sie als mathematisch konsistent. Hinzu kam, dass im Jahr 1961 eine neue Theorie für Aufsehen in der Physik sorgte. Danach sollten - entgegen den Vorstellungen Heisenbergs - Teilchen wie Protonen und Neutronen aus noch kleineren Bausteinen bestehen, denen der US-Physiker Murray Gell-Mann den Namen Quarks gegeben hatte. Für Heisenberg hingegen waren Quarks nur virtuelle Teilchen, die für den Aufbau der Materie keine fundamentale Rolle spielten. Ein Irrtum, wie sich herausstellte. Nachdem die Quarks auch experimentell nachgewiesen worden waren, bildeten sie die Grundlage für das sogenannte Standardmodell der Elementarteilchenphysik, das anders als Heisenbergs Weltformel konkrete empirische Vorhersagen erlaubt, die bisher glänzend bestätigt werden konnten.

Aber auch das Standardmodell hat einen Schwachpunkt. Es beschreibt lediglich drei der vier Grundkräfte der Natur: die elektromagnetische Kraft, die starke Kraft, die den Atomkern zusammenhält und die schwache Kraft, die den radioaktiven Betazerfall vermittelt. Die Gravitation bleibt außen vor. Daher lebt der Traum von einer Weltformel, die alle Grundkräfte der Natur umfasst, in den Köpfen vieler Physiker weiter. Bekanntlich war schon Albert Einstein beinahe besessen von der Idee, Elektromagnetismus und Gravitation in einer universellen Theorie zu vereinen. Nachdem er die Gravitation im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie auf die Krümmung der Raumzeit zurückgeführt hatte, versuchte er auch das elektromagnetische Feld zu geometrisieren. Und scheiterte nicht zuletzt, weil er die von Heisenberg mitbegründete Quantenmechanik nicht anerkennen wollte.

Heute gehört die Vereinigung von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie zur sogenannten Quantengravitation zu den vordringlichen Aufgaben der theoretischen Physik. Einen vielversprechenden Ansatz hierfür bietet die Stringtheorie, die bereits in den 1970er Jahren in ihren Grundzügen entwickelt worden war. Während die herkömmliche Quantenphysik von punktförmigen, sprich nulldimensionalen Teilchen ausgeht, handelt die Stringtheorie von eindimensional ausgedehnten Objekten, sogenannten Strings (englisch: Fäden, Saiten), deren Schwingungszustände den einzelnen Elementarteilchen entsprechen. Da eine bestimmte Vibration eines geschlossenen Strings mit dem Graviton, dem Träger der Schwerkraft, identifiziert werden kann, sind manche Physiker überzeugt, dass die Stringtheorie der einzig gangbare Weg zur Vereinigung von Quantenphysik und Gravitationstheorie sei.

Allerdings hat eine solche Vereinheitlichung ihren Preis: Um zu funktionieren beziehungsweise zu schwingen, benötigen Strings eine zehndimensionale Raumzeit, von der wir lediglich die Zeitdimension und drei räumliche Dimensionen wahrnehmen. Die restlichen sechs Raumdimensionen sind eng zusammengerollt und damit zu klein, um sie in einem heute realisierbaren Teilchenbeschleuniger nachweisen zu können. Auch die Länge der Strings wird so gering veranschlagt, dass die eindimensionalen Fäden mit den derzeitigen experimentellen Mitteln nicht von punktförmigen Teilchen zu unterscheiden sind.

»Verglichen mit der modernen Stringtheorie, die über mehrere Jahrzehnte von vielen Physikern weltweit verfolgt wurde, erscheinen Heisenbergs frühe Versuche ziemlich lächerlich«, sagt Alexander Blum vom Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte. Zusammen mit Kollegen geht er seit Februar 2018 der Frage nach, warum sich bedeutende Physiker wie Einstein und Heisenberg überhaupt an Theorien abarbeiteten, »deren Zusammenhang mit empirischen Daten so dürftig war, dass diese kaum Hinweise auf die Struktur der Theorie liefern konnten«.

Offenkundig spielten hier ästhetische Gründe eine nicht zu unterschätzende Rolle. Ähnlich wie Einstein war auch Heisenberg fasziniert von der Eleganz und Schönheit seiner Theorie und nicht bereit, diese wegen fehlender experimenteller Belege aufzugeben. Zwar kann die von Experten so bezeichnete mathematische Eleganz eines Formalismus durchaus erkenntnisfördernd sein. Damit allein jedoch gelangt man zu keinen grundlegenden Wahrheiten über die Welt. In der Geschichte habe es schon häufiger Forderungen nach einer »postempirischen« Reform der wissenschaftlichen Methodik gegeben, sagt der dänische Wissenschaftshistoriker Helge Kragh. »Doch alle Versuche, die empirische Überprüfung durch andere Kriterien zu ersetzen, sind fehlgeschlagen.« Das musste am Ende auch Heisenberg erfahren. »Er widerrief seine Aussagen zwar nie und ruderte auch nicht zurück, sondern verfolgte mit einer Handvoll Mitarbeiter weiter seine Theorie«, sagt Blum. »Aber er präsentierte sie nicht mehr als die große neue Entdeckung vor einem größeren Publikum, und die Öffentlichkeit hörte in der Folge kaum mehr etwas über die weitere Entwicklung seiner Theorie.«

Heute ist die Heisenbergs Weltformel weitgehend vergessen, nicht jedoch der dahinter stehende Anspruch, eine allumfassende Theorie der Natur zu entwickeln. Dass es eine solche gibt, steht für viele Physiker nach wie vor außer Zweifel. Andere sehen die Sache skeptischer. »Woher nehmen wir überhaupt die Gewissheit, dass sich die Welt mit einer Theorie oder Formel vollständig beschreiben lässt?«, fragt etwa der britisch-amerikanische Astrophysiker Joseph Silk. »Möglicherweise bedarf es gar keiner allumfassenden Theorie der vier fundamentalen Kräfte, wenn sich die Gravitation - verstanden als Krümmung der Raumzeit - von der starken, schwachen und elektromagnetischen Kraft zwischen den Elementarteilchen unterscheidet.« Ein solcher Ansatz mag das ästhetische Empfinden vieler Physiker verletzen. Doch selbst die eleganteste Theorie bleibt Stückwerk, wenn sie an der Macht des Faktischen scheitert.

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