Wohin steuert die Physik (und wie schnell kommen wir dorthin)?

Die Zukunft gehört denen, die sich darauf vorbereiten, wie Wissenschaftler, die Bundesbehörden wie die NASA und das Energieministerium um Forschungsgelder ansuchen, nur allzu gut wissen. Der Preis für hochkarätige Instrumente wie ein Weltraumteleskop oder einen Teilchenbeschleuniger kann bis zu 10 Milliarden Dollar betragen.

Und so begann die Physik-Community im vergangenen Juni darüber nachzudenken, was sie als nächstes tun möchte und warum.

Das ist das Mandat eines von der National Academy of Sciences eingesetzten Komitees, genannt Elementarteilchenphysik: Fortschritt und Versprechen. Den Vorsitz teilen sich zwei prominente Wissenschaftler: Maria Spiropulu, Shang-Yi Ch’en-Professorin für Physik am California Institute of Technology, und der Kosmologe Michael Turner, emeritierter Professor an der University of Chicago, ehemaliger stellvertretender Direktor der National Science Stiftung und ehemaliger Präsident der American Physical Society.

In den 1980er Jahren gehörte Dr. Turner zu den Wissenschaftlern, die damit begannen, die Werkzeuge der Teilchenphysik zu nutzen, um den Urknall und die Entwicklung des Universums zu untersuchen, und das Universum, um etwas über die Teilchenphysik zu lernen. Dr. Spiropulu, geboren in Griechenland, gehörte 2012 zu dem Team, das das lang gesuchte Higgs-Boson bei der Europäischen Organisation für Kernforschung, bekannt als CERN, entdeckte; sie jetzt verwendet Quantencomputer, um die Eigenschaften von Wurmlöchern zu untersuchen. Der Bericht des Ausschusses soll im Juni 2024 veröffentlicht werden.

Kürzlich traf sich The Times mit den beiden Wissenschaftlern, um die Fortschritte der Gruppe, die Enttäuschungen der letzten 20 Jahre und die bevorstehenden Herausforderungen zu besprechen. Das Gespräch wurde aus Gründen der Klarheit und Kürze bearbeitet.

Warum diesen Ausschuss jetzt einberufen?

Turner: Ich habe das Gefühl, dass die Dinge in der Teilchenphysik noch nie so spannend waren, in Bezug auf die Möglichkeiten, Raum und Zeit, Materie und Energie und die fundamentalen Teilchen – wenn sie überhaupt Teilchen sind – zu verstehen. Fragt man einen Teilchenphysiker, wohin sich das Feld entwickelt, bekommt man viele unterschiedliche Antworten.

Aber was ist die große Vision? Was ist so spannend an diesem Bereich? Ich war 1980 so begeistert von der Idee der großen Vereinigung, und das sieht jetzt klein aus im Vergleich zu den Möglichkeiten, die vor uns liegen.

Sie beziehen sich auf Grand Unified Theories oder GUTs, die als ein Weg angesehen wurden, Einsteins Traum von einer einzigen Gleichung zu verwirklichen, die alle Kräfte der Natur umfasst. Wo stehen wir bei der Vereinigung?

Turner: Die Grundbausteine ​​der Materie sind unseres Wissens Quarks und Leptonen; die Regeln, denen sie unterliegen, werden durch die Quantenfeldtheorie, das so genannte Standardmodell, beschrieben. Neben den Bausteinen gibt es Kraftträger – das Photon, der elektromagnetischen Kraft; acht Gluonen der starken Farbkraft; die W- und Z-Bosonen der schwachen Kernkraft und das Higgs-Boson, das erklärt, warum manche Teilchen eine Masse haben. Die Entdeckung des Higgs-Bosons vervollständigte das Standardmodell.

Aber die Suche nach den Grundregeln ist noch nicht zu Ende. Warum zwei verschiedene Arten von Bausteinen? Warum so viele „Elementarteilchen“? Warum vier Kräfte? Wie passen dunkle Materie, dunkle Energie, Gravitation und Raumzeit zusammen? Die Beantwortung dieser Fragen ist Aufgabe der Elementarteilchenphysik.

Spiropulu: Der Clou ist, dass wir die Masse des Higgs nicht verstehen, die etwa 125 Mal die Masse eines Wasserstoffatoms ist.

Als wir die Higgs entdeckten, erwarteten wir als Erstes, diese anderen neuen supersymmetrischen Teilchen zu finden, weil die von uns gemessene Masse ohne ihre Anwesenheit instabil war, aber wir haben sie noch nicht gefunden. (Wenn das Higgs-Feld zusammenbrechen würde, könnten wir in ein anderes Universum sprudeln – und das ist natürlich noch nicht passiert.)

Das war ein bisschen niederschmetternd; Seit 20 Jahren jage ich die supersymmetrischen Teilchen. Wir sind also wie Rehe im Scheinwerferlicht: Wir haben keine Supersymmetrie gefunden, wir haben keine dunkle Materie als Teilchen gefunden.

Turner: Die Vereinigung der Kräfte ist nur ein Teil dessen, was vor sich geht. Aber es ist langweilig im Vergleich zu den größeren Fragen nach Raum und Zeit. Die Erörterung dessen, was Raum und Zeit sind und woher sie kommen, gehört heute in den Bereich der Teilchenphysik.

Aus Sicht der Kosmologie ist der Urknall der Ursprung von Raum und Zeit, zumindest aus Sicht der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie. Der Ursprung des Universums, Raum und Zeit sind also alle miteinander verbunden. Und hat das Universum ein Ende? Gibt es ein Multiversum? Wie viele Leerzeichen und Zeiten gibt es? Macht diese Frage überhaupt Sinn?

Spiropulu: Für mich ist die Vereinigung übrigens nicht langweilig. Sag nur.

Turner: Ich meinte relativ langweilig. Es ist immer noch sehr interessant!

Spiropulu: Der stärkste Hinweis auf die Einheit der Natur kommt aus der Teilchenphysik. Bei ausreichend hohen Energien scheinen die fundamentalen Kräfte – Schwerkraft, Elektromagnetismus und die starken und schwachen Kernkräfte – gleich zu werden.

Aber wir haben die Gottesskala in unseren Teilchenbeschleunigern noch nicht erreicht. Möglicherweise müssen wir die Frage also umformulieren. Meiner Ansicht nach bleibt das ultimative Gesetz ein hartnäckiges Rätsel, und die Art und Weise, wie wir es lösen, wird durch neues Denken erfolgen.

Turner: Mir gefällt, was Maria sagt. Es fühlt sich an, als hätten wir alle Teile des Puzzles auf dem Tisch; Es sieht so aus, als wären die vier verschiedenen Kräfte, die wir sehen, nur verschiedene Facetten einer vereinten Kraft. Aber das ist vielleicht nicht der richtige Weg, um die Frage zu formulieren.

Das ist das Markenzeichen großer Wissenschaft: Sie stellen eine Frage, und oft stellt sich heraus, dass es die falsche Frage ist, aber Sie müssen eine Frage stellen, nur um herauszufinden, dass es die falsche ist. Wenn ja, fragen Sie einen neuen.

Die Stringtheorie – die gepriesene „Theorie von allem“ – beschreibt die grundlegenden Teilchen und Kräfte in der Natur als schwingende Energiestränge. Gibt es Hoffnung am Horizont für ein besseres Verständnis? Diese angebliche Fadenbildung zeigt sich nur bei Energien, die millionenfach höher sind als das, was mit jedem Teilchenbeschleuniger jemals erreicht werden könnte. Einige Wissenschaftler kritisieren, dass die Stringtheorie außerhalb der Wissenschaft liegt.

Spiropulu: Es ist nicht testbar.

Turner: Aber es ist ein mächtiges mathematisches Werkzeug. Und wenn Sie sich den Fortschritt der Wissenschaft in den letzten 2.500 Jahren ansehen, von den Milesianern, die ohne Mathematik begannen, bis zur Gegenwart, war die Mathematik der Schrittmacher. Geometrie, Algebra, Newton und Analysis sowie Einstein und nicht-Riemannsche Geometrie.

Spiropulu: Ich würde mutiger sagen, dass die Stringtheorie ein Rahmen ist, wie andere Rahmen, die wir entdeckt haben, innerhalb derer wir versuchen, die physikalische Welt zu erklären. Das Standardmodell ist ein Framework – und in den Energiebereichen, in denen wir es testen können, hat sich das Framework als nützlich erwiesen.

Turner: Anders ausgedrückt: Wir haben neue Wörter und eine neue Sprache, um die Natur zu beschreiben. Mathematik ist die Sprache der Wissenschaft, und je mehr unsere Sprache angereichert ist, desto vollständiger können wir die Natur beschreiben. Wir werden abwarten müssen, was aus der Stringtheorie kommt, aber ich denke, es wird groß.

Zu den vielen Merkmalen der Stringtheorie gehört, dass die Gleichungen 10⁵⁰⁰ Lösungen zu haben scheinen – was 10⁵⁰⁰ verschiedene mögliche Universen oder sogar mehr beschreibt. Leben wir in einem Multiversum?

Turner: Ich denke, wir müssen uns damit auseinandersetzen, auch wenn es verrückt klingt. Und das Multiversum bereitet mir Kopfschmerzen; nicht prüfbar, zumindest noch nicht, es ist keine Wissenschaft. Aber es ist vielleicht die wichtigste Idee unserer Zeit. Es ist eines der Dinge auf dem Tisch. Kopfschmerzen hin oder her, wir müssen damit umgehen. Es muss nach oben oder unten gehen; Entweder ist es Teil der Wissenschaft oder es ist kein Teil der Wissenschaft.

Warum gilt es als Triumph, dass das Standardmodell der Kosmologie nicht sagt, was 95 Prozent des Universums sind? Nur 5 Prozent davon sind atomare Materie wie Sterne und Menschen; 25 Prozent sind eine andere „dunkle Materie“, und etwa 70 Prozent sind etwas noch Seltsameres – Mike hat es „dunkle Energie“ genannt – das bewirkt, dass sich das Universum mit einer beschleunigten Geschwindigkeit ausdehnt.

Turner: Das ist ein großer Erfolg, ja. Wir haben alle wichtigen Komponenten benannt.

Aber Sie wissen nicht, was die meisten von ihnen sind.

Spiropulu: Wir geraten ins Stocken, wenn wir sehr tief greifen. Und irgendwann müssen wir umschalten – die Frage oder die Methodik ändern. Letztendlich ist das Verständnis der Physik des Universums kein Kinderspiel. Es bleiben mehr Fragen unbeantwortet als beantwortet werden.

Wenn Vereinigung die falsche Frage ist, was ist dann die richtige?

Turner: Ich glaube nicht, dass man über Raum, Zeit, Materie, Energie und Elementarteilchen sprechen kann, ohne über die Geschichte des Universums zu sprechen.

Der Urknall sieht aus wie der Ursprung von Raum und Zeit, und so können wir fragen: Was sind Raum und Zeit wirklich? Einstein hat uns gezeigt, dass sie nicht nur der Ort sind, an dem Dinge passieren, wie Newton sagte. Sie sind dynamisch: Raum kann sich biegen und Zeit kann sich verziehen. Aber jetzt sind wir bereit, die Frage zu beantworten: Woher kamen sie?

Wir sind Geschöpfe der Zeit, also denken wir, dass es im Universum nur um Zeit geht. Und das ist vielleicht die falsche Art, das Universum zu betrachten.

Wir müssen uns daran erinnern, was Sie zuvor gesagt haben. Viele der Werkzeuge in der Teilchenphysik brauchen sehr lange Entwicklungszeit und sind sehr teuer. Diese Investitionen zahlen sich immer aus, oft mit großen Überraschungen, die den Lauf der Wissenschaft verändern.

Und das macht Fortschritte schwierig. Aber ich bin optimistisch in Bezug auf die Teilchenphysik, weil die Möglichkeiten noch nie so groß waren und das Gebiet seit Jahren an der Spitze der Wissenschaft steht. Die Teilchenphysik hat große, globale Wissenschaft und nationale und jetzt globale Einrichtungen erfunden. Wenn die Geschichte ein Leitfaden ist, wird sie nichts daran hindern, die großen Fragen zu beantworten!

Der Bau des James-Webb-Weltraumteleskops dauerte drei Jahrzehnte.

Spiropulu: Weltraum – Bingo!

Turner: Ich meine, in der Wissenschaft dreht sich alles um große Träume. Manchmal sind die Träume außerhalb Ihrer unmittelbaren Reichweite. Aber die Wissenschaft hat es der Menschheit ermöglicht, große Dinge zu tun – Covid-Impfstoffe, den Large Hadron Collider, das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium, das Webb-Teleskop – die unsere Vision und unsere Macht erweitern, unsere Zukunft zu gestalten. Wenn wir heutzutage diese großen Dinge tun, tun wir sie gemeinsam. Wenn wir weiterhin groß träumen und zusammenarbeiten, stehen noch erstaunlichere Dinge bevor.