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Die perfekte Welle

Die perfekte Welle

Mit Neutrinos an die Grenzen von Raum und Zeit oder warum Teilchenphysik wie Surfen ist

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Die perfekte Welle — Inhalt

Teilchenphysik hat viel von Science Fiction. Zum Beispiel Zeitreisen. Die hält der Dortmunder Physikprofessor Heinrich Päs nämlich für durchaus möglich. Noch werden keine Menschen in einer Zeitmaschine sitzen. Wohl aber die Neutrinos. Diese super-leichten, flüchtigen Elementarteilchen sind Päs' faszinierender Forschungsgegenstand. Ihre geringe Masse könnten sie der Tatsache verdanken, dass sie sich zum Teil in Extradimensionen befinden. Dimensionen, die der Mensch nicht wahrnehmen kann. Dimensionen außerhalb von Raum und Zeit. Heinrich Päs über eines der spannendsten Phänome der Physik.

€ 9,99 [D], € 9,99 [A]
Erschienen am 08.09.2011
288 Seiten, WMEPUB
EAN 978-3-492-95383-2

Leseprobe zu »Die perfekte Welle«

Warnung vorweg

 

In diesem Buch sind etablierte wissenschaftliche Erkenntnisse mit wilden Spekulationen vermischt, die zwar gut begründet und wohl motiviert sein können, aber keinesfalls bestätigt sind. Beide – fundierte Wissenschaft und Spekulation – können auf den ersten Blick verrückt erscheinen, es ist also gut, diesen Unterschied im Kopf zu behalten :

 

»All I can say is that sometimes truth is more strange than the fiction. «
Vikas Swarup, Slumdog Millionaire

 

Von den hier abgehandelten Themen entsprechen die Quantenphysik in Kapitel 3, die [...]

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Warnung vorweg

 

In diesem Buch sind etablierte wissenschaftliche Erkenntnisse mit wilden Spekulationen vermischt, die zwar gut begründet und wohl motiviert sein können, aber keinesfalls bestätigt sind. Beide – fundierte Wissenschaft und Spekulation – können auf den ersten Blick verrückt erscheinen, es ist also gut, diesen Unterschied im Kopf zu behalten :

 

»All I can say is that sometimes truth is more strange than the fiction. «
Vikas Swarup, Slumdog Millionaire

 

Von den hier abgehandelten Themen entsprechen die Quantenphysik in Kapitel 3, die Teilchenphysik in Kapitel 4 und die Bedeutung der Symmetrien in den Kapiteln 5 und 6 dem aktuellen Stand der Wissenschaft genauso wie die Entdeckung der Neutrinos und ihrer Massen in den Kapiteln 7 und 9. Das gilt auch für die Spezielle und die Allgemeine Relativitätstheorie in Kapitel 13 und einen Großteil der Kosmologie in Kapitel 10. Die Erweiterung des Symmetriebegriffs zu GUT-Theorien und Supersymmetrie sowie die kosmische Inflation sind Spekulationen, die gleichwohl die Hoffnungen und Erwartungen eines Großteils der gegenwärtig aktiven Teilchenphysiker und Kosmologen widerspiegeln. Stringtheorie und Extra-Dimensionen sind ebenfalls Spekulationen, die von vielen Physikern allerdings als » wilder « betrachtet werden, da sie sich stärker von etablierten Theorien unterscheiden, weniger gut motiviert erscheinen oder schwieriger im Experiment nachzuweisen sind. Abkürzungen in Extra-Dimensionen sind Spekulationen zum Quadrat, und Zeitreisen in Extra-Dimensionen sind Spekulationen … nun ja, mindestens hoch drei, aber manch seriöser Wissenschaftler wird sie wohl eher als hoch 1000 ansehen. Andererseits hat die Physik uns in der Vergangenheit oft mit scheinbaren Paradoxien überrascht : Gleichzeitigkeit ist subjektiv, die strikte Kausalität gibt es nicht mehr, und Uhren gehen langsamer, wenn man sich bewegt. Es ist nicht undenkbar, dass uns auch die Physik der Zeitreise wieder verblüfft.
Wissenschaftliche Spekulationen sind ein großer Spaß – aber nicht nur das : Sie sind ein notwendiger Bestandteil der Wissenschaft, wenn diese sich fortentwickeln will. Natürlich verlangen Spekulationen nach einem kritischen Geist, der genau prüft, was er glauben, was er genauer untersuchen und was er als unwahrscheinlich verwerfen will. Aber wer die Wissenschaft in ihrer momentanen Lebendigkeit und Faszination einfangen möchte, der kommt nicht umhin, der Spekulation ein wenig Raum einzuräumen:

 

» The wild ideas of yesterday quickly become today’s dogma.«
Sheldon Glashow, Physik-Nobelpreis 1979

 

 

 

1

 

Dawn Patrol in Honolulu

 

Als Postdoc hat man den verrücktesten Job auf der Welt. Man promoviert mit allen Ehren an einer angesehenen Universität, und zeitgleich mit der Verleihung des Doktortitels befördern sie einen mit einem Tritt in den Hintern hinaus. Man bewirbt sich in aller Welt und hat keinen blassen Schimmer, auf welchem Kontinent oder in welcher Zeitzone man in ein paar Monaten landet. Dann kommt man an einer neuen Uni unter, wird bezahlt und kann kommen und gehen und im Wesentlichen tun und lassen, was man will. Denkt über die esoterischsten Fragen nach, die einem in den Sinn kommen: Woraus besteht alle Materie? Was passiert am Anfang und am Ende des Universums? Was ist Zeit? Alles, was von einem verlangt wird, ist, dass man aufschreibt, welche Einsichten man auch immer gewinnt, und das in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht. Bis man zwei Jahre später – egal wie gut man war – wieder rausfliegt und sich die ganze Geschichte wiederholt …
So hatte es mich auf die andere Seite der Welt verschlagen, wo ich im Morgengrauen eines Februartages leicht fröstelnd neben meinem dänischen Freund Ketil am Strand von Waikiki stand und prüfend auf die Brandung starrte, die aus den Weiten des Pazifiks heranrollte. Bis sich schließlich einer von uns überwand, sein Board ins Wasser schob und anfing, rauszupaddeln in Richtung Break, während die aufgehende Sonne langsam über den Rand des Diamond-Head-Kraters kletterte.
Surfen rangiert auf Hawaii irgendwo zwischen Volkssport und Religion, als aktiver Zeremoniendienst für den heidnischen Wetter- und Spielgott Lono1, aber was mich am Surfen immer vor allem begeistert hat, ist die Plötzlichkeit der Erfahrung. Anfangs ist das Wasser oft spiegelglatt, aber nach ein paar Hundert Metern Paddeln erreicht man ein in die ersten Sonnenstrahlen getauchtes Riff, an dem sich leise wie durch Geisterhand eine winzige Schwingung im Meerwasser, die Tausende Kilometer entfernt durch einen Sturm erzeugt wurde, zu einer Welle auftürmt. Die Welle verwandelt sich schnell in eine beeindruckende blau-grüne Wand, bis sie sich schließlich in einem Teppich brodelnder, schneeweißer Brandung bricht. Eine Wand, die, wenn man es nach zahlreichen Fehlversuchen mit müden Armen und schmerzendem Kopf schafft, sie zu catchen, einen mit atemberaubender Beschleunigung nach vorn katapultiert und in einem Meer von Adrenalin badet.

 

 

 

Abb. 1.1 : Blick über Waikiki auf den Diamond-Head-Vulkan.

 

Physikalische Ideen sind wie die Wellen vor Hawaii – sie scheinen von nirgendwo zu kommen, packen einen plötzlich und unerwartet und reißen einen in einen berauschenden Trip. Später an solchen Tagen saß ich dann in Seminaren und träumte von brechenden Wellen, oder ich streifte ziellos über den Manoa Campus der University of Hawaii, den Blick auf die regenwaldüberwucherten Cliffs gerichtet, während mein Hirn ein wüstes Durcheinander von Surfclips und Gedanken über mein gegenwärtiges Physikprojekt abspulte. An einem dieser Nachmittage sprang mir dabei folgendes Bild ins Bewusstsein : Angenommen, unser Universum mit seinen drei Raum- und einer Zeitdimension ist in einen Raum mit vielen zusätzlichen Dimensionen eingebettet und liegt darin wie ein Teppich in einem x-beliebigen Wohnzimmer: Kann dieser Teppich dann Falten werfen? Und angenommen, es gibt Elementarteilchen, die sich nicht nur in den geläufigen 3 + 1-Dimensionen bewegen können, sondern im gesamten mehrdimensionalen Raum: Können diese Teilchen, anstatt den Falten des Teppichs zu folgen, die Abkürzung längs des Fußbodens nehmen? Können sie, wie ein Surfer unter einer entgegenkommenden Welle hindurchtaucht, einen duck dive machen und dabei schneller sein als alles, was sich längs der aufgewühlten Oberfläche bewegt? Wie würde das dann für einen Beobachter im Teppich- oder Meeeresoberflächenuniversum aussehen, sollten sich diese exotischen Teilchen gar schneller als Licht bewegen? Würden sie, einem bekannten Paradox der Relativitätstheorie zufolge, in der Zeit zurückreisen ?
Allein die Bestandteile dieser Idee scheinen auf den ersten Blick absurd. Warum sollte das Universum mehr als drei Dimensionen haben, und selbst wenn es Gründe dafür gäbe, wo zum Teufel sollten diese zusätzlichen Dimensionen sein? Was hat es mit diesen exotischen Elementarteilchen auf sich? Und was hat unser Universum mit einem faltigen Teppich oder der Wasseroberfläche des Pazifiks an einem Wintertag zu tun? Warum sollte, was sich schneller als Licht bewegt, in der Zeit zurückreisen ? Wie soll so etwas überhaupt möglich sein ?
Das alles ist Teil einer langen Geschichte, deren Anfänge über 3000 Jahre in das antike Griechenland zurückreichen, die sich in den Zwanzigerjahren in Europas Universitäten fortsetzt und Anstöße aus der Science Fiction und aktuellen Experimenten an den Elementarteilchenforschungszentren CERN in Genf und Fermilab in Chicago erhält. Eine wahre Geschichte, die zeitweise an den Plot eines Mysterythrillers erinnert, mit Geheimkulten, toten Philosophen, bewusstseinserweiternden Drogen, dem mysteriösen Verschwinden genialer Wissenschaftler, unterirdischen Forschungslabors und Experimenten in der Arktis. Die Geschichte eines Elementarteilchens, das wie der Silver Surfer im Superheldencomic an die Grenzen des Wissens, des Universums und der Zeit surft. Eine Geschichte, die einen, je mehr man darüber lernt, zunehmend fesseln und schließlich in ihren Strudel reißen kann wie in ein überdimensioniertes Wunderland.
Spring auf dein Bord, und krall dich gut fest!

 

2

 

 

 

Eleusis, Platon, Magic Mushrooms

 

3000 Jahre REWIND : Es waren die Griechen, die anfingen, die Welt als Objekt zu betrachten und rational zu analysieren. Die den Grundstein legten für die wissenschaftliche Betrachtung und damit das abendländische Weltbild. Aber es scheint, dass sie auch litten an dieser Trennung von Ich und Welt, von Subjekt und Objekt. Und dass sie sich tief im Innern ihrer Seelen einen Zugang bewahren mussten zu dem berauschenden Gefühl der Einheit alles Seienden. So kann man noch im 19. Jahrhundert den deutschen Philosophen Nietzsche schwärmen hören:
Gab es in jenen Jahrhunderten, wo der griechische Leib blühte, die griechische Seele von Leben überschäumte, vielleicht endemische Entzückungen? Visionen und Halluzinationen, welche sich ganzen Gemeinden, ganzen Kultveranstaltungen mitteilten? Wie? … wenn es gerade der Wahnsinn war, …, der die größten Segnungen über Hellas gebracht hat?2

 

Die Entzückungen, Visionen und Halluzinationen hatten im antiken Griechenland einen festen Platz: Etwa dreißig Kilometer nordwestlich von Athen, zwischen Rohölraffinerien und einem Militärflughafen, liegt in der kleinen Stadt Elefsina der Schauplatz des wahrscheinlich geheimnisvollsten und heiligsten Kultes der antiken Welt:
Glückselig ist der von den Menschen auf Erden, der das geschaut hat! Wer nicht in die heiligen Mysterien eingeweiht wurde, wer keinen Teil daran gehabt, bleibt ein Toter in dumpfer Finsternis 3, heißt es in einem homerischen Hymnus.

 

Über 2000 Jahre lang wurden in Eleusis jährlich bis zu 3000 Menschen in einem bei Androhung der Todesstrafe geheim zu haltenden Ritus geweiht, darunter römische Kaiser und Politiker wie Cicero, Hadrian und Marc Aurel, Dichter wie Pindar, Pausanias und Sophokles und Philosophen wie Platon, aber auch Sklaven, Prostituierte und einfache Bürger. In einem Ritus, der den Zyklus des Lebens und der Jahreszeiten, die Einheit von Leben und Tod feiert und dessen Spuren man bis heute in Wissenschaft und Kunst wiederfindet.
Der Legende zufolge hatte der Todesgott Hades mit Billigung des Zeus Persephone, die Tochter der Fruchtbarkeits- und Erntegöttin Demeter, beim Blumenpflücken überwältigt und in die Unterwelt entführt. Aus Trauer lässt Demeter die Felder verdorren, die Blumen verblühen und Menschen und Götter hungern. Schließlich lenkt Zeus als oberster Gott des Olymps ein und befiehlt seinem Bruder Hades, Persephone zurück an die Erdoberfläche zu ihrer Mutter zu bringen. Hades gehorcht dem Befehl des Zeus, gibt Persephone vor ihrer Rückkehr aber noch listig einen Granatapfelkern als Wegzehrung zu essen. Als Demeter beim freudigen Wiedersehen in Eleusis erfährt, dass Persephone im Totenreich gegessen hat, wird ihr bewusst, dass ihre Tochter nicht mehr für immer auf der Erde bleiben kann: Jeder, der in der Unterwelt Speisen zu sich genommen hat, ist den Mächten des Todes verfallen. Schließlich einigen sich Zeus und Demeter auf einen Kompromiss: Ein Drittel des Jahres muss Persephone fortan bei Hades in der Unterwelt verbringen, Demeter trauert und auf der Erde herrscht Winter, zwei Drittel des Jahres darf sie jedoch bei ihrer Mutter sein, und in dieser Zeit tragen die Felder wieder reiche Ernte.

 

 

 

Abb. 2.1 : Blick in die Weihehalle Telesterion in Eleusis.

 

Die Feier der zyklischen Wiederkehr der Persephone ist von ihren Ursprüngen aus archaischen Fruchtbarkeitsriten zu einem Sinnbild von Tod und Geburt, vom Kreislauf des Lebens gereift. Aber sie charakterisiert auch den Übergang von der Verehrung der Weltmuttergöttin Demeter zur Herrschaft des Politkabinetts der neuen olympischen Gottheiten, die als Metapher für die Wandlung einer Ackerbau- zur Kriegergesellschaft und zur modernen Individuation steht. Und so symbolisiert sie schließlich – mit der Wiedervereinigung der Göttinnen – auch ein Wiederfinden der im täglichen Leben verloren gegangenen ursprünglichen Einheit mit dem Kreislauf der Natur. Und damit die Auflösung einer Spannung, die tief in der Seele des griechischen Altertums verwurzelt zu sein scheint.
Für die Initianden der Mysterien gehörten die kultischen Feiern zu den wichtigsten Erfahrungen ihres Lebens. Sie hatten bereits bei den kleinen Mysterien im Frühsommer den Tod der Persephone durchlebt und sich so auf die großen Mysterien im Spätsommer vorbereitet. Sie hatten gefastet, sich im Meer gewaschen, ein Ferkel geopfert, waren auf der Heiligen Straße mit Myrtenkränzen geschmückt der Prozession mit den Kultgegenständen und Götterstatuen gefolgt und hatten sich an der Brücke über den kleinen Fluss verspotten und beschimpfen lassen. In Eleusis angekommen, wurden sie der Gottheit geweiht und erlebten die verschiedenen Stationen von Demeters Suche, Schrecken, Trauer und Wiedersehensfreude nach. Sie tanzten am Brunnen und tranken den Kykeon, ein Gebräu aus Gerste und Minze, wurden noch einmal durch Feuer und Luft gereinigt, durften den heiligen Phallus und den Mutterschoß berühren und erlebten die Schrecken von furchterregenden Erscheinungen an der Grotte des Hades, dem Zugang zur Unterwelt. Schließlich fanden sie nach einer Zeit des Herumirrens die Weihehalle Telesterion (Abb. 2.1), wo sie am heiligen Feuer den Bekenntnisschwur ablegten und der heiligen Schau der Kultgegenstände beiwohnten. Den Höhepunkt der Weihenacht aber bildete die Erscheinung der Persephone selbst. Nach der Opferung eines Widders wurde die Totengöttin angerufen, die schließlich in ihrer Inkarnation als Fruchtbarkeitsgöttin in strahlendem Licht erscheint. Mit sich trägt sie als Frucht ihres Leibes ihren Sohn Brimos, den Keim des Lebens, den sie zurück aus dem Erdinneren und dem Reich des Todes ans Licht bringt. Gemäß der zyklischen Symbolik der Kulthandlung ist Demeter zugleich Persephone, und Brimos ist Hades und zugleich Dionysos.4 Der Gott des Korns und des Wohlstands ist gleich dem Gott des Todes ist gleich dem Gott des Weines, der Fruchtbarkeit und der Ekstase. Vater ist gleich Sohn und damit Urbild des unzerstörbaren Lebens.5
Das Verständnis des Eleusiskults und vor allem der Rolle des geheimnisvollen Kykeon-Tranks nahm eine entscheidende Wendung, als am 19. April 1943 ein junger Chemiker eine heute legendäre Fahrradfahrt startete. Albert Hofmann war eigentlich eine eher biedere Persönlichkeit, ein Typ, der seinem Lieblingsschriftsteller Ernst Jünger ein Gläschen selbst gemachten Honigs zukommen lässt. Hofmann hatte seit einigen Jahren mit verschiedenen Derivaten der Lysergsäure experimentiert, des gemeinsamen Bausteins der in einem Getreidepilz namens Mutterkorn vorkommenden Alkaloide. Bei der Synthese des Lysergsäure-Diäthylamids – kurz LSD – hatte Hofmann festgestellt, dass Tiere im Tierversuch unruhig wurden, und er selbst verspürte bei einer nochmaligen Synthese einige Jahre später ungewöhnliche Empfindungen. Um dieser Wirkung auf den Grund zu gehen, entschloss er sich zum Selbstversuch mit der kleinsten Menge, bei der überhaupt eine Wirkung zu erwarten war. Allerdings war LSD mehr als 100-fach wirksamer als vergleichbare psychoaktive Substanzen, und so schoss Hofmann sich ins Nirwana: Innerhalb einer knappen Stunde stellten die Serotonin-Neuronen in Hofmanns Hirn das Feuern ein, während die postsynaptischen Neuronen im Locus caeruleus, einem kleinen Gebiet im Hirnstamm, einen extrem sensibilisierten Zustand erreichten und jeden Wahrnehmungsimpuls mit wilden Feuersalven auf das gesamte Gehirn quittierten :

 

Würden die Pforten der Wahrnehmung geöffnet, erschiene den Menschen alles, wie es ist, unendlich oder Break on through to the other side !,
dichteten William Blake oder die Doors.

Über Heinrich Päs

Biografie

Heinrich Päs, Jahrgang 1971, ist Professor für theoretische Hochenergie- und Astroteilchen-Physik an der TU Dortmund. Er forscht über Neutrinos und Theorien jenseits des Standardmodells. Seine Forschung hat bereits Verwendung in einem Thriller gefunden. Der feierfreudige Surfer und Weltenbummler...

Pressestimmen

Spektrum der Wissenschaft

»Rechnen Sie (...) mit einem außergewöhnlichen Einblick in die moderne Physik.«

Die Zeit

»Schilderungen von Surferlebnissen und Besuchen von Sexshows auf der Reeperbahn gehen dabei fast bruchlos über in Diskussionen physikalischer Feinheiten – das Buch atmet jene Mischung aus mathematischer Seriosität und kreativem Spinnertum, die für wissenschaftliche Fortschritte häufig notwendig ist.«

Bild der Wissenschaft

»Fulminantes Buch.«

Welt am Sonntag

Päs erzählt (...) spannende Geschichten: über Forscher-Typen wie Werner Heisenberg (...) und seinen dunklen Gegenpart Wolfgang Pauli. Bei aller Leidenschaft für sein Fach hat Heinrich Päs den Blick fürs große Ganze bewahrt.«

Bücher

»Päs beschreibt die komplexen Zusammenhänge spannend und in einer klaren, oft lässigen, gut verständlichen Sprache. Eine lohnende, aber auch anspruchsvolle Lektüre.«

Spektrum Direkt

»Päs schaut gerne über den Tellerrand und zeigt viele interessante Verbindungen auf. (...) Informativ und erfrischend offen.«

Bayerischer Rundfunk

»Wenn Heinrich Päs mit Neutrinos unterwegs ist zu den Grenzen von Raum und Zeit, dann mag das das märchenhafteste von allen Büchern sein.«

Inhaltsangabe

Inhalt

Warnung vorweg

1 Dawn Patrol in Honolulu

2 Eleusis, Platon, Magic Mushrooms

3 Quantenphysik: das Multiversum des Parmenides

4 Schwarze Punkte auf weißer Fläche: die Teilchenwelt

5 Jenseits der Wüste: Symmetrien & Vereinheitlichung

6 Von der Symmetriebrechung zur Supersymmetrie

7 Die Geburt eines Outlaws: das Neutrino

8 Kernzerfälle tausend Meter unter der Erde

9 Die neue Physik fällt vom Himmel

10 Kosmische Verbindungen

11 Neutrinos als Schlüssel zum Universum

12 Extra-Dimensionen, Strings und Branes

13 Einsteins Erbe: Was ist Zeit?

14 Wie baut man eine Zeitmaschine?

15 Gegen Hawking und die Timekeepers

16 Hinein in die Wildnis der Teraskala

17 Epilog: Major Tom und der singende Sokrates

Danksagung

Anmerkungen

Weiterführende Literatur

Personenregister

Sachregister

Bildnachweis

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