Was passiert, wenn wir wissenschaftliche Theorien nicht testen können?

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Wenn eine wissenschaftliche Theorie elegant ist und mit bekannten Fakten übereinstimmt, muss sie dann durch Experimente getestet werden? Wissenschaftliches Wissen soll empirisch sein: Um als wissenschaftlich akzeptiert zu werden, muss eine Theorie falsifizierbar sein, d.h. es muss zumindest prinzipiell möglich sein, sie empirisch zu widerlegen. Dieses Argument wurde 1934 von dem Philosophen Karl Popper vorgebracht und wird heute von den meisten Wissenschaftlern allgemein akzeptiert, um zu bestimmen, was eine wissenschaftliche Theorie ist und was nicht.

In den letzten Jahren haben jedoch viele Physiker Theorien von großer mathematischer Eleganz entwickelt, die sich jedoch einer empirischen Falsifizierung entziehen, und sei es nur im Prinzip. Es stellt sich die unangenehme Frage, ob sie noch als Wissenschaft angesehen werden können. Einige Wissenschaftler schlagen vor, die Definition dessen, was „wissenschaftlich“ ist, zu lockern, während andere befürchten, dass dies Pseudowissenschaftlern oder Scharlatanen Tür und Tor öffnen könnte, um die Öffentlichkeit in die Irre zu führen und gleichberechtigten Raum für ihre Ansichten zu beanspruchen.

Die Frage, ob hochtheoretische wissenschaftliche Ideen einer experimentellen Prüfung unterzogen werden können, ist ein Thema für die fortschrittlichsten und mächtigsten Ideen in der Welt der Physik. Die Stringtheorie und die Idee des „Multiversums“ – die Existenz mehrerer Universen – sind zwei führende Theorien, die versuchen, die grundlegendsten Eigenschaften der physikalischen Welt zu erklären. Beide Ideen haben eine große theoretische Anziehungskraft. Die Stringtheorie ist nicht per se unüberprüfbar – aber bisher ist sie nicht erfolgreich gewesen. In experimenteller Hinsicht kann man sich eine zukünftige Technologie vorstellen, die – zumindest theoretisch – in der Lage ist, Teilchen auf die so genannte Planck-Energieskala zu beschleunigen. Dies ist ein Energieniveau, das tausend Billionen Mal höher ist als das, was mit dem Large Hadron Collider (LHC) erzeugt werden kann, und der Punkt, an dem die Auswirkungen der Stringtheorie sichtbar werden sollen. Die Multiversumstheorie stellt scheinbar unüberwindbare Hindernisse für Experimente dar, da andere Universen an sich nicht nachweisbar sind, obwohl Physiker auch hier Wege vorschlagen, um auf ihre Existenz zu schließen.

Bewegt sich die Physik auf eine Ära zu, in der Eleganz ausreicht und in den Bereich der Theorien übergeht, die sich dem experimentellen Nachweis entziehen? Oder bleibt der empirische Beweis der Schiedsrichter der Wissenschaft?

Die Stringtheorie ist ein Versuch, eine einheitliche Theorie der Teilchen und Kräfte zu entwickeln, und trat erstmals vor 30 Jahren auf den Plan. Die Theorie geht davon aus, dass winzige eindimensionale Gebilde – Strings – in höheren Dimensionen als den uns derzeit bekannten existieren und dass diese seltsamen hochdimensionalen Phänomene der gesamten Physik zugrunde liegen. Seit ihrer Entwicklung werden die Techniken der Stringtheorie von Mathematikern in großem Umfang und erfolgreich eingesetzt. Doch die ursprüngliche Motivation, eine wissenschaftliche Theorie zu schaffen, die die Gesetze für das Verhalten von Teilchen und Kräften vereinheitlicht, ist ins Stocken geraten. Der Kosmologe George Ellis, ehemaliger Professor an der Universität von Kapstadt und eine weltweite Autorität auf dem Gebiet der Physik des Kosmos, bezeichnet die Stringtheorie als „eine Erforschung faszinierender mathematischer Strukturen, die mit dem physikalischen Universum zu tun haben können oder auch nicht. In Bezug auf ihre Anwendbarkeit auf das reale Universum ist sie also eher eine hypothetische Wissenschaft als eine überprüfbare Wissenschaft.“

Frank Wilczek, Physikprofessor am Massachusetts Institute of Technology und Träger des Nobelpreises für Physik 2004, beschreibt die derzeitige Situation so: „In der Gemeinschaft der Stringtheoretiker gibt es viele ernsthafte und begabte Menschen, die versuchen, die Natur zu verstehen, und es wäre verrückt, sie aus der Wissenschaft auszuschließen. Aber für mich sind die Teile der Wissenschaft, die mit wenigen Annahmen viel über die Welt erklären, die beeindruckendsten und wichtigsten, und unter diesem Gesichtspunkt ist die Stringtheorie verbesserungswürdig.“

Die Herausforderung, die Wilczek und Ellis stellen, ist die Frage, ob durch Experimente jemals Beweise für die Stringtheorie gefunden werden können. Eine Untersuchungslinie betrifft ein zentrales Element der Theorie. Diese besagt, dass jedes Teilchen der Materie, wie Elektronen oder Quarks, einen Partner unter den Teilchen hat, die Kräfte übertragen – „Bosonen“ wie das Photon und Gluonen. Diese Eigenschaft wird als Supersymmetrie bezeichnet. Wilczek merkt an, dass sie „ein wichtiger Bestandteil der Stringtheorie ist. Der Nachweis der Supersymmetrie wurde jedoch am LHC, dem Teilchenbeschleuniger an der französisch-schweizerischen Grenze, noch nicht erbracht. Der LHC ist die weltweit energiereichste Anlage und damit die am besten ausgestattete, um die Supersymmetrie zu testen. Im Juli 2012 feierte der Beschleuniger einen viel beachteten Erfolg, als er die Existenz des Higgs-Bosons bestätigte, des Teilchens, das einigen fundamentalen Teilchen ihre Masse verleiht.

Die Entdeckung war deshalb so wichtig, weil sie das „Standardmodell“ der Teilchen und Kräfte vervollständigte: die Kerntheorie, die Physiker über die grundlegenden Bausteine der Natur entwickelt haben. Dennoch gibt es derzeit keine empirischen Beweise für eine Physik – wie etwa die Supersymmetrie -, die außerhalb des Standardmodells liegt. Folgt man Poppers Leitlinien für das, was wissenschaftlich ist, müssten wir sagen, dass die Stringtheorie derzeit außerhalb der Wissenschaft steht.

Dennoch sind die Physiker optimistisch, dass bei der Suche nach einer bestimmten Art von Materie, den so genannten „dunklen Teilchen“, bald ein Durchbruch erzielt werden könnte. Die Supersymmetrie sagt die Existenz von Teilchen voraus, deren Eigenschaften mit denen der dunklen Materie übereinstimmen könnten. Wenn Wissenschaftler also Beweise für dunkle Materie finden könnten, würde dies die Theorie der Supersymmetrie stützen und als erster Schritt zur Schaffung einer empirischen Grundlage für die Stringtheorie gelten.

Physiker beobachten seit langem, dass die Bewegungen von Sternen und die Wechselwirkungen von Galaxien darauf hindeuten, dass sie mehr Gravitationskraft spüren, als durch sichtbare Sterne erklärt werden kann. Man nimmt an, dass diese fehlende Anziehungskraft von dunkler Materie ausgeübt wird.

Wilczek ist optimistisch, dass der LHC einen Durchbruch bringen könnte. Seine Hoffnungen werden von Rolf-Dieter Heuer, dem Generaldirektor des Cern, das den LHC betreibt, geteilt. Seiner Meinung nach wird die höhere Energie des renovierten LHC „ein Fenster für direkte Entdeckungen jenseits des Standardmodells öffnen“. Nach Ansicht von Steven Weinberg, dem Nobelpreisträger, dessen Arbeit für die Entwicklung des Standardmodells von zentraler Bedeutung war, wäre die Entdeckung der Teilchen der dunklen Materie „das Aufregendste von allem“.

Theoretisch könnte die Wissenschaft also den Beweis für die Gültigkeit der Supersymmetrie finden. Dasselbe gilt für die dunkle Materie. Beide würden die Stringtheorie nicht bestätigen, aber sie wären ein erster Schritt. Die Idee ist also im Prinzip offen für empirische Tests.

Die Multiversumstheorie ist jedoch problematischer. Da es keine Möglichkeit der Kommunikation zwischen uns und anderen Universen gibt, gibt es keine empirische Möglichkeit, die Multiversumstheorie zu testen. George Ellis weist ausdrücklich auf diesen Punkt hin: „In einem allgemeinen Multiversumsmodell wird alles, was passieren kann, irgendwo passieren, so dass alle Daten untergebracht werden können. Daher kann es durch keinerlei Beobachtungstest widerlegt werden.“ Daraus folgt, dass das Multiversumskonzept außerhalb der Wissenschaft liegt.

„Mathematische Werkzeuge ermöglichen es uns, die Realität zu untersuchen, aber die mathematischen Konzepte selbst implizieren nicht notwendigerweise die physikalische Realität.“

Solange der Mensch Wissenschaft betrieben hat, hat er versucht, das Universum zu verstehen. Wilczek sagt: „Die moderne Physik impliziert, dass es plausibel ist, dass die physikalische Welt in qualitativ unterschiedlichen Formen existieren kann, ähnlich wie Wasser als Eis, flüssiges Wasser oder Dampf existieren kann. Diese verschiedenen Formen … können in der Tat verschiedene physikalische Gesetze umsetzen. Wenn es solche unterschiedlichen Regionen des Raums gibt, dann ist das „Universum“, wie wir es definiert haben, nicht die gesamte Realität. Wir nennen die gesamte Realität das Multiversum.“

Ellis und sein Kosmologenkollege Joe Silk, Professor an der Université de Pierre et Marie Curie in Paris, bezeichnen dies als „ein kaleidoskopisches Multiversum, das aus einer Vielzahl von Universen besteht.“ Stellvertretend für viele Physiker stellen sie dann die grundsätzliche Herausforderung: Der Vorschlag, dass ein anderes Universum nicht dieselben fundamentalen Naturkonstanten haben muss wie unseres, wirft die Frage auf, was die Werte in unserem Universum bestimmt. Von der Vielfalt der Universen, die es geben könnte, sind die Bedingungen für den engen Bereich von Parametern, bei denen intelligentes Leben existieren könnte, verschwindend gering. Die Wahrscheinlichkeit, dass wir existieren, ist daher so verschwindend gering, dass die Multiversumstheorie behauptet, dass es eine „Landschaft“ von Universen „da draußen“ gibt, in der alle möglichen Werte dieser Parameter existieren. Demnach wird es irgendwo ein Universum geben, in dem genau die richtigen Bedingungen für Leben herrschen, und wir sind der Beweis dafür.

Weinberg räumt ein, dass es unwahrscheinlich ist, dass das Multiversum durch Beobachtungen in unserem speziellen „Unter-Universum“ bestätigt wird. Aber er argumentiert, dass dies nicht unbedingt tödlich für die wissenschaftliche Gültigkeit der Theorie ist. „Die Idee des Multiversums ist sehr spekulativ“, sagt er, „aber es ist keine völlig unvernünftige Spekulation. Die Existenz eines Multiversums könnte eines Tages bestätigt werden, indem man sie aus einer Theorie ableitet, die durch den Erfolg ausreichender anderer Vorhersagen bestätigt wird.“

In diesem Sinne weist Wilczek darauf hin, dass wissenschaftliche Theorien auch dann von Nutzen sein können, wenn sie nur teilweise verstanden werden. Er sagt: „Es ist eine sehr gängige und erfolgreiche Praxis, mit theoretischen Strukturen zu arbeiten, die viel größer sind als das, was wir an ihnen beobachten können.“ Als Beispiel führt er die Quantentheorie an, ein grundlegendes Instrument der theoretischen Physik, das voller Konzepte ist, die unserer intuitiven Vorstellung vom Verhalten der Dinge zu widersprechen scheinen. Viele Theoretiker, mich selbst eingeschlossen, fühlen sich mit ihren Grundlagen unwohl, doch gelingt es ihnen, ihre Mathematik mit Zuversicht und empirischem Erfolg anzuwenden. Die Theorie der Quantenmechanik ist Wissenschaft, weil sie im Prinzip widerlegt werden kann. Sie hat zahllose Tests überstanden und unzählige erfolgreiche Vorhersagen gemacht. Ellis und Silk erinnern uns daran, dass das Multiversum zwar eine bequeme mathematische Konstruktion sein mag, dies aber nicht bedeutet, dass diese Universen „Realität“ haben müssen. Sie verdeutlichen dies, indem sie an die Warnung des deutschen Mathematikers David Hilbert erinnern: „Obwohl die Unendlichkeit notwendig ist, um die Mathematik zu vervollständigen“, sagte er, „kommt sie nirgendwo im physikalischen Universum vor.“

Das ist der springende Punkt. Mathematische Werkzeuge ermöglichen es uns, die Realität zu untersuchen, aber die mathematischen Konzepte selbst implizieren nicht notwendigerweise die physikalische Realität. Daher müssen die Beweise zur Unterstützung einer Theorie experimentell oder durch Beobachtungen erbracht werden, nicht nur theoretisch. Ellis und Silk bringen diesen Punkt sehr deutlich zum Ausdruck und warnen vor der Vorstellung, dass „theoretische Entdeckungen den Glauben stärken“. Sie erinnern uns daran: „Experimente haben viele schöne und einfache Theorien widerlegt.“

Wilczek gibt in seinem Buch A Beautiful Question ein Beispiel für eine solche Theorie. Im 17. Jahrhundert war der deutsche Astronom Johannes Kepler davon überzeugt, dass er ein Modell für den Aufbau des Sonnensystems entwickelt hatte. Seine „Theorie“ war von einer verführerischen, geometrischen Schönheit, die Kepler davon überzeugte, dass er über Gottes Plan gestolpert war. Er schrieb: „Ich fühle mich hingerissen und besessen von einem unsagbaren Entzücken über das göttliche Schauspiel himmlischer Harmonie.“ Aber seine Theorie war falsch – Keplers Planetenmodell wurde schließlich untergraben, nicht zuletzt durch die Entdeckung weiterer Planeten. Wilczek erinnert uns daran, dass Kepler sich zwar in seiner Beschreibung der Anordnung der Planeten irrte, dass er aber ihre Bewegung richtig beschrieb: Die Planetenbahnen sind keine Kreise, sondern Ellipsen, und die Sonne befindet sich nicht im Mittelpunkt der Ellipse, sondern in einem „Brennpunkt“ der Ellipse. Diese Erkenntnisse inspirierten Isaac Newton zur Entwicklung seines Gravitationsgesetzes.

Wir könnten auf eine moderne Parallele hoffen: dass die Begeisterung über die Stringtheorie die Experimentatoren am LHC zur Entdeckung der Supersymmetrie inspiriert. Dies wiederum könnte das Rätsel der dunklen Materie lösen, deren Existenz durch die offensichtliche Weigerung der Bewegungen von Galaxien und Sternen, den Regeln von Kepler und Newton zu gehorchen, vermutet wurde. Oder aber die Supersymmetrie und die dunklen Teilchen werden sich weigern, am LHC aufzutauchen, weil sie nicht existieren. Ein Ausschluss durch ein Experiment wäre ein Rückschlag, aber ein wissenschaftlicher Rückschlag. In dem großen Projekt der Menschheit, die physikalischen Gesetze, die das Verhalten von Materie und Kräften bestimmen, besser zu verstehen, wäre dies ein Fortschritt.