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Quantenkosmologie

Wenn die Daten fehlen, bleibt die Metaphysik

Von Sibylle Anderl
 - 15:01

Unser physikalisches Weltbild weist derzeit einige Lücken auf. Eines der fundamentalsten Probleme ist, dass die etablierten Theorien des Mikro- und des Makrokosmos – die Quantenfeldtheorie und die Allgemeine Relativitätstheorie – in ihrer gegenwärtigen Form nicht zusammenpassen. Dies sollten sie aber, nicht nur aus dem Wunsch nach Vereinheitlichung heraus, sondern auch, weil es zwischen beiden Theorien Überschneidungsbereiche gibt. Insbesondere für das theoretische Verständnis schwarzer Löcher und des Urknalls, wo die Krümmung der Raumzeit im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie unendlich wird, ist eine Theorie der Quantengravitation unerlässlich. Dass in beiden Fällen physikalische Größen unendliche Werte annehmen, wird mit dem Begriff der Singularität beschrieben. Physiker verstehen das Auftreten solcher Singularitäten als Anzeichen dafür, dass hier Einsteins Theorie jenseits der Grenzen ihres Gültigkeitsbereichs und damit ungerechtfertigt angewendet wird.

Welche Theorie einer Quantengravitation dabei die Relativitätstheorie ersetzen könnte, ist allerdings bislang unklar. Es gibt eine große Zahl verschiedener Ansätze, am bekanntesten sind darunter die Stringtheorie und die Schleifen-Quantengravitation. Erstere strebt nach einer vereinheitlichten Theorie aller vier physikalischen Grundkräfte, indem sie Elementarteilchen auf Schwingungen eindimensionaler „Strings“ zurückführt. Letztere versucht, etwas bescheidener, die Relativitätstheorie mit der Quantentheorie in Einklang zu bringen, indem sie die Raumzeit auf winzigen Skalen quantisiert.

Bei der Einschätzung, welcher der verschiedenen Ansätze der richtige ist, gibt es aber ein Problem: die empirischen Daten sind rar. Immerhin besitzen wir heute astrophysikalische Beobachtungen, wie die Strahlung neutralen Wasserstoffs und die kosmische Hintergrundstrahlung, die Aufschluss über die Bedingungen in der Anfangsphase des Universums geben. Quantenkosmologische Modelle, in denen Theorien der Quantengravitation mit kosmologischen Modellen kombiniert werden, können mit diesen Beobachtungen konfrontiert werden. Doch auch diese Daten liefern keine besonders starken Vorgaben für die Natur der Quantengravitation. Aus diesem Grund berufen sich Physiker gerne auf theoretische Orientierungsprinzipien wie Eleganz und Einfachheit, deren Berechtigung allerdings angezweifelt werden kann. So argumentiert die Frankfurter Physikerin Sabine Hossenfelder in ihrem neuen Buch „Das hässliche Universum“, dass solche ästhetischen Richtlinien Theoretiker grundlegend in die Irre geführt haben – eine kontroverse These, die unter Physikern doch überraschend viel Zustimmung erntet.

Interdisziplinärer Dialog

Diskussionen über die Prinzipien der Theorienwahl, aber auch die Beschäftigung der Quantengravitation mit der Natur der Raumzeit schaffen eine natürliche Nähe zwischen der theoretischen Physik und der Philosophie. Mitte Juni trafen sich am kanadischen Ufer des Huronsees Philosophen und Physiker – erfahrene Wissenschaftler zusammen mit Doktoranden beider Fächer –, um den interdisziplinären Austausch im Rahmen einer Philosophie der Kosmologie auch auf der Ebene des wissenschaftlichen Nachwuchses zu fördern. Organisiert wurde die Sommerschule vom Rotman Institut für Philosophie der kanadischen University of Western Ontario mit Unterstützung der Templeton Foundation. Insbesondere auf Seiten der Physiker wurden in den Austausch mit den Philosophen große Hoffnungen gesetzt. So begann der Kosmologe Robert Brandenberger (siehe Interview in dieser Zeitung) seinen Vortrag mit dem Bekenntnis, er erwarte vor allem, von den Philosophen herausgefordert zu werden und von ihnen zu lernen: „Ich denke, um das Universum wirklich zu verstehen, benötigen wir die Hilfe der Philosophen.“

Philosophen als Begriffsexperten

Dass gerade Philosophen für einen konstruktiven Dialog geeignet sind, begründete Mitorganisator Chris Smeenk damit, dass die Stärke der Philosophen eine besondere Präzision im Umgang mit Begriffen sei: „In der Kosmologie finden wir eine Mischung verschiedener Begriffe vor, die eingeführt wurden, um ganz verschiedene Rollen zu spielen.“ Philosophen könnten helfen, die Fruchtbarkeit von Konzepten zu prüfen und herauszuarbeiten, welche bestehenden Intuitionen von ihnen jeweils eingefangen werden. Ein Beispiel sei der Begriff der Singularität, für den viele verschiedene Definitionen existieren. Wenn eine Theorie der Quantengravitation sich zum Ziel setzte, die in der Allgemeinen Relativitätstheorie auftretenden Singularitäten aufzulösen, müsse begrifflich geklärt sein, was damit genau gemeint ist. Im Rahmen des Treffens ging es zunächst um einen Abgleich der verschiedenen Wissenshintergründe der Teilnehmer, in der Hoffnung, darauf einen dauerhaften interdisziplinären Dialog zu initiieren.

Einen Schönheitsfehler besitzt die Kooperation allerdings noch, wie auf dem Workshop immer wieder zugegeben wurde: Bislang gibt es noch kein Beispiel dafür, dass der Input von Philosophen wirklich zu einem physikalischen Durchbruch geführt hätte. Sofern dies aber nicht auf ein grundsätzliches Problem des fächerübergreifenden Diskurses zurückzuführen ist, kann man hoffen, dass sich dies bald ändert, denn eines steht fest: Die Beziehung zwischen Physikern und Philosophen intensiviert sich.

Quelle: F.A.Z.
Sibylle Anderl
Redakteurin im Feuilleton.
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