Der Astrophysiker Mario Livio über die letzten Fragen und die Schönheit der Physik.
bild der wissenschaft: Wenn eine allwissende Fee Ihnen drei astronomische Fragen beantworten würde, welche würden Sie stellen? Mario Livio: Ich würde sicherlich wissen wollen, ob wir auf dem richtigen Weg zu einer vereinheitlichten Theorie aller Naturkräfte sind, einer „finalen Theorie”. Es ist möglich, dass wir völlig falsch liegen im Verständnis der Schwerkraft und dass alles, was wir über Dunkle Materie und Dunkle Energie denken, in Wirklichkeit ein Defizit unseres Verständnisses der Gravitation ist – dass es sich beispielsweise um den Einfluss anderer Universen handelt. Ich würde gerne wissen, ob es andere intelligente Wesen im All gibt und in welcher Form sie existieren. Und ich würde mit dem Physiker James Jeans fragen: Ist Gott ein Mathematiker? Spiegelt die ganze Wissenschaft also nur die menschliche Wahrnehmung wider, oder gibt es etwas Fundamentaleres? Werden Mathematik und Naturgesetze entdeckt oder erfunden? Aber ich habe mehr Fragen. Ich würde auch gerne wissen, wie alles begann, ob es überhaupt einen Anfang gibt, ob andere Universen existieren. bdw: Das könnte doch von einer „finalen Theorie” erklärt werden. Livio: Ja. Aber wenn die anderen Universen mit unserem nicht in Verbindung stehen, werden wir es niemals wissen. bdw: Sie sind nicht nur ein leidenschaftlicher Kunstliebhaber, sondern haben auch die Geschichte der Physik im Hinblick auf die Schönheit ihrer Theorien untersucht. Sie haben sogar ein „Kosmologisches Ästhetisches Prinzip” eingeführt, das auf drei Kriterien beruht: Einfachheit, Symmetrie und dem erweiterten Kopernikanischen Prinzip, wonach der Mensch keinerlei Sonderstellung im Kosmos hat. Sind diese Kriterien eine notwendige Bedingung? Livio: Ja, in gewisser Weise. Das Prinzip ist nicht beweisbar, eher eine Art Axiom. Es besagt, dass die Theorie des Universums „schön” sein muss. Ich bin sehr vorsichtig mit diesem Wort, denn in der Kunst spielt es keine Rolle mehr. Seine Definition ist einfach zu schwierig. Aber ich habe Schönheit in der Physik mit den drei Kriterien zu bestimmen versucht. Andere Kriterien wie Einheitlichkeit und Kohärenz sind in Einfachheit und Symmetrie enthalten. bdw: Und Wahrheit gehört nicht dazu? Livio: Meine Definition einer schönen Theorie enthält, dass sie die Natur korrekt beschreibt. Sonst würde sie mich nicht interessieren. Folglich können sich Theorien, die wir für schön halten, als hässlich herausstellen. bdw: Also ist Schönheit ein Gegenstand geschichtlicher Veränderung? Livio: Das ist richtig. Das Modell des Sonnensystems von Ptolemäus war elegant, aber nicht einfach – und letztlich falsch. Die Allgemeine Relativitätstheorie ist dagegen sehr einfach, obwohl sie den gegenteiligen Ruf hat. Die Gleichungen sind kompliziert und schwer zu lösen, aber die zentrale Idee ist einfach – viel einfacher als Newtons Gravitationstheorie. Die basiert auf einer völlig rätselhaften Kraft, die ohne Zeitverlust wirkt und von der niemand versteht, woher sie kommt. In der Relativitätstheorie ist alles die Geometrie der Raumzeit. Und die Relativitätstheorie besitzt dieses unglaubliche Symmetrieprinzip: Alle Bezugssysteme sind gleichberechtigt. Das ist eines der schönsten Symmetrieprinzipien, die ich mir vorstellen kann. bdw: Das „ flache” Universum ist auch so ein Fall von Schönheit einer Theorie? Livio: Ja, das beste Beispiel ist die mittlere Dichte des Universums. Die gesamte Materie bringt es allenfalls auf 30 Prozent des Grenzwerts, bei dem das Universum „flach” ist. Die meisten Experten wollten das nicht akzeptieren, sondern forderten 100 Prozent – aus rein ästhetischen Motiven. Sonst hätte ein unbekannter Mechanismus die Ausdehnung des Weltraums extrem fein justiert, um das heutige Universum hervorzubringen – eine starke Verletzung der Einfachheit. Die Physik verbietet das nicht, aber es wäre so hässlich. bdw: Nun scheint die Dunkle Energie genau die fehlenden 70 Prozent zu liefern. Und die Hypothese der kosmischen Inflation – der exponentiellen Ausdehnung des frühen Universums – kann die Flachheit erklären, da die Inflation jede Abweichung glättet oder über unseren Beobachtungshorizont hinausschiebt. Aber es gibt mindestens 15 verschiedene Inflationsmodelle. Kann hier das Ästhetische Prinzip weiterhelfen, oder müsste das nicht alles aus der finalen Theorie folgen? Livio: Letztlich schon. Doch selbst wenn wir die letztgültige Theorie der Gravitation kennen würden, wüssten wir beispielsweise nicht, wie viele Planeten es im Sonnensystem gibt. Das hängt auch von Zufällen, von den Randbedingungen ab. Das Kosmologische Ästhetische Prinzip nützt hier nichts, es kann nur bei den Grundbegriffen helfen, nicht bei den Details. Es vermag auch nicht das richtige Inflationsmodell auszuwählen. Die Grundidee der Inflation ist aber sehr einfach, sie gefällt mir gut. Doch letztlich müssen auch hier die Daten entscheiden. Die gute Nachricht ist, dass wir in der nächsten Dekade wohl wissen werden, ob es eine Inflation gab: durch Polarisationsmessungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung, des Relikts vom Feuerball des Urknalls. bdw: Das wäre ein gewaltiger Fortschritt. Livio: Das kommende Jahrzehnt wird monumental. Der europäische Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider wird arbeiten. Vielleicht finden wir, dass Gravitonen – die Überträgerteilchen der Schwerkraft – in andere Dimensionen abtauchen. Wir werden Neutralinos und andere Kandidaten für die Dunkle Materie entdecken – oder auch nicht. Es gibt fünf Experimente, um die Schwerkraft erstmals auf Submillimeter-Skalen zu messen und Gravitationstheorien zu testen. Die Satelliten MAP und Planck werden die Kosmische Hintergrundstrahlung erforschen. Mit dem Next Generation Weltraum-Teleskop werden wir ins Dunkle Zeitalter zurückblicken, als die ersten Galaxien entstanden. Der Digital Sloan Sky Survey wird uns kosmologische Parameter durch die Modelle der großräumigen Strukturen verraten. Und der SNAP-Satellit soll 2000 Sternexplosionen aufspüren und mit ihrer Hilfe die Zustandsgleichung der Dunklen Energie bestimmen. Es ist eine unglaubliche Zeit für die Physik! bdw: Diese Aufzählung ist beeindruckend und zeigt, dass Kosmologie nicht länger reine Theorie ist, sondern sich testen lässt. Wird das 21. Jahrhundert das Jahrhundert der Kosmologie? Livio: Ich denke, es bleibt das der Biologie. Dort stehen die Durchbrüche erst noch bevor, die äquivalent sein werden zu denen in der Physik des 20. Jahrhunderts. Wir werden ins Stadium der Präzisionskosmologie gelangen. bdw: Am Ende seines Buchs „Die ersten drei Minuten” schreibt der Physik- Nobelpreisträger Steven Weinberg: „Je begreiflicher uns das Universum wird, umso sinnloser erscheint es auch.” Das ist ebenfalls eine Konsequenz des erweiterten Kopernikanischen Prinzips. Livio: Sinnlosigkeit im physikalischen Sinn. Weder sind wir im Zentrum der Welt noch ist unsere Galaxie etwas Besonderes. Und es könnte Abermilliarden andere Universen geben. Ich war immer davon überzeugt, dass wir den Sinn unserer Existenz in unserem eigenen Leben finden müssen. Wir können nicht auf das Universum bauen, damit es ihn für uns schafft. bdw: Wären Sie wirklich glücklich über eine finale Theorie oder ist es eine unendliche Aufgabe? Livio: Es ist naiv zu glauben, wir könnten an einen Punkt kommen, an dem wir alles wissen. Es wird immer Dinge geben, die wir nicht verstehen, auch auf fundamentaler Ebene. Wir werden vielleicht eine finale Theorie haben in dem Sinn, wie wir heute davon denken. Aber dann werden wir nicht mehr denken, dass es die finale Theorie ist.
Die mittlere Dichte des Universums bestimmt dessen großräumige Krümmung. Hat die mittlere Dichte genau den kritischen Grenzwert (100 Prozent, das entspricht zirka drei Wasserstoff-Atomen pro Kubikmeter), dann ist der Weltraum flach wie eine Ebene. Ist die Dichte höher oder niedriger, dann ist er gekrümmt wie eine Kugel oder ein Sattel (siehe bild der wissenschaft 6/2001, „Die flache Welt”).
Digital Sloan Sky Survey heißt ein Projekt, das ein Viertel des Himmels durchmustert und die räumliche Verteilung von rund 100 Millionen Galaxien erfasst (siehe bild der wissenschaft 1/1999, „Inventur in Herschels Garten”). Mario Livio ist seit 2000 Leiter der Wissenschaftsabteilung am Hubble-Weltraumteleskop-Institut (STScI) in Baltimore, Maryland, und Professor an der Johns Hopkins University. Geboren wurde er 1945 in Rumänien. Bevor er 1991 zum STScI ging, war er seit 1981 als Physik-Professor am Technion, dem Israel Institute of Technology, in Haifa tätig. Seine Forschungsinteressen reichen von Sternexplosionen, Weißen Zwergen, Neutronensternen, Schwarzen Löchern, Planetarischen Nebeln und der Planetenentstehung bis hin zur Kosmologie und der Frage nach außerirdischem Leben. Kürzlich erschien die deutsche Übersetzung seines Buchs „Das beschleunigte Universum”.
Rüdiger Vaas
