The problem with pretending quantum mechanics makes sense | Sean Carroll

Quantenmechanik ist seltsam, denn obwohl wir gerade ihren 100. Jahrestag feiern, verstehen wir sie immer noch nicht. Was geschieht wirklich in unserem besten, wichtigsten Rahmenwerk für die fundamentale Physik? Wir verstehen auf der Grundlage der Quantengravitation, warum sich die Erde um die Sonne bewegt oder Äpfel von Bäumen fallen, aber wir verstehen nicht, was passiert, wenn die Gravitation stark wird, wie in einem Schwarzen Loch oder nahe dem Urknall. Im Grunde nutzt die Natur jeden Trick, den sie sich ausdenken kann, um die Physik auf interessante Weise funktionieren zu lassen, und es gibt Physikern am Ende des Tages wirklich ein Erfolgserlebnis, wenn sie alles herausfinden. Ich bin Sean Carroll. Ich bin Physiker und Philosoph an der Johns Hopkins University, Gastgeber des Mindscape Podcasts und auch Autor einer Reihe von Büchern, zuletzt der Serie "The Biggest Ideas in the Universe", darunter "Space, Time and Motion" und "Quanta and Fields".

- [Erzähler] Wie funktioniert Quantenmechanik?

Ich würde gerne denken, wenn Sie ein Physiker wären, circa 1895, okay? Ganz am Ende des 19. Jahrhunderts, man hätte Ihnen verziehen, wenn Sie gedacht hätten, dass wir fast da wären. Wir hätten fast eine vollständige Theorie der Natur in unserem Griff, denn sie hatten die Idee von Teilchen, richtig? Wissen Sie, die Idee eines Atoms war für viele Physiker in den 1800er Jahren etwas vage, aber sie haben es schließlich begriffen und angefangen zu erkennen, dass Atome aus anderen Teilchen bestanden, Protonen, Neutronen, Elektronen und so weiter. Und dann werden die Teilchen, aus denen Materie besteht, von Feldern herumgeschoben, vom elektrischen Feld, vom magnetischen Feld, vom Gravitationsfeld und so weiter. Sie haben also diese Art von zweistimmiger Harmonie. Materie besteht aus Teilchen, Kräfte kommen von Feldern, und die ganze Anstrengung in der Zukunft der Physik würde darin bestehen, herauszufinden, was all die Teilchen sind, was all die Felder sind? Und dann wären Sie fertig. Es gab ein paar Wolken am Horizont. Eine davon war die Relativitätstheorie. Die Tatsache, dass die Symmetrien von Maxwells Elektromagnetismus-Theorie anders waren als die Symmetrien von Newtons klassischer Mechanik. Aber die anderen waren, dass es bestimmte Eigenschaften von Materie und Materialien gab, die nicht ganz Sinn zu ergeben schienen. Und ich werde jetzt historisch. Springen wir mal zu etwa 1911. Sie setzten das Bild des Atoms zusammen, das die Karikatur ist, die Sie immer gesehen haben, richtig? Da ist ein kleiner Kern im Zentrum des Atoms, und Elektronen kreisen darum wie Planeten, die einen Stern umkreisen. Das nennt man das Rutherford-Atommodell nach Ernest Rutherford, der ein brillanter experimenteller und theoretischer Physiker war. Und das wurde gut aufgenommen und die Leute mochten die Idee, dass Elektronen wie kleine Planeten waren, aber sie erkannten sofort, dass es unmöglich richtig sein konnte, denn dieses Elektron, das den Kern umkreist, würde elektromagnetische Wellen aussenden. Es ist ein sich bewegendes Teilchen. Sich bewegende geladene Teilchen senden Licht aus. All das Licht, das Sie gerade sehen, kam von einem sich bewegenden Elektron. Man kann also rechnen. Man kann sagen, wenn sich das Elektron in einer Umlaufbahn um den Atomkern bewegt und Licht aussendet, verliert es Energie und stürzt in den Kern. Wie lange würde das dauern? Und die Antwort ist, jedes Atom im Universum, einschließlich derer im Stuhl, auf dem Sie sitzen, oder sogar in Ihrem eigenen Körper, sollte in einem Hundertstel einer Milliardstel Sekunde zu einem Punkt kollabieren. Das passiert offensichtlich nicht. Die Idee, dass Elektronen wie kleine Planeten in einem Sonnensystem sind, ist einfach falsch. Und das und andere Dinge, Schwarzkörperstrahlung und andere experimentelle Ergebnisse überzeugten die Leute, dass es diese klare Trennung zwischen Teilchen und Kräften nicht gab. Sie sagten, es gibt Aspekte des Lichts, das eine Welle sein soll, die teilchenartig sind, sagte Einstein. Es gibt Aspekte von Teilchen wie Elektronen, die wellenartig sind. Louis de Broglie, der der Arbeit von Niels Bohr und anderen folgte, sagte das. Und das alles coalesziert vor fast genau 100 Jahren im Jahr 1925 in der Theorie der Quantenmechanik. Und fast zur gleichen Zeit kamen zwei verschiedene Versionen davon heraus. Werner Heisenberg hatte seine Version namens Matrixmechanik. Erwin Schrödinger hatte seine Version namens Wellenmechanik. Sie zeigen, dass sie tatsächlich mathematisch äquivalent waren, aber die Quantenmechanik, ich sage gerne, war die zweite von zwei großen Ideen in der Geschichte der Physik. Die erste große Idee in der Physik war die klassische Mechanik. Die Relativitätstheorie ist eine ziemlich große Idee, aber nicht so groß wie die klassische Mechanik oder die zweite große Idee, die Quantenmechanik. Die Quantenmechanik verwirft die klassische Mechanik und ersetzt sie durch etwas sehr anderes. Sie besagt, dass Elektronen keine Teilchen oder Wellen sind. Sie verhalten sich wie Wellen, bis man sie ansieht, und dann sehen sie wie Teilchen aus. Das ist eine sehr, sehr schwer zu schluckende Pille, und Physiker versuchen immer noch herauszufinden, was sie davon halten sollen. Es macht so viel Spaß, die Geschichte der Entwicklung dieser Ideen zu lesen, denn heute wird uns nur das Endergebnis gelehrt, aber wissen Sie, sie wussten damals in den frühen Tagen nicht, was vor sich ging.

Im Jahr 1926 präsentiert Erwin Schrödinger eine Gleichung, die wir heute die Wellenfunktion nennen. Es ist ein alberner Name für eine sehr wichtige Idee. Stellen Sie sich also dieses kleine Elektron vor, anstatt einen Kreis zu umkreisen, ist es eine Welle. Es hat ein Profil um das Zentrum des Atoms. Und die Gleichung funktioniert sehr gut. Es ist immer noch die Gleichung, die wir heute verwenden, aber dann muss man fragen, okay, eine semi-philosophische Frage, was ist die Wellenfunktion? Was sagt sie uns? Und Schrödinger dachte, nun ja, okay, in einigen Fällen verhalten sich Elektronen wie Wellen. In anderen Fällen verhalten sie sich wie Teilchen. Vielleicht besagt die Gleichung, dass, wenn man mit einer Elektronenwelle beginnt, die überall verteilt ist, sie sich in der Nähe eines Punktes lokalisiert und wie ein Teilchen aussieht. Es stellt sich heraus, dass das nicht stimmt. Die Gleichungen kümmern sich nicht um Ihre Gefühle. Es ist das Gegenteil. Wenn Sie mit einer lokalisierten Elektronenwelle beginnen, wird sie sich überall ausbreiten. Also war es ein weiterer Physiker, Max Born, anders als Niels Bohr, der auf die richtige Art und Weise hinwies, über Schrödingers Wellenfunktion nachzudenken. Er sagte, denken Sie darüber nach, was passiert, wenn Sie eine Eigenschaft des Elektrons messen, wie seine Position oder seine Geschwindigkeit oder was auch immer Sie messen wollen. Er sagt: "Was die Wellenfunktion tut, ist, sie sagt mir die Wahrscheinlichkeit, ein anderes Messergebnis zu erhalten." Insbesondere, wenn Sie die Mathematik wollen, quadrieren Sie die Wellenfunktion, das gibt Ihnen die Wahrscheinlichkeit, das Elektron irgendwo zu sehen. Und das war aus allen möglichen Gründen einfach bizarr und verrückt. Die Leute mochten die Idee von Wahrscheinlichkeiten überhaupt nicht. Natürlich gibt es Wahrscheinlichkeiten, wenn man eine Münze wirft, aber das liegt nur daran, dass man nicht alles weiß, was über die Münze zu wissen ist. Seit der Zeit von Newton und Laplace dachten wir, dass die Physik im Grunde perfekt deterministisch war. Und hier sagt Max Born: Nein, das ist sie nicht. Das war schwer zu schlucken. Aber das andere, was schwer zu schlucken ist, ist, warum in aller Welt die Idee des Messens oder Beobachtens von etwas in den fundamentalen Gesetzen der Physik auftaucht? Das war noch nie zuvor passiert. Natürlich muss man über das Messen und Beobachten von Dingen nachdenken, aber man stellte sich immer vor, dass, wenn ich die Position eines Planeten oder so etwas messe, ich diese Messung im Prinzip völlig harmlos durchführen kann, ohne das System in irgendeiner Weise zu stören. Und was Born sagt, ist, dass Sie, wenn Sie ein Elektron messen, seine Wellenfunktion sofort und dramatisch verändern. Und mir zu sagen, was die fundamentalen Gesetze der Physik sind, gemäß dem, was als Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik bekannt wurde, nach der Stadt, in der Niels Bohr und Werner Heisenberg und andere ihre Arbeit machten, sind Teile dieser fundamentalen Gesetze eine Reihe von Regeln, die besagen: Hier ist, was passiert, was passiert, wenn man die Eigenschaften eines Systems misst. Die Quantenmechanik ist also die einzige Theorie in der Geschichte der Physik, die Regeln für Messergebnisse hat und in der Messung eine wichtige Rolle bei diesen Gesetzen spielt. Und wenn Sie fragen: Nun, was ist eine Messung? Was zählt? Muss ich bewusst sein? Kann eine Videokamera eine Messung durchführen? Die Antwort ist, wir werden Ihnen die Antwort darauf nicht geben. Wir haben keine vereinbarten Kriterien dafür, wann eine Messung stattfindet. Und das ist geschickt als das Messproblem der Quantenmechanik bekannt. Es gibt verschiedene plausible Lösungen dafür, aber wir sind uns nicht einig, welche die richtige ist. Sehr oft in der Physik, beim Lernen von Physik, beim Lehren von Physik, beim Betreiben von Physik, ist es sehr hilfreich, Dinge zu visualisieren, entweder präzise oder vielleicht auf eine spielerische metaphorische Weise. Aber wir müssen bedenken, dass es nicht notwendig ist, dass es eine genaue Möglichkeit gibt, bestimmte Dinge zu visualisieren. Wir müssen akzeptieren, dass die Welt nicht dazu da ist, uns das Leben leicht zu machen. Wenn es also um die Wellenfunktion der Quantenmechanik geht, stecken wir ein wenig fest. Es gibt einfache Fälle. Wie wenn Sie ein Elektron haben und das ist alles, keine anderen Teilchen, Sie sprechen über die Wellenfunktion eines Elektrons, Sie können das tatsächlich visualisieren. Wenn Sie den Raum einfach als zweidimensional betrachten, um sich das Leben leichter zu machen, ist die Wellenfunktion eine Funktion. Sie schummeln ein wenig, denn anstatt eines Wertes ist es eine komplexe Zahl, was bedeutet, dass ein Realteil plus 'i' mal ein Imaginärteil, wobei 'i' zum Quadrat minus eins ist. Aber gut, wen kümmert's? Was Sie wissen müssen, ist, dass es ein Profil gibt, es gibt eine Form. Es gibt im Grunde einen Wert an jedem Punkt im Raum, der besagt: Das ist die Wellenfunktion des Elektrons an jedem Punkt im Raum. Visualisieren Sie es also ruhig. Wenn Sie jemals einen Chemieunterricht hatten und diese Bilder von sogenannten Orbitalen in verschiedenen Arten von Atomen gesehen haben, das sind buchstäblich Bilder von Wellenfunktionen. Das sind Werte der Wellenfunktionen verschiedener Formen, die die Wellenfunktion eines Elektrons in einem Atom annehmen kann. Aber nur um Ihnen zu zeigen, dass das Universum es Ihnen nicht immer so leicht macht, haben Sie manchmal zwei Elektronen, die Ihnen wichtig sind. Und eines der tiefgreifendsten Merkmale der Quantenmechanik, das sie von der klassischen Mechanik unterscheidet, ist, dass Sie keine Wellenfunktion für Elektron eins und eine separate Wellenfunktion für Elektron zwei haben, denn denken Sie daran, die Aufgabe der Wellenfunktion ist es zu sagen, was ist die Wahrscheinlichkeit, dass ich etwas messe? Richtig? Wenn ich also zwei Elektronen habe, kann ich die Wahrscheinlichkeit haben, ein Elektron irgendwo im Universum zu sehen, und ich habe auch die Wahrscheinlichkeit, das andere überall im Universum zu sehen, aber sie können verbunden sein. Vielleicht weiß ich, dass die Elektronen einen Zentimeter voneinander entfernt sind, aber ich weiß nicht, wo sie sind, richtig? Wenn ich eines von ihnen messe, dann weiß ich sofort, wo das andere ist. Aber ich weiß nicht im Voraus, wo eines von ihnen ist. Das ist das Phänomen, das als Verschränkung bezeichnet wird, und was es bedeutet, ist, dass anstatt einer separaten Wellenfunktion für ein Teilchen und einer anderen für das andere, was bedeuten würde, dass es keine Verbindung zwischen ihnen gibt, die Wellenfunktion mir die Wahrscheinlichkeit beider Teilchen gleichzeitig sagt. Mathematisch, wenn Sie die Details wollen, weisen Sie jeder Positionskombination eine komplexe Zahl zu, der Position von Teilchen eins und der Position von Teilchen zwei. Wollen Sie das visualisieren? Viel Glück. Sie werden es nicht wirklich tun können, es sei denn, Sie können komplexe Funktionen in sechsdimensionalem Raum visualisieren. Aber das ist es, was es tatsächlich ist. Wir können es aufschreiben und damit umgehen, und wir können zu dem zurückkehren, wie die Dinge aussehen, wenn es nur ein Elektron ist, wenn wir Dinge wirklich visualisieren wollen, aber irgendwann müssen wir darauf vertrauen, dass die Gleichungen wissen, was sie tun.

Man würde denken, dass Quantenmechanik, dem Namen nach, etwas mit Quanten zu tun hat, was ein Wort ist, das erfunden wurde, um eine diskrete Menge von Dingen zu bezeichnen. Es kommt von der Tatsache, dass in den frühen Tagen der Erfindung der Quantenmechanik, wenn man Strahlung von heißen strahlenden Körpern hatte oder wenn man Elektronen in Umlaufbahnen um Atome hatte, es diskrete mögliche Energien gab, die man beobachten konnte. Licht wird von Gas bei bestimmten Frequenzen und nicht bei anderen Frequenzen absorbiert. Wenn ein Elektron innerhalb eines Atoms Energien wechselt, geht es von einer bestimmten Energie zu einer anderen über, ohne dazwischen zu sein, ohne sich kontinuierlich von einer Energie zur anderen zu entwickeln. Es gab also diese Idee eines Quantensprungs von einem Zustand zum anderen, aber diese Diskretion ist nicht fundamental für die Quantenmechanik. Sie ist nicht eingebaut. Es ist nicht so, dass die Quantenmechanik sagt, die Welt sei diskret, sie sei aus Pixeln gemacht, sie sitze auf einem Gitter oder so etwas. Es ist das Gegenteil. Die Quantenmechanik ist eine Geschichte von Wellen, aber manchmal schwingen Wellen nur mit bestimmten diskreten Frequenzen. Denken Sie an eine Saite, die an beiden Enden befestigt ist, wie bei einer Gitarre oder einer Geige oder was auch immer. Sie können die Saite zupfen, und gegeben die Spannung der Saite und den Abstand zwischen den Enden, wird sie schwingen, sie wird Ihnen einen bestimmten Ton geben, aber dieselbe Saite kann auch mit doppelter Frequenz schwingen. Es gibt die Grundfrequenz, bei der die Saite als Ganzes auf und ab schwingt, und es gibt den nächsten Oberton, bei dem sie sich sozusagen halb und halb auf verschiedenen Seiten bewegt. Und dann eine harmonische Reihe, es gibt eine Art, wie die Saite schwingen kann, so dass sie hoch und dann runter und wieder hoch geht. Das ist dreimal, und so weiter. Eine diskrete Menge möglicher Frequenzen ergibt sich also aus der Bewegung einer kontinuierlichen schwingenden Saite. Und ebenso kann die kontinuierliche Wellenfunktion unter bestimmten Umständen nur mit bestimmten diskreten Frequenzen schwingen. Und deshalb haben Elektronen diskrete Energien in Atomen. Nun, die Quantenmechanik ist ein Rahmenwerk, genau wie die klassische Mechanik. Die klassische Mechanik sagt nicht, woraus die Welt besteht. Sie gibt Ihnen die fundamentalen Regeln und Sie wählen aus: Oh, die Welt besteht aus Teilchen oder Flüssigkeiten oder was auch immer, und hier sind die Kräfte, die auf sie wirken. Und Sie stecken das in den Rahmen der klassischen Mechanik. Die Quantenmechanik ist dasselbe. Das meiste, worüber Sie sprechen, wenn Sie zum ersten Mal mit Quantenmechanik in Berührung kommen, Elektronen und Photonen oder was auch immer, Sie wenden die Regeln der Quantenmechanik auf Teilchen an. Aber wir wissen seit mindestens Maxwells Zeiten, dass es auch Felder gibt, richtig? Es gibt das elektrische Feld, das magnetische Feld, das Gravitationsfeld, vielleicht gibt es noch andere. Wir können also auch die Regeln der Quantenmechanik auf Felder anwenden. Und siehe da, wir erhalten die sogenannte Quantenfeldtheorie. Die Quantenfeldtheorie ist also kein Ersatz oder eine Verbesserung der Quantenmechanik. Es sind nur die Regeln der Quantenmechanik, angewendet auf Felder statt auf Teilchen. Und was passiert, ist, dass man ein Feld nimmt, also ein Feld ist das Gegenteil eines Teilchens. Ein Teilchen hat einen Ort, ein Feld existiert überall, hat aber an jedem Punkt einen Wert. Das elektrische Feld ist also ein kleiner Pfeil an jedem einzelnen Punkt im Raum, hat eine Richtung und eine Länge. Und dann sagt man: Okay, das ist ein Feld. Ich werde die Regeln der Quantenmechanik darauf anwenden. Also werde ich eine Wellenfunktion für das Feld erfinden und sagen: Was ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Feld eine bestimmte Form hat und bestimmte Dinge tut? Und die Mathematik geht genau wie bei einem Elektron, das in einem Atom sitzt, durch. Es gibt bestimmte diskrete Schwingungsfrequenzen des Feldes, und das zeigt sich in Teilchenphysikexperimenten als Teilchen. Das Feld schwingt ein wenig, Sie denken, Sie sehen ein Teilchen. Wenn das Feld etwas stärker schwingt, denken Sie jetzt, Sie sehen zwei Teilchen, und Sie können die mathematischen Beschreibungen auf beiden Seiten genau übereinstimmen. Die Auflösung dieses frühen Rätsels der Quantenmechanik, warum verhalten sich Elektronen oder Photonen manchmal wie Teilchen, manchmal wie Wellen? Die Antwort ist erstens, sie sind Wellen. Das sind sie. Sie sind Wellen in einem Feld. Es gibt nicht nur ein elektrisches Feld, ein magnetisches Feld, es gibt ein Elektronenfeld für das Elektronenteilchen. Es gibt ein Neutrinofeld, es gibt ein Quarkfeld, alles besteht aus Feldern. Aber zweitens, wenn wir die Regeln der Quantenmechanik auf Felder anwenden, erscheinen sie in unseren Experimenten wie Teilchen. Das erklärt also diese Unterscheidung, dass Dinge sich wie Wellen verhalten, wenn wir sie nicht ansehen, und uns als Teilchen erscheinen, wenn wir es tun.

Wenn wir an den Physiker des späten 19. Jahrhunderts zurückdenken, der dachte, Materie bestehe aus Teilchen und Kräfte kämen von Feldern, was ist mit diesem Mann passiert? Wo ist er jetzt in der Welt, in der alles eigentlich Felder sind, aber sie wie Teilchen aussehen, wenn man die Regeln der Quantenmechanik darauf anwendet? Nun, es gibt zwei verschiedene Arten von Feldern, Fermionen und Bosonen. Und der Unterschied ist, dürfen Sie Schwingungen der Felder übereinander stapeln, damit sie immer stärker schwingen? Das sind Sie gewohnt, richtig? Wenn ich eine Geigensaite habe, kann ich sie ein wenig zupfen. Ich kann sie stark zupfen. Das nennen wir ein bosonisches Feld. Bosonenfelder können sich übereinander stapeln. Aber Fermionfelder haben diese leicht interessante Eigenschaft, dass nur eine Art von Schwingung gleichzeitig im Feld stattfindet. In Teilchensprache sagen wir, dass wir in jeder Region des Raumes oder in jedem Quantenzustand beliebig viele Bosonenteilchen haben können, aber ein Fermion nimmt Platz ein. Fermionen können nur einzeln vorhanden sein. Wenn Sie wieder in Ihren Chemieunterricht gehen, warum können Sie nicht alle Elektronen in das unterste Orbital stecken? Es gibt eine Regel, das Pauli-Ausschlussprinzip, das besagt, dass für jede Form eines Atomorbitals nur ein Elektron gleichzeitig darin sein kann. Technisch gesehen sind es zwei Elektronen, da sie sich im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen können, aber das ist der grundlegende Punkt. Fermionen nehmen Platz ein. Der Grund, warum unser Physiker von 1898 dachte, die Welt bestehe aus Teilchen und Feldern, ist, dass sie wirklich aus Feldern besteht, aber diese Felder können Bosonen oder Fermionen sein, und Fermionfelder verhalten sich eher teilchenartig. Sie können sich nicht übereinander stapeln, um ein großes klassisches Feld wie Elektrizität, Magnetismus oder Gravitation zu bilden. Das 20. Jahrhundert in der Physik wird immer noch als eine erstaunlich wichtige Zeit in der Geschichte der Physik angesehen. Wir werden die Physik auch in 1000 Jahren noch lehren, das 20. Jahrhundert wird in Erinnerung bleiben. Wir haben nicht nur Relativitätstheorie und Quantenmechanik erfunden, sondern auch herausgefunden, welche Teilchen und Felder es gibt, zumindest die, aus denen Sie und ich bestehen. Wissen Sie, wir begannen um 1900. Wir versuchten, Atome zu verstehen. Wir erkannten, dass es einen Kern gibt und um den Kern herum Elektronen. Und dann erkannten wir, dass der Kern nicht unteilbar ist. Er besteht aus Protonen und Neutronen. Springen wir in die 1960er und 70er Jahre, und wir erkennen, dass Protonen und Neutronen selbst keine Elementarteilchen sind. Jedes Proton und jedes Neutron enthält drei Quarks. Und die Art und Weise, wie es funktioniert, ist, dass ein Proton eine elektrische Ladung von +1 hat, ein Neutron eine elektrische Ladung von Null. Es gibt eine Art von Quark, die Up-Quark genannt wird, die eine Ladung von +2/3 hat, und die Art von Quark, die Down-Quark genannt wird, die eine Ladung von -1/3 hat. Wenn Sie sich also zu Hause hinsetzen und versuchen herauszufinden, wie ich ein Proton machen kann. Wie mache ich ein Neutron? Sie werden schnell herausfinden, dass ein Proton zwei Up-Quarks und ein Down-Quark hat, ein Neutron hat zwei Down-Quarks und ein Up-Quark. Und das ist ein ziemlich gutes Bild, aber es wird kompliziert durch die Tatsache, dass Teilchen manchmal ihre Identität ändern. Das war wieder eine aufregende Sache im frühen 20. Jahrhundert. Radioaktive Zerfälle, richtig? Wenn ich ein Neutron für sich allein habe, kann es in ein Proton und ein Elektron zerfallen. Das funktioniert nicht ganz, weil bestimmte Dinge wie Energie nicht erhalten bleiben. Wir haben schließlich herausgefunden, dass es eine weitere Art von Teilchen gibt, das Neutrino, das entsteht, wenn ein Neutron zerfällt. Eigentlich zerfällt ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. Und wie passiert das? Nun, ein Neutron hat zwei Down-Quarks und ein Up, ein Proton hat zwei Ups und ein Down. Innerhalb des Neutrons wandelt sich eines dieser Down-Quarks in ein Up-Quark um, indem es ein Elektron und ein Antineutrino ausscheidet. Das ist also ein ziemlich gutes Bild. Wir haben vier verschiedene Arten von Materieteilchen, vier verschiedene Arten von Fermionen, Up-Quarks und Down-Quarks. Beide sind in Protonen und Neutronen enthalten. Dann haben wir Elektronen und Neutrinos. Okay, Sie denken vielleicht, das ist Ihr vollständiges Bild. Dann entdeckten wir schon in den 1930er Jahren einen schwereren Verwandten des Elektrons. Das nennt man Myon. Und berühmt sagte ein Physiker an der Columbia, I.I. Rabi: "Wer hat das bestellt?" Wir wussten nicht, warum das Elektron einen schwereren Verwandten brauchte, aber jetzt wissen wir, dass es daran liegt, dass diese Idee der beiden Quarks Up und Down und der beiden Nicht-Quarks, die wir jetzt Leptonen nennen, das Elektron und das Neutrino, dass sich dieses Muster noch zweimal wiederholt. Es gibt also drei Teilchenfamilien. Es gibt das Up-Quark und das Down-Quark, aber dann gibt es schwerere Verwandte, das Charm-Quark und das Strange-Quark, und noch schwerere Verwandte, das Top-Quark und das Bottom-Quark. Und auf der Leptonenseite haben wir das Elektron und ein Neutrino, das mit dem Elektron assoziiert ist, das wir geschickt das Elektron-Neutrino nennen. Wir haben das Myon, seinen schwereren Verwandten und ein Myon-Neutrino. Und dann haben wir ein Tau-Teilchen, das schwerer ist als das Myon, und ein Tau-Neutrino. Sechs Quarks, sechs Leptonen, angeordnet in drei Familien. Und all diese Teilchen, das sind alle Fermionen, die über bosonische Felder wechselwirken. Wir haben natürlich das elektromagnetische Feld, wir haben das Gravitationsfeld, und dann haben wir die Kernkräfte. Innerhalb des Protons und Neutrons gibt es Gluonen, die die sogenannte starke Kernkraft tragen. Die Gluonen halten Teilchen zusammen, halten Quarks in den Protonen und Neutronen zusammen. Und diese Umwandlung des Neutrons in ein Proton, Elektron, Neutrino ist die schwache Kernkraft. Sie wird von Teilchen getragen, die W- und Z-Bosonen genannt werden. Das ist also mehr oder weniger das Bild. Das war das Bild aller Teilchen, die wir bis vor ein paar Jahren entdeckt haben. Wir haben sechs Arten von Fermionen, wir haben vier Arten von Kräften. Es stellt sich heraus, dass wir, um das Ganze zusammenzufügen, noch ein Teilchen brauchen, das ist natürlich das Higgs-Boson. Das Higgs-Boson ist nicht wirklich ein krafttragendes Teilchen, aber es ist auch kein Fermion. Es ist Teil eines Feldes, das überall im Raum existiert, und die anderen Teilchen schwimmen sozusagen darin. Die anderen Teilchen wie die Quarks und die Elektronen und so weiter spüren den Einfluss des Higgs-Feldes, und es beeinflusst ihre Eigenschaften wie ihre Masse und ihre Ladungen. Das Higgs-Feld wurde also endlich in Form des Higgs-Bosons im Jahr 2012 entdeckt, und das sind, soweit wir wissen, alle Teilchen, die wir hier auf der Erde erzeugen können. Das fasst sich im sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik zusammen. Und wenn man hier auf der Erde ein Experiment durchführt, ist es bisher zu 100% mit dem Standardmodell der Teilchenphysik kompatibel. Wir schauen nach draußen und sehen, dass wir Dunkle Materie und ähnliches brauchen. Dunkle Materie scheint nicht in das Standardmodell zu passen. Wir sind also optimistisch, dass es noch mehr Teilchen gibt, die wir noch nicht entdeckt haben, aber im Moment machen wir gute Arbeit, die Daten, die wir haben, anzupassen. Wenn man an das Standardmodell denkt, ist es einerseits erstaunlich. Wie alles wie ein wirklich eng konstruiertes Puzzlespiel zusammenpasst. Alles ist wichtig. Alles hat einen Zweck usw. Aber andererseits ist es irgendwie barock und in gewisser Weise fast hässlich. So viele Teilchen, zufällig aussehende Massen und Wechselwirkungen für diese Teilchen. Wir möchten etwas hübscheres. Tatsächlich spielen die meisten Teilchen im Standardmodell keine Rolle in Ihrem Alltag, und das liegt einfach daran, dass es ein Merkmal gibt, dass, wenn man ein schwereres Teilchen hat, ein Teilchen mit großer Masse, es in leichtere Teilchen zerfallen kann und will. Das einzige, was es aufhält, sind bestimmte Größen, die erhalten bleiben, wie elektrische Ladung und Spin und ähnliches, die man einfach nicht loswerden kann. Die Gesamtzahl der Quarks im Universum ist zum Beispiel erhalten. Das Elektron ist also das leichteste Teilchen mit einer elektrischen Ladung von -1. Das Proton ist das leichteste stabile Teilchen, das eine nicht-null Gesamtzahl von Quarks in sich trägt. Das Neutrino ist das leichteste Teilchen mit Spin, einem halben Spinn-Einheit, wie wir sagen, das es zu einem Fermion macht. Und es stellt sich heraus, dass dies im Grunde die Teilchen sind, aus denen wir bestehen. Da ist auch das Neutron, das hineingeworfen wird, denn wenn man ein Neutron und ein Proton kombiniert, kann man einen stabilen Kern bilden. Aber wenn man an das Charm-Quark, das Myon, das Tau, was auch immer, die Top- und Bottom-Quarks, das Higgs-Boson denkt, all diese Teilchen zerfallen einfach. Sie waren in der Nähe des Urknalls im frühen Universum da, aber dann zerfielen sie in leichtere Teilchen. Diese leichteren Teilchen bilden Atome. Die Atome drehen sich in Sternen und bilden schwerere Elemente und schließlich uns. Man braucht also nicht viele der Zutaten des Standardmodells, um Sie zu erklären. Sie bestehen aus Up-Quarks, Down-Quarks und Elektronen, die durch die starke Kernkraft und den Elektromagnetismus zusammengehalten werden. Das ist 99,99% des Verständnisses von Ihnen. Man muss einige Details über die Massen und das Higgs-Boson und ähnliches verstehen. Gravitation ist wichtig, aber sie erfordert nicht viel. Und interessant ist, dass man sich natürlich vorstellen kann, und Teilchenphysiker lieben es sich vorzustellen, dass es neue Felder und Teilchen gibt, die wir noch nicht entdeckt haben. Dunkle Materie im Universum ist der beste Beweis, den wir direkt haben, es muss ein Teilchen geben, das wir noch nicht entdeckt haben, um die Gravitation zu erklären, die wir in Galaxien und im Universum sehen. Wir wissen nicht, was das Teilchen der Dunklen Materie ist. Wir wissen, wie viel Dunkle Materie es gibt und wo sie ist. Wir wissen nicht, welche Art von Teilchen es ist, aber wir wissen, dass es nicht mit Ihnen und Ihrem Körper wechselwirkt. Woher wissen wir das? Weil es Regeln gibt, was passiert, wenn ein Teilchen mit einem anderen wechselwirkt. Und wenn ein bestimmtes Teilchen mit den Dingen, aus denen Sie bestehen, den Elektronen, den Protonen und Neutronen, wechselwirken könnte, dann könnten wir es im Labor herstellen. Wir würden einfach andere Teilchen zusammenschlagen, zusehen, was herauskommt, und die Dunkle Materie würde erscheinen. Tatsächlich ist das die Lieblingsbeschäftigung von Teilchenphysikern, nach neuen Teilchen zu suchen, indem sie andere zusammenschlagen. Wir haben nichts gefunden, indem wir das getan haben, was nicht bereits im Standardmodell der Teilchenphysik enthalten ist. Es gibt also mit ziemlicher Sicherheit neue unbekannte Teilchen und Felder da draußen, aber sie sind entweder zu energiereich, um sie in unseren besten Teilchenbeschleunigern herzustellen. Sie sind zu massereich. Es braucht einfach zu viel Energie, um sie zu erzeugen. Oder sie wechselwirken nur so schwach mit gewöhnlicher Materie, dass wir vielleicht eine Chance haben, eine herzustellen, aber wir bemerken es nicht. In jedem Fall bestehen Sie aus Elektronen, Protonen und Neutronen, die durch Elektromagnetismus, Gravitation und die Kernkräfte wechselwirken.

Eine faszinierende Sache an der Art und Weise, wie sich die physische Welt selbst organisiert hat, ist dieses Phänomen, das wir gerne Emergenz nennen. Die Idee, dass die Luft in diesem Raum. Ich könnte sie beschreiben, indem ich sage, nun, sie hat eine bestimmte Dichte, eine bestimmte Temperatur, wissen Sie, vielleicht eine bestimmte Geschwindigkeit. Aber ich weiß tief im Inneren, dass sie aus Atomen und Molekülen besteht. Aber ich muss Ihnen nicht die Position und Geschwindigkeit jedes Atoms und Moleküls in der Luft nennen, um Ihnen nützliche, interessante Dinge darüber zu erzählen. Wir können ungefähre, aber wirklich, wirklich gute Beschreibungen von Dingen auf der Grundlage von stark unvollständigen Informationen über sie haben. Ich kann die Bewegung der Erde um die Sonne vorhersagen, ohne die genaue Position und Geschwindigkeit jedes Atoms auf der Erde zu kennen. Das ist also eine gute und eine schlechte Nachricht für die Physik. Wir kennen die Teilchen, aus denen Sie und ich bestehen. Wir kennen die sogenannte Kerntheorie der Physik. Die Kerntheorie ist im Grunde Einsteins Theorie der allgemeinen Relativität für die Gravitation, plus das Standardmodell der Teilchenphysik. Und diese Kerntheorie reicht aus, um die gesamte Physik der Alltagswelt zu untermauern. Das ist die gute Nachricht. Es gibt zwei schlechte Nachrichten. Eine schlechte Nachricht ist, dass es schwer ist, darüber hinauszugehen. Wir wissen, dass diese Theorie nicht die endgültige Antwort ist. Wir sagen nicht, dass die Kerntheorie die Theorie von allem ist. Sie erklärt nicht den Urknall oder Schwarze Löcher oder Dunkle Materie usw. Okay? Die andere schlechte Nachricht ist, dass sie im Prinzip Chemie, Biologie, Psychologie, Politik, wer weiß, erklärt. Aber in der Praxis ist das völlig nutzlose Information. Wenn Sie Biologe werden wollen, ist das Wissen über das Top-Quark nicht wichtig für Ihr Leben. Selbst das Wissen über Up- und Down-Quarks ist nicht so wichtig, obwohl es Protonen und Neutronen in Kernen gibt und Kerne in Atomen und Atome in biologischen Organismen. Wenn Sie Biologie studieren wollen, ist es am besten, Biologie zu studieren, nicht Teilchenphysik. Ich halte es also für unglaublich bedeutsam, wie die verschiedenen Ebenen der Realität voneinander abhängen. Und wir kennen eine Ebene wirklich, wirklich gut, die Ebenen von Teilchen und Kräften auf dem Niveau der Quantenfeldtheorie und Atome und ähnlichem. Wir möchten diese Ebene noch besser verstehen, aber wir verstehen sie sehr, sehr gut. Sie führt zur Ebene der Chemie und Atome. Die Stabilität des Stuhls, auf dem ich sitze, beruht letztendlich auf den Regeln der Quantenfeldtheorie. Diese Atome und Moleküle verbinden sich mit Elektrizität und Magnetismus, um die gesamte Chemie zu bilden, was eine ziemlich große Sache ist. Chemie verbindet sich, um Biologie und so weiter die Leiter hinauf zu bilden. Wir können beide schätzen, dass diese verschiedenen Ebenen voneinander abhängen, während wir auch schätzen, dass wir, um sie zu studieren und zu verstehen, jede Ebene für sich ernst nehmen müssen. Physik ist nicht nur eine Sammlung wahrer Fakten und Gleichungen und ähnlichem. In vielerlei Hinsicht ist sie eine Haltung. Es ist eine Art, über verschiedene Dinge nachzudenken. Sie kann Sie also sehr weit bringen. Sie können über die Physik verschiedener Arten von Dingen bis hin zur Physik der Gesellschaft sprechen. Sie können soziale Gruppen oder Abstimmungen oder ähnliches mit sehr ähnlichen Ideen wie der statistischen Mechanik und anderen Ideen, die in den 1800er Jahren entstanden sind, modellieren. Es sollte also eine enge gegenseitige Befruchtung zwischen verschiedenen Disziplinen geben und gibt es auch. An meiner Universität, Johns Hopkins, gibt es eine ganze Abteilung namens Biophysik, weil Physiker und Biologen, die zusammenarbeiten, ein unglaublich nützliches Unterfangen sind. Das bedeutet jedoch nicht, dass alle Ideen in der Physik für Biologen nützlich sind, und insbesondere die Ideen des Higgs-Bosons oder der Masse des Top-Quarks oder der spontanen Symmetriebrechung bei den starken Wechselwirkungen. Diese sind für Biologen nicht so interessant und müssen es auch nicht sein. Es sind spezifische Ideen. Es sind keine allgemeinen Techniken. Das Nächstliegende, was ich sagen könnte, wie nützlich es für einen Biologen ist, ein wenig über die Kerntheorie der Physik zu wissen, ist eher im negativen Sinne. Es gibt Dinge, die man sich plausibel als wichtig für die Biologie vorstellen könnte, aber der Physiker kann kommen und sagen: Nein, das kann nicht funktionieren. Es verstößt gegen die Gesetze der Physik. Ich denke an so etwas wie das Biegen eines Löffels mit meinem Verstand, richtig? Wissen Sie, wir könnten uns vorstellen, dass ich die Kräfte der Telekinese habe. Ich kann nutzen, was in meinem Kopf vorgeht, denn schließlich ist das Gehirn sehr kompliziert. Wir verstehen nicht wirklich viel darüber, wie es funktioniert. Vielleicht ist es möglich, dass es eine Kraft hervorbringt, die Dinge herumschieben kann, ohne dass ich sie berühre. Die Gesetze der Physik sagen Ihnen, dass das nicht passieren wird, denn wir haben nur ein paar Zutaten. Wir haben Gravitation, wir haben Elektromagnetismus und so weiter. Wir kennen bestimmte Grenzen dessen, was möglich ist. Wenn Sie Ingenieur sind, sind Sie vielleicht ein sehr, sehr cleverer Ingenieur. Sie werden kein Raketenschiff entwerfen, das schneller als Licht reisen kann. Sie werden keinen Motor bauen, der für immer ohne Treibstoff oder Energieeingabe läuft. Sie werden keine Perpetuum-mobile bauen. Sie werden die Regeln der Erhaltung der elektrischen Ladung und ähnliches nicht verletzen. Traurigerweise setzt die Physik Grenzen für das, was wir tun können, die etwas enger sind als das, was wir uns vorstellen können, aber sie schlägt auch neue Ideen für Dinge vor, die möglich sein könnten, und diese können zu einigen großen Überraschungen führen.

Mitte des 20. Jahrhunderts befand sich die Physik an einem seltsamen Punkt, denn wir hatten die Idee der Quantenmechanik. Wir hatten sogar die Ideen der Quantenfeldtheorie. In den 1940er und frühen 50er Jahren fanden Leute wie Richard Feynman, Julian Schwinger, Shin'ichirō Tomonaga heraus, wie man die Probleme, die die Quantenfeldtheorie zu haben schien, in den Griff bekommt. Als die Leute zum ersten Mal die Quantenfeldtheorie erfanden, ergab sie unsinnige Antworten auf sehr einfache Fragen wie: Was ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Elektronen zusammenstoßen? Feynman und seine Freunde fanden heraus, wie man das repariert, aber das war wirklich nur für den Elektromagnetismus. Das war die eine Kraft der Natur, die wir auf Quantenebene wirklich verstanden. Wir wussten, dass es andere Kräfte gab. Wir wussten nichts von Quarks, aber wir wussten, dass Protonen und Neutronen im Kern eines Atoms zusammengehalten wurden. Und tatsächlich hatten wir Hinweise darauf, dass es so etwas wie die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft gab. Was waren sie also? Nun, eine offensichtliche Sache, die man tun kann, ist zu sagen, wenn Elektrizität und Magnetismus so gut funktionieren, verallgemeinern wir einfach die Idee, die dem Elektromagnetismus zugrunde liegt, etwas, das man Eichsymmetrie nennt, Symmetrie des Rotierens von Feldern ineinander an verschiedenen Punkten im Raum und in der Zeit. Das haben Yang und Mills getan. Sie sagten, wir können vom Elektromagnetismus, à la Maxwell, zu einer ganzen Reihe anderer Arten von Theorien übergehen, die anders, aber ähnlich sind. Vielleicht beschreibt eine davon die Kernkräfte. Das Problem war im Elektromagnetismus, dass die Existenz dieser Symmetrie etwas sehr Bemerkenswertes vorhersagt, nämlich, dass das Photon keine Masse hat. Es ist ein masseloses Teilchen. Ein masseloses Teilchen bedeutet, dass die Kraft, die mit diesem Teilchen verbunden ist, sehr weit durch den Raum reicht. Und tatsächlich sind die beiden masselosen Teilchen, die wir kennen, das Photon des Elektromagnetismus und das Graviton der Gravitation, die beide zu langreichweitigen Kräften führen. Aber die Kernkräfte sind nicht langreichweitig. Sie sind auf sehr kurze Distanzen innerhalb des Kerns beschränkt. Andere Leute sagten also, nun, es kann kein ähnliches Eichprinzip wie der Elektromagnetismus sein, es muss etwas anderes sein. Es stellt sich heraus, dass tatsächlich sowohl die schwache Kernkraft als auch die starke Kernkraft auf Eichsymmetrien zurückzuführen sind, ähnlich wie der Elektromagnetismus, aber die Natur verbirgt sie uns auf sehr clevere Weise. Und ich sage gerne, das liegt daran, dass das Universum uns liebt, und der Grund, warum das Universum uns liebt, ist, dass es jeden möglichen Trick in seinem Buch verwendet, um das Standardmodell der Teilchenphysik zu konstruieren, damit es so lohnend wie möglich ist, wenn Physiker es herausfinden und wenn Doktoranden diese Probleme lösen müssen. Im Grunde, wenn man will, dass diese masselosen Teilchen keine langreichweitigen Kräfte erzeugen, gibt es zwei verschiedene Wege, dies zu tun. Ein Weg wird von den starken Wechselwirkungen genutzt, und der andere Weg wird von den schwachen Wechselwirkungen genutzt. Und die starken Wechselwirkungen sind die Gluonen, die die starke Kernkraft tragen. Sie sind masselose Teilchen, aber sie dehnen sich nicht bis ins Unendliche aus, weil sie immer wieder aufeinanderprallen. Die starke Kernkraft ist eine stark wechselwirkende Theorie, so dass die Gluonen einfach in Kreisen herumflitzen, in den Protonen und Neutronen aufeinanderprallen, und man sie nicht auseinanderziehen kann. Deshalb ist diese Kraft kurzreichweitig. Für die schwache Kernkraft ist es das Higgs-Boson, das die Arbeit leistet. Das Higgs-Boson füllt den gesamten Raum und schränkt im Grunde die schwache Kernkraft ein, indem es sie absorbiert. Die Kraftlinien der W- und Z-Bosonen, die sich bis ins Unendliche ausdehnen würden, werden vom Higgs-Feld, das sie umgibt, aufgefressen. Im Grunde nutzt die Natur jeden Trick, den sie sich ausdenken kann, um die Physik auf interessante Weise funktionieren zu lassen, und es gibt Physikern am Ende des Tages wirklich ein Erfolgserlebnis, wenn sie alles herausfinden.

Quantenmechanik ist seltsam, denn obwohl wir gerade ihren 100. Jahrestag feiern, verstehen wir sie immer noch nicht. Wir nutzen sie, wir setzen sie mit erstaunlichem Erfolg ein, sei es beim Bau des Large Hadron Collider oder beim Bau eines Halbleiterbauelements in einem Konsumgüterelektronikgerät, Quantenmechanik ist da, sehr, sehr zuverlässig getestet, aber denken Sie daran, sie hat diese Idee, dass, wenn man etwas misst, es den Zustand des gemessenen Quantensystems verändert, und Sie haben mir nicht gesagt, was es bedeutet, etwas zu messen, das Messproblem. Das offensichtlichste Beispiel für das Messen von etwas ist natürlich, wenn ich als bewusstes menschliches Wesen tatsächlich eine Messung von etwas durchführe. Es war also völlig legitim und absolut verlockend, sagen wir, Mitte des 20. Jahrhunderts, laut zu fragen: Bedeutet das, dass Bewusstsein eine wichtige Rolle in den fundamentalen Gesetzen der Physik spielt? Nun, alles, was ich Ihnen sagen kann, ist, dass ich das nicht glaube. Ich denke eher das Gegenteil. Ich denke, Bewusstsein entsteht aus dem gewöhnlichen Zusammenspiel all der komplizierten Dinge, die nach den Gesetzen der Physik geschehen. Aber es gibt eine Denkschule, die besagt, dass Bewusstsein tatsächlich für den Kollaps der Wellenfunktion in der Quantenmechanik verantwortlich ist, oder vielleicht sollte ich Wellenfunktionen nicht einmal als reale Dinge betrachten. Ich sollte Agenten, die Messungen durchführen, als die realen Dinge betrachten, und ich benutze die Quantenmechanik als Werkzeug, um vorherzusagen, was ihre Messergebnisse sein werden. Einerseits habe ich meine Meinung darüber, was die Antwort auf diese Fragen ist, aber andererseits, und noch wichtiger, denke ich, dass wir nicht genug Zeit und nicht genug Gehirnleistung aufwenden, um diese Fragen anzugehen. Wir haben sie irgendwie unter den Teppich gekehrt. Es gibt dieses ganze Feld, das sich mit den Grundlagen der Quantenmechanik beschäftigt. Was geschieht wirklich in unserem besten, wichtigsten Rahmenwerk für die fundamentale Physik? Und ich sage gerne halb scherzhaft, dass, wenn man jemandem, der nichts darüber weiß, sagen würde: Oh ja, wir haben diese wunderbare Theorie der Welt, aber es gibt einen Teil davon, den wir nicht verstehen, wir kämpfen immer noch damit. Sie würden denken: Oh, es muss sein, dass der Versuch, diese Dinge zu verstehen, das wichtigste Ziel in der Physik ist. Dass die Leute, die sich darauf spezialisieren, die Glamourwissenschaftler sind, die von den besten Universitäten mit riesigen Gehältern abgeworben werden und so weiter, während die Realität das Gegenteil ist. Wenn das Ihre Spezialität in der Physik ist, werden Sie es sehr, sehr schwer haben, einen Job zu bekommen. Die meisten Physikabteilungen wollen nicht über die Grundlagen der Quantenmechanik nachdenken, weil sie keinen Weg finden, durch Experimente Fortschritte zu erzielen. Ich bin also froh, dass Leute verrückte Ideen über die Grundlagen der Quantenmechanik haben, auch wenn diese verrückten Ideen irgendwie Bewusstsein mit einbeziehen. Ich glaube nicht, dass das letztendlich der richtige Weg ist, aber wir werden es nicht herausfinden, es sei denn, viele kluge Leute stecken viel Mühe hinein.

Ich habe schon einmal gesagt, dass man dem Physiker des späten 19. Jahrhunderts verziehen hätte, wenn er dachte, er sei fast fertig. Er hatte es fast vollständig unter Kontrolle. Übrigens, nur sehr wenige Leute taten das tatsächlich. Man kann ein oder zwei Zitate von Physikern dieser Ära finden, aber die meisten Physiker sind etwas vorsichtiger. Tatsächlich sagten einige ganz explizit: Nein, nein, nein, wir sind nicht fertig. Haltet durch. Es passiert wieder, richtig? Jetzt, über 100 Jahre später, befinden wir uns in einer Situation, in der wir eine Theorie haben, das Standardmodell plus allgemeine Relativitätstheorie, die zu allen Daten passt, die wir haben, aber wir wissen, dass es nicht die endgültige Antwort ist. Sie werden heute null Physiker finden, die sagen, dass wir die vollständige Theorie haben. Sie mögen unterschiedliche Meinungen darüber haben, wie nah wir der vollständigen Theorie sind. Es gibt mehrere offensichtliche Gründe, warum wir wissen, dass wir nicht die vollständige Theorie haben. Dunkle Materie im Universum ist das offensichtlichste experimentelle Ergebnis. Obwohl wir Dunkle Materie im Labor nicht nachgewiesen haben, haben wir ihre Auswirkungen am Himmel gesehen. Wir können sie nicht in das Standardmodell einfügen, also ist das ein Beweis dafür, dass wir mit Teilchen und Feldern noch nicht fertig sind. Auf theoretischer Seite sagte ich, dass wir Gravitation und das Standardmodell der Teilchenphysik haben, aber wir verstehen Quantengravitation nur in einem sehr begrenzten Bereich, wo das Gravitationsfeld relativ schwach ist. Wir verstehen auf der Grundlage der Quantengravitation, warum sich die Erde um die Sonne bewegt oder Äpfel von Bäumen fallen, aber wir verstehen nicht, was passiert, wenn die Gravitation stark wird, wie in einem Schwarzen Loch oder nahe dem Urknall. Das ist das Problem der Quantengravitation, und es ist derzeit experimentell unzugänglich. Wir wissen, welche Energie wir in einem Teilchenbeschleuniger benötigen würden, um Quantengravitationseffekte offensichtlich zu machen, und sie ist viel, viel, viel, viel, viel größer als das, was wir hier auf der Erde mit heutiger Technologie tun können.

Es gab diesen Moment in den 1980er Jahren, als große Aufregung um die sogenannte Stringtheorie oder Superstringtheorie herrschte, und die Aufregung war absolut gerechtfertigt, denn die Leute stellten die relativ kühne Vermutung auf, dass man anstelle von Teilchen die fundamentalen Einheiten der Materie als kleine Schleifen von Saiten vorstellen sollte. Und folgen Sie einfach Ihrer Nase, stecken Sie das in die Regeln der Quantenmechanik, sehen Sie, was passiert. Und was passiert, ist absolut erstaunlich. Erstens, Sie sagen unweigerlich Gravitation voraus, was wichtig ist, weil Gravitation existiert. Zweitens, Sie haben unweigerlich Raum für alles andere, für all die Fermionen und Bosonen und all diese Felder, die wir im Universum sehen. Die Idee einer einzigen vereinheitlichten Theorie von allem schien also sehr erreichbar, und sie waren in den 1980er Jahren und weiter in den 1990er Jahren sehr aufgeregt. Die Stringtheorie, wie sie genannt wird, ist immer noch ein sehr, sehr vielversprechender Ansatz, um alles zu vereinheitlichen, was wir über Physik wissen, aber wir haben es vollständig versäumt, sie mit experimentellen Daten zu verbinden. Wir waren damals in den 80ern hoffnungsvoll. Die Leute sagten: Okay, berechnen wir die Masse des Elektrons nach der Stringtheorie. Es stellt sich heraus, dass es viel, viel schwieriger ist, als wir es uns jemals vorgestellt hätten. Und vielleicht liegt es daran, dass die Stringtheorie nicht richtig ist. Wir wissen es nicht. Vielleicht liegt es daran, dass die Natur dieses Mal einfach nicht nett zu uns ist. Ich denke also, dass heute weitaus weniger Physiker versuchen würden, vorherzusagen, wie nah wir der fundamentalen Theorie von allem sind. Ich denke, es muss eine fundamentale Theorie von allem geben, denn es gibt das Universum. Es gibt die reale Welt. Die reale Welt tut etwas. Die Theorie von allem ist nur die Liste von allem, was das Universum tut. Und das mag für uns Menschen leicht oder auch nicht leicht herauszufinden sein.

Das "3-Körper-Problem" ist diese lustige Fernsehserie, die auf diesen wunderbaren Romanen von Cixin Liu basiert, und es gibt viele interessante Ideen, die mit Physik und Kosmologie zusammenhängen. Ich werde Ihnen keine Spoiler geben oder so etwas, aber ich habe bei verschiedenen Fernsehsendungen und Hollywood-Filmen und ähnlichem beraten, und die Leute wollen immer wissen, wie realistisch die Physik ist. Und ich sage, wissen Sie, meistens ist die unrealistische Physik, dass der Star nach dem Schlafen in seinem Bett aufwacht und seine Pyjamas nicht zerknittert sind. Das ist mit den Gesetzen der Physik, wie ich sie verstehe, völlig unvereinbar. Aber es ist dieser Prozess des Wissenschaftmachens, der in vielen Shows wirklich unrealistisch ist, und das "3-Körper-Problem" ist keine Ausnahme. Ein wichtiger Handlungsstrang in der Show ist, dass Wissenschaftler entdeckt haben, dass Daten eingehen, die mit ihren Theorien unvereinbar sind, und sie geraten irgendwie in Panik und mögen es nicht, und wissen Sie, sie begehen Selbstmord oder hören auf, Physik zu betreiben, oder was auch immer. Das ist genau das Gegenteil von dem, was in der realen Welt passieren würde. Es gibt nichts Besseres in der Physik, als wenn Ihre Theorie mit einem neuen Datensatz unvereinbar ist, insbesondere mit einer Theorie, die lange Zeit sehr, sehr gut funktioniert hat. Nun, wenn Sie persönlich derjenige sind, der die Theorie entwickelt hat, könnten Sie traurig sein. Aber als Gemeinschaft macht man so Fortschritte. Wenn Sie den Nobelpreis für Physik gewinnen wollen, beweisen Sie nicht, dass Einstein Recht hatte. Sie beweisen, dass Einstein falsch lag. So weckt man die Leute. Und aus irgendeinem Grund befinden wir uns gerade in einer Situation, in der in der fundamentalen Physik, in der Kosmologie, Gravitation, Teilchenphysik, unsere Theorien fast zu gut sind. Unsere Theorien passen wirklich, wirklich gut zu den Daten. Das ist ganz anders als vor 100 Jahren, als wir all diesen neuen, überraschenden experimentellen Ergebnissen hinterherjagten. Dann kann man bessere Ideen entwickeln. Der Raum möglicher Theorien der Physik ist viel zu groß, um einfach die richtige Antwort zu erraten. Wir brauchen Anleitung von Experimenten, und die Art von Anleitung, die wir brauchen, sind unerwartete Ergebnisse. Der einzige Weg, das zu tun, ist, größere und bessere Experimente zu bauen, und das versuchen wir gerade sehr hart.

Es ist eine fast unvermeidliche Versuchung zu denken, dass, wenn wir bessere Computer bauen, sei es buchstäblich Quantencomputer oder einfach nur viel effektivere Algorithmen für künstliche Intelligenz, dass uns das bei der Physik helfen wird, dass uns das neue Ideen geben wird, vielleicht neue Eingaben von irgendwoher. Einerseits bin ich super optimistisch, was die Nützlichkeit von Quantencomputern und KI als Werkzeuge in der Physik angeht, und andererseits bin ich ziemlich skeptisch, dass dies zu neuen konzeptionellen Durchbrüchen führen wird. Was Computer wirklich gut können, ist, wohldefinierte Probleme zu lösen. In der Mathematik zum Beispiel, wenn Sie einen Satz haben und den Satz beweisen wollen, das ist vieles von dem, was Mathematiker tun, Sätze beweisen, ich habe keine Probleme, mir vorzustellen, dass Computer besser darin werden, Sätze zu beweisen als Menschen. Computer sind besser im Schach und Go als Menschen. Sätze beweisen ist in die gleiche Richtung. Aber Mathematik ist so viel mehr als das, denn Mathematik beinhaltet das Stellen der Fragen an erster Stelle. Wie wäre es, wenn ich dieses Ding mit jenem Ding zusammenfüge? Und Physik ist sehr ähnlich. Was wäre, wenn ich dieses spezielle System auf eine völlig neue Weise betrachte? Das sind keine wohldefinierten Probleme, und das sind die Bereiche, in denen Computer nicht so gut sind. Vielleicht werden sie es schaffen. Ich habe keinen Zweifel, dass ein Computer im Prinzip genauso gut sein kann wie ein Mensch. Aber weil wir Menschen nicht einmal verstehen, was vor sich geht, wenn wir diese kreativen Sprünge machen, ist es für uns schwer, die Computer darauf zu trainieren. In meinem Leben jedenfalls glaube ich nicht, dass mein Job durch die Computerrevolution gefährdet ist. Es gibt so viele Fragen, die leicht zu stellen und schwer zu beantworten sind. Wissen Sie, Leute fragen mich in meinem Podcast, wissen Sie, wenn Sie nur ein Physik-Ergebnis aus der Zukunft erfahren würden, was wäre das? Nun, ich möchte die Theorie von allem wissen, richtig? Ist das schummeln? Ist das keine unfaire Antwort? Ich will alles wissen. Aber wenn Sie es auf einen Aspekt von allem eingrenzen wollen, den wir besser verstehen sollten, möchte ich verstehen, wie man Quantenmechanik mit Gravitation in Einklang bringt, richtig? Ich möchte verstehen, was die Quantenmechanik selbst tatsächlich sagt und wie Gravitation daraus entsteht. Ich habe einige Ideen dazu. Wir arbeiten daran, wissen Sie, in unseren Tagesjobs, aber ich vermute, dass es etwas Tiefes gibt, das wir noch nicht erraten haben, und das wird mit einer Reihe anderer Fragen zusammenhängen, wie: Was ist beim Urknall passiert? Was passiert in Schwarzen Löchern? Es gibt viele andere Fragen, die man stellen könnte, aber das ist eine Gruppe von Fragen, die jeder als wirklich wichtig anerkennt. Wir alle denken sehr hart darüber nach, aber wir kennen die endgültigen Antworten noch nicht.

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