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Verleihung
der Albert Einstein Medaille 2006
Am 29. Juni 2006 erhielt der theoretische Physiker Gabriele Veneziano
die Einsteinmedaille. Der 1942 geborene Preisträger führte in
seinem Vortrag mit dem Titel «String Theory and Einstein's Unification
Dream» durch fünfzig Jahre theoretische Physik. Der Anlass
fand in einem Seminarraum der Universität Bern statt.
Professor Gabriele Veneziano
Einstein
hat vor allem in der zweiten Hälfte seines wissenschaftlichen Lebens
versucht, eine Theorie zu entwickeln, die die Ergebnisse der Gravitationstheorie
und der Teilchenphysik vereinheitlicht. Aber weder er noch andere haben
es vermocht, die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) und die Quantentheorie
(QT) zu verbinden. Eine solche Vereinheitlichung zu finden ist ein sehr
ehrgeiziges Ziel, denn die beiden Theorien befassen sich mit Phänomenen,
deren charakteristische Längen immerhin 61 Zehnerpotenzen auseinander
liegen! Was hat die theoretische Physik in dieser Hinsicht bis heute erreicht?
Mit dieser Frage nimmt uns Veneziano mit auf eine Reise durch ein halbes
Jahrhundert theoretischer Physik.
Darstellung der physikalischen Theorien in einem abstrakten Koordinatensystem
Der Laureat
gibt uns zunächst einen Ueberblick über die gängigen Theorien
anhand eines Würfels, dessen eine Ecke im Ursprung eines dreiachsigen
Koordinatensystems mit den drei Achsen G, R und Q liegt. Dieser Startpunkt
ist unsere vertraute Alltagswelt, in der bei kleinen Geschwindigkeiten
und „normal“ grossen Objekten weder relativistische noch quantenmechanische
Prozesse eine wesentliche Rolle spielen, und in dem die klassische (Newtonsche)
Physik die Phänomene sehr gut beschreibt.
Wendet man sich zunehmend grösser werdenden Objekten zu (Sonnensystem,
Galaxien), so ist dort die Physik mit Newtons Gravitationstheorie beschreibbar
und man bewegt sich auf der G-Achse weg vom Ursprung. Die zweite Stossrichtung
konzentriert sich auf Vorgänge mit grossen Geschwindigkeiten (E=mc2,
Beschleunigerring); diese Physik muss die Gleichungen der Speziellen Relativitätstheorie
berücksichtigen und man wandert in Richtung R in unserem Diagramm.
Will man schliesslich Prozesse im ganz Kleinen (Atome, Elementarteilchen)
studieren und beschreiben, wird die Quantentheorie unverzichtbar und man
erobert die Physik in Richtung Q.
Selbst die Berücksichtigung jeweils zweier dieser Stossrichtungen
ist heute möglich und theoretisch sehr gut verstanden. So kann man
für Prozesse, die bei grossen, massiven und gleichzeitig sehr schnellen
Objekten auftreten (schwarze Löcher, Gravitationswellen), die Gleichungen
der Allgemeinen Relativitätstheorie heranziehen; der ART entspricht
die vordere grau getönte Fläche. Die andere graue Fläche
symbolisiert die Quantenfeldtheorie, welche erfolgreich Prozesse von mikroskopisch
kleinen, sich nahe bei der Lichtgeschwindigkeit bewegender Objekte (Teilchenkollisionen,
virtuelle Teilchen) beschreibt.
Will man nun Phänomene, die sowohl massiv, als auch klein und schnell
sind, verstehen und richtig beschreiben, so fehlen bis heute die passenden
Gleichungen einer solchen „Theory of Everything“; man kennt
sie noch nicht, die Theorie für das Innere des Würfels! Das
Verbinden von ART und QFT ist konzeptuell wichtig, und für die moderne
Kosmologie unverzichtbar, insbesondere für die Physik des Urknalls,
der sich an der gegenüberliegenden Ecke des „Theoriewürfels“
befindet. Denn beim Urknall hat man ein heisses und dichtes, daher energiereiches,
relativistisches Universum. Die hohe Dichte sorgt wegen den extremen Gravitationsfeldern
für eine enorme Raumkrümmung mit sehr kleinen Krümmungsradien,
was quantenmechanische Prozesse bedingt.
Die experimentelle Kosmologie hat in den vergangenen fünfzig Jahren
eine Fülle von interessanten Daten geliefert. Wer hätte vor
ein paar Jahrzehnten gedacht, dass man z.B. das Alter des Universums auf
ein paar Prozente genau angeben könnte? Nur – viele experimentellen
Befunde harren einer theoretischen Erklärung. Während man die
kosmische Hintergrundstrahlung, das Entstehen von Strukturen im All (Galaxien,
Cluster, …), die Elementsynthese nach dem Big Bang und die Sternentstehung
und –entwicklung gut versteht und mittels ART und QFT beschreiben
kann, fehlen Ansätze und Lösungen in Bezug z. B. auf die Materie-
Antimaterie-Asymmetrie oder die Existenz dunkler Materie und dunkler Energie.
Professor Veneziano greift ein Problem heraus: die so genannte Inflation.
Die neuesten WMAP-Daten (siehe Olympia 2005) bestätigen eine Phase
kurz nach dem Urknall, bei der innert kürzester Zeit eine „überexplosive
Ausdehnung“ um -zig Zehnerpotenzen stattgefunden haben muss. Zu
diesem Zeitpunkt war das gesamte Universum genug kleinräumig, um
alle Teile kausal zu verknüpfen und also eine grosse Homogenität
innerhalb der Raum-Zeit zu bewerkstelligen. (Die Vorstellung ist etwa
die, dass Photonen genug Zeit zur Verfügung hatten, das damalige
Universum zu durchfliegen, um ein thermisches Gleichgewicht herbeizuführen).
Die übrig bleibende Inhomogenität oder Körnigkeit sorgte
dann nach der eigentlichen Inflationsphase für das relativ rasche
Entstehen grossräumiger Strukturen wie Galaxien oder Cluster.
Zur Expansion des Universums; LH~10^26m, LPlanck~10^-25m
Welche Gleichungen
beschreiben dieses Szenario? Welcher Prozess löst die Inflation aus,
und in welcher Theorie hat sie Platz? Diese Fragen lassen sich im Prinzip
innerhalb der allgemeinen Relativitätstheorie beantworten, wenn nur
das Universum nicht derart klein wäre, also zwangsläufig den
Einbezug der QFT verlangen würde!
Ein Problem ist der Urknall selber. Wird nur die ART berücksichtigt,
ergeben sich nach Hawking und Penrose beim Big-Bang Singularitäten,
d.h. Raum-Zeit-Punkte, in denen physikalische Grössen unendlich werden.
Physiker haben schon einmal gegen Singularitäten gekämpft, mit
Erfolg: Unter dem Begriff Renormalisierung hat man ein Verfahren entwickelt,
mit dem man die bei der elektroschwachen Wechselwirkung auftretenden Singularitäten
in den Griff bekommt. Versuche, ein analoge Theorie für die Gravitation
zu formulieren, sind jedoch auch nach zwanzig Jahren intensiver Bemühungen
gescheitert. Weiter gibt Professor Veneziano zu bedenken, dass die Vorstellung
von punktförmigen Elementarteilchen für das Beschreiben von
Teilchenprozessen bei sehr grosser Energie (wie beim Urknall) wohl unzureichend
ist. Er vergleicht dies anhand des Neutronzerfalls: die Elektro-schwache
Theorie liefert bessere Resultate als die auf punktförmigen Partnern
basierende Theorie von Fermi.
Der Neutronzerfall gemäss Fermi-Theorie bzw. Elektro-schwacher Theorie
Ist es möglich,
eine solche Erweiterung auch für die Allgemeine Relativitätstheorie
zu formulieren? Dies ist schwierig, denn die ART ist eine klassische Theorie,
basiert also auf einem Raum-Zeit-Kontinuum, in dem (Punkt-)Ereignisse
stattfinden oder eben nicht. Mit Hilfe von Strings – genauer Relativistic
Quantum Strings - scheint es aber einen Weg aus der Sackgasse zu geben.
Ein String ist eine Verallgemeinerung eines punktförmigen Objekts.
Man kann sich ein String vorstellen als eine vibrierende Saite. Je nach
dem, wie die Saite angezupft wird, klingt sie anders. Genauso manifestiert
sich ein String als dieses oder jenes Teilchen, je nachdem, in welchem
Mode er schwingt, allerdings in einer 11-dimensionalen Raum-Zeit! Studiert
man diese Teilchen unter Berücksichtigung der Quanteneffekte, lässt
sich (vergleichbar mit dem Bohrradius) eine charakteristische Länge
ableiten, die Stringlänge Ls, deren absoluter Wert allerdings noch
nicht festliegt. Ferner können Quantenstrings im Gegensatz zu klassischen
Strings einen Spin J haben, ohne eine Ruhemasse M aufzuweisen. Insbesondere
findet damit das Graviton mit J=2 und M=0 einen „natürlichen“
Platz in der Stringtheorie. Das elektromagnetische Feld und das Gravitationsfeld
erscheinen als halbklassische Näherungen einer solchen „Quantentheorie
ausgedehnter Objekte“. (Das Enthalten von Näherungen bekannter
Theorien ist übrigens das einzige prinzipiell nachprüfbare Kriterium
einer brauchbaren Stringtheorie). Die Existenz einer LS- Länge sowie
die neuen Kombinationen von Masse und Spin erlauben offenbar eine vereinheitlichte
und endliche Theorie mit Strings, aufbauend auf der Quantenfeldtheorie.
Das ist zwar sehr ermutigend, aber andererseits bleiben viele, mathematisch
sehr schwierige Fragen offen und es fehlen auch experimentelle Resultate,
die Stringtheorien (es gibt mehrere!) bestätigen würden.
Einsteins Idee einer vereinheitlichten lokalen Feldtheorie scheint mittels
Stringtheorie realisierbar zu sein, aber auf ein Art und Weise, die vor
50 Jahren natürlich nicht vorhersehbar war und vor allem: nicht trotz
der Quantenphysik, sondern wegen der Quantenphysik.
Des grossen Physikers Traum wurde wahr (wenigstens theoretisch!), aber
anders als er gedacht hatte. Würde Einstein heute (entsprechend seinem
Bonmot) immer noch in zweifelnder Manier sagen: „God does not play
strings!“? Oder würde er heute anerkennen, dass Gott würfelt
und sogar Saiten zupft?
Jedenfalls, die letzten 50 Jahre QT haben gezeigt, dass Gott ziemlich
sicher Würfel spielt. Die vor uns liegenden 50 Jahre werden uns hoffentlich
zeigen, ob der Würfel-Saiten-Cocktail Gott wohl bekommt oder nicht!
Hansjörg
Friedli
Vorstellung
des Laureaten
Am 29. Juni 2006 erhält Gabriele Veneziano, ein führender
theoretischer Physiker die Albert Einstein-Medaille. Der 1942 geborene
Preisträger lieferte in den sechziger Jahren entscheidende Beiträge
zum Verständnis der Stringtheorie.
Veneziano
wurde am 7. September 1942 in Florenz geboren. Nach seinem Physikstudium
in Florenz wechselte er ans Weizmann Institute of Science in Israel, und
schloss dort 1967 sein Doktorat ab. 1966 heiratete er Edy Pacifici, Professorin
in Psycholinguistik an der Universität Paris. Venezianos haben zwei
Töchter: Ariel, 1970 geboren und Erika, die 1976 auf die Welt kam.
Gabriele Veneziano ist ein sehr respektabler Tischtennis-Spieler. Er liebt
gutes Essen und guten Wein, und kocht auch ab und zu gerne. Zu seinen
Hobbies zählen auch das Wandern und Skifahren, Lesen gehört
leider - so findet er - nicht zu seinen Lieblingsbeschäftigungen,
hingegen hört er gerne Musik, vor allem italienische Opern. Am meisten
erfüllt ihn aber nach wie vor die Forschung in theoretischer Physik;
das Durchführen von schwierigen Berechnungen vergleicht er schmunzelnd
mit einem mentalen Fitnessprogramm.
Sein weiterer akademischer Weg führte ihn 1968 ans MIT, Cambridge
und 1972 ans Weizmann Institut, wo er von 1975 bis 1977 eine Professur
innehatte. Er ist seit 1978 Senior Staff Member am CERN und seit 2004
Professor am Collége de France in Paris. Neben vielen anderen Auszeichungen
erhielt er 2005 den Enrico Fermi Preis.
Venezinano gelang 1968 eine Beschreibung stark wechselwirkender Elementarteilchen,
indem er sie als fibrierende Fäden oder schwingende Saiten und nicht
als punktförmige Gebilde auffasste, was ihn zum Vater der sogenannten
String-Theorie machte. So lässt sich beispielsweise ein String-Mode
(d.h. ein Resonanz-Muster oder Saiten-Konsonanz) in einem gedachten Raum
als Proton und ein anderer Grundton derselben Saite als Neutron interpretieren.
Veneziano entdeckte weiter, dass sich die Euler-Beta-Funktion als Streuamplitude
(sogenannte Veneziano-Amplitude) verwenden liess, um Eigenschaften stark
wechselwirkender Teilchen zu beschreiben. Leider konnte die "String-Theorie
der ersten Stunde" die Stabilität des Atomkerns nicht erklären
und es wurde vorerst still um die recht abstrakte Theorie. Veneziano beschäftigte
sich in der Folge mit der Quantenchromodynamik, zu deren Formulierung
er namhafte Beiträge lieferte. Die String-Theorie feiert als Superstringtheorie
seit den achziger Jahren ein eigentliches Comeback; Veneziano war einer
der ersten, der die String-Kosmologie z. B. auf schwarze Löcher oder
den Big-Bang anwendete. Sie ist in der Lage, gewisse Probleme im Zusammenhang
mit der Big-Bang-Singularität zu umgehen und - wenn auch spekulative
- Aussagen über das Universum "vor dem Urknall" zu machen.
Hansjörg
Friedli