Standort: science.ORF.at / Meldung: "Ist die Weltformel eine Matrix?"

Mess-Satellit und Erde in gekrümmter Raumzeit.

Ist die Weltformel eine Matrix?

Seit langem suchen Forscher nach einer einheitlichen Theorie, die alle Kräfte im Universum beschreibt. Der Matrix-Theorie wurden in diesem Zusammenhang bislang nur Außenseiterchancen eingeräumt - möglicherweise zu Unrecht, wie eine Studie österreichischer Physiker zeigt: Sie könnte den Weg zur erhofften Weltformel weisen.

Physik 10.09.2014

Die Vereinheitlichung gilt in der Physik als Tugend. James Clerk Maxwell hat vorgemacht, wie es geht. Der schottische Physiker entwarf im 19. Jahrhundert eine Theorie, die Elektrizitätslehre und Magnetismus verschmolz. Beide, so zeigte Maxwell, sind Aspekte ein- und derselben Naturkraft, die seitdem Elektromagnetismus heißt.

Was spräche dagegen, dieses Erfolgsprinzip auch auf höherer Ebene anzuwenden? Viele Physiker glauben, dass alle vier Grundkräfte in der Natur (Elektromagnetismus, Gravitation, starke und schwache Kernkraft) aus einer Urkraft hervorgegangen sind. Leider sträuben sie sich bislang erfolgreich gegen eine einheitliche Beschreibung. Besonders die Gravitation scheint mit den anderen dreien nichts zu tun haben zu wollen. Eine "Theorie für Alles" gibt es in der Physik noch nicht - auch wenn sie viele herbeisehnen.

Strings: Eleganz ohne Konsequenzen

Bisher galt die sogenannte Stringtheorie als vielversprechender Ansatz, dieses Ziel zu erreichen. Doch nach Jahren des Optimismus ist es ein wenig still geworden um dieses Theoriegebäude, in dem sich die Physiker regelmäßig verirren. Hier gibt es, wie es scheint, zu viele Varianten und zu viele mathematische Möglichkeiten, als dass die richtige - jene, die die Natur korrekt beschreibt - zu finden wäre.

Die vermeintliche "Theory of Everything", so wurde mittlerweile gewitzelt, sei eigentlich eine "Theory of Nothing". Soll heißen: Die Mathematik der Stringtheoretiker mag zwar umfassend und schön sein, aber es lassen sich bislang keinerlei testbaren Folgerungen aus ihr ziehen.

Die Physiker Harold Steinacker und Jochen Zahn vor einer Tafel mit Formeln

Universität Wien

Formeln, die die Welt bedeuten: Harold Steinacker und Jochen Zahn erforschen die Matrix-Theorie

Vielleicht ist die übermäßige Reichhaltigkeit tatsächlich ein Nachteil, wenn es um die Anwendung im Experiment geht. Harold Steinacker von der Universität Wien jedenfalls fühlt sich eher von schlichten Konzepten angezogen. Ein solches ist etwa die sogenannte Matrix-Theorie.

In diesem Konzept besteht die Welt aus Matrizen, hier gibt es Zahlen, die für die Materie stehen, und Zahlen, die die Geometrie des Raumes beschreiben. Der Grundentwurf ist einfach und übersichtlich - genau diese Eigenschaft sieht Steinacker als Stärke bei der Suche nach der großen Vereinheitlichung.

Die Welt als Matrize

Die Studie

"An extended standard model and its Higgs geometry from the matrix model", Progress of Theoretical and Experimental Physics (doi: 10.1093/ptep/ptu111, 14.8.2014).

Als die Matrix-Theorie in den 90er Jahren von zwei Forschergruppen aus den USA und Japan ersonnen wurde, löste sie zunächst einen Boom aus. "Vor 15 Jahren haben Hunderte Physiker mit dieser Theorie gearbeitet", erzählt Steinacker im Gespräch mit science.ORF.at. Mittlerweile sei das Interesse ein wenig abgeflaut, "aber so ist das nun mal in der Forschung. Auch bei uns gibt es Trends und Modeerscheinungen."

Gleichwohl ist damit nicht gesagt, dass die Matrizen schon hinreichend erforscht worden wären. Im Gegenteil, die Theoretiker sondieren erst das Feld des Möglichen und versuchen herauszufinden, ob es sich lohnt, in diese Richtung weiterzugehen. Steinackers letzte Publikation beantwortet diese Frage mit einem klaren Ja. Der Wiener Physiker hat mit seinem Kollegen Jochen Zahn das sogenannte Chiralitäts-Problem gelöst.

Spiegelproblem gelöst

"In der Physik gibt es links- und rechtshändige Teilchen, die sich unterschiedlich verhalten, obwohl sie bis auf ihre Spiegelbildlichkeit sonst keine Unterscheide aufweisen. Das nennen wir Chiralität", sagt Steinacker. Die Natur hat auf grundlegendem Niveau offenbar eine Asymmetrie eingebaut.

Sie muss jede Theorie beschreiben können, sofern sie den Anspruch vertritt, alle vorhandenen Teilchen unter ein gemeinsames Dach zu bringen. Steinacker und Zahn wiesen nach, dass die Chiralität mit Hilfe der Matrix-Theorie in den Griff zu kriegen ist. Zumindest im Prinzip.

"Im Prinzip", ist eine Formulierung, die der Physiker von der Uni Wien häufig gebraucht, wenn man ihn nach Mitgliedern des Teilchenzoos befragt. Könnte man mit Hilfe der Theorie auch das Higgs-Boson beschreiben? "Zumindest gibt es Hinweise, dass es einen ähnlichen Mechanismus gibt." Ließe sich auch die notorisch widerspenstige Gravitation an die anderen Grundkräfte anbinden? "Im Prinzip könnte man das, ja."

Für solche Fragen sei es noch zu früh, betont Steinacker. Die Theorie sei noch nicht einmal richtig verstanden und die Orientierungsphase werde wohl noch ein paar Jahre dauern. Dann könne man sich an die Arbeit machen, experimentelle Voraussagen zu treffen. Und langfristig: Könnte die Matrix-Theorie zur Weltformel aufsteigen? "Das ist definitiv meine Hoffnung."

Robert Czepel, science.ORF.at

Mehr zu diesem Thema: