Montag, 21. November 2011

Einstein widerlegt? Schon wieder mal...

Zur Abwechslung schreibe ich heute mal etwas zur Physik. In den letzten Tagen geistern wieder Artikel durch die Medien wie „Lichtgeschwindigkeit: Einsteins Stuhl wackelt“ oder „Wankt Einsteins Relativitätstheorie?“ und ähnlicher Unfug. Von Schreibern, die nicht wirklich wissen wovon sie da reden. Einstein's Relativitätstheorie kann man genauso wenig widerlegen, wie Einstein auch nicht Newton widerlegt hat. Denn obwohl die Relativitätstheorie eine erhebliche Verbesserung der Newton'schen Mechanik darstellt, so ist doch auch heute immer noch die 300 Jahre alte Newton'sche Theorie Grundlage für 99,9% aller technischen Anwendungen.

Das liegt einfach daran, dass die Abweichungen zwischen Newton und Einstein nur bei sehr hohen Geschwindigkeiten und/oder gigantischen Raumdimensionen von Bedeutung sind. Selbst bei der, technisch durch die heute schnellsten Raketen nicht erreichbaren, Geschwindigkeit von 30 Km/sec (Rotationsgeschwindigkeit der Erde um die Sonne) beträgt der Unterschied nur etwa 1 Milliardstel. Kein Grund also, warum sich irgendein Ingenieur darum Gedanken machen müsste. Einer der wenigen Ausnahmen stellen GPS Geräte dar, denn die könnten ihre hohe Genauigkeit nicht erreichen, wenn man nicht die Raum-Zeit-Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) berücksichtigen würde.

Die nun scheinbar gemessene Überlichtgeschwindigkeit am Grand Sasso Observatorium (Bildquelle: CERN)ist wiederum nur ein ganz winziger Effekt als Abweichung von der theoretischen Vorhersage. Allerdings keineswegs einfach von Einstein, sondern einer komplizierten Kombination der Relativitätstheorie und der Quantendynamik (QM) und dem Standardmodell (SM) der Elementarteilchenphysik. Nun, die jetzt gemessene Abweichung beträgt etwa 2,5*10**-5, also maximal 0,0025% vom vorhergesagten Geschwindigkeitswert. Die beträgt nach besten Messungen 299792458 Meter/sec. Auf recht unsichere Weise wurde für Neutrinos, die durch die massive Erde liefen also ein Wert von maximal(!) 299799953 Meter/sec gemessen (oder für Puristen: In der theoretischen Physik ist der Wert für c fest identisch 1, und den Rest bezieht man halt auf diese Größe. Statt c=1 hat man nun also scheinbar 1,000025 gemessen.) Oder auf ein Auto ungerechnet die Frage: Lief die Karre nun mit 200,000 Km/h oder mit 200,005 Km/h? Es gibt keinen Tachometer oder polizeiliches Radar, dass diesen Unterschied überhaupt messen könnte. Im konkreten Falle ging es um Messungen von Milliardstel Teilen einer Sekunde und der auf den Meter genauen Vermessung der etwa 730 km Entfernung zwischen Sender und Empfänger. Und bei so einem Kunststück muss man sogar die Kabellängen in den Messgeräten genau nachmessen, um nicht irgendwelchen Laufzeitfehlern auf zu sitzen.

Die fundamentaltheoretische Physik stellt eine Ausnahme in allen Naturwissenschaften dar: Es gibt keine wissenschaftliche Theorie, what so ever, die auch nur annähernd mit so hoher Messgenauigkeit bestätigt wäre. Wenn da also irgend etwas wackelt, dann ist dass weniger als das, was ein Ingenieur als ein kaum messbares Lagerspiel bezeichnen würde. Im Gegenteil zeigt die Tatsache, dass so winzige Abweichungen zwischen Theorie und Praxis überhaupt auffallen (können), wie genau die theoretische Physik die Realität approximieren kann.Man bedenke: Die riesigen Apparaturen wie sie im CERN für sehr viele Euro erbaut wurden, die größten je von Menschen erschaffenen Messgeräte, sind nur dazu da um überhaupt die Chance zu haben, eventuelle Unterschiede zwischen Theorie und Realität noch aufspüren zu können. Das ist nun mal das Maß der unglaublichen Genauigkeit dieser Theorien.

Nichts desto trotz sind solche winzigen Abweichungen aber immer ein Grund zur Aufregung, gerade auch in der Physikergemeinde. Denn so wie Einstein vor Hundert Jahren aus den geringen Abweichungen der klassischen Physik von der Realität fundamentale Erkenntnisse über die Raumzeit ableiten konnte, so sind es auch heute natürlich genau solche, noch geringere, Abweichungen die Anlass zu neuem Nachdenken und eventuell zu neuen Grundlagenerkenntnissen führen können.

Was also sorgte dieser Tage für die Aufregung im Blätterwald? Es war die gemessene Geschwindigkeit von Neutrinos. Dazu müssen wir uns erst mal fragen was das für Dinger sind. Nun, Neutrinos wurden zunächst theoretisch entdeckt. Denn beim Zerfall eines Neutons in ein Proton wird, aus Ladungserhaltungsgründen ein Elektron emittiert. Wie man leicht nachrechnen konnte, fehlt danach aber etwas, und zwar in der Drehimpulsbilanz. Es musste also ein Teilchen existieren, dass diesen Drehimpuls aufnimmt. Allerdings nur den, sonst gar nichts, und daher Neutrino ("kleines Neutron") getauft. Dieses Geisterteilchen ist also praktisch reiner Drehimpuls. Wie sich weiter herausstellte, ist die Wechselwirkung mit normaler Materie sehr gering und obendrein wechseln die Neutrinos zwischen insgesamt drei Zuständen. Nur nach genau welchen Regeln und weiter ob und wenn ja, welche Masse sie haben, dass ist noch größtenteils unbekannt.

Nun, der Versuch mit der Laufzeitmessung der Neutrinos wurde mit der gleichen Apparatur erneut durchgeführt und das Ergebnis war wieder gleich. Nun gibt es also prinzipiell drei Möglichkeiten:

1) Es handelt sich um einen Messfehler. Das kann leicht passieren, da kann es ausreichen das man ein wichtiges Signalkabel irgendwo in der komplexen Struktur nicht mitgezählt hat uvm. Zur Kontrolle muss man den Versuch also mit gänzlich unabhängigen Messapparaturen wiederholen um solche systemischen Fehler auszuschließen.

2) Es handelt sich um mangelhafte Interpretation bzw. Verständnis bestehender Theorien. Also das man einen physikalischen Effekt bei der Kalkulation übersehen hat. So etwa den Tunneleffekt. Denn die Neutrinos laufen ja durch 730 km massives Gestein. Zwar wechselwirken sie nur gering, aber der winzige Effekt kann evtl. durch eine zweite getunnelte Welle erzeugt werden. Und viele andere Dinge werden diskuttiert, schaunmermal.

3) Es handelt sich tatsächlich um neue Physik. Also das, was so richtig interessant wäre. In diesem Falle eine weitere Ergänzung oder wenigstens Verfeinerung bestehender Theorien. Dabei ist allerdings die Wahrscheinlichkeit dass dies die allgemeine Relativitätstheorie treffen sollte geringer, als dass es die weniger gut durchleuchtete Theorie der Elementarteilchen beträfe. Wie auch immer wäre diese letzte Möglichkeit die interessanteste, denn hier wäre eventuelles neues Verständnis des Übergangs oder der Vereinigung von ART und QM bzw. SM möglich.

Das bei letzterem nämlich noch einiges im Argen liegt ist lange bekannt. So ist die ART reine Geometrie, das SM reine Zahlentheorie, und die QM ein bisschen von beidem. Um zu klären, wie das alles schlussendlich zusammenkommt, dazu dienen ja auch noch weitere Experimente. So das CERN für Experimente zum SM und QM und eine Reihe von Gravitationswellen (GW) Observatorien wie das LIGO. Der neue gigantische Speicherring des CERN sollte, nicht nur aber auch, das nach dem SM vorhergesagte Higgs-Boson finden. Zwar ist die volle Strahlstärke noch nicht da, aber Optimisten hatten durchaus bereits ein positives Ergebnis oder wenigstens ermunternde Hinweise auf das Higgs erwartet. Ergebnis bis her aber in der Hinsicht: Null.

Noch etwas deftiger kommt es beim LIGO. Das Gerät wird immer besser kalibriert und läuft inzwischen schon im S6-Run. Der S5-Run, der eigentlich die ersten verwertbaren Ergebnisse liefern sollte hat Null erbracht, wenn der S6-Run nun auch nichts bringt, sieht es dort ziemlich duster aus. In dem Falle würde es dann wahrscheinlich wieder heissen: „Einstein widerlegt...“. Dabei war Einstein überhaupt kein Freund von Gravitationswellen, er lehnte sie ab, denn die Einsteinschen Feldgleichungen geben solche nicht so einfach her. Die Quantentheoretiker der 20er-Jahren mussten daher Einstein ziemlich lange bekneten und konnten ihn erst mühsam mit einem einleuchtend erscheinenden Gedankenexperiment von der Existenz solcher Wellen überzeugen.

Nun sind GW als auch das Higgs-Boson zwei Dinge die erst durch kräftiges Herumfeilen an den grundlegenden Theorien zustande kommen. Nämlich durch Linearisierung der fundamental Nichtlinearen Theorien. Sowas kann, und muss, man auch immer wieder machen, da vollständige Lösungen der Nichtlinearen Theorien meist viel zu schwierig oder sogar unmöglich sind. Allerdings ist die Rechtfertigung der angewendeten Linearisierungsbedingungen zunächst theoretischer Art und muss natürlich durch Experimente belegt werden. Nun könnte es tatsächlich sein, dass sich in der nächsten Zeit da einige Überraschungen ergeben. Sollten die von der QM geforderten GW und das Higgs nicht auffindbar sein, so wäre die Folgerung, dass bei keinem der beiden die verwendeten Linearisierungen gerechtfertigt waren.

Und das würde bedeuten, das man zurück auf Los (die Nichtlineare Theorie) müsste, um dann neue und hoffentlich dann gültige Lösungen zu finden. Egal wie es kommt, So oder So ist das ganze sehr spannend, zumindest für theoretische Physiker. Für den Laien als Journalist oder Steuerzahler ist es dagegen erst mal viel Geld das in die Grundlagenforschung fließt. Im schlimmsten Falle mit einem Nullergebnis bei für so wichtig erachteten Fragen. Aber da muss man die Kirche im Dorf behalten: Auch ein Nullergebnis, wie etwa vor mehr als hundert Jahren beim Michelson-Morley-Interferrometer, das mit diesem Nullergebnis ein Wegbereiter der Relativitätstheorie war, auch ein solches Ergebnis ist immer ein Ergebnis von großer Bedeutung. Wann und wieviel return-on-investment für die Menschheit dabei herausspringt, das ist allerdings nie vorhersagbar.

Ich würde mich allerdings auch nicht festlegen wollen, wie diese interessanten Fragen in den nächsten Jahren ausgehen werden. Bezüglich der GW und des Higgs würde es mich aber nicht wundern, wenn es sich dabei um Linearisierungsartefakte handeln würde. Bei den GW's, weil aus den Nichtlinearen Feldgleichungen der ART solche Wellen (wegen des Fehlens des „magnetischen“ Konterparts) kaum ersichtlich sind, und beim Higgs, weil der raumzeitliche Hintergrund eventuell doch nicht so flach ist, wie man es im SM immer annimmt.

Zum Schluss ein kleines Neutrinoexperiment für ihren nächsten Badetag: Ja, sie können sich selbst eine Veranschaulichung gönnen, was so ein Neutrino in etwa ist. Dazu füllen Sie ihre Badewanne mit Wasser (ohne Schaum, sonst sieht man nichts) und fahren dann mit der flachen Hand, einmal bis in die Mitte, breitseits durch Wasser. Dann können Sie sehen wie an der oberen und unteren Kante der Handfläche jeweils ein Wirbel entsteht, und zwar exakt gegenläufige. Die Beiden bewegen sich auch weiter durchs Wasser, wenn ihre Hand bereits wieder aus der Wanne ist. Das (also die Wirbel, nicht das Wasser) sind jetzt zwei Badewannen-Neutrinos, und da die Drehimpulsbilanz ausgeglichen sein muss, sind sie gegenläufig.

Kommentare:

  1. Hm, was sind Sie nur für ein Mensch?

    Ich habe -wie gesagt- Physik studiert, weil ich als kleiner Schüler schon wissen wollte, was Licht ist. Der Schülerduden "schwafelte" etwas von elektromagnetischer Welle. Das half mir nicht weiter. Dann mein Vater, kein Akademiker, der mir eines Abends, es war schon dunkel, erzählt, dass man im Weltraum nicht so schnell alt wird. Das war dem kleinen Kind dann unheimlich und machte es neugierig.

    Und heute, fast 20 Jahre nach meinem Physikstudium?

    Ich weiß auch heute nicht, was Licht ist. Kein Physiker weiß das. Lassen Sie, liebe Leser, sich nichts anderes einreden! Mal Welle, mal Teilchen ... Welches Modell halt gerade passt.

    Die entscheidende Erkenntnis meines Physik-Studiums war, das kein Physiker die Fragen beantworten kann, die ich als Kind hatte.

    Ein Physiker baut sich (mathematische) Modelle von der Wirklichkeit und guckt dann, ob Sie funktionieren und ob die Modelle richtige Vorhersagen machen. Aber das Modell hat nichts mit der "Wirklichkeit" zu tun, so wie sie ein Kind versteht.

    Modelle beschreiben die Wirklichkeit nur, sie sind aber nicht die Wirklichkeit!

    Und warum schreibe ich das? Tja, eine gewisse Melancholie macht sich in mir breit. Diesen Beitrag verstehe ich nur teilweise.

    Wie kann man angesichts des Alltags diesen Fragen treu bleiben? Wie kann man sich als Hobby mit theoretischer Physik beschäftigen? Waren die theoretischen Physiker nicht alle von der Welt entrückt? Verkauft man sich als theoretischer Physiker nicht ganz und gar an die Physik?

    Hier aber wird spielerisch, so ganz nebenbei, mal Geschichte, mal theoretische Physik und mal Volkswirtschaftslehre betrieben.

    Verrückt? Ver-rückt!

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  2. Messen heisst vergleichen. Das Vergleichen grosser Groessen ist ein Problem, wie dieser wunderbare Artikel sehr schoen deutlich macht. Damit eine Bilanz exakt auf Null aufgeht, muss man erhebliche Klimzuege machen in dieser Welt. Insbesondere dann wenn die bilanzierten Groessen nicht nur gross sondern auch noch dynamisch oder besser noch nichtlinear dynamisch sind.
    Ein Glueck, dass die Physiker immer wieder ein Fragezeichen hinter ihren Theorien zulassen. Ein Glueck auch, dass sie jede noch so kleine Abweichung der gemessenen Werte von den erwarteten Werten zum Anlass nehmen sich selbst und ihre Arbeit zu ueberpruefen. Darin haben sie meinen "Lieblingen" in den sog. Wirtschaftswissenschaften einiges voraus.

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