In jedem Jahr werden viele Jubiläen gefeiert.
2015 ist für die Grundlagenphysik interessant.
Es gibt drei wunderbare Jubiläen, die wir in diesem Jahr feiern.
Eines davon ist 100 Jahre Allgemeine Relativitätstheorie.
Vor 100 Jahren vollendete Einstein seine Theorie über Gravitation,
über Raum und Zeit und änderte damit für immer die Grundlagen der Physik.
Und wir feiern dieses hundertjährige Ereignis hier, obgleich ich sagen muss, dieses Ereignis
wurde bis jetzt in Lindau nicht erwähnt.
Es sind auch 90 Jahre Quantenmechanik, die eigentlich ihre vollständige Form 1925 erlangte.
Vielleicht die größte konzeptionelle Revolution des 20ten Jahrhunderts und eine, die alle beeinflusste,
sei es Mikroskopie-, Atom-, subatomare und Grundlagen-Physik.
Und in gewisser Weise ist es das 40ste Jubiläum der Fertigstellung des Standardmodells
der Elementarteilchenphysik.
Die umfassende Theorie, die weitgehend im 20. Jahrhundert entwickelt wurde,
und uns ein ziemlich umfassendes Verständnis über die Grundbestandteile der Materie und die auf sie wirkenden Kräfte gab.
Gut
- Sie ändern Ihre Monitore.
- Gut, meine Monitore, ja.
Nun, diese Zeit wird nicht meiner karg bemessenen Zeit abgezogen.
- Habe die verstrichene Zeit nicht beachtet.
Lassen Sie mich sehen, ich ziehe den Stecker des Monitors heraus.
- Gut, Sie brauchen keine Spiegelung, stimmt‘s?
Ist das das Problem?
- Richtig.
- Sie benötigen Spiegelung?
Was ich nicht mag, denn dann kann ich mein Ding nicht benutzen.
Es eignet sich nicht, aber das ist schon gut so, wir kriegen das hin.
Es ist nicht wichtig.
- Kann ich irgendwo einstecken.
- Diese ist gut.
Also, wie ich sagte, 2015 ist viel zu feiern, vielleicht das erstaunlichste,
wichtigste ist 100 Jahre Allgemeine Relativitätstheorie, aber auch 90 Jahre Quantenmechanik
und 40 Jahre Standardmodell der Elementarteilchen.
Ich möchte etwas über Einstein sagen, denn dies ist vielleicht die einzige wissenschaftliche Tagung
auf der Welt in diesem Jahr, auf der Albert Einsteins bemerkenswerter Beitrag,
der Ende 1915 erfolgte, nicht erwähnt oder gefeiert wurde.
In einer Woche veröffentlichte er vier Abhandlungen.
Zu dieser Zeit konnte er eine Abhandlung bei der Preußischen Akademie einreichen und sie wurde innerhalb von zwei Tagen veröffentlicht.
Die abschließende Abhandlung schrieb er in der abschließenden und vollständigen Form,
die sogenannten Einstein-Gleichungen, die er als Krümmung der Raumzeit hervorgehend aus der Materie beschreibt,
welches die Quelle von Energie und der Impuls der Materie ist,
welche die Raumzeit krümmt und damit das entstehen lässt, was wir sonst Schwerkraft nennen.
Einstein hinterließ ein Vermächtnis, dass mit nichts vergleichbar ist,
vielleicht seit Newton, eines, das Generationen überdauern wird.
Jenseits der spezifischen Form der Gleichung, die die Gravitation in ihrem Kern beschreibt
gibt es wirklich drei Beiträge, die weit über seine spezifische Gleichung hinaus
bestehen werden, die ersetzt werden wird.
Erstens, er realisierte seinen Traum, Raumzeit zu einem dynamischen physikalischen Objekt zu machen.
Nicht ein starrer Rahmen, der in einer Art Kantianischer Manier niedergelegt wurde, sondern eher ein dynamisches, physikalisches Objekt,
dessen Metrik Gegenstand von Änderungen ist.
Es reagiert auf die Anwesenheit von Energie und Materie, krümmt sich und wirkt dann auf Materie.
Und wir ringen noch immer damit, zu verstehen, was das bedeutet, besonders in der Quantenmechanik,
Raum und Zeit selbst als ein dynamisches, veränderliches Gebilde zu haben.
Er ermöglichte auch die physikalische Kosmologie.
Vor Einstein war Kosmologie die Domäne von Religion, Theologie und Philosophie.
Nach Einstein wurde sie Physik und unmittelbar als Folge seiner Theorie
begannen Menschen Modelle des Universums zu konstruieren,
wodurch 100 Jahre erstaunlicher Entwicklungen in der Astronomie,
Astrophysik und Kosmologie möglich wurden.
Und schließlich träumte er und motivierte Generationen von Physikern nach ihm,
so ehrgeizig wie er zu sein und zu versuchen, die Kräfte der Natur zu verbinden und
zum Kern der physikalischen Realität vorzudringen.
Der erste Punkt, Raumzeit sei dynamisch,
war eine wesentliche Veränderung unserer Vorstellung von dem, was Raum und Zeit ist und bei der Dynamik
handelt es sich natürlich darum, dass Raum und Zeit auf Energie und Materie, Krümmungen reagieren, und dadurch Schwerkraft entsteht.
Es ist also die Krümmung von Raumzeit, welche die Erde veranlasst, sich um die Sonne zu drehen,
und Einstein-Gleichungen beschreiben, wie dies quantitativ zu verstehen ist.
Es sagte auch fremdartige neue Objekte im Universum voraus, die auftreten könnten, wenn es so viel Materie gibt,
dass diese Raum und Zeit so dramatisch krümmt, Bereiche schafft, aus denen Licht nicht entkommen kann,
auch als schwarze Löcher bekannt.
Schwarze Löcher erschienen Monate nachdem Einstein-Gleichungen von Karl Schwarzschild niedergeschrieben wurden,
einem brillanten theoretischen Physiker, der wenige Jahre später an der Westfront starb.
Wir feiern die Geburt der Einstein-Gleichungen, die während des ersten Weltkriegs niedergeschrieben wurden.
Einstein glaubte nie an die Existenz solch verrückter Objekte und die meisten Physiker
waren ziemlich misstrauisch, obgleich wir heute wissen, dass sie in der gesamten Galaxis zahlreich vorhanden sind.
In der Tat, im gesamten Universum.
In der Tat, im Zentrum jeder Galaxis.
Soweit wir sagen können gibt es ein großes schwarzes Loch, das unsere eingeschlossen, hier ist es, und wir können
die Umlaufbahnen der Sterne um dieses schwarze Loch messen und bestätigen, dass sich hier in der Mitte,
die Sie nicht wirklich sehen können, ein sehr kleiner Bereich befindet, der vollständig schwarz ist
und eine Masse von einer Million Sonnen enthält und für diese Umlaufbahnen verantwortlich ist.
Schwarze Löcher erscheinen auch an anderen Orten in der Galaxis.
Sie bilden sich, wenn Sterne kollabieren, Supernova,
die schwarze Löcher zurücklassen, welche durch diese Akkretionsscheiben mit Energie versorgt werden,
diese ultrarelativistischen Strahlen, die wir als Quasare oder Gammablitze sehen.
Und die sind Gegenstand kontinuierlicher theoretischer Experimente, da ihre Eigenschaften so merkwürdig sind.
Beispielsweise ringen wir noch immer mit folgendem Paradox:
Man nimmt ein wohldefiniertes quantenmechanisches System, sagen wir, man hat hier konsequent zwei Teilchen,
die in einer Wechselbeziehung stehen, in der Quantenmechanik sagen wir, sie sind verschränkt, und dann lassen wir
eines in das schwarze Loch fallen.
Es kann, nach den klassischen Gesetzen der Relativitätstheorie, nie wieder mit uns kommunizieren.
Wir wissen nicht, in welchem Zustand es sich befindet, daher haben wir Informationen verloren und können seinen Endzustand nicht voraussagen.
Naiverweise sind die Informationen verloren und vor mehr als 45 Jahren, hat Hawking, ungefähr vor 40 Jahren, hat Hawking ein Paradox dargestellt,
indem er die quantenmechanischen Eigenschaften der schwarzen Löcher beschrieb und vorschlug,
dieses Phänomen sei Informationsverlust auf dem Grundniveau und die Quantenmechanik
der Allgemeinen Relativitätstheorie sei etwas widersprüchlich.
Er plädierte dafür, einige Aspekte der Quantenmechanik aufzugeben, etwa den Erhalt von Informationen.
Leute wie ich und andere, die aus der Teilchenphysiker kamen, glaubten,
wir müssten Einsteins Theorie, wie er dies immer vermutet hatte, ändern und modifizieren, und die Quantenmechanik beibehalten.
Ich denke, unsere Seite gewann, in der Tat räumte Hawking das ein und tat Buße vor einigen Jahren.
Physikalisch Kosmologie ist die andere große Errungenschaft des Einstein'schen Werks.
Vor Einstein wussten wir nichts und verstanden nichts, nur erste Annäherung über das Universum.
Es gab da alle diese hellen Dinge, Sterne, wir glaubten, die Milchstraße sei das ganze Universum,
wir glaubten, es sei statisch, unveränderlich, wir wussten nicht, was Sonnen waren, irgendetwas.
Doch nach Einstein ließen sich mathematische Modelle der Geschichte des Universums konstruieren,
dies ist inzwischen eine physikalische Frage und seit mehr als 100 Jahren, haben wir diese Geschichte
außerordentlich detailliert abgebildet.
Wir verstehen die 17,7 Milliarden Jahre der Ausdehnung.
Zuerst schnell, dann sich verlangsamend und jetzt beschleunigend.
Die Bildung von Struktur nach dem Urknall,
die etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall begann.
Und schließlich die Vereinheitlichung und eine der erstaunlichsten Demonstrationen unserer vereinheitlichten,
oder teilweise vereinheitlichten Theorie der Elementarteilchen, die sich dem Ziel verschrieben hat,
die Grundbausteine der Materie und die Kräfte, die darauf einwirken, zu beobachten und zu verstehen.
Wir haben in knapp 75 Jahren außergewöhnliche Fortschritte gemacht.
Ich bin fast 75 Jahre alt, also in einem Lebensalter sind wir von kein Elementarteilchen
und dem Nichtverstehen der Kräfte, die darauf wirken, ausgenommen der Elektrizität und des Magnetismus,
zu einer ziemlich vollständigen Theorie gelangt - das ist ziemlich bemerkenswert.
In gewisser Hinsicht, experimentelle Teilchenphysik begann mit Rutherfords Entdeckung des Nukleons,
des Nukleons der Atome.
Er wollte verstehen, was innerhalb des Atoms geschah, daher erfand er eine Technik,
die wir noch heute anwenden: er bombardierte Goldfolie, Goldatomkerne, Goldatome mit Alphateilchen,
die Heliumkerne aus radioaktiven Substanzen waren.
Seine Studenten beobachteten kleine Lichtflecken auf fluoreszierenden Bildschirmen und konnten die Abweichung von Partikeln messen,
die von den Goldatomkernen zerstreut wurden.
Davon leitete er theoretisch ab.
Rutherford war auch ein guter Theoretiker, er kannte den Elektromagnetismus, er vermutete,
die Energie zwischen diesen Alphapartikeln in den Kernen sei elektromagnetischer Natur, er konnte die Größe
des Ortes der positiven Ladung der Atome und ihrer Masse bestimmen.
Er kam zum Schluss, dass im Zentrum der Atome, 100.000 Mal kleiner als die Größe des Atoms,
sich die meiste Masse und alle positive Ladung befanden.
Dies war die Entdeckung des Atomkerns.
Und natürlich haben wir seither, seit mehr als 100 Jahren, experimentell geforscht
und Theorien dazu entworfen, was im Atomkern vor sich geht.
Dabei wird genau, konzeptuell, der gleiche Gedanke verwendet:
Wenn man entdecken möchte, aus was so etwas besteht,
nimmt man so etwas, lässt es aufeinanderprallen und schaut, was dabei herauskommt,
und man versucht herauszufinden, was vor sich geht.
Man stellt neue Teilchen her, versucht die Gesetze zu verstehen.
Wir verwenden natürlich sehr viel größere Beschleuniger als sie Rutherford zur Verfügung standen.
Das ist der LHC am CERN; das ist, wie Sie wissen, der CERN Flughafen.
Dies ist ein gewaltiger 20 Kilometer langer Beschleuniger, der Protonen beschleunigt,
Protonen werden bei etwa einer Trillion, einer Million Million Elektronenvolt kollidiert.
Und dann sehen wir die Bilder
aus diesen massiven Detektoren und versuchen herauszufinden, versuchen ein Ereignis unter hundert Milliarden zu finden,
das neue Hinweise für eine neue Physik geben könnte.
Nun, die Entwicklung dieser Theorie, das Standardmodell, wie es genannt wird,
wurde durch Nobelpreise, viele Nobelpreise anerkannt.
Ich habe mir die Mühe gemacht zu zählen, wieviele es sind, und es sind 52 Nobelpreisträger,
die zur Entwicklung des Standardmodells beigetragen haben.
Ich rechne nicht mit Leute wie Einstein, Dirac, Heisenberg, Schrödinger,
der die Theorie der Quantenmechanik schuf, das Rahmenwerk,
in welches das Standardmodell natürlich eingebettet ist.
Also, selbst wenn man sie nicht mitrechnet, verteilen sich 52 Nobelpreisträger mit 30 Nobelpreisen auf die letzten 75 Jahre.
Interessant ist auch, dass 20 der Preise für Experimente und 10 für Theorie vergeben wurden.
Die Lehre daraus ist also, wenn man einen Nobelpreis möchte, dann ist das Experiment der Weg dahin.
Andererseits, möchte man in der Teilchenphysik experimentale Hochenergiephysik betreiben,
muss man sich einer Gruppe anschließen, die oft aus Tausenden Mitarbeitern besteht und der Nobelpreis
ist auf drei Personen beschränkt, das wird heutzutage also ein Problem.
Von den 52 Nobelpreisträgern sind hier in Lindau vier anwesend.
Warum so wenige? Gute Frage.
Dies ist eine Illustration des Standardmodells der elementaren Teilchenphysik.
Es ist die Liste von Eigenschaften grundlegender Bausteine der Materie, Quarks, Leptonen,
hier sehen Sie das Elektron, das Neutrino und Up- und Down-Quarks, aus denen die Atomkerne in unserem Körper bestehen,
zwei weitere Familien und drei Kräfte, die innerhalb des Atoms im Kern wirken.
Sehr ähnlich auf einer sehr grundlegenden Ebene.
Aber sehr anders wegen der seltsamen Quanteneigenschaften des Vakuums.
Elektromagnetismus, war bereits im 19. Jahrhundert bekannt, natürlich,
und die schwachen und starken Kernkräfte, die innerhalb des Kerns wirken.
Und dann natürlich der Higgs-Sektor oder der Brout-Englert-Higgs-Sektor,
der hinzugefügt wurde, um die Eigenschaften der schwachen und starken Kernkräfte zu erklären.
Dieses sind die Menschen die dazu beigetragen haben.
Beginnend mit J.J. Thomson, der zu Ende des 19. Jahrhunderts das erste Elementarteilchen entdeckte,
den ersten elementaren Baustein der Materie, das Elektron.
Und dann Rutherford, er entdeckte den Atomkern, auch wenn er nie den Preis für Physik erhielt,
wurde ihm der Preis für Chemie für Radioaktivität verliehen, er verdient es aber wirklich, auf dieser Liste zu stehen.
Niels Bohr, die Theoretiker sind rot markiert, Niels Bohr, der das erste Modell des Atoms aufstellte,
der Struktur von Materie, auf der Basis von E und M, Elektrizität, Magnetismus und Quantenmechanik, das war grundlegend.
Chadwick, der das Neutron entdeckte.
Es brauchte viel Zeit von den Nukleonen zu Protonen zum Neutron.
Carl David Anderson, er entdeckte das erste Antiteilchen, das von Dirac vorausgesagt worden war,
den ich nicht auf diese Liste gesetzt haben, und er entdeckte das Positron, das Anti-Elektron.
Ernest Lawrence, der die Zyklotrone entwickelte, die modernen Teilchenbeschleuniger, die wir verwenden.
Blackett, der die Nebelkammern entwickelte, um die kosmischen Strahlen.
die im gesamten Universum beschleunigt werden, als Beschleuniger zu verwenden.
Yukawa, der im Jahre 1949 den ersten Versuch unternahm, eine Theorie der nuklearen Kraft zu konstruieren
und die Existenz eines neuen Teilchens voraussagte, genannt Pion, das dann von Powell entdeckt wurde.
Dann haben wir nach dem zweiten Weltkrieg die große Entwicklung,
die den neuen wissenschaftlichen Instrumenten, die jetzt zur Verfügung standen,
folgte, wie das Radar.
Natürlich dann Lamb, der die Abweichungen bei der Quanten-Elektrodynamik entdeckte.
Lee und Yang, die vorschlugen, Parität könne in der schwachen Kraft verletzt werden, in den schwachen Wechselwirkungen.
Glaser, der die Blasenkammer entwickelte.
Hofstadter, der die Struktur des Nukleons untersuchte.
Segrè und Chamberlain, die das Antiteilchen des Protons, das Antiproton, entdeckten.
Und dann Tomonaga, Schwinger und Feynman, die das Verständnis der Quanten-Elektrodynamik
perfektionierten und vollendeten.
Luis Alvarez, der eine Blasenkammer baute und die modernen Methoden zur Analyse von Hochenergiephysik-Experimenten.
Murray Gell-Mann, der die Symmetriemuster unter den nuklearen Teilchen entdeckte,
die experimentell erzeugt worden waren.
Burt Richter und Sam Ting, welche das J/Psi-Teilchen entdeckten, oder die schweren Quarks.
Glashow, Salam und Weinberg, die Entwickler
der elektroschwachen Theorie, der schwachen Kernkraft.
Jim Cronin, der hier anwesend ist, der gelbe Stern bezeichnet die Leute, die hier anwesend sind, die wenigen,
und Fitch, der C.P. entdeckte oder zeitumgekehrte Nicht-Invarianz beim Teilchenzerfall.
Carlo Rubbia und van der Meer, die die Träger der schwachen Kraft entdeckten, die W und Z Teilchen.
Lederman, Schwartz und Steinberger, die die zwei Neutrinos entdeckten.
Friedman, Kendall und Taylor, welche die Experimente durchführten,
die für mich ganz und gar entscheidend waren, die illustrierten, dass in den Protonen tatsächlich Quarks waren
und dieser Preis war in gewissem Sinne für die Entdeckung der Quarks.
Georges Charpak, der viele wichtige experimentelle Detektoren für die Hochenergiephysik entwickelte.
Perl und Reines: Perl für die Entdeckung des Tau-Leptons und Reines für das Neutrino.
Hooft und Veltman, hier wieder als Team zum Verständnis oder normalisieren der Eigenschaften der Eichtheorie,
die wir im Standardmodell verwenden.
Schließlich das 21. Jahrhundert; Davis und Koshiba für die Entdeckung der Neutrino-Oszillationen.
Die Neutrinos verfügen in der Tat über etwas Masse.
Dies ist einer meiner Lieblinge.
Die Entdeckung der asymptotischen Freiheit und die Theorie der starken Kernkraft.
Hoppla, hm, wo waren wir?
Und dann hm…
Und dann…
Und schließlich und zum ersten Mal auf der Nobelpreis-Website, von der ich alle diese Aufnahmen in Farbe genommen habe,
Englert und Higgs für ihre Entdeckung des Brout-Englert-Higgs-Mechanismus und wieder,
Engler ist nicht hier, aber hier.
Gut, und was resultierte von diesen 52 Männern, ich bin stolz einer von ihnen zu sein,
es ist eine ganze Menge und leider keine einzigen Frau... Es ist das Standardmodell,
doch ist es eine Theorie, Sie können das sehen, denn man kann das Ganze auf ein T-Shirt schreiben.
Und diese Lagrange-Dichte, soweit wir das wissen,
beschreibt nahezu alles in einem grundsätzlich reduktionistischen Sinn, die gesamte Wissenschaft.
Ich füge hier Einsteins allgemeine Relativitätstheorie hinzu, die wir bislang nur klassisch verstehen
und ich füge hier die kosmologische Konstante hinzu, die für die Beschleunigung der Expansion des Universums verantwortlich ist.
Es ist eine unglaublich erfolgreiche Theorie.
Das Ziel für Jahrtausende der Wissenschaft, doch die reale Entwicklung hiervon betrug nur 75 Jahre,
ab J.J. Thompson bis in die 1975er Jahre.
Unglaublich erfolgreich, soweit wir wissen, arbeitet sie hinunter bis in die kleinsten vorstellbaren Maßstäbe
und bis an den Rand des Universums.
In einem reduktionistischen Sinne, und alle Physiker sind Reduktionisten, die ganze Physik und daher
Chemie und Biologie und so weiter, sind alle hierin enthalten, wenn man hart genug daran arbeitet, diese Gleichungen zu lösen.
Das sind Elemente auf diesem wunderschönen T-Shirts, die noch immer etwas rätselhaft sind.
Beispielsweise der Begriff hier ist für die Massen von Quark und Lepton und Neutrino verantwortlich.
Wir verstehen seinen Ursprung nicht, er hat eine Menge Parameter, die wir messen müssen und nicht berechnen können.
Etwas fehlt uns zum Verständnis dieses Begriffs.
Und da ist dieser Begriff, der…
dieser Begriff ist ein anderes Problem, das wir nicht wirklich verstehen.
Dann ist da Einsteins Begriff, den wir nicht wirklich verstehen, wie quantisiert man,
wie wird sein System in der Quantenmechanik gestaltet.
Und da ist dunkle Energie, deren Form Einstein voraussagte
und die gut geprüft ist, ein großer Triumpf in der allgemeinen Relativitätstheorie, doch der Umfang dieses Begriffs ist
ein unglaubliches, theoretisches Mysterium.
Und dann gibt es da natürlich viele, viele Messungen, direkt und indirekt,
und Rätsel, die uns informieren, wie Einstein,
dass selbst die fantastischste Standardtheorie einstweilig sein muss, oder Physik jenseits von ihr sein muss,
einschließlich dunkler Materie, auf die ich eingehen werde, Neutrino-Massen, Baryon,
warum blieben nach dem Urknall Baryonen übrig, die Beschleunigung des Universums.
Und die theoretischen Mysterien. Etwa, wie vereinen sich Kräfte?
Verschiedene, enorme Abweichungen bei den Skalen der Grundlagenphysik.
Die Eigenschaften der Quarks und Gluonen, ihre Masse und so weiter und die Theorie vom Universum.
Einige diese Rätsel scheinen gelöst durch eine sehr schöne Idee der Supersymmetrie,
die ich früher in Lindau angesprochen habe, bei der wir noch immer auf einen Nachweis am LHC warten.
Dunkle Materie gibt es mit Sicherheit, sie wurde indirekt von Astronomen im gesamten Universum beobachtet.
Sie sehen etwas, das auf Materie und Licht einwirkt, weshalb sie wissen, dass es da Materie gibt,
und tatsächlich, die meiste Materie im Universum ist nicht aus dem Stoff, aus dem wir gemacht sind,
und daher wird es dunkel genannt, es strahlt nicht.
Es gibt intensive Forschungen, solche Materie zu entdecken oder zu erzeugen.
Ich bin überzeugt, dies wird im nächsten Jahrzehnt gelingen.
Theoretiker möchten vereinen, Einsteins Traum folgend, und wir sind in der Lage dazu,
denn wir verstehen nun alle diese Kräfte, und wenn wir ihre Eigenschaften ableiten,
finden wir, dass sie irgendwie zusammenfinden, sehr ähnlich aussehen und zusammenpassen
bei außerordentlich großer Energie und mit sehr kleinen Abständen.
Es ist sehr nahe dem Bereich, wenn Schwerkraft zu einer starken Kraft wird und das müssen wir beachten.
Das ist der starke Vorsatz, der uns in den letzten 40 Jahren motivierte, zu versuchen
über die Standardtheorie der starken, schwachen und elektromagnetischen Kräfte hinauszugehen,
über eine vereinheitlichte Theorie, vielleicht aller Kräfte, die uns beispielsweise zur Stringtheorie führt.
Bei der wir uns vorstellen können, dass alle verschiedenen Kräfte und Quanten der Felder, die diese Kräfte beschreiben,
alle die Teilchen und Kräfte, durch verschiedene Schwingungen eines Superstrings bedingt sind.
Nun, in diesem Bild, diese enorm hohe Energie,
die enorm kurze Entfernung, ist als Planck-Skala bekannt.
Entdeckt von Max Planck, als er das Planck'sche Wirkungsquantum entdeckte.
Er realisierte, er hatte nun drei Parameter, die in der Physik deutlich grundlegend waren.
Die Geschwindigkeit des Lichts, die Stärke der Schwerkraft, und das Wirkungsquantum benötigte er für sein Strahlungsgesetz.
Und mit drei dimensionalen Einheiten kann man für die Physik natürliche Einheiten konstruieren.
Und das tat er.
Er sprach sich dafür aus, diese zur Kommunikation mit E.T., außerirdischen Zivilisationen zu verwenden.
Sie würden fragen: „Wie groß seid ihr?“
Und eine Million Jahre später würden wir ihnen sagen: „Nun, wir sind zwei Meter groß.“
Bitte, was ist ein Meter?
Nein, wir würden ihnen sagen, wir sind 10^35 Grundeinheiten der Länge groß und überall,
jeder Physiker überall im Universum würde wissen, was das bedeutet.
Das ist die Planck-Länge, sie ist schrecklich klein.
Die Planck-Zeit ist schrecklich kurz.
Die Planck-Energieskala ist schrecklich groß, doch das ist ein Faktum der Natur.
Es ist keine Entscheidung von Theoretikern, die gerne Welten durchleuchten, die nicht zugänglich sind, es ist eine Tatsache.
Und wir müssen damit leben und es ist das, was ich den Fluch der Logarithmen nenne.
Wenn Sie also versuchen Energie auf einer Skala zu messen, und verwenden eine Skala, die für die Physik relevant, aussagekräftig ist,
dann sollten Sie Logarithmen der Energie messen.
Man erhöht die Energie mit Faktoren von 10, 10, 10.
Das ist übrigens etwas, was wir in der Teilchenphysik immer tun.
Wir möchten immer einen größeren Beschleuniger um den Faktor 10 bauen,
damit man wirklich eine Logarithmenskala verwenden kann.
Auf dieser Skala befindet sich eine Skala, bei der Physik von Energie zur Energieskala wechselt.
Also in dieser Skala, Rutherford, in Einheiten von Milliarden Elektronenvolts.
10^9 Elektronenvolts hier.
Rutherford ging auf 10^-3 hinunter, als er die Struktur des Atoms erforschte.
Die starken Wechselwirkungen werden charakteristisch bei 10 bis 100 GeV untersucht.
Ein Proton wiegt 1 GeV und die schwache Interaktionsskala ist vielleicht ein TeV, eine Trillion Elektronvolts,
untersucht am LHC, oder 10 TeV, und wir würden wirklich gerne zur Vereinigungsskala gelangen,
zur Plank-Skala, und das ist 10^19 GeV.
Wir hoffen einen Beschleuniger zu bauen, der bis 100 TeV geht, das geht etwas weiter,
doch auf einer Logarithmenskala, sehen Sie, seit den 75 Jahren,
seit Rutherford, bis zur Standardtheorie, ist dies ein großer Schritt,
doch ist dies nur etwa so viel, wie wir zuvor geleistet haben.
Und daher können wir als Theoretiker spekulieren und arbeiten, ohne unmittelbar messen zu können.
Einer der Gründe warum wir hier keine direkten Messungen vornehmen können ist: da gibt es noch eine andere Skala, genannt Dollar.
Hoppla, da ist wieder was passiert.
Ich komme darauf zurück.
Allmächtiger Gott
- [Mann] Herr Gross, das Problem ist Ihr Timer.
- Mein Problem ist mein Timer?
- Der Timer hier, das ist… - Gut, wir machen weiter.
Gehen wir zu…
- Sie müssen nicht schalten-- - Ich möchte es nicht abschalten.
Allmächtiger Gott
Abspielen, abspielen.
Gut, zurück zum Fluch des Logarithmus.
Die wirkliche Skala ist, diese Skala der Physik,
Logarithmus der Energie, wir haben eine Menge Fortschritte gemacht, wir müssen bis hierhin gelangen, doch die Gesellschaft denkt in Dollars.
Nun zeigt es sich, dass Dollars und Beschleunigerbauten in einer quadratischen Beziehung zur Energie stehen,
im besten Falle, und das ist dann exponentiell, in der Skala der Physik.
Und exponentiell ist wirklich schlecht.
Also, auf derselben Skala, Fermilab, das etwa eine Milliarde Dollar kostet, ist hier unten,
und dann der LHC, der vielleicht sechs Milliarden Dollar kostet ist hier oben, das ist ein weiter Weg.
Und dann die neue Maschine, die wir gerne bauen würden, zu 100 TeV, kostet etwa 10 Milliarden Dollar,
und die Maschine, die wir wirklich brauchen, um die Planck-Skala zu untersuchen…
Ich weiß nicht, was in dieser Richtung liegt, München?
Also auf dieser Skala liegt die vermutlich in München.
Das ist also eine Tatsache und damit müssen wir klarkommen und es gibt die verschiedensten Strategien.
Und es wirkt sich sicherlich darauf aus, wie wir in die Zukunft sehen,
denn wenn man sich die Gegenwart und Zukunft der Teilchenphysik anschaut, kann man entweder außerordentlich optimistisch sein,
wie ich zu sein tendiere, oder außerordentlich pessimistisch, wie selbst ich es manchmal bin.
Vom außerordentlich pessimistischen Standpunkt aus könnte man sagen: „Standardtheorie funktioniert so gut.“
Tatsächlich, kürzlich, bestätigte der Higgs-Sektor schließlich, einer Prognose zuzustimmend,
den einfachsten Prognosen der einfachsten Modelle, die vor 50 Jahren außerordentlich wohl durchdacht waren.
Und in gewisser Weise ist das enttäuschend, es funktioniert, aber es konnte uns in keiner Weise etwas sagen, was wir nicht wussten.
Es gibt auch keine Signale für diese neuen Teilchen und neuen Symmetrien, die wir uns vorstellen,
dunkle Materie wurde bislang noch nicht direkt beobachtet.
Und wir haben keine Garantie, dass es in der nächsten oder in den nächsten beiden Jahrzehnten der Fall sein wird.
Wir haben keine direkten experimentellen, untersuchbaren Indikationen, wo sich die nächste neue Schwelle befindet
und es kann so hoch sein wie LHC, wie die Planck-Skala.
Was macht man, wenn sich herausstellt, dass dies der Fall ist?
Wir werden das in den nächsten drei bis fünf, 10 Jahren mit Sicherheit wissen.
Das außerordentlich optimistische Szenario, welches ich sehr viel lieber habe ist,
dass es vermutlich etwas Abweichungen von dem einfachsten Higgs-Modell geben wird.
Supersymmetrische Teilchen werden in der
nächsten Phase des LHC beobachtet werden, die vor wenigen Wochen begonnen hat,
und dunkle Materie wird am Himmel oder unter der Erde aufgespürt werden, erzeugt am LHC.
Alles das gibt uns eine enorm starke Anleitung für die nächsten Schritte und das sind viele Schritte,
experimentelle Schritte verschiedenster Teilchenbeschleuniger.
In beiden Fällen, in beiden Szenarien, ist für mich die Lektion die,
dass wir die neue Skala, um ein 10-faches größer, vollständig erkunden müssen.
Das bringt uns wirklich zu der Skala, auf der der elektroschwache Sektor des Standardmodells wirklich verstanden werden kann.
Und das können wir. Die Vereinigten Staaten haben das bereits vor 20 Jahren gemacht.
Dann kam Newt Gingrich daher und hat es stillgelegt.
Und wir brauchen SSC.
Wäre es nicht niedergemacht worden, wäre es durch die erste Nachrüstung gegangen, würde es etwa mit 100 TeV laufen.
Seine Konstruktion und Energie war für 40 TeV, es hätte leicht mit modernen Magneten auf 100 TeV erweitert werden können.
Wir hatten es bereits gebaut, ehe Newt Gingrich sich im Kongress einmischte.
Und es gibt verschiedenste Pläne von Genf und am aufregendsten sind die Chinas,
das jetzt, wenn vielleicht nicht bereits heute, aber nächste Woche, die größte Wirtschaft der Welt ist.
Sie können sich das leisten.
Es war ein sehr aufregender chinesischer Antrag, einen 100 TeV Teilchenbeschleuniger hier irgendwo zu bauen…
und die Entscheidung fällt vermutlich Ende dieses Jahres.
CERN hat seine eigenen Pläne, aber einen längerfristigen Zeitplan, da sie mit dem LHC abschließen müssen.
Inzwischen können Theoretiker weiter spekulieren, wie wir dies in den vergangenen 100 Jahren erfolgreich getan haben,
doch nun sind die Fragen, die wir stellen, wirklich in gewissem Sinne tiefgreifend, doch sie bauen auf Vorkenntnisse auf.
Raumzeit wurde von Einstein vor 100 Jahren grundsätzlich verändert,
doch als wir den Quantenmechanismus ins Spiel brachten, bleibt dies das tiefste Geheimnis.
Und viele Eigenschaften von Raum und Zeit, die wir als selbstverständlich annehmen, so wie wir als Kinder dieses Modell konstruierten,
um die Welt zu steuern, die scheinen nicht wirklich von fundamentaler Bedeutung zu sein,
und viele von uns sind überzeugt, Raum und Zeit ist ein Konzept im Werden.
Auf der Planck-Skala ist es einfach keine gute Art der Beschreibung,
es gibt nichts Grundlegenderes, Raum und Zeit sind werdend.
Wir beginnen nun zu verstehen, wie dies geschieht und wie man sehen kann,
welche Eigenschaften eines quantenmechanischen Systems unsere gewöhnlichen Beschreibungen von Raumzeit hervorheben.
Raumzeit taucht auf, Schwerkraft ist natürlich einfach dynamische Raumzeit, sie ist also auch eine emergente Kraft.
Doch es ist schwierig, konzeptionell sehr schwierig.
Wir müssen uns in gewissem Sinne vorstellen, wie beginnt man von einer fundamentalen Grundlage für Physik,
in welcher es zunächst Raum und Zeit nicht gibt?
Wie formuliert man die Regeln der Physik, ohne, dass Raum und Zeit angenommen werden?
Dann werden sowohl Kosmologen und Grundlagenphysiker aller Art damit konfrontiert,
vor dem Hintergrund der Geschichte des Universums, die 100 Jahre Geschichte inklusive dem Verstehen des Urknalls.
Man kann das nicht länger vermeiden.
Das wird nun wiederum von Religion und Philosophie genommen und zum Gegenstand der Physik.
Eine Lösung zu finden, darüber hinauszugehen, Sie sagen jetzt: „Nun, an einem bestimmten Punkt war es heiß und dicht.“
Doch um wirklich zum Urknall zurückzukehren erfordert, sich mit einer Frage zu konfrontieren,
welche die Physik seit einem Jahrtausend vermeiden konnte: „Wie hat das Universum begonnen?“
Und „Ist dies eine Frage, die die Physik behandeln kann?“
Können wir die Anfangsbedingung bestimmen?
Ich glaube, dieser Frage muss man sich stellen, denn was wir zur Zeit tun und spekulieren,
alle Spekulationen über Vereinigung der Kräfte der Natur mit Schwerkraft, der Theorie von Raumzeit...
Letztendlich muss die konsequente Antwort darauf sein, zu beschreiben, wie das Universum begann.
Oder modifizieren wir die Frage, indem wir den Begriff Raumzeit verwandeln, sodass wir die Frage beantworten können.
Doch es ist offensichtlich sehr schwierig.
Und es ist sehr schwierig Signale aus sehr frühen Zeiten zu sehen.
Anfang des Jahres hatten wir sehr viel Hoffnung, aufgrund eines Experiments, genannt BICEP 2, als wir nach Ur-Gravitationswellen suchten,
Restwellen in der Metrik von Raumzeit, die gleich am Anfang aller Dinge kam.
Leider zeigte es sich, dass sie den Staub ignorierten
und wir haben solche Gravitationswellen bisher nicht gesehen, letztendlich werden wir sie aber irgendwann sehen.
Ich bin also sehr optimistisch und alle jungen Menschen hier sollten aus folgenden Gründen optimistisch sein.
Es ist mein Verständnis der Geschichte und meine Lebenserfahrung dass, sobald eine fundamentale Frage
eine gut formulierte wissenschaftliche Frage wird,
das heißt, man kann sich ihr über das Experiment annähern, durch Beobachtung und Theorie, mathematische Modellierung,
dann wird sie innerhalb Ihrer Lebenszeit beantwortet werden.
Ich habe also einige dieser wirklich interessanten Fragen aufgeworfen,
sie werden im Laufe Ihres Lebens beantwortet werden, ich sagte nicht zu meiner Lebenszeit.
Auch, sobald ein wichtiges wissenschaftliches Instrument technisch realisierbar ist
und eine fundamentale wissenschaftliche Frage behandeln kann, wie der 100 TeV Teilchenbeschleuniger, wird es zu Ihren Lebzeiten gebaut werden,
vielleicht nicht zu meiner, aber…
Ich bin also optimistisch was die Teilchenphysik betrifft, denn ich glaube, es sind gerade neue Entdeckungen im Anmarsch.
Es werden neue Instrumente entwickelt, um zu versuchen,
mit dieser unglaublichen Spannweite von Skalen zurechtzukommen, es gibt wunderbare neue Gedanken und theoretische Experimente.
Und wir haben eine wunderbare Theorie der Elementarteilchen,
doch die spannendsten Fragen sind noch zu beantworten, und wie das in der Wissenschaft immer so ist,
nun, es gibt unglaubliche experimentelle Möglichkeiten.
Um konkret zu sein, ich bin sehr begeistert über die Möglichkeit, dass China mit ins Spiel kommt.
Die neuen Experimente und neuen Beschleuniger, die kommen werden und neue Entdeckungen, die demnächst gemacht werden.
Also, das Beste kommt erst. Danke.