David Gross (2005) - The Future of Physics

We are sorry. But for this lecture is no abstract available.

Thank you very much, it’s a pleasure to be here. Indeed I decided in giving this talk to many young students and postgraduate students. A talk not on the past but rather on the future. And this is a talk that came out of a conference that was held at the institute that I direct in Santa Barbara, the Kavli Institute for Theoretical Physics, where we bring physicists together from all over the world to address the leading questions in theoretical physics. Celebrating 25 years of the institute we looked back on what we’ve learned in the last 25, 30 years but mostly we looked towards the future. And we’ve learned a lot in the last 25, 35 years. Some of it has been contributed by the distinguished guests in this room. It´s quite amazing when you look back 30 years ago how much we did not know. But it’s even more amazing to consider how much we do not know yet. And as I remarked in the banquet speech I gave last December in Stockholm, the most important product of knowledge is ignorance. It is the questions that we ask that form the basis of today’s science. And the questions we ask today are much more interesting and more profound than the questions that we asked 35 years ago when I was a student. Many of those questions have been answered. But today we are knowledgeable enough to be much more intelligently ignorant and to ask many more interesting questions. Questions that are more exciting and perhaps more profound than those we were asking 35 years ago. And so at our conference last October we asked the participants to submit, list their favourite questions that might guide physics over the next 25 years and out of those I selected 25 questions. Now, I am forced to shrink a talk which normally is scheduled for an hour and runs for an hour and a half to half an hour. So I’ve reduced the 25 to 20 and that’s not enough so I’m going to talk very fast. The institute covers physics in the very broad sense and the questions that I bring to you today are questions that interest theoretical physicists, not experimenters, theorists. But they are questions over the very broadest range of physics. All the way from cosmology and astrophysics, condensed matter physics, particle physics, string theory and even as you will see biology, where physicists are becoming quite interested. And I’m going to start immediately without, since I have so little time, at the beginning with question number 1 which was appropriately the origin of the universe. We are beginning to ask in a very serious way: How did the universe begin? We know from observation now that the Big Bang theory, that the universe began in a rather small condensed region of space about 15 billion years ago, is roughly correct and since then the universe has been expanding and we can extrapolate backwards. And when we do so all of our equations, all of our theories break down at what is called the Big Bang. Singularities develop, the laws of physics no longer apply as we know them. But now we are beginning to ask, and in fact astrophysics and cosmology demand that we address this very question, what happened at this singular point in our equations at least, where the universe began. What set the stage, what created the initial conditions? And how far back can we experimentally probe and observe. There is a curtain 200,000 years after the Big Bang, the microwave background, it’s hard to see beyond that curtain, but maybe we can with gravitational probes. Can theory explain the initial condition and determine the initial condition? Is that something within the domain of science? Was there a time before the Big Bang, is it just an illusion? Was there perhaps a collapse of a pre-existing universe which then expanded again or as some people have speculated, a cyclic universe that crunches and expands over and over again? These are questions that used to be almost philosophical and metaphysical, if not religious, but now are the subject of intense investigation by theorists and observers who try to determine the conditions near the Big Bang. Maybe the answer is that, and I believe this actually to be the case, that our conceptual framework of space and time is not sufficient yet to answer this question. The second question, second and third question, have to do with the dark components of the universe, that have been observed in the last few decades. We now know that the stuff that we are made out of, ordinary baryons and matter and nuclei, make up only a few percent of the energy density of the universe. Most of the matter is in the form of dark matter, that we have not yet observed directly and we don’t know what it is. We see it only through its gravitation pull on ordinary matter, that coalesces in the aggregates of dark matter to form galaxies. So what is the nature of this dark matter? How does it interact with ordinary baryonic matter? The standard hypothesis is that it is wimpy, which means that it consists of weakly interacting, very massive particles. And there are many candidates that particle physics has proposed, that could make up this dark matter and could have been produced in the early moments of the universe. But can we detect this matter directly, either by observing the wind of the dark matter that passes through our earth continuously or by producing the supposed particles directly in the laboratory? And how is the dark matter distributed in the universe? This is of enormous importance to astrophysicists, because the dark matter forms the background on which galaxies and structure form. Most of the energy in the universe appears to be in a form called dark energy, which we observe even more indirectly. The only clue we have to the existence of this dark energy, more precisely the negative pressure that seems to accompany it, is the acceleration of the universe. And it makes up almost 70% of the energy content of the universe at the present moment. This dark energy is very mysterious. What is its nature? Is it constant? We don’t know. Or does it vary with time, will it dissipate? Is it just Einstein’s cosmological constant, that he introduced as a natural component of a cosmological theory, originally to construct a static universe, but always a possibility and in quantum mechanical theories almost an inevitability since in quantum mechanical theories even the vacuum is full of fluctuating fields which have zero point energy. You can’t cool an object down to a point where it has no energy, since, according to the uncertainty principle, if you observe it, it starts to fluctuate. So it always has a zero point motion and a zero point energy. And any estimate in physics of what that zero point energy would contribute to the energy density of the vacuum is enormous. Much bigger than what we finally have observed. How can we explain that? Is that what this dark energy is and can we tell? It’s remarkable that most of the energy in the universe is in the form of this dark energy, and yet it is almost impossible to observe or to feel or to tell what its nature is. The next question in the list had to do again with interesting astrophysical questions. A formation, formation of stars, how do stars form. We more or less have a picture of how stars form in the evolution of stars, but this is now becoming in astrophysics, a truly quantitative science where the goals are to understand, not just have a qualitative picture of star formation but a quantitative ability to calculate the spectrum of masses of stars. The frequency of binary pairs and the clustering of stars when they are formed. An old, but now totally revived field of formation has to do with planetary formation. We now have observations of hundreds of planets outside of our solar system and enough data to begin to truly test our theories of planet formation and perhaps to answer the question, what is the likelihood or frequency of finding habitable planets that could have life on them. Question number 5 moves to general relativity which is the theoretical basis of cosmology and astrophysics in the large. Einstein’s theory of general relativity has been tested. But almost all the successful tests of relativity have been performed in the arena where the gravitational forces are very, very weak and the tests are very hard and the effects are very small. We look forward in the next decade or 2 to precision tests of general relativity at other scales. We all know that general relativity is likely to fail at the very smallest scales, but is it true at the large scales where gravity is strong? And luckily we have discovered now many massive black holes throughout the universe. It seems that every galaxy has in its centre a massive black hole, so does our galaxy. We’ve determined that by mapping the orbits of stars revolving around these massive black holes and deducing from Kepler’s laws, the mass, Newton’s laws, the mass of the black holes. But can we subject strong gravity to quantitative observational tests by looking at the properties of that black hole or by using gravitational radiation detectors - LIGO, LISA - which are just turning on. A very precise question is, can we use astrophysical observations to determine whether the cur metric, the distortion of space and time that’s predicted by relativity, correctly describes a geometry around - say the black hole -at the centre of our galaxy? And there’s a lot of research and suggestions that that might be possible. We might be able to measure the distortion of geometry created by black holes directly. Another edifice of our theoretical structure of the physical universe is quantum mechanics. And I was fascinated that at this conference we had, there were many people who questioned whether quantum mechanics is the ultimate description of nature. Or will it fail? And there are a variety of reasons why people worry that it might fail. Many expect that it would fail at short distances. Although I see no necessity or indications of that. Others feel that quantum mechanics might fail for large complex systems. They’re disturbed as most of us where when we learned quantum mechanics and contemplated Schrödinger’s cat. How can quantum mechanics describe large macroscopic objects like cats? And maybe it fails there, Tony Leggett believes that might be the case. Others believe that quantum mechanics might fail when confronted with the problem of consciousness, where supposedly measurements take place. Roger Penrose advocates this point of view. Again none of these points of view are ones that I am very sympathetic with. The one place I feel that quantum mechanics I feel uncomfortable with, is in describing the universe as a whole. A system which you can’t get outside of. And especially in the context today of scenarios such as inflation or eternal inflation where different portions of the universe might undergo quantum fluctuations and expand to create, in a sense new universes, which would never be in causal contact with our own. What meaning in that context does the wave function of the universe have? The next question has to do with the standard model of particle physics. This enormously and incredibly successful theory of all the standard forces of nature, that was developed and completed in the last part of the 20th century. Incredibly successful but full of mysteries. There are too many questions and mysteries here to put down. But among them are all the basic mass parameters and mixings of quarks and neutrinos and leptons, most of which we have now measured with great precision, but have no understanding of. The mass spectrum of quarks, which are the basic constituencies of baryonic, of nuclear matter, range from a few MeV for the light quarks that we’re made of to hundreds of billions of electron volts or dozens of billions of electron volts for the heavy quarks. We have no understanding of that pattern of masses and nor do we believe that our present theories can explain them. We don’t know how matter was created in the universe and why there’s an excess of matter over anti matter and although we have a scenario for explaining that, it is not yet a qualitative theory. Nor do we know what the lifetime of the proton is although we all suspect and believe that it is unlikely that the proton or ordinary matter is stable. There are many, many, many mysteries of the standard model. Perhaps the most important question that faces elementary particle physics is the question as to whether super symmetry, a new and beautiful symmetry of nature, for which there are many phenomenological indications exists as a reality in the physical world. This is a symmetry that has received one experimental confirmation, but surely not discovery, by the attempt to unify all the forces of nature. After the completion of the standard model it was understood that the forces so disparate in strength at low energies, the strong nuclear force and the weak and electromagnetic forces, since they vary with energy or distance, could unify at a very high energy. And indeed, when extrapolated from present day observation to higher energies, appear to come together as if they are unified and come from a unified theory at a very high energy scale, which corresponds to a very short distance scale. That extrapolation with increasing precision of both experiment and theory now only works if we add to the picture a new and beautiful symmetry of nature, called super symmetry. This is a space time symmetry that, like relativity, like Lorentz invariance, and Einstein’s relativistic transformations, acts on ordinary space time, yet one that is supplemented by extra dimensions, in this case quantum dimensions. There are many other phenomenological reasons why this scenario and this new symmetry is very appealing, solves many problems of particle physics, and points to an energy scale which is now going to be approachable by the Large Hadron Collider, which is now being built at CERN in Geneva and will be completed in 2 years. So is super symmetry there? This is in a sense the major issue in front of particle physics. And if it is there, how is it broken? It clearly is not manifest in the real world, otherwise we would have known. So it´s broken in the vacuum. What is the spectrum of the super particles? And if it is discovered and we know the spectrum and how is it broken, can we then work our way towards the scale of unification and understand the physics, that produces the breaking of this symmetry and perhaps much more? Within the standard model my favourite component is QCD, the theory we worked on. And there the problem is to solve the theory. This is a beautiful theory with essentially no parameters. It deserves to be solved exactly. But after 30 years we still can only calculate that masses of the elementary particles, the proton, the neutron and all of them by putting the theory on a computer and doing very intensive numerical calculations. That’s sufficient to solve the problem in a sense. But we would like an analytic solution. And the best hope still remains to construct a string representation, in some sense mesons, quark-antiquark pairs in a theory like QCD, which permanently confines the quark and antiquark together by producing a strong constant force between them, when they’re pulled apart. Looks like a quark and an anti quark at the end of a tube, a colour flux tube which in many ways behaves like a string. And strings theory, which was originally suggested to describe hadrons still as a dual description of QCD, provides perhaps one of the best possibilities of an analytic approach to the theory for large distances. Now I turn to string theory, which is the speculative attempt to construct a theory of all the forces of nature including gravity, and has been going now for almost 37 years. And the real question remains: What is string theory? We don’t really have a theory yet in the traditional sense that we could write down, a Lagrangian, a Hamiltonian, a formulation of the theory or know what its basic symmetries and principles are. We simply have many different dual views of the theory, many different ways of doing very precise and determined calculations of the theory at different starting points, starting from strings propagated in different space times. But they’re incredibly dissimilar pictures, and they’re all connected, and the lessons of this duality are only now beginning to be understood. And they threaten in a severe way our standard notions of elementarity and locality. We have representations of this theory that look totally different. Some of them involving strings propagating in some curved background space times. Some of them involving no space at all. Some of them being ordinary quantum mechanical systems. Some of them being ordinary gauge theories that underlie the standard model. And all of these by incredible transformations are believed, and there is incredible evidence that that’s the case to be, describing different approximations to the same thing, but we don’t yet understand what that same thing is, what is string theory. Now, partly I believe that this is due to the fact that we don’t yet understand what is space time. And in this string theory, which for the first time provides us with what appears to be a totally consistent theory of quantum gravity, our standard notions of space and time are being threatened. And we ask is space time doomed? As most string theorists sort of believe is the case, we have many indications that our traditional concepts of a smooth Riemannian manifold underlining our description of physical reality, space and time are not adequate. They are probably approximations to something deeper, that we don’t yet understand. Space and time we believe and already have examples within string theory of this, in the case of space is an emergent concept. Like temperature in a sense, it’s something that’s good for describing physics and many degrees of freedom in the large, but not at the microscopic level. And we can see how this works in the case of space. We have descriptions of string theory in which space emerges. To begin with there is no space at all, just time, and then space emerges for describing events that happen in the large. But we’re still stuck completely on trying to imagine the formulation of physics in which time is emergent. Time after all is so important for what we mean by physics. Physics is the science that predicts the future given the present. How can we formulate physics in a situation where time itself would be emergent. Connected with recent studies of string theory, we have to ask whether physics is an environmental science. Or more precisely: Can we really calculate everything? Or are some parameters of nature or even some laws determinant by accident? And the alternate point of view is the one which I advocate strongly, namely Einstein’s point of view that everything is calculable. And if a theory has undetermined, uncalculable parameters, it´s deficient, an indication that it should be replaced. But that idea is now under threat especially in string theory where it appears, there are lots of different meta-stable places where the universe could sit, vacua, and the only principle that could be invoked to determine where we end up is the fact that we are here to ask the question, the anthropic principle. I don’t like this and hope it´s not true, but can’t prove it. Coming down now to condensed metaphysics, one of the main questions here: Are there new states of matter, are there new behaviours of interacting condensed matter systems which are not described by the standard paradigm of solid state physics, Fermi Liquid Theory? Many of these have been discovered in theoretical laboratories but there remains an open question, as to whether they are accessible experimentally, and whether these ideas apply to interesting systems like high temperature super conductors. Quantum computing is a new field of physics, partly driven by the desire to construct a quantum computer which would be a quantum mechanical computing system. And in principle much more powerful than ordinary classical computers. But here one of the interesting questions is: Will quantum computers be quiet or deaf? The main obstacle to quantum computing is decoherence. If quantum system is in contact with the environment, it rapidly decoheres and becomes a merely classical system. And you could either try to combat this by making the computer quiet, isolating it from its noisy environment. Or making it deaf by encoding the information in topological quantum bits, that are delocalised and stable. And there’s an incredible amount of theoretical work on both of these possibilities. The experimentalist of course are faced with a real problem, to construct a computer, a real quantum computer which had at least 10,000 q-bits, at the moment they can only construct one with about 10. The question on applications, very theoretical question, however, can we understand enough about super conductivity and strongly correlated electron systems to understand whether there is a barrier for the critical temperature when material becomes super conducting? Is there any reason why we can not make a material, that is super conducting at room temperature? Another interesting question here was: Can we understand how to make a room-temperature ferromagnet out of engineerable electronic semi-conducting materials. I have three more minutes. Physicists are interested in biology it turns out, there are wonderful and interesting questions there. And physicists love tough problems and feel they can solve tough problems if there’s a theory there. Maybe there’s new mathematics required. It’s not easy, it’s very different than the complicated systems that theoretical physicists have dealt with before. Especially in the fact that there are incredibly different, wide ranging time scales involved in most interesting biological questions. One of the areas where theoretical physicists have moved into or tried to understand is genomics. The data is there, make sense out of it. Can one do this, is there an actually quantitative and predictive theory of evolution? There’s a lot of data in the genome, not just our genome but the rest of the species, that might be used to test such theories and theorists are trying to do that. And one of the problems, the questions I like the most was one that might be on a final exam in a theoretical biology course in 25 years, you give the students a piece of the genome and you ask them to draw the shape of the organism. Physicists are also willing to ask questions of neuroscience, a field that many physicists have moved into, because it’s a tough problem that clearly needs a theory. And they ask what are the principles that underlie this organisation responsible for memory and consciousness. And one of the questions I like the most, is the question that a physicist would ask: Can one measure the onset of consciousness in an infant, an infant presumably at some point develops consciousness? A new born infant presumably is not conscious or at least the embryo isn’t conscious, a teenager is, we presume. At some point there’s a transition, is it a continuous transition, discontinuous etc and how would you measure it. Computational physics This is the last question. The dangers of big science, which is in many fields particle physics, astrophysics, reaching the end and the question here is: What should we do about that? It’s a very serious problem for both fundamental particle physics as well as cosmology and astrophysics. And then of course a question I added which has a definite answer, even in this age of biology. Applause.

Ich danke Ihnen sehr und freue mich hier zu sein. Ich habe mich dazu entschlossen, diesen Vortrag vor vielen Studenten und Doktoranden zu halten. Einen Vortrag, der nicht von der Vergangenheit handelt, sondern von der Zukunft. Die Idee dazu entstand bei einer Tagung in dem von mir geleiteten Institut in Santa Barbara um maßgebliche Fragen der theoretischen Physik zu erörtern. Anlässlich der Feier zum 25-jährigen Bestehen des Instituts blickten wir auf die Erkenntnisse der letzten 25, 30 Jahre zurück, vor allem aber warfen wie einen Blick in die Zukunft. Wir haben in den letzten 25, 35 Jahren in der Tat viel gelernt. Viele dieser Erkenntnisse trugen die hier in diesem Raum anwesenden hervorragenden Wissenschaftler bei. In der Rückschau ist es recht erstaunlich, wie viel wir vor 30 Jahren nicht wussten. Noch erstaunlicher ist jedoch, wie viel wir noch nicht wissen. Wie ich bereits in meiner Bankettrede letzten Dezember in Stockholm angemerkt habe, ist das bedeutendste Produkt des Wissens Unwissenheit. Es sind die Fragen, die wir stellen, die die Grundlage für unsere heutige Wissenschaft bilden. Und die Fragen, die wir heute stellen, sind erheblich interessanter und tiefgreifender als die, die wir vor 35 Jahren gestellt haben, als ich Student war. Viele dieser Fragen wurden inzwischen beantwortet. Heute allerdings sind wir sachkundig genug, um auf intelligentere Weise unwissend zu sein und viele noch interessantere Fragen zu stellen. Fragen, die noch spannender und vielleicht noch tiefgreifender sind als die, die wir vor 35 Jahren gestellt haben. Und so baten wir auf unserer Tagung im letzten Oktober die Teilnehmer um die Einreichung ihrer Lieblingsfragen, die den Physikern in den nächsten 25 Jahren als Richtschnur dienen könnten. Ich habe daraus 25 Fragen ausgewählt, 25 Fragen, die für die Physiker in den nächsten 25 Jahren richtungsweisend sein könnten. Jetzt sehe ich mich gezwungen, einen Vortrag, für den normalerweise eine Stunde veranschlagt ist und der de facto anderthalb Stunden dauert, auf eine halbe Stunde zu kürzen. Ich habe es also auf 20 Fragen beschränkt. Aber das ist nicht genug, deshalb werde ich sehr schnell sprechen. In unserem Institut beschäftigen wir uns mit Physik im weitesten Sinne, und die Fragen, die ich Ihnen heute vorstelle, sind Fragen, für die sich theoretische Physiker interessieren, nicht aber Experimentalphysiker. Dennoch betreffen diese Fragen ein sehr breites Spektrum der Physik, von der Kosmologie und Astrophysik bis zur Physik der kondensierten Materie, der Teilchenphysik, der String-Theorie und sogar, wie Sie sehen werden, die Biologie, für die sich Physiker mehr und mehr interessieren. Da mir so wenig Zeit zur Verfügung steht, beginne ich gleich mit der ersten Frage: Welchen Ursprung hat das Universum? Wir fangen allmählich an diese Frage ganz ernsthaft zu stellen. Aus Beobachtungen wissen wir heute, dass die Urknalltheorie, nach der das Universum in einer eher kleinen kondensierten Region des Weltraums vor etwa 15 Milliarden Jahren entstanden ist, im Großen und Ganzen zutrifft und sich das Weltall seitdem ausdehnt, sodass wir Rückschlüsse ziehen können. Dabei schmelzen all unsere Gleichungen und Theorien auf diesen sogenannten Urknall zusammen. Es treten Singularitäten auf, die Gesetze der Physik, wie wir sie kennen, gelten nicht mehr. Doch jetzt beginnen wir Fragen zu stellen, und auch die Astrophysik und Kosmologie fordern, dass wir uns mit der eigentlichen Kernfrage beschäftigen: Was ist, zumindest in unseren Gleichungen, an diesem singulären Punkt, an dem das Universum begann, geschehen? Was hat den Weg bereitet, was die anfänglichen Voraussetzungen geschaffen? Wie weit zurück in die Vergangenheit können wir experimentell forschen und beobachten? doch vielleicht gelingt uns dies mithilfe von Schwerkraftsonden. Lassen sich die ursprünglich herrschenden Bedingungen theoretisch erklären und ermitteln? Fällt dies in den Zuständigkeitsbereich der Wissenschaft? Gab es vor dem Urknall eine Zeit oder ist das nur eine Illusion? Kollabierte vielleicht ein zuvor existierendes Weltall und dehnte sich dann erneut aus oder handelt es sich, wie manche spekulieren, um einen zyklischen Kosmos, der wieder und wieder zermalmt wird und sich anschließend wieder ausdehnt? All diese Fragen besaßen früher einen geradezu philosophischen und metaphysischen, wenn nicht gar religiösen Charakter, sind heute jedoch Gegenstand intensiver Forschung für theoretische und beobachtende Physiker, die die Bedingungen zum Zeitpunkt des Urknalls auszuloten versuchen. Vielleicht liegt die Antwort darin - und meiner Ansicht nach ist dies tatsächlich der Fall - dass unser Rahmenkonzept von Raum und Zeit noch nicht ausreicht, um diese Fragen zu beantworten. Die zweite und die dritte Frage beziehen sich auf die dunklen Bestandteile des Universums, die in den letzten Jahrzehnten beobachtet wurden. Wir wissen heute, dass gewöhnliche Baryonen, Materie, Kerne, also das, woraus wir bestehen, nur ein paar Prozent der Energiedichte des Universums ausmachen. Der Großteil der Materie liegt in Form dunkler Materie vor, die wir bislang aber noch nicht direkt beobachtet haben und deren Beschaffenheit wir nicht kennen. Wir können lediglich aufgrund ihrer Anziehungskraft auf gewöhnliche Materie, die sich mit den Aggregaten der dunklen Materie verbindet und Galaxien formt, auf sie schließen. Welche Beschaffenheit hat also diese dunkle Materie? Wie sehen ihre Wechselwirkungen mit gewöhnlicher baryonischer Materie aus? Gemäß der Standardhypothese sind die Wechselwirkungen äußerst gering, d. h., dunkle Materie besteht aus sehr massehaltigen, kaum interagierenden Teilchen. Die Teilchenphysik hat bereits zahlreiche Kandidaten ausgemacht, aus denen die dunkle Materie bestehen könnte und die in der Frühzeit des Universums hätten entstehen können. Doch ist es möglich, diese Materie direkt nachzuweisen, entweder durch Beobachtung ihres kontinuierlich unsere Erde durchdringenden Windes oder durch Erzeugung der vermuteten Partikel direkt im Labor? Wie ist die dunkle Materie im Weltraum verteilt? Diese Frage ist für Astrophysiker von enormer Bedeutung, da die dunkle Materie den Hintergrund bildet, vor dem Galaxien und Strukturen entstehen. Die meiste Energie im Universum scheint in Form sogenannter dunkler Energie vorzuliegen, die wir sogar noch indirekter beobachten. Der einzige Hinweis, den wir für die Existenz dieser dunklen Energie, noch genauer des mit ihr einhergehenden Unterdrucks haben, ist die Beschleunigung des Universums. Der Energiegehalt des Weltraums besteht derzeit zu beinahe 70% aus dieser dunklen Energie. Sie ist äußert mysteriös. Wie ist sie beschaffen? Ist sie konstant? Wir wissen es nicht. Variiert sie vielleicht mit der Zeit, wird sie dissipiert? Ist sie einfach nur Einsteins kosmologische Konstante, die er - ursprünglich zur Konstruktion eines statischen Universums - als natürlichen Bestandteil der kosmologischen Theorie einführte? Ist sie stets eine Möglichkeit und in der Quantenmechanik praktisch eine Unvermeidbarkeit, da in diesen Theorien selbst das Vakuum fluktuierende Felder mit einer Nullpunktenergie aufweist? Ein Objekt lässt sich nicht auf einen Punkt abkühlen, an dem es keine Energie mehr besitzt, da es nach dem Unschärfeprinzip in dem Moment zu fluktuieren beginnt, in dem man es beobachtet. Damit besitzt es stets eine Nullpunktbewegung sowie eine Nullpunktenergie. Der Beitrag, den diese Nullpunktenergie zur Energiedichte des Vakuums beitragen würde, wird in der Physik durchwegs als enorm groß eingeschätzt, wesentlich größer als von uns letztendlich beobachtet. Wie lässt sich das erklären? Handelt es sich dabei um die dunkle Materie und können wir das erkennen? Es ist bemerkenswert, dass der Großteil der Energie im Universum in Form dunkler Energie vorliegt und es dennoch fast unmöglich ist, sie zu beobachten, zu fühlen oder ihre Beschaffenheit zu erkennen. Auch die nächste Frage in der Liste hängt mit interessanten astrophysikalischen Fragestellungen zusammen. Wie entstehen Sterne? Zwar haben wir mehr oder weniger eine Vorstellung von ihrer Entstehung. Aber das wird jetzt in der Astrophysik eine wahrlich quantitative Wissenschaft. Die Ziele sind, zu verstehen, und nicht nur ein qualitatives Bild von der Sternenentstehung zu haben, sondern eine quantitative Möglichkeit, das Massenspektrum eines Sternes, die Häufigkeit von Doppelsternen und die Bildung von Sternenhaufen zu berechnen. Eine alte, nun aber wieder völlig neu aufgerollte Theorie der Sternenentstehung steht mit der Planetenentstehung in Zusammenhang. Bis heute wurden Hunderte von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems beobachtet und es liegen ausreichend Daten vor, um unsere Theorien der Planetenentstehung wirklich auf die Probe zu stellen und vielleicht die Frage zu beantworten, wie wahrscheinlich oder häufig die Entdeckung bewohnbarer Planeten, auf denen es Leben geben könnte, ist. Frage Nummer 5 führt uns in die allgemeine Relativitätstheorie, d. h. die theoretische Grundlage der Kosmologie und Astrophysik insgesamt. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie wurde zwar überprüft, alle erfolgreichen Tests erfolgten jedoch auf einem Terrain, in dem die Gravitationskräfte äußerst schwach sind. Die Überprüfung ist daher schwierig und die Effekte sehr gering. Wir freuen uns auf präzise Tests der allgemeinen Relativitätstheorie im größeren Maßstab in den nächsten 10 - 20 Jahren. Wir alle wissen, dass die allgemeine Relativitätstheorie im allerkleinsten Maßstab wahrscheinlich nicht gültig ist; trifft sie aber im großen Maßstab bei starker Gravitation zu? Glücklicherweise haben wir zahlreiche massereiche schwarze Löcher im Universum entdeckt. Es scheint, dass jede Galaxie in ihrem Zentrum ein massereiches schwarzes Loch besitzt, so auch unsere Galaxie. Festgestellt haben wir dies durch Aufzeichnungen der Umlaufbahnen von Sternen, die diese massereichen schwarzen Löcher umkreisen, sowie durch Ableitung der Masse dieser schwarzen Löcher von den keplerschen und newtonschen Gesetzen. Aber lässt sich starke Gravitation quantitativ beobachten, indem wir die Eigenschaften schwarzer Löcher untersuchen oder Gravitationsstrahlungsdetektoren - LIGO, LISA - einsetzen? Eine sehr präzise Frage lautet: Können wir anhand astrophysikalischer Beobachtungen feststellen, ob die von der Relativitätstheorie prognostizierte Krümmung, die Deformation von Raum und Zeit eine geometrische Form um, sagen wir, das schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie herum korrekt beschreibt? Zahlreiche Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass dies der Fall sein könnte. Wir sind also möglicherweise in der Lage, die Deformation der durch schwarze Löcher erzeugten geometrischen Form direkt zu messen. Ein weiteres Haus in unserem theoretischen Gebäudekomplex des physikalischen Universums ist die Quantenmechanik. Ich war fasziniert, dass bei unserer Tagung viele Wissenschaftler fragten, ob die Quantenmechanik die ultimative Beschreibung der Natur sei oder ob sie ungültig würde. Es gibt in der Tat zahlreiche Gründe für diese Besorgnis. Viele Physiker gehen davon aus, dass die Quantenmechanik bei kurzen Distanzen nicht zutrifft, auch wenn meiner Ansicht nach hierfür keine Notwendigkeit besteht und auch keine Hinweise vorliegen. Andere haben den Eindruck, die Quantenmechanik könnte bei großen, komplexen Systemen versagen. Sie sind verstört, wie es die meisten von uns waren, als wir in der Quantenmechanik von Schrödingers Katze hörten. Wie kann die Quantenmechanik große makroskopische Objekte wie Katzen beschreiben? Vielleicht ist sie ja hier ungültig - Tony Leggett glaubt jedenfalls, dass dies der Fall ist. Wieder andere sind der Meinung, die Quantenmechanik könne bei Anwendung auf das Problem des Bewusstseins, wo doch vermutlich Wertungen erfolgen, versagen. Diese Ansicht vertritt beispielsweise Roger Penrose. Mir allerdings behagt keine dieser Sichtweisen besonders. Ich halte die Quantenmechanik lediglich zur Beschreibung des Universums als Ganzem, also eines geschlossenen Systems, für geeignet, insbesondere im Zusammenhang mit dem aktuell entwickelten Szenario von der ewigen Aufblähung des Universums, gemäß dem verschiedene Regionen des Kosmos Quantenfluktuationen unterliegen und sich ausdehnen, sodass gewissermaßen neue Universen entstehen, die sich niemals in irgendeinem Kausalkontakt mit unserem Universum befinden werden. Welche Bedeutung hat in diesem Kontext die Wellenfunktion des Universums? Die nächste Frage bezieht sich auf das Standardmodell der Teilchenphysik, diese unglaublich erfolgreiche Theorie aller Standardkräfte in der Natur, die Ende des 20. Jahrhunderts entwickelt und zum Abschluss gebracht wurde. Unglaublich erfolgreich, aber voller Rätsel. Ich kann die vielen Fragen und Mysterien im Zusammenhang mit dieser Theorie nicht alle erläutern, es befinden sich darunter jedoch alle grundlegenden Masseparameter sowie Mischungen von Quarks, Neutrinos und Leptonen, die wir zwar heute mit großer Präzision messen können, aber nicht verstehen. Das Massenspektrum von Quarks, den Grundbausteinen baryonischer, nuklearer Materie, reicht von einigen MeV bei den leichten Quarks, aus denen wir bestehen, bis zu Dutzenden oder Hunderten von Billionen Elektronenvolt bei schweren Quarks. Wir verstehen weder diese Massemuster noch glauben wir, dass unsere aktuellen Theorien sie erklären können. Wir wissen nicht, wie Materie im Weltall entstanden ist und warum es mehr Materie als Antimaterie gibt. Zwar haben wir ein Szenario zur Erklärung dieser Tatsache entwickelt, es handelt sich aber noch nicht um eine qualitative Theorie. Wir kennen auch die Lebenszeit des Protons nicht, auch wenn wir vermuten und glauben, dass es unwahrscheinlich ist, dass das Proton oder normale Materie stabil ist. Das Standardmodell gibt uns sehr, sehr viele Rätsel auf. Vielleicht die wichtigste Frage, der sich die Elementarteilchenphysik gegenüber sieht, ist die, ob die Supersymmetrie, eine neue und wunderbare Symmetrie der Natur, für die es zahlreiche phänomenologische Hinweise gibt, als Realität in der physikalischen Welt existiert. In dem Versuch alle Kräfte der Natur miteinander in Einklang zu bringen, konnte man diese Symmetrie zwar durch ein Experiment untermauern, nicht aber aufspüren. Nach Fertigstellung des Standardmodells erkannte man, dass die Kräfte bei niedrigen Energien so unterschiedlich stark sind (starke Atomkraft und schwache elektromagnetische Kräfte), weil sie mit der Energie bzw. Entfernung variieren. Sie können sich bei sehr hohen Energien vereinigen. Schließt man von den aktuellen Beobachtungen auf höhere Energien, scheinen die Kräfte in der Tat zu verschmelzen, als hätten sie sich vereinigt und stammten von einer einheitlichen Theorie, und dies bei einer sehr hohen Energieskala, die einer sehr kurzen Distanzskala entspricht. Das Ziehen immer präziserer Schlussfolgerungen aus Experimenten und Theorien funktioniert jedoch nur, wenn das Bild durch eine neue und wunderbare Symmetrie der Natur, die sogenannte Supersymmetrie, ergänzt wird. Es handelt sich dabei um eine Raum-Zeit-Symmetrie, die wie die Relativitätstheorie, die Lorentz-Invarianz und Einsteins Relativitätstransformationen, eine normale Raum-Zeit ist, jedoch zusätzliche Dimensionen umfasst, in diesem Fall Quantendimensionen. Es gibt viele andere phänomenologische Gründe, warum dieses Szenario, die neue Symmetrie sehr verlockend ist, zahlreiche Probleme der Teilchenphysik löst und auf eine Energieskala deutet, die demnächst mithilfe des Großen Hadronen-Speicherrings zugänglich sein wird. Der wird zurzeit im Genfer CERN gebaut und wird in zwei Jahren fertiggestellt sein. Existiert die Supersymmetrie also? Das ist gewissermaßen die Kernfrage für die Teilchenphysik. Und wenn ja, wie wird sie gebrochen? Sicherlich manifestiert sie sich nicht in der realen Welt, ansonsten würden wir sie kennen. Sie wird also im Vakuum gebrochen. Welches Spektrum haben die Superteilchen? Wenn wir die Supersymmetrie entdecken und ihr Spektrum kennen würden und wüssten, wie sie gebrochen wird, könnten wir uns dann zur Vereinigungsskala vorarbeiten und die Physik verstehen, die zum Buch dieser Symmetrie oder sogar noch viel mehr führt? Mein Lieblingsbaustein in dem Standardmodell ist die Theorie, an der wir gearbeitet haben - die Quantenchromodynamik. Das Problem besteht dabei darin, die Theorie zu lösen. Die Theorie ist wunderbar und besitzt im Grunde genommen keine Parameter. Sie verdient es, exakt gelöst zu werden. Nach 30 Jahren gelingt es uns aber immer noch nicht, die Massen der Elementarteilchen, also Protonen, Neutronen und so weiter, anders zu berechnen als den Computer mit der Theorie zu füttern und ihn intensive numerische Berechnungen anstellen zu lassen. In gewisser Weise genügt dies zwar, um das Problem zu lösen, wir hätten aber gerne eine analytische Lösung. Wir hoffen daher weithin, dass wir in der Lage sein werden, im Rahmen einer Theorie wie der Quantenchromodynamik indem beim Auseinanderziehen eine starke konstante Kraft zwischen ihnen erzeugt wird - eine String-Repräsentation sowie Mesonen, also Quark/Antiquark-Paare entstehen zu lassen. Dies sähe aus wie ein Quark und ein Antiquark am Ende eines Röhrchens, eines Farbflussröhrchens, das sich in vielerlei Hinsicht wie ein String verhält. Die String-Theorie, die ursprünglich zur Beschreibung von Hadronen, als duales Beschreibunsgmodell der QCD entwickelte wurde, ist vielleicht eine der besten Möglichkeiten einer analytischen Herangehensweise an die Theorie bei großen Entfernungen. Jetzt wende ich mich der String-Theorie zu, einem spekulativen Versuch, eine Theorie aller Kräfte der Natur einschließlich der Gravitation zu entwickeln, der nun seit mittlerweile fast 37 Jahren verfolgt wird. Die eigentliche Frage bleibt: Was ist die String-Theorie? Bislang haben wir noch gar keine Theorie im herkömmlichen Sinne, die wir schriftlich festhalten könnten, keine Formulierung wie die Lagrange- oder die Hamiltonsche Formulierung, und wir kennen auch ihre grundlegenden Symmetrien und Gesetze nicht. Wir haben einfach nur viele verschiedene duale Sichtweisen der Theorie, viele unterschiedliche Arten, die Theorie von verschiedenen Startpunkten aus sehr präzise und determiniert zu berechnen, ausgehend von Strings, die sich in verschiedene Raum-Zeiten ausbreiten. Das Ergebnis sind absolut unterschiedliche Darstellungen, die aber alle zusammenhängen. Erst heute beginnt man allmählich die Lehren dieser Dualität zu verstehen. In gewisser Weise stellen sie eine ernste Bedrohung für unsere üblichen Vorstellungen von Elementarität und Lokalität dar. Manche Repräsentationen dieser Theorie unterscheiden sich grundlegend. Einige von ihnen propagieren die Ausbreitung der Strings in gekrümmte Hintergrund-Raumzeiten. Bei anderen kommt gar kein Raum vor. Wieder andere sind gewöhnliche Quantenmechaniksysteme. Manche sind normale Eichtheorien, die dem Standardmodell zugrunde liegen. Wir gehen davon aus, dass all diese unvorstellbaren Transformationen stimmen, und es gibt glaubhafte Belege dafür, dass es sich genauso verhält, dass nämlich diese Transformationen nur unterschiedliche Annäherungen an ein- und dieselbe Sache beschreiben. Wir verstehen aber noch nicht, was diese Sache, also die String-Theorie ist. Ich denke, dass dem unter anderem so ist, weil wir noch nicht verstehen, was Raum-Zeit ist. Und die String-Theorie, die uns zum ersten Mal so etwas wie eine vollständig einheitliche Theorie der Quantengravitation liefert, bedroht unsere üblichen Vorstellungen von Raum und Zeit. Und so fragen wir uns: Ist die Raum-Zeit dem Untergang geweiht? Die meisten String-Theoretiker glauben mehr oder weniger, dass dies der Fall ist; es existieren viele Hinweise darauf, dass unsere herkömmlichen Vorstellungen einer reibungslosen Riemannschen Mannigfaltigkeit, die unserer Beschreibung der physikalischen Realität bzw. von Raum und Zeit zugrunde liegen, unzulänglich sind. Es handelt sich dabei wahrscheinlich um Annäherungen an etwas Tiefgründigeres, etwas, das wir momentan noch nicht verstehen. Raum und Zeit, so glauben wir - und es existieren bereits Beispiele dafür in der String-Theorie - sind emergente Konzepte. Der Raum beispielsweise eignet sich genau wie die Temperatur in gewissem Sinne für die Beschreibung der Physik und zahlreicher Freiheitsgrade im Großen, nicht aber für die mikroskopische Ebene. Wir sehen, wie dies im Falle des Raums funktioniert. Es gibt Beschreibungen der String-Theorie, in denen der Raum entsteht. Anfangs gibt es überhaupt keinen Raum, nur Zeit; dann entsteht der Raum zur Beschreibung von Ereignissen, die im großen Maßstab stattfinden. Bei dem Versuch, uns die Formulierung einer Physik vorzustellen, in der die Zeit emergent ist, kommen wir jedoch absolut nicht weiter. Zeit ist für das, was wir als Physik bezeichnen, einfach etwas so Wichtiges. Die Physik ist die Wissenschaft, die anhand der Gegenwart die Zukunft vorhersagt. Wie können wir Physik in einer Situation formulieren, in der die Zeit selbst emergent ist? Im Zusammenhang mit kürzlich durchgeführten Studien zur String-Theorie müssen wir uns fragen, ob die Physik eine Umweltwissenschaft ist. Oder noch genauer: Können wir wirklich alles berechnen oder ergeben sich manche Parameter der Natur oder sogar bestimmte Gesetze durch Zufall? Ich bin ein starker Verfechter einer alternativen Sichtweise, nämlich der Einsteins, der alles für berechenbar hielt. Eine Theorie mit unbestimmbaren, nicht berechenbaren Parametern ist unzulänglich und sollte ersetzt werden. Heute ist diese Vorstellung insbesondere in der String-Theorie, in der es anscheinend zahlreiche unterschiedliche metastabile Orte gibt, an denen sich das Universum befinden könnte, bedroht, und das einzige Prinzip, mit dessen Hilfe sich bestimmen ließe, wohin sich die Dinge letztendlich bewegen, ist die Tatsache, dass wir hier sind und diese Frage stellen können: das anthropische Prinzip. Mir ist diese Vorstellung unbehaglich und ich hoffe, sie trifft nicht zu, aber beweisen kann ich dies nicht. Kommen wir nun zur kondensierten Metaphysik, einer unserer Hauptfragen hier. Existieren neue Materiezustände, gibt es neue Arten der Wechselwirkungen, existieren Systeme aus kondensierter Materie, die durch das übliche Paradigma der Festkörperphysik, die Theorie der Fermi-Flüssigkeit, nicht beschrieben werden? Viele dieser Phänomene wurden in theoretischen Laboren entdeckt, doch eine Frage bleibt offen: Sind sie experimentell zugänglich und gelten diese Vorstellungen auch für interessante Systeme wie z.B. Hochtemperatursupraleiter? Beim Quantencomputing handelt es sich um ein neues Gebiet der Physik, das zum Teil durch den Wunsch vorangetrieben wird, einen Quantencomputer, d. h. ein quantenmechanisches Rechnersystem zu entwickeln, das im Prinzip wesentlich leistungsstärker ist als normale klassische Computer. Eine der interessanten Fragen in diesem Zusammenhang ist, ob Quantencomputer geräuscharm oder taub sein sollten. Das größte Hindernis für das Quantencomputing ist die Dekohärenz. Kommt ein Quantensystem mit der Umgebung in Kontakt, unterliegt es rasch der Dekohärenz und wird zu einem rein klassischen System. Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken wäre, den Computer geräuscharm zu machen und ihn auf diese Weise von der lauten Umgebung zu isolieren. Alternativ könnte man ihn taub machen, indem man die Information in topologischen Quanten-Bits verschlüsselt, die delokalisiert und stabil sind. Beide Möglichkeiten werden unglaublich intensiv theoretisch erforscht. Die experimentellen Physiker dagegen stehen natürlich vor dem faktischen Problem, einen Computer, einen richtigen Quantencomputer mit mindestens 10.000 Quanten-Bits zu entwickeln Nun noch eine Frage zur Anwendung, allerdings eine sehr theoretische Frage: Wissen wir genug über Supraleitfähigkeit und stark korrelierte Elektronensysteme, um zu verstehen, ob es eine Grenze für die kritische Temperatur gibt, wenn Material supraleitend wird? Gibt es einen Grund, warum wir kein Material entwickeln können, das bei Raumtemperatur supraleitend ist? Eine andere interessante Frage war, ob wir wissen, wie sich bei Raumtemperatur ein Ferromagnet aus elektronischen halbleitenden Materialien herstellen lässt. Jetzt bleiben mir noch drei Minuten. Wie sich herausstellt, interessieren sich Physiker auch für Biologie - hier ergeben sich wunderbare und interessante Fragen. Physiker lieben schwierige Probleme und sind der Ansicht, sie können sie lösen, solange es nur eine Theorie gibt. Vielleicht ist hier eine neue Mathematik erforderlich. Das Ganze ist viel schwieriger als die komplizierten Systeme, mit denen es theoretische Physiker bislang zu tun hatten, insbesondere im Hinblick auf die Tatsache, dass bei den meisten interessantesten biologischen Fragen ganz unterschiedliche und weit reichende Zeitskalen eine Rolle spielen. Einen Bereich, den theoretische Physiker für sich entdeckt haben bzw. den sie zu verstehen versuchen, ist die Genomik. Die Daten liegen vor, also lasst uns ihre Bedeutung herausfinden. Kann das gelingen, gibt es tatsächlich eine quantitative und prädiktive Theorie der Evolution? Das Genom beinhaltet sehr viele Daten, nicht nur unser Genom, sondern auch das aller anderen Arten. Mithilfe dieser Daten ließen sich solche Theorien überprüfen, und genau das tun theoretische Physiker derzeit. Eine der Fragen, meine Lieblingsfrage, könnte man in 25 Jahren Studenten der theoretischen Biologie in ihrer Abschlussprüfung stellen. Man gibt ihnen ein Stück Genom und bittet sie, die Gestalt des Organismus zu zeichnen. Physiker sind auch bereit, sich Fragen der Neurowissenschaften anzunehmen. Der Grund, warum sie sich neuerdings damit beschäftigen, ist, dass es ein schwieriges Problem ist, das definitiv einer Theorie bedarf. Sie fragen sich, welche Gesetze der für Gedächtnis und Bewusstsein verantwortlichen Ordnung zugrunde liegen. Eine meiner Lieblingsfragen könnte von einem Physiker gestellt werden: Ein Kind entwickelt ab einem gewissen Zeitpunkt ein Bewusstsein - kann man den Beginn dieses Bewusstseins bei dem Kind messen? Ein Neugeborenes hat vermutlich kein Bewusstsein, zumindest der Embryo nicht, ein Teenager dagegen schon. An einem bestimmten Punkt erfolgt also ein Übergang - ist dieser Übergang kontinuierlich oder nicht, wie könnte man ihn messen? Computergestützte Physik Und nun die letzte Frage: Wie groß ist die Gefahr, dass die Großwissenschaft und damit vor allem die Teilchen- und Astrophysik an ihrem Ende angelangt ist? Was können wir dagegen tun? Diese Frage bereitet sowohl in der Elementarteilchenphysik als auch in der Kosmologie und Astrophysik großes Kopfzerbrechen, und ich stelle sie hier natürlich, weil es darauf selbst im Zeitalter der Biologie eine klare Antwort gibt.

David Gross (2005)

The Future of Physics

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