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"Das Universum ist ein BESCHLEUNIGER"

1945 1960 1980 2000 2020

Im Dezember endet Rolf-Dieter Heuers Amtszeit als Generaldirektor des CERN. Der Stuttgarter Professor im Gespräch über Einsichten und Mysterien der Teilchenphysik. | Das Gespräch führte Martin Tauss

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Im Dezember endet Rolf-Dieter Heuers Amtszeit als Generaldirektor des CERN. Der Stuttgarter Professor im Gespräch über Einsichten und Mysterien der Teilchenphysik. | Das Gespräch führte Martin Tauss

Die FURCHE bat Heuer bei der weltgrößten Teilchenphysik-Konferenz, die heuer von der Europäischen Physikalischen Gesellschaft (EPS) in Wien abgehalten wurde, zum Interview.

DIE FURCHE: In letzter Zeit war viel von einem "Pioniergeist" am CERN die Rede. Wie ist jetzt die Stimmung nach dem Neustart des Teilchenbeschleunigers mit bisher unerforschten Energien?

Rolf-Dieter Heuer: Sie ist vergleichbar mit der Aufbruchstimmung beim ersten Einschalten der Maschine im Jahr 2009. Versetzen Sie sich einmal in die Lage von jüngeren Wissenschaftern, die das zum ersten Mal live miterleben. Da kribbelt es in den Fingerspitzen. Jeder möchte dabei sein, wenn es die ersten Kollisionen gibt. Die bringen zwar physikalisch noch gar nichts, weil man viele Kollisionen aufaddieren muss, um ein Resultat zu erhalten. Aber die Spannung ist schon da: Das ist wie bei einem Fußballer vor einem wichtigen Spiel oder bei einem Formel-1-Fahrer vor dem Start. Wenn da der Adrenalin-Spiegel nicht steigt, hat man den falschen Job!

DIE FURCHE: Wie prägt die Physik unser modernes Verständnis der Welt - und inwiefern sind die jüngsten Erkenntnisse aus dem Teilchenbeschleuniger dazu angetan, unser Verständnis noch einmal voranzutreiben?

Heuer: Was wir in den letzten Jahren am CERN entdeckt haben, zum Beispiel das Higgs-Teilchen (Higgs-Boson), hat unser Verständnis vom Aufbau der Materie erweitert - und zwar so, wie viele Theoretiker vermutet haben. Mit dem Standardmodell der Teilchenphysik werden die Phänomene des Mikrokosmos erfolgreich beschrieben; es gilt aber nur für die sichtbare Materie. Und das sind nur circa fünf Prozent der gesamten Materie und Energiedichte im Universum. Bei den restlichen 95 Prozent handelt es sich um dunkle Materie und dunkle Energie.

DIE FURCHE: Das Standardmodell kommt hier an seine Grenzen?

Heuer: Wenn man aus Energie Materie macht, entsteht immer zu gleichen Teilen Materie und Antimaterie. Wenn sich Materie und Antimaterie treffen, entsteht wieder Energie. Also dürfte es uns und die ganze materielle Welt gar nicht geben! Das Standardmodell kann nicht erklären, warum wir in einem Materie-dominierten Universum leben. Warum ist die Antimaterie verschwunden? Oder anders gefragt: Warum gibt es überhaupt noch Materie? Es muss offensichtlich winzige Unterschiede in den Eigenschaften von Materie und Antimaterie geben. Als Folge davon gab es ein Teil mehr Materie als Antimaterie. Wie ein Kubikmeter Sand mit Milliarden von Körnern, und darauf liegt ein Sandkorn mehr Materie. Das sind wir! Die hochenergetischen Kollisionen am CERN könnten nun dazu beitragen, kleinste Unterschiede zwischen unseren Messungen und den Vorhersagen des Standardmodells aufzudecken.

DIE FURCHE: Was liegt jenseits des Standardmodells?

Heuer: Es muss eine Theorie geben, die dieses Standardmodell umfasst, aber auch darüber hinaus geht. Man kann das mit Newton und Einstein vergleichen: Abgesehen von GPS ist im alltäglichen Geschwindigkeitsbereich nur das Newton'sche Verständnis relevant. Newtons Gravitationstheorie reicht aus, Einsteins Relativitätstheorie ist nicht erforderlich. Sobald man es aber mit höheren Geschwindigkeiten zu tun hat, wird Einstein erforderlich. Newton ist also wie eine "Nieder-Geschwindigkeitsnäherung" zu Einstein. Das Standardmodell wäre somit eine "Nieder-Energienäherung" zu etwas, wo wir sozusagen noch einen Einstein brauchen. Wenn wir jetzt im Teilchenbeschleuniger mit höherer Energie arbeiten, lässt sich mit Einstein voraussagen, dass damit auch ein Zugang zu höheren Massen entsteht. Da hoffen wir auf neue Einsichten.

DIE FURCHE: Neben den Quarks sind zuletzt auch Experimente mit anderen Elementarteilchen, den Neutrinos, von großen Hoffnungen begleitet. Können diese - wie vielfach behauptet -ein neues Fenster für das Verständnis des Universums eröffnen?

Heuer: Zunächst weiß man nicht genau, woher die Neutrinos stammen: Gibt es Punktquellen oder kommen sie von überall aus dem Universum? Neutrinos können zwischen drei Familien oszillieren. In der Messung dieser Oszillationen könnte der Schlüssel zur Asymmetrie von Materie und Antimaterie liegen. Abzuklären, aus welchen Kollisionen die kosmischen Neutrinos hervorgehen, könnte wiederum zum Rätsel der dunklen Materie führen: Wohl jeder Teilchenphysiker träumt davon, hier ein bisschen Licht hineinzubringen. Ohne die dunkle Materie würden die Galaxien gar nicht existieren; sie würden viel zu schnell rotieren. Das Rätsel der dunklen Materie treibt mich an, denn die Lösung scheint wirklich nahe zu sein. Verflixt nochmal, das muss doch rauszufinden sein!

DIE FURCHE: Was kann man sich von der Annäherung zwischen Teilchenphysik und Astrophysik erwarten -zwei Forschungsfelder, die das Allerkleinste und das Allergrößte im Visier haben?

Heuer: Das sind komplementäre Ansätze, die aus völlig unterschiedlichen Perspektiven auf die gleichen Fragestellungen abzielen. Blickt man mit dem Teleskop ins Universum, sieht man die Signale vor mehr als 13 Milliarden Jahren. Je besser das Teleskop, desto weiter kann man in die Vergangenheit hineinschauen. Teilchenphysiker hingegen versuchen die Bedingungen zur Zeit des frühen Universums zu reproduzieren: In der Kollision der Teilchen erzeugen wir so hohe Energiedichten, dass uns das nahe an den Urknall bringt.

DIE FURCHE: Wie funktioniert der aktuelle Austausch zwischen Astro-und Teilchenphysikern?

Heuer: Die Kooperation hat sich in den letzten Jahren verbessert. Die Theoretiker sind interessiert, ihre Modelle so zu entwickeln, dass sie sowohl im Universum als auch unter experimentellen Bedingungen im Teilchenbeschleuniger nachzuvollziehen sind. In gewisser Weise ist das Universum nichts anderes als ein riesiger Beschleuniger.

DIE FURCHE: Führt nicht die Vorstellung eines Urknalls fast zwangsläufig zur existenziellen Frage nach dem "Woher" und "Wohin"?

Heuer: Alles, was wir heute messen, stimmt überein mit der Annahme eines Urknalls. Das Universum hat einen Anfang und es dehnt sich immer weiter aus. Aber fragen Sie nicht wohin, das wissen wir nicht. Auch was vor dem Urknall war, ist im Moment jenseits der Wissenschaft. Es gibt zwei Möglichkeiten: Entweder der Urknall war ein einzigartiges Ereignis, oder es gibt mehrere solche Ereignisse, weil es bislang unbekannte Universen gibt.

DIE FURCHE: Es gab doch die Annahme eines pulsierenden Universums, das sich ausdehnt und dann wieder in sich zusammenfällt, bis zum nächsten Urknall und so weiter?

Heuer: Diese Annahme steht heute im Widerspruch zur Beobachtung, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt. Messungen deuten auf eine zunehmende Expansionsgeschwindigkeit. Das haben auch die Daten von Supernovae gezeigt (Anm.: Aufleuchten der Sterne am Ende ihrer Lebenszeit). Aber selbst wenn das Universum pulsieren würde, könnte man immer noch fragen: Was war am Anfang? Vor dieser Frage steht man wohl immer.

DIE FURCHE: Sehen Sie in Ihrer Arbeit Schnittstellen zu Philosophie und Religion?

Heuer: Im Feld zwischen Philosophie und Naturwissenschaft gibt es überlappende Argumente und Diskussionen. Wir haben auch schon Workshops durchgeführt im Grenzbereich von Physik, Philosophie und Theologie - oder grob gesagt im Bereich zwischen Wissen und Glauben. Denn solange wir nicht alles wissen, ist immer noch der Bereich der Fantasie und des Glaubens da. Und ich kenne niemanden, der definieren könnte, ab wann wir alles wissen.

DIE FURCHE: Was ist bei diesem Dialog mit Religion und Philosophie herausgekommen?

Heuer: Dass die Vertreter der größeren Religionen bei diesen Workshops gut miteinander reden konnten, fand ich ganz wunderbar. Und es war wichtig zu akzeptieren, dass es einer gemeinsamen Sprachregelung bedarf. Denn ein solches Gespräch bewegt sich auf einer glatten Oberfläche. Man kann die gleichen Worte benutzen und diese ganz unterschiedlich interpretieren. Unter einem "Beweis" versteht ein Philosoph etwas völlig anderes als ein Physiker.

DIE FURCHE: In der Teilchenphysik ist ein "Beweis" lediglich das Überschreiten einer gewissen Wahrscheinlichkeitsgrenze

Heuer: Aber je höher man über der Schwelle liegt, desto größer ist die Sicherheit. Vor allem, wenn es dann von unabhängiger Seite bestätigt wird. Das war etwa beim Nachweis des Higgs-Teilchens extrem wichtig. Mit nur einem Experiment hätte ich meinen Kopf wohl nicht so weit hinausgestreckt wie mit zwei Versuchen, die beide dasselbe Ergebnis erbrachten. Der Gedanke an das Nachprüfen geht heute aber leider oft verloren.

DIE FURCHE: Welche konkreten Anwendungsbereiche gibt es für die Teilchenphysik?

Heuer: A priori ist es reine Grundlagenforschung: Man weiß nie, wo und wann man die Ergebnisse anwenden wird können. 1928 etwa hat der Quantenphysiker Paul Dirac das Phänomen der Antimaterie postuliert, drei Jahre später wurde sie in der kosmischen Höhenstrahlung nachgewiesen. Aber es hat mehrere Jahrzehnte gedauert, bis man die Antimaterie zum ersten Mal auch nutzen konnte, und zwar im Krankenhaus für die Diagnostik mit dem PET-Scanner. Damit kann man Tumore exakt im Gewebe lokalisieren. Eine therapeutische Anwendung ist das Forschungszentrum Med-Austron in Wiener Neustadt: Dort werden Protonen oder Kohlenstoff-Ionen auf bis zu zwei Drittel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, um schwierig zu behandelnde Krebspatienten zu bestrahlen.

DIE FURCHE: Gibt es Wegweiser von der Grundlagenforschung zu innovativen Technologien?

Heuer: Die Umsetzung erfolgt meist über viele Umwege. In unseren Smartphones etwa steckt Silizium-Technologie, die wiederum auf Quantenmechanik basiert. Aber aus der Quantenmechanik macht man noch lange kein Handy. Es gibt ein schönes Zitat von Michael Faraday, der im 19. Jahrhundert zum Elektromagnetismus geforscht hat. Eines Tages bekam er Besuch vom Finanzminister, der ihn für seine Arbeit lobte, dann aber fragte: "Wozu kann man das denn benutzen?" Faraday sagte schlicht: "Ich weiß es nicht Sir, aber eines Tages werden Sie es vielleicht besteuern können." Darin findet sich die ganze Unvorhersehbarkeit der Grundlagenforschung, aber auch die große Vision einer künftigen Verwertung.

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