Willkommen in der Planckwelt

Das Interview in Genf

IZ :
Seit unserem letzten Interview in Potsdam hat sich viel ereignet. Der LHC hier in Genf wurde nach der Reparatur wieder in Betrieb genommen und arbeitet zur vollsten Zufriedenheit. Schon Ende des Jahres 2011 soll der gesamte Energiebereich abgedeckt sein . Aber bisher haben die vielen Physiker und Ingenieure , die mit Enthusiasmus an diesem aufregenden Projekt arbeiten, keinerlei Anzeichen für neue Teilchen gefunden. Es gibt weder Anzeichen für das Higgs-Boson, noch experimentelle Hinweise auf erste supersymmetrische Teilchen. Sind Sie enttäuscht ?

Autor :
Keineswegs ! Der LHC ist das leistungsfähigste Mikroskop, das der Mensch je gebaut hat, um in das Innere der Materie einzudringen. Er ist der größte Kühlschrank der Welt, der ein Vakuum auf einem Umfang von 27 km über Monate bei der Temperatur des flüssigen Heliums aufrecht erhalten kann. Durch die Supraleitung wird mit dem stärksten Magnetfeld , das der Mensch je erzeugt hat, mit hoher Präzision der Strom der Protonen auf seiner Bahn gehalten. Mit dem Grid wurden riesige Computerkapazitäten in einem Netz zusammengeschaltet, um die anfallenden Datenmengen zu verarbeiten. Von diesen Erfahrungen werden andere Branchen in den nächsten Jahren profitieren. So wie die Welt vom Internet profitiert, das am CERN vor 30 Jahren für die interne Kommunikation entwickelt wurde. Das Internet hat die Welt verändert und gewährt auch den Menschen in armen Ländern ein reiches Informationsangebot. Wenn es das Higgsteilchen nicht gibt, dann ist das auch ein Ergebnis. Dann müssen wir uns eben nach einer neuen Theorie, die den Ursprung der Masse erklärt, umschauen.

IZ :
Es ist ja erstaunlich, dass der Mainstream der Wissenschaft nur diese Higgs-Theorie verfolgt. Das ganze Wissenschaftsgebäude ist darauf aufgebaut. Unzählige Doktorarbeiten, Diplomarbeiten und Veröffentlichungen wurden und werden darüber geschrieben. Viele Arbeitsplätze wurden geschaffen und. Über 4 Milliarden € wurden investiert , nur um das einzige noch fehlende Teilchen des Standardmodells nachzuweisen. Was passiert eigentlich, wenn das Higgs-Boson bis Ende 2012 , neueste CERN-News schreiben sogar bis Ende 2011, nicht nachgewiesen wird. Steht dann die Physik vor einem großen Loch ?

Autor:
Sie wird vor einem großen Loch stehen, wenn sie jetzt andere Theorien nicht zulässt . Ich kenne nur eine Universität, die auf ein anderes Modell , nämlich auf das thermodynamische Modell setzt, die Uni Münster.

IZ:
Sie sind ja auch vom thermodynamischen Modell überzeugt. Wie hat alles angefangen ?

Autor:
Als junger Pennäler hat mich ein Relief mit der Formel E=mc² im Treppenhaus unseres Gymnasiums enorm beeindruckt. Etwas Bedeutendes musste diese Formel aussagen. Als Student ahnte ich 10 Jahre später , Energie und Masse sind nicht alles. Über E=mc² muss es eine weitere Abstraktionsebene geben.

IZ :
Wenn wir uns zurückbesinnen auf das Einsteinjahr 2005 , dann hat sich doch seit Ihrer Ahnung wenig geändert. E=mc² ist nachwievor die top-Formel , die Weltformel gewissermaßen. Welche Erkenntnisse haben Sie in Ihrer Ahnung bestärkt ?

Autor :
Es waren Bücher, die ich in der Universitätsbücherei gekauft habe, dich mich weiter gebracht haben. Internet gab es damals noch nicht , auch noch keine PCs. Die Bücher in den Bibliotheken waren nicht auf neuesten didaktischen Stand. Ich habe damals sehr viel Geld für neu erschienene Bücher ausgegeben. Das Buch, das mich zum Nachdenken gebracht hat, war ein Buch über die Kybernetik . Die Kernaussage war : Es gibt 3 Kategorien in der Physik , nämlich Energie, Masse und Information.

IZ:
Im Prinzip ist das trivial. Wir sind im Alltagsleben von Information umgeben. Wir haben Information im Überfluss . Für 10 € bekommt man heute schon eine fingernagelgroße 4 GigaByte – chip – Karte. 4 GB , das sind 1 Million Buchseiten, 4000 Taschenbücher für 10 €.

Autor :
Vor 40 Jahren habe ich noch einzelne Programmzeilen auf Lochkarten geschrieben. So haben sich die Zeiten geändert. Wo findet sich denn die Information in der heutigen Physik ? Das ist doch der springende Punkt !

IZ:
Wenn ich Sie richtig verstehe, suchten Sie damals die 3 Kategorien der Kybernetik Masse, Energie und Information durch eine Formel zu verknüpfen und diese Formel, so sie gefunden wäre, wäre dann der heilige Gral der Physik.

Autor:
So einfach war das nicht. Es mussten die Brückensteine zwischen den 3 Kategorien gefunden werden. Mit E=m c² kann ja Energie in Masse und Masse in Energie verwandelt werden. Aber bei E=m c² ist die Physik 1905 nicht stehen geblieben. Masse und Energie sind mit Raum und Zeit verknüpft . Höhepunkt dieser Entwicklung war die Formulierung der Unschärferelation durch Heisenberg 1927.

IZ:
Das heißt doch, dass die Wirkung als das Produkt von Energie und Zeit und von Masse , Geschwindigkeit und Ort sich zu einer fundamentalen physikalischen Größe entwickelt hat mit der Naturkonstant h , genauer h quer mit h / 2 .

Autor:
Das stimmt. Und das ist auch das Dilemma der Physik. Deswegen stehen wir auch vor dem großen Loch. Das Prinzip der minimalen Wirkung beherrscht die gesamte Physik. Auch die Masse und die Gravitation versucht man diesem Prinzip zu unterwerfen. Denken wir nur an das Graviton mit dem Spin 2 h quer.

IZ:
Nach Ihrer Meinung gibt es neben der Wirkung noch eine weitere fundamentale Größe und die hängt mit der Information zusammen.

Autor :
Damals hat mir ein Buch über die Information den Zusammenhang zwischen Entropie und Information aufgezeigt, und ich wusste damals auch schon eine Menge über Entropie. Heute bezeichnet man Entropie auch als Wärmeladung. Diesen Begriff kann man sich besser vorstellen. Wenn wir 1 bit Information erzeugen wollen, verbrauchen wir 1 Quant Entropie , genauer gesagt k ln2 . Information ist NegEntropie und ein Maß für Unwahrscheinlichkeit. Die verbrauchte Energie ist vom Temperaturunterschied abhängig. E= k ln2 T . Information ist eine thermodynamische Größe und hat mit Raum und Zeit , mit potentieller und kinetischer Energie und damit auch mit der Wirkung nichts zu tun.

IZ :
Die Entropie , auch Wärmeladung genannt, ist also die 2. fundamentale Größe der Physik . Kann man eine Gleichung aufstellen , die damit Wirkung in Entropie bzw. Information und umgekehrt Information in Wirkung verwandelt ?

Autor :
Durch Zufall habe ich dann die Formel in dem Taschenbuch „ Welle und Teilchen „ von de Broglie gefunden : A/h = S/k . Für mich war das der Schlussstein in der Brücke zwischen der Wirkung und der Information, der heilige Gral der Physik. Aber ehrlich gesagt, hat das überhaupt niemanden interessiert. Offensichtlich war die Zeit hierfür noch nicht reif. Damals setzte sich gerade die Quarkhypothese durch.

IZ:
Ist die Zeit jetzt dafür reif ? Wir stehen vor einem entscheidenden Jahr in der Physik. Es geht um Sein oder Nichtsein des Higgs-Bosons . Bis Ende des Jahres 2012 wird diese Frage beantwortet. Ende 2011 ist die Frage noch unbeantwortet. Das Higgs-Boson kann sein, es kann aber auch nicht sein. Kann das Higgs-Boson nicht nachgewiesen werden, müssen wir einen anderen Ursprung der Masse finden. Jetzt können Sie doch zeigen, was in der Formel steckt.

Autor:
Sie haben recht. 2012 kann das Jahr der großen Chance werden. Das größte Rätsel der Physik ist derzeit das Massenspektrum der Elementarteilchen. Wir haben im Lauf der letzten 40 Jahre in mühevoller experimenteller Arbeit die Massen der Leptonen und Quarks ermittelt. Kein Mensch sieht darin ein Muster . Die Massenwerte erscheinen rein zufällig. Warum ist die Masse des Tauons , der großen Schwester des Elektrons um soviel schwerer als die Masse des Elektrons , die mit hoher Präzision bestimmt wurde ? Sie fragen mich, was steckt in der Formel ? Sie sollen eine Kostprobe haben . Nehmen Sie mein Smartphone. Das Rechenprogramm habe ich schon aufgerufen. Bilden Sie das Massenverhältnis von Tauon und Elektron 1777 MeV / 0.511 MeV und nehmen Sie davon den natürlichen Logarithmus. Sie erhalten 8.154 . Wenn Sie diese Zahl durch die Quantenzahl 3 dividieren, dann erhalten Sie die natürliche Zahl e mit 2.718. Sie leiten das Massenverhältnis von einer Naturkonstante ab. Das kann doch kein Zufall sein. Das zeigt doch, dass sich hinter dem Massenspektrum der Elementarteilchen eine ganz einfache Ordnung verbirgt. Wenn Sie die Boltzmann- Formel nehmen S/k = ln W und die Massenwerte als Wahrscheinlichkeitswerte annehmen, dann verbirgt sich dahinter ein neues Quantenprinzip. Die Entropie tritt in Quanten auf , so wie die Wirkung.
Wenn wir das Massenspektrum der Elementarteilchen verstehen, finden wir auch einen anderen Ursprung der Masse. Auf das Higgs-Boson sind wir nicht mehr angewiesen.

IZ:
Es ist schon interessant, wie Sie mit einem Smartphone einfache Zusammenhänge aufdecken. Haben Sie diese Massequanten auch bei den Quarks gefunden ?

Autor :
Sie können das selbst herausfinden ! Es ist besser, wenn Sie für die Massenverhältnisse die Quarkmassen der 2. und 3. Familie nehmen. Da die Quarkmassen nur indirekt ermittelt werden können, sind die Werte der 1. Familie unscharf . Sie nehmen wieder den natürlich Logarithmus der Massenverhältnisse auf Ihrem Smartphone und dividieren nicht durch e sondern durch e²/6 . Sie erhalten dann ganze Zahlen, die Quantenzahlen.
Lassen Sie sich überraschen !

IZ :
Sie zeigen also auf, dass auf der untersten Ebene die Massen der Elementarteilchen Quanten sind. Die Massenwerte sind nicht kontinuierlich, wie es die Massentheorie von Newton und Einstein zulassen würde, sondern diskret. Im Prinzip wäre das ja die lang gesuchte Quantengravitation. Gravitationseffekte werden aber auf der Ebene der Elementarteilchen, der Quarks und Leptonen ausgeschlossen. Woran liegt das ?

Autor:
Gravitationseffekte gibt es erst beim Wasserstoffatom.    Die elektromagnetische, die schwache und die starke Wechselwirkung sind dann exakt abgeschirmt und auf das Wasserstoffatom wirkt die Gravitationskraft.    So können sich riesige Wasserstoffwolken zusammenballen und Sterne entstehen lassen.

IZ:
Es wäre interessant zu wissen, wie Sie das Massenspektrum der Elementarteilchen philosophisch begründen.   Der jetzigen Physik liegt ja philosophisch die Unschärferelation von Heisenberg zu Grunde .

Autor:
Ich will nochmals auf die Unschärferelation von Heisenberg eingehen, die die moderne Physik auf den Punkt bringt. Sie heißt, genauer gesagt, Unbestimmtheitsrelation. Wir können die Bewegung von Teilchen nicht beliebig genau in Raum und Zeit bestimmen. Das liegt an der Endlichkeit der Naturkonstanten h quer = h / 2 pi. Das ist auch der Grund , dass wir so riesengroße Beschleuniger bauen müssen, um die Abstände auf bis 10^-18 auflösen zu können. Wir lassen dazu Protonen mit der maximal möglichen Energie und mit dem maximal möglichen Impuls aufeinander prallen. Das ist die eine Seite der Medaille. Wir benötigen aber auch riesengroße Detektoren und Computerkapazitäten , um die Teilchen und ihre Zerfallsprozesse voneinander unterscheiden zu können. Und das ist die andere Seite der Medaille. Beide Seiten bedingen sich gegeneinander. Wir müssen messen. Ein Meßprozeß ist irreversibel , d.h. in der Zeit nicht umkehrbar. Für den Meßprozess benötigen wir einen Temperaturunterschied und es muss Entropie vom Meßobjekt zum Detektor fließen. Und hierzu können wir eine weitere Unschärferelation formulieren , die Ununterscheidbarkeitsrelation. Damit wir Teilchen unterscheiden können, müssen sie sich bei der Meßtemperatur in der Entropie unterscheiden. Bei den Leptonen ist der Entropieunterschied e k und bei den Quarks e^2/6 k. Das entspricht einer thermodynamischen Energie von E= e k T bzw. E= e^2 / k T . Die Leptonen müssen sich beim Meßprozess in diesen thermodynamischen Energien unterscheiden . Wen wir die im Raum konzentrierten thermodynamischen Energien als Masseenergien interpretieren, kommen wir zum Massenspektrum der Elementarteilchen. Jedes Teilchen muss eine eigene Ruhemasse haben, damit wir es von einem anderen Teilchen unterscheiden können. Wenn wir die Naturkonstante h gegen 0 gehen lassen, kommen wir zur klassischen Physik. Wenn wir die Naturkonstante e gegen 0 gehen lassen, dann kommen wir zum Standardmodell der Elementarteilchen mit den Teilchenmassen 0.

IZ:
Es beeindruckt mich sehr, wie Sie auf einfache Weise das Massenspektrum der Elementarteilchen , das ja derzeit als das größte Rätsel der Physik angesehen wird,   von einer Naturkonstante e ableiten.   Zur Zeit ist ja brandaktuell der Nachweis des Higgs-Bosons mit dem LHC.   Nach den neuesten Ergebnissen vom Dezember 2011 liegen die experimentellen Massenwerte bei den beiden Detektoren bei 124 GeV und bei 126 GeV. Das ist ja nahezu die Hälfte des Vakuumerwartungswerts von 246 GeV , der ja beim Higgsmechanismus eine große Rolle spielt.   Überrascht Sie das ?

Autor :
Diese Werte sind ja noch nicht statistisch abgesichert.   Erst wenn beide Detektoren diese Werte mit der statistischen Sicherheit von 5 sigma bestätigen können,   wird die Existenz des Higgs-Bosons anerkannt.   Noch steht das auf der Kippe.   Das Jahr 2012 wird die endgültige Entscheidung bringen.   Sein oder Nichtsein des Higgs-Bosons ist die spannende Frage.

IZ:
Wenn es das Higgs-Boson nicht gibt , dann sind schnelle Alternativen gesucht, und solch eine Alternative wollen Sie ja mit dem thermodynamischen Modell anbieten.     Sie müssen dann aber die Formelsprache der Thermodynamik kompatibel machen mit der Formelsprache der Elementarteilchenphysik .

Autor:
Sie haben recht. Sie können auch sagen, wir müssen das Standardmodell der Elementarteilchen kompatibel machen mit dem Standardmodell der Kosmologie. Die wichtigste Größe ist hier die absolute Temperatur wie in der Thermodynamik, und es geht um unterschiedliche Phasen des Vakuums.
Ich glaube , dass sich alles zu einem einfachen Puzzle fügt. Der komplizierte Formalismus der Elementarteilchenphysik kann auch den Blick für einfache Zusammenhänge verstellen. Ich glaube, dass eine 5-dimensionale Physik mit der reziproken Temperatur als 5. Dimension die heutige Physik   revolutionieren wird , so wie Newton mit der Einführung der 3.Dimension die Physik seiner Zeit vereinfachte, und so wie Einstein mit der Einführung der Zeit als 4. Dimension die Physik des 20. Jahrhunderts vereinfachte.

IZ:
Die reziproke Temperatur als weitere Dimension ist ein charmanter Gedanke . Die Temperatur stellt man sich nach landläufiger Meinung als chaotische Vibrationen von Atomen vor, die damit Wärme erzeugen. Die Beobachtung der Temperaturzyklen der Natur in den 4 Jahreszeiten kann man sich aber auch als Anfang der Zeitrechnung vorstellen. Unsere Ahnen bildeten mit dem Sonnenstand den Jahreszyklus ab. Man könnte also meinen, es gibt 2 Dimensionen der Zeit. Das ist einmal die geordnete Zeit, die auf unserem Smartphone erscheint und die unseren Tagesablauf bestimmt und die Zeit mit ihren chaotischen Schwingungen, die durch die reziproke Temperatur definiert wird. Zeit besteht also aus einer reellen und einer imaginären Komponente. Wie kommen Sie eigentlich darauf, dass die neue Zeitdimension reziprok sein muss ?
Ich schlage vor, dass wir auf diese Fragen in unserem nächsten Interview eingehen. Sie haben in Genf auf spannende Art und Weise Ihren roten Faden , den Sie 40 Jahre lang gesponnen haben, aufgezeigt, und Sie haben mir wieder viele originelle Denkanstöße vor diesem entscheidenden Jahr 2012 gegeben. Sehen wir uns wieder beim Interview in Münster ! und beim 2. Interview in Genf