Es ist nach Relativitätstheorie und Quantentheorie die revolutionärste Idee der Physik. Aber ist sie ehrlich?

Artikel von Prof.Eduard WITTEN (1987)

Von Isaac Newton über Albert Einstein bis hin zu Niels Bohr haben die Koryphäen der theoretischen Physik versucht, Zusammenhänge zwischen den fundamentalen Kräften der Natur zu finden. Heute ist Edward Witten ein führender Befürworter einer der vielversprechendsten – und umstrittensten – wahrscheinlichen Lösungen für dieses Problem, der Stringtheorie, einer mathematischen Darstellung eines Universums, das nicht aus billardkugelähnlichen Materieteilchen, sondern aus winzigen kreisförmigen Saiten besteht, die in zehn Dimensionen schwingen.

Wenn sie richtig ist, hat diese Theorie das Potenzial, eine einzige, konsistente Erklärung für alles im Universum zu liefern, von den Mechanismen im Inneren des Atoms bis zur Struktur des Kosmos. Aber es kann ein ganzes Leben dauern, bis Wissenschaftler die Mittel finden, diese Theorie zu überprüfen.

Im vorliegenden Artikel beschreibt K.C. Cole zeichnet das Porträt eines äußerst talentierten Physikers, der an den Grenzen von Mathematik und Physik arbeitet. <<Es ist äußerst wichtig, an das zu glauben, was man tut<<,sagte Edward Witten. <<Allerdings ist es schwierig, den Glauben zu bewahren, wenn alles so spekulativ ist.

Eine der Lektionen, die Sie lernen, ist, gute Ideen nicht aufzugeben – aber woher wissen Sie, dass sie gut sind?

K. C. Cole hat zahlreiche Artikel in Omni und dem New York Times Magazine veröffentlicht und ist Autor des Bandes mit dem Titel „Sympathetic Vibration: Reflection on Physics as a Gay of Life“.

Kürzlich führte sie im Auftrag der Association of Science-Technology Centers eine Studie durch, die sich auf die Arbeit von Frauen und Angehörigen ethnischer Minderheiten im Bereich der Wissenschaft konzentrierte.

Mit großen, sicheren Schritten durch den Raum gehend, hält er seinen Vortrag wie ein Dirigent, wobei das Ra-Ta-Ta-Ta der Kreide auf der Tafel wie ein Kontrapunkt zu seiner hohen, manchmal kaum wahrnehmbaren Stimme klingt. Er redet darüber «Vektorbündel», «triviale Module» und «freie Kreisräume». Irgendwann hält er inne und sagt Folgendes: „Bisher haben wir in einer Welt endlicher Dimensionen gelebt. Und jetzt lade ich Sie ein, in eine Welt unendlicher Dimensionen einzutauchen.“

Der Lehrer ist Eduard Witten vom Institute of Advanced Study in Princeton (New Jersey).

Mit 36 ​​Jahren gehört Witten zu den bedeutendsten zeitgenössischen Physikern. Derzeit ist er in New York, um an der Fakultät für Mathematik der Columbia University einen Vortrag über die Anwendungen der Physik auf die Mathematik zu halten. Mathematik „eine Disziplin, die sich mit abstrakten, immateriellen Zusammenhängen beschäftigt“ war schon immer ein nützliches Werkzeug in der Physik „eine Disziplin, die sich mit den konkreten Kräften und Objekten der realen Welt beschäftigt“. Witten stellte alles auf den Kopf und versuchte zu zeigen, wie die Physik neue Einblicke in die Mathematik ermöglichen könnte.

„Es ist nicht wünschenswert, voreilige Vergleiche mit Einstein anzustellen“, sagt einer der Fakultätsmitglieder der Fakultät für Physik der Princeton University, „aber wenn es um Witten geht“, öffnen sich seine Arme in einer Geste der Hilflosigkeit. „Er ist allen anderen um Längen überlegen. Er hat ganze Gruppen von Menschen auf neue Wege geführt, völlig neue Felder geschaffen. Er zeigt elegante, beeindruckende Beweise, die die Menschen sprachlos machen, die in ihnen überwältigende Gefühle der Bewunderung hervorrufen.“

Witten scheint ständig überall zu sein, veröffentlicht wissenschaftliche Berichte und hält Vorträge über Kosmologie, Mathematik und verschiedene Aspekte der Physik. Wann immer er spricht, hören die Physiker mit gespannter Aufmerksamkeit zu.

Ihre Aufmerksamkeit war wahrscheinlich nie größer als vor ein paar Jahren, als Witten versuchte, sich ernsthaft mit einer scheinbar bizarren und längst vergessenen Theorie auseinanderzusetzen, die unsere Vorstellung vom physikalischen Universellen radikal verändert. Obwohl es schwierig ist, einen einzelnen Beitrag zu benennen, der Witten zu einer solchen Kraft in der Physik gemacht hat, macht ihn seine Leidenschaft für diese kontroverse Theorie zum wichtigsten Befürworter einer Idee, die möglicherweise das revolutionärste Konzept ist, das in den letzten fünf Jahrzehnten in der Physik entstanden ist – ebenso revolutionär, wie Witten behauptet, als Relativitäts- und Quantentheorie.

Wenn diese Theorie richtig ist (und Witten glaubt, dass ihre Gültigkeit wahrscheinlich irgendwann bewiesen wird), könnte sie völlig neue Antworten auf die grundlegenden Fragen liefern, die Philosophen, Dichter und Theologen seit Beginn der menschlichen Zivilisation gestellt haben: Warum ist das Universum so, wie es ist, und was ist der Ursprung der Materie?

„Stringtheorie“ oder „Stringtheorie“, wie sie üblicherweise genannt wird (einige Wissenschaftler nennen sie „Superstringtheorie“), Es beseitigt das bekannte Bild eines Universums, das aus Teilchen wie Billardkugeln besteht, die von bekannten Kräften wie Schwerkraft und Elektrizität abgestoßen und angezogen werden. Die Quantentheorie hatte bereits im dritten Jahrzehnt dieses Jahrhunderts gezeigt, dass Billardkugeln bestimmte seltsame Eigenschaften haben, die sie Wellen ähneln lassen – es handelt sich eher um Schwingungen als um definierte Punkte im Raum. Jetzt, Die Stringtheorie geht davon aus, dass diese Punkte tatsächlich winzige Kreise oder geschlossene „Strings“ sind. Die Saiten vibrieren unsichtbar in subtilen Resonanzen. Der Theorie zufolge bauen diese Schwingungen alles im Universum auf – vom Licht bis zum Glühwürmchen, von der Schwerkraft bis zum Gold.

Natürlich sind diese Schnüre nicht sichtbar und auch nicht mit Strumpfbändern oder Schnüren zu vergleichen. Da sie mit den heute der Wissenschaft zur Verfügung stehenden Mitteln nicht erfasst werden können, handelt es sich um mathematische Kurven. Über Saiten zu sprechen, wie über Billardkugeln oder Wellen zu sprechen, ist eine einfache Möglichkeit, das Unbekannte mit bekannten Begriffen zu verstehen. Die Wahrheit ist, dass die Physik schon immer auf Metaphern zurückgreifen musste. „Wenn es um Atome geht“, sagte der dänische Physiker Niels Bohr, der Vater der Quantentheorie, einmal, „kann Sprache in der Poesie eingesetzt werden. Der Dichter ist viel mehr daran interessiert, Bilder zu schaffen, als Realitäten zu beschreiben.“

Physiker zerlegten das Atom und entdeckten zunächst Elektronen, Protonen und Neutronen und dann exotischere Elemente wie Neutrinos und sogenannte Quarks. Sie fanden heraus, wie Kernkraft, Schwerkraft und elektromagnetische Kraft aus diesen Teilchen Moleküle und Galaxien aufbauen. Aber unter anderem weiß niemand, warum Elektronen existieren oder warum Teilchen von der Schwerkraft beeinflusst werden. Ihren Anhängern zufolge hat die Stringtheorie das Potenzial, eine einzige, konsistente Erklärung für absolut alles zu liefern, von den inneren Mechanismen des einzelnen Atoms bis zur Struktur des Kosmos.

Leider weist die Stringtheorie einen großen Fehler auf, den einige Wissenschaftler betrachten. Die mathematische Konsistenz, die es so überzeugend macht, ist nur relevant, wenn wir bereit sind, unsere Ansicht aufzugeben, dass die physische Welt durch vier wohlbekannte Dimensionen (Höhe, Länge, Breite und Zeit) definiert ist, und die Existenz von sechs weiteren verborgenen Dimensionen anzunehmen – also insgesamt zehn Dimensionen.

Stellen Sie sich eine geschlossene Kette – einen Kreis – fundamentaler Materie der einen oder anderen Art vor.

Stellen Sie sich dann vor, dass sich der Kreis nicht nur in den drei üblichen räumlichen Dimensionen (plus der zeitlichen Dimension) dreht, dreht und vibriert, sondern auch in sechs anderen Dimensionen, die wir nicht wahrnehmen können.

Der Kreis vibriert in unzähligen Tonalitäten, wie eine zehndimensionale Violinsaite, die kosmische Versionen von A oder Es ausstrahlt. Wenn die Stringtheorie richtig ist, könnten diese Schwingungen alle möglichen Teilchen und Kräfte im Universum bestimmen.

Wenn Sie ihn um eine klarere Erklärung bitten, lächelt Witten und zuckt mit den Schultern. „Niemand versteht das viel besser als die Art, wie ich es Ihnen jetzt erklärt habe“, sagt er.

Ein zehndimensionales System stört Witten überhaupt nicht: „Diese zusätzlichen Dimensionen sind nicht seltsamer als viele andere Dinge, über die Physiker nachdenken.“ Die Vorstellung eines zehndimensionalen Universums und das Fehlen jeglicher experimenteller Daten, die in diesem Sinne Beweise liefern könnten, führten jedoch dazu, dass viele Physiker eine sehr skeptische Haltung einnahmen.

Offensichtlich hat die Stringtheorie viel zu erklären. Sie muss zum Beispiel erklären, wie die sechs zusätzlichen Dimensionen unsichtbar bleiben. Anhänger dieser Theorie stellen sich diese Dimensionen als eng „eingewickelt“ auf Skalen vor, die milliardenfach kleiner sind als die des Atomkerns. Sie wissen jedoch nicht, warum oder wann die sechs Dimensionen abgeschlossen wurden. Einige dieser Wissenschaftler halten es einfach für möglich, dass sie sich vor Milliarden von Jahren nicht mit dem Rest des physischen Universums ausgedehnt haben.

Solche Zweifel schmälern Wittens Überzeugung keineswegs. „Es ist durchaus möglich, dass das richtige Verständnis der Stringtheorie zur Auflösung der Zeit-Raum-Kontinuität führt“, sagt er. „Die Stringtheorie ist schließlich ein Wunder.“

Witten erhielt bereits wenige Jahre nach seinem Abschluss an der Princeton University, wo er im Alter von 28 Jahren als Professor angestellt wurde, Angebote für Universitätsprofessuren. Er wurde mit zahlreichen Preisen von Institutionen auf der ganzen Welt geehrt, darunter einem „Genius Grant“ der MacArthur Foundation und kürzlich mit dem Outstanding Young Researcher Award der National Science Foundation.

In der Physik war das Bemühen, eine endgültige Erklärung zu finden, schon unzählige Male offensichtlich. Die Physik machte mit der Entdeckung, dass scheinbar unterschiedliche Phänomene tatsächlich Aspekte eines einzigen Phänomens waren, einen Schritt nach vorne. Newtons große Entdeckung bestand beispielsweise darin, dass die gleiche Kraft, die den Apfel auf die Erde fallen ließ, dazu führte, dass der Mond seine Erdumlaufbahn beibehielt und die Erde ihre Sonnenumlaufbahn beibehielt. Lange Zeit herrschte die Meinung, dass es keinen Zusammenhang zwischen Magnetismus, Elektrizität und Licht gebe, bis James Clark Maxwell und Michael Faraday im 19. Jahrhundert entdeckten, dass es sich dabei allesamt um Erscheinungsformen des Elektromagnetismus handelte. Die Relativitätstheorie entstand aus Einsteins Bemühungen, den Elektromagnetismus mit der klassischen Mechanik in Einklang zu bringen.

In letzter Zeit sind Physiker besessen davon, die grundlegenden Kräfte der Natur – Schwerkraft, Elektromagnetismus, die „starke“ Kraft (die Kraft, die den Zusammenhalt der Teilchen im Atomkern gewährleistet) und die „schwache“ Kraft (die unter anderem die Radioaktivität, den spontanen Zerfall des Atomkerns mit der Folge der Energieemission) bestimmt – zu vereinen oder die Zusammenhänge zwischen ihnen zu entdecken.

Der Elektromagnetismus, die starken und schwachen Kräfte sowie alle bekannten Teilchen im Universum können mit der Quantentheorie erklärt werden, was Witten als „Magie“ bezeichnet. Diese Theorie schuf ein ganzes Feld wissenschaftlicher Forschung, in dem Witten selbst eine Reihe wichtiger Beiträge leistete. Nach der Quantentheorie resultiert alles aus der Wechselwirkung von Energiefeldern. Die Felder schwingen, aber nicht nur in bestimmten Mustern oder Resonanzen, die bestimmten Energiemengen (daher der Begriff „Quanten“) entsprechen. Diese Resonanzen sind die bekannten Teilchen und Kräfte des natürlichen Universums. Tatsächlich bezeichnen Physiker, die riesige Beschleuniger verwenden, um Atome zu zerschlagen und die Teilchen zu finden, aus denen sie bestehen, ihre Arbeit manchmal als „Resonanzjagd“.

Der Quantentheorie gelang es, viele Phänomene aufzuklären und zum Verständnis subatomarer Prozesse zu führen, eine Tatsache, die zur Entstehung vieler Wunder führte, von Lasern bis hin zu Halbleitern. Allerdings kann die Quantentheorie die Schwerkraft nicht erklären. Mathematische Berechnungen, die versuchen, die Schwerkraft in diesen theoretischen Rahmen einzubeziehen, führen zu unbrauchbaren Ergebnissen.

Die Schwerkraft interagiert jedoch mit allen im Universum vorhandenen Energiearten, sogar ein Lichtstrahl wird von ihr beeinflusst. Daher muss die Schwerkraft denselben Naturgesetzen unterliegen. Aber was sind diese Gesetze?

Einstein versuchte lange Zeit, einen Zusammenhang zwischen Schwerkraft und Elektromagnetismus herzustellen, um dennoch das gesamte System der Natur in einer einzigen „einheitlichen Theorie“ erklären zu können. Dies ist ihm nicht gelungen. Im Jahr 1919 erhielt Einstein jedoch einen Brief von einem Physiker deutscher Herkunft, einem gewissen Theodor F.E. Kaluza, der glaubte, dass Elektromagnetismus als eine Manifestation der Schwerkraft in einer fünften Dimension verstanden werden könne. Kaluza erklärt nicht, warum die fünfte Dimension nicht wahrgenommen werden konnte. Im Jahr 1926 ging der schwedische Mathematiker Oskar Klein jedoch davon aus, dass dies auf die Tatsache zurückzuführen sei, dass die fünfte Dimension auf einer so winzigen Skala existiert, dass sie keinen Einfluss auf irgendetwas hat, nicht einmal auf die Größe eines subatomaren Teilchens.

TDie Stringtheorie ist eine neue und viel komplexere Version der Kaluza-Klein-Theorie. Wie die von Klein postulierte fünfte Dimension haben sich auch die sechs zusätzlichen Dimensionen, die die Stringtheorie postuliert, „zusammengezogen“, irgendwie bis zur Unsichtbarkeit. Die Stringtheorie behauptet, dass, wenn wir die Vorstellung dieser sechs verborgenen Dimensionen akzeptieren, die mathematischen Inkonsistenzen, die frühere Versuche, die Quantentheorie mit der Schwerkraft in Einklang zu bringen, behindert haben, auf wundersame Weise verschwinden.

Allerdings können wir nicht sicher sein, dass die Stringtheorie eine wahre Darstellung der Realität ist. Abgesehen von der mathematischen Konsistenz gibt es keine Beweise für die Existenz der sechs zusätzlichen Dimensionen. Witten stellt jedoch fest, dass die mathematische Konsistenz in den letzten hundert Jahren „einer der zuverlässigsten Ratgeber für Physiker“ gewesen sei.

Bis zu einem gewissen Grad ist die Welt des Theoretikers per Definition eine persönliche Welt. Für die Arbeit sind keine Reagenzgläser oder Labore, kein Zyklotron oder leistungsstarke elektronische Computer erforderlich, nichts als Bleistift und Papier und manchmal nicht einmal das. Obwohl zu Wittens Studenten auch einige Absolventen gehören, zögert er, sie in seine Projekte einzubeziehen, in denen wissenschaftliche Spekulationen eine wichtige Rolle spielen, weil er, wie er sagt, ihre berufliche Zukunft nicht gefährden will.

Wenn man Witten zuhört, wie er über seinen eigenen Werdegang spricht, könnte man davon überzeugt sein, dass es fast selbstverständlich ist, Physiker zu werden. Obwohl sein Vater, Louis Witten, ein Physiker ist, der sich auf die Erforschung der Schwerkraft spezialisiert hat, sagt er, dass er von seiner Familie nicht besonders beeinflusst wurde. „Ich war kurz davor, etwas anderes zu tun“, erklärt er.

Witten wuchs in Baltimore auf und schloss sein Studium der Geschichte an der Brandeis University in Massachusetts ab, obwohl sein Hauptinteresse der Linguistik galt. Bevor er sein Graduiertenstudium in Princeton begann, schrieb Witten Artikel, die in veröffentlicht wurden Die Nation, Die Neue Republik und andere Zeitschriften. 1972 arbeitete er sechs Monate lang als gesetzgeberischer Assistent eines seiner Berater am Wahlkampf des Präsidentschaftskandidaten George McGovern. Witten behauptet heute, er verfüge nicht über die Eigenschaften, die für eine Karriere in der Werbung oder in der Politik erforderlich seien, insbesondere über den „Sinn für die Realität“. Als er sein Studium an der Princeton University begann, war er kurz davor, sich für Mathematik zu entscheiden, bevor er sich für Physik entschied.

Wittens Kollegen sind viel großzügiger mit sich selbst, wenn es um seine Verdienste geht, insbesondere um seinen Beitrag zur Aufmerksamkeit, die die Stringtheorie heute genießt.

Die Physiker haben weder versucht, diese Theorie zu entwickeln, noch haben sie der Kaluza-Klein-Theorie große Aufmerksamkeit geschenkt. Was geschah, war, dass sie im Dunkeln darüber stolperten und anschließend endlos versuchten, ihm eine präzise Form zu geben. „Ich glaube nicht, dass irgendein Physiker klug genug gewesen wäre, die Stringtheorie absichtlich zu erfinden“, sagt Witten. „Zum Glück wurde es zufällig erfunden.“

Im Jahr 1968 untersuchte der italienische Physiker Gabriele Veneziano die starke Kraft (das Bindemittel, das die Teilchen des Atomkerns verbindet) und stieß dabei einfach auf etwas, das Witten als „eine Formel mit seltsamen Eigenschaften“ bezeichnet. Einige Jahre später erkannten Physiker dank der Forschung von Yoichiro Nambu von der University of Chicago und anderen, „dass diese bizarre Formel die Schwingungen einiger Saiten definiert“.

Seit einigen Jahren erregt die Stringtheorie großes Interesse. Bis zur Mitte des letzten Jahrzehnts war sie jedoch weitgehend aufgegeben worden, teils weil andere Denkrichtungen vielversprechender schienen und teils aufgrund des Trugschlusses, dass diese Theorie die inakzeptable Idee zusätzlicher Dimensionen implizierte.

„Als ihnen klar wurde, dass es nur in einem zehndimensionalen Rahmen plausibel war“, sagt Witten, „haben die meisten Physiker das Feld verlassen.“ Sein eigenes Interesse an dieser Theorie war vor allem durch die Forschungen des Physikers John H. Schwarz geweckt worden Das California Institute of Technology und Michael B. Green aus Queen Mary College aus London. Witten erinnert sich, dass ihn die Mühe, sich über diese Theorie zu informieren, „mehrere Monate harter Arbeit“ gekostet habe. „Es war anders als alles, was irgendjemand zuvor gesehen hatte“, fügte er hinzu. „Es gibt niemanden, der dir Mut macht.“

Es scheint, dass das Interesse an der Stringtheorie durch eine Reihe von Berichten von Schwarz und Green zu Beginn des laufenden Jahrzehnts wiederbelebt wurde. 1984 veröffentlichten sie einen wichtigen Bericht, der laut einem Nobelpreisträger für Physik, Steven Weinberg von der University of Texas, eine Frage beantwortete, die auch Witten gestellt hatte.

Die Frage bezog sich auf die Anomalien, die in Theorien auftraten, die versuchten, die Schwerkraft mit der Quantenfeldtheorie zu vereinen. Im Falle einer Theorie sind Anomalien Fehler, die zu absurden Ergebnissen führen, die die Theorie zunichte machen. Witten entdeckte wie Luis Alvarez-Gaumé von der Harvard University eine neue Klasse von Anomalien. Gleichzeitig demonstrierte er etwas noch Wichtigeres (...)

Die Stringtheorie geht davon aus, dass, wenn wir das Universum in seinem zehndimensionalen Ganzen sehen könnten, eine neue Symmetrie entstehen würde und alle Kräfte und Teilchen uns als Facetten eines einzigen zusammenhängenden Ganzen erscheinen würden.

Schicht, dass der Ursprung der Anomalien topologisch war, mit anderen Worten, sie standen im Zusammenhang mit geometrischen Eigenschaften, die nicht in der Anwesenheit von vier Dimensionen auftreten, sondern in der Anwesenheit von zehn Dimensionen.

Witten betrachtet die Topologie, die die Eigenschaften verzerrter oder deformierter geometrischer Figuren in verschiedenen Dimensionen untersucht, als „mentales Gefüge“. Der Gedanke, dass die Topologie Fachleuten unbekannt sein könnte, versetzt ihn in Erstaunen. „Das ist, als würde man sagen, dass sie nicht wissen, wie man Prosa spricht“, sagt er und greift damit einen Witz von Ia Moliere auf. Ein Becher mit einer Nadel beispielsweise ist das topologische Äquivalent einer Brezel. Wenn der Becher aus weichem Ton wäre, könnte er in eine Brezelform umgeformt werden, ohne dass das Material zerbricht. „Es ist so offensichtlich“, sagt Witten. „Es gibt Eigenschaften von Objekten, die sich ändern, wenn man die Objekte zerbricht, aber sie ändern sich nicht, wenn man die Form von Objekten durch Biegen ändert.“ Er räumt jedoch ein, dass die Topologie früher nicht einmal von Physikern ernst genommen wurde.

Witten legt großen Wert auf die Topologie, denn die Frage, ob die reale Welt durch die Stringtheorie erklärt werden kann, hängt nicht nur von der Existenz zusätzlicher Dimensionen ab, sondern auch von deren Formen im Raum – ob sie beispielsweise die Form von Röhren oder Bagels haben oder ob es sich um Kugeln handelt.

„In Flatland“ demonstrierte der berühmte viktorianische Science-Fiction-Autor Edwin Abbott eloquent, dass das, was in einer Dimension verwirrend und unklar erscheint, in einer anderen kristallklar werden kann. In seiner hypothetischen Welt aus zweidimensionalen Dreiecken und Quadraten war eine dreidimensionale Kugel ein unverständliches Objekt. Während sie sich durch diesen flachen Raum bewegte, erschien die Kugel zunächst als Punkt, dann als sich erweiternder Kreis, zog sich schließlich wieder zur Punktform zusammen und verschwand. Ein zweidimensionales Wesen kann nur einen zweidimensionalen Ausschnitt einer Kugel sehen. Nur ein dreidimensionaler Betrachter kann die Kugel als Ganzes visuell wahrnehmen.

Die Stringtheorie geht davon aus, dass, wenn wir das Universum als ein dekadisches Ensemble betrachten könnten, eine neue Symmetrie entstehen würde und sich die verwirrende Vielzahl von Kräften und Teilchen als verschiedene Facetten desselben kohärenten Ganzen erweisen würde.

Leider lässt sich diese verlockende Symmetrie, die dem zehndimensionalen Raum innewohnt, nicht einfach in vierdimensionale Teilchen und Kräfte übertragen. Seine Wahrnehmung erfordert unglaublich subtile mathematische Werkzeuge, Werkzeuge, die wahrscheinlich noch nicht erfunden wurden.

Vor einigen Jahren führte Witten ein Gespräch mit einem Kollegen, das ihn tief beeindruckte. „Er sprach von einem sehr talentierten Physiker, der nicht so produktiv war, wie er hätte sein können“, erklärt Witten. „Und seiner Ansicht nach lag der Grund darin, dass der betreffende Physiker nie an der Art von Problemen arbeitete, für die er wirklich der richtige Mann war.“ Witten nahm den Rat, den die Bemerkung seines Kollegen implizierte, sehr ernst. EI hält sich für den richtigen Mann, „ein physikalisches Problem anzunehmen und eine Lösung zu finden, die auf einigen bizarren mathematischen Operationen basiert“. „Die Stringtheorie“, fährt er fort, „wird eine Menge neuer Mathematik erfordern – und die Anwendung bizarrer Mathematik auf die Physik ist mein Spezialgebiet.“ In den letzten paar! Jahre.

Witten behauptete, einer der Protagonisten einer neuen Allianz zwischen Physikern und Mathematikern zu sein, einer Allianz, die durch die Stringtheorie geschmiedet wurde. „Ich persönlich halte ihn für den Protagonisten Nummer eins“, sagt I.M. Singer, Professor für Mathematik am Massachusetts Institute of Technology. „Seine Intuition ist fantastisch.“ Witten selbst betrachtet einige seiner wichtigsten Beiträge eher in der Mathematik als in der Physik.

Die meisten großen Fortschritte des Menschen beim Verständnis des Universums sind auf enge Verbindungen zwischen Physik und Mathematik zurückzuführen. Newton musste eine neue Art der Mathematik erfinden – die Differential- und Integralrechnung –, um seine Gravitationstheorie zu vervollständigen. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie basierte auf einer Geometrie des gekrümmten Raums, die vom deutschen Mathematiker F.B. erfunden wurde. Riemann in der Mitte des 19. Jahrhunderts. Die Quantentheorie erforderte ein Werkzeug namens „Funktionsanalyse“.

Witten sagt, dass die Stringtheorie „uns an die Grenzen der Mathematik führt“. Dies schüchtert sie jedoch nicht ein. „Mir wurde klar, dass ich tatsächlich alles umdrehen könnte.“ fügt er hinzu, und mit Hilfe der Physik einige überraschende Erkenntnisse über die Mathematik zu gewinnen.

Die neue Verbindung von Physik und Mathematik machte die Physik für Witten erstmals richtig schwierig. Dies ist einer der Gründe, warum er die Einladung annahm, am renommierten Institute for Advanced Study zu arbeiten, das nur einen Steinwurf von der Princeton University entfernt liegt, wo er nicht die Aufgaben eines Lehrstuhls erfüllen muss. „Ich möchte intensiver an weniger Dingen arbeiten“, gesteht er. Alle „Dinge“, an denen Witten derzeit arbeitet, sind Aspekte der Stringtheorie.

Wittens Schlussfolgerungen lassen sich heute und auch in absehbarer Zukunft nicht im Labor überprüfen. Tatsächlich ist alles, was er tut, so weit von der beobachtbaren Realität entfernt, dass es ein Leben oder länger dauern kann, bis der Wert seiner theoretischen Erkenntnisse – und deren eventuelle praktische Anwendungen – bekannt wird. Theoretische Physik ist ein riskantes Geschäft. „Es ist äußerst wichtig, an das zu glauben, was man tut“, sagt Witten. „Allerdings ist es schwierig, den Glauben zu bewahren, wenn alles so spekulativ ist.“

„Eine der Lektionen, die man lernt“, fährt er fort, „ist, keine Fehler zu machen – aber das nützt einem nicht viel. Eine andere Lektion ist, gute Ideen nicht aufzugeben – aber woher weiß man, dass sie gut sind?“

Witten weist darauf hin, dass Neutronensterne und Gravitationslinsen – große Materiekonzentrationen im Weltraum, die, wenn sie von der Erde aus beobachtet werden, Doppelbilder der Sterne erzeugen – bis zu ihrer tatsächlichen Entdeckung als phantasievolle Vorstellungen und reine Spekulation galten. „Die Geschichte der Wissenschaft ist voller Vorhersagen, dass die Gültigkeit neuer Ideen niemals bewiesen werden wird. Aber die Geschichte der Physik zeigt, dass sich gute Ideen letztendlich als richtig herausstellen.“

Witten glaubt, dass die Stringtheorie zu schön ist, um wahr zu sein. Es erscheint nur deshalb schwierig und kompliziert, weil es nicht ausreichend verstanden wird. Laut Witten ist die Stringtheorie vorerst „Ein Stück Physik, das zum 21. Jahrhundert gehört und versehentlich ins 20. Jahrhundert gefallen ist.“ Physiker arbeiten heute nur noch mit „ein paar Krümel im Vergleich zu dem großen Fest, das uns erwartet“.

Allerdings befürchtet Witten manchmal, dass die Schwierigkeiten zu groß werden. „Die Chancen, dass uns diese Theorie in den nächsten Jahren irgendwohin führt, sind nicht sehr hoch“, gibt er zu, „Aber wenn ich es nicht versuchen würde, hätte ich das Gefühl, dass meine Einsicht mich verlassen hat.“

John Ellis, einer der Experten für theoretische Physik am Europäischen Zentrum für Kernforschung in Genf, schrieb kürzlich Folgendes: „Die Stringphänomenologie ist noch ein junges Thema. Es gibt viele unbeantwortete Fragen und technische Probleme, und es ist leicht, die totalitäre Leidenschaft der Befürworter dieser Theorie lächerlich zu machen. Um jedoch zu zitieren, was auf einem Bonbonpapier stand, das ich vor ein paar Jahren ausgepackt habe: „Nur Optimisten erreichen etwas auf dieser Welt.“

Oder, in Wittens Worten: „Wenn wir die Stringtheorie beweisen wollen, brauchen wir wahrscheinlich Glück. Aber in der Physik gibt es viele Möglichkeiten, Glück zu haben.“