Aus der Amazon.de-Redaktion
Was ist Raum? Was ist Zeit? Diese Grundkonzepte, die unser Wirklichkeitsbild bestimmen, haben im Laufe der letzten Jahrhunderte mehrere radikale Änderungen erfahren. Greene zeigt, wie sich das physikalische Weltbild geändert hat -- vom Newton’schen Weltbild über das relativistische von Einstein und das der Quantenmechanik bis zum kosmologischen Weltbild und, aktuell, dem der Superstringtheorie. Was denken und wissen wir heute über Raum und Zeit? Kann es Zeitreisen geben? Lässt sich der Zeitpfeil umkehren? Und nicht zuletzt: Könnte die Superstringtheorie die große vereinheitlichte Theorie sein, der es gelingt, Relativitäts- und Quantentheorie endlich unter einen Hut zu bringen? Greene ist da optimistisch, und er erklärt auch anschaulich, warum.
Brian Greene legt ein sehr umfangreiches Buch zu einem sehr umfangreichen Thema vor, das den LeserInnen aber nicht so viel abverlangt, dass interessierte Laien es nicht verstehen könnten. Und das ist die besondere Leistung dieses Wissenschaftlers, der sichtlich begeistert von seinem Forschungsgegenstand ist und der so anschaulich, witzig und klar schreiben kann, dass die Lektüre verständlich ist und zudem niemals langweilig wird. Denn wo Mulder und Scully sich in Akte-X-Manier über Quantenmechanik austauschen oder der haarige Chewbacca aus “Star Wars” zur Erklärung von Zeitphänomenen dient -- da macht das Lesen nicht nur Lust auf wissenschaftliches Denken, sondern auch jede Menge Spaß. -- Gabi Neumayer
Pressestimmen
»Brian Greenes Begeisterung ist hochgradig ansteckend.« (New York Times )
Kurzbeschreibung
Klappentext
ARD (Druckfrisch)
»Ein grandioses Buch. Aber nehmen Sie sich Zeit!«
Spektrum der Wissenschaft
»Greene, der selbst auf diesem Gebiet forscht, berichtet aus erster Hand - und zwar mitreißend und voller Begeisterung, was angesichts der extrem abstrakten Mathematik hinter diesen Anstrengungen schon eine Leistung ist.«
Bild der Wissenschaft
Über den Autor
Auszug aus Der Stoff, aus dem der Kosmos ist von Brian Greene. Copyright © 2004. Abdruck erfolgt mit freundlicher Genehmigung der Rechteinhaber. Alle Rechte vorbehalten.
Raum und Zeit nehmen unsere Fantasie gefangen wie kein anderer wissenschaftlicher Gegenstand. Aus gutem Grund. Sie bilden den Schauplatz der Wirklichkeit, die eigentliche Struktur des Kosmos. Unsere gesamte Existenz – alles, was wir tun, denken und erfahren – findet in irgendeiner Raumregion während irgendeines Zeitintervalls statt. Doch die Wissenschaft ringt noch immer um das Verständnis dessen, was Raum und Zeit tatsächlich sind. Sind sie wirklich physikalische Realitäten oder einfach nützliche Ideen? Wenn sie real sind, sind sie dann fundamental, oder bestehen sie aus irgendwelchen grundlegenderen Bestandteilen? Was bedeutet es, dass Raum leer ist? Hat die Zeit einen Anfang? Besitzt sie einen Pfeil, das heißt, fließt sie unabänderlich aus der Vergangenheit in die Zukunft, wie unsere Alltagserfahrung nahe legt? Können wir Raum und Zeit manipulieren? Im vorliegenden Buch betrachten wir dreihundert Jahre leidenschaftlicher wissenschaftlicher Forschung, die sich um Antworten – oder zumindest Ansätze von Antworten – auf solche grundlegenden, aber vertrackten Fragen nach der Natur des Universums bemüht.
Unsere Reise führt uns wiederholt zu einer anderen, eng verwandten Frage, die so umfassend wie schwierig ist: Was ist Wirklichkeit? Wir Menschen haben nur Zugang zur inneren Erfahrung der Wahrnehmung und des Denkens, wie sollen wir uns also ein wahrheitsgemäßes Bild von der Außenwelt machen? Philosophen schlagen sich schon lange mit diesem Problem herum. Filmemacher haben es publikumswirksam mit der Beschwörung künstlicher Welten abgehandelt, die durch präzise Nervenreizungen hervorgerufen werden und nur in der Vorstellung ihrer Protagonisten existieren. Und Physiker wie ich sind sich sehr wohl bewusst, dass die Wirklichkeit, die wir beobachten – Materie, die sich auf der Bühne von Raum und Zeit entwickelt –, vielleicht wenig oder gar nichts mit der Wirklichkeit dort draußen zu tun hat. Trotzdem nehmen wir die Beobachtungen ernst, denn sie sind alles, was wir haben. Wir wählen empirische Daten und das Bezugssystem der Mathematik, nicht schrankenlose Fantasie oder rigorose Skepsis, als unsere Richtschnur und suchen nach den einfachsten und dennoch möglichst weit reichenden Theorien, um die Ergebnisse heutiger und künftiger Experimente erklären beziehungsweise vorhersagen zu können. Diese Bedingungen schränken unsere Theorien erheblich ein. (Im vorliegenden Buch werden Sie beispielsweise nicht die Vermutung finden, ich könnte ein »Gehirn im Tank« sein, in einer Nährflüssigkeit schwimmen, an Tausende von Elektroden angeschlossen sein und auf Grund deren Reizwirkung lediglich denken, dass ich gerade an diesem Text schriebe.) Doch in den letzten hundert Jahren haben physikalische Entdeckungen den Schluss nahe gelegt, dass unsere Alltagsvorstellung von der Wirklichkeit grundlegend revidiert werden muss. Diese Forschungsergebnisse sind so spektakulär, verlangen unserem Verstand so viel ab und schütteln unsere Paradigmen so gründlich durch, dass sie es mit den abenteuerlichsten Science-Fiction-Fantasien aufnehmen können. Ihre revolutionären Konsequenzen werden uns auf den folgenden Seiten ständig begleiten.
Viele der Fragen, mit denen wir uns hier beschäftigen, bereiteten schon Aristoteles, Galilei, Newton, Einstein und zahllosen anderen Denkern und Forschern Kopfzerbrechen. Da dieses Buch bestrebt ist, dem Leser Wissenschaft in ihrer Entstehung zu vermitteln, werden wir nachverfolgen, wie die Fragen in einer Generation für endgültig beantwortet erklärt, in der nächsten wieder aufgegriffen und von den Wissenschaftlern der folgenden Jahrhunderte ständig neu gefasst und verfeinert wurden.
Bei der verblüffenden Frage beispielsweise, ob vollkommen leerer Raum einer weißen Leinwand gleicht, eine reale Gegebenheit oder nur eine abstrakte Idee ist, werden wir beobachten, wie das Pendel der wissenschaftlichen Meinung hin- und herschwingt zwischen Isaac Newtons Erklärung im siebzehnten Jahrhundert, der Raum sei real, Ernst Machs Schlussfolgerung im neunzehnten, er sei es nicht, und Einsteins spektakulärer Neuformulierung der Frage im zwanzigsten, als er Raum und Zeit miteinander verschmolz und Mach weitgehend widerlegte. Es folgen weitere Entdeckungen, die der Frage abermals eine andere Gestalt geben, indem sie die Bedeutung von »leer« neu definieren. Danach ist der Raum stets von so genannten Quantenfeldern besetzt und möglicherweise von einer diffusen Energie durchdrungen, der kosmologischen Konstanten – einem modernen Nachhall jener alten und in Misskredit geratenen Vorstellung vom Äther, der den Raum erfüllt. Mehr noch, wir betrachten anschließend, wie moderne Experimente im All bestimmte Eigenschaften der Machschen Schlussfolgerungen bestätigen könnten, die mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmen und anschaulich belegen, wie faszinierend und vielfach verflochten die wissenschaftliche Entwicklung ist.
In unserer eigenen Epoche stoßen wir auf die tröstlichen Erkenntnisse, die uns die inflationäre Kosmologie bezüglich des Zeitpfeils vermittelt, das reichliche Angebot der Stringtheorie an zusätzlichen Raumdimensionen, die radikale These der M-Theorie, dass der Raum, in dem wir existieren, nur ein Splitter sei, der in einem größeren Kosmos schwebe, und der aktuellen Spekulation, nach der das Universum vielleicht lediglich ein kosmisches Hologramm ist. Wir wissen noch nicht, ob diese jüngeren theoretischen Vorschläge stimmen. Doch ganz gleich, wie ungeheuerlich sie klingen, wir nehmen sie ernst, weil sie an den Wegen liegen, auf die uns unsere hartnäckige Suche nach den fundamentalen Gesetzen des Universums geführt hat. Eine seltsame und unvertraute Wirklichkeit kann nicht nur aus der blühenden Fantasie von Science-Fiction-Autoren erwachsen, sondern auch aus den neuesten Forschungsergebnissen der modernen Physik.
Das vorliegende Buch ist in erster Linie für Leser bestimmt, die nur wenig oder keine formalen physikalischen Kenntnisse besitzen, deren Interesse an den großen Zusammenhängen des Universums aber so wach ist, dass sie bereit sind, sich mit einer Anzahl komplexer und schwieriger Konzepte auseinander zu setzen. Wie in meinem ersten Buch, Das elegante Universum, halte ich mich eng an die entscheidenden wissenschaftlichen Begriffe, während ich die mathematischen Einzelheiten durch Metaphern, Analogien, Geschichten und Abbildungen ersetze. In den schwierigsten Abschnitten des Buches warne ich die Leser vor und gebe denen, die beschließen, diese eingehenderen Erörterungen zu überspringen oder zu überfliegen, kurze Zusammenfassungen. Auf diese Weise sollte jeder Leser in der Lage sein, die Chronologie der Entdeckungen nachzuvollziehen und nicht nur einen Eindruck vom gegenwärtigen Weltbild der Physik zu gewinnen, sondern auch zu verstehen, wie und warum sich dieses Weltbild durchgesetzt hat.
Das Buch dürfte auch für Studenten, erfahrene Leser populärwissenschaftlicher Bücher, Lehrer und Leute vom Fach von einigem Interesse sein. Zwar behandeln die Anfangskapitel das notwendige, aber allgemein bekannte Hintergrundwissen der Relativitätstheorie und Quantenmechanik, doch die Ausrichtung auf die Körperlichkeit von Raum und Zeit ist ein etwas ungewöhnlicher Ansatz. Die folgenden Kapitel beschäftigen sich mit einem breiten Spektrum von Themen – dem Bellschen Theorem, Delayed-Choice-Experimenten, Quantenmessungen, beschleunigter Expansion, der Möglichkeit, in der nächsten Generation von Teilchenbeschleunigern Schwarze Löcher zu erzeugen, bizarren Wurmloch-Zeitmaschinen, um nur einige zu nennen –, und dort können sich auch fachlich vorbelastete Leser im Hinblick auf eine Reihe der faszinierendsten und meist diskutierten wissenschaftlichen Vorstöße auf den Stand der Forschung bringen.
Einige der Ergebnisse, über die ich berichte, sind umstritten. Bei Problemen, die noch offen sind, habe ich die entscheidenden Aspekte im Haupttext erörtert. Bei strittigen Punkten, in denen meiner Meinung nach bereits ein größerer Konsens erzielt worden ist, habe ich die abweichenden Auffassungen in die Anmerkungen verbannt. Einige Forscher, vor allem solche, die Minderheitenstandpunkte vertreten, werden an manchen meiner Urteile vielleicht Anstoß nehmen, doch ich habe mich im Haupttext und in den Anmerkungen um eine ausgewogene Darstellung bemüht. In den Anmerkungen können besonders sorgfältige Leser auch vollständigere Erläuterungen, Klärungen und Einschränkungen zu Aspekten nachlesen, die ich im Text vereinfacht dargestellt habe. Außerdem finden sich dort mathematische Erläuterungen zu den Ausführungen des Haupttextes, der auf alle Gleichungen verzichtet. Im Glossar lassen sich einige der spezielleren wissenschaftlichen Begriffe rasch nachschlagen.
Selbst ein Buch von dieser Länge kann das riesige Gebiet von Raum und Zeit nicht erschöpfend behandeln. Ich habe mich daher auf die Aspekte konzentriert, die mich interessieren und die ich für notwendig halte, um ein vollständiges Bild von der Wirklichkeit zu entwerfen, das sich aus den Ergebnissen der modernen Naturwissenschaft ergibt. Natürlich kommt in vielen dieser Entscheidungen mein persönlicher Geschmack zum Ausdruck, daher möchte ich mich bei all denen entschuldigen, die der Meinung sind, ihre eigene Arbeit oder ihr bevorzugtes Forschungsfeld seien nicht hinreichend berücksichtigt worden.
Bei der Arbeit an dem vorliegenden Buch hatte ich das Glück, mich auf die Rückmeldungen vieler interessierter Leser stützen zu können. Raphael Kasper, Lubos Motl, David Steinhardt und Ken Vineberg lasen verschiedene Versionen des gesamten Manuskripts, manchmal mehrfach, und unterbreiteten viele, detaillierte und kluge Vorschläge, die erheblich zur Klarheit und Genauigkeit der Darstellung beitrugen. Ihnen möchte ich herzlich danken. David Albert, Ted Baltz, Nicholas Boles, Tracy Day, Peter Demchuk, Richard Easther, Anna Hall, Keith Goldsmith, Shelley Goldstein, Michael Gordin, Joshua Greene, Arthur Greenspoon, Gavin Guerra, Sandra Kauffman, Edward Kastenmeier, Robert Krulwich, Andrei Linde, Shani Offen, Maulik Parikh, Michael Popowits, Marlan Scully, John Stachel und Lars Straeter lasen das ganze Manuskript oder Teile davon, und ihre Kommentare waren für mich außerordentlich nützlich. Sehr hilfreich waren die Gespräche mit Andreas Albrecht, Michael Bassett, Sean Carrol, Andrea Cross, Rita Greene, Alan Guth, Mark Jackson, Daniel Kabat, Will Kinney, Justin Khoury, Hiranya Peiris, Saul Perlmutter, Koenraad Schalm, Paul Steinhardt, Leonard Susskind, Neil Turok, Henry Tye, William Warmus und Erick Weinberg. Besonderen Dank schulde ich Raphael Gunner, dessen unbestechlicher Sinn für eine überzeugende Argumentation und dessen Bereitschaft, meine verschiedenen Ansätze einer konstruktiven Kritik zu unterziehen, von unschätzbarem Wert für mich waren. Eric Martinez war ein kritischer und unermüdlicher Beistand in der Herstellungsphase des Buches, und Jason Severs hatte wunderbare Einfälle, als er die Abbildungen schuf. Ich danke meinen Agenten Katinka Matson und John Brockman. Zu großem Dank verpflichtet bin ich auch meinem Lektor Marty Asher, der mir immer wieder mit Ermutigung, Rat und klugen Einsichten zur Seite stand und so die Qualität der Darstellung erheblich verbessert hat. Außerdem möchte ich meiner Lektorin bei Siedler, Andrea Böltken, meinem Übersetzer Hainer Kober und Markus Pössel, der die deutsche Übersetzung wissenschaftlich betreut hat, meinen Dank ausdrücken. Sie alle haben dafür gesorgt, dass die deutsche Ausgabe auf hervorragende Weise sowohl den Ton des amerikanischen Originals trifft als auch dem wissenschaftlichen Gehalt gerecht wird.
Während meiner beruflichen Laufbahn ist meine wissenschaftliche Forschung finanziell unterstützt worden vom US-Energieministerium, der National Science Foundation und der Alfred P. Sloan Foundation. Hiermit sei ihnen für ihre Hilfe gedankt.
SCHAUPLATZ DER WIRKLICHKEIT
WEGE ZUR WIRKLICHKEIT
Raum, Zeit und warum die Dinge sind wie sie sind
Keines der Bücher im alten, staubigen Bücherschrank meines Vaters war verboten. Doch während ich heranwuchs, sah ich nie, dass jemand eines herausnahm. Die meisten waren voluminös: eine umfangreiche Kulturgeschichte, die Werke der abendländischen Literatur, nicht weniger imposant, und viele andere, an die ich mich nicht erinnere. Fast schienen sie verwachsen mit den Regalbrettern, die sich unter der jahrzehntelangen Last ein wenig bogen. Doch ganz oben im höchsten Fach stand ein schmales Bändchen, das hin und wieder meine Blicke auf sich zog, weil es so fehl am Platze zu sein schien wie Gulliver bei den Riesen in Brobdingnag. Heute weiß ich nicht mehr so recht, warum ich so lange gewartet habe, bevor ich einen Blick hineinwarf. Vielleicht, weil die Jahre dafür sorgten, dass ich die Bücher weniger als Lesestoff betrachtete denn als Familienerbstücke, die man aus der Ferne bewundert. Doch schließlich wich die Ehrfurcht jugendlicher Unbekümmertheit. Ich holte mir das schmale Bändchen herunter, wischte den Staub ab und schlug es auf der Seite eins auf. Schon die ersten Zeilen waren, um es vorsichtig auszudrücken, verblüffend.
»Es gibt nur ein wirklich ernstes philosophisches Problem: den Selbstmord«, so begann das Buch. Ich zuckte zusammen. Und weiter hieß es: ». . . ob die Welt drei Dimensionen und der Geist neun oder zwölf Kategorien habe – kommt erst später.« Fragen dieser Art, so erläuterte das Buch, seien Teil eines Spiels, mit dem sich die Menschheit beschäftige, würden aber erst Aufmerksamkeit verdienen, wenn das eine, entscheidende Problem gelöst sei. Bei dem Buch handelte es sich um den Mythos von Sisyphos von Albert Camus, dem aus Algerien stammenden französischen Philosophen und Nobelpreisträger. Nach einigen Augenblicken schmolz der eisige Klang der Worte im Licht des Verständnisses. Ja, natürlich, dachte ich. Endlos kann man dieses bedenken und jenes analysieren, doch die wirkliche Frage lautet, ob all das Denken und Analysieren einen davon überzeugen kann, dass das Leben es wert ist, gelebt zu werden. Darauf läuft alles hinaus. Alles andere sind zweitrangige Einzelheiten.
SCHAUPLATZ DER WIRKLICHKEIT
Meine Zufallsbegegnung mit Camus’ Buch muss in einer sehr empfänglichen Phase stattgefunden haben, denn mir sind diese Worte eindringlicher im Gedächtnis geblieben als alles, was ich sonst gelesen habe. Immer wieder habe ich mir vorgestellt, wie verschiedene Menschen, die ich traf, von denen ich hörte oder die ich im Fernsehen sah, diese Frage aller Fragen wohl beantworten würden. In der Rückschau erwies sich für mich jedoch die zweite Behauptung – über die Rolle des wissenschaftlichen Fortschritts – als besonders interessant. Zwar bejahte Camus das Bemühen an sich, die Struktur des Universums zu verstehen, verwarf jedoch, soweit ich es beurteilen konnte, die Möglichkeit, dass ein solches Verständnis irgendetwas an unserem Urteil über den Wert des Lebens ändern könnte. Nun war meine Jugendlektüre des Existenzialismus vermutlich so kenntnisreich wie die Beschäftigung mit romantischer Poesie, die man Bart Simpson, dem ungehobelten Sohn der berühmten Comic-Familie »Die Simpsons«, zutrauen würde – trotzdem hatte ich den Eindruck, Camus’ Schlussfolgerung gehe an der Sache vorbei. Dem angehenden Physiker kam es so vor, dass sich das Leben nur angemessen würdigen ließ, wenn man zuvor den Schauplatz des Lebens verstanden hatte: das Universum. Ich weiß noch, dass ich dachte, wenn die Menschheit in Höhlen tief unter der Erde lebte und ihr die Entdeckung all dessen, was uns vertraut ist, noch bevorstünde – die Erdoberfläche, das strahlende Sonnenlicht, eine Meeresbrise und die Sterne, die sich dahinter erstrecken –, oder wenn die Evolution einen anderen Verlauf genommen hätte und uns bislang nur der Tastsinn zur Verfügung stünde, so dass all unsere Erkenntnis aus den taktilen Eindrücken von unserer unmittelbaren Umgebung erwüchse, oder wenn die geistige Entwicklung des Menschen in der frühen Kindheit abbräche, so dass unsere emotionalen und analytischen Fertigkeiten nie über die eines Fünfjährigen hinausgelangten – kurzum, wenn unsere Erfahrungen uns nur ein armseliges Bild der Wirklichkeit vermittelten, wäre unsere Würdigung des Lebens erheblich eingeschränkt. Wenn wir schließlich unseren Weg an die Erdoberfläche fänden, wenn wir irgendwann doch die Fähigkeit erwerben würden, zu sehen, zu hören, zu riechen und zu schmecken, oder wenn unser Geist sich endlich seiner Fesseln entledigte und sich normal entwickelte, dann würde sich unsere kollektive Auffassung vom Leben und vom Kosmos zwangsläufig von Grund auf ändern. Unser zuvor beeinträchtigtes Bild von der Wirklichkeit hätte uns diese fundamentalste aller philosophischen Fragen in einem ganz anderen Licht gezeigt.
Aber Sie könnten natürlich vorbringen: Na und? Sicher, jeder nüchtern Urteilende käme zu dem Schluss, dass wir vielleicht nicht alles vom Universum wissen, dass uns nicht jede Einzelheit über das Verhalten der Materie und die Funktionen des Lebens bekannt ist, dass wir aber doch mit den groben Pinselstrichen auf der Leinwand der Natur vertraut sind. Natürlich hat Camus Recht, so könnten Sie fortfahren, wenn er meint, dass der physikalische Fortschritt, etwa die Erkenntnis, wie viele Dimensionen der Raum hat, oder der neuropsychologische, beispielsweise die genaue Erforschung der Gehirnstrukturen und ihrer Funktionen, überhaupt jeder Fortschritt auf den vielen wissenschaftlichen Feldern wichtige Einzelheiten liefert, jedoch keinen nennenswerten Beitrag zu unserer Bewertung des Lebens und der Wirklichkeit beisteuert. Die Wirklichkeit ist einfach das, wofür wir sie halten; die Wirklichkeit wird uns durch unsere Erfahrung offenbart.
-- Dieser Text bezieht sich auf eine vergriffene oder nicht verfügbare Ausgabe dieses Titels.
