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„Es geht um die Grundbestandteile des Universums“

Rolf-Dieter Heuer leitet das Nuklearforschungszentrum CERN, am weltgrößten Teilchenbeschleuniger LHC forscht er zum Higgs-Teilchen und zur dunklen Materie. Mit Martin Eiermann sprach er über die Herausforderungen für die Experimentalphysik, die Grenzen menschlichen Wissens und die Trennung zwischen Glaube und Wissen.

The European: Die Aufgabe von CERN ist die Durchführung von Experimenten, die die Grenzen der Physik ausloten. Welchen Herausforderungen sehen Sie sich in den kommenden Jahren gegenüber?
Heuer: Auf dem Gebiet der Teilchenphysik benötigen wir viele Jahre, um unsere Experimente durchzuführen und die Daten auszuwerten. In den letzten fünfzig Jahren haben wir das Standardmodell der Teilchenphysik entwickelt. Es beschreibt den bekannten Mikrokosmos: die Materieteilchen und die Kräfte, die zwischen ihnen wirken. Aber uns fehlt immer noch der Grundbaustein, der erklärt, wie die Elementarteilchen ihre Masse erhalten. Wir glauben, dass der Higgs-Mechanismus dafür eine Erklärung liefern könnte. Er manifestiert sich durch das sogenannte Higgs-Boson, ein Teilchen, das theoretisch vorhergesagt worden ist, aber bisher nicht experimentell nachgewiesen werden konnte. Unsere Aufgabe ist, das Higgs-Boson zu finden. Falls uns das gelingt, ist das Standardmodell komplett.

The European: Welche Konsequenzen ergeben sich daraus für die Welt der Physik? Ist ein Nachweis des Higgs-Teilchens gleichbedeutend mit Meilensteinen der Wissenschaftsgeschichte wie Rutherfords Entdeckung des Atomkerns, mit dem Michelson-Morley-Experiment oder mit Newtons Prismaexperimenten?
Heuer: Es wäre ein sehr bedeutender Schritt für die Physik, weil damit das Standardmodell komplett wäre. Und wenn wir das Higgs-Boson nicht nachweisen können, müssen wir uns neue mathematische Lösungen überlegen, um die Masse von Teilchen zu erklären. Egal wie die Experimente ausgehen, sie sind sehr wichtig. Aber auch das Standardmodell beschreibt nur etwa fünf Prozent des Universums. Etwa ein Viertel geht auf das Konto der sogenannten „dunklen Materie“, drei Viertel sind „dunkle Energie“. Ein noch größerer Schritt wäre es, Anzeichen dafür im Labor nachzuweisen. Ich bin zuversichtlich, dass uns das in den kommenden Jahren gelingen könnte.

„Wir haben das Ende der Experimentalphysik noch lange nicht erreicht“

The European: CERN ist ein gigantischer Laborkomplex. Es ist schwer vorstellbar, dass wir in naher Zukunft einen noch größeren Teilchenbeschleuniger bauen werden. Sind die Grenzen der Experimentalphysik erreicht, weil wir neue Fragen der Physik nur noch theoretisch angehen können?
Heuer: Theorie und Experiment ergänzen sich und werden dies weiterhin tun. Aber die Frage dreht sich weniger um Größe als um Leistung. Der Large Hadron Collider (LHC) ist ein sehr leistungsstarkes Mikroskop mit einer enorm hohen Auflösung. Es kann mit sehr kurzen Wellenlängen und sehr hohen Energieniveaus arbeiten. Wir müssen keine größeren Beschleuniger bauen, um noch höhere Energien zu erreichen. Der Tunnel des LHC hat einen Umfang von 27 Kilometern. Vor zehn Jahren war darin ein anderer Beschleuniger, der deutlich weniger leistungsfähig war. Jetzt haben wir neue Technologien entwickelt und können mit der gleichen Infrastruktur deutlich mehr erreichen und mehr Energie pro Längeneinheit erzielen. Wir haben das Ende der Experimentalphysik also noch lange nicht erreicht. Im Gegenteil: Mit den Experimenten des LHC werden wir verstehen, welche Energieniveaus wichtig sind. Die nächste Generation von Beschleunigern können wir dann genau auf diese Anforderungen hin zuschneiden.

The European: Was fasziniert Sie an diesen sehr theoretischen Fragestellungen?
Heuer: Es geht um das Streben nach Wissen. Wir beschäftigen uns mit Fragen, die seit dem Anbeginn der Menschheit gestellt werden. Es liegt in der menschlichen Natur, dass wir die Welt um uns herum verstehen wollen: Womit hat alles angefangen? Wie hat sich das Universum entwickelt? Dieser Wissensdrang unterscheidet uns von anderen Lebewesen. Wenn Sie nachts nach draußen gehen und in den Himmel schauen, können Sie gar nicht anders, als zu träumen. Ihre Fantasie wird angeregt von diesen unglaublichen Weiten, Sie stellen sich automatisch Fragen zum Sein und zur Existenz. Gleichzeitig hat unsere Arbeit aber auch sehr praktische Konsequenzen. Die Idee der Antimaterie ist vor 83 Jahren postuliert worden, damals ging niemand davon aus, dass sich daraus einmal praktische Anwendungen ergeben würden. Heute verwenden Sie in jedem Krankenhaus Technik, die auf der Idee der Antimaterie basiert. Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) funktioniert mit Positronen, also den Antiteilchen zu Elektronen. Oder denken Sie an das Internet. Die Idee eines weltumspannenden Netzwerks begann 1989 hier im CERN. Uns wurde klar, dass wir ein solches digitales Netzwerk für unsere Forschung benötigen würden. Das ist das Schöne an der Arbeit: Wir vergrößern unser Wissen, aber wir schaffen auch die Möglichkeit für weitreichende technologische Innovationen.

The European: Als CERN mit den Experimenten begann, gab es Kritiker, die vor der Entstehung eines schwarzen Lochs warnten. Aus heutiger Sicht wirkt das sehr irrational, vergleichbar mit Befürchtungen vor den ersten Kernwaffentests, dass sich die Atmosphäre an den nuklearen Explosionen entzünden könne. Sind diese Ängste ein natürlicher Teil der Erkundung von Neuland – eine moderne Entsprechung von Seemonstern und Klabautermännern?
Heuer: Diese Sorgen sind verständlich. Die Forschung betritt notwendigerweise Neuland. Wenn sie sich nur mit Bekanntem beschäftigen würde, wäre das nicht sonderlich interessant. Ich mag es, dass die Menschen sich kritisch mit unserer Arbeit auseinandersetzen und ich verstehe, wenn sich Ängste bilden. Dann ist es unsere Aufgabe als Wissenschafter, die eigene Arbeit zu erklären. Was machen wir? Wie machen wir es? Gibt es Gefahrenpotenzial?

The European: Können Sie denn den emotionalen Ängsten mit rationalen, theoretischen Argumenten begegnen?
Heuer: Sie können Theorien ewig diskutieren, aber eine Theorie kann nicht bewiesen werden. Vor jedem Experiment müssen wir uns also genaue Gedanken über die möglichen Konsequenzen machen. Aber ich glaube, dass experimentelle Fakten jeden überzeugen. Die Grundlagen unserer Arbeit sind gegeben, sie bestimmen seit Milliarden Jahren das Universum – und bisher hat es offensichtlich funktioniert, sonst wären wir nicht mehr hier. Wir können also sagen: Schaut euch das Universum an. Wir replizieren hier die gleichen Prozesse auf sehr viel kleinerem Niveau. Warum sollten sich jetzt andere Konsequenzen ergeben?

„Jedes Mal, wenn wir etwas neu entdecken, öffnen wir gleichzeitig die Tür zu neuen Fragen“

The European: Kann etwas so Komplexes wie das Universum denn überhaupt heruntergebrochen werden und komplett vom menschlichen Verstand erfasst und durchdrungen werden? Oder gibt es kognitive Grenzen dessen, was wir wissen können?
Heuer: Das ist eine schwierige Frage. Jedes Mal, wenn wir etwas neu entdecken, öffnen wir gleichzeitig die Tür zu neuen Fragen, die komplexer sind und noch tiefer in eine Thematik eindringen. Es gibt da keine Grenze, die Suche geht immer weiter. Vielleicht brauchen wir künftig mehr Zeit, um die nächsten „Fragetüren“ aufzuschließen. Aber irgendwann werden wir sie öffnen und dahinter wieder neue Türen mit tiefer gehenden Fragen finden.

The European: Welche Fragen verstecken sich hinter der nächsten Reihe von Türen?
Heuer: Es geht um die Grundbestandteile des Universums. Wir suchen nach Antworten auf die Frage, was die Expansion des Universums vorantreibt. Gab es am Anfang eine singuläre Kraft? Wir wissen momentan von vier Elementarkräften, aber wir haben Hinweise darauf, dass sie sich alle auf eine Kraft zurückführen lassen. Eine andere Frage ist, warum es keine Antimaterie mehr im Universum gibt. Wir wissen, dass es ganz am Anfang eine sehr kleine Asymmetrie von Materie und Antimaterie gegeben haben muss, ein Ungleichgewicht von etwa eins zu zehn Milliarden. Es ist dieses Ungleichgewicht, das für unsere Welt verantwortlich ist. Wenn es ein Gleichgewicht gegeben hätte, dann hätten sich Materie und Antimaterie gegenseitig vernichtet. Es gäbe heute ein Universum voller Energie aber ohne Teilchen; die Welt, wie wir sie kennen, würde nicht existieren. Doch warum gab es etwas mehr Materie? Darauf haben wir keine Antwort.

The European: Das Higgs-Boson ist als „Gottesteilchen“ beschrieben worden. Viele Wissenschafter lehnen den Begriff ab. Warum?
Heuer: Er ist zu plakativ und irreführend. Warum sollte es ein „Gottesteilchen“ geben? Das Higgs-Boson ist ein zentraler Baustein des Standardmodells, ohne den die Theorie nicht funktioniert. Aber nichts daran ist überirdisch. Ich glaube, der Name dient vor allem als Publicity-Instrument, um die Aufmerksamkeit von Journalisten zu erregen?

The European: Lassen Sie uns noch etwas mehr über die Idee des Überirdischen sprechen. Lange waren Wissenschaft und Religion eng verbunden. Galileo wurde exkommuniziert, weil er diese Verbindung anzweifelte. Wie würden Sie die beiden trennen?
Heuer: Wir trennen Wissen und Glauben. Teilchenphysik beschäftigt sich mit der Frage, wie sich Dinge entwickeln. Religion und Philosophie fragen, warum sich etwas entwickelt. Die Grenze zwischen diesen beiden Ansätzen ist allerdings sehr interessant. Ich nenne das die Schnittstelle des Wissens. Wir stellen uns Fragen: Falls es den Urknall gab, warum gab es ihn? Für uns Physiker beginnt die Zeit mit dem Urknall. Doch was war davor? Und falls es ein „Davor“ gibt, was war wiederum davor? Das sind Fragen, bei denen die Wissenschaft an ihre Grenzen stößt und der Glaube wichtig wird.

The European: Was ist denn der Unterschied zwischen Glaube und Wissen?
Heuer: Wissen ist etwas, das Sie zumindest teilweise beweisen können. Glaube oder philosophische Argumente können Sie nicht durch Experimente überprüfen.

The European: Für Aristoteles war die Physik die bedeutendste Wissenschaft, sie konnte uns seiner Meinung nach fast alles über den Kosmos lehren. Er glaubte aber auch, dass alle Dinge eine inhärente Kapazität zur vollen Entfaltung hatten – die Idee des Telos. Und so fiel es der Philosophie zu, das Wesen der Dinge zu erklären.
Heuer: An ihren äußeren Grenzen verbindet sich die Physik mit der Philosophie. Auf dem Gebiet der Teilchenphysik geht es aber nicht wirklich um Fragen des „Glaubens“, sondern darum, Schlüsse aus experimentellen Daten oder aus bestehenden Theorien abzuleiten. Sobald Sie etwas beweisen können, ist das keine Frage der Philosophie mehr.

„Sobald Sie etwas beweisen können, ist das keine Frage der Philosophie mehr“

The European: Doch wissenschaftliche Theorien werden oftmals zuerst postuliert und danach erst durch Experimente widerlegt oder bestätigt. Findet sich da nicht ein Element eines Glaubenssprungs, wie Kierkegaard ihn beschreibt? Ein Vertrauensvorschuss angesichts des Unbekannten und Ungreifbaren, dem wir uns anzunähern versuchen?
Heuer: Das Zusammenspiel zwischen Theorie und Experimenten ist sehr interessant. Manchmal bewegt sich die Theorie über die Experimente hinaus. Unsere Aufgabe ist dann, durch die Analyse von Daten einen Beweis für die Validität der Theorie zu finden. Aber wenn unsere Analyse zu Erkenntnissen führt, die nicht von der Theorie vorhergesagt werden, muss sich die Theorie nach der Praxis richten und neue Formeln finden, um die experimentellen Ergebnisse zu beschreiben. In der Geschichte der Teilchenphysik gab es mehrfach die Situation, dass wir Teilchen entdeckt haben, deren Existenz nicht vorhergesagt worden war und die erst später durch neue Theorien erklärt werden konnten. Das sind die fehlenden Puzzleteile – nur wissen wir nicht, dass sie fehlen.

The European: Ich wundere mich immer noch über das folgende Problem: Eine Theorie kann niemals im Sinne der Logik bewiesen werden, sie kann nur falsifiziert werden. Das Einzige, was Sie machen können, ist, mehr Hinweise auf die Validität einer Theorie zu sammeln. Eine letztendliche Bestätigung gibt es nicht.
Heuer: Das kommt darauf an, was Sie als Beweis definieren. Wenn alle experimentellen Daten eine bestimmte Theorie unterstützen, dann können Sie sagen, dass diese Theorie innerhalb gewisser Grenzbedingungen richtig ist. Schauen Sie sich Newtons Gesetz der Schwerkraft an: In unserer Alltagswelt stimmt es. Aber wenn Sie die Regeln der Relativitätstheorie anwenden, dann verliert es seine Gültigkeit. Newtons Gesetze sind eine Annäherung an die umfassendere Relativitätstheorie, die nur bei niedrigen Geschwindigkeiten ihre Aussagekraft behalten.

The European: Glauben Sie, dass wir jemals erfahren werden, was vor dem Urknall war?
Heuer: Das bezweifele ich.

The European: Wie gehen Sie mit diesem Paradox um? Auf der einen Seite glauben Sie, dass es keine Grenze menschlichen Wissens gibt. Auf der anderen Seite gibt es eine sehr konkrete Grenze, über die man nicht hinaus kann. Müssen wir einfach daran glauben, dass vor dem Urknall nichts war?
Heuer: Ich habe nicht gesagt, dass davor nichts war. Ich sage nur, dass wir nicht wissen, was davor war – falls es ein Davor gab. Hier befinden wir uns an der Schnittstelle zwischen Wissen und Glauben. Viele bekannte Wissenschaftler haben sich damit intensiv beschäftigt und auch heute machen wir uns Gedanken über diese Probleme.

The European: An den Grenzen des Wissens verschwimmt also die Grenze zwischen Wissenschaft und Glaube?
Heuer: Wir Wissenschaftler neigen dazu, diese Dinge nicht besonders oft zu diskutieren. Aber je mehr wir uns mit den Anfängen des Universums beschäftigen, desto mehr versuchen die Menschen, Wissenschaft und Philosophie zu verbinden. Das begrüße ich. Wir beißen uns an Fragen zu den Grenzen des Wissens die Zähne aus – vielleicht geht es der Philosophie oder der Theologie genauso im Bezug auf wissenschaftliche Fragen. Ich glaube daher, dass es wichtig ist, einen konstruktiven Dialog zu etablieren. Wir versuchen das momentan mit einer Reihe von Workshops und Seminaren. Ich hoffe, dass wir uns zumindest darauf verständigen können, welche Probleme vor uns liegen.

The European: Haben Sie den Eindruck, dass Argumente der Naturwissenschaft von den Geisteswissenschaften nicht ernst genug genommen werden?
Heuer: Die Naturwissenschaft spielt heute leider keine große gesellschaftliche Rolle mehr. Sie ist abgetrennt von gesellschaftlichen Diskursen, obwohl doch der Fortschritt von den Ergebnissen und Entwicklungen der Wissenschaft abhängt. Das war zu Beginn des 20. Jahrhunderts ganz anders; damals war Wissenschaft ein normales Thema beim Abendessen. Vielleicht sind inzwischen so viele Informationen einfach verfügbar, dass wir darin zu ertrinken drohen.

The European: Einstein war damals quasi ein Rockstar der Wissenschaft …
Heuer: Genau, diese Dynamik ist uns verloren gegangen. Ich glaube aber, dass das öffentliche Interesse an der Arbeit am CERN uns die Chance gibt, Wissenschaft wieder mehr im gesellschaftlichen Kontext zu diskutieren. Fragen nach den Grenzen menschlichen Wissens bieten uns die Möglichkeit, in den Dialog mit der Öffentlichkeit zu treten und der Physik wieder mehr Aufmerksamkeit zu verschaffen. Wenn wir Wissenschaftler den Wissensdurst der Menschen befriedigen, dann stellen sie uns neue Fragen. Das ist ein Kreislauf, den wir am Leben erhalten müssen.

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