Autor: DerSchneider<\/strong><\/p>\n\n\n\n Die Physik ist die Disziplin, die unser Verst\u00e4ndnis von Raum, Zeit und Materie auf eine solide mathematische Grundlage stellt. Doch selten hat eine Wissenschaft so viele fundamentale Widerspr\u00fcche hervorgebracht wie die moderne Physik. Das sogenannte Hierarchieproblem<\/strong> ist eines der hartn\u00e4ckigsten R\u00e4tsel \u2013 eine Diskrepanz so gewaltig, dass sie das Fundament unseres naturwissenschaftlichen Weltbildes ersch\u00fcttert.<\/p>\n\n\n\n Es geht um die Frage, warum die Gravitation \u2013 jene Kraft, die Galaxien zusammenh\u00e4lt und Planeten auf ihren Bahnen lenkt \u2013 im Vergleich zu anderen fundamentalen Kr\u00e4ften derart l\u00e4cherlich schwach ist. Ein kleiner K\u00fchlschrankmagnet vermag eine B\u00fcroklammer gegen die gesamte Anziehungskraft der Erde anzuheben. Das ist kein Zauber, sondern eine physikalische Tatsache, die uns t\u00e4glich umgibt \u2013 und die zugleich eines der gr\u00f6\u00dften ungel\u00f6sten Probleme der theoretischen Physik offenbart.<\/p>\n\n\n\n Dieser Artikel ist der erste einer Serie, die sich den zehn gr\u00f6\u00dften Paradoxien der Physik<\/strong> widmet. Den Auftakt macht das Hierarchieproblem, das seit Jahrzehnten die Gem\u00fcter erhitzt und bis heute keine befriedigende Antwort gefunden hat.<\/p>\n\n\n\n Im Jahr 1974 ver\u00f6ffentlichten die Physiker Howard Georgi<\/strong> und Sheldon Glashow<\/strong> einen bahnbrechenden Entwurf zur Gro\u00dfen Vereinheitlichten Theorie (GUT). Ihr Ziel war es, die elektromagnetische, die schwache und die starke Kernkraft in einem einzigen mathematischen Rahmen zu beschreiben. Die Theorie war elegant, konsistent und vielversprechend \u2013 sie lieferte jedoch eine Konsequenz, die niemand erwartet hatte.<\/p>\n\n\n\n Die Mathematik der GUT zwang die Forscher zu einem Vergleich der fundamentalen Kr\u00e4fte. Das Ergebnis war niederschmetternd: Die Gravitation erwies sich als zehn Trillionen Trillionen Trillionen Mal schw\u00e4cher<\/strong> als die elektromagnetische Kraft. Diese Zahl \u2013 eine 1 mit 40 Nullen \u2013 ist nicht nur unanschaulich, sie ist physikalisch absurd.<\/p>\n\n\n\n Zum Vergleich:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Tabelle 1: Relative St\u00e4rken der vier fundamentalen Kr\u00e4fte der Physik. Die Gravitation f\u00e4llt um \u00fcber 30 Gr\u00f6\u00dfenordnungen ab.<\/em><\/p>\n\n\n\n Um die Dimension dieses Ungleichgewichts zu veranschaulichen, gen\u00fcgt ein einfaches Experiment, das Physiker gerne in Vorlesungen demonstrieren:<\/p>\n\n\n\n Ein handels\u00fcblicher K\u00fchlschrankmagnet \u2013 ein kleiner Ferrit- oder Neodym-Magnet \u2013 hebt eine B\u00fcroklammer m\u00fchelos von einem Tisch. Dabei \u00fcberwindet er die gesamte Gravitationskraft, die der gesamte Planet Erde auf diese Klammer aus\u00fcbt.<\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n Diese scheinbar banale Beobachtung ist in Wahrheit ein physikalisches Skandalon. Der gesamte Erdball \u2013 mit seiner Masse von etwa 6 \u00d7 10\u00b2\u2074 kg \u2013 zieht an der Klammer. Ein winziger Magnet setzt sich dar\u00fcber hinweg. Dies ist kein Trick, keine optische T\u00e4uschung, sondern nackte Messrealit\u00e4t.<\/p>\n\n\n\n Die Frage, die sich daraus ergibt, ist ebenso einfach wie unbeantwortet:<\/p>\n\n\n\n Warum ist eine fundamentale Naturkonstante \u2013 die Gravitationskonstante G \u2013 derart winzig, w\u00e4hrend alle anderen Kr\u00e4fte um Gr\u00f6\u00dfenordnungen st\u00e4rker sind?<\/em><\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n Das Standardmodell der Teilchenphysik ist die erfolgreichste physikalische Theorie der Geschichte. Es sagt Eigenschaften von Teilchen voraus, die erst Jahrzehnte sp\u00e4ter experimentell best\u00e4tigt wurden. Es erkl\u00e4rte den Higgs-Mechanismus, die Quantenchromodynamik und die elektroschwache Wechselwirkung. Doch es bietet keine Erkl\u00e4rung<\/strong> f\u00fcr das Hierarchieproblem.<\/p>\n\n\n\n Im Standardmodell wird die Masse des Higgs-Teilchens durch sogenannte Quantenkorrekturen<\/strong> beeinflusst. Diese Korrekturen sind jedoch enorm gro\u00df \u2013 sie liegen in der Gr\u00f6\u00dfenordnung der Planck-Masse, also etwa 10\u00b9\u2079 GeV. Der gemessene Wert der Higgs-Masse betr\u00e4gt hingegen nur etwa 125 GeV.<\/p>\n\n\n\n Um diese Diskrepanz auszugleichen, m\u00fcssten sich die Quantenkorrekturen mit unvorstellbarer Pr\u00e4zision gegenseitig aufheben \u2013 auf etwa 32 Dezimalstellen<\/strong> genau. Eine solche Feineinstellung (engl. fine-tuning<\/em>) ist physikalisch h\u00f6chst unbefriedigend und wird von vielen Theoretikern als Hinweis auf eine zugrundeliegende, noch unbekannte Symmetrie betrachtet.<\/p>\n\n\n\n Die theoretische Physik hat mehrere Erkl\u00e4rungsans\u00e4tze hervorgebracht, die das Hierarchieproblem adressieren. Keiner von ihnen ist bislang experimentell best\u00e4tigt, doch einige sind bemerkenswert k\u00fchn:<\/p>\n\n\n\n Diese Theorie postuliert, dass die Gravitation nicht auf die uns vertrauten drei Raumdimensionen beschr\u00e4nkt ist, sondern in zus\u00e4tzliche, verborgene Dimensionen<\/strong> entweicht. Die Schwerkraft erscheint uns deshalb so schwach, weil sie sich \u00fcber mehrere Dimensionen \u201everteilt\u201c. W\u00e4re die Anzahl dieser Extradimensionen gro\u00df genug, k\u00f6nnte die fundamentale St\u00e4rke der Gravitation sogar vergleichbar mit der anderer Kr\u00e4fte sein.<\/p>\n\n\n\n Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN wurde unter anderem gebaut, um Spuren solcher Extradimensionen zu finden \u2013 etwa durch den Nachweis von fehlender Energie<\/strong> oder mikroskopischen Schwarzen L\u00f6chern<\/strong>. Bislang blieben solche Nachweise aus.<\/p>\n\n\n\n Die Supersymmetrie postuliert f\u00fcr jedes bekannte Boson ein fermionisches Partnerteilchen und umgekehrt. Diese Partnerteilchen w\u00fcrden die st\u00f6renden Quantenkorrekturen exakt kompensieren. Die Supersymmetrie ist mathematisch elegant und w\u00fcrde das Hierarchieproblem vollst\u00e4ndig l\u00f6sen \u2013 doch auch hier hat der LHC bislang keine signifikanten Hinweise auf supersymmetrische Teilchen gefunden.<\/p>\n\n\n\n Eine zunehmend kontrovers diskutierte Position besagt, dass das Hierarchieproblem gar keines<\/strong> sei \u2013 weil die Naturkonstanten in einem unermesslich gro\u00dfen Multiversum variieren und wir uns schlicht in einem Universum befinden, das Leben erm\u00f6glicht. Diese Argumentation ist physikalisch spekulativ und epistemologisch problematisch, da sie kaum falsifizierbar ist.<\/p>\n\n\n\n Das Hierarchieproblem ist keine akademische Nische. Es betrifft die Grundstruktur der Naturgesetze<\/strong> und hat weitreichende Konsequenzen f\u00fcr die Kosmologie, die Elementarteilchenphysik und selbst f\u00fcr die Frage nach der Stabilit\u00e4t des Vakuums.<\/p>\n\n\n\n W\u00e4re die Gravitation nur um einige Gr\u00f6\u00dfenordnungen st\u00e4rker, h\u00e4tten sich Sterne und Galaxien anders gebildet \u2013 oder gar nicht. Die Feinstruktur des Universums, wie wir es kennen, w\u00e4re unm\u00f6glich. Das Hierarchieproblem ber\u00fchrt damit auch das Feinabstimmungsproblem<\/strong>, das in einem sp\u00e4teren Teil dieser Serie behandelt wird.<\/p>\n\n\n\n Die moderne Physik steckt in einer Sackgasse. Das Hierarchieproblem ist seit fast f\u00fcnfzig Jahren ungel\u00f6st, und die vielversprechendsten theoretischen Auswege blieben experimentell unbewiesen. Das ist kein Zeichen von Versagen, sondern von tiefer Verunsicherung<\/strong> \u2013 und von der Erkenntnis, dass unser Verst\u00e4ndnis der Realit\u00e4t noch l\u00fcckenhaft ist.<\/p>\n\n\n\n Der LHC wird noch bis in die 2040er Jahre laufen; geplante Upgrades k\u00f6nnten neue Parameterbereiche erschlie\u00dfen. Parallel arbeiten Theoretiker an alternativen Modellen wie der Stringtheorie<\/strong>, der Loop-Quantengravitation<\/strong> und exotischen Randbedingungen<\/strong> im fr\u00fchen Universum. Doch ein Durchbruch bleibt aus.<\/p>\n\n\n\n Vielleicht ist das Hierarchieproblem der Ort, an dem die Physik \u00fcber sich selbst hinauswachsen muss \u2013 hin zu einer neuen Theorie, die nicht nur die Kr\u00e4fte vereint, sondern auch ihre scheinbare Willk\u00fcr erkl\u00e4rt.<\/p>\n\n\n\n Teil 1: Das Hierarchieproblem \u2013 Warum die Schwerkraft das Universum nicht zusammenh\u00e4lt Autor: DerSchneider Einleitung Die Physik ist die Disziplin, die unser Verst\u00e4ndnis von Raum, Zeit und Materie auf eine solide mathematische Grundlage stellt. Doch selten hat eine Wissenschaft so viele fundamentale Widerspr\u00fcche hervorgebracht wie die moderne Physik. Das sogenannte Hierarchieproblem ist eines der hartn\u00e4ckigsten R\u00e4tsel \u2013 […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[40,18],"tags":[10445,10447,10443,10446,10442,10448,10441,10444],"class_list":["post-7058","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-denkwerkzeuge","category-im-kopf-methoden-werkzeuge","tag-extradimensionen","tag-feineinstellung","tag-gravitation","tag-grosse-vereinheitlichung","tag-hierarchieproblem","tag-paradoxien-der-physik","tag-standardmodell","tag-supersymmetrie"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/7058","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=7058"}],"version-history":[{"count":2,"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/7058\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":7060,"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/7058\/revisions\/7060"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=7058"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=7058"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=7058"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}
\n\n\n\nEinleitung<\/h3>\n\n\n\n
\n\n\n\nDie Geburt eines R\u00e4tsels: Georgi, Glashow und die gro\u00dfe Vereinheitlichung<\/h3>\n\n\n\n
Kraft<\/th> Relative St\u00e4rke (Gravitation = 1)<\/th><\/tr><\/thead> Gravitation<\/td> 1<\/td><\/tr> Schwache Kernkraft<\/td> ~10\u00b2\u2075<\/td><\/tr> Elektromagnetismus<\/td> ~10\u00b3\u2076<\/td><\/tr> Starke Kernkraft<\/td> ~10\u00b3\u2078<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n
\n\n\n\nDas Experiment mit dem Magneten \u2013 Eine allt\u00e4gliche Absurdit\u00e4t<\/h3>\n\n\n\n
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\n\n\n\nDas Standardmodell \u2013 Eine Theorie mit blindem Fleck<\/h3>\n\n\n\n
\n\n\n\nRadikale L\u00f6sungen: Extradimensionen, Supersymmetrie und das Landschafts-Multiversum<\/h3>\n\n\n\n
1. Die Extradimensionen-Hypothese (Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali, 1998)<\/h4>\n\n\n\n
2. Supersymmetrie (SUSY)<\/h4>\n\n\n\n
3. Das anthropische Prinzip und das Multiversum<\/h4>\n\n\n\n
\n\n\n\nWarum das Hierarchieproblem mehr ist als ein Randph\u00e4nomen<\/h3>\n\n\n\n
\n\n\n\nAusblick: Auf der Suche nach der verlorenen Symmetrie<\/h3>\n\n\n\n
\n\n\n\nQuellen<\/h3>\n\n\n\n
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