Einstein, Heisenberg und die Weltformel

Ein Tor zur Erkenntnis: das Max-Planck-Institut für Physik in München (Foto: F. Caldwell/MPP)

"Das Kleinste erforschen, um das Größte zu verstehen", lautet der Leitgedanke des Max-Planck-Instituts für Physik (MPP) in München. Nach einer wechselvollen Geschichte, die die Entwicklung der modernen Physik wie keine andere Institution bündelt und spiegelt, ist das Institut nun 100 Jahre alt geworden. Zurzeit liegt sein Schwerpunkt in der Teilchen- und Astroteilchenphysik.

Relativitätstheorie und Quantenmechanik sind die beiden Hauptsäulen der modernen Physik, ja des wissenschaftlichen Weltbilds insgesamt. Erstere ist ganz Albert Einsteins Leistung, zweite basiert wesentlich auf Arbeiten von Werner Heisenberg (sowie einigen anderen, Einstein eingeschlossen). Diese beiden Säulen sind die besten Theorien in der Geschichte der Menschheit – gemessen an den exzellenten Übereinstimmungen von theoretischen Voraussagen und experimentellen Bestätigungen. Zwar widersprechen sie sich in extremen Bedingungen, etwa hinsichtlich Schwarzer Löcher und des Urknalls. Für fast alle anderen Situationen aber können Physiker sie in einer friedlichen Koexistenz praktizieren – und suchen zugleich nach einer Theorie der Quantengravitation, die beide Theorien vereinigt und als Spezialfälle enthält. Das Vermächtnis von Einstein und Heisenberg ist noch nicht eingelöst.

Kurioserweise verbindet die Geschichte von Relativitätstheorie und Quantenmechanik, von Einstein und Heisenberg, auch eine institutionelle Verbindung, ja sogar eine organisatorische Vereinheitlichung: ein noch immer florierendes Institut, das eben sein hundertjähriges Bestehen feiern konnte – das heutige Max-Planck-Institut für Physik (MPP).

Einstein war sein eigener Direktor

Gegründet wurde das jetzige MPP am 1. Oktober 1917 unter dem Namen Kaiser-Wilhelm-Institut (KWI) für Physik. Das war mitten im Ersten Weltkrieg. Es gab damals kein eigenes Gebäude, sondern nur ein Zimmer – das private Arbeitszimmer von Einstein in Berlin. Und zunächst nur einen Direktor und Angestellter in Personalunion – Einstein selbst. Er hatte diese Stellung bis 1933 inne, als er aus dem nationalsozialistischen Deutschland fliehen musste.

Erst 1937 bezog das KWI für Physik ein eigenes Gebäude in Berlin-Dahlem. Direktor wurde Peter Debye. 1939 wurde das Institut dem Heereswaffenamt unterstellt. Es sollte Uran-Forschung betrieben werden mit dem Ziel, die kurz zuvor entdeckte Kernspaltung als Waffe und Energielieferant zu nutzen. Die Pläne zum Bau einer Atombombe wurden 1942 aufgegeben – die dazu nötige Uran-235-Anreicherung scheiterte und die beteiligten Forscher um Werner Heisenberg scheinen die Arbeit auch bewusst verschleppt zu haben (ihre Rolle ist bis heute nicht völlig geklärt). Der Bau eines Reaktors – wofür Teile des Instituts 1943 nach Hechingen und Haigerloch verlegt wurden – gelang ebenfalls nicht. Im April/Mai 1945 wurde das Institut von amerikanischen und sowjetischen Truppen besetzt, Geräte und die Bibliothek wurden beschlagnahmt, einige Mitglieder interniert.

1946 erfolgte eine Neueröffnung des Instituts unter dem Namen Max-Planck-Institut für Physik in Göttingen. Werner Heisenberg war erneut Direktor. Aufgeteilt wurde das Institut in zwei Abteilungen: Eine für Theoretische Physik unter der Leitung von Carl Friedrich von Weizsäcker (bis 1957, als er Professor für Philosophie an der Universität Hamburg wurde); und eine für Experimentelle Physik unter der Leitung von Karl Wirtz.

München und eine gescheiterte Weltformel

Am 1. September 1958 siedelte das MPP in ein eigens errichtetes Gebäude in München. Werner Heisenberg blieb bis zu seiner Emeritierung 1970 Direktor. Dort arbeitete er auch an einer "Weltformel" für eine grundlegende Naturbeschreibung, die jedoch scheiterte.

In den folgenden Jahren wuchs und differenzierte sich das MPP. 1960 wurde das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik ausgegründet, 1963 das Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik und 1979 das Max-Planck-Institut für Astrophysik (vormals ein Teil des MPP) mit neuem Sitz in Garching nördlich von München. 1991 war die Institutsteilung auch formal abgeschlossen. Das MPP befasst sich seither hauptsächlich mit Teilchen- und Astroteilchenphysik

Werner Heisenberg an der Tafel: Der Wissenschaftler war langjähriger Direktor und eine der prägendsten Figuren des Max-Planck-Instituts für Physik, das ihm zu Ehren noch heute den Namen Werner-Heisenberg-Institut trägt. (Foto: Gerhard Gronefeld)

Letzte Woche feierte das MPP sein 100-Jahre-Jubiliäum. Erst mit einem wissenschaftlichen Symposium, dann mit einem Festakt mit Prominenz aus Politik und Wissenschaft sowie Musik und einem physikalischen Kabarett. Das Symposium bot einen hochkarätigen Ein- und Überblick zu den aktuellen Forschungen des MPP aus erster Hand. Sowohl von MPP-Forschern als auch von externen Experten, deren Karriere meist mit dem MPP verbunden war – sei es als Doktorand, Postdoc oder anderweitiger temporärer Mitarbeiter. Das zeigt, wie eine Institution weit über seine Betonwand-Grenzen hinaus wirkt – sogar weltweit.

Heute arbeiten rund 330 Menschen am MPP: etwa100 Wissenschaftler, 75 Doktoranden aus verschiedenen Ländern, 110 Mitarbeiter in den Bereichen Technik und Verwaltung sowie 15 Auszubildenden in den Abteilungen Elektronik und Mechanik.

Strings, Higgs und Neutrinos

Noch immer steht das MPP in der Tradition von Einstein und Heisenberg. Wobei deren Vermächtnis zwar nicht im Zentrum figuriert, aber doch auch nicht aus dem Blickfeld geriet. Die zentrale Fragestellung dabei ist die Natur der Materie. Das in den 1960er- und 1970er-Jahren entwickelte Standardmodell der Elementarteilchen hat sich in den letzten Jahrzehnten bravourös bewährt. Aber es kann nicht das Ende der physikalischen Fahnenstange sein. Daher suchen die Forscher nach einer "neuen Physik" jenseits des Standardmodells. Ein Ansatz ist die Supersymmetrie, die unter anderem von Julius Wess begründet wurde, der 1990 ans MPP kam. Am großen Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) am CERN wird gegenwärtig intensiv nach Bestätigung dieser Theorie gesucht – bislang vergeblich.

Aber auch in der Theorie haben die Münchener Forscher nicht aufgegeben. Die Abteilung der Direktoren Dieter Lüst und Gia Dvali sind äußerst kreativ, wenn es darum geht, die Fundamente der gegenwärtigen Physik tiefer zu legen. Schwerpunkt dabei ist die Stringtheorie, die Einsteins und Heisenbergs Weltformel-Träume zu vollenden trachtet.

Es geht jedoch nicht ohne Experimente. Und seit 1996 wirkt das MPP erst an der Entwicklung und dann am Betrieb des ATLAS-Detektors am LHC mit. ATLAS ist das größte Instrument am LHC. MPP-Direktor Siegfried Bethke und sein Team hat hierzu wesentlich beigetragen – eine Leistung, die 2012 mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens einen vorläufigen Höhepunkt fand.

Seit 2004 ist das MPP unter der Leitung von Direktor Allen Caldwell am GERDA-Experiment zur Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall beteiligt. Würde dieser extrem seltene Zerfall entdeckt – GERDA hat frühere Behauptungen diesbezüglich widerlegt –, wäre erwiesen, dass das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist. Wenn GERDA nichts findet, hat das Nachfolgeprojekt LEGEND eine Chance. Auch am Riesenexperiment KATRIN in Karlsruhe ist das MPP bezeichnet. Es wird in den nächsten Jahren die Massen der Neutrinos messen und nach sogenannten sterilen Neutrinos suchen.

Ominöse Dunkle Materie

Wenn das Standardmodell der Kosmologie richtig ist, müsste die Dunkle Materie viel häufiger sein als die normale, uns bekannte, und mit dieser zuweilen zusammenstoßen. Das würde charakteristische Effekte bewirken, die sich messen lassen. Seit 1996 läuft das jetzt erneut erweiterte und verbesserte Experiment CRESST zur Suche nach diesem ominösen Stoff – nun unter der Leitung von MPP-Direktor Masahiro Teshima. Tatsächlich fand CRESST anfänglich einige Kandidaten. Doch haben sich diese als trügerischer Schein erwiesen. Auch andere Experimente entdeckten nichts, aber die Suche geht weiter. Wenn die Dunkle Materie aus relativ leichten WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles) besteht, hat CRESST die beste Chance, sie zu erhaschen.

Ein anderer Kandidat für die Dunkle Materie sind sie superleichten Axionen. Ihre Existenz wurde von Helen Quinn und Roberto Peccei postuliert (letzterer referierte auf dem MPP-Symposium auch über diese Geschichte), um bestimmte Aspekte der Starken Wechselwirkung zu erklären. Am MPP wird seit 2016 das Projekt MADMAX mit entwickelt, das diese Axionen nachweisen soll. Falls es sie gibt.

Das MPP ist aber auch noch in anderen Bereichen aktiv – beispielweise beim neuen Experiment Belle II in Japan, bei der Erforschung der energiereichen Kosmischen Strahlung mit den 2003 und 2009 auf La Palma errichteten MAGIC-Teleskopen und bei der Konzeption künftiger Teilchenbeschleuniger.

Nicht nur das Universum, sondern auch das MPP expandiert. Und weil der Platz im denkmalgeschützten Gebäude am Föhringer Ring knapp wird, steht 2021 ein neuer Umzug bevor. Nach Garching. Wo sich die anderen MPP-Ableger befinden. Das wird zwar keine Vereinheitlichung der Physik sein, aber doch eine der Max-Planck-Institute dort.

 

Zum Autor: Rüdiger Vaas ist Astronomie- und Physik-Redakteur von bild der wissenschaft. Im Kosmos-Verlag hat er die Bücher "Jenseits von Einsteins Universum. Von der Relativitätstheorie zur Quantengravitation", sowie "Vom Gottesteilchen zur Weltformel" veröffentlicht, die die beiden Säulen der Physik, Allgemeine Relativitätstheorie und die Standardmodell der Elementarteilchenphysik ausführlich erklären und über die verwegenen Versuche ihrer Vereinheitlichung berichten.

Reload-Capcha neu laden Text der identifiziert werden soll

Bitte geben Sie zusätzlich noch den Sicherheitscode ein!

Rubriken

 


Harte Nuss
Rätsel: Berühmte Entdecker gesucht

 

Der Buchtipp

Der italienische Ökologe und Insektenforscher Gianumberto Accinelli erklärt Dominoeffekte in der Natur kindgerecht und mit einer Prise Humor. Sein Sachbuch ist Wissensbuch des Jahres 2017 in der Kategorie Perspektive.

Zu allen Buchtipps


Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der Konradin Mediengruppe