Die letzte Revolution – und die nächste

In der Physik wurden die nach wie vor besten und inzwischen vielfach fulminant bestätigten Theorien über die Raumzeit und Gravitation bereits 1905 bis 1917 entwickelt (die Spezielle und Allgemeine Relativitätstheorie), die über die grundlegenden Partikel und ihre Wechselwirkungen in den 1960er- und 1970er-Jahren (das Standardmodell der Elementarteilchen). Physiker haben zwar viele gute Gründe, nach bislang unbekannten Naturgesetzen jenseits dieser Theorien zu suchen, und sie tun das auch eifrig. Doch nichts dieser Art wurde entdeckt. Dabei haben sie eine Fülle alternativer, umfassenderer sowie mutmaßlich fundamentalerer Theorien formuliert. Aber keine davon hat sich in Experimenten und astronomischen Beobachtungen als überlegen oder gar als erforderlich erwiesen.

Trotz enormer Anstrengung scheint die Grundlagenforschung in den letzten Jahrzehnten also in einer Phase der Stagnation zu stecken. Das heißt freilich nicht, dass bereits „The End of Science“ gekommen ist, wie es 1996 der US-amerikanische Wissenschaftsredakteur John Horgan in einem viel beachteten und kontrovers diskutierten Buch gleichen Titels proklamiert hatte. (Mittlerweile hat er seine These stark relativiert; damals trug sie dazu bei, dass er seine Stelle beim Scientific American verlor.)

Die letzten beiden Dekaden bezeugen eindrucksvolle Entwicklungen. Dazu zählen vor allem die Quanten-, Computer-, Gen- und Neurotechnologien. Doch nichts davon führte zu Umwälzungen im wissenschaftlichen Weltbild. Das gilt auch für großartige neue Anwendungen wie maschinelles Lernen, mRNA-Impfungen, Gen- und Krebstherapien. Sie sind von enormer Bedeutung, basieren aber auf lang bekannten Grundlagen. Dasselbe trifft zu für Entdeckungen wie die des Higgs-Teilchens, der hochenergetischen Neutrinos und Gravitationswellen. Diese Fortschritte sind fulminant, haben unser prinzipielles Naturverständnis allerdings nicht revidiert, sondern im Wesentlichen bestätigt und vertieft.

Gegenwärtig lässt sich also durchaus eine Verlangsamung oder gar Stagnation in „fundamentaler“ Hinsicht konstatieren. Es wäre aber vorschnell, dies in eine unbestimmte Zukunft fortzuschreiben. Gleichwohl dürfte die Menge an grundverschiedenen Phänomenen, Klassen und Regularitäten der einzelnen Wissenschaftsbereiche begrenzt sein; und die Mehrzahl davon ist vielleicht schon entdeckt. In der Astronomie gibt es dafür gute Indizien (BDW 11/1998, „Sternstunden – wie lange noch?“).

Vielleicht sind die niedrig hängenden Früchte also gleichsam abgeerntet?! Und für die anderen wird der Aufwand, sie zu pflücken, immer größer, weil sie so selten, komplex, weit entfernt, unscheinbar oder verwirrend sind beziehungsweise weil sie extreme Energien, Auflösungen, Empfindlichkeiten oder Detektoren und Rechenkapazitäten erfordern.

Für diesen Eindruck spricht zum Beispiel die Liste der verliehenen Nobel-, Wolf-, Gruber-, Shaw- und Breakthrough-Preise. Ein weiteres Indiz ist das jährliche Resümee „Breakthrough of the Year“ der Fachzeitschrift Science, herausgegeben von der American Association for the Advancement of Science, die jeweils im Dezember die großen Durchbrüche in der Forschung vorstellt. Weder unter den gekürten Gewinnern der letzten zwei Dekaden noch unter den vielen anderen Erwähnungen waren Entdeckungen von wirklich revolutionärem Kaliber, rein wissenschaftlich betrachtet. Dasselbe gilt für ähnliche Bilanzen der Magazine Science News und Physics World. (Dies schmälert selbstverständlich nicht die Bedeutung der angeführten Glanzleistungen und vieler anderer.)

Kosmologie: Triumph oder Krise?

Die letzte große grundlegende Revision unseres naturwissenschaftlichen Weltbilds, so lässt sich argumentieren, erfolgte um die Jahrtausendwende. Damals etablierte sich aufgrund neuer, unerwarteter Daten das kosmologische Konkordanzmodell, alsbald auch Standardmodell der Kosmologie oder ΛCDM-Modell genannt (nach den mutmaßlichen Hauptrollen der Kosmologischen Konstante Λ und der Dunklen Materie aus langsamen Partikeln, cold dark matter). Es konnte erstmals alle bekannten signifikanten Daten zur Dynamik und Struktur des Universums einheitlich und widerspruchsfrei beschreiben. Es reicht vom gleichförmigen, extrem heißen und dichten exotischen Materiezustand weniger als eine Milliardstel Sekunde nach dem Urknall, als unser heute beobachtbares All kleiner als ein Atomkern war, bis zu den viele hundert Millionen Lichtjahre großen Superhaufen von Galaxien 13,8 Milliarden Jahre später, das heißt zu den hochkomplexen Konfigurationen der Materie in unserer Gegenwart. Und es hat sich durch immer präzisere Messungen vielfach bewährt; zudem wurden inzwischen einige seiner Voraussagen überprüft und teils bravourös bestätigt.

Nun könnte der Erfolgskurs allerdings ins Schlingern geraten (siehe die nächsten Artikel in diesem Heft). Neue Messdaten stehen im Konflikt miteinander; andere scheinen den Grundannahmen des Modells sogar direkt zu widersprechen. Und dessen offene Flanken widersetzen sich nach wie vor hartnäckig dem Verständnis, während beliebte Kandidaten für Erklärungen in Bedrängnis kommen. Immer mehr Wissenschaftler meinen – teils mit Bedauern, Schadenfreude oder alarmierter Überraschung, doch stets mit großer Neugier –, dass die Kosmologie in einer Krise steckt.

Das betrifft ironischerweise insbesondere das Λ und die CDM, vielleicht aber auch die Voraussetzungen: insbesondere die Allgemeine Relativitätstheorie. Zugleich eröffnet die Kosmologie hier also eine große Chance: Die enormen Entfernungen und Energien im All übertreffen alle experimentellen Möglichkeiten im Labor, sodass die bekannten Naturgesetze auf neue Weise auf den Prüfstand kommen. Quanteneffekte der Schwerkraft und die Grundlagentheorie der Gravitation selbst lassen sich, wenn überhaupt, wohl nur kosmologisch testen. Die Erforschung des fernen und frühen Universums ermöglicht deshalb auch Vorstöße zu einem neuen Refugium der Fundamentalphysik – und könnte mehr als nur das Konkordanzmodell aus den Angeln heben.

So oder so werden künftige Präzisionsdaten äußerst nützlich sein. Denn es ist eine Situation, in der die Forschung nur gewinnen kann: Entweder wird das kosmologische Standardmodell wieder eine Bewährungsprobe bestehen, vielleicht sogar seine bislang härteste, oder es muss modifiziert beziehungsweise sogar grundlegend revidiert werden. Im ersten Fall wären zahlreiche konkurrierende Hypothesen widerlegt oder vorläufig aus dem Feld geschlagen und unnötig. Im zweiten Fall lässt sich etwas fundamental Neues lernen, zumindest wäre der erste Schritt dazu getan – und eine anbrechende wissenschaftliche Revolution könnte den Horizont für noch überhaupt nicht absehbare Erkenntnisse öffnen. ■