laudatio
  

Startseite

Einstein-Haus

Öffnungszeiten/
Eintrittspreise/
Führungen

Einstein-Medaille

Einstein Lectures

Einstein und Bern

Albert Einstein Gesellschaft

Aktuell

Kontakt

Links

 

 

 

Verleihung der Albert Einstein Medaille 2006
Am 29. Juni 2006 erhielt der theoretische Physiker Gabriele Veneziano die Einsteinmedaille. Der 1942 geborene Preisträger führte in seinem Vortrag mit dem Titel «String Theory and Einstein's Unification Dream» durch fünfzig Jahre theoretische Physik. Der Anlass fand in einem Seminarraum der Universität Bern statt.


Professor Gabriele Veneziano

Einstein hat vor allem in der zweiten Hälfte seines wissenschaftlichen Lebens versucht, eine Theorie zu entwickeln, die die Ergebnisse der Gravitationstheorie und der Teilchenphysik vereinheitlicht. Aber weder er noch andere haben es vermocht, die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) und die Quantentheorie (QT) zu verbinden. Eine solche Vereinheitlichung zu finden ist ein sehr ehrgeiziges Ziel, denn die beiden Theorien befassen sich mit Phänomenen, deren charakteristische Längen immerhin 61 Zehnerpotenzen auseinander liegen! Was hat die theoretische Physik in dieser Hinsicht bis heute erreicht? Mit dieser Frage nimmt uns Veneziano mit auf eine Reise durch ein halbes Jahrhundert theoretischer Physik.



Darstellung der physikalischen Theorien in einem abstrakten Koordinatensystem

Der Laureat gibt uns zunächst einen Ueberblick über die gängigen Theorien anhand eines Würfels, dessen eine Ecke im Ursprung eines dreiachsigen Koordinatensystems mit den drei Achsen G, R und Q liegt. Dieser Startpunkt ist unsere vertraute Alltagswelt, in der bei kleinen Geschwindigkeiten und „normal“ grossen Objekten weder relativistische noch quantenmechanische Prozesse eine wesentliche Rolle spielen, und in dem die klassische (Newtonsche) Physik die Phänomene sehr gut beschreibt.
Wendet man sich zunehmend grösser werdenden Objekten zu (Sonnensystem, Galaxien), so ist dort die Physik mit Newtons Gravitationstheorie beschreibbar und man bewegt sich auf der G-Achse weg vom Ursprung. Die zweite Stossrichtung konzentriert sich auf Vorgänge mit grossen Geschwindigkeiten (E=mc2, Beschleunigerring); diese Physik muss die Gleichungen der Speziellen Relativitätstheorie berücksichtigen und man wandert in Richtung R in unserem Diagramm. Will man schliesslich Prozesse im ganz Kleinen (Atome, Elementarteilchen) studieren und beschreiben, wird die Quantentheorie unverzichtbar und man erobert die Physik in Richtung Q.
Selbst die Berücksichtigung jeweils zweier dieser Stossrichtungen ist heute möglich und theoretisch sehr gut verstanden. So kann man für Prozesse, die bei grossen, massiven und gleichzeitig sehr schnellen Objekten auftreten (schwarze Löcher, Gravitationswellen), die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie heranziehen; der ART entspricht die vordere grau getönte Fläche. Die andere graue Fläche symbolisiert die Quantenfeldtheorie, welche erfolgreich Prozesse von mikroskopisch kleinen, sich nahe bei der Lichtgeschwindigkeit bewegender Objekte (Teilchenkollisionen, virtuelle Teilchen) beschreibt.
Will man nun Phänomene, die sowohl massiv, als auch klein und schnell sind, verstehen und richtig beschreiben, so fehlen bis heute die passenden Gleichungen einer solchen „Theory of Everything“; man kennt sie noch nicht, die Theorie für das Innere des Würfels! Das Verbinden von ART und QFT ist konzeptuell wichtig, und für die moderne Kosmologie unverzichtbar, insbesondere für die Physik des Urknalls, der sich an der gegenüberliegenden Ecke des „Theoriewürfels“ befindet. Denn beim Urknall hat man ein heisses und dichtes, daher energiereiches, relativistisches Universum. Die hohe Dichte sorgt wegen den extremen Gravitationsfeldern für eine enorme Raumkrümmung mit sehr kleinen Krümmungsradien, was quantenmechanische Prozesse bedingt.
Die experimentelle Kosmologie hat in den vergangenen fünfzig Jahren eine Fülle von interessanten Daten geliefert. Wer hätte vor ein paar Jahrzehnten gedacht, dass man z.B. das Alter des Universums auf ein paar Prozente genau angeben könnte? Nur – viele experimentellen Befunde harren einer theoretischen Erklärung. Während man die kosmische Hintergrundstrahlung, das Entstehen von Strukturen im All (Galaxien, Cluster, …), die Elementsynthese nach dem Big Bang und die Sternentstehung und –entwicklung gut versteht und mittels ART und QFT beschreiben kann, fehlen Ansätze und Lösungen in Bezug z. B. auf die Materie- Antimaterie-Asymmetrie oder die Existenz dunkler Materie und dunkler Energie.
Professor Veneziano greift ein Problem heraus: die so genannte Inflation. Die neuesten WMAP-Daten (siehe Olympia 2005) bestätigen eine Phase kurz nach dem Urknall, bei der innert kürzester Zeit eine „überexplosive Ausdehnung“ um -zig Zehnerpotenzen stattgefunden haben muss. Zu diesem Zeitpunkt war das gesamte Universum genug kleinräumig, um alle Teile kausal zu verknüpfen und also eine grosse Homogenität innerhalb der Raum-Zeit zu bewerkstelligen. (Die Vorstellung ist etwa die, dass Photonen genug Zeit zur Verfügung hatten, das damalige Universum zu durchfliegen, um ein thermisches Gleichgewicht herbeizuführen). Die übrig bleibende Inhomogenität oder Körnigkeit sorgte dann nach der eigentlichen Inflationsphase für das relativ rasche Entstehen grossräumiger Strukturen wie Galaxien oder Cluster.



Zur Expansion des Universums; LH~10^26m, LPlanck~10^-25m

Welche Gleichungen beschreiben dieses Szenario? Welcher Prozess löst die Inflation aus, und in welcher Theorie hat sie Platz? Diese Fragen lassen sich im Prinzip innerhalb der allgemeinen Relativitätstheorie beantworten, wenn nur das Universum nicht derart klein wäre, also zwangsläufig den Einbezug der QFT verlangen würde!
Ein Problem ist der Urknall selber. Wird nur die ART berücksichtigt, ergeben sich nach Hawking und Penrose beim Big-Bang Singularitäten, d.h. Raum-Zeit-Punkte, in denen physikalische Grössen unendlich werden. Physiker haben schon einmal gegen Singularitäten gekämpft, mit Erfolg: Unter dem Begriff Renormalisierung hat man ein Verfahren entwickelt, mit dem man die bei der elektroschwachen Wechselwirkung auftretenden Singularitäten in den Griff bekommt. Versuche, ein analoge Theorie für die Gravitation zu formulieren, sind jedoch auch nach zwanzig Jahren intensiver Bemühungen gescheitert. Weiter gibt Professor Veneziano zu bedenken, dass die Vorstellung von punktförmigen Elementarteilchen für das Beschreiben von Teilchenprozessen bei sehr grosser Energie (wie beim Urknall) wohl unzureichend ist. Er vergleicht dies anhand des Neutronzerfalls: die Elektro-schwache Theorie liefert bessere Resultate als die auf punktförmigen Partnern basierende Theorie von Fermi.


Der Neutronzerfall gemäss Fermi-Theorie bzw. Elektro-schwacher Theorie

Ist es möglich, eine solche Erweiterung auch für die Allgemeine Relativitätstheorie zu formulieren? Dies ist schwierig, denn die ART ist eine klassische Theorie, basiert also auf einem Raum-Zeit-Kontinuum, in dem (Punkt-)Ereignisse stattfinden oder eben nicht. Mit Hilfe von Strings – genauer Relativistic Quantum Strings - scheint es aber einen Weg aus der Sackgasse zu geben.
Ein String ist eine Verallgemeinerung eines punktförmigen Objekts. Man kann sich ein String vorstellen als eine vibrierende Saite. Je nach dem, wie die Saite angezupft wird, klingt sie anders. Genauso manifestiert sich ein String als dieses oder jenes Teilchen, je nachdem, in welchem Mode er schwingt, allerdings in einer 11-dimensionalen Raum-Zeit! Studiert man diese Teilchen unter Berücksichtigung der Quanteneffekte, lässt sich (vergleichbar mit dem Bohrradius) eine charakteristische Länge ableiten, die Stringlänge Ls, deren absoluter Wert allerdings noch nicht festliegt. Ferner können Quantenstrings im Gegensatz zu klassischen Strings einen Spin J haben, ohne eine Ruhemasse M aufzuweisen. Insbesondere findet damit das Graviton mit J=2 und M=0 einen „natürlichen“ Platz in der Stringtheorie. Das elektromagnetische Feld und das Gravitationsfeld erscheinen als halbklassische Näherungen einer solchen „Quantentheorie ausgedehnter Objekte“. (Das Enthalten von Näherungen bekannter Theorien ist übrigens das einzige prinzipiell nachprüfbare Kriterium einer brauchbaren Stringtheorie). Die Existenz einer LS- Länge sowie die neuen Kombinationen von Masse und Spin erlauben offenbar eine vereinheitlichte und endliche Theorie mit Strings, aufbauend auf der Quantenfeldtheorie. Das ist zwar sehr ermutigend, aber andererseits bleiben viele, mathematisch sehr schwierige Fragen offen und es fehlen auch experimentelle Resultate, die Stringtheorien (es gibt mehrere!) bestätigen würden.
Einsteins Idee einer vereinheitlichten lokalen Feldtheorie scheint mittels Stringtheorie realisierbar zu sein, aber auf ein Art und Weise, die vor 50 Jahren natürlich nicht vorhersehbar war und vor allem: nicht trotz der Quantenphysik, sondern wegen der Quantenphysik.
Des grossen Physikers Traum wurde wahr (wenigstens theoretisch!), aber anders als er gedacht hatte. Würde Einstein heute (entsprechend seinem Bonmot) immer noch in zweifelnder Manier sagen: „God does not play strings!“? Oder würde er heute anerkennen, dass Gott würfelt und sogar Saiten zupft?
Jedenfalls, die letzten 50 Jahre QT haben gezeigt, dass Gott ziemlich sicher Würfel spielt. Die vor uns liegenden 50 Jahre werden uns hoffentlich zeigen, ob der Würfel-Saiten-Cocktail Gott wohl bekommt oder nicht!

Hansjörg Friedli


Vorstellung des Laureaten
Am 29. Juni 2006 erhält Gabriele Veneziano, ein führender theoretischer Physiker die Albert Einstein-Medaille. Der 1942 geborene Preisträger lieferte in den sechziger Jahren entscheidende Beiträge zum Verständnis der Stringtheorie.

Veneziano wurde am 7. September 1942 in Florenz geboren. Nach seinem Physikstudium in Florenz wechselte er ans Weizmann Institute of Science in Israel, und schloss dort 1967 sein Doktorat ab. 1966 heiratete er Edy Pacifici, Professorin in Psycholinguistik an der Universität Paris. Venezianos haben zwei Töchter: Ariel, 1970 geboren und Erika, die 1976 auf die Welt kam.
Gabriele Veneziano ist ein sehr respektabler Tischtennis-Spieler. Er liebt gutes Essen und guten Wein, und kocht auch ab und zu gerne. Zu seinen Hobbies zählen auch das Wandern und Skifahren, Lesen gehört leider - so findet er - nicht zu seinen Lieblingsbeschäftigungen, hingegen hört er gerne Musik, vor allem italienische Opern. Am meisten erfüllt ihn aber nach wie vor die Forschung in theoretischer Physik; das Durchführen von schwierigen Berechnungen vergleicht er schmunzelnd mit einem mentalen Fitnessprogramm.
Sein weiterer akademischer Weg führte ihn 1968 ans MIT, Cambridge und 1972 ans Weizmann Institut, wo er von 1975 bis 1977 eine Professur innehatte. Er ist seit 1978 Senior Staff Member am CERN und seit 2004 Professor am Collége de France in Paris. Neben vielen anderen Auszeichungen erhielt er 2005 den Enrico Fermi Preis.
Venezinano gelang 1968 eine Beschreibung stark wechselwirkender Elementarteilchen, indem er sie als fibrierende Fäden oder schwingende Saiten und nicht als punktförmige Gebilde auffasste, was ihn zum Vater der sogenannten String-Theorie machte. So lässt sich beispielsweise ein String-Mode (d.h. ein Resonanz-Muster oder Saiten-Konsonanz) in einem gedachten Raum als Proton und ein anderer Grundton derselben Saite als Neutron interpretieren. Veneziano entdeckte weiter, dass sich die Euler-Beta-Funktion als Streuamplitude (sogenannte Veneziano-Amplitude) verwenden liess, um Eigenschaften stark wechselwirkender Teilchen zu beschreiben. Leider konnte die "String-Theorie der ersten Stunde" die Stabilität des Atomkerns nicht erklären und es wurde vorerst still um die recht abstrakte Theorie. Veneziano beschäftigte sich in der Folge mit der Quantenchromodynamik, zu deren Formulierung er namhafte Beiträge lieferte. Die String-Theorie feiert als Superstringtheorie seit den achziger Jahren ein eigentliches Comeback; Veneziano war einer der ersten, der die String-Kosmologie z. B. auf schwarze Löcher oder den Big-Bang anwendete. Sie ist in der Lage, gewisse Probleme im Zusammenhang mit der Big-Bang-Singularität zu umgehen und - wenn auch spekulative - Aussagen über das Universum "vor dem Urknall" zu machen.

Hansjörg Friedli

 
 
5132 Besucher, 5132 Anfragen (seit August 2003)