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Woraus sind wir gemacht?

Heute Abend möchte ich ihnen von einer der größten Frage in der Wissenschaft erzählen. Es ist eine Frage, die mindestens zweieinhalb Tausend Jahre zurückgeht, bis zu den alten Griechen. Und es ist eine Frage, die in diesem Raum diskutiert wurde, viele, viele Male während der vergangenen 200 Jahre, und es ist eine wichtige Frage. Und ich denke, es ist wichtig, dass wir sie erneut stellen. Und die Frage ist folgende, sie lautet: Woraus sind wir gemacht? Was sind die Grundbausteine der Natur, aus denen sie und ich und alles andere im Universum geschaffen sind? Das ist die Geschichte, die ich ihnen erzählen möchte. Ich möchte es versuchen und ihnen einen Überblick verschaffen, über unser derzeitiges Verständnis. Ich möchte ebenfalls versuchen, ihnen einen Überblick zu geben, wohin wir hoffen, in der Zukunft zu kommen, welchen Fortschritt wir hoffen dürfen, in den nächsten paar Jahren und Jahrzehnten machen zu können. Wir werden in diesem Vortrag durchaus ein großes Feld abdecken. Ich sollte sie jetzt warnen, nicht nur weil ich buchstäblich jedes einzelne Ding in diesem Universum erörtern werde. Wir werden über andere Dinge reden, darüber was am weltstärksten Teilchenbeschleuniger geschieht. Das ist eine Maschine, die "Large Hadron Collider" genannt wird, oder abgekürzt "LHC" Sie wird in diesem Vortrag immer wieder vorkommen. Es ist eine unterirdische Maschine an einem Ort, der CERN genannt wird, was außerhalb von Genf gelegen ist. Wir reden auch über Experimente in den letzten paar Jahren, die in der Zeit zurückblicken Richtung Urknall, die uns Erkenntnisse darüber geben, was während der ersten Bruchteile einer Sekunde geschah, nachdem die Zeit ansich zu existieren begann. Und vor allem, möchte ich ihnen auch eine Vorstellung von die theoretischen abstrakten Ideen und sogar eine kleinen Eindruck von der Mathematik geben, denen unser derzeitiges Verständnis des Universums unterliegt. Denn ich bin ein theoretischer Physiker. Was ich mache, ist, die Gleichungen zu studieren, versuchen, die Gleichungen zu verstehen, die die Welt regieren, in der wir leben. Und so möchte ich ihnen eine Eindruck vermitteln, worum es geht. Irgendwann -- ich sollte sie warnen -- irgendwann zeige ich ihnen sogar eine Gleichung. Es gibt Lehrgänge darüber, wie man solche Vorträge hält. Es gibt eine Nummer-Eins-Regel. Die Nummer-Eins-Regel ist: Zeig ihnen niemals irgendeine Gleichung, wenn du ihnen eine Gleichung zeigst, erschreckst du sie nur. Irgendwann in dieser Lektion, werden sie alle erschreckt werden, also bereiten sie sich vor. OK? OK Wissen sie, es gibt eine traditionelle Art, Vorträge wie diesen, zu beginnen. Die traditionelle Art ist, sehr kultiviert zu sein und darüber zu reden, was Demokrit und Lukrez sagten vor zweieinhalb Tausen Jahren, und die Vorstellung, die die alten Griechen von den Atomen hatten. Aber wissen sie, so möchte ich nicht anfangen. Wir haben in zweieinhalb Tausend Jahren viele Fortschritte gemacht, und wissen sie, es gibt einfach bessere Startpunkte, einen Wissenschaftsvortrag zu beginnen. Demnach ist das erste moderne Bild, das wir davon haben, woraus das Universum gemacht ist, woraus wir alle gemacht sind, dieses. Ich hoffe, das ist den meisten Leuten hier vertraut. Das ist das Periodensystem der Elemente. OK? Es ist eines der anschaulichsten Bilder in der gesamten Wissenschaft. Was wir hier haben, sind 120 unterschiedliche Elemente. Ich sollte hervorheben, nicht weniger als 10 von ihnen sind in genau diesem Gebäude entdeckt worden, und machen -- oder zumindest dachte man das im 19. Jahrhundert -- machen alles aus, das in der Natur existiert. Natürlich ist es wahr, dass jedes Material, das man vorfindet, in seine Bestandteile zerlegt werden kann, und man wird festellen, dass alle seine Bestandteile aus einem der 120 Elemente gemacht sind. Es ist von großer Bedeutung für die Wissenschaft. Es ist wirklich ein Triumph der Wissenschaft. Und ich sollte hinzufügen, das ist auch der Grund, warum ich aufhörte, in der Schule Chemie zu machen. Wenn man ein Chemiker ist, ist das im Grunde so gut, wie es halt sein kann. Wissen sie, wenn wir ehrlich sind, ist es ein Schlamassel. Alles im Universum wird eingeteilt in Dinge auf der linken Seite, die knallen, wenn man sie in Wasser taucht, bis zu Dingen auf der rechten Seite, die, wenn wir ehrlich sind, überhaupt nicht sehr viel machen. Man organisiert alles nach diesem törichten Muster. Und es sieht ein wenig wie Australien aus. Es gibt oben eine große Vertiefung, und dann gibt es diese beiden Streifen von Elementen, die an der unteren Seite platziert werden müssen, weil es keinen Platz in der Mitte gibt, wo sie hingehören. Wissen sie, ich weiß nicht, wie es bei ihnen ist, wenn man mich fragen nach einer fundamentalen Einteilung fragen würde, von allem im Universum, das ist nicht das, was ich gut finden würde. Gibt es Chemiker im Publikum? [GELÄCHTER] Tut mir leid für euch. OK. Aber wissen sie, damit bin ich nicht allein. Nicht nur ich bin es, der denkt, es ist eine alberne Art, Natur zu organisieren. Die Natur selbst denkt, es ist eine alberne Art, Natur zu organisieren. Natürlich wissen wir, das ist nicht nicht das Grundlegende -- das ist nicht das Ende der Geschichte. Das sind nicht die Grundbausteine. Und die erste Person, die erkannt hat, dass es etwas Tieferes als das gibt, war ein Physiker in Cambridge, genannt JJ Thomson. Am Ende des 19. Jahrhunderts entdeckte JJ Thomson ein Teilchen, das kleiner war als das Atom, das wir heute Elektron nennen. Und 1897 verkündete er dies in diesem Raum -- tatsächlich, in dieser Vorlesungsreihe -- einem sprachlosen Publikum, einem Publikum, das so fassungslos war, dass mindestens die Hälfte von ihnen nicht glaubte, was er sagte. Es gab einen bedeutenden Wissenschaftler, der JJ Thomson hinterher erzählte, er dachte, das Ganze sein ein Scherz, dass JJ Thomson sie nur auf den Arm genommen habe. Aber natürlich ist das kein Scherz. Das sind nicht die fundamentalen Elemente der Natur. Und innerhalb der 15 Jahre nach JJ Thomsons Entdeckung hat sein Nachfolger in Cambirdge, ein Mann namens Ernest Rutherford, herausgefunden, woraus diese Atome genau gemacht sind. Und das ist das Bild, das sich Rutherford ausgedacht hat. Wir wissen, dass jedes dieser Elemente aus einem Kern besteht, der winzig ist. Die Metapher, die Rutherford selbst benutzte war, es ist wie eine Fliege im Mittelpunkt der Kathedrale. Und dann umkreisen diesen Kern in, was ich hinzufügen sollte, ziemlich verschwommen Umlaufbahnen, die Elektronen, welche den Rest des Raums sehr spärlich ausfüllen. Nun, das ist ein Bild dieser Atome. Anschließend haben wir gelernt, dass der Kern seinerseits nicht fundamental ist. Der Kern beinhaltet kleinere Teilchen. Es sind Teilchen, die wir heute Protonen und Neutronen nennen. Und in den 1970er Jahren lernten wir, dass Protonen und Neutronen auch nicht fundamental sind. In den 1970er lernten wir, dass es innerhalb jedes Protons und Neutrons drei kleinere Teilchen gibt, die wir Quarks nennen. Es gibt zwei unterschiedliche Arten von Quarks. Ich vermute, in den 1970ern hatten Physiker keine klassische griechische Ausbildung, und ihnen sind irgendwie die klassischen Namen ausgegangen. Deshalb nennen wir diese Quarks das Up-Quark und das Down-Quark. OK? Ohne guten Grund. Es ist nicht so, dass das Up-Quark höher ist als das Down-Quark. Es ist nicht so, dass es nach oben zeigt. Ohne guten Grund. Das Up-Quark und das Down-Quark. Demnach besteht das Proton aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark. Und das Neutron besteht aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark. Das sind, soweit wir heute wissen, die fundamentalen Bausteine der Natur. Wir haben niemals irgendetwas Kleineres als das Elektron entdeckt, und wir haben niemals etwas Kleineres entdeckt als die Quarks. Also haben wir drei Teilchen, aus denen alles, was wir kennen gemacht ist. Und das ist betonenswert, das ist irgendwie erstaunlich. Wissen sie? Wir halten es für selbstverständlich. Wir lernen das in der Schule. Wir denken wirklich nicht tiefer darüber nach. Alles, was wir in der Welt sehen, die ganze Vielfalt in der natürlichen Welt, sie, ich, alles um uns herum, nur die drei Teilchen in etwas unterschiedlichen Anordnungen, immer weiter wiederholt und immer weiter. Man kann daraus eine eine erstaunliche Lehre ziehen, wie die Welt zusammengesetzt ist. Das ist es, was wir haben. Wir haben ein Elektron und zwei Quarks. Und wissen sie, das sind nicht die Grundbausteine, über die die alten Griechen nachgedacht haben, und es sind natürlich nicht die Grundbausteine, über die die Viktorianer nachgedacht haben. Aber wissen sie, der Geist des Problems hat sich nicht wirklich geändert. Der Geist ist genau, was Demokrit vor 2.500 Jahren sagte, dass sie wie LEGO-Steine sind, aus denen alles in der Welt gemacht ist. Diese LEGO-Steine sind Teilchen, und die Teilchen sind Elektron und zwei Quarks. Es ist ein sehr nettes Bild. Es ist ein sehr bequemes Bild. Es ist das Bild, das wir Kindern in der Schule lehren. Es ist das Bild, das wir sogar Studenten beibringen in den Unterkursen der Universitäten. Und es gibt ein Problem damit. Das Problem ist, es ist eine Lüge. Es ist eine Notlüge. Es ist eine Notlüge, die wir unseren Kindern erzählen, weil wir sie nicht so früh mit der schwierigen und angsteinflößenden Wahrheit konfrontieren möchten. Es macht es leichter lernbar, wenn man glaubt, dass diese drei Teilchen die Grundbausteine des Universums sind. Aber es ist einfach nicht wahr. Die besten Theorien, die wir in der Physik haben, legen nicht das Quark-Teilchen und die zwei Quark-Teilchen -- entschuldigung, das Elektron-Teilchen und die zwei Quark-Teilchen zugrunde. Tatsächlich bauen unsere besten Theorien der Physik überhaupt nicht auf Teilchen auf. Die besten Theorien, die wir haben, sagen uns, dass die Grundbausteine der Natur keine Teilchen sind, sondern etwas viel Unklareres und Abstrakteres. Die Grundbausteine der Natur sind flüssigkeitsähnliche Substanzen, die über das ganze Universum verbreitet sind und sich auf komische und interessante Weise kräuseln. Das ist die gundlegende Wirklichkeit, in der wir leben. Für diese flüssigkeitsähnlichen Substanzen haben wir einen Namen. Wir nennen sie Felder. Das ist ein Bild eines Feldes. Das ist nicht die Art von Feld, die Physiker im Sinn haben. Wenn sie ein Landwirt sind, denken si, das sit ein Feld, oder wenn sie ein normaler Mensch sind. Wenn sie ein Physiker sind, haben sie ein ganz unterschiedliches Bild in ihrem Kopf, wenn sie an Felder denken. Und ich werde ihnen die allgemeine Definition eines Feldes nennen, und dann werden wir ein paar Beispiele durchgehen, damit sie damit vertraut werden. Die Definition eines Feldes für einen Physiker ist folgende: Es ist etwas, das überall verbreitet ist im gesamten Universum. Es ist etwas, das einen bestimmten Wert hat, an jedem Punkt im Raum. Und noch mehr, der Wert kann sich mit der Zeit ändern. Ein gutes Bild in der Vorstellung ist eine Flüssigkeit, die sich kräuselt und schaukelt im gesamten Universum. Nun, es ist keine neue Vorstellung. Es ist keine Vorstellung, die wir uns überlegt haben. Es ist eine Vorstellung, die beinahe 200 Jahre zurückliegt. Und wie so viele andere Sachen in der Wissenschaft, ist es eine Vorstellung, die in genau diesem Raum erschaffen wurde. Ich bin sicher, dass es vielen von ihnen bewusst ist, das ist die Heimat von Michael Faraday. Und Michael Faraday eröffnete diese Vorlesungsreihe 1825. Er gab über einhundert dieser Freitagabend-Diskurse und die große Mehrheit von ihnen handelte von seinen eigenen Entdeckungen durch die Experimente, die er durchführte über Elektrizität und Magnetismus. Und er machte viele Dinge mit Elektrizität und Magnetismus über viele Jahrzehnte. Und mit der Durchführung entwickelte er eine Intuition dafür, wie elektrische und magnetische Phänomene funktionieren. Und diese Intuition ist das, was wir jetzt das elektromagnetische Feld nennen. In seiner Betrachtung waren überall im gesamten Raum diese unsichtbaren Objekte, genannt das elektrische und magnetische Feld. Nun, das lernten wir in der Schule. Nochmal, es ist etwas, das wir als gegeben hinnehmen, weil wir es im frühen Alter gelernt haben, und wir können gar nicht abschätzen, wie groß und radikal der Schritt in Faradays Vorstellung ist. Ich möchte betonen, es ist eine der revolutionärsten, abstrakten Ideen in der Geschichte der Wissenschaft, dass diese elektrischen und magentischen Felder existieren. Lassen sie mich -- ich möchte eine Vorführung machen. Ich bin nicht nur ein theoretischer Physiker. Ich bin ein sehr theoretischer Physiker Es ist sehr schwer für mich, irgendeine Art Experiment zu machen, das funktioniert. Aber ich werde ihnen etwas zeigen, was sie alle schon gesehen haben. Das sind Magnete. OK? Und wir haben alle diese Spiele gespielt, als wir Kinder waren oder als wir in der Schule waren. Man nimmt diese Magnete und bewegt sie aufenander zu. Und sowie sie näher zusammen kommen, gibt es diese Kraft, die man nicht einordnen kann, die sich aufbaut und drückt, der Druck, der drückt gegen diese zwei Magnete. Und es ist egal wie oft man das macht, und es ist egal, wie viele Titel in Physik man hat, es ist einfach ein bisschen magisch. Kennen sie das? Und sie alle kennen das. Es gibt etwas Besonderes an diesem unheimlichen Gefühl, das man zwischen diesen beiden Magneten bekommt. Und das war Faradays Genialität. Es war, zu erkennen, dass obwohl man dazwischen nichts sehen kann egal, wie nahe man auch schaut, der Raum zwischen den Magneten leer zu sein scheint, er sagte, nichtsdestotrotz, es ist etwas Reales dazwischen. Es gibt etwas Reales und Physikalisches, das unsichtbar ist, aber es baut sich auf, und das ist es, was verantwortlich ist für die Kraft. Er nannte es Kraftlinien. Wir nennen es jetzt magnetisches Feld. Das ist ein Bild von Michael Faraday. Das ist ein Bild von Michael Faraday, wie er unterrichtet hinter genau diesem Tisch. Hier ist eine Abbildung von einem von Michael Faradays Unterlagen. Ich wurde schon früher einmal darauf hingewiesen. Wenn sie gehen, sehen sie hier gleich eine Tapete. Die Tapete hat dieses Muster, dieses Bild wiederholt sich immer und immer wieder darauf. Und unten dran ist eine von Michael Faradays berühmtesten Demonstrationen, die er hier gemacht hat. Nun werde ich sie hindurchführen durch das, was Michael Faraday gemacht hat. Das Ding rechts mit der Hand darauf ist eine kleine Spule. Das ist eine Batterie, und die schickt einen Strom durch die Spule. Und dabei entsteht ein magnetisches Feld, das darin induziert wurde. Es wurde Solenoid (Zylinderspule) genannt. Und Faraday tat Folgendes: Er bewegte einfach diese kleine Spule A durch die große Spule B, nämlich so. Und etwas Wundersames geschah. Wenn man das macht, entsteht ein bewegtes Magnetfeld. Faradays großartige Entdeckung war die Induktion. Es gibt einen Anstieg des Stromes in B, der dann dort am Ende des Tisches eine Nadel so zucken ließ. Extrem einfach. Man bewegt ein Magnetfeld und es entsteht ein Stromfluss, der eine Nadel wackeln lässt auf der anderen Seite des Tisches. Das erstaunte ein Publikum im 19. Jahrhundert. Denn man macht etwas und beeinflusst die Nadel auf der anderen Seite des Tisches, dabei hat man die Nadel nie berührt. Das war einmalig. Man kann etwas bewegen, ohne jemals nahe daran gekommen zu sein, ohne es je zu berühren. Wir sind etwas abgestumpft heutzutage. Sie können das gleiche Experiment machen. Sie können ihr Handy abnehmen, sie können ein paar Knöpfe drücken, sie können jemanden anrufen am anderen Ende der Erde innerhalb von Sekunden. Aber es ist dasselbe Prinzip. Aber dies war das erste Mal, dass vorgeführt wurde, dass das Feld real ist. Man kann kommunizieren, indem man das Feld nützt, man kann weit entfernte Dinge beeinflussen, indem man das Feld nützt, ohne sie jemals zu berühren. Das ist das Vermächtnis von Michael Faraday. Es gibt nicht nur Teilchen in der Welt. Es gibt andere Objekte, die etwas subtiler sind, die Felder genannt werden und sich über das gesamte Universum erstrecken. Übrigens, man kann das Genie von Michael Faraday wirklich hoch schätzen, er gab diese Vorlesung 1846. Er hielt viele Vorlesungen 1846, aber as gab eine bestimmte, die er 20 Minuten früher beendete. Er wusste nichts mehr zu sagen, also stellte er 20 Minuten lang Vermutungen an. Und Faraday unterstellte, dass diese unsichtbaren elektischen und magnetischen Felder, die er postulierte, buchstäblich das einzige seien, was wir jemals gesehen hätten. Er unterstellte, das die Kräuselungen des elektomagnetischen Feldes, das sind, was wir Licht nennen. Und so dauerte es eine 50jährige Lehrzeit für Leute wie Maxwell und Hertz, um zu bestätigen, dass dies tatsächlich das ist, woraus Licht besteht, aber es war Faradays Genialität, die anzuerkennen ist, dass es Wellen im elektromagnetischen Feld sind, und diese Wellen sind das Licht, das wir um uns herum sehen. OK. Also das ist Faradays Vermächtnis. Aber es stellte sich heraus, dass diese Vorstellung von Feldern noch viel wichtiger war, als Faraday erkannt hatte. Und es dauerte über 150 Jahre für uns, die Wichtigkeit diese Felder einschätzen zu können. Das, was in diesen 150 Jahren geschah, war eine kleine Revolution innerhalb der Wissenschaft. In den 1920ern erkannten wir, dass sich die Welt sehr von den allgemein anerkannten Vorstellungen unterscheidet, die uns Newton und Galileo Jahrhunderte zuvor beschert hatten. In den 1920 erkannten Leute wie Heisenberg und Schrödinger, dass in den kleinsten Maßstäben, in den mikroskopischen Maßstäben, die Welt viel geheimnisvoller und widersprüchlicher ist, als wir uns jemals vorstellen konnten, dass sie sein könnte. Das ist freilich die Theorie, die wir jetzt als Quantenmechanik kennen. Es gibt eine Menge, was ich über Quantenmechanik erzählen könnte. Lassen sie mich einen der Höhepunkte der Quantenmechanik nennen. Einer ist, dass Energie nicht kontinuierlich ist. Energie auf der Welt ist immer gepackt in kleine Klümpchen. Das ist es tatsächlich, was das Wort Quantum bedeutet. Quantum bedeutet einzeln oder Stückchen. Der wirkliche Spaß beginnt dann, wenn man versucht, die Vorstellung der Quantenmechanik herzunehmen, die aussagt, dass die Dinge unterteilt sein sollen, und man versucht, sie zu kombinieren mit Faradays Vorstellung von Feldern, die sehr kontinuierliche, sanfte Objekte sind, die im Raum schwingen und oszillieren. Die Vorstellung, diese beiden Theorien miteinander zu kombinieren, ist das, was wir Quantenfeldtheorie nennen. Und hier sind die Auswirkungen der Quantenfeldtheorie: Die erste Auswirkung ist, was mit dem elektromagnetischen Feld geschieht. Faraday lehrte uns, und später Maxwell, dass Wellen des elektromagnetischen Feldes das sind, was wir Licht nennen. Aber wenn man die Quantenmechanik darauf anwendet, findet man heraus, dass diese Lichtwellen durchaus nicht so glatt und kontinuierlich sind, wie sie erscheinen. Wenn man Lichtwellen ganz genau anschaut, wird man feststellen, dass sie aus Teilchen bestehen. Es sind kleine Teilchen aus Licht, und dies sind Teilchen, die wir Photonen nennen. Die Magie dieser Vorstellung ist, dass dasselbe Prinzip auf jedes einzelne andere Teilchen im Universum zutrifft. Es gibt, ausgebreitet überall im Raum etwas, das wir das Elektonfeld nennen. Es ist wie eine Flüssigkeit, die den Raum füllt und tatsächlich das gesamte Universum. Und die Kräuselungen dieser Elektronenflüssigkeit, die Kräuselungen der Wellen dieser Flüssigkeit werden gebündelt in kleine Energiepakete nach den Gesetzen der Quantenmechanik, und diese Energiepakete sind das, was wir als das Teilchen bezeichnen, das Elektron. Alle Elektronen in unserem Körper sind nicht fundamental. Alle Elektronen, die in unserem Körper existieren, sind Wellen desselben zugrundeliegenden Feldes. Und wir sind alle verbunden miteinander. Genau wie die Wellen auf dem Ozean alle zu dem zugrundeliegenden Ozean gehören, sind die Elektronen in ihrem Körper Kräuselungen desselben Feldes wie die Elektronen in meinem Körper. Es gibt noch mehr als das. In diesem Raum gibt es auch zwei Quarkfelder. Und die Kräuselungen dieser beiden Quarkfelder verursachen das, was wir als das Up-Quark und das Down-Quark bezeichnen. Und das gleiche trifft für jede andere Art von Teilchen im Universum zu. Es gibt Felder, denen alles zugrunde liegt. Und woran wir als Teilchen denken, sind nicht wirklich Teilchen, sie sind Wellen dieser Felder, gebündelt in kleinen Paketen aus Energie. Das ist das Vermächtnis von Faraday. Das ist es, wohin uns Faradays Vorhersagen gebracht haben. Es gibt keine Teilchen in der Welt. Die grundlegenden, fundamentalen Bausteine unseres Universums sind diese flüssigkeitsgleichen Substanzen, die wir als Felder bezeichnen. Gut. OK. Was ich im Rest dieses Vortrages machen möchte, ist ihnen zu erzählen, wohin diese Verstellungen uns bringen. Ich möchte ihnen darüber erzählen, was es bedeutet, dass wir nicht aus Teilchen bestehen. Wir sind gemacht aus Feldern. Und ich möchte ihnen erzählen, was wir damit anfangen können und wie wir das Universum um uns herum am besten verstehen können. OK? Hier ist das Allererste. Nehmen sie eine Kiste und entfernen sie jedes einzelne Ding, das existiert, aus der Kiste heraus. Nehmen sie alle Teilchen aus der Kiste, alle Atome aus der Kiste. Was zurückbleibt ist ein reines Vakuum. Und so sieht das Vakuum aus. Was sie hier sehen, ist eine Computersimulation, auf Boden unserer besten physikalischen Theorie von etwas, das wir Standardmodell nennen, was ich ihnen später vorstellen werde. Aber es ist eine Simulation von absolut gar nichts. Das ist leerer Raum. Buchstäblich leerer Raum mit nichts darin. Das ist das Einfachste, das man sich im Universum vorstellen kann. Und man sieht, es ist ein interessanter Ort, ein leerer Raum. Er ist nicht öde und langweilig. Was man hier sieht ist, dass sogar wenn man die Teilchen entfernt, die Felder bestehen bleiben. Das Feld ist da. Sogar noch mehr, das Feld unterliegt den Regeln der Quantenmechanik. Und es gibt ein Prinzip in der Quantenmechanik, das die Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation gennant wird, das aussagt, es ist nicht erlaubt, still zu sitzen. Und das Feld muss dem gehorchen. Sogar wenn es nichts anderes gibt, das Feld sprudelt und schwankt in einer durchaus komplizierten Art und Weise. Diese Dinge nennen wir Vakuum-Quantenfluktuationen. Aber so sieht das Nichts aus, betrachtet aus der Perspektive unserer derzeitigen Theorien der Physik. Es lohnt sich zu sagen, dass das eine Computersimulation ist. Es sieht ein wenig aus wie ein Cartoon, aber es ist tatsächlich eine mächtige Computersimulation, und es hat lange gedauert, sie zu erstellen. Aber sie sind nicht nur theoretisch. Diese Quantenflutuationen in dem reinen Vakuum, sind Dinge, die wir messen können. Es gibt etwas, das als Casimir-Kraft bezeichnet wird. Die Casimir-Kraft ist eine Kraft zwischen zwei Metallplatten, die zusammengedrückt werden, allein weil es außerhalb mehr von diesem Zeug gibt, als innerhalb. Und sie sind real. Das sind Dinge, die wir messen können, und sie verhalten sich so, wie wir sie gemäß unserer Theorien vorhersagen würden. Das ist also Nichts. Und das bringt mich zur mathematischeren Seite dieses Vortrags. Denn es gibt eine Herausforderung. Das ist die einfachste Sache, die wir uns im gesamten Universum vorstellen können, und es ist kompliziert. Es ist erstaunlich kompliziert. Es wird nicht einfacher als das. Wenn man jetzt nicht Nichts, sondern ein einzelnes Teilchen verstehen möchte... nun, das ist viel komplizierter als das. Und wenn man 10^23 Teilchen verstehen möchte, die alle irgendetwas Interessantes machen, ist das wirklich sehr viel komplizierter als das. Es gibt ein Problem bei -- es ist mein Problem, nicht ihres -- bei der Bewältigung dieser fundamentalen Darstellung des Universums das ist, dass es einfach nur schwer ist. Die Mathematik, die wir verwenden, um Quantenfelder zu beschreiben, um alles zu beschreiben, woraus wir gemacht sind zu den Bedingungen der Quantenfelder, ist erheblich schwieriger als die Mathe, die in vielen anderen Gebieten oder Wissenschaft auftritt. Es ist wirklich schwierig. Ich kann es aus folgendem Blickwinkel zeigen: Es gibt eine Liste mit sechs offenen Problemen in der Mathematik. Sie werden als die sechs härtesten Probleme in der Mathematik betrachtet. Es waren einmal sieben, aber ein verrückter russischer Typ hat eines von ihnen gelöst. Also sind noch sechs übrig. Man kann eine Million gewinnen, wenn man eines dieser Probleme lösen kann. Wenn man ein kleines Bisschen von Mathematik versteht, es geht um Dinge wie die Riemann-Hypothese oder P versus NP. Es sind die Art berühmter schwieriger Probleme. Das ist eines der sechs Probleme. Sie gewinnen eine Million Dollar, wenn sie das verstehen können. Also was bedeutet das? Es bedeutet nicht, dass man einfach einen großen Computer bauen kann und einfach aufzeigen, dass es sie gibt. Es bedeutet: Kann man durch Lösen der Gleichungen von den ersten Grundlagen an, die Muster verstehen, die mit diesen Quantenfluktuationen entstehen? Es ist ein außerordentlich schwieriges Problem. Wissen sie, es beschreibt das, was ich mache. Ich kenne nicht eine einzige Person in der Welt, die momentan an diesem Problem arbeitet. Das zeigt, wie schwer es ist. In Wirklichkeit wissen wir sogar nicht einmal, wie wir anfangen sollen, diese Art von Vorstellung der Quantenfeldtheorie zu begreifen. OK. Auf das Thema, welche mathematischen Herausforderungen auftauchen, werden wir später in diesem Vortrag noch zurückkommen. Nun möchte ich ein kleine Ablenkung bieten, für ein paar Minuten, und ihnen einen Eindruck verschaffen darüber, was wir mathematisch können und was wir mathematisch nicht können, in der Art, dass ich ihnen sage, wie der momentane Stand im Verständnis der Quantenfeldtheorien ist, denen das Universum zugrundeliegt. Es gibt Zeiten, da verstehen wir extrem gut, was los ist mit den Quantenfeldern. Und das passiert grundsätzlich, wenn die Fluktuationen sehr ruhig und gezähmt sind, nicht wild und kräftig. Diese hier sind groß. Aber wenn sie viel ruhiger sind, wenn das Vakuum mehr wie ein Mühlteich ist, als ein wütender Sturm. In diesen Fällen denken wir wirklich, dass wir wissen, was wir tun. Um das zu untermalen möchte ich ihnen dieses Beispiel geben: Diese Zahl g ist eine besondere Eigenschaft des Elektron-Teilchens. Ich werde schnell erklären, was es ist. Das Elektron ist ein Teilchen, und es zeigt sich, dass sich das Elektron dreht. Es kreist ziemlich änlich wie die Erde kreist. Und es hat eine Drehachse. Und man kann diese Drehachse verändern. Und man verändert sie dadurch, dass man ein Magnetfeld, wie dieses, Und in Anwesenheit eines Magnetfeldes wird sich das Elektron drehen. Das Elektron wird an einem Ort bleiben, aber sich drehen. Und die Drehachse wird langsam so rotieren. Das wird Präzession genannt. Und die Geschwindigkeit mit der sich die Achse dieses Spins verändert, ist vorgegeben, durch diese Zahl hier. OK? Das ist nicht das Wichtigste in dem großen Bild, jedoch historisch war das extrem wichtig in der Geschichte der Physik, weil es sich herausstellte, dass dies eine Zahl ist, die man sehr, sehr genau in Experimenten messen kann. Und so wurde diese Zahl eine Art Testumgebung für uns, um zu sehen, wie gut wir die Theorien verstehen, denen die Natur unterliegt, und im Besonderen die Quantenfeldtheorie. Lassen sie mich erklären, was sie hier sehen. Die erste Zahl ist das Ergebnis vieler, vieler Jahrzehnte mühevoller Experimente, bei denen sehr, sehr genau diese Eigenschaft des Elektrons gemessen wurde. Es wird magnetisches Dipolmoment genannt. Und die zweite Zahl ist das Ergebnis vieler, vieler Jahre sehr beschwerlicher Berechnungen, mit Bleistift und Papier und dem Versuch mit den ersten Grundlagen der Quantenfeldtheorie, vorherzusagen, wie das magnetische Dipolmoment der Elektronen sein sollte. Und sie sehen, es ist einfach spektakulär. Und es gibt nirgendwo sonst in der Wissenschaft eine derartige Übereinstimmung zwischen der theoretischen Berechnungen und der experimentellen Messungen. Ich denke, es sind 12 oder 13 geltende Ziffern. Es ist wirklich erstaunlich. In jedem anderen Gebiet der Wissenschaft würde man vor Freude auf und ab hüpfen, wenn man die ersten beiden Ziffern richtig hätte. Wirtschaftswissenschaftler nicht mal das. [GELÄCHTER] Das ist es, wo wir gerade stehen in der Physik, an einem guten Tag, wenn wir wirklich wissen, was wir damit anfangen. Es ist erheblich besser, als alle anderen Gebiete der Wissenschaft. 12 geltende Ziffern. Aber das habe ich ihnen natürlich deshalb gezeigt, weil es unser bestes Ergebnis ist. Es gibt viele andere Ergebnisse, die keineswegs annähernd so gut sind. Und die Schwierigkeit beginnt, wenn diese Vakuum- Fluktuationen anfangen wilder und stärker zu werden. Lassen sie mich ihnen ein Beispiel geben. Es sollte für uns möglich sein, hinzusitzen und von den ersten Grundsätzen an, die Masse des Protons zu berechnen. Wir haben die Gleichungen. Alles sollte klar sein. Wir müssen nur hart arbeiten und herausfinden, wie die Masse des Protons ist, nur mit Berechnungen. Wir haben das versucht seit jetzt ungefähr 40 Jahren. Wir kommen heran mit einer Genauigkeit von etwas um die 3%. Was nicht schlecht ist. Wir sind 3% dran. Aber wir sollten viel, viel besser sein. Wir sollten diese Stufe der Genauigkeit erreichen. Und der Grund ist sehr einfach. Wir haben die richtige Gleichung. Wir sind durchaus sicher, dass wir die richtige Gleichung lösen. Es ist nur so, dass wir nicht schlau genug sind, sie zu lösen. In 40 Jahren, mit den weltstärksten Computern, haufenweise schlauer Leute, haben wir es nicht geschafft, es herauszufinden. OK. Es gibt andere Situationen, von denen ich ihnen nicht erzählen werde, wo wir die Füße nicht mal auf den Boden bekommen. Es gibt Situationen, in denen wir aus ziemlich unscheinbaren Gründen nicht in der Lage sind, Computer zuhilfe zu nehmen, und wir einfach keine Ahnung haben, was wir machen. Es ist also eine etwas seltsame Situation. Wir besitzen diese physikalischen Theorien, es sind die besten Theorien, die wir jemals entwickelt haben, wie sie daran sehen können, aber gleichzeitig, sind sie die Theorien, die wir am wenigsten verstehen, und um einen Fortschritt zu machen, haben wir eine Art Balanceakt zwischen Vermehrung unseres theoretischen Wissens und Herausfinden, wie wir das in unseren Experimenten anwenden können. Aber noch einmal, zu diesem Thema werde ich später noch kommen, am Ende der Vorlesung. Gut. Bis jetzt hab ich ein bisschen über das Allgemeine geredet, woraus wir bestehen. Und das ist der Höhepunkt, der die Hälfte des Vortrages markiert. Sie bestehen alle aus Quantenfeldern, und ich verstehe sie nicht. Ich verstehe sie nicht einmal so gut, wie ich denke, dass ich sie verstehen sollte. Was ich jetzt machen möchte ist, ein wenig mehr in die Besonderheiten einzutauchen. Ich möchte ihnen genau erzählen, woraus Quantenfelder bestehen. Genaugenommen sage ich ihnen, welche Quantenfelder im Universum existieren. Und die guten Neuigkeiten sind, nicht viele von ihnen. Ich erzähle ihnen einfach alles von ihnen. Wir haben mit dem Periodensystem angefangen. Das ist das neue Periodensystem. Und es ist viel einfacher. Es ist viel netter. Es gibt die drei Teilchen, aus denen wir alle bestehen. Es gibt das Elektron und die zwei Quarks, das Up-Quark und das Down-Quark. Und wie ich betonet habe, die Teilchen sind nicht fundamental. Was wirklich fundamental ist, ist das Feld, das ihnen zugrundeliegt. Und dann stellt sich heraus, es gibt ein viertes Teilchen, über das wir bis jetzt noch gar nicht geredet haben. Es heißt Neutrino. Es ist nicht wichtig bei dem, woraus wir gemacht sind, aber es spielt woanders eine wichtige Rolle im Universum. Diese Neutrinos sind überall. Sie haben sie noch nie wahrgenommen, aber seit ich mit dem Vortrag angefangen habe sind ungefähr 10^14 von ihnen durch den Körper jedes einzelnen von ihnen geströmt, so viele kommen sowohl von oben aus dem All, als auch von unten, denn sie strömen den ganzen Weg durch die Erde und fliegen davon. Die sind nicht sehr gesellig. Sie wechselwirken nicht. Also das ist es, woraus alles besteht. Das sind die vier Teilchen, die den Grundstein unseres Universums bilden. Ausgerechnet dann passierte etwas Komisches Aus einem Grund, den wir überhaupt nicht verstehen, hat die Natur beschlossen, diese vier Teilchen zu nehmen und sie noch zweimal nachzubilden. Das ist die eigentliche Liste all der Felder, die die Teilchen in unserem Universum bilden. Was sehen wir hier nun? Das ist das Elektron, es stellt sich heraus, dass es zwei weitere Teilchen gibt, die sich in jeder Weise genau gleich wie das Elektron verhalten, außer, dass sie schwerer sind. Wir nennen sie das Myon, das eine Masse hat von ungefähr 200 Mal die des Elektrons und das Tau, das 3000 Mal schwerer als das Elektron ist. Warum gibt es sie? Wir haben überhaupt keine Vorstellung. Es ist eines der Geheimnisse des Universums. Es gibt auch zwei weitere Neutrinos, so dass es insgesamt drei Neutrinos gibt. Und zu den zwei Quarks, die wir zuerst kennengelernt haben gesellen sich vier andere, die wir das Strange-Quark und das Charme-Quark nennen. Und mit der Zeit haben wir wirklich jede Art Inspiration darin verloren, wie wir sie nennen sollten. Wir nennen sie das Bottom-Quark und das Top-Quark. Ich sollte betonen, dass wir die Dinge sehr, sehr gut verstehen, die hier vor sich gehen. Wir verstehen, warum sie als Vierergruppe erscheinen. Wir verstehen, warum sie die Eigenschaften haben, die sie haben. Wir verstehen nicht, warum es so ist, wir verstehen nicht, warum es drei davon gibt, und nicht eher zwei von ihnen oder 17. Es ist ein Geheimnis. Aber das ist alles. Das ist alles im Universum. Alles, woraus sie bestehen, sind die drei dort oben. Und nur, wenn man in exotischere Situationen geht, wie Teilchenbeschleuniger, brauchen wir die unteren. Aber jedes einzelne Ding, das wir jemals gesehen haben, kann aus diesen 12 Teilchen gemacht werden, 12 Felder. Die 12 Felder wechselwirken miteinander, und sie wechselwirken mithilfe vier unterschiedlicher Kräfte. Zwei von ihnen sind extrem vertraut. Es sind die Anzeihungskraft und die elektromagnetische Kraft. Aber es gibt noch zwei andere Kräfte, die nur wirken im kleinen Maßstab eines Atomkerns. Es gibt etwas, das die Starke Kernkraft genannt wird, welche die Quarks innerhalb der Neutronen und Protonen zusammenhält. Und es gibt etwas, das die Schwache Kernkraft genannt wird, die verantwortlich ist für radioaktiven Zerfall und unter anderem, dass die Sonne scheint. Nochmal, jede dieser Kräfte ist verbunden mit einem Feld. Faraday lehrte uns über das elektromagenetische Feld, aber es gibt ein Feld, das hiermit verbunden ist, das Gluon-Feld genannt wird und ein Feld, das hiermit verbunden ist, das W- und Z-Bosonenfeld heißt. Es gibt auch ein Feld, das mit der Gravitation verbunden ist, und das war wirklich Einsteins großartige Erkenntnis der Welt. Das Feld, das mit der Gravitation verknüpft ist, stellt sich heraus als Raum und Zeit an sich. Falls sie davon noch nie zuvor gehört haben, das war die weltkürzeste Einführung in die allgemeine Relativitätstheorie. Ich werde nicht mehr darüber sagen, das lasse ich sie selbst herausfinden. OK. Das ist das Universum, in den wir leben. Es gibt 12 Felder, die Materie erzeugen, ich werde die Materiefelder nennen, und vier andere Felder, die die Kräfte sind. Und die Welt, in der wir leben, ist diese Kombination der 16 Felder, die alle miteinander wechselwirken auf interessante Art und Weise. Das ist es, was sie denken sollten, wie das Universum ist. Es ist voll dieser Felder, flüssigkeitsähnlicher Substanzen. 12 Materie, vier Kräfte. Eines der Materiefelder fängt an zu schwingen und sich zu kräuseln. Sagen wir, das Elektronfeld beginnt auf und ab zu schwingen, weil hier Elektronen sind. Das wird eines der anderen Felder anstoßen. Es wird, sagen wir, das elektromagnetische Feld anstoßen, welches dann ebenso schwingt und sich kräuselt. Es entsteht Licht, das abgestrahlt wird. Das wird also etwas schwingen. Und irgendwann wird es wechselwirken mit dem Quark-Feld, das danach schwingt und sich kräuselt. Und das Bild, bei dem wir ankommen, ist ein harmonischer Tanz zwischen all den Feldern, die alle ineinander greifen, schwingen, sich bewegen auf diese und jene Weise. Das ist das Bild, das wir von den grundlegenden Gesetzen der Physik haben. Wir habe eine Theorie, der das alles zugrunde liegt. Es ist, um es einfach zu sagen, der Höhepunkt der Physik. Es ist die großartigste Theorie, die wir jemals hervorgebracht haben. Wir haben ihr den unglaublich blödesten Namen gegeben, den man jemals gehört hat. Wir nennen es das Standardmodell. Wenn die den Namen Standardmodell hören, klingt es langweilig und banal. Es sollte ersetzt werden durch Die Großartigste Theorie in der Geschichte der menschlichen Zivilisation. OK? Das ist es, worauf wir blicken. OK. Das ist alles, obwohl -- nicht ganz. Ich habe tatsächlich dieses eine Feld vermisst. Wir kennen noch etwas Weiteres, das in den vergangenen Jahren durchaus berühmt wurde. Es war ein Feld, das erstmals in den 1960ern vorgeschlagen wurde, von einem schottischen Physiker namens Peter Higgs. Und in den 1970ern wurde es ein wesentlicher Bestandteil davon, wie wir über das Universum dachten. Aber die längste Zeit, hatten wir keinen direkten experimentellen Beweis, dass es existierte, wobei direkter experimenteller Beweis bedeutet, das Higgsfeld kräuseln zu lassen, so dass wir ein Teilchen sehen können, das damit verbunden ist. Und das hat sich geändert. Das hat sich grandios verändert vor vier Jahren am LHC. Dies sind die zwei Experimente am LHC, die sie entdeckten. Sie sind von der Größe einer Kathedrale, und vollgepackt mit Elektronik. Es sind erstaunliche Teile. Dieses heißt ATLAS, dieses heißt CMS. Das Higgs-Teilchen besteht nicht lange, das Higgs-Teilchen überdauert ungefähr 10^-22 Sekunden. Es ist also nicht so, dass man es sieht und ein Foto davon machen und es auf Instagram hochladen kann. Es ist etwas unscheinbarer. Dies sind die Daten, und wegen dieser kleine Beule hier, wissen wir, dass das Higgs-Teilchen existiert. Das ist ein Bild, wie Peter Higgs entdeckt wurde. Das war der letzte Baustein. Und es war wichtig, es war wirklich ein Riesending. Und es war aus zwei Gründen wichtig. Der erste ist, dass es für etwas verantwortlich ist, das wir als Masse bezeichnen im Universum. Die Eigenschaften aller Teilchen, Dinge wie elektrische Ladung und Masse sind in Wahrheit eine Aussage darüber, wie sie wechselwirken mit anderen Feldern. So ist die Eigenschaft, die wir als elektrische Ladung eines Elektrons bezeichnen eine Aussage darüber, wie das Elektronfeld mit dem elektromagenetischen Feld wechselwirkt. Und die Eigenschaft seiner Masse, ist eine Aussage wie es mit dem Higgsfeld wechselwirkt. Das zu verstehen, war wirklich notwendig, dass wir verstehen, was die Masse im Universum für eine Bedeutung hat. Das war ein großer Wurf. Der andere Grund, warum es ein großer Wurf war, ist, dass es das letzte Teil unserer Puzzles war. Wir hatten diese Theorie, die wir das Standardmodell nannten. Wir hatten es seit den 1970ern. Das war das letzte Teil, das wir brauchten um erkennen zu können, dass diese Theorie richtig ist. Und das Bemerkenswerte ist, dass dieses Teilchen in den 1960ern varausgesagt wurde. 50 Jahre haben wir gewartet. Letztendlich haben wir es in CERN geschaffen. Es verhält sich genau so, wie wir dachten, es würde es tun. Es verhält sich absolut perfekt so, wie wir es mittels dieser Theorien vorhersagten. OK. Das wird jetzt der unheimliche Teil des Vortrags. Ich habe ihnen von dieser Theorie erzählt, und ich habe meine Hände geschwenkt, um anzudeuten, dass ich ein Feld sei. Lassen sie mich ihnen erklären, was die Theorie wirklich ist. Lassen sie mich zeigen, was wir machen. Das ist die Gleichung für das Standardmodell der Physik. Ich erwarte nicht von ihnen, dass sie sie verstehen, nicht zuletzt deshalb, weil es Teile diese Gleichung gibt, die niemand auf diesem Planet versteht. Aber nichtsdestotrotz, möchte ich sie ihnen zeigen, aus folgendem Grund: Diese Gleichung sagt das Ergebnis von jedem einzelnen Experiment, das wir jemals in der Wissenschaft gemacht haben, korrekt voraus. All das ist beinhaltet in dieser Gleichung. Das ist wirklich der Höhepunkt des reduktionistischen Ansatzes der Wissenschaft. Es ist alles hier enthalten. Ich gestehe, es ist nicht die einfachste Gleichung der Welt, es ist aber genausowenig die komplizierteste. Sie können sie auf ein T-Shirt machen, wenn sie wollen. Wenn man zu CERN geht, kann man tatsächlich ein T-Shirt kaufen, mit dieser Gleichung darauf. Lassen sie mich einen Eindruck vermitteln, worauf wir hier schauen. Der erste Term hier wurde von Albert Einstein niedergeschrieben und beschreibt die Gravitation. Das bedeutet, dass wenn man diesen winzigen Teil der Gleichung, nur das R lösen kann, man , zum Beispiel, vorhersagen kann, wie schnell ein Apfel von einem Baum fällt, oder die Tatsache, dass die Umlaufbahnen der Planeten um die Sonne ellipsenförmig sind. Oder man kann vorhersagen, was passiert wenn zwei enorme schwarze Löcher kollidieren und ein neues schwarzes Loch bilden, das Gravitationswellen durch das Universum abstrahlt. Oder man kann sogar vorhersagen, wie sich das gesamte Universum an sich ausdehnt. Das alles steckt hinter der Lösung dieses kleinen Teiles der Gleichung. Der nächste Term in der Gleichung wurde niedergeschrieben von James Clerk Maxwell, und erklärt alles über Elektromagnetismus. All die Experimente, in die Faraday eine Lebenszeit investiert hat -- tatsächlich alle Experimente über viele Jahrhunderte, von Coulomb bis Faraday, bis zu Hertz und zur modernen Entwicklung von Lasern -- alles ist in diesem kleinen Teil der Gleichung. Es steckt noch mehr Macht in diesen Gleichungen. Das ist die Gleichung, die die starke Kernkraft, die schwache Kernkraft bestimmt. Das ist eine Gleichung, die erstmals von einem britischen Physiker niedergeschrieben wurde, Paul Dirac. Es beschreibt die Materie. Es beschreibt diese 12 Teilchen, welche die Materie ausmachen. Erstaunlicherweise gehorcht jedes von ihnen exakt derselben Gleichung. Das sind die Gleichungen von Peter Higgs, und das ist eine Gleichung, die erklärt, wie Materie mit dem Higgs-Teilchen wechselwirkt. So ist alles darin enthalten. Es ist wirklich eine erstaunliche Errungenschaft, das ist unsere derzeitige Grenze der Erkenntnis. Wir haben noch nie ein Experiment gemacht, das nicht mit dieser Gleichung erklärt werden könnte. Und wir haben noch nie etwas gefunden, wo diese Gleichung nicht funktioniert. Demnach ist das das beste, was wir derzeit haben. OK. Es ist das beste, was wir zur Zeit haben. Trotzdem wollen wir noch besser werden, weil wir sicher wissen, dass es da draußen Dinge gibt, die damit nicht erklärt werden können. Und der Grund dafür ist, wir wissen, dass, obwohl damit jedes einzelne Experiment, das wir jemals hier auf der Erde gemacht haben, erklärt wird. Wenn wir in den Himmel schauen, gibt es zusätzliches Material, das noch immer ein Geheimnis ist. Wenn wir ins All hinaus schauen, gibt es zum Beispiel unsichtbare Teilchen dort draußen. Und zwar gibt es viel mehr unsichtbare Teilchen, als es sichtbare Teilchen gibt. Wir bezeichnen sie als dunkle Materie. Wir können sie nicht sehen, weil sie offensichtlich unsichtbar sind, wir können aber ihre Auswirkungen sehen. Wir können ihre Wirkung sehen, in der der Art, wie die Galxien ratieren, oder wie sie das Licht um Galaxien beugen. Es gibt sie dort draußen. Wir wissen nicht, was sie sind. Es gibt sogar noch weitere misteriöse Dinge. Da gibt es etwas, das dunkle Energie genannt wird, welche über den gesamten Raum verteilt ist. Es ist ebenfalls eine Art Feld, wenngleich wir es nicht verstehen, eines, das alles im Universum einander gegenseitig abstoßen lässt. Was anderes: Wir wissen, dass das Universum, früh in den ersten Sekunden, früher sogar, in den ersten paar Bruchteilen einer Sekunde nach dem Urknall, einen rasche Ausdehnungsphase durchlaufen hat, die wir Inflation nennen. Wir wissen, dass es passiert ist, es wird allerdings nicht durch die Gleichung erklärt, die ich ihnen gerade gezeigt hatte. Das sind also die Dinge, die wir noch verstehen müssen, wenn wir weiterkommen und entscheiden wollen, was die Gesetze der Physik sind, die hinter dem Standardmodell liegen. Ich könnte Stunden damit verbringen, über jedes von ihnen zu reden. Ich werde den Fokus auf des letzte legen. Ich werde ihnen ein bisschen etwas über die Inflation erzählen. Das Universum ist 13,8 Mrd. Jahre alt, und wir verstehen recht gut -- nun gut, wir wissen nicht, wie es angefangen hat, wir wissen nicht, was den Anstoß gegeben hat zum Zeitpunkt Null, aber wir verstehen recht gut, was danach passiert ist. Und wir wissen das vor allem für die ersten 380.000 Jahre des Universums: Es war gefüllt mit einem Feuerball. Und das wissen wir sicher, weil wir den Feuerball gesehen haben. Wir haben ihn gesehen, und wir haben ein Foto davon gemacht. Das wird kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung genannt, aber ein besserer Name dafür ist, "Der Feuerball, der das Universum ausgefüllt hat, als es viel jünger war". Der Feurball kühlt ab, und sein Licht strahlte durch das Universum, 13,8 Mrd. Jahre lang. Aber wir können es sehen. Wir können das Foto von ihm machen. Und wir können sehr gut verstehen, was in diesen paar Augenblicken des Universums passiert ist. Und wie sie sehen, sieht es buchstäblich wie ein Feuerball aus. Es gibt rote Stellen, die heißer sind, es gibt blaue Stellen, die kälter sind, und durch die Untersuchung dieses Geflimmers, das sie in diesem Bild sehen können, erhalten wir ein viele Informationen darüber, was vor 13,8 Mrd. Jahre vor sich ging, als das Universum ein Baby war. Eine der Hauptfragen, die sich uns stellt, ist: Was verursachte das Flimmern in dem Feuerball? Und wir haben eine Antwort dafür. Wir haben eine Antwort, von der ich denke, dass sie das Erstaunlichste ist in der gesamten Wissenschaft. Es stellte sich heraus, dass obwohl der Feuerball 380.000 Jahre übedauerte, was immer das Flimmern verursachte, konnte die größten Teil der Zeit nicht weiter andauern. Was immer das Flimmern ausgelöst hat, überdauerte nur noch die ersten paar wenige Bruchteile einer Sekunde nach dem Urknall. Und was es war, war folgendes: Als das Universum sehr, sehr jung war, kurz nach dem Urknall, gab es noch keine Teilchen, aber es gab Quantenfelder, weil die Quantenfelder überall waren. Und es gab diese Quantenfluktuationen. Und was passierte, war, dass das Universum sehr, sehr schnell expandierte und es ertappte die Quantenfluktuationen auf frischer Tat. Die Quantenfluktuationen wurden sehr schnell über den gesamten Himmel gedehnt, wo sie eingefroren wurden. Und es sind diese Quantenfluktuationen hier, welche die Kräuselungen ausmachen, die man im Feuerball sieht. Es ist eine erstaunliche Geschichte, dass die Quantenfluktuationen, die 10^-30 Sekunden nach dem Urkanll stattgefunden haben -- sie waren absolut mikroskopisch -- nun sichtbar sind, ausgebreitet über das gesamte Universum, ausgebreitet 20 Mrd. Lichtjahre quer über den ganze Himmel Das ist es, was sie hier sehen. Jetzt macht man die Berechnungen dafür, und sie passen perfekt auf das, was man hier sieht. Das ist ein weiterer der großartigen Triumphe für die Quantenfeldtheorie. Aber es hinterlässt eine Menge Fragen. Die wichtigste ist: Was für ein Feld sehen wir hier? Welches Feld ist es, das hier in die Hintergrundstahlung eingeprägt wurde? Und die Antwort ist: Wir wissen es nicht. Das einzige aus den Feldern des Standardmodells, das hoffen lässt, ist das Higgsfeld, aber die meisten von uns glauben, dass es das nicht ist, vielleicht etwas ganz Neues. Was wir aber in Zukunft erreichen wollen, ist, ein viel besseres Bild dieses Feuerball zu bekommen, vor allem von der Polarisation des Lichts. Und mitdem wir ein BIld davon bekommen, können wir die Eigenschaften dieses Feldes, das im frühen Universum fluktuierte, viel besser verstehen. OK. Das ist eine der besten Hoffnungen, die wir haben, um über das Standardmodell hinausgehen zu können und die neue Physik zu verstehen. In den letzten 10 Minuten möchte ich sie jedoch gerne auf die Erde zurückbringen. Wir machen viele Experimente hier auf der Erde, wo wir versuchen, ebenfalls besser zu werden, wo wir auch versuchen hinter über das Standardmodell der Physik hinauszugehen, über die Gleichung hinaus, um das Neue zu verstehen. Und davon gibt es viel, und das berühmteste ist eines, das ich schon erwähnt habe: Es ist der LHC. Was passierte war, der LHC entdeckte das Higgs-Boson im Jahr 2012, und kurz darauf, schloss der LHC für zwei Jahre und bekam ein Upgrade. Und letztes Jahr, 2015, ging der LHC in Betrieb mit der doppelten Energie, die er hatte, als er das Higgs entdeckte. Und es gab zwei Ziele: Das erste Ziel war, das Higgs besser zu verstehen, was fantastisch funktoniert hat, und zweitens, die neue Physik, die hinter dem Higgs liegt zu verstehen, die neue Physik hinter dem Standardmodell. Bevor ich ihnen sage, was zu sehen war, lassen sie mich etwas sagen über die Ideen, die wir hatten, etwas über unsere Erwartungen und Hoffnungen, was passieren soll, wenn wir weiter kommen. Das ist nochmal unsere Liebingsgleichung. Die Vorstellung war immer folgende: Wissen sie, wenn sie ein viktorianischer Wissenschaftler waren, und sie gehen zurück und schauen auf das Periodensystem der Elemente, dann ist es wahr, dass es Muster darin gibt, die einen Hinweis auf die Struktur geben, die darunter verborgen liegt. Es gibt Zahlen, die sich wiederholen. Wenn man sehr schlau ist, könnte man anfangen zu erkennen, ja, es gibt etwas Tieferes als nur die Elemente. Und so ist unsere Hoffung als Theoretiker, diese Gleichung anzuschauen, und zu sehen, wenn wir vielleicht nur einige Muster finden können in dieser Gleichung, die darauf deuten, dass es etwas Tieferes geben könnte, das darunter vorborgen liegt. Und die Muster gibt es. Lassen sie mich ein Beispiel geben. Das ist die Gleichung, die die elektrische und magnetische Kraft beschreibt, und es ist fast dieselbe, wie die Gleichung, die die Kräfte der Starken Kernkraft und der Schwachen Kernkraft beschreibt. Sie sehen, ich habe nur Buchstaben ausgetauscht. Es ist ein wenig komplizierter als das, aber es ist nicht viel komplizierter. Die drei Kräfte sehen sich wirklich ähnlich, Nun kann man sich fragen, vielleicht gibt es gar nicht drei Kräfte im Universum. Vielleicht sind diese drei Kräfte tatsächlich nur eine Kraft. Und wenn wir denken, es gibt drei Kräfte, ist es weil wir wir auf diese eine Kraft schauen, nur von etwas anderen Perspektiven? Vielleicht. Hier ist noch etwas, das erstaunlich ist: Das sind die Gleichungen für die 12 Materiefelder im Universum -- die Neutrinos, die Elektronen und die Quarks. Jedes von ihnen gehorcht genau derselben Gleichung. Jedes von ihnen folgt der Dirac-Gleichung. Nochmal, man könnte sich fragen, gut, vielleicht gibt es nicht 12 verschiedene Felder, vielleicht sind sie alle dasselbe Feld und dasselbe Teilchen, und die Tatsache, dass sie unterschiedlich aussehen ist -- wieder -- weil man vielleicht aus etwas verschiedenen Perspektiven darauf schaut. Vielleicht. Diese Vorstellungen, die ich angedeutet habe, hören auf den Namen "Vereinheitlichung". Die Vorstellung, dass die drei Kräfte tatsächlich in einer kombiniert sind, wird als Große Vereinheitlichung bezeichnet. Und sie ist sehr leicht. Es ist sehr leicht, eine mathematische Theorie niederzuschreiben, in der alle Kräfte nur eine Kraft sind, welche aus verschiedenen Perspektiven als drei Kräfte erscheinen. Es gibt andere Möglichkeiten. Man könnte sagen, gut, das ist die Materie, und das sind die Kräfte. Und die Gleichungen sind verschieden, aber sie sind nicht so verschieden, denn letzten Endes, sind beides nur Felder. Man könnte sich fragen, ob es vielleicht einen Weg gibt, in dem die Materie und die Kräfte miteinander in Beziehung stehen. Wir haben dafür auch eine Theorie. Sie heißt Supersymmetrie, Und es ist eine schöne Theorie. Sie ist sehr theoretisch, und sie hat den Anschein, als wenn sie richtig sein könnte. Zu allerletzt könnte man ganz kühn sein. Man könnte sagen, kann ich das stark zusammenfassen? Kann ich nicht all diese Terme los werden und nur einen einzigen Term hinschreiben, aus dem sich alles andere ableitet? Gravitation, die Kräfte, die Teilchen, das Higgs, alles? Ich habe etwas für sie, falls sie das auch noch wollen. Es heißt Stringtheorie. Wir haben also eine mögliche Theorie, die alles davon in einem einfachen Konzept zusammenfasst. Und die Frage, die einen antreibt, ist: Sind sie korrekt? Wissen sie, es ist sehr leicht für uns Theoretiker, diese Ideen zu haben. Und ich sollte sagen, diese Ideen sind es, die theoretische Physiker seit 30 Jahren umtreibt, aber wir wollen wissen, sind sie korrekt? Und wir haben eine Möglichkeit, um zu zeigen, dass sie korrekt sind. Wir machen Experimente. Ich muss sagen, wenn man wissen will, ob die Stringtheorie korrekt ist, haben wir keine Möglichkeit, es im Moment zu untersuchen, aber wenn man wissen möchte, ob etwas von den anderen korrekt ist, dann muss dies der LHC erledigen. Der Grund, warum wir den LHC gebaut haben, war zuerst, das Higgs zu finden. OK, das hat geklappt. Und zweitens, um die Vorstellungen zu testen, die wir haben, um zu sehen, was dahinter liegt. Also ging der LHC in Betrieb. Er ist in Betrieb seit zwei Jahren. Er läuft wie ein absoluter Traum. Es ist eine perfekte Maschine. Zwei Jahre. Das wurde gefunden: Absolut nichts. Alle diese fantastischen schönen Ideen, die wir gehabt hatten, keine von ihnen wurde bestätigt. Und die Frage, die jetzt folgt, ist: Was werden wir damit jetzt anfangen? Wie werden wir einen Fortschritt machen im Verständnis der nächsten Stufe der Physik, wenn der LHC nichts entdeckt und unsere Ideen nicht so scheinen, als wäre es die Art, wie die Natur funktioniert. Ich sollte dazu sagen, ich habe keine gute Antwort darauf. Mein Eindruck ist, dass meine Gemeinschaft etwas schockiert ist darüber, was passiert ist. Es gibt sicherlich in der Gemeinschaft keinen Konsens darüber, wie man weitermacht. Es gibt in etwa drei Reaktionen, die von den unterschiedlichen Stellen kommen, und die ich mit ihnen teilen möchte. Und ich denke alle drei Reaktionen sind bis zu einem Punkt auch richtig. Die erste Reaktion ist, darauf, dass der LHC nichts findet, ist die folgende: Ach ihr jungen Leute, ihr seid so pessimistisch, Es soll halt gerade so sein, ihr braucht nur etwas mehr Geduld. Wisst ihr, man hat letztes Jahr nichts gesehen, und hat dieses Jahr nichts gesehen, aber nächstes Jahr, da sehen wir was. Und wenn es nicht nächstes Jahr ist, dann ist es das Jahr darauf, wo man was sehen wird. Es sind normalerweise meine illustren, älteren Kollegen, die so denken, und wissen sie was? Sie könnten einfach recht haben. Es könnte einfach nächstes Jahr sein, dass der LHC etwas Erstaunliches entdeckt, und es bringt uns auf der Pfad der Erkenntnis der nächsten Stufe der Physik. Es stimmt aber auch, dass diesselben Leute vorausgesagt hatten, dass man bis jetzt etwas gefunden haben wird. Und es stimmt auch, dass das nicht länger so weiter gehen kann. Wenn der LHC innerhalb einer Zeitdauer von zwei Jahren nichts sieht, scheint es sehr, sehr unwahrscheinlich, dass er in Zukunft etwas sehen wird. Es ist möglich, es scheint nur unwahrscheinlich. Ich hoffe aus tiefstem Herzen, dass der LHC im nächsten Jahr oder dem Jahr darauf etwas entdecken wird. Aber ich denke, wir müssen uns auf den schlimmsten Fall vorbereiten, dass es eher nicht so ist. OK. Reaktion Nummer zwei: Reaktion Nummer zwei kommt von ähnlichen Leuten. All unsere Theorien sind so schön, Die müssen korrekt sein, und was wir wirklich brauchen, ist eine größere Maschine, 10 mal größer wird reichen. Nochmal, sie könnten recht haben. Ich habe kein gutes Argument dagegen. Das offensichtliche Gegenargument, ist, dass eine neue Maschine 10 Mrd. Dollar kostet. Es gibt nicht zu viele Regierungen auf der Welt, die 10 Mrd. Dollar für uns übrig haben, damit wir diesen Ideen nachgehen können. Es gibt eine. Das ist China. Und wenn diese Maschine überhaupt gebaut wird, wird sie von der chinesischen Regierung gebaut. Ich denke, die chinesische Regierung würde es außerordentlich reizvoll finden, wenn die ganze Gemeinschaft, der Teilchenphysiker und Ingenieure, die momentan in CERN und Genf stationiert sind, in eine Stadt ziehen würden, die etwas nördlich von Peking liegt. Ich denke, sie würden den politischen und ökonomischen Gewinn sehen, und es gibt eine reele Chance, dass sie entscheiden werden, diese Maschine zu bauen. Falls dem so ist, wird es ungefähr 20 Jahre dauern, bis sie gebaut ist. Also warten wir doch länger. Es gibt eine dritte Reaktion. Und ich sollte sagen, die dritte Reaktion ist ungefähr aus dem Lager, wo ich auch bin. Ich sollte vorweg anmerken, es ist spekulativ, und es wird wahrscheinlich nicht unterstützt von den meisten Meinesgleichen. Das ist also wirklich nur meine eigene Meinung dazu. Mein Ansatz ist: Das ist die Gleichung, von der wir wissen, dass sie stimmt. Das ist quasi der Grundstein unseres Verständnisses. Doch obwohl wir wissen, dass sie stimmt, gibt es einen hässlichen Punkt in der Gleichung, den wir noch nicht verstanden haben. Es gibt für mich einen hässlichen Punkt, der immer noch geheimnisvoll ist in der Gleichung. Obwohl diese Gleichung aussah, als gäbe es Andeutungen von Vereinheitlichung, waren sie vielleicht nur Täuschungsmanöver. Und wenn wir vielleicht härter daran arbeiten, zu versuchen diese Gleichung besser zu verstehen, werden wir herausfinden, dass andere Muster entstehen. Meine Erwiderung ist, ich denke, wir sollten zurückgehen an die Zeichenbretter und anfangen, manche der Vermutungen und Paradigmen, an denen wir die letzten 30 Jahre festgehalten haben, anzufechten. Tatsächlich fühle ich durch den Mangel an Ergebnissen am LHC durchaus energetisiert. Verstehen sie? So, als fühlte ich mich gut damit, dass alles falsch war. Denn wenn wir falsch liegen, fangen wir an, Fortschritte zu machen. So, als fühlte ich mich froh darüber, und denke, dass es eine sehr reele Chance gibt, dass wir anfangen könnten, über unterschiedliche Ideen nachzudenken. Ich sollte sagen, dass es Hinweise hierin gibt. Es gibt für mich Hinweise auf die mathematischen Muster, die wir nicht entdeckt haben. Es gibt Hinweise darin auf Verbindungen zu anderen Gebieten der Wissenschaft. Dinge wie Physik der kondensierten Materie, was die Wissenschaft davon ist, wie Materialien arbeiten, oder Quanteninformationswissenschaft, welche das Bestreben hat einen Quantencomputer zu bauen. Alle diese fatastischen Themen haben neue Ideen, als würden sie die Art der Fragen erzeugen, die wir fragen müssen. Ich bin durchaus optimistisch, dass wir, wenn wir vorankommen, Erfolg haben können. Vielleicht nicht den Erfolg, von dem wir vor ein paar Jahren dachten, dass wir ihn haben, aber etwas Neues. Das ist also der Höhepunkt meines Vortrages. Der Höhepunkt, ist die eine großartigste Gleichung, die wir jemals niedergeschrieben haben. Aber ich hoffe, dass wir ihnen eines Tages etwas Besseres präsentieren können. Danke für ihre Aufmerksamkeit. [APPLAUS] Es gibt nichts Quantisiertes an der Schrödinger-Gleichung. Die Schrödinger-Gleichung hat etwas zu tun mit einer glatten feld-artigen Wellenfunktion. Die Quantisierung ist etwas, das auftritt, wenn man die Schrödinger-Gleichung löst. Im Herzen der Natur ist es nicht eingebaut.