Albert Einstein
Einsteins Suche nach einer einheitlichen Theorie
Nachdem er für mehrere brillante Durchbrüche in der Physik berühmt geworden war, einschließlich der Brownschen Bewegung, des photoelektrischen Effekts und der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie, verbrachte Albert Einstein die letzten dreißig Jahre seines Lebens mit der vergeblichen Suche nach einer Möglichkeit, Gravitation und Elektromagnetismus in einer einzigen eleganten Theorie zu vereinen.
Einstein war von einem intellektuellen Bedürfnis motiviert, die Kräfte der Natur zu vereinheitlichen. Er war der festen Überzeugung, dass die gesamte Natur durch eine einzige Theorie beschrieben werden muss. „Der Intellekt, der nach einer integrierten Theorie sucht, kann sich nicht mit der Annahme zufrieden geben, dass es zwei verschiedene Felder gibt, die von ihrer Natur her völlig unabhängig voneinander sind“, sagte Einstein in seiner Nobelvorlesung 1923.
Zudem glaubte er, dass es eine Verbindung zwischen der Notwendigkeit, scheinbare Paradoxien der Quantenmechanik zu lösen, und der Notwendigkeit, Elektromagnetismus und Gravitation zu vereinen, gab. Einstein bestand immer darauf, dass die Quantenmechanik aus einer vollständigeren Theorie abgeleitet werden könnte. Für Einstein, der nie mit der Seltsamkeit und Zufälligkeit der Quantentheorie zufrieden war, musste jede akzeptable vereinheitlichte Feldtheorie die Quantenmechanik als Konsequenz haben.
In den 1920er Jahren, als Einstein seine Arbeit an einer vereinheitlichten Feldtheorie begann, waren Elektromagnetismus und Gravitation die einzigen bekannten Kräfte, und das Elektron und das Proton waren die einzigen bekannten subatomaren Teilchen. Die meisten Physiker waren damals begeistert von der neu entdeckten Quantentheorie und verbrachten ihre Zeit damit, deren bizarre und interessante Konsequenzen zu erforschen. Sie sahen keinen großen Bedarf für eine Theorie, die Elektromagnetismus und Gravitation vereinte.
Aber Einstein und einige andere Wissenschaftler arbeiteten an dem Problem der Vereinheitlichung. Im Jahr 1918 schlug Hermann Weyl ein Vereinheitlichungsschema vor, das auf einer Verallgemeinerung der Riemannschen Geometrie basierte. Inspiriert von Weyls Arbeit zeigte Theodor Kaluza, dass man durch die Erweiterung der Raumzeit auf fünf Dimensionen die Einstein-Gleichungen in vier Dimensionen erzeugen könnte, plus einen zusätzlichen Satz von Gleichungen, der den Maxwell-Gleichungen für den Elektromagnetismus entspricht. Die fünfte Dimension wäre kompakt, so klein zusammengerollt, dass wir sie nicht wahrnehmen können. Oskar Klein verfeinerte diese Idee später.
Einsteins letzte Tafel, Institute for Advanced Study (1955).
Einstein gefiel der fünfdimensionale Ansatz. 1919 schrieb er an Kaluza: „Die Idee, die Vereinheitlichung durch eine fünfdimensionale Zylinderwelt zu erreichen, wäre mir nie gekommen … Auf den ersten Blick gefällt mir Ihre Idee außerordentlich.“ Kaluza veröffentlichte seine Arbeit 1921, und Einstein veröffentlichte seine erste Arbeit über die vereinheitlichte Feldtheorie zusammen mit Jacob Grommer, der einen ähnlichen Ansatz verfolgte, 1922.
Ein weiterer Ansatz, den Einstein versuchte, bestand darin, die allgemeine Relativitätstheorie um die Gleichungen des Elektromagnetismus zu erweitern, indem er den metrischen Tensor verallgemeinerte und dabei die vierdimensionale Geometrie beibehielt.
Einstein arbeitete die letzten dreißig Jahre seines Lebens hartnäckig an diesen beiden grundlegenden Ansätzen, aber keine der beiden Methoden brachte jemals die vollständige einheitliche Theorie hervor, nach der er suchte.
Er verfolgte und verwarf dann bald eine Idee nach der anderen. „Die meisten meiner intellektuellen Nachkommen enden sehr jung auf dem Friedhof der enttäuschten Hoffnungen“, schrieb Einstein 1938 in einem Brief.
Aber er gab die Suche nach einer einheitlichen Theorie nie auf. Selbst auf dem Sterbebett liegend, setzte er seine Arbeit fort. Am Tag vor seinem Tod ließ er sich seine letzten Notizen bringen.
Ein Grund für Einsteins Scheitern, eine einheitliche Theorie zu entdecken, mag seine Ablehnung der Quantenmechanik sein, die ihn dazu veranlasste, neue Entwicklungen in der Physik zu ignorieren und sich vom Rest der Physikgemeinschaft zu distanzieren. Einstein war sich seiner Position bewusst und kommentierte 1954: „Ich muss wie ein Strauß wirken, der für immer seinen Kopf im relativistischen Sand vergräbt, um den bösen Quanten nicht ins Gesicht zu sehen.“ Doch je mehr er an der Vereinheitlichung arbeitete, desto weiter entfernte sich Einstein vom Rest der physikalischen Gemeinschaft.
Zudem vertiefte er sich immer mehr in formale mathematische Argumente, anstatt der physikalischen Intuition zu folgen, die ihn in seiner Jugend zu seinen großen Entdeckungen geführt hatte.
Viele Leute sagen, dass Einstein scheiterte, weil er seiner Zeit einfach voraus war. Das Wissen und die Werkzeuge, die für eine einheitliche Theorie benötigt wurden, waren vor Einsteins Tod im Jahr 1955 einfach noch nicht entwickelt worden.
Heute nehmen viele Physiker seine Suche auf. Der vielversprechendste Ansatz scheint die Stringtheorie zu sein, die 10 oder mehr Dimensionen benötigt und alle Elementarteilchen als vibrierende Strings beschreibt, wobei unterschiedliche Schwingungsmoden unterschiedliche Teilchen erzeugen.
Die Stringtheorie hat bisher keine überprüfbaren Vorhersagen gemacht, und einige Wissenschaftler befürchten, dass sich die Stringtheoretiker, wie Einstein in seinen späteren Jahren, in ihrer Besessenheit von schöner Mathematik zu weit von der physikalischen Realität entfernt haben. Aber viele andere glauben, dass die Stringtheorie tatsächlich den Schlüssel zur Vollendung von Einsteins Suche enthält, und Forscher hoffen, Wege zu finden, einige der Vorhersagen der Stringtheorie zu testen.
Obwohl seine eigene Arbeit nie eine nützliche physikalische Theorie hervorbrachte, etablierte Einstein die Vereinheitlichung als wichtiges Ziel der Physik. Tatsächlich wird eine Theorie von allem gemeinhin als der „heilige Gral“ der modernen Physik bezeichnet. Einstein würde sich wahrscheinlich freuen, dass so viele Physiker ihre Karrieren mit Begeisterung der Verfolgung seines Traums widmen.
Ed. Hinweis: Mit dem Ende des Weltjahres der Physik beenden wir unsere Serie von Geschichtskolumnen, die sich auf Einstein konzentrieren. Außerdem wechseln wir die Autoren. Fünf Jahre lang wurde „Dieser Monat in der Geschichte der Physik“ von Redaktionsmitglied Jennifer Ouellette geschrieben; die kommenden Kolumnen (wie auch diese) werden von Wissenschaftsautor Ernie Tretkoff verfasst.