Murray Gell-Mann zu Schönheit und Wahrheit in der Physik

Danke, dass Sie diese Bilder meiner Kollegen hier drüben aufgehangen haben. (Lachen). Wir werden über sie sprechen. Ich werde jetzt ein Experiment versuchen. Normalerweise mache ich keine Experimente, ich bin Theoretiker. Aber ich werde herausfinden was passiert, wenn ich diesen Knopf drücke. Aha. OK. Ich habe in diesem Fach der Elementarteilchen gearbeitet. Was passiert mit Materie, wenn man sie sehr fein zerstückelt? Woraus besteht sie? Die Gesetze dieser Teilchen sind überall im Universum gültig, und sie hängen sehr mit der Geschichte des Universums zusammen.

Wir wissen eine Menge über vier Kräfte. Es muss noch viele mehr geben, aber jene existieren bei sehr, sehr kleinen Abständen, und wir haben bislang nicht wirklich mit ihnen interagiert. Hauptsächlich will ich über folgendes reden: dass wir auf dem Gebiet der grundlegenden Physik die bemerkenswerte Erfahrung machen, dass Schönheit ein sehr glücklicher Maßstab ist, die richtigen Theorie auszuwählen. Und warum in aller Welt kann das so sein?

Nun, hier ein Beispiel das ich selbst erlebt habe. Eigentlich ist es recht dramatisch, wenn so was passiert. Drei oder vier von uns schlugen 1957 eine zum Teil vollständige Theorie einer dieser Kräfte, der schwachen Kraft vor. Und sie widersprach sieben -- sieben, zählen sie, sieben Experimenten. Die Experimente lagen alle daneben.

Und wir veröffentlichten bevor wir das wussten, weil wir sie für so schön hielten, dass sie richtig sein musste. Die Experimente mussten falsch sein, und sie waren es auch. Tja unser Freund dort drüben, Albert Einstein, machte sich sehr wenig daraus, wenn Leute sagten, "Sie wissen, da gibt es jemanden mit einem Experiment, dass im Widerspruch zur speziellen Relativität zu stehen scheint. DC Miller. Wie steht es damit?" Er sagte dann, "Ach, das geht vorbei" (Lachen)

Also, warum funktioniert so was? Das ist die Frage. Nun, ja, was meinen wir mit schön? Das ist eine Sache. Ich werde versuchen das deutlich zu machen - teilweise deutlich. Warum sollte das funktionieren, und hängt es mit den Menschen zusammen? Ich werde sie in meine Antwort zu letzterem einweihen, und die ist, dass es nicht mit den Menschen zu tun hat. Irgendwo auf einem anderen Planeten, der eine sehr ferne Sonne umkreist mag es eine andere Galaxy geben, in der sehr wohl Wesen leben könnten die wenigstens so intelligent sind wie wir, und sich für Wissenschaft interessieren. Das ist nicht unmöglich; ich denke es gibt wahrscheinlich viele.

Sehr wahrscheinlich ist keine nah genug um sich mit uns auszutauschen. Aber sie könnten ohne Weiteres dort draußen sein. Nehmen wir einmal an sie haben, nun ja, gänzlich andere Sinnesorgane und dergleichen. Sie haben sieben Tentakeln, und sie haben 14 kleine komisch aussehende Facettenaugen, und ein Gehirn in der Form eines Brezels. Würden sie wirklich andere Gesetze haben? Eine Menge Leute glauben das, aber ich halte das für völligen Unsinn Ich denke es gibt dort draußen Gesetze, und wir verstehen sie natürlich nicht immer ganz recht -- aber wir bemühen uns. Und wir versuchen näher und näher zu kommen.

Und eines Tages kommen wir vielleicht hinter die fundamentale einheitliche Theorie der Teilchen und Kräfte, die ich "Fundamentales Gesetz" nenne. Wir sind vielleicht nicht mal sehr weit davon entfernt. Aber auch wenn wir zu Lebzeiten nicht darauf stoßen, können wir uns immerhin vorstellen, dass dort draußen eine ist, und wir nur versuchen ihr näher und näher zu kommen. Ich glaube, damit ist das Wesentliche gesagt. Wir drücken diese Dinge mathematisch aus. Und wenn die Mathematik sehr einfach ist -- wenn man bezüglich einer mathematischen Darstellung die Theorie auf sehr kleinem Raum schreiben kann, ohne viel Komplikation -- das ist im Wesentlichen was wir mit Schönheit oder Eleganz meinen.

Hier ist was ich über diese Gesetze gesagt habe. Es gibt sie wirklich. Newton glaubte das sicherlich. Und er sagte, hier, "Es ist Sache der Naturphilosophie diese Gesetze heraus zu finden" Das grundlegende Gesetzt, nun ja -- wir vermuten folgendes: Wir vermuten, dass das grundlegende Gesetz wirklich die Gestalt einer einheitlichen Theorie aller Teilchen annimmt. Nun, manche nennen das eine Theorie von allem. Das ist falsch, denn die Theorie ist quantenmechanisch. Und ich werde zur Quantenmechanik nicht viel sagen, wie sie ist, und so. Sie haben ohnehin eine Menge Falsches darüber gehört. (Lachen). Es gibt sogar Filme darüber mit einer Menge Unsinn.

Hauptsache ist jedoch, dass sie Wahrscheinlichkeiten vorhersagt. Also, manchmal sind diese Wahrscheinlichkeiten beinah Gewissheiten. Und bei einer Menge wohlbekannter Fälle sind sie es natürlich. Ansonsten sind sie es nicht, und man hat nur Wahrscheinlichkeiten für unterschiedliche Ergebnisse. Das bedeutet, dass die Geschichte des Universums nicht allein vom fundamentalen Gesetz bestimmt wird. Sondern vom fundamentalen Gesetz und dieser unglaublich langen Reihe von Zufällen oder zufälligen Ergebnissen, die noch dazu kommen.

Dabei schließt die fundamentale Theorie diese zufälligen Ergebnisse nicht ein, sie sind zusätzlich. Es ist also keine Theorie von allem. Denn tatsächlich rührt ein großer Teil der Information im Universum um uns von diesen Zufällen her, und nicht nur vom fundamentalen Gesetz. Oft wird gesagt, dass eine Annäherung an das fundamentale Gesetz durch Untersuchung der Erscheinungen bei niedrigen Energien, und höheren Energien, und noch höhreren Energien, oder kurzen Abständen, und kürzeren Abständen und immer noch kürzeren Abständen, und so fort, dem Schälen einer Zwiebel gleicht. Wir machen weiter, und bauen stärkere Apparate, Beschleuniger für Teilchen. Wir sehen tiefer und tiefer in den Aufbau der Teilchen, und so kommen wir wohl näher und näher an dieses fundamentale Gesetz.

Was passiert ist, während wir das tun, während wir diese Zwiebelhäute entfernen und wir dem zu Grunde liegenden Gesetz näher und näher kommen sehen wir, dass jede Haut etwas mit der vorigen gemein hat, und mit der nächsten. Wir schreiben sie mathematisch hin und erkennen, dass sie sehr ähnliche Mathematik nutzen. Sie bedürfen sehr ähnlicher Mathematik. Das ist durchaus bemerkenswert und das ist ein wesentliches Merkmal dessen was ich heute zu sagen versuche. Newton nannte es -- dass ist übrigens Newton -- der da.

Der ist Albert Einstein. Hallo Al! Jedenfalls, er sagte, "Die Natur entspricht sich selbst" -- er personifizierte die Natur als weiblich. Also was passiert, ist, dass die neuen Phänomene, die neuen Häute, die inneren Häute der nur wenig kleineren Zwiebelhäute die wir erreichen, den wenig größeren ähnlich sind. Und die Art Mathematik, die wir für die vorige Haut hatten ist beinah die gleiche wie jene, die wir für die nächste Haut brauchen. Und deshalb sehen die Gleichungen so einfach aus. Weil sie die Mathematik benutzen die wir schon haben.

Ein einfach Beispiel ist dieses: Newton fand das Gesetz der Schwerkraft, das funktioniert wie 1 geteilt durch das Quadrat des Abstandes zwischen den einander anziehenden Objekten. In Frankreich fand Coulomb dasselbe Gesetz für elektrische Ladungen. Hier ein Beispiel dieser Gleichartigkeit. Wenn sie die Gravitation ansehen, sehen sie ein bestimmtes Gesetz. Dann schauen Sie zur Elektrizität. Tatsächlich. Dieselbe Regel. Das ist ein sehr einfaches Beispiel. Es gibt viele anspruchsvollere Beispiele. Symmetrie ist sehr wichtig bei dieser Diskussion. Sie wissen was das bedeutet. Zum Beispiel ist ein Kreis rotationssymmetrisch zum Mittelpunkt des Kreises. Wenn man um den Mittelpunkt des Kreises dreht, bleibt der Kreis unverändert. Nimmt man eine Kugel, dreidimensional, man dreht um das Zentrum der Kugel, und all diese Drehungen lassen die Kugel wie sie ist. Sie sind Symmetrien der Kugel. Folglich sagen wir, allgemein, dass es eine Symmetrie gibt bei bestimmten Verfahren, wenn diese Verfahren die Erscheinung oder ihre Beschreibung unverändert lassen.

Maxwells Gleichungen sind natürlich symmetrisch bezüglich Rotationen im gesamten Raum. Es macht keinen Unterschied ob wir den gesamten Raum um einen Winkel drehen, es bleibt das -- es verändert das Phänomen der Elektrizität oder des Magnetismus nicht. Im 19. Jahrhundert bringt eine neue Darstellung dies zum Ausdruck, und wenn man diese Darstellung benutzt, werden die Gleichungen sehr viel einfacher. Damals hat Einstein mit seiner speziellen Relativitätstheorie eine ganze Reihe Symmetrien der Maxwell'schen Gleichungen betrachtet, die spezielle Relativität genannt werden. Und diese Symmetrien, mithin, machen die Gleichungen noch kürzer, und daher noch schöner.

Sehn wir mal. Sie müssen nicht wissen, was diese Dinge bedeuten, es macht keinen Unterschied. Aber Sie können einfach die Form betrachten. (Lachen). Sie können auf die Form achten. Darüber sehen Sie, ganz oben, eine lange Liste von Gleichungen mit drei Komponenten für die drei Richtungen des Raums: x,y und z. Dann, mit Vektor Analysis, nutzt man Rotationssymmetrie und bekommt die nächste Gruppe. Dann nutzt man die Symmetrie der speziellen Relativität und bekommt eine noch einfachere Gruppe hier unten, die zeigt, dass die Symmetrie mehr und mehr hervor tritt. Je mehr Symmetrie man hat, umso besser stellt man die Einfachheit und Eleganz der Theorie heraus.

Die letzten beiden, die erste Gleichung sagt, dass elektrische Ladungen und Ströme alle elektrischen und magnetischen Felder erzeugen. Die nächste -- zweite -- Gleichung sagt, dass es keinen anderen Magnetismus als diesen gibt. Der einzige Magnetismus rührt von elektrischen Ladungen und Strömen her. Eines Tages mögen wir ein kleines Loch in dieser Argumentation finden. Aber vorläufig ist dem so.

Hier also eine sehr spannende Entwicklung von der viele Leute noch nicht gehört haben. Sie sollten davon gehört haben, aber es ist etwas knifflig technisch detailliert zu erklären, also lass ich's. Ich werde es nur erwähnen. (Lachen). Aber Chen Ning Yang, von uns "Frank" Yang genannt -- (Lachen) -- und Bob Mills schlugen vor 50 Jahren diese Verallgemeinerung der Maxwell'schen Gleichungen vor, mit einer neuen Symmetrie. Einer ganz anderen Symmetrie. Die Mathematik sehr ähnlich, jedoch gab es eine ganz andere Symmetrie. Sie hofften, dass dies irgendwie der Teilchenphysik zutragen würde -- tat's aber nicht. Für sich allein hat es nicht zur Teilchenphysik beigetragen.

Dann jedoch vereinfachten einige von uns es weiter. Und dann hat es! Und es beschrieb wunderschön die starke Kraft und die schwache Kraft. Nun hier sagen wir nochmal, was wir zuvor gesagt haben: dass jede Zwiebelhaut eine Gemeinsamkeit mit der benachbarten Haut aufweist. Daher ist die Mathematik für die angrenzenden Häute der für neue gebrauchten sehr ähnlich. Und daher sieht es schön aus. Weil wir bereits wissen es auf eine schöne, prägnante Weise zu schreiben.

Hier also die Themen. Wir glauben es gibt eine einheitliche Theorie die all den Gesetzmäßigkeiten zugrunde liegt. Schritte zur Vereinheitlichung zeigen die Einfachheit. Symmetrie zeigt die Einfachheit. Und dann gibt es Selbstähnlichkeit über die Größenordungen hinweg -- in anderen Worten, von einer Zwiebelhaut zur nächsten. Annähernde Selbstähnlichkeit. Und das ist verantwortlich für dieses Phänomen. Das ist der Grund warum Schönheit ein glücklicher Maßstab ist, die richtige Theorie auszuwählen.

Newton selbst sagte dazu: "Die Natur ist sehr konsonant und konform mit sich selbst." Eine Sache an die er dachte nehmen die meisten von uns heute als gegeben, aber zu seiner Zeit war das nicht selbstverständlich. Es gibt diese Geschichte, die nicht mit absoluter Gewissheit richtig ist, aber eine Menge Leute haben sie erzählt. Vier Quellen berichteten, dass als die Pest in Cambridge war, und er zur Farm seiner Mutter hinabging -- weil die Universität geschlossen war -- er einen Apfel vom Baum fallen sah, oder auf seinen Kopf oder so. Und plötzlich wurde ihm klar, dass die Kraft, die den Apfel zu Boden zieht, dieselbe sein könnte, wie die Kraft, welche die Bewegungen der Planeten und des Mondes bestimmt.

Das war für damalige Zeiten eine große Vereinheitlichung, obschon es für uns heute selbstverständlich ist. Es ist dieselbe Theorie der Schwerkraft. Daher sagte er, dass dieses Prinzip der Natur, Konsonanz: "Da dieses Prinzip der Natur weit entfernt ist von den Ideen der Philosophen, unterließ ich seine Beschreibung in diesem Buch, um nicht als extravaganter Sonderling zu gelten ... " Davor müssen wir alle auf der Hut sein. (Lachen). Besonders hier bei dieser Veranstaltung. " ... und so meine Leser gegen all die Dinge einnehme, welche der Hauptentwurf des Buches waren."

Nun, wer würde das heute als reine Einbildung des menschlichen Geistes beanspruchen? Das die Kraft, die den Apfel zu Boden fallen lässt, dieselbe Kraft ist, die Planeten und den Mond umher bewegt, und so fort? Jeder weiß das. Es ist eine Eigenschaft der Schwerkraft. Nicht etwas im menschlichen Geist. Der menschliche Geist kann es natürlich verstehen und sich daran erfreuen, es gebrauchen, aber es ist nicht -- es entstammt nicht dem menschlichen Geist. Es entstammt dem Wesen der Schwerkraft. Und das gilt für alle Dinge über die wir sprechen. Sie sind Merkmale des Grundlegenden Gesetztes. Das grundlegende Gesetz ist so, dass die verschiedenen Zwiebelhäute einander ähneln, und daher die Mathematik für eine Haut es ihnen erlaubt, schön und einfach das Phänomen der nächsten Haut zu beschreiben.

Hier sage ich , dass Newton eine Menge Dinge in diesem Jahr getan hat: Schwerkraft, Bewegungsgesetze, Analysis, Weißes Licht bestehend aus allen Farben des Regenbogens. Er hätte auch einen ganz beachtlichen Essay schreiben können über "Was ich während meiner Sommerferien getan habe." (Lachen). Wir müssen diese Prinzipien also nicht als eigenständige metaphysische Axiome annehmen. Sie folgen aus der grundlegenden Theorie. Sie sind was wir emergente Eigenschaften nennen. Man braucht nicht -- man braucht nicht noch etwas, um noch etwas zu bekommen. Das bedeutet Emergenz.

Das Leben kann aus Physik und Chemie entstehen, plus eine Menge Zufälle. Der menschliche Geist kann aus Neurobiologie und einer Mene Zufälle entspringen, so wie chemische Verbindungen aus Physik und bestimmten Zufällen entstehen. Es schmälert nicht die Bedeutung dieser Fächer zu wissen, dass sie grundlegenderen Gesetzen folgen, und Zufällen. Das ist die allgemeine Regel und es ist von entscheidender Bedeutung, dass zu erkennen. Man braucht nicht etwas mehr, um etwas mehr zu bekommen. Leute die mein Buch 'Das Quark und der Jaguar' gelesen haben fragen mich oft danach. Sie sagen dann, "Gibt es nicht noch etwas jenseits dem was sie zeigen?" Vermutlich meinen sie etwas übernatürliches. Jedenfalls gibt es nichts. (Lachen). Man braucht nicht noch etwas, um noch etwas zu erklären. Ich danke Ihnen vielmals. (Beifall)