Spiegelwelt

P.M. Magazin 11/2002

Theoretische Physik
Hat die Erde einen Doppelgänger?




Planet der Träumer« heißt ein Sciencefiction-Roman, in dem der Autor John McDonald beschreibt, wie sich die Bevölkerung eines ganzen Planeten mit Vorliebe einer besonderen Beschäftigung hingibt – dem Träumen mittels spezieller Maschinen. Die Träumer können fiktive Menschen nach Belieben lenken, zur Liebe zwingen oder in Abgründe stürzen lassen. Doch eines Tages stellen einige der Träumer entsetzt fest, dass ihre Träume keine Träume sind, sondern Wirklichkeit, und ihre erträumten Figuren real existieren – in einer anderen Welt!
Im Roman »Welt am Draht« von Daniel F. Galouyie müssen die Menschen irgendwann erkennen, dass sie nur Simulationen in einem gigantischen Computerprogramm sind, sozusagen materialisierte Gedanken der Spieler. (Hollywood erzählt in »Matrix« die moderne Filmversion.)
Und in dem berühmten Klassiker »Alice hinter den Spiegeln« berichtet der englische Mathematiker Lewis Carroll von einem kleinen Mädchen namens Alice, das von dem seltsamen Zwillingspaar Zwiddeldumm und Zwiddeldei dringend davor gewarnt wird, den schlafenden Schwarzen König aus einem Schachspiel zu wecken: Sollte der König durch irgendein lautes Geräusch erwachen, wären alle Wesen nicht nur tot, sondern überhaupt nicht mehr da – denn der Schwarze König träumt die ganze Welt.
Alle diese Erzählungen haben eines gemeinsam: Es gibt in ihnen eine andere Welt, in der unsere Träume Gestalt annehmen. Was bisher in den Bereich der Fantasy oder Sciencefiction gehörte, erhält nun möglicherweise die höhere Weihe durch eine physikalische Theorie: Die Mathematik der Supersymmetrie wurde von dem australischen Physiker Robert Foot zu einer Theorie der Spiegelwelten erweitert, in der sich Geist in Materie und Materie in Geist verwandelt. Diese andere Welt ist vielleicht nur eine Atomlänge von uns entfernt! Eine fantastische Idee, die aber bestechend wirkt, auch und gerade deshalb, weil sich Robert Foot in seinem kürzlich erschienenen Buch »Shadowlands« strikt an Fakten und Formeln hält.
Doch bevor wir uns mit dieser Spiegelwelt befassen – wie sie aussehen könnte und was sie möglicherweise für uns bedeutet –, zeigen wir den Weg der Physiker, der sie von einer Spiegelwelt zur nächsten führte. Tatsächlich war die Faszination an Spiegelwelten bei der Entwicklung der modernen theoretischen Physik ein starker Motor. Alle Physiker teilen diese Vorliebe für Symmetrien und insbesondere für Spiegelungen. Es begann mit James Clerk Maxwell Ende des 19. Jahrhunderts, der die erste Spiegelwelt schuf, indem er die Erscheinungen der Elektrizität mit denen des Magnetismus spiegelte. Ihm gelang es, Elektrizität, Magnetismus, Licht und Wellen in vier einfachen Formeln zu fassen und rein mathematisch deren Spiegelcharakter zu zeigen: Ersetzt man nämlich in den ersten beiden Formeln »E« (für Elektrizität) durch »M« (für Magnetismus), dann entstehen die anderen beiden Formeln. Die beiden Formelgruppen sind spiegelsymmetrisch zueinander – jedenfalls beinahe.
Denn Maxwell erreichte die allseits bewunderte Symmetrie seiner Formeln nur durch einen Trick. Er führte einen Vakuum-Strom ein, den er »Verschiebungsstrom« nannte – und den es überhaupt nicht geben kann, denn im Vakuum fließt nun mal kein Strom. Doch Heinrich Hertz, ein begnadeter Experimentator, benutzte Maxwells Formeln so geschickt, dass er daraus die prinzipielle Gleichheit von Licht- und Radiowellen ableiten und experimentell bestätigen konnte. So wurde Maxwell dank seines Gespürs für Spiegelungen (Magnetismus = Spiegelwelt zur Elektrizität) zusammen mit Faraday zum Urvater der Elektrifizierung und zusammen mit Hertz zum Urvater der Rundfunktechnik. Dass seine Formeln in asymmetrischen Situationen versagen, beispielsweise beim »Unipolar-Induktor« oder beim »Marinov’schen Motor«, das wird in den Lehrbüchern schamvoll
verschwiegen. Denn wenn etwas nicht symmetrisch ist, sind Physiker überaus irritiert. Sie sprechen dann, fast schon beleidigt, von »Symmetrieverletzung« oder »Symmetriebruch« und ängstigen sich um die Grundlagen der Wissenschaft.
Die nächste Spiegelwelt wurde von Paul A. M. Dirac entdeckt – oder sollen wir sagen: konstruiert? Herrn Dirac gefiel die Grundgleichung der Quantenphysik nicht: Die Schrödinger-Gleichung (sie beschreibt die Zustände innerhalb eines Atoms) ist unsymmetrisch. In ihrer einfachsten Form sieht sie so aus: (gelesen: d-2-psi nach d-x-Quadrat = a mal d-psi nach d-t).
Auch wer diese Formel nicht versteht, erkennt doch, dass der Raum x im Quadrat vorkommt, die Zeit t aber nicht. Und das störte Dirac. Seit Einsteins Relativitätstheorien war es üblich geworden, Raum und Zeit als gleichberechtigt zu betrachten, auch wenn sie das nur in speziellen Fällen sind. Deswegen wollte Dirac die Schrödinger-Gleichung im Sinne Einsteins formulieren: Raum und Zeit sollten in der gleichen Potenz vorkommen, und zwar in der ersten (wie t), also ohne Quadrat. Und dieses Kunststück gelang ihm tatsächlich. Die Formel wurde dadurch allerdings wesentlich komplizierter, und seine Umschreibprozedur hatte weit reichende Folgen.

Die eine war zunächst höchst erfreulich: Seine Gleichung beschrieb nun auch den »Spin«, die Rotation des Elekt-rons. Die andere Konsequenz erwies sich als sehr unangenehm: Seine Formel ließ auch negative kinetische Energien zu – mit einem Wert kleiner als Null. Mit anderen Worten: Ein Teilchen bewegt sich weniger als gar nicht – eine völlig abstruse Vorstellung. Zudem ergibt sich daraus, dass auch die Masse negativ (kleiner als Null) sein musste, d. h. ein Teilchen wiegt auch weniger als nichts. So entstand die Idee von der Antimaterie. Zunächst hielt das jeder für ein Hirngespinst. Was sollte diese negative Masse denn bedeuten? Doch diese Frage war noch harmlos. Viel schlimmer wog die Tatsache, dass alle Energien ins Bodenlose stürzen müssten, da der kleinste Wert der Energie nun nicht mehr Null war, sondern minus unendlich. Das konnte nicht sein, die Welt war stabil – also war die Formel in dieser Hinsicht offensichtlich falsch.
Dirac ließ sich trotzdem nicht entmutigen, er war von der Schönheit und damit Richtigkeit seiner Formel überzeugt. Zwei Jahre lang dachte er nach, dann hatte er eine komplizierte und für alle Zeitgenossen unverständliche Lösung für das Problem des Energie-Absturzes gefunden. Dazu sei nur so viel gesagt: Um die Welt wieder stabil zu machen, müsste es zu jedem Teilchen dieser Welt ein Spiegelteilchen geben, mit gleicher (aber negativer) Masse und entgegengesetzter Ladung. Nur: So etwas gab es nicht.
Dirac wäre als mathematischer Spinner ins kollektive Gedächtnis eingegangen, hätte nicht rund zehn Jahre später, im Jahre 1932, der Experimentalphysiker Carl Anderson zufällig das erste Dirac’sche Antiteilchen in der kosmischen Strahlung entdeckt. Es war das Gegenstück zum negativ geladenen Elektron, das positiv geladene »Positron«. Nebenbei: Anderson hatte nichts von Diracs obskuren Vorstellungen gewusst. Die Voraussage und die an-schließende Entdeckung eines Antiteilchens gehören zu den größten Triumphen der theoretischen Physik im 20. Jahrhundert. Zu Recht bekamen beide Physiker dafür den Nobelpreis. Eine völlig neue Welt tat sich auf, eine echte Spiegelwelt – aber wo war diese Welt der Antimaterie?

Nirgendwo im Weltall gab es Anzeichen für ihre Existenz. Das Positron kam auch nicht aus den Tiefen des Alls, sondern war beim Zusammenstoß energiereicher kosmischer Teilchen mit Luftmolekülen entstanden. Heute, siebzig Jahre später, haben wir noch immer keine Welt aus Antimaterie gefunden, aber wir können kleinste Mengen davon künstlich herstellen. So haben Physiker in Teilchenbeschleunigern Anti-Elektronen und Anti-Protonen erzeugt, ja sogar Anti-Wasserstoff, aber die Gebilde vereinigen sich sofort mit ihren Partnern aus dieser Welt und zerstrahlen in einem scharfen Lichtblitz. Das wird auch der Grund sein, warum wir im Weltall keine Antimaterie sehen: Sie wäre längst beim Zusammenstoß mit gewöhnlicher Materie zerstrahlt worden. Immerhin: Die noch immer rätselhaften Gammastrahlenblitze (das sind kurze, äußerst energiereiche Explosionen im All) werden von einigen Forschern mit dem Zusammenprall von Materie und Antimaterie erklärt. Doch das ist Spekulation.
Mit Skepsis betrachtet werden auch die Pläne der NASA, Antimaterie als Treibstoff zu verwenden, denn ihre Herstellung ist selbst in minimalsten Mengen extrem teuer, ihre Speicherung unsicher, die Energiegewinnung unkontrollierbar. Aber es sind Fortschritte zu verzeichen: Vor kurzem wurden am Teilchenbeschleuniger CERN in Genf 50000 Atome Anti-Wasserstoff produziert und in einer magnetischen Flasche aufbewahrt. Die NASA hat bereits ein Triebwerk konzipiert, wo Erzeugung, Speicherung und Verwertung von Antimaterie im Detail festgelegt sind.
Die dritte Spiegelwelt entstand eher zufällig aus den mathematischen Spielereien der Herren Schwartz und Green. Ur-sprünglich erweiterten die amerikanischen Physiker Einsteins vierdimensionale Raum-Zeit-Geometrie auf 26 Dimensionen und ersetzten Elementarteilchen durch Elementarfäden. Ihre »String-Theorie« versucht, die Natur allein durch das Verhalten unendlich dünner und gleichzeitig unendlich langer schwingender Fäden zu erklären. Aus dieser Theorie kann in Verbindung mit der Quantenphysik auch die »Vielwelten-Theorie« abgeleitet werden, wie der englische Physiker Stephen Hawking es getan hat (siehe P.M. 2/2202: »Jeder lebt in vielen Welten. Gleichzeitig.«).
Beim Versuch, die etwas sperrige Schwerkraft in ihre Berechnungen einzubeziehen, kamen Schwartz und Green zu verblüffenden Ergebnissen: Zu jedem Teilchen in dieser Welt muss es ein Spiegelteilchen in einer Spiegel- oder Schattenwelt geben. Das Spiegelteilchen hat die gleichen Eigenschaften wie das echte (gleiche Masse, gleiche Ladung), aber aus Materie wird Energie, aus Energie Materie.

Die Physiker unterscheiden nämlich grundsätzlich zwei Arten von Elementarteilchen: Die Materieteilchen (»Fermionen«) brauchen Platz und lassen niemanden sonst an sich heran. Sie halten Abstand voneinander und ermöglichen damit den Aufbau stabiler Materie. Das bekannteste Materieteilchen ist das Elektron. Energieteilchen (»Bosonen«) haben keine Masse und verhalten sich wie Fliegen: Wo eines ist, lassen sich viele andere nieder. Sie kuscheln gern aneinander und bilden einen Strom ununterscheidbarer Teilchen. Das bekannteste Energieteilchen ist das Photon (Lichtteilchen). In der Schwartz-Green’schen Spiegelwelt – ihre Theorie heißt bezeichnenderweise »Supersymmetrie« – verwandelt sich nun jeweils ein Materie- in ein Energieteilchen, und umgekehrt. Unsere Materie wird also jenseits des physikalischen Spiegels unfassbar, sie verwandelt sich in Licht; unser Licht dagegen kondensiert zu Materie. Nebenbei löst die Theorie auf zwanglose Weise auch noch einige andere kleinere Unstimmigkeiten der Quantenphysik.
Diese begrifflich wie mathematisch schöne Theorie hat nur einen Haken: Das Spiegelteilchen zum Elektron (Name: Selektron, das »s« steht für »symmetrisch«) hätte man, sofern es existiert, in Teilchenbeschleunigern schon längst sehen müssen.
Aber – hat man das nicht auch von den Dirac’schen Spiegelteilchen gesagt? Niemand hat das Anti-Elektron gefunden, bis es fast zufällig in hochenergetischen Strahlen aus den Tiefen des Alls auftauchte. Könnte das nicht auch für die Spiegelteilchen der Supersymmetriewelten gelten? Der australische Physiker Robert Foot lieferte nicht nur eine elegante theoretische Erklärung für die Verborgenheit der Spiegelwelt, er präsentierte auch mehr oder minder handfeste Beweise aus dem winzig Kleinen (Atomphysik)und dem unendlich Großen (Astronomie). Hier einige Beispiele:
A Astronomen wundern sich darüber, dass Galaxien infolge der Fliehkraft durch ihre Rotation nicht zerreißen. Sie postulieren eine Art unsichtbare (»dunkle«) Materie, die die Welt zusammenhält und bis zu 99 Prozent der Materie im Weltall ausmachen soll. Bisher wurde nichts davon gefunden. Kein Wunder – so Robert Foot. Er sagt: Die dunkle Materie besteht aus Spiegelteilchen und ist aus diesem Grund unsichtbar. Daraus folgt: Es ist die Spiegelwelt, die unsere Welt zusammenhält. Ohne sie gäbe es keine Galaxien, kein Sonnensystem, kein Leben.

- Auch das Geheimnis der Gammastrahlenblitze könnte durch Spiegelmaterie erklärt werden. Dort, wo ein solcher Blitz auftaucht, sehen die Astronomen keine nennenswerten kosmischen Gebilde. Selbstverständlich, so Foot, denn diese kosmischen Supernovae bestehen aus Spiegelmaterie – und die ist unsichtbar.
- Der künstlich hergestellte Anti-Wasserstoff (»Orthopositronium«) zerfällt schneller, als es die Berechnungen der Physiker erlauben. Foots Erklärung: Orthopositronium verwandelt sich teilweise in seine unsichtbare Spiegelform, deswegen verschwindet scheinbar zu viel des Stoffs in zu kurzer Zeit. Deshalb auch die »falschen« Berechnungen.
- Das Geheimnis der »Rechtshändigkeit« der Natur wird durch Spiegelwelten zwanglos erklärt. Physiker haben nämlich festgestellt, dass der Spin der Elektronen, also ihre Eigenrotation, immer nur in einer Richtung erfolgt, die Welt sich sozusagen rechtsherum dreht. Indes: Betrachtet man die reale und gespiegelte Welt zusammen, dann ist die Symmetrie wiederhergestellt: In unserer Welt halten sich aber nur diejenigen Teilchen auf, die sich rechtsherum drehen – in der Spiegelwelt die links drehenden.
- Eine Entdeckung von Astronomen verblüffte die Fachwelt: Es gibt isolierte Planeten, also solche, die keinem Sonnensystem angehören. Dies widerspricht allen gängigen Theorien der Entstehung von Himmelskörper: Sie können nur von einer Sonne stammen und sind auch für immer an ihre kosmische Mutter gebunden. Foots Erklärung: Die Planeten umkreisen eine (für uns unsichtbare) Spiegelsonne.
- Die Pioneer-Sonde, inzwischen jenseits der Grenzen des Sonnensystems, verliert un-merklich, aber stetig an Geschwindigkeit. Ein Grund dafür wurde bisher nicht gefunden. Foots Erklärung: Die Sonde stößt ständig mit Spiegelmaterie zusammen und wird dadurch abgebremst.
- Im Jahre 1908 schlug ein gewaltiger Himmelskörper in Sibirien ein. Von diesem »Tunguska«-Meteoriten wurden jedoch nie Teile gefunden, obwohl seine Zerstörungskraft gigantisch war (einige Stunden später hätte er Petersburg oder gar London vollständig vernichtet). Foots Erklärung: Der Meteorit bestand aus (unsichtbarer) Spiegelmaterie.
- Die gleiche Erklärung bietet Foot für ein ähnliches Phänomen, das im April 2001
im Nahen Osten auftrat: Ein Meteorit schrammte über den Boden und verbrannte auf seinem Weg alle Pflanzen. Doch auch hier fand man kein Stück des Himmelskörpers. Was nicht verwundern würde, wenn er aus Spiegelmaterie bestanden hätte.
- Durch Simulation der Entstehung des Sonnensystems kamen Astrophysiker auf eine Zahl für die noch vorhandenen Kometen, die 100-mal größer ist als die Anzahl der tatsächlich beobachteten Kometen. Foots Erklärung: Es gibt genauso viele Kometen wie berechnet, aber die »fehlenden« bestehen aus unsichtbarer Spiegelmaterie.
- Der Physiker Francesco Iachello von der Yale-Universität schlug ein Experiment vor, mit dem die Aussagen über die Supersymmetrie geprüft werden könnten. Seinen Berechnungen zufolge müssten bei der Umwandlung von Atomen (z. B. Gold in Platin) Spiegelteilchen auftreten. Dieses Experiment wurde vor kurzem an der Universität München durchgeführt. Die Ergebnisse scheinen Iachello zu bestätigen.

Das klingt sehr eindrucksvoll, aber skeptische Physiker (und von denen gibt es viele) behaupten, jeder der oben angeführten Punkte könnte auch anders erklärt werden. Andererseits: Es waren oft genug gerade die neuen, scheinbar abstrusen Erklärungsversuche, die die Wissenschaft von den ausgetretenen Pfaden auf neue Wege führten – und so den Fortschritt erst ermöglichten. Paul Dirac und seine Antimaterie, Nikolaus Kopernikus und sein heliozentrisches Weltsystem, Alfred Wegener und seine Theorie der Kontinentalverschiebung – sie alle wurden zunächst ignoriert oder bekämpft. Natürlich ist die Foot’sche Spiegelwelt eine Theorie – so wie auch Stephen Hawkings »Vielwelten-Theorie« –, sodass jedes Weiterdenken dieser Theorie zwangsläufig zur Spekulation gerät.
Tatsache ist: Die Maxwell’sche Spiegelwelt brachte uns den Elektromotor, den Stromgenerator und die Rundfunk- und Fernsehtechnik, kurzum: die moderne Zivilisation. Die Dirac’sche Spiegelwelt zeigte uns die Existenz der Antimatierie, schuf neue Erklärungen für astronomische Phänomene und gab den Anstoß für die Entwicklung neuer Antriebssysteme interstellarer Raumschiffe.
Und die Welt von Robert Foot? Spekulieren wir! In der Spiegelwelt der Supersymmetrie wird aus Licht Materie. Wenn wir Licht und Energie mit etwas Geistigem gleichsetzen, könnte dort aus Gedanken also Wirklichkeit werden wie in den eingangs geschilderten SF-Erzählungen und Märchen. Nahrung erhält diese Spekulation durch die Theorien des Hirnforschers Johnjoe McFadden, Professor für Molekulargenetik an der britischen University of Surrey. Nach seinen Untersuchungen entsteht Bewusstsein nicht durch die Impulse der Nervenzellen, sondern durch das elektromagnetische Feld (Energie), das unser Gehirn umhüllt und durchströmt. Dieses elektromagnetische Feld wird durch Photonen (Lichtteilchen) erzeugt und zusammengehalten – und erschafft auf diese Weise, so Johnjoe McFadden, unser Bewusstsein. Wenn Energie in der Spiegelung zur Materie wird, dann bedeutet dies, dass die Energie des Bewusstseins (also Gedanken) sich in der Spiegelwelt in Materie verwandelt.
Wo aber ist diese Spiegelwelt? Sie könnte hier sein – um uns oder gar in uns, jedenfalls nicht sehr weit weg. Und wie sollen wir sie uns vorstellen? Am ehesten wohl kommen wir ihr nahe, wenn wir in einen Spiegel blicken und alle Farben verkehrt sehen: unser Gesicht in blau, die Zähne schwarz, die Haare weiß – also so ähnlich wie das Bild von Escher, das er »Tag und Nacht« nannte. Ob in diesem Spiegel auch die Seele verkehrt wird? Der Charakter? Das Geschlecht?

Aber wie gelangen wir in diese Welt? Dass es Realitäten jenseits der unmittelbar wahrnehmbaren Welt gibt, wussten alle Religionen zu allen Zeiten, und sie haben uns auch Wege gezeigt, wie wir von unserer materiellen Welt über das Spirituelle Zugang zu ihr erlangen – durch Meditation, Erleuchtung, außerkörperliche Erfahrungen und andere Techniken des Geistes und der Seele.
Man könnte die Spiegelwelt auch vergleichen mit dem Bild auf – oder sollen wir sagen: hinter? – einem Computer-Bildschirm, also virtuell, aber dennoch von uns manipulierbar. Der Bildschirm ist der magische Spiegel, der uns einen Blick in diese Spiegelwelten erlaubt.
Nicht nur einen Blick, denn wir können diese Welt selbst erschaffen. Wir müssen gar nichts dazu tun. Allein durch den Akt des Denkens materialisiert sich in der supersymmetrischen Spiegelwelt etwas, was eins zu eins dem entspricht, was wir uns ausgedacht haben. Es kann aber auch umgekehrt sein: Was wir in der Nacht oder am Tag träumen, ist vielleicht gar kein Traum, sondern das Spiegelbild einer realen Welt. Und Lichterscheinungen, über die immer wieder berichtet wird, könnten die Widerspiegelungen einer realen Welt sein, deren Materie bei uns als Licht zu sehen ist.
Wenn es uns gelingt, eine reale Spiegelwelt durch unser Denken zu erschaffen – werden wir dann selber zu Magiern oder gar zu Göttern? Und welche Verantwortung tragen wir dann für unsere Gedanken, Wünsche, Träume und Ängste, wenn sie in einer anderen Welt Wirklichkeit werden?

Autor(in): Peter Ripota