Gott, dunkle Materie und fallende Katzen: Ein Gespräch mit dem Templeton-Preisträger 2022 Frank Wilczek

Frank Wilczek, ein mit dem Nobelpreis ausgezeichneter theoretischer Physiker und Autor, wurde als Empfänger des Templeton-Preises 2022 bekannt gegeben, der mit mehr als 1,3 Millionen US-Dollar dotiert ist. Die jährliche Auszeichnung ehrt diejenigen, „die sich die Macht der Wissenschaften zunutze machen, um die tiefsten Fragen des Universums und den Platz und Zweck der Menschheit darin zu erforschen“, heißt es in einer Pressemitteilung der John Templeton Foundation. Zu den früheren Empfängern gehören Wissenschaftler wie Jane Goodall, Marcelo Gleiser und Martin Rees sowie religiöse oder politische Führer wie Mutter Theresa und Desmond Tutu.

Wilczeks mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Arbeit geht auf die frühen 1970er Jahre zurück, als er und zwei Kollegen eine Theorie entwickelten, die das Verhalten von Elementarteilchen namens Quarks beschreibt – eine Leistung, die sich als entscheidend für die Etablierung des Standardmodells der Teilchenphysik erwies. Er hat auch die Existenz mehrerer neuer Partikel und Entitäten vorgeschlagen. Einige, wie „Zeitkristalle“ und „Anyons“, wurden inzwischen entdeckt und scheinen vielversprechend für die Entwicklung besserer Quantencomputer zu sein. Eine weitere Wilczek-Vorhersage – das „Axion“ – bleibt unbestätigt, ist aber ein führender Kandidat für Dunkle Materie, die unsichtbare Substanz, von der angenommen wird, dass sie den Großteil der Masse im Universum ausmacht. Er ist auch ein produktiver Autor und verbindet in seinen jüngsten Büchern seine Arbeit als Physiker mit seinen Betrachtungen über die inhärente Schönheit der Realität und argumentiert, dass unser Universum die mathematisch elegantesten Strukturen verkörpert.

Wissenschaftlicher Amerikaner sprach mit Wilczek über das Zusammenspiel von Wissenschaft und Spiritualität, jüngste Berichte, dass das Standardmodell möglicherweise „gebrochen“ und seine neuesten Forschungen über die Jagd nach hypothetischen Teilchen und die Physik fallender Katzen.

[An edited transcript of the interview follows.]

Herzlichen Glückwunsch zum Erhalt des Templeton-Preises. Was bedeutet diese Auszeichnung für Sie?

Meine forschenden, wissenschaftlich fundierten Bemühungen, Fragen anzusprechen, die oft als philosophisch oder religiös angesehen werden, finden Anklang. Dafür bin ich sehr dankbar, und ich habe begonnen, darüber nachzudenken, was das alles bedeutet.

Eine Art „spirituelles“ Erwachen war für mich die Erfahrung, wie ein Dialog mit der Natur möglich ist – in dem die Natur „zurückspricht“ und dich manchmal überrascht und manchmal bestätigt, was du dir vorgestellt hast. Vage Hoffnungen und Konzepte, die ursprünglich auf Papier gekritzelt waren, werden zu experimentellen Vorschlägen und mitunter gelungenen Weltbeschreibungen.

Sie identifizieren sich jetzt nicht mit einer bestimmten religiösen Tradition, aber in Ihrem 2021-Buch Grundlagen: Zehn Schlüssel zur Realitätschrieben Sie: „Indem wir untersuchen, wie die Welt funktioniert, studieren wir, wie Gott funktioniert, und dadurch lernen, was Gott ist.“ Was wolltest du damit sagen?

Der Gebrauch des Wortes „Gott“ in der allgemeinen Kultur ist sehr locker. Menschen können damit ganz unterschiedliche Dinge meinen. Für mich ist der rote Faden das große Denken: darüber nachzudenken, wie die Welt funktioniert, was sie ist, wie sie entstanden ist und was das alles für das bedeutet, was wir tun sollten.

Ich habe mich dafür entschieden, dies teilweise zu studieren, um die Lücke zu füllen, die hinterlassen wurde, als mir klar wurde, dass ich die Dogmen der katholischen Kirche, die mir als Teenager viel bedeutet hatten, nicht länger akzeptieren konnte. Zu diesen Dogmen gehören Behauptungen darüber, wie Dinge geschehen, die besonders schwer mit der Wissenschaft in Einklang zu bringen sind. Aber noch wichtiger ist, dass die Welt ein größerer, älterer und fremderer Ort ist als der tribalistische Bericht in der Bibel. Es gibt einige Behauptungen über Ethik und Einstellungen zur Gemeinschaft, die ich wertvoll finde, aber sie können nicht als Äußerungen „von oben“ angesehen werden. Ich denke, ich habe jetzt genug Weisheit und Lebenserfahrung gesammelt, um all dies mit echter Einsicht zu überdenken.

Können Sie mir einige konkrete Beispiele dafür geben, wie die Weisheit, die Sie jetzt haben, aber in Ihrer wissenschaftlichen Karriere früher nicht hatten, Ihre Einstellung beeinflusst hat?

Komplementarität“ sagt, dass man nicht mit einem einzigen Bild alle sinnvollen Fragen beantworten kann. Möglicherweise benötigen Sie sehr unterschiedliche Beschreibungen, auch Beschreibungen, die für beide Seiten unverständlich oder oberflächlich widersprüchlich sind. Dieses Konzept ist absolut notwendig, um die Quantenmechanik zu verstehen, wo man beispielsweise nicht gleichzeitig Vorhersagen über die Position und den Impuls eines Elektrons treffen kann. Als ich Bohrs Ideen zum ersten Mal begegnete, Komplementarität über die Quantenmechanik hinaus zu führen, war ich nicht beeindruckt. Ich hielt das für grenzwertigen Bullshit. Aber ich habe erkannt, dass es eine viel allgemeinere Weisheit ist, die Toleranz und Bewusstseinserweiterung fördert. Es gibt auch die wissenschaftliche Einstellung, dass Offenheit und Ehrlichkeit Menschen gedeihen lassen. Es steigert die Effektivität von Wissenschaftlern, wenn sie eine Art liebevolle Beziehung zu dem haben, was sie tun, weil die Arbeit frustrierend sein kann und Investitionen in das Erlernen von ziemlich trockenem Material erfordert. Und dann ist da noch die Lektion der Schönheit: Wenn Sie sich erlauben, Ihrer Fantasie freien Lauf zu lassen, zahlt es Ihnen die Welt mit wunderbaren Geschenken zurück.

Sie haben einen Anteil am gewonnen Nobelpreis für Physik 2004 für Ihre Arbeit zum Verständnis der starken Kraft, die subatomare Teilchen im Atomkern bindet. Diese Arbeit bildet einen Teil des Rückgrats des Standardmodells. Aber das Standardmodell ist natürlich unvollständig, weil es weder die Schwerkraft noch die dunkle Materie oder die „dunkle Energie“ berücksichtigt, die die beschleunigte Expansion des Universums voranzutreiben scheint. Viele Physiker, Sie eingeschlossen, glauben folglich, dass wir irgendwann Beweise finden werden, die es uns ermöglichen, einen Nachfolger oder eine Erweiterung des Standardmodells zu entwickeln. Im April gaben Physiker des Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Illinois, bekannt, dass sie die Masse eines Elementarteilchens namens W-Boson gemessen haben deutlich als vorhergesagt nach dem Standardmodell. Ist dies ein aufregendes Zeichen dafür, dass die Die Herrschaft von Standard Model nähert sich ihrem Ende?

Ich bin skeptisch. Dies ist eine beeindruckende Arbeit, aber es ist ein Versuch, eine hochpräzise Messung der Masse eines instabilen Teilchens durchzuführen, das auf exotische Weise sehr schnell zerfällt. Und weil das W-Boson eine endliche Lebensdauer hat, hat es laut Quantenmechanik eine Massenunsicherheit. Allein die Tatsache, dass die Messung so kompliziert ist, hebt die Augenbrauen. Und dann noch gravierender ist, dass das Ergebnis nicht nur von theoretischen Berechnungen, sondern auch von früheren experimentellen Messungen abweicht. Wenn es eine zwingende theoretische Hypothese gäbe, die darauf hindeutet, dass es diese Diskrepanz mit der Masse des W-Bosons geben sollte, aber keine andere Diskrepanz mit allen anderen Tests, wäre das fantastisch. Aber das ist nicht der Fall. Also, für mich ist die Jury immer noch aus.

Einer Ihrer jüngsten Erfolge war die Existenz vorhersagen eines neuartigen Quantenzustands der Materie, den Sie als „Zeitkristall„weil seine Teilchen ein sich wiederholendes Verhalten zeigen – wie ein schwingendes Pendel – aber ohne Energie zu verbrauchen. Wie sind Sie auf die Idee gekommen?

Vor fast 10 Jahren bereitete ich mich darauf vor, einen Kurs über Symmetrie zu unterrichten, und ich dachte: „Lasst uns über Kristallsymmetrie in mehr als nur 3-D nachdenken; Denken wir an Kristalle, die zeitlich periodisch sind.“ Zeitkristalle sind im Grunde selbstorganisierte Uhren, die nicht konstruiert sind, sondern spontan entstehen, weil sie Uhren sein wollen. Wenn Sie jetzt Systeme haben, die sich spontan bewegen wollen, klingt das gefährlich nach einem Perpetuum Mobile, und das hatte die Physiker abgeschreckt. Aber ich habe im Laufe meiner Karriere mehrere Selbstvertrauensspritzen bekommen, also hatte ich keine Angst und sprang dort ein, wo Engel Angst haben zu treten. Ich wollte es ursprünglich „spontanes Brechen der Zeit-Übersetzungs-Symmetrie“ nennen, aber meine Frau Betsy Devine sagte: „Was zum Teufel?!“ So wurden sie zu Zeitkristallen.

Zeitkristalle wurden nun im Labor erstellt und in einem Quantencomputer. Wie könnten sie nützlich sein?

Die vielversprechendste Anwendung besteht darin, neue und bessere Uhren herzustellen, die tragbarer und robuster sind. Die Herstellung genauer Uhren ist eine wichtige Grenze in der Physik; [they are] Wird zum Beispiel in GPS verwendet. Es ist auch wichtig, Uhren herzustellen, die für die Quantenmechanik geeignet sind, da Quantencomputer kompatible Uhren benötigen.

Sie haben die Angewohnheit, sich einprägsame Namen auszudenken. In den 1970er Jahren schlugen Sie vor, a hypothetisches neues Teilchen das Sie das „Axion“ nannten – inspiriert von einem Waschmittel – weil seine Existenz ein chaotisches technisches Problem in der Funktionsweise der Teilchenphysik beseitigen würde. Seitdem haben andere Physiker vorgeschlagen, dass Axionen, falls sie existieren, genau die richtigen Eigenschaften haben, um dunkle Materie zu bilden. Wie geht die Suche nach Axionen voran?

Axions sind super spannend. Am Anfang war es für mich völlig unerwartet, dass die Theorie perfekt darauf ausgelegt war, die dunkle Materie zu erklären, aber diese Möglichkeit hat an Boden gewonnen. Das liegt zum Teil daran, dass die Suche nach den anderen führenden Kandidaten für dunkle Materie, sogenannten WIMPs (schwach wechselwirkende massive Teilchen), leer ausgefallen ist, sodass Axionen im Vergleich besser aussehen. Und in den letzten Jahren gab es einige wirklich vielversprechende Ideen zum Nachweis von Axionen der Dunklen Materie. Das habe ich mir zusammen mit den Forschern der Universität Stockholm, Alex Millar und Matt Lawson, ausgedacht verwendet ein „Metamaterial“– ein Material, das entwickelt wurde, um Licht auf bestimmte Weise zu verarbeiten – als eine Art „Antenne“ für Axionen. Tee ALPHA-Zusammenarbeit hat Prototypen getestet, und ich bin optimistisch, fast schon zuversichtlich, dass wir innerhalb von fünf bis zehn Jahren endgültige Ergebnisse haben werden.

Und „axion“ ist jetzt in der Oxford Englisch Wörterbuch. Wenn Sie im OED sind, wissen Sie, dass Sie angekommen sind.

Sie haben auch den Namen eines anderen neuen Teilchens geprägt, das „Anyon“. Das Standardmodell lässt zwei Arten von Elementarteilchen zu: „Fermionen“ (zu denen Elektronen gehören) und „Bosonen“ (z. B. Lichtphotonen). Das Anyon ist eine dritte Kategorie von „Quasiteilchen“, die durch das kollektive Verhalten von Elektronengruppen in bestimmten Quantensystemen entsteht. Du hat dies bereits 1984 vorausgesagtaber es ist nur gewesen Bestätigt in den vergangenen Jahren. Was gibt es Neues über irgendjemanden?

Ich dachte, es würde ein paar Monate dauern, um zu bestätigen, dass Sie Anyons haben könnten, aber es dauerte fast 40 Jahre. Während dieser Zeit gab es buchstäblich Tausende von Artikeln über irgendjemanden, aber nur sehr wenige waren experimentell. Die Menschen erkannten auch, dass Anyons als Möglichkeiten zum Speichern von Informationen nützlich sein könnten – und dass diese möglicherweise im industriellen Maßstab produziert werden könnten – was das Gebiet des „topologischen Quantencomputings“ entstehen ließ. Mittlerweile gibt es Prototyp-Experimente in China und ernsthafte Investitionen von Microsoft. Letzten Monat Microsoft angekündigt die sie haben machte die Art von jemandem Wir müssen die Quantencomputing-Anwendungen ernsthaft auf den Weg bringen. All diese Tausenden von theoretischen Abhandlungen treten also endlich in Kontakt mit der praktischen Realität und sogar mit der Technologie.

Sie haben eindeutig ein Händchen dafür, bahnbrechende Konzepte in der Physik zu entwickeln. Haben Sie weitere revolutionäre Ideen?

Ja, aber ich will sie nicht verhexen, indem ich sie hier beiläufig erwähne! Ich werde Ihnen jedoch etwas Amüsantes erzählen, an dem ich arbeite: Es gibt eine abstrakte mathematische Idee namens „Eichsymmetrie“, die die Teilchenphysik untermauert. Es ist ein mächtiges Werkzeug, aber es ist ein Rätsel, warum es da ist. Eine interessante Beobachtung ist, dass die Eichsymmetrie auch bei der Beschreibung der Mechanik von Körpern auftaucht, die matschig sind und sich selbst antreiben können. Erstaunlicherweise zeigt sich Symmetrie der Messgeräte, wenn man versucht herauszufinden, wie eine Katze, die vom Baum fällt, auf ihren Füßen landen kann oder wie Taucher Bauchschläge vermeiden. Das habe ich mit realisiert [physicist] Al Shaper Vor 30 Jahren, aber in neueren Arbeiten habe ich es in mehrere Richtungen verallgemeinert. Es macht viel Spaß – und es könnte sich als tiefgreifend herausstellen.

Und schließlich, was sind Ihre langfristigen Hoffnungen für die Zukunft der Gesellschaft?

Ein Blick auf die große Geschichte verstärkt den kosmischen Optimismus. Ich sage gerne, dass Gott ein „work in progress“ ist. Tag für Tag kann es zu Rückfällen kommen – Pandemien, Kriege –, aber wenn Sie sich die Gesamttrends ansehen, sind sie außerordentlich positiv. Die Dinge könnten schief gehen, mit einem Atomkrieg oder einer ökologischen Katastrophe, aber wenn wir als Spezies vorsichtig sind, können wir eine wirklich glorreiche Zukunft haben. Ich sehe es als Teil meiner Mission für den Rest meines Lebens an, zu versuchen, Menschen auf eine Zukunft hinzuweisen, die unserer Chancen würdig ist und nicht entgleist.

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