Feb 24 2012

Das Cern, die Neutrinos und die Wissenschaft

Die vermeintlich spektakuläre Entdeckung von superluminaren Neutrinos ist vielleicht auf ein defektes Kabel zurückzuführen. Was und das über Wissenschaft und Wissenschaftler verrät.

Als letzten Herbst die Meldung um die Welt ging, dass am europäischen Teilchenbeschleuniger CERN (Centre Européen de la Recherche Nucleaire in Genf) seien möglicherweise überlichtschnelle Neutrinos produziert (und im Gran Sasso Labor in den italienischen Apenninen gemessen) worden, dominierte unter Wissenschaftlern die Skepsis: Irgendwas müssen die doch falsch gemessen haben… Aber gerade weil alle Wissenschaftler gelernt haben, mit Vorverurteilungen vorsichtig zu sein, und allein schon die Idee des „was wäre wenn…“ einen enormen Reiz hat, haben wohl die meisten – gerade jene, die nicht auf diesem Fachgebiet arbeiten – eine „Abwarten und Schauen“-Haltung eingenommen (eine schöne Übersicht der Reaktionen auf die Meldung findet sich bei relativ-kritisch.net). Währenddessen sahen sich jene Nicht-Wissenschaftler, die schon immer wussten, dass Einstein ganz falsch lag, in ihren Überzeugungen endlich bestätigt (aber das ist eine andere Geschichte).

Doch die Idee des „was wäre wenn…“ (…das Resultat denn wirklich real wäre und sich bestätigen liesse!) hat auch ganze Legionen von Wissenschaftlern dazu animiert,  das ganze sehr ernst zu nehmen und sorgfältig ausgearbeitete Lösungsvorschläge bei Fachzeitschriften einzureichen und/oder auf Preprint-Servern hochzuladen (wie eine Suche nach „OPERA Neutrino“ etwa auf arxiv.org oder ADS bestätigen wird). Von Problemen mit der Kalibration von GPS-Daten, vernachlässigten Bezugssystemen bis hin zu Neutrinos, die Abkürzungen über höhere Dimensionen nehmen – alles konnte gemäss diesen detailierten und komplexen Texten, in die sicher viele Stunden Arbeit eingeflossen sind, als mögliche Erklärung herhalten.

Nun ist eine weitere Erklärung hinzugekommen, die weit profaner ist als alles bisherige (und die vielleicht gerade deshalb richtig ist): Ein einfaches defektes Kabel könnte die beobachteten Verzögerungen (bzw. vermeintlichen Beschleuigungen der Neutrinos) bewirkt haben. Sollte sich das bestätigen, dann wirken all die komplexen Erklärungsversuche, die in der Zwischenzeit gemacht wurden, im Rückblick ziemlich lächerlich. Gewisse sind jetzt vielleicht versucht zu sagen: Wissen diese Wissenschaftler denn überhaupt, was sie tun? Sind diese grossen Geldbeträge, die in Projekte wie den Teilchenbeschleuniger LHC des CERN investiert wurden, in den Händen von Diletanten gelandet, die sich von einem defekten Kabel ins Bockshorn jagen lassen?

Zunächst einmal ist zu sagen, dass das ursprüngliche Resultat nie als felsenfeste „Gewissheit“ verbreitet wurde – sondern als nüchterne Darstellung der Datenlage, mit Bitte an die restliche Wissenschafts-Welt, bei der Lösung des Rätsels behiflich zu sein. In der Publikation, in der die Ergebnisse der OPERA-Studie vorgestellt wurde (hier eine öffentlich zugängliche Version davon), ging es vornehmlich um den genauen Vorgang bei der Zeit- und Entfernungsmessung: mögliche Auswirkungen des Resultats auf unser physikalisches Weltbild wurden gar nicht diskutiert. Umso erstaunlicher ist es (oder vielleicht auch nicht…), dass die Entdeckung eines Fehlers im Versuchsaufbau in der Berichterstattung nun in der Regel nicht etwa begrüsst, sondern bisweilen mit leichtem Spott bedacht wird.

Doch aus meiner Sicht zeigt das die Wendung, die das ganze genommen hat, auch noch etwas ganz anderes: Die Ergebnisoffenheit der Forschung allgemein und die enorme Kreativität der involvierten Wissenschaftler. Die Sache ist doch die: Wir wissen nicht, wie die Welt wirklich beschaffen ist. All unser Wissen ist letztlich „Theorie“. Das heisst zwar nicht, dass alles, was heute gilt, morgen schon falsch sein kann: Naturgesetze ändern sich nicht, nur unsere Vorstellung von ihnen. Gravitation wird auf der Skala des Sonnensystems immer mit dem Quadrat zum Abstand abnehmen, denn das können wir direkt beobachten bzw. messen – aber vielleicht gilt diese Regel nicht unbeschränkt für Bereiche, in denen wir bisher (noch) nicht beobachtet haben. Die vorsichtige Extrapolation des Bekannten in neue, bisher unbekannte Bereiche liegt auch dem Neutrino-Experiment zu Grunde: aufgrund unseres Wissens über Naturgesetze würde man eigentlich erwarten, dass Neutrinos sich stets mit Lichtgeschwindigkeit bewegen (was auch schon durch andere Beobachtungen wie z.B. Neutrinos von der Supernova SN1987A bestätigt wurde) – doch niemand hat zuvor die Geschwindigkeit von Neutrinos direkt gemessen (und genau deshalb macht man das ja).

Immer dann, wenn sich die Welt anders verhält als wir erwartet hätten, wird es interessant. Dann nämlich öffnet sich uns ein Türchen, zu einer neuen Perspektive, einer neuen Art, die Welt zu sehen – etwas zu lernen, was wir vorher nicht wussten. Und gerade weil wir nicht wissen, wie diese Welt in ihrem Innersten wirklich ist, müssen wir in dieser Unwissenheit jeden solchen Hinweis (sofern er einigermassen solide ist) ernst nehmen – selbst wenn er allen bisherigen Annahmen zuwiderläuft, und selbst auf die Gefahr hin, dass unsere sorgfältig ausgearbeiteten Überlegungen ein paar Monate später durch ein defektes Kabel auf einen Schlag überflüssig werden. Ein Wissenschaftler, der nicht direkt mit der Messung am CERN und Gran Sasso involviert ist, hat keine Möglichkeit, das Funktionieren von Kabeln zu überprüfen – aber im Rahmen seiner Möglichkeiten kann er, in diesem Fall aus der Ferne, durchaus versuchen, zu einer Erklärung beizutragen.

Die vielen Vorschläge zeigen auch ganz klar auf, dass Wissenschaft nicht dogmatisch und „betriebsblind“ ist, wie vielleicht gerne (meist von Nicht-Wissenschaftlern) behauptet wird. Niemand hatte im Fall der überlichtschnellen Neutrinos ein Problem damit, das ultimative Geschwindigkeitslimit der Lichtgeschwindigkeit für Neutrinos fallen zu lassen, sollte sich das Ergebnis bestätigen – das Problem lag immer darin, das Ergebnis in die bekannte Welt zu integrieren, und genau das wurde versucht – mit enormer Begeisterungsfähigkeit und Kreativität. Ein „Dogma“ hätte angesichts eines solchen Ansturms (der sicherlich auch so zu erklären ist, dass Wissenschaftler unter einem enormen Druck stehen, sich profilieren müssen, um langfristig ihren Traumberuf zu behalten) keine Chance – es würde innerhalb kürzester Zeit zerpflückt. Nur das, was wirklich funktioniert kann sich in so einem Umfeld langfristig halten. Das stärkt das Vertrauen in das bestehend Wissen. Je mehr Experimente wir machen, je mehr Hirnzellen wir auf deren Deutung ansetzen, desto näher werden wir einem Verständnis der Welt, in der wir leben, kommen. Und genau so sollte es doch sein.

65 Comments

  • By Atlan, 22. März 2012 @ 11:34

    „es gibt keine WAHRHEITEN, sondern nur BRAUCHBARKEITEN“ hat ein berühmter physiker mal gesagt.(wer es war, ist mir leider entfallen, sorry. bohr oder dirac? ich weißes nicht mehr…egal). damit hat er auch bereits ALLES über die menschliche sicht der dinge und wahrnehmung der wirklichkeit gesagt. insbesondere auch über die menschliche vermessenheit bzw. die historischen irrtümer der wissenschaft in ihrer jeweiligen epoche.

    beipiel: nehmen wir das geoezentrische weltbild des mittelalters. obwohl wir heute wissen, dass es nicht wahr ist, war es doch für die erklärung der welt völlig brauchbar ausreichend. theoretisch sogar heute noch – obwohl es falsch ist!
    wenn ich z.b. heute noch behaupte, dass die sonne sich um die erde dreht, würde es skeptikern schwer fallen, das mit ihren eigenen worten mal eben so zu widerlegen (dass es bei wikipedia anders geschrieben steht, zählt nicht…), denn ich bräuchte ja nur aufzufordern den lauf der sonne zu verfolgen. „schaut über eure köpfe! die sonne geht auf, sie geht unter und ich selbst bewege mich kein bischen. ergo kreist sie um die erde!“
    mit diesem überholten modell ist doch fast alles erklärbar! tag, nacht, kühle, wärme, womöglich auch jahreszeiten usw. für landwirte wäre das doch schon mal völlig ausreichend. was will man mehr?

    das modell ist sehr gut BRAUCHBAR, ohne deshalb WAHR zu sein! eine modell/eine theorie muss ja nicht stimmen und trotzdem erklärt sie mir die welt völlig plausibel. DAS hat besagter physiker mit diesem kleinen, fiesen – im übrigen nicht widerlegbaren – satz (s. o.!)gemeint.

  • By CommanderTomalak, 23. März 2012 @ 07:54

    Naja, aber wie du mitbekommen haben wirst, oder vielleicht nicht, spiele ich hier nur den Advocatus Diaboli, vertrete die Position, die ich hier verteidige, also sowieso nicht ernsthaft, sondern nur als eine Art Spiel.

    Ich habe vielleicht unterschätzt, wie konsequent du das als Spiel betreibst 😉

    Das ist doch ein ziemlich vages Kriterium. Konnte das Kopernische Weltbild anfangs mehr erklären als Geozentrische? Es gibt einige wissenschaftshistorische Hinweise, das der Fall so einfach nicht lag.

    Lag es tatsächlich nicht, weil der gute Kopernikus sich geweigert hat, von perfekten Kreisbahnen abzusehen und so erst wieder zusätzliche Annahmen machen musste. Spätestens mit Kepler hatte sich das dann aber erledigt. Und dann konnte das Weltbild wirklich mehr mit deutlich weniger Parametern. Und Newton hat das Ganze mit dem Gravitationsgesetz dann zementiert.

    Die Ausbildung in den Wissenschaften zielt aber auf das Arbeiten in einem bestimmten Feld der Forschung ab. Das kann zu einer Form der Betriebsblindheit gegenüber alternativen Grundlagen führen.

    Naja, zumindest in den ersten 2 Jahren kann (und muss) man sich wirklich intensiv mit den Grundlagen beschäftigen, und das würde schon ausreichen, um seiner eigenen Idee erstmal eine exakte Formulierung zu verpassen. Und vielleicht stellt man dann von ganz alleine fest, dass zum Beispiel im Fall der Hohlwelt-Theorie das ganze Weltbild einfach nur eine Koordinateninversion am Erdmittelpunkt und damit einfach nur eine andere Anschauung derselben Physik darstellt, die allerdings keinen Mehrwert bietet und nur zusätzliche Annahmen braucht (etwa, warum ausgerechnet die Erde die allumspannende Hohlkugel sein soll und nicht irgendein anderer der 100 Milliarden Planeten im Universum; außerdem braucht man eine Form der Lorentz-Transformation, die genau die Eigenschaft der Geometrie wieder rausrechnet, die man mühevoll reingesteckt hat, um den tatsächlich gemessenen Verlauf der Planeten und Gestirne zu erhalten). Auffällig ist halt, dass unter den Leuten mit einer alternativen Grund-Idee praktisch keine ausgebildeten Wissenschaftler dabei sind. Betriebsblindheit mag als Ausrede für einen – vielleicht auch großen – Teil der Wissenschaftler herhalten. Aber doch nicht für alle! Das sind nämlich grundsätzlich kritisch denkende Menschen, das übersehen die meisten Crackpots völlig.

    Dennoch ist zu fragen, ob ad-hoc-Hypothesen nicht für wesentliche Anwendungsgebiete ausreichen?

    Um bei der High-Tech zu bleiben: nein. Man nutzt dort hauptsächlich Dinge aus, von denen man ohne Grundlagenforschung nichtmal wüsste, dass es sie gibt. Die Bandlücke eines Halbleiters zum Beispiel. Das war am Anfang reiner Forscher-Spaß, bis man erkannt hat, dass man damit Solarzellen, LEDs, Feld-Effekt-Transistoren etc. bauen kann. Dann haben Leute damit angefangen, die Bandlücke in zusammengesetzten Halbleitern zu verändern. Klang erstmal nach Spielerei. Heute ist das Ergebnis in Form von High Electron Mobility Transistoren (HEMT) aus GaAs in jedem Handy drin.

    mit diesem überholten modell ist doch fast alles erklärbar! tag, nacht, kühle, wärme, womöglich auch jahreszeiten usw. für landwirte wäre das doch schon mal völlig ausreichend. was will man mehr?

    Mit dem Modell sind Jahreszeiten oder generell die Veränderung der Sonnenbahn im Laufe des Jahrs zum Beispiel schonmal nicht oder nur ganz ganz schlecht erklärbar, ohne hanebüchene Annahmen machen zu müssen 😉 abgesehen davon besteht der Reiz einer weiterentwickelten Theorie doch darin, dass sie mehr erklären kann oder vielleicht weniger Annahmen benötigt. Für den Landwirt ist die Annahme, dass die Erde die Sonne umkreist genauso brauchbar wie die gegenteilige. Warum soll er dann nicht gleich die nehmen, die für Wissenschaftler auch die brauchbarere ist? 😉

    Im Übrigen hast du da den Grundkanon des Konstruktivismus zitiert, und ich hab so meine Zweifel, ob das wirklich ein Physiker von sich gegeben hat. Was damit gemeint ist, hat aber durchaus nicht Unrecht: objektive Wahrheit ist von subjektiven Betrachtern nicht feststellbar, also muss jedes Modell, das man subjektiverweise aufstellt, anhand seiner Brauchbarkeit gegenüber anderen bewertet werden. Aber genau dessen ist sich die Wissenschaft doch völlig bewusst. Und deshalb werden Theorien auch anhand ihrer Brauchbarkeit bewertet 😉

  • By Atlan, 23. März 2012 @ 15:02

    bei aller anerkennung und sympathie für die erwiderungen, glaube ich, dass einige überhaupt nicht verstanden haben, was ich mit meinem zitat ausdrücken wollte und auch nicht begreifen wie respektslos tiefgründig und universell gültig es ist. (die zweifel betr. den ursprung des zitats sind übrigens unbegründet! ich meine, dass ich es sogar mal in der „bild der wissenschaft“ gelesen habe. dass ich den „weisen“ physiker vergessen habe, wurmt mich ja selber…).

    ich will auch hier keine never ending story daraus machen – ich weiß, dass viele leser es sehr gut verstanden und womöglich auch immer schon so gefühlt/gedacht haben. es lohnt nicht und führt auch zu nichts, diese sichtweise durch immer neue postings relativieren zu wollen.

    es gibt ja noch einige andere, in ihrer logischen konsequenz „hammerharte“ sichtweisen/zitate, die den homo sapiens sapiens spontan schwer ins grübeln bringen können, aber das würde hier den rahmen des eigentlichen themas völlig sprengen. insofern können wir unsere kleine philosophische exkursion – was mein zitat betrifft – gern schließen.

  • By Denis, 1. April 2012 @ 15:42

    Ich weiß, dass ich diesen Satz schon seit einiger Zeit öfter mal sage, aber ob er von denen ist, weiß ich jetzt auch nicht. Aber es ist ja mal davon abhängig wieviel Wahrheit vertragen wird. Brauchbarkeit ist etwas zukunftsgewandtes, Wahheit etwas zurückliegendes, sieht jemand Wahrheit als Zukunft an, so ist er selber dran schuld. Und damit sollte es reichen.

  • By Atlan, 18. April 2012 @ 10:55

    hier mal was nachdenkliches zum aktuellen stand der kosmologie…

    http://www.3sat.de/mediathek/?display=1&mode=play&obj=30075

  • By Der Beobachter, 23. April 2012 @ 16:49

    Ich hab in einem aktuellen Artikel gelesen, dass bei den laufenden Untersuchungen noch weitere potentielle Fehlerquellen aufgetaucht sind. So zB eine falsch gehende Atomuhr, die das Messergebnis jedoch in Richtung langsamerer Neutrinos verfälschte und den Effekt der fehlerhaften Steckverbindung mehr als aufwiegen sollte.
    Es ist also noch alles offen, es muss einfach nochmal genauer gemessen werden.
    Und dann woanders nochmal.
    Und dann nochmal.

    Und dann wissen wirs.

    :-)

  • By Denis, 3. Mai 2012 @ 00:17

    Dafür wurde ein neues Baryon entdeckt. http://www.astronews.com/news/artikel/2012/04/1204-037.shtml

  • By tbirty, 23. Dezember 2012 @ 17:30

    Vieleicht bekomme ich hier eine befriedigende Antwort:
    Vor kurzem ging eine Meldung durch die Presse, das das Hubbleteleskop
    eine Sternengruppe in etwa 12,.. irgendwas Mrd LJ gefunden hat und da
    das Weltall nach gängiger Meinung ca. 13,7 oder so Mrd LJ alt ist.
    Also ein Blick bis „kurz“ nach dem Urknall.
    Soweit die Meldung und soweit habe ich das wohl auch verstanden.
    Aber wenn das Hubble in dieser Richtung 12, irgendwas weit gucken
    konnte, und man das Hubble jetzt um 180 ° dreht und dann vieleicht nochmal 6 Mrd LJ schauen kann, müsste dann das Weltall nicht älter
    als 13-15 Mrd Jahre sein ?

  • By Matthias Meier, 24. Dezember 2012 @ 14:26

    Das hat zwar nichts mit dem Thema hier zu tun, aber seis drum: Ich nehme an, du meinst, es könne nicht älter sein, weil sonst die Lichtgeschwindigkeit überschritten werde. Tatsächlich wäre das kein Problem: denn gemäss der Relativitätstheorien kann sich zwar nichts mit Überlichtgeschwindigkeit DURCH den Raum bewegen, aber es wäre kein Problem, wenn der Raum selbst sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt. Man denkt sogar, dass es eine frühe Phase der „Inflation“ gegeben hat, in der sich der Raum extrem schnell ausgedehnt hat, viel schneller als mit Lichtgeschwindigkeit. Heute beträgt die Expansionsgeschwindigkeit etwa 74 km/s pro Megaparsec (1 Megaparsec = 3.26 Mio Lichtjahre). Das heisst, wenn man zwei Punkte auswählt, die weit genug voneinander entfernt liegen, dann dehnt sich der Raum zwischen ihnen mit Überlichtgeschwindigkeit aus.

    In Wirklichkeit ist die Sache noch etwas komplizierter, weil in der Kosmologie verschiedene Entfernungsmasse verwendet werden: Meint man die gegenwärtige Entfernung? Die Entfernung zur Zeit, als das Licht ausgesandt wurde? Die Zeit, die das Licht unterwegs war, seit es ausgesant wurde? Wenn du englisch kannst, kann ich dir diese Seite hier empfehlen, die solche Fragen zu beantworten versucht: http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmolog.htm

  • By Atlan, 17. Januar 2013 @ 13:10

    wir müssen unterscheiden zw. lichtjahren als distanz und jahren als zeitmessung/alter. sollte das universum vor ca. 13,7 mrd. jahren mit einem knall begonnen haben, können wir faktisch auch nur bis dort zurückschauen. aufgrund der (angenommenen) „inflation“ hat sich das all aber kurz nach dem urknall überlichtschnell irrsinnig aufgebläht und damit die 1:1-relation zw. lichtjahren als entfernung und weltalter in jahren aufgehoben. nach seriösen schätzungen soll das all heute ein ausdehnung von 40-50 mrd. lichtjahren haben! wers glaubt…

  • By Matthias Meier, 17. Januar 2013 @ 14:20

    Die Inflation hat damit direkt nichts zu tun – sie muss stattgefunden haben lange bevor das Universum „durchsichtig“ für Licht wurde, und ihre Effekte lassen sich deshalb direkt nicht beobachten (nur indirekt: etwa in der Homogenität des Mikrowellenhintergrundes – aber das nur am Rande). Die postulierte „Aufblähung“ des Universums in der Inflation ist auch sehr, sehr viel gewaltiger als alles, was danach kam: man schätzt, dass jeder Raumbereich von der Grösse einer Grapefruit damals in Sekundenbruchteilen auf die Grösse des heute beobachtbaren Universums aufgebläht wurde!

    Die Grösse von 40 Mrd Lichtjahren für das beobachtbare Universum (den Teil des Universums, aus dem uns Licht erreichen kann) stammt aus einer ganz anderen Überlegung: Frühe Galaxien, die ihr Licht vor, sagen wir, 13 Mrd Jahren abgestrahlt haben, und damals schon so weit von uns entfernt waren, dass dieses Licht erst heute bei uns ankommt – diese Galaxien sind durch die Expansion des Raumes mittlerweile auf noch viel grössere Distanzen gewandert. Das fernste und älteste Licht, das wir sehen können, stammt also von Galaxien, die heute (dank der Raumexpansion) ca. 40 Mrd Lichtjahre weit entfernt sind.

  • By Atlan, 21. Januar 2013 @ 11:53

    oder so, ja! :))
    obwohl man über die inflation eigentlich im konjunktiv schreiben müsste, denn es ist lediglich eine theorie, die m. w. alan guth vorgeschlagen hat, weil man (damals) nichts besseres zur erklärung einiger phänomene (z. b. unvollständiger temparaturausgleich aller raumbereiche) parat hatte. kann so gewesen sein, muss aber nicht. gibt wohl auch andere theorieansätze…

  • By Matthias Meier, 21. Januar 2013 @ 12:34

    „Lediglich eine Theorie“ ist in der Wissenschaft eine sehr irreführend Aussage. Die Inflation ist eine Idee wie viele andere auch, und sie erklärt bestimmte Beobachtungen auf elegante Weise. Es gibt auch einige Dinge, die man mit Hilfe der Inflation vorausgesagt und mit Beobachtungen bestätigen konnte, siehe http://en.wikipedia.org/wiki/Inflation_%28cosmology%29#Observational_status

    Allerdings werden natürlich auch Alternativen diskutiert.

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