Sabine Hossenfelder
Das hässliche Universum
Warum unsere Suche nach Schönheit die Physik in die Sackgasse führt
Aus dem Englischen von Gabriele Gockel und Sonja Schuhmacher, Kollektiv Druck-Reif
FISCHER E-Books
Sabine Hossenfelder, geb. 1976, studierte Physik an der Goethe-Universität in Frankfurt am Main. Wo sie auch mit Auszeichnung promovierte. Nach Forschungsaufenthalten in den USA, Kanada und Schweden ist sie gegenwärtig Research Fellow am Frankfurt Institute for Advanced Studies. Neben ihren zahlreichen wissenschaftlichen Beiträgen schreibt sie auch regelmäßig für Magazine wie u.a. Spektrum der Wissenschaft, Scientific American oder New Scientist. Darüber hinaus betreibt sie einen Blog zu allgemeinen wissenschaftlichen Fragen: http://backreaction.blogspot.de.
Auf Youtube hat sie einen eigenen Kanal für ihre Filme, Musikvideos u.a.: www.youtube.com/user/peppermint78.
Weitere Informationen finden Sie auf www.fischerverlage.de
Physiker glauben häufig, dass die besten Theorien schön, natürlich und elegant sind. Sabine Hossenfelder zeigt jedoch, dass die Physik sich damit verrannt hat: Durch das Festhalten am Primat der Schönheit stagniert die Grundlagenphysik. Schlimmer noch, der Glaube an Schönheit ist so dogmatisch geworden, dass er in Konflikt mit wissenschaftlicher Objektivität gerät: Beobachtungen können nicht mehr länger die kühnsten Theorien bestätigen. Um aus dieser Sackgasse herauszukommen, muss die Physik ihre Methoden überdenken.
Erschienen bei FISCHER E-Books
Die Originalausgabe erschien unter dem Titel Lost in Math. How Beauty Leads Physics Astray im Verlag Basic Books, New York
© Sabine Hossenfelder 2018
Für die deutschsprachige Ausgabe:
© 2018 S. Fischer Verlag GmbH, Hedderichstr. 114, D-60596 Frankfurt am Main
Covergestaltung: KOSMOS, Büro für visuelle Kommunikation
Abhängig vom eingesetzten Lesegerät kann es zu unterschiedlichen Darstellungen des vom Verlag freigegebenen Textes kommen.
Dieses E-Book ist urheberrechtlich geschützt.
ISBN 978-3-10-490283-8
Die Abkürzung eV steht für Elektronenvolt und ist ein Maß für Energie. Ein TeV sind 1012 oder eine Trillion eV. Der LHC kann maximal rund 14 TeV erzeugen. Daher sagt man, der LHC »testet den TeV-Bereich«.
Nur zur Erinnerung: eine 10 mit einem hochgestellten x ist eine Eins gefolgt von x Nullen. Zum Beispiel: 102 = 100.
»Feinabstimmung« hat in der Kosmologie eine etwas andere Bedeutung. Darauf kommen wir später noch zurück.
Es gibt verschiedene Messungen und einige Unstimmigkeiten darüber, welche die beste ist, aber das spielt für das Folgende keine Rolle.
1 Nanometer sind 10-9 Meter, also ein Milliardstel eines Meters.
Bei sehr hohen Energien schießen Physiker die Teilchen nicht auf Ziele, sondern lassen einfach zwei Teilchenstrahlen kollidieren. Das liefert klarere Signale und steigert überdies die Kollisionsenergie insgesamt.
Für unsere Zwecke ist das alles, was wir über die Spezielle Relativitätstheorie wissen müssen, aber sicherlich nicht alles, was darüber zu sagen ist. Lesern, die mehr wissen wollen, empfehle ich Chad Orzel, Einsteins Hund: How to Teach Relativity to Your Dog – Relativitätstheorie (nicht nur) für Vierbeiner (Berlin: Springer 2013) sowie Leonard Susskind und Art Friedman, Special Relativity and Classical Field Theory: The Theoretical Minimum (New York: Basic Books 2017).
Ein Nerd-Scherz. Eine Funktion, die auf den realen Zahlen definiert ist, kann, sofern sie in bestimmter Weise »wohlerzogen« ist, auf die komplexe Zahlenebene fortgesetzt werden. Dies bezeichnet man als die »analytische Fortsetzung« dieser Funktion. Kurzum, sie macht weiter das, was sie immer schon gemacht hat.
Anm. Eine fachwissenschaftliche Version dieses Arguments finden Sie in Anhang B.
Leptonen sind die Fermionen des Standardmodells, die keine Quarks sind.
Das ist die Diphoton-Anomalie.
Das war im Jahr 1998.
Der Atomkern eines chemischen Elements hat eine feste Zahl von Protonen, kann aber unterschiedlich viele Neutronen haben. Diese verschiedenen Varianten desselben Elements nennt man Isotope.
Das »Wirkungsfunktional« ist der mathematische Ausdruck, den Teilchenphysiker benutzen, um eine Theorie zu definieren.
Damit ist die Diphoton-Anomalie gemeint.
Ohne Korrekturen, die Fine-tuning benötigen, wäre die Higgs-Masse sehr viel größer als beobachtet. Susy macht diese Korrekturen unnötig und bietet damit eine alternative Erklärung für die beobachtete, zu geringe Higgs-Masse. (A.d.Ü)
Planck war eine Satellitenmission der European Space Agency, die von 2009 bis 2013 lief und die Aufgabe hatte, die Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung aufzuzeichnen. Einige Planck-Daten werden immer noch von dem Team analysiert.
R. Barbieri, G.F. Giudice GF, »Upper bounds on supersymmetric particle masses«, Nucl. Phys. B. 306, 1988, S. 63.
D. Hooper, Nature’s blueprint, New York: Harper Collins 2008.
J. Forshaw, »Supersymmetry: is it really too good not to be true?«, Guardian, 9. Dezember 2012.
J. Lykken J, M. Spiropulu, »Supersymmetry and the crisis in physics«, Scientific American, 1. Mai 2014.
Das ist das Coleman-Mandula-Theorem. S. Coleman, J. Mandula, »All possible symmetries of the S matrix«, Phys. Rev. 159, 1967, S. 1251.
R. Haag, J. Łopuszański, M. Sohnius, »All possible generators of supersymmetries of the S-matrix«, Nucl. Phys. B. 88, 1975, S. 257. Die Voraussetzungen können sogar noch weiter gelockert werden, aber auch dabei scheint nichts herausgekommen zu sein, was physikalisch interessant wäre; siehe z.B. J. Lykken, Introduction to supersymmetry. FERMILAB-PUB-96/445-T. arXiv: hep-th/9612114.
Beispielsweise die Hemmung flavor-verändernder neutraler Ströme und das elektrische Dipolmoment. Siehe z.B. A.G. Cohen, D.B. Kaplan, A.E. Nelson, »The more minimal supersymmetric standard model«, Phys. Lett. B. 38, S. 588–598, arXiv:hep-ph/9607394, 1996.
G.F. Giudice, Naturally speaking: the naturalness criterion and physics at the LHC, arXiv:08012562 [hep-ph], 2008.
N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos, G. Dvali, »The hierarchy problem and new dimensions at a millimete«, Phys. Lett. B. 429 (1998), S. 263–272, arXiv:hep-ph/9803315.
Oder noch früher mit Nordströms Arbeit 1905, obwohl er gewöhnnlich Kaluza and Klein zugeschrieben wird, da sich Nordström nicht mit der Allgemeinen Relativität(stheorie) beschäftigte, die damals noch unbekannt war.
S. Chandrasekhar, Truth and beauty: aesthetics and motivations in science Chicago: University of Chicago Press 1990; D. Orrell, Truth or beauty: science and the quest for order, New Haven, CT: Yale University Press, 2012; I. Steward, Why beauty is truth: a history of symmetry, New York: Basic Books 2008; H. Kragh, Higher speculations, Oxford, UK: Oxford University Press 2011; J.W. McAllister, Beauty and revolution in science, Ithaca, NY: Cornell University Press 1996.
G. Galileo, Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo Tolemaico e Copernicano, Padua: Antenore 1998.
Zitiert bei J.W.McAllister, Beauty and revolution in science. Ithaca, NY: Cornell University Press 1996, S. 178.
I. Newton, The general scholium, übers. v. A. Motte, 1729, https://isaac-newton.org/general-scholium (aufgerufen am 1. 5. 2018).
G. Leibniz, Discourse on metaphysics, übers. v. G.R. Montgomery GR, in: Leibniz, La Salle, IL: Open Court, 1902, Discours de métaphysique, 1686; (Orig.: Disputatio Metaphysica De Prinzipio Individui, Leipzig 1663).
Man bezeichnet es als das »Prinzip der kleinsten Wirkung«.
Zitiert bei Freeman Dyson im Nachruf auf Weyl, Nature, 10. März 1956.
S. Rebsdorf und H. Kragh, »Edward Arthur Milne – the relations of mathematics to science«, Studies in History and Philosophy of Modern Physics 33, 2002, S. 51–64.
Zitiert bei H. Kragh, Dirac: a scientific biography, Cambridge, UK: Cambridge University Press 1990, S. 277.
R.H. Dalitz, »A biographical sketch of the life of Professor P.A.M. Dirac, OM, FRS«, in: J.G. Taylor und A. Hilger (Hg.), Tributes to Paul Dirac, Bristol, UK: Adam Hilger 1987, S. 20. Zitiert in J.W. McAllister, Beauty and revolution in science, Ithaca, NY: Cornell University Press 1996, S. 16.
H. Kragh, Dirac: a scientific biography, Cambridge, UK: Cambridge University Press 1990, S. 292.
A. Einstein Mein Weltbild, Zürich: Europa Verlag 1953.
H. Poincaré, The value of science: the essential writings of Henri Poincaré, hg. v. S.J. Gould, New York: Modern Library 2001, S. 369.
Ebd., S. 396–398.
Brief Heisenbergs an Einstein in W. Heisenberg, Der Teil und das Ganze: Gespräche im Umkreis der Atomphysik, München: Piper 1971, S. 96.
E. Heisenberg, Das politische Leben eines Unpolitischen, München: Piper 1980, S. 172.
A. Zee, Fearful symmetry: the search for beauty in modern physics. New York: Macmillan 1986 (dt. Magische Symmetrie, Basel, Berling: Birkhäuser 1990, S. 15, 21f., 27)
L. Lederman, The God particle. Boston: Mariner Books 2006, S. 15 (dt. Das schöpferische Teilchen, München: C. Bertelsmann 1993, S. 31).
Das Quark-Modell wurde unabhängig fast zur gleichen Zeit von George Zweig entdeckt.
M. Gell-Mann in einem TED-Talk vom März 2007. www.ted.com/talks/murray_gell_mann_on_beauty_and_truth_in_physics (aufgerufen am 30. 4. 2018). Die von mir zitierte Version steht auf seiner Folie. Wörtlich sagt er: »Auf dem Gebiet der Grundlagenphysik machen wir diese bemerkenswerte Erfahrung, dass Schönheit ein höchst erfolgreiches Kriterium für die Wahl der richtigen Theorie darstellt.«
L. Lederman, »The God particle et al.«, Nature 448, 2007, S. 310ff.
S. Weinberg, Interview mit Nova (PBS), geführt von Joe McMaster, 2003; www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/view-weinberg.html (aufgerufen am 20. 4. 2018).
F. Wilczek, A beautiful question: finding nature’s deep design, New York: Penguin Press 2015, S. 9.
Interview mit der Autorin.
B. Greene, The elegant universe: superstrings, hidden dimensions, and the quest for the ultimate theory, New York: WW Norton 1999, S. 167 (dt. Das elegante Universum, München: Siedler 2000, S. 198f.).
E. Heisenberg, Das politische Leben eines Unpolitischen, München: Piper 1980, S. 173.
E. Schrödinger, »Über das Verhältnis der Heisenberg-Born-Jordanschen Quantentheorie zu der meinen«, Ann Physik 4(7), S. 734–756.
W. Pauli, »Wissenschaftlicher Briefwechsel mit Bohr, Einstein, Heisenberg u.a.: Band 1: 1919–1929«, in: A. Hermann, K. v. Meyenn, V.F. Weisskopf (Hg.), Sources in the History of Mathematics and Physical Sciences, New York: Springer 1979, S. 336.
G. Lemaître, »Rencontres avec A. Einstein«, Revue des Questions Scientifiques 129, 1958, S. 129–132, zitiert in H. Nussbaumer, »Einstein’s conversion from his static to an expanding universe«, EPJH 39, 2014, S. 37–62.
Nachruf für Professor Sir Fred Hoyle, Telegraph, 22. August 2001.
A. Curtis, »A mile or two off Yarmouth«, Adam Curtis: the medium and the message, 24. Februar 2012. www.bbc.co.uk/blogs/adamcurtis/entries/512cde83-3afb-3048-9ece-dba774b10f89 (aufgerufen am 20.4.2018).
Mit der Wirbeltheorie beschäftigt sich H. Kragh, »The vortex atom: a Victorian theory of everything«, Centaurus 44, 2002, S. 32–114; H. Kragh, Higher speculations. Oxford, UK: Oxford University Press 2011.
O. Lodge, »The ether and its functions«, Nature 34, 1883, S. 304ff., 328ff., zitiert in J.W. McAllister, Beauty and revolution in science. Ithaca, NY: Cornell University Press 1996, S. 91.
A.A. Michelson, Light waves and their uses, Chicago: University of Chicago Press 1903, zitiert in H. Kragh, Higher speculations, Oxford, UK: Oxford University Press 2011, S. 52.
J.C. Maxwell, »Atoms«, in: Encyclopaedia Britannica, 1875, 9. Aufl., zitiert in J.C. Maxwell, The scientific papers of James Clerk Maxwell, Bd. 2, hg. v. W.D. Niven, Cambridge, UK: Cambridge University Press 2011, S. 592.
Zitiert in H. Kragh, Higher speculations, Oxford, UK: Oxford University Press 2011, S. 87.
M.J. Klein, »Mechanical explanation at the end of the nineteenth century«, Centaurus 17, 1973, S. 72, zitiert in J.W. McAllister, Beauty and revolution in science, Ithaca, NY: Cornell University Press 1996, S. 88.
P. Dirac, »A new classical theory of electrons«, Proc R Soc Lond A, 209, 1951, S. 251.
Zitiert in H. Kragh, Dirac: a scientific biography, Cambridge, UK: Cambridge University Press 1990, S. 184.
Nur zwei Physiker haben zweimal den Nobelpreis erhalten, und zwar hauptsächlich für ihre experimentelle Arbeit: Maria Sklodowska-Curie, im Jahr 1903 für die Entdeckung der Radioaktivität und im Jahr 1911 für die Isolierung reinen Radiums (beim zweiten Preis handelte es sich um den Chemienobelpreis), und John Bardeen 1956 für die Erfindung des Transistors und noch einmal 1972, zusammen mit Leon Cooper und John Schrieffer, für die gemeinsam entwickelte Theorie der Supraleitfähigkeit. Manche meiner Kollegen meinen, Bardeen dürfte als theoretischer Physiker durchgehen. Bardeen war studierter Elektroingenieur, und beide Nobelpreise wurden ihm für angewandte Wissenschaft verliehen, ich meine also, das ist ziemlich weit hergeholt. Aber weil »theoretischer Physiker« kein klar definierter Begriff ist, denke ich auch, dass es sich um eine rein akademische Frage handelt. So oder so, für meinen Punkt spielt es keine Rolle. Bardeens Leistungen basierten eindeutig nicht auf den Argumenten der Schönheit und Natürlichkeit, von denen dieses Buch handelt.
R. Dawid, String theory and the scientific method, Cambridge, UK: Cambridge University Press 2013.
H. Kragh, »The vortex atom: a Victorian theory of everything«, Centaurus 44, 2002, S. 32–114; H. Kragh, Higher speculations, Oxford, UK: Oxford University Press 2011.
G. Ellis und J. Silk, »Scientific method: defend the integrity of physics«, Nature 516, 2014, S. 321ff.
R. Dawid, String theory, Rückseite des Umschlags.
C.E.M. Wagner, »Lectures on supersymmetry (II)«, PowerPoint-Präsentation, Fermilab, Batavia, IL, 23. und 30. Juni 2005, www-cdf.fnal.gov/physics/lectures/Wagner_Lecture2.pdf (aufgerufen am 2.5.2018).
L. Lederman, »The God particle et al.«, Nature 448, 2007, S. 310ff.
F.J. O’Brien, The diamond lens, 1858, Project Gutenberg, www.gutenberg.org/ebooks/23169 (dt. »Die Diamantlinse«, in: Phantastische Träume, hg. v. Franz Rottensteiner, Frankfurt a.M.: Suhrkamp 1983, S.305, 315).
Strenggenommen ist es nicht das Higgs-Boson, das den anderen Elementarteilchen Masse verleiht, sondern der nichtverschwindende Hintergrundwert des Higgs-Feldes. Die Massen zusammengesetzter Teilchen wie Neutronen oder Protonen bestehen größtenteils aus gebundener Energie und sind nicht auf Higgs-Teilchen zurückzuführen.
Glashow S., Interactions: a journey through the mind of a particle physicist and the matter of this world. New York: Warner Books 1988.
Einen hervorragenden Überblick zur Teleskoptechnologie und -entwicklung bietet F. Graham-Smith, Eyes on the sky: a spectrum of telescopes, Oxford, UK: Oxford University Press 2016.
Das erstaunlichste Beispiel dürfte das Hubble Ultra Deep Field sein. Siehe S.V.W. Beckwith u.a., »The Hubble Ultra Deep Field«, Astron J. 132, S. 1729–1755; arXiv:astroph/0607632. Oder Sie suchen im Internet nach »Hubble Ultra Deep Field«.
Kosmologen bezeichnen das Konkordanzmodell teilweise auch als das »Standardmodell der Kosmologie«. Ich vermeide diese Bezeichnung, um Verwechslungen mit dem Standardmodell der Teilchenphysik zu vermeiden, das normalerweise einfach »Standardmodell« genannt wird.
Eine Temperatur von 1017 Kelvin entspricht weitgehend 1017 Grad Celsius beziehungsweise 1017 Grad Fahrenheit.
Über das Konkordanzmodell und seine Entwicklung könnte noch viel gesagt werden, aber ich will nicht zu weit vom Thema abschweifen. Zur weiterführenden Lektüre empfehle ich E. Gates, Einstein’s telescope: the hunt for dark matter and dark energy in the universe, New York: WW Norton 2010; E. Siegel, Beyond the Galaxy: how humanity looked beyond our Milky Way and discovered the entire universe, Hackensack, NJ: World Scientific Publishing 2015.
Warum sprechen wir einerseits von Modell und andererseits von Theorie? Hier gibt es keine strenge Sprachregelung; manche Namen halten sich einfach, andere nicht. Aber grob gesagt ist eine Theorie ein mathematisches Grundgerüst, während ein Modell all die Einzelheiten enthält, die man für Berechnungen benötigt. Zum Beispiel gibt es viele verschiedene Quantenfeldtheorien, aber das Standardmodell spezifiziert exakt welche. Und die Allgemeine Relativitätstheorie allein verrät Ihnen nicht, was Sie berechnen sollen; dafür müssen Sie auch wissen, welche Formen von Materie und Energie die Raumzeit bevölkern, wie Sie es dem Konkordanzmodell entnehmen können.
X. Portell, »SUSY searches at the Tevatron and the LHC«, Talk given at Physics in Collision, Vancouver, Canada, August/September 2011, slide 41; http://indico.cern.ch/event/117880/contributions/1330772/attachments/58548/84276/portell_SUSYsearches.pdf (aufgerufen am 9.5.2018).
B. Allanach, »Hint of new particle at CERN’s Large Hadron Collider?«, Guardian, 16. Dezember 2015.
Zitiert in A. Cho, »Physicists’ nightmare scenario: the Higgs and nothing else«, Science 315, 2007, S. 1657–1658.
D. Gross, »Closing remarks«, Presentation at Strings 2013, Sogang University, Seoul, South Korea, 24.–29. Juni 2013; www.youtube.com/embed/vtXAwk1vkmk (aufgerufen am 9.5.2018).
M. Kaku, Hyperspace: a scientific odyssey through parallel universes, time warps, and the tenth dimension. Oxford, UK: Oxford University Press 1994, S. 126; S. Hawking, »Gödel and the end of the universe«, Öffentliche Vorlesung, Cambridge, GB, 20. Juli 2002; M. Strassler, »Looking beyond the standard model«, Vorlesung beim Higgs Symposium, University of Edinburgh, Edinburgh, Schottland, 9.–11. Januar 2013; https://higgs.ph.ed.ac.uk/sites/default/files/Strassler_Looking%20Beyond%20SM.pdf; B. Greene The elegant universe: superstrings, hidden dimensions, and the quest for the ultimate theory. New York: WW Norton 1999, S. 143 (dt., Das elegante Universum: Superstrings, Verborgene Dimensionen und die Suche nach der Weltformel, aus d. Amerik. v. Hainer Kober, Siedler: Berlin 2000, S. 172); P. Davies, The Goldilocks enigma: why is the universe just right for life? New York: Penguin 2007, S. 101.
Y. Koide, »Should the renewed tau mass value 1777 MeV be taken seriously?«, Mod Phys Lett. A8 1993, S. 2071.
In den Mischmatrizen werden eigentlich die Amplituden aufgezeichnet, nicht die Wahrscheinlichkeiten. Es gibt eine Mischmatrix für Neutrinos und eine für Quarks vom Down-Typ. Letztere wird als Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix bezeichnet (CKM).
R.D. Peccei, H.R. Quinn, »CP conservation in the presence of pseudoparticles«, Phys Rev Lett. 38(25) 1977, S. 1440–1443.
T. Brahe, Astronomiae instauratae progymnasmata, 1602, zit. in A. Blair, »Tycho Brahe’s critique of Copernicus and the Copernican system«, Journal of the History of Ideas 51(3) 1990, S. 364.
Einen guten Überblick bietet J.D. Barrow, »The lore of large numbers: some historical background to the anthropic principle«, QJl R Astr Soc. 22, S. 388ff.
Dies ist eine verdrehte Art zu sagen, dass die Koeffizienten nahe bei 1 liegen sollten.
G. Steigman, »A crucial test of the Dirac cosmologies«, Ap J. 221, 1978, S. 407–411.
Obwohl dies erst erklärt werden konnte, als Physiker lernten, mit den harmlosen Unendlichkeiten der Quantenfeldtheorien umzugehen.
Die Definition der »technischen Natürlichkeit« geht zurück auf Gerard ’t Hooft, der die These aufstellte, wann immer eine auffallend kleine Zahl in einer Quantentheorie auftrete, müsse eine Symmetrie in Erscheinung treten, wenn man die Zahl auf null setzt, so dass die faktische Kleinheit der Zahl durch diese Symmetrie geschützt werde. Allerdings wurde diese ursprüngliche Definition inzwischen dahingehend verallgemeinert, dass es immer eine Erklärung für kleine Zahlen geben muss – entweder eine Symmetrie oder sonst etwas. Siehe G. ’t Hooft u.a., Recent developments in gauge theories, New York: Plenum Press 1980, S. 135.
S.L. Glashow, J. Iliopoulos und L. Maiani, »Weak interactions with lepton–hadron symmetry«, Phys Rev. 2(7) 1970, S. 1285–1292.
S. Nadis und S.-T. Yau, From the Great Wall to the great collider: China and the quest to uncover the inner workings of the universe, Somerville, MA: International Press of Boston 2015, S. 75.
L. Randall, Warped passages: unraveling the mysteries of the universe’s hidden dimensions, New York: Harper Perennial 2006, S. 253.
Interview der Autorin.
Eines der supersymmetrischen Teilchen, ein Superpartner des Standardmodell-Teilchens namens Gluon.
H.D. Thomas, »Beyond the Higgs: from the LHC to China«, The Institute Letter, Sommer 2015, Princeton, NJ: Institute for Advanced Study, S. 8.
R.F. Voss und J. Clarke, »›1/f noise‹ in music and speech«, Nature 258, 1975, S. 317f.
Bach hat nicht mit dem Urknall angefangen zu komponieren, und wir Menschen hören nur einen kleinen Frequenzbereich. Dass es Korrelationen über »alle« Zeitskalen gibt, heißt also nur während der Dauer der Komposition und im hörbaren Frequenzbereich. Echte Musik hat kein perfektes 1/f-Spektrum, nähert sich ihm aber in einem bestimmten Frequenzbereich an. Trotzdem ist die Universalität ein interessantes Ergebnis.
Nicht zu verwechseln mit der Phänomenologie als Teilbereich der Philosophie, mit der sie nur den Namen gemeinsam hat.
B. Kuznecov, Einstein: Leben – Tod – Unsterblichlichkeit, S. 284.
S. Weinberg, To explain the world: the discovery of modern science, New York: Harper 2015.
N. Wolchover und P. Byrne, »How to check if your universe exists«, Quanta Magazine, 11. Juli 2014.
P. Davies, »Universes galore: where will it all end?«, in: B. Carr (Hg.), Universe or multiverse, Cambridge, UK: Cambridge University Press 2007, S. 495.
G. Ellis, »Does the multiverse really exist?«, Scientific American, August 2011, S. 40.
»Lawrence Krauss owned by David Gross on the multiverse religion«, YouTube video, veröffentlicht am 26. Juni 2014; www.youtube.com/watch?v=fEx5rWfz2ow (aufgerufen am 15.5.2018).
P. Wells, »Perimeter Institute and the crisis in modern physics«, MacLean’s, 5. September 2013.
J. Horgan, »Is speculation in multiverses as immoral as speculation in subprime mortgages?«, Cross-check (blog); Scientific American, 28. Januar 2011; https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/is-speculation-in-multiverses-as-immoral-as-speculation-in-subprime-mortgages/.
A. Gefter, »Is string theory in trouble?«, New Scientist, 14. Dezember 2005.
B. Carr, »Defending the multiverse«, Astronomy & Geophysics 49(2), 2008, S. 2.36–2.37.
C.F. Naff, »Cosmic quest: an interview with physicist Max Tegmark«, TheHumanist.com, 8. Mai 2014.
T. Siegfried, »Belief in multiverse requires exceptional vision«, ScienceNews.org, 14. August 2013.
Die ewige Inflation wurde erstmals 1983 von Paul Steinhardt und Alexander Vilenkin vorgeschlagen. Ein anderes Modell wurde einige Jahre später von Alan Guth und Andrei Linde präsentiert.
Siehe zum Beispiel V. Mukhanov, »Inflation without selfreproduction«, Fortschr Phys. 63(1), 2015, arXiv:14092335 [astro-ph.CO].
R. Bousso und L. Susskind, »The multiverse interpretation of quantum mechanics«, Phys Rev D. 85, 2012, 045007. arXiv:11053796 [hep-th].
M. Tegmark, »The mathematical universe«, Found Phys. 38, 2008, S. 101–150. arXiv:07040646 [gr-qc].
J. Garriga, A. Vilenkin, J. Zhang, »Black holes and the multiverse«, JCAP 02, 2016, S. 064. arXiv:1512.01819 [hep-th].
S. Weinberg, »Living in the multiverse«, Talk presented at Expectations of a Final Theory, Trinity College, Cambridge, UK, September 2005. arXiv:hep-th/0511037.
Für das Multiversum läuft diese Frage unter der Bezeichnung »Maßproblem«. Siehe zum Beispiel A. Vilenkin, »Global structure of the multiverse and the measure problem«, AIP Conf Proc 1514, 2012, S. 7. arXiv:13010121[hep-th].
F. Hoyle, »On nuclear reactions occurring in very hot stars. I. The synthesis of elements from carbon to nickel«, Astrophys J Suppl Ser. 1, 1954, S. 121.
H. Kragh, »When is a prediction anthropic? Fred Hoyle and the 7.65 MeV carbon resonance«, Vorabdruck 2010. http://philsci-archive.pitt.edu/5332 (aufgerufen am 18.5.2018).
Siehe zum Beispiel J.D. Barrow und F.J. Tipler, The anthropic cosmological principle, Oxford, UK: Oxford University Press 1986; P. Davies, Cosmic jackpot: why our universe is just right for life, Boston: Houghton Mifflin Harcourt 2007.
R.D. Harnik, G.D. Kribs und G. Perez, »A universe without weak interactions«, Phys Rev D. 74, 2006, S. 035006; arXiv:hep-ph/0604027.
A. Loeb, »The habitable epoch of the early universe«, International Journal of Astrobiololgy, 13(4), 2014, S. 337ff.; arXiv:1312.0613 [astro-ph.CO].
F.C. Adams und E. Grohs, »Stellar helium burning in other universes: a solution to the triple alpha fine-tuning problem«, 2016; arXiv:1608.04690 [astro-ph.CO].
Mich überrascht das nicht. Dass Theorien mit Dutzenden nichtlinearen wechselwirkenden Komponenten komplexe Strukturen hervorbringen, dürfte wohl eher die Regel und nicht die Ausnahme sein.
Don Page argumentiert hier dagegen: D.N. Page, »Preliminary inconclusive hint of evidence against optimal fine tuning of the cosmological constant for maximizing the fraction of baryons becoming life«, 2011; arXiv:1101.2444.
H. Martel, P.R. Shapiro und S. Weinberg, »Likely values of the cosmological constant«, Astrophysical Journal 492, 1998, S. 29; arXiv:astro-ph/9701099.
Gerüchte, die kosmologische Konstante betrage nicht null und habe stattdessen einen positiven Wert, kursierten bereits seit einem Jahrzehnt, basierend auf anderen Messungen, die sich jedoch als nicht sehr beweiskräftig herausstellten. Siehe zum Beispiel G. Efstathiou, W.J. Sutherland und S.J. Maddox, »The cosmological constant and cold dark matter«, Nature 348, 1990, S. 705ff.; L.M. Krauss und M.S. Turner, »The cosmological constant is back«, Gen Rel Grav. 27, 1995, S. 1137–1144. arXiv:astro-ph/9504003. Weinberg hatte schon früher über eine anthropische Erklärung für die kosmologische Konstante nachgedacht; siehe S. Weinberg, »The cosmological constant problem«, Rev Mod Phys. 61(1), 1989, S. 1–23.
G. Johnson, »Dissonance: Schoenberg«, New York Times, Video, 30. Mai 2014; www.nytimes.com/video/arts/music/100000002837182/dissonance-schoenberg.html (aufgerufen am 28.5.2018).
J.H. McDermott, A.F. Schultz, E.A. Undurraga und R.A. Godoy, »Indifference to dissonance in native Amazonians reveals cultural variation in music perception«, Nature 535, 2016, S. 547–550.
Die Überschrift dieses Abschnitts paraphrasiert eine Äußerung des Komikers Louis C.K., der einmal sagte: »Im Moment ist alles erstaunlich, und niemand ist glücklich.« Siehe »Louis CK everything is amazing and nobody is happy«; YouTube video, veröffentlicht am 24. Oktober 2015; www.youtube.com/watch?v=q8LaT5Iiwo4.
S. Popescu, »Nonlocality beyond quantum mechanics«, Nature Physics 10 2014, S. 264–270.
Zitiert in N. Wolchover, »Have we been interpreting quantum mechanics wrong this whole time?«, Wired, 30. Juni 2014.
S. Weinberg, Lectures on quantum mechanics. Cambridge, UK: Cambridge University Press 2012 (dt. Quantenmechanik. Eine Einführung, Hallbergmoos: Pearson 2015).
T. Scheidl u.a., »Violation of local realism with freedom of choice«, Proc Nat l Acad Sci USA. 107, 2010, S. 19708; arXiv:08113129 [quant-ph].
Ein hervorragendes Buch zur weiteren Lektüre ist G. Musser, Spooky action at a distance: the phenomenon that reimagines space and time – and what it means for black holes, the big bang, and theories of everything, New York: Farrar, Straus and Giroux 2015.
N.D. Mermin ND, »What’s wrong with this pillow?«, Physics Today, April 1989. Und nein, es war nicht Feynman, der das sagte; siehe N.D. Mermin, »Could Feynman have said this?«, Physics Today, Mai 2004.
L. Vaidman, »Time symmetry and the many worlds interpretation«, in: S. Saunders, J. Barrett, A. Kent, D. Wallace, (Hg.), Many worlds? Everett, quantum theory, and reality. Oxford, UK: Oxford University Press, S. 582; M. Tegmark, »Parallel universes«, Scientific American, Mai 2003.
N.D. Mermin, Why quark rhymes with pork and other scientific diversions, Cambridge, UK: Cambridge University Press 2016; S. Carroll, »Why the many-worlds formulation of quantum mechanics is probably correct«, Preposterous Universe, 30. Juni 2014; http://www.preposterousuniverse.com/blog/2014/06/30/why-the-many-worlds-formulation-of-quantum-mechanics-is-probably-correct/ (aufgerufen am 03.06.2018).
Die verschiedenen Interpretationen lassen vermuten, dass die Bedingungen für eine messbare Übereinstimmung mit der Kopenhagener Interpretation vielleicht nicht immer erfüllt sind. In diesem Fall könnten beide durch Experimente unterschieden werden. Das aber ist bisher nicht geschehen.
M. Bell, K. Gottfried, M. Veltman, John S. Bell on the foundations of quantum mechanics, River Edge, NJ: World Scientific Publishing 2001, S. 199.
J. Polkinghorne, Quantum theory: a very short introduction. Oxford, UK: Oxford University Press 2002, S. 89.
M. Tegmark, Our mathematical universe: my quest for the ultimate nature of reality. New York: Vintage 2015, S. 187; M. Tegmark, »Parallel universes«, Scientific American, Mai 2003.
A. Kent, »Our quantum problem«, Aeon, 28. Januar 2014.
Er erwähnte, dass er an einem Artikel darüber arbeite, der dann zwei Monate später erschien. Siehe »What happens in a measurement?«, Phys Rev A. 93, S. 032124; arXiv:160306008 [quant-ph].
Dass ein Zustand quantenmechanisch »rein« bleibt, bedeutet, dass die Quanteneigenschaften nicht den Prozess der Dekohärenz durchlaufen.
J.W. McAllister, Beauty and Revolution in Science, Ithaca, New York: Cornell University Press 1996.
C. Orzel, How to teach quantum physics to your dog, New York: Scribner 2010.
Chads Doktorvater war William Daniel Phillips, der 1997 zusammen mit Claude Cohen-Tannoudji und Steven Chu den Physik-Nobelpreis für die Laserkühlung erhielt, eine Technik zur Verlangsamung von Atomen.
A. Sparkes u.a., »Towards robot scientists for autonomous scientific discovery«, Automated Experimentation 2, 2010, S. 1.
M. Schmidt und H. Lipson, »Distilling free-form natural laws from experimental data«, Science 324, 2009, S. 81–85.
M. Krenn, M. Malik, R. Fickler, R. Lapkiewicz, A. Zeilinger, »Automated search for new quantum experiments«, Phys Rev Lett. 116, 2016, S. 090405.
Zitiert in P. Ball, »Focus: computer chooses quantum experiments«, Physics 9, 2016, S. 25.
E. Powell, »Discover interview: Anton Zeilinger dangled from windows, teleported photons, and taught the Dalai Lama«, Discover Magazine, Juli–August 2011.
Unter www.scienceathome.org/games/quantum-moves/game kann man das Spiel herunterladen.
J.J.W.H. Sorensen u.a., »Exploring the quantum speed limit with computer games«, Nature 532, 2016, S. 210–213.
Dies geht auf folgendes Zitat zurück: »Wir diskutierten oft über seine Auffassungen von objektiver Realität. Ich kann mich noch erinnern, dass Einstein bei einem Spaziergang plötzlich stehen blieb, sich zu mir wandte und fragte, ob ich wirklich glaube, dass der Mond nur existiere, wenn ich ihn anschaue.« In: A. Pais, »Einstein and the quantum theory«, Rev Mod Phys. 51, 1979, S. 907.
E. P. Wigner, »The unreasonable effectiveness of mathematics in the natural sciences,« Comm Pure Appl Math. 13, 1960, S. 1–14.
Siehe Kapitel 2.
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D. Castelvecchi, »Is supersymmetry dead?«, Scientific American, Mai 2012.
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Zitiert in A. Cholinesterase, »Physicists’ nightmare scenario: the Higgs and nothing else«, Science 315, 2007, S. 1657f.
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J.W. McAllister, Beauty and revolution in science, Ithaca, NY: Cornell University Press 1996.
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Eine Festanstellung ist zeitlich unbegrenzt und kann nur gekündigt werden, wenn sehr gute Gründe vorliegen. Sehr gute Gründe sind zum Beispiel Fehltritte und Fehlverhalten, nicht aber eine unliebsame wissenschaftliche Meinung. Das ist in den meisten Ländern ähnlich geregelt. Sinn und Zweck der Festanstellung ist (oder sollte ich sagen »war«?), Akademiker vor Kündigung zu schützen, sollten sie unpopuläre oder provokative Forschungsfragen untersuchen. Manchmal stoße ich auf Leute (vor allem Amerikaner), die in der Arbeitsplatzsicherheit für Akademiker ein unfaires Privileg sehen. Diese Kritik ist jedoch nicht stichhaltig, denn ohne diese Sicherheit steigt die Gefahr, dass wissenschaftliche Forschung Steuergelder verschwendet.
S. Shulman, B. Hopkins, R. Kelchen, S. Mastracci, M. Yaya, J. Barnshaw, S. Dunietz, »Higher education at a crossroads: the economic value of tenure and the security of the profession«, Academe, März–April 2016, S. 9–23. https://www.aaup.org/sites/default/files/2015-16EconomicStatusReport.pdf (aufgerufen am 4.6.2018).
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Die Theorie mit zusätzlichen Raumdimensionen aus den 1930er Jahren, die uns in Kapitel 1 kurz begegnet ist.
A.G. Lisi, »An exceptionally simple theory of everything«, 2007; arXiv:0711.0770 [hep-th].
A.G. Lisi, J.O. Weatherall, »A geometric theory of everything«, Scientific American, Dezember 2010.
Die unphysikalischen Zustände (»Geisterzustände«) nicht mitgezählt.
S. Kachru, R. Kallosh, »De Sitter vacua in string theory«, Phys Rev. D68, 2003, S. 046005. arXiv:hep-th/0301240.
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J. Conlon, Why string theory? Boca Raton, FL: CRC Press 2015, S. 135.
F. Dyson, »Birds and frogs«, Notices of the AMS 56(2), 2009, S. 221.
Ein wunderbares Buch über die Verbindung zwischen Strings und Mathematik ist S-T. Yau und S. Nadis, The shape of inner space: string theory and the geometry of the universe’s hidden dimensions. New York: Basic Books 2012.
Eine einigermaßen verständliche Schilderung dieser Relation findet sich in M. Ronan, Symmetry and the monster: the story of one of the greatest quests of mathematics, Oxford, UK: Oxford University Press 2006.
Diese Relation wird häufig spezifischer als AdS/CFT-Dualität bezeichnet, um zu verdeutlichen, dass die Gravitationstheorie in einem Anti-de-Sitter-(AdS) Raum ist (eine Raumzeit mit einer negativen kosmologischen Konstante), während die Eichtheorie eine (supersymmetrische) konforme Feldtheorie (CFT) in einem Raum ist, der eine Dimension weniger hat, ähnlich wie in den Theorien des Standardmodells, aber nicht genauso.
J. Polchinski, »String theory to the rescue«, 2015, arXiv:1512.02477 [hep-th].
Der Wirkungsquerschnitt von W-Bosonen, die aneinandergestreut werden.
J. Polchinski, »Monopoles, duality, and string theory«, Int J Mod Phys. A19S1, 2004, S. 145–156; arXiv:hep-th/0304042.
Der Begriff »Informationen« ist gewissermaßen eine Fehlbezeichnung, da das Problem nichts mit der eigentlichen Bedeutung des Worts zu tun hat. Vielmehr entsteht die Schwierigkeit dadurch, dass die Verdampfung des Schwarzen Lochs grundsätzlich unumkehrbar ist.
A. Almheiri, D. Marolf, J. Polchinski, J. Sully, »Black holes: complementarity or firewalls?«, J High Energy Phys. 2013(2), S. 62; arXiv:1207.–3123 [hep-th]. Besser gesagt, sie behaupteten, es zeigen zu können – ihr Beweis beruht jedoch auf einer unnötigen verborgenen Annahme, die fallengelassen werden kann, womit sich das ganze Problem in Luft auflöst. Siehe S. Hossenfelder S. 2015. »Disentangling the black hole vacuum.« Phys Rev D. 91:044015. arXiv:14010288.
Die anderen drei sind Tod, Einsamkeit und Freiheit. Siehe I.D. Yalom, Existential psychotherapy, New York: Basic Books 1980 (dt. Existenzielle Psychotherapie, Edition Humanistische Psychologie, Köln 2010).
A. Greene, »Stephen King: the Rolling Stone interview«, Rolling Stone, 31. Oktober 2014.
J. Conlon, Why string theory? Boca Raton, FL: CRC Press 2015, S. 236.
E. Witten, »Viewpoints on string theory«, Nova: The Elegant Universe. PBS; http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/viewpoints.html
L. Brink, M. Henneaux, Principles of string theory, Boston: Springer 1988.
B. Greene, The elegant universe: superstrings, hidden dimensions, and the quest for the ultimate theory. New York: WW Norton, S. 82 (dt. Das Elegante Universum. Superstrings, Verborgene Dimensionen und die Suche nach der Weltformel, Berlin: Siedler 1999, S. 166).
Am unpopulärsten ist meine Behauptung, dass wir das falsche Problem zu lösen versuchen – was wir verstehen müssen, ist nicht das, was in kurzen Entfernungen mit der Gravitation passiert, sondern das, was in kurzen Entfernungen bei der Quantisierung geschieht. Siehe S. Hossenfelder, »A possibility to solve the problems with quantizing gravity«, Phys Lett B. 725, 2013, S. 473–476; arXiv:12085874 [gr-qc].
Z. Cheng, X-G Wen, »Emergence of helicity +/- 2 modes (gravitons) from qubit models«, Nuclear Physics B. 863, 2012; arXiv:0907.1203 [gr-qc].
Dies ist nicht das einzige mathematische Problem beim Standardmodell oder überhaupt bei den Quantenfeldtheorien. Ein weiteres Problem dieser Art ist das Haag’sche Theorem, nach dem alle Quantenfeldtheorien trivial und physikalisch irrelevant sind. Das ist ziemlich beunruhigend, und deshalb ignorieren Physiker dieses Theorem.
C.H. Vinkers, J.K. Tijdink, W.M. Otte, »Use of positive and negative words in scientific PubMed abstracts between 1974 and 2014: retrospective analysis«, BMJ 351, 2015, S. h6467.
In den Vereinigten Staaten ist die Einkommensungleichheit im Wissenschaftsbereich inzwischen größer als in der Industrie oder der Verwaltung. Siehe C. Lok, »Science’s 1 %: how income inequality is getting worse in research«, Nature 537, 2016, S. 471ff.
Interessanterweise bedeutet das, dass sich schlechte wissenschaftliche Praktiken durchsetzen können, obwohl kein einzelner Wissenschaftler sein Verhalten ändert. Siehe beispielsweise P.E. Smaldino und R. McElreath, »The natural selection of bad science«, Royal Society Open Science 3, 2016, S. 160384; arXiv:1605.09511 [physics.soc-ph].
F. Hoyle, »Concluding remarks«, Proc Royal Soc A. 301, 1967, S. 171. Hoyle berichtet darin auch, dass Baade die Gelegenheit nutzte, um mit Pauli zu wetten, dass das Neutrino entdeckt werde. Baade gewann schließlich die Wette in Form von Sekt, als Cowen und Reines Erfolg bei ihrer Suche nach dem Neutrino meldeten.
K. Freese, Cosmic cocktail: three parts dark matter. Princeton, NJ: Princeton University Press 2014.
J.L. Feng, »Collider physics and cosmology«, Class Quant Grav. 25, 2008, S. 114003; arXiv:0801.1334 [gr-qc]; R.B. Buckley und L. Randall, »Xogenesis«, J High Energy Phys. 1109, 2008, S. 9; arXiv:1009.0270 [hep-ph].
L. Baudis, »Dark matter searches«, Ann Phys (Berlin) 528(1–2), 2015, S. 74–83; arXiv:1509.00869 [astro-ph.CO].
M.W. Goodman und E. Witten, »Detectability of certain dark-matter candidates«, Phys Rev D. 31(12) 1985, S. 3059–3063.
G. Gelmini, »Bounds on galactic cold dark matter particle candidates and solar axions from a Ge-spectrometer«, in I. Hinchliffe (Hg.), Proceedings of the theoretical workshop on cosmology and particle physics: July 28–Aug.15, 1986, Lawrence Berkeley Laboratory, Berkeley, California, Singapur: World Scientific 1987.
Das DAMA-Team entdeckte statistisch signifikante Ereignisse unbekannten Ursprungs, deren Häufigkeit sich in periodischen Abständen im Lauf des Jahres veränderte (R. Bernabei, »First results from DAMA/LIBRA and the combined results with DAMA/NaI«, Eur Phys J. C56, 200, 2008, S. 333–355; arXiv:0804.2741 [astro-ph]). Diese Signale wurden über einen Zeitraum von mehr als zehn Jahren beobachtet. Eine solche jährliche Modulation ist das, was wir von Dunkler Materie erwarten würden, weil die Wahrscheinlichkeit, dass ein Dunkle-Materie-Signal entdeckt wird, von der Richtung abhängt, aus der Dunkle-Materie-Teilchen einfallen. Da sich die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne durch die vermutlich existierende Wolke Dunkler Materie hindurchbewegt, verändert sich die Richtung des hereinkommenden Dunkle-Materie-Flusses im Lauf des Jahres. Leider haben andere Experimente gezeigt, dass das DAMA-Signal nicht von Dunkler Materie herrühren kann, weil es dann auch bei anderen Detektoren hätte auftauchen müssen, was nicht der Fall war. Zur Zeit weiß niemand, was DAMA da eigentlich misst.
A. Benoit u.a., »First results of the EDELWEISS WIMP search using a 320 g heat-and-ionization Ge detector«, Phys Lett B. 513, 2001, S. 15–22; arXiv:astro-ph/0106094.
Xenon100 Collaboration, »Limits on spin-dependent WIMP- nucleon cross sections from 225 live days of XENON100 data«, Phys Rev Lett. 111, 2013, S. 021301; arXiv:1301.6620 [astro-ph.CO].
Manche Kollegen bestreiten, dass der Parameterbereich des WIMPWIMPWIMP