Die Schwerkraft der Träume

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Warum ist die Schwerkraft die geheimnisvollste Naturkraft? Lavinia Heisenberg erforscht, wie sich das Universum gebildet hat und wie es sich verändert. Für ihre herausragenden Leistungen im Gebiet der theoretischen Physik erhält sie nun den Latsis-Preis der ETH Zürich.

Wer nachts den Sternenhimmel betrachtet, erahnt womöglich, womit sich Lavinia Heisenberg beruflich befasst. Heisenberg ist Kosmologin. Ihr Forschungsgebiet ist das Weltall und was darin vorkommt, seien das nun sichtbare oder dunkle Materie, Licht oder Energie, Teilchen oder Wellen, Körper oder Kräfte. Ihr Interesse gilt dabei nicht einzelnen Planeten, einem Sonnensystem oder einer Galaxie wie unsere Milchstrasse eine ist. Ihr Forschungsdrang richtet sich vielmehr auf ganze Galaxienhaufen und auf die Naturkräfte, die etwas über die Entstehung und den Aufbau des Universums aussagen.

Zuweilen erfüllt Lavinia Heisenberg ein alles überwältigendes Gefühl, wenn sie die Milliarden von Galaxien am Himmel sieht. «Neugier führte mich in die Kosmologie», berichtet Heisenberg auf dem Campus Hönggerberg, und ihr langes Kraushaar hebt und senkt sich im Wind. «Es gibt so viel Unbekanntes da draussen. Am liebsten würde ich einfach immer weiter das Weltall erkunden.»

Aufregende Zeiten, rätselhafte Kräfte

Die Zeiten sind für eine Physikerin, die wie Heisenberg die Wechselwirkung zwischen Teilchenphysik und Kosmologie untersucht, durchaus aufregend: zwei grosse Entdeckungen haben die Forschungsmöglichkeiten entscheidend erweitert. Im Juli 2012 wurde am CERN mit dem Higgs-Boson ein neues Teilchen entdeckt. Im September 2015 gelang die erste Messung, dass es tatsächlich Gravitationswellen gibt. Die Gravitationswellen eröffnen zusätzliche Erkenntnismöglichkeiten, sagt Heisenberg mit der ihr eigenen Zuversicht: «Alle Information, die wir bisher über das Universum hatten, stammten von Photonen, also vom Licht. Jetzt können wir auch Gravitationswellen beobachten. Das ist so als ob wir bis anhin völlig blind im Dunkeln tappten, und nun können wir die Welt wirklich in all ihren Farben sehen.»

Die Schwerkraft ist eine Schlüsselgrösse in ihrer Forschung. «In den Tiefen des Kosmos dominiert die Schwerkraft. Wer die Natur des Universums beschreiben möchte, muss die Gravitation verstehen», begründet sie, «wer die präzise Messung von Gravitationswellen mit der Beobachtung des Lichts kombiniert, erhält neue Einsichten über die Natur der Gravitation.» Bis heute ist es nicht gelungen, sie restlos zu erklären. Die Erklärungsansätze, die die Welt im Grossen, also im Weltall, beschreiben, erklären die Schwerkraft anders als die Erklärungsansätze, die die Welt im Kleinen beschreiben, also im Innersten der Atomkerne.

Diese Erklärungsunterschiede gehen auf die beiden grossen theoretischen Errungenschaften der Physik des 20. Jahrhunderts zurück: die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik. Dass man sie bis heute nicht auf einheitliche Weise mit einer einzigen Theorie erklären kann, macht die Gravitation zur geheimnisvollsten der vier Grundkräfte der Physik. Die Grundkräfte bestimmen das Verhalten von Körpern, Feldern, Teilchen und Systemen. Die anderen drei sind die schwache Wechselwirkung, die starke Wechselwirkung und der Elektromagnetismus.

Vielen Perspektiven, stabile Lösungen

Charakteristisch für Heisenbergs Herangehensweise ist, dass sie Schwerkraft aus verschiedenen Perspektiven untersucht: Wie ein Teleskop gibt jede Theorie einen anderen Blickwinkel auf die Wirklichkeit frei. Aus diesen Perspektiven gewinnt Heisenberg neue Erkenntnisse über die wesentlichen und grundlegenden Eigenschaften der Schwerkraft. «Wir verbinden die verschiedenen Interpretationen der Gravitation, um stabile Lösungen für die Probleme der Allgemeinen Relativitätstheorie zu finden», ergänzt sie. Für ihre detaillierte Analyse der Schwerkraft im Licht der klassischen und der Quantenphysik sowie entsprechenden Folgerungen auf astrophysikalische, kosmologische und teilchenphysikalische Experimente hat Lavinia Heisenberg nun den Latsis-Preis der ETH Zürich gewonnen. Dieser wird ihr am ETH-Tag 2020 verliehen.

Heisenbergs multidisziplinärer Ansatz verbindet Gravitationsphysik, Kosmologie, Teilchenphysik und computergestützte Astrophysik. Als theoretische Physikerin führt sie keine Experimente im Labor oder in Teilchenbeschleunigern durch. Sie arbeitet mit Schreibstift und Notizbuch und macht Berechnungen am Computer. Mathematik ist ihr wichtigstes Werkzeug. Die Güte ihrer Theorien misst sich daran, wie sehr die mathematischen Gleichungen die Daten aus teilchenphysikalischen Experimenten oder aus kosmologischen und astrophysikalischen Beobachtungen erklären können.

Im Fluss: Beethoven, Bouldern, Bogenschiessen

Der multidisziplinäre Ansatz spiegelt sich in der Zusammensetzung ihres Teams und in der Art, wie sie unterrichtet. Heisenberg ist ein Teamplayer und die Diskussion offener Fragen ist ihr wichtig: «Der Austausch mit meinem Team und den Studierenden bereitet mir grosse Freude.» Freude sei das beste Mittel, um Enttäuschungen und Belastungen auszugleichen.

Weiteren Ausgleich findet Lavinia Heisenberg beim Laufen, Klettern, Konditionstraining oder Bogenschiessen und bei Tätigkeiten, die hohe Konzentration erfordern: «Beim Bogenschiessen muss ich sehr darauf achten, wie ich mich hinstelle, damit der Pfeil sein Ziel trifft. In solchen Momenten bin ich ganz im Hier und Jetzt - und denke weder über die Vergangenheit nach noch sorge ich mich um die Zukunft.» In der Forschung erlebt sie ebenfalls solche beflügelnden Momente völliger Vertiefung, in denen sie voll und ganz in der jeweiligen Beschäftigung aufgeht. Halt in schwierigen Zeiten findet sie in der Musik, namentlich in den Symphonien Ludwig van Beethovens.

Vielseitig wie ihre Forschung ist Heisenbergs Werdegang: Von Kindheit an lebte sie in verschiedenen Ländern, «und in jedem Land lerne ich die Sprache.» Sechs Sprachen spricht sie heute, darunter deutsch. An die ETH kam sie als Fellow des Instituts für Theoretische Studien. 2018 erhielt sie einen «ERC Starting Grant», den nur die besten Forschenden erhalten, und wurde zur Assistenzprofessorin am Physikdepartement ernannt. Ihre Zukunft ist noch nicht geschrieben. Seit sie Kind war, träumt Heisenberg davon, Astronautin zu werden. Dieses Ziel spornt sie nach wie vor an: «Einmal möchte ich die Erde aus diesem Blickwinkel sehen. Es muss ein erstaunliches Gefühl sein, die Erde in ihrer ganzen Verletzlichkeit zu erkennen.»

Literaturhinweise

Heisenberg L: A systematic approach to generalisations of General Relativity and their cosmological implications. Physics Reports 796 (2019) 1-113. doi: doi.org/10.1016/j.ph­ysrep.2018.11.006

Jiménez JB, Heisenberg L, Koivisto TS: The Geometrical Trinity of Gravity. Universe 2019, 5(7), 173. doi: doi.org/10.3390/univ­erse5070173

Heisenberg L: Generalization of the Proca Action. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, JCAP05 (2014) 015. doi: doi.org/10.1088/1475­-7516/2014/05/015

Florian Meyer