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The Science of Superstrings

Die Physiker von heute haben mit einem Dilemma zu kämpfen. Sie haben zwei verschiedene Theorien akzeptiert, die erklären, wie das Universum funktioniert: Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die das Universum in einem sehr großen Maßstab beschreibt, und die Quantenmechanik, die das Universum in einem sehr kleinen Maßstab beschreibt. Beide Theorien wurden in überwältigender Weise durch experimentelle Beweise gestützt.

Leider ergänzen sich diese Theorien nicht. Die allgemeine Relativitätstheorie, die die Funktionsweise der Schwerkraft beschreibt, geht von einem glatten und fließenden Universum aus, in dem es keine Verwerfungen und Kurven im Gewebe der Raumzeit gibt. Die Quantenmechanik – mit ihrer Unschärferelation – geht davon aus, dass das Universum auf einer winzig kleinen Skala ein turbulenter, chaotischer Ort ist, an dem Ereignisse nur mit Wahrscheinlichkeiten vorhergesagt werden können. In zwei Fällen, in denen die beiden konkurrierenden Theorien angewandt werden müssen – um den Urknall und die Tiefen schwarzer Löcher zu beschreiben – brechen die Gleichungen zusammen.

Die meisten Physiker können nur schwer akzeptieren, dass das Universum nach zwei verschiedenen (und manchmal widersprüchlichen) Theorien funktioniert. Sie halten es für wahrscheinlicher, dass das Universum von einer einzigen Theorie beherrscht wird, die alle Beobachtungen und Daten erklärt.

Die Jagd nach einer Theorie

Aus diesem Grund sind die Physiker auf der Suche nach einer vereinheitlichten Theorie. Eine solche Theorie würde alle vier Naturkräfte unter einem Dach vereinen: die Schwerkraft, die schwächste der vier Kräfte, wie sie von der allgemeinen Relativitätstheorie erklärt wird, sowie den Elektromagnetismus und die starke und schwache Kraft, wie sie von der Quantenfeldtheorie erklärt werden. Einstein strebte eine einheitliche Theorie an, indem er versuchte, den Elektromagnetismus und die Schwerkraft zu vereinen.

Die Superstringtheorie, auch Stringtheorie genannt, ist die aktuelle Formulierung dieser laufenden Suche. Die Stringtheorie versucht, alle vier Kräfte zu vereinheitlichen und damit auch die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik zu vereinheitlichen. Ihr liegt eine recht einfache Idee zugrunde: Alle Teilchen bestehen aus winzigen schwingenden Energiesträngen. (Die Stringtheorie verdankt ihren Namen dem fadenförmigen Aussehen dieser Energiestränge). Anders als gewöhnliche Strings haben diese Strings eine Länge (im Durchschnitt etwa 10-33 Zentimeter), aber keine Dicke. Die Stringtheorie besagt, dass die Teilchen, aus denen sich die gesamte Materie im Universum zusammensetzt, und alle Kräfte, die der Materie eine Wechselwirkung ermöglichen, aus winzigen vibrierenden Energiesträngen bestehen.

Die derzeit akzeptierte und experimentell überprüfte Theorie, wie das Universum auf subatomarer Ebene funktioniert, besagt, dass alle Materie aus punktförmigen Teilchen besteht und durch diese miteinander in Wechselwirkung tritt. Diese als Standardmodell bekannte Theorie beschreibt die Elementarteilchen und drei der vier fundamentalen Kräfte, die als Bausteine unserer Welt dienen (eine Auflistung dieser Teilchen finden Sie in der Tabelle der Elementarteilchen und in der Tabelle der Teilchen der fundamentalen Kräfte).

In der Stringtheorie entspricht jede Art von Elementarteilchen – und jede Art von fundamentalen Kraftträgerteilchen, die Wechselwirkungen zwischen Materieteilchen vermitteln – einem einzigartigen Schwingungsmuster der Saiten, so wie verschiedene Noten, die von einer Geige gespielt werden, einzigartigen Saitenschwingungen entsprechen. Wie eine Saite schwingt, bestimmt die Eigenschaften – wie Ladung, Masse und Spin – des Teilchens, das sie ist. Die Gleichungen der Stringtheorie könnten zu Elementarteilchen führen, wie sie derzeit bekannt sind (Elektronen, Quarks, Photonen usw.). Da jedoch noch keine detaillierten numerischen Vorhersagen gemacht werden können, ist es schwierig zu wissen, ob die Auswahl an möglichen Schwingungsmustern alle bekannten Materie- und Kraftträgerteilchen korrekt wiedergibt. Strings können entweder ein offenes Ende haben oder geschlossen sein und eine Schleife bilden. Ob ein String offen oder geschlossen ist, bestimmt die Art der Wechselwirkungen, die er eingehen kann.

Es ist die Natur der Strings, die die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik vereint. Nach der Quantenfeldtheorie wechselwirken Teilchen über eine Distanz von Null in der Raumzeit. In der allgemeinen Relativitätstheorie kann das Graviton, das als Kraftträger für die Schwerkraft gilt, nicht über eine Entfernung von Null wirken. Strings helfen, dieses Dilemma zu lösen. Da sie eindimensional sind und eine gewisse Länge haben, „verschmieren“ sie Wechselwirkungen über kleine Entfernungen. Dadurch wird die Raumzeit so weit geglättet, dass das Graviton mit anderen Quantenfeldteilchen in Wechselwirkung treten kann, wodurch die beiden Gesetze vereint werden.

Ein hoher Preis

Aber die Stringtheorie hat bei aller Eleganz auch ihren Preis. Damit die Theorie stimmig ist, muss das Universum mehr als drei räumliche Dimensionen haben. Tatsächlich sagt die Stringtheorie ein Universum mit neun räumlichen und einer zeitlichen Dimension voraus, also mit insgesamt 10 Dimensionen. (Die aktuellste Version der Stringtheorie geht von 11 Dimensionen aus.) Die neun räumlichen Dimensionen bestehen aus den drei erweiterten Dimensionen, die wir im Alltag erleben, sowie aus sechs theoretisch winzigen, zusammengerollten Dimensionen, die mit den vorhandenen Technologien nicht sichtbar sind. Diese sechs zusätzlichen Dimensionen kommen an jedem Punkt der bekannten dreidimensionalen Welt vor. Die Existenz von mehr als drei räumlichen Dimensionen ist ein so schwer zu fassendes Konzept, dass selbst Stringtheoretiker es sich nicht vorstellen können. Sie verwenden oft Analogien, um sich diese Abstraktionen vorzustellen.

Stellen Sie sich zum Beispiel ein Blatt Papier mit einer zweidimensionalen, flachen Oberfläche vor. Wenn man diese Oberfläche aufrollt, bildet sie eine Röhre, und eine Dimension wird gewellt. Stellen Sie sich nun vor, Sie rollen die Oberfläche weiter auf, bis sie so fest aufgerollt ist, dass die innere gewellte Dimension zu verschwinden scheint und die Röhre einfach wie eine Linie aussieht. In ähnlicher Weise sind die von der Stringtheorie vorhergesagten zusätzlichen Dimensionen so stark eingerollt, dass sie in der Alltagserfahrung zu verschwinden scheinen.

Diese eingerollten Dimensionen können bestimmte komplexe Konfigurationen annehmen, die als Calabi-Yau-Formen bekannt sind. Leider gibt es Zehntausende von Variationen dieser Formen, und es ist schwierig zu wissen, welche von ihnen die zusätzlichen Dimensionen unseres Universums korrekt darstellen könnten. Es ist wichtig zu wissen, welche Formen richtig sind, denn die Form dieser zusätzlichen Dimensionen bestimmt die Muster der String-Schwingungen. Diese Muster wiederum stellen alle Komponenten dar, die die Existenz des bekannten Universums ermöglichen.

Diese zusätzlichen Dimensionen könnten so klein wie 10-35 Meter oder so groß wie ein Zehntel Millimeter sein. Sie könnten aber auch so groß oder größer sein als unser eigenes Universum. Wenn das der Fall ist, glauben einige Physiker, dass die Schwerkraft durch diese Extradimensionen sickern könnte, was erklären könnte, warum die Schwerkraft im Vergleich zu den anderen drei Kräften so schwach ist.

Es passt

Die Stringtheorie besagt auch, dass jedes bekannte Materieteilchen ein noch unentdecktes entsprechendes „Super“-Kraftträgerteilchen und jedes bekannte Kraftträgerteilchen ein noch unentdecktes entsprechendes „Super“-Materieteilchen haben muss. Diese Idee, die als Supersymmetrie bekannt ist, hilft dabei, eine Beziehung zwischen Materieteilchen und Kraftträgerteilchen herzustellen. Diese als Superpartner bezeichneten Teilchen (siehe „Teilchen und Teilchen“ weiter unten) sind vermutlich massiver als ihre bekannten Gegenstücke, was der Grund dafür sein könnte, dass sie mit den derzeitigen Teilchenbeschleunigern und Detektoren noch nicht beobachtet werden konnten.

* Das Graviton und das Higgs-Boson sind noch nicht experimentell bestätigt worden.

Eine vollständige Auflistung der Teilchen und ihrer vorgeschlagenen Superpartner finden Sie unter „Elementarteilchen“ auf www.pbs.org/nova/elegant/.

Das Potenzial der Stringtheorie zur Erklärung ist enorm. Sie könnte aufzeigen, was in dem Moment geschah, als das Universum begann. Die Urknalltheorie beschreibt nur, was nach dem ersten extrem kleinen Bruchteil einer Sekunde geschah. Nach herkömmlichen Theorien schrumpfte das Universum davor auf die Größe Null – eine Unmöglichkeit. Unter den Bedingungen der Stringtheorie ist das Universum möglicherweise nie bis zu einem Punkt geschrumpft, an dem es verschwand, sondern hat mit einer winzigen Größe begonnen – der Größe eines einzelnen Strings.

Die Stringtheorie könnte auch dazu beitragen, die Natur schwarzer Löcher aufzuklären, die zwar von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt werden, aber auf Quantenebene nie vollständig erklärt werden konnten. Mithilfe einer Art Stringtheorie haben Physiker schwarze Löcher ohne Masse in Miniaturform mathematisch beschrieben, die nach Veränderungen der Geometrie in den zusätzlichen Dimensionen der Stringtheorie als Elementarteilchen mit Masse und Ladung wieder auftauchen. Einige Theoretiker sind nun der Meinung, dass schwarze Löcher und Elementarteilchen identisch sind und dass ihre wahrgenommenen Unterschiede so etwas wie Phasenübergänge widerspiegeln, wie der Übergang von flüssigem Wasser zu Eis.

Die Stringtheorie öffnet auch die Tür zu verschiedenen Hypothesen über die Entwicklung und die Natur von Raum und Zeit, z. B. wie das Universum vor dem Urknall ausgesehen haben könnte oder die Fähigkeit des Raums, sich selbst zu zerreißen und zu reparieren oder topologische Veränderungen zu erfahren.

When It All Started

Die Stringtheorie ist nicht ganz neu. Sie hat sich seit den späten 1960er Jahren weiterentwickelt. Zu einem bestimmten Zeitpunkt gab es fünf Varianten der Theorie. Mitte der 1990er Jahre entstand dann eine Theorie, die als M-Theorie bekannt ist und die fünf Theorien vereinigt. Die M-Theorie gilt als der jüngste Schritt in der Entwicklung der Stringtheorie (siehe „M-Theorie, Magie, Mysterium, Mutter?“ rechts).

Die jüngste Inkarnation der Stringtheorie – die M-Theorie – enthüllte, dass fünf frühere Versionen der Stringtheorie nur fünf verschiedene Aspekte einer Theorie waren.

Kein Teil der Stringtheorie ist experimentell bestätigt worden. Das liegt zum Teil daran, dass die Theoretiker die Theorie noch nicht gut genug verstehen, um endgültige, überprüfbare Vorhersagen zu machen. Außerdem werden Strings für so klein gehalten – weniger als ein Milliardstel eines Milliardstels der Größe eines Atoms -, dass Technologien wie die derzeitigen Beschleuniger und Detektoren nicht stark genug sind, um sie aufzuspüren (siehe „Auf der Suche nach dem Fundamentalen“ unten). Während die Stringtheorie noch nicht experimentell verifiziert werden kann, hoffen Physiker, dass einige ihrer Facetten durch Indizien gestützt werden können, wie z.B. der Nachweis der Existenz von:

• extra Dimensionen. Physiker hoffen, dass aktuelle oder künftige Teilchenbeschleuniger dazu beitragen können, die Existenz von Extradimensionen nachzuweisen. Detektoren könnten die fehlende Energie messen, die aus unseren Dimensionen in diese Extradimensionen entwichen wäre, und so möglicherweise den Beweis für die Existenz dieser Dimensionen liefern.

• Superpartnerteilchen. Die Forscher werden aktuelle und neuere Teilchenbeschleuniger nutzen, um nach den von der Stringtheorie vorhergesagten Superpartner-Teilchen zu suchen.

• Schwankungen in der Hintergrundstrahlung. Das Universum ist von gleichmäßiger Strahlung mit einer sehr niedrigen Temperatur von 2,7 Grad Kelvin durchdrungen. Man geht davon aus, dass diese Strahlung ein Überbleibsel der ursprünglich sehr hohen Temperatur des Urknalls ist. Beim Vergleich der Temperaturen von verschiedenen Orten am Himmel, die nur etwa 1 Grad voneinander entfernt sind, wurden extrem geringe Temperaturunterschiede festgestellt (in der Größenordnung von einem Hunderttausendstel Grad Kelvin). Die Wissenschaftler suchen nach noch kleineren Temperaturunterschieden einer bestimmten Form, die von den frühesten Momenten des Urknalls übrig geblieben sein könnten, als die für die Entstehung der Strings erforderlichen Energien erreicht wurden.

Auf der Suche nach dem Fundamentalen

Während Physiker mit Hilfe von Collidern Beweise für die meisten der Materie- und Kraftteilchen gefunden haben, die das Standardmodell ausmachen, sind sie immer noch auf der Suche nach einem theoretischen Kraftträgerteilchen namens Higgs-Boson. Diese Grafik zeigt die Energien, bei denen einige Teilchen und Kraftvereinigungen gefunden oder vermutet wurden (durchgezogene Kreise), und gibt die Energien an, die mit aktuellen oder geplanten Collidern erforscht werden können (leere Kreise). Physiker hoffen, dass der Large Hadron Collider desCERN in der Schweiz und Frankreich, der 2007 in Betrieb gehen soll, Beweise für das Higgs-Boson sowie Hinweise auf das theoretische Graviton und die schwer fassbaren Superpartner-Teilchen liefern könnte. Um die starke und die elektroschwache Kraft zu vereinheitlichen oder die theoretischen Strings zu finden, muss man offenbar Energien nutzen, die weit über das hinausgehen, was die derzeitigen Technologien bieten. Einige Theoretiker glauben jedoch, dass die String-Energie näher an den derzeitigen oder geplanten Beschleunigerenergien liegen könnte.