Superstrings - Das Gewebe des Universums

Es gibt verschiedene Gründe warum man nach einer einheitlichen Theorie sucht, die unsere Welt beschreibt, zum einen finden die Wissenschaftler, dass es schön ist eine solche Theorie zu haben, die alle Phänomene in einem einheitlichen Bild beschreibt.

Maxwell und Einstein waren die ersten, die hier wesentliche Schritte vorangekommen sind, aber die Idee existiert schon lange und selbst Faraday hat versucht Gravitationskraft mit der Elektrizität und Magnetismus zu vereinen.

Aber es gibt noch weitere Gründe, da ist nämlich auch noch das Elektron im bisherigen Modell der Quantenmechanik ist es ein punktförmiges Teilchen, also ohne räumliche Ausdehnung. Das wirft ein gravierendes Problem auf, denn wie wir aus dem Physikunterricht wissen, stoßen sich gleichnamige Ladungen ab, so dass theoretisch unendlich viel Energie notwendig ist um ein Elektron zusammenzuhalten. Feynman, ein bedeutender Mitbegründer der Quantenmechanik, hat das Problem zwar gelöst indem er zwei unendliche Teilsummen voneinander subtrahierte und zeigen konnte, dass ein Ergebnis existiert. Trotzdem sucht man nach einer besseren Erklärung.

Und dann gibt es noch das Problem, dass die Relativitätstheorie nicht mit der Quantenmechanik vereinbar ist, obwohl beide Theorien heute die am besten verifizierten Modelle des bekannten Universums sind, die wir kennen.

Wir sehen, es ist Zeit für ein paar neue Ideen. Eine davon war die Kaluza-Klein-Theorie von 1919, durch hinzunahme einer weiteren Dimension gelang es die Gravitation mit der elektromagnetischen Kraft in ein Modell zu quetschen, diese Theorie wies aber noch einige Widersprüche auf, so dass sie etwa 50 Jahre in der Schublade verschwand. Mit der Superstringtheorie ist sie jetzt wieder aufgetaucht.

Statt vier oder fünf Dimensionen rechnet man jetzt aber mit 10 oder sogar 26 Dimensionen, 10 scheint sich aber durchzusetzen, weil die Mathematik für diese Zahl spricht. Die Mathematik spielt hier ohnehin eine entscheidende Rolle, denn die Physiker sind längst über den Punkt hinweg, an dem sie ihre Hypothesen noch in Experimenten überprüfen könnten, die einzigen Quellen, die Energien aufbringen können, die groß genug sind, um in diese Dimensionen vorzustoßen sind ein paar seltsame Objekte in den Tiefen des Weltraums. Aber auch die wenigen Quellen der Mathematik, die für die Entwicklung der Stringtheorie notwendig waren, sind außergewöhnliche Menschen gewesen, wie zum Beispiel Srinivasa Ramanujan, der in seinem indischen Dorf Ende der zwanziger Jahre des letzten Jahrhunderts noch einmal die ganze Mathematik des hergeleitet hat, bevor er die Möglichkeit bekam, in England zu studieren und der Mathematik ein paar Quantensprünge in ihrer Entwicklung zu bescheren.

Aber zurück zu unseren zusätzlichen Dimensionen. Wir kennen, einschließlich der Zeit, nur vier Dimensionen, mit denen wir es täglich zu tun haben, wo verstecken sich also die übrigen sechs?

Die Idee ist, dass diese zusätzlichen Dimensionen zusammengerollt und so von uns nicht wahrgenommen werden können. Wie klein diese Röllchen sind, kann man noch nicht genau sagen, sie könnten in der Größenordnung der Plancklänge liegen. Dieses Problem macht es diesem Modell nicht gerade leicht, von der wissenschaftlichen Gemeinschaft akzeptiert zu werden, denn was soll man von einer Theorie halten, die sich in so winzigen Röllchen versteckt, dass man beim besten Willen nicht nachschauen kann.

Es gibt aber auch einige Physiker, die davon ausgehen, dass die zusätzlichen Dimensionen bis zu einem Millimeter groß sein könnten, das wäre gigantisch und sollte mit dem bloßen Auge zu sehen sein, dass dies nicht so ist wird darauf zurückgeführt, dass wir in einem vierdimensionalen Unterraum aus diesem Gebilde leben. Das führt natürlich zu seltsamen Konsequenzen wie zum Beispiel überlichtschneller Informationsübertragung mittels Gravitonen, von denen die Physiker behaupten, dass sie sich auch in höheren Dimensionen ausbreiten können, was dann auch gleich das Problem der dunklen Materie erschlagen würde über das sich die Astrophysiker den Kopf zerbrechen. Vor allem aber würde dieses Modell erlauben, mit den zukünftigen Teilchenbeschleunigern einen Blick in diesen Bereich werfen, zu können. Und ein paar von den Superteilchen zu entdecken, die die Superstringtheorie als Superpartner zu den bekannten Teilchen vorhersagt. Neueste Experimente bestätigen diese Annahmen allerdings nicht und belegen, dass die Gravitationskraft sich bis hinunter zu 0,2mm ganz klassisch verhält.

Darüber hinaus gibt es noch eine Folgerung aus den Symmetrieeigenschaften der Theorie, die den meisten Physikern den Magen umdreht, das ist die mögliche Umwandlung eines Bosons in ein Fermion und umgekehrt. Dabei unterscheiden sich Bosonen und Fermionen fundamental in ihren physikalischen Eigenschaften, so können Bosonen, Teilchen mit ganzzahligem Spin, wie einige Atome, bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkt einen gemeinsamen energetischen Zustand einnehmen, das Bose-Einstein-Kondensaat, in dem die einzelnen Teilchen nicht mehr individuell, sondern nur noch als Gesamtheit betrachtet werden können. Fermionen, Teilchen mit halbzahligem Spin, wie zum Beispiel die Elektronen, nehmen bei gleichem Spinzustand niemals den selben Zustand ein, sondern besetzen diskrete Niveaus von unten nach oben.

Diese Supersymmetrie, ein geometrisches Konzept, das beschreibt, wie sich die Eigenschaften der Teilchen unter bestimmten Bedingungen verhalten, macht übrigens das Super im Namen aus.

In der Superstringtheorie werden aus den punktförmigen Teilchen des Standartmodels Strings - Fäden oder Saiten - die je nach Energie wie eine Saite schwingen, das schafft zumindest die unbequemen Unendlichkeiten aus dem Weg und passt zu den Teilchenfamilien die man entdeckt hat. Und es könnte eine Erklärung dafür sein, warum es so viele Teilchen gibt, die unterschiedliche Massen bzw. Energien haben, aber sonst über identische Eigenschaften verfügen.

Diese Fäden und Schleifen bewegen sich jetzt durch die zehndimensionale Raumzeit und wechselwirken miteinander, indem sie sich verbinden oder wieder trennen.

Auch wenn noch viele Fragen offen sind bietet die Superstringtheorie doch noch ein paar interessante Konsequenzen, denn obwohl sie alles in allem eigentlich ein rein mathematisches Modell ist, lässt sich aus der Stringtheorie und ihren geometrischen Grundlagen die Relativitätstheorie ableiten, was ganz schön überraschend war, denn es bedeutet, dass Einsteins Theorie nicht mehr Fundamental ist, sondern durch die Stringtheorie gefordert wird.

Und das ist ein wesentliches Ziel der Physik, jede Theorie auf immer grundlegendere Prinzipien zurückzuführen, um so einmal eine Theorie zu finden, aus der sich sämtliche Naturgesetze der Physik ableiten lassen. Der String scheint ein interessanter Kandidat für dieses Ziel zu sein.

Aber auch wenn die Superstringtheorie ein wunderbarer Kandidat für eine allumfassende Theorie für unsere Welt ist, sie sagt uns leider nicht, wie sich Leben auf der Erde entwickeln konnte, oder mit wem wir an diesem Wochenende ausgehen werden.


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