Stringtheorie

Die Superstringtheorie, oft auch nur Stringtheorie genannt, ist der Hauptkandidat für eine TOE (Theory of Everything). Der Begriff Superstringtheorie soll ausdrücken, dass ein wichtiger Bestandteil der Stringtheorie die so genannte Supersymmetrie ist. Das letztendliche Ziel ist es, die beiden Hauptpfeiler der heutigen Physik zu vereinigen: die Allgemeine Relativitätstheorie, welche bei Strukturen im Großen gültig ist, und die Quantenfeldtheorie, die im Mikrokosmos angewendet wird. Darüber hinaus erscheinen sozusagen als Nebenprodukt Elementarteilchen und ihre Eichwechselwirkungen, weswegen die Stringtheorie eine Vereinheitlichung der bekannten Grundkräfte der Natur (Quantenelektrodynamik, Quantenchromodynamik, Schwache Wechselwirkung, Gravitation) bewirkt.

Die primäre Aussage der Stringtheorie ist: Alle verschiedenen Elementarteilchen-Sorten manifestieren sich als unterschiedliche Anregungszustände einer einzigen Art von Objekten, den so genannten Strings. Die Strings der Stringtheorie sind eindimensionale Fäden, welche wie Saiten (daher auch der englische Name string) in einem vieldimensionalen Raum schwingen. Je nachdem, mit welcher "Frequenz" (Energie) und in welchen der Raumdimensionen die Strings schwingen, stellen sie unterschiedliche Varianten von Elementarteilchen dar.

Nach den Vorstellungen der Stringtheoretiker entsprechen die beobachteten Teilchen wie z. B. Elektronen oder Quarks (nahezu) masselosen Anregungszuständen ("Nullmodi") von Strings. Besonders ermutigend ist, dass einer dieser masselosen Zustände genau die Eigenschaften des hypothetischen Gravitons hat. Das bedeutet letztendlich, dass die Superstringtheorie die Gravitationswechselwirkung als Untersektor enthält. Analoges gilt für Eichbosonen, welche Eichwechselwirkungen vermitteln.

Daneben gibt es ein Vibrationsspektrum von unendlich vielen Schwingungsmodi, welche aber zu hohe Massen (Energien) haben, um direkt beobachtet werden zu können. Denn aus theoretischen Überlegungen sollten Strings eine Ausdehnung in der Größenordnung der Planck-Länge besitzen, was bedeutet, dass die Vibrationsmodi Massen besitzen, die ein Vielfaches von ca. 10¹⁹ Giga-Elektronenvolt betragen; das liegt um viele Größenordnungen über dem, was man experimentell beobachten kann. Daher wird man auf einen direkten Nachweis dieser Vibrationsmodi verzichten müssen und stattdessen versuchen, im Sektor der (nahezu) masselosen Teilchenanregungen Eigenschaften zu finden, die spezifisch für die Stringtheorie und gleichzeitig experimentell beobachtbar sind.

Dies stößt aber auf die Schwierigkeit, dass gerade der zugängliche masselose Sektor in nur geringem Maß von der zugrundeliegenden Stringtheorie bestimmt wird (zumindest nach heutigen Erkenntnissen). Das liegt daran, dass Superstringtheorien natürlicherweise in 10 oder 11 Dimensionen formuliert werden und nur in diesen Dimensionen ein mehr oder weniger eindeutiges Spektrum haben. Um auf unsere 4-dimensionale Raum-Zeit-Dimensionen zu kommen, muss man eine sog. Kompaktifizierung (grob: Aufwicklung) der 6 bzw. 7 "überschüssigen" Dimensionen postulieren, die der direkten Beobachtung nicht zugänglich sind. Der Punkt ist, dass der Prozess dieser Kompaktifizierung bei weitem nicht eindeutig ist und zu einer Überfülle von möglichen 4-dimensionalen Theorien führt.

Bislang hat man keine Eigenschaften des masselosen Sektors finden können, welche spezifisch für die Stringtheorie und in naher Zukunft experimentell (z. B. mit dem LHC) überprüfbar wären. Deshalb ist ein großer Teil der Forschung mehr mit theoretischen und konzeptionellen Fragen beschäftigt, z. B. mit Problemen, die im Zusammenhang mit der Quantisierung von Schwarzen Löchern stehen.

Einzelne Theorien und Dualität

Die Stringtheorie wurde ursprünglich rein mathematisch aus Symmetrie- und Konsistenzprinzipien abgeleitet. Hieraus ließen sich fünf Stringtheorien (Typ I, Typ IIA, Typ IIB, O-heterotisch, E-heterotisch) entwickeln, die sich später als verschiedene Approximationen einer umfassenden Theorie (M-Theorie) herausstellten. Der Nachweis, dass es sich bei diesen Theorien um Aspekte einer einzelnen Theorie handelt, wurde durch Aufzeigen von Dualitäten zwischen den einzelnen Stringtheorien erbracht.

Ein interessantes Ergebnis dieser Vereinigung der Teiltheorien war, dass die elfdimensionale Supergravitation als weiterer Grenzfall der M-Theorie erkannt wurde. Diese enthält aber keine Strings, sondern ist eine Teilchen-Approximation von 2- und 5-dimensionalen Membranen. Das verdeutlicht, dass die Stringtheorie mehr enthält als nur eindimensionale Strings, und in der Tat hat sich in den letzten Jahren gezeigt, dass höherdimensionale Membranen (D-branes) eine sehr wichtige Rolle in der Stringtheorie spielen. Ein neues kosmologisches Modell nutzt diese Membranen als Erklärungsmodell, um die theoretischen Unzulänglichkeiten des Urknallmodells zu umgehen (ekpyrotisches Universum).

Wichtige Beiträge zur Stringtheorie wurden u. a. von Michael Green, John Schwarz und Edward Witten geleistet.

Siehe auch: Loop-Quantengravitation

Literatur

• Brian Greene: The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, ISBN 0393058581. (Das elegante Universum, 2002, ISBN 3442760267)

Weblinks

• teilchen.at
• The Official String Theory Web Site (in engl. Sprache)
• Superstrings! (in engl. Sprache)
• The Elegant Universe (in engl. Sprache)