Warum eine Vereinheitlichung notwendig ist
Die Physik besitzt zwei fundamentale Grundpfeiler: die Allgemeine Relativitätstheorie (Gravitation, Raumzeitkrümmung, große Skalen) und die Quantenmechanik (elektromagnetische, schwache und starke Kernkraft, kleine Skalen). Sie sind auf der Planck-Skala (10⁻³⁵ m, 10¹⁹ GeV) mathematisch unvereinbar. Ihre Kombination erzeugt Unendlichkeiten, die nicht entfernt werden können. Eine Theorie der Quantengravitation wird benötigt. Die Stringtheorie erhebt den Anspruch, eine solche zu liefern.
Was Strings sind
In der Stringtheorie werden punktförmige Teilchen durch winzige, eindimensionale Objekte (Strings) von etwa 10⁻³⁵ m Länge ersetzt – der Planck-Länge. Offene Strings haben freie Endpunkte; geschlossene Strings sind Schleifen. Der Schwingungsmodus eines Strings bestimmt, als welches Teilchen er erscheint: Ein Modus ist ein Photon, ein anderer ein Elektron, ein weiterer das Graviton (hypothetischer Träger der Gravitation). Das Spektrum enthält automatisch ein Spin-2-Teilchen, das sich wie ein Graviton verhält – eine Tatsache, die Physiker in den 1970er Jahren enorm begeisterte.
Zusätzliche Dimensionen
Die Stringtheorie funktioniert mathematisch nur in 10 Dimensionen (oder 11 in der M-Theorie). Die zusätzlichen 6 (oder 7) Raumdimensionen sind 'kompaktifiziert' – so winzig zusammengerollt, dass sie bei erreichbaren Energien nicht nachgewiesen werden können. Die Form der zusätzlichen Dimensionen bestimmt die Physik – welche Teilchen existieren, was ihre Massen sind, welche Kräfte wirken. Es gibt etwa 10⁵⁰⁰ mögliche Kompaktifizierungen (die 'Landschaft') – im Grunde ist jede Physik erreichbar.
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Die Landschaft der Stringtheorie impliziert, dass sie nichts Spezifisches vorhersagt: Für jede Beobachtung gibt es eine Kompaktifizierung, die sie erzeugt. Kritiker (Lee Smolin, Peter Woit) argumentieren, dies mache sie unfalsifizierbar und damit unwissenschaftlich. Verteidiger argumentieren, die Landschaft sei eine anthropische Selektion – wir beobachten eine Physik, die mit Leben kompatibel ist. Nach 50 Jahren wurde noch keine einzigartige Vorhersage der Stringtheorie experimentell bestätigt.
Häufig gestellte Fragen
Was ist Stringtheorie in einfachen Worten?
Die Stringtheorie schlägt vor, dass alle fundamentalen Teilchen eigentlich winzige schwingende Energiestrings sind, keine punktartigen Objekte. Unterschiedliche Schwingungsmodi eines Strings entsprechen unterschiedlichen Teilchen. Die Theorie erfordert zusätzliche Raumdimensionen über unsere drei hinaus und beinhaltet automatisch die Gravitation – was sie zu einem Kandidaten für die Vereinigung aller fundamentalen Kräfte macht.
Warum wurde die Stringtheorie nicht bewiesen?
Die Stringtheorie operiert auf der Planck-Skala (10⁻³⁵ m), bei Energien, die etwa 10¹⁵ mal höher sind, als der LHC erreichen kann. Kein aktuelles Experiment kann sie direkt untersuchen. Fundamentaler ist, dass die Theorie eine 'Landschaft' von ~10⁵⁰⁰ möglichen Lösungen hat, was bedeutet, dass sie praktisch jedes experimentelle Ergebnis aufnehmen kann – was es schwierig macht, sie zu widerlegen.
Was ist M-Theorie?
Die M-Theorie ist ein 11-dimensionales Gerüst, das 1995 von Edward Witten vorgeschlagen wurde und die fünf verschiedenen Versionen der 10-dimensionalen Stringtheorie zu einem einzigen Rahmen vereint. Das 'M' steht je nachdem, wen man fragt, für Membran, Mysterium oder Matrix. Die M-Theorie enthält nicht nur Strings, sondern auch höherdimensionale Objekte, sogenannte Branen. Sie ist der derzeit beste Kandidat für eine vollständige Stringtheorie, ist aber noch weniger verstanden als die einzelnen Stringtheorien.