Die Stringtheorie: Wertung der Stringtheorie

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Experimentelle Überprüfung

Eines der größten Probleme der Stringtheorie ist die enorme Schwierigkeit, sie experimentell zu überprüfen. Da Strings so extrem winzig sind, müssten Teilchenbeschleuniger von der Größe der Milchstraße gebaut werden, um diese direkt nachweisen zu können. Es gibt jedoch verschiedene Möglichkeiten, die Stringtheorie indirekt bereits heute experimentell nachzuweisen [68].

Wie im Punkt 5.1.2 bereits dargelegt, bestimmt die Form der Calabi-Yau-Mannigfaltigkeit, zu der die sechs Extradimensionen aufgerollt sind, maßgeblich die Eigenschaften der in ihr schwingenden Strings. Würde es also gelingen, die exakte Form des Calabi-Yau-Raums zu bestimmen, ließen sich daraus die genauen Eigenschaften der bekannten Teilchen berechnen. Ein weiteres Indiz für die Richtigkeit der Stringtheorie wäre die Entdeckung eines oder mehrerer Superpartnerteilchen. Dies würde zwar zunächst nur die Supersymmetrie beweisen, die auch schon in auf Punktteilchen basierende Modelle eingegliedert werden konnte, dennoch wäre dies ein wichtiger Fund für die Stringtheorie [68].

Des Weiteren wäre ein experimenteller Beleg die Entdeckung eines oder mehrerer Teilchen mit bestimmter nichtganzzahliger Ladung. Die Elementarteilchen des Standardmodells besitzen nur eine begrenzte Anzahl von Ladungen, wie z.B. Quarks mit einer elektrischen Ladung von $\pm {\frac {1}{3}}$ bzw. $\pm {\frac {2}{3}}$. Die anderen Teilchen haben dagegen elektrische Ladungen von $0\$ oder $\pm 1$. Die Stringtheorie sagt jedoch aufgrund der unendlichen Vielfalt von möglichen Schwingungsmustern eines Strings auch Teilchen mit elektrischen Ladungen von z.B. $-{\frac {1}{8}}$ oder ${\frac {5}{37}}$ voraus. Die Entdeckung eines solchen Teilchens wäre ein starkes Indiz für die Richtigkeit der Stringtheorie [61].

Ein weiterer experimenteller Anhaltspunkt dafür hängt mit der Variation der Naturkonstanten zusammen. In der Physik gibt es eine gewisse Anzahl von Naturkonstanten, die wie der Name schon sagt konstant sind und das physikalische Fundament des Universums darstellen. Wichtige Naturkonstanten sind z.B. die Lichtgeschwindigkeit $c\$, das plancksche Wirkungsquantum $h\$ oder Newtons Gravitationskonstante $G\$. Wären diese Werte nicht konstant, würde das bedeuten, dass die physikalischen Gesetze, die wir bis heute aufgestellt haben, nicht überall im Universum gelten oder zumindest nicht zu jeder Zeit gegolten haben. Unzählige Messungen ergaben, dass die Naturkonstanten über Milliarden von Jahren überall im Universum konstant geblieben sind [84]. Bei einer dieser Konstanten jedoch, der sogenannten Feinstrukturkonstanten ${\alpha }\$, die die Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung beschreibt, stieß man vor einigen Jahren zur Überraschung der Wissenschaftler auf ein anderes Ergebnis. Durch die Analyse der Spektrallinien von Milliarden von Lichtjahren entfernten Objekten fand man heraus, dass ${\alpha }\$ vor einigen Milliarden Jahren um den Faktor $10^{-5}$ kleiner war als heute [88]. Dies würde wunderbar zur Stringtheorie passen, die die Variation der Naturkonstanten voraussagt. Da sie auf einer elfdimensionalen Raumzeit basiert, gelten auch die Naturkonstanten in elf Dimensionen. Aufgrund der Tatsache, dass wir nur drei Raum- und eine Zeitdimension wahrnehmen, erfassen wir nur einen Teil der eigentlichen Naturkonstanten. In elf Dimensionen sind diese absolut konstant, in vier Dimensionen jedoch können sie gelegentlich ein bisschen schwanken.

Die meisten Physiker wollten sich mit dem oben genannten Ergebnis so gar nicht anfreunden und es wurden in der jüngsten Zeit neue Messungen vorgenommen. Unabhängig voneinander kamen mehrere Forscherteams zu dem Ergebnis, dass ${\alpha }\$ seit Beginn des Universums doch immer denselben Wert hatte [84]. Bis heute ist die Frage nach der Konstanz von ${\alpha }\$ ungeklärt, sollte sich jedoch herausstellen, dass sich der Wert der Feinstruktur- oder irgendeiner anderen Naturkonstanten im Laufe der Zeit geändert hat, wäre dies ein entscheidender Beleg für die Gültigkeit der Stringtheorie.

Wie bereits dargelegt, könnten in der Zeit unmittelbar nach dem Urknall Strings mit astronomischer Größe entstanden sein. Die Entdeckung eines solchen sogenannten „Cosmic-Strings“ wäre sicherlich einer der aufsehenerregendsten Beweise für die Stringtheorie, „ (...) denn nichts würde die Streitfrage so spektakulär entscheiden, wie der Anblick eines Strings in einem Teleskop.“ Auch die Entdeckung weiterer Feldkräfte sprächen dafür, da sie im Standardmodell verboten, in der Stringtheorie aber möglich sind.

Es ist schwierig, eine Theorie, die unser gesamtes Universum beschreiben soll, voll und ganz zu akzeptieren, wenn es nicht den geringsten Anhaltspunkt für ihre Richtigkeit gibt. Die Frage nach der experimentellen Überprüfbarkeit der Stringtheorie wird in den nächsten Jahren also von zentraler Bedeutung sein, da sie nachhaltig über ihr weiteres Schicksal entscheidet. Beantworten kann diese Frage nur die Zeit [62].

Eine Antwort könnten wir schon sehr bald erhalten. Dazu müssen Wissenschaftler die kosmische Uhr allerdings sehr weit zurückdrehen – und zwar bis zu dem Zeitpunkt, als die Welt gerade einmal 10^-43 Sekunden alt (Planck-Zeit) und nur 10^-35 Meter groß (Planck-Länge) war. Denn bevor sich der Raum in der so genannten Inflationsphase binnen einer Quintillionstel (eine Zahl mit 30 Nullen) Sekunde mit unglaublicher Macht um den gigantischen Faktor 10 hoch 29 aufblähte, tummelten sich in ihm möglicherweise noch andere Dimensionen: welche String-Theoretiker vorhersagen.

Zeitreise für die Suche nach Extradimensionen

Weiter als 13,3 Milliarden Jahre in die Vergangenheit können die Historiker des Universums allerdings nicht blicken, da erst zu dieser Zeit das Weltall kühl genug war, um Atome und somit Licht zu generieren. Im Jahr 2003 schoss die Nasa-Sonde "Wilkinson Microwave Anisotropy Probe" (WMAP) eine 360-Grad-Karte von der Mikrowellenhintergrundstrahlung, die aus jener Zeit übrig ist – ein Fingerabdruck des Urknalls. Es ist das schärfste und älteste Bild aus der Urzeit unseres Universums, in dem viele Informationen eingefroren sind.

Wo, wenn nicht hier, sollten auch Hinweise auf die Existenz zusätzlicher Dimensionen eingeschlossen sein? Schließlich war der Einfluss der sechs winzigen Dimensionen unmittelbar nach dem Urknall am größten – und könnte sich auf die für den Menschen quantifizierbare Verteilung der Masse im Universum ausgewirkt haben. "So wie der Schatten einen Anhaltspunkt auf die Form eines Objektes gibt, kann das Muster der kosmischen Strahlung auf die Gestalt der anderen sechs Dimensionen hinweisen.

Die Forscher experimentierten mit zwei unterschiedlichen Typen mathematisch einfacher Geometrien. Wie würden solche Dimensionen die Energieverteilung im All beeinflussen? Das visualisierten sie auf einer Computer-Karte. Dann, beim Vergleich der fiktiven Karte mit dem WMAP-Original fanden Sie kleine, aber signifikante Unterschiede. Auf der computergenerierten Darstellung zeigen diese sich in Gestalt von kleinen, fleckenartigen Schattierungen, welche auf eine völlig andere Temperatur- und Energieverteilung hindeuten.

Bei besserer Auflösung: Schatten der Extradimensionen

Nach Ansicht der Wissenschaftler geben diese speziellen Strahlungsmuster deutliche Hinweise auf die Geometrie der sechsdimensionalen Form.

Um die Theorie jedoch handfest beweisen zu können, brauchen die Forscher aber noch feinere Daten als jene der WMAP-Messungen. Nun hoffen sie auf das neue hochsensible Esa-Weltraumteleskop "Planck", das selbst Temperaturunterschiede von einem Fünfmillionstel Grad Celsius erfassen kann. 'Planck' wird in der Lage sein, die kosmische Hintergrundstrahlung mit beeindruckender Präzision zu messen. „Bis vor kurzem wurden versteckte Dimensionen noch als völlig unzugänglich betrachtet. Nun aber liegen bereits mehrere Ideen und Szenarien vor, wie diese aufgespürt werden können.“

Die Stringtheorie kommt endlich auf den kosmischen Prüfstand. Wenn die ersten verwertbaren Messungen von "Planck" ausgewertet sind, werden wir hoffentlich mehr wissen.

Fazit

Wie auf den vorherigen Seiten gezeigt wurde, ist die Superstringtheorie ein heißer Kandidat für eine „Theory of Everything“, manche Physiker sehen in ihr sogar den ersten Schritt zur alles umfassenden Weltformel. Die Stringtheorie konnte einige der schwierigsten Probleme der Physik klären, warf dafür jedoch neue Fragen auf und stellt die Forscher bis heute vor zahlreiche Hindernisse. Im Folgenden werden die wichtigsten Fortschritte und Probleme der Stringtheorie zusammengefasst.

Erfolge der Stringtheorie:

• Verbindung zwischen allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik durch die räumliche Ausdehnung von Strings
• Mathematische und physikalische Beschreibung des Gravitons
• Erklärung der Vielfalt von Elementarteilchen durch die unendliche Anzahl möglicher Schwingungsmodi von Strings
• Erklärung der drei Teilchenfamilien durch die Anzahl n-dimensionaler „Löcher“ in der Calabi-Yau-Mannigfaltigkeit, zu der die sechs Extradimensionen kompaktifiziert sind
• Abdämpfung von störenden Quanteneffekten bei gewissen physikalischen Prozessen und Vereinheitlichung der nichtgravitativen Kräfte durch Einbeziehen der Supersymmetrie
• Vermeidung einer Singularität zu Beginn des Universums durch T-Dualität
• Möglichkeit von Rissen in der Raumzeit aufgrund der Abschirmung durch die Weltröhre eines Strings, was bisher exotische Phänomene, wie z.B. Wurmlöcher und Zeitreisen, auf eine mathematische und physikalische Grundlage bringt
• Lösung des Hierarchie-Problems durch Extradimensionen mit Radien von möglicherweise nur Bruchteilen eines Millimeters
• Erklärung der Ausdehnung von drei Raumdimensionen durch gewundene Strings
• Erklärung von dunkler Materie durch Bulk-Szenario und dunkler Energie
• Erklärung des Urknalls, der Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung und der Dichtefluktuationen des frühen Universums, die zur Entstehung von Sternen und Galaxien führten
• Besseres Verständnis schwarzer Löcher (z.B. Entropie schwarzer Löcher)

Bisher ungelöste Probleme der Stringtheorie:

• Der Grundzustand der Strings ist bis heute nicht bekannt (Vakuumproblem bzw. Landscape-Problem) [87].
• Die Gleichungen der Stringtheorie sind nur perturbativ, d.h. nur mit Hilfe von Störungsrechnung lösbar.
• Die Werte der einzelnen String-Kopplungskonstanten sind nicht genau bekannt.
• Die exakte Form der Calabi-Yau-Mannigfaltigkeit, zu der die sechs Zusatzdimensionen aufgewickelt sind, ist nicht bekannt.
• Bisher gibt es noch keinen experimentellen Beweis für die Richtigkeit der Stringtheorie.

Offene Fragen:

• Wie und wann entstanden Raum und Zeit?
• Was ist die Raumzeit?
• Warum benötigt die Stringtheorie ausgerechnet zehn Dimensionen, um konsistent zu sein?
• Könnte es noch weitere kompaktifizierte Zeitdimensionen geben?
• Warum besitzen die bekannten Elementarteilchen die beobachteten Eigenschaften?
• Was geschieht genau bei der Kollision zweier Branen (vgl. ekpyrotisches Modell)?
• Wann, wie und wieso begann der erste Zyklus im zyklischen Modell?
• Was geschieht im Inneren eines schwarzen Lochs?

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