Interessantes zu Theoretischer Physik

Lisa Randall, Stringtheorie, Weltenspezifische Physik, Kräfte, Elementarteilchen

Lisa Randalls Meinung zur Stringtheorie

Irgendwie scheinen fast alle theoretischen Physiker deutliche Befürworter oder deutliche Gegner der Stringtheorie zu sein.

Lisa Randall gehört weder der einen noch der anderen Gruppe an. Genau deswegen soll ihre Meinung hier kurz wiedergegeben werden (so wie sie sich 2011 auf den Seiten 371-376 ihres Buches Die Vermessung des Universums noch ausführlicher dargestellt findet):

Die Motivation für die Stringtheorie als Theorie der Gravitation ergab sich nicht aus Daten (sprich: Ergebnissen experimenteller Physik), sondern aus theoretischen Rätseln.

Die Stringtheorie liefert einen natürlichen Kandidaten für das Graviton, für das Teilchen also, von dem die Quantenmechanik uns sagt, dass es existieren und die Schwerkraft vermitteln sollte. Nicht zuletzt des­wegen gilt sie heute als der führende Kandidat für eine völlig widerspruchsfreie Theorie der Quanten­gravitation — einer Theorie, die sich definiert über das Ziel, Zusammenführung von Quantenmechanik und Allgemeiner Relativitätstheorie zu sein.

Bekannte Theorien machen zuverlässige Aussagen nur für die Skala der bislang in Teilchenbeschleunigern produzierbaren Elementarteilchen. Dort aber kann man, da die Gravitationskraft einen so schwachen Ein­fluss auf solche Teilchen hat, rein nur Quantenmechanik anwenden (die Gravitationskraft also ignorieren). Umgekehrt kann man beim Herleiten von Voraussagen über Phänomene, die sich auf große Entfernungen und vor allem große Objekte beziehen, die Quantenmechanik ignorieren.


Was uns fehlt, ist eine Theorie,

die für alle möglichen Energien und Entfernungen gleichermaßen funktioniert.


Heute nämlich wissen wir nicht, wie wir Berechnungen bei extrem hohen Energien und gleichzeitig äußerst kurzen Abständen anstellen sollen: bei solchen, die von der Größenordnung her in etwa Planckenergie und Plancklänge sind.

Extrem hohe Energien zu betrachten bedeutet extrem schwere Elementarteilchen zu suchen. Das aber bedeutet, in einem Bereich zu forschen, in den uns auch größte, gerade noch vorstellbare Teilchen­beschleuniger NICHT mehr führen können.

Die Stringtheorie modelliert Elementarteilchen als schwingende Strings (oder Branen): Verschiedene Teilchen entsprechen verschiedenen Oszillationen — sie entstehen ganz so, wie verschiedene Noten aus einer vibrierenden Geigensaite entstehen.

Experimentelle Belege für die Gültigkeit der Stringtheorie könnten in erster Linie aus der Entdeckung von Teilchen entstehen, die unterschiedliche Vibrationsmodi der Branen uns nahelegen (ohne dass man ihre Existenz irgendwie anders vorausgeahnt hätte). Gegenwärtig wissen wir nicht, was geschehen wird, wenn man die Energie heutiger Teilchenbeschleuniger auch nur um den Faktor 10 steigert.

Leider aber sind die weitaus meisten dieser Teilchen viel zu schwer (zu reich an Energie) um jemals in einem Teilchenbeschleuniger produzierbar zu sein. Ihre Energie könnte etwa 10 Millionen Milliarden mal größer sein als mit gegenwärtigen Instrumenten zu untersuchen.

Aber selbst was bei experimentell demnächst zugänglichen Energien geschieht können Stringtheoretiker bislang vorhersagen. Das liegt daran, dass Inhalt und Eigenschaften von ihr postulierter Teilchen auch von der bisher noch unbestimmten Konfiguration der Grundelemente der Stringtheorie abhängen. In ihrer gegenwärtigen, noch allzu weng spezifischen Version sind auf jeden Fall weit mehr Teilchen, Kräfte und Dimensionen der Raumzeit möglich, als wir derzeit experimentell entdeckt haben.

So müssten, der Stringtheorie entsprechend, z.B. 6 bis 7 weitere Dimensionen existieren. Die Vermutung, dass unsere Welt entlang einer solch zusätzlichen Dimension extrem kleinen Durchmesser hat, ist keines­wegs zwingend. Lisa Randall selbst hat ein string-theoretisch beschreibbares Modell des Universums konstruiert, in dem sich unser 4-dimensionale Raumzeit wiederfindet wie ein Duschvorhang in einem Bade­zimmer: Alle unserer Experimentalphysik bekannten Teilchen entsprächen dort Wassertropfen, die auf dem Vorhang zu finden sind, ihn aber nicht verlassen können. Mindestens eine der versteckten Dimensionen wäre — diesem Modell entsprechend — unglaublich groß oder gar unendlich weit ausgedehnt. Sie ent­langzulaufen könnte uns zu weiteren "Duschvorhängen" führen, die Welten entsprechen, die zu unserer Welt parallel existieren: zu Welten, in denen Teilchen und Kräfte andere Charakteristika haben könnten als just in unserer (welten­spezifische Charakteristika).

Ein Hauptproblem heutiger Stringtheorie ist, dass sie noch viel zu wenig verstanden ist, um Vorhersagen im Bereich der Energien abzuleiten, die uns bislang schon zugänglich sind. Die Herausforderung ist nicht nur rein mathematischer Art, sondern es ist noch nicht mal klar, wie man die Elemente der Stringtheorie organisieren und kombinieren soll, und welche mathematischen Probleme denn nun genau gelöst werden müssen.

Wir wissen jetzt, dass die Stringtheorie noch weitaus komplexer ist, als man ursprünglich dachte. Zwischen Vorhersagen zu unterscheiden, die sie über einen uns zugänglichen Bereich des Universums machen kann, und anderen, die für irgend einen anderen Teil des Kosmos (und nur für ihn) richtig sein könnten, ist bislang noch gar nicht möglich.

Wir müssten schon sehr großes Glück haben, wenn wir all die richtigen physikalischen Prinzipien finden sollten, anhand derer die string-theoretischen Vorhersagen dann tatsächlich zu unserer Welt passen.

Aber schon wenn wir entdecken würden, wie und warum die Natur die eine oder andere von der String­theorie vorhergesagten zusätzlichen Dimensionen verbirgt, wäre das eine ganz gewaltige Leistung und ein ganz gewaltiger Fortschritt der Physik. Man arbeitet daran ...


Siehe auch:

Wissenswertes zu "Elementarteilchen, Kräfte, Weltenspezifische Physik, Stringtheorie, Lisa Randall" zusammengestellt durch Gebhard Greiter.
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