Unsere Welt zu verstehen:



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Die wesentlichen Vorzüge der Stringtheorie
 
erklärt durch den Stringtheoretiker Michio Kaku

 
 
Die Stringtheorie hat den entscheidenden Vorteil, dass sie das Wesen der Materie — und auch das der Raumzeit — erklären kann:
 
Sie beantwortet eine ganze Reihe höchst verwirrender Fragen über Elementarteilchen, darunter auch die Frage, warum es so viele gibt.
 
Und tatsächlich: Je mehr wir die Welt der subatomaren Teilchen erforschen, desto mehr finden wir. Bislang sind mehrere hundert bekannt, und die Auflistung all ihrer Eigenschaften füllt Bände.
 
Die Stringtheorie kann ihre Existenz erklären, mehr noch: Sie sagt uns, dass es letztlich unendlich viele gibt, denn sie seien Schwingungsmoden des Strings (sog. Resonanzen):
 
Ein subatomares Teilchen erscheint uns nur deswegen als punktförmig, weil die Strings so extrem klein sind (nur etwa eine Plancklänge groß). Gäbe es aber ein Mikroskop, welches uns erlauben würde, so genau hinzusehen, würden wir das Teilchen als solche Schwingung erkennen. Kurz:
 
Jedes subatomare Teilchen entspricht einer Schwingung des Strings, deren Wellenlänge sie zu einer  R e s o n a n z  macht.
 
    Der Begriff der Resonanz ist uns aus dem alltäglichen Leben bekannt. Denken Sie z.B. an das Singen unter der Dusche: Mag unsere Stimme auch noch so unsicher und brüchig sein, in der Abgeschiedenheit unseres Duschraums kann sie klingen wie die eines Opernstars. Es werden nämlich die Schallwellen zwischen den Wänden der Dusche rasch hin und her geworfen, was dazu führt, dass Schwingungen, die leicht in die Abmessungen der Dusche passen, viele Male verstärkt werden und so hallenden Klang hervorrufen. Diese besonderen Schwingungen bezeichnet man als Resonanzen. Sie addieren sich, während alle anderen — deren Wellen falsche Länge haben — sich selbst (durch ihre Reflexionen) aufheben.
     
    Oder stellen Sie sich eine Violinsaite vor. Sie kann mit verschiedenen Frequenzen schwingen und dabei musikalische Töne A, B, C usw. hervorbringen. Überleben können nur die Modi, die an den Enpunkten der Saite verschwinden und mit ganzzahliger Häfigkeit zwischen den Endpunkten schwingen.
     
    Im Prinzip kann die Saite mit einer unendlichen Zahl verschiedener Frequenzen schwingen.
     
    Wir wissen also, dass die Töne, die wir hören, nicht fundamental sind. Der Ton A hat nicht grundsätzlicheren Charakter als der Ton B. Wenn wir verstehen, wie eine Saite schwingt, begreifen wir sofort die Eigenschaften unendlich vieler musikalischer Töne.

Und so ist auch  k e i n e s  der subatomaren Teilchen wirklich fundamental. Als fundamental (nicht weiter teilbar) erscheinen sie uns nur, da unsere Mikroskope nicht stark genug sind, uns ihre Struktur zu zeigen.
 
Tatsächlich sagt uns die Stringtherie, Materie sei nichts weiter als die von diesen schwingenden Strings geschaffenen Harmonien. Und ganz so, wie es eine unendlich viele harmonien gibt, die sich beispielsweise für die Geige komponieren lassen, gibt es auch unendlich viele Materieformen, die sich aus schwingenden Strings konstruieren lassen. Sie alle zu kennen, ist demnach unmöglich.
 
Insbesondere lassen sich die Gesetze der Physik gut vergleichen mit den Harmoniegesetzen, die sich allein aus den Schwingungsmöglichkeiten einer Violinsaite ergeben. So gesehen ist das gesamte Universum — als Menge schwingender Strings — mit einer Symphonie vergleichbar.
 
 
Aber nicht nur die Beschaffenheit subatomarer Teilchen, auch die Beschaffenheit der Raumzeit selbst kann die Stringtheorie erklären:
 
Wenn sich ein String durch die Raumzeit bewegt, tut er das in einer komplizierten Bewegungsfolge, die einer großen Zahl von Konsistenzbedingungen gehorchen muss. Sie sind so zwingend, dass sie die Raumzeit außerordentlich restriktiven Bedingungen unterwerfen. Und so kann der String sich nicht völlig beliebig — wie ein Punkt — durch den Raum bewegen:
 
    Er kann sich in kleiner Strings aufteilen oder mit anderen Strings zusammenstoßen und längere Strings bilden. Erstaunlicher Weise aber sind all diese Schleifendiagramme endlich und berechenbar. Dies macht die Stringtheorie zur ersten Quantentheorie der Gravitation in der Geschichte der Physik, die endliche Quantenkorrekturen besitzt.
     
    Keine der früher bekannten Theorien — weder Einsteins Gravitationstheorie, noch der Kaluza-Klein-Theorie, und auch nicht der 11-dimensionalen Supergravitationstheorie — kommt diese schöne Eigenschaft zu.

 
Als man die Einschränkungen, die der String der Raumzeit auferlegt, erstmals berechnete, stellt man voller Erstaunen fest, dass sich aus dem String Einsteins Gleichungen ergaben.
 
Das war äußerst bemerkenswert: Ohne eine einzige dieser Gleichungen vorauszusetzen, erlebte man, wie sie sich von selbst aus der Stringtheorie ergaben. Dies zeigt, dass sie nicht fundamental sein können.
 


Kaku schreibt zusammenfassend:
 
Auf diese Weise erhalten wir eine umfassende Theorie sowohl der Materie-Energie als auch der Raumzeit. Und die Einschränkungen sind konsistent und überaus streng:
 
Beispielsweise verbieten sie dem String, sich in 3 oder 4 Dimensionen zu bewegen. Einzig und allein 10 und 26 sind erlaubt. Zum Glück aber bietet die in diesen Dimensionen definierte Stringtheorie genügend Freiheitsgrade, um alle fundamentalen Kräfte zu vereinigen [ alle wirklich gegebenen Symmetrien zu erkennen ].
 
Und so scheint die Stringtheorie vielseitig genug, um alle fundamentalen Naturgesetze zu erklären. Von der einfachen Theorie eines schwingenden Strings ausgehend, kann man neben Einsteins Theorie auch die von Kaluza-Klein, die Supergravitation, das Standardmodell und sogar die GUT ableiten.
 
Man muss es wohl als Wunder bezeichnen, dass man alle Errungenschaften der Physik der letzten 2000 Jahre aus rein geometrischen Argumenten, den möglichen Bewegungen eines Strings, wiedergewinnen kann.
 


 
Quelle: Michio Kaku: Die Physik der unsichtbaren Dimensionen, Rohwohlt 2013, S. 244-248


 


aus Notizen zu:

Wissenswertes zur Stringtheorie


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