String-Theorie

Das wahre Elementarteilchen

Infografik

Heute sieht das Bild der Materie so aus: Alles besteht aus Quarks und Leptonen, zwischen denen Teilchen hin und her flitzen und Kräfte vermitteln (zum Beispiel Photonen die elektromagnetische Wechselwirkung). Aber ist das schon das Ende? Wohl kaum – dafür gibt es einfach noch zu viele verschiedene Teilchen. Ziel vieler Forscher ist es darum, alle Bestandteile der Materie mit Hilfe eines einzigen Bausteins zu erklären – das wäre dann das wahre „Elementarteilchen“. Außerdem wollen sie die vier bekannten Kräfte (elektromagnetische, schwache, starke und Gravitationskraft) auf nur eine Wechselwirkung zurückführen. Auch sie würde dann von einem einzigen Kraftteilchen übertragen – einfacher geht es wirklich nicht! Und weil alle Energie in den Teilchen und ihren Wechselwirkungen steckt, ist die Suche nach dem „Ur-Teilchen“ zugleich auch die Suche nach dem Ursprung der Energie.

 

Saite für alles

Infografik

In der Stringtheorie sind winzige Fäden, die Strings, die elementaren Bestandteile. Im Gegensatz zu den „Elementarteilchen“, die man heute kennt, sind sie keine Punkte ohne jede Ausdehnung, sondern eindimensionale Gebilde. Strings sind dabei selbst für Teilchenphysiker winzig: Sie sind ungefähr 10-35 Meter lang („Planck-Länge“) – das entspricht etwa einem Hundertstel Milliardstel Milliardstel des Durchmessers des Wasserstoff-Atoms. Strings schwingen wie winzige Saiten (daher ihr Name), und mit der Schwingungsfrequenz wächst ihre Energie. So können Strings ein Elektron, ein Photon oder eines der anderen bekannten Teilchen formen. Die Forscher hoffen, dass die Stringtheorie die allgemeine Relativitätstheorie (sie beschreibt die Gravitation) und die Quantenmechanik (sie beschreibt die kleinsten Teilchen) mathematisch vereinigen könnte.

Probleme

Lareg Hadron Collider

LHC (Large Hadron Collider) in Genf

Die Stringtheorie hat aber auch einige gravierende Nachteile: Sie ist mathematisch extrem komplex – so „leben“ die Strings in einem Raum mit sechs oder sieben zusätzlichen Dimensionen. Diese können wir neben den drei uns bekannten Dimensionen nicht erfahren, weil sie extrem „eng“ um die Strings „aufgerollt“ sind. Wenn man sich entlang einer dieser Zusatzdimensionen bewegen würde, käme man in manchen Modellen schon nach etwa einer Planck-Länge wieder an seinem Startpunkt an! Außerdem können die Konsequenzen der Stringtheorie nur schwer in Experimenten überprüft werden. Selbst der riesige neue Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) in Genf ist dafür viel zu klein. Bei heutiger Technologie müsste ein Beschleuniger etwa so groß wie die Milchstraße sein, um in die unvorstellbar kleine Planck-Skala vorzustoßen. Manche Kritiker werfen den Theoretikern daher vor, die Stringtheorie sei experimentell nicht zu überprüfen und damit nicht wissenschaftlich.

 

Schleifenquantengravitation

Querschnitt ITER

 

Eine der Alternativen zur Stringtheorie ist die Schleifenquantengravitation (auch Loop-Quantengravitation genannt). Sie könnte ebenfalls die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik vereinigen. In ihr verliert die Welt ihren kontinuierlichen Charakter – Raum und Zeit bestehen aus den kleinsten Einheiten Planck-Länge und Planck-Zeit (10-43 Sekunden). Die Raum-Zeit ist auch keine statische „Bühne“ mehr für physikalische Prozesse, sondern selbst ein dynamisches Objekt. In dieser Hinsicht passt die Schleifenquantengravitation sehr gut zur Allgemeinen Relativitätstheorie: Diese beschreibt Raum und Zeit ebenfalls als vierdimensionales, dynamisches „Gummituch“, in dem Körper mit Masse „Dellen“ verursachen. Ihre Eigenschaften werden von einem Netz aus Knoten und Linien beschrieben („Spin-Netzwerk“), wobei das kleinste denkbare Volumen jeweils einen Knoten enthält. Die Elementarteilchen könnten bestimmten Zuständen der Spin-Netzwerke entsprechen.