Was sind Strings?
Die Rede ist natürlich nicht von physischen Schnüren. Vielmehr handelt es sich um winzige Schleifen oder Fragmente von vibrierender Energie. Der mathematische Zusammenhang – nicht die Form von Plastikstücken – wird hier ins Auge gefasst. Seit Jahrzehnten verfolgen zahlreiche Physiker die Hoffnung, dass Gleichungen, die ein besonders winziges "String" beinhalten, das Puzzlespiel der subatomaren Rätsel lösen könnten.
Ein Auf und Ab der Stringtheorie
Stringtheorie hat sich einen Platz in der populären Kultur erobert, sie taucht in TV-Shows wie "The Big Bang Theory" und "NCIS" auf. Unter den Physikern ist die Reaktion auf die Theorie jedoch gemischt. Nach einigen vielversprechenden Entdeckungen in den 1980er und 1990er Jahren trat die Stringtheorie etwas in den Hintergrund. Der Hauptkritikpunkt? Die Theorie konnte viele ihrer Versprechen nicht einlösen. Hierunter fiel etwa die korrekte Einbeziehung der Gravitation in die Quantenmechanik oder die mathematische Darstellung der fundamental unterschiedlichen Kräfte der Natur als verschiedene Ausprägungen einer einheitlichen Kraft.
Die Weiterentwicklung der Theorie
Trotz der Abkehr von der wissenschaftlichen Hauptbühne haben viele Anhänger der Stringtheorie unermüdlich an der Behebung dieser Schwächen gearbeitet. Zwar bleibt der Erfolg zeitweise ein unerreichbares Ziel, jedoch wurden bedeutende Fortschritte erzielt. Physiker wie Fernando Marchesano, Gary Shiu und Timo Weigand schreiben in der "2024 Annual Review of Nuclear and Particle Science", dass viele der ungelösten Fragen der Teilchenphysik und Kosmologie tief miteinander verknüpft sind – Stringtheorie könnte der Schlüssel zur Lösung dieser Probleme sein.
Das Standardmodell der Teilchenphysik und seine Lücken
Ein zentraler Ansatz besteht darin, herauszufinden, ob die Stringtheorie das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik erklären kann. Dieses Modell, das im letzten Drittel des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde, beschreibt die grundlegenden Teilchen der Natur. Es listet Teilchen auf, die als Baustellen der Materie dienen, und solche, die Kräfte zwischen diesen Teilchen übertragen.
Ein einfacher Diagramm zeigt diese Teilchen in einer Tabelle. Es gibt 12 Stellen für Materieteilchen: sechs Quarks und sechs Leptonen. Die Kräfeteilchen – auch Bosonen genannt – und das Higgs-Boson sind ebenfalls in der Mathematik des Modells verankert. Letzteres ist entscheidend für das Verständnis, warum bestimmte Teilchen Masse haben.
Das mathematische Dilemma
Die Mathematik, die diesen Diagrammen zugrunde liegt, ist komplex und anspruchsvoll. Die Gleichungen bilden die Grundlage für die Erklärung nahezu aller beobachteten Phänomene in der Teilchenphysik. Das Problem? Das Standardmodell ist unvollständig. Nach Ansicht von Marchesano und seinen Mitstreitern gibt es zwingende Argumente dafür.
Denn die Gleichungen des Modells schließen die Gravitation nicht ein. Zudem bleiben viele Fragen offen – zum Beispiel, warum bestimmte Teilchen die Massen haben, die sie besitzen. Dunkle Materie und die Energie des leeren Raumes, die für die beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich ist, sind ebenfalls nicht Bestandteil des Modells.
Stringtheorie als Lösung?
Einige Physiker glauben, dass die Stringtheorie helfen könnte. Eine stringbasierte Interpretation des Standardmodells könnte zusätzliche mathematische Strukturen enthalten, die diese Mängel adressieren. Das liegt daran, dass die Strings in einer Dimension leben, die über die gewohnten drei hinausgeht. Diese zusätzlichen Dimensionen sind so klein, dass sie nicht wahrnehmbar sind – sie „kompaktifizieren“ sich auf submikroskopische Größen.
Das Bild einer Ameise, die auf einem großen Blatt Papier lebt, illustriert dies gut: Sie sieht die zweidimensionale Oberfläche, aber die dritte Dimension bleibt unentdeckt.
Die Konfigurierung der Dimensionen und das Universum
Die zusätzlichen Dimensionen in der Stringtheorie können in unzähligen unterschiedlichen geometrischen Formen auftreten. Vielleicht existiert eine spezifische Konfiguration, die die Eigenschaften des Standardmodells erklärt. Solche geometrischen Eigenschaften könnten wichtige Lösungen für die unbeantworteten Fragen des Standardmodells darstellen.
Denn das, was die Physiker herausfinden müssen, ist eine der vielen möglichen geometrischen Anordnungen, um alle Merkmale des Standardmodells zu kombinieren. Dies ist eine herausfordernde Aufgabe, da viele verschiedene Eigenschaften normalerweise auf unterschiedliche kompaktifizierte Geometrien angewiesen sind.
Supersymmetrie und die Entstehung neuer Teilchen
Ein erfolgreicher Kompaktifizierungsansatz könnte auch erklären, wie viel „Dunkle Energie“ im Vakuum benötigt wird, um die beschleunigte Expansion des Universums zu unterstützen. Darüber hinaus sollte die Dunkle Materie in der Stringtheorie auftauchen. Interessanterweise entstehen aus stringtheoretischen Gleichungen unter Verwendung der sogenannten Supersymmetrie eine Reihe zusätzlicher Teilchen.
Die Versionen der Stringtheorie, die supersymmetrische Teilchen beinhalten, werden als „Superstringtheorie“ bezeichnet. Ein solches Teilchen könnte ein Bestandteil der Dunklen Materie im Universum sein. Versuche, diese Teilchen zu entdecken oder sie in Teilchenbeschleunigern zu erzeugen, blieben bislang jedoch erfolglos.
Gravitation in der Stringtheorie
Optimistischer sieht es in Bezug auf die Gravitation aus. Teilchen, die die Gravitation vermitteln, erscheinen natürlich in der Mathematik der Stringtheorie. Dies ist ein entscheidender Aspekt ihrer Attraktivität. Die Vielzahl der Formulierungen, die sie enthält, führt jedoch zu einer Herausforderung: Welches Modell beschreibt die Realität richtig?
Existentielle Tests der Stringtheorie
Falls die Stringtheorie korrekt ist, wären die fundamentalen Teilchen der Natur unverwechselbar. Sie wären keine nulldimensionale Punktobjekte, stattdessen würde sich das Erscheinungsbild verschiedener Teilchen aus unterschiedlichen Schwingungsmodi einer eindimensionalen Schnur ergeben. Diese Schnüre sind Äonen kleiner als ein Atom. Eine Entdeckung dieser winzigen Strukturen erweist sich als extrem schwierig – die dazu benötigte Energie übersteigt die derzeit erreichbaren Möglichkeiten.
Fazit – Ein Hoffnungsträger für die Teilchenphysik
Trotz der Herausforderungen, denen sich die Stringtheorie gegenübersieht, bleibt sie eine vielversprechende Kandidatin. Wenn sie sich als korrekt herausstellt, könnten die Wissenschaftler endlich die Geheimnisse entschlüsseln, die die Quantenphysik und ihre Beziehung zur Gravitation aufdecken. Nicht nur hätte die Stringtheorie das Potenzial, die Elemente der Natur und deren Kräfte miteinander zu verbinden – sie könnte uns auch helfen, das tiefere Verständnis des Universums zu erlangen. Denn Stringtheorie „hat alle Zutaten, die uns helfen, diese tiefgreifende Verbindung zu verstehen“, schreiben Marchesano und seine Kollegen.
Quelle: DOI: 10.1146/knowable-112124-2