Der Weg zur Stringtheorie

Die Stringtheorie gilt gegenwärtig als einziger Kandidat für eine Weltformel, die alle vier Kräfte als Erscheinungsformen ein und derselben Urkraft darstellen würde.

Die schwache Wechselwirkung ist eine sehr schwache Kraft, die für den radioaktiven Zerfall verantwortlich ist.

Die starke Wechselwirkung wirkt nur auf kurze Distanzen und hält die Atomkerne zusammen.

Der Elektromagnetismus beschreibt die Kraft, die zwischen elektrisch geladenen Teilchen wirkt.

Die Gravitation ist eine anziehende Kraft, die zwischen allen Körpern und Teilchen wirkt, die Masse tragen.

Geschichtliches in Kürze:

Es ist der Glaube an die Existenz einer Weltformel, der die theoretische Physik beseelt.

Genährt wird er durch die spektakulären Erfolge in der Vergangenheit. War es nicht dem Briten Isaac Newton schon vor 300 Jahren gelungen, alles Wissen über die Planetenbahnen in eine einzige Formel zu bannen, die zugleich auch den Flug der Kanonenkugel korrekt vorhersagte? Nach Newton wirkt die Gravitationskraft selbst über kosmische Entfernungen hin unendlich schnell. Hatte nicht sein Landsmann James Clerk Maxwell 200 Jahre später sämtliche elektrischen und magnetischen Phänomene in einem einfachen Regelwerk von Formeln vereint, das zudem noch das Wesen des Lichts enträtselte?

Mehr als jeder andere wies Albert Einstein den Weg in die abstrakte Welt. In der allgemeinen Relativitätstheorie, der Theorie der Schwerkraft, verschweißt Raum, Zeit und Materie untrennbar zu einem Ganzen und bewies, dass auch die Gravitation sich mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet.

Die Physiker preisen die Relativitätstheorie bis heute als schönstes aller wissenschaftlichen Gedankengebäude. Doch die Schönheit hatte ihren Preis: Einstein sprengte die Grenzen menschlicher Vorstellungskraft. Einzig dank eleganter mathematischer Formeln gelingt es, einen in sich gekrümmten Raum zu begreifen. Sinnlich vorstellen können sich das selbst Physiker nicht.

Im Mikrokosmos leuchten Teilchenbeschleuniger das Innere der Protonen und Neutronen aus. Angesichts der Dimensionen kapituliert der allein auf seine Anschauung angewiesene Geist. Erst die Mathematik macht es möglich, die Geheimnisse des Mikrokosmos zu lüften.

Heisenberg stellte die Frage: Wissen wir überhaupt, ob die Elektronen den Atomkern nur auf ganz bestimmten Bahnen umschwirren? Er beschloss, Gleichungen zu formulieren, in die er nichts einfließen ließ, was er nicht mit Sicherheit wusste. Bald stellte er fest, dass der Begriff Bahn seinen Sinn verlor. Die Gegenwart der Elektronen ist gleichsam über den Raum verschmiert.

Anfang der 70er Jahre ist es gelungen, nachdem viele neue Teilchen wie Myonen, Kaonen und Omegateilchen usw. durch Teilchenbeschleuniger entdeckt worden waren, der Vielfalt der mikroskopischen Phänomenen ein Regelwerk von Naturgesetzen über zu stülpen, das unter dem Namen „Standardmodell der Materie“ bekannt ist. Nach dieser Theorie gibt es nicht mehr als 3 Sorten von Teilchen:

Die Verwandten der Elektronen, der Quarks und der Photonen.
Diese wiederum wechselwirken durch die oben genannten 4 Kräfte.

Sämtliche Phänomene werden durch das Standardmodell beschrieben, das willkürliche Größen enthält, die einfach nur deshalb ihren Wert haben, weil ihn die Natur eben so gewählt zu haben scheint. Die Massen der Quarks und der Elektronen, ihre elektrische Ladung, aber auch die Stärke der 4 Kräfte werden durch diese Theorie nicht vorhergesagt. Sie fließen vielmehr in Gestalt naturgegebener Konstanten in sie ein.

Außerdem scheinen die beiden Pfeiler der Physik – die Quantenmechanik und die Einsteinsche Gravitationstheorie – nicht miteinander vereinbar zu sein. Denn wenn die Physiker versuchen, die Schwerkraft der Quantenmechanik zu unterwerfen, ergeben die Formeln Absurditäten und sinnlose unendliche Größen.

Normalerweise macht sich der Widerspruch beider Theorien nicht bemerkbar. Nur im Urknall berühren sich kurzfristig Mikro- und Makrokosmos.

Michael Grenn und John Schwarz kamen zu der Überzeugung, dass die Gleichungen deshalb kollabieren, weil darin Teilchen als unendliche Punkte betrachtet werden. Was, wenn die Teilchen eine Ausdehnung hätten? Wenn sie nicht Punkte, sondern Fäden mit einer endlichen Länge wären?

Die Gedankenpioniere machten sich daran, eine Quantentheorie winziger vibrierender Fäden zu schmieden. Die größte Hürde war, dass sich die Strings weigerten, im dreidimensionalen Raum zu vibrieren. Schwarz und Green waren deshalb gezwungen, mit Gleichungen zu rechnen, in denen Raum und Zeit  noch 6 Raumrichtungen hinzugefügt sind – so entstand eine 10-dimensionale Raumzeit.

Die Superstrings zeigten ein außerordentlich reichhaltiges Schwingungsspektrum. Als die Physiker dieses genauer untersuchten, da stellten sie fest, dass die verschiedenen Vibrationsmoden aussehen wie Teilchen, die auf verblüffende Weise den Quarks, Neutrinos oder Elektronen gleichen.

Ed Witten führte die verschiedenen Stringtheorien durch das Hinzufügen der 11. Raumdimension zu einer einzigen Theorie zusammen, die sog. M-Theorie, ohne diese aber ausformulieren zu können.

Zusammenfassung aus dem Artikel von Johann Grolle 30. Auflage des Spiegels Jahr 1999.

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