Stringtheorie: Was die Welt im Innersten zusammenhält

Die Stringtheorie vereint die vier Elementarkräfte des Universums und besagt: Strings (Saiten, Fäden), nicht Teilchen, liegen unserer Welt zu Grunde.

Elektromagnetismus, starke und schwache Wechselwirkung sowie die Gravitation – diese vier Kräfte beherrschen das Universum. Die eine, die Gravitation, wirkt zwischen Planeten und Galaxien. Die anderen drei Elementarkräfte entfalten sich im atomaren und subatomaren Bereich. Eine Theorie der Quantengravitation, so die Vision der Physiker, würde alle vier Elementarkräfte aus einem Guss erklären. Der hoffnungsreichste Ansatz einer solchen Theorie der Quantengravitation ist die Stringtheorie. Sie führt die Elementarteilchenphysik um einen ausschlaggebenden Schritt weiter. Denn sie geht nicht von punktförmigen Teilchen, sondern von eindimensionalen Fäden – Strings (engl.) – als Grundbausteine des Universums aus.

Eigenschaften und Arten von Strings

Strings sind lediglich 10 hoch -33 cm lang, entsprechen damit der Plancklänge und bilden Schleifen, die um den Faktor 10 hoch 20 kleiner sind als ein Atomkern; die Größe eines Strings verhält sich zur Größe eines Atoms wie diese zur Größe des Sonnensystems. Strings zu beobachten ist deshalb schwierig. Und dies ist mitunter ein Grund, weshalb die Stringtheorie noch nicht experimentell überprüft wurde. Dennoch unterscheiden die Forscher zwei Arten von Strings: In geschlossener Form besitzen sie weder Anfangs- noch Endpunkt, bilden also eine Schleife. Offene Strings haben zwei Enden und gleichen einer kurzen Linie. Jede Stringtheorie – es gibt mehrere davon – muss mit geschlossenen, nicht aber zwingend mit offenen Strings arbeiten. Denn, wenn mehrere offene Strings miteinander wechselwirken, entstehen geschlossene Strings. Außerdem haben Strings eine Orientierung, die einem stringinternen Pfeil gleicht. Dessen Richtung zeigt an, in welche Richtung die Felder der Elementarkräfte wirken.

Je nach Schwingung der Strings entstehen unterschiedliche Teilchen

Ihren Namen haben Strings jedoch von ihrer Eigenschaft, in unterschiedlichen Modi zu schwingen. Dies analog einer Gitarrensaite: Je nachdem, wie der Gitarrenspieler die Saite anzupft und welchen Akkord er greift, erklingen unterschiedliche Töne. Genauso erzeugen unterschiedliche Schwingungsmodi der Strings verschiedene Elementarteilchen. Ob Gluonen, Gravitonen, Photonen oder auch z.B. Tachyonen, Quarks und Bosonen – allein der Schwingungsmodus eines Strings entscheidet darüber, welches Teilchen vorliegt. Und darin liegt wohl auch die Eleganz der Stringtheorie. Mehr noch: Strings schwingen zwar in einer Dimension. Dies aber nicht so, wie der übliche Wortsinn es nahe legt. Viel eher vibrieren sie in 10, 11 oder 26 Dimensionen, die aber zu einer Dimension aufgewickelt und darum verborgen sind – die Forscher sprechen von Kompaktifizierung. Diese kann man sich anhand einer Schlauchleitung, z.B. eines Gartenschlauchs, veranschaulichen: Aus größerer Entfernung sieht die Leitung wie eine hauchdünne Linie aus – eindimensional eben. Nähert man sich dem Schlauch, erkennt man, dass die Linie einige Zentimeter dick und somit zweidimensional ist; schließlich bemerkt man auch die dritte Dimension an der runden Form des Schlauchs. Nach diesem Prinzip lassen sich – zumindest mathematisch – beliebig viele Dimensionen zu einer Dimension einrollen. Und genau dies vermuten die Physiker, sei bei den eindimensionalen Strings der Fall. Eine Überlegung, die Mitte der 1990er-Jahre die M-Theorie ins Spiel brachte.

Von der Stringtheorie zur M-Theorie

Könnte es nicht sein, dass Strings eingerollte Folien – Membranen – sind? Ja, antworteten die Vertreter der sogenannten M-Theorie – M steht dabei für Membran, was so viel wie Haut oder Folie heißt. Diese Membranen fungiert als Träger der überzähligen Dimensionen. Sie wickelt sich auf und bildet so einen eindimensionalen String. Damit liefert die M-Theorie einen Rahmen der sämtliche Stringtheorien in sich vereint. Während die Forscher einst von mehreren Stringtheorien ausgingen, erkennen sie nun: Alle Varianten verdichten sich zu einem gemeinsamen Fluchtpunkt, zur die M-Theorie, hin. Sie könnte der Schlüssel zu einer Art „Weltformel“ sein. Doch: offen bleibt bis heute, ob es den Forschern gelingt, ihre Modelle experimentell zu überprüfen. Oder bleibt uns die Welt der Strings und Membranen für immer verschlossen?

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