Relativität und Quanten / Einsteiger-Tour Teil 5: Superfäden und universelle Harmonie

Derjenige Ansatz für eine Theorie der Quantengravitation, an dem derzeit am intensivsten geforscht wird, ist die sogenannte Stringtheorie. Sie ist eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Modelle der Elementarteilchenphysik, allerdings mit einem entscheidenden Unterschied: Ihre Grundbestandteile sind nicht Punktteilchen, sondern eindimensionale Objekte, die namensgebenden Fäden, englisch strings.

Im Gegensatz zu Punktteilchen können Strings in sich schwingen, wie in der folgenden Animation skizziert:

Stringschwingung

Kerngedanke der Stringtheorie ist, dass die Vielfalt der möglichen Schwingungszustände Hintergrund der Vielfalt der Materie- und Kraftteilchen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik erklärt. Vereinfacht ausgedrückt: Es gibt nur eine Sorte String, aber je nachdem, wie dieser winzige String in sich schwingt, hat er die Eigenschaften eines Elektrons, eines Photons, einer bestimmten Sorte Quark oder eines der anderen Elementarteilchens. Ein Schwingungszustand der Stringtheorie, so lässt sich allgemein zeigen, entspricht automatisch den Eigenschaften eines Gravitons, eines Trägerteilchens der Gravitation – aber ohne, dass daraus dieselben Schwierigkeiten erwüchsen wie bei den Versuchen, die Schwerkraft in die herkömmlichen Quanten-Krafttheorien einzubauen. Damit ist die Stringtheorie zum einen natürlicher Kandidat für eine Quantentheorie der Gravitation, zum anderen aber noch weit mehr: Sie verspricht eine vereinheitlichte Beschreibung aller Kräfte und aller Materieteilchen – die ganze Welt als Produkt der Harmonie der Stringschwingungen!

Eine konsistente Formulierung der Stringtheorie bringt allerdings auch einige Merkwürdigkeiten mit sich. So ist dafür zwingend die Existenz von sechs, in einigen Modellen sogar sieben weiterer Raumdimensionen nötig als jener drei, die wir aus dem Alltag kennen. Dafür, dass wir die Extradimensionen nicht wahrnehmen, gibt es mehrere Erklärungen: Entweder, sie sind in komplizierter Weise zusammengerollt, oder aber wir leben auf einer „Bran“, einem dreidimensionalen Raum, der in die höherdimensionalen Räume eingebettet ist wie die zweidimensionale Fläche einer Tischdecke in den dreidimensionalen Alltagsraum. Mehr zur merkwürdigen Welt der Extradimensionen findet sich im Abschnitt Relativität und Quanten der Vertiefungsthemen.