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Ein "fadenscheiniges" Universum? Die unsichtbaren Dimensionen der Stringtheorie

Laut der Stringtheorie sind Teilchen Fäden, und unsere Welt besteht aus mehr als nur drei Dimensionen.
Laut der Stringtheorie sind Teilchen Fäden, und unsere Welt besteht aus mehr als nur drei Dimensionen.
Foto: iStock/mik38
Besteht unserer Welt aus Teilchen oder Strings? Die Stringtheorie versucht, die Struktur der Materie und die Wechselwirkungen des Universums zu erfassen – allerdings setzt sie nebenbei vertraute Vorstellungen von Raum und Zeit außer Kraft.

Als Stringtheorie wird eine Sammlung eng verwandter hypothetischer physikalischer Modelle bezeichnet, die versuchen, als eine alle Naturkräfte vereinheitlichende Theorie zu agieren. Anstatt in den fundamentalen Teilchen des Standardmodells der Quantenfeldtheorie Punktteilchen zu sehen, beschreiben die Stringtheoretiker diese stattdessen als eindimensionale "Fäden", also als Strings. Damit dieses mathematische Konstrukt überhaupt Sinn macht, muss das Universum demnach allerdings aus weitaus mehr als nur drei Dimensionen bestehen. Hast du bereits jetzt den "Faden" verloren? Wir versuchen, ein bisschen Licht ins Dunkle zu bringen.

Stringtheorie: Besteht das Universum aus eindimensionalen Fäden?

Bereits seit Anfang der 1970er Jahre entwickeln und verfeinern Wissenschaftler die Idee eines Universums, das aus eindimensionalen Strings, also Fäden oder Saiten, besteht. Das Modell der Stringtheorie liegt inzwischen in zahlreichen Varianten vor und versucht, alle bekannten Naturkräfte in sich zu vereinen, sprich das Standardmodell der Elementarteilchenphysik sowie die Gravitation.

Zwar gelten die Quantenmechanik sowie die Allgemeine Relativitätstheorie als zwei Eckpfeiler der Physik, doch obgleich beide Theorien bereits seit etwa 100 Jahren bekannt sind, bleiben sie letztlich unvereinbar. Das Standardmodell bietet keine vollends befriedigende Beschreibung der Grundlagen unserer Welt, da dieses Modell die Gravitation auslässt. Nach der Theorie der Quantengravitation wird beispielsweise noch immer gesucht.

Faszination Universum und die Geheimnisse, die es für uns bereit hält
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Elementare Bausteine der Materie werden neu betrachtet

Stringtheoretiker versuchen, ebendiese Lücke zu schließen. Das Modell der Stringtheorie geht davon aus, dass Materie letztlich aus winzigen, schwingenden, eindimensionalen Strings aufgebaut ist, die sich durch eine zehndimensionale Raum-Zeit bewegen und dort supersymmetrisch sein müssen. Das Universum muss sich laut der der Theorie folglich auch in zehn Raumzeit-Dimensionen ausdehnen – in unserer gewohnten Vorstellung hat der Raum allerdings vier Dimensionen.

Eine Welt aus Strings wäre von unserem vierdimensionalen Realität allerdings kaum zu unterscheiden, wenn man nicht allzu genau hinsieht. Denn: Die Theorie besagt weiterhin, dass einige dieser Dimensionen sich derart "aufrollen" lassen, sodass wir sie nicht direkt als tatsächlich existierende Raumrichtungen wahrnehmen, diese Räume können sich demnach geometrisch verzerren und krümmen.

Die Existenz unsichtbarer Dimension klingt nach einer gewagten Spekulation, und selbst Experten scheitern an der bloßen Vorstellung der Stringtheorie. In der Vergangenheit wurde den Stringtheoretikern außerdem vorgeworfen, vor lauter Mathematik die Wirklichkeit aus den Augen zu verlieren, da sich die Theorie der experimentellen Prüfung entziehe.

Doch die Theorie findet allmählich den Kontakt zur Wirklichkeit. So brachte sie fruchtbare neue Ideen für die Teilchenphysik und die Kosmologie. Weiterhin sind Theoretiker mittlerweile in der Lage, aus ihren Stringformeln beispielsweise Eigenschaften sogenannter Quantenflüssigkeiten abzuleiten, etwa von Supraleitern und extrem heißer Materie, wie sie in Teilchenbeschleunigern entsteht.

Eine vereinheitlichende Theorie wäre ein enormer Schritt für die Physik

Es bleibt unklar, ob die Stringtheorie und ihre Theoretiker eines Tages in der Lage sein werden, die Wechselwirkungen unseres Universums vollends zu erklären. Doch sicherlich wäre eine vereinheitlichte Theorie ein großer Schritt für die Physik. Bereits jetzt lässt sich mit dem Modell der Stringtheorie laut des Stringtheoretikers Brian Greene die Existenz von Paralleluniversen erklären. Ein weiterer Anhaltspunkt, der das Modell stützt, liegt in dem Aufkommen zahlreicher alternativer Gravitationstheorien, die unsere derzeitigen Vorstellungen von Raum, Zeit und Schwerkraft ebenfalls anzweifeln.

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