Auf der Suche nach den Dimensionen des Raums

String oder nicht String, das ist hier die Frage

Die String-Theorie verbindet die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik. Allerdings müsste es dann nicht nur drei, sondern mindestens neun Dimensionen des Raums geben. In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsjournals Nature zeigen US-Physiker, dass diese Dimensionen im Bereich oberhalb eines Hundertstels eines Millimeters nicht vorhanden sind. Wenn es sie gibt, müssen sie sich also auf sehr engem Raum zusammenrollen.

Visualisierung der String-Theorie, Bild

Nach Stephen Hawking sind Strings fundamentale eindimensionale Objekte und die String-Theorie die Physikalische Theorie, in der Teilchen als Schwingungszustände von Strings beschrieben werden, vereinigt Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie. Auch als Superstringtheorie bezeichnet (vgl. Das Universum als Nussschale). So weit die Grunddefinition.

Es ist mehr als 300 Jahre her, als Sir Isaac Newton ein Apfel auf den Kopf fiel - oder vielleicht auch nicht (vgl. Die Entdeckung der Schwerkraft). Jedenfalls beschrieb Newton als erster die Gravitation, die Schwerkraft, durch die der Fall eines Apfels vom Baum ebenso bestimmt wird wie die großräumigen Strukturen und die Verteilung der Materie im Universum. Sie ist neben der elektromagnetischen, sowie der starken (die Atomkerne zusammenhält) und der schwachen Wechselwirkung (die den radioaktiven Zerfall verursacht) die vierte der fundamentalen Kräfte. Das Problem an der Gravitation ist ihre Nachweisbarkeit, da sie viele Zehnerpotenzen schwächer ist als alle anderen fundamentalen Kräfte der Natur. Das klingt absurd, weil wir alle die alltägliche Erfahrung machen, dass uns die Schwerkraft am Boden hält, aber in der Quantenwelt verstößt so manches gegen unseren gesunden Menschenverstand. Tatsächlich gelang erst vergangenes Jahr die Messung der schwachen Quanteneffekte der Schwerkraft (vgl. Schwerkraft lässt Teilchen hüpfen).

Sowohl das Universum mit seinen riesigen Ausmaßen wie die Welt der Elementarteilchen werden durch die Relativitätstheorie wie das kosmische Standardmodell (Vgl. Am Anfang war das Universum ganz einfach) überzeugend und einfach beschrieben. Nur die Gravitation und die Quantentheorie lassen sich nicht wirklich vereinbaren, weil ihre Konzepte völlig verschieden sind (vgl. Quantentheorie und Gravitation).

In diese Lücke stößt die String-Theorie, die mathematisch die Möglichkeit bietet, beide Ansätze zu verbinden (vgl. The Official String Theory Web Site. Alle Teilchen sind Strings, also eine Art schwingende Saiten (Englisch: string). Anders formuliert: Die Elementarteilchen sind nicht punktförmig, sondern winzige, schwingende, geschlossene oder auch offene Fäden. Die Superstring-Theorie wirft aber wichtige, bisher unbeantwortete Fragen auf. Dazu gehören mathematische Probleme, aber auch die Messbarkeit, denn Strings sollen 10-35

lang und unendlich dünn sein. Damit entziehen sie sich der wissenschaftlichen Überprüfbarkeit, denn ein Detektor müsste unvorstellbare Energien aufbringen, um sie nachzuweisen. Deshalb ist die Theorie umstritten und international wird eifrig nach Beweisen geforscht. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Raumdimensionen, denn die String-Theorie setzt zumindest sechs Raumdimensionen mehr an als die drei, mit denen wir vertraut sind. In der Vorstellung sind diese Raumdimensionen allerdings schier unvorstellbar klein und in sich zusammen gerollt. Um das einfach zu erklären, greift das Desy zu hübschen Vergleichen:

Betrachten wir einen Gartenschlauch aus der Nähe. Eine Ameise schreitet zur Erkundung. Die Oberfläche des Schlauches erscheint ihr dabei wie eine zweidimensionale Fläche. So kann sie von einem Endezum anderen krabbeln, aber auch senkrecht dazu im Kreis laufen. Da sie in dieser Richtung irgendwann wieder an ihren Ausgangspunkt zurückkehrt, sagt man, die zweite Dimension sei aufgerollt. Ausdiesem Grund erkennt man sie nicht aus großem Abstand

Für einen Riesen ist der Gartenschlauch eine eindimensionale Linie. Ähnliches gilt für die Erde

Joshua C. Long, Hilton W. Chan, Allison B. Churnside, Eric A. Gulbis, Michael C. M. Varney und John C. Price von der University of Colorado in Boulder haben nun versucht, die Schwerkraft zwischen Massen-Bereichen nachzuweisen, die nur durch die Distanz der Hälfte des Durchmessers eines menschlichen Haares getrennt sind. Nie zuvor wurde mit einer solchen Genauigkeit auf einer so kleinen Skala nach Beweisen für die String-Theorie geforscht. Nach dieser Theorie sollen die zusammengerollten, kompakten Dimensionen über winzige, gerade noch messbare Abstände eine erkennbare Wirkung auf die Schwerkraft ausüben.

Die Kompaktheit dieser Dimensionen schafft so genannte Moduli-Kräfte, die Größe und Umfang der komprimierten Dimensionen in jedem Punkt der Raumzeit beschreiben (vgl. Jenseits von Raum und Zeit). In den neu erforschten Bereichen konnte das Physiker-Team aber keine Beleeg für Extra-Dimensionen finden. In den theoretischen Voraussagen hätten sich in der Skala von ein Zehntel bis zu einem Hundertstel Millimeter schon entsprechende Moduli-Kräfte finden lassen können. Das ist nun widerlegt, allerdings ist damit nur eine obere Wirkungsgrenze festgelegt, aber nicht die String-Theorie grundsätzlich in Frage gestellt. Der Autor Price erläutert:

Wenn diese Kräfte existieren, wissenwir jetzt, dass sie in engeren Distanzen wirken, als die, die wir jetzt gemessen haben. Das heißt jedoch nicht, dass die Theorien falsch sind. Wissenschaftler müssen nun auf kürzeren Distanzen und mithöherer Empfindlichkeit messen.

Das Experiment wurde mit einem Resonanz-Oszillator aus Wolfram (tungsten torsional oscillator) durchgeführt und hatte eine extrem hohe Sensitivität. Mit dieser Versuchsanordnung konnten Kräfte in der Größenordnung eines Femto-Newton (Femto = 10-15

, Newton = m kg/s2

) aufgespürt werden, das entspricht einem Milliardstel des Gewichts eines Sandkorns. Die Gruppe um Price will künftig in noch kleinere Distanzen vordringen, um Messungen der wirkenden Kräfte vorzunehmen.

Es bleibt also noch offen, ob die String-Theorie bewiesen werden kann. Sie ist weiterhin rein theoretisch der vielversprechendste Ansatz für eine einheitliche Theorie der Physik.

C. D. Hoyle von der Universität Trento im italienischen Povo-Trento diskutiert die Hintergründe und Auswirkungen dieser Forschungsarbeit in einem News&Views-Artikel in Nature und zieht das Fazit:

Die Entwicklung einer viel versprechenden Technik zur Messung der unerforschten Eigenschaften einer der Fundamentalkräfte der Natur sollte immer begrüßt werden, besonders wennes sich dabei um die Gravitation handelt. Über einen Genpool von experimentellen Techniken zu verfügen, der Wissenschaftler aus verschiedenen Fachrichtungen involviert, trägt zum Wachsen undVerfeinern des Forschungsfeldes als Ganzes bei. Mit den Fortschritten in der Hoch- und Tieffrequenz-Methoden werden wir fähiger, jede Überraschung, die die Gravitation vielleicht noch für uns bereithält, zu verstehen und zu verifizieren.

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