Strings und Schleifen für eine neue Theorie der Physik

Es scheint kaum eine spannendere Aufgabe in der Physik zu geben, als die Frage, wie eine vereinheitlichte Theorie der Physik aussehen könnte, eine Theorie, die die gesamte Natur beschreiben kann und die gesamte Physik vereinigt.
Eine solche Theorie strebt an, die beiden großen fundamentalen Theorien des 20. Jahrhunderts, die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie, zu einer einzigen Theorie zu vereinigen. Darüber hinaus sollte sie sämtliche Erkenntnisse über die Materie, die im letzten Jahrhundert über die Elementarteilchen und die vier elementaren Kräfte erzielt wurden, beinhalten und erklären können, wie auch kosmologische Phänomene wie den Urknall und Schwarze Löcher.

Als ein Kandidat für eine solche vereinheitlichte Theorie wird die Theorie der Quantengravitation angesehen, die Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie zu einer Theorie vereinigen will.

Bis heute existiert noch keine vollständige Theorie der Quantengravitation. Aber es gibt eine Reihe von vielversprechenden Ansätzen, wie eine solche Theorie aussehen könnte. Die bekanntesten Ansätze sind die Stringtheorie und die Schleifen-Quantengravitation.

Diese beiden Theorien unterscheiden sich vor allem darin, wo ihre Ausgangspunkte liegen. Die Stringtheorie geht von der Quantentheorie bzw. der Elementarteilchenphysik und dem Standard-Modell aus, während die Schleifen- oder Loop-Quantengravitation ihren Ausgangspunkt in der Allgemeinen Relativitätstheorie sieht.

Abgesehen von der Stringtheorie und der Schleifenquanten- gravitation existiert noch ein dritter Weg bzw. existieren weitere Ansätze. Dieser Weg wird von Forschern verfolgt, die weder von der Quantentheorie noch der Allgemeinen Relativitätstheorie als Ausgangspunkt ausgehen, die vielmehr beide Theorien verwerfen, weil sie ihrer Meinung nach mangelhaft und unvollständig sind, um vernünftige Ausgangspunkte zu sein. Dieser dritte Weg wird im Gegensatz zu den anderen beiden Theorien nur von einigen wenigen Wissenschaftlern, wie z. B. David Finkelstein, Christopher Isham oder Roger Penrose, verfolgt, die jeweils ihre ganz eigene Vision verfolgen und von fundamentalen Prinzipien ausgehend versuchen, eine neue Theorie zu entwickeln einschließlich neuer mathematischer Formalismen.

Sämtliche Ansätze zu einer Theorie der Quantengravitation haben allerdings eins gemeinsam: Sie gehen alle davon aus, dass Raum und Zeit, wenn sie auf sehr kleinen Maßstäben betrachtet werden, nämlich der sog. Planck-Skala der Größenordnung 10^-35 m, nicht mehr kontinuierlich sind, sondern aus fundamentalen diskreten Einheiten zusammengesetzt sind. Laut Quantengravitationstheorie muss es eine kleinste Raum- und Zeiteinheit geben, nämlich die Planck-Länge 10^-35 m und Planck-Zeit von 10^-43 s.

Stringtheorie

Den Ansatz zu einer Theorie der Quantengravitation, an dem derzeit am intensivsten geforscht wird, z. B. in Princeton (Edward Witten) und Stanford, bzw. der von der größten Zahl an Physikern verfolgt wird, stellt die sog. Stringtheorie dar, die einige theoretische Physiker seit den 1970er Jahren begonnen haben zu entwickeln.

Die Stringtheorie ist als Weiterentwicklung der herkömmlichen Modelle der Elementarteilchenphysik zu verstehen. Allerdings sind die fundamentalen Bestandteile der Materie in dieser Theorie keine punktförmigen Teilchen mehr, sondern sie stellen eindimensionale Objekte, Fäden, engl. strings, dar, die in sich schwingen können.
Es existiert nur eine Art von String. Die verschiedenen Arten von Elementarteilchen werden als verschiedene Schwingungsmoden oder Schwingungszustände dieses Strings interpretiert. Aus der Vielfalt der möglichen Schwingungszustände ergibt sich dann entsprechend die Vielfalt der Elementarteilchen und Austauschteilchen der Kräfte. Photonen und Elektronen sind also nichts anderes als verschiedene Arten, wie der String schwingt.