Besteht das Universum aus winzigen Punkten und Fäden?

4. August 2010, 11:55
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Physiker fangen String mathematisch ein und schließen auf "Dualität" beim Aufbau der Welt

Könnten die Grundbausteine unseres Universums  als Punkte und winzige Fäden beschrieben werden? Neue Belege dafür hat eine Forschungsarbeit des Lehrstuhls für Theoretische Physik III der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) geliefert, die in Zusammenarbeit mit Wissenschaftern aus Italien, Großbritannien, den USA und dem Albert-Einstein-Institut in Potsdam entstanden ist.

Schon vom Ansatz her sind die beiden Theorien eigentlich unvereinbar: einerseits Elementartteilchen ohne jede Ausdehnung im flachen Raum; andererseits eindimensionale Strings in einem Raum, der unter dem Einfluss von Schwerkraft gekrümmt ist. Dennoch gibt es den begründeten Verdacht über Querverbindungen zwischen den beiden physikalischen Betrachtungsweisen.

Die sogenannten Eichtheorien sind Bestandteil des Standardmodells, mit der die moderne Physik außer der Schwerkraft alle Kräfte im atomaren und subatomaren Bereich erfolgreich beschreiben kann. Drei der vier Grundkräfte unserer Welt - der Elektromagnetismus, die schwache und die starke Kernkraft - beruhen auf Wechselwirkungen zwischen punktförmigen Elementarteilchen wie Quarks oder Elektronen. Der Zusammenhalt der Materie wird ebenso wie andere Prozesse in Atomen und Atomkernen vermittelt durch so genannte Austauschteilchen - Photonen und Gluonen.

Winzige Fäden

Eine andere Theorie geht stattdessen von winzigen vibrierenden und rotierenden Fäden, den Strings, als elementaren Bausteinen des Universums aus. Die Stringtheorie gilt als Kandidat für eine Quantentheorie der vierten Grundkraft, der Gravitation. "Auf gewisse Art könnten Eich- und Stringtheorien zwei Seiten ein und derselben Medaille in der Beschreibung der Natur darstellen", meint Michael Pawellek vom Lehrstuhl für Theoretische Physik III der FAU.

Hinweise darauf hat die internationale Wissenschaftergruppe in ihrer Arbeit gefunden: Sie konnte zeigen, dass die Bewegung von rotierenden Strings in einem gekrümmten Raum durch eine mathematische Besonderheit erfasst werden kann, die als Integrabilität bezeichnet wird. Damit war es möglich, bestimmte Eigenschaften, wie sie bisher nur von Eichtheorien bekannt waren, in einer rein stringtheoretischen Berechnung nachzuweisen.

"Eingefangener" String

Ein einzelnes Quark konnte noch niemals beobachtet werden, obwohl Streuexperimente an großen Teilchenbeschleunigern zeigen, dass Protonen und Neutronen aus jeweils drei Quarks bestehen. Ein konkreter rotierender String jedoch ist nun, mathematisch gesehen, "eingefangen" worden. Der Nachweis einer "Dualität" an diesem Einzelbeispiel lässt darauf hoffen, eine Vermutung des amerikanischen Physikers Juan Maldacena aus dem Jahr 1997 in voller Allgemeinheit beweisen zu können.

Maldacena folgerte aus seinen Arbeiten, man könne mit Hilfe der Stringtheorie auch Probleme in Eichtheorien lösen, obwohl es auf den ersten Blick erstaunlich ist, mit diesem Instrument die Dynamik der Bausteine von Atomkernen beschreiben zu wollen.

Ein umfassender Beweis der Maldacena-Vermutung gilt inzwischen als eine der größten Herausforderungen der Theoretischen Physik, da sie die faszinierende Möglichkeit eröffnet, zwei grundlegende Probleme auf einen Schlag zu lösen. Zum einen ist der Mechanismus, der den Einschluss von Quarks im "Versteck" des Atomkerns bewirkt, bisher nur ansatzweise im Rahmen der Eichtheorie verstanden. Zum anderen bereitet es den Physikern große Schwierigkeiten, die Gravitation in die Quantenwelt einzubeziehen.

Problematische Gravitation

Albert Einstein beschrieb 1915 die Schwerkraft in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie als Krümmungseffekt des Raumes durch Massen. Bisher scheiterten jedoch alle Versuche, daraus eine Quantentheorie der Gravitation zu entwickeln. Für eine einheitliche Beschreibung der Naturkräfte und um solche geheimnisvollen Objekte wie Schwarze Löcher oder den Urknall zu verstehen, wäre dies aber notwendig. Die Arbeiten der internationalen Forschergruppe, die im Fachblatt Journal of Physics A veröffentlicht wurden, führen auf diesem Weg nun ein Stück voran. (red)

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    Eine aktuelle Arbeit internationaler Physiker könnte ein bedeutender Schritt in Richtung einer einheitlichen Theorie der Grundbausteine unseres Universums sein.

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