Superstrings oder Superstring-Theorie ist ein spannendes Gebiet der Physik, das manchmal als Theory of Everything bezeichnet wird. Es wird von vielen als die schwer fassbare vereinheitlichende Erklärung angesehen, die Einstein gesucht hat und die alle bekannten Kräfte im Universum erklären könnte.
Bis Superstrings aufkamen, hatten Wissenschaftler zwei gegensätzliche Theorien über das Verhalten der Naturgesetze: Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik.
Die Allgemeine Relativitätstheorie erklärt die Welt, wie wir sie kennen, in einem ziemlich massiven Maßstab. Es beschreibt die Raumzeit als ein durch Masse verzogenes Gewebe, das Orbitalsysteme, Galaxien und die Schwerkraft berücksichtigt. Aber diese Gesetze brechen auf der Quantenebene zusammen, wo ein subatomares Teilchen nicht in Bezug auf seine genaue Position im Raum zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessen werden kann. Es ist auch so wahrscheinlich, dass es sich in der Zeit rückwärts bewegt wie vorwärts und kann sogar an zwei Orten gleichzeitig erscheinen. Die Welt des unendlich Kleinen ist so bizarr, dass Wissenschaftler den Begriff „Quantenverrücktheit“ geprägt haben, um sie zu beschreiben.
Das Problem für die Physiker bestand darin, eine Theorie aufzustellen, die die uns bekannte Welt mit der Quantenwelt vereinen würde. Eine Erklärung für alle vier bekannten Kräfte: Schwerkraft, starke und schwache Kernkräfte und Elektromagnetismus. Superstrings könnten diese Antwort sein.
Durch mathematische Gleichungen wurde klar, dass die Art und Weise, wie wir uns Teilchen bisher als „Punkte“ oder „kleine Energiekugeln“ vorgestellt hatten, ungenau war. Diese winzigen Materieteilchen verhielten sich tatsächlich eher wie wackelnde, vibrierende Saiten. Strings sind so klein, dass Brian Greene, ein Physiker und Befürworter, erklärt, dass, wenn ein einzelnes Atom die Größe unseres Sonnensystems hätte, ein String nur die Größe eines Baumes hätte. Doch Strings machen alle Materie von der Quantenebene aufwärts aus.
Die Art und Weise, wie Saiten schwingen, bestimmt die spezifischen Eigenschaften jedes einzelnen Teilchens und vergleicht das Universum mit einer kosmischen Symphonie von Supersaiten. Aber um die Theorie von mathematischen Anomalien zu befreien, waren sechs zusätzliche Dimensionen notwendig. Die sechs zusätzlichen Dimensionen bilden an jedem Punkt unseres Raums winzige, zusammengerollte 6-D-Formen. Innerhalb dieser 6-D-Formen befinden sich die Strings der Superstring-Theorie. Die sechs zusätzlichen Dimensionen plus unsere drei bedeuteten, dass es wirklich 9 Dimensionen gab. Fügen Sie aus Zeitgründen noch eine hinzu, und die Summe waren 10 Dimensionen. So überraschend das auch war, es war nicht das Ende.
1995 stellten unterschiedliche Theorien über Superstrings ein Rätsel auf, bis die M-Theorie sie vereinte. Der einzige Haken? Die M-Theorie erforderte mathematisch eine 11. Dimension. Dies ergab ein neues Bild von Saiten, bei denen sich eine Saite bei ausreichender Energie zu einer extrem großen schwimmenden Membran, kurz Brane genannt, dehnen konnte. Branes können unterschiedliche dimensionale Eigenschaften haben und so groß wie ein Universum werden. Tatsächlich existiert nach der Theorie unser gesamtes Universum auf einer schwimmenden Brane – nur einer von mehreren schwimmenden Branes, die jeweils ihr eigenes Paralleluniversum unterstützen. Jede Brane repräsentiert eine Scheibe eines höherdimensionalen Raums oder Volumens.
Obwohl das Standardmodell der 1970er Jahre bereits drei der vier Kräfte in einer einheitlichen Theorie vereinte, konnte die Gravitation nicht mit den drei Quantenkräften in Einklang gebracht werden. Aber ein Durchbruch bei Superstrings umfasste die schwer fassbare Schwerkraft, das Flüstern des Heiligen Grals der Physik. Wenn ein masseloses hypothetisches Teilchen, das für die Übertragung der Schwerkraft verantwortlich ist – das Graviton – auf der Quantenebene als geschlossener String existiert, würde dies eine direkte gravitative Verbindung zur Theorie der Superstrings darstellen.
Die Theorie sagt voraus, dass Strings offen oder geschlossen sein können. Offene Saiten oder Saiten, die kleinen wackelnden Haaren ähneln, haben mindestens einen Endpunkt an der Membran „befestigt“ wie eine Straßenbahn, die mit einem oberen Kabel an einer elektrischen Leitung befestigt ist. Fäden können sich durch die Brane bewegen, sie aber nicht verlassen, was erklärt, warum wir physisch nicht aus unserer Dimension sehen oder aus ihr herausgreifen können. Die Atome, aus denen unser Körper besteht, bestehen aus offenen Fäden, die Endpunkte an unserer 3-D-Membran haben. Eine andere Möglichkeit, es zu betrachten, ist eine Filmleinwand. Menschen auf einem Bildschirm erscheinen dreidimensional, aber sie können nicht wirklich vom Bildschirm in unsere 3-D-Welt greifen. Sie stecken in ihrer 2-D-Welt fest, so wie wir in unserer 3-D-Welt feststecken und nicht in benachbarte Dimensionen vordringen können. Wissenschaftler bezeichnen dies als Freiheitsgrade.
Aber das Graviton ist anders. Als geschlossene Kette oder Schleife ohne angeschlossene Endpunkte wurde die Theorie aufgestellt, dass sie unserer 3D-Brane entkommen und in andere Dimensionen sickern könnte. Dies würde erklären, warum die Schwerkraft um ein Vielfaches schwächer ist als die anderen Kräfte.
Was aber, wenn die Umkehrung wahr wäre? Was ist, wenn die Schwerkraft auf einer Parallelbrane so stark ist wie die anderen Kräfte, aber hier schwächer ist, weil sie nur in unsere Dimension eindringt? Mathematisch funktionierte die Theorie der Superstrings wieder wunderbar und lieferte schließlich eine plausible Erklärung für die Schwäche der Schwerkraft, während sie sie mit den anderen drei Kräften vereinte.
Es blieb nur noch eine Hürde: Die einigende Theorie sollte auch den Urknall erklären können. Vier gemeinsam in einem Zug reisende Physiker haben sich beiläufig mit diesem Thema auseinandergesetzt. Einer von ihnen stellte die Frage: Was würde passieren, wenn zwei Branen kollidieren? Die plausible mathematische Antwort war der Urknall.
Kritiker der Theorie der Superstrings verweisen auf den Mangel an Beweisen und die Schwierigkeit, ihn zu liefern. Ist es nur ein schönes mathematisches Konstrukt? Eine Philosophie? Oder eine wahre Erklärung unserer Welt? Keine andere Theorie hat annähernd alle vier Kräfte mathematisch vereint, geschweige denn zusätzlich eine Erklärung für den Urknall geliefert. Aber der Beweis, dass es andere Dimensionen gibt – schwebende Branes und Paralleluniversen – war ein wichtiger Knackpunkt.
Trotzdem sind die Anhänger der eleganten Theorie begierig darauf, sie bewiesen zu sehen, und Wissenschaftler haben seitdem herausgefunden, dass es möglicherweise beobachtbare Beweise für astronomisch große Strings gibt. Somit gewinnt die Theorie der Superstrings weiter an Boden. Am Ende könnten Superstrings, wenn sie erfolgreich sind, von 11 Dimensionen bis zu Paralleluniversen, von den wirbelnden Galaxien bis zur Quantensuppe, wirklich die Theorie von allem sein.