Quantenphysik Strings im Stress

Die String-Theorie gilt heute bei vielen Physikern als aussichtsreichste Quelle für eine "Weltformel". Doch neue Erkenntnisse treiben die Theorie in die Enge.

Von Thomas Bührke

Die String-Theorie gilt heute bei vielen Physikern als die aussichtsreichste Quelle für eine "Weltformel".

Dieses von manchen ersehnte mathematische Konstrukt soll eines Tages die bekannten Gesetze der Quantentheorie und der Allgemeinen Relativitätstheorie zur Quantengravitation vereinen und sämtliche Vorgänge in der Natur - von den kleinsten Elementarteilchen bis hin zu Schwarzen Löchern und dem Urknall - beschreiben.

Doch der Weg dahin ist noch sehr weit, konstatierte Hermann Nicolai, Direktor am Albert-Einstein-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Potsdam in der vorvergangenen Woche auf einer Tagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Heidelberg.

Von einem Schritt vorwärts konnten derweil Experimentalphysiker aus den USA auf der Konferenz berichten. Ihre einzigartigen Messungen setzen der String-Theorie engere Grenzen als bisher.

In dieser Theorie gibt es nur noch eine Art von Elementarteilchen: extrem dünne "Fäden", die wie angeschlagene Saiten schwingen. Von der Schwingungsfrequenz hängt es ab, in welchem Gewand ein String erscheint, ob als Quark oder als Elektron.

Allerdings funktioniert die String-Theorie mathematisch nur in neun oder zehn Raumdimensionen. Diese Extradimensionen bemerkt niemand, weil sie nach Vorstellung der Physiker auf winzig kleinen Skalen "aufgerollt" sind.

Wie ein Gartenschlauch

Man kann dies ansatzweise mit der Betrachtung eines Gartenschlauchs vergleichen: Aus großer Entfernung erscheint er wie eine Linie, also eindimensional. Kommt man näher, so erkennt man seine räumliche Form; aus der Ferne war seine Dicke sozusagen auf die Größe seines Durchmessers aufgerollt.

Lange Zeit sahen Experimentalphysiker keine Möglichkeit, Effekte der String-Theorie zu testen. Diese sollten sich nämlich auf so kleinen Skalen abspielen, wie sie selbst Teilchenbeschleuniger nie erreichen werden. Doch das änderte sich Mitte der neunziger Jahre, als Theoretiker auf mathematische Lösungen der Theorie stießen, in denen die Extradimensionen bis zu einen Millimeter groß sein konnten.

Besonders aufregend daran war die Vorhersage, dass das bekannte Newton'sche Gravitationsgesetz, wonach die Schwerkraft quadratisch mit der Entfernung abnimmt, im Größenbereich der verborgenen Dimensionen nicht mehr gelte. Für Experimentatoren, bot sich nun die Möglichkeit, String-Theorie zu testen.

Die weltweit genauesten Messungen des Gravitationsgesetzes auf kleinen Skalen gelingen zurzeit der Gruppe um Eric Adelberger von der Universität in Seattle, Washington. Ihre Apparatur ist etwa so groß wie ein Papierkorb und ein Muster an Präzision.

Das grundsätzliche Problem besteht darin, dass die Gravitation erheblich schwächer ist als alle anderen Kräfte, beispielsweise die elektrische Anziehung. Die Schwerkraft zwischen zwei Ziegelsteinen, die nebeneinander auf dem Tisch liegen, entspricht ungefähr der Gewichtskraft von einem Milliardstel Gramm Materie im Schwerefeld der Erde. Entscheidend für das Gelingen der Messungen ist es deshalb, alle Störeffekte zu eliminieren.