Die theoretische Physik ist heute in der Lage, sowohl im Bereich der kleinsten experimentell erfassbaren als auch der größten observierbaren Distanzen Voraussagen zu treffen, die mit den beobachteten Daten in bemerkenswert genauer Übereinstimmung stehen. Auf der einen Seite gibt es das Standardmodell der Elementarteilchenphysik, das von sämtlichen Beschleunigerexperimenten nahezu perfekt bestätigt wird. Dieses Modell ist eine Quantenfeldtheorie, d.h. es vereinigt die Grundprinzipien der Quantentheorie (Beschreibung physikalischer Zustände durch Vektoren eines Hilbertraums) und der speziellen Relativitätstheorie (globale Lorentzinvarianz). Im Bereich großer Längenskalen konnte bislang keine Abweichung von den Voraussagen der (lokal Lorentz-invarianten) allgemeinen Relativitätstheorie observiert werden.

Warum Stringtheorie?

Das größte Problem beider Theorien ist ihre Unvereinbarkeit. Um zum Beispiel physikalische Vorgänge in der Nähe von Raumzeitsingularitäten zu beschreiben, ist es unumgänglich, eine Quantentheorie der Gravitation zu verwenden. Bislang sind jedoch sämtliche Versuche, eine Punktteilchentheorie derselben zu entwickeln, an der Nichtrenormierbarkeit der Gravitation gescheitert. Somit muss eine vereinheitlichte Theorie sämtlicher fundamentaler physikalischen Wechselwirkungen eine der bisherigen Grundideen verletzen.

 

Eine zweidimensionale Visualisierung einer Calabi-Yau-drei-Mannigfaltigkeit

Strings und Kompaktifizierung

Die Stringtheorie ist dazu in der Lage, die Grundprinzipien von Quantentheorie und allgemeiner Relativitätstheorie zu vereinigen. Die Annahme, die dafür aufgegeben wird, ist die Punktförmigkeit der Elementarteilchen. Stattdessen werden eindimensional ausgedehnte, wie Saiten schwingungsfähige (daher der Name "Strings") Objekte postuliert. Die beobachteten Teilchen entsprechen dann angeregten Schwingungszuständen der Strings. Das so entstehende Spektrum sollte keine Tachyonen (Teilchen mit negativem Massenquadrat) enthalten, und die resultierende Niederenergie-Quantenfeldtheorie muss anomalienfrei sein. Diese Forderungen stellen sich als äußerst restriktiv heraus. Sie können etwa erfüllt werden, indem man die supersymmetrische Variante der Theorie in einem Produktraum formuliert, wobei ein Faktor der (3+1)-dimensionale Minkowskiraum ist, während der andere Faktor eine sogenannte Calabi-Yau-drei-Mannigfaltigkeit ist (ein kompakter Raum von drei komplexen, also sechs reellen Dimensionen mit sehr speziellen Eigenschaften).

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Publikationen

H. Skarke, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster