Stringtheorie - Leben wir in einem 11-dimensionalen Universum?

Hier mein Versuch, die sogenannte String-Theorie in aller Kürze leicht verständlich zu erklären (der entsprechende Artikel in der Wikipedia ist nämlich schon recht komplex).

Wozu dient die String-Theorie?

Die String-Theorie ist ein Kandidat für die "Weltformel", nach der Physiker seit langem suchen. Gemeint ist hiermit eine einheitliche Theorie, die letztlich alle Naturgesetze einheitlich umfasst. Bisher ist es nämlich so, dass für Sachverhalte im extrem Kleinen (auf Atom- bzw. Elementarteilchen-Ebene) ein völlig anderes Erklärungsmodell (nämlich die sogenannte Quantenphysik) verwendet werden muss als im extrem Großen (also für "astronomische" Fragestellungen), wo sich ein aus der Relativitätstheorie abgeleitetes Modell bewährt hat. Beide Modell sind an sich unvereinbar. d.h. es kann nicht das eine als Spezialfall des anderen angesehen werden.

Auch die 4 bekannten Grundkräfte der Physik sollen durch eine einheitliche Theorie erklärt werden.( Diese 4 Grundkräfte sind: (a) starke Wechselwirkung: die Kraft, die etwa Atomkerne trotz der gleichen und damit abstoßenden Ladung der Protonen zusammenhält, (b) schwache Wechselwirkung: Kraft etwa zwischen bestimmten Quarks, (c) elektromagnetische Wechselwirkung: die Kraft, durch die sich verschieden elektrische Ladungen anziehen und (d) Gravitation: die Kraft, mit der sich Massen anziehen) 

Elementarteilchen sind schwingende "Strings"

In der Stringtheorie sieht man Elementarteilchen (Elektronen, Quarks, ...) nicht als punktförmige "Bälle" an wie in der klassischen Teilchenphysik, sondern als extrem kleine kreisförmige Fäden (Strings). Alle Elementarteilchen haben nun bestimmte Eigenschaften, etwa ihre elektrische Ladung, ihr Spin oder ihre Masse. Warum aber hat ein Teilchen gerade eine bestimmte Masse, während es Teilchen mit anderen Massen gar nicht gibt? 

Die String-Theorie geht davon aus, dass ein String nun in bestimmter Weise Schwingungen ausführen kann. Je höher die Frequenz dieser Schwingung, desto höher die Energie des Teilchens und gemäß Einsteins Formel E=mc² ist damit auch die Masse des Teilchens umso größer. Verschiedene Elementarteilchen werden also als Strings mit unterschiedlichem Schwingungsmuster aufgefasst.

Das Universum als 11-dimensionaler Raum

Ein String kann nur auf bestimmte Art und Weise schwingen, da diverse mathematische Grundgesetze nicht verletzt werden dürfen (z. B. dürfen keine Unstetigkeiten auftreten, da sonst das String zerreißen müsste). Leider entsprechen nun die theoretisch möglichen Schwingungsmuster eines Strings nicht exakt den Eigenschaften der bisher bekannten Elementarteilchen.Es gibt es aber eine verblüffend genaue Übereinstimmung, falls man dem String erlauben würde, nicht nur in den bekannten drei Raumdimensionen zu schwingen, sondern in 9 unabhängigen Raumdimensionen (zusammen mit der Zeit hätte man also einen 10-dimensionalen Raum). Hierbei gibt es sogar fünf verschiedene mögliche Muster für diese 10-dimensionalen Räume, würde man noch eine weitere Dimension zulassen, so wären diese 5 Möglichkeiten jedoch alle Spezialfälle einer einzigen übergeordneten 11-dimensionalen Raum-Zeit-Struktur, diese Annahme ist Gegenstand der sogenannten M-Theorie).

Wie kann es aber sein, dass unser Universum 11-dimensional sein soll, wo wir doch offensichtlich nur 3 unabhängige Raumdimensionen beobachten können?

Die Antwort der Physiker ist, dass bis auf unserer bekannten drei Dimensionen die weiteren Raumdimensionen "aufgerollt" sind und damit nur eine winzige räumliche Ausdehnung haben. Dies ist vergleichbar mit einem aufgespannten Stromkabel, das von weitem wie ein eindimensionaler Raum erscheint (also eine Gerade), bei näherem Hinsehen aus kurzer Distanz sich aber als zweidimensionaler Körper entpuppt (als Oberfläche eines dünnen, langen Zylinders).

Genauso gibt es also in jedem Punkt unseres Universums weitere winzige "aufgerollte" Dimensionen, die man nur mit einer nahezu unendlich vergrößernden "Lupe" sehen könnte.

Man könnte die Entstehung der drei ausgedehnten Raumdimensionen auch so auffassen, dass beim Urknall - vor dem ja alle Materie des Universums in einem Punkt vereint war, also alle Dimensionen aufgerollt waren - sich drei Dimension explosionsartig ausgedehnt haben, wären die weiteren aufgerollt  geblieben sind.

Weitere Links zur String-Theorie:

Wikipedia-Artikel

Spiegel-Online