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Stringtheorie

Physikalische Theorie der Elementarteilchenphysik und der Gravitation

Als Stringtheorie bezeichnet man eine Sammlung eng verwandter hypothetischer physikalischer Modelle, die als fundamentales Objekt in der Raumzeit einen String (englisch für Faden oder Saite) mit eindimensionaler räumlicher Ausdehnung annehmen, dessen verschiedene Eigenschwingungen die Elementarteilchen darstellen. Demgegenüber beschreiben die gewohnten Modelle der Quantenfeldtheorie die Elementarteilchen als punktförmige Objekte in der Raumzeit, also nulldimensional. In Erweiterungen der Stringtheorie werden auch höherdimensionale Objekte betrachtet. Stringtheorien wurden in den 1960er Jahren zur Beschreibung der starken Wechselwirkung (Quantenchromodynamik) eingeführt. Seit den 1980er Jahren erlebte die Stringtheorie einen starken Aufschwung. Sie gilt seitdem als Kandidat für eine alle Naturkräfte vereinheitlichende Theorie, die das Standardmodell der Elementarteilchenphysik und die Gravitation miteinander verbindet. Diskutiert wird dabei vor allem die supersymmetrische Version der Stringtheorie („Superstringtheorie“). Die Supersymmetrie sagt neue, supersymmetrische Partnerteilchen für alle Bosonen und Fermionen voraus. Zum Aufschwung der Superstringtheorie trug erheblich bei, dass sie konkrete Vorhersagen für die Symmetriegruppen einer Großen Vereinheitlichten Theorie (GUT) machte. Des Weiteren fanden Vorhersagen zur Betrachtung von Quantenfeldtheorien (wie das holografische Prinzip in AdS/CFT) große Beachtung. In den 1990er Jahren stellte sich heraus, dass die bis dahin bekannten Superstringtheorien und die 11-dimensionale Supergravitation miteinander verbunden als Teil einer umfassenderen Theorie („M-Theorie“ genannt) betrachtet werden können. Letztere umfasst auch höherdimensionale Objekte (sogenannte „Brane“). Die Stringtheorie führte zu einem engen Austausch zwischen verschiedenen Gebieten der Mathematik und theoretischen Physik. Bisher ist die Stringtheorie durch Experimente weder bestätigt noch widerlegt. Dies liegt unter anderem daran, dass die von ihr vorhergesagte Vereinigung der Naturkräfte bei Energien erwartet wird, die um viele Größenordnungen über den in absehbarer Zeit erreichbaren Energien liegen (siehe Planck-Skala). Die Stringtheorie wird daher seit den 2000er Jahren sowohl innerhalb als auch außerhalb der Physik als nicht falsifizierbar kritisiert. Die Kritik richtet sich dabei auch auf die Bindung von Forschungsressourcen in einem Gebiet, das allen Anwendungen fern steht. Sie wurde besonders dezidiert von Theoretikern geäußert, die alternative Theorien der Quantengravitation verfolgen (wie die Schleifenquantengravitation). Zudem tauchten bei der konkreten mathematischen Durcharbeitung der Stringtheorie unerwartet viele Varianten auf, die die Erfolgsaussichten, alle Naturkräfte zu vereinheitlichen, in weite Ferne rücken. Heute gilt die Stringtheorie zwar als „verlockend“ und „mathematisch sehr elegant“, ihre praktische Bedeutung für die Teilchenphysik wird aber in Abrede gestellt, da sie keine Vorhersagen macht, die in absehbarer Zeit experimentell bestätigt werden könnten.