Strings und Kosmische Strings

Kosmische Strings
Strings

Kosmische Strings

Ein Kosmischer String (engl. string= Saite) ist kein Teilchen im herkömmlichen Sinn, sondern man stellt sich darunter einen fadenartigen Symmetriebruch aus dem frühen Universum vor. Das ist eine 10- oder 11- dimensionale Struktur, lange, dünne Röhren von ungeheurer Masse und Energiedichte und damit hoher Gravitation. Man muss sich dabei vorstellen, dass die zusätzlichen winzigen, im Quantenbereich der Plancklänge liegenden Dimensionen in sich aufgewickelt sind und uns nur eindimensional erscheinen würden. Es sind daher keine "übergeordneten" Dimensionen, sondern eher untergeordnete.

Diese bis zu vielen Lichtjahre langen Gebilde könnten älteren Berechnungen zufolge die fehlende Masse zu einem geschlossenen Kosmos liefern. Man ist immer noch auf der Suche nach Gravitationslinsen, welche durch die enorme Masse der Strings hervorgerufen werden müssten, bisher jedoch allerdings vergeblich.

Kosmische Strings durchziehen das All
Kosmische Strings durchziehen das All?
Keiner hat sie je gesehen, doch so könnte man sich vorstellen, wie Strings den Kosmos durchziehen. Die sich ergebenden physikalischen Eigenschaften der Kosmischen Strings klingen überaus exotisch: Diese dünnen Röhren, bestehend aus einem so genannten symmetrischen Hochenergie- Vakuum, bilden entweder geschlossene Schleifen oder können sich bis fast ins Unendliche erstrecken.

In diesen Strings sind starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkung in hohem Symmetriegrad vereinigt. Bei einem Durchmesser von nur etwa 10-30 [cm] oder weniger würde ein Zentimeter String rund 4 Billiarden Tonnen (!) wiegen.

Stringschleifen oszillieren mit fast Lichtgeschwindigkeit, d.h. eine Schleife von einem Lichtjahr Länge wird in etwas mehr als einem Jahr eine komplette Schwingung durchführen. Diese Schwingungen zehren aber an den Kosmischen Strings, weil sie dabei Energie in Form von Gravitationswellen abgeben.


Nach etwa 10 000 Schwingungen verschwinden die höchst exotisch anmutenden Gebilde vermutlich, wobei große Schleifen eine nur kurze Lebensdauer haben, während relativ kleine sehr lange existieren könnten. Die größte massereiche Stringschleife, die bis heute existent sein könnte, sollte einen Durchmesser von 1 Million Lichtjahren haben. Durch ihre enorme Masse mit der damit verbundenen Gravitation sollen Kosmische Strings der Theorie nach in der Anfangsphase des Alls die Galaxienbildung ausgelöst haben. Größere Stringschleifen waren in der Lage, sowohl Materie als auch kleinere Schleifen anzuziehen, woraus demzufolge die Galaxienhaufen (Cluster) und Superhaufen entstanden.

Gegen diese Formulierung spricht jedoch folgende Überlegung:

Nach der Theorie haben Teilchen (z.B. Elektronen) innerhalb des Strings ein verändertes Verhalten: Da sie hier masselos werden, aufgrund der extremen Gravitation verlieren sie alle Energie, bilden sie schon bei geringen Energien Teilchen- Antiteilchen- Paare (Elektron- Positron), welche sich in entgegengesetzter Richtung mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Hierdurch wird der Kosmische String zum Supraleiter (er hat keinen elektrischen Widerstand mehr) und umgibt sich folglich mit einem sehr starken Magnetfeld.


Die somit erzeugten elektromagnetischen Wellen stoßen auf die Interstellare Materie und üben einen Druck aus. Das interstellare Plasma verhindert jedoch die Strahlungsausbreitung, wodurch es zu einem Anwachsen des Strahlungsdrucks kommt. Schließlich bildet sich eine expandierende Blase, an deren Außenseite Galaxien kondensieren können.

Vorstehende Theorie steht im krassen Gegensatz zur Gravitationstheorie der Galaxienhaufenbildung (siehe auch Geschichte des Universums, Teil 4), weil die Materie hier weggeblasen wird und nicht angezogen. Jedoch erklärt sie durchaus einleuchtend die beobachteten riesigen Hohlräume (voids) in der Galaxienverteilung und die Anordnung der Galaxien auf den Blasenoberflächen, wie es nach heutigem Wissensstand ja auch der Fall ist. Dennoch bleiben Kosmische Strings bis zu ihrem Nachweis durch Gravitationslinsen rein hypothetisch.


Strings

Die Physiker sind schon seit langem auf der Suche nach einer Weltformel, einer vereinheitlichten Theorie, in welcher sich alle vier Naturkräfte als Supersymmetrie vereinen lassen.

Die vier Naturkräfte sind:

  • Gravitation
  • Elektrische Anziehungskraft
  • Starke Wechselwirkung. Diese ist für den Zusammenhalt von Kernteilchen verantwortlich
  • Schwache Wechselwirkung. Sie ist verantwortlich für den radioaktiven Zerfall mancher Elemente

Während man die letzten drei Kräfte, die den Bereich der Quantenwelt beherrschen, in einer Großen Vereinheitlichten Theorie (GUT) zusammenfassen kann, lässt sich die Gravitation, welche die großräumigen Strukturen des Kosmos beeinflusst und durch die Relativitätstheorie beschrieben wird, nicht darin unterbringen.


Eine bereits in den sechziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts entstandene Theorie erlebt seit einiger Zeit neuen Aufschwung, die Theorie der Strings. Sie könnte eines Tages das Bindeglied zwischen Allgemeiner Relativitätstheorie und der Quantenmechanik darstellen. Was kann man sich nun unter Strings vorstellen? Strings sind winzigste, fadenartige Gebilde. Sie sind Quadrillionen Mal kleiner als ein Atom und besitzen eine mindestens zehn- oder elfdimensionale Struktur. Um einen String "sehen" zu können, müsste man einen Teilchenbeschleuniger bauen, der mindestens so groß wie unsere Milchstraße wäre, vielleicht sogar so groß wie das gesamte Universum!

Wenn die Theorie zutrifft, könnten Strings fundamental sein, mit einer Ausdehnung im Bereich der Planck- Länge wären sie die kleinsten Strukturen des Kosmos, im Gegensatz zu den Kosmischen Strings, welche die größten Objekte im Universum sein könnten. Diese kleinen "Saiten" können offene Enden haben oder sich zu einer Schleife zusammenlegen. Je nachdem wie diese Schleifen oder Fäden nun aufgebaut sind, schwingen sie ganz unterschiedlich, und daraus ergeben sich die unterschiedlichen Eigenschaften der Kernteilchen. Je höher ihre Schwingungsfrequenz ist, umso größer ist ihre Energie und damit ihre Masse (wir denken dabei an das Energie-Masse-Äquivalent!) und umso größer ihre Gravitation.

Je schneller eine Schwingung, umso höher ist die Energie
Je schneller eine Schwingung, umso höher ist die Energie
Zwei von unendlich vielen möglichen Schwingungsmustern. Je schneller die Schwingung stattfindet, umso höher ist die Energie des Systems. Schwere Teilchen sind demnach Strings, die mit höherer Energie schwingen als leichte Teilchen. Durch ähnliche Schwingungsmuster werden die drei anderen Naturkräfte hervorgerufen.


Ein ganz bestimmtes Schwingungsmuster entspricht dem Graviton, dem Botenteilchen der Gravitation. Deshalb ist die Gravitation ein wesentlicher Bestandteil der Stringtheorie und sie könnte aus diesem Grund die einheitliche Theorie sein, die umfassend den Kosmos beschreibt. Sie ist der momentan beste Kandidat für die fieberhaft gesuchte Quantengravitation.

Strings sind gespannt wie eine Gitarrensaite, allerdings viel stärker. Die Spannung des Gravitons beträgt beispielsweise 1039 Tonnen (!), das ist die so genannte Planck- Spannung. Infolge dieser enormen Spannung ziehen sich die Strings sehr stark zusammen, weshalb ihre Ausdehnung im Bereich der Planck- Länge von 10-35 [m] liegt.

Ein String wird somit von zwei Faktoren bestimmt: Seiner Spannung und seinem Schwingungsmuster. Schwingen zwei Strings gleich, haben aber unterschiedliche Spannungen, so hat der String mit größerer Spannung auch eine höhere Energie und es resultiert ein schwereres Teilchen. Wie alles in der Quantenwelt ist auch die Energie gequantelt, sie kann nur in kleinsten "Häppchen", der Planck- Energie, auftreten. Die Energie eines Strings ist proportional seiner Spannung, deshalb ist ein Energiequant auch recht groß. Die Größe der Planck- Energie, nach E = mc2 in Masse umgerechnet, ist 1019- Mal größer als die Masse des Protons. Diese Masse bezeichnet man als Planck- Masse, sie entspricht etwa einem Staubkorn.


Wie aber sollen dann die leichten Teilchen wie Elektronen, Protonen usw. zu erklären sein? Auch die Strings sind der Quantenhektik aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation unterworfen. In dieser subatomaren Welt herrscht ein ständiges Auf und Ab, ein Kommen und Gehen, man sagt, diese Welt fluktuiert. Die Stringschleifen pendeln zwischen positiver und negativer Energie hin und her, wobei sich diese Energien zum Teil gegenseitig aufheben.

Zwei Strings haben sich vereinigt
Zwei Strings haben sich vereinigt

So bleiben dann unterm Strich nur noch kleine Energien übrig und diese entsprechen dann den uns geläufigen leichten Teilchen. Im Falle des Gravitons heben sich die Energien komplett auf, so dass ein ruhemasseloses Teilchen resultiert. Ein ruhemasseloses Teilchen (so auch das Photon) kann sich nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, somit wird auch entgegen vielen anderen Behauptungen die Gravitationswirkung ausschließlich mit Lichtgeschwindigkeit übertragen.


Bereits 1919 bemerkte der polnische Mathematiker Theodor Kaluzza, dass es im Kosmos noch mehr als die 3 Raumdimensionen geben könnte. Er fand heraus, dass man durch Einführung einer zusätzlichen Dimension Gravitation und Elektromagnetismus miteinander in Beziehung setzen konnte.

In der Quantenmechanik rechnet man nicht mit Absolutwerten, sondern lediglich mit Wahrscheinlichkeiten, und diese können sich eigentlich nur irgendwo zwischen 0 und 100% bewegen. In den Anfängen der Stringtheorie ergaben sich allerdings auch negative Wahrscheinlichkeiten, auch erhielt man viel zu große Werte für Ladung und Masse der aus ihr abgeleiteten Teilchen.

Erst nach Einführung weiterer, heute 7 zusätzlicher Raumdimensionen lösten sich diese Probleme. Strings müssen daher in elf Dimensionen schwingen. Diese aktuellste Stringtheorie wird als M- Theorie bezeichnet, sie vereinigt verschiedene Untergruppen von Stringtheorien. Hiernach sind die Dimensionen so zusammengequetscht, dass die Strings nun schwingende Membrane darstellen. Es ist schwierig zu beschreiben, aber man kann sich die zusätzlichen Raumdimensionen aufgewickelt vorstellen (siehe hierzu auch Das Ekpyrotische Universum!). Betrachten wir ein Wasserrohr zuerst aus der Nähe, dann erkennen wir dass es dreidimensional ist, ein Käfer kann nach rechts oder links krabbeln oder das Rohr umrunden. Aus großer Entfernung erkennen wir nur noch einen Strich, aus dieser Sicht kann unser Käfer nur nach rechts oder links, weil eine Dimension scheinbar verschwunden ist, sie hat sich um die anderen aufgewickelt. In dieser Art kann man sich die übrigen Dimensionen der Strings denken, obwohl ein reelles Bild nicht möglich ist.

Die Stringtheorien sind heute ein aufgeblasenes, rein mathematisches Modell, welches nur noch von einigen Spezialisten voll erfasst wird. Leider kann es auch noch keine Voraussagen machen, die sich im Experiment nachweisen lassen. Daher wird es selbst von vielen Wissenschaftlern mit Skepsis betrachtet, andere sehen darin den "größten Wurf" seit Einsteins Theorien. Uns bleibt nichts anderes als abzuwarten und zu hoffen, dass die Stringtheorien eines Tages überprüfbar sein werden.