Stringtheorie ... der Versuch einer Rechtfertigung

[wilfried]

Lieber Maclane

so einfach ist das nicht. Du kannst nicht sagen, die ART sei in die Stringtheorie "hineingezwirbelt" worden. Der Prozess, welcher zu den verschiedenen Stringvarianten führte -siehe meine Ausführungen oder schau auf den Seiten vom Andreas Müller nach- berücksichtigt durchaus die ART.

Aber wie bereits in dieser Serie mehrfach erzählt bzw. in diesem Grenzbereiche Fach an unterschiedlichen Stellen erklärt ist eine scharfe Separation der beiden zur Zeit tragenden Theorien nicht erhältlich.

Ich sage es mal ketzerisch: man kann es auch als Modeerscheinung betrachten (noch, da für beide Varianten die Beweise unzureichend sind), je nachdem wo und wie man steht.

Gruß

Wilfried

[Flar]

hi, ich bin neu hier.

erstmal muss ich sagen, dass ich beeindruckt von euren tiefen theoretischen und mathematischen kenntnissen bin. ich selbst bin nur physikstudent im dritten semseter und habe allenfalls die hier fallenden mathematischen und fachlichen begriffe schonmal gehört und verstehe sicher nur eine handvoll mathematischer begriff komplett.

ich habe jetzt den großteil dieses threads gelesen und dein rest überflogen. aber eines ist mir aufgefallen.
wilfried schreibt:
"Klar, Gravitation wird in diesem String Ansatz nicht erklärt. Dafür war dieser Ansatz nie gedacht und ist auch dafür nicht geeignet. "

wieso das? dazu ist die M-theorie doch gerade eben gedacht!

[gravi]

Hallo Flar,

zunächst mal herzlich willkommen in dieser Runde!
Momentan ist hier ja nicht allzu viel los, ich hoffe aber, dass sich das auch wieder ändern wird...

Ja, Du hast schon richtig erkannt, dass hier auch so einige Leute vom Fach uns "Hobbywissenschaftlern" zeigen, wo der Bartel den Most holt. Das ist gerade das Schöne an diesem Forum, man kann stets etwas dazu lernen oder wird angeregt, die eine oder andere Lücke zu schließen. Das war wohl auch der Grund, weshalb Du Dich hier angemeldet hast...

Ich sehe es allerdings auch wie Du, dass gerade die M- Theorien geeignet sein sollen, die Gravitation auf kleinsten Skalen zu beschreiben. Nicht umsonst bezeichnet man sie als den derzeit besten Ansatz zur gesuchten Quantengravitation. Vielleicht antwortet Dir aber Wilfried in dieser Frage noch mal selbst - er ist da sicherlich viel kompetenter.

Gruß
gravi

[wilfried]

Lieber Flar

auch von mir ein herzliches Willkommen in diesem Forum. Ich hoffe Du als zukünftiger Kollege wirst Dich bei uns wohlfühlen.

wir sind ein sehr aktives Forum und versuchen unser bestes den Dingen auf den grund zu gehen, dabei bemühen wir uns aber auch -das habe ich in meiner ersten zeit im Forum auch erst lernen müssen- die Mathematik zwar zu Wort kommen zu lassen, aber nicht überzustrapazieren. Sonst "verlieren" wir auch zu viele unserer netten Forumsteilnehmer. Nichts desto trotz wirst Du aber auch solche etwas "abgefahrene" Beiträge bei uns finden, denn wir sehen wir kommen verbal nicht weiter greifen wir auch in die Kiste.
Unser gravi hat unter "Mathematische Fragen" dazu ein tolles Programm reingetan, mit dem Glecihungen in mathematischen Schriftzeichen wunderbar zu malen sind.

also: wiel Freude bei uns.

Nun zu Deiner Frage:

Ich zitiere mich mal von Seite 1 aus:

Der String verbindet eben nur die Teichenphysik mit der Relativistik

Verbinden wir jetzt jedoch die allgemeine Relativitätstheorie mit der Stringtheorie wird die Geschichte schon anders. In diesen Formulierungen -ich nenne mal dazu Begriffe wie Ashetkar Variable und Verbindungs-Dynamik wird die Idee einer eigenständigen dualen Verbindungs als Feld Variable erörtert oder sogar eingeführt.
Abhay Ashetkar erkannte, dass in der SU(2) der Phasenraum eine solche eigenständige duale Verbindung beschreibt und hat darauf aufbauend seinen kanonischen Formalismus, den Ashtekar Formalismus veröffentlicht.
Ashtekar, A., ``New Hamiltonian formulation of general relativity'', Phys. Rev., D36 (6), 1587-1602, (1987).
Ashtekar, A., Lecture notes on non-perturbative canonical gravity. Notes prepared in collaboration with R Tate. Advanced Series in Astrophysics and Cosmology, Volume 6, (World Scientific, Singapore, 1991).

Es sind die Ansätze der Hypthesen, welche Hypothesen begrenzen. Im Zuge der letzten Jahrzehnte ist der versuch die Grundkräfte zu vereinen unwahrscheinlich verstärkt worden. Ich wage mal vorsichtig zu sagen, nahezu sehen wir eine exponentiellen Anstieg dieser Aktivitäten.

Die numerische Mathematik oder lass mich leiber sagen die Rechner geführte Mathematik mit all ihren Möglichkeiten machte es möglich diese Hypothesen zu durchschauen, die Grenzen kennenzulernen.
Und die Stringansätze können einige Dinge eben nicht erklären. Die Periheldrehung läßt sich nicht daraus ableiten; nur ein Beispile. Diese Begrenzungen sind ja in unseren Beiträgen bereits genannt worden. Schau dazu auch mal in "alte" Beiträge dieses Themenkreises.

Die meisten von uns vertreten die Stringtheorie nicht, da diese eben die Gravieffekte (ich schreib es immer so und muss dabei lächelnd an unseren lieben "gravi" denken ) sind uns schon wichtig genug und wir bevorzugen eben eine lass mich das mal so sagen:
"geschlossenere oder allgemeinere" Beschreibung.

Die Schlefen-Quantenansätze sehen diesbezüglich interessant asu. Wobei ich dazu sagen muss, dass diese seitens Ashtekar eingeführten Beschreibungen mit Hilfe der Differentialgeometrie nahezu unverfolgbar sind. Schau mal unsere beiträge dazu an. Gerade der etwas jüngere Disput zwischen Raylight und mir, wo ich versucht habe diese Ansätze zu verstehen. Teilweise habe ich das nachempfunden. In Beitrag unter Kosmologie -> Quantenkosmologie kannst Du diesen Disput sehen. Ich schrieb darin zum Schluss, dass ich das Thema wieder aufnehmen werden, wenn ich mit diesen Beschreibungen weitergekommen bin. Nun habe ich einerseits im Geschäft sehr viel zu tun und wenn ich abends nach Hause komme ist es a) meist recht spät und b) setz ich mich dann in meinen Sessel und freu mich bei einem Glas Bier und nem Brot mit meiner Frau reden zu können. Dann habe ich auch keine Lust mehr solche Dinge zu tun. Also...ich brauch Zeit.
Und das wirst Du im Zuge Deines Studiums noch erfahren: die Physik, welche Du im Studium erlernst ist im Wesentlichen "altbacken". Das was hinterher im postgrad -Doktorandenstudium- kommt ist, kann Du in dieses Gebiet gehst total abgehoben und ungewont völlig abstrakt werden.

Mich ärgert das, denn es gibt einen alten Satz, ic glaube es war Pauli oder war es Einstein oder wer (dazu brauch ich Hilfe von Euch, jemand der den Ursprung diueses Satzes weiss):
"Gott ist trickreich, aber nicht gemein"
Ich glaube einfach nicht daran, das die Physik, auch die, welche von sich behaupte sich mit einheitlichen Ansätzen zu befassen solch komplizierte und abstrkte Formulierungen benötigt.
Mein Gefühl -bitte ich mag mich da täuschen- sagt mir, irgendwann wird jemand aufstehen und uns zeigen, dass es doch einfacher beschreibbar ist.

Naja, zurück zu Dir

die M-Theorie beschreibt die nächste Generation der Strings, diese Branen. Das sind bestimmt fruchtbare, wertvolle Ansätze und zeigen vielversprechend ein zunehmendes verständnis, aber es ist halt trotzdem "nur" die bessere Vereinigung der schwachen, starken WW mit der EM. Und die Gravi??? Die wird darin in ihrem Kern, in ihrer Ursprungserklärung nicht gefunden.

Netten Gruß lieber Flar und ärgere Deinen Prof nicht

Wilfried

[Flar]

also verstehe ich das richitg: die stringtheoretischen gleichungen beschriebn zwar das graviton, also das quantenmechanische verhalten dieses, aber schaffen es (noch) nicht die genauigkeit der allgemienen relativitätstheorie im kosmischen maßstab zu erreichen - sprich Periheldrehung usw. ?!?

ich beschäftige mich schon seit einer weile immer mal mit der stringtheorie - allerdings nur auf populärwissenschaftlichem niveau. schreibe ich derzeit für meine homepage auch einen kleinen allgemeinverständlichen aufsatz darüber.

aber um so mehr ich mich den konsequenzen der theorie beschäftige, desto unglaubwürdoger wird sie mir - das muss ich einfach mal so sagen. so fazienierend die spekulationen auch sind, so verrückter werden sie auch. ich meine zum beipsiel unser universum ist eine dreidimensionale bran, nur drei der 10 raumdimensionen sind ausgedehnt, die branen können durch strings vernetzt werden und vieles anderes mehr. einzeln genommen mag das noch zu verkraften zu sein, aber alles zusammen, so entwickelt sich langsam meine meinung, ist nicht tragbar. es scheint mir mehr wie eine anfangs gute physikalische idee, die durch mathematische koriositäten aus dem ruder läuft. andererseit beschäftigen sich köpfe wie edward witten damit und das möchte was heißen.
ich sehe mehrere möglichkeiten für die m-theorie.
1. es stellt sich raus, dass der ansatz in einer sackgasse endet.
2. das stringkonzept bleibt ein gutes modell, was nahe an die wirklichkeit herankommt - etwa wie newton an einstein
3. es ist wirklich so, wie die theorie vorrausagt

der umstand, dass die theorie nicht überprüfbar ist, erscheint mir aber, egal was nun aus ihr wird, sehr voreingenommen. sie ist ja schließlich noch nicht fertig. es könnten sich noch viele indirekte experimente ergeben, die die gültigkeit der stringtheorie beweisen. auch wenn nie ein string sichtbar gemacht werden kann, so ist es doch möglich die theorie als ein gutes MODELL der wirklichkeit anzuerkennen.
vielleicht ergibt sich auch noch ein vollkommmen anderes bild der m-theorie, auf das nur hingearbeitet werden muss. vielleicht stellt sich heraus, dass die stringtheori quatsch ist, die aber durch ihre erkenntnisse den weg für eine neue idee bereitet hat. wie auch immer, iteresant bleibt die thematik auf jeden fall.


PS: kennt jemand von euch ein für mich verständliches deutsches buch über die schleifengravitation. ich suche schon ne weile danach, hab aber noch nix gefunden. ich muss mich also mit artikeln, wie bei wikipedia.de begnügen.

MfG
Flar

[gravi]

Die Stringtheorien erfreuen sich hier im Forum keiner allzu großen Beliebtheit, weil sie (noch) nicht überprüfbar sind. Ich meine man sollte da mal abwarten und Kaffee trinken - es wird sich irgendwann zeigen, ob etwas daran ist oder nicht.

Eine Buchempfehlung über die LQG habe ich leider nicht parat, aber wenn Du mal mit Loop- Quantengravitation googelst wirst Du mehr finden als nur in Wiki, z.B.

http://www.mpe.mpg.de/~amueller/lexdt_l05.html#lqg

Es gibt auch ne Menge an pdf- Dateien zum Thema, also einfach mal suchen

Gruß
gravi

[Flar]

danke für den link. hab es eben gleich gelesen und entgegen beiner erwartungen auch den etwas mathematischeren teil verstanden/nachvollziehen können.

ich hab zu der thematik noch so viele fragen. ich muss unbedingt mein englisch verbessern, dass ich mich auch mit englischer literatur auseinander setzen kann. aber selbst im englischen gibts anscheinend keine populörwissenscftliche literatur.

[Maclane]

Ja, mit populärwissenschaftlicher Literatur zur LQG tut man sich anscheinend schwer. Vielleicht weil diese Theorie nicht so gut ins populärwissenschaftliche zu "übersetzen" ist. Man kann mit ihr sicher ne Menge machen, aber anschaulich ist sie nicht gerade.
Vielleicht ist es aber auch nur einfach so, dass die Mehrheit der Forscher immer noch den String-Theorien hinterherläuft und sich einfach noch kein Übersetzer gefunden hat.

Ich hab mir schon öfter mal gewünscht, dass Prof. Lesch in seinen Sendungen mal auf Stringtheorie und LQG eingeht, aber ich nehme an, eine Erklärung ohne mathematischen Formelsalat ist selbst für ihn eine Nummer zu groß.

Was sollte man auch erzählen? Dass die Raumzeit quantisiert ist und dass der Raum aus vielen kleinen "Körnchen" besteht, kriegt man ja noch hin. Aber darüber hinaus ist's wohl sehr schwer, die Sache mit einfachen Worten zu beschreiben.

Gruß Mac

[Flar]

"Was sollte man auch erzählen? Dass die Raumzeit quantisiert ist und dass der Raum aus vielen kleinen "Körnchen" besteht, kriegt man ja noch hin. Aber darüber hinaus ist's wohl sehr schwer, die Sache mit einfachen Worten zu beschreiben. "

tja, ich denke schon, dass das auch allgemeinverständlich beschreibbar ist. die mathematik der stringtheorie ist auch überaus schwierig und trotzdem kann man es populärwissenschaftlich erklären.
vielleicht werde ich mich in einen meiner nächsten semsterferien selbst mal dran machen einen aufsatz in populärwissenschaftlicher sprache zu schreiben. dazu muss ich mich aber erstmal mehr informieren und einarbeiten. ich kenn halt bis jetzt auch nur die groben fakten. es wäre auf jeden fall eine herausforderung und interessant.

[wilfried]

Lieber Flar

da hast Du Dir ja was vorgenommen als junger Student eine populärwissenschaftliche Abhandlung übder DIESES Thema zu schreiben.
Schau doch mal auf die Seiten von unserem gravi oder vom Ray. Die zwei haben sehr interessante und auch durchaus verständliche Abhandlungen. Ich selber empfinde diesen Themenkreis schon zu den "hohen Weihen" der wissenschaftlichen Lehre gehörend.

Trotzdem wünsche ich Dir viel Erfolg und Spass und schreinb uns auch im Forum was darüber.

Netten Gruß

Wilfried

[Flar]

"Schau doch mal auf die Seiten von unserem gravi oder vom Ray. "

mh, wenn ich jetzt noch herausfinde, wie die webadresse jeißt, oder wo ich sie finde, wäre das echt hilfreich. ich stell mich hier nämlich anscheinend zu blöd an und kann sie im profil nicht finden.

"da hast Du Dir ja was vorgenommen als junger Student eine populärwissenschaftliche Abhandlung übder DIESES Thema zu schreiben."

naja, erstmal schreib ich wie gesagt den aufsatz über die stringtheorie zu ende. und ob es nun schon in den nächsten semesterferien was wird, weiß ich nicht. ich hab mir nämlich schon einiges anderes vorgenommen. zum beispiel ein weiterführender aufsatz über die matheamtischen GRUNDLAGEN der stringtheorie oder ein aufsatz über die eulersche betafunktion, was ja eigentlich schon zu ersteren dazugehört.
aber ich denke schon, dass ich das früher oder später erfolgreich in angriff nehmen werde. schließlich hab ich schon einige erfahrung im schreiben solcher allgemeinverständlicher aufsatze über doch recht komplexe themen. man muss sich ja schließlich auch außerhalb des trockenen studienstoffs weiterbilden - man muss ja iregndwie auch den spaß an der physik erhalten.

[Maclane]

"Schau doch mal auf die Seiten von unserem gravi oder vom Ray. "

mh, wenn ich jetzt noch herausfinde, wie die webadresse jeißt, oder wo ich sie finde, wäre das echt hilfreich. ich stell mich hier nämlich anscheinend zu blöd an und kann sie im profil nicht finden.

Tadaa....

http://www.mpe.mpg.de/~amueller/lexdt_l05.html#lqg

[AlTheKingBundy]

ich wäre vorsichtig mit einem zu schnell geschriebenen "allgemeinverständlichen" artikel über die stringtheorie, auch wenn er völlig fromelfrei ist. man sollte von einer komplizierten materie schon einiges im detail verstehen, um sie dann entschärft zu papier zu bringen. ansonsten besteht die gefahr, dass man zu viele eigene wissenslücken einarbeitet oder nur das allgemeinverständliche anderer repliziert.

[Flar]

Tadaa....

http://www.mpe.mpg.de/~amueller/lexdt_l05.html#lqg

achso, den artikel hatte ich schon gelesen (war sehr gut). mir war aber nicht klar, zu welchem nickname diese seite gehört - weiß ich immernoch nicht: gravi oder Ray.???

@AlTheKingBundy

ja, da hast du recht. die gefahr nur alles zu replizieren ist stark vorhanden. ich schreibe natürlich nicht alles aus dem kopf auf. ich verwende schon einige quellen - da aber nicht zu viel abzukupfern ist schon schwierig. aber ich schreibe solche aufsatze zu allererst, um mich selbst mit dem thema zu beschäftigen und, wenn auch fast genauso wichitg, aber dennoch zweitrangig, um derartige themen auch anderen interessierten menschen näherzubringen.

ich kann dir den aufsatz ja erstmal zuschicken, bevor ich ihn veröffentliche. da kannst du auf eventuelle fehler hinweisen. ich will ja auch keinen mist aufschrieben, sondern schon bei der wahrheit bleiben.
wenn du also interesse hast, der aufsatz ist bald fertig.

[gravi]

@Flar:

die angegebene Adresse war die von Ray.

Auf meiner Seite findet sich nicht sehr viel über die String- Theorien - weil ich einfach zu wenig darüber weiß und momentan auch weder Zeit noch Lust habe, mich damit eingehender zu beschäftigen. Da hat Al natürlich völlig Recht: Wenn man etwas nicht versteht, sollte man besser eher zurückhaltend sein und erst mal Wissen schaufeln...nachher blamiert man sich nur (ich würd's nicht sagen, wenn es mir nicht schon selbst passiert wäre )

Gruß
gravi

[Flar]

nun, ich bemphe mich stets in meinen aufsätzen nur das zu schreiben, was ich auch verstanden habe. alles andere wäre in meinen augen hohn.

aber ihr seid mir schon welche, mit eurer geheimniskrämerei!
jetzt sag mir doch auch mal deine webadresse gravi. euch muss man, um mal eine blöde redewendung zu benutzen, ja alles aus der nase ziehen.

[Maclane]

Beim gravi bist du quasi schon.
Einfach mal oben links auf das Sternenbildchen klicken. Dieses Forum ist ja nur ein kleiner Teil der Mühe, die er sich gemacht hat.

Gruß Mac

[Flar]

"Beim gravi bist du quasi schon."

danke, jetzt bin ich erleuchtet, maclane.
ha, dann kennen wir uns ja schon, gravi. ich hab mal ein gastbeitrag über "sterne als astronomische objekte und ihre rolle im dasein des universums" geschrieben.

[gravi]

Tja, lieber Ralf,

jetzt hast Du Dich enttarnt...

Dein Beitrag ist übrigens noch immer online - zu finden über >Inhaltsverzeichnis>Gastbeiträge

Gruß
gravi

[tomS]

Hallo,

eine Frage von meiner Seite:
es gibt einige gute und aktuelle Übersichtsartikel über die Schleifenquantengravitation (von Ashtekar, Rovelli, Smolin), die den aktuellen Stand ziemlich umfassend beschreiben. Gibt es sowas auch für String- / M-Theorie? Ich finde immer nur einen Haufen Details, ohne den großen Zusammenhang erkennen zu können.

Meine Meinung zu dem ganzen Thema String- / M-Theorie:
ein sehr ambitionierter Ansatz, der sich irgendwie verselbständigt hat!

Beispiele:
- Unendlichkeiten? keine Fermionen? => Einführung der Supersymmetrie
- Supersymmetrie? => werden wir schon noch finden!
- Anomalien? => 26 Dimensionen (später 10)
- 10 Dimensionen? => Kompaktifizierung (Millionen von Möglichkeiten)
- viele Millionen Grundzustände? => einer wird's schon sein
- ART? => klassisch ja, quantisiert nein (oder habe ich bei den Membranen da was übersehen?)
- Störungstheorie? => wohl nicht konvergent (oder hat das inzwischen jemand bewiesen?)
- nicht-störungstheoretisch? => Ansätze in der M-Theorie
- Hintergrundunabhängigkeit? => ???
- Vorhersage der Teilchenmassen? => sind verglichen mit der Plankmasse näherungsweise Null (ja gut, aber dazu brauch' ich keine Stringtheorie)
- 3 Leptonfamilien? => könnte sein - können aber auch mehr sein (oder gibt es inzwischen einen Beweis?)
- SU(3) * SU(2) * U(1) = Standardmodell => ja, das ist eine der vielen möglichen Lösungen

So, das klingt jetzt mal ziemlich polemisch um nicht zu sagen vernichtend. Aber ernsthaft - so sehe ich das. Schade daran ist, dass die Theorie natürlich ein unheimliches Potential hat und tatsächlich viele wertvolle Vorhrsagen liefern könnte, dass aber die o.g. Probleme nicht wirklich ernstgenommen bzw. teilweise wegdiskutiert werden werden.

Wie war das vor ca. 100 Jahren mit der Quantentheorie? Da hat man nicht die Augen verschließen können, denn da gab es harte, experimentelle Fakten. Zuerst ist man denen "hinterhergelaufen" und hat an einer Theorie "gebastelt" (1905 - 1925). Dann kam der Durchbruch mit Heisenberg, Pauli, Schrödinger, Dirac und man war ziemlich auf Augenhöhe. Etwas später hatte man dann teilweise die Nase vorn, hat also neue Effekte vorhersagen können, die anschließend im Experiment bestätigt wurden (prominentes Beispiel: das Positron).

In der Stringtheorie hat man ebenfalls experimentelle Fakten:
- 4 Dimensionen
- 3 Generationen von Fermionen
- Teilchenmassen
- SU(3) * SU(2) * U(1)
aber leider kann keine davon wirklich erklärt werden

Also andersherum: wenn das mit den experimentellen Fakten nicht klappt, dann suche ich eben nach einer einheitlichen, eindeutigen und mathematisch konsistenten Theorie (das war ja in den achtziger Jahren der Anspruch) Aber damit ist es ja eben auch nicht weit her, denn nicht nur die Lösungen der Theorie sind nicht eindeutig - das sind sie in der Physik eigentlich fast nie - sondern auch die Formulierungen, also die Grundlagen. Gut - es gibt die Dualitäten, mit deren Hilfe man verschiedene Darstellungen (immer?) ineinander überführen kann. Aber es gibt doch immer noch kein einheitliches Verständnis, was denn die grundlegenden Axiome, Gleichungen, elementaren "Bausteine" oder Felder und Rechenregeln eigentlich sind.

Zurück zu meiner Frage zu Beginn: gibt es einen Übersichtsartikel, der diese Themen einigermaßen umfassend erklärt? oder der zumindest einen Statusbericht enthält - mit gelösten und mit offenen Problemen?

[tomS]

Hallo zusammen,

ich versuch mich mal an einer kurzen Zusammenfassung zum Status der Superstringtheorie). Dabei gehe auf viele der entwickelten Konzepte nicht ein, sondern konzentriere mich auf physikalische Fragestellungen. Anders ausgedrückt, ich beschäftige mich nur mit grundsätzlichen Problemen, die man bereits vor Entstehung der Stringtheorie hatte, und die nicht erst während deren Entwicklung als interne mathematische Probleme aufgetreten sind.

Zu Beginn der Anspruch der Stringtheorie, dann die daraus unmittelbar erwachsenden physikalischen Fragestellungen, zuletzt die Antworten, die die Stringtheorie bereithält.

Anspruch der Stringtheorie

Es wird nicht immer klar dargestellt, dass die Stringtheorie eigentlich zwei Ziele hat:
(1) Vereinheitlichung aller Grundkräfte einschließlich der Gravitation
(2) Vereinheitlichung von Prinzipien der Quantenmechanik mit der ART
Aus Sicht von Elementarteilchenphysikern steht (1) im Vordergrund und ist der Leitfaden für die mathematischen Ansätze der Stringtheorie. (2) ist m.E. fundamentaler, da es auf die Vereinheitlichung zweier Ansätze abzielt, auf deren Basis (1) zu verwirklichen ist.

Die Stringtheorie behauptete früher, dass beide Vereinheitlichungen Hand in Hand gehen, dass nämlich (2) in einer eindeutigen Theorie für (1) resultiert, mit anderen Worten, dass man keine Wahlfreiheit bzgl. der Wechselwirkungen mehr hat. Das Bild hat sich in den letzten Jahren geändert. Man ist inzwischen der Meinung, dass verschiedene Wechselwirkungen / Modelle gemäß (1) möglich sind und nur verschiedenen Lösungen der Theorie entsprechen. Man hat sich also von einer eindeutigen Theorie der Wechselwirkungen verabschiedet, weswegen (2) eher im Vordergrund stehen sollte.

(1) bedeutet, dass die Theorie einen einheitlichen Ansatz bereit stellen sollte, der die elektroschwache und die starke WW vereinheitlicht, und der zusätzlich die Gravitation mit einbezieht. Insofern geht die Stringtheorie über den Ansatz des Standardmodells, der Vereinheitlichten Theorie der SU(5), SO(10), der gescheitert ist, und über andere Ansätze wie „MSSM = Minimally Supersymmetric Standard Model“ und Supergravitation hinaus, da diese ebenfalls eine gewisse Wahlfreiheit bzgl. der Wechselwirkungen zuließen.
Dieses Ziel war jedoch nicht realisierbar (s.o.). Es verbleibt der Anspruch, zumindest mathematisch einen eindeutigen und widerspruchfreien Formalismus zu finden, was auch der Supergravitation ebenfalls nicht gelungen ist.

Wichtig ist, dass es keinerlei Experimente gibt, die (1) fordern; anders gesagt, es gibt keinerlei experimentelle Daten, die im Widerspruch zum Standardmodell stehen. Dies liegt jedoch wohl nur daran, dass man das Standardmodell nicht in den Bereichen / bei den Energieskalen testen kann, wo man seinen Zusammenbruch erwartet. (1) ist demnach nicht phänomenologisch zu rechtfertigen, sondern eher aus ästhetischen bzw. philosophischen Gesichtspunkten, z.B. „maximale Einfachheit“.

(2) für sich alleine bedeutet, dass man einen neuen Formalismus entwickeln muss, der es erlaubt, die beiden fundamentalen Prinzipien der Quantenmechanik mit der ART zu vereinheitlichen. Ob dies dann zu einer eindeutigen Theorie gemäß (1) führt, wie die Stringtheorie behauptet hat, oder ob weiterhin eine gewisse Wahlfreiheit bleibt, wie z.B. in der Supergravitation, ist zunächst zweitrangig. Bereits der Anspruch von (2) ohne (1) ist bis heute nicht vollständig realisiert, auch nicht in anderen Ansätzen wie z.B. Schleifenquantengravitation, die (1) von vorneherein ausblendet.

Physikalische Fragestellungen

Auf folgende Probleme sollte die Stringtheorie meiner Meinung nach Antworten produzieren:
(1) Erklärung von Wechselwirkungen und Teilchenspektren, Massen und Kopplungskonstanten
(2) Vereinheitlichte Beschreibung von Quantenphänomenen und Gravitationsphänomenen

Nicht physikalisch sind m.E. viele Probleme, die die Stringtheorie erst produziert; natürlich muss sie diese lösen, aber nicht, weil sie physikalisch im Vordergrund stehen:
Extradimensionen, Dualitäten, Branen, verschiedene Versionen der Theorie, M-Theorie etc. sind zunächst nur mathematische Formalismen; diese können zum einen über mathematische Konsistenz gerechtfertigt werden, zum anderen über Ergebnisse physikalischer Experimente; solange diese nicht vorliegen, sind es eher intrinsische Probleme, nicht physikalische Probleme.

(1) bedeutet, dass die Theorie gewisse Vorhersagen bzgl. der existierenden Teilchen und Wechselwirkungen machen muss. Im Standardmodell gibt es die mathematischen Strukturen U(1)*SU(2) für die elektro-schwache WW und SU(3) für die starke WW. Daneben gibt es die drei Familien der Leptonen (Elektron, Neutrino, u- und d-Quark in der ersten Familie; dazu die Antiteilchen; die beiden anderen Familien sind bis auf die Massen identisch). Zuletzt gibt es noch das Higgs-Teilchen. Keine dieser Strukturen wird bisher vorhergesagt, prinzipiell könnten diese Strukturen auch anders sein (andere Symmetrien SU(n), mehr WWs, mehr oder weniger Familien).
Akzeptiert man das Standardmodell, so akzeptiert man auch ca. 20 freie Parameter (Massen, Kopplungskonstanten, etc.), für deren Werte es keinerlei Erklärung gibt. Für die minimale supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells erhält man ca. 100 weitere freie Parameter!
(B) würde nun bestenfalls erklären, warum diese Strukturen und Werte so sind, wie sie sind.
Abgeschwächt würde (B) zumindest eine einheitliche Struktur (Modell) für alle diese Strukturen, WWs und Parameter einführen; bisher stehen diese Strukturen und Parameter unverbunden nebeneinander.

(2) bedeutet, dass eine einheitliche Beschreibung gefunden werden muss, die die konsistente Beschreibung beider Phänomene zulässt. Bisher bricht die Anwendung der ART unter bestimmten Situationen zusammen: Stichwort Singularitäten. Genauso bricht die Anwendung der Quantenmechanik zusammen: Stichwort Unendlichkeiten und Renormierung. Und zuletzt bricht die gemeinsame Anwendung zusammen: Stichwort Nicht-Renormierbarkeit der ART in der störungstheoretischen Quantisierung.
Zentrale Forderung ist also, dass (2) sowohl Singularitäten als auch Unendlichkeiten vermeidet, d.h. dass ein einheitlicher Formalismus gefunden werden muss, der die Probleme löst, wo die naive Kombination der beiden existierenden Theorien zusammenbricht.
Außerdem muss eine Lösung dafür gefunden werden, dass nach bisherigen Beschreibungen die Information der ins schwarze Loch stürzenden Materie vernichtet wird. Dies ist nach der Quantenmechanik unzulässig.
Zuletzt sollte der vereinheitlichte Formalismus die Entstehung einer dynamischen Raum-Zeit auf einer klassischen Skala gemäß der ART auf Basis einer Theorie der Quantengravitation reproduzieren.

Antworten der Stringtheorie

Zu (1)
Die Stringtheorie lässt viele Lösungen zu, die ähnliche Strukturen wie das Standardmodell beschreiben, die aber im Detail (deutlich) abweichen. Es gibt meist viele zusätzliche Teilchen, die man in der Realität nicht beobachtet. Insbs. gibt es bisher keine Hinweise auf die Supersymmetrie, ohne die die Stringtheorie nicht funktioniert. Das Standardmodell selbst wurde noch nicht „gefunden“ (weder die Struktur der WWs, noch die Werte für Massen und Kopplungskonstanten). Es wurde auch kein Prinzip entdeckt, dass bestimmte Strukturen oder Modelle selektiert. Insgs. gibt die Stringtheorie keinen Hinweis darauf, warum wir gerade diese Teilchen und WWs und keine anderen beobachten.

Zu (2)
Die Stringtheorie lässt mit Einschränkungen eine einheitliche Beschreibung von Quantenphänomenen und Gravitationsphänomenen zu. So kann sie das Graviton und dessen Kopplung an andere Teilchen beschreiben. Die Stringtheorie kann jedoch nicht die grundlegende Dynamik der Raum-Zeit beschreiben, sondern sie setzt immer einen klassischen Hintergrund voraus, auf dem sich u.a. die Gravitonen ausbreiten. Die Stringtheorie kann außerdem nicht auf einem beliebigen Hintergrund formuliert werden, sondern setzt eine stark eingeschränkte Klasse von Lösungen voraus – FRW ist z.B. nicht enthalten! Aus Sicht der Teilchenphysik kann sie mit der Einbeziehung der Gravitonen einen gewissen Erfolg verbuchen, aus Sicht der ART verfehlt sie jedoch das wesentliche Ziel.

Schlussfolgerungen

Die Stringtheorie in ihrer heutigen Form hat einen Konstruktionsfehler, der in ihrer ursprünglichen Zielsetzung (1) begründet liegt. Der ausbleibende Erfolg bei (1) hätte dazu führen müssen, Ansätze und Formulierung der Theorie zu revidieren. Dies ist bisher nicht erfolgt. Zentraler Kritikpunkt bzgl. (2) ist die fehlende Hintergrundabhängigkeit der Stringtheorie.

Damit verbunden ist möglicherweise die große Anzahl möglicher Lösungen für die Theorie, von denen keine eindeutig selektiert wird und von denen keine bisher das Standardmodell reproduziert.

Zuletzt ist ein zentrales Problem, dass die Stringtheorie kein fundamentales Prinzip und keine fundamentalen Gleichungen aufweisen kann, sondern dass alle Varianten der Theorie nur in bestimmten Näherungen formulierbar sind. Zum Vergleich: es gibt bis heute keine exakte Lösung der QCD, aber es gibt eine fundamentale Gleichung, aus der man Näherungen und daraus wiederum Lösungen ableiten kann. Die Stringtheorie besteht bisher nur aus den Näherungen.

Aufgaben für die Stringtheorie

- Identifizieren der fundamentalen Prinzipien und Aufstellung der fundamentalen Gleichungen
- Hintergrundunabhängige Formulierung ohne klassische Hintergrundmetrik
- Exakter Beweis einiger (gut begründeter!) Vermutungen, insbs. Dualitäten und 11-dim. M-Theorie
- Eingrenzung der möglichen Theorien, Reproduzierung des heute bekannten Standardmodells
- Vorhersage neuer, testbarer (falsifizierbarer) Phänomene, die über das Standardmodell hinausgehen

[Ray Light]

Lieber Tom,

Du reißt hier viele spannende Fragen der modernen Physik an, die derzeit intensiv weltweit erforscht werden. Unterschwellig wird klar, dass du nicht der größte Fan der Stringtheorien bist. Das ist Dein gutes Recht. Ich bin auch kein Verfechter der Stringtheorien, aber wir sollten so fair sein, und alle Fakten darstellen, abwägen und dann urteilen.

Ich konnte bei einigen (den meisten) Zeilen, die Du geschrieben hast schweigend nicken, bei anderen nicht. Ich nenne Dir mal die Stellen, bei denen ich Einsprüche hätte:

Tom schrieb:

Man hat sich also von einer eindeutigen Theorie der Wechselwirkungen verabschiedet, weswegen (2) eher im Vordergrund stehen sollte.

Kann ich nicht bestätigen. Ich glaube, dass diese Trends ganz davon abhängt, wen bzw. welche Community man fragt. (2), die Quantisierung der Gravitation ohne Vereinheitlichung der Kräfte, ist lediglich ein neuer Ansatz, aber meines Erachtens noch keine Trendwende.
Der Fairness halber muss man eingestehen, dass weder das eine (Stringtheorien), noch das andere (Quantengravitationstheorien wie die Loopquantengravitation) klare experimentelle Evidenzen aufweisen kann, die die jeweilige Theorie überzeugend stützen.

Tom schrieb:

Wichtig ist, dass es keinerlei Experimente gibt, die (1) fordern;

Dem kann ich nicht zustimmen.
1) Die Entdeckung der elektroschwachen Theorie wurde ein Erfolg, weil sie die W- und Z-Teilchen vorhergesagt hat, die später auch entdeckt wurden. Letztendlich steht dieser Unifikationserfolg in einer Kette von erfolgreichen Vereinheitlichungen wie derjenigen von Himmel und Erde durch Newton und derjenigen von Elektrik und Magnetismus durch Maxwell.
Eine konsequente Weiterentwicklung dieser drei Unifikationserfolge waren die Große Vereinheitlichte Theorien (GUT). Richtig, die konkrete Formulierung macht hier Probleme, aber sie vermag z.B. die Materie-Antimaterie-Asymmetrie zu erklären, die wir beobachten und mit unserer Existenz bezeugen. Keine der aktuellen Quantengravitationen kann die Materie-Antimaterie-Asymmetrie erklären!
2) Ein weiter Punkt sind die so genannten „laufenden Kopplungskonstanten“. Sie zeigen, dass die Stärke der drei Fundamentalkräfte (ohne Gravitation) von der Energie abhängen und sich zu hohen Energien hin annähern. Das hat historisch dazu geführt, sich für Modelle jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik (SM) zu interessieren, weil das SM dies nicht zu erklären vermag. Erklärt werden kann das durch die Supersymmetrie. Bei einer Energie von 10^16 GeV treffen sich alle drei Kopplungskonstanten in einem Punkt! Hier beginnt das GUT-Regime, das im frühen Universum vorgeherrscht haben soll.

Tom schrieb:

Extradimensionen, Dualitäten, Branen, verschiedene Versionen der Theorie, M-Theorie etc. sind zunächst nur mathematische Formalismen; diese können zum einen über mathematische Konsistenz gerechtfertigt werden, zum anderen über Ergebnisse physikalischer Experimente; solange diese nicht vorliegen, sind es eher intrinsische Probleme, nicht physikalische Probleme.

Klar, jede Theorie ist ein mathematischer Formalismus – auch die erfolgreiche Einsteinsche Relativitätstheorie. Aber auch sie hat Gültigkeitsgrenzen und bricht unter bestimmten Bedingungen (sehr wahrscheinlich kleinen Längenskalen und/oder hohen Energiedichten) zusammen.
Du vergisst bei der hier formulierten Kritik, dass Extradimensionen und Branen dadurch motiviert sind, dass sie Dinge erklären, die ansonsten schwierig zu verstehen sind. Dazu gehört das Hierarchieproblem. Es besagt, dass die Gravitation eine Sonderrolle unter allen vier Naturkräften hat, weil sie viel schwächer ist. Durch Extradimensionen und Bulk-Bran-Konfigurationen kann man diesen Sachverhalt elegant erklären: Die Gravitation kann in alle Dimensionen eindringen, die drei anderen Kräfte nicht. Die beobachtete und experimentell verifizierte Schwäche der Gravitation erhält so eine Erklärung.
Freilich muss man testen, ob es Extradimensionen wirklich gibt. Das macht man z.B. durch präzise Vermessung des Gravitationsgesetzes bei kleinen (testet u.a. Randall-Sundrum-Modelle oder das ADD-Szenario) und großen Abständen (testet u.a. das DGP-Szenario).

Tom schrieb:

Akzeptiert man das Standardmodell, so akzeptiert man auch ca. 20 freie Parameter (Massen, Kopplungskonstanten, etc.), für deren Werte es keinerlei Erklärung gibt. Für die minimale supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells erhält man ca. 100 weitere freie Parameter!

Physiker müssen sich damit abfinden, dass es für manche Parameter („die Naturkonstanten“) keinerlei Erklärung gibt: man muss sie messen! Das gilt auch für die Vakuumlichtgeschwindigkeit c und für die Gravitationskonstante G. Ihre Zahlenwerte folgen aus keiner Theorie.
Dem zweiten Teil Deiner Argumentation möchte ich insofern zustimmen, dass Multi-Parameter-Theorien problematisch sind. Man kann mit ihnen alles fitten und folglich alles „erklären“ – es fragt sich nur, ob man dann noch Physik betreibt.

Tom schrieb:

Zentrale Forderung ist also, dass (2) sowohl Singularitäten als auch Unendlichkeiten vermeidet, d.h. dass ein einheitlicher Formalismus gefunden werden muss, der die Probleme löst, wo die naive Kombination der beiden existierenden Theorien zusammenbricht.

Hm, das deutet sich zumindest an. Ist vielleicht eher eine philosophische Frage, welchen Ansatz man verfolgen sollte.


Tom schrieb:

Außerdem muss eine Lösung dafür gefunden werden, dass nach bisherigen Beschreibungen die Information der ins schwarze Loch stürzenden Materie vernichtet wird. Dies ist nach der Quantenmechanik unzulässig.

Gut, aber mehr sagt welche Theorie „dominant“ ist bzw. sind Erhaltungssätze so „heilig“, dass sie immer und uneingeschränkt gelten? Ich erinnere nur an die Erhaltungssätze für Baryonen- und Leptonenzahl, die unter irdischen Bedingungen und in späten kosmologischen Epochen gelten, die aber in der GUT-Ära verletzt waren. Nur so ist derzeit die Materie-Antimaterie-Asymmetrie erklärbar.

Tom schrieb:

Insbs. gibt es bisher keine Hinweise auf die Supersymmetrie,…

Nunja, es gibt Indizien:
Indiz 1: laufende Kopplungen bzw. Hierarchieproblem
Indiz 2: Existenz Dunkler Materie, was mit dem leichtesten SUSY-Teilchen (LSP) assoziiert sein könnte.

LHC will tell…

Tom schrieb:

Zentraler Kritikpunkt bzgl. (2) ist die fehlende Hintergrundabhängigkeit der Stringtheorie.

Vergleiche unsere Diskussion zur topologischen Stringtheorie, bei der versucht wird Hintergrundunabhängigkeit in den Stringtheorien zu gewährleisten.

Tom schrieb:

Aufgaben für die Stringtheorien…Reproduzierung des heute bekannten Standardmodells…

Die Stringtheorien stellen erstaunliche Analogien zur QCD her. Dazu möchte ich auf eine andere Diskussion verweisen, in der ich ein wenig versucht habe, die positiven Seiten der Stringtheorien darzustellen: http://abenteuer-universum.de/viewtopic.php?t=296 mit dem Titel „Bedeutung der Stringtheorien“ in der Kategorie „Grenzbereiche“, mein Beitrag vom 21.11.2006 22:02 (insbesondere mein Punkt 2).

Tom schrieb:

Aufgaben für die Stringtheorien… Vorhersage neuer, testbarer (falsifizierbarer) Phänomene, die über das Standardmodell hinausgehen
…

Sie sagen die Existenz von Extradimensionen, für die es bei den LHC-Experimenten sicher neue Einschränkungen (in Anzahl der Extradimensionen und ihres Kompaktifizierungsradius) geben wird.

Gruß,
Ray

[tomS]

Hallo Ray,

danke für deine ausführliche und kritische Antwort. Ich gebe mir Mühe, Stellung zu beziehen.

Zur Anmerkung

Man hat sich also von einer eindeutigen Theorie der Wechselwirkungen verabschiedet, weswegen (2) eher im Vordergrund stehen sollte.

Sowie Rays Aussage

Kann ich nicht bestätigen. Ich glaube, dass diese Trends ganz davon abhängt, wen bzw. welche Community man fragt.

Ray hat teilweise recht, die Gravitations-Comunity hat zu einer Vereinheitlichung der WWs wenig bis gar nichts zu sagen, bei der String-Community sieht das anders aus. Ich wollte auch nicht die Vereinheitlichung grundsätzlich in Abrede stellen, der Satz müsste besser lauten

Man hat sich also von einer eindeutigen Theorie der Wechselwirkungen verabschiedet, weswegen (2) eher im Vordergrund stehen sollte.

Damit meine ich, dass die Stringtheorie ggw. nicht in der Lage ist (und dies auch zugibt), eine eindeutige vereinheitlichte Theorie zu konstruieren, sondern eher ein Framework vereinheitlichter, zunächst gleichwertiger Theorien. Eine davon sollte das uns bekannte Standardmodell sein. Wie man dies erreicht, ist ein anderer Punkt (s.u.). Richtig ist auch, dass es sicher keine Trendwende gibt, sondern eben einen zweite Community mit anderen Prioritäten.

Ray schreibt

Der Fairness halber muss man eingestehen, dass weder das eine (Stringtheorien), noch das andere (Quantengravitationstheorien wie die Loopquantengravitation) klare experimentelle Evidenzen aufweisen kann, die die jeweilige Theorie überzeugend stützen.

Dem stimme ich zunächst zu. Trotzdem behaupte ich, dass die Stringtheorie hier im Hintertreffen ist, und zwar aus zwei Gründen:
(a) sie ist mit einem weit größeren Anspruch angetreten, und kann ihn (noch) nicht erfüllen
(b) sie führt bei weitem mehr theoretischen Ballast ein, ohne jedoch für diesen Ballast Beweise vorzulegen (mit Ballast meine ich z.B. die Extradimensionen).

Meine Aussage

Wichtig ist, dass es keinerlei Experimente gibt, die (1) fordern

lehnt Ray ab, mit dem Hinweis auf die „Materie-Antimaterie-Asymmetrie“ und die „laufenden Kopplungskonstanten“ und dem GUT-Regime.
Ray hat Recht, diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass es hier jenseits des Standardmodells noch was zu entdecken bzw. zu erklären gibt. Fakt ist aber, dass dies nur philosophische Aspekte sind. Es könnte durchaus sein, dass sich die drei Kopplungskonstanten eben nicht genau in einem Punkt treffen und dass die starke WW nicht mit der elektroschwachen vereinheitlicht wird – auch wenn ich das persönlich nicht glaube.
Es sind also keine harten experimentellen Fakten, die einen dazu zwingen, nach neuen Modellen Ausschau zu halten, sondern eher die Forderung nach mathematischer und/oder physikalischer Eleganz und Einfachheit. Dieses Prinzip hat sich immer wieder bewährt: wenn eine Theorie zuviel Ballast mit sich herumschleppt, um Sonderfälle zu erklären, dann ist es Zeit, nach einer erweiterten und doch gleichzeitig „einfacheren“ Theorie zu suchen.
Ich glaube nur nicht, dass die heute vorliegenden Alternativen (MSSM, Superstringtheorie) diese Forderung nach größerer Einfachheit erfüllen: das MSSM hat ca. 120 statt ca. 20 freier Parameter, die Superstringtheorie zunächst 10^500 Lösungen, von denen jede als Kandidat für eine effektive Theorie bei niedrigen Theorien in Frage kommt.

Rays Antwort zu meiner Aussage bzgl. den Extradimensionen, Dualitäten, Branen usw.

Du vergisst bei der hier formulierten Kritik, dass Extradimensionen und Branen dadurch motiviert sind, dass sie Dinge erklären, die ansonsten schwierig zu verstehen sind. Dazu gehört das Hierarchieproblem

Kann ich teilweise zustimmen. Das Hierarchieproblem wird durch bestimmte Branenmodelle tatsächlich erklärt, für mich ist dies jedoch nicht einfach oder elegant.
Sämtliche Branenmodelle gehen davon aus, dass es entweder weitere Branen gibt, die sich ähnlich der unsrigen verhalten, die aber nur sehr indirekt (über die Gravitation) „beobachtbar“ sind, oder dass es nur unsere Bran gibt, dass aber die Metrik im Bulk einen sog. Warp-Faktor erhält, der so konstruiert wird, dass er die Ausbreitung der Gravitation im Bulk geeignet beeinflusst.
Nun zu meiner Kritik: ja, es ist richtig, dass das Hierarchieproblem bisher nicht einfach erklärbar ist. Aber man vergleiche bitte folgende Aussagen bzgl. ihrer „Einfachheit“:
(a) Die Gravitationskraft ist um Größenordnungen schwächer als alle anderen bekannten Kräfte, leider weiß ich nicht, warum.
(b) Die Gravitationskraft schwächer, weil der uns umgebende Raum nicht drei, sondern neundimensional ist, und sich die Gravitation in den neun Dimensionen ausbreitet, die anderen Kräfte jedoch nicht. Die neun Dimensionen haben außerdem einen Warp-Faktor in der Metrik, der garantiert, dass man auf bestimmten Längenskalen trotzdem effektiv wieder drei statt neun Dimensionen sieht, und somit wieder das bekannte r^-2 Verhalten gilt.
Ich bestreite, dass (b) einfacher ist als (a) – aber das ist natürlich Geschmacksache.

Der Fairness halber muss man sagen, dass sämtliche Modelle (RS, ADD, DGP) aus einer phänomenologischen Sicht an die Dinge rangehen: die Leute versuchen, durch die Stringtheorie motiviert, Modelle zu bauen, um physikalische Vorhersagen machen zu können. Dass dies so kompliziert ist, kann man RS, ADD und DGP nicht anlasten, sondern dies geht zu Lasten der zugrundeliegenden Theorie. Immerhin versuchen diese Leute, die uns umgebende Welt zu erklären – während viele andere Stringtheoretiker nur konstatieren, dass dies mittels der Stringtheorie möglich ist, ohne jedoch den Beweis anzutreten. Insofern muss man RS, ADD und DGP Respekt zollen!

Zu meiner Aussage bzgl. der 120 Parameter im MSSM und Rays Bestätigung, dass

... Multi-Parameter-Theorien problematisch sind. Man kann mit ihnen alles fitten

.
Ein Prof. von mir hat mal gesagt „mit sechs Parametern kannst du auch einen Elefanten fitten!“ (es ging um nicht-relativistische Quarkmodelle und den Fit der Hadron-Massen in diesen Modellen). Ray und ich sind uns an der Stelle einig.
Nun kommt der springende Punkt in der Stringtheorie. Sie verspricht zunächst, mit diesen Parametern aufzuräumen, sie führt im Wesentlichen nur zwei Parameter ein, nämlich die Stringspannung und die Kopplungskonstante (welche sich dann aus dem Vakuumerwartungswert für das Dilatonfeld ableiten lässt) – also nur ein freier Parameter. Das Problem ist nun, dass stattdessen die Geometrie der kompaktifizierten Dimensionen dynamisch wird (Stichwort Moduli) und man sich die Landscape = 10^500 Lösungen der Theorie einhandelt. Man muss nun nicht mehr erklären, warum sich der liebe Gott genau 120 bestimmet Parameterwerte ausgesucht hat, sondern warum er sich eine dieser 10^500 Lösungen ausgesucht hat – das ist für mich kein wirklicher Fortschritt. Was mir hier fehlt ist ein physikalisches, dynamisches Prinzip, das eine bestimmte Gruppe von Lösungen zumindest plausibel macht. Vergleiche die Situation in der QCD: niemand ist in der Lage, die Gleichungen exakt zu lösen, trotzdem gibt es zig verschiedene Ansätze, die das Phänomen des Confinement plausibel machen (Supraleiteranalogie / Dual-Meissner Effekt, Instantons und Merons, Lattice-QCD, effektive Theorien basierend auf Pfadintegralen).

Zu meiner Anmerkung

Außerdem muss eine Lösung dafür gefunden werden, dass nach bisherigen Beschreibungen die Information der ins schwarze Loch stürzenden Materie vernichtet wird. Dies ist nach der Quantenmechanik unzulässig.

und Rays Einwand

Gut, aber mehr sagt welche Theorie „dominant“ ist bzw. sind Erhaltungssätze so „heilig“, dass sie immer und uneingeschränkt gelten?

Ich gehe hier davon aus, dass die „Erhaltung der Information“, oder technisch ausgedrückt die Feststellung, dass eine unitäre Zeitentwicklung niemals einen reinen in einen gemischten Quantenzustand überführt immer gültig bleibt. Ich setze also voraus, dass dieses Gesetz der Quantenmechanik tatsächlich fundamental ist und dass alle Ansätze es respektieren sollten; ich denke, da sind sich die wesentlichen Communities auch einig: keine (mir bekannte) versucht, eine Alternative oder eine Erweiterung zur Quantenmechanik zu konstruieren, die eine nicht-unitäre Zeitentwicklung vorsieht.

Zu Rays Anmerkungen bzgl. Indizien zur Supersymmetrie

Indiz 1: laufende Kopplungen bzw. Hierarchieproblem
Indiz 2: Existenz Dunkler Materie, was mit dem leichtesten SUSY-Teilchen (LSP) assoziiert sein könnte.

Ja, dem stimme ich zu; ich kann mir gut vorstellen, dass die Supersymmetrie dafür die Lösung sein könnte. Eine Anmerkungen dazu: wenn sie entdeckt wird, ist das noch keine Bestätigung der Stringtheorie.

Zu deinem Beitrag „Bedeutung der Stringtheorien“ in der Kategorie „Grenzbereiche“ vom 21.11.2006 22:02 (leider in einem anderen Thread – deswegen nur

1) AdS/CFT-Korrespondenz

und

2) Mit Stringtheorien kann das Regime starker Kopplung der Quantenchromodynamik (QCD) berechnet werden

Ja, das ist eine Riesenüberraschung! Einige offene Punkte: zum einen ist diese Korrespondenz meines Wissens nach nur für bestimmte Grenzfälle bzw. Näherungen bewiesen, zum zweiten ist sie nur für bestimmte Klassen von Raum-Zeit diskutiert worden, noch nicht für ein realistisches Universum, zum dritten ist die 4D-QCD (Yang-Mills-Theorie) leider eine SUSY-Version, d.h. noch nicht die uns bekannte QCD. Aber, ja! Das ist schon eine gewaltige Erkenntnis.
2) ist ja nun eine Anwendung von 1) Es ist interessant, dass die Stringtheorie hier wieder als eine Art effektive Theorie zur QCD (wiederum die SUSY-Version!) verwendet wird, wenn auch anders motiviert als effektive Theorien üblicherweise. Die Aussage ist ja nicht, dass die Stringtheorie die fundamentalere ist, sondern dass es sich um eine duale bzw. effektive Beschreibung der QCD handelt. Evtl. ist das die wesentliche Erkenntnis: Stringtheorie(en) und Eichtheorie(en) ergänzen sich bzw. sind dual zueinander. D.h. keine von beiden ist wirklich die fundamentalere. Wenn man das ernst nimmt, dann steht die eigentliche Revolution noch bevor.

4) Die Stringtheorien erklären elegant die Massen und Spins im Teilchenzoo.

Nein, dem widerspreche ich vehement! Die Stringtheorie sagt zunächst voraus, dass die leichtesten Teilchen sämtlich masselos sind, höhere Massen sind dann von der Größenordnung der Planck-Masse. D.h. dass alle uns bekannten Teilchen letztlich den zunächst masselosen Teilchen entsprechen, die teilweise (nicht die Eichbosonen) über noch zu diskutierende Mechanismen Massen erhalten, die klein gegenüber der Planck-Masse sind. Genau diese Massen erklärt die Stringtheorie meines Wissens nicht!

Zu deiner Aussage, dass die Stringtheorien testbare (falsifizierbare) Phänomene vorhersagen

Existenz von Extradimensionen, für die es bei den LHC-Experimenten sicher neue Einschränkungen (in Anzahl der Extradimensionen und ihres Kompaktifizierungsradius) geben wird.

Meine Erwartungshaltung ist, dass man am LHC keinen Hinweis auf große Extradimensionen finden wird (das ist meine persönliche Meinung). Gut, was sagt dies über die Stringtheorie aus? Zunächst mal nur, dass man es eben mit kleineren Extradimensionen bzw. sogar mit den ursprünglichen Calabi-Yau-Kompaktifizierungen versuchen muss. D.h. dass es eben keine „einfache“ Lösung für das Hierarchieproblem gibt (s.o.), dass aber die unbeobachtbaren Konsequenzen der Theorie weiterhin nicht ausgeschlossen werden können.
Was mir fehlt ist eine wirklich „einfache Aussage“. Vergleiche doch mal mit der Situation zum Higgs-Boson. Hier ist die Situation klar: wenn es am LHC nicht gefunden wird, ist es Essig mit dem Standardmodell so wie wir es kennen! Die Theorie muss an wesentlichen Stellen völlig überarbeitet werden. Ich wünsche mir von der Stringtheorie ähnliche Vorhersagen.

Zusammenfassung:

Ich stimme Ray in wesentlichen Punkten zu, bin an einigen Stellen übers Ziel hinausgeschossen. Insbs. bei der der Supersymmetrie kann ich mich mit seinen Argumenten durchaus anfreunden. Beim Hierarchieproblem bzw. der Lösung mittels Branenmodellen und Extradimensionen bin ich eher skeptisch, ich bin nach wie vor davon überzeugt, dass da noch nicht die endgültige Formulierung gefunden ist.

Eine grundsätzliche Fragestellung zu den Extradimensionen: In der Stringtheorie entstehen die Einsteingleichungen für den vollen Metriktensor (in 10 Dimensionen) als Konsistenzbedingung. Insofern enthält die Stringtheorie die ART für den klassischen Raum-Zeit Hinterrund.
Frage: Sind denn die „Lösungen“, die man verwendet (Minkowski + Calabi-Yau, Minkowski als Bran + Extradimensionen, etc.) mal hinsichtlich ihrer Stabilität untersucht worden? Was passiert, wenn man die Singularitätentheoreme von Penrose und Hawking darauf anwendet? Findet man evtl., dass diese Lösungen ebenfalls Singularitäten entwickeln und dass damit die Singularitätenfreiheit wieder zerstört wird?

Nochmal zu meinen Aufgaben für die Stringtheorie. Klar, daran wird gearbeitet, und es gibt einige Ansätze, ich denke aber, man ist noch sehr weit von der endgültigen Lösung entfernt. Insbs. fehlt die Identifizieren der fundamentalen Prinzipien und Aufstellung der fundamentalen Gleichungen sowie exakte Beweis einiger (gut begründeter!) Vermutungen.

Wenn ich eine Vermutung anstellen darf, in welcher Richtung man die wesentlichen Fortschritte finden wird: Stringtheorie als duale Beschreibung von supersymmetrischen Eichtheorien, nicht unbedingt fundamentaler als diese. Hier steht meines Erachtens noch eine dritte Revolution aus.

Zum Abschluss: ich habe die Stringtheorie Ende der 80iger kennengelernt, also noch vor der zweiten Superstringrevolution. Damals war sie mir ziemlich sympathisch. Es war eine großartige Idee mit einem enormen Anspruch und einem relativ klaren Bild bzgl. gelöster Probleme und offener Punkte. Ich wünsche mir, dass man in vielleicht zehn Jahren wieder ein ähnliches Bild hat. Die Theorie ist tatsächlich viel zu interessant und reichhaltig, um einfach falsch zu sein!

[Ray Light]

Nabend Tom,

ich danke Dir, dass Du Dir die Zeit für diese ausführliche Diskussion nimmst, deren Verlauf und Inhalt ich sehr schätze. Bevor das in eine Zitate-Schlacht ausartet, stelle ich mal zusammenfassend fest:

Ich vermute das viele Vorurteile gegenüber „den Stringtheorien“ bzw. „den Stringtheoretikern“ durch schlechten Wissenschaftsjournalismus entstanden sind. Die Stringtheorien werden seit Jahren in den Medien als eierlegende Wolfmilchsau verkauft, was natürlich irgendwann unglaubwürdig wird, wenn bedeutende Erfolge ausbleiben. Ich kenne einige Stringtheoretiker persönlich und auch deren Forschungsarbeit. Das sind besonnene Leute, die sehr sorgfältig das Pro und Kontra ihrer Forschung abwägen und auch selbstkritisch sind. Sie wollen nicht die Welt für dumm verkaufen und zum Glauben an ein Theory-of-Everything-Phantom bewegen, sondern sie wollen ihre String-Modelle mit experimentellen Fakten untermauern.

Meines Erachtens werden da schon Fortschritte bzw. interessante Erklärungsansätze gemacht, von denen ich auch einige genannt habe (Quantisierung der Gravitation mit einem tensoriellen Eichboson, Vereinheitlichung der Kräfte, Lösung des Hierarchie-Problems, Erklärung des Urknalls, AdS/CFT-Korrespondenz, Analogien zur QCD, Bekenstein-Hawking-Entropie wie in anderen Theorien etc.)

Tom, in zwei wesentlichen Punkten schwächelt Deine Argumentation:
I) Du konntest mir keine alternative Lösung für das beobachtete Hierarchie-Problem (d.h. die Schwäche der Gravitation gegenüber den anderen drei Kräften) nennen. Die stringtheoretischen Modelle mit Extradimensionen, mit Bulk-Bran-Konfigurationen bieten hier Lösungen an. Warum sollte man sie nicht erforschen, wenn sie Lösungen versprechen?
II) Du widersprichst vehement, dass die Stringtheorien Massen und Spins der Teilchen erklären. Ich kann gerne diesen Punkt recherchieren. Mich würde es nicht wundern, wenn die Stringtheorien absolute Teilchenmassen nicht vorhersagen könnte, weil das vermutlich diejenigen Parameter sind, die gemessen werden müssen. Allerdings erinnere ich mich da an eine Veröffentlichung, die zumindest die Massenverhältnisse bestens reproduziert. Ich finde, dass das schon ein Anfang ist.
Ich möchte daran erinnern, dass im sehr erfolgreichen Standardmodell der Teilchenphysik (SM) die Massen nur mit dem Higgs-Mechanismus erklärt werden können. Das Higgs-Boson wurde jedoch noch nicht gefunden. In dieser Hinsicht weisen sowohl SM, als auch Stringtheorien dieselbe Unzulänglichkeit auf.

Ich kann daher meine Aussage nur wiederholen, die ich hier im Forum schon formuliert habe und zu der ich nach wie vor stehe:

Was wollen wir eigentlich? Stringser dissen, weil es en vogue ist oder alle Möglichkeiten ausschöpfen, die uns die moderne (und insbesondere hier theoretische) Forschung bietet?

Gruß,
Ray

[tomS]

Hallo Ray,

Zu meinen Vorbehalte bzgl. der Stringtheorie hier keine weiteren Anmerkungen - sonst verlieren wir uns in Details. Hier nur soviel: ich kenne nicht nur die Darstellungen in den Medien sondern lese auch Orginalveröffentlichungen in hep-th und gr-qc. Ich habe auch selbst an Themen zur QCD gearbeitet und weiß prinzipiell, wie man Physik betreibt ich habe also schon eine eigene Meinung.

Ich bezweifle nicht, dass die Stringtheoretiker sehr sorgfältig arbeiten (allein die Tatsache, dass sie daran arbeiten und ich nicht zeigt, dass sie das Thema besser verstehen als ich).

In Summe haben ich kein Problem damit, dass die Theorie noch nicht "fertig" ist; das Problem ist, dass für die Stringtheorie aufgrund des eigenen Anspruchs die Messlatte einfach höher liegt. Sie muss grundsätzlichere Probleme lösen als andere Theorien, sie kann sie nicht auf eine andere Theorie oder auf später verschieben! Bisher ist sie genau dies schuldig geblieben: Sie ist noch keine echte Theorie mit einer Gleichungen (wie z.B. in der ART die Einstein-Hilbert-Wirkung) und einigen fundamentalen Prinzipien. Sie liefert eher ein Netz an Theorien / Versionen, Ergebnissen, Vermutungen, Näherungen usw. (siehe in den technische Anmerkungen).

Ich versuche immer wieder sowas wie einen objektiven Statusbericht zu bekommen (Status, Fortschritte / neue Erkenntnisse, offene Probleme). Ich finde dazu nichts - bin ich zu blöd???
Hier stimmen wir glaube ich überein: der Status einerseits und die Darstellung in den Medien andereseits passen nicht zusammen (die Medien kommen aber nicht von sich aus auf diese Darstellungen). Ich denke, es geht wie so oftum das liebe Geld.

Zu den von dir genannten Fortschritten: zu einigen habe ich eine andere Meinung, aber darüber haben wir ja im letzten Beitrag schon diskutiert, also werd' ich das hier nicht nochmal wiederholen.

Zu dem von dir genannten Schwachpunkt meiner Argumentation bzgl. einer alternativen Lösung für das beobachtete Hierarchieproblem:
Ich habe tatsächlich keine alternative Idee (hab ich ja auch nie gesagt).
Ich streite nur ab, dass die Idee der Extradimensionen mit allen zusätzlichen Annahmen tatsächlich einfach ist!
Der Vollständigkeit halber: die Ideen von RS wurden zwar von der Stringtheorie inspiriert, sie benötigen diese aber nicht unbedingt, d.h. RS funktioniert auch ohne Strings. Das ist so wie bei der Supersymmetrie: wenn man diese findet, ist das zwar ein Hinweis aber noch keine Bestätigung der Superstringtheorie.

Zu den Spektrum der Elementarteilchen:
Ich gebe zu, dass das SM diese alle postiulieren muss (genauso wie einige andere Parameter).
Ich habe nie gehört, dass eine Kompaktifizierung der Stringtheorie die Eichsymmetrien SU(2)*U(1) sowie SU(3) sowie die SU(3) Flavoursymmetrie sowie die drei Generationen reproduziert; ich kenne nur Aussagen, dass dies mit Calabi-Yau Räumen prinzipiell möglich sein sollte. Ohne einen derartigen Calabi-Yau Raum gefunden zu haben (d.h. ohne die Symmetriegruppe des SM), kann man aber auch keine Massen ausrechnen.
Ich glaube nicht, dass du da weiter suchen musst, wenn es dieses Ergebnis gäbe, dann könntest du es auch in der New York Times lesen!
Zum Higgs-Mechanismus im SM: Damit kann man tatsächlich die Werte der Vektorbosonmassen vorhersagen; man kann auch einen Mechanismus kosntruieren, wie die Femionen Masse bekommen, man kann die Werte für die Fermionmassen und die Higgsbosonmasse jedoch nicht vorhersagen. Statt der unbekannten Massen handelt man sich unbekannte Kopplungskonstanten ein. Und ja - das Higgs ist nicht gefunden.

Zu dem, was wir wollen / sollen (bzw. was die Stringtheoretiker sollen) hier nochmal ein paar grundsätzliche Ideen:
1) Identifizieren der fundamentalen Prinzipien und Aufstellung der fundamentalen Gleichungen.
2) Beschreibung des gesamten Lösungsraumes als dynamische Einheit sowie Beschreibung der Zusammenhänge sowie Ableitung der bekannten Versionen der Theorie aus den dynamischen Prinzipien.
3) Ableitung oder zumindest Motivation oder Eingrenzung der möglichen bzw. erlaubten Theorien inkl. Reproduzierung des heute bekannten Standardmodells oder möglicher Erweiterungen.

Zur Erklärung:
zu 1) jede relevante Theorie des letzten Jahrhunderts war wie folgt aufgebaut: eine Wirkung mit globalen und lokalen Symmetrien; darin fundamentale Objekte (Felder) definiert über einer Mannigfaltigkeit, Raumzeit o.ä.; daraus abgeleitet Gleichungen, die zulösen sind, sowie Erhaltungsgrößen etc.
Begleitend ein grundsätzliches Verständnis über Bedeutung der Objekte, der Formulierung und die prinzipielle Vorgehensweise.
Ich fordere nicht, dass die Theorie genauso aufgebaut ist, wie bisherige Theorien, aber sie muss wenigstens einen eindeutigen Aufbau haben. Heute sind es manchmal Strings, machmal Branen, manchmal ist es nur eine duale Beschreibung zu einer Eichtheorie.
zu 2) bisher ist keine Stringtheorie in der Lage, den gesamten Lösungsraum abzudecken; jede beschreibt einen bestimmten Sektor, der u.a. durch die Wahl der klassischen Geometrie vorgegeben wird. Eine vollständige Theorie muss die Zusammenhänge zwischen diesen Sektoren dynamisch erklären.
Beispiel: vor Newton war die Bewegung von Planeten und Äpfeln etwas grundsätzlich verschiedenen; mit Newton gab es eine fundamentale Gleichung F = m*a (das ist 1) sowie ein Verständnis für die verschiedenen Lösungen (das ist 2); wenn man eine Apfel kräftig genug wirft, wird er sich wie ein Planet um die Sonne bewegen - das ist die zentrale Erkenntnis durch Newton :-)
zu 3) die Theorie muss ihrem ursprünglichen Ansatz gerecht werden und zumindest einen eingeschränkten Lösungsraum produzieren, der das Standardmodell motiviert oder sogar selektiert.
Beispiel: Hätte Newton nur gesagt, "Planeten bewegen sich entlang von Linien; Ellipsen sind auch Linien, also können sich Planeten auf Ellipsenbahnen bewegen", dann hätte seine Theorie sicher keinen Erfolg gehabt. Wichtig war eben das dynamische Prinzip, und die daraus abgeleitete Aussage, auf welchen Linien sich Planeten nicht bewegen!