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Zwei Theorien an einem Faden

03.08.2010
Könnten die Grundbausteine unseres Weltalls ebenso gut als Punkte wie als winzige Fäden beschrieben werden? Neue Belege dafür hat eine Forschungsarbeit des Lehrstuhls für Theoretische Physik III der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) geliefert, die in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Italien, Großbritannien, den USA und dem Albert-Einstein-Institut in Potsdam entstanden ist. Die Veröffentlichung erregte Aufmerksamkeit in der internationalen Fachwelt.

Schon vom Ansatz her sind die beiden Theorien eigentlich unvereinbar: einerseits Elementartteilchen ohne jede Ausdehnung im flachen Raum; andererseits eindimensionale Strings in einem Raum, der unter dem Einfluss von Schwerkraft gekrümmt ist. Dennoch gibt es den begründeten Verdacht über Querverbindungen zwischen den beiden physikalischen Betrachtungsweisen.

Eichtheorien sind Bestandteil des Standardmodells, mit der die moderne Physik außer der Schwerkraft alle Kräfte im atomaren und subatomaren Bereich erfolgreich beschreiben kann. Drei der vier Grundkräfte unserer Welt - der Elektromagnetismus, die schwache und die starke Kernkraft - beruhen auf Wechselwirkungen zwischen punktförmigen Elementarteilchen wie Quarks oder Elektronen. Der Zusammenhalt der Materie wird ebenso wie andere Prozesse in Atomen und Atomkernen vermittelt durch so genannte Austauschteilchen - Photonen und Gluonen (nach dem englischen Wort „glue“ für „kleben“). Eine andere Theorie geht stattdessen von winzigen vibrierenden und rotierenden Fäden, den Strings, als elementaren Bausteinen des Universums aus. Die Stringtheorie gilt als Kandidat für eine Quantentheorie der vierten Grundkraft, der Gravitation.

„Auf gewisse Art könnten Eich- und Stringtheorien zwei Seiten ein und derselben Medaille in der Beschreibung der Natur darstellen“, erklärt Michael Pawellek vom Lehrstuhl für Theoretische Physik III der FAU. Hinweise darauf hat die internationale Wissenschaftlergruppe in ihrer Arbeit gefunden: Sie konnte zeigen, dass die Bewegung von rotierenden Strings in einem gekrümmten Raum durch eine mathematische Besonderheit erfasst werden kann, die als Integrabilität bezeichnet wird. Damit war es möglich, bestimmte Eigenschaften, wie sie bisher nur von Eichtheorien bekannt waren, in einer rein stringtheoretischen Berechnung nachzuweisen.

Ein einzelnes Quark konnte noch niemals beobachtet werden, obwohl Streuexperimente an großen Teilchenbeschleunigern zeigen, dass Protonen und Neutronen aus jeweils drei Quarks bestehen. Ein konkreter rotierender String jedoch ist nun, mathematisch gesehen, „eingefangen“ worden. Der Nachweis einer „Dualität“ an diesem Einzelbeispiel lässt darauf hoffen, eine Vermutung des amerikanischen Physikers Juan Maldacena aus dem Jahr 1997 in voller Allgemeinheit beweisen zu können. Maldacena folgerte aus seinen Arbeiten, man könne mit Hilfe der Stringtheorie auch Probleme in Eichtheorien lösen, obwohl es auf den ersten Blick erstaunlich ist, mit diesem Instrument die Dynamik der Bausteine von Atomkernen beschreiben zu wollen.

Ein umfassender Beweis der Maldacena-Vermutung gilt inzwischen als eine der größten Herausforderungen der Theoretischen Physik, da sie die faszinierende Möglichkeit eröffnet, zwei grundlegende Probleme auf einen Schlag zu lösen. Zum einen ist der Mechanismus, der den Einschluss von Quarks im „Versteck“ des Atomkerns bewirkt, bisher nur ansatzweise im Rahmen der Eichtheorie verstanden. Zum anderen bereitet es den Physikern große Schwierigkeiten, die Gravitation in die Quantenwelt einzubeziehen. Albert Einstein beschrieb 1915 die Schwerkraft in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie als Krümmungseffekt des Raumes durch Massen. Bisher scheiterten jedoch alle Versuche, daraus eine Quantentheorie der Gravitation zu entwickeln. Für eine einheitliche Beschreibung der Naturkräfte und um solche geheimnisvollen Objekte wie Schwarze Löcher oder den Urknall zu verstehen, wäre dies aber notwendig.

Die Arbeiten der internationalen Forschergruppe führen auf diesem Weg ein Stück voran. Ein Artikel zu den Ergebnissen im Fachblatt Journal of Physics A wurde mit dem „IOP select“ Status ausgezeichnet. Beteiligt waren außer dem Erlanger Lehrstuhl das Physics Department, Salento University and INFN, Leece, Italien; das Department of Physics, University of Connecticut, Storrs CT, USA; das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Albert-Einstein-Institut, Potsdam und The Blackett Laboratory, Imperial College London.

Die Universität Erlangen-Nürnberg, gegründet 1743, ist mit 27.000 Studierenden, 550 Professorinnen und Professoren sowie 2000 wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern die größte Universität in Nordbayern. Schwerpunkte in Forschung und Lehre liegen an den Schnittstellen von Naturwissenschaften, Technik und Medizin in engem Dialog mit Jura und Theologie sowie den Geistes-, Sozial- und Wirtschaftswissenschaften. Seit Mai 2008 trägt die Universität das Siegel „familiengerechte Hochschule“.

Mehr Informationen:
Michael Pawellek
Tel.: 09131/85-27119
Michael.Pawellek@physik.uni-erlangen.de

Pascale Anja Dannenberg | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-erlangen.de

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