Einleitung
Auch wenn diese Seite Ihnen viel Wissen über die String-Theorie bereitstellt, so dachten wir, sollten Sie als rundenden Abschluss auch einmal Meinungen und Gedanken von Leuten kennen Lernen, die Ihr Leben mit der String-Theorie verbinden.
Dr. Sunil Mukhi
Was sind die neuesten Entwicklungen in der String-Theorie bzw. M-Theorie?
(i) Die Entdeckung von sog. „D-Branes“, dynamische Objekte, die wie Membranen ausgebreitet sind und die nach der String-Theorie notwendigerweise existieren müssen. Sie sind ein mächtiges Werkzeug um die String-Theorie fernab von approximierten (angenäherten) Lösungen zu untersuchen.
(ii) Die Idee, dass verschiedene Raumrichtungen im Gegensatz zu normalen Zahlen nicht durch Multliplikation ineinander umgewandelt werden können. Dies erweitert unser Verständnis des physikalischen Begriffs von Raum.
(iii) Tachionenkondensation – Der Umstand, dass instabile Objekte in der String-Theorie (zum Beispiel manche Arten von D-branes) ein Tachion tragen kann zu der Beschreibung von Zerfallsprozessen herangezogen werden.
Warum sind so in der String-Theorie interessiert?
Die Schönheit und Eleganz ihrer Struktur und ihre Berührung als zugrunde liegende Theorie von allem, was wir kennen, deutet darauf hin, dass sie die größte jemals gemachte Entdeckung über die Gesetze der Natur sein könnte.
An was arbeiten Sie zurzeit?
Ich untersuche die Rolle von nichtapproximierten Effekten in einigen vereinfachten Stringmodellen.
Wie stellen Sie sich die Zukunft der String-Theorie vor?
Es wird viel Zeit brauchen und viele Hoch und Tiefs durchleben bevor es irgendwann ihren Platz als eine bestätigte Theorie findet. Fortgeschrittenere Experimente, zum Beispiel neue Teilchenbeschleuniger oder Untersuchungen über den Kosmos, werden dabei eine wichtige Rolle spielen.
Finden Sie, dass in physikalischen Kreisen die String-Theorie als legitime Theorie anerkannt wird?
Ich glaube, dass sie anerkannt ist, aber es gibt viele Leute außerhalb der String-Theorie die glauben, dass die Aufregung zum gegenwärtigen Zeitpunkt zu groß ist, da sie noch weit entfernt von einer experimentellen Verifizierung steht.
Wie kommt man dazu, sich auf professionellem Wege mit der String-Theorie zu beschäftigen?
Das ist ein linearer Prozess – es gibt einfach keine Möglichkeit als Quereinsteiger in eine solch komplexe Theorie zu kommen. Zuerst muss man sein Studium der Physik abgeschlossen haben, wobei man dabei seinen Fokus auf elementare Teilchenphysik und Quantenmechanik gelegt haben sollte. Auch ein fortgeschrittenes Studium der Mathematik kann nicht schaden. Wenn man dann seinen Abschluss als Master of Physics gemacht hat, so hat man schon ein recht gutes, wenn auch nicht vollständiges, Bild der zugrunde liegenden Prinzipien.
Die String-Theorie arbeitet in zehn Dimensionen. Wie können wir uns diese zusätzlichen Dimensionen vorstellen? Gibt es irgendeinen Weg, diese wie unsere bekannten vier Dimensionen zu „fühlen“?
Diese zusätzlichen Dimensionen sind auf kleinstem Raum aufgerollt und entziehen sich deshalb den menschlichen Sinnesorganen. Man darf allerdings nicht vergessen, dass Elementarteilchen ebenfalls nicht durch uns direkt zu „erfahren“ sind. Aber es gibt in beiden Fällen indirekte Methoden sie zu beweisen. Die Detektion (eines Teilchens oder einer Dimension) kann durch die Untersuchen eines Testteilchens geschehen. Wenn es zusätzliche Dimensionen gibt, so wird ein Textpartikel diese durchqueren und dass können wir messen, wenn wir danach die Geschichte des Teilchens rekonstruieren.
Wie hat man herausgefunden, dass die String-Theorie zehn bis sechsundzwanzig Dimensionen benötigt – wären drei Dimensionen nicht genug?
Die String-Theorie ist in Dimensionen kleiner als zehn aufgrund von Quantenanomalien inkonsistent [fehlerhaft, Anm. d. Ü.], ein mathematischer Effekt, der die Quantentheorie inkonsistent macht, auch dann, wenn die klassische Physik in diesen Fällen konsistent ist. Solche Anomalien entstehen durch hohe Divergenzen bei dem Versuch, die Gesetze der Quantenmechanik auf größere Objekte anzuwenden.
Warum war die Verbindung von Allgemeiner Relaitivitätstheorie und Quantenmechanik so ein großes Problem?
Dies ist wiederum ein Problem der Quantenfeldtheorie, eine substantielle Inkonsistenz wenn man versucht, die gut bekannten Gesetze der klassischen Mechanik aus der Allgemeinen Relativitätstheorie auf Größen im Quantenbereich anzuwenden. Dieses Problem ist eng verbunden mit dem Umstand, dass die Quanten der Relativitätstheorie, das Graviton, Teilchen mit dem Spin zwei sind im Gegensatz zu Quanten anderer Wechselwirkungen wie dem Photon, dass den Spin 1 besitzt. Aber die Wurzeln dieses Problems kann man nicht in normaler Sprache beschreiben, sie sind im Wesentlichen technischer Natur.
Glauben Sie, dass die String-Theorie eher eine philosophische oder wissenschaftliche Theorie ist, in Bezug auf die Kontroverse, dass die String-Theorie nicht experimentell bestätigt werden kann?
Sie ist nicht philosophischer Natur – sie versucht empirisch unsere reale Welt zu beschreiben.
Wie können wir die String-Theorie beweisen? Wird es in den nächsten hundert Jahren möglich sein?
Ich hoffe, dass es früher klappt. Aber wir werden sie sicher nie „beweisen“, wir können bestenfalls mehr und mehr ihrer Voraussagen bestätigen und daraus mehr und mehr sicherer werden, dass sie stimmt.
Abgesehen von der Möglichkeit, dass die String-Theorie die „Weltformel“ ist, wo liegt ihre bereits angesprochene Schönheit? Wie können wir wissen, dass die Welt der String-Theorie nicht in Wirklichkeit total langweilig und uninteressant ist?
Was die String-Theorie so schön macht ist die Ihr zugrunde liegende elegante Mathematik und die Beschreibung einer Welt die (im groben) wie unsere ist. Sie ist also sowohl von mathematischer als auch physikalischer Schönheit. Die Welt der String-Theorie hat bereits bewiesen, dass sie voll von beeindruckenden und unerwarteten Phänomenen ist, auch wenn wir noch nicht wissen, welche von Ihnen in unserer Welt Wirklichkeit sind. Es fühlt sich an wie ein Film, bei dem man bereits in den ersten zehn Minuten merkt, dass er fantastisch ist und jede weitere Minute immer fantastischer wird, nur dass dieser Film möglicherweise ein Jahrhundert andauert, ohne dass wir das Ende gesehen haben.
Glauben Sie, dass die String—Theorie die lang gesuchte „Weltformel“ ist? Wäre es nicht auch denkbar, dass wir für immer immer kleinere Strukturen, immer mehr Dimensionen und immer genauere Theorie entdecken?
Es gibt keinen Grund, warum es immer kleiner Strukturen geben sollte, nur weil es diese in der Vergangenheit gegeben hat. Die Natur vermeidet es, den gleichen Trick immer wieder zu benutzen, weil sie es hasst, langweilig zu sein. Ein ernsthafteres Argument ist, dass die Physik im Bereich der Quantengravitation (der so genannten „Plankschen Länge“ 10-35m) weitestgehend unbekannt ist, aber durch die String-Theorie vielleicht verstanden werden kann. Dann gibt es vielleicht keine Überraschungen mehr auf einem so fundamentalen Level, auf dem wir keine Notwendigkeit für noch kleinere Größer als der Plankschen Länge sehen.
Das würde nicht das Ende der Physik bedeuten, nur das Ende der Entdeckung der zugrunde liegenden Strukturen in ihr. Die Physik ist so komplex dass die Erkenntnis über diese Struktur uns allein kaum dabei hilft, irgendein praktisches Problem zu lösen – so wissen wir zum Beispiel immer noch sehr wenig darüber, wie das Gehirn arbeitet, auch wenn wir sehr sicher sind, dass es den uns bekannten physikalischen Gesetzen gehorcht.
Sunil Mukhi
26 August 2004
Dr. Michael Peskin
Wann haben Sie sich zum ersten Mal mit der String-Theorie beschäftigt?
Wie Sie vielleicht von Brian Greens Buch gelernt haben, begann die String-Theorie als eine Theorie der starken Wechselwirkung. Die „Veneziano Amplitude“, das erste Ergebnis der String-Theorie, wurde 1967 von Veneziano als Lösung eines Problems der starken Wechselwirkung niedergeschrieben. 1973 verstand man, dass die starke Wechselwirkung auf Quarks und Gluonen basierte, aber die String-Theorie war ein interessantes Paradigma für die Eingrenzung von Quarks in den Hadronen. Weil ich diesen Mechanismus sehr interessiert war habe ich viel Zeit damit verbracht, String-Theorie zu studieren, besonders bei der Rezession des Artikels von Joel Scherk (Reviews of Modern Physics, vol. 47, p. 123 (1975)).
In dieser Zeit haben Scherk und John Schwarz realisiert, dass die String-Theorie mehr Sinn als Theorie der Gravitation macht (besser, als Weltformel). Aber es hat eine lange Zeit gedauert, bis man die physikalische Gesellschaft davon überzeugen konnte. Auch ich habe das nicht akzeptiert, speziell auch nicht die notwendigen zusätzlich räumlichen Dimensionen, bis zur Veröffentlichung der Arbeiten von Polyakov 1981. Das war ein echter Durchbruch und regte ein ganz neues Forschungsgebiet an, dem ich mich man dann sehr viel gewidmet habe.
Auf was haben sie ihren Fokus bei Ihren Arbeiten mit der String-Theorie und der Quantenfeldtheorie gelegt?
Wie man aus meiner Webseite ersehen kann liegt mein Hauptinteresse auf der Frage, welche Gruppe von neuen fundamentalen Interaktionen man in neuen hochenergie Experimenten entdecken wird. Zurzeit haben wir die gravitationellen und elektromagnetischen Wechselwirkungen, die eine sehr hohe Bandbreite aufweisen, die starke Wechselwirkung, in den Gebieten von 10^{-13} cm, als auch den schwachen Wechselwirkungen bei ungefähr 10^{-16} cm. Die starken und schwachen Wechselwirkungen spielen dabei beide eine sehr wichtige Rolle in der Struktur der Atomkerne. Aus unserem Verständnis der schwachen Wechselwirkung lässt sich außerdem eine neue Wechselwirkung in dem Bereich von 10^{-17} cm folgern.
Diese Kräfte spielen keine große Rolle bei Quarks und Leptonen (zumindest nicht beim Elektron und den up- und down-Quarks aus denen unsere normale Materie besteht), aber sie sind wichtig für W und Z Bosonen und sind verantwortlich dafür, das diese Teilchen eine große Masse besitzen. Einige Leute denken, dass die Masse der W und Z Bosonen durch ein neues Teilchen, dem Higgs Boson, entsteht. Aber ich glaube, dass dieses Modell eines einzigen Higss Bosonen zu einfach ist und dass wir in Wirklichkeit ein ganz neues System von Teilchen und Kräften benötigen. Einige Annäherungen an dieses Problem benötigen eine ganz neue Gruppe starker Wechselwirkungen, neue Symmetrien wie die „Supersymmetrie“ oder zusätzliche Dimensionen über die normalen drei Dimensionen hinaus.
Unsere heutige Theorie der Quarks und Leptonen hat viele Mysterien: Warum haben wir sechs Quarks und sechs Leptonen? Warum haben Sie genau dieses und kein anderes Massenspektrum? Warum bewegen sich diese Teilchen über Vektorbosonen mit genau der Symmetriegruppe aus der starken und schwachen Wechselwirkung?
Die normale Quantenfeldtheorie kann uns keine Einsicht in die letztgenanntere Klasse von Problemen liefern. In der Quantenfeldtheorie können wir jede Anzahl von Quarks und Leptonen haben, jedes Massenspektrum u.s.w. Wie auch immer, die String-Theorie macht hier schon sehr viel genauere Aussagen, prinzipiell kann sie die Anzahl von Teilchen und ihrer fundamentalen Symmetriegruppe voraussagen. Ich selbst würde sehr gerne wissen, welche Sorte einer Teilchentheorie von der String-Theorie abgeleitet werden kann.
Die String-Theorie enthält darüber hinaus auch Supersymmetrie und zusätzliche Dimensionen. Das kann uns einen Einblick in das Verhalten und die Rolle dieser Elemente liefern.
Schlussendlich würde mich auch interessieren, wie der ultimative Formalismus der zugrunde liegenden String-Theorie aussieht. Von Brian Greenes Buch haben Sie gelernt, dass die Geometrie der Raumzeit eine abgeleitete Idee der String-Theorie ist. Ähnlich ergeht es auch den elektromagnetischen, starken und schwachen Wechselwirkungen, die selbst abgeleitete Lösungen der String-Gleichung der Bewegung sind. Doch was ist nun das zugrunde liegende Prinzip, auf dem sich die String-Theorie aufbaut? Wir wissen es nicht; das ist eins unserer ungelösten Probleme.
Benötigt die String-Theorie wirklich eine Mathematik, wie sie bis heute noch nicht entwickelt wurde? Wenn das so ist, wie lange glauben Sie, wird es dauern, bis diese Werkzeuge weit genug entwickelt sind?
Nach dem Science-Fiction Buch „Green Mars“ von Kim Stanley Robinsion, haben Wissenschaftler in der Mitte des 22. Jahrhunderts endlich die nötigen mathematischen Mittel, die String-Theorie korrekt zu lösen. Aber ich bin nicht so pessimistisch dass unsere heutigen Werkzeuge wirklich so schlecht sind. Aber es stimmt natürlich dass die String-Theorie sehr stark von der Mathematik abhängt, vor allem auf dem sehr neuen Gebiet der algebraischen Geometrie, dass noch immer in der Entwicklungsphase steht. Eine interessante Theorien in algebraischer Geometrie und algebraischer Topologie wurden durch die String-Theorie vorgeschlagen. Es gibt einige geometrische Probleme die nur Lösungen in der String-Theorie besitzen und sehr viel schwieriger in der „normalen“ Mathematik zu behandeln sind. Es gibt also durchaus Bereiche, in denen sich String-Theorie und Mathematik parallel zueinander entwickeln und sich gegenseitig beeinlussen.
Glauben Sie, dass die String-Theorie wirklich die Theorie von allem, die Weltformel ist?
Entweder ist sie die Theorie von allem oder die Theorie von garnichts.Glauben Sie, dass die String-Theorie eine echte Zukunft hat? Wie lange wird es wohl dauern, bevor die String-Theorie in den Lehrbüchern auftaucht?
Bevor die String-Theorie wirklich außerhalb der mathematischen Physik wahrgenommen werden wird müssen einige wichtige Aspekte der Theorie, zum Beispiel Supersymmetrie oder zusätzliche Dimensionen, in Experimenten entdeckt werden. Es wäre möglich, dass wir Zeichen von Quarks oder Leptonen finden könnten, die sich wie String verhalten könnten. Ich habe dazu einen Artikel geschrieben: Phys. Rev. D vo. 62, p. 055012 (2000), aber ich glaube nicht, dass es sehr wahrscheinlich ist. Aber wie auch immer, die Entdeckung dieser neuen Strukturen der Natur könnte schon 2008 Wirklichkeit werden, dem Jahr, an dem das LHC in CERN seine Arbeit aufnehmen soll.
Wie kann ein interessierter Schüler oder Person mehr über die String-Theorie lernen?
Barton Zweibach, Professor am MIT, hat dazu ein einführendes Lehrbuch geschrieben, dass gerade in der Campridge University Press erschienen ist.
Hier ist außerdem eine Liste von Amazon.com
http://www.amazon.com/exec...details
Ich hoffe dass sie nützlich ist.
Zur Supersymmetrie gibt es ein sehr bekanntes Buch auf einem relativ niedrigen Level von Gordon Kane,
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Für eine detailliertere Diskussion können Sie sich auch einen meine Artikel ansehen:
http://xxx.lanl.gov/abs/hep-ph/hep-ph/0212204
Dr. Sean Carroll
Warum sind Sie so in der String-Theorie interessiert?
In der Physik haben wir zurzeit zwei große und mächtige Theorien - das Standard Modell der Teilchen, aufgebaut auf die Quantenmechanik auf der einen Seite und auf der anderen Seite die Allgemeine Relativitätstheorie, die die Gravitation beschreibt. Leider sind diese beiden Theorie zueinander inkompatibel. Die größte ungelöste Frage der Physik ist die Vereinigung der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik. Die String-Theorie ist da der aussichtsreichste Kandidat.
Warum sind Sie so in der String-Theorie interessiert?
In der Physik haben wir zurzeit zwei große und mächtige Theorien - das Standard Modell der Teilchen, aufgebaut auf die Quantenmechanik auf der einen Seite und auf der anderen Seite die Allgemeine Relativitätstheorie, die die Gravitation beschreibt. Leider sind diese beiden Theorie zueinander inkompatibel. Die größte ungelöste Frage der Physik ist die Vereinigung der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik. Die String-Theorie ist da der aussichtsreichste Kandidat.
Wie sind Sie auf dieses Feld gestoßen?
Mein persönliches Interesse liegt in der Kosmologie, die Lehre über den Beginn des Universums. Am Anfang unsere Zeit, kurz nach dem Urknall, als das Universum noch sehr klein war, war sowohl die Allgemeine Relativitätstheorie als auch die Quantenmechanik sehr wichtig. Wir müssen deshalb die String-Theorie oder irgendetwas ähnliches verstehen, um den Urknall verstehen zu können.
Sehen Sie einen monumentalen Durchbruch in der String-Theorie allgemein oder in der M-Theorie in der nächsten Zeit?
Man kann einen monumentalen Durchbruch nicht vorhersagen. Wir können froh genug sein, in der kurzen Geschichte der String-Theorie schon einige Durchbrüche erreicht zu haben, die unser Verständnis der String-Theorie stark gesteigert haben. Was wir nicht haben sind direkt, detaillierte experimentelle Ergebnisse in Richtung der Quantengravitation, und es zeichnet sich auch nichts davon am Horizont ab. Solange wir ausschließlich auf die theoretische Arbeit angewiesen sind, wird es schwer sein, irgendwelche Fortschritte vorher zu sagen.
Was gehört dazu, um String-Theorie und Kosmologie nebeneinander zu studieren?
Wie ich es bereits oben gesagt habe, die Kosmologie und die String-Theorie brauchen sich gegenseitig. Genauso wie die Kosmologie die String-Theorie braucht, genauso braucht auch die String-Theorie die Kosmologie um voran zu kommen (zum Beispiel die Beschleunigung des Universums).
Glauben Sie persönlich, dass die String-Theorie die echte Weltformel ist oder ist sie eher ein Stein auf dem Weg zu einer noch größeren, vollkommeneren Theorie?
Das können wir nicht wissen. Die String-Theorie hat zumindest die Möglichkeit die Weltformel zu sein, da sie sowohl die Gravitation als auch die anderen Kräfte der Natur beschreibt. Aber vielleicht ist sie ja auch vollkommen falsch oder wirklich nur ein Stein auf einem langen, beschwerlichen Weg.
Wird die String-Theorie in der wissenschaftlichen Welt anerkannt?
Mit Sicherheit. Einige Physiker sind noch sehr skeptisch gegenüber der String-Theorie, andere dagegen wieder sehr optimistisch. Aber sie ist mehrheitlich akzeptiert, sonst würde man auch nicht String-Theoretiker an fast jeder guten Universität finden.
Ist die String-Theorie (oder M-Theorie) eine der größten Ideen der Menschheit, die dem Großteil der Bevölkerung vorenthalten wird? Wie glauben Sie, kann man die Leute über dass Potential dieser theoretischen Arbeit informieren?
Ich weiss nicht, was die größten Ideen sind und ich finde nicht, dass die String-Theorie wirklich versteckt ist. Es stimmt natürlich, dass die String-Theorie längst nicht so zugänglich ist wie verschiedene Themen aus der Biologie oder der Kosmologie. Aber das lässt sich vor allem auf die hohe Abstraktivität und die Mathematik zurückführen, die einen einfachen Einstieg für die breite Masse nicht zulässt. Brian Greene hat mit seinen Büchern und Filmen einen großartigen Job gemacht, aber es wird die Hilfe und Arbeit vieler Wissenschaftler benötigen, dieses Thema der breiten Masse verständlich zu machen.