Brian Greene über die Stringtheorie

Im Jahr 1919 entwickelte ein nahezu unbekannter deutscher Mathematiker, namens Theodor Kaluza eine sehr mutige und, in gewisser Weise, auch ziemlich bizarre Idee. Er schlug vor, dass unser Universum mehr als die drei Dimensionen haben könnte, die wir alle kennen. Zusätzlich zu links, rechts, vor, zurück und hoch, runter, schlug Kaluza vor, dass es zusätzliche Raumdimensionen geben könnte, die wir aus irgendwelchen Gründen noch nicht sehen können. Wenn nun jemand eine mutige und bizarre Idee äußert, ist sie manchmal nur das, mutig und bizarr, aber sie hat nichts mit den Dingen um uns herum zu tun. Diese besondere Idee jedoch, obwohl wir noch nicht wissen, ob sie richtig oder falsch ist, und ich werde am Ende Experimente vorstellen, die, in den nächsten Jahren, zeigen können, ob sie richtig oder falsch ist, diese Idee hatte einen bedeutenden Einfluss auf die Physik des letzten Jahrhunderts und ist auch weiterhin eine Quelle für aktuellste Forschungen.

Ich möchte Ihnen also etwas über die Geschichte dieser Extra-Dimensionen erzählen. Wo fangen wir an? Für den Anfang brauchen wir etwas Hintergrundwissen aus dem Jahr 1907. Dies ist das Jahr, als sich Einstein im Ruhm der Entdeckung der speziellen Relativitätstheorie sonnt und sich für ein neues Projekt entscheidet, um zu versuchen, die bedeutende, allgegenwärtige Kraft der Gravitation vollständig zu verstehen. In jener Zeit gab es viele Leute, die dachten, dass dieses Projekt bereits erledigt wäre. Newton hatte im späten 16. Jahrhundert der Welt eine Theorie der Gravitation gegeben, die gut funktioniert, die Bewegung der Planeten erklärt, die Bewegung des Mondes und so weiter, und die Bewegung zweifelhafter Äpfel, die von Bäumen fallen und auf den Köpfen der Leute landen. All dies kann mit Newtons Arbeit erklärt werden.

Aber Einstein bemerkte, dass Newton etwas offen gelassen hatte, denn selbst Newton hatte geschrieben, dass er zwar verstanden hat, wie man die Effekte der Gravitation berechnet, er aber nicht in der Lage sei, zu verstehen, wie sie wirklich funktioniert. Wie kann es sein, dass die Sonne, 149 Millionen Kilometer entfernt, irgendwie die Bewegung der Erde beeinflusst? Wie kann die Sonne leeren, toten Raum überwinden und Einfluss ausüben? Und dies ist die Aufgabe, die sich Einstein gestellt hat: Herauszufinden, wie die Gravitation funktioniert. Lassen Sie mich Ihnen zeigen, was es ist, das er fand. Einstein fand heraus, dass das Medium, das die Gravitation überträgt, der Raum selbst ist. Die Idee geht in etwa so: Stellen Sie sich vor, der Raum ist der Träger für alles was da ist.

Einstein sagte: Der Raum ist ruhig und flach, solange keine Materie vorhanden ist. Wenn es aber Materie in der Umgebung gibt, wie etwa die Sonne, so wird von ihr die Struktur des Raums verzerrt und gekrümmt. Und dies überträgt die Kraft der Gravitation. Sogar die Erde verzerrt den Raum um sich herum. Schauen Sie sich jetzt den Mond an. Der Mond wird gemäß diesen Ideen auf seiner Bahn gehalten, weil er entlang eines Tales einer gekrümmten Umgebung entlang rollt, das die Sonne, der Mond und die Erde durch ihre bloße Anwesenheit hervorrufen kann. Schauen wir uns das im Überblick an. Die Erde wird auf ihrer Bahn gehalten, weil sie entlang eines Tales in einer Umgebung rollt, die gekrümmt ist wegen der Anwesenheit der Sonne. Das ist die neue Idee, wie die Gravitation tatsächlich funktioniert.

Nun, diese Idee wurde 1919 durch astronomische Beobachtungen getestet. Sie funktioniert tatsächlich. Sie erklärt die Messwerte. Und dies machte Einstein weltweit bekannt. Und das ist, was Kaluza zum Nachdenken anregte. Er war, wie Einstein, auf der Suche nach dem, was wir eine "Vereinheitlichte Theorie" nennen. Das ist eine einzelne Theorie, die alle Kräfte der Natur aus einem einzigen Satz von Annahmen beschreiben könnte, einem Satz von Prinzipien, eine Hauptgleichung, wenn Sie so wollen. Kaluza sagte sich also: Einstein konnte die Gravitation in Gestalt von Verzerrungen und Krümmungen des Raumes erklären, eigentlich von Raum und Zeit, um genau zu sein. Vielleicht kann ich das gleiche Spiel mit der anderen damals bekannten Kraft machen, die, zu jener Zeit, als elektromagnetische Kraft bekannt war Wir wissen heute von weiteren, doch damals war sie die einzig andere, über die man nachdachte. Sie wissen schon. Die Kraft, die für die Elektrizität und magnetische Anziehung verantwortlich ist.

Kaluza sagte also: Vielleicht kann ich dasselbe Spiel spielen und die elektromagnetische Kraft mittels Verzerrungen und Krümmungen beschreiben. Dies brachte die Frage auf: Verzerrungen und Krümmungen in was? Einstein hatte bereits Raum und Zeit, Verzerrungen und Krümmungen besetzt um die Gravitation zu beschreiben. Es gab scheinbar nichts anderes zu verzerren oder zu krümmen. Also sagte Kaluza: Gut, vielleicht gibt es ja zusätzliche Raumdimensionen. Er sagte: Wenn ich eine weitere Kraft beschreiben will, brauche ich vielleicht eine weitere Dimension. Also stellte er sich vor, dass die Welt vier Raumdimensionen hat, statt drei, und stellte sich vor, dass der Elektromagnetismus Verzerrungen und Krümmungen in dieser vierten Dimension wäre. Und jetzt kommt's: Als er die Gleichungen für die Verzerrungen und Krümmungen aufschrieb, für ein Universum mit vier Dimensionen im Raum, anstelle von drei, fand er die alten Gleichungen, die Einstein schon für drei Dimensionen entwickelte - diese waren für die Gravitation - aber er fand noch eine weitere Gleichung, wegen der zusätzlichen Dimension, und als er sich diese Gleichung ansah, war es nichts anderes als die Gleichung, welche die Wissenschaftler schon lange benutzten, um die elektromagnetische Kraft zu beschreiben. Erstaunlich - Es kam einfach heraus. Er war aufgrund dieser Erkenntnis so aufgeregt, dass er um sein Haus rannte und "Sieg!" schrie, weil er die vereinheitlichte Theorie gefunden hatte.

Offensichtlich war Kaluza ein Mann, der Theorien sehr ernst nahm. Er hat tatsächlich … Es gibt eine Geschichte, dass, als er schwimmen lernen wollte, ein Buch las - eine Abhandlung über Schwimmen - (Lachen) und anschließend ins Meer sprang. Er war ein Mann, der sein Leben einer Theorie anvertraut hätte. Für diejenigen aber von uns, die eher praktisch denken, ergeben sich aus seinen Betrachtungen sofort zwei Fragen. Nummer Eins: Wenn es zusätzliche Raumdimensionen gibt, wo sind sie? Scheinbar sehen wir ja keine. Und Nummer Zwei: Funktioniert diese Theorie auch wirklich bis ins Detail, wenn man versucht, sie auf die Dinge um uns herum anzuwenden. Nun, die erste Frage wurde 1926 durch einen Kollegen, namens Oskar Klein, beantwortet. Dieser schlug vor, dass Dimensionen in zwei Arten vorkommen könnten. Es könnte große, direkt sichtbare Dimensionen geben. Es könnte aber auch winzige, aufgerollte Dimensionen geben. So klein aufgerollt, dass, obwohl sie sich überall um uns herum befinden, wir sie nicht sehen können

Ich zeige Ihnen das in einem Film. Stellen Sie sich vor, sie schauen auf so etwas, wie z.B. ein Kabel, an dem eine Ampel hängt. Sie steht in Manhattan, Sie sind im Central Park -- was irgendwie unwichtig ist und das Kabel sieht aus der Ferne eindimensional aus. Sie und ich wissen jedoch, dass es eine gewisse Dicke hat, Es ist aber sehr schwer zu erkennen, aus der Ferne Aber wenn wir hineinzoomen und die Perspektive z.B. einer kleinen krabbelnden Ameise einnehmen … Diese Ameisen sind so klein, dass sie Zugang zu allen Dimensionen haben, der Dimension der Länge, aber auch in Richtung mit und gegen den Uhrzeigersinn. und ich hoffe, Sie wissen das zu schätzen, denn es hat so lange gedauert, den Ameisen das beizubringen.

(Gelächter)

Aber es zeigt, dass Dimensionen in zwei Arten auftreten können: groß und klein. Und gemäß dieser Idee sind es die großen Dimensionen um uns herum, die wir unmittelbar sehen können. Aber es könnte noch zusätzliche, aufgerollte Dimensionen geben, ähnlich dem runden Teil des Kabels, und so klein, dass sie bislang unsichtbar geblieben sind. Ich zeige Ihnen, wie das aussehen würde. Werfen wir einen Blick auf den Raum selbst. Ich kann Ihnen natürlich nur zwei Dimensionen auf dem Bildschirm zeigen. Jemand von Ihnen wird das mal ändern aber alles nicht flache auf dem Schirm ist eine neue Dimension Es wird kleiner, kleiner, kleiner bis zu den mikroskopischen Tiefen des Raumes selbst. Die Idee ist: man könnte weitere aufgerollte Dimensionen haben

Hier ist ein kleiner Umriss eines Kreises - so klein, dass wir sie nicht sehen. Aber wenn Sie eine kleine, ultramikroskopische krabbelnde Ameise wären, könnten Sie in den großen uns bekannten Dimensionen herumlaufen, wie in diesem Netz hier - aber Sie könnten auch die winzigen, aufgerollten Dimensionen betreten, die so klein sind, dass wir sie weder mit bloßem Auge, noch mit unserer besten Ausrüstung sehen können. Aber tief in der Struktur des Raumes versteckt, so die Idee, könnte es mehr Dimensionen geben, als wir dort sehen. Das ist also eine Erklärung, wie das Universum mehr Dimensionen haben könnte, als diejenigen, die wir sehen. Aber was ist mit der zweiten Frage, die ich gestellt habe? Funktioniert diese Theorie wirklich, wenn man sie in der realen Welt anwendet?

Nun, es zeigt sich, dass Einstein und Kaluza und viele andere zwar versucht haben dieses Konzept zu verfeinern und an der Physik des Universums, wie sie damals verstanden wurde, zu testen, aber im Detail funktionierte es nicht. Ein Detail war z.B.: Sie konnten die Masse des Elektrons nicht korrekt aus dieser Theorie ableiten. Nun haben viele Leute an ihr gearbeitet, aber mit den 40ern, spätestens den 50ern verschwand diese eigenartige, aber faszinierende Idee, wie man die Gesetze der Physik vereinheitlichen kann. Bis in unserer Zeit etwas Wunderbares passierte. In unserer Zeit gibt es einen neuen Ansatz zur Vereinigung der Gesetze der Physik, der von Physikern wie mir und vielen anderen weltweit verfolgt wird: Er nennt sich Superstring-Theorie, wie Sie bereits vermuten. und das Wunderbare dabei ist, dass die Superstring-Theorie auf den ersten Blick nichts mit der Idee der Extra-Dimensionen zu tun hat. Aber wenn wir die Superstring-Theorie genauer ansehen, bemerken wir, dass sie diese Idee auf glänzende Weise wiederbelebt.

Ich will Ihnen zeigen, wie das funktioniert. Superstring-Theorie - Was ist das? Nun, es ist eine Theorie, die zu beantworten versucht: Was sind die grundlegenden, fundamentalen, untrennbaren, unteilbaren Bestandteile, aus denen alles in dieser Welt um uns herum aufgebaut ist? Die Idee geht wie folgt. Stellen wir uns vor, wir betrachten ein vertrautes Objekt, einfach eine Kerze in einem Halter, und stellen uns vor, wir wollten herausfinden woraus sie gemacht ist. Wir gehen also auf eine Reise tief in das Objekt hinein und untersuchen die Bestandteile. Nun, tief im Innern - wir alle wissen, wenn wir tief genug gehen, haben wir Atome. Wir alle wissen auch, dass Atome nicht das Ende der Geschichte sind. Sie haben kleine Elektronen, die um den zentralen Kern aus Neutronen und Protonen herumschwirren. Sogar Neutronen und Protonen bestehen aus kleineren Partikeln, den Quarks. Dort hören dann die herkömmlichen Vorstellungen auf.

Hier beginnt die neue Welt der Stringtheorie. Tief im Inneren all dieser Teilchen gibt es noch etwas anderes. Dieses "Andere" ist dieses tanzende Energie-Filament. Es sieht wie ein vibrierender Faden aus, daher stammt auch die Idee "String"-Theorie Und genauso wie die Saiten eines Cello unterschiedlich schwingen, können die eben gesehenen Fäden auch in verschiedenen Mustern schwingen. Nur produzieren sie nicht verschiedene Musiknoten, sondern die verschiedenen Teilchen, aus denen unsere Welt aufgebaut ist. Wenn diese Ideen korrekt sind, sieht die ultramikroskopische Welt des Universums genau so aus. Sie ist aus einer immensen Anzahl dieser winzig kleinen Filamente aus pulsierender Energie aufgebaut, die in verschiedenen Frequenzen schwingen. Die verschiedenen Frequenzen ergeben die verschiedenen Teilchen. Die verschiedenen Teilchen sind verantwortlich für die große Vielfalt der Dinge um uns herum,

und hier sehen Sie die Vereinheitlichung, weil Materieteilchen: Elektronen und Quarks, Strahlungsteilchen: Photonen, Gravitonen, alle aus einem einzigen Baustein aufgebaut sind. Materie und die Kräfte der Natur werden somit alle zusammengefasst unter der Überschrift der schwingenden Strings, und das ist es, was wir unter einer vereinheitlichten Theorie verstehen. Doch die Sache hat einen Haken. Wenn man sich die Mathematik der Stringtheorie ansieht, sieht man, dass sie in einem Universum mit nur drei Raumdimensionen nicht funktioniert. Sie funktioniert weder in einem Universum mit 4 Raumdimensionen, noch mit 5, noch mit 6. Zuletzt kann man die Gleichungen untersuchen und zeigen, dass sie nur in einem Universum mit zehn Raumdimensionen und einer Zeitdimension funktionieren. Das bringt uns direkt zurück zu der Idee von Kaluza und Klein, dass unsere Welt, bei richtiger Beschreibung, mehr Dimensionen hat als die, die wir sehen.

Sie könnten nun darüber nachdenken und sagen: Gut, ich weiß, dass es OK, weißt Du, wenn Du Extra-Dimensionen hast und sie wirklich eng aufgerollt sind, genau, vielleicht werden wir sie dann gar nicht sehen, wenn sie klein genug sind. Aber wenn da drunten ein winziges Volk von grünen Männchen rumläuft und Du sie klein genug machst, dann würden wir sie auch nicht sehen, nicht wahr? Eine der weiteren Vorhersagen der Stringtheorie … Nein, das ist keine weitere Vorhersage der Stringtheorie,

(Gelächter)

aber es stellt sich die Frage: Versuchen wir diese Extra-Dimensionen nur zu verstecken oder verraten sie uns etwas über diese Welt? In der verbleibenden Zeit, möchte ich Ihnen zwei ihrer Eigenschaften vorstellen. Die erste ist, dass viele von uns glauben, dass diese Extra-Dimensionen die Antwort auf die vielleicht letzte Frage der theoretischen Physik und theoretischen Wissenschaft beinhaltet. Diese Frage lautet: Wenn wir uns die Welt ansehen, wie es die Forscher in den letzten 100 Jahren getan haben, scheint es 20 Zahlen zu geben, die unser Universum fundamental beschreiben. Das sind Zahlen, wie die Masse von Teilchen, z.B. von Elektronen und Quarks, die Stärke der Gravitation, die Stärke der elektromagnetischen Kraft, also eine Liste von ungefähr 20 Zahlen, die mit einer unglaublichen Genauigkeit gemessen wurden, aber niemand hat eine Erklärung, warum diese Zahlen genau diese Werte haben, die sie haben.

Nun, gibt die Stringtheorie hier eine Antwort? Noch nicht. Aber wir glauben, dass der Grund, warum diese Zahlen diese Werte haben, von der Gestalt der Extra-Dimensionen abhängen könnte, und das Wundervolle daran ist: Hätten diese Zahlen andere Werte, als die uns bekannten, würde das Universum, wie wir es kennen, nicht existieren. Das ist eine tiefgründige Frage. Warum sind diese Zahlen so exakt aufeinander abgestimmt, so dass Sterne leuchten und Planeten entstehen können. Wir erkennen also, dass jede Manipulation dieser Zahlen, - angenommen ich hätte hier 20 Knöpfe, und ließe Sie heraufkommen und damit herumspielen - nahezu jedes Verstellen würde unser Universum verschwinden lassen. Können wir also diese 20 Zahlen erklären? Die Stringtheorie schlägt vor, dass diese 20 Zahlen etwas mit den Extra-Dimensionen zu tun haben. Ich werde Ihnen zeigen was. Wenn wir über die Extra-Dimensionen in der Stringtheorie reden, geht es nicht um eine einzelne Extra-Dimension, wie in den früheren Ideen von Kaluza und Klein. Die Stringtheorie sagt nun über die Extra-Dimensionen, dass sie eine stark verflochtene Geometrie bilden.

Hier ein Beispiel von etwas, das als Calabi-Yau bekannt ist. Der Name ist nicht so wichtig, aber Sie können sehen, dass sich die Extra-Dimensionen in sich selbst falten und sich in einer sehr interessanten Form und Struktur verflechten. Und die Vorstellung ist, dass falls die Extra-Dimensionen so aussehen, dann würde die mikroskopische Struktur unseres gesamten Universums auf den kleinsten Skalen genau so aussehen. Wenn Sie Ihre Hand bewegen, würden Sie sie ständig um diese Extra-Dimensionen herumbewegen, aber sie sind so klein, dass wir nichts bemerken. Wie sieht nun der physikalische Bezug zu diesen 20 Zahlen aus?

Wenn Sie sich dazu dieses Instrument, ein Waldhorn, ansehen, erkennen Sie, wie die Schwingungen des Luftstroms durch die Form des Instruments beeinflusst werden. In der Stringtheorie sind nun alle diese Zahlen Abbilder für die Arten, wie ein String schwingen kann. Genau wie diese Luftströme durch die Windungen des Instruments beeinflusst werden, werden die Strings durch die Schwingungsmuster innerhalb der Geometrie beeinflusst, in der sie sich bewegen Lassen Sie mich also ein paar Strings einfügen, und wenn Sie sehen, wie diese kleinen Kerlchen herum vibrieren, - sie werden gleich hier sein - Sehen Sie, wie die Art ihrer Schwingung abhängt von der Geometrie der Extra-Dimensionen.

Wenn wir also genau wüssten, wie die Extra-Dimensionen aussehen, - wir wissen es noch nicht, aber wenn es so wäre - sollten wir in der Lage sein die erlaubten Noten zu berechnen, also die erlaubten Schwingungsmuster. Und wenn wir die erlaubten Schwingungsmuster berechnen könnten, sollten wir auch diese 20 Zahlen berechnen können, Und wenn die Antwort, die wir durch unsere Berechnungen erhalten, übereinstimmt mit den Werten dieser Zahlen, die ermittelt wurden mit Hilfe von detaillierten und präzisen Experimenten, wäre dies in vielfacher Hinsicht die erste fundamentale Erklärung dafür, weshalb die Struktur des Universums so ist, wie sie ist. Mit dem zweiten Punkt möchte ich dann schließen. Wie können wir diese Extra-Dimensionen direkter untersuchen? Ist dies nur eine interessante mathematische Konstruktion, die vielleicht in der Lage ist, einige einstmals unverstandene Eigenschaften der Welt zu erklären, oder können wir diese Extra-Dimensionen tatsächlich nachweisen? Und wir glauben - und das ist, denke ich, sehr aufregend - dass wir so in den nächsten fünf Jahren in der Lage sein werden, die Existenz dieser Extra-Dimensionen zu prüfen.

Hier die Erklärung. Am CERN, in Genf, in der Schweiz wird eine Maschine namens "Large Hadron Collider" (LHC) gebaut. Das ist eine Maschine, die Teilchen in einem runden Tunnel mit fast Lichtgeschwindigkeit entgegengesetzt aufeinander schießt. Jedes Mal, wenn diese Teilchen aufeinander treffen ergibt sich eine Frontalkollision. Wenn die Kollision genug Energie hat, so die Hoffnung, könnte sie etwas von den Bruchstücken der Kollision von unseren Dimensionen in die anderen Dimensionen zwängen. Wie können wir das überprüfen? Wir messen die Energiemenge nach der Kollision, vergleichen diese mit der ursprünglichen Energie und wenn sich dabei ein Energieverlust ergibt, haben wir den Beweis dass Energie weggestreut wurde. Und wenn sie in der Art verschwindet, wie wir das ausrechnen, haben wir den Beweis für die Existenz der Extra-Dimensionen.

Ich zeige Ihnen das im Film. Stellen Sie sich vor, wir haben ein bestimmtes Teilchen, genannt Graviton. Das ist die Art von Bruchstücken, die wir erwarten ausgestoßen zu werden, falls es die Extra-Dimensionen gibt. Das Experiment funktioniert dann so. Man nimmt diese Teilchen, man knallt sie zusammen. Man knallt sie zusammen, und wenn wir recht haben, geht ein Teil der Kollisionsenergie in die Bruchstücke, die dann in diese Extra-Dimensionen fliegen. Das ist also das Experiment, das wir so in den nächsten 5, 7 oder 10 Jahren erwarten, und wenn dieses Experiment funktioniert, wenn wir diese Art von Teilchenemission sehen und feststellen, dass sich nachher in unseren Dimensionen weniger Energie befindet als vorher, zeigt das, dass die Extra-Dimensionen real sind.

Für mich ist das wirklich eine bemerkenswerte Geschichte und eine außergewöhnliche Gelegenheit. Zurück zu Newton und dem absolutem Raum, der nicht mehr brachte, als eine Arena oder Bühne, auf der die Ereignisse des Universums stattfinden. Einstein kommt vorbei und sagt: Raum und Zeit können sich verzerren und krümmen, das ist Gravitation. Und jetzt kommt die Stringtheorie daher und sagt: Ja, Gravitation, Quantenmechanik, Elektromagnetismus passen alle zusammen in ein Paket, aber nur, wenn das Universum mehr Dimensionen hat, als die, die wir sehen, und hier haben wir ein Experiment, das zu unseren Lebzeiten genau das testen wird. Eine fantastische Möglichkeit. Vielen Dank.

(Applaus)