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Das hier ist die Rezension eines
Kapitels von “Der Stoff aus dem der Kosmos
ist
” von Brian Greene. Links zu den Rezensionen der anderen Kapitel kann man hier finden.


Über die überraschenden Aussagen der Stringtheorie hat Greene im letzten Kapitel gesprochen. Nun, in Kapitel Nummer 13, wird es noch wilder. Hier taucht nun die “M-Theorie” auf – eine Theorie die so mysteriös ist, dass man noch nichtmal weiß, was ihr Name bedeutet 😉


Die Stringtheorie macht zwar äußerst elegante und faszinierende Vorhersagen und scheint ein vielversprechender Weg auf der Suche nach der Vereinheitlichung von Quantenmechanik und Gravitation zu sein. Aber, wie schon im letzten Kapitel angesprochen, gibt es auch Probleme. Ein sehr großes Problem ist die Tatsache, dass es nicht nur eine Stringtheorie gibt, sondern gleich fünf!

Die mysteriöse Theorie

Alle diese fünf Theorien beschreiben die dünnen, schwingenden Strings und alle sind sich auf gewissen Weise ähnlich. Aber es sind trotzdem verschiedene Theorien die verschiedene Aussagen machen und das ist bedenklich. Ok – man könnte einfach abwarten, bis wir mal Experimente machen können, die gut genug sind und dann schauen, welche der fünf Theorien stimmt und welche nicht. Aber das ist irgendwie unbefriedigend. Wir suchen ja eine vereinheitlichte Theorie. Eine Theorie, die Quantenmechanik und Relativitätstheorie zusammenfasst und den ganzen Kosmos beschreibt. Was machen wir dann mit den anderen vier Stringtheorien, die mathematisch und physikalisch genauso plausibel sind – aber halt nur die “falschen” Aussagen machen? Beschreiben diese Theorien dann andere Universen? Oder gibt es vielleicht noch sehr viel mehr Stringtheorien? Und warum ist dann genau die eine richtig, die anderen aber nicht?

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Glücklicherweise braucht man sich darüber keine Gedanken machen. Denn in der “zweiten Superstringrevolution” konnte 1995 Edward Witten zeigen, dass die fünf Stringtheorien in Wahrheit gar keine unterschiedlichen Theorien sind sondern nur fünf verschiedene Möglichkeiten, eine einzige Theorie mathematisch zu untersuchen. Diese eine Theorie wurde “M-Theorie” genannt wobei niemand so genau weiß, was das “M” hier zu bedeuten hat. Master, Magisch, Mystisch, Majestätisch, Matrix – es gibt jede Menge Vorschläge aber bis jetzt hat man sich nicht festgelegt. Das ist auch gut so, denn eigentlich weiß man auch noch nicht so recht, was die M-Theorie eigentlich ist bzw. was sie beinhaltet. Man weiß, dass sie existiert – aber verstanden hat man sie bei weitem noch nicht!

Edward Witten konnte aber zumindest schon einige grundlegende Ergebnisse vorlegen. Zuerst einmal hat er gezeigt, dass die bisherigen Stringtheorien (die ja mathematisch gesehen auch nur Annäherungen an die M-Theorie waren) eine Zusatzdimension übersehen haben. Die M-Theorie benötigt zehn Raumdimensionen; insgesamt würden wir dann also in einer elfdimensionalen Raumzeit leben…

Die M-Theorie hat außerdem das Konzept der Strings erweitert. Die waren ja bisher eindimensionale Gebilde und das sind sie auch noch in der M-Theorie. Die sagt nun aber, dass auch zweidimensionale “Strings” existieren können. Also quasi kleine, schwingenden Flächenstückchen bzw. Membranen (die man hier meist 2-Branen nennt). Außerdem sind auch 3-Branen; also dreidimensionale Objekte möglich; 4-Branen, usw. Die Strings sind also nur ein möglicher Bestandteil einer Welt, die möglichweise voller p-Branen ist (“p” steht hier für jede beliebige Zahl zwischen 1 und 10).

In so einer Branwelt sind interessante Sachen möglich. Im letzten Kapitel hat Greene erklärt, dass die Strings der Stringtheorie extrem winzig sein müssen (und damit außerhalb der Reichweite aller Meßinstrumente). In der Branwelt könnte das vielleicht anders sein. Will man einen String bzw. eine Brane größer machen, dann muss man Energie reinstecken. Die Mengen an Energie, die dazu nötig wären können wir heute bei weitem nicht erzeugen – aber beim Urknall gab es die und da könnten vielleicht große Strings erzeugt worden sein. So ein großer kosmischer String könnte eventuell sogar beobachtbar sein!

Branwelten

Oder aber unser ganzes Universum ist eine Brane. Vielleicht ist das Universum das wir wahrnehmen eine gigantische 3-Brane die in einer elfdimensionalen Raumzeit existiert? Das, was wir als “das Universum” kennen wäre dann bei weitem noch nicht alles sondern eben nur ein Objekt in einem viel größeren Raum? Aber warum merken wir dann nichts davon? Wo ist diese 3-Brane, die das ganze Universum durchdringt (neben Higgs-Feldern, Vakuumfluktuationen und dunkler Energie wird es im “leeren” Raum langsam ziemlich voll). Hier muss man sich das Zusammenspiel zwischen Branen und Strings klarmachen. Bei den Strings gibt es zwei verschiedene Typen: offene Strings und geschlossene. Bei der Untersuchung der offenen Strings fand man heraus, dass die sich oft nicht beliebig bewegen können sondern das deren Enden auf bestimmte Bereiche beschränkt sind (so ähnlich wie die Fäden eines Flokati-Teppichs an einem Ende an der flachen Unterseite befestigt sind). Bei den Photonen ist es z.B. so, dass sie durch offene Strings beschrieben werden. Die müssen sich zwar innerhalb der 3-Brane bewegen, an der sie “festkleben” und können sie nicht verlassen – sind aber ansonsten frei zu gehen, wohin sie wollen. Für Photonen ist die Bran also quasi völlig durchsichtig. Da die Photonen aber auch die Teilchen der elektromagnetischen Kraft sind, heisst das, dass sie innerhalb der 3-Brane gefangen ist; alles was außerhalb noch existieren mag, ist für die elektromagnetische Kraft nicht vorhanden.

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Kommentare (14)

  1. #1 cydonia
    26. Mai 2010

    Ok, ich habe auf die Schnelle nur das Buchcover und die Bildunterschrift”Ist unser Universum ein Flokati-Teppich?” wahrgenommen. Das lese ich jetzt nicht, ich muss nämlich noch ein paar vernünftige, seriöse Gedanken formulieren. Vielleicht morgen.

  2. #2 Arnd
    26. Mai 2010

    Wenn es jetzt so eine 2-Brane gibt, die gerade so an uns vorbeisegelt, und diese 2-Brane ist sagen wir mal in der 6. Dimension gedreht… dann würden wir sie doch wieder nur als 1-Brane (sprich String) wahrnehmen (wenn wir sie überhaupt wahrnehmen könnten). Sehe ich das richtig?

    Wir könnten also nur die 2-Branen nachweisen die 100% genau in unserer 3-Brane liegen und in keiner der anderen 8 Dimensionen gedreht sind… scheint mir quasi unmöglich. Oder würden die wie Photonen auch in unserer 3-Brane “festkleben”?

    Btw.: Schöner Artikel/Review.

  3. #3 Ronny
    26. Mai 2010

    Der Urklatsch: endlich, meine Lieblingspassage :)

    Das Hauptproblem scheint immer zu sein, dass sich unser Gehirn nicht vorstellen kann, was unendlichkeit bedeutet.

  4. #4 XyloCephalus
    26. Mai 2010

    @Cydonia
    Sollte das Kritik sein? Die Gedanken und Formulierungen von Brian Greene sind ziemlich sicher seriös. Die Darstellung von Florian Freistetter ist eine zweite Sache, und ich finde die nicht schlecht und sehr lesenswert. Vergleiche mit Trash-Phänomenen und Ähnlichem lockern die Sache mMn nach ziemlich auf; das ist zumindest eine populäre und manchmal anziehende Art der Vermarktung.

  5. #5 Florian Freistetter
    26. Mai 2010

    @XyloCephalus: “Vergleiche mit Trash-Phänomenen und Ähnlichem lockern die Sache mMn nach ziemlich auf”

    Also ich wollte die M-Theorie sicher nicht mit “Trash-Phänomenen” vergleichen. Es ist nur enorm schwer, vernünftige Bilder zu diesen Themen zu finden 😉

    Und ich verstehe Cydonias Kommentar auch nicht als Kritik. Sondern eher als “solchen Themen widme ich mich lieber, wenn ich genügend Zeit dafür und den Kopf frei habe”. Aber Kritik würde ich auch vertragen 😉

  6. #6 nihil jie
    26. Mai 2010

    Also ich wollte die M-Theorie sicher nicht mit “Trash-Phänomenen” vergleichen. Es ist nur enorm schwer, vernünftige Bilder zu diesen Themen zu finden 😉

    tja… an dieser stelle würde ich jedem, der solchen vorstellungen herr werden möchte, ein buch mit dem titel Flächenland von Edwin Abbott Abbott empfehlen :) es hilft ein bisschen… ehrlich *grins

  7. #7 Florian Freistetter
    26. Mai 2010

    @nihil jie: Naja, es geht ja nicht um die Vorstellung (Flächeland kenn ich natürlich) sondern um eine vernünftige und ansprechende Illustration. Klar, ich könnte selbst Grafiken und Bilder erstellen – aber dann komm ich zu sonst nichts mehr. Und Wikipedia & Co bringen einen hier auch nicht weiter…

  8. #8 nihil jie
    26. Mai 2010

    @Florian Freistetter

    mein vorschlag war ja auch nur halb ernst gewesen… obwohl es auch ein ziemlich gutes buch ist wenn man etwas vorstellungsakrobatik betreiben möchte, und sich mit solchen dingen nicht von berufswegen mathematisch befasst.
    aber ich verstehe auch das problem welches hier im raum steht. wie kann man dinge bildlich darstellen, für die unser körper nicht das notwendige sensorium besitzt und unser gehirn dessen auswertungszentrum im gehirn. unsere wahrnehmung ist auf die uns umgebene welt geeicht und die wahrnehmung von dimensionen jenseits der unseren 3 + die der zeit scheint nicht vorgesehen zu sein. wo zu auch ? wir brauchen sie nicht zum überleben :) genau so scheint es mit frequenzen jenseits des sichbaren lichts zu sein… ok die wärmesrahlung können wir erspühren… aber die übrigen sind für uns auch nicht direkt wahrnehmbar… nur über technische umwege. es wäre sicherlich auch sehr schwer, jemanden der von diesen arten des lichtspektrums noch nie was gehört hat, das zu erklären oder bildlich dar zu stellen… obwohl das noch die leichteste übung wäre, im vergleich zu mehrdimensionalen räumen. viele menschen sind schon mit 3 dimensionen absolut überfordert…. was jetzt keine kritik ist… aber es ist in der tat so.
    das dumme bei der ganzen geschichte ist bloss, dass viele menschen da zu neigen, ihre schwierigkeiten etwas zu verstehen dem erklärenden als fehler an zu hängen 😉

  9. #9 Jörg
    26. Mai 2010

    Meine M-Theorie ist ja, dass das Zusammenbringen der String-Theorien so viel mit Dualitäten zu tun hat, wo eine Theorie in einem Limit der anderen in entgegengesetzten Limit entspricht, dass Witten die M-Theorie dual nach sich benannt hat…indem er sein W umgedreht hat.

  10. #10 Hattori Hansen
    28. Mai 2010

    Florian, großartiges, weil informatives und unterhaltsames Review, das du hier zelebrierst – und feine Bildauswahl übrigens. (Was sich diese Theoretiker immer einfallen lassen – vielleicht erklären die Vakuumfluktuationen ja auch die Lecks in meiner Apparatur.) Werde mir heute das Buch organisieren und hoffe, die Lektüre macht nicht ‘Insane in the M-Bran’.

  11. #11 perk
    30. Mai 2010

    Wenn wir messen, wie sich die Gravitationskraft abschwächt, wenn wir uns von einer Masse entfernen, dann sehen wir immer, dass sie mit dem Quadrat des Abstands schwächer wird. Würden wir in einem zweidimensionalen Universum leben, dann hätte die Gravitation quasi weniger Richtungen zur Verfügung in die sie sich ausbreiten kann und würde daher weniger schnell schwächer: die Kraft würde nur mit dem Abstand selbst absinken (nicht mit dem Quadrat). Bei vier Raumdimensionen aber würde die Kraft viel schneller schrumpfen (mit der dritten Potenz des Abstands) – usw.

    als ich das gerade las kam mir das irgendwie total komisch vor … ruckzuck die laplacegleichung für nen 2-d operator aufgeschrieben und tatsache die kraft geht wie 1/r
    die frage ist was ist hier ursache und was wirkung? es könnte gut sein dass wir an einer stelle d=3 angenommen haben um darauf zu kommen dass poissongleichungen und der laplaceoperator überhaupt das mittel der wahl sind.. oder überseh ich da grad was?

  12. #12 Dr. Johannes Reck
    11. November 2010

    Ganz allgemein bezüglich der Ergebnisse oder besser Hypothesen an der vordersten Front der theoretischen Physik: Anschaulich vorstellbar ist davon ja gar nichts mehr – im Gegenteil: Jeder Versuch sich das in unserer gewohnten 3- max.4-dimensionalen Begriffswelt vorzustellen, kann das wirkliche Verständnis nur behindern. Eine stimmige mathematische Beschreibung muss genügen. Und da stellt sich halt die Frage: Jede richtige Behauptung muss mathematisch stimmig sein, aber nicht jede mathematisch stimmige Behauptung ist deswegen auch richtig. Ist Mathematik = Wahrheit? Interessiert den Avantgarde-Pysiker/Kosmologen Wahrheit oder Tatsächlichkeit überhaupt?

  13. #13 aric
    22. März 2014

    könnte der “Big Splat” nicht dadruch entstehen das ein extremer Gravitationspunkt in einer Brane entsteht ?
    (z.B. alle Materie auf einem Punkt gebracht wird wie in einem schwarzen Loch)
    und daruch eine “verbindung” zu einer anderen Brane entsteht.

  14. #14 Florian Freistetter
    22. März 2014

    @aric: Naja, mit den aktuellen Entdeckungen in Sachen Inflation cheint die Sache mit den kollidierenden Branen jetzt ja sowieso widerlegt zu sein. Aber ob etwas von Brane zu Brane reisen kann, hängt davon ab, obs offene oder geschlossene Strings sind. Offene Strings hängen IMMER an ihrer Brane und können NIE weg. Geschlossene, wie das Gravitation, können überall hin. Verbindungen zwischen Branen sind also wohl nicht so einfach.