Fäden, Membranen, elf Dimensionen

In Potsdam diskutierte die versammelte Gilde der String-Theoretiker, woraus die Welt besteht

Sie sind wohl auch nur wegen Stephen Hawking hier?", fragt mich der flämische Professor neben mir, mittags in der Schlange vor der Potsdamer Mensa. Was sonst sucht die Presse auf einer Fachkonferenz über Quantengravitation! Aber ich bin nicht als Groupie des größten Medienstars der Physik seit Einstein an die Havel gekommen. Schließlich geht es hier um die alte Menschheitsfrage, woraus die materielle Welt nun letztlich besteht.

Es geht um die "Theorie für alles": die Synthese von allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenphysik, der beiden am besten geprüften wissenschaftlichen Theorien überhaupt. Es geht um den heiligen Gral der Physik.

Strings sind unvorstellbar winzige hypothetische Fäden: Ihre Länge ist etwa um so viel kleiner als ein Staubkorn, wie dieses kleiner ist als das gesamte Universum. Die Physiker vermuten, dass sich die Grundbausteine der Materie als Schwingungen solcher Fäden auffassen lässt: Ähnlich wie man auf einer Gitarrensaite verschiedene Töne erzeugen kann, sollte eine einzige Sorte Strings hinter allen heute bekannten Elementarteilchen stecken.

Damit hört die Anschaulichkeit aber auch fast schon auf. Denn mathematisch stimmig beschreiben kann man die Strings nur, wenn sie in einer elfdimensionalen Raumzeit schwingen. Als Bewohner von gerade mal vier Dimensionen (die drei räumlichen plus der Zeit) können wir uns da nur mit Analogien behelfen: In seinem Buch The Elegant Universe erklärt der String-Theoretiker Brian Greene, wie man sich die sieben unsichtbaren Dimensionen vorzustellen hat. Sie sind gewissermaßen "eingerollt" und verschwinden wie der an sich flächige Durchmesser eines aus weiter Ferne betrachteten Gartenschlauches, der einem nur noch als Linie erscheint.

Völlig verstehen lässt sich die Welt der Strings, wie schon die der Quantenteilchen, jedoch nicht ohne komplizierte mathematische Formeln. Bevor man auf die Idee mit den Strings kam, stimmten diese Formeln hinten und vorne nicht: Immer wieder tauchten darin Brüche mit Nullen im Nenner auf - etwas, das auch in der abstraktesten Mathematik verboten ist. Das passierte jedem Forscher, der versuchte, Einsteins Gravitationstheorie auf die mikroskopische Welt der Elementarteilchen anzuwenden.

Dank der Strings hat man dies nun einigermaßen im Griff - doch dafür sind neue Schwierigkeiten aufgetaucht. Etwa die, dass es mehrere mögliche String-Theorien geben kann: Anstatt der Fäden kann man nämlich auch winzige Membranen (englisch: membranes) schwingen lassen. Die sprechfaulen Physiker reden dann von "Branes". Damit konnte Witten 1995 beweisen, dass die verschiedenen String-Theorien Spezialfälle einer allgemeineren Theorie, der sogenannten M-Theorie sind. Wofür das M steht, kann sich jeder selbst heraussuchen: membranes, mystery, magic oder auch mother of all theories. In Potsdam haben Witten und sein Kollege Nathan Seiberg nun gezeigt, wie die mikroskopische Umgebung so eines Strings oder Branes beschaffen sein könnte: Vermutlich sind Raum und Zeit dort eigentümlich verschmiert, so dass unsere Begriffe von "vorher - nachher" oder "links - rechts" ihren Sinn verlieren.

Eine andere neue Hypothese, die in Potsdam diskutiert wurde, betrifft die sieben "eingerollten" Dimensionen. Einige Physiker halten es für möglich, dass nicht alle davon auf den winzig kleinen Längen der Strings aufgewickelt sind: Statt des Gartenschlauches habe man sich hier eher eine dicke Röhre vorzustellen, deren Durchmesser auch von Weitem noch sichtbar ist - wenn man ein gutes Teleskop hat. Die Teleskope der Elementarteilchenphysik sind Teilchenbeschleuniger. Einer der leistungsfähigsten soll um das Jahr 2005 am europäischen Kernforschungszentrum Cern bei Genf in Betrieb gehen und ist vielleicht in der Lage, die etwas großzügiger aufgewickelten Dimensionen sichtbar zu machen.

Doch auch wenn man am Cern fündig wird, dürfte eine vollständige Theorie der Quantengravitation noch lange auf sich warten lassen - die nötige Mathematik ist einfach noch zu wenig verstanden. Eine "Theorie für alles" in dem Sinne, dass sich alle Phänomene daraus ableiten ließen, wäre sie aber selbst dann nicht. "Vieles, was eine Theorie im Prinzip vorhersagt, lässt sich praktisch nicht berechnen", sagt Wittens Mitstreiter John Schwarz vom California Institute of Technology, "und die Kunst der Physik ist es nun mal, das herauszufinden, was sich berechnen lässt." Auf die Phrase von der allumfassenden Theorie reagiert Schwarz auch aus anderen Gründen allergisch: "Das gibt den Leuten den Eindruck, wir String-Theoretiker seien ein arroganter Haufen. In Wirklichkeit sind wir alle sehr reizend und liebenswürdig."