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Stringtheorie: Die Welt ist eine Nudelsuppe

Stringtheorien wollen die Welt in ihrer Vielfalt durch ein einfaches, allumfassendes Modell erklären und machen dabei bisher nur unbeweisbare Vorhersagen. Letzteres hat sich nun zumindest für die Stringnetz-Theorie geändert - dank eines kleinen, grünen Kristalls aus den chilenischen Anden.
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Es ist nicht der Stein der Weisen, sondern der Herbertsmithit, der die Aufmerksamkeit der Forscher erregt hat. Jahrelang fristete das 1972 in den Bergen Chiles entdeckte Mineral ein stiefkindliches Dasein in den Sammelkästen einiger hartgesottener Mineralogen. Und da würde es vermutlich noch immer liegen, hätten nicht Joel Helton und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology begonnen, auf der Suche nach den exotischen Materiezuständen der Stringnetz-Theorie mineralogische Kataloge zu wälzen.

Die Theorie der Stringnetze geht auf Heltons MIT-Kollegen Xiao-Gang Wen und dessen Mitstreiter Michael Levin von der Harvard-Universität zurück. Die "theory of almost everything", wie Wen sie schalkhaft nennt, basiert im Gegensatz zur Superstring-Theorie nicht auf Saiten oder Membranen, die in zehn bis einundzwanzig Dimensionen vibrieren und deren verschiedene Schwingungen die bekannten Elementarteilchen und Kräfte ausmachen. Sie geht vielmehr noch eine Schicht tiefer und fordert, dass Strings aus noch fundamentaleren Partikeln zusammengesetzt sind. Vorstellen kann man sich diese Strings in etwa wie Perlenketten, die sich wie "Nudeln in einer Suppe" durch die Welt bewegen und zu Netzen verflechten, so die Forscher.

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Stringnetz-Vakuum schematisch | Übersetzung des Stringnetz-Gedichts von Xue Wanqin:

Kleine Geister in mysteriöser Leere.
Magnetische Taille, elektrischer Kopf, funkelnder Himmel.
Vibrierende Fäden strahlen in Regenborgenfarben.
Wachsende Netze schaffen farbenfrohes Gewebe.

Zwischen Sein und Nichtsein, Nichtsein schenk dem Sein Leben.
Zugleich Illusion und Realität, Scheinbares wird echt.
Werden und Verändern ohne göttliche Intervention.
Mutter aller Materie, Wurzel des Universums.
Die Enden der Perlenkette erscheinen in unserer Welt als Elementarteilchen, also Elektronen oder auch Quarks, die den Baustoff für die Protonen und Neutronen in den Atomkernen bilden. Die Perlen zwischen den Enden lassen sich nur indirekt nachweisen: Wellen, die an den Strings entlanglaufen, zeigen sich uns als Wechselwirkung zwischen den Elementarteilchen. Teilchenphysiker beschreiben solche Wechselwirkungen durch Photonen, Bosonen oder Gluonen. Aber kann man das auch weniger abstrakt denken?

Ja. Bleiben wir bei den Elektronen und Photonen: Sendet ein Atom ein Photon aus, dann weil ein Elektron von einem Energieniveau auf ein anderes springt. Das Elektron als Ende der Perlenkette sendet also einen Impuls aus, der sich die Ketten entlang durch das Stringnetz fortpflanzt und als Photon wahrgenommen wird. Genau genommen registrieren wir das Photon dann, wenn es irgendwo – beispielsweise im Auge – absorbiert wird. Absorption bedeutet aber nichts anderes, als dass wieder ein Elektron springt: Das Signal hat also das Ende einer Perlenkette erreicht. Damit wird zugleich klar, dass alles – auch das Vakuum – vom Stringnetz durchzogen wird. Unsere Welt ist also eine einzige, unbegrenzte Nudelsuppe.

Aber diese Theorie-von-fast-allem erklärt nicht nur den Teilchenzoo, den Hochenergiephysiker im Laufe der Zeit mit exotischen Exemplaren gefüllt haben. Nein, aus ihr gehen auch auf ganz natürliche Weise die Maxwell-Gleichungen hervor, die das Fundament der Elektrodynamik bilden. Darüber hinaus macht das Modell Vorhersagen über exotische Materiezustände, die ganz ohne einen drei Milliarden Euro teuren Large Hadron Collider existieren müssten. Womit wir wieder beim kleinen grünen Kristall aus dem südamerikanischen Hochland angelangt wären.

Kagome-FlechtwerkLaden...
Kagome-Flechtwerk | Der Name "Kagome" wurzelt in den japanischen Worten für Korb (kago) und Löcher oder Augen (me).
Herbertsmithit ist in jedem Fall ungewöhnlich. Seine Gitterstruktur entspricht dem "Kagome" genannten Muster traditionellen japanischen Flechtwerks. Die wiederkehrenden Dreieckselemente des Kagome stellen die Spins im Gitter vor ein Problem: Diese elementaren Drehmomente ordnen sich gerne entgegengesetzt zu ihren Nachbarn an. In einem Dreieck funktioniert das aber nicht. Daher beginnen sie zu fluktuieren und sich wie eine Art Flüssigkeit zu benehmen. Genau dieser Art von "Spinflüssigkeit" schreibt das Modell von Wen und Levin Eigenschaften zu, die von den Vorhersagen herkömmlicher Theorien abweichen. Und wirklich schlagen die konventionellen Erklärungen fehl.

Leider ist der natürlich vorkommende Kristall zu unrein, um seine besonderen Qualitäten auszuspielen. Daher machten sich Helton und seine Kollegen an die Arbeit, das Mineral zu synthetisieren. Den künstlich erzeugten Kristall nahmen sie dann genau unter die Lupe, und die Ergebnisse bestätigten die Stringnetzer: Klassischerweise hätte man erwartet, dass der Laborkristall unterhalb der Zimmertemperatur magnetisierbar ist. Aber so weit die Forscher die Temperatur auch reduzierten – von Magnetisierbarkeit keine Spur. Auch die Wärmeleitfähigkeit fiel aus dem Rahmen: Während sich bei anderen Kristallen durch Kühlen das Verhältnis von Temperatur und Wärmeleitfähigkeit ändert, blieb es beim Herbertsmithit konstant.

Beides zeigt, dass sich Umstrukturierungen innerhalb des Kristalls völlig anders vollziehen als gewohnt und sich der Herbertsmithit damit als eine sehr fremde Form von Materie entpuppt. Im Bilde Wens und seiner Kollegen gleicht der Kristall einem kleinen, zweidimensionalen Abbild unseres Universums aus Licht und Elektronen.

Und selbst wenn sich herausstellen sollte, dass der grüne Kristall nicht der Heilige Gral der Stringnetz-Theorie ist, sondern sich seine Eigenschaften irgendwie mit den konventionellen Theorien vereinbaren lassen:
"Die Theorie von Wen und Levin ist wirklich wunderschön"
(Michael Freedman)
Es sollte dennoch nicht verwundern, wenn sich fremdartige Materie entdecken lässt, auch ohne dass Superstring-Theoristen in immer größeren Teilchenbeschleunigern Partikel auf einander schießen, um zwischen den Bruchstücken die Weltformel zu finden.

"Beschleuniger bilden lediglich die Bedingungen nach dem Urknall nach und wiederholen damit Experimente, die für das Universum ein alter Hut sind. Aber in den Laboren schaffen die Forscher Bedingungen, die kälter sind, als es jemals irgendwo im Universum war. Da muss man eigentlich über irgendetwas stolpern, das das Universum bisher noch nicht gesehen hat", sagt Michael Freedman, Gewinner der Fields-Medaille, dem "Nobelpreis der Mathematiker". Für ihn ist klar: "Die Theorie von Wen und Levin ist wirklich wunderschön." Und im Vergleich zum den Teilchenbeschleunigern auch deutlich billiger.
01.04.2007

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 01.04.2007

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