Vereinheitlichte Feldtheorie: Tying It All Together

Seit Jahrhunderten versuchen Forscher, alle fundamentalen Kräfte der Natur und deren Zusammenspiel in einer einzigen Theorie zu beschreiben. Diese einheitliche Feldtheorie verblüffte schon Albert Einstein, der viele Jahre an der Theorie arbeitete.

In der Physik ist ein Feld ein Bereich, der unter dem Einfluss einer Kraft steht, wie zum Beispiel die Gravitation oder der Elektromagnetismus. Eine Feldtheorie bezieht sich allgemein darauf, warum physikalische Phänomene geschehen und wie diese Phänomene mit der Natur interagieren.

Die vier fundamentalen Kräfte sind:

• Elektromagnetische Wechselwirkung: Der Elektromagnetismus bezieht sich auf Wechselwirkungen, die auf elektrisch geladene Teilchen wirken, insbesondere auf Lichtarten. Das Teilchen für diese Kraft wird Photon genannt.
• Starke Wechselwirkung: Dies ist die Kraft, die Neutronen (neutral geladene Teilchen) und Protonen (positiv geladene Teilchen) zu einem Kern im Inneren des Atoms, der Grundeinheit eines chemischen Elements, zusammenbindet. Das Teilchen für diese Kraft ist das Gluon.
• Schwache Wechselwirkung: Diese Kraft verursacht einige Arten von Radioaktivität und ist auf kleine Teilchen wie Elektronen, Quarks und Neutrinos aktiv. Die Teilchen für diese Kraft sind die W- und Z-Bosonen.
• Gravitationswechselwirkung: Die Gravitation ist die anziehende Wechselwirkung, die auf alle Teile des Universums wirkt, ob groß oder klein. Obwohl unentdeckt, wäre das theoretische Teilchen für diese Kraft das Graviton.

Einsteins Arbeit

Der schottische Physiker James Clerk Maxwell schuf Mitte des 19. Jahrhunderts die erste Feldtheorie, die den Elektromagnetismus betraf. Jahrhunderts die erste Feldtheorie, die den Elektromagnetismus betraf. Anfang des 19. Jahrhunderts postulierte Einstein dann seine Allgemeine Relativitätstheorie, die mit der Feldtheorie der Gravitation zu tun hat.

Einstein versuchte in den 1920er Jahren, eine einheitliche Feldtheorie zu entwickeln, wurde aber daran gehindert, weil zu dieser Zeit nur ein Teil der Kräfte bekannt war. Während Elektromagnetismus und Gravitation gut bekannt waren, steckte die Erforschung des Atoms noch in den Kinderschuhen; damals waren das Elektron und das Proton die einzigen bekannten subatomaren Teilchen, so die American Physical Society.

Einstein (zunächst in Zusammenarbeit mit Jacob Grommer) baute auf den Arbeiten anderer Wissenschaftler auf, die versuchten, die Raumzeit in fünf Dimensionen darzustellen. Konkret würde Einsteins Arbeit über die Raumzeit vier Dimensionen einnehmen, und ein zusätzlicher Satz von Gleichungen (der die Maxwellschen Gleichungen für den Elektromagnetismus darstellt) würde die fünfte sein. Zu den Wissenschaftlern, die an diesem Problem arbeiteten, gehören Hermann Weyl, Theodor Kaluza und Oskar Klein.

Einsteins erste Arbeit über die Theorie stammt aus dem Jahr 1922 und knüpft an Arbeiten an, die Kaluza 1921 veröffentlicht hatte. Später in seiner Karriere, so die APS, versuchte Einstein auch eine vereinheitlichende Theorie, die den metrischen Tensor (der die Krümmung von Raum und Zeit misst) verallgemeinern würde. Einstein versuchte beide Methoden in den letzten drei Jahrzehnten seines Lebens, ohne Erfolg. Er bat sogar darum, dass man ihm am Tag vor seinem Tod seine Notizen bringt, so die APS.

Neuere Ansätze

Eine Einschränkung bei Einsteins Arbeit war zunächst seine Ablehnung und dann seine Unkenntnis der Quantentheorie (die er im Laufe der Jahre einräumte.) Aber auch heute haben Wissenschaftler, die mit der Quantentheorie vertraut sind, Schwierigkeiten, eine einheitliche Theorie zu finden.

Es gibt viele Ansätze, die in Betracht gezogen werden, aber der vielversprechendste ist laut APS die Stringtheorie. Die Theorie „beschreibt alle Elementarteilchen als schwingende Strings, wobei unterschiedliche Schwingungsmoden unterschiedliche Teilchen hervorbringen.“

In den 1980er Jahren kamen Physiker (unter der Leitung von John Schwarz und Michael Green) zu dem Schluss, dass die Stringtheorie aufgrund ihrer Schwingungen funktionieren könnte. Ähnlich wie eine Geige unterschiedliche Töne spielt, so die Theorie, würden unterschiedliche Schwingungen in den Strings der Natur unterschiedliche Teilchen erzeugen. Mitte der 1990er Jahre schlug Edward Witten eine genauere Theorie der Stringtheorie vor, die heute als M-Theorie bezeichnet wird. Seine Arbeit erweiterte die Dimensionen der Stringtheorie von sechs auf sieben und zeigte neue Bestandteile der Theorie (einschließlich Branes, oder membranartige Objekte in verschiedenen Dimensionen)

Die Arbeit auf diesem Gebiet ist noch sehr jung, aber die Forscher versuchen, mehr physikalische Eigenschaften des Strings zu erfahren, indem sie die subatomaren Teilchen untersuchen, die in Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider erzeugt werden. Die LHC-Experimente sollen unter anderem nach der Supersymmetrie suchen, einer vermeintlichen mathematischen Eigenschaft, bei der jede Teilchenart eine Partnerteilchenart hat.

Physiker weisen darauf hin, dass eine Schwäche der Stringtheorie darin besteht, dass sie bisher nicht durch Daten bestätigt wurde. Es gibt auch andere Ansätze für eine einheitliche Feldtheorie, etwa die Quantengravitation, die versucht, die Gravitation mit den Begriffen der Quantenmathematik zu beschreiben.