Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

Situationen gewohnt sind, bei denen die Quantenmechanik nur eine begrenzte Rolle spielt. Wir wissen einfach nicht, wie wir irgendeine Entfernung, die kleiner als die Plancklänge ist, erforschen sollen. Mehr Energie nutzt nichts. Sehr wahrscheinlich sind herkömmliche Vorstellungen vom Raum bei dieser winzigen Größe nicht mehr anwendbar.
    Vor kurzem hielt ich einen Vortrag, in dem ich den gegenwärtigen Zustand der Teilchenphysik und unsere Vorschläge für die mögliche Erscheinungsform von Extra-Dimensionen erklärte. Anschließend wurde ich mit dem Zitat meiner eigenen Aussage über die möglichen Begrenzungen unserer Vorstellung der Raumzeit konfrontiert, die ich vergessen hatte. Ich wurde gefragt, wie ich Spekulationen über Extra-Dimensionen mit der Vorstellung in Einklang bringen könnte, dass das Konzept der Raumzeit zusammenbricht.
    Die Spekulationen über das Zusammenbrechen des Raumes und möglicherweise auch der Zeit beziehen sich nur auf die unbeobachtbar kleine Plancklänge. Da niemand Größenbereiche beobachtet hat, die kleiner als 10 -17 cm sind, wird die Forderung nach einer schönen, glatten Geometrie für messbare Entfernungen nicht verletzt. Selbst wenn der Begriff des Raumes bei der Planckskala zusammenbricht, so ist sie doch immer noch viel kleiner als die Längen, die wir erforschen. Es gibt keinen Widerspruch, solange eine glatte, erkennbare Struktur erscheint, wenn wir über größere, beobachtbare Skalen mitteln. Schließlich verhalten sich verschiedene Größenbereiche oft unterschiedlich. Einstein kann beispielsweise über glatte Raumgeometrien auf großen Skalen sprechen. Aber seine Vorstellungen könnten auf kleinen Skalen versagen – solange diese nur so winzig sind und auf messbaren Skalen so vernachlässigbare Wirkungen aufweisen, dass die neuen fundamentaleren Bestandteile keinen erkennbaren Einfluss auf das haben, was wir beobachten können.
    Unabhängig davon, ob die Raumzeit zusammenbricht, besteht ein entscheidendes Merkmal der Plancklänge, bezüglich dessen unsere Gleichungen uns versichern, dass es gelten würde, in Folgendem: Bei dieser Entfernung würde die Gravitation, deren Stärke unbedeutend ist, wenn sie bei messbaren Entfernungen auf die Elementarteilchen wirkt, eine starke Kraft werden – in ihrer Stärke mit den anderen uns bekannten Kräften vergleichbar. Bei der Plancklänge würde unsere Standardbeschreibung der Gravitation gemäß Einsteins Relativitätstheorie nicht mehr gelten. Im Unterschied zu größeren Abständen, bei denen wir wissen, wie wir Vorhersagen machen können, die mit den Messungen gut übereinstimmen, widersprechen sich die Quantenmechanik und die Relativitätstheorie, wenn wir die Theorien, die wir gewöhnlich verwenden, auf dieser winzigen Skala anwenden. Die Allgemeine Relativitätstheorie beruht auf einer glatten, klassischen räumlichen Geometrie. Bei der Plancklänge können Quantenfluktuationen einen Raumzeitschaum hervorbringen, der zu viel Struktur enthält, als dass unsere konventionelle Beschreibung der Gravitation gelten könnte.
    Um physikalische Vorhersagen auf der Planck-Skala machen zu können, brauchen wir einen neuen begrifflichen Rahmen, der Quantenmechanik und Gravitation in einer einzigen umfassenderen Theorie, die als Quantengravitation bezeichnet wird, miteinander verbinden würde. Die physikalischen Gesetze, die auf der Planck-Skala die besten Ergebnisse liefern, müssen sich von denjenigen, die sich auf beobachtbaren Skalen als erfolgreich erwiesen, stark unterscheiden. Das Verständnis dieses Größenbereichs könnte möglicherweise zu einem Paradigmenwechsel führen, der so fundamental sein könnte wie der Übergang von der klassischen Mechanik zur Quantenmechanik. Auch wenn wir bei den kleinsten Abständen keine Messungen vornehmen können, so haben wir doch durch zunehmend höher entwickelte theoretische Spekulationen die Möglichkeit, etwas über die fundamentale Theorie der Gravitation, des Raums und der Zeit zu erfahren.
    Der beliebteste Kandidat für eine solche Theorie ist die Stringtheorie . Ursprünglich wurde die Stringtheorie als Theorie formuliert, die elementare Teilchen durch elementare Strings ersetzt. Wir wissen jetzt, dass die Stringtheorie auch andere elementare Objekte als nur Strings beinhaltet (über die wir in Kapitel 17 etwas mehr erfahren), und manchmal wird die Bezeichnung durch einen weiteren (aber weniger wohldefinierten) Begriff ersetzt, nämlich M-Theorie . Diese Theorie ist