Kosmische Strings

Ein Kosmischer String (aus dem englischen string= Saite) ist kein Teilchen im herkömmlichen Sinn, sondern man stellt sich darunter einen fadenartigen Symmetriebruch aus dem frühen Universum vor. Das ist eine 10- oder 11dimensionale (!) Struktur, lange, dünne Röhren von ungeheurer Masse und Energiedichte und damit hoher Gravitation. Man muß sich dabei vorstellen, daß die außerhalb der Raumzeit liegenden Dimensionen in sich aufgewickelt sind. Es sind daher keine "übergeordneten" Dimensionen, sondern eher untergeordnete, da wir uns hier nahe des Bereiches der Planck- Länge von 10^-35 m befinden.

 

Diese bis zu vielen Lichtjahre langen Gebilde könnten Berechnungen zufolge die fehlende Masse zu einem geschlossenem Kosmos liefern. Man ist heute auf der Suche nach Gravitationslinsen, welche durch die enorme Masse der Strings hervorgerufen werden.

Keiner hat sie je gesehen, doch so könnte man sich vorstellen, wie Strings den Kosmos durchziehen.
Die physikalischen Eigenschaften der Kosmischen Strings klingen sehr exotisch: diese dünnen Röhren, bestehend aus einem sogenannten symmetrischen Hochenergie- Vakuum, bilden entweder geschlossene Schleifen oder können sich bis ins Unendliche erstrecken.

 

In diesen Strings sind starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkung in hohem Symmetriegrad vereinigt. Bei einem Durchmesser von nur etwa 10^-30 cm würde ein Zentimeter String rund 4 Billiarden Tonnen (!) wiegen. Stringschleifen oszillieren mit fast Lichtgeschwindigkeit, d.h. eine Schleife von einem Lichtjahr Länge wird in etwas mehr als einem Jahr eine komplette Schwingung durchführen. Diese Schwingungen zehren aber an den Kosmischen Strings, weil sie dabei Energie in Form von Gravitationswellen abgeben.

 

Nach etwa 10 000 Schwingungen verschwinden sie vermutlich, wobei große Schleifen eine nur kurze Lebensdauer haben, während relativ kleine sehr lange existieren könnten. Die kleinste massereiche Stringschleife, die bis heute existent sein könnte, sollte einen Durchmesser von 1 Million Lichtjahren haben. Durch ihre enorme Masse mit der damit verbundenen Gravitation sollen Kosmische Strings in der Anfangsphase des Alls die Galaxienbildung ausgelöst haben. Größere Stringschleifen waren in der Lage, sowohl Materie als auch kleinere Schleifen anzuziehen, woraus demzufolge die Galxienhaufen (Cluster) und Superhaufen entstanden.

 

Im Gegensatz hierzu steht jedoch folgende Aussage:
Nach der Theorie haben Teilchen (z.B. Elektronen) innerhalb des Strings ein verändertes Verhalten: da sie hier masselos sind (aufgrund der extremen Gravitation verlieren sie alle Energie), bilden sie schon bei geringen Energien Teilchen- Antiteilchen- Paare (Elektron- Positron), welche sich in entgegengesetzter Richtung mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Hierdurch wird der Kosmische String zum Supraleiter (kein elektrischer Widerstand) und umgibt sich folglich mit einem sehr starken Magnetfeld.

Die somit erzeugten elektromagnetischen Wellen stoßen auf die Interstellare Materie und üben einen Druck aus. Das interstellare Plasma verhindert jedoch die Strahlungsausbreitung, wodurch es zu einem Anwachsen des Strahlungsdrucks kommt. Schließlich bildet sich eine expandierende Blase, an deren Außenseite Galaxien kondensieren können.

 

Vorstehende Theorie steht im krassen Gegensatz zur Gravitationstheorie der Galaxienhaufenbildung, weil die Materie hier weggeblasen wird und nicht angezogen. Jedoch erklärt sie brillant die beobachteten riesigen Hohlräume in der Galaxienverteilung und die Anordnung der Galaxien auf den Blasenoberflächen, wie es nach heutigem Wissensstand ja auch der Fall ist.

 

 

Strings

Die Physiker sind schon seit langem auf der Suche nach der Weltformel, einer vereinheitlichten Theorie, in welcher sich alle vier Naturkräfte als Supersymmetrie vereinen lassen.
Die vier Naturkräfte sind:

• Gravitation
• Elektrische Anziehungskraft
• Starke Wechselwirkung. Diese ist für den Zusammenhalt von Kernteilchen verantwortlich
• Schwache Wechselwirkung. Sie ist verantwortlich für den radioaktiven Zerfall mancher Elemente

Während man die letzten drei Kräfte, die den Bereich der Quantenwelt beherrschen, in einer Großen Vereinheitlichten Theorie (GUT) zusammenfassen kann, läßt sich die Gravitation, welche die großräumigen Strukturen des Kosmos beeinflußt und durch die Relativitätstheorie beschrieben wird, nicht darin unterbringen.

 

 

Eine bereits in den sechziger Jahren entstandene Theorie erlebt derzeit neuen Aufschwung, die Theorie der Strings. Sie könnte eines Tages das Bindeglied zwischen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik darstellen. Was kann man sich nun unter Strings vorstellen? Strings sind winzigste, fadenartige Gebilde. Sie sind quadrillionenmal kleiner als ein Atom und besitzen eine mindestens zehn- oder elfdimensionale Struktur. Um einen String "sehen" zu können, müsste man einen Teilchenbeschleuniger bauen, der mindestens so groß wie unsere Milchstraße wäre, vielleicht sogar so groß wie das gesamte Universum!

 

Wenn die Theorie zutrifft, könnten Strings fundamental sein, mit einer Ausdehnung im Bereich der Planck- Länge wären sie die kleinsten Strukturen des Kosmos.

                                          

Diese kleinen "Saiten" können offene Enden haben oder sich zu einer Schleife zusammenlegen. Je nachdem wie diese Schleifen oder Fäden nun aufgebaut sind, schwingen sie ganz unterschiedlich, und daraus ergeben sich die unterschiedlichen Eigenschaften der Kernteilchen. Je höher ihre Schwingungsfrequenz ist, um so größer ist ihre Energie und damit ihre Masse (E = mc² !) und um so größer ihre Gravitation.

Zwei von unendlich vielen möglichen Schwingungsmustern. Je schneller die Schwingung stattfindet, um so höher ist die Energie des Systems. Schwere Teilchen sind demnach Strings, die mit höherer Energie schwingen als leichte Teilchen. Durch ähnliche Schwingungsmuster werden die drei anderen Naturkräfte hervorgerufen.

Ein ganz bestimmtes Schwingungsmuster entspricht dem Graviton, dem Botenteilchen der Gravitation. Deshalb ist die Gravitation ein wesentlicher Bestandteil der Stringtheorie und sie könnte darum die einheitliche Theorie sein, die umfassend den Kosmos beschreibt.
Strings sind gespannt wie eine Gitarrensaite, allerdings viel stärker. Die Spannung des Gravitons beträgt beispielsweise 10³⁹ Tonnen (!), das ist die sogenannte Planck- Spannung. Infolge dieser enormen Spannung ziehen sich die Strings sehr stark zusammen, ihre Ausdehnung liegt nurmehr im Bereich der Planck- Länge von 10^-35 m.

 

Ein String wird somit von zwei Faktoren bestimmt: seiner Spannung und seinem Schwingungsmuster. Schwingen zwei Strings gleich, haben aber unterschiedliche Spannungen, so hat der String mit größerer Spannung auch eine höhere Energie und es resultiert ein schwereres Teilchen. Wie alles in der Quantenwelt ist auch die Energie gequantelt, sie kann nur in kleinsten "Häppchen", der Planck- Energie, auftreten. Die Energie eines Strings ist proportional seiner Spannung, deshalb ist ein Energiequant auch recht groß. Die Größe der Planck- Energie, nach E = mc² in Masse umgerechnet, ist 10¹⁹ mal größer als die Masse des Protons. Diese Masse bezeichnet man als Planck- Masse, sie entspricht etwa einem Staubkorn.

 

 

Wie aber sollen dann die leichten Teilchen wie Elektronen, Protonen usw. zu erklären sein? Auch die Strings sind der Quantenhektik aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation unterworfen. In dieser subatomaren Welt herrscht ein ständiges Auf und Ab, ein Kommen und Gehen, diese Welt fluktuiert. Die Stringschleifen pendeln zwischen positiver und negativer Energie hin und her, wobei sich diese Energien zum Teil gegenseitig aufheben.  So bleiben dann unterm Strich nur noch kleine Energien übrig und diese entsprechen dann den uns geläufigen Teilchen. Im Falle des Gravitons heben sich die Energien komplett auf, so daß ein masseloses Teilchen resultiert. Ein masseloses Teilchen (so auch das Photon) kann sich nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, somit wird auch entgegen vielen anderen Behauptungen die Gravitationswirkung ausschließlich mit Lichtgeschwindigkeit übertragen.
 

 

 

Bereits 1919 bemerkte der polnische Mathematiker Theodor Kaluzza, daß es im Kosmos noch mehr als die 3 Raumdimensionen geben könnte. Er fand heraus, daß man durch Einführung einer zusätzlichen Dimension Gravitation und Elektromagnetismus miteinander in Beziehung setzen konnte. In der Quantenmechanik rechnet man lediglich mit Wahrscheinlichkeiten, diese müssen sich irgendwo zwischen 0 und 100% bewegen. In den Anfängen der Stringtheorie ergaben sich allerdings auch negative Wahrscheinlichkeiten, auch erhielt man viel zu große Werte für Ladung und Masse der aus ihr abgeleiteten Teilchen.

Erst nach Einführung weiterer, heute 7 zusätzlicher Raumdimensionen lösten sich diese Probleme. Strings müssen daher in elf Dimensionen schwingen. Diese aktuellste Stringtheorie wird als M- Theorie bezeichnet, sie vereinigt verschiedene Untergruppen von Stringtheorien. Hiernach sind die Dimensionen so zusammengequetscht, daß die Strings nun schwingende Membrane darstellen. Es ist schwierig zu beschreiben, aber man kann sich die zusätzlichen Raumdimensionen aufgewickelt vorstellen. Betrachten wir ein Wasserrohr zuerst aus der Nähe, dann erkennen wir daß es dreidimensional ist, ein Käfer kann nach rechts oder links krabbeln oder das Rohr umrunden. Aus großer Entfernung erkennen wir nur noch einen Strich, aus dieser Sicht kann unser Käfer nur nach rechts oder links, weil eine Dimension scheinbar verschwunden ist, sie hat sich um die anderen aufgewickelt. In dieser Art kann man sich die übrigen Dimensionen der Strings denken, obwohl ein reelles Bild nicht möglich ist.

seltsame Eigenschaften

 

Letzte Änderung: 20.November 2001

Alıntı:  http://abenteuer-universum.vol4u.de/string.html

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