Wäre es nicht schön, wenn man alles, was im Universum passiert mit nur einer Formel berechnen könnte? Nach dieser Weltformel suchen Physiker seit langem. Wie ist hier der Forschungsstand? Von Fabian Wolfram.

Die Weltformel (die Formel an der Albert Einstein scheiterte) oder auch „theory of everything“ (Theorie von Allem) genannt, ist der Versuch der führenden Physiker die Quantengravitation, die allgemeine Relativitätstheorie und die Gravitation erklären zu können und mathematisch in einer Formel beschreiben zu können.

Der Versuch alles in eine Formel zu packen ist jedoch beinahe zu unmöglich daher erwartet ein System bestehend aus mehreren miteinander verbunden Differentialgleichungen. Es wäre somit wohl eher ein Weltgleichungssystem.

Problematisch ist hier lediglich, dass hierfür bisher unerklärbare Phänomene oder nur teilweise verstandene Theorien erst mal bewiesen oder entwickelt werden müssen um aus diesem Verständnis heraus das ganze mathematisch beschreiben zu können.

Die Physikalische Kraft: Gravitation müsste hinsichtlich ihres Verhaltens im Bereich der Quantenphysik in einer Theorie erklärt werden. Hierfür müsste jedoch die Quantenphysik und die allgemeine Relativitätstheorie, zwei bekannte physikalische Theorien des 20. Jahrhunderts, fusioniert also vereinigt werden. Bis jetzt gelang in diese Richtung nur die Vereinigung der Quantenmechanik mit der Relativitätstheorie auf Basis der String-Theorie. Die Quantentheorie bezieht sich auf die drei Elementarkräfte: schwache/starke Wechselwirkung und die elektromagnetische Wechselwirkung, die allgemeine Relativitätstheorie jedoch auf eines der vier Elementarkräfte der Gravitation. Der Forschungsstand ist jedoch hier noch nicht weit genug um die 4 Elementarkräfte im kompletten Zusammenhang zu verstehen und erklären zu können (elektromagnetische Wechselwirkung, schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung).

Die dunkle Materie und der dunklen Energien von der man bisher fast noch überhaupt nichts weiß und sie bisher mithilfe von Teilchenbeschleunigern auch nicht erzeugen konnte, erklären und zwar besonders im Verhalten auf sehr großem und kleinem Raum und Zeitskalen.
Die allumfassende Theorie, die mit der Weltformel einhergeht muss höchstwahrscheinlich in einer Realität betrachtet werden wo mehr als 4 Dimensionen existieren. Hierzu gibt es Theorien, dass sogar über 10 Dimensionen existieren sollen, hierzu gibt es bloß leider noch keine stichhaltigen Beweise und Erfolge im Bereich des Verständnisses des über 4-dimensionalen Raumes.

Die populärsten Theorien in Richtung der Annäherung des Fortschreitens im Bereich des Verständnisses des Universums durch Beschreibung der Quantengravitation sind hierbei die String Theorie, die M-Theorie und die Schleifenquantentheorie. Wobei die M-Theorie auf Basis der String Theorie entstanden ist und diese beinhaltet. Damit würde man alle bisher bekannten Naturkräfte erklären können.

String Theorie

Die Theorie wurde von einer Vielzahl von Wissenschaftlern besonders um 1970 verfasst, abgeändert und erweitert sowie verknüpft mit diversen anderen Theorien, wie die der Mehrdimensionalität. Hierbei kamen jedoch nur die Theorie der 10 Dimensionen in Frage nachdem diese sich gegenüber der anderen durchsetzte und man somit auch seitdem von der Superstringtheorie spricht.

Das Ziel der String Theorie ist das Universum zu erklären durch Strings (Seiten, Bänder, Fäden) also ein dimensionale Fäden die der Grundbausteine für alle Materie sein sollen indem sie als Elementarteilchen dienen. Also für Atome, Moleküle oder Fußbälle im Prinzip alles was hier in unserem Bereich des Universums existiert. Problematisch ist hier jedoch wie eben angemerkt das diese Fäden ein dimensional sein sollen bloß leben wir tagtäglich in einem vierdimensionalen Raum bzw. verstehen wir nur diesen und ein dimensionale Objekte sind nicht vorstellbar. Die Masse die diese Strings besitzen sollen, beziehen sie aus der Schwingungsenergie, die man mithilfe von der allgemeinen Relativitätstheorie also E=m*c² berechnen kann. Je stärker sie schwingen desto größer die Masse im Prinzip sehr einfach erklärt. Jedoch braucht man um die String Theorie anwenden zu können 9 Raumdimensionen + Zeit also insgesamt eine 10 dimensionale Raumzeit. Wir kennen jedoch nur die 3 üblichen Höhe, Länge und Tiefe.

Daher stoßen wir hier an ein Problem wo man sich bislang nur mathematisch annähern kann, indem man diese probiert durch Zahlen, Funktionen und Variablen mit einzubeziehen.

M-Theorie

Die Theorie ist eine erweiterte Form der Stringtheorie die insgesamt verallgemeinert ist und mit der man in Zukunft probieren will alle bekannten Naturkräfte einheitlich erklären zu können. Die M-Theorie entstand 1995 wesentlich durch die Arbeit von Edward Witten. Als Fundament der Theorie dienen die 5 bekannten Superstringtheorien und die elf dimensionale Supergravitation. Diese eine Dimension mehr unterscheidet sie von der herkömmlichen Stringtheorie in der 10 Dimensionen herrschen. Diese Vielzahl an Theorien sind aufgrund von Dualitäten verbunden kurz gesagt sie überschneiden sich teilweise und können nebeineinander in ihrem Parameterraum exestieren. Wie alle Theorien im Bereich der Weltformel oder in diesem Fall Theorienansammlung ist/sind sie nicht bewiesen.

Schleifenquantentheorie

Die Theorie beschäftigt sich wie die anderen beiden mit der Vereinigung der Quantenphysik mit der allgemeinen Relativitätstheorie. Die Theorie basiert auf Problematiken auf die Einstein stieß und probiert diese zu lösen. Einsteins Theorien zur Folge gab es eine Singularität, während des Urknalls, dies liefert aber wenig Erkenntnis über den Urknall und der Singularität an sich. Einstein nahm an das Gravitation sich bei unendlicher Energiedichte immer gleich verhält. Martin Bojowald eine der Hauptersteller der Schleifenquantentheorie behauptet jedoch das bei einer gewissen endlichen Energiedichte, die Gravitation statt anzuziehen abstößt was den Urknall erklärt und die Zeit davor. Er nahm an das ein Universum vor diesem existierte zur Singularität wurde und die benötigte Energiedichte erreichte und durch die Umkehrung des Anzieheffekts Materie abstieß und somit unser Universum entstand.

Dieser Punkt ist jedoch erst erreicht wenn ca. 2 Billionen Sonnen auf der Größe eines Protons gebündelt sind. Der Raum wird als quantenmechanisches Spin-Netzwerk beschrieben, welches mithilfe durch Diagramme Knoten und Linien darstellbar ist und so veranschaulichbar wird. Der Ort wo die Quantisierung von Raum und Zeit stattfindet die laut dieser Theorie vorhanden ist, soll ca.10^35 m betragen und in Zeiträumen von 10^43 Sekunden stattfinden. Auf einer Skala in diesen Größenordnungen werden alle Phänomene quantisiert, darunter auch die Gravitation die nicht mehr als kontinuierliche Kraft sondern als quantisierte Kraft existiert.

Das bedeutet, dass die klassische Physik für eine theoretische Beschreibung eines physikalischen Systems abgeändert wird um Beobachtungen in diesem Fall die Quantisierung aller Phänomene richtig wiederzugeben.

Zusammenfassend kann man sagen das noch stichhaltigere Beweise, sowie weitere Theorien und dringend nötige Erklärungen nötig sind um mit der String M- oder Schleifenquantentheorie weiter voranzuschreiten oder aus diesen Erkenntnissen eine neue Theorie zu entwickeln, womit man immer noch weit entfernt wäre von einer Weltformel, die man auch als utopisches Ziel für den heutigen Forschungsstand beschreiben könnte.

Dieser Artikel ist ein Beitrag aus dem Unterrichtsprojekt „Die Erforschung des Universums„. Weitere Schüler-Beiträge finden sich unter dem Schlagwort Kosmologie-Projekt.