Ist die Stringtheorie eine Theorie?

[TomS]

Zitat von Timm

Dieser Aspekt

war für mich völlig überraschend ... Welche Art von Anzeichen würden denn darauf hindeuten, daß Strings "nur" den Status Quasiteilchen haben?

Nun, letztlich sehe ich da verschiedene Indizien
1) Strings wurden zunächst "erfunden", um die Dynamik von Hadronen zu beschreiben. Das hat praktisch nicht funktioniert, heute wissen wir, dass wir die QCD verwenden müssen. In dieser treten jedoch in bestimmten Formulierungen string-artige Gebilde (Wilson- bzw. Polyakov-Loop) auf. Diese sind nicht fundamental.
2) Ich habe mich längere Zeit mit chiral-effektiven Theorien zur Beschreibung von Hadronen und ihren Wechselwirkungen befasst. Da hatten wir ein ähnliches Phänomen, dass wir nämlich immer irgendwas dazubasteln konnten, um andere Effekte zu beschreiben. Es gab jedoch wiederum keine fundamentale Definition. Bzw. es gab sie rein theoretisch, nämlich die QCD, wir waren jedoch nicht in der Lage, für die QCD eine Methode anzugeben, mittels der wir die chiral-effektiven Theorien systematisch hätten ableiten können.
3) Grundsätzlich sollte man immer die Möglichkeit in Betracht ziehen, dass man "die falschen" bzw. lediglich effektive Freiheitsgrade betrachtet. Z.B. wäre es völlig dämlich, die Navier-Stokes-Gleichungen zu quantisieren, um daraus etwas über Wasserquanten zu lernen. Gerade weil das fundamentale Prinzip der Stringtheorie nicht erkennbar ist (Witten hat die M-Theorie vor ca. 20 Jahren erstmals erwähnt !!) muss man doch einfach mal auf die Idee kommen, dass man die falsche Perspektive einnimmt (die Ergebnisse der Stringtheorie wären dadurch keineswegs entwertet

Ich denke, eine Idee, die in diese Richtung geht, wäre in etwa die Matrixtheorie: http://en.wikipedia.org/wiki/Category:String_theory

[Timm]

Zitat von TomS

Gerade weil das fundamentale Prinzip der Stringtheorie nicht erkennbar ist (Witten hat die M-Theorie vor ca. 20 Jahren erstmals erwähnt !!) muss man doch einfach mal auf die Idee kommen, dass man die falsche Perspektive einnimmt (die Ergebnisse der Stringtheorie wären dadurch keineswegs entwertet

Ich denke, eine Idee, die in diese Richtung geht, wäre in etwa die Matrixtheorie: http://en.wikipedia.org/wiki/Category:String_theory

Bei der Matrixtheorie scheint es tatsächlich um nicht-störungstheoretische Ansätze zu gehen. Der eine probiert dieses, der andere jenes und das auf beiden Felder, der Strings und der Branen.

Wenn ich es richtig verstehe sind strings mathematische Konstrukte, die die Eigenschaften der elementaren Teilchen beschreiben. Wenn strings und somit die elementaren Teilchen, wie Du (oder auch andere?) es vermutest, Quasiteilchen sind, dann sollten sie Anregungen eines Vielteilchensystems sein, das in diesem Sinne noch elementarer sprich fundamental ist. Es ist, als wollte man von Phononen auf die Besetzung der Gitterpunkte schließen. Was aber nicht geht, weil die Information Masse nicht hinreichend ist. Gibt es im Zusammenhang mit irgendwelchen Quasiteilchen überhaupt einen top-down Ansatz?

Mit "falsche Perspektive" meinst Du wohl die, strings als fundamental zu sehen.

[TomS]

Zitat von Timm

Wenn strings und somit die elementaren Teilchen, wie Du (oder auch andere?) es vermutest, Quasiteilchen sind, dann sollten sie Anregungen eines Vielteilchensystems sein, das in diesem Sinne noch elementarer sprich fundamental ist. Es ist, als wollte man von Phononen auf die Besetzung der Gitterpunkte schließen. Was aber nicht geht, weil die Information Masse nicht hinreichend ist.

Ja, genau!

Zitat von Timm

Gibt es im Zusammenhang mit irgendwelchen Quasiteilchen überhaupt einen top-down Ansatz?

Was meinst du mit top-down?

Was m.E. noch nie funktioniert hat, war, die Bestandteile ausschließlich aufgrund mathematischer Überlegungen zu identifizieren. Experimentelle Erkenntnisse waren immer ein wesentliches Element.

Zitat von Timm

Mit "falsche Perspektive" meinst Du wohl die, strings als fundamental zu sehen.

Ja.

[Timm]

Zitat von TomS

Was meinst du mit top-down?

Mit 'down' die fundamentale Ebene, mit 'top' die davon abgeleitete, im Beispiel die der Phononen. Aber diese Charakterisierung dürfte Geschmacksache sein. In der Regel geht die Forschung doch umgekehrt, vom Gitter zu den Phononen oder von der Fermi-Verteilung der Leitungselektronen zu den Cooper-Paaren.

Wenn man die Raumzeit als emergentes Phänomen betrachtet, müßte man umgekehrt vorgehen. Ich kann es nicht wirklich beurteilen, vermute aber daß dies (top-down) unvergleichlich schwieriger ist, deshalb die Frage nach einem Beispiel, falls es eines gibt.
Nun hat man bei der ART zumindest ein festgefügtes theoretisches Gebäude. Genau davon ist man aber bei der String/Brane Forschung weit entfernt, sodaß die Suche nach einer fundamentalen Ebene derzeit wohl völlig hoffnungslos ist.

[TomS]

Zitat von Timm

In der Regel geht die Forschung doch umgekehrt, vom Gitter zu den Phononen oder von der Fermi-Verteilung der Leitungselektronen zu den Cooper-Paaren.

Nun, es gibt sicher beides: Identifizierung der Quarks im Proton; Berechnung (sowie Messung) von Quasiteilchen in Festkörpern auf Basis fundamentaler Freiheitsgrade.

Zitat von Timm

Wenn man die Raumzeit als emergentes Phänomen betrachtet, müßte man umgekehrt vorgehen. Ich kann es nicht wirklich beurteilen, vermute aber daß dies (top-down) unvergleichlich schwieriger ist ...

Es ist bisher nie gelungen, fundamentale Freiheitsgrade eindeutig zu identifizieren, ohne dass man diese direkt im Experiment gesehen hätte (s.o. die Quarks).

Zitat von Timm

... deshalb die Frage nach einem Beispiel, falls es eines gibt.

Ich denke, die LQG wäre ein Beispiel. Die Identifizierung der Spinnetzwerke folgt nach langer Herleitung aus einer speziellen Quantisierungsmethode der ART. Umgekehrt können für bestimmte Spezialfälle Näherungen angewandt werden, in denen dann wiederum eine Raumzeit auftaucht. Aber auch in dieser Theorie ist man noch weit von einer umfassenden und konsistenten Darstellung entfernt.

Zitat von Timm

Nun hat man bei der ART zumindest ein festgefügtes theoretisches Gebäude. Genau davon ist man aber bei der String/Brane Forschung weit entfernt, sodaß die Suche nach einer fundamentalen Ebene derzeit wohl völlig hoffnungslos ist.

Ja, das erschwert da ganze noch zusätzlich.

Ich bin aber der Meinung, dass man ohne experimentelle Hinweise sowieso keinen allgemeingültigen Weg zu einer Herleitung der fundamentalen Ebene angeben kann. Stell dir vor, du bist Experte in Hydrodynamik und arbeitest mit den Navier-Stokes-Gleichungen; wie lautet dein Weg zur Identifizierung der Atome und Moleküle?

[TomS]

Wir haben uns ziemlich weit von der ursprünglichen Fragestellung entfernt. Es ging ja um die Notwendigkeit, Theorien falsifizieren zu können.

[Timm]

Danke für die Anmerkungen.

Zitat von TomS

Stell dir vor, du bist Experte in Hydrodynamik und arbeitest mit den Navier-Stokes-Gleichungen; wie lautet dein Weg zur Identifizierung der Atome und Moleküle?

Ach, da mache ich ein GC-MS.

Zitat von TomS

Wir haben uns ziemlich weit von der ursprünglichen Fragestellung entfernt. Es ging ja um die Notwendigkeit, Theorien falsifizieren zu können.

Stimmt. Meine Haltung dazu ist konservativ. Eine Mindestanforderung sollte die prinzipielle Falsifizierbarkeit (z.B. die schon erwähnten Streuamplituden bei hohen Energien) sein, mathematische Konsistenz usw. vorausgesetzt. Letzteres ist aber im Rahmen der String-"Theorien" in weiter Ferne. Bei der LQG auch, aber ebenfalls mit dem Potential der prinzipiellen Falsifizierbarkeit.
Verglichen damit sehe ich das Multiversum als Objekt lustvoller Spekulationen.

Wie lange wird die Stringtheorie noch Gegenstand der Forschung sein und (angeblich) die begabtesten Absolventen absorbieren? Viele, wie auch Lüst, lassen ja nicht locker (die Palette seiner Forschungsprojekte ist beeindruckend), stellen aber zugleich in Ermangelung konkreter Ergebnisse mehr und mehr das anthropische Prinzip in den Vordergrund.

[TomS]

Zitat von Timm

Wie lange wird die Stringtheorie noch Gegenstand der Forschung sein und (angeblich) die begabtesten Absolventen absorbieren? Viele, wie auch Lüst, lassen ja nicht locker (die Palette seiner Forschungsprojekte ist beeindruckend), stellen aber zugleich in Ermangelung konkreter Ergebnisse mehr und mehr das anthropische Prinzip in den Vordergrund.

Die Diskussionen werden jedenfalls vermehrt geführt ;-)

[TomS]

Schaut mal hier:

http://physics.stackexchange.com/que...-string-theory

Symptomatisch! Was und wem soll man noch glauben?

[Bauhof]

Hallo zusammen,

Peter Eisenhardt schreibt zur String-Theorie in seinem Buch [1] auf Seite 223 folgendes:

Ein anderes Bild malt die Elementarteilchen als das Ergebnis der «Vibrationen» von Strings. Dann könnte man sich imaginieren, dass auch die Raumzeit als Gravitationsfeld das Resultat von Stringschwingungen sein könnte, denn Materie/Energie und Raum-Zeit sind ja nach der allgemeinen Relativitätstheorie eng aneinander gekoppelt.

Richtig ist, dass zum Beispiel die Dynamik geschlossener eindimensionaler Strings als «Spur» einen Zylinder hinterlässt, welche als Bestreichung ihrer Weltfläche beschrieben wird, ähnlich wie ein null-dimensionales Teilchen als Weltlinie eine eindimensionale Spur hinterlässt.

Diese Spuren sind in eine Raumzeit mit je passender Dimension eingebettet. Das ist aber nicht die ganze Geschichte. In der Stringtheorie spielt die Raumzeit eine etwas merkwürdige Rolle. Im allgemeinen lässt sich mit den Worten von Edward Witten sagen, dass «die Struktur der Raumzeit in den Gesetzen verschlüsselt ist, durch welche die Strings sich ausbreiten».

Ein vibrierender String kann so durch ein bestimmtes physikalisches Feld («auxiliary field») beschrieben werden, das seine Wirkung oder Wechselwirkung beinhaltet. Die Pointe liegt nun darin, dass dieses Feld einer Feldtheorie (ähnlich einer Quantenfeldtheorie) «eine fundamentalere Rolle als die Raumzeit spielt, und die Raumzeit existiert nur in dem Ausmaß, dass sie aus dieser zweidimensionalen Feldtheorie rekonstruiert werden kann».

In diesem Sinne ist die Raumzeit in der Stringtheorie nicht fundamental. Dabei spielt natürlich auch eine entscheidende Rolle, dass die Strings eine endliche diskrete Größe haben, die nahe an der Plancklänge liegt, und dass diese Eigenschaft in das Feld eingehen muss. Das Bild wird also ein bisschen umgemalt. Der Stringtheoretiker Gary Horowitz zeichnet es so:

«... es wurde oft vorgeschlagen, dass Raum und Zeit abgeleitete Größen in der Quantengravitation sein sollten. Aber das Problem war immer: Falls Raum und Zeit nicht fundamental sind, was ersetzt sie? Hier liegt die Antwort darin, dass es eine Hilfsraumzeitmetrik gibt, die durch Randbedingungen in der Unendlichkeit festgelegt wird. Die [Feldtheorie] benutzt diese Metrik, aber die physikalische Raumzeitmetrik ist eine abgeleitete Größe. Es ist wichtig zu betonen, dass die Raumzeit nicht aus <Strings> emergiert. In diesem Zugang sind die sogenannten fundamentalen Strings der Stringtheorie ebenfalls abgeleitete Größen. Sowohl Strings als auch Raumzeit sind aus der [Feldtheorie] entwickelt.»

Es ist freilich unklar, welche genaue Rolle diese «Hilfsgröße» eigentlich spielt, da es sich nur um einen Zugang von vielen zu einer fundamentalen hintergrundfreien Stringtheorie handelt (der sogenannten M-Theorie), die noch aufgestellt werden muss. Die Wandlung des Bildes ist also noch nicht vollendet.

Mich würde als Laie interessieren, was Edward Witten durch den nachstehenden Satz zum Ausdruck bringen will:

Im allgemeinen lässt sich mit den Worten von Edward Witten sagen, dass «die Struktur der Raumzeit in den Gesetzen verschlüsselt ist, durch welche die Strings sich ausbreiten».

Kennt man denn die Gesetze, durch welche die Strings sich ausbreiten?

M.f.G Eugen Bauhof

[1] Eisenhardt, Peter
Der Webstuhl der Zeit. Warum es die Welt gibt.
Reinbek bei Hamburg 2006
ISBN=3-499-60884-7