Die Superstring-Theorie stellt in der Volkssprache das Universum als eine Ansammlung vibrierender Energiestränge dar – Saiten. Sie sind die Grundlage der Natur. Die Hypothese beschreibt auch andere Elemente - Branen. Alle Materie in unserer Welt besteht aus Schwingungen von Saiten und Fasern. Eine natürliche Folge der Theorie ist die Beschreibung der Schwerkraft. Deshalb glauben Wissenschaftler, dass es der Schlüssel zur Vereinigung der Schwerkraft mit anderen Kräften ist.
Konzept in Entwicklung
Die vereinheitlichte Feldtheorie, die Superstringtheorie, ist rein mathematisch. Wie alle physikalischen Konzepte basiert es auf Gleichungen, die auf bestimmte Weise interpretiert werden können.
Heute weiß niemand genau, was die endgültige Version dieser Theorie sein wird. Wissenschaftler haben eine ziemlich vage Vorstellung von ihren allgemeinen Elementen, aber noch hat niemand eine endgültige Gleichung gefunden, die alle Superstring-Theorien abdecken würde, und experimentell konnte sie sie noch nicht bestätigen (obwohl sie sie auch nicht widerlegen). Physiker haben vereinfachte Versionen der Gleichung erstellt, aber bisher beschreibt sie unser Universum nicht ganz.
Superstring-Theorie für Anfänger
Die Hypothese basiert auf fünf Schlüsselideen.
- Die Superstring-Theorie sagt voraus, dass alle Objekte in unserer Welt aus vibrierenden Fäden und Energiemembranen bestehen.
- Sie versucht die Allgemeine Relativitätstheorie (Schwerkraft) mit der Quantenphysik zu kombinieren.
- Die Superstring-Theorie wird alle fundamentalen Kräfte des Universums vereinen.
- Diese Hypothese sagt eine neue Verbindung, Supersymmetrie, zwischen zwei grundlegend unterschiedlichen Arten von Teilchen, Bosonen und Fermionen, voraus.
- Das Konzept beschreibt eine Reihe zusätzlicher, normalerweise nicht beobachtbarer Dimensionen des Universums.
Strings and branes
Als die Theorie in den 1970er Jahren aufkam, wurden die darin enth altenen Energiefäden als eindimensionale Objekte betrachtet – Saiten. Das Wort „eindimensional“bedeutet, dass die Zeichenfolge nur eine Dimension hat, die Länge, im Gegensatz zu beispielsweise einem Quadrat, das sowohl eine Länge als auch eine Höhe hat.
Die Theorie teilt diese Superstrings in zwei Typen - geschlossen und offen. Eine offene Saite hat Enden, die sich nicht berühren, während eine geschlossene Saite eine Schleife ohne offene Enden ist. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass diese Saiten, Saiten des ersten Typs genannt, 5 Haupttypen von Wechselwirkungen unterliegen.
Wechselwirkungen basieren auf der Fähigkeit einer Schnur, ihre Enden zu verbinden und zu trennen. Da sich die Enden offener Saiten zu geschlossenen Saiten verbinden können, ist es unmöglich, eine Superstring-Theorie zu konstruieren, die keine geschlungenen Saiten enthält.
Dies stellte sich als wichtig heraus, da geschlossene Saiten Eigenschaften haben, glauben Physiker, die die Schwerkraft beschreiben könnten. Mit anderen Worten, Wissenschaftlererkannte, dass die Superstringtheorie, anstatt die Materieteilchen zu erklären, ihr Verh alten und ihre Schwerkraft beschreiben kann.
Nach vielen Jahren stellte sich heraus, dass neben Saiten auch andere Elemente für die Theorie notwendig sind. Sie können als Blätter oder Branes betrachtet werden. Schnüre können einseitig oder beidseitig angebracht werden.
Quantengravitation
Die moderne Physik hat zwei wissenschaftliche Hauptgesetze: die allgemeine Relativitätstheorie (GR) und Quanten. Sie repräsentieren völlig unterschiedliche Wissenschaftsbereiche. Die Quantenphysik untersucht die kleinsten natürlichen Teilchen, und GR beschreibt in der Regel die Natur im Maßstab von Planeten, Galaxien und dem Universum als Ganzes. Die Hypothesen, die versuchen, sie zu vereinen, werden Quantengravitationstheorien genannt. Am vielversprechendsten ist heute die Saite.
Geschlossene Fäden entsprechen dem Verh alten der Schwerkraft. Insbesondere haben sie die Eigenschaften eines Gravitons, eines Teilchens, das die Schwerkraft zwischen Objekten trägt.
Zusammenschluss
Stringtheorie versucht, die vier Kräfte - elektromagnetische, starke und schwache Kernkräfte und Gravitation - zu einer zu kombinieren. In unserer Welt manifestieren sie sich als vier verschiedene Phänomene, aber Stringtheoretiker glauben, dass im frühen Universum, als es unglaublich hohe Energieniveaus gab, all diese Kräfte durch miteinander interagierende Strings beschrieben werden.
Supersymmetrie
Alle Teilchen im Universum können in zwei Arten unterteilt werden: Bosonen und Fermionen. Stringtheoriesagt voraus, dass es eine Beziehung zwischen ihnen gibt, die als Supersymmetrie bezeichnet wird. Bei der Supersymmetrie muss es für jedes Boson ein Fermion und für jedes Fermion ein Boson geben. Leider wurde die Existenz solcher Partikel experimentell nicht bestätigt.
Supersymmetrie ist eine mathematische Beziehung zwischen Elementen physikalischer Gleichungen. Sie wurde auf einem anderen Gebiet der Physik entdeckt, und ihre Anwendung führte Mitte der 1970er Jahre zur Umbenennung in supersymmetrische Stringtheorie (oder im Volksmund Superstringtheorie).
Einer der Vorteile der Supersymmetrie ist, dass sie Gleichungen stark vereinfacht, indem einige Variablen eliminiert werden können. Ohne Supersymmetrie führen die Gleichungen zu physikalischen Widersprüchen wie unendlichen Werten und imaginären Energieniveaus.
Da Wissenschaftler die durch Supersymmetrie vorhergesagten Teilchen nicht beobachtet haben, ist dies immer noch eine Hypothese. Viele Physiker glauben, dass der Grund dafür der Bedarf an einer beträchtlichen Energiemenge ist, die durch die berühmte Einstein-Gleichung E=mc2 mit der Masse in Beziehung steht. Diese Teilchen könnten im frühen Universum existiert haben, aber als es nach dem Urknall abkühlte und sich die Energie ausbreitete, bewegten sich diese Teilchen auf niedrige Energieniveaus.
Mit anderen Worten, die Saiten, die als hochenergetische Teilchen schwingten, verloren ihre Energie und verwandelten sie in Elemente mit geringerer Schwingung.
Wissenschaftler hoffen, dass astronomische Beobachtungen oder Experimente mit Teilchenbeschleunigern die Theorie bestätigen werden, indem sie einige der supersymmetrischen Elemente mit einem höheren aufdeckenEnergie.
Zusätzliche Messungen
Eine weitere mathematische Konsequenz der Stringtheorie ist, dass sie in einer Welt mit mehr als drei Dimensionen sinnvoll ist. Dafür gibt es derzeit zwei Erklärungen:
- Die zusätzlichen Dimensionen (sechs davon) sind zusammengebrochen oder, in der Terminologie der Stringtheorie, zu unglaublich kleinen Größen verdichtet, die niemals wahrgenommen werden.
- Wir stecken in der 3D-Brane fest, und die anderen Dimensionen erstrecken sich darüber hinaus und sind für uns unzugänglich.
Eine wichtige Forschungsrichtung unter Theoretikern ist die mathematische Modellierung, wie diese zusätzlichen Koordinaten mit unseren zusammenhängen könnten. Die neuesten Ergebnisse sagen voraus, dass Wissenschaftler diese zusätzlichen Dimensionen (falls vorhanden) bald in bevorstehenden Experimenten nachweisen können, da sie möglicherweise größer sind als bisher erwartet.
Den Zweck verstehen
Das Ziel, das Wissenschaftler bei der Erforschung von Superstrings anstreben, ist eine "Theory of Everything", also eine einzige physikalische Hypothese, die die gesamte physikalische Realität auf einer grundlegenden Ebene beschreibt. Im Erfolgsfall könnte es viele Fragen zur Struktur unseres Universums klären.
Erklärung von Materie und Masse
Eine der Hauptaufgaben der modernen Forschung ist es, Lösungen für reale Teilchen zu finden.
Stringtheorie begann als ein Konzept, das Teilchen wie Hadronen in verschiedenen höheren Schwingungszuständen eines Strings beschreibt. In den meisten modernen Formulierungen wird die Angelegenheit in unseren beobachtetUniversum, ist das Ergebnis von Schwingungen von Saiten und Branes mit der niedrigsten Energie. Höhere Schwingungen erzeugen hochenergetische Teilchen, die derzeit in unserer Welt nicht existieren.
Die Masse dieser Elementarteilchen ist eine Manifestation dessen, wie Saiten und Branen in verdichtete Extradimensionen gewickelt sind. In einem vereinfachten Fall, in dem sie beispielsweise zu einer Donutform gef altet werden, die von Mathematikern und Physikern als Torus bezeichnet wird, kann eine Schnur diese Form auf zwei Arten umhüllen:
- kurze Schleife durch die Mitte des Torus;
- eine lange Schleife um den gesamten Außenumfang des Torus.
Eine kurze Schleife ist ein leichtes Teilchen und eine große Schleife ein schweres. Das Wickeln von Saiten um toroidale verdichtete Abmessungen erzeugt neue Elemente mit unterschiedlichen Massen.
Die Superstring-Theorie erklärt prägnant und klar, einfach und elegant den Übergang von Länge in Masse. Die gef alteten Abmessungen sind hier viel komplizierter als beim Torus, funktionieren aber im Prinzip genauso.
Es ist sogar möglich, wenn auch schwer vorstellbar, dass sich die Schnur gleichzeitig in zwei Richtungen um den Torus wickelt, was zu einem anderen Teilchen mit einer anderen Masse führt. Branes kann auch zusätzliche Dimensionen umhüllen, wodurch noch mehr Möglichkeiten entstehen.
Raum und Zeit bestimmen
In vielen Versionen der Superstring-Theorie kollabieren die Dimensionen, wodurch sie auf dem aktuellen Stand der Technologieentwicklung nicht mehr beobachtbar sind.
Derzeit ist nicht klar, ob die Stringtheorie die grundlegende Natur von Raum und Zeit erklären kannmehr als Einstein. Darin sind Messungen der Hintergrund für das Zusammenspiel von Saiten und haben keine eigenständige wirkliche Bedeutung.
Zur Darstellung der Raum-Zeit als Ableitung der Gesamtsumme aller String-Wechselwirkungen wurden Erklärungen angeboten, nicht vollständig entwickelt.
Dieser Ansatz entspricht nicht den Vorstellungen einiger Physiker, was zu Kritik an der Hypothese führte. Die konkurrierende Theorie der Schleifenquantengravitation nutzt die Quantisierung von Raum und Zeit als Ausgangspunkt. Einige glauben, dass es am Ende nur eine andere Herangehensweise an dieselbe Grundhypothese sein wird.
Quantisierung der Schwerkraft
Die Haupterrungenschaft dieser Hypothese wird, wenn sie bestätigt wird, die Quantentheorie der Gravitation sein. Die aktuelle Beschreibung der Gravitation in der Allgemeinen Relativitätstheorie ist mit der Quantenphysik nicht vereinbar. Letzteres führt, indem es das Verh alten kleiner Teilchen einschränkt, zu Widersprüchen, wenn man versucht, das Universum in einem extrem kleinen Maßstab zu erforschen.
Vereinigung der Kräfte
Momentan kennen Physiker vier fundamentale Kräfte: Gravitation, elektromagnetische, schwache und starke nukleare Wechselwirkungen. Aus der Stringtheorie folgt, dass sie alle einmal Manifestationen eines einzigen waren.
Gemäß dieser Hypothese begann sich diese einzelne Wechselwirkung, seit das frühe Universum nach dem Urknall abkühlte, in verschiedene Wechselwirkungen aufzulösen, die heute aktiv sind.
Hochenergieexperimente werden es uns eines Tages ermöglichen, die Vereinigung dieser Kräfte zu entdecken, obwohl solche Experimente weit über die derzeitige Entwicklung der Technologie hinausgehen.
Fünf Möglichkeiten
Nach der Superstring-Revolution 1984 ging die Entwicklung im Eiltempo voran. Als Ergebnis gab es statt eines Konzepts fünf, benannte Typen I, IIA, IIB, HO, HE, von denen jeder unsere Welt fast vollständig, aber nicht vollständig beschrieb.
Physiker, die Versionen der Stringtheorie durchforstet haben in der Hoffnung, eine universelle wahre Formel zu finden, haben 5 verschiedene autarke Versionen erstellt. Einige ihrer Eigenschaften spiegelten die physikalische Realität der Welt wider, andere entsprachen nicht der Realität.
M-Theorie
Auf einer Konferenz im Jahr 1995 schlug der Physiker Edward Witten eine mutige Lösung für das Problem der fünf Hypothesen vor. Basierend auf der neu entdeckten Dualität wurden sie alle zu Spezialfällen eines einzigen übergreifenden Konzepts, genannt Wittens M-Theorie der Superstrings. Eines seiner Schlüsselkonzepte waren Branen (kurz für Membrane), grundlegende Objekte mit mehr als einer Dimension. Obwohl der Autor keine Vollversion angeboten hat, die noch nicht verfügbar ist, besteht die M-Theorie der Superstrings kurz aus den folgenden Merkmalen:
- 11-Dimension (10 räumliche plus 1 zeitliche Dimension);
- Dualitäten, die zu fünf Theorien führen, die dieselbe physikalische Realität erklären;
- Branes sind Strings mit mehr als einer Dimension.
Konsequenzen
Als Ergebnis gab es statt einer 10500 Lösungen. Für einige Physiker löste dies eine Krise aus, während andere das anthropische Prinzip akzeptierten, das die Eigenschaften des Universums durch unsere Anwesenheit darin erklärt. Es bleibt abzuwarten, wann Theoretiker einen anderen finden werdenOrientierungshilfe in der Superstringtheorie.
Einige Interpretationen deuten darauf hin, dass unsere Welt nicht die einzige ist. Die radikalsten Versionen erlauben die Existenz einer unendlichen Anzahl von Universen, von denen einige exakte Kopien unseres eigenen enth alten.
Einsteins Theorie sagt die Existenz eines gewundenen Raums voraus, der Wurmloch oder Einstein-Rosen-Brücke genannt wird. In diesem Fall werden zwei entfernte Standorte durch einen kurzen Durchgang verbunden. Die Superstring-Theorie erlaubt nicht nur dies, sondern auch die Verbindung entfernter Punkte paralleler Welten. Es ist sogar möglich, zwischen Universen mit unterschiedlichen physikalischen Gesetzen zu wechseln. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass die Quantentheorie der Gravitation ihre Existenz unmöglich machen wird.
Viele Physiker glauben, dass das holographische Prinzip, wenn alle im Raumvolumen enth altenen Informationen mit den auf seiner Oberfläche aufgezeichneten Informationen übereinstimmen, ein tieferes Verständnis des Konzepts der Energiefäden ermöglichen wird.
Einige glauben, dass die Superstring-Theorie mehrere Zeitdimensionen zulässt, was zu Reisen durch sie führen könnte.
Darüber hinaus gibt es im Rahmen der Hypothese eine Alternative zum Urknall-Modell, wonach unser Universum als Ergebnis einer Kollision zweier Branen entstanden ist und wiederholte Zyklen von Schöpfung und Zerstörung durchläuft.
Das endgültige Schicksal des Universums hat die Physiker schon immer beschäftigt, und die endgültige Version der Stringtheorie wird dabei helfen, die Dichte der Materie und die kosmologische Konstante zu bestimmen. Wenn Kosmologen diese Werte kennen, können sie bestimmen, ob das Universum dies tun wirdschrumpfen, bis es explodiert, um von vorne zu beginnen.
Niemand weiß, wohin eine wissenschaftliche Theorie führen kann, bis sie entwickelt und getestet ist. Einstein, der die Gleichung E=mc2 schrieb, erwartete nicht, dass dies zum Erscheinen von Atomwaffen führen würde. Die Schöpfer der Quantenphysik wussten nicht, dass sie die Grundlage für die Herstellung eines Lasers und eines Transistors werden würde. Und obwohl noch nicht bekannt ist, wozu ein solches rein theoretisches Konzept führen wird, zeigt die Geschichte, dass sicherlich etwas Herausragendes herauskommen wird.
Weitere Informationen zu dieser Vermutung finden Sie in Andrew Zimmermans Superstring-Theorie für Dummies.
