Was sagt die Stringtheorie in einfachen Worten? Die Stringtheorie klingt so verrückt, dass sie durchaus richtig sein könnte.

Superstringtheorie

Kurz zur Superstringtheorie

Diese Theorie sieht so verrückt aus, dass es durchaus möglich ist, dass sie richtig ist!

Verschiedene Versionen der Stringtheorie gelten heute als Hauptkandidaten für den Titel einer umfassenden, universellen Theorie, die die Natur von allem Existierenden erklärt. Und dies ist eine Art Heiliger Gral der theoretischen Physiker, die sich mit der Theorie der Elementarteilchen und der Kosmologie befassen. Universelle Theorie (auch bekannt als Theorie von allem) enthält nur wenige Gleichungen, die das gesamte menschliche Wissen über die Natur von Wechselwirkungen und die Eigenschaften der Grundelemente der Materie, aus denen das Universum besteht, vereinen. Heute wird die Stringtheorie mit dem Konzept kombiniert Supersymmetrie, wodurch geboren wurde Superstringtheorie, und dies ist bis heute das Maximum, das hinsichtlich der Vereinheitlichung der Theorie aller vier Hauptwechselwirkungen (in der Natur wirkende Kräfte) erreicht wurde. Die Theorie der Supersymmetrie selbst basiert bereits auf der Grundlage eines Apriori modernes Konzept, wonach jede entfernte (Feld-)Wechselwirkung durch den Austausch von Teilchen-Wechselwirkungsträgern der entsprechenden Art zwischen wechselwirkenden Teilchen verursacht wird (Standardmodell). Der Klarheit halber können wechselwirkende Teilchen als „Bausteine“ des Universums und Trägerteilchen als Zement betrachtet werden.

Im Standardmodell fungieren Quarks als Bausteine ​​und Wechselwirkungsträger als Bausteine Eichbosonen, die diese Quarks untereinander austauschen. Die Theorie der Supersymmetrie geht sogar noch weiter und besagt, dass Quarks und Leptonen selbst nicht grundlegend sind: Sie bestehen alle aus noch schwereren und nicht experimentell entdeckten Strukturen (Bausteinen) der Materie, die durch einen noch stärkeren „Zement“ aus superenergetischen Teilchen zusammengehalten werden -Träger von Wechselwirkungen als Quarks in der Zusammensetzung von Hadronen und Bosonen. Natürlich wurde noch keine der Vorhersagen der Supersymmetrietheorie unter Laborbedingungen getestet, aber die hypothetischen verborgenen Komponenten der materiellen Welt haben bereits Namen – zum Beispiel Auswahl(supersymmetrischer Partner des Elektrons), quark usw. Die Existenz dieser Teilchen wird jedoch durch Theorien dieser Art eindeutig vorhergesagt.

Das Bild des Universums, das diese Theorien bieten, ist jedoch recht einfach zu visualisieren. Auf einer Skala von etwa 10–35 m, also 20 Größenordnungen kleiner als der Durchmesser desselben Protons, zu dem drei gebundene Quarks gehören, unterscheidet sich die Struktur der Materie selbst auf der Ebene der Elementarteilchen von dem, was wir gewohnt sind . Bei so kleinen Entfernungen (und bei so hohen Wechselwirkungsenergien, dass es unvorstellbar ist) verwandelt sich Materie in eine Reihe stehender Feldwellen. ähnliche Themen die in den Saiten von Musikinstrumenten erregt werden. Wie eine Gitarrensaite kann eine solche Saite zusätzlich zum Hauptton viele begeistern Obertöne oder Harmonische Jede Harmonische hat ihren eigenen Energiezustand. Entsprechend Relativitätsprinzip(Relativitätstheorie) sind Energie und Masse äquivalent, was bedeutet, dass je höher die Frequenz der harmonischen Wellenschwingung der Saite ist, desto höher ist ihre Energie und desto höher ist die Masse des beobachteten Teilchens.

Während es jedoch recht einfach ist, sich eine stehende Welle in einer Gitarrensaite vorzustellen, sind die von der Theorie der Superstrings vorgeschlagenen stehenden Wellen schwierig zu visualisieren – Tatsache ist, dass die Schwingungen von Superstrings in einem Raum mit 11 Dimensionen auftreten. Wir sind an den vierdimensionalen Raum gewöhnt, der drei räumliche und eine zeitliche Dimension enthält (links-rechts, oben-unten, vorwärts-rückwärts, Vergangenheit-Zukunft). Im Superstringraum sind die Dinge viel komplizierter (siehe Kasten). Theoretische Physiker umgehen das heikle Problem „zusätzlicher“ räumlicher Dimensionen, indem sie argumentieren, dass diese „versteckt“ (oder, wissenschaftlich ausgedrückt, „kompaktisiert“) sind und daher bei gewöhnlichen Energien nicht beobachtet werden.

In jüngerer Zeit hat die Stringtheorie Eingang gefunden weitere Entwicklung als Theorie mehrdimensionaler Membranen- Im Wesentlichen sind dies die gleichen Saiten, aber flach. Wie einer seiner Autoren beiläufig scherzte, unterscheiden sich Membranen von Fäden in etwa auf die gleiche Weise wie Nudeln von Fadennudeln.

Das ist vielleicht alles, was man kurz über eine der Theorien sagen kann, die heute nicht ohne Grund den Anspruch erheben, die universelle Theorie der Großen Vereinigung aller Kraftwechselwirkungen zu sein. Leider ist diese Theorie nicht ohne Sünde. Erstens wurde es noch nicht in eine strenge mathematische Form gebracht, da der mathematische Apparat nicht ausreichte, um es in eine strenge interne Übereinstimmung zu bringen. Seit der Geburt dieser Theorie sind 20 Jahre vergangen, und es ist niemandem gelungen, einige ihrer Aspekte und Versionen konsequent mit anderen in Einklang zu bringen. Noch unangenehmer ist, dass keiner der Theoretiker, die die Stringtheorie (und insbesondere Superstrings) vorschlagen, bisher ein einziges Experiment vorgeschlagen hat, mit dem diese Theorien im Labor getestet werden könnten. Leider befürchte ich, dass ihre gesamte Arbeit, bis sie dies tun, ein bizarres Spiel der Fantasie und Übungen zum Verständnis esoterischer Erkenntnisse außerhalb des Mainstreams der Naturwissenschaften bleiben wird.

Einführung in Superstrings

Übersetzung von Sergei Pawljutschenko

Die Stringtheorie ist eine der aufregendsten und tiefgreifendsten Theorien der modernen theoretischen Physik. Leider ist dies immer noch eine ziemlich schwer zu verstehende Sache, die nur vom Standpunkt der Quantenfeldtheorie aus verstanden werden kann. Kenntnisse in Mathematik wie Gruppentheorie, Differentialgeometrie usw. beeinträchtigen das Verständnis nicht. Daher bleibt es für die meisten ein „Ding für sich“.

Diese Einführung ist als „lesbare“ prägnante Einführung in die Grundkonzepte der Stringtheorie für Interessierte gedacht. Leider müssen wir für die Zugänglichkeit der Präsentation auf Genauigkeit und Vollständigkeit achten. Wir hoffen, dass es Ihnen Antworten auf die einfachsten Fragen zur Stringtheorie gibt und Sie von der Schönheit dieses Wissenschaftsgebiets durchdrungen werden.

Die Stringtheorie ist bis heute ein sich dynamisch entwickelndes Wissensgebiet; Jeder Tag bringt etwas Neues an sich. Wir wissen noch nicht genau, ob und in welchem ​​Umfang die Stringtheorie unser Universum beschreibt. Aber sie kann es gut beschreiben, wie aus dieser Rezension hervorgeht.

Die Originalversion finden Sie unter http://www.sukidog.com/jpierre/strings/index.html.

Warum Stringtheorie?

Obwohl das Standardmodell die meisten Phänomene beschreibt, die wir mit modernen Beschleunigern beobachten können, bleiben viele Fragen zur Natur unbeantwortet. Das Ziel der modernen theoretischen Physik besteht genau darin, die Beschreibungen des Universums zu vereinheitlichen. Historisch gesehen war dieser Weg recht erfolgreich. Beispielsweise kombinierte Einsteins Spezielle Relativitätstheorie Elektrizität und Magnetismus zur elektromagnetischen Kraft. Die 1979 mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Arbeit von Glashow, Weinberg und Salam zeigte, dass elektromagnetische und schwache Kräfte zur elektroschwachen Kraft kombiniert werden können. Darüber hinaus gibt es allen Grund zu der Annahme, dass sich alle Kräfte innerhalb des Standardmodells irgendwann vereinen werden. Wenn wir beginnen, die starken und elektroschwachen Wechselwirkungen zu vergleichen, müssen wir in Regionen mit immer höheren Energien vordringen, bis sie im GeV-Bereich die gleiche Stärke erreichen. Die Schwerkraft wird sich bei Energien in der Größenordnung von verbinden.

Der Zweck der Stringtheorie besteht genau darin, das Zeichen zu erklären. ? " im Diagramm oben.

Die charakteristische Energieskala für die Quantengravitation heißt Planck-Masse und wird ausgedrückt durch Plancksche Konstante, der Lichtgeschwindigkeit und der Gravitationskonstante wie folgt:

Es ist davon auszugehen, dass die Stringtheorie in ihrer endgültigen Form Antworten auf folgende Fragen liefern wird:

• Was ist der Ursprung der vier uns bekannten Naturkräfte?
• Warum sind die Massen und Ladungen der Teilchen so, wie sie sind?
• Warum leben wir in einem Raum mit 4 Raumdimensionen?
• Was ist die Natur von Raumzeit und Schwerkraft?

  Grundlagen der Stringtheorie

  Wir sind es gewohnt, uns Elementarteilchen (z. B. Elektronen) als punktförmige 0-dimensionale Objekte vorzustellen. Ein etwas allgemeineres Konzept ist Grundsaiten als eindimensionale Objekte. Sie sind unendlich dünn und ihre Länge liegt in der Größenordnung von . Aber das ist im Vergleich zu den Längen, mit denen wir es normalerweise zu tun haben, einfach vernachlässigbar, sodass wir sie praktisch als punktförmig betrachten können. Aber wie wir sehen werden, ist ihre Saitennatur ziemlich wichtig.

  Es gibt Saiten offen Und geschlossen. Während sie sich durch die Raumzeit bewegen, bedecken sie eine Oberfläche namens Weltblatt.

  

  Diese Saiten verfügen über spezifische Schwingungsmodi, die die dem Teilchen innewohnenden Quantenzahlen wie Masse, Spin usw. bestimmen. Die Grundidee besteht darin, dass jeder Modus eine Reihe von Quantenzahlen trägt, die einem bestimmten Teilchentyp entsprechen. Dies ist die endgültige Vereinheitlichung – alle Teilchen können durch ein Objekt beschrieben werden – einen String!

  Betrachten Sie als Beispiel eine geschlossene Zeichenfolge, die so aussieht:

  Eine solche Saite entspricht dem Masselosen Graviton mit Spin 2 - ein Teilchen, das die Gravitationswechselwirkung überträgt. Dies ist übrigens eines der Merkmale der Stringtheorie – sie schließt die Schwerkraft natürlich und zwangsläufig als eine der grundlegenden Wechselwirkungen ein.

  Saiten interagieren durch Spaltung und Fusion. Die Vernichtung zweier geschlossener Strings zu einem geschlossenen String sieht beispielsweise so aus:

  
  

  Beachten Sie, dass die Oberfläche des Weltblatts eine glatte Oberfläche ist. Dies impliziert eine weitere „gute“ Eigenschaft der Stringtheorie – sie enthält keine Reihe von Divergenzen, die der Quantenfeldtheorie mit Punktteilchen innewohnen. Feynman-Diagramm für denselben Prozess

  

  enthält eine topologische Singularität am Interaktionspunkt.

  Wenn wir zwei einfache String-Wechselwirkungen „zusammenkleben“, erhalten wir einen Prozess, bei dem zwei geschlossene Strings durch Vereinigung zu einem geschlossenen Zwischenstring interagieren, der sich dann wieder in zwei Teile aufteilt:
  

  Dieser wesentliche Beitrag zum Interaktionsprozess wird aufgerufen baumartiger Ansatz. Um quantenmechanische Amplituden von Prozessen zu berechnen Störungstheorie Fügen Sie Beiträge von Quantenprozessen höherer Ordnung hinzu. Die Störungstheorie liefert gute Ergebnisse, da die Beiträge immer kleiner werden, je höher die Ordnungen sind. Selbst wenn Sie nur die ersten paar Diagramme berechnen, können Sie ziemlich genaue Ergebnisse erhalten. In der Stringtheorie entsprechen höhere Ordnungen einer größeren Anzahl von Löchern (oder „Griffen“) auf den Weltblättern.
  
  

  Das Gute an diesem Ansatz ist, dass jede Ordnung der Störungstheorie nur einem Diagramm entspricht (in der Feldtheorie mit Punktteilchen wächst beispielsweise die Anzahl der Diagramme in höheren Ordnungen exponentiell). Die schlechte Nachricht ist, dass genaue Berechnungen von Diagrammen mit mehr als zwei Löchern aufgrund der Komplexität des mathematischen Apparats, der bei der Arbeit mit solchen Oberflächen verwendet wird, sehr schwierig sind. Die Störungstheorie ist bei der Untersuchung schwach gekoppelter Prozesse sehr nützlich, und die meisten Entdeckungen in der Teilchenphysik und Stringtheorie stammen aus ihr. Allerdings ist das alles noch lange nicht vorbei. Antworten auf die tiefsten Fragen der Theorie können erst nach einer genauen Beschreibung dieser Theorie erhalten werden.

  D-Branes

  Strings können völlig beliebige Randbedingungen haben. Beispielsweise hat ein geschlossener String periodische Randbedingungen (der String „verwandelt sich in sich selbst“). Offene Strings können zwei Arten von Randbedingungen haben – Bedingungen Neumann und Bedingungen Dirichlet. Im ersten Fall kann sich das Ende der Saite frei bewegen, ohne jedoch einen Impuls mitzunehmen. Im zweiten Fall kann sich das Ende der Saite entlang einer Mannigfaltigkeit bewegen. Diese Vielfalt nennt man D-Brane oder DP-Brane(Bei Verwendung der zweiten Notation ist „p“ eine ganze Zahl, die die Anzahl der räumlichen Dimensionen der Mannigfaltigkeit charakterisiert.) Ein Beispiel sind zwei Saiten, bei denen ein oder beide Enden an einer zweidimensionalen D-Brane oder D2-Brane befestigt sind:

  

  D-Brane können eine Reihe räumlicher Dimensionen von -1 bis zur Anzahl räumlicher Dimensionen unserer Raumzeit haben. Beispielsweise gibt es in der Superstringtheorie 10 Dimensionen – 9 räumliche und eine zeitliche. Somit kann in Superstrings maximal eine D9-Brane existieren. Beachten Sie, dass in diesem Fall die Enden der Strings auf einer Mannigfaltigkeit fixiert sind, die den gesamten Raum abdeckt, sodass sie sich überall bewegen können, sodass tatsächlich die Neumann-Bedingung auferlegt wird! Im Fall p=-1 sind alle räumlichen und zeitlichen Koordinaten fest und eine solche Konfiguration heißt Sofort an oder D-instanton. Wenn p=0, dann sind alle Raumkoordinaten fest und das Ende der Zeichenfolge kann nur an einem einzigen Punkt im Raum existieren, daher werden oft D0-Branen genannt D-Teilchen. Genauso werden D1-Branes D-Strings genannt. Das Wort „Brane“ selbst kommt übrigens von dem Wort „Membran“, das sich auf zweidimensionale Brane oder 2-Brane bezieht.

  In Wirklichkeit sind D-Branes dynamisch; sie können schwanken und sich bewegen. Sie interagieren beispielsweise gravitativ. Im Diagramm unten können Sie sehen, wie ein geschlossener String (in unserem Fall ein Graviton) mit einer D2-Brane interagiert. Besonders hervorzuheben ist die Tatsache, dass die geschlossene Saite bei Interaktion an beiden Enden der D-Brane offen wird.
  
  
  Stringtheorie ist also mehr als nur Stringtheorie!

  Zusätzliche Abmessungen

  Superstrings existieren in der 10-dimensionalen Raumzeit, während wir in der 4-dimensionalen Raumzeit leben. Und wenn Superstrings unser Universum beschreiben, müssen wir diese beiden Räume irgendwie verbinden. Dazu reduzieren wir 6 Dimensionen auf sehr kleine Größe. Wenn sich herausstellt, dass die Größe der kompakten Dimension in der Größenordnung der Größe der Strings () liegt, können wir sie aufgrund der Kleinheit dieser Dimension einfach nicht direkt sehen. Letztendlich erhalten wir unseren (3+1)-dimensionalen Raum, in dem jeder Punkt unseres 4-dimensionalen Universums einem winzigen 6-dimensionalen Raum entspricht. Dies ist im folgenden Bild sehr schematisch dargestellt:

  

  Dies ist eigentlich eine ziemlich alte Idee, die auf die Arbeit von Kaluza und Klein in den 1920er Jahren zurückgeht. In diesem Fall wird der oben beschriebene Mechanismus aufgerufen Kaluza-Klein-Theorie oder Verdichtung. Kaluzas Arbeit selbst zeigt, dass wir, wenn wir Relativität in der fünfdimensionalen Raumzeit betrachten und dann eine Dimension zu einem Kreis falten, eine vierdimensionale Raumzeit mit Relativität plus Elektromagnetismus erhalten! Und das geschieht, weil es Elektromagnetismus gibt U(1)-Eichtheorie. U(1) ist eine Gruppe von Drehungen um einen Punkt in der Ebene. Der Kaluza-Klein-Mechanismus liefert eine einfache geometrische Interpretation dieses Kreises – dies ist die sehr gefaltete fünfte Dimension. Obwohl gefaltete Messungen für die direkte Erkennung klein sind, können sie dennoch eine tiefe physikalische Bedeutung haben. [Die Arbeit von Kaluza und Klein wurde versehentlich an die Presse weitergegeben und löste viele Spekulationen über die fünfte Dimension aus.]

  Wie können wir herausfinden, ob es tatsächlich zusätzliche Dimensionen gibt und wie können wir diese „fühlen“, wenn wir Beschleuniger mit ausreichend hohen Energien haben? Aus der Quantenmechanik ist bekannt, dass bei periodischem Raum der Impuls quantisiert wird: , wohingegen bei unbegrenztem Raum das Spektrum der Impulswerte stetig ist. Wenn Sie den Verdichtungsradius (die Größe zusätzlicher Abmessungen) verringern, vergrößert sich der Bereich der zulässigen Impulswerte. So entsteht ein Turm aus Impulszuständen – der Kaluza-Klein-Turm.

  

  Und wenn der Radius des Kreises als sehr groß angenommen wird (wir „dekomprimieren“ die Messung), dann ist der Bereich möglicher Werte des Impulses recht eng, aber „nahezu kontinuierlich“. Ein solches Spektrum wird dem Massenspektrum der Welt ohne Verdichtungen ähneln. Beispielsweise sehen Zustände, die in einer größeren Anzahl von Dimensionen masselos sind, in einer kleineren Anzahl von Dimensionen genauso aus wie der oben beschriebene Zustandsturm. Dann sollte eine „Menge“ von Teilchen beobachtet werden, deren Massen gleichmäßig voneinander entfernt sind. Um die massereichsten Teilchen zu „sehen“, braucht es zwar Beschleuniger, die viel besser sind als die, die wir derzeit haben.

  Saiten haben eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft: Sie können sich um eine verdichtete Dimension „wickeln“, was zu dem Erscheinungsbild führt verhandelbare Mods im Massenspektrum. Eine geschlossene Zeichenfolge kann eine verdichtete Dimension ganzzahlig oft umwickeln. Ähnlich wie im Fall Kaluza-Klein tragen sie zur Dynamik bei . Der wesentliche Unterschied liegt gerade in einem unterschiedlichen Zusammenhang mit dem Verdichtungsradius. In diesem Fall werden Umkehrmodi für kleine Größen mit zusätzlichen Abmessungen sehr einfach!
  
  

  Jetzt müssen wir uns in unseren 4-dimensionalen Raum bewegen. Dazu benötigen wir eine 10-dimensionale Superstringtheorie auf einer 6-dimensionalen kompakten Mannigfaltigkeit. Natürlich wird das oben beschriebene Bild komplexer. Der einfachste Weg besteht darin, anzunehmen, dass alle diese 6 Dimensionen 6 Kreise sind, also alle einen 6-dimensionalen Torus darstellen. Darüber hinaus ermöglicht ein solches Schema die Erhaltung der Supersymmetrie. Es wird angenommen, dass in unserem 4-dimensionalen Raum auch auf Energieskalen in der Größenordnung von 1 TeV (genau bei diesen Energien) eine gewisse Supersymmetrie existiert In letzter Zeit und suchen nach Supersymmetrie an modernen Beschleunigern). Um die minimale Supersymmetrie N=1 in der 4-Dimensionalität zu bewahren, ist es notwendig, auf einer speziellen 6-dimensionalen Mannigfaltigkeit namens „ Calabi-Yau-Mannigfaltigkeit.

  Die Eigenschaften von Calabi-Yo-Mannigfaltigkeiten können wichtige Anwendungen in der Niederenergiephysik haben – auf die von uns beobachteten Teilchen, ihre Massen und Quantenzahlen sowie die Anzahl der Teilchengenerationen. Das Problem hierbei ist, dass es im Allgemeinen eine große Anzahl von Calabi-Yo-Sorten gibt und wir nicht wissen, welche wir verwenden sollen. Dies ist die Bedeutung: Wenn wir tatsächlich eine 10-dimensionale Stringtheorie haben, erhalten wir, dass die 4-dimensionale Theorie nicht die einzig mögliche ist, zumindest auf unserem (noch unvollständigen) Verständnisniveau. Die „String-Leute“ (Wissenschaftler, die auf dem Gebiet der String-Theorien arbeiten) hoffen, dass wir mit einer vollständigen nicht-perturbativen String-Theorie (einer Theorie, die NICHT auf den oben beschriebenen Störungen aufbaut) erklären können, wie das funktioniert Das Universum entstand aus der 10-dimensionalen Physik, die möglicherweise während der Hochenergieperiode unmittelbar danach stattgefunden hat Urknall, zu dem 4-dimensionalen, mit dem wir uns jetzt befassen. [Mit anderen Worten, wir werden eine einzigartige Calabi-Yo-Mannigfaltigkeit finden.] Andrew Strominger zeigte, dass Calabi-Yo-Mannigfaltigkeiten kontinuierlich miteinander in Beziehung stehen können konische Transformationen und somit kann man zwischen verschiedenen Calabi-Yo-Mannigfaltigkeiten wechseln, indem man die Parameter der Theorie ändert. Dies legt jedoch die Möglichkeit nahe, dass unterschiedliche vierdimensionale Theorien, die aus unterschiedlichen Calabi-Yo-Mannigfaltigkeiten entstehen, unterschiedliche Phasen derselben Theorie sind.

  Dualität

  Die fünf oben beschriebenen Superstringtheorien erweisen sich aus der Sicht der schwach gekoppelten Störungstheorie (der oben entwickelten Störungstheorie) als sehr unterschiedlich. Doch tatsächlich sind sie alle, wie sich in den letzten Jahren herausstellte, durch verschiedene String-Dualitäten verbunden. Nennen wir die Theorie Dual wenn sie beschreiben die gleiche Physik.

  Die erste Art von Dualität, die wir hier diskutieren werden, ist T-Dualität. Diese Art von Dualität verbindet eine auf einem Radiuskreis verdichtete Theorie mit einer auf einem Radiuskreis verdichteten Theorie. Wenn also in einer Theorie der Raum zu einem Kreis mit kleinem Radius gefaltet wird, wird er in der anderen zu einem Kreis mit großem Radius gerollt, aber beide beschreiben die gleiche Physik! Superstringtheorien vom Typ IIA und Typ IIB sind durch die T-Dualität verbunden, ebenso sind die heterotischen Theorien SO(32) und E8 x E8 dadurch verbunden.

  Eine weitere Dualität, die wir uns ansehen werden, ist S-Dualität. Vereinfacht ausgedrückt verbindet diese Dualität die starke Kopplungsgrenze einer Theorie mit der schwachen Kopplungsgrenze einer anderen Theorie. (Beachten Sie, dass die lose gekoppelten Beschreibungen beider Theorien sehr unterschiedlich sein können.) Beispielsweise sind die heterotische Stringtheorie SO(32) und die Typ-I-Theorie S-dual in der 10-Dimension. Dies bedeutet, dass in der starken Kopplungsgrenze SO(32) die heterotische Theorie in der schwachen Kopplungsgrenze zu einer Typ-I-Theorie wird und umgekehrt. Sie können Beweise für die Dualität zwischen den starken und schwachen Grenzen finden, indem Sie die Spektren der Lichtzustände in jedem der Bilder vergleichen und feststellen, dass sie miteinander übereinstimmen. Beispielsweise gibt es in der Typ-I-Stringtheorie eine D-Saite, die bei schwacher Kopplung schwer und bei starker Kopplung leicht ist. Dieser D-String trägt die gleichen Lichtfelder wie das Weltblatt SO(32) Heterotic String. Wenn also die Typ-I-Theorie sehr stark gekoppelt wird, wird der D-String sehr leicht, und wir werden einfach sehen, dass die Beschreibung dieselbe wird, wie sowie durch eine lose gekoppelte heterotische Saite. Eine weitere S-Dualität in der 10. Dimension ist die Selbstdualität von IIB-Strings: Der stark gekoppelte Grenzwert des IIB-Strings ist einfach eine andere IIB-Theorie, aber schwach gekoppelt. Die IIB-Theorie hat auch eine D-Saite (obwohl sie supersymmetrischer ist als die D-Saiten der Typ-I-Theorie, daher ist die Physik anders), die bei starker Kopplung leicht wird, aber diese D-Saite ist auch die andere Grundsaite der Theorie II Typ IIB.

  

  Die Dualitäten zwischen verschiedenen Stringtheorien sind ein Beweis dafür, dass sie alle einfach unterschiedliche Grenzen derselben Theorie sind. Jede der Grenzen hat ihre eigene Anwendbarkeit und verschiedene Grenzen unterschiedlicher Beschreibungen überschneiden sich. Was ist das M-Theorie auf dem Bild dargestellt? Weiter lesen!

  M-Theorie

  Bei niedrigen Energien wird die M-Theorie durch eine Theorie namens beschrieben 11-dimensionale Supergravitation. Diese Theorie hat eine Membran und fünf Branes als Solitonen, aber keine Strings. Wie können wir hier die Saiten bekommen, die wir bereits lieben? Es ist möglich, die 11-dimensionale M-Theorie auf einem Kreis mit kleinem Radius zu verdichten, um eine 10-dimensionale Theorie zu erhalten. Wenn unsere Membran dann die Topologie eines Torus hätte, dann würden wir durch Falten eines dieser Kreise einen geschlossenen String erhalten! Im Grenzfall, wo der Radius sehr klein ist, erhalten wir einen Superstring vom Typ IIA.

  

  Aber woher wissen wir, dass die M-Theorie auf dem Kreis einen Superstring vom Typ IIA erzeugt und nicht IIB oder heterotische Superstrings? Die Antwort auf diese Frage kann nach einer sorgfältigen Analyse der masselosen Felder erhalten werden, die wir als Ergebnis der Verdichtung der 11-dimensionalen Supergravitation auf einem Kreis erhalten. Ein weiterer einfacher Test wäre, herauszufinden, dass die D-Brane der M-Theorie einzigartig für die IIA-Theorie ist. Denken Sie daran, dass die IIA-Theorie D0-, D2-, D4-, D6-, D8-Branen und eine NS-Fünfbranen enthält. Die folgende Tabelle fasst das oben Gesagte zusammen:
  

  Hier entfallen die D6- und D8-Branen. Die D6-Brane kann als „Kalutza-Klein-Monopol“ interpretiert werden, was eine spezielle Lösung der 11-dimensionalen Supergravitation ist, wenn sie auf einen Kreis verdichtet wird. Für die D8-Brane gibt es keine klare Interpretation im Sinne der M-Theorie, sie ist immer noch eine offene Frage.

  Eine andere Möglichkeit, eine konsistente 10-dimensionale Theorie zu erhalten, besteht darin, die M-Theorie in ein kleines Segment zu verdichten. Das bedeutet, dass wir davon ausgehen, dass eine der Dimensionen (die 11.) eine endliche Länge hat. In diesem Fall bestimmen die Enden des Segments die Grenzen von 9 Raumdimensionen. An diesen Grenzen kann eine offene Membran aufgebaut werden. Da der Schnittpunkt der Membran mit der Grenze eine Zeichenfolge ist, können wir sehen, dass das (9+1)-dimensionale „Weltvolumen“ Zeichenfolgen enthalten kann, die aus der Membran „herausragen“. Um Anomalien zu vermeiden, ist es schließlich notwendig, dass jede der Grenzen eine E8-Spurweitengruppe trägt. Wenn wir also den Raum zwischen den Grenzen sehr klein machen, erhalten wir eine 10-dimensionale Theorie mit Strings und einer E8 x E8-Eichgruppe. Und das ist eine heterotische E8 x E8-Saite!

  

  Also, wenn man darüber nachdenkt unterschiedliche Bedingungen und unterschiedliche Dualitäten zwischen Stringtheorien werden wir zu dem Schluss kommen, dass die Grundlage all dessen eine Theorie ist – M-Theorie. Darüber hinaus sind fünf Superstringtheorien und die elfdimensionale Supergravitation seine klassischen Grenzen. Zunächst haben wir versucht, die entsprechenden Quantentheorien zu erhalten, indem wir die klassischen Grenzen durch die Störungstheorie (Störungstheorie) „erweitert“ haben. Allerdings hat die störungstheoretische Theorie ihre Grenzen in der Anwendbarkeit. Daher werden durch die Untersuchung der nichtstörungsbezogenen Aspekte dieser Theorien unter Verwendung von Dualitäten, Supersymmetrie usw. Wir kommen zu dem Schluss, dass sie alle durch eine einzige Quantentheorie vereint sind. Diese Einzigartigkeit ist sehr attraktiv, daher wird derzeit an der Konstruktion einer vollständigen Quanten-M-Theorie gearbeitet. Voller Schwung.
  
  

  Schwarze Löcher

  Die klassische Beschreibung der Schwerkraft – die Allgemeine Relativitätstheorie (GTR) – enthält Lösungen, die „Schwarze Löcher“ (BH) genannt werden. Es gibt eine ganze Reihe von Arten von Schwarzen Löchern, aber alle weisen ähnliche allgemeine Eigenschaften auf. Der Ereignishorizont ist eine Fläche in der Raumzeit, die vereinfacht gesagt die Region innerhalb des Schwarzen Lochs von der Region außerhalb trennt. Die Anziehungskraft eines Schwarzen Lochs ist so stark, dass nichts, nicht einmal Licht, das unter den Horizont gelangt, wieder entkommen kann. Daher können klassische Schwarze Löcher nur durch Parameter wie Masse, Ladung und Drehimpuls beschrieben werden.

  (Erklärung des Penrose-Diagramms a)

  Schwarze Löcher sind gute Laboratorien für die Untersuchung von Stringtheorien, da die Auswirkungen der Quantengravitation selbst für ziemlich große Schwarze Löcher wichtig sind. Schwarze Löcher sind nicht wirklich „schwarz“, weil sie strahlen! Mithilfe semiklassischer Argumente zeigte Stephen Hawking, dass Schwarze Löcher von ihrem Horizont aus Wärmestrahlung aussenden. Da die Stringtheorie unter anderem auch eine Theorie der Quantengravitation ist, ist sie in der Lage, Schwarze Löcher konsistent zu beschreiben. Und dann gibt es noch Schwarze Löcher, die die Bewegungsgleichung für Strings erfüllen. Diese Gleichungen ähneln den Gleichungen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie, enthalten jedoch einige zusätzliche Felder, die aus den Zeichenfolgen stammen. In Superstringtheorien gibt es spezielle Lösungen wie Schwarze Löcher, die selbst ebenfalls supersymmetrisch sind.

  Eines der dramatischsten Ergebnisse der Stringtheorie war die Ableitung der Formel für Bekenstein-Hawking-Entropie Ein Schwarzes Loch, das durch die Berücksichtigung der mikroskopischen Stringzustände entsteht, die das Schwarze Loch bilden. Bekenstein stellte fest, dass Schwarze Löcher dem „Flächengesetz“ dM = K dA gehorchen, wobei „A“ die Fläche des Horizonts und „K“ eine Proportionalitätskonstante ist. Da die Gesamtmasse eines Schwarzen Lochs seine Ruheenergie ist, ist die Situation der Thermodynamik sehr ähnlich: dE = T dS, wie von Bekenstein gezeigt. Hawking zeigte später in einer semiklassischen Näherung, dass die Temperatur eines Schwarzen Lochs T = 4k beträgt, wobei „k“ eine Konstante ist, die „Oberflächengravitation“ genannt wird. Somit kann die Entropie eines Schwarzen Lochs umgeschrieben werden als . Darüber hinaus haben Strominger und Vafa kürzlich gezeigt, dass diese Entropieformel mikroskopisch (bis zu einem Faktor von 1/4) mithilfe der Entartung von Quantenzuständen von Strings und D-Branen ermittelt werden kann, die bestimmten supersymmetrischen BHs in der Stringtheorie entsprechen. D-Branes geben übrigens bei kleinen Abständen eine Beschreibung ab, als wären sie schwach gekoppelt. Beispielsweise werden die von Strominger und Vafa betrachteten BHs durch 5-Branen, 1-Branen und offene Strings beschrieben, die auf der 1-Branen „leben“, alle zu einem 5-dimensionalen Torus gefaltet, was effektiv ein eindimensionales Objekt ergibt – die BH.

  

  In diesem Fall kann die Hawking-Strahlung im Rahmen derselben Struktur beschrieben werden, wenn jedoch offene Saiten in beide Richtungen „wandern“ können. Offene Saiten interagieren miteinander und Strahlung wird in Form geschlossener Saiten abgegeben.

  

  Präzise Berechnungen zeigen, dass die Stringtheorie für dieselben Arten von Schwarzen Löchern dieselben Vorhersagen macht wie die semiklassische Supergravitation, einschließlich einer nichttrivialen frequenzabhängigen Korrektur, die als „Grauparameter“ bezeichnet wird ( Greybody-Faktor).

  Quantengravitation auf der Erde entdeckt?
  

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  Erläuterung: Gibt es getrennte Anteile der Schwerkraft? Die als Quantenmechanik bekannte Theorie beschreibt die Gesetze, die das Universum in kleinen Entfernungen bestimmen, während Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie die Natur der Schwerkraft und des Universums in großen Entfernungen erklärt. Bisher wurde keine Theorie entwickelt, die sie vereinen könnte. Kürzlich in Frankreich durchgeführte Untersuchungen haben möglicherweise gezeigt, dass die Schwerkraft ein Quantenfeld ist. Es wird angegeben, daß Das Gravitationsfeld der Erde zeigte seine Quantennatur. In einem von Valery Nezvizhevsky und seinen Kollegen durchgeführten Experiment wurde gezeigt, dass ultrakalte Neutronen, die sich in einem Gravitationsfeld bewegen, nur in diskreten Höhen nachgewiesen werden können. Wissenschaftler auf der ganzen Welt warten auf eine unabhängige Bestätigung dieser Ergebnisse. Die Abbildung zeigt in Falschfarben die Oberfläche, die sich bei der Entwicklung eines eindimensionalen Strings bilden könnte. Indem sie Elementarteilchen als winzige Strings beschreiben, arbeiten viele Physiker daran, eine echte Quantentheorie der Schwerkraft zu entwickeln.

  (Anmerkung der Redaktion: Die in dieser Notiz beschriebenen Experimente französischer und russischer Physiker, veröffentlicht in Natur 415 , 297 (2002) nichts damit zu tun haben Quantengravitation. Ihre Erklärung(beide von den Autoren der Experimente und in der Zeitschrift New Scientist und auf der Website Physicsweb.org) ganz anders.

  Experimentatoren suchen nach neuen Kräften, die durch Superstringtheorien vorhergesagt werden

  Forscher der University of Colorado in Boulder konnten das bisher empfindlichste Experiment durchführen, um die gravitative Wechselwirkung zwischen Massen zu bestimmen, die nur einen Abstand von nur der doppelten Dicke eines menschlichen Haares hatten. Sie beobachteten jedoch keine der vorhergesagten neuen Kräfte .

  Die erhaltenen Ergebnisse ermöglichen es, einige Varianten der Superstringtheorie auszuschließen, bei denen der entsprechende Parameter für den Einfluss neuer Kräfte aus den „kollabierten“ Messungen im Bereich von 0,1 bis 0,01 mm liegt.

  Die Stringtheorie, die als der vielversprechendste Ansatz für die lang erwartete große Vereinheitlichung gilt – eine einzige Darstellung aller bekannten Kräfte und Materie – geht davon aus, dass alles im Universum aus winzigen Schleifen schwingender Saiten besteht. Entsprechend Verschiedene Optionen Der Superstringtheorie zufolge muss es über die drei uns zur Verfügung stehenden Raumdimensionen hinaus mindestens sechs oder sieben zusätzliche Raumdimensionen geben, und Theoretiker gehen davon aus, dass diese zusätzlichen Dimensionen auf kleine Räume reduziert werden. Durch diese „Verdichtung“ entstehen sogenannte Modulfelder, die die Größe und Form der gefalteten Dimensionen an jedem Punkt in der Raumzeit beschreiben.

  Die Modulregionen üben Kräfte aus, deren Stärke mit der gewöhnlichen Schwerkraft vergleichbar ist, und jüngsten Vorhersagen zufolge können sie bereits in Abständen von nur 0,1 mm nachgewiesen werden. Die in früheren Experimenten erreichte Empfindlichkeitsgrenze ermöglichte es, die Anziehungskraft zwischen zwei Massen zu testen, die nur 0,2 mm voneinander entfernt waren, sodass die Frage offen blieb. Es bleibt jedoch weiterhin geöffnet.

  „Wenn diese Kräfte wirklich existieren, dann wissen wir jetzt, dass sie sich in kürzeren Entfernungen manifestieren sollten, als wir getestet haben“, erklärt der Leiter des Labors, Professor an der University of Colorado, John Price. „Diese Ergebnisse widerlegen jedoch nicht die Theorie ii. Sie müssen nur bedenken, dass der Effekt bei kürzeren Entfernungen und bei Verwendung von Einstellungen mit höherer Empfindlichkeit gesucht werden muss. Darüber hinaus behaupten die Forscher, dass solche Experimente selbst nicht dazu gedacht seien, die Superstring-Theorie zu bestätigen oder zu widerlegen. „Die Ideen, die wir testen, sind nur einige der möglichen Szenarien, die von Strings inspiriert sind, keine präzisen Vorhersagen der Theorie selbst“, sagte John Price gegenüber Space.com. „Es gibt für die Stringtheorie noch keine Möglichkeit, solche präzisen Vorhersagen zu treffen.“ „Und ich würde sagen, dass niemand weiß, ob die Stringtheorie jemals dazu in der Lage sein wird.“ Allerdings könnten Experimente in geringeren Entfernungen immer noch „weitere Teile der Physik hinzufügen“, weshalb es wichtig sei, diese Art der Forschung fortzusetzen, da „etwas Neues und „sehr Grundlegendes“ entdeckt werden könnte.“

  Der Versuchsaufbau von Forschern der University of Colorado, ein sogenannter Hochfrequenzresonator, bestand aus zwei dünnen Wolframplatten (20 mm lang und 0,3 mm dick). Eine dieser Platten wurde mit einer Frequenz von 1000 Hz in Schwingungen versetzt. Die Bewegungen der zweiten Platte, verursacht durch den Einfluss der ersten, wurden von einer sehr empfindlichen Elektronik gemessen. Wir sprechen von Kräften, die in Femtonewton (10–15 n) oder einem Millionstel des Gewichts eines Sandkorns gemessen werden. Die auf so kurze Distanz wirkende Schwerkraft erwies sich als recht traditionell und wurde durch Newtons berühmtes Gesetz beschrieben.

  Professor Price geht davon aus, dass er die Experimente fortsetzen wird, um Kräfte in noch kürzeren Entfernungen zu messen. Um den nächsten Schritt zu machen, entfernen die Colorado-Experimentatoren die vergoldete Saphirabschirmung zwischen den Wolframstreifen, die elektromagnetische Kräfte blockiert, und ersetzen sie durch eine dünnere Kupfer-Beryllium-Folie, wodurch die Massen näher zusammenrücken können. Sie planen außerdem, den Versuchsaufbau zu kühlen, um Störungen durch thermische Schwankungen zu reduzieren.

  Unabhängig vom Schicksal der Superstringtheorie erfreuen sich die vor fast hundert Jahren eingeführten Ideen zusätzlicher Dimensionen (damals machten sich viele Physiker darüber lustig) aufgrund der Krise der physikalischen Standardmodelle, die das nicht erklären können, außerordentlicher Beliebtheit neue Beobachtungen. Zu den eklatantesten Tatsachen gehört die beschleunigte Expansion des Universums, für die es viele Bestätigungen gibt. Eine mysteriöse neue Kraft, vorerst Dunkle Energie genannt, drückt unseren Raum auseinander und wirkt wie eine Art Antigravitation. Niemand weiß was physikalisches Phänomen liegt der Kern davon. Was Kosmologen wissen, ist, dass die Schwerkraft Galaxien zwar auf „lokaler“ Ebene zusammenhält, geheimnisvolle Kräfte schiebe sie in b Ö auf einer größeren Skala.

  Einige Theoretiker glauben, dass dunkle Energie durch Wechselwirkungen zwischen Dimensionen erklärt werden kann, zwischen solchen, die wir sehen, und solchen, die uns noch verborgen bleiben. Auf der Jahrestagung der AAAS (American Association for the Advancement of Science), die Anfang des Monats in Denver stattfand, äußerten führende Kosmologen und Physiker diesbezüglich vorsichtigen Optimismus.

  „Es besteht die vage Hoffnung, dass dieser neue Ansatz alle Probleme auf einmal lösen wird“, sagt der Physiker Sean Carroll, Assistenzprofessor an der University of Chicago.

  All diese Probleme hängen zwangsläufig mit der Schwerkraft zusammen, deren Kraft Newton vor mehr als drei Jahrhunderten berechnet hat. Die Schwerkraft war die erste der fundamentalen Kräfte, die mathematisch beschrieben wurde, aber sie ist immer noch die am wenigsten verstandene. Die in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelte Quantenmechanik beschreibt das Verhalten von Objekten auf atomarer Ebene gut, ist jedoch nicht sehr „freundlich“ mit der Schwerkraft. Tatsache ist, dass die Schwerkraft zwar über große Entfernungen wirkt, aber im Vergleich zu den anderen drei Grundkräften (elektromagnetische, starke und schwache Wechselwirkungen, die den Mikrokosmos dominieren) immer noch sehr schwach ist. Das Verständnis der Schwerkraft auf Quantenebene soll die Quantenmechanik mit einer vollständigen Beschreibung anderer Kräfte verbinden.

  Insbesondere konnten Wissenschaftler lange Zeit nicht feststellen, ob das Newtonsche Gesetz (die umgekehrte Proportionalität der Kraft zum Quadrat des Abstands) bei sehr kleinen Abständen, in der sogenannten Quantenwelt, gültig ist. Newton entwickelte seine Theorie für astronomische Entfernungen, etwa die Wechselwirkungen der Sonne mit den Planeten, doch nun stellt sich heraus, dass sie auch im Mikrokosmos gültig ist.

  „Was gerade in der Teilchenphysik, der Gravitationsphysik und der Kosmologie passiert, erinnert stark an die Zeit, als die Quantenmechanik zusammenkam“, sagt Maria Spiropulu, Forscherin an der University of Chicago und Organisatorin des AAAS Workshop on Extra Dimensional Physics (Physik). von zusätzlichen Dimensionen).

  Erstmals war es möglich, die Geschwindigkeit der Schwerkraft zu messen

  

  Der russische Physiker Sergei Kopeikin, der an der University of Missouri in Columbia arbeitet, und der Amerikaner Edward Fomalont vom National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville, Virginia, sagten, sie seien die ersten gewesen, die die Geschwindigkeit der Schwerkraft mit akzeptabler Genauigkeit gemessen hätten. Ihr Experiment bestätigt die Meinung der meisten Physiker: Die Geschwindigkeit der Schwerkraft ist gleich der Lichtgeschwindigkeit. Diese Idee liegt modernen Theorien, einschließlich Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, zugrunde, aber bisher war es niemandem möglich, diese Größe direkt in einem Experiment zu messen. Die Forschungsergebnisse wurden am Dienstag auf der 201. Tagung der American Astronomical Society in Seattle veröffentlicht. Die Ergebnisse wurden zuvor zur Veröffentlichung in einer wissenschaftlichen Fachzeitschrift eingereicht, stießen aber bei einigen Experten auf Kritik. Kopeikin selbst hält die Kritik für unbegründet.

  Newtons Gravitationstheorie geht davon aus, dass die Wirkung der Schwerkraft augenblicklich erfolgt, Einstein schlug jedoch vor, dass sich die Schwerkraft mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Dieses Postulat wurde 1915 zu einer der Grundlagen seiner Relativitätstheorie.

  Die Gleichheit der Schwerkraft- und Lichtgeschwindigkeit bedeutet, dass die Erde bei einem plötzlichen Verschwinden der Sonne aus dem Zentrum des Sonnensystems etwa 8,3 Minuten lang auf ihrer Umlaufbahn bleiben würde – die Zeit, die das Licht benötigt, um sich vom Zentrum des Sonnensystems zu entfernen Sonne zur Erde. Nach diesen wenigen Minuten würde die Erde, befreit von der Schwerkraft der Sonne, ihre Umlaufbahn verlassen und geradlinig in den Weltraum fliegen.

  Wie kann man die „Geschwindigkeit der Schwerkraft“ messen? Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, Gravitationswellen nachzuweisen – kleine „Wellen“ im Raum-Zeit-Kontinuum, die von beschleunigten Massen abweichen. Verschiedene Anlagen zum Einfangen von Gravitationswellen wurden bereits in großer Zahl gebaut, aber keine von ihnen konnte aufgrund ihrer außergewöhnlichen Schwäche bisher einen solchen Effekt registrieren.

  Kopeikin ging einen anderen Weg. Er schrieb die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie um, um das Gravitationsfeld eines sich bewegenden Körpers durch seine Masse, Geschwindigkeit und Gravitationsgeschwindigkeit auszudrücken. Es wurde beschlossen, Jupiter als massiven Körper zu verwenden. Genug seltener Fall präsentierte sich im September 2002, als Jupiter an einem Quasar vorbeizog (solche Ereignisse treten etwa alle 10 Jahre auf), der intensive Radiowellen aussendete. Kopeikin und Fomalont kombinierten die Ergebnisse von Beobachtungen von einem Dutzend Radioteleskopen verschiedene Teile Globus, von Hawaii nach Deutschland (unter Verwendung sowohl der 25-Meter-Radioteleskope des National Radio Astronomy Observatory als auch des 100-Meter-Instruments in Effelsberg), um die winzige sichtbare Änderung der Position des Quasars zu messen, die durch die Ablenkung von Radiowellen verursacht wird von dieser Quelle im Gravitationsfeld des Jupiter. Durch die Untersuchung der Art des Einflusses des Gravitationsfeldes des Jupiter auf vorbeiziehende Radiowellen und die Kenntnis seiner Masse und Bewegungsgeschwindigkeit ist es möglich, die Geschwindigkeit der Schwerkraft zu berechnen.

  Durch die gemeinsame Arbeit erdgebundener Radioteleskope konnte eine Genauigkeit erreicht werden, die 100-mal höher ist als die des Hubble-Weltraumteleskops. Die im Experiment gemessenen Verschiebungen waren sehr gering – Änderungen in der Position des Quasars (der Winkelabstand zwischen ihm und dem Referenzquasar wurde gemessen) lagen innerhalb von 50 Millionstel einer Bogensekunde. Das Äquivalent solcher Messungen könnte der Größe eines Silberdollars auf dem Mond oder der Dicke eines menschlichen Haares aus einer Entfernung von 250 Meilen entsprechen, sagen Astronomen (westliche Quellen dachten offenbar nicht daran, auf die Bedeutung des Russischen zu achten). Nachname eines der Autoren der Studien, sonst würden sie die Größen nicht mit einem Dollar und unserer Währungseinheit vergleichen...).

  Das erhaltene Ergebnis: Die Schwerkraft wird mit einer Lichtgeschwindigkeit von 0,95 übertragen, der mögliche experimentelle Fehler beträgt plus oder minus 0,25. „Wir wissen jetzt, dass die Geschwindigkeit der Schwerkraft wahrscheinlich der Lichtgeschwindigkeit entspricht“, sagte Fomalont. „Und wir können jedes Ergebnis, das doppelt so hoch ist, getrost ausschließen.“

  Steven Carlip, Physikprofessor an der University of California, sagte, das Experiment sei eine „gute Demonstration“ von Einsteins Prinzip. Er sagt, dem Experiment seien Messungen der Lichtablenkung durch die Sonne vorausgegangen, diese seien aber deutlich ungenauer gewesen. Darüber hinaus müssen in naher Zukunft neue Messungen der Gravitationsgeschwindigkeit diesen Wert klären. In den letzten Monaten wurden mehrere Gravitationswellen-Interferometer in Betrieb genommen, von denen eines endlich Gravitationswellen direkt erfassen und damit ihre Geschwindigkeit messen soll – eine wichtige Grundkonstante unseres Universums.

  Allerdings ist zu beachten, dass das Experiment selbst keine eindeutige Bestätigung von Einsteins Gravitationstheorie ist. Mit dem gleichen Erfolg kann es als Bestätigung bestehender Alternativtheorien angesehen werden. Beispielsweise weicht die relativistische Gravitationstheorie (RTG) des Akademikers Logunov, die vor etwa zehn Jahren der breiten Öffentlichkeit bekannt wurde, in dieser Hinsicht nicht von der Allgemeinen Relativitätstheorie ab. Auch in RTGs gibt es Gravitationswellen, obwohl es bekanntlich keine Schwarzen Löcher gibt. Und noch eine weitere „Widerlegung“ von Newtons Gravitationstheorie ist nicht besonders wertvoll. Dennoch ist das Ergebnis wichtig im Hinblick auf den „Abschluss“ einiger Versionen moderner Theorien und die Unterstützung anderer – es wird mit kosmologischen Theorien mehrerer Universen und der sogenannten Stringtheorie oder Superstrings in Verbindung gebracht, aber es ist noch zu früh, um es zu zeichnen endgültige Schlussfolgerungen, sagen die Forscher. In der neuesten sogenannten einheitlichen M-Theorie, die eine Weiterentwicklung der Theorie der Superstrings darstellt, sind neben „Strings“ auch neue mehrdimensionale Objekte aufgetaucht – Branes. Superstringtheorien beinhalten naturgemäß die Schwerkraft, da auf ihnen basierende Berechnungen ausnahmslos die Existenz des Gravitons vorhersagen, eines schwerelosen hypothetischen Teilchens mit einem Spin von 2. Es wird angenommen, dass es zusätzliche räumliche Dimensionen gibt, die nur „kollabiert“ sind. Und die Schwerkraft könnte einen Effekt haben“ Abkürzung„ durch diese zusätzlichen Dimensionen, scheinbar schneller als mit Lichtgeschwindigkeit, ohne jedoch die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu verletzen.

  Zwei relativistische Physiker präsentieren ihre Ansichten über das Universum,
  ihre Entwicklung und die Rolle der Quantentheorie

  IN Wissenschaftlicher Amerikaner Diese Vorträge wurden mit Abkürzungen veröffentlicht, die entsprechenden Stellen im Text sind mit Auslassungspunkten gekennzeichnet

  Einführung

  Im Jahr 1994 hielten Stephen Hawking und Roger Penrose eine Reihe öffentlicher Vorträge über die allgemeine Relativitätstheorie am Isaac Newton Institute of Mathematical Sciences der Universität Cambridge. Unser Magazin präsentiert Auszüge aus diesen Vorträgen, die dieses Jahr von Princeton University Press unter dem Titel „The Nature of Space and Time“ veröffentlicht wurden und die Ansichten dieser beiden Wissenschaftler vergleichen. Obwohl beide derselben Schule der Physik angehören (Penrose unterstützte Hawking bei seiner Doktorarbeit in Cambridge), unterscheiden sich ihre Ansichten über die Rolle der Quantenmechanik in der Entwicklung des Universums stark. Hawking und Penrose haben insbesondere unterschiedliche Vorstellungen darüber, was mit den in einem Schwarzen Loch gespeicherten Informationen passiert und warum sich der Anfang des Universums von seinem Ende unterscheidet.

  Eine der wichtigsten Entdeckungen Hawkings aus dem Jahr 1973 war die Vorhersage, dass Schwarze Löcher aufgrund von Quanteneffekten Teilchen aussenden könnten. Durch diesen Prozess verdampft das Schwarze Loch und es ist möglich, dass am Ende nichts mehr von seiner ursprünglichen Masse übrig bleibt. Aber während ihrer Entstehung absorbieren Schwarze Löcher viele auf sie fallende Teilchen unterschiedlicher Art, Eigenschaften und Konfiguration. Obwohl die Quantentheorie die Speicherung solcher Informationen erfordert, bleiben die Einzelheiten darüber, was als nächstes damit geschieht, Gegenstand intensiver Debatten. Hawking und Penrose glauben beide, dass ein Schwarzes Loch die darin enthaltenen Informationen verliert, wenn es emittiert. Aber Hawking besteht darauf, dass dieser Verlust unersetzlich ist, während Penrose argumentiert, dass er durch spontane Messungen von Quantenzuständen ausgeglichen wird, die Informationen zurück in das Schwarze Loch einspeisen.

  Beide Wissenschaftler sind sich einig, dass zur Beschreibung der Natur eine zukünftige Theorie der Quantengravitation erforderlich ist. In einigen Aspekten dieser Theorie gehen ihre Ansichten jedoch auseinander. Penrose glaubt, dass die Quantengravitation diese Symmetrie brechen sollte, selbst wenn die grundlegenden Wechselwirkungen von Elementarteilchen symmetrisch in Bezug auf die Zeitumkehr sind. Zeitasymmetrie würde dann erklären, warum das Universum so gleichmäßig begann (wie die durch den Urknall erzeugte Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zeigt), während das Universum am Ende heterogen sein muss.

  Penrose versucht, eine ähnliche Asymmetrie in seine Hypothese über die Weyl-Krümmung einzubeziehen. Laut Albert Einstein wird die Raumzeit durch die Anwesenheit von Materie gekrümmt. Aber die Raumzeit kann auch eine gewisse inhärente Verformung aufweisen, die als Weyl-Krümmung bezeichnet wird. Gravitationswellen und Schwarze Löcher beispielsweise ermöglichen eine Krümmung der Raumzeit auch in leeren Regionen. Im frühen Universum war die Weyl-Krümmung wahrscheinlich Null, aber in einem sterbenden Universum, wie Penrose argumentiert, wird eine große Anzahl von Schwarzen Löchern dazu führen, dass die Weyl-Krümmung zunimmt. Dies wird der Unterschied zwischen dem Anfang und dem Ende des Universums sein.

  Hawking stimmt zu, dass der Urknall und der endgültige Zusammenbruch („Big Crunch“) unterschiedlich sein werden, er betrachtet die Zeitasymmetrie jedoch nicht als Naturgesetz. Der Hauptgrund für diesen Unterschied sei seiner Meinung nach der Weg, auf dem die Entwicklung des Universums programmiert sei. Er postuliert eine Art Demokratie und erklärt, dass es im Universum keinen einzigen Punkt im Raum geben könne; und deshalb kann das Universum keine Grenze haben. Es ist dieser Vorschlag, dass es keine Grenzen gibt, von dem Hawking behauptet, dass er die Homogenität der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung erklärt.

  Auch bei der Interpretation der Quantenmechanik haben die beiden Physiker grundsätzlich unterschiedliche Ansichten. Hawking glaubt, dass der einzige Zweck der Theorie darin besteht, Vorhersagen zu treffen, die mit experimentellen Daten übereinstimmen. Penrose glaubt, dass ein einfacher Vergleich von Vorhersagen mit Experimenten nicht ausreicht, um die Realität zu erklären. Er weist darauf hin, dass die Quantentheorie, die eine Überlagerung von Wellenfunktionen erfordert, ein Konzept ist, das zu Absurditäten führen kann. Damit heben diese Wissenschaftler die bekannte Debatte zwischen Einstein und Bohr über die bizarren Konsequenzen der Quantentheorie auf eine neue Ebene.

  Stephen Hawking über Quantenschwarze Löcher:

  Die Quantentheorie der Schwarzen Löcher ... scheint ein neues Maß an Unvorhersehbarkeit in der Physik einzuführen, das über die übliche quantenmechanische Unsicherheit hinausgeht. Dies liegt daran, dass Schwarze Löcher offenbar eine innere Entropie haben und Informationen aus unserer Region des Universums verlieren. Ich muss sagen, dass diese Behauptungen höchst umstritten sind: Viele Wissenschaftler, die auf dem Gebiet der Quantengravitation arbeiten, darunter fast alle, die aus der Teilchenphysik kamen, lehnen instinktiv die Idee ab, dass Informationen über den Zustand eines Quantensystems verloren gehen können. Allerdings war diese Ansicht bei der Erklärung, wie Informationen einem Schwarzen Loch entkommen können, nicht sehr erfolgreich. Letztendlich glaube ich, dass sie gezwungen sein werden, meinen Vorschlag zu akzeptieren, dass Informationen unwiederbringlich verloren gehen, genauso wie sie gezwungen waren, zu akzeptieren, dass Schwarze Löcher emittieren, was all ihren Vorurteilen widerspricht ...

  Die Tatsache, dass die Schwerkraft anziehend ist, bedeutet, dass im Universum die Tendenz besteht, dass sich Materie an einem Ort ansammelt und dass Objekte wie Sterne und Galaxien entstehen. Eine weitere Kompression dieser Objekte kann bei Sternen durch thermischen Druck oder bei Galaxien durch Rotation und innere Bewegungen für einige Zeit gehemmt werden. Irgendwann wird jedoch die Wärme oder der Drehimpuls abgeführt und das Objekt beginnt wieder zu schrumpfen. Wenn die Masse weniger als etwa eineinhalb Sonnenmassen beträgt, kann die Kompression durch den Druck eines entarteten Gases aus Elektronen oder Neutronen gestoppt werden. Das Objekt stabilisiert sich und wird zu einem Weißen Zwerg bzw. einem Neutronenstern. Liegt die Masse jedoch über diesem Grenzwert, kann der stetigen Kompression nichts mehr im Wege stehen. Sobald die Kompression eines Objekts eine bestimmte kritische Größe erreicht, wird das Gravitationsfeld auf seiner Oberfläche so stark, dass die Lichtkegel nach innen geneigt werden. Wir können sehen, dass sogar die nach außen gerichteten Lichtstrahlen aufeinander zu gekrümmt sind. so dass sie einander näher kommen statt auseinander. Das bedeutet, dass es eine geschlossene Oberfläche gibt....

  Es muss also einen Bereich der Raumzeit geben, aus dem es unmöglich ist, in unendliche Entfernung zu entkommen. Diese Region wird Schwarzes Loch genannt. Seine Grenze wird Ereignishorizont genannt, es ist eine Fläche, die von Lichtstrahlen gebildet wird, die nicht in die Unendlichkeit entweichen können....

  Wenn ein kosmischer Körper kollabiert und ein Schwarzes Loch entsteht, geht eine große Menge an Informationen verloren. Ein kollabierendes Objekt wird durch eine sehr große Anzahl von Parametern beschrieben. Sein Zustand wird durch die Materiearten und die Multipolmomente ihrer Massenverteilung bestimmt. Trotzdem ist das sich bildende Schwarze Loch völlig unabhängig von der Art der Materie und verliert schnell alle Multipolmomente mit Ausnahme der ersten beiden: Monopol, das Masse ist, und Dipol, das Drehimpuls ist.

  Dieser Informationsverlust spielte in der klassischen Theorie eigentlich keine Rolle. Wir können sagen, dass alle Informationen über das kollabierende Objekt im Inneren des Schwarzen Lochs landen. Für einen Beobachter außerhalb des Schwarzen Lochs wäre es sehr schwierig zu bestimmen, wie das kollabierende Objekt aussieht. In der klassischen Theorie war dies jedoch grundsätzlich noch möglich. Der Beobachter würde das kollabierende Objekt nie wirklich aus den Augen verlieren. Stattdessen schien es ihm so, als ob das Objekt in seiner Kontraktion langsamer wurde und zunehmend schwächer wurde, je näher es dem Ereignishorizont kam. Dieser Beobachter konnte noch sehen, woraus das kollabierende Objekt bestand und wie seine Masse verteilt war.

  Aus Sicht der Quantentheorie ändert sich jedoch alles völlig. Beim Kollaps würde das Objekt nur eine begrenzte Anzahl Photonen aussenden, bevor es den Ereignishorizont überquert. Diese Photonen wären völlig unzureichend, um uns alle Informationen über das kollabierende Objekt zu übermitteln. Das bedeutet, dass es in der Quantentheorie keine Möglichkeit gibt, wie ein externer Beobachter den Zustand eines solchen Objekts bestimmen könnte. Man könnte meinen, dass dies keine allzu große Rolle spielen würde von großer Wichtigkeit, denn die Informationen befinden sich immer noch im Inneren des Schwarzen Lochs, auch wenn sie von außen nicht gemessen werden können. Aber genau hier manifestiert sich der zweite Effekt der Quantentheorie der Schwarzen Löcher....

  Die Quantentheorie zwingt Schwarze Löcher dazu, zu emittieren und Masse zu verlieren. Und offenbar verschwinden sie schließlich vollständig – zusammen mit den darin enthaltenen Informationen. Ich möchte darauf hinweisen, dass diese Informationen tatsächlich verloren gehen und in keiner Form zurückgegeben werden. Wie ich später zeigen werde, geht mit diesem Informationsverlust eine Unsicherheit von mehr als einher hohes Level als die übliche Unsicherheit, die mit der Quantentheorie verbunden ist. Im Gegensatz zur Heisenbergschen Unschärferelation lässt sich dieses neue Maß an Unsicherheit im Fall von Schwarzen Löchern leider nur sehr schwer experimentell bestätigen.

  Roger Penrose über Quantentheorie und Raumzeit:

  Quantentheorie, spezielle Relativitätstheorie, allgemeine Relativitätstheorie und Quantenfeldtheorie sind die größten physikalischen Theorien des 20. Jahrhunderts. Diese Theorien sind nicht unabhängig voneinander: Die allgemeine Relativitätstheorie wurde auf der Grundlage der speziellen Relativitätstheorie aufgebaut, und die Quantenfeldtheorie basiert auf der speziellen Relativitätstheorie und der Quantentheorie.

  Es wurde allgemein gesagt, dass die Quantenfeldtheorie mit einer Genauigkeit von 11 Dezimalstellen die genaueste physikalische Theorie sei, die es je gab. Ich möchte jedoch darauf hinweisen, dass die allgemeine Relativitätstheorie inzwischen auf 14 Dezimalstellen genau getestet wurde (und diese Genauigkeit wird offensichtlich nur durch die Genauigkeit der auf der Erde laufenden Uhren begrenzt). Ich spreche vom binären Pulsar Hulse-Taylor PSR 1913+16, einem Paar relativ zueinander rotierender Neutronensterne, von denen einer ein Pulsar ist. Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass sich eine solche Umlaufbahn langsam zusammenzieht (und ihre Periode abnimmt), weil durch die Emission von Gravitationswellen Energie verloren geht. Dieser Prozess wurde tatsächlich experimentell beobachtet, und die vollständige Beschreibung seiner Bewegung, die 20 Jahre lang beobachtet wurde, stimmt mit der allgemeinen Relativitätstheorie (einschließlich Newtons Theorie) mit der oben erwähnten bemerkenswerten Genauigkeit überein. Die Forscher dieses Sternensystems erhielten für ihre Arbeit zu Recht Nobelpreise. Quantentheoretiker haben unter Berufung auf die Genauigkeit ihrer Theorie immer argumentiert, dass sich die allgemeine Relativitätstheorie ein Beispiel nehmen sollte, aber ich bin jetzt der Meinung, dass sich die Quantenfeldtheorie ein Beispiel nehmen sollte.

  Obwohl diese vier Theorien große Erfolge erzielt haben, sind sie nicht frei von Problemen.... Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt die Existenz von Singularitäten in der Raumzeit voraus. In der Quantentheorie gibt es ein „Messproblem“, das ich später beschreiben werde. Es könnte sich herausstellen, dass die Lösung der Probleme dieser Theorien darin besteht, die Tatsache anzuerkennen, dass es sich um unvollständige Theorien handelt. Viele gehen beispielsweise davon aus, dass die Quantenfeldtheorie die Singularitäten der allgemeinen Relativitätstheorie irgendwie „verschmieren“ könnte ...

  Nun möchte ich ein paar Worte zum Informationsverlust in Schwarzen Löchern sagen, der meiner Meinung nach mit der letzten Aussage zusammenhängt. Ich stimme fast allem zu, was Stephen dazu gesagt hat. Aber während Stephen den Informationsverlust in Schwarzen Löchern als eine neue Unsicherheit in der Physik betrachtet, die auf einem höheren Niveau als die quantenmechanische Unsicherheit liegt, betrachte ich ihn lediglich als „zusätzliche“ Unsicherheit … Es ist möglich, dass es sich um eine kleine Menge an Informationen handelt in der Zeit der Verdunstung des Schwarzen Lochs verloren ... aber dieser Effekt wird viel geringer sein als der Informationsverlust während des Kollaps (wofür ich jedes vernünftige Bild des endgültigen Verschwindens des Schwarzen Lochs akzeptiere, um es zu beschreiben).

  Betrachten Sie als Gedankenexperiment ein geschlossenes System in einem großen Kasten und betrachten Sie die Bewegung der Materie innerhalb des Kastens im Phasenraum. In Regionen des Phasenraums, die den Standorten des Schwarzen Lochs entsprechen, konvergieren die Trajektorien, die die physikalische Entwicklung des Systems beschreiben, und die von diesen Trajektorien ausgefüllten Phasenvolumina werden kleiner. Dies ist auf den Informationsverlust an der Singularität des Schwarzen Lochs zurückzuführen. Diese Reduzierung steht in direktem Widerspruch zum Gesetz der klassischen Mechanik, bekannt als Liouvilles Theorem, das besagt, dass die von Phasentrajektorien getragenen Phasenvolumina konstant bleiben.... Somit verstößt die Raumzeit eines Schwarzen Lochs gegen die Erhaltung solcher Volumina . In meinem Bild wird dieser Verlust an Phasenraumvolumen jedoch durch einen Prozess spontaner Quantenmessungen ausgeglichen, der zur Wiederherstellung von Informationen und einer Volumenzunahme im Phasenraum führt. So wie ich es verstehe, geschieht dies, weil die mit dem Informationsverlust in Schwarzen Löchern verbundene Unsicherheit sozusagen „zusätzlich“ zur quantenmechanischen Unsicherheit hinzukommt: Jedes von ihnen ist nur eine Seite derselben Medaille ...

  Schauen wir uns nun das Gedankenexperiment mit der Katze von Schrödinger an. Er beschreibt die wenig beneidenswerte Position einer Katze in einer Kiste, in der ein emittiertes Photon auf einen durchscheinenden Spiegel fällt und der übertragene Teil seiner Wellenfunktion von einem Sensor aufgezeichnet wird. Wenn der Sensor ein Photon erkennt, feuert die Waffe ab und tötet die Katze. Wenn der Sensor das Photon nicht erkennt, bleibt die Katze gesund und munter. (Ich weiß, dass Stephen die Misshandlung von Katzen nicht gutheißt, nicht einmal in Gedankenexperimenten!) Die Wellenfunktion eines solchen Systems ist eine Überlagerung dieser beiden Möglichkeiten ... Aber warum sind nur die makroskopischen Alternativen „Katze tot“ und „Katze lebendig“ unserer Wahrnehmung zur Verfügung steht und nicht makroskopische Überlagerungen solcher Zustände? ...

  Ich schlage vor, dass mit der Verwendung der Allgemeinen Relativitätstheorie die Verwendung von Überlagerungen alternativer Raum-Zeit-Geometrien auf ernsthafte Schwierigkeiten stößt. Es ist möglich, dass die Überlagerung zweier unterschiedlicher Geometrien instabil ist und in eine dieser beiden Alternativen zerfällt. Solche Geometrien könnten beispielsweise der Raum und die Zeit einer lebenden oder toten Katze sein. Um diesen Zerfall einer Überlagerung in einen der alternativen Zustände zu bezeichnen, verwende ich den Begriff objektive Reduktion, der mir gefällt, weil er ein gutes Akronym (OR) hat. Was hat die Planck-Länge von 10-33 Zentimetern damit zu tun? Diese Länge ist ein natürliches Kriterium zur Bestimmung, ob es sich bei den Geometrien tatsächlich um unterschiedliche Welten handelt. Die Planck-Skala bestimmt auch die Zeitskala, in der die Reduktion in verschiedene Alternativen erfolgt.

  Hawking zur Quantenkosmologie:

  Ich schließe diesen Vortrag mit der Diskussion einer Frage ab, die Roger und ich haben verschiedene Ansichten- Das ist der Pfeil der Zeit. In unserem Teil des Universums gibt es einen sehr klaren Unterschied zwischen der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung der Zeit. Sie müssen einen Film nur zurückspulen, um diesen Unterschied zu erkennen. Anstatt dass Tassen vom Tisch fallen und in kleine Stücke zerbrechen, sehen wir, wie diese Fragmente wieder zusammenkommen und zurück auf den Tisch springen. Nicht wahr? wahres Lebenähnlich, nicht so etwas?

  Lokale Gesetze physikalischer Felder erfüllen die Anforderung der zeitlichen Symmetrie, genauer gesagt der CPT-Invarianz (Charge-Parity-Time). Der beobachtete Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft ergibt sich also aus den Randbedingungen des Universums. Betrachten wir ein Modell, in dem sich ein räumlich geschlossenes Universum auf seine maximale Größe ausdehnt und dann wieder zusammenbricht. Wie Roger betonte, wird das Universum am Ende dieser Geschichte ganz anders sein. Wir gehen heute davon aus, dass das Universum zu Beginn recht glatt und regelmäßig sein wird. Wenn es jedoch erneut zu kollabieren beginnt, erwarten wir, dass es äußerst ungeordnet und unregelmäßig verläuft. Da es viel mehr ungeordnete als geordnete Konfigurationen gibt, müssen die Anfangsbedingungen äußerst genau gewählt werden.

  Dadurch müssen die Randbedingungen zu diesen Zeitpunkten unterschiedlich sein. Roger geht davon aus, dass der Weyl-Tensor nur an einem Ende der Zeit verschwinden sollte. Der Weyl-Tensor ist der Teil der Raumzeitkrümmung, der nicht durch die lokale Verteilung der Materie durch Einsteins Gleichungen bestimmt wird. Diese Krümmung ist in einer geordneten Form äußerst gering frühen Zeitpunkt und ist in einem kollabierenden Universum sehr groß. Somit würde dieser Vorschlag es uns ermöglichen, beide Enden der Zeit voneinander zu unterscheiden und die Existenz des Zeitpfeils zu erklären.

  Ich denke, Rogers Vorschlag ist im doppelten Sinne des Wortes Weylianisch. Erstens ist es nicht CPT-invariant. Roger sieht in dieser Eigenschaft einen Vorteil, aber ich bin der Meinung, dass Symmetrien nicht ohne gute Gründe aufgegeben werden sollten. Zweitens: Wenn der Weyl-Tensor in einem frühen Stadium des Universums genau gleich Null wäre, dann würde er in der Folgezeit homogen und isotrop bleiben. Rogers Weyl-Hypothese kann weder die Schwankungen des Mikrowellenhintergrunds noch die Störungen erklären, die durch Galaxien und Körper wie uns selbst verursacht werden.

  Trotz alledem denke ich, dass Roger auf einen sehr wichtigen Unterschied zwischen diesen beiden Zeitgrenzen hingewiesen hat. Aber die Tatsache, dass die Kleinheit des Weyl-Tensors in einer der Grenzen von uns nicht ad hoc akzeptiert werden sollte, sondern sich aus dem grundlegenderen Prinzip „keine Grenzen“ ergeben sollte...

  Wie können zwei Zeitgrenzen unterschiedlich sein? Warum sollten die Störungen in einem von ihnen gering sein, in dem anderen jedoch nicht? Der Grund dafür ist, dass die Feldgleichungen zwei mögliche komplexe Lösungen haben.... Offensichtlich entspricht eine Lösung dem einen Ende der Zeit und die andere dem anderen.... An einem Ende der Zeit war das Universum sehr glatt und der Weyl-Tensor war klein. Allerdings könnte er nicht genau gleich Null sein, da dies zu einer Verletzung der Unschärferelation führt. Stattdessen muss es kleine Schwankungen geben, aus denen sich später Galaxien und Körper wie wir entwickeln können. Im Gegensatz zum Anfang sollte das Ende des Universums sehr unregelmäßig und chaotisch sein und der Weyl-Tensor sehr groß. Dies würde erklären, warum der Zeitpfeil stattfindet und warum Tassen viel leichter vom Tisch fallen und zerbrechen, als dass sie wiederhergestellt werden und wieder aufspringen.

  Penrose zur Quantenkosmologie:

  Aus dem, was ich über Stephens Konzept verstehe, komme ich zu dem Schluss, dass unsere Meinungsverschiedenheit in dieser Frage (Weyls Krümmungshypothese) extrem groß ist ... Für eine anfängliche Singularität ist die Weyl-Krümmung ungefähr Null ... Stephen argumentierte, dass im Anfangszustand klein Quantenfluktuationen müssen stattfinden, und daher ist die Hypothese einer Null-Weyl-Krümmung klassisch und inakzeptabel. Aber ich denke, es gibt eine gewisse Freiheit hinsichtlich der genauen Formulierung dieser Hypothese. Kleinere Störungen sind aus meiner Sicht im Quantenregime natürlich akzeptabel. Wir müssen diese Schwankungen nur um den Nullpunkt herum deutlich begrenzen....

  Es ist möglich, dass das James-Hartley-Hawking-Prinzip „Keine Grenzen“ ein guter Kandidat für die Beschreibung der Struktur des Anfangszustands ist. Mir scheint jedoch, dass noch etwas anderes nötig ist, um den Endzustand zu erklären. Insbesondere müsste eine Theorie zur Erklärung der Struktur von Singularitäten die Brechung von CPT und anderen Symmetrien einbeziehen, um mit der Weyl-Krümmungshypothese kompatibel zu sein. Eine solche Verletzung der Zeitsymmetrie könnte recht gering sein; und könnte implizit in einer neuen Theorie enthalten sein, die über die Grenzen der Quantenmechanik hinausgeht.

  Hawking über die physische Realität:

  Diese Vorträge machten den Unterschied zwischen Roger und mir sehr deutlich. Er ist ein Platoniker und ich bin ein Positivist. Er ist ernsthaft besorgt, dass sich Schrödingers Katze in einem Quantenzustand befindet, in dem er halb lebendig und halb tot ist. Er spürt darin eine Diskrepanz zur Realität. Aber solche Dinge stören mich nicht. Ich verlange nicht, dass die Theorie der Realität entspricht, weil ich nicht weiß, was Realität ist. Die Realität ist keine Qualität, die man mit Lackmuspapier testen kann. Mir geht es nur darum, dass die Theorie die Ergebnisse der Messungen vorhersagt. Die Quantentheorie macht das sehr erfolgreich...

  Roger ist der Meinung, dass ... der Kollaps der Wellenfunktion einen Durchbruch der CPT-Symmetrie in die Physik einführt. Er sieht solche Störungen in mindestens zwei Bereichen der Physik am Werk: der Kosmologie und den Schwarzen Löchern. Ich stimme zu, dass wir Zeitasymmetrie nutzen können, wenn wir Fragen zu Beobachtungen stellen. Aber ich lehne die Idee, dass es einige physikalische Prozesse gibt, die zu einer Verringerung der Wellenfunktion führen, oder dass dies etwas mit der Quantengravitation oder dem Bewusstsein zu tun hat, völlig ab. Das alles hat mit Magie und Magie zu tun, aber nicht mit Wissenschaft.

  Penrose über die physische Realität:

  Die Quantenmechanik gibt es erst seit 75 Jahren. Das ist nicht sehr viel, insbesondere wenn man es beispielsweise mit Newtons Gravitationstheorie vergleicht. Es würde mich also nicht wundern, wenn die Quantenmechanik für sehr große Objekte modifiziert würde.

  Zu Beginn dieser Debatte meinte Stephen, er sei ein Positivist und ich ein Platoniker. Ich bin froh, dass er ein Positivist ist, aber für mich selbst kann ich sagen, dass ich eher ein Realist bin. Wenn man diese Debatte außerdem mit der berühmten Bohr-Einstein-Debatte vor etwa 70 Jahren vergleicht, denke ich, dass Stephen die Rolle von Bohr spielt und ich die Rolle von Einstein! Für Einstein war es notwendig, dass es etwas Ähnliches wie die reale Welt gibt, das nicht unbedingt durch eine Wellenfunktion beschrieben wird, während Bohr betonte, dass die Wellenfunktion nicht die reale Welt beschreibt, sondern nur das Wissen, das zur Vorhersage der Ergebnisse erforderlich ist ein Experiment.

  Man geht heute davon aus, dass Bohrs Argumente schlagkräftiger waren und dass Einstein (laut seiner von Abraham Pais verfassten Biographie) seit 1925 Fischfang betrieben haben könnte. Tatsächlich hat er keinen großen Beitrag zur Quantenmechanik geleistet, obwohl seine aufschlussreiche Kritik für letztere sehr nützlich war. Ich glaube, dass der Grund dafür darin lag, dass der Quantentheorie einige wichtige Komponenten fehlten. Eine dieser Komponenten war die Strahlung von Schwarzen Löchern, die Stephen 50 Jahre später entdeckte. Informationslecks im Zusammenhang mit der Strahlung eines Schwarzen Lochs sind ein Phänomen, das die Quantentheorie auf eine neue Ebene heben könnte.

  Stephen Hawking glaubt, dass es möglicherweise keine endgültige Theorie des Universums gibt

  Ein Fernsehvortrag, den der berühmte englische Physiker Stephen Hawking vor mehreren Zuhörern am Massachusetts Institute of Technology (MIT) hielt, beschrieb die Suche der Wissenschaftler nach einer vollständigen Theorie des Universums. Und abschließend meinte der Autor der Bestseller-Wissenschaftsbücher „Eine kurze Geschichte der Zeit“ und „The Theory of Everything“, Professor für Mathematik an der Universität Cambridge, dass „es möglich ist, dass [eine solche Theorie] unmöglich ist“.

  „Einige Leute werden sehr enttäuscht sein, wenn sie erfahren, dass es keine endgültige Theorie gibt“, sagte Hawking. „Ich war auch in diesem Lager, aber jetzt habe ich meine Meinung geändert. Ohne sie werden wir immer herausgefordert.“ Die Zivilisation wird stagnieren.“ „Die Suche kann noch sehr lange dauern.“

  Die Fernsehsendung, bei der es zu technischen Schwierigkeiten mit Bild und Ton kam, wurde auch über das Internet übertragen. Organisiert wurde es vom Cambridge-MIT Institute (CMI) – einer dreijährigen strategischen Allianz zwischen der University of Cambridge in England und dem Massachusetts Institute of Technology.

  Hawking fasste im Wesentlichen die Geschichte der Teilchenphysik zusammen und konzentrierte sich dabei auf die Schlüsselfiguren und Theorien auf diesem Gebiet, von Aristoteles bis Stephen Weinberg, einem 1933 geborenen Nobelpreisträger.

  Die Gleichungen von Maxwell und Dirac zum Beispiel „regeln fast die gesamte Physik sowie die gesamte Chemie und Biologie“, argumentierte Hawking. „Wenn wir diese Gleichungen kennen, können wir im Prinzip menschliches Verhalten vorhersagen, obwohl ich selbst nicht behaupten kann, dass ich das getan habe.“ in diesem Fall großer Erfolg„, schloss er unter Gelächter des Publikums.

  Das menschliche Gehirn enthält zu viele Teilchen, um alle Gleichungen zu lösen, die zur Vorhersage des Verhaltens einer Person erforderlich sind. Vielleicht werden wir eines Tages in absehbarer Zeit lernen, das Verhalten des Nematodenwurms vorherzusagen.

  Alle bisher entwickelten Theorien zur Erklärung des Universums „sind entweder widersprüchlich oder unvollständig“, sagte Hawking. Und er legte dar, warum es grundsätzlich unmöglich ist, eine vollständige Theorie des Universums zu entwickeln. Er stützte seine Argumentation auf die Arbeit von Kurt Gödel, einem tschechischen Mathematiker, der den berühmten Satz verfasste, dass bestimmte Aussagen in keinem Zweig der Mathematik bewiesen oder widerlegt werden können.

  In der Schule haben wir gelernt, dass Materie aus Atomen besteht und Atome aus Kernen bestehen, um die sich Elektronen drehen. Die Planeten kreisen auf die gleiche Weise um die Sonne, sodass wir uns das leicht vorstellen können. Dann wurde das Atom in Elementarteilchen gespalten und es wurde schwieriger, sich die Struktur des Universums vorzustellen. Auf der Teilchenskala gelten andere Gesetze, und es ist nicht immer möglich, eine Analogie zum Leben zu finden. Die Physik ist abstrakt und unübersichtlich geworden.

  Aber der nächste Schritt der theoretischen Physik brachte einen Sinn für die Realität zurück. Die Stringtheorie beschrieb die Welt in Begriffen, die wiederum vorstellbar und daher leichter zu verstehen und zu merken sind.

  Das Thema ist immer noch nicht einfach, also gehen wir der Reihe nach vor. Lassen Sie uns zunächst herausfinden, was die Theorie ist, und dann versuchen wir zu verstehen, warum sie erfunden wurde. Und zum Nachtisch noch ein wenig Geschichte; die Stringtheorie hat eine kurze Geschichte, aber mit zwei Revolutionen.

  Das Universum besteht aus vibrierenden Energiefäden

  Vor der Stringtheorie galten Elementarteilchen als Punkte – dimensionslose Formen mit bestimmten Eigenschaften. Die Stringtheorie beschreibt sie als Energiefäden, die eine Dimension haben – die Länge. Diese eindimensionalen Threads werden aufgerufen Quantenstrings.

  Theoretische Physik
  

  Theoretische Physik
  beschreibt die Welt mithilfe der Mathematik, im Gegensatz zur experimentellen Physik. Der erste theoretische Physiker war Isaac Newton (1642-1727)

  Der Atomkern mit Elektronen, Elementarteilchen und Quantensträngen aus der Sicht eines Künstlers. Fragment des Dokumentarfilms „Elegant Universe“

  Quantenstränge sind sehr klein, ihre Länge beträgt etwa 10 -33 cm. Das ist hundert Millionen Mal kleiner als die Protonen, die am Large Hadron Collider kollidieren. Solche Experimente mit Strings würden den Bau eines Beschleunigers von der Größe einer Galaxie erfordern. Wir haben noch keine Möglichkeit gefunden, Strings zu erkennen, aber dank der Mathematik können wir einige ihrer Eigenschaften erraten.

  Quantenstrings sind offen und geschlossen. Die offenen Enden sind frei, während die geschlossenen Enden aufeinander schließen und Schlaufen bilden. Saiten „öffnen“ und „schließen“ sich ständig, verbinden sich mit anderen Saiten und zerfallen in kleinere.

  
  

  Quantenstrings werden gedehnt. Spannung im Raum entsteht aufgrund des Energieunterschieds: bei geschlossenen Saiten zwischen den geschlossenen Enden, bei offenen Saiten zwischen den Enden der Saiten und dem Hohlraum. Physiker nennen diesen Hohlraum zweidimensionale Flächen oder Branes – abgeleitet vom Wort Membran.

  Zentimeter - Minimum mögliche Größe Objekt im Universum. Sie wird Planck-Länge genannt

  Wir bestehen aus Quantensträngen

  Quantensaiten vibrieren. Dabei handelt es sich um Schwingungen, die den Schwingungen der Saiten einer Balalaika ähneln, mit gleichmäßigen Wellen und einer ganzen Reihe von Minima und Maxima. Wenn eine Quantensaite schwingt, erzeugt sie keinen Ton; auf der Skala von Elementarteilchen gibt es nichts, auf das Schallschwingungen übertragen werden könnten. Es selbst wird zum Teilchen: Es schwingt bei einer Frequenz – ein Quark, bei einer anderen – ein Gluon, bei einer dritten – ein Photon. Daher ist ein Quantenstring ein einzelnes Bauelement, ein „Baustein“ des Universums.

  Das Universum wird normalerweise als Weltraum und Sterne dargestellt, aber es ist auch unser Planet, Sie und ich, der Text auf dem Bildschirm und Beeren im Wald.

  

  Diagramm der Saitenschwingungen. Bei jeder Frequenz sind alle Wellen gleich, ihre Anzahl ist ganzzahlig: eins, zwei und drei

  
  

  Region Moskau, 2016. Es gibt viele Erdbeeren – nur mehr Mücken. Sie bestehen ebenfalls aus Schnüren.

  
  

  Und irgendwo da draußen ist der Weltraum. Gehen wir zurück in den Weltraum

  Im Kern des Universums befinden sich also Quantenstränge, eindimensionale Energiestränge, die vibrieren, Größe und Form ändern und Energie mit anderen Strängen austauschen. Aber das ist nicht alles.

  Quantenstrings bewegen sich durch den Raum. Und der Raum auf der Skala von Strings ist der interessanteste Teil der Theorie.

  Quantenstrings bewegen sich in 11 Dimensionen

  

  Theodore Kaluza
  (1885-1954)

  Alles begann mit Albert Einstein. Seine Entdeckungen zeigten, dass Zeit relativ ist und vereinten sie mit dem Raum in einem einzigen Raum-Zeit-Kontinuum. Einsteins Arbeit erklärte die Schwerkraft, die Bewegung von Planeten und die Entstehung von Schwarzen Löchern. Darüber hinaus inspirierten sie ihre Zeitgenossen zu neuen Entdeckungen.

  Einstein veröffentlichte 1915–1916 die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, und bereits 1919 versuchte der polnische Mathematiker Theodor Kaluza, seine Berechnungen auf die Theorie anzuwenden elektromagnetisches Feld. Es stellte sich jedoch die Frage: Wenn die Einsteinsche Schwerkraft die vier Dimensionen der Raumzeit verbiegt, was verbiegen dann elektromagnetische Kräfte? Der Glaube an Einstein war stark und Kaluza hatte keinen Zweifel daran, dass seine Gleichungen den Elektromagnetismus beschreiben würden. Stattdessen schlug er vor, dass elektromagnetische Kräfte eine zusätzliche, fünfte Dimension verbiegen. Einstein gefiel die Idee, aber die Theorie wurde nicht durch Experimente überprüft und geriet bis in die 1960er Jahre in Vergessenheit.

  

  Albert Einstein (1879-1955)

  

  Theodore Kaluza
  (1885-1954)

  Theodore Kaluza
  (1885-1954)

  Albert Einstein
  (1879-1955)

  Die ersten Gleichungen der Stringtheorie führten zu seltsamen Ergebnissen. In ihnen tauchten Tachyonen auf – Teilchen mit negative Masse, die sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegte. Hier kam Kaluzas Idee der Multidimensionalität des Universums zum Tragen. Es stimmt, fünf Dimensionen waren nicht genug, genauso wie sechs, sieben oder zehn nicht genug waren. Die Mathematik der ersten Stringtheorie ergab nur dann Sinn, wenn unser Universum 26 Dimensionen hätte! Spätere Theorien hatten genug von zehn, aber in der modernen gibt es elf davon – zehn räumlich und zeitlich.

  Aber wenn ja, warum sehen wir dann nicht die zusätzlichen sieben Dimensionen? Die Antwort ist einfach: Sie sind zu klein. Aus der Ferne erscheint ein dreidimensionales Objekt flach: Wasserrohr wird wie ein Band erscheinen, aber Luftballon- Überall. Selbst wenn wir Objekte in anderen Dimensionen sehen könnten, würden wir ihre Multidimensionalität nicht berücksichtigen. Wissenschaftler nennen diesen Effekt Verdichtung.

  
  

  Zusätzliche Dimensionen werden in unmerklich kleine Formen der Raumzeit gefaltet – sie werden Calabi-Yau-Räume genannt. Aus der Ferne sieht es flach aus.

  Sieben weitere Dimensionen können wir nur in Form mathematischer Modelle darstellen. Dabei handelt es sich um Fantasien, die auf den uns bekannten Eigenschaften von Raum und Zeit aufbauen. Durch das Hinzufügen einer dritten Dimension wird die Welt dreidimensional und wir können das Hindernis umgehen. Vielleicht ist es nach dem gleichen Prinzip richtig, die verbleibenden sieben Dimensionen hinzuzufügen – und dann kann man mit ihnen die Raumzeit umrunden und jederzeit zu jedem Punkt in jedem Universum gelangen.

  Messungen im Universum nach der ersten Version der Stringtheorie – bosonisch. Jetzt gilt es als irrelevant

  
  

  Eine Linie hat nur eine Dimension – die Länge

  
  

  Ein Ballon ist dreidimensional und hat eine dritte Dimension – die Höhe. Aber für einen zweidimensionalen Menschen sieht es wie eine Linie aus

  
  

  So wie sich ein zweidimensionaler Mensch keine Mehrdimensionalität vorstellen kann, können wir uns auch nicht alle Dimensionen des Universums vorstellen.

  Nach diesem Modell bewegen sich Quantenketten immer und überall, was bedeutet, dass dieselben Ketten die Eigenschaften aller möglichen Universen von ihrer Geburt bis zum Ende der Zeit kodieren. Leider ist unser Ballon flach. Unsere Welt ist nur eine vierdimensionale Projektion eines elfdimensionalen Universums auf die sichtbaren Skalen der Raumzeit, und wir können den Fäden nicht folgen.

  Eines Tages werden wir den Urknall erleben

  Eines Tages werden wir die Frequenz der Saitenschwingungen und die Organisation zusätzlicher Dimensionen in unserem Universum berechnen. Dann erfahren wir absolut alles darüber und können den Urknall sehen oder nach Alpha Centauri fliegen. Dies ist jedoch vorerst unmöglich – es gibt keine Hinweise darauf, worauf man sich bei den Berechnungen verlassen kann, und man kann die erforderlichen Zahlen nur mit roher Gewalt ermitteln. Mathematiker haben berechnet, dass es 10.500 Optionen zu sortieren gibt. Die Theorie ist in einer Sackgasse angekommen.

  Dennoch ist die Stringtheorie immer noch in der Lage, die Natur des Universums zu erklären. Dazu muss es alle anderen Theorien verbinden, zur Theorie von allem werden.

  Die Stringtheorie wird zur Theorie von allem werden. Kann sein

  In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts bestätigten Physiker eine Reihe grundlegender Theorien über die Natur des Universums. Es schien, als würden wir noch ein wenig mehr verstehen und alles verstehen. Das Hauptproblem ist jedoch noch nicht gelöst: Die Theorien funktionieren einzeln hervorragend, liefern aber kein Gesamtbild.

  Es gibt zwei Haupttheorien: Relativitätstheorie und Quantenfeldtheorie.

  Optionen zum Organisieren von 11 Dimensionen in Calabi-Yau-Räumen – genug für alle möglichen Universen. Zum Vergleich: Die Anzahl der Atome im beobachtbaren Teil des Universums beträgt etwa 10 80

  Es gibt genügend Möglichkeiten, Calabi-Yau-Räume für alle möglichen Universen zu organisieren. Zum Vergleich: Die Anzahl der Atome im beobachtbaren Universum beträgt etwa 10 80

  Relativitätstheorie
  beschrieb die Gravitationswechselwirkung zwischen Planeten und Sternen und erklärte das Phänomen der Schwarzen Löcher. Dies ist die Physik einer visuellen und logischen Welt.

  
  

  Modell der Gravitationswechselwirkung von Erde und Mond in der Einsteinschen Raumzeit

  Quantenfeldtheorie
  bestimmte die Arten von Elementarteilchen und beschrieb drei Arten der Wechselwirkung zwischen ihnen: stark, schwach und elektromagnetisch. Das ist die Physik des Chaos.

  
  

  Die Quantenwelt aus der Sicht eines Künstlers. Video von der MiShorts-Website

  Quantenfeldtheorie mit Massenzusatz für Neutrinos heißt Standardmodell. Dies ist die grundlegende Theorie der Struktur des Universums auf Quantenebene. Die meisten Vorhersagen der Theorie werden in Experimenten bestätigt.

  Das Standardmodell unterteilt alle Teilchen in Fermionen und Bosonen. Fermionen bilden Materie – zu dieser Gruppe gehören alle beobachtbaren Teilchen wie Quark und Elektron. Bosonen sind die Kräfte, die für die Wechselwirkung von Fermionen wie dem Photon und dem Gluon verantwortlich sind. Zwei Dutzend Teilchen sind bereits bekannt und Wissenschaftler entdecken weiterhin neue.

  Es ist logisch anzunehmen, dass die Gravitationswechselwirkung auch von seinem Boson übertragen wird. Sie haben es noch nicht gefunden, aber sie haben seine Eigenschaften beschrieben und einen Namen gefunden – Graviton.

  Aber es ist unmöglich, die Theorien zu vereinen. Von Standardmodell Elementarteilchen sind dimensionslose Punkte, die in Abständen von Null interagieren. Wenn diese Regel auf Graviton angewendet wird, ergeben die Gleichungen unendlich viele Ergebnisse, was sie bedeutungslos macht. Dies ist nur einer der Widersprüche, aber es zeigt gut, wie weit eine Physik von einer anderen entfernt ist.

  Daher suchen Wissenschaftler nach einer alternativen Theorie, die alle Theorien in einer vereinen kann. Diese Theorie wurde als einheitliche Feldtheorie bezeichnet Theorie von allem.

  Fermionen
  bilden alle Arten von Materie außer Dunkler Materie

  Bosonen
  Energie zwischen Fermionen übertragen

  Die Stringtheorie könnte die wissenschaftliche Welt vereinen

  Die Stringtheorie erscheint in dieser Rolle attraktiver als andere, da sie den Hauptwiderspruch sofort löst. Quantensaiten schwingen, also der Abstand zwischen ihnen Über Null, und unmögliche Berechnungsergebnisse für das Graviton können vermieden werden. Und das Graviton selbst passt gut in das Konzept der Saiten.

  Aber die Ergebnisse der Stringtheorie sind nicht durch Experimente bewiesen; Umso überraschender ist die Tatsache, dass es seit 40 Jahren nicht verlassen wurde – sein Potenzial ist so groß. Um zu verstehen, warum dies geschieht, schauen wir zurück und sehen uns an, wie es sich entwickelt hat.

  Die Stringtheorie hat zwei Revolutionen durchgemacht

  

  Gabriele Veneziano
  (geb. 1942)

  Die Stringtheorie galt zunächst überhaupt nicht als Kandidat für die Vereinheitlichung der Physik. Es wurde zufällig entdeckt. 1968 untersuchte der junge theoretische Physiker Gabriele Veneziano die starken Wechselwirkungen im Inneren Atomkern. Überraschenderweise entdeckte er, dass sie durch Eulers Betafunktion gut beschrieben wurden – eine Reihe von Gleichungen, die der Schweizer Mathematiker Leonhard Euler 200 Jahre zuvor zusammengestellt hatte. Das war seltsam: Damals galt das Atom als unteilbar und Eulers Arbeit löste ausschließlich mathematische Probleme. Niemand verstand, warum die Gleichungen funktionierten, aber sie wurden aktiv genutzt.

  Physikalische Bedeutung Eulers Betafunktionen wurden zwei Jahre später entdeckt. Drei Physiker, Yoichiro Nambu, Holger Nielsen und Leonard Susskind, schlugen vor, dass Elementarteilchen möglicherweise keine Punkte, sondern eindimensionale vibrierende Saiten seien. Die starke Wechselwirkung für solche Objekte wurde idealerweise durch die Euler-Gleichungen beschrieben. Die erste Version der Stringtheorie wurde bosonisch genannt, da sie die Stringnatur der Bosonen beschrieb, die für die Wechselwirkungen der Materie verantwortlich sind, und sich nicht auf die Fermionen bezog, aus denen die Materie besteht.

  Die Theorie war grob. Es handelte sich um Tachyonen, und die wichtigsten Vorhersagen widersprachen den experimentellen Ergebnissen. Und obwohl es möglich war, Tachyonen mithilfe der Kaluza-Mehrdimensionalität loszuwerden, konnte sich die Stringtheorie nicht durchsetzen.

  • Gabriele Veneziano
  • Yoichiro Nambu
  • Holger Nielsen
  • Leonard Süßkind
  • John Schwartz
  • Michael Green
  • Edward Witten
  • Gabriele Veneziano
  • Yoichiro Nambu
  • Holger Nielsen
  • Leonard Süßkind
  • John Schwartz
  • Michael Green
  • Edward Witten

  Aber die Theorie hat immer noch treue Anhänger. 1971 fügte Pierre Ramon Fermionen zur Stringtheorie hinzu und reduzierte die Anzahl der Dimensionen von 26 auf zehn. Dies war der Anfang Supersymmetrietheorie.

  Darin heißt es, dass jedes Fermion sein eigenes Boson hat, was bedeutet, dass Materie und Energie symmetrisch sind. Es spielt keine Rolle, dass das beobachtbare Universum asymmetrisch ist, sagte Ramon, es gibt Bedingungen, unter denen immer noch Symmetrie beobachtet wird. Und wenn Fermionen und Bosonen laut Stringtheorie von denselben Objekten kodiert werden, dann kann unter diesen Bedingungen Materie in Energie umgewandelt werden und umgekehrt. Diese Eigenschaft von Strings wurde Supersymmetrie genannt, und die Stringtheorie selbst wurde Superstringtheorie genannt.

  1974 entdeckten John Schwartz und Joel Sherk, dass einige Eigenschaften von Saiten bemerkenswert genau mit den Eigenschaften des angeblichen Trägers der Schwerkraft, des Gravitons, übereinstimmten. Von diesem Moment an begann die Theorie ernsthaft den Anspruch auf Verallgemeinerung zu erheben.

  Dimensionen der Raumzeit waren in der ersten Superstringtheorie enthalten

  
  

  „Die mathematische Struktur der Stringtheorie ist so schön und hat so viele erstaunliche Eigenschaften, dass sie sicherlich auf etwas Tieferes hinweisen muss.“

  Die erste Superstring-Revolution geschah im Jahr 1984. John Schwartz und Michael Green stellten ein mathematisches Modell vor, das zeigte, dass viele der Widersprüche zwischen der Stringtheorie und dem Standardmodell gelöst werden konnten. Die neuen Gleichungen bezogen die Theorie auch auf alle Arten von Materie und Energie. Die wissenschaftliche Welt wurde von einem Fieber erfasst – die Physiker gaben ihre Forschung auf und widmeten sich der Erforschung von Saiten.

  Von 1984 bis 1986 wurden mehr als tausend Arbeiten zur Stringtheorie verfasst. Sie zeigten, dass viele der Bestimmungen des Standardmodells und der Gravitationstheorie, die im Laufe der Jahre zusammengesetzt wurden, auf natürliche Weise aus der Stringphysik resultieren. Die Forschung hat Wissenschaftler davon überzeugt, dass eine einheitliche Theorie unmittelbar bevorsteht.

  
  

  „Der Moment, in dem man in die Stringtheorie eingeführt wird und erkennt, dass fast alle großen Fortschritte in der Physik des letzten Jahrhunderts von einem so einfachen Ausgangspunkt ausgehen – und zwar mit solcher Eleganz –, zeigt deutlich die unglaubliche Kraft dieser Theorie.“

  Aber die Stringtheorie hatte es nicht eilig, ihre Geheimnisse preiszugeben. Anstelle gelöster Probleme sind neue entstanden. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass es nicht eine, sondern fünf Superstringtheorien gibt. Die Saiten in ihnen hatten verschiedene Typen Supersymmetrie, und es gab keine Möglichkeit zu wissen, welche Theorie richtig war.

  Mathematische Methoden hatten ihre Grenzen. Physiker sind an komplexe Gleichungen gewöhnt, die keine genauen Ergebnisse liefern, aber für die Stringtheorie war es nicht möglich, auch nur genaue Gleichungen zu schreiben. Und ungefähre Ergebnisse von Näherungsgleichungen lieferten keine Antworten. Es wurde klar, dass neue Mathematik erforderlich war, um die Theorie zu studieren, aber niemand wusste, um welche Art von Mathematik es sich handeln würde. Der Eifer der Wissenschaftler hat nachgelassen.

  Zweite Superstring-Revolution donnerte 1995. Die Pattsituation wurde durch Edward Wittens Vortrag auf der String Theory Conference in Südkalifornien beendet. Witten zeigte, dass alle fünf Theorien Spezialfälle einer, allgemeineren Theorie der Superstrings sind, in der es nicht zehn, sondern elf Dimensionen gibt. Witten nannte die vereinheitlichende Theorie M-Theorie oder die Mutter aller Theorien englisches Wort Mutter.

  Aber etwas anderes war wichtiger. Wittens M-Theorie beschrieb die Wirkung der Schwerkraft in der Superstringtheorie so gut, dass sie als supersymmetrische Schwerkrafttheorie bezeichnet wurde Supergravitationstheorie. Dies inspirierte Wissenschaftler und wissenschaftliche Zeitschriften veröffentlichte wieder Publikationen zur Stringphysik.

  Raum-Zeit-Messungen in moderne Theorie Superstrings

  
  

  „Die Stringtheorie ist ein Teil der Physik des 21. Jahrhunderts, der versehentlich im 20. Jahrhundert landete. Es kann Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte dauern, bis es vollständig entwickelt und verstanden ist.

  Die Echos dieser Revolution sind noch heute zu hören. Doch trotz aller Bemühungen der Wissenschaftler gibt es in der Stringtheorie mehr Fragen als Antworten. Die moderne Wissenschaft versucht, Modelle eines mehrdimensionalen Universums zu erstellen und untersucht Dimensionen als Raummembranen. Man nennt sie Branes – erinnern Sie sich an die Leere, über die offene Schnüre gespannt sind? Es wird angenommen, dass die Saiten selbst zwei- oder dreidimensional ausfallen können. Sie sprechen sogar von einer neuen 12-dimensionalen Grundtheorie – der F-Theorie, dem Vater aller Theorien, abgeleitet vom Wort „Vater“. Die Geschichte der Stringtheorie ist noch lange nicht vorbei.

  Die Stringtheorie ist noch nicht bewiesen, aber auch nicht widerlegt.

  Das Hauptproblem der Theorie ist das Fehlen direkter Beweise. Ja, daraus folgen andere Theorien, Wissenschaftler addieren 2 und 2 und es ergibt sich 4. Das bedeutet aber nicht, dass die Vier aus Zweien besteht. Experimente am Large Hadron Collider haben die Supersymmetrie noch nicht entdeckt, was die einheitliche Strukturbasis des Universums bestätigen und den Anhängern der Stringphysik in die Hände spielen würde. Aber es gibt auch keine Dementis. Daher begeistert die elegante Mathematik der Stringtheorie weiterhin den Geist von Wissenschaftlern und verspricht Lösungen für alle Geheimnisse des Universums.

  Wenn man über die Stringtheorie spricht, darf man nicht umhin, Brian Greene zu erwähnen, einen Professor an der Columbia University und einen unermüdlichen Verfechter der Theorie. Green hält Vorträge und tritt im Fernsehen auf. Im Jahr 2000 erschien sein Buch „Elegant Universe. „Superstrings, Hidden Dimensions, and the Search for the Ultimate Theory“ war Finalist für den Pulitzer-Preis. Im Jahr 2011 spielte er sich selbst in Folge 83 von The Big Bang Theory. 2013 besuchte er das Moskauer Polytechnische Institut und gab Lenta-ru ein Interview.

  Wenn Sie kein Experte für Stringtheorie werden möchten, aber verstehen möchten, in was für einer Welt Sie leben, denken Sie an diesen Spickzettel:

  1. Das Universum besteht aus Energiefäden – Quantensaiten – die wie die Saiten eines Musikinstruments schwingen. Unterschiedliche Schwingungsfrequenzen verwandeln Saiten in unterschiedliche Partikel.
  2. Die Enden der Saiten können frei sein oder sich übereinander schließen und Schlaufen bilden. Die Saiten schließen und öffnen sich ständig und tauschen Energie mit anderen Saiten aus.
  3. Quantenstränge existieren im 11-dimensionalen Universum. Die zusätzlichen 7 Dimensionen sind in schwer fassbare Formen der Raumzeit gefaltet, sodass wir sie nicht sehen. Dies wird als Dimensionskompaktifizierung bezeichnet.
  4. Wenn wir genau wüssten, wie die Dimensionen in unserem Universum gefaltet sind, könnten wir vielleicht durch die Zeit und zu anderen Sternen reisen. Dies ist jedoch noch nicht möglich – es gibt zu viele Optionen, um sie durchzugehen. Es gäbe genug davon für alle möglichen Universen.
  5. Die Stringtheorie kann alle physikalischen Theorien vereinen und uns die Geheimnisse des Universums enthüllen – dafür sind alle Voraussetzungen gegeben. Aber es gibt noch keine Beweise.
  6. Weitere Entdeckungen ergeben sich logischerweise aus der Stringtheorie moderne Wissenschaft. Das beweist leider nichts.
  7. Die Stringtheorie hat zwei Superstring-Revolutionen und viele Jahre des Vergessens überstanden. Manche Wissenschaftler halten es für Science-Fiction, andere glauben, dass neue Technologien dabei helfen werden, es zu beweisen.
  8. Das Wichtigste: Wenn Sie Ihren Freunden von der Stringtheorie erzählen möchten, stellen Sie sicher, dass sich kein Physiker unter ihnen befindet – Sie sparen Zeit und Nerven. Und Sie werden wie Brian Greene am Polytechnikum aussehen:

  Der schöne poetische Ausdruck „Stringtheorie“ benennt eine der Richtungen der theoretischen Physik, die die Ideen der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik vereint. Dieser Bereich der Physik beschäftigt sich mit der Untersuchung von Quantenstrings – also eindimensional ausgedehnten Objekten. Dies ist der Hauptunterschied zu vielen anderen Zweigen der Physik, in denen die Dynamik von Punktteilchen untersucht wird.

  Im Kern leugnet und behauptet die Stringtheorie, dass das Universum schon immer existiert hat. Das heißt, das Universum war kein unendlich kleiner Punkt, sondern ein String mit verschwindend kleiner Länge, während die Stringtheorie besagt, dass wir im zehndimensionalen Raum leben, obwohl wir uns nur 3-4 fühlen. Der Rest existiert in einem zusammengebrochenen Zustand, und wenn Sie sich entscheiden, die Frage zu stellen: „Wann werden sie sich entfalten und wird dies jemals passieren?“, dann erhalten Sie keine Antwort.

  Die Mathematik hat es einfach nicht gefunden – die Stringtheorie lässt sich experimentell nicht beweisen. Zwar gab es Versuche, eine universelle Theorie zu entwickeln, um sie praktisch überprüfen zu können. Damit dies jedoch geschieht, muss es so vereinfacht werden, dass es unsere Wahrnehmungsebene der Realität erreicht. Dann wird die Idee der Verifizierung völlig bedeutungslos.

  Grundlegende Kriterien und Konzepte der Stringtheorie

  Die Relativitätstheorie besagt, dass unser Universum eine Ebene ist, und die Quantenmechanik besagt, dass es auf der Mikroebene unendliche Bewegung gibt, aufgrund derer der Raum gekrümmt ist. Und die Stringtheorie versucht, diese beiden Annahmen zu kombinieren, und dementsprechend werden Elementarteilchen als besondere Bestandteile in der Zusammensetzung jedes Atoms dargestellt – ursprüngliche Strings, die eine Art ultramikroskopische Fasern sind. In diesem Fall haben Elementarteilchen Eigenschaften, die die Resonanzschwingung der Fasern erklären, aus denen diese Teilchen bestehen. Diese Art von Fasern erzeugen Schwingungen in unendlichen Mengen.

  

  Für ein genaueres Verständnis des Wesens kann sich ein einfacher Laie die Saiten gewöhnlicher Musikinstrumente vorstellen, die zu unterschiedlichen Zeiten gedehnt, erfolgreich gewellt und ständig vibriert werden können. Fäden, die unter bestimmten Schwingungen miteinander interagieren, haben die gleichen Eigenschaften.

  Durch die Faltung in Standardschleifen bilden die Fäden größere Partikelarten – Quarks, Elektronen, deren Masse direkt vom Spannungsniveau und der Schwingungsfrequenz der Fasern abhängt. Die Energie der Saiten korreliert also genau mit diesen Kriterien. Die Masse der Elementarteilchen wird umso höher, je mehr Energie emittiert wird.

  Aktuelle Probleme der Stringtheorie

  Beim Studium der Stringtheorie stießen Wissenschaftler aus vielen Ländern regelmäßig auf eine Reihe von Problemen und unlösbaren Fragen. Als wichtigster Punkt kann das Fehlen mathematischer Formeln angesehen werden, weshalb es den Fachleuten noch nicht gelungen ist, der Theorie eine vollständige Form zu geben.

  Das zweite wesentliche Problem besteht darin, die Essenz der Theorie der Existenz von 10 Dimensionen zu bestätigen, obwohl wir tatsächlich nur 4 davon fühlen können. Vermutlich befinden sich die restlichen 6 in einem verdrehten Zustand und es ist nicht möglich, sie in Echtzeit zu spüren. Obwohl es völlig unmöglich ist, die Theorie zu widerlegen, scheint eine experimentelle Bestätigung auch ziemlich schwierig zu sein.

  

  Gleichzeitig wurde das Studium der Stringtheorie zu einem klaren Impuls für die Entwicklung origineller mathematischer Konstruktionen sowie der Topologie. Die Physik mit ihren theoretischen Richtungen ist auch mit Hilfe der untersuchten Theorie recht fest in der Mathematik verankert. Darüber hinaus konnte das Wesen der modernen Quantengravitation und -materie gründlich verstanden werden, indem begonnen wurde, viel tiefergehende Untersuchungen durchzuführen, als dies zuvor möglich war.

  Daher wird die Erforschung der Stringtheorie kontinuierlich fortgesetzt, und die Ergebnisse zahlreicher Experimente, einschließlich Tests am Large Hadron Collider, könnten die fehlenden Konzepte und Elemente liefern. In diesem Fall wird die physikalische Theorie ein absolut bewiesenes und allgemein akzeptiertes Phänomen sein.

  Haben Sie jemals gedacht, dass das Universum wie ein Cello ist? Das stimmt – sie ist nicht gekommen. Weil das Universum nicht wie ein Cello ist. Das heißt aber nicht, dass es keine Saiten hat. Natürlich ähneln die Saiten des Universums kaum denen, die wir uns vorstellen. In der Stringtheorie sind sie unglaublich kleine vibrierende Energiefäden. Diese Fäden ähneln eher winzigen „Gummibändern“, die sich auf alle möglichen Arten winden, dehnen und zusammendrücken können. All dies bedeutet jedoch nicht, dass es unmöglich ist, auf ihnen die Symphonie des Universums zu „spielen“, denn laut Stringtheoretikern besteht alles, was existiert, aus diesen „Fäden“.

  ©depositphotos.com

  Physikalischer Widerspruch

  In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts schien es den Physikern, dass in ihrer Wissenschaft nichts Ernsthaftes mehr entdeckt werden könne. Die klassische Physik glaubte, dass es keine ernsthaften Probleme mehr gäbe und die gesamte Struktur der Welt wie eine perfekt regulierte und vorhersehbare Maschine aussehe. Der Ärger geschah wie immer aufgrund von Unsinn – einer der kleinen „Wolken“, die noch immer am klaren, verständlichen Himmel der Wissenschaft blieben. Nämlich bei der Berechnung der Strahlungsenergie eines absolut schwarzen Körpers (ein hypothetischer Körper, der bei jeder Temperatur die auf ihn einfallende Strahlung unabhängig von der Wellenlänge vollständig absorbiert). Berechnungen ergaben, dass die gesamte Strahlungsenergie eines absolut schwarzen Körpers unendlich groß sein sollte. Um dieser offensichtlichen Absurdität zu entgehen, schlug der deutsche Wissenschaftler Max Planck im Jahr 1900 vor, dass sichtbares Licht, Röntgenstrahlen und andere elektromagnetische Wellen nur von bestimmten diskreten Energieanteilen, die er Quanten nannte, emittiert werden können. Mit ihrer Hilfe gelang es, das besondere Problem eines absolut schwarzen Körpers zu lösen. Allerdings waren die Konsequenzen der Quantenhypothese für den Determinismus noch nicht erkannt. Bis 1926 ein anderer deutscher Wissenschaftler, Werner Heisenberg, das berühmte Unschärfeprinzip formulierte.

  Sein Kern besteht darin, dass die Natur entgegen allen bisher vorherrschenden Aussagen unsere Fähigkeit einschränkt, die Zukunft auf der Grundlage physikalischer Gesetze vorherzusagen. Wir sprechen natürlich über die Zukunft und Gegenwart subatomarer Teilchen. Es stellte sich heraus, dass sie sich völlig anders verhalten als alle Dinge im Makrokosmos um uns herum. Auf der subatomaren Ebene wird das Raumgefüge ungleichmäßig und chaotisch. Die Welt der winzigen Teilchen ist so turbulent und unverständlich, dass sie widersprüchlich ist gesunder Menschenverstand. Raum und Zeit sind darin so verdreht und miteinander verflochten, dass es keine gewöhnlichen Konzepte von links und rechts, oben und unten oder sogar vorher und nachher gibt. Es gibt keine Möglichkeit, mit Sicherheit zu sagen, wo genau sich ein Punkt im Raum befindet. dieser Moment dieses oder jenes Teilchen und welchen Drehimpuls hat es? In vielen Regionen der Raumzeit besteht nur eine gewisse Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen zu finden. Teilchen auf subatomarer Ebene scheinen im gesamten Raum „verschmiert“ zu sein. Darüber hinaus ist der „Status“ der Teilchen selbst nicht definiert: In manchen Fällen verhalten sie sich wie Wellen, in anderen weisen sie die Eigenschaften von Teilchen auf. So nennen Physiker den Welle-Teilchen-Dualismus der Quantenmechanik.

  Ebenen der Struktur der Welt: 1. Makroskopische Ebene – Materie
  2. Molekulare Ebene 3. Atomare Ebene – Protonen, Neutronen und Elektronen
  4. Subatomare Ebene – Elektron 5. Subatomare Ebene – Quarks 6. String-Ebene
  ©Bruno P. Ramos

  In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Situation wie in einem Staat mit entgegengesetzten Gesetzen grundlegend anders. Der Raum erscheint wie ein Trampolin – ein glatter Stoff, der durch Objekte mit Masse gebogen und gedehnt werden kann. Sie erzeugen Verzerrungen in der Raumzeit – was wir als Schwerkraft erleben. Unnötig zu erwähnen, dass die harmonische, korrekte und vorhersehbare Allgemeine Relativitätstheorie in einem unlösbaren Konflikt mit dem „exzentrischen Hooligan“ – der Quantenmechanik – steht und die Makrowelt daher keinen „Frieden“ mit der Mikrowelt schließen kann. Hier kommt die Stringtheorie zur Rettung.

  
  ©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project

  Theorie von allem

  Die Stringtheorie verkörpert den Traum aller Physiker, die beiden grundsätzlich widersprüchlichen allgemeinen Relativitätstheorie und Quantenmechanik zu vereinen, ein Traum, der den größten „Zigeuner und Landstreicher“ Albert Einstein bis ans Ende seiner Tage verfolgte.

  Viele Wissenschaftler glauben, dass alles, vom exquisiten Tanz der Galaxien bis zum verrückten Tanz subatomarer Teilchen, letztendlich durch nur eine Grundschwingung erklärt werden kann physikalisches Prinzip. Vielleicht sogar ein einziges Gesetz, das alle Arten von Energie, Teilchen und Wechselwirkungen in einer eleganten Formel vereint.

  Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt eine der berühmtesten Kräfte des Universums – die Schwerkraft. Die Quantenmechanik beschreibt drei weitere Kräfte: die starke Kernkraft, die Protonen und Neutronen in Atomen zusammenklebt, den Elektromagnetismus und die schwache Kraft, die am radioaktiven Zerfall beteiligt ist. Jedes Ereignis im Universum, von der Ionisierung eines Atoms bis zur Geburt eines Sterns, wird durch die Wechselwirkungen der Materie durch diese vier Kräfte beschrieben. Mit Hilfe der komplexesten Mathematik konnte gezeigt werden, dass elektromagnetische und schwache Wechselwirkungen einen gemeinsamen Charakter haben und sie zu einer einzigen elektroschwachen Wechselwirkung kombinieren. Anschließend wurde ihnen eine starke nukleare Wechselwirkung hinzugefügt – aber die Schwerkraft verbindet sie in keiner Weise. Die Stringtheorie ist einer der ernsthaftesten Kandidaten für die Verbindung aller vier Kräfte und damit für die Erfassung aller Phänomene im Universum – nicht umsonst wird sie auch „Theorie von Allem“ genannt.

  
  
  ©Wikimedia Commons

  Am Anfang war ein Mythos

  Bisher sind nicht alle Physiker von der Stringtheorie begeistert. Und zu Beginn seines Erscheinens schien es unendlich weit von der Realität entfernt zu sein. Schon ihre Geburt ist eine Legende.

  In den späten 1960er Jahren suchte ein junger italienischer theoretischer Physiker, Gabriele Veneziano, nach Gleichungen, die die starke Kernkraft erklären könnten – den extrem starken „Kleber“, der die Atomkerne zusammenhält und Protonen und Neutronen zusammenhält. Der Legende nach stieß er einmal zufällig auf ein verstaubtes Buch über die Geschichte der Mathematik, in dem er eine zweihundert Jahre alte Gleichung fand, die erstmals vom Schweizer Mathematiker Leonhard Euler niedergeschrieben worden war. Stellen Sie sich Venezianos Überraschung vor, als er entdeckte, dass Eulers Gleichung, die lange Zeit nur als mathematische Kuriosität galt, diese starke Wechselwirkung beschrieb.

  Wie war es wirklich? Die Gleichung war wahrscheinlich das Ergebnis seit langen Jahren Venezianos Arbeit und der Zufall trugen nur dazu bei, den ersten Schritt zur Entdeckung der Stringtheorie zu machen. Eulers Gleichung, die auf wundersame Weise die starke Kraft erklärte, erhielt neues Leben.

  Am Ende erregte es die Aufmerksamkeit des jungen amerikanischen theoretischen Physikers Leonard Susskind, der erkannte, dass die Formel zunächst einmal Teilchen beschrieb, die keine innere Struktur hatten und schwingen konnten. Diese Teilchen verhielten sich so, dass sie nicht nur Punktteilchen sein konnten. Süßkind hat verstanden – die Formel beschreibt einen Faden, der wie ein Gummiband ist. Sie konnte sich nicht nur strecken und zusammenziehen, sondern auch schwingen und winden. Nachdem Süßkind seine Entdeckung beschrieben hatte, stellte er die revolutionäre Idee der Saiten vor.

  Leider reagierte die überwältigende Mehrheit seiner Kollegen sehr kühl auf die Theorie.

  Standardmodell

  Damals stellte die konventionelle Wissenschaft Teilchen als Punkte und nicht als Strings dar. Seit Jahren untersuchen Physiker das Verhalten subatomarer Teilchen, indem sie sie mit hoher Geschwindigkeit kollidieren lassen, und untersuchen die Folgen dieser Kollisionen. Es stellte sich heraus, dass das Universum viel reicher ist, als man sich vorstellen kann. Es war eine echte „Bevölkerungsexplosion“ der Elementarteilchen. Doktoranden der Physik rannten durch die Korridore und riefen, sie hätten ein neues Teilchen entdeckt – es gab nicht einmal genug Buchstaben, um es zu bezeichnen.

  Aber leider konnten Wissenschaftler im „Entbindungsheim“ neuer Teilchen nie die Antwort auf die Frage finden: Warum gibt es so viele davon und wo kommen sie her?

  Dies veranlasste die Physiker zu einer ungewöhnlichen und verblüffenden Vorhersage: Sie erkannten, dass die in der Natur wirkenden Kräfte auch durch Teilchen erklärt werden konnten. Das heißt, es gibt Materieteilchen und es gibt Teilchen, die Wechselwirkungen tragen. Ein Photon ist beispielsweise ein Lichtteilchen. Je mehr dieser Trägerteilchen – also die gleichen Photonen, die Materieteilchen austauschen – desto heller ist das Licht. Wissenschaftler haben vorhergesagt, dass dieser besondere Austausch von Trägerteilchen nichts anderes ist als das, was wir als Kraft wahrnehmen. Dies wurde durch Experimente bestätigt. So gelang es den Physikern, Einsteins Traum von der Vereinigung der Kräfte näher zu kommen.

  
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  Wissenschaftler glauben, dass, wenn wir kurz nach dem Urknall vorspulen, als das Universum Billionen Grad heißer war, die Teilchen, die Elektromagnetismus und die schwache Kraft übertragen, nicht mehr zu unterscheiden sind und sich zu einer einzigen Kraft vereinen, die als elektroschwache Kraft bezeichnet wird. Und wenn wir in der Zeit noch weiter zurückgehen, würde sich die elektroschwache Wechselwirkung mit der starken zu einer totalen „Superkraft“ verbinden.

  Auch wenn all dies noch auf den Beweis wartet, erklärte die Quantenmechanik plötzlich, wie drei der vier Kräfte auf subatomarer Ebene interagieren. Und sie hat es wunderbar und konsequent erklärt. Dieses kohärente Bild der Interaktionen wurde schließlich als Standardmodell bekannt. Aber leider hatte diese perfekte Theorie ein großes Problem: Sie berücksichtigte nicht die berühmteste Kraft auf Makroebene – die Schwerkraft.

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  Graviton

  Für die Stringtheorie, die noch keine Zeit zum „Aufblühen“ hatte, ist der „Herbst“ von Anfang an mit zu vielen Problemen verbunden. Die Berechnungen der Theorie sagten beispielsweise die Existenz von Teilchen voraus, die, wie sich bald herausstellte, nicht existierten. Dabei handelt es sich um das sogenannte Tachyon – ein Teilchen, das sich im Vakuum schneller als Licht bewegt. Es stellte sich unter anderem heraus, dass die Theorie bis zu 10 Dimensionen erfordert. Es ist nicht verwunderlich, dass dies für Physiker sehr verwirrend war, da es offensichtlich größer ist als das, was wir sehen.

  1973 beschäftigten sich nur noch wenige junge Physiker mit den Geheimnissen der Stringtheorie. Einer von ihnen war der amerikanische theoretische Physiker John Schwartz. Vier Jahre lang versuchte Schwartz, die widerspenstigen Gleichungen zu bändigen, aber ohne Erfolg. Eine dieser Gleichungen bestand unter anderem darin, ein mysteriöses Teilchen zu beschreiben, das keine Masse hatte und in der Natur nicht beobachtet wurde.

  Der Wissenschaftler hatte bereits beschlossen, sein katastrophales Geschäft aufzugeben, und dann dämmerte ihm: Vielleicht beschreiben die Gleichungen der Stringtheorie auch die Schwerkraft? Dies implizierte jedoch eine Revision der Dimensionen der wichtigsten „Helden“ der Theorie – der Saiten. Mit der Annahme, dass Strings milliardenfach kleiner als ein Atom seien, machten die „Stringer“ den Nachteil der Theorie zu ihrem Vorteil. Das mysteriöse Teilchen, das John Schwartz so beharrlich loszuwerden versucht hatte, fungierte nun als Graviton – ein seit langem gesuchtes Teilchen, das die Übertragung der Schwerkraft auf die Quantenebene ermöglichen würde. Auf diese Weise vervollständigte die Stringtheorie das Rätsel mit der Schwerkraft, die im Standardmodell fehlte. Aber leider reagierte die wissenschaftliche Gemeinschaft selbst auf diese Entdeckung in keiner Weise. Die Stringtheorie blieb am Rande ihres Überlebens. Aber das hielt Schwartz nicht auf. Nur ein Wissenschaftler wollte sich seiner Suche anschließen und war bereit, seine Karriere für mysteriöse Fäden zu riskieren – Michael Green.

  Der amerikanische theoretische Physiker John Schwartz (oben) und Michael Green
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  Welche Gründe gibt es zu der Annahme, dass die Schwerkraft den Gesetzen der Quantenmechanik gehorcht? Für die Entdeckung dieser „Grundlagen“ wurde 2011 der Nobelpreis für Physik verliehen. Es bestand darin, dass sich die Expansion des Universums nicht verlangsamt, wie früher angenommen wurde, sondern sich im Gegenteil beschleunigt. Diese Beschleunigung wird durch die Wirkung einer besonderen „Antigravitation“ erklärt, die irgendwie für den leeren Raum des Weltraumvakuums charakteristisch ist. Andererseits kann auf der Quantenebene nichts absolut „Leeres“ sein – im Vakuum erscheinen ständig subatomare Teilchen und verschwinden sofort. Es wird angenommen, dass dieses „Flimmern“ der Teilchen für die Existenz der dunklen „Anti-Schwerkraft“-Energie verantwortlich ist, die den leeren Raum füllt.

  Einst war es Albert Einstein, der bis zu seinem Lebensende die paradoxen Prinzipien der Quantenmechanik (die er selbst vorhergesagt hatte) nie akzeptierte und die Existenz dieser Energieform vermutete. In Anlehnung an die Tradition der klassischen griechischen Philosophie, Aristoteles, mit ihrem Glauben an die Ewigkeit der Welt, weigerte sich Einstein zu glauben, was seine eigene Theorie vorhersagte, nämlich dass das Universum einen Anfang hatte. Um das Universum zu „verewigen“, führte Einstein sogar eine bestimmte kosmologische Konstante in seine Theorie ein und beschrieb damit die Energie des leeren Raums. Glücklicherweise wurde nach einigen Jahren klar, dass das Universum überhaupt keine gefrorene Form ist, sondern sich ausdehnt. Dann gab Einstein die kosmologische Konstante auf und nannte sie „die größte Fehleinschätzung seines Lebens“.

  Heute weiß die Wissenschaft, dass dunkle Energie immer noch existiert, obwohl ihre Dichte viel höher ist. weniger als das, was Einstein annahm (das Problem der dunklen Energiedichte ist übrigens eines davon größten Geheimnisse moderne Physik). Aber egal wie klein der Wert der kosmologischen Konstante ist, er reicht völlig aus, um zu beweisen, dass Quanteneffekte in der Schwerkraft existieren.

  Subatomare Nistpuppen

  Trotz allem wies die Stringtheorie Anfang der 1980er Jahre immer noch hartnäckige Widersprüche auf, die in der Wissenschaft als Anomalien bezeichnet wurden. Schwartz und Green machten sich daran, sie zu beseitigen. Und ihre Bemühungen waren nicht umsonst: Den Wissenschaftlern gelang es, einige Widersprüche in der Theorie zu beseitigen. Stellen Sie sich das Erstaunen dieser beiden vor, die bereits daran gewöhnt waren, dass ihre Theorie ignoriert wurde, als die Reaktion der wissenschaftlichen Gemeinschaft die wissenschaftliche Welt in die Luft jagte. In weniger als einem Jahr ist die Zahl der Stringtheoretiker auf Hunderte gestiegen. Damals wurde der Stringtheorie der Titel „Theory of Everything“ verliehen. Die neue Theorie schien in der Lage zu sein, alle Bestandteile des Universums zu beschreiben. Und das sind die Komponenten.

  Wie wir wissen, besteht jedes Atom aus noch kleineren Teilchen – Elektronen, die um einen Kern aus Protonen und Neutronen wirbeln. Protonen und Neutronen wiederum bestehen aus noch kleineren Teilchen – Quarks. Aber die Stringtheorie besagt, dass es nicht bei den Quarks endet. Quarks bestehen aus winzigen, sich windenden Energiesträngen, die wie Schnüre aussehen. Jede dieser Saiten ist unvorstellbar klein. So klein, dass, wenn man ein Atom auf die Größe des Sonnensystems vergrößern würde, die Schnur die Größe eines Baumes hätte. So wie unterschiedliche Schwingungen einer Cellosaite das erzeugen, was wir hören, so wie unterschiedliche Musiknoten, unterschiedliche Arten (Modi) der Schwingung einer Saite den Partikeln ihre einzigartigen Eigenschaften verleihen – Masse, Ladung usw. Wissen Sie, wie sich die Protonen an der Spitze Ihres Nagels relativ gesehen vom noch unentdeckten Graviton unterscheiden? Nur durch die Ansammlung winziger Saiten, aus denen sie bestehen, und durch die Art und Weise, wie diese Saiten vibrieren.

  Das alles ist natürlich mehr als überraschend. Seit der Zeit des antiken Griechenlands haben sich Physiker daran gewöhnt, dass alles auf dieser Welt aus so etwas wie Kugeln, winzigen Teilchen, besteht. Und da sie keine Zeit hatten, sich an das unlogische Verhalten dieser Kugeln zu gewöhnen, das sich aus der Quantenmechanik ergibt, werden sie gebeten, das Paradigma völlig aufzugeben und mit einer Art Spaghetti-Fetzen zu operieren ...

  Fünfte Dimension

  Obwohl viele Wissenschaftler die Stringtheorie als Triumph der Mathematik bezeichnen, bleiben einige Probleme damit bestehen – vor allem das Fehlen jeglicher Möglichkeit, sie in naher Zukunft experimentell zu testen. Kein einziges Instrument auf der Welt, das weder existiert noch in der Zukunft erscheinen könnte, ist in der Lage, die Saiten zu „sehen“. Daher stellen einige Wissenschaftler übrigens sogar die Frage: Ist die Stringtheorie eine Theorie der Physik oder der Philosophie? Es stimmt, es ist überhaupt nicht notwendig, Strings „mit eigenen Augen“ zu sehen. Der Beweis der Stringtheorie erfordert vielmehr etwas anderes – was wie Science-Fiction klingt – die Bestätigung der Existenz zusätzlicher Raumdimensionen.

  Worum geht es? Wir sind alle an drei Dimensionen von Raum und Zeit gewöhnt. Aber die Stringtheorie sagt das Vorhandensein anderer – zusätzlicher – Dimensionen voraus. Aber fangen wir der Reihe nach an.

  Tatsächlich entstand die Idee der Existenz anderer Dimensionen vor fast hundert Jahren. Es kam dem damals unbekannten deutschen Mathematiker Theodor Kaluza im Jahr 1919 in den Sinn. Er schlug die Möglichkeit einer anderen Dimension in unserem Universum vor, die wir nicht sehen. Albert Einstein erfuhr von dieser Idee und mochte sie zunächst sehr. Später zweifelte er jedoch an der Richtigkeit und verzögerte die Veröffentlichung von Kaluza um zwei ganze Jahre. Letztendlich wurde der Artikel jedoch veröffentlicht und die zusätzliche Dimension wurde für das Genie der Physik zu einer Art Hobby.

  Wie Sie wissen, hat Einstein gezeigt, dass die Schwerkraft nichts anderes als eine Verformung der Raum-Zeit-Dimensionen ist. Kaluza vermutete, dass Elektromagnetismus auch Wellen sein könnte. Warum sehen wir es nicht? Kaluza hat die Antwort auf diese Frage gefunden: Die Wellen des Elektromagnetismus können in einer zusätzlichen, verborgene Dimension. Aber wo ist es?

  Die Antwort auf diese Frage gab der schwedische Physiker Oskar Klein, der vermutete, dass Kaluzas fünfte Dimension milliardenfach stärker gefaltet ist als die Größe eines einzelnen Atoms, weshalb wir sie nicht sehen können. Die Idee dieser winzigen Dimension, die uns überall umgibt, ist das Herzstück der Stringtheorie.

  
  In jeder dieser Formen vibriert und bewegt sich eine Saite – der Hauptbestandteil des Universums.
  Jede Form ist sechsdimensional – entsprechend der Anzahl der sechs zusätzlichen Dimensionen
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  Zehn Dimensionen

  Tatsächlich erfordern die Gleichungen der Stringtheorie jedoch nicht einmal eine, sondern sechs zusätzliche Dimensionen (insgesamt sind es bei den vier, die wir kennen, genau zehn). Sie alle haben eine sehr verdrehte und gebogene komplexe Form. Und alles ist unvorstellbar klein.

  Wie können diese winzigen Messungen unsere beeinflussen? Große Welt? Laut Stringtheorie ist es entscheidend: Für sie bestimmt die Form alles. Wenn Sie auf einem Saxophon verschiedene Tasten drücken, erhalten Sie unterschiedliche Klänge. Dies liegt daran, dass Sie beim Drücken einer bestimmten Taste oder Tastenkombination die Form des Raums ändern Musikinstrument wo die Luft zirkuliert. Dadurch entstehen unterschiedliche Klänge.

  Die Stringtheorie legt nahe, dass sich weitere gekrümmte und verdrehte Raumdimensionen auf ähnliche Weise manifestieren. Die Formen dieser zusätzlichen Dimensionen sind komplex und vielfältig, und jede führt dazu, dass die Saite, die sich in solchen Dimensionen befindet, genau aufgrund ihrer Formen unterschiedlich vibriert. Denn wenn wir beispielsweise davon ausgehen, dass eine Saite im Inneren einer Kanne und die andere im Inneren eines gebogenen Pfostenhorns schwingt, handelt es sich um völlig unterschiedliche Schwingungen. Glaubt man jedoch der Stringtheorie, sehen die Formen zusätzlicher Dimensionen in Wirklichkeit viel komplexer aus als ein Krug.

  Wie die Welt funktioniert

  Die heutige Wissenschaft kennt eine Reihe von Zahlen, die die Grundkonstanten des Universums darstellen. Sie sind diejenigen, die die Eigenschaften und Merkmale von allem um uns herum bestimmen. Zu solchen Konstanten gehören beispielsweise die Ladung eines Elektrons, die Gravitationskonstante, die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ... Und wenn wir diese Zahlen auch nur unbedeutend oft ändern, werden die Folgen katastrophal sein. Angenommen, wir hätten die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung erhöht. Was ist passiert? Wir könnten plötzlich feststellen, dass sich die Ionen stärker gegenseitig abstoßen und die Kernfusion, die Sterne zum Leuchten bringt und Wärme abgibt, plötzlich scheitert. Alle Sterne werden ausgehen.

  Aber was hat die Stringtheorie mit ihren zusätzlichen Dimensionen damit zu tun? Tatsache ist, dass es demnach die zusätzlichen Dimensionen sind, die den genauen Wert der Grundkonstanten bestimmen. Bei einigen Messmethoden wird eine Saite auf eine bestimmte Art und Weise vibriert und es entsteht das, was wir als Photon sehen. Bei anderen Formen schwingen die Saiten anders und erzeugen ein Elektron. Gott steckt wirklich in den „kleinen Dingen“ – es sind diese winzigen Formen, die alle grundlegenden Konstanten dieser Welt bestimmen.

  Superstringtheorie

  Mitte der 1980er Jahre nahm die Stringtheorie ein großes und geordnetes Erscheinungsbild an, doch im Inneren des Denkmals herrschte Verwirrung. In nur wenigen Jahren sind bis zu fünf Versionen der Stringtheorie entstanden. Und obwohl jede von ihnen auf Strings und zusätzlichen Dimensionen basiert (alle fünf Versionen sind in zusammengefasst). allgemeine Theorie Superstrings) unterschieden sich diese Versionen in Details deutlich.

  So hatten die Saiten in manchen Versionen offene Enden, in anderen ähnelten sie Ringen. Und in einigen Versionen erforderte die Theorie sogar nicht 10, sondern sogar 26 Dimensionen. Das Paradoxe ist, dass alle fünf Versionen heute als gleichermaßen wahr bezeichnet werden können. Aber welches beschreibt unser Universum wirklich? Dies ist ein weiteres Rätsel der Stringtheorie. Deshalb gaben viele Physiker die „verrückte“ Theorie wieder auf.

  Aber das Hauptproblem von Strings ist, wie bereits erwähnt, die Unmöglichkeit (zumindest im Moment), ihre Anwesenheit experimentell nachzuweisen.

  Einige Wissenschaftler sagen jedoch immer noch, dass die nächste Generation von Beschleunigern nur eine sehr geringe, aber immer noch Chance bietet, die Hypothese zusätzlicher Dimensionen zu testen. Obwohl die Mehrheit natürlich davon überzeugt ist, dass dies, wenn dies möglich ist, leider nicht sehr bald geschehen wird – zumindest nicht in Jahrzehnten, höchstens – selbst in hundert Jahren.

  Ökologie des Wissens: Das größte Problem für theoretische Physiker besteht darin, alle grundlegenden Wechselwirkungen (gravitative, elektromagnetische, schwache und starke) in einer einzigen Theorie zu kombinieren. Die Superstringtheorie behauptet, die Theorie von allem zu sein

  Von drei bis zehn zählen

  Das größte Problem für theoretische Physiker besteht darin, alle grundlegenden Wechselwirkungen (gravitative, elektromagnetische, schwache und starke) in einer einzigen Theorie zu kombinieren. Die Superstringtheorie behauptet, die Theorie von allem zu sein.

  Es stellte sich jedoch heraus, dass die praktischste Anzahl an Dimensionen, die für die Funktion dieser Theorie erforderlich sind, bis zu zehn beträgt (neun davon sind räumlich und eine zeitlich)! Bei mehr oder weniger Dimensionen ergeben mathematische Gleichungen irrationale Ergebnisse, die bis ins Unendliche gehen – eine Singularität.

  Die nächste Stufe in der Entwicklung der Superstringtheorie – die M-Theorie – hat bereits elf Dimensionen gezählt. Und eine andere Version davon – F-Theorie – alle zwölf. Und das ist überhaupt keine Komplikation. Die F-Theorie beschreibt den 12-dimensionalen Raum mit einfacheren Gleichungen als die M-Theorie den 11-dimensionalen Raum.

  Natürlich heißt die theoretische Physik nicht umsonst theoretisch. Alle ihre Erfolge existieren bisher nur auf dem Papier. Um zu erklären, warum wir uns nur im dreidimensionalen Raum bewegen können, begannen Wissenschaftler darüber zu sprechen, wie die unglücklichen verbleibenden Dimensionen auf der Quantenebene zu kompakten Kugeln schrumpfen mussten. Genauer gesagt nicht in Sphären, sondern in Calabi-Yau-Räume. Dabei handelt es sich um dreidimensionale Figuren, in deren Inneren sich eine eigene Welt mit eigener Dimension befindet. Eine zweidimensionale Projektion einer solchen Mannigfaltigkeit sieht etwa so aus:

  Es sind mehr als 470 Millionen solcher Zahlen bekannt. Welche davon unserer Realität entspricht, wird derzeit berechnet. Es ist nicht einfach, ein theoretischer Physiker zu sein.

  Ja, das scheint etwas weit hergeholt. Aber vielleicht ist es genau das, was erklärt, warum die Quantenwelt so anders ist als die, die wir wahrnehmen.

  Punkt, Punkt, Komma

  Von vorn anfangen. Die Nulldimension ist ein Punkt. Sie hat keine Größe. Es gibt keinen Ort, an dem man sich bewegen kann, es sind keine Koordinaten erforderlich, um den Standort in einer solchen Dimension anzugeben.

  Platzieren wir einen zweiten neben dem ersten Punkt und ziehen wir eine Linie durch sie. Hier ist die erste Dimension. Ein eindimensionales Objekt hat eine Größe – Länge, aber keine Breite oder Tiefe. Die Bewegung im eindimensionalen Raum ist sehr begrenzt, da ein auf dem Weg entstehendes Hindernis nicht umgangen werden kann. Um den Standort auf diesem Segment zu bestimmen, benötigen Sie nur eine Koordinate.

  Setzen wir einen Punkt neben das Segment. Um diese beiden Objekte unterzubringen, benötigen wir einen zweidimensionalen Raum mit Länge und Breite, also Fläche, aber ohne Tiefe, also Volumen. Die Position eines beliebigen Punktes auf diesem Feld wird durch zwei Koordinaten bestimmt.

  Die dritte Dimension entsteht, wenn wir diesem System eine dritte Koordinatenachse hinzufügen. Für uns Bewohner des dreidimensionalen Universums ist es sehr einfach, uns das vorzustellen.

  Versuchen wir uns vorzustellen, wie die Bewohner des zweidimensionalen Raums die Welt sehen. Zum Beispiel diese beiden Männer:

  Jeder von ihnen wird seinen Kameraden so sehen:

  Und in dieser Situation:

  

  Unsere Helden werden sich so sehen:

  
  

  Es ist der Perspektivwechsel, der es unseren Helden ermöglicht, einander als zweidimensionale Objekte und nicht als eindimensionale Segmente zu beurteilen.

  Stellen wir uns nun vor, dass sich ein bestimmtes volumetrisches Objekt in der dritten Dimension bewegt, die diese zweidimensionale Welt schneidet. Für einen externen Beobachter wird diese Bewegung in einer Änderung der zweidimensionalen Projektionen des Objekts auf der Ebene ausgedrückt, wie Brokkoli in einem MRT-Gerät:

  Aber für einen Bewohner unseres Flachlandes ist ein solches Bild unverständlich! Er kann sie sich nicht einmal vorstellen. Für ihn wird jede der zweidimensionalen Projektionen als eindimensionales Segment mit geheimnisvoll variabler Länge betrachtet, das an einem unvorhersehbaren Ort erscheint und auch unvorhersehbar verschwindet. Versuche, die Länge und den Ursprungsort solcher Objekte mithilfe der Gesetze der Physik des zweidimensionalen Raums zu berechnen, sind zum Scheitern verurteilt.

  Wir Bewohner der dreidimensionalen Welt sehen alles zweidimensional. Nur wenn wir ein Objekt im Raum bewegen, können wir sein Volumen spüren. Wir werden jedes mehrdimensionale Objekt auch als zweidimensional betrachten, aber es wird sich je nach unserer Beziehung zu ihm oder der Zeit auf überraschende Weise verändern.

  Unter diesem Gesichtspunkt ist es interessant, beispielsweise über die Schwerkraft nachzudenken. Bilder wie dieses hat sicher jeder schon einmal gesehen:

  
  

  Sie stellen normalerweise dar, wie die Schwerkraft die Raumzeit krümmt. Es biegt... wohin? Genau genommen nicht in den uns bekannten Dimensionen. Und was ist mit dem Quantentunneln, also der Fähigkeit eines Teilchens, an einem Ort zu verschwinden und an einem ganz anderen aufzutauchen, und zwar hinter einem Hindernis, durch das es in unserer Realität nicht eindringen könnte, ohne ein Loch darin zu machen? Was ist mit Schwarzen Löchern? Was wäre, wenn all diese und andere Geheimnisse der modernen Wissenschaft durch die Tatsache erklärt würden, dass die Geometrie des Raums überhaupt nicht die gleiche ist, wie wir es gewohnt sind, sie wahrzunehmen?

  Die Uhr tickt

  Die Zeit fügt unserem Universum eine weitere Koordinate hinzu. Damit eine Party stattfinden kann, müssen Sie nicht nur wissen, in welcher Bar sie stattfinden wird, sondern auch den genauen Zeitpunkt dieser Veranstaltung.

  Nach unserer Wahrnehmung ist die Zeit weniger eine gerade Linie als vielmehr ein Strahl. Das heißt, es hat einen Ausgangspunkt und die Bewegung erfolgt nur in eine Richtung – von der Vergangenheit in die Zukunft. Darüber hinaus ist nur die Gegenwart real. Es gibt weder Vergangenheit noch Zukunft, so wie es aus der Sicht eines Büroangestellten in der Mittagspause weder Frühstück noch Abendessen gibt.

  Doch damit ist die Relativitätstheorie nicht einverstanden. Aus ihrer Sicht ist Zeit eine vollwertige Dimension. Alle Ereignisse, die existiert haben, existieren und existieren werden, sind gleichermaßen real, so wie der Meeresstrand real ist, unabhängig davon, wo genau uns die Träume vom Rauschen der Brandung überrascht haben. Unsere Wahrnehmung ist so etwas wie ein Scheinwerfer, der einen bestimmten Abschnitt auf einer geraden Zeitlinie beleuchtet. Die Menschheit in ihrer vierten Dimension sieht etwa so aus:

  
  

  Aber wir sehen nur eine Projektion, einen Ausschnitt dieser Dimension zu jedem einzelnen Zeitpunkt. Ja, ja, wie Brokkoli in einem MRT-Gerät.

  Bisher arbeiteten alle Theorien mit einer Vielzahl räumlicher Dimensionen, und die zeitliche war immer die einzige. Aber warum erlaubt der Raum mehrere Dimensionen des Raumes, aber nur eine Zeit? Bis Wissenschaftler diese Frage beantworten können, wird die Hypothese von zwei oder mehr Zeiträumen für alle Philosophen und Science-Fiction-Autoren sehr attraktiv erscheinen. Und Physiker auch, na und? Beispielsweise sieht der amerikanische Astrophysiker Itzhak Bars die Wurzel aller Probleme mit der Theorie von Allem in der übersehenen zweiten Zeitdimension. Versuchen wir uns als mentale Übung eine Welt mit zwei Zeiten vorzustellen.

  Jede Dimension existiert separat. Dies drückt sich darin aus, dass wenn wir die Koordinaten eines Objekts in einer Dimension ändern, die Koordinaten in anderen möglicherweise unverändert bleiben. Wenn Sie sich also entlang einer Zeitachse bewegen, die eine andere im rechten Winkel schneidet, stoppt die Zeitumdrehung am Schnittpunkt. In der Praxis wird es ungefähr so ​​aussehen:

  
  

  Alles, was Neo tun musste, war, seine eindimensionale Zeitachse senkrecht zur Zeitachse der Kugeln zu platzieren. Eine bloße Kleinigkeit, da werden Sie mir zustimmen. In Wirklichkeit ist alles viel komplizierter.

  Die genaue Zeit in einem Universum mit zwei Zeitdimensionen wird durch zwei Werte bestimmt. Ist es schwierig, sich ein zweidimensionales Ereignis vorzustellen? Also eine, die gleichzeitig entlang zweier Zeitachsen ausgedehnt wird? Es ist wahrscheinlich, dass eine solche Welt Spezialisten für die Kartierung der Zeit erfordern würde, so wie Kartographen die zweidimensionale Oberfläche des Globus kartieren.

  Was unterscheidet den zweidimensionalen Raum noch vom eindimensionalen Raum? Die Fähigkeit, beispielsweise ein Hindernis zu umgehen. Das geht völlig über die Grenzen unseres Verstandes hinaus. Ein Bewohner einer eindimensionalen Welt kann sich nicht vorstellen, wie es ist, um die Ecke zu kommen. Und was ist das – ein Blickwinkel in der Zeit? Darüber hinaus kann man im zweidimensionalen Raum vorwärts, rückwärts oder sogar diagonal reisen. Ich habe keine Ahnung, wie es ist, diagonal durch die Zeit zu gehen. Ganz zu schweigen von der Tatsache, dass die Zeit vielen physikalischen Gesetzen unterliegt und es unmöglich ist, sich vorzustellen, wie sich die Physik des Universums mit dem Aufkommen einer anderen Zeitdimension verändern wird. Aber es ist so aufregend, darüber nachzudenken!

  Sehr große Enzyklopädie

  Andere Dimensionen wurden noch nicht entdeckt und existieren nur in mathematischen Modellen. Aber Sie können versuchen, sie sich so vorzustellen.

  Wie wir bereits herausgefunden haben, sehen wir eine dreidimensionale Projektion der vierten (Zeit-)Dimension des Universums. Mit anderen Worten: Jeder Moment der Existenz unserer Welt ist ein Punkt (ähnlich der Nulldimension) im Zeitraum vom Urknall bis zum Ende der Welt.

  Diejenigen unter Ihnen, die über Zeitreisen gelesen haben, wissen was wichtige Rolle Dabei spielt die Krümmung des Raum-Zeit-Kontinuums eine Rolle. Dies ist die fünfte Dimension – in ihr „biegt“ sich die vierdimensionale Raumzeit, um zwei Punkte auf dieser Linie näher zusammenzubringen. Ohne dies wäre die Reise zwischen diesen Punkten zu lang oder sogar unmöglich. Grob gesagt ähnelt die fünfte Dimension der zweiten – sie verschiebt die „eindimensionale“ Linie der Raumzeit in eine „zweidimensionale“ Ebene mit allem, was sie in Form der Fähigkeit mit sich bringt, um die Ecke zu gehen.

  Etwas früher haben unsere besonders philosophisch denkenden Leser wahrscheinlich über die Möglichkeit eines freien Willens unter Bedingungen nachgedacht, in denen die Zukunft bereits existiert, aber noch nicht bekannt ist. Die Wissenschaft beantwortet diese Frage folgendermaßen: Wahrscheinlichkeiten. Die Zukunft ist kein Stock, sondern ein ganzer Besen Möglichkeiten Entwicklungen von Ereignissen. Wir werden herausfinden, welches davon in Erfüllung geht, wenn wir dort ankommen.

  Jede der Wahrscheinlichkeiten existiert in Form eines „eindimensionalen“ Segments auf der „Ebene“ der fünften Dimension. Wie springt man am schnellsten von einem Segment zum anderen? Das ist richtig – biegen Sie dieses Flugzeug wie ein Blatt Papier. Wo soll ich es biegen? Und noch einmal richtig – in der sechsten Dimension, die das alles gibt Komplexe Struktur"Volumen". Und macht ihn so, wie den dreidimensionalen Raum, „fertig“, zu einem neuen Punkt.

  Die siebte Dimension ist eine neue Gerade, die aus sechsdimensionalen „Punkten“ besteht. Was ist sonst noch ein Punkt auf dieser Linie? Die gesamte unendliche Reihe von Optionen für die Entwicklung von Ereignissen in einem anderen Universum, die nicht als Ergebnis des Urknalls entstanden sind, sondern unter anderen Bedingungen und nach anderen Gesetzen funktionieren. Das heißt, die siebte Dimension besteht aus Perlen aus Parallelwelten. Die achte Dimension fasst diese „geraden Linien“ in einer „Ebene“ zusammen. Und die neunte kann mit einem Buch verglichen werden, das alle „Blätter“ der achten Dimension enthält. Dies ist die Gesamtheit aller Geschichten aller Universen mit allen Gesetzen der Physik und allen Anfangsbedingungen. Schon wieder die Periode.

  Hier stoßen wir an die Grenze. Um uns die zehnte Dimension vorzustellen, brauchen wir eine gerade Linie. Und welchen anderen Punkt könnte es auf dieser Linie geben, wenn die neunte Dimension bereits alles abdeckt, was man sich vorstellen kann, und sogar das, was man sich nicht vorstellen kann? Es stellt sich heraus, dass die neunte Dimension nicht nur ein weiterer Ausgangspunkt ist, sondern der letzte – zumindest für unsere Vorstellungskraft.

  Die Stringtheorie besagt, dass Saiten in der zehnten Dimension schwingen – die Grundteilchen, aus denen alles besteht. Wenn die zehnte Dimension alle Universen und alle Möglichkeiten enthält, dann existieren Strings überall und jederzeit. Ich meine, jede Saite existiert sowohl in unserem Universum als auch in jedem anderen. Zu jeder Zeit. Sofort. Cool, ja? veröffentlicht