Ist die Stringtheorie die einheitliche Theorie von allem? Die Stringtheorie und verborgene Dimensionen des Universums sind Existenzbeweise.

13.10.2019

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Durch die umfassende Untersuchung unseres Universums ermitteln Wissenschaftler eine Reihe von Mustern und Fakten, die anschließend zu Gesetzen werden, die durch Hypothesen bewiesen werden. Auf dieser Grundlage tragen andere Forschungsarbeiten weiterhin zu einer umfassenden Untersuchung der Welt in Zahlen bei.

Die Stringtheorie des Universums ist eine Möglichkeit, den Raum des Universums darzustellen, der aus bestimmten Fäden besteht, die Strings und Branes genannt werden. Einfach ausgedrückt (für Dummies): Die Grundlage der Welt sind nicht (wie wir wissen) Teilchen, sondern vibrierende Energieelemente, sogenannte Saiten und Branes. Die Größe der Schnur ist sehr, sehr klein – etwa 10–33 cm.

Wozu dient das und ist es nützlich? Die Theorie lieferte den Anstoß für die Beschreibung des Begriffs „Schwerkraft“.

Die Stringtheorie ist mathematisch, das heißt physische Natur durch Gleichungen beschrieben. Es gibt viele von ihnen, aber es gibt keinen einzigen und wahren. Die verborgenen Dimensionen des Universums wurden experimentell noch nicht bestimmt.

Die Theorie basiert auf 5 Konzepten:

Die Welt besteht aus schwingenden Fäden und Energiemembranen.
Die Theorie basiert auf der Theorie der Schwerkraft und der Quantenphysik.
Die Theorie vereint alle fundamentalen Kräfte des Universums.
Teilchen haben Bosonen und Fermionen die neue Art Verbindungen - Supersymmetrie.
Die Theorie beschreibt Dimensionen im Universum, die für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar sind.

Ein Vergleich mit einer Gitarre hilft Ihnen, die Saitentheorie besser zu verstehen.

Die Welt hörte erstmals in den siebziger Jahren des 20. Jahrhunderts von dieser Theorie. Namen von Wissenschaftlern, die an der Entwicklung dieser Hypothese beteiligt waren:

Witten;
Veneziano;
Grün;
Brutto;
Kaku;
Maldacena;
Poljakow;
Süßkind;
Schwartz.

Energiefäden galten als eindimensionale Fäden. Das bedeutet, dass die Zeichenfolge eine Dimension hat – die Länge (keine Höhe). Es gibt 2 Typen:

offen, bei dem sich die Enden nicht berühren;
geschlossen - Schleife.

Es wurde festgestellt, dass sie auf fünf Arten interagieren können. Dies basiert auf der Fähigkeit, Enden zu verbinden und zu trennen. Der Verzicht auf Ringsaiten ist aufgrund der Möglichkeit der Kombination offener Saiten nicht möglich.

Daher glauben Wissenschaftler, dass die Theorie nicht die Assoziation von Teilchen, sondern das Verhalten der Schwerkraft beschreiben kann. Als Elemente, an denen die Saiten befestigt sind, gelten die Branes oder Laken.

Quantengravitation

In der Physik gibt es das Quantengesetz und die allgemeine Relativitätstheorie. Die Quantenphysik untersucht Teilchen auf der Skala des Universums. Die darin enthaltenen Hypothesen werden Theorien der Quantengravitation genannt; die Stringgravitation gilt als die wichtigste.

Die darin enthaltenen geschlossenen Fäden arbeiten entsprechend der Schwerkraft und haben die Eigenschaften eines Gravitons – eines Teilchens, das Eigenschaften zwischen Teilchen überträgt.

Bündelung der Kräfte. Die Theorie vereint die Kräfte in einem – elektromagnetische, nukleare, gravitative. Wissenschaftler glauben, dass es genau so war, bevor die Kräfte geteilt wurden.

Supersymmetrie. Nach dem Konzept der Supersymmetrie besteht ein Zusammenhang zwischen Bosonen und Fermionen (Struktureinheiten des Universums). Für jedes Boson gibt es ein Fermion, und umgekehrt gilt auch: Für ein Fermion gibt es ein Boson. Dies wurde anhand von Gleichungen berechnet, jedoch nicht experimentell bestätigt. Der Vorteil der Supersymmetrie besteht in der Möglichkeit, einige Variablen (unendliche, imaginäre Energieniveaus) zu eliminieren.

Laut Physikern ist der Grund für die Unfähigkeit, Supersymmetrie nachzuweisen, der Grund für die große Energie, die mit der Masse verbunden ist. Es existierte schon früher, vor der Periode des Temperaturabfalls im Universum. Nach dem Urknall ging die Energie verloren und die Teilchen bewegten sich auf niedrigere Energieniveaus.

Um es einfach auszudrücken: Saiten, die mit den Eigenschaften von Teilchen mit hoher Energie schwingen konnten, nachdem sie diese verloren hatten, wurden zu niedrigen Schwingungen.

Beim Bau von Teilchenbeschleunigern wollen Wissenschaftler supersymmetrische Elemente mit dem erforderlichen Energieniveau identifizieren.

Zusätzliche Dimensionen der Stringtheorie

Eine Folgerung der Stringtheorie ist das mathematische Konzept, dass es mehr als drei Dimensionen geben muss. Die erste Erklärung hierfür ist, dass die zusätzlichen Dimensionen kompakt und klein geworden sind und daher nicht mehr gesehen oder wahrgenommen werden können.

Wir existieren in einer dreidimensionalen Brane, abgeschnitten von anderen Dimensionen. Erst die Fähigkeit, mathematische Modelle anzuwenden, gab Hoffnung, Koordinaten zu erhalten, die sie verbinden würden. Neueste Forschung In diesem Bereich ist von der Entstehung neuer optimistischer Daten auszugehen.

Einfaches Verständnis des Ziels

Wissenschaftler auf der ganzen Welt, die Superstrings untersuchen, versuchen, die Theorie über die gesamte physikalische Realität zu untermauern. Eine einzige Hypothese könnte alles auf einer grundlegenden Ebene charakterisieren und die Struktur des Planeten erklären.

Die Stringtheorie entstand aus der Beschreibung von Hadronen, Teilchen mit höheren Schwingungszuständen einer Saite. Kurz gesagt, es erklärt leicht den Übergang von der Länge zur Masse.

Es gibt viele Superstringtheorien. Ob man damit die Theorie der Raumzeit genauer erklären kann als Einstein, ist heute nicht sicher bekannt. Die durchgeführten Messungen liefern keine genauen Daten. Einige von ihnen, die Raum-Zeit betreffen, waren eine Folge der Wechselwirkungen von Strings, wurden aber letztendlich kritisiert.

Die Gravitationstheorie wird die Hauptkonsequenz der beschriebenen Theorie sein, wenn sie bestätigt wird.

Saiten und Branen wurden zum Anstoß für die Entstehung von mehr als 10.000 Varianten von Urteilen über das Universum. Bücher zur Stringtheorie sind im Internet öffentlich verfügbar und werden von den Autoren ausführlich und anschaulich beschrieben:

Yau Shintan;
Steve Nadis „Stringtheorie und die verborgenen Dimensionen des Universums“;
Brian Greene spricht darüber in The Elegant Universe.

Meinungen, Beweise, Argumente und alle kleinsten Details können beim Lesen eines der vielen Bücher gefunden werden, die auf zugängliche und interessante Weise Informationen über die Welt bieten. Physiker erklären existierendes Universum unsere Anwesenheit, die Existenz anderer Universen (sogar ähnlich wie unseres). Laut Einstein gibt es eine gefaltete Version des Weltraums.

In der Superstringtheorie können Punkte paralleler Welten verbunden werden. In der Physik etablierte Gesetze lassen auf die Möglichkeit eines Übergangs zwischen den Universen hoffen. Gleichzeitig beseitigt die Quantentheorie der Schwerkraft dies.

Physiker sprechen auch von der holographischen Aufzeichnung von Daten, wenn diese auf einer Oberfläche aufgezeichnet werden. Dies wird in Zukunft Impulse für das Verständnis der Beurteilung von Energiefäden geben. Es gibt Urteile über die Vielfältigkeit der Zeitdimensionen und die Möglichkeit der Bewegung darin. Hypothese Urknall Aufgrund der Kollision zweier Branen deutet dies auf die Möglichkeit sich wiederholender Zyklen hin.

Das Universum, die Entstehung von allem und die allmähliche Transformation von allem haben seit jeher die herausragenden Köpfe der Menschheit beschäftigt. Es gab, gibt und wird neue Entdeckungen geben. Die endgültige Interpretation der Stringtheorie wird es ermöglichen, die Dichte der Materie, die kosmologische Konstante, zu bestimmen.

Dadurch werden sie die Fähigkeit des Universums bestimmen, bis zum nächsten Moment der Explosion und einem Neuanfang von allem zu schrumpfen. Theorien werden entwickelt, bewiesen und führen zu etwas. So wurde Einsteins Gleichung, die die Abhängigkeit der Energie von der Masse und dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit E=mc^2 beschreibt, später zum Anstoß für die Entstehung Atomwaffen. Danach wurden der Laser und der Transistor erfunden. Heute wissen wir nicht, was uns erwartet, aber es wird sicherlich etwas bewirken.

Die Wissenschaft ist ein riesiges Feld und jeden Tag wird eine große Menge an Forschung und Entdeckungen durchgeführt, und es ist erwähnenswert, dass einige Theorien interessant zu sein scheinen, aber gleichzeitig keine wirkliche Bestätigung haben und „in der Schwebe zu bleiben“ scheinen Luft."

Was ist Stringtheorie?

Die physikalische Theorie, die Teilchen in Form von Schwingungen darstellt, wird Stringtheorie genannt. Diese Wellen haben nur einen Parameter – den Längengrad, und keine Höhe oder Breite. Um herauszufinden, was Stringtheorie ist, müssen wir uns die Haupthypothesen ansehen, die sie beschreibt.

Es wird angenommen, dass alles um uns herum aus vibrierenden Fäden und Energiemembranen besteht.
Ich versuche, eine Verbindung herzustellen allgemeine Theorie Relativität und Quantenphysik.
Die Stringtheorie bietet eine Chance, alle fundamentalen Kräfte des Universums zu vereinen.
Sagt eine symmetrische Beziehung zwischen voraus verschiedene Typen Teilchen: Bosonen und Fermionen.
Bietet die Möglichkeit, Dimensionen des Universums zu beschreiben und sich vorzustellen, die bisher noch nicht beobachtet wurden.

Stringtheorie – wer hat sie entdeckt?

Die Quantenstringtheorie wurde erstmals 1960 entwickelt, um Phänomene in der hadronischen Physik zu erklären. Zu dieser Zeit wurde es entwickelt von: G. Veneziano, L. Susskind, T. Goto und anderen.
Die Wissenschaftler D. Schwartz, J. Scherk und T. Enet erklärten, was Stringtheorie ist, als sie die bosonische Stringhypothese entwickelten, und dies geschah 10 Jahre später.
1980 identifizierten zwei Wissenschaftler: M. Green und D. Schwartz die Theorie der Superstrings, die einzigartige Symmetrien aufwiesen.
Die Forschung zu der vorgeschlagenen Hypothese ist noch im Gange, sie wurde jedoch noch nicht bewiesen.

Stringtheorie – Philosophie

Es gibt eine philosophische Richtung, die mit der Stringtheorie zusammenhängt und die Monade genannt wird. Dabei werden Symbole verwendet, um beliebige Informationsmengen zu verdichten. Die Monaden- und Stringtheorie macht sich in der Philosophie Gegensätze und Dualitäten zunutze. Das beliebteste einfache Monadensymbol ist Yin-Yang. Experten haben vorgeschlagen, die Stringtheorie auf einer volumetrischen und nicht auf einer flachen Monade darzustellen, und dann werden Strings Realität, obwohl ihre Länge winzig sein wird.

Wenn eine volumetrische Monade verwendet wird, ist die Yin-Yang-Trennlinie eine Ebene, und wenn eine mehrdimensionale Monade verwendet wird, erhält man ein spiralförmig gekräuseltes Volumen. Es gibt noch keine Arbeiten zur Philosophie im Zusammenhang mit mehrdimensionalen Monaden – dies ist ein Bereich für zukünftige Studien. Philosophen glauben, dass Erkenntnis ein endloser Prozess ist und wenn man versucht, ein einheitliches Modell des Universums zu schaffen, wird ein Mensch mehr als einmal überrascht sein und seine Grundkonzepte ändern.

Nachteile der Stringtheorie

Da die von einer Reihe von Wissenschaftlern aufgestellte Hypothese unbestätigt ist, ist es durchaus verständlich, dass es eine Reihe von Problemen gibt, die auf die Notwendigkeit einer Verfeinerung hinweisen.

Die Stringtheorie weist beispielsweise Fehler auf, bei Berechnungen wurden sie entdeckt neuer Typ Teilchen sind Tachyonen, können aber in der Natur nicht existieren, da das Quadrat ihrer Masse kleiner als Null ist und die Bewegungsgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit ist.
Die Stringtheorie kann nur im zehndimensionalen Raum existieren, aber dann ist die relevante Frage: Warum nimmt ein Mensch andere Dimensionen nicht wahr?

Stringtheorie – Beweis

Die beiden wichtigsten physikalischen Konventionen, auf denen wissenschaftliche Erkenntnisse basieren, stehen tatsächlich im Widerspruch zueinander, da sie die Struktur des Universums auf der Mikroebene unterschiedlich darstellen. Um sie auszuprobieren, wurde die Theorie der kosmischen Strings vorgeschlagen. In vielerlei Hinsicht sieht es zuverlässig aus, nicht nur in Worten, sondern auch in mathematischen Berechnungen, aber heute hat der Mensch nicht die Möglichkeit, es praktisch zu beweisen. Wenn Strings existieren, befinden sie sich auf mikroskopischer Ebene und es gibt noch keine technische Möglichkeit, sie zu erkennen.

Stringtheorie und Gott

Der berühmte theoretische Physiker M. Kaku schlug eine Theorie vor, in der er die Stringhypothese verwendet, um die Existenz Gottes zu beweisen. Er kam zu dem Schluss, dass alles auf der Welt nach bestimmten Gesetzen und Regeln funktioniert, die von einem einzigen Geist aufgestellt wurden. Laut Kaku werden die Stringtheorie und die verborgenen Dimensionen des Universums dazu beitragen, eine Gleichung zu schaffen, die alle Kräfte der Natur vereint und es uns ermöglicht, den Geist Gottes zu verstehen. Er konzentriert seine Hypothese auf Tachyonenteilchen, die sich schneller als Licht bewegen. Einstein sagte auch, dass es möglich wäre, die Zeit zurück zu verschieben, wenn solche Teile entdeckt würden.

Nach einer Reihe von Experimenten kam Kaku zu dem Schluss, dass das menschliche Leben stabilen Gesetzen unterliegt und nicht auf kosmische Unfälle reagiert. Die Stringtheorie des Lebens existiert und ist mit einer unbekannten Kraft verbunden, die das Leben kontrolliert und es zu einem Ganzen macht. Seiner Meinung nach ist es so. Kaku ist sich sicher, dass das Universum aus vibrierenden Saiten besteht, die vom Geist des Allmächtigen ausgehen.

Verschiedene Versionen der Stringtheorie gelten heute als Hauptkandidaten für den Titel einer umfassenden, universellen Theorie, die die Natur aller Dinge erklärt. Und dies ist eine Art Heiliger Gral der theoretischen Physiker, die an der Theorie beteiligt sind Elementarteilchen und Kosmologie. Die universelle Theorie (auch die Theorie von allem, was existiert) enthält nur wenige Gleichungen, die die gesamte Menge zusammenfassen menschliches Wissenüber die Natur der Wechselwirkungen und Eigenschaften der Grundelemente der Materie, aus denen das Universum besteht.

Heutzutage wurde die Stringtheorie mit dem Konzept der Supersymmetrie kombiniert, was zur Geburt der Superstringtheorie führte, und heute ist dies das Maximum, das im Hinblick auf die Vereinheitlichung der Theorie aller vier grundlegenden Wechselwirkungen (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 (siehe Standardmodell). Der Klarheit halber können wechselwirkende Teilchen als „Bausteine“ des Universums und Trägerteilchen als Zement betrachtet werden.

Die Stringtheorie ist ein Zweig der mathematischen Physik, der die Dynamik nicht von Punktteilchen untersucht, wie die meisten Zweige der Physik, sondern von eindimensionalen ausgedehnten Objekten, d. h. Saiten
Im Rahmen Standardmodell Quarks fungieren als Bausteine und Eichbosonen, die diese Quarks untereinander austauschen, fungieren als Wechselwirkungsträger. 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, die aus Hadronen und Bosonen bestehen.

Natürlich wurde noch keine der Vorhersagen der Supersymmetrietheorie unter Laborbedingungen getestet, wohl aber die hypothetischen verborgenen Komponenten materielle Welt haben bereits Namen – zum Beispiel Selectron (ein supersymmetrischer Partner des Elektrons), Squark 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 10E–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 Abständen (und bei so hohen Wechselwirkungsenergien, dass es unvorstellbar ist) verwandelt sich Materie in eine Reihe stehender Feldwellen, ähnliche Themen die in den Saiten aufgeregt sind Musikinstrumente. Wie bei einer Gitarrensaite können in einer solchen Saite neben dem Grundton auch viele Obertöne bzw. Obertöne angeregt werden. Jede Harmonische hat ihren eigenen Energiezustand. Gemäß dem Relativitätsprinzip (siehe 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 Superstring-Theorie vorgeschlagenen stehenden Wellen schwierig zu visualisieren – Tatsache ist, dass die Schwingungen von Supersaiten 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 in Form einer 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, jemals 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.

Untersuchung der Eigenschaften von Schwarzen Löchern

1996 bauten die Stringtheoretiker Andrew Strominger und Kumrun Vafa auf früheren Ergebnissen von Susskind und Sen auf und veröffentlichten „The Microscopic Nature of Bekenstein and Hawking Entropy“. In dieser Arbeit konnten Strominger und Vafa mithilfe der Stringtheorie die mikroskopischen Komponenten einer bestimmten Klasse von Schwarzen Löchern finden und die Entropiebeiträge dieser Komponenten genau berechnen. Die Arbeit basierte auf einer neuen Methode, die teilweise über die in den 1980er und frühen 1990er Jahren verwendete Störungstheorie hinausging. Das Ergebnis der Arbeit stimmte genau mit den Vorhersagen von Bekenstein und Hawking überein, die mehr als zwanzig Jahre zuvor gemacht worden waren.

Strominger und Vafa stellten den realen Prozessen der Entstehung Schwarzer Löcher einen konstruktiven Ansatz entgegen. Sie veränderten die Sicht auf die Entstehung von Schwarzen Löchern und zeigten, dass sie durch mühsames Zusammenfügen der genauen Branes, die während der zweiten Superstring-Revolution entdeckt wurden, in einem Mechanismus konstruiert werden können.

Sie haben alle Steuerhebel der mikroskopischen Struktur in Ihren Händen schwarzes Loch Strominger und Vafa konnten die Anzahl der Permutationen der mikroskopischen Komponenten eines Schwarzen Lochs berechnen, bei denen die gesamten beobachtbaren Eigenschaften wie Masse und Ladung unverändert bleiben. Anschließend verglichen sie die resultierende Zahl mit der Fläche des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs – der von Bekenstein und Hawking vorhergesagten Entropie – und fanden eine perfekte Übereinstimmung. Zumindest für die Klasse der extremen Schwarzen Löcher konnten Strominger und Vafa eine Anwendung der Stringtheorie finden, um mikroskopische Komponenten zu analysieren und die entsprechende Entropie genau zu berechnen. Das Problem, mit dem die Physiker ein Vierteljahrhundert lang konfrontiert waren, war gelöst.

Für viele Theoretiker war diese Entdeckung ein wichtiges und überzeugendes Argument zur Unterstützung der Stringtheorie. Für einen direkten und präzisen Vergleich mit experimentellen Ergebnissen, beispielsweise mit Messungen der Masse eines Quarks oder Elektrons, ist die Entwicklung der Stringtheorie noch zu grob. Die Stringtheorie liefert jedoch die erste grundlegende Erklärung für eine seit langem entdeckte Eigenschaft von Schwarzen Löchern, deren Unerklärbarkeit die Forschung von Physikern, die mit traditionellen Theorien arbeiten, viele Jahre lang blockiert hat. Sogar Sheldon Glashow, Nobelpreisträger für Physik und überzeugter Gegner der Stringtheorie in den 1980er Jahren, gab 1997 in einem Interview zu: „Wenn Stringtheoretiker über Schwarze Löcher sprechen, sprechen sie fast über beobachtbare Phänomene, und das ist beeindruckend.“

String-Kosmologie

Es gibt drei Hauptmethoden, mit denen die Stringtheorie das kosmologische Standardmodell modifiziert. Erstens im Geiste moderne Forschung Um die Situation zunehmend zu verdeutlichen, folgt aus der Stringtheorie, dass das Universum eine akzeptable Mindestgröße haben muss. Diese Schlussfolgerung verändert das Verständnis der Struktur des Universums unmittelbar zum Zeitpunkt des Urknalls, für den das Standardmodell eine Nullgröße des Universums ergibt. Zweitens das Konzept der T-Dualität, also der Dualität von kleinen und großen Radien (in seiner Verbindung schließen mit der Existenz einer Mindestgröße) in der Stringtheorie ist auch in der Kosmologie wichtig. Drittens beträgt die Anzahl der Raum-Zeit-Dimensionen in der Stringtheorie mehr als vier, sodass die Kosmologie die Entwicklung all dieser Dimensionen beschreiben muss.

Brandenberg- und Vafa-Modell

Ende der 1980er Jahre. Robert Brandenberger und Kumrun Vafa haben die ersten wichtigen Schritte unternommen, um zu verstehen, wie die Stringtheorie die Implikationen des Standardmodells der Kosmologie verändern wird. Sie kamen zu zwei wichtigen Schlussfolgerungen. Erstens, wenn wir zum Urknall zurückkehren, steigt die Temperatur weiter an, bis die Größe des Universums in alle Richtungen der Planck-Länge entspricht. Zu diesem Zeitpunkt erreicht die Temperatur ihr Maximum und beginnt zu sinken. Auf einer intuitiven Ebene ist es nicht schwer, den Grund für dieses Phänomen zu verstehen. Nehmen wir der Einfachheit halber an (in Anlehnung an Brandenberger und Vafa), dass alle räumlichen Dimensionen des Universums zyklisch sind. Wenn wir uns in der Zeit rückwärts bewegen, schrumpft der Radius jedes Kreises und die Temperatur des Universums steigt. Aus der Stringtheorie wissen wir, dass das Zusammenziehen der Radien zunächst auf und dann unter die Planck-Länge physikalisch gleichbedeutend mit einer Reduzierung der Radien auf die Planck-Länge und anschließender Vergrößerung ist. Da die Temperatur während der Expansion des Universums sinkt, führen erfolglose Versuche, das Universum auf Größen kleiner als die Planck-Länge zu komprimieren, dazu, dass das Temperaturwachstum aufhört und weiter sinkt.

Als Ergebnis kamen Brandenberger und Vafa zu folgendem kosmologischen Bild: Zunächst sind alle räumlichen Dimensionen in der Stringtheorie eng zusammengerollt Mindestgrößen in der Größenordnung der Planck-Länge. Temperatur und Energie sind hoch, aber nicht unendlich: Die Paradoxien des Null-Größen-Startpunkts in der Stringtheorie sind gelöst. Im ersten Moment der Existenz des Universums sind alle räumlichen Dimensionen der Stringtheorie völlig gleich und völlig symmetrisch: Sie sind alle zu einem mehrdimensionalen Klumpen von Planck-Dimensionen zusammengerollt. Darüber hinaus durchläuft das Universum laut Brandenberger und Vafa die erste Stufe der Symmetriereduktion, bei der zum Planck-Zeitpunkt drei Raumdimensionen für die anschließende Expansion ausgewählt werden und der Rest ihre ursprüngliche Planck-Größe behält. Diese drei Dimensionen werden dann mit den Dimensionen im Szenario der inflationären Kosmologie identifiziert und nehmen im Laufe des Evolutionsprozesses die jetzt beobachtete Form an.

Modell Veneziano und Gasperini

Seit der Arbeit von Brandenberger und Vafa machen Physiker kontinuierliche Fortschritte beim Verständnis der String-Kosmologie. Zu den Leitern dieser Forschung gehören Gabriele Veneziano und sein Kollege Maurizio Gasperini von der Universität Turin. Diese Wissenschaftler präsentierten ihre eigene Version der String-Kosmologie, die an manchen Stellen dem oben beschriebenen Szenario ähnelt, sich an anderen Stellen jedoch grundlegend davon unterscheidet. Um die unendliche Temperatur und Energiedichte, die in den Standard- und Inflationsmodellen auftritt, auszuschließen, verließen sie sich wie Brandenberger und Vafa auf die Existenz einer Mindestlänge in der Stringtheorie. Anstatt jedoch zu dem Schluss zu kommen, dass das Universum aufgrund dieser Eigenschaft aus einem Klumpen von Planck-Dimensionen entsteht, schlugen Gasperini und Veneziano vor, dass es ein prähistorisches Universum gab, das lange vor dem als Nullpunkt bezeichneten Moment entstand und dieses hervorbrachte kosmischer „Embryo“ von Planck-Dimensionen.

Der Anfangszustand des Universums in diesem Szenario und im Urknallmodell ist sehr unterschiedlich. Laut Gasperini und Veneziano war das Universum kein heißer und eng verdrehter Dimensionsball, sondern kalt und hatte eine unendliche Ausdehnung. Dann drang, wie aus den Gleichungen der Stringtheorie hervorgeht, Instabilität in das Universum ein, und alle seine Punkte begannen, wie im Zeitalter der Inflation nach Guth, schnell zu den Seiten zu zerstreuen.

Gasperini und Veneziano zeigten, dass der Raum dadurch zunehmend gekrümmt wurde und es dadurch zu einem starken Anstieg der Temperatur und Energiedichte kam. Es verging etwas Zeit, und der dreidimensionale Bereich von Millimeterdimensionen innerhalb dieser endlosen Weiten verwandelte sich in einen heißen und dichten Fleck, identisch mit dem Fleck, der sich nach Guth bei der inflationären Expansion bildet. Dann verlief alles nach dem Standardszenario der Urknallkosmologie und der expandierende Punkt verwandelte sich in das beobachtbare Universum.

Da die Ära vor dem Urknall ihre eigene inflationäre Expansion erlebte, ist Guths Lösung des Horizontparadoxons automatisch in dieses kosmologische Szenario eingebaut. Wie Veneziano es (in einem Interview von 1998) ausdrückte: „Die Stringtheorie liefert uns eine Version der inflationären Kosmologie auf dem Silbertablett.“

Das Studium der String-Kosmologie entwickelt sich schnell zu einem Bereich aktiver und produktiver Forschung. Beispielsweise war das Evolutionsszenario vor dem Urknall mehr als einmal Gegenstand hitziger Debatten, und sein Platz in der zukünftigen kosmologischen Formulierung ist alles andere als offensichtlich. Es besteht jedoch kein Zweifel daran, dass diese kosmologische Formulierung fest auf dem Verständnis der Physiker über die Ergebnisse basieren wird, die während der zweiten Superstring-Revolution entdeckt wurden. Beispielsweise sind die kosmologischen Konsequenzen der Existenz mehrdimensionaler Membranen noch unklar. Mit anderen Worten: Wie wird sich die Vorstellung von den ersten Momenten der Existenz des Universums durch die Analyse der abgeschlossenen M-Theorie verändern? Diese Frage wird intensiv erforscht.

Letztendlich lassen sich alle Elementarteilchen als mikroskopisch kleine mehrdimensionale Saiten darstellen, in denen Schwingungen verschiedener Harmonischer angeregt werden.

Achtung, schnallen Sie sich fest an – und ich werde versuchen, Ihnen eine der seltsamsten Theorien zu beschreiben, die heute in wissenschaftlichen Kreisen ernsthaft diskutiert wird und die endlich einen letzten Hinweis auf die Struktur des Universums liefern kann. 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 aller Dinge 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 einem a priori modernen Konzept, nach dem jede entfernte (Feld-)Wechselwirkung auf den Austausch von Wechselwirkungsträgerteilchen der entsprechenden Art zwischen wechselwirkenden Teilchen zurückzuführen ist ( cm. 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, die aus Hadronen und Bosonen bestehen. 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 Abständen (und bei so hohen Wechselwirkungsenergien, dass es unvorstellbar ist) verwandelt sich Materie in eine Reihe stehender Feldwellen, ähnlich denen, die in den Saiten von Musikinstrumenten angeregt werden. Wie eine Gitarrensaite kann eine solche Saite zusätzlich zum Hauptton viele begeistern Obertöne oder Harmonische Jede Harmonische hat ihren eigenen Energiezustand. Entsprechend Relativitätsprinzip (cm. Gemäß der 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.

In jüngerer Zeit wurde die Stringtheorie in der Form weiterentwickelt Mehrdimensionale Membrantheorie- 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.

Siehe auch:

1972	Quantenchromodynamik

Wie viele Dimensionen gibt es insgesamt?

Uns, gewöhnliche Menschen, drei Dimensionen waren immer genug. Seit jeher sind wir es gewohnt, die physische Welt in so bescheidenen Worten zu beschreiben (ein Säbelzahntiger 40 Meter vor mir, 11 Meter rechts und 4 Meter über mir – ein Kopfsteinpflaster für den Kampf!). Die Relativitätstheorie hat die meisten von uns gelehrt, dass die Zeit die vierte Dimension ist (der Säbelzahntiger ist nicht nur hier – er ist hier und jetzt und bedroht uns!). Und so begannen Theoretiker ab der Mitte des 20. Jahrhunderts zu reden, dass es tatsächlich noch mehr Dimensionen gäbe – entweder 10 oder 11 oder sogar 26. Natürlich ohne Erklärung, warum wir normale Leute, wir sehen sie nicht, es war nicht zu vermeiden. Und dann entstand das Konzept der „Verdichtung“ – das Zusammenkleben oder Zusammenfallen von Dimensionen.

Stellen wir uns einen Garten vor Bewässerungsschlauch. Aus der Nähe wird es als normales dreidimensionales Objekt wahrgenommen. Wenn wir uns jedoch weit genug vom Schlauch entfernen, erscheint er uns als eindimensionales lineares Objekt: Wir nehmen seine Dicke einfach nicht mehr wahr. Genau diesen Effekt spricht man üblicherweise von der Verdichtung einer Messung: In diesem Fall erwies sich die Dicke des Schlauchs als „verdichtet“ – der Maßstab der Messskala ist zu klein.

Genau auf diese Weise verschwinden nach Ansicht der Theoretiker reale Zusatzdimensionen, die für eine adäquate Erklärung der Eigenschaften der Materie auf subatomarer Ebene notwendig sind, aus dem Feld unserer experimentellen Wahrnehmung: Sie werden ausgehend von einer Maßstabsskala verdichtet Größenordnung von 10 -35 m und moderne Beobachtungsmethoden und Messgeräte Es ist einfach nicht möglich, Strukturen in solch einem kleinen Maßstab zu erkennen. Vielleicht ist es genau so, oder vielleicht ist alles ganz anders. Solange es solche Beobachtungsinstrumente und -methoden nicht gibt, bleiben alle oben genannten Argumente und Gegenargumente auf der Ebene müßiger Spekulation.

Die Superstringtheorie stellt sich im Volksmund das Universum als eine Ansammlung vibrierender Energiestränge vor – Saiten. Sie sind die Grundlage der Natur. Die Hypothese beschreibt auch andere Elemente – Branen. Alle Materie in unserer Welt besteht aus Schwingungen von Saiten und Bändern. Eine natürliche Konsequenz der Theorie ist die Beschreibung der Schwerkraft. Deshalb glauben Wissenschaftler, dass darin der Schlüssel zur Vereinigung der Schwerkraft mit anderen Kräften liegt.

Das Konzept entwickelt sich weiter

Die einheitliche Feldtheorie, die Theorie der Superstrings, ist rein mathematisch. Wie alle physikalischen Konzepte basiert es auf Gleichungen, die auf bestimmte Arten interpretiert werden können.

Heute weiß niemand genau, wie die endgültige Version dieser Theorie aussehen wird. Wissenschaftler haben eine eher vage Vorstellung von seinen allgemeinen Elementen, aber noch hat niemand eine endgültige Gleichung gefunden, die alle Superstringtheorien abdecken würde, und es war noch nicht möglich, sie experimentell zu bestätigen (obwohl dies auch der Fall war). widerlegt). Physiker haben vereinfachte Versionen der Gleichung erstellt, aber bisher beschreibt sie unser Universum nicht vollständig.

Superstringtheorie für Anfänger

Die Hypothese basiert auf fünf Schlüsselideen.

Die Superstringtheorie sagt voraus, dass alle Objekte in unserer Welt aus vibrierenden Energiefäden und Membranen bestehen.
Es versucht, die allgemeine Relativitätstheorie (Schwerkraft) mit der Quantenphysik zu verbinden.
Die Superstringtheorie wird es uns ermöglichen, alle fundamentalen Kräfte des Universums zu vereinen.
Diese Hypothese sagt grundsätzlich eine neue Verbindung, Supersymmetrie, zwischen zwei voraus verschiedene Arten Teilchen, Bosonen und Fermionen.
Das Konzept beschreibt eine Reihe zusätzlicher, normalerweise nicht beobachtbarer Dimensionen des Universums.

Streicher und Branes

Als die Theorie in den 1970er Jahren aufkam, galten die darin enthaltenen Energiefäden als eindimensionale Objekte – Strings. Das Wort „eindimensional“ bedeutet, dass die Zeichenfolge nur eine Dimension, die Länge, hat, anders als beispielsweise ein Quadrat, das Länge und Höhe hat.

Die Theorie unterteilt diese Superstrings in zwei Typen – geschlossen und offen. Eine offene Saite hat Enden, die sich nicht berühren, während eine geschlossene Saite eine Schleife ohne offene Enden ist. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass diese Zeichenfolgen, die als Zeichenfolgen vom Typ 1 bezeichnet werden, fünf Haupttypen von Interaktionen unterliegen.

Die Wechselwirkungen basieren auf der Fähigkeit der Saite, ihre Enden zu verbinden und zu trennen. Da sich die Enden offener Strings zu Schleifenstrings verbinden können, ist es unmöglich, eine Superstringtheorie zu konstruieren, die Schleifenstrings nicht einschließt.

Dies erwies sich als wichtig, da geschlossene Strings Eigenschaften haben, von denen Physiker glauben, dass sie die Schwerkraft beschreiben könnten. Mit anderen Worten: Wissenschaftler erkannten, dass die Superstringtheorie statt der Erklärung von Materieteilchen ihr Verhalten und ihre Schwerkraft beschreiben könnte.

Im Laufe der Jahre stellte sich heraus, dass die Theorie neben Strings auch andere Elemente benötigte. Man kann sie sich als Laken oder Branes vorstellen. Schnüre können ein- oder beidseitig angebracht werden.

Quantengravitation

Die moderne Physik hat zwei grundlegende wissenschaftliche Gesetze: die allgemeine Relativitätstheorie (GTR) und das Quantengesetz. Sie repräsentieren völlig unterschiedliche Wissenschaftsbereiche. Die Quantenphysik untersucht die kleinsten natürlichen Teilchen und die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Natur in der Regel auf der Skala von Planeten, Galaxien und dem Universum als Ganzes. Hypothesen, die versuchen, sie zu vereinheitlichen, werden Theorien der Quantengravitation genannt. Das vielversprechendste davon ist heute das Streichinstrument.

Die geschlossenen Fäden entsprechen dem Verhalten der Schwerkraft. Sie haben insbesondere die Eigenschaften eines Gravitons, eines Teilchens, das die Schwerkraft zwischen Objekten überträgt.

Bündelung der Kräfte

Die Stringtheorie versucht, die vier Kräfte – elektromagnetische Kraft, starke und schwache Kernkräfte und Schwerkraft – in einer zu vereinen. In unserer Welt manifestieren sie sich als vier verschiedene Phänomene, aber Stringtheoretiker glauben, dass sie im frühen Universum existierten, als sie unglaublich waren hohe Levels Energie, alle diese Kräfte werden durch miteinander interagierende Saiten beschrieben.

Supersymmetrie

Alle Teilchen im Universum können in zwei Arten unterteilt werden: Bosonen und Fermionen. Die Stringtheorie sagt voraus, dass zwischen ihnen eine Beziehung besteht, die Supersymmetrie genannt wird. Unter Supersymmetrie muss es für jedes Boson ein Fermion und für jedes Fermion ein Boson geben. Leider wurde die Existenz solcher Partikel experimentell nicht bestätigt.

Supersymmetrie ist eine mathematische Beziehung zwischen Elementen physikalischer Gleichungen. Sie wurde in einem anderen Zweig der Physik entdeckt und ihre Anwendung führte Mitte der 1970er Jahre zu ihrer Umbenennung in supersymmetrische Stringtheorie (oder im Volksmund Superstringtheorie).

Einer der Vorteile der Supersymmetrie besteht darin, dass sie Gleichungen durch die Eliminierung einiger Variablen erheblich vereinfacht. Ohne Supersymmetrie führen Gleichungen zu physikalischen Widersprüchen wie unendlichen und imaginären Werten

Da Wissenschaftler die durch die Supersymmetrie vorhergesagten Teilchen nicht beobachtet haben, handelt es sich immer noch um eine Hypothese. Viele Physiker glauben, dass der Grund dafür der Bedarf an einer erheblichen Energiemenge ist, die durch die berühmte Einstein-Gleichung E = mc 2 mit der Masse zusammenhängt. Diese Teilchen mögen im frühen Universum existiert haben, aber als es nach dem Urknall abkühlte und sich die Energie ausbreitete, bewegten sich diese Teilchen auf niedrigere Energieniveaus.

Mit anderen Worten: Die Saiten, die als hochenergetische Teilchen vibrierten, verloren Energie und verwandelten sie in weniger schwingende Elemente.

Wissenschaftler hoffen, dass astronomische Beobachtungen oder Teilchenbeschleunigerexperimente die Theorie bestätigen, indem sie einige der energiereicheren supersymmetrischen Elemente identifizieren.

Zusätzliche Abmessungen

Eine weitere mathematische Implikation der Stringtheorie besteht darin, dass sie in einer Welt mit mehr als drei Dimensionen Sinn macht. Dafür gibt es derzeit zwei Erklärungen:

Die zusätzlichen Dimensionen (sechs davon) sind zusammengebrochen oder, in der Terminologie der Stringtheorie, zu unglaublich kleinen Größen verdichtet, die niemals wahrgenommen werden.
Wir stecken in einer dreidimensionalen Brane fest und andere Dimensionen erstrecken sich darüber hinaus und sind für uns unzugänglich.

Ein wichtiges Forschungsgebiet unter Theoretikern ist die mathematische Modellierung, wie sich diese zusätzlichen Koordinaten auf unsere beziehen könnten. Die neuesten Ergebnisse sagen voraus, dass Wissenschaftler diese zusätzlichen Dimensionen (sofern vorhanden) bald in kommenden Experimenten entdecken können, da sie möglicherweise größer sind als bisher erwartet.

Das Ziel verstehen

Das Ziel, das Wissenschaftler bei der Untersuchung von Superstrings anstreben, ist eine „Theorie von allem“, d. h. eine einheitliche physikalische Hypothese, die die gesamte physikalische Realität auf einer grundlegenden Ebene beschreibt. Im Erfolgsfall könnte es viele Fragen zum Aufbau unseres Universums klären.

Materie und Masse erklären

Eine der Hauptaufgaben der modernen Forschung besteht darin, Lösungen für reale Teilchen zu finden.

Die Stringtheorie begann als Konzept, das Teilchen wie Hadronen durch verschiedene höhere Schwingungszustände einer Saite beschreibt. In den meisten modernen Formulierungen ist die in unserem Universum beobachtete Materie das Ergebnis der niedrigsten Energieschwingungen von Saiten und Branen. Höhere Schwingungen erzeugen hochenergetische Teilchen, die es derzeit auf unserer Welt nicht gibt.

Die Masse davon ist ein Ausdruck dafür, wie Saiten und Bläser in verdichtete zusätzliche Dimensionen gehüllt sind. Im vereinfachten Fall der Faltung in eine Donutform, die von Mathematikern und Physikern als Torus bezeichnet wird, kann sich die Schnur beispielsweise auf zwei Arten um diese Form wickeln:

kurze Schleife durch die Mitte des Torus;
eine lange Schleife um den gesamten Außenumfang des Torus.

Eine kurze Schleife ist ein leichtes Teilchen, eine lange Schleife ein schweres. Wenn Saiten um torusförmig verdichtete Dimensionen gewickelt werden, entstehen neue Elemente mit unterschiedlichen Massen.

Die Superstringtheorie erklärt kurz und anschaulich, einfach und elegant den Übergang von Länge zu Masse. Die gefalteten Dimensionen sind hier wesentlich komplexer als bei einem Torus, funktionieren aber im Prinzip gleich.

Es ist sogar möglich, wenn auch schwer vorstellbar, dass die Saite den Torus gleichzeitig in zwei Richtungen umschlingt, wodurch ein anderes Teilchen mit einer anderen Masse entsteht. Branes können auch zusätzliche Dimensionen umwickeln und so noch mehr Möglichkeiten schaffen.

Definition von Raum und Zeit

In vielen Versionen der Superstringtheorie kollabieren Messungen, sodass sie auf dem aktuellen Stand der Technik nicht mehr beobachtbar sind.

Es ist derzeit unklar, ob die Stringtheorie die grundlegende Natur von Raum und Zeit weiter erklären kann als Einstein. Dabei sind Messungen ein Hintergrund für das Zusammenspiel von Strings und haben keine eigenständige eigentliche Bedeutung.

Es wurden Erklärungen zur Darstellung der Raumzeit als Ableitung der Gesamtsumme aller String-Wechselwirkungen vorgeschlagen, die jedoch nicht vollständig ausgearbeitet waren.

Dieser Ansatz entspricht nicht den Vorstellungen einiger Physiker, was zu Kritik an der Hypothese führte. Die Wettbewerbstheorie geht von der Quantisierung von Raum und Zeit aus. Manche glauben, dass es am Ende nur eine andere Herangehensweise an dieselbe Grundhypothese sein wird.

Schwerkraftquantisierung

Die wichtigste Errungenschaft dieser Hypothese wird, sofern sie bestätigt wird, die Quantentheorie der Schwerkraft sein. Die aktuelle Beschreibung in der Allgemeinen Relativitätstheorie stimmt nicht mit der Quantenphysik überein. Letzteres führt durch die Einschränkung des Verhaltens kleiner Teilchen zu Widersprüchen bei der Erforschung des Universums in extrem kleinen Maßstäben.

Vereinigung der Kräfte

Derzeit kennen Physiker vier grundlegende Kräfte: Schwerkraft, elektromagnetische sowie schwache und starke nukleare Wechselwirkungen. Aus der Stringtheorie folgt, dass sie alle einst Manifestationen eines einzigen waren.

Dieser Hypothese zufolge begann diese einzelne Wechselwirkung, als sich das frühe Universum nach dem Urknall abkühlte, in verschiedene Wechselwirkungen aufzubrechen, die heute wirksam sind.

Hochenergieexperimente werden es uns eines Tages ermöglichen, die Vereinigung dieser Kräfte zu entdecken, obwohl solche Experimente weit über die aktuelle technologische Entwicklung hinausgehen.

Fünf Optionen

Seit der Superstring-Revolution von 1984 schreitet die Entwicklung rasant voran. Infolgedessen gab es anstelle eines Konzepts fünf, genannt Typ I, IIA, IIB, HO, HE, von denen jedes unsere Welt fast vollständig, aber nicht vollständig beschrieb.

In der Hoffnung, eine universelle, wahre Formel zu finden, haben Physiker Versionen der Stringtheorie durchgesehen und fünf verschiedene autarke Versionen erstellt. Einige ihrer Eigenschaften spiegelten die physische Realität der Welt wider, andere entsprachen nicht der Realität.

M-Theorie

Auf einer Konferenz im Jahr 1995 schlug der Physiker Edward Witten vor mutige Entscheidung Probleme von fünf Hypothesen. Basierend auf der neu entdeckten Dualität wurden sie alle zu Spezialfällen eines einzigen übergreifenden Konzepts, das von Witten M-Theorie der Superstrings genannt wurde. Eines seiner Schlüsselkonzepte waren Branes (kurz für Membran), fundamentale Objekte mit mehr als einer Dimension. Obwohl der Autor dies nicht vorgeschlagen hat Vollversion, die noch nicht existiert, besteht die M-Theorie der Superstrings kurz gesagt aus den folgenden Merkmalen:

11-Dimensionalität (10 räumliche plus 1 zeitliche Dimension);
Dualitäten, die zu fünf Theorien führen, die dieselbe physikalische Realität erklären;
Branes sind Strings mit mehr als einer Dimension.

Folgen

Im Ergebnis entstanden statt einer 10.500 Lösungen. Für einige Physiker löste dies eine Krise aus, während andere das anthropische Prinzip akzeptierten, das die Eigenschaften des Universums durch unsere Anwesenheit darin erklärt. Es bleibt abzuwarten, ob Theoretiker einen anderen Weg finden werden, sich in der Superstringtheorie zurechtzufinden.

Einige Interpretationen legen nahe, dass unsere Welt nicht die einzige ist. Die radikalsten Versionen lassen die Existenz einer unendlichen Anzahl von Universen zu, von denen einige exakte Kopien unseres Universums enthalten.

Einsteins Theorie sagt die Existenz eines eingestürzten Raums voraus, der Wurmloch oder Einstein-Rosen-Brücke genannt wird. In diesem Fall werden zwei entfernte Gebiete durch einen kurzen Durchgang verbunden. Die Superstringtheorie ermöglicht nicht nur dies, sondern auch die Verbindung entfernter Punkte paralleler Welten. Es ist sogar möglich, zwischen Universen mit unterschiedlichen physikalischen Gesetzen zu wechseln. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass die Quantentheorie der Schwerkraft ihre Existenz unmöglich machen wird.

Viele Physiker glauben, dass das holographische Prinzip, wenn alle in einem Raumvolumen enthaltenen Informationen den auf seiner Oberfläche aufgezeichneten Informationen entsprechen, ein tieferes Verständnis des Konzepts der Energiefäden ermöglichen wird.

Einige glauben, dass die Superstringtheorie mehrere Zeitdimensionen zulässt, was zu einer Reise durch diese Dimensionen führen könnte.

Darüber hinaus bietet die Hypothese eine Alternative zum Urknallmodell, bei dem unser Universum durch die Kollision zweier Branen entstanden ist und wiederholte Zyklen von Schöpfung und Zerstörung durchläuft.

Das endgültige Schicksal des Universums hat die Physiker schon immer beschäftigt, und die endgültige Version der Stringtheorie wird dabei helfen, die Dichte der Materie und die kosmologische Konstante zu bestimmen. Wenn Kosmologen diese Werte kennen, können sie feststellen, ob das Universum schrumpft, bis es explodiert, sodass alles von vorne beginnt.

Niemand weiß, wozu es führen könnte, bis es entwickelt und getestet ist. Als Einstein die Gleichung E=mc 2 formulierte, ging er nicht davon aus, dass dies zur Entstehung von Atomwaffen führen würde. Die Schöpfer der Quantenphysik wussten nicht, dass sie die Grundlage für die Entwicklung von Lasern und Transistoren werden würde. Und obwohl noch nicht bekannt ist, wohin ein solches rein theoretisches Konzept führen wird, zeigt die Geschichte, dass mit Sicherheit etwas Außergewöhnliches dabei herauskommen wird.

Mehr über diese Hypothese können Sie in Andrew Zimmermans Buch „Superstring Theory for Dummies“ lesen.