Stringtheorie der Quantenphysik. Stringtheorie

Dies ist die vierte Ausgabe in Folge. Die Freiwilligen werden auch gebeten, nicht zu vergessen, welche Themen sie behandeln möchten, oder vielleicht hat jemand gerade ein Thema aus der Liste ausgewählt. Von mir Repost und Promotion in sozialen Netzwerken. Und jetzt unser Thema: "Stringtheorie"

Sie haben wahrscheinlich gehört, dass die populärste wissenschaftliche Theorie unserer Zeit – die Stringtheorie – die Existenz von viel mehr Dimensionen impliziert, als uns der gesunde Menschenverstand sagt.

Das größte Problem für theoretische Physiker besteht darin, alle grundlegenden Wechselwirkungen (gravitativ, elektromagnetisch, schwach und stark) in einer einzigen Theorie zu kombinieren. Die Superstring-Theorie behauptet nur, die Theorie von allem zu sein.

Aber es stellte sich heraus, dass die bequemste Anzahl von Dimensionen, die benötigt werden, damit diese Theorie funktioniert, bis zu zehn ist (von denen neun räumlich und eine zeitlich sind)! Wenn es mehr oder weniger Dimensionen gibt, liefern mathematische Gleichungen irrationale Ergebnisse, die bis ins Unendliche gehen – eine Singularität.

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

Natürlich wird die theoretische Physik nicht ohne Grund theoretisch genannt. Alle ihre bisherigen Errungenschaften existieren nur auf dem Papier. Um zu erklären, warum wir uns nur im dreidimensionalen Raum bewegen können, begannen Wissenschaftler darüber zu sprechen, wie die unglücklichen anderen Dimensionen auf der Quantenebene zu kompakten Kugeln schrumpfen mussten. Genauer gesagt nicht in Sphären, sondern in Calabi-Yau-Räume. Das sind solche dreidimensionalen Figuren, in deren Inneren sich eine eigene Welt mit einer eigenen Dimension befindet. Eine zweidimensionale Projektion ähnlicher Mannigfaltigkeiten sieht etwa so aus:

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

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

Tauchen wir ein wenig in die Geschichte ein

1968 brütete der junge theoretische Physiker Gabriele Veneziano über den vielen experimentell beobachteten Eigenschaften der starken Kernkraft. Veneziano, der damals am CERN, dem European Accelerator Laboratory in Genf, Schweiz, arbeitete, hatte mehrere Jahre an diesem Problem gearbeitet, bis ihm eines Tages eine brillante Idee kam. Zu seiner großen Überraschung stellte er fest, dass eine exotische mathematische Formel, die der berühmte Schweizer Mathematiker Leonhard Euler etwa zweihundert Jahre zuvor für rein mathematische Zwecke erfunden hatte – die sogenannte Euler-Beta-Funktion – alles auf einen Schlag beschreiben zu können schien die zahlreichen Eigenschaften der Teilchen, die an einer starken Kernkraft beteiligt sind. Die von Veneziano bemerkte Eigenschaft lieferte eine aussagekräftige mathematische Beschreibung vieler Merkmale der starken Wechselwirkung; Es hat eine Reihe von Arbeiten ausgelöst, bei denen die Beta-Funktion und ihre verschiedenen Verallgemeinerungen verwendet wurden, um die riesigen Datenmengen zu beschreiben, die bei der Untersuchung von Teilchenkollisionen auf der ganzen Welt angesammelt wurden. In gewissem Sinne war Venezianos Beobachtung jedoch unvollständig. Wie eine auswendig gelernte Formel, die von einem Studenten verwendet wird, der ihre Bedeutung oder Bedeutung nicht versteht, funktionierte Eulers Beta-Funktion, aber niemand verstand warum. Es war eine Formel, die einer Erklärung bedurfte.

Gabriele Veneziano

Die Dinge änderten sich 1970, als Yochiro Nambu von der University of Chicago, Holger Nielsen vom Niels Bohr Institute und Leonard Susskind von der Stanford University die physikalische Bedeutung hinter Eulers Formel entdeckten. Diese Physiker zeigten, dass, wenn Elementarteilchen durch kleine oszillierende eindimensionale Saiten dargestellt werden, die starke Wechselwirkung dieser Teilchen mit der Euler-Funktion genau beschrieben wird. Wenn Fadensegmente klein genug sind, argumentierten diese Forscher, werden sie immer noch wie Punktteilchen aussehen und daher den Ergebnissen experimenteller Beobachtungen nicht widersprechen. Obwohl diese Theorie einfach und intuitiv ansprechend war, erwiesen sich Beschreibungen der starken Kraft durch Strings bald als fehlerhaft. In den frühen 1970er Jahren Hochenergiephysiker konnten tiefer in die subatomare Welt blicken und haben gezeigt, dass einige der Vorhersagen des auf Strings basierenden Modells in direktem Widerspruch zu Beobachtungen stehen. Gleichzeitig lief parallel die Entwicklung der Quantenfeldtheorie - Quantenchromodynamik - ab, in der das Punktmodell der Teilchen verwendet wurde. Der Erfolg dieser Theorie bei der Beschreibung der starken Wechselwirkung führte zur Abkehr von der Stringtheorie.
Die meisten Teilchenphysiker glaubten, dass die Stringtheorie für immer in den Mülleimer geworfen wurde, aber eine Reihe von Forschern blieben ihr treu. Schwartz meinte zum Beispiel, dass „die mathematische Struktur der Stringtheorie so schön ist und so viele erstaunliche Eigenschaften hat, dass sie sicherlich auf etwas Tieferes hindeuten muss“ 2 ). Eines der Probleme, das Physiker mit der Stringtheorie hatten, war, dass sie scheinbar zu viele Auswahlmöglichkeiten bot, was verwirrend war. Einige Konfigurationen schwingender Saiten in dieser Theorie hatten Eigenschaften, die denen von Gluonen ähnelten, was Anlass gab, sie wirklich als eine Theorie der starken Wechselwirkung zu betrachten. Allerdings enthielt es darüber hinaus weitere Wechselwirkungsträgerteilchen, die nichts mit den experimentellen Erscheinungen der starken Wechselwirkung zu tun hatten. 1974 machten Schwartz und Joel Sherk von der französischen ETH einen kühnen Vorschlag, der diesen scheinbaren Fehler in eine Tugend verwandelte. Nach dem Studium der seltsamen Schwingungsmoden von Saiten, die an Trägerteilchen erinnern, stellten sie fest, dass diese Eigenschaften überraschend genau mit den vorgeschlagenen Eigenschaften des hypothetischen gravitativen Trägerteilchens – dem Graviton – übereinstimmen. Obwohl diese "winzigen Teilchen" der Gravitationswechselwirkung noch nicht entdeckt wurden, können Theoretiker einige der grundlegenden Eigenschaften, die diese Teilchen haben sollten, zuversichtlich vorhersagen. Sherk und Schwartz fanden heraus, dass diese Eigenschaften für einige Schwingungsarten genau gleich sind. Auf dieser Grundlage schlugen sie vor, dass das erste Aufkommen der Stringtheorie an der Tatsache scheiterte, dass die Physiker den Umfang ihrer Anwendung übermäßig einschränkten. Sherk und Schwartz verkündeten, dass die Stringtheorie nicht nur eine Theorie der starken Kraft ist, sondern eine Quantentheorie, die unter anderem die Schwerkraft einschließt).

Die Physiker-Community hat auf diesen Vorschlag mit großer Zurückhaltung reagiert. Tatsächlich wurde laut Schwartz „unsere Arbeit von allen ignoriert“ 4). Die Pfade des Fortschritts sind bereits von zahlreichen gescheiterten Versuchen gesäumt, Gravitation und Quantenmechanik zu vereinen. Die Stringtheorie scheiterte bei ihrem ursprünglichen Versuch, die starke Kraft zu beschreiben, und es erschien vielen sinnlos, zu versuchen, sie zu nutzen, um noch größere Ziele zu erreichen. Nachfolgende, detailliertere Studien der späten 1970er und frühen 1980er Jahre. zeigte, dass die Stringtheorie und die Quantenmechanik ihre eigenen, wenn auch kleineren Widersprüche haben. Es schien, dass die Gravitationskraft erneut dem Versuch widerstehen konnte, sie auf mikroskopischer Ebene in die Beschreibung des Universums einzubauen.
Dies war bis 1984 der Fall. In einem zentralen Artikel, der mehr als ein Jahrzehnt intensiver Forschung zusammenfasste, die von den meisten Physikern weitgehend ignoriert oder abgelehnt wurde, stellten Green und Schwartz fest, dass der leichte Widerspruch zur Quantentheorie, unter dem die Stringtheorie litt, zugelassen werden konnte. Darüber hinaus zeigten sie, dass die resultierende Theorie breit genug war, um alle vier Arten von Kräften und alle Arten von Materie abzudecken. Dieses Ergebnis verbreitete sich in der gesamten Physik-Community, als Hunderte von Teilchenphysikern die Arbeit an ihren Projekten einstellten, um an einem Angriff teilzunehmen, der wie der letzte theoretische Kampf in einem jahrhundertealten Angriff auf die tiefsten Grundlagen des Universums schien.
Der Erfolg von Word of Green und Schwartz erreichte schließlich sogar Studenten im ersten Studienjahr, und die einstige Düsterkeit wurde durch ein aufregendes Gefühl der Zugehörigkeit zu einem Wendepunkt in der Geschichte der Physik ersetzt. Viele von uns sind bis spät in die Nacht aufgeblieben und haben über schweren Bänden theoretischer Physik und abstrakter Mathematik gebrütet, deren Kenntnis notwendig ist, um die Stringtheorie zu verstehen.

Wissenschaftlern zufolge bestehen wir selbst und alles um uns herum aus einer unendlichen Anzahl solcher mysteriöser gefalteter Mikroobjekte.
Zeitraum von 1984 bis 1986 jetzt bekannt als "die erste Revolution in der Superstring-Theorie". In dieser Zeit wurden mehr als tausend Arbeiten zur Stringtheorie von Physikern auf der ganzen Welt verfasst. Diese Papiere zeigten schließlich, dass die zahlreichen Eigenschaften des Standardmodells, die über Jahrzehnte sorgfältiger Forschung entdeckt wurden, auf natürliche Weise aus dem majestätischen System der Stringtheorie hervorgehen. Wie Michael Green bemerkte: „Der Moment, in dem Sie in die Stringtheorie eingeführt werden und erkennen, dass fast alle großen Fortschritte in der Physik des letzten Jahrhunderts von einem so einfachen Ausgangspunkt aus folgen – und mit solcher Eleganz folgen –, zeigt Ihnen deutlich das Unglaubliche Macht dieser Theorie“ 5 . Darüber hinaus bietet die Stringtheorie für viele dieser Eigenschaften, wie wir weiter unten sehen werden, eine viel vollständigere und zufriedenstellendere Beschreibung als das Standardmodell. Diese Fortschritte überzeugten viele Physiker davon, dass die Stringtheorie ihr Versprechen erfüllen und zur ultimativen vereinheitlichenden Theorie werden könnte.

2D-Projektion eines 3D-Calabi-Yau-Verteilers. Diese Projektion gibt eine Vorstellung davon, wie komplex die zusätzlichen Dimensionen sind.

Auf dem Weg dorthin stießen Physiker, die sich mit der Stringtheorie befassten, jedoch immer wieder auf ernsthafte Hindernisse. In der theoretischen Physik hat man es oft mit Gleichungen zu tun, die entweder zu komplex für das Verständnis oder schwer zu lösen sind. Normalerweise geben Physiker in einer solchen Situation nicht auf und versuchen, eine ungefähre Lösung dieser Gleichungen zu erhalten. Die Situation in der Stringtheorie ist viel komplizierter. Auch die Herleitung der Gleichungen selbst gestaltete sich so kompliziert, dass bisher nur deren ungefähre Form erhalten wurde. Somit befinden sich Physiker, die in der Stringtheorie arbeiten, in einer Situation, in der sie Näherungslösungen für Näherungsgleichungen suchen müssen. Nach mehreren Jahren erstaunlicher Fortschritte während der ersten Revolution der Superstringtheorie stellten Physiker fest, dass die verwendeten Näherungsgleichungen eine Reihe wichtiger Fragen nicht richtig beantworten konnten, was die Weiterentwicklung der Forschung behinderte. In Ermangelung konkreter Ideen, wie man über diese Näherungsmethoden hinausgehen könnte, erlebten viele Physiker, die auf dem Gebiet der Stringtheorie arbeiteten, ein wachsendes Gefühl der Frustration und kehrten zu ihren früheren Studien zurück. Für diejenigen, die blieben, die späten 1980er und frühen 1990er Jahre waren eine Testphase.

Die Schönheit und potenzielle Kraft der Stringtheorie lockte die Forscher wie ein goldener Schatz, sicher verschlossen in einem Tresor, sichtbar nur durch ein winziges Guckloch, aber niemand hatte den Schlüssel, um diese schlummernden Kräfte zu entfesseln. Die lange „Dürre“ wurde von Zeit zu Zeit durch wichtige Entdeckungen unterbrochen, aber es war allen klar, dass neue Methoden erforderlich waren, die es erlauben würden, über die bereits bekannten Näherungslösungen hinauszugehen.

Die Stagnation wurde durch einen atemberaubenden Vortrag beendet, den Edward Witten 1995 auf einer Stringtheorie-Konferenz an der University of Southern California hielt – ein Vortrag, der ein bis zum Bersten vollgestopftes Publikum mit den weltweit führenden Physikern verblüffte. Darin enthüllte er einen Plan für die nächste Forschungsstufe und leitete damit die „zweite Revolution in der Superstring-Theorie“ ein. Stringtheoretiker arbeiten nun intensiv an neuen Methoden, die versprechen, die dabei aufgetretenen Hürden zu überwinden.

Für die breite Popularisierung von TS sollte die Menschheit dem Professor der Columbia University, Brian Greene, ein Denkmal errichten. Sein 1999 erschienenes Buch The Elegant Universe. Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory“ wurde ein Bestseller und gewann den Pulitzer-Preis. Die Arbeit des Wissenschaftlers bildete die Grundlage einer populärwissenschaftlichen Miniserie mit dem Autor selbst als Moderator – ein Fragment davon ist am Ende des Materials zu sehen (Foto von Amy Sussman / Columbia University).

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Versuchen wir nun, die Essenz dieser Theorie zumindest ein wenig zu verstehen.

Von vorn anfangen. Die Nulldimension ist ein Punkt. Sie hat keine Größe. Man kann sich nirgendwohin bewegen, es werden keine Koordinaten benötigt, um den Ort in einer solchen Dimension anzugeben.

Lassen Sie uns einen zweiten Punkt neben den ersten setzen und eine Linie durch sie ziehen. Hier ist die erste Dimension. Ein eindimensionales Objekt hat eine Größe - Länge, aber keine Breite oder Tiefe. Die Bewegung im Rahmen des eindimensionalen Raums ist sehr begrenzt, da das auf dem Weg entstandene 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 diesen beiden Objekten gerecht zu werden, benötigen wir bereits einen zweidimensionalen Raum, der Länge und Breite, also Fläche, aber keine Tiefe, also Volumen, hat. Die Position jedes Punktes auf diesem Feld wird durch zwei Koordinaten bestimmt.

Die dritte Dimension entsteht, wenn wir diesem System eine dritte Koordinatenachse hinzufügen. Wir, die Bewohner des dreidimensionalen Universums, können uns das sehr leicht vorstellen.

Versuchen wir uns vorzustellen, wie die Bewohner des zweidimensionalen Raums die Welt sehen. Hier sind zum Beispiel diese beiden Personen:

Jeder von ihnen wird seinen Freund so sehen:

Und mit diesem Layout:

Unsere Helden werden sich so sehen:

Es ist der Blickwinkelwechsel, der es unseren Helden ermöglicht, einander als zweidimensionale Objekte zu beurteilen, anstatt als eindimensionale Segmente.

Und nun stellen wir uns vor, dass sich ein bestimmtes dreidimensionales Objekt in der dritten Dimension bewegt, das diese zweidimensionale Welt durchquert. Für einen außenstehenden Beobachter drückt sich diese Bewegung in einer Änderung der zweidimensionalen Projektionen des Objekts auf einer Ebene aus, wie Brokkoli in einem MRT-Gerät:

Aber für den 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 einer mysteriös variablen Länge gesehen, das an einem unvorhersehbaren Ort erscheint und auch unvorhersehbar verschwindet. Versuche, die Länge und den Ort des Auftretens solcher Objekte mit den Gesetzen der Physik des zweidimensionalen Raums zu berechnen, sind zum Scheitern verurteilt.

Wir, die Bewohner der dreidimensionalen Welt, sehen alles zweidimensional. Erst die Bewegung eines Objekts im Raum lässt uns sein Volumen spüren. Wir werden auch jedes multidimensionale Objekt als zweidimensional sehen, aber es wird sich je nach unserer relativen Position oder Zeit mit ihm auf erstaunliche Weise verändern.

Unter diesem Gesichtspunkt ist es interessant, zum Beispiel über die Schwerkraft nachzudenken. Bilder wie dieses hat bestimmt jeder schon mal gesehen:

Es ist üblich darzustellen, wie die Schwerkraft die Raumzeit krümmt. Kurven ... wo? Eben 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 wieder aufzutauchen, und zwar hinter einem Hindernis, das es in unserer Realität nicht durchdringen könnte, ohne ein Loch darin zu hinterlassen? Was ist mit schwarzen Löchern? Was aber, wenn all diese und andere Mysterien der modernen Wissenschaft durch die Tatsache erklärt werden, dass die Geometrie des Raums keineswegs so ist, wie wir es gewohnt sind, sie wahrzunehmen?

Die Uhr tickt

Die Zeit fügt unserem Universum eine weitere Koordinate hinzu. Damit die Party stattfinden kann, müssen Sie nicht nur wissen, in welcher Bar sie stattfinden wird, sondern auch die genaue Uhrzeit 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 wird nur in eine Richtung ausgeführt - von der Vergangenheit in die Zukunft. Und nur die Gegenwart ist real. Weder die Vergangenheit noch die Zukunft existieren, genauso wie Frühstück und Abendessen aus der Sicht eines Bürokaufmanns zur Mittagszeit nicht existieren.

Aber die Relativitätstheorie stimmt damit nicht überein. Zeit ist aus ihrer Sicht eine wertvolle Dimension. Alle Ereignisse, die existierten, existieren und weiterhin existieren werden, sind gleichermaßen real, so real wie ein Meeresstrand, egal wo genau uns die Träume vom Rauschen der Brandung überrascht haben. Unsere Wahrnehmung ist so etwas wie ein Suchscheinwerfer, der einen bestimmten Abschnitt auf der Zeitlinie beleuchtet. Die Menschheit in ihrer vierten Dimension sieht ungefähr 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 haben alle Theorien mit einer Vielzahl von räumlichen Dimensionen gearbeitet, und die Zeit war immer die einzige. Aber warum erlaubt der Raum mehrere Dimensionen für den Raum, aber nur eine Zeit? Bis Wissenschaftler diese Frage beantworten können, wird die Hypothese von zwei oder mehr Zeiträumen allen Philosophen und Science-Fiction-Autoren sehr attraktiv erscheinen. Ja, und Physiker, was ist schon da. So sieht der amerikanische Astrophysiker Itzhak Bars die Wurzel aller Probleme mit der Theory of Everything in der zweiten Zeitdimension, die übersehen wurde. 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 unverändert bleiben können. Wenn Sie sich also entlang einer Zeitachse bewegen, die eine andere rechtwinklig schneidet, dann stoppt am Schnittpunkt die Zeit herum. In der Praxis sieht das ungefähr so aus:

Alles, was Neo tun musste, war, seine eindimensionale Zeitachse senkrecht zur Zeitachse der Kugeln zu platzieren. Eine echte Kleinigkeit, stimme zu. Tatsächlich ist alles viel komplizierter.

Die genaue Zeit in einem Universum mit zwei Zeitdimensionen wird durch zwei Werte bestimmt. Ist es schwer, sich ein zweidimensionales Ereignis vorzustellen? Das heißt, eine, die gleichzeitig entlang zweier Zeitachsen verlängert wird? Es ist wahrscheinlich, dass eine solche Welt Zeitkartierungsspezialisten erfordern würde, genau wie Kartographen die zweidimensionale Oberfläche des Globus kartieren.

Was unterscheidet einen zweidimensionalen Raum noch von einem eindimensionalen? Zum Beispiel die Fähigkeit, 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 eine Ecke zu biegen. Und was ist das – ein Zeitwinkel? Darüber hinaus können Sie im zweidimensionalen Raum vorwärts, rückwärts oder sogar diagonal reisen. Ich habe keine Ahnung, wie es ist, diagonal durch die Zeit zu gehen. Ich spreche nicht von der Tatsache, dass die Zeit vielen physikalischen Gesetzen unterliegt, und es ist unmöglich, sich vorzustellen, wie sich die Physik des Universums mit dem Aufkommen einer anderen Zeitdimension ändern wird. Aber es ist so spannend, darüber nachzudenken!

Sehr große Enzyklopädie

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

Wie wir bereits festgestellt haben, sehen wir eine dreidimensionale Projektion der vierten (zeitlichen) Dimension des Universums. Mit anderen Worten, jeder Moment der Existenz unserer Welt ist ein Punkt (ähnlich der Nulldimension) im Zeitintervall vom Urknall bis zum Ende der Welt.

Diejenigen unter Ihnen, die über Zeitreisen gelesen haben, wissen, wie wichtig die Krümmung des Raum-Zeit-Kontinuums ist. Dies ist die fünfte Dimension – in ihr „biegt“ sich die vierdimensionale Raumzeit, um zwei Punkte auf dieser geraden 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 auf die "zweidimensionale" Ebene mit allen Konsequenzen in Form der Fähigkeit, um die Ecke zu gehen.

Etwas früher haben unsere besonders philosophisch denkenden Leser wahrscheinlich über die Möglichkeit des freien Willens in Bedingungen nachgedacht, in denen die Zukunft bereits existiert, aber noch nicht bekannt ist. Die Wissenschaft beantwortet diese Frage so: Wahrscheinlichkeiten. Die Zukunft ist kein Stock, sondern ein ganzer Besen möglicher Szenarien. Welche davon wahr werden, erfahren wir, wenn wir dort sind.

Jede der Wahrscheinlichkeiten existiert als "eindimensionales" Segment auf der "Ebene" der fünften Dimension. Was ist der schnellste Weg, um von einem Segment zum anderen zu springen? Das ist richtig - biegen Sie dieses Flugzeug wie ein Blatt Papier. Wo biegen? Und wieder richtig - in der sechsten Dimension, die der ganzen komplexen Struktur "Volumen" verleiht. Und macht ihn damit, wie den dreidimensionalen Raum, "fertig", zu einem neuen Punkt.

Die siebte Dimension ist eine neue gerade Linie, die aus sechsdimensionalen "Punkten" besteht. Was ist ein anderer Punkt auf dieser Linie? Die ganze unendliche Reihe von Optionen für die Entwicklung von Ereignissen in einem anderen Universum, das nicht als Ergebnis des Urknalls, sondern unter anderen Bedingungen entstanden ist und nach anderen Gesetzen handelt. Das heißt, die siebte Dimension besteht aus Perlen aus parallelen Welten. Die achte Dimension fasst diese „Geraden“ zu einer „Ebene“ zusammen. Und die neunte kann mit einem Buch verglichen werden, das alle "Blätter" der achten Dimension enthält. Es ist die Gesamtheit aller Geschichten aller Universen mit allen Gesetzen der Physik und allen Anfangsbedingungen. Zeigen Sie erneut.

Hier stoßen wir ans Limit. Um uns die zehnte Dimension vorzustellen, brauchen wir eine gerade Linie. Und was könnte ein weiterer Punkt auf dieser Geraden sein, wenn die neunte Dimension bereits alles Vorstellbare und sogar Unvorstellbare umfasst? Es stellt sich heraus, dass die neunte Dimension kein weiterer Ausgangspunkt ist, sondern der letzte – jedenfalls für unsere Vorstellungskraft.

Die String-Theorie behauptet, dass Saiten, die Grundteilchen, aus denen alles besteht, in der zehnten Dimension ihre Schwingungen erzeugen. Wenn die zehnte Dimension alle Universen und alle Möglichkeiten enthält, dann existieren Strings überall und zu jeder Zeit. Ich meine, jede Saite existiert in unserem Universum, und jede andere. Zu jedem Zeitpunkt. Sofort. Cool was?

Physiker, Spezialist für Stringtheorie. Bekannt für seine Arbeiten zur Spiegelsymmetrie im Zusammenhang mit der Topologie der entsprechenden Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten. Als Autor populärwissenschaftlicher Bücher ist er einem breiten Publikum bekannt. Sein Elegant Universe wurde für einen Pulitzer-Preis nominiert.

Im September 2013 kam Brian Green auf Einladung des Polytechnischen Museums nach Moskau. Als berühmter Physiker, Stringtheoretiker und Professor an der Columbia University ist er der breiten Öffentlichkeit vor allem als Popularisierer der Wissenschaft und Autor des Buches The Elegant Universe bekannt. Lenta.ru sprach mit Brian Green über die Stringtheorie und die jüngsten Schwierigkeiten, mit denen diese Theorie konfrontiert war, sowie über Quantengravitation, Amplitude und soziale Kontrolle.

Literatur in russischer Sprache: Kaku M., Thompson J.T. „Beyond Einstein: Superstrings und die Suche nach der endgültigen Theorie“ und was es war Der Originalartikel ist auf der Website InfoGlaz.rf Link zum Artikel, aus dem diese Kopie erstellt wurde -

Die Stringtheorie ist ein dünner Faden, der die Relativitätstheorie (oder Allgemeine Relativitätstheorie - GR) und die Quantenphysik verbindet. Diese beiden Zweige sind erst vor kurzem auf der Skala der Wissenschaft erschienen, daher gibt es noch nicht einmal allzu viel wissenschaftliche Literatur zu diesen Zweigen. Und wenn die Relativitätstheorie immer noch eine Art bewährte Basis hat, dann ist der Quantenzweig der Physik in dieser Hinsicht noch sehr jung. Werfen wir zunächst einen Blick auf diese beiden Branchen.

Sicherlich haben viele von Ihnen schon von der Relativitätstheorie gehört und sind mit einigen ihrer Postulate sogar ein wenig vertraut, aber die Frage ist: Warum kann sie nicht mit der Quantenphysik verbunden werden, die auf der Mikroebene arbeitet?

Trennen Sie die allgemeine und die spezielle Relativitätstheorie (abgekürzt als GTR und SRT, weitere werden als Abkürzungen verwendet). Kurz gesagt, GR postuliert über den Weltraum und seine Krümmung und SRT über die Relativität der Raumzeit von der Seite des Menschen. Wenn wir über Stringtheorie sprechen, sprechen wir speziell über die allgemeine Relativitätstheorie. Die Allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass im Raum unter dem Einfluss massiver Objekte der Raum um ihn herum gekrümmt wird (und damit auch die Zeit, denn Raum und Zeit sind völlig untrennbare Konzepte). Um zu verstehen, wie dies geschieht, hilft ein Beispiel aus dem Leben der Wissenschaftler. Ein ähnlicher Fall wurde kürzlich aufgezeichnet, daher kann alles, was gesagt wurde, als "basierend auf realen Ereignissen" betrachtet werden. Eine Wissenschaftlerin schaut durch ein Teleskop und sieht zwei Sterne, einen vor und einen hinter sich. Wie könnten wir das verstehen? Es ist sehr einfach, weil jener Stern, dessen Zentrum wir nicht sehen, sondern nur die Ränder sichtbar sind, der größte dieser beiden ist, und der andere Stern, der in seiner vollen Form sichtbar ist, der kleinere ist. Dank der Allgemeinen Relativitätstheorie kann es aber auch sein, dass der vordere Stern größer ist als der hintere. Aber ist es möglich?

Es stellt sich heraus, ja. Wenn sich herausstellt, dass der vordere Stern ein supermassives Objekt ist, das den Raum um ihn herum stark krümmt, dann wird das Bild des Sterns dahinter einfach den supermassiven Stern in der Krümmung umrunden, und wir werden das Bild sehen, das ganz am Anfang erwähnt wurde . Sie können genauer sehen, was in Abb. ein.

Quantenphysik ist für einen gewöhnlichen Menschen viel schwieriger als TO. Wenn wir alle seine Bestimmungen verallgemeinern, erhalten wir Folgendes: Mikroobjekte existieren nur, wenn wir sie betrachten. Darüber hinaus sagt die Quantenphysik auch, dass, wenn ein Mikropartikel in zwei Teile zerbrochen wird, diese beiden Teile sich weiterhin in derselben Richtung um ihre Achse drehen werden. Und auch jeder Aufprall auf das erste Teilchen wird zweifellos auf das zweite übertragen, und zwar sofort und vollständig, unabhängig von der Entfernung dieser Teilchen.

Was ist also die Schwierigkeit, die Konzepte dieser beiden Theorien zu kombinieren? Tatsache ist, dass GR Objekte im Makrokosmos betrachtet, und wenn wir über die Verzerrung/Krümmung des Raums sprechen, meinen wir einen vollkommen glatten Raum, der völlig unvereinbar mit den Bestimmungen der Mikrowelt ist. Nach der Theorie der Quantenphysik ist der Mikrokosmos völlig uneben, hat allgegenwärtige Rauheit. Das ist in Laiensprache. Und Mathematiker und Physiker haben ihre Theorien in Formeln gegossen. Als sie also versuchten, die Formeln der Quantenphysik und der allgemeinen Relativitätstheorie zu kombinieren, stellte sich heraus, dass die Antwort unendlich war. Unendlichkeit in der Physik ist gleichbedeutend mit der Aussage, dass die Gleichung falsch ist. Die resultierende Gleichheit wurde viele Male erneut überprüft, aber die Antwort war immer noch unendlich.

Die Stringtheorie hat den Wissenschaftsalltag revolutioniert. Es ist eine Regel, dass nicht alle Mikropartikel kugelförmig sind, sondern die Form länglicher Fäden haben, die unser gesamtes Universum durchziehen. Durch die Schwingungen dieser Saiten werden Größen wie Masse, Teilchengeschwindigkeit etc. eingestellt. Jede solche Saite befindet sich theoretisch in einer Calabi-Yau-Mannigfaltigkeit. Diese Mannigfaltigkeiten repräsentieren einen sehr gekrümmten Raum. Nach der Theorie der Mannigfaltigkeiten sind sie im Raum durch nichts verbunden und befinden sich getrennt in kleinen Kugeln. Die Stringtheorie löscht buchstäblich die klaren Grenzen des Prozesses der Verbindung zweier Mikropartikel. Wenn Mikropartikel durch Kugeln dargestellt werden, können wir die Grenze in der Raumzeit klar verfolgen, wenn sie sich verbinden. Wenn jedoch zwei Saiten verbunden werden, kann der Ort ihrer „Verklebung“ aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet werden. Und aus verschiedenen Blickwinkeln erhalten wir völlig unterschiedliche Ergebnisse der Grenze ihrer Verbindung, das heißt, es gibt einfach kein genaues Konzept einer solchen Grenze!

Auf der ersten Stufe des Studiums erscheint die Stringtheorie, auch in einfachen Worten erzählt, mysteriös, seltsam und sogar einfach fiktiv, aber nicht unbegründete Worte sprechen dafür, sondern Studien, die durch viele Gleichungen und Parameter die Wahrscheinlichkeit der Existenz von String-Partikeln.

Und zum Schluss noch ein Video aus dem Online-Magazin QWRT, das die Stringtheorie in einfachen Worten erklärt.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts bildeten sich zwei tragende Säulen moderner wissenschaftlicher Erkenntnisse heraus. Eine davon ist Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die das Phänomen der Schwerkraft und die Struktur der Raumzeit erklärt. Die andere ist die Quantenmechanik, die physikalische Prozesse durch das Prisma der Wahrscheinlichkeit beschreibt. Die Stringtheorie ist aufgerufen, diese beiden Ansätze zu kombinieren. Es lässt sich anhand von Analogien im Alltag kurz und anschaulich erklären.

Stringtheorie im Klartext

Die Hauptbestimmungen einer der berühmtesten „Theorien von allem“ lauten wie folgt:

Die Basis des Universums sind ausgedehnte Objekte, die in ihrer Form Schnüren ähneln;
Diese Objekte neigen dazu, verschiedene Schwingungen zu erzeugen, wie auf einem Musikinstrument;
Als Folge dieser Schwingungen entstehen verschiedene Elementarteilchen (Quarks, Elektronen etc.).
Die Masse des resultierenden Objekts ist direkt proportional zur Amplitude der perfekten Schwingung;
Die Theorie hilft, schwarze Löcher neu zu betrachten;
Mit Hilfe der neuen Lehre war es auch möglich, die Schwerkraft in den Wechselwirkungen zwischen fundamentalen Teilchen aufzudecken;
Im Gegensatz zu den derzeit vorherrschenden Vorstellungen von der vierdimensionalen Welt werden in der neuen Theorie zusätzliche Dimensionen eingeführt;
Derzeit ist das Konzept noch nicht offiziell von der breiten wissenschaftlichen Gemeinschaft akzeptiert. Es ist kein einziges Experiment bekannt, das diese harmonische und verifizierte Theorie auf dem Papier bestätigen würde.

Geschichtlicher Bezug

Die Geschichte dieses Paradigmas umfasst mehrere Jahrzehnte intensiver Forschung. Dank der gemeinsamen Bemühungen von Physikern auf der ganzen Welt wurde eine kohärente Theorie entwickelt, die die Konzepte der kondensierten Materie, der Kosmologie und der theoretischen Mathematik umfasst.

Die Hauptstadien seiner Entwicklung:

1943-1959 Werner Heisenbergs Lehre von der s-Matrix erschien, in deren Rahmen vorgeschlagen wurde, die Konzepte von Raum und Zeit für Quantenphänomene zu verwerfen. Heisenberg entdeckte zuerst, dass die Teilnehmer an starken Wechselwirkungen ausgedehnte Objekte und keine Punkte sind;
1959-1968 Teilchen mit hohen Spins (Drehmomenten) wurden gefunden. Der italienische Physiker Tullio Regge schlägt vor, Quantenzustände in Trajektorien (die nach ihm benannt wurden) zu gruppieren;
1968-1974 Garibrele Veneziano schlug ein Doppelresonanzmodell vor, um starke Wechselwirkungen zu beschreiben. Yoshiro Nambu entwickelte diese Idee und beschrieb Kernkräfte als vibrierende eindimensionale Saiten;
1974-1994 Die Entdeckung der Superstrings, die größtenteils auf die Arbeit des russischen Wissenschaftlers Alexander Polyakov zurückzuführen ist;
1994-2003 Das Aufkommen der M-Theorie erlaubte mehr als 11 Dimensionen;
2003 - heute in. Michael Douglas entwickelte mit dem Begriff die Landscape-String-Theorie falsches Vakuum.

Quantenstringtheorie

Die Schlüsselobjekte im neuen wissenschaftlichen Paradigma sind die dünnsten Objekte, die durch ihre Schwingungsbewegung jedem Elementarteilchen Masse und Ladung verleihen.

Die Haupteigenschaften von Saiten nach modernen Konzepten:

Ihre Länge ist extrem klein - etwa 10 -35 Meter. In einem solchen Maßstab werden Quantenwechselwirkungen erkennbar;
Unter gewöhnlichen Laborbedingungen, die nicht mit so kleinen Objekten zu tun haben, ist eine Schnur jedoch absolut nicht von einem dimensionslosen Punktobjekt zu unterscheiden;
Die Orientierung ist ein wichtiges Merkmal eines String-Objekts. Saiten, die es haben, haben ein Paar mit der entgegengesetzten Richtung. Es gibt auch ungerichtete Instanzen.

Strings können sowohl in Form eines an beiden Enden begrenzten Segments als auch in Form einer geschlossenen Schleife vorliegen. Darüber hinaus sind folgende Transformationen möglich:

Ein Segment oder eine Schleife kann sich "vermehren", indem sie ein Paar entsprechender Objekte entstehen lässt;
Das Segment führt zu einer Schleife, wenn ein Teil davon "schleift";
Die Schleife bricht und wird zu einer offenen Saite;
Die beiden Segmente tauschen Segmente aus.

Andere grundlegende Objekte

1995 stellte sich heraus, dass nicht nur eindimensionale Objekte die Bausteine unseres Universums sind. Die Existenz ungewöhnlicher Formationen wurde vorhergesagt - Branen- in Form eines Zylinders oder eines dreidimensionalen Rings, die folgende Merkmale aufweisen:

Sie sind mehrere Milliarden Mal kleiner als Atome;
Sie können sich durch Raum und Zeit ausbreiten, haben Masse und Ladung;
In unserem Universum sind sie dreidimensionale Objekte. Es wird jedoch vermutet, dass ihre Form viel mysteriöser ist, da sich ein erheblicher Teil von ihnen in andere Dimensionen erstrecken kann;
Der hochdimensionale Raum, der unter den Branen liegt, ist der Hyperraum;
Diese Strukturen sind mit der Existenz von Partikeln verbunden, die Schwerkraftträger sind - Gravitonen. Sie können sich frei von den Branen trennen und reibungslos in andere Dimensionen fließen;
Auf lokalisierten Branen gibt es auch elektromagnetische, nukleare und schwache Wechselwirkungen;
Die wichtigste Sorte sind D-Branes. Die Endpunkte einer offenen Schnur werden in dem Moment, in dem sie den Raum durchquert, an ihrer Oberfläche befestigt.

Kritik

Wie jede wissenschaftliche Revolution durchbricht auch diese die Dornen des Missverständnisses und der Kritik von Anhängern traditioneller Ansichten.

Zu den am häufigsten geäußerten Kommentaren:

Die Einführung zusätzlicher Dimensionen der Raumzeit schafft die hypothetische Möglichkeit der Existenz einer großen Anzahl von Universen. Laut dem Mathematiker Peter Volt führt dies dazu, dass keine Prozesse oder Phänomene vorhergesagt werden können. Jedes Experiment führt eine große Anzahl verschiedener Szenarien durch, die auf unterschiedliche Weise interpretiert werden können;
Es gibt keine Bestätigungsmöglichkeit. Der derzeitige Stand der Technik erlaubt keine experimentelle Bestätigung oder Widerlegung von Desk Research;
Die neuesten Beobachtungen astronomischer Objekte passen nicht in die Theorie, was die Wissenschaftler dazu zwingt, einige ihrer Schlussfolgerungen zu überdenken;
Eine Reihe von Physikern äußert die Meinung, dass das Konzept spekulativ ist und die Entwicklung anderer grundlegender Konzepte behindert.

Es ist vielleicht einfacher, den Satz von Fermat zu beweisen, als die Stringtheorie in einfachen Worten zu erklären. Sein mathematischer Apparat ist so umfangreich, dass ihn nur ehrwürdige Wissenschaftler der größten Forschungsinstitute verstehen können.

Ob die Entdeckungen, die in den vergangenen Jahrzehnten mit der Federspitze gemacht wurden, wirklich Anwendung finden werden, ist noch unklar. Wenn ja, dann stehen wir vor einer schönen neuen Welt mit Antigravitation, mehreren Universen und einem Hinweis auf die Natur schwarzer Löcher.

Video: Stringtheorie kurz und verständlich

In diesem Video erklärt Ihnen der Physiker Stanislav Efremov in einfachen Worten, was die Stringtheorie ist:

Natürlich ähneln die Saiten des Universums kaum denen, die wir uns vorstellen. In der Stringtheorie sind sie unglaublich kleine, vibrierende Energiefäden. Diese Fäden sind eher wie winzige "Gummibänder", die sich in jeder Hinsicht winden, dehnen und schrumpfen können. All dies bedeutet jedoch nicht, dass die Symphonie des Universums nicht auf ihnen „gespielt“ werden kann, denn laut Stringtheoretikern besteht alles, was existiert, aus diesen „Fäden“.

Physik Kontroverse

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts schien es den Physikern, dass in ihrer Wissenschaft nichts Ernsthaftes mehr zu entdecken sei. Die klassische Physik glaubte, dass es keine ernsthaften Probleme mehr darin gäbe, und die gesamte Struktur der Welt sah aus wie eine perfekt abgestimmte und vorhersehbare Maschine. Der Ärger geschah wie üblich wegen Unsinn - einer der kleinen "Wolken", die noch am klaren, verständlichen Himmel der Wissenschaft verblieben. Nämlich bei der Berechnung der Strahlungsenergie eines vollständig schwarzen Körpers (eines hypothetischen Körpers, der bei jeder Temperatur die auf ihn einfallende Strahlung vollständig absorbiert, unabhängig von der Wellenlänge - NS). Berechnungen ergaben, dass die gesamte Strahlungsenergie eines absolut schwarzen Körpers unendlich groß sein sollte. Um eine solche offensichtliche Absurdität zu vermeiden, schlug der deutsche Wissenschaftler Max Planck im Jahr 1900 vor, dass sichtbares Licht, Röntgenstrahlen und andere elektromagnetische Wellen nur von bestimmten diskreten Energieportionen emittiert werden könnten, die er Quanten nannte. Mit ihrer Hilfe konnte das besondere Problem eines vollständig schwarzen Körpers gelöst werden. Allerdings waren die Konsequenzen der Quantenhypothese für den Determinismus damals noch nicht erkannt. Bis 1926 ein anderer deutscher Wissenschaftler, Werner Heisenberg, die berühmte Unschärferelation formulierte.

Ihre Essenz läuft darauf hinaus, dass entgegen allen bisher vorherrschenden Aussagen die Natur unsere Fähigkeit, die Zukunft auf der Grundlage physikalischer Gesetze vorherzusagen, einschränkt. Hier geht es natürlich um die Zukunft und Gegenwart subatomarer Teilchen. Es stellte sich heraus, dass sie sich völlig anders verhalten als alle anderen Dinge im Makrokosmos um uns herum. Auf der subatomaren Ebene wird das Raumgefüge uneben und chaotisch. Die Welt der winzigen Teilchen ist so turbulent und unverständlich, dass sie dem gesunden Menschenverstand widerspricht. Raum und Zeit sind darin so verdreht und verflochten, dass es keine gewöhnlichen Konzepte von links und rechts, oben und unten und sogar davor und danach gibt. Es ist nicht sicher zu sagen, an welchem Punkt im Raum sich dieses oder jenes Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet und in welchem Moment sein Impuls liegt. In vielen Bereichen der Raumzeit besteht nur eine gewisse Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen zu finden. Teilchen auf subatomarer Ebene scheinen über den Weltraum "verschmiert" zu sein. Außerdem ist der „Status“ der Teilchen selbst nicht definiert: In einigen Fällen verhalten sie sich wie Wellen, in anderen weisen sie die Eigenschaften von Teilchen auf. Das nennen Physiker den Welle-Teilchen-Dualismus der Quantenmechanik.

Weltstrukturebenen: 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, wie in einem Zustand mit entgegengesetzten Gesetzen, liegen die Dinge grundlegend anders. Der Raum scheint wie ein Trampolin zu sein – ein glattes Gewebe, das von Objekten mit Masse gebogen und gedehnt werden kann. Sie erzeugen Verformungen der Raumzeit – was wir als Schwerkraft erleben. Unnötig zu erwähnen, dass die kohärente, korrekte und vorhersagbare Allgemeine Relativitätstheorie in einem unlösbaren Konflikt mit dem „verrückten Hooligan“ steht – der Quantenmechanik, und infolgedessen kann sich der Makrokosmos nicht mit dem Mikrokosmos „versöhnen“. Hier kommt die Stringtheorie ins Spiel.

2D-Universum. E8-Polyedergraph / ©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project

Theorie von allem

Die Stringtheorie verkörpert den Traum aller Physiker, zwei grundlegend widersprüchliche Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik zu vereinen, ein Traum, der den größten „Zigeuner und Vagabunden“ Albert Einstein bis ans Ende seiner Tage verfolgte.

Viele Wissenschaftler glauben, dass alles, vom exquisiten Tanz der Galaxien bis zum rasenden Tanz subatomarer Teilchen, letztlich durch nur ein grundlegendes physikalisches Prinzip erklärt werden kann. 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 im Universum – die Schwerkraft. Die Quantenmechanik beschreibt drei weitere Kräfte: die starke Kernkraft, die Protonen und Neutronen in Atomen zusammenhält, 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 die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung eine gemeinsame Natur haben, indem sie zu einer einzigen elektroschwachen kombiniert wurden. Anschließend wurde ihnen die starke nukleare Wechselwirkung hinzugefügt - aber die Schwerkraft tritt ihnen in keiner Weise bei. 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 „Theory of Everything“ genannt.

Am Anfang war ein Mythos

Graph der Euler-Beta-Funktion für reelle Argumente / ©Flickr

Noch sind nicht alle Physiker von der Stringtheorie begeistert. Und in der Morgendämmerung 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 starken Kernkräfte erklären könnten, den extrem starken „Klebstoff“, der die Atomkerne zusammenhält, indem er Protonen und Neutronen aneinander bindet. Der Legende nach stieß er einst auf ein verstaubtes Buch über die Geschichte der Mathematik, in dem er eine 200 Jahre alte Funktion fand, die erstmals vom Schweizer Mathematiker Leonhard Euler aufgezeichnet wurde. Stellen Sie sich Venezianos Überraschung vor, als er entdeckte, dass die Euler-Funktion, die lange Zeit nur als mathematische Kuriosität galt, diese starke Wechselwirkung beschreibt.

Wie war es wirklich? Die Formel war wahrscheinlich das Ergebnis langjähriger Arbeit von Veneziano, und der Fall trug nur dazu bei, den ersten Schritt zur Entdeckung der Stringtheorie zu tun. Die Euler-Funktion, die auf wundersame Weise die starke Kraft erklärte, hat ein neues Leben gefunden.

Schließlich erregte sie die Aufmerksamkeit eines jungen amerikanischen theoretischen Physikers, Leonard Susskind, der sah, dass die Formel hauptsächlich Teilchen beschrieb, die keine innere Struktur hatten und schwingen konnten. Diese Teilchen verhielten sich so, dass sie nicht einfach nur Punktteilchen sein konnten. Susskind verstand – die Formel beschreibt einen Faden, der wie ein Gummiband ist. Sie konnte sich nicht nur dehnen und schrumpfen, sondern auch oszillieren, sich winden. Nach der Beschreibung seiner Entdeckung stellte Susskind die revolutionäre Idee der Saiten vor.

Leider nahm die überwältigende Mehrheit seiner Kollegen die Theorie eher kühl auf.

Standardmodell

Zu dieser Zeit stellte die Mainstream-Wissenschaft Teilchen als Punkte dar, nicht als Fäden. Seit Jahren untersuchen Physiker das Verhalten subatomarer Teilchen, lassen sie mit hoher Geschwindigkeit kollidieren und untersuchen die Folgen dieser Kollisionen. Es stellte sich heraus, dass das Universum viel reicher ist, als man sich vorstellen kann. Es war eine regelrechte „Bevölkerungsexplosion“ von Elementarteilchen. Doktoranden der Physikuniversitäten rannten durch die Korridore und riefen, sie hätten ein neues Teilchen entdeckt – es gab nicht einmal genug Buchstaben, um sie zu benennen.

Aber leider konnten Wissenschaftler in der "Entbindungsklinik" neuer Teilchen keine Antwort auf die Frage finden - warum gibt es so viele von ihnen und woher kommen sie?

Das veranlasste Physiker zu einer ungewöhnlichen und verblüffenden Vorhersage: Sie erkannten, dass sich die in der Natur wirkenden Kräfte auch mit Teilchen erklären lassen. Das heißt, es gibt Materieteilchen und Teilchenträger von Wechselwirkungen. Dies ist zum Beispiel ein Photon - ein Lichtteilchen. Je mehr dieser Trägerteilchen – 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. Damit sind die Physiker Einsteins Traum vom Zusammenschluss ein Stück näher gekommen.

Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Partikeln im Standardmodell / ©Wikimedia Commons

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

Obwohl all dies noch auf seinen Beweis wartet, hat die Quantenmechanik plötzlich erklärt, wie drei der vier Kräfte auf subatomarer Ebene zusammenwirken. Und sie hat es schön und konsequent erklärt. Dieses harmonische Bild der Wechselwirkungen wurde schließlich als Standardmodell bezeichnet. Aber leider gab es sogar in dieser perfekten Theorie ein großes Problem – sie beinhaltete nicht die berühmteste Kraft der Makroebene – die Schwerkraft.

Graviton

Für die Stringtheorie, die keine Zeit zum "Blühen" hatte, kam der "Herbst", sie enthielt von Anfang an zu viele Probleme. Beispielsweise sagten die Berechnungen der Theorie die Existenz von Teilchen voraus, die, wie sich bald herausstellte, nicht existierten. Das ist das sogenannte Tachyon – ein Teilchen, das sich im Vakuum schneller als Licht bewegt. Unter anderem stellte sich heraus, dass die Theorie bis zu 10 Dimensionen erfordert. Es ist nicht verwunderlich, dass dies den Physikern sehr peinlich war, denn es ist offensichtlich mehr als das, was wir sehen.

1973 kämpften 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 ungezogenen Gleichungen zu zähmen, aber ohne Erfolg. Neben anderen Problemen beschrieb eine dieser Gleichungen hartnäckig ein mysteriöses Teilchen, das keine Masse hatte und in der Natur nicht beobachtet wurde.

Der Wissenschaftler hatte bereits beschlossen, sein desaströses Geschäft aufzugeben, und dann dämmerte es ihm - vielleicht beschreiben die Gleichungen der Stringtheorie unter anderem die Schwerkraft? Dies implizierte jedoch eine Überarbeitung der Abmessungen der wichtigsten "Helden" der Theorie - der Saiten. Indem sie annahmen, dass Strings Milliarden und Abermilliarden Mal kleiner als ein Atom sind, machten die „Stringer“ den Fehler 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 es ermöglichen würde, die Schwerkraft auf die Quantenebene zu übertragen. So hat die Stringtheorie dem Puzzle Gravitation hinzugefügt, die im Standardmodell fehlt. Aber leider reagierte nicht einmal die wissenschaftliche Gemeinschaft auf diese Entdeckung. Die Stringtheorie blieb am Rande des Überlebens. Aber das hielt Schwartz nicht auf. Nur ein Wissenschaftler, der bereit war, seine Karriere für mysteriöse Fäden zu riskieren, wollte sich seiner Suche anschließen - Michael Green.

Amerikanischer theoretischer Physiker John Schwartz und Michael Green

Welchen Grund 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 man früher dachte, sondern im Gegenteil beschleunigt. Diese Beschleunigung wird durch die Wirkung einer speziellen „Antigravitation“ erklärt, die irgendwie charakteristisch für den leeren Raum des kosmischen Vakuums ist. Andererseits kann es auf der Quantenebene nichts absolut „leeres“ geben – subatomare Teilchen erscheinen ständig und verschwinden sofort im Vakuum. Es wird angenommen, dass dieses „Flimmern“ von Partikeln für die Existenz von dunkler „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 vorhersagte) nicht akzeptierte und die Existenz dieser Energieform vorschlug. Der Tradition von Aristoteles' klassischer griechischer Philosophie mit ihrem Glauben an die Ewigkeit der Welt folgend, weigerte sich Einstein zu glauben, was seine eigene Theorie voraussagte, 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 stellte sich einige Jahre später heraus, 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 existiert, obwohl ihre Dichte viel geringer ist als die von Einstein vorgeschlagene (das Problem der dunklen Energiedichte ist übrigens eines der größten Rätsel der modernen Physik). Aber egal, wie klein der Wert der kosmologischen Konstante ist, er reicht völlig aus, um sicherzustellen, dass Quanteneffekte in der Gravitation existieren.

Subatomare Nistpuppen

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

Jedes Atom besteht bekanntlich aus noch kleineren Teilchen, Elektronen, die um einen Kern aus Protonen und Neutronen kreisen. Protonen und Neutronen wiederum bestehen aus noch kleineren Teilchen, den sogenannten Quarks. Aber die Stringtheorie sagt, dass sie nicht mit Quarks endet. Quarks bestehen aus winzigen, sich schlängelnden Energiefäden, die Saiten ähneln. Jede dieser Saiten ist unvorstellbar klein. So klein, dass, wenn das Atom auf die Größe des Sonnensystems vergrößert würde, die Schnur die Größe eines Baumes hätte. Genauso wie die unterschiedlichen Schwingungen einer Cellosaite das erzeugen, was wir als unterschiedliche Musiknoten hören, verleihen die unterschiedlichen Arten (Modi) der Schwingung einer Saite den Partikeln ihre einzigartigen Eigenschaften – Masse, Ladung und so weiter. Wissen Sie, wie sich relativ gesehen die Protonen in Ihrer Nagelspitze von dem noch nicht entdeckten Graviton unterscheiden? Nur die Reihe winziger Saiten, aus denen sie bestehen, und wie diese Saiten vibrieren.

Das alles ist natürlich mehr als erstaunlich. Seit der griechischen Antike haben sich die Physiker daran gewöhnt, dass alles auf dieser Welt aus so etwas wie Kugeln, winzigen Teilchen, besteht. Und jetzt, da sie keine Zeit haben, sich an das unlogische Verhalten dieser Kugeln zu gewöhnen, das aus der Quantenmechanik folgt, werden sie aufgefordert, das Paradigma ganz zu verlassen und mit einer Art Spaghetti-Zutaten zu operieren ...

Fünfte Dimension

Obwohl viele Wissenschaftler die Stringtheorie als den Triumph der Mathematik bezeichnen, bleiben einige Probleme bestehen – vor allem das Fehlen jeglicher Möglichkeit, sie in naher Zukunft experimentell zu testen. Kein einziges Instrument auf der Welt, ob es existiert oder perspektivisch erscheinen kann, ist nicht in der Lage, die Saiten zu „sehen“. Manche Wissenschaftler stellen sich deshalb übrigens sogar die Frage: Ist die Stringtheorie eine Theorie der Physik oder der Philosophie?... Stimmt, es ist überhaupt nicht nötig, die Saiten „mit eigenen Augen“ zu sehen. Was zum Beweis der Stringtheorie erforderlich ist, ist eher etwas anderes – was nach Science-Fiction klingt – die Bestätigung der Existenz zusätzlicher Dimensionen des Raums.

Um was geht es hierbei? Wir sind alle an die drei Dimensionen des Raumes und der Einmaligkeit 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 1919 auf den Kopf des damals noch unbekannten deutschen Mathematikers Theodor Kalutz. Er schlug die Möglichkeit der Anwesenheit einer anderen Dimension in unserem Universum vor, die wir nicht sehen. Albert Einstein hörte von dieser Idee und fand sie anfangs sehr gut. Später bezweifelte er jedoch seine Richtigkeit und verzögerte Kaluzas Veröffentlichung um bis zu zwei Jahre. Letztlich wurde der Artikel aber trotzdem veröffentlicht, und die Extradimension wurde zu einer Art Leidenschaft für das Genie der Physik.

Wie Sie wissen, hat Einstein gezeigt, dass die Schwerkraft nichts anderes ist als eine Verformung von Raum-Zeit-Messungen. Kaluza schlug vor, dass Elektromagnetismus auch Wellen sein könnten. Warum sehen wir es nicht? Kaluza fand die Antwort auf diese Frage – die Wellen des Elektromagnetismus können in einer zusätzlichen, verborgenen Dimension existieren. Aber wo ist es?

Die Antwort auf diese Frage wurde vom schwedischen Physiker Oscar Klein gegeben, der vorschlug, dass die fünfte Dimension von Kaluza milliardenfach mehr gefaltet ist als die Größe eines einzelnen Atoms, sodass wir sie nicht sehen können. Die Idee, dass diese winzige Dimension überall um uns herum existiert, ist das Herzstück der Stringtheorie.

Eine der vorgeschlagenen Formen von zusätzlichen wirbelnden Dimensionen. In jeder dieser Formen vibriert und bewegt sich eine Saite – der Hauptbestandteil des Universums. Jede Form ist sechsdimensional – entsprechend der Anzahl sechs zusätzlicher Dimensionen / © Wikimedia Commons

zehn Dimensionen

Aber tatsächlich erfordern die Gleichungen der Stringtheorie nicht einmal eine, sondern sechs zusätzliche Dimensionen (insgesamt sind es bei vier uns bekannten genau 10). Alle von ihnen haben eine sehr verdrehte und verdrehte komplexe Form. Und alles ist unvorstellbar klein.

Wie können diese winzigen Dimensionen unsere große Welt beeinflussen? Nach der Stringtheorie entscheidend: Für sie wird alles durch die Form bestimmt. Wenn Sie verschiedene Tasten auf dem Saxophon spielen, erhalten Sie unterschiedliche Klänge. Denn wenn Sie eine bestimmte Taste oder Tastenkombination drücken, verändern Sie die Form des Raums im Musikinstrument, in dem die Luft zirkuliert. Aus diesem Grund werden verschiedene Klänge geboren.

Die Stringtheorie legt nahe, dass sich die zusätzlichen verdrehten und verdrehten Dimensionen des Raums auf ähnliche Weise zeigen. Die Formen dieser zusätzlichen Dimensionen sind komplex und vielfältig, und jede bewirkt, dass die Saite innerhalb dieser Dimensionen genau aufgrund ihrer Form auf unterschiedliche Weise vibriert. Denn wenn wir zum Beispiel annehmen, dass eine Saite in einem Krug schwingt und die andere in einem gebogenen Posthorn, dann sind das ganz andere Schwingungen. Glaubt man jedoch der Stringtheorie, sehen die Formen der Extradimensionen in Wirklichkeit viel komplizierter aus als ein Krug.

Wie die Welt funktioniert

Die Wissenschaft kennt heute eine Reihe von Zahlen, die die fundamentalen Konstanten des Universums sind. Sie bestimmen die Eigenschaften und Eigenschaften von allem um uns herum. Unter solchen Konstanten sind zum Beispiel die Ladung eines Elektrons, die Gravitationskonstante, die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ... Und wenn wir diese Zahlen auch nur geringfügig ändern, werden die Folgen katastrophal sein. Angenommen, wir haben die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung erhöht. Was ist passiert? Wir können plötzlich feststellen, dass die Ionen abstoßender geworden sind und die Kernfusion, die Sterne zum Leuchten bringt und Wärme abstrahlt, plötzlich versagt hat. Alle Sterne werden ausgehen.

Aber was ist mit der Stringtheorie mit ihren zusätzlichen Dimensionen? Tatsache ist, dass es demnach die zusätzlichen Dimensionen sind, die den genauen Wert der Fundamentalkonstanten bestimmen. Einige Messmethoden bringen eine Saite auf eine bestimmte Weise zum Schwingen und erzeugen das, was wir als Photon sehen. Bei anderen Formen schwingen die Saiten anders und erzeugen ein Elektron. Wahrlich, Gott liegt in den „kleinen Dingen“ – es sind diese winzigen Formen, die alle grundlegenden Konstanten dieser Welt bestimmen.

Superstring-Theorie

Mitte der 1980er Jahre nahm die Stringtheorie ein majestätisches und schlankes Aussehen an, aber innerhalb dieses Monuments herrschte Verwirrung. In nur wenigen Jahren sind bis zu fünf Versionen der Stringtheorie entstanden. Und obwohl jede von ihnen auf Saiten und Extradimensionen aufgebaut ist (alle fünf Versionen sind in der allgemeinen Theorie der Superstrings - NS vereint), weichen diese Versionen in Details erheblich voneinander ab.

In einigen Versionen hatten die Saiten also offene Enden, in anderen sahen sie wie Ringe aus. Und in einigen Versionen erforderte die Theorie sogar nicht 10, sondern bis zu 26 Messungen. Das Paradoxe ist, dass alle fünf Versionen heute als gleichermaßen wahr bezeichnet werden können. Aber welche beschreibt wirklich unser Universum? Dies ist ein weiteres Mysterium der Stringtheorie. Deshalb winkten viele Physiker erneut gegen die „verrückte“ Theorie ab.

Aber das Hauptproblem von Saiten ist, wie bereits erwähnt, die Unmöglichkeit (zumindest vorerst), ihre Anwesenheit experimentell nachzuweisen.

Einige Wissenschaftler sagen jedoch immer noch, dass es bei der nächsten Generation von Beschleunigern eine sehr minimale, aber dennoch Gelegenheit gibt, die Hypothese zusätzlicher Dimensionen zu testen. Obwohl sich die Mehrheit natürlich sicher ist, dass dies, wenn dies möglich ist, leider nicht sehr bald geschehen sollte - zumindest in Jahrzehnten, höchstens - sogar in hundert Jahren.

Hast du jemals gedacht, dass das Universum wie ein Cello ist? Das ist richtig - kam nicht. Denn das Universum ist nicht wie ein Cello. Aber das bedeutet nicht, dass sie 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 sind eher wie winzige "Gummibänder", die sich in jeder Hinsicht winden, dehnen und schrumpfen können.
. All dies bedeutet jedoch nicht, dass es unmöglich ist, die Symphonie des Universums auf ihnen zu „spielen“, denn laut Stringtheoretikern besteht alles, was existiert, aus diesen „Fäden“.

Physik widerspruch.
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts schien es den Physikern, dass in ihrer Wissenschaft nichts Ernsthaftes mehr zu entdecken sei. Die klassische Physik glaubte, dass es keine ernsthaften Probleme mehr darin gäbe, und die gesamte Struktur der Welt sah aus wie eine perfekt abgestimmte und vorhersehbare Maschine. Der Ärger geschah wie üblich wegen Unsinn - einer der kleinen "Wolken", die noch am klaren, verständlichen Himmel der Wissenschaft verblieben. Nämlich bei der Berechnung der Strahlungsenergie eines schwarzen Körpers (ein hypothetischer Körper, der bei jeder Temperatur die auf ihn einfallende Strahlung unabhängig von der Wellenlänge vollständig absorbiert - NS. Berechnungen ergaben, dass die gesamte Strahlungsenergie eines schwarzen Körpers unendlich groß sein muss. Um zu entkommen Aus solch einer offensichtlichen Absurdität schlug der deutsche Wissenschaftler Max Planck im Jahr 1900 vor, dass sichtbares Licht, Röntgenstrahlen und andere elektromagnetische Wellen nur von bestimmten diskreten Energieportionen emittiert werden können, die er Quanten nannte. Mit ihrer Hilfe war es möglich, das Problem zu lösen Das besondere Problem eines vollständig schwarzen Körpers Die Quantenhypothese für den Determinismus wurde noch nicht verwirklicht, bis 1926 ein anderer deutscher Wissenschaftler, Werner Heisenberg, die berühmte Unschärferelation formulierte.

Ihre Essenz läuft darauf hinaus, dass entgegen allen bisher vorherrschenden Aussagen die Natur unsere Fähigkeit, die Zukunft auf der Grundlage physikalischer Gesetze vorherzusagen, einschränkt. Hier geht es natürlich um die Zukunft und Gegenwart subatomarer Teilchen. Es stellte sich heraus, dass sie sich völlig anders verhalten als alle anderen Dinge im Makrokosmos um uns herum. Auf der subatomaren Ebene wird das Raumgefüge uneben und chaotisch. Die Welt der winzigen Teilchen ist so turbulent und unverständlich, dass sie dem gesunden Menschenverstand widerspricht. Raum und Zeit sind darin so verdreht und verflochten, dass es keine gewöhnlichen Konzepte von links und rechts, oben und unten und sogar davor und danach gibt. Es ist nicht sicher zu sagen, an welchem Punkt im Raum sich dieses oder jenes Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet und in welchem Moment sein Impuls liegt. Es gibt nur eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen in einer Reihe von Regionen der Raumzeit zu finden. Teilchen auf subatomarer Ebene scheinen über den Weltraum "verschmiert" zu sein. Darüber hinaus ist der "Status" der Partikel selbst nicht definiert: In einigen Fällen verhalten sie sich wie Wellen, in anderen weisen sie die Eigenschaften von Partikeln auf. Das nennen Physiker den Welle-Teilchen-Dualismus der Quantenmechanik.

In der allgemeinen Relativitätstheorie, wie in einem Zustand mit entgegengesetzten Gesetzen, liegen die Dinge grundlegend anders. Der Raum scheint wie ein Trampolin zu sein – ein glattes Gewebe, das von Objekten mit Masse gebogen und gedehnt werden kann. Sie erzeugen Deformationen des Raumes – der Zeit – was wir als Schwerkraft erfahren. Unnötig zu erwähnen, dass die kohärente, korrekte und vorhersagbare allgemeine Relativitätstheorie in einem unlösbaren Konflikt mit dem „exzentrischen Hooligan“ steht – der Quantenmechanik, und infolgedessen kann sich der Makrokosmos nicht mit dem Mikrokosmos „versöhnen“. Hier kommt die Stringtheorie ins Spiel.

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

Otho beschreibt eine der berühmtesten Kräfte im Universum – die Schwerkraft. Die Quantenmechanik beschreibt drei weitere Kräfte: die starke Kernkraft, die Protonen und Neutronen in Atomen zusammenhält, 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 die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung eine gemeinsame Natur haben, indem sie zu einer einzigen elektroschwachen kombiniert wurden. Anschließend wurde ihnen eine starke nukleare Wechselwirkung hinzugefügt - aber die Schwerkraft tritt ihnen in keiner Weise bei. 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 „Theory of Everything“ genannt.

Am Anfang war ein Mythos.
Noch sind nicht alle Physiker von der Stringtheorie begeistert. Und in der Morgendämmerung 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 starken Kernkräfte erklären könnten – ein extrem starker „Kleber“, der die Kerne von Atomen zusammenhält, indem er Protonen und Neutronen aneinander bindet. Der Legende nach stieß er einst auf ein verstaubtes Buch über die Geschichte der Mathematik, in dem er eine 200 Jahre alte Gleichung fand, die erstmals vom Schweizer Mathematiker Leonhard Euler geschrieben worden war. Was war die Überraschung des Venezianers, als er entdeckte, dass die Euler-Gleichung, die lange Zeit nur als mathematisches Kuriosum galt, diese starke Wechselwirkung beschreibt.

Wie war es wirklich? Die Gleichung war wahrscheinlich das Ergebnis langjähriger Arbeit des Venezianers, und der Fall trug nur dazu bei, den ersten Schritt zur Entdeckung der Stringtheorie zu tun. Eulers Gleichung, die auf wundersame Weise die starke Kraft erklärt, hat ein neues Leben gefunden.

Am Ende erregte sie die Aufmerksamkeit eines jungen amerikanischen theoretischen Physikers, Leonard Susskind, der sah, dass die Formel zuallererst Teilchen beschrieb, die keine innere Struktur hatten und schwingen konnten. Diese Teilchen verhielten sich so, dass sie nicht einfach nur Punktteilchen sein konnten. Susskind verstand – die Formel beschreibt einen Faden, der wie ein Gummiband ist. Sie konnte sich nicht nur dehnen und schrumpfen, sondern auch oszillieren, sich winden. Nach der Beschreibung seiner Entdeckung stellte Susskind die revolutionäre Idee der Saiten vor.

Leider nahm die überwältigende Mehrheit seiner Kollegen die Theorie eher kühl auf.

Standardmodell.
Zu dieser Zeit stellte die Mainstream-Wissenschaft Teilchen als Punkte dar, nicht als Fäden. Seit Jahren untersuchen Physiker das Verhalten subatomarer Teilchen, lassen sie mit hoher Geschwindigkeit kollidieren und untersuchen die Folgen dieser Kollisionen. Es stellte sich heraus, dass das Universum viel reicher ist, als man sich vorstellen kann. Es war eine regelrechte „Bevölkerungsexplosion“ von Elementarteilchen. Doktoranden der Physikuniversitäten rannten durch die Korridore und riefen, sie hätten ein neues Teilchen entdeckt – es gab nicht einmal genug Buchstaben, um sie zu benennen.

Aber leider konnten Wissenschaftler im "Entbindungsheim" neuer Teilchen keine Antwort auf die Frage finden - warum gibt es so viele von ihnen und woher kommen sie?

Das veranlasste Physiker zu einer ungewöhnlichen und verblüffenden Vorhersage: Sie erkannten, dass sich die in der Natur wirkenden Kräfte auch mit Teilchen erklären lassen. Das heißt, es gibt Materieteilchen und es gibt Teilchen - Träger von Wechselwirkungen. Dies ist zum Beispiel ein Photon - ein Lichtteilchen. Je mehr dieser Teilchen – Träger – die gleichen Photonen, die Materieteilchen austauschen, desto heller ist das Licht. Wissenschaftler haben vorhergesagt, dass dieser besondere Austausch von Teilchen – Trägern – nichts anderes ist als das, was wir als Kraft wahrnehmen. Dies wurde durch Experimente bestätigt. Damit sind die Physiker Einsteins Traum vom Zusammenschluss ein Stück näher gekommen.

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

Obwohl all dies noch auf seinen Beweis wartet, hat die Quantenmechanik plötzlich erklärt, wie drei der vier Kräfte auf subatomarer Ebene zusammenwirken. Und sie hat es schön und konsequent erklärt. Dieses harmonische Interaktionsmuster wurde schließlich als Standardmodell bekannt. Aber leider gab es in dieser perfekten Theorie ein großes Problem – sie beinhaltete nicht die berühmteste Kraft der Makroebene – die Schwerkraft.

Graviton.
Für die Stringtheorie, die keine Zeit zum "Blühen" hatte, kam der "Herbst", sie enthielt von Anfang an zu viele Probleme. Beispielsweise sagten die Berechnungen der Theorie die Existenz von Teilchen voraus, die, wie sich bald herausstellte, nicht existierten. Das ist das sogenannte Tachyon – ein Teilchen, das sich im Vakuum schneller als Licht bewegt. Unter anderem stellte sich heraus, dass die Theorie bis zu 10 Dimensionen erfordert. Es ist nicht verwunderlich, dass dies den Physikern sehr peinlich war, denn es ist offensichtlich mehr als das, was wir sehen.

Der Wissenschaftler hatte bereits beschlossen, sein desaströses Geschäft aufzugeben, und dann dämmerte es ihm - vielleicht beschreiben die Gleichungen der Stringtheorie unter anderem die Schwerkraft? Dies implizierte jedoch eine Überarbeitung der Abmessungen der wichtigsten "Helden" der Theorie - der Saiten. Indem sie annahmen, dass Strings Milliarden und Abermilliarden Mal kleiner als ein Atom sind, machten die „Stringers“ den Fehler 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 es ermöglichen würde, die Schwerkraft auf die Quantenebene zu übertragen. So hat die Stringtheorie dem Puzzle Gravitation hinzugefügt, die im Standardmodell fehlt. Aber leider reagierte nicht einmal die wissenschaftliche Gemeinschaft auf diese Entdeckung. Die Stringtheorie blieb am Rande des Überlebens. Aber das hielt Schwartz nicht auf. Nur ein Wissenschaftler, der bereit war, seine Karriere für die mysteriösen Fäden zu riskieren, wollte sich seiner Suche anschließen - Michael Green.

Subatomare Nistpuppen.
Trotz allem hatte die Stringtheorie in den frühen 1980er Jahren noch unlösbare Widersprüche, die in der Wissenschaft Anomalien genannt wurden. Schwartz und Green machten sich daran, sie zu beseitigen. Und ihre Bemühungen waren nicht umsonst: Den Wissenschaftlern gelang es, einige der Widersprüche der Theorie zu beseitigen. Stellen Sie sich das Erstaunen dieser beiden vor, die bereits daran gewöhnt sind, dass ihre Theorie ignoriert wird, als die Reaktion der wissenschaftlichen Gemeinschaft die wissenschaftliche Welt in die Luft jagte. In weniger als einem Jahr stieg die Zahl der Stringtheoretiker auf Hunderte an. Damals wurde der Stringtheorie der Titel der Theorie von allem verliehen. Die neue Theorie schien in der Lage zu sein, alle Bestandteile des Universums zu beschreiben. Und hier sind die Zutaten.

Jedes Atom besteht bekanntlich aus noch kleineren Teilchen - Elektronen, die um den Kern kreisen, der aus Protonen und Neutronen besteht. Protonen und Neutronen wiederum bestehen aus noch kleineren Teilchen, den sogenannten Quarks. Aber die Stringtheorie sagt, dass sie nicht mit Quarks endet. Quarks bestehen aus winzigen, sich schlängelnden Energiefäden, die Saiten ähneln. Jede dieser Saiten ist unvorstellbar klein. So klein, dass, wenn das Atom auf die Größe des Sonnensystems vergrößert würde, die Schnur die Größe eines Baumes hätte. So wie unterschiedliche Vibrationen einer Cellosaite das erzeugen, was wir hören, wie unterschiedliche Musiknoten, verleihen unterschiedliche Arten (Modi) der Vibration einer Saite Partikeln ihre einzigartigen Eigenschaften - Masse, Ladung und so weiter. Wissen Sie, wie sich relativ gesehen die Protonen in Ihrer Nagelspitze von dem noch nicht entdeckten Graviton unterscheiden? Nur die Reihe winziger Saiten, aus denen sie bestehen, und wie diese Saiten vibrieren.

Das alles ist natürlich mehr als erstaunlich. Seit der griechischen Antike haben sich Physiker daran gewöhnt, dass alles auf dieser Welt aus so etwas wie Kugeln, winzigen Teilchen, besteht. Und jetzt, da sie keine Zeit haben, sich an das unlogische Verhalten dieser Kugeln zu gewöhnen, das aus der Quantenmechanik folgt, werden sie aufgefordert, das Paradigma ganz zu verlassen und mit ein paar Spaghetti-Resten zu operieren.

Wie die Welt funktioniert.
Die Wissenschaft kennt heute eine Reihe von Zahlen, die die fundamentalen Konstanten des Universums sind. Sie bestimmen die Eigenschaften und Eigenschaften von allem um uns herum. Zu solchen Konstanten gehören beispielsweise die Elektronenladung, die Gravitationskonstante, die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Und wenn wir diese Zahlen auch nur geringfügig ändern, werden die Folgen katastrophal sein. Angenommen, wir haben die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung erhöht. Was ist passiert? Wir können plötzlich feststellen, dass die Ionen abstoßender geworden sind und die Kernfusion, die Sterne zum Leuchten bringt und Wärme abstrahlt, plötzlich versagt hat. Alle Sterne werden ausgehen.

Superstring-Theorie.
Mitte der 1980er Jahre nahm die Stringtheorie ein majestätisches und schlankes Aussehen an, aber innerhalb dieses Monuments herrschte Verwirrung. In nur wenigen Jahren sind bis zu fünf Versionen der Stringtheorie entstanden. Und obwohl jede von ihnen auf Saiten und Extradimensionen aufgebaut ist (alle fünf Versionen sind in der allgemeinen Theorie der Superstrings - NS vereint), weichen diese Versionen in Details erheblich voneinander ab.

In einigen Versionen hatten die Saiten also offene Enden, in anderen sahen sie wie Ringe aus. Und in einigen Versionen erforderte die Theorie sogar nicht 10, sondern bis zu 26 Messungen. Das Paradoxe ist, dass alle fünf Versionen heute als gleichermaßen wahr bezeichnet werden können. Aber welches beschreibt eigentlich unser Universum? Dies ist ein weiteres Mysterium der Stringtheorie. Deshalb winkten viele Physiker erneut der "Crazy"-Theorie zu.