String-Universum. Stringtheorie und die verborgenen Dimensionen des Universums - Existenzbeweise

Eine schöne poetische Phrase "Stringtheorie" ist eine der Richtungen in der theoretischen Physik, die die Ideen der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik kombiniert. Dieser Zweig der Physik befasst sich mit der Untersuchung von Quantenstrings – also eindimensional ausgedehnten Objekten. Dies ist der Hauptunterschied zu vielen anderen Zweigen der Physik, in denen die Dynamik von Punktteilchen untersucht wird.

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

Die Mathematik hat sie einfach nicht gefunden – die Stringtheorie lässt sich empirisch nicht beweisen. Es gab zwar Versuche, eine universelle Theorie zu entwickeln, damit sie praktisch getestet werden kann. Aber dazu muss es so vereinfacht werden, dass es unsere Wahrnehmungsebene der Realität erreicht. Dann verliert die Idee der Überprüfung komplett ihre Bedeutung.

Grundlegende Kriterien und Konzepte der Stringtheorie

Die Relativitätstheorie besagt, dass unser Universum eine Ebene ist, und die Quantenmechanik besagt, dass es auf der Mikroebene eine unendliche Bewegung gibt, aufgrund derer der Raum gekrümmt ist. Und die Stringtheorie versucht, diese beiden Annahmen zu kombinieren, und dementsprechend werden Elementarteilchen als spezielle Komponenten in der Zusammensetzung jedes Atoms dargestellt - die ursprünglichen Strings, die eine Art ultramikroskopischer Fasern sind. Gleichzeitig haben Elementarteilchen Eigenschaften, die die Resonanzschwingung der Fasern erklären, die diese Teilchen bilden. Solche Fasertypen führen Schwingungen in unendlicher Zahl aus.

Für ein genaueres Verständnis der Essenz kann sich ein einfacher Laie die Saiten gewöhnlicher Musikinstrumente vorstellen, die zu unterschiedlichen Zeiten gedehnt, erfolgreich gefaltet und ständig vibriert werden können. Fäden, die bei bestimmten Schwingungen miteinander wechselwirken, haben die gleichen Eigenschaften.

Die Fäden rollen in Standardschleifen und bilden größere Arten von Teilchen - Quarks, Elektronen, deren Masse bereits direkt vom Spannungsniveau und der Schwingungsfrequenz der Fasern abhängt. Die Saitenenergie wird also mit diesen Kriterien korreliert. Die Masse der Elementarteilchen wird mit einer größeren Menge an Strahlungsenergie höher sein.

Aktuelle Probleme in der Stringtheorie

Beim Studium der Stringtheorie stießen Wissenschaftler aus vielen Ländern regelmäßig auf eine Reihe von Problemen und ungelösten Fragen. Der wichtigste Punkt kann als das Fehlen mathematischer Formeln angesehen werden, daher ist es Spezialisten noch nicht gelungen, der Theorie eine vollständige Form zu geben.

Das zweite bedeutende Problem ist die Bestätigung durch das Wesen der Theorie des Vorhandenseins von 10 Dimensionen, obwohl wir tatsächlich nur 4 von ihnen fühlen können. Vermutlich existieren die restlichen 6 von ihnen in einem verdrehten Zustand, und es ist nicht möglich, sie in Echtzeit zu fühlen. Obwohl die Widerlegung der Theorie grundsätzlich unmöglich ist, scheint eine experimentelle Bestätigung daher immer noch ziemlich schwierig.

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

Daher wird die Forschung zur Stringtheorie ununterbrochen fortgesetzt, und das Ergebnis zahlreicher Experimente, einschließlich Tests am Large Hadron Collider, könnten die fehlenden Konzepte und Elemente sein. In diesem Fall wird die physikalische Theorie ein absolut bewiesenes und allgemein anerkanntes Phänomen sein.

Schlüsselfrage:

Was sind die grundlegenden Bestandteile des Universums – die „ersten Bausteine der Materie“? Gibt es Theorien, die alle grundlegenden physikalischen Phänomene erklären können?

Frage: Ist es echt?

Heute und in absehbarer Zukunft ist eine direkte Beobachtung in so kleinem Maßstab nicht möglich. Die Physik ist auf der Suche, und laufende Experimente, zum Beispiel zum Nachweis supersymmetrischer Teilchen oder zur Suche nach zusätzlichen Dimensionen in Beschleunigern, könnten darauf hindeuten, dass die Stringtheorie auf dem richtigen Weg ist.

Unabhängig davon, ob die Stringtheorie die Theorie von allem ist oder nicht, gibt sie uns ein einzigartiges Instrumentarium an die Hand, um in die tiefen Strukturen der Realität zu blicken.

Stringtheorie

Makro und Mikro

Bei der Beschreibung des Universums teilt die Physik es in zwei scheinbar unvereinbare Hälften – den Quantenmikrokosmos und den Makrokosmos, in dem die Schwerkraft beschrieben wird.

Die Stringtheorie ist ein umstrittener Versuch, diese Hälften zu einer „Theory of Everything“ zusammenzufügen.

Teilchen und Wechselwirkungen

Die Welt besteht aus zwei Arten von Elementarteilchen - Fermionen und Bosonen. Fermionen sind alle beobachtbare Materie, und Bosonen sind Träger der vier bekannten grundlegenden Wechselwirkungen: schwach, elektromagnetisch, stark und gravitativ. Im Rahmen einer Theorie namens "Standardmodell" gelang es den Physikern, drei grundlegende Wechselwirkungen elegant zu beschreiben und zu testen, alle außer der schwächsten - der Gravitation. Bis heute ist das Standardmodell das genaueste und experimentell bestätigte Modell unserer Welt.

Warum Stringtheorie benötigt wird

Das Standardmodell beinhaltet keine Schwerkraft, kann das Zentrum eines Schwarzen Lochs und den Urknall nicht beschreiben und erklärt nicht die Ergebnisse einiger Experimente. Die Stringtheorie ist ein Versuch, diese Probleme zu lösen und Materie und Wechselwirkungen zu vereinheitlichen, indem sie Elementarteilchen durch winzige schwingende Fäden ersetzt.

Die Stringtheorie basiert auf der Idee, dass alle Elementarteilchen als ein elementarer „erster Baustein“ – ein String – dargestellt werden können. Saiten können schwingen, und verschiedene Arten solcher Schwingungen in großer Entfernung werden uns wie verschiedene Elementarteilchen erscheinen. Ein Schwingungsmodus lässt die Saite wie ein Photon aussehen, der andere lässt sie wie ein Elektron aussehen.

Es gibt sogar eine Mod, die den Träger der Gravitationswechselwirkung beschreibt – das Graviton! Versionen der Stringtheorie beschreiben zwei Typen von Strings: offen (1) und geschlossen (2). Offene Saiten haben zwei Enden (3), die sich an membranähnlichen Strukturen befinden, die als D-Branes bezeichnet werden, und ihre Dynamik beschreibt drei der vier grundlegenden Wechselwirkungen – alle außer der Gravitation.

Geschlossene Saiten ähneln Schleifen, sie sind nicht an D-Branes gebunden - es sind die Schwingungsmodi geschlossener Saiten, die durch ein masseloses Graviton repräsentiert werden. Die Enden eines offenen Fadens können sich verbinden und einen geschlossenen Faden bilden, der wiederum brechen, in einen offenen übergehen oder zusammenkommen und sich in zwei geschlossene Saiten aufspalten kann (5) - daher in der Stringtheorie die Gravitationswechselwirkung wird mit allen anderen kombiniert

Strings sind die kleinsten Objekte, mit denen die Physik arbeitet. Der Größenbereich V der im Bild oben gezeigten Objekte erstreckt sich über 34 Größenordnungen – wenn ein Atom die Größe des Sonnensystems hätte, dann könnte die Größe eines Strings etwas größer sein als ein Atomkern.

Zusätzliche Messungen

Konsistente Stringtheorien sind nur im höherdimensionalen Raum möglich, wo neben den bekannten 4 Raum-Zeit-Dimensionen noch 6 weitere Dimensionen benötigt werden. Theoretiker glauben, dass diese zusätzlichen Dimensionen in unmerklich kleine Formen gefaltet werden – Calabi-Yau-Räume. Eines der Probleme der Stringtheorie besteht darin, dass es eine nahezu unendliche Anzahl von Varianten der Calabi-Yau-Faltung (Kompaktifizierung) gibt, die jede Welt beschreiben können, und es bisher keine Möglichkeit gibt, die Variante der Qi-Kompaktifizierung zu finden, die eine Beschreibung ermöglichen würde das, was wir sehen.

Supersymmetrie

Die meisten Versionen der Stringtheorie erfordern das Konzept der Supersymmetrie, das auf der Idee basiert, dass Fermionen (Materie) und Bosonen (Wechselwirkungen) Manifestationen desselben Objekts sind und sich ineinander verwandeln können.

Theorie von allem?

Die Supersymmetrie kann auf 5 verschiedene Arten in die Stringtheorie integriert werden, was zu 5 verschiedenen Arten von Stringtheorie führt, was bedeutet, dass die Stringtheorie selbst nicht den Anspruch erheben kann, eine "Theorie von allem" zu sein. Alle diese fünf Arten sind durch mathematische Transformationen, die Dualitäten genannt werden, miteinander verbunden, und dies hat zu dem Verständnis geführt, dass all diese Arten Aspekte von etwas Allgemeinerem sind. Diese allgemeinere Theorie wird als M-Theorie bezeichnet.

Es sind 5 verschiedene Formulierungen der Stringtheorie bekannt, aber bei näherer Betrachtung stellt sich heraus, dass sie alle Manifestationen einer allgemeineren Theorie sind

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 blieben. 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 lässt sich nicht mit Sicherheit 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 frenetischen Tanz subatomarer Teilchen, letztendlich 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 „Kleber“, 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 von Venezianos langjähriger Arbeit, 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. Graduierte Studenten 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 bis 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 verschmelzen 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

©California Institute of Technology/elementy.ru

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 wurde einige Jahre später klar, dass das Universum überhaupt keine gefrorene Form ist, sondern sich ausdehnt. Dann gab Einstein die kosmologische Konstante auf und nannte sie „die größte Fehleinschätzung seines Lebens“.

Heute weiß die Wissenschaft, dass dunkle Energie 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 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. 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 als die Größe eines einzelnen Atoms zusammengerollt ist, 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 sich gegenseitig abstoßender geworden sind, und die thermonukleare Fusion, die Sterne zum Leuchten bringt und Wärme abstrahlt, ist plötzlich ausgefallen. 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 zusätzlichen Dimensionen 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, wenn dies möglich ist, dies leider nicht sehr bald geschehen sollte - zumindest in Jahrzehnten, höchstens - sogar in hundert Jahren.

Die Relativitätstheorie stellt das Universum als „flach“ dar, aber die Quantenmechanik sagt, dass es auf der Mikroebene eine unendliche Bewegung gibt, die den Raum krümmt. Die Stringtheorie kombiniert diese Ideen und präsentiert Mikropartikel als Folge der Vereinigung der dünnsten eindimensionalen Strings, die wie punktförmige Mikropartikel aussehen und daher nicht experimentell beobachtet werden können.

Diese Hypothese erlaubt uns, uns die Elementarteilchen, aus denen das Atom besteht, aus ultramikroskopischen Fasern, den so genannten Strings, vorzustellen.

Alle Eigenschaften von Elementarteilchen werden durch die Resonanzschwingung der sie bildenden Fasern erklärt. Diese Fasern können unendlich viele Schwingungen erzeugen. Diese Theorie beinhaltet die Vereinigung der Ideen der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie. Aber aufgrund des Vorhandenseins vieler Probleme bei der Bestätigung der zugrunde liegenden Gedanken glauben die meisten modernen Wissenschaftler, dass die vorgeschlagenen Ideen nichts weiter als die häufigste Obszönität sind, oder mit anderen Worten, Stringtheorie für Dummies, dh für Menschen, die vollständig sind Unkenntnis der Wissenschaft und Struktur der Umwelt.

Eigenschaften ultramikroskopischer Fasern

Um ihre Essenz zu verstehen, können Sie sich die Saiten von Musikinstrumenten vorstellen - sie können vibrieren, sich biegen, falten. Dasselbe passiert mit diesen Fäden, die unter Aussendung bestimmter Schwingungen miteinander interagieren, sich zu Schleifen falten und größere Teilchen (Elektronen, Quarks) bilden, deren Masse von der Schwingungsfrequenz der Fasern und ihrer Spannung abhängt - diese Indikatoren bestimmen die Energie der Saiten. Je größer die eingestrahlte Energie, desto größer die Masse des Elementarteilchens.

Inflationstheorie und Saiten

Nach der Inflationshypothese ist das Universum durch die Ausdehnung des Mikroraums in der Größe einer Schnur (Planck-Länge) entstanden. Als diese Region wuchs, streckten sich auch die sogenannten ultramikroskopischen Filamente, deren Länge nun der Größe des Universums entspricht. Sie interagieren in gleicher Weise miteinander und erzeugen die gleichen Vibrationen und Schwingungen. Es sieht aus wie die Wirkung von Gravitationslinsen, die von ihnen erzeugt werden und die Lichtstrahlen entfernter Galaxien verzerren. Und Längsschwingungen erzeugen Gravitationsstrahlung.

Mathematischer Fehler und andere Probleme

Eines der Probleme ist die mathematische Widersprüchlichkeit der Theorie – die Physiker, die sie studieren, haben nicht genügend Formeln, um sie zu einer vollständigen Form zu bringen. Und zweitens glaubt diese Theorie, dass es 10 Dimensionen gibt, aber wir fühlen nur 4 - Höhe, Breite, Länge und Zeit. Wissenschaftler vermuten, dass sich die verbleibenden 6 in einem verdrehten Zustand befinden, dessen Vorhandensein nicht in Echtzeit zu spüren ist. Das Problem ist auch nicht die Möglichkeit einer experimentellen Bestätigung dieser Theorie, aber sie kann auch niemand widerlegen.

Hast du jemals gedacht, dass das Universum wie ein Cello ist? Richtig, es kam nicht. Denn das Universum ist nicht wie ein Cello. Aber das bedeutet nicht, dass sie keine Saiten hat. Lassen Sie uns heute über die Stringtheorie sprechen.

Physik Kontroverse

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.

Es lässt sich nicht mit Sicherheit 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.

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

2D-Universum. E8-Polyedergraph Theory of Everything

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 mit reellen Argumenten

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

Standardmodell

Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Partikeln im Standardmodell
Graviton

Subatomare Nistpuppen

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.

Fünfte Dimension

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 von sechs zusätzlichen Dimensionen

zehn Dimensionen

Wie die Welt funktioniert

Superstring-Theorie