Superstringtheorie in populärer Sprache. Ist die Stringtheorie die vereinheitlichte Theorie von allem? Die Stringtheorie hat zwei Revolutionen erlebt

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. klassische Physik glaubte, dass ernsthafte Probleme es war nichts mehr darin, 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 dies im Jahr 1900 vor sichtbares Licht, Röntgenstrahlen und andere Elektromagnetische Wellen können nur von bestimmten diskreten Energieportionen ausgesandt werden, 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 die Natur entgegen allen bisher vorherrschenden Aussagen unsere Fähigkeit, die Zukunft vorherzusagen, einschränkt physikalische Gesetze. Natürlich sprechen wir über die Zukunft und die Gegenwart. subatomare Partikel. 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 widerspricht gesunder Menschenverstand. 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 gibt keine Möglichkeit, mit Sicherheit zu sagen, an welchem Punkt im Raum dies der Fall ist dieser Moment dieses oder jenes Teilchen, und was ist der Moment seines Impulses. 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 Welle-Teilchen-Dualismus. Quantenmechanik.

Ebenen der Struktur der Welt: 1. Makroskopische Ebene - Substanz 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 unlösbarem Konflikt mit dem "durchgeknallten Hooligan" steht - Quantenmechanik, und folglich kann sich der Makrokosmos nicht mit dem Mikrokosmos "versöhnen". Hier kommt die Stringtheorie ins Spiel.

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

Theorie von allem

Die Stringtheorie verkörpert den Traum aller Physiker, beide grundlegend zu vereinen widersprüchlich Freund der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik, 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 der subatomaren Teilchen, letztlich durch nur einen Grundton erklärt werden kann physikalisches Prinzip. Vielleicht sogar ein einziges Gesetz, das alle Arten von Energie, Teilchen und Wechselwirkungen in einer eleganten Formel vereint.

Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt eine der berühmtesten Kräfte 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 daran beteiligt ist radioaktiver Zerfall. Jedes Ereignis im Universum, von der Ionisation eines Atoms bis zur Geburt eines Sterns, wird durch die Wechselwirkungen der Materie durch diese vier Kräfte beschrieben.

Mit Hilfe die komplexeste Mathematik gelungen zu zeigen, dass die elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen haben gemeinsame Natur, die sie zu einem einzigen elektroschwachen kombinieren. 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

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 nicht mehr als eine mathematische Kuriosität betrachtet, beschreibt diese starke Wechselwirkung.

Wie war es wirklich? Die Formel ist wahrscheinlich das Ergebnis Jahre Arbeit von Veneziano, und der Fall half nur, den ersten Schritt zur Entdeckung der Stringtheorie zu tun. Euler-Funktion, auf wundersame Weise die starke Wechselwirkung zu erklären, 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“ Elementarteilchen. Doktoranden der Physikuniversitäten rannten durch die Korridore und riefen, sie hätten geöffnet neues Teilchen, - es gab nicht einmal genug Buchstaben, um sie zu bezeichnen. 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 Teilchen-Träger - die gleichen Photonen, die durch Materieteilchen ausgetauscht werden, die helleres 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 /

Wissenschaftler glauben, dass, wenn wir zum Moment unmittelbar danach vorspulen Urknall, als das Universum Billionen Grad heißer war, Teilchen, die Elektromagnetismus tragen und schwache Interaktion werden ununterscheidbar und vereinen sich zu einer einzigen Kraft namens Elektroschwach. 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 bewegt schneller als das Licht. 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 US-amerikanischer Physiker Theoretiker 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 loswerden wollte, fungierte nun als Graviton – ein lange gesuchtes Teilchen, auf das sich die Schwerkraft übertragen ließ Quantenebene. So hat die Stringtheorie dem Puzzle Gravitation hinzugefügt, die im Standardmodell fehlt. Aber leider auch für diese Entdeckung Wissenschaftsgemeinschaft reagierte überhaupt nicht. 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.

Subatomare Nistpuppen

Trotz allem hatte die Stringtheorie Anfang der 1980er Jahre noch unlösbare Widersprüche, 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. Neue Theorie schien in der Lage zu sein, alle Bestandteile des Universums zu beschreiben. Und hier sind die Zutaten.

So klein, dass, wenn das Atom auf die Größe des Sonnensystems vergrößert würde, die Schnur die Größe eines Baumes hätte. So wie die unterschiedlichen Schwingungen einer Cellosaite das erzeugen, was wir als unterschiedliche Musiknoten hören, verschiedene Wege(Moden) Die Schwingungen der Saite geben den Teilchen ihre Einzigartige Eigenschaften Masse, Ladung usw. 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, Strings „mit eigenen Augen“ zu sehen. Um die Stringtheorie zu beweisen, ist vielmehr etwas anderes erforderlich – etwas, wonach sich anhört Science-Fiction- Bestätigung der Existenz zusätzlicher Raumdimensionen.

Worüber fraglich? 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 einem zusätzlichen, verborgene Dimension. 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 von sechs zusätzlichen Dimensionen /

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 Tonarten auf dem Saxophon spielen, erhalten Sie und verschiedene Geräusche. 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. Wenn man jedoch der Stringtheorie Glauben schenken will, sehen die Formen der zusätzlichen Dimensionen in Wirklichkeit viel komplizierter aus als ein Glas.

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 erhöht elektromagnetische Wechselwirkung. Was ist passiert? Wir können plötzlich feststellen, dass die Ionen stärker geworden sind und sich gegenseitig abstoßen Kernfusion, das Sterne zum Leuchten bringt und Wärme abstrahlt, fiel plötzlich aus. Alle Sterne werden ausgehen.

Aber was ist mit der Stringtheorie mit ihren zusätzlichen Dimensionen? Fakt ist, dass es demnach die zusätzlichen Dimensionen sind, die den genauen Wert bestimmen fundamentale Konstanten. 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 gewann die Stringtheorie einen majestätischen und schlankes aussehen, aber innerhalb dieses Denkmals 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 kombiniert Allgemeine Theorie Superstrings - NS) 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.

Superstring-Theorie, Volkssprache, repräsentiert das Universum als eine Reihe vibrierender Energiefäden - Saiten. Sie sind die Grundlage der Natur. Die Hypothese beschreibt auch andere Elemente - Branen. Alle Materie in unserer Welt besteht aus Schwingungen von Saiten und Fasern. Eine natürliche Folge der Theorie ist die Beschreibung der Schwerkraft. Deshalb glauben Wissenschaftler, dass es der Schlüssel zur Vereinigung der Schwerkraft mit anderen Kräften ist.

Das Konzept entwickelt sich

Die einheitliche Feldtheorie, die Superstringtheorie, ist rein mathematisch. Wie alle physikalischen Konzepte basiert es auf Gleichungen, die auf bestimmte Weise interpretiert werden können.

Heute weiß niemand genau, wie die endgültige Version dieser Theorie aussehen wird. Gelehrte haben eine eher vage Vorstellung davon gemeinsame Elemente, aber noch hat niemand eine endgültige Gleichung gefunden, die alle Superstring-Theorien abdeckt, und bisher konnte sie experimentell nicht bestätigt (aber auch nicht widerlegt) werden. Physiker haben vereinfachte Versionen der Gleichung erstellt, aber bisher beschreibt sie unser Universum nicht ganz.

Superstring-Theorie für Anfänger

Die Hypothese basiert auf fünf Schlüsselideen.

Die Superstring-Theorie sagt voraus, dass alle Objekte in unserer Welt aus vibrierenden Filamenten und Energiemembranen bestehen.
Es versucht, die allgemeine Relativitätstheorie (Schwerkraft) mit zu kombinieren Quantenphysik.
Die Superstring-Theorie wird alles vereinheitlichen grundlegende Kräfte Universum.
Diese Hypothese prognostiziert neue Verbindung, Supersymmetrie, zwischen zwei grundsätzlich verschiedene Arten Teilchen, Bosonen und Fermionen.
Das Konzept beschreibt eine Reihe zusätzlicher, normalerweise nicht beobachtbarer Dimensionen des Universums.

Saiten und Branes

Als die Theorie in den 1970er Jahren aufkam, wurden die darin enthaltenen Energiefäden als eindimensionale Objekte - Saiten - betrachtet. Das Wort „eindimensional“ besagt, dass die Zeichenfolge nur eine Dimension hat, die Länge, im Gegensatz zu beispielsweise einem Quadrat, das sowohl eine Länge als auch eine Höhe hat.

Die Theorie unterteilt diese Superstrings in zwei Typen – geschlossen und offen. Eine offene Saite hat Enden, die sich nicht berühren, während eine geschlossene Saite eine Schleife ohne offene Enden ist. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass diese Saiten, die als Saiten des ersten Typs bezeichnet werden, 5 Haupttypen von Wechselwirkungen unterliegen.

Wechselwirkungen basieren auf der Fähigkeit einer Saite, ihre Enden zu verbinden und zu trennen. Weil die Enden offene Saiten zu geschlossenen Strings kombinieren können, können Sie keine Superstring-Theorie konstruieren, die keine geschlungenen Strings enthält.

Dies erwies sich als wichtig, da geschlossene Saiten Eigenschaften haben, glauben Physiker, die die Schwerkraft beschreiben könnten. Mit anderen Worten, die Wissenschaftler erkannten, dass die Superstring-Theorie, anstatt die Materieteilchen zu erklären, ihr Verhalten und ihre Schwerkraft beschreiben könnte.

Viele Jahre später stellte sich heraus, dass neben Saiten noch weitere Elemente für die Theorie notwendig sind. Sie können als Blätter oder Branes betrachtet werden. Die Schnüre können an einer oder an beiden Seiten befestigt werden.

Quantengravitation

Die moderne Physik hat zwei wissenschaftliche Hauptgesetze: die allgemeine Relativitätstheorie (GR) und Quanten. Sie repräsentieren absolut verschiedene Bereiche Wissenschaft. Die Quantenphysik untersucht die kleinsten natürlichen Teilchen, während die allgemeine Relativitätstheorie die Natur in der Regel im Maßstab von Planeten, Galaxien und dem Universum als Ganzes beschreibt. Hypothesen, die versuchen, sie zu vereinheitlichen, werden Theorien genannt. Quantengravitation. Die vielversprechendste von ihnen ist heute die Saite.

Geschlossene Fäden entsprechen dem Verhalten der Schwerkraft. Insbesondere haben sie die Eigenschaften eines Gravitons, eines Teilchens, das die Schwerkraft zwischen Objekten trägt.

Bündelung der Kräfte

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

Supersymmetrie

Alle Teilchen im Universum können in zwei Arten unterteilt werden: Bosonen und Fermionen. Die Stringtheorie sagt voraus, dass es eine Beziehung zwischen den beiden gibt, die als Supersymmetrie bezeichnet wird. Bei der Supersymmetrie muss es für jedes Boson ein Fermion und für jedes Fermion ein Boson geben. Leider wurde die Existenz solcher Partikel experimentell nicht bestätigt.

Supersymmetrie ist mathematische Abhängigkeit zwischen Elementen physikalische Gleichungen. Sie wurde in einem anderen Bereich der Physik entdeckt, und ihre Anwendung führte Mitte der 1970er Jahre zur Umbenennung der supersymmetrischen Stringtheorie (oder Superstringtheorie im Volksmund).

Ein Vorteil der Supersymmetrie besteht darin, dass sie die Gleichungen stark vereinfacht, indem einige Variablen eliminiert werden können. Ohne Supersymmetrie führen die Gleichungen zu physikalischen Widersprüchen wie unendlichen und imaginären Werten

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

Mit anderen Worten, die Saiten, die als hochenergetische Teilchen schwingten, verloren ihre Energie, was sie zu Elementen mit niedrigerer Schwingung machte.

Darauf hoffen Wissenschaftler astronomische Beobachtungen oder Experimente mit Teilchenbeschleunigern werden die Theorie bestätigen, indem sie einige der supersymmetrischen Elemente mit höherer Energie aufdecken.

Zusätzliche Messungen

Eine weitere mathematische Konsequenz der Stringtheorie ist, dass sie in einer Welt mit mehr als drei Dimensionen sinnvoll ist. Dafür gibt es derzeit zwei Erklärungen:

Die zusätzlichen Dimensionen (sechs von ihnen) kollabierten oder, in der Terminologie der Stringtheorie, zu einer unglaublich kleinen Größe verdichtet, die niemals wahrgenommen werden wird.
Wir stecken in einer 3D-Brane fest, und andere Dimensionen erstrecken sich darüber hinaus und sind für uns unzugänglich.

Ein wichtiges Forschungsgebiet unter Theoretikern ist mathematische Modellierung wie diese zusätzlichen Koordinaten mit unseren in Beziehung gesetzt werden können. Neueste Ergebnisse gehen davon aus, dass Wissenschaftler diese zusätzlichen Dimensionen (falls vorhanden) bald in kommenden Experimenten nachweisen können, da sie möglicherweise größer sind als bisher erwartet.

Zweck verstehen

Das Ziel, das Wissenschaftler bei der Erforschung von Superstrings anstreben, ist die „Theorie von allem“, also eine einzige physikalische Hypothese grundlegende Ebene beschreibt das Ganze physikalische Realität. Im Erfolgsfall könnte es viele Fragen zum Aufbau unseres Universums klären.

Erklärung von Materie und Masse

Eine der Hauptaufgaben der modernen Forschung ist es, eine Lösung für reale Teilchen zu finden.

Die Stringtheorie begann als ein Konzept, das Teilchen wie Hadronen in verschiedenen höheren Schwingungszuständen eines Strings beschreibt. Meistens moderne Formulierungen, ist die in unserem Universum beobachtete Materie das Ergebnis der Schwingungen von Saiten und Branen mit der niedrigsten Energie. Schwingungen mit mehr erzeugen hochenergetische Teilchen, die es derzeit in unserer Welt nicht gibt.

Die Masse davon ist eine Manifestation dessen, wie Saiten und Branes in verdichtete Extradimensionen gewickelt werden. In einem vereinfachten Fall, in dem sie beispielsweise zu einer Donutform gefaltet werden, die von Mathematikern und Physikern als Torus bezeichnet wird, kann eine Schnur diese Form auf zwei Arten umhüllen:

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

Eine kurze Schleife wird ein leichtes Teilchen sein und eine große Schleife wird ein schweres sein. Wenn Saiten um torusförmige verdichtete Abmessungen gewickelt werden, werden neue Elemente mit unterschiedlichen Massen gebildet.

Die Superstring-Theorie erklärt kurz und anschaulich, einfach und elegant den Übergang von Länge in Masse. Die gefalteten Abmessungen sind hier viel komplizierter als beim Torus, funktionieren aber im Prinzip genauso.

Es ist sogar schwer vorstellbar, dass sich die Saite gleichzeitig in zwei Richtungen um den Torus wickelt und so ein anderes Teilchen mit anderer Masse entsteht. Branes kann auch zusätzliche Dimensionen umschließen und so noch mehr Möglichkeiten schaffen.

Definition von Raum und Zeit

In vielen Versionen der Superstring-Theorie kollabieren die Dimensionen und machen sie unbeobachtbar modernes Niveau Technische Entwicklung.

Derzeit ist nicht klar, ob die Stringtheorie dies erklären kann grundlegende Natur mehr Raum und Zeit als Einstein. Messungen sind darin der Hintergrund für das Zusammenspiel von Saiten und haben keine eigenständige wirkliche Bedeutung.

Es wurden Erklärungen zur Darstellung der Raumzeit als Ableitung angeboten, aber nicht vollständig entwickelt Gesamtsumme alle String-Wechselwirkungen.

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

Gravitationsquantisierung

Die wichtigste Errungenschaft dieser Hypothese wird, wenn sie bestätigt wird, die Quantentheorie der Gravitation sein. Die aktuelle Beschreibung in der Allgemeinen Relativitätstheorie ist mit der Quantenphysik nicht vereinbar. Letzteres führt, indem es das Verhalten kleiner Teilchen einschränkt, zu Widersprüchen, wenn man versucht, das Universum in einem extrem kleinen Maßstab zu erforschen.

Vereinigung der Kräfte

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

Nach dieser Hypothese, da frühes Universum Nach dem Urknall abgekühlt, begann sich diese einzelne Wechselwirkung in verschiedene zu zersetzen, die heute noch funktionieren.

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

Fünf Optionen

Seit der Superstring-Revolution von 1984 schreitet die Entwicklung in rasantem Tempo voran. Als Ergebnis bekamen wir statt eines Konzepts fünf, benannte Typen I, IIA, IIB, HO, HE, von denen jeder unsere Welt fast vollständig, aber nicht vollständig beschrieb.

Physiker, die Versionen der Stringtheorie durchsuchten, in der Hoffnung, eine universelle wahre Formel zu finden, erstellten 5 verschiedene autarke Versionen. Einige ihrer Eigenschaften spiegelten die physikalische Realität der Welt wider, andere entsprachen nicht der Realität.

M-Theorie

Auf einer Konferenz im Jahr 1995 schlug der Physiker Edward Witten eine mutige Lösung für das Problem von fünf Hypothesen vor. Basierend auf der neu entdeckten Dualität wurden sie alle zu Spezialfällen eines einzigen übergreifenden Konzepts, genannt Wittens M-Theorie der Superstrings. Eines seiner Schlüsselkonzepte waren Branen (kurz für Membrane), grundlegende Objekte mit mehr als einer Dimension. Obwohl der Autor nicht vorschlug Vollversion, die bisher nicht existiert, besteht die M-Theorie der Superstrings kurz gesagt aus folgenden Merkmalen:

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

Konsequenzen

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

Einige Interpretationen deuten darauf hin, dass unsere Welt nicht die einzige ist. Die radikalsten Versionen erlauben Existenz eine unendliche Zahl Universen, von denen einige enthalten exakte Kopien unsere.

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

Viele Physiker glauben, dass das holografische Prinzip, wenn alle im Raumvolumen enthaltenen Informationen mit den auf seiner Oberfläche aufgezeichneten Informationen übereinstimmen, ein tieferes Verständnis des Konzepts der Energiefäden ermöglichen wird.

Einige glauben, dass die Superstring-Theorie mehrere Zeitdimensionen zulässt, was zu Reisen durch sie führen könnte.

Zudem gibt es eine Alternative zum Urknall-Modell in der Hypothese, wonach unser Universum durch die Kollision zweier Branen entstanden ist und wiederholte Zyklen von Schöpfung und Zerstörung durchläuft.

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

Niemand weiß, wozu es führen kann, bis es entwickelt und getestet ist. Einstein, der die Gleichung E=mc 2 aufschrieb, ging nicht davon aus, dass dies zum Auftreten führen würde Atomwaffen. Schöpfer Quantenphysik wusste nicht, dass es die Grundlage für die Entwicklung eines Lasers und eines Transistors werden würde. Und zwar ist noch nicht bekannt, was so ein rein theoretisches Konzept, die Geschichte zeigt, dass sicherlich etwas Herausragendes herauskommen wird.

Sie können mehr über diese Hypothese in Andrew Zimmermans Superstring-Theorie für Dummies lesen.

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 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. 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. Außerdem 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 bis ans Ende seiner Tage den größten „Zigeuner und Landstreicher“ Albert Einstein verfolgte.

Viele Wissenschaftler glauben, dass alles, vom exquisiten Tanz der Galaxien bis zum rasenden 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.

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 Ionisation eines Atoms bis zur Geburt eines Sterns, wird durch die Wechselwirkungen der Materie durch diese vier Kräfte beschrieben. Mit Hilfe komplexer 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 echt" Bevölkerungsexplosion Elementarteilchen Doktoranden von Physikuniversitäten liefen durch die Gänge und riefen, sie hätten ein neues Teilchen entdeckt - es gab nicht einmal Buchstaben, um es zu bezeichnen.

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 genannt Standardmodell. 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.

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 „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 vergrößert würde Sonnensystem, wäre der String so groß wie ein Baum. So wie die unterschiedlichen Schwingungen einer Cellosaite das erzeugen, was wir hören, als unterschiedliche Musiknoten, 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 Zeit antikes griechenland Physiker sind 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-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.

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 zusammengefasst), unterschieden sich diese Versionen in Details erheblich.

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.

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

Letztlich lassen sich alle Elementarteilchen als mikroskopisch kleine multidimensionale Strings darstellen, in denen Schwingungen verschiedener Harmonischer angeregt werden.

Achtung, schnallen Sie sich fester an - und ich werde versuchen, Ihnen eine der seltsamsten Theorien aus den Kreisen der Wissenschaft zu beschreiben, die heute ernsthaft diskutiert wird und die endlich den endgültigen Hinweis auf die Struktur des Universums geben kann. Diese Theorie sieht so wild aus, dass sie möglicherweise richtig ist!

Verschiedene Versionen der Stringtheorie gelten heute als Hauptanwärter auf den Titel einer umfassenden universellen Theorie, die die Natur von allem Existierenden erklärt. Und dies ist eine Art Heiliger Gral der theoretischen Physiker, die sich mit der Theorie der Elementarteilchen und der Kosmologie befassen. Universaltheorie (aka. Theorie von allem) enthält nur wenige Gleichungen, die das gesamte menschliche Wissen über die Natur der Wechselwirkungen und Eigenschaften der grundlegenden Elemente der Materie, aus denen das Universum aufgebaut ist, zusammenfassen. Heute wurde die Stringtheorie mit dem Konzept kombiniert Supersymmetrie, was zur Geburt führt Superstring-Theorie, und dies ist heute das Maximum, das erreicht wurde, um die Theorie aller vier Hauptwechselwirkungen (in der Natur wirkende Kräfte) zu vereinheitlichen. Die Theorie der Supersymmetrie selbst ist bereits a priori aufgebaut modernes Konzept, wonach jede entfernte (Feld-)Wechselwirkung auf dem Austausch von Teilchen-Wechselwirkungsträgern der entsprechenden Art zwischen den wechselwirkenden Teilchen beruht ( cm. Standardmodell). Zur Verdeutlichung können die interagierenden Teilchen als "Ziegel" des Universums und die Teilchenträger als Zement betrachtet werden.

Im Rahmen des Standardmodells fungieren Quarks als Bausteine und Wechselwirkungsträger sind es Bosonen messen, die diese Quarks untereinander austauschen. Die Theorie der Supersymmetrie geht noch weiter und besagt, dass die Quarks und Leptonen selbst nicht fundamental sind: Sie bestehen alle aus noch schwereren und experimentell unentdeckten Strukturen (Ziegeln) der Materie, die von einem noch stärkeren „Zement“ aus superenergetischen Teilchen zusammengehalten werden. Träger von Wechselwirkungen als Quarks, in Hadronen und Bosonen. Natürlich wurde unter Laborbedingungen noch keine der Vorhersagen der Theorie der Supersymmetrie verifiziert, aber die hypothetischen verborgenen Komponenten der materiellen Welt haben bereits Namen - zum Beispiel siehe Elektron(supersymmetrischer Partner eines Elektrons), Quadrat usw. Die Existenz dieser Teilchen wird jedoch durch Theorien dieser Art eindeutig vorhergesagt.

Das Bild des Universums, das diese Theorien bieten, ist jedoch recht einfach zu visualisieren. Auf einer Skala von etwa 10 -35 m, also 20 Größenordnungen kleiner als der Durchmesser des gleichen Protons, das drei gebundene Quarks enthält, unterscheidet sich die Struktur der Materie sogar auf der Ebene der Elementarteilchen von dem, was wir gewohnt sind . Bei so kleinen Abständen (und bei so hohen Wechselwirkungsenergien, dass es undenkbar ist) verwandelt sich Materie in eine Reihe von stehenden Feldwellen, ähnlich denen, die in Saiten angeregt werden Musikinstrumente. Wie bei einer Gitarrensaite, in einer solchen Saite, zusätzlich zum Grundton, viele Obertöne oder Obertöne. Jede Harmonische hat ihren eigenen Energiezustand. Entsprechend Prinzip der Relativität (cm. Relativitätstheorie) sind Energie und Masse äquivalent, was bedeutet, dass je höher die Frequenz der harmonischen Schwingung der Saite ist, desto höher ist ihre Energie und desto höher ist die Masse des beobachteten Teilchens.

Stellt man sich jedoch ganz einfach eine stehende Welle in einer Gitarrensaite vor, stehende Wellen, die die Theorie der Superstrings bietet, sind schwer vorstellbar - Tatsache ist, dass die Schwingungen von Superstrings in einem Raum auftreten, der 11 Dimensionen hat. Wir sind an einen vierdimensionalen Raum gewöhnt, der drei räumliche und eine zeitliche Dimension enthält (links-rechts, oben-unten, vorwärts-rückwärts, Vergangenheit-Zukunft). Im Bereich der Superstrings sind die Dinge viel komplizierter (siehe Einschub). Theoretische Physiker umgehen das schlüpfrige Problem der „zusätzlichen“ räumlichen Dimensionen, indem sie argumentieren, dass sie „verborgen“ (bzw. Wissenschaftliche Sprache ausgedrückt "verdichten") und werden daher bei gewöhnlichen Energien nicht beobachtet.

In jüngerer Zeit wurde die Stringtheorie in der Form weiterentwickelt Theorie mehrdimensionaler Membranen- in der Tat sind dies die gleichen Saiten, aber flach. Wie einer der Autoren salopp scherzte, unterscheiden sich Membranen von Fäden in ähnlicher Weise wie Nudeln von Fadennudeln.

Das ist vielleicht alles, was kurz über eine der Theorien gesagt werden kann, die nicht ohne Grund heute den Anspruch erhebt, die universelle Theorie der Großen Vereinigung aller Kräftewechselwirkungen zu sein. Leider ist diese Theorie nicht ohne Sünde. Zunächst einmal wurde es noch nicht streng genommen mathematische Form aufgrund der Unzulänglichkeit des mathematischen Apparates, um es in strikte interne Übereinstimmung zu bringen. Es ist 20 Jahre her, seit diese Theorie geboren wurde, und niemand ist in der Lage gewesen, einige ihrer Aspekte und Versionen konsequent mit anderen in Einklang zu bringen. Noch unerfreulicher ist die Tatsache, dass keiner der Theoretiker, die die Theorie der Saiten (und insbesondere der Superstrings) vorschlagen, noch kein einziges Experiment vorgeschlagen hat, an dem diese Theorien im Labor getestet werden könnten. Leider befürchte ich, dass all ihre Arbeit bis dahin ein bizarres Fantasiespiel und eine Übung im Verständnis esoterischen Wissens außerhalb des Mainstreams der Naturwissenschaft bleiben wird.

Siehe auch:

1972	Quantenchromodynamik

Wie viele Dimensionen gibt es?

Uns, gewöhnliche Menschen, drei Dimensionen waren immer genug. Seit jeher sind wir gewohnt zu beschreiben physikalische Welt in einem so bescheidenen Rahmen (ein Säbelzahntiger 40 Meter vor mir, 11 Meter rechts und 4 Meter über mir - ein Kopfsteinpflaster für den Kampf!). Die Relativitätstheorie hat die meisten von uns gelehrt, dass die Zeit die Essenz der vierten Dimension ist (der Säbelzahntiger ist nicht nur hier – er bedroht uns hier und jetzt!). Und so begannen Theoretiker ab Mitte des 20. Jahrhunderts davon zu sprechen, dass es tatsächlich noch mehr Dimensionen gibt - entweder 10 oder 11 oder sogar 26. Natürlich ohne zu erklären, warum wir, normale Leute, wir beobachten sie nicht, könnte es hier nicht tun. Und dann entstand das Konzept der "Verdichtung" - das Anhaften oder Zusammenbrechen von Dimensionen.

Stellen Sie sich einen Gartenbewässerungsschlauch vor. Aus der Nähe wird es als normales dreidimensionales Objekt wahrgenommen. Es ist jedoch notwendig, sich in ausreichendem Abstand vom Schlauch zu entfernen – und er erscheint uns als eindimensionales lineares Objekt: Wir nehmen einfach seine Dicke nicht mehr wahr. Dieser Effekt wird gemeinhin als Verdichtung einer Dimension bezeichnet: dieser Fall Die Dicke des Schlauchs erwies sich als „verdichtet“ - die Skala der Messskala ist zu klein.

Genau so verschwinden nach Ansicht der Theoretiker die real existierenden zusätzlichen Dimensionen aus dem Bereich unserer experimentellen Wahrnehmung, die für eine adäquate Erklärung der Eigenschaften von Materie auf subatomarer Ebene notwendig sind: Sie werden kompakt, ausgehend von einer Skala von ca. 10 -35 m, moderne Methoden Beobachtung u Messgeräte einfach nicht in der Lage, Strukturen in so kleinem Maßstab zu erkennen. Vielleicht ist es genau so, oder vielleicht liegen die Dinge ganz anders. Obwohl es keine derartigen Beobachtungsinstrumente und -methoden gibt, bleiben alle oben genannten Argumente und Gegenargumente auf der Ebene müßiger Spekulation.

Heute wurde die Stringtheorie mit dem Konzept der Supersymmetrie kombiniert, was zur Geburt der Superstringtheorie führte, und heute ist dies das Maximum, das erreicht wurde, um die Theorie aller vier Hauptwechselwirkungen (in der Natur wirkende Kräfte) zu vereinheitlichen. Die Theorie der Supersymmetrie selbst wurde bereits auf der Grundlage eines a priori modernen Konzepts aufgebaut, wonach jede entfernte (Feld-)Wechselwirkung auf dem Austausch von Teilchenträgern einer Wechselwirkung der entsprechenden Art zwischen wechselwirkenden Teilchen beruht (siehe die Standardmodell). Der Klarheit halber können wechselwirkende Teilchen als "Ziegel" des Universums und Trägerteilchen als Zement betrachtet werden.

Stringtheorie - Richtung Mathematische Physik, das die Dynamik von nicht punktförmigen Teilchen untersucht, wie die meisten Zweige der Physik, sondern von eindimensionalen ausgedehnten Objekten, d.h. Saiten.
Im Rahmen des Standardmodells fungieren Quarks als Bausteine und Eichbosonen, die diese Quarks untereinander austauschen, als Wechselwirkungsträger. Die Theorie der Supersymmetrie geht noch weiter und besagt, dass die Quarks und Leptonen selbst nicht fundamental sind: Sie bestehen alle aus noch schwereren und experimentell unentdeckten Strukturen (Ziegeln) der Materie, die von einem noch stärkeren „Zement“ aus superenergetischen Teilchen zusammengehalten werden. Träger von Wechselwirkungen als Quarks, in Hadronen und Bosonen.

Natürlich wurde unter Laborbedingungen noch keine der Vorhersagen der Theorie der Supersymmetrie verifiziert, aber die hypothetischen verborgenen Komponenten der materiellen Welt haben bereits Namen - zum Beispiel das Elektron (der supersymmetrische Partner des Elektrons), das Squark , usw. Die Existenz dieser Teilchen wird jedoch von Theorien dieser Art eindeutig vorhergesagt.

Das Bild des Universums, das diese Theorien bieten, ist jedoch recht einfach zu visualisieren. Auf Skalen in der Größenordnung von 10E–35 m, also 20 Größenordnungen kleiner als der Durchmesser des gleichen Protons, das drei gebundene Quarks enthält, unterscheidet sich die Struktur der Materie sogar auf der Elementarebene von dem, was wir gewohnt sind Partikel. Bei so kleinen Abständen (und bei so hohen Wechselwirkungsenergien, dass es undenkbar ist) verwandelt sich Materie in eine Reihe von stehenden Feldwellen, ähnlich denen, die in den Saiten von Musikinstrumenten angeregt werden. Ähnlich wie bei einer Gitarrensaite können bei einer solchen Saite neben dem Grundton viele Obertöne bzw. Obertöne angeregt werden. Jede Harmonische hat ihren eigenen Energiezustand. Nach dem Relativitätsprinzip (siehe Relativitätstheorie) sind Energie und Masse äquivalent, dh je höher die Frequenz der harmonischen Schwingung einer Saite ist, desto höher ist ihre Energie und desto höher ist die Masse des beobachteten Teilchens.

Wenn man sich jedoch eine stehende Welle in einer Gitarrensaite ganz einfach vorstellt, sind die von der Superstring-Theorie vorgeschlagenen stehenden Wellen schwer zu visualisieren - Tatsache ist, dass Superstrings in einem Raum schwingen, der 11 Dimensionen hat. Wir sind an einen vierdimensionalen Raum gewöhnt, der drei räumliche und eine zeitliche Dimension enthält (links-rechts, oben-unten, vorwärts-rückwärts, Vergangenheit-Zukunft). Im Bereich der Superstrings sind die Dinge viel komplizierter (siehe Einschub). Theoretische Physiker umgehen das schlüpfrige Problem der „zusätzlichen“ räumlichen Dimensionen, indem sie argumentieren, dass sie „verborgen“ (oder in wissenschaftlichen Begriffen „verdichtet“) sind und daher bei gewöhnlichen Energien nicht beobachtet werden.

In jüngerer Zeit wurde die Stringtheorie in Form der Theorie der mehrdimensionalen Membranen weiterentwickelt - tatsächlich sind dies die gleichen Saiten, aber flach. Wie einer der Autoren beiläufig scherzte, unterscheiden sich Membranen von Fäden in ähnlicher Weise wie Nudeln von Fadennudeln.

Das ist vielleicht alles, was kurz über eine der Theorien gesagt werden kann, die nicht ohne Grund heute den Anspruch erhebt, die universelle Theorie der Großen Vereinigung aller Kräftewechselwirkungen zu sein. Leider ist diese Theorie nicht ohne Sünde. Erstens ist es noch nicht in eine strenge mathematische Form gebracht worden, weil der mathematische Apparat nicht ausreicht, um es in strenge interne Übereinstimmung zu bringen. Es ist 20 Jahre her, seit diese Theorie geboren wurde, und niemand ist in der Lage gewesen, einige ihrer Aspekte und Versionen konsequent mit anderen in Einklang zu bringen. Noch unerfreulicher ist die Tatsache, dass keiner der Theoretiker, die die Theorie der Saiten (und insbesondere der Superstrings) vorschlagen, noch kein einziges Experiment vorgeschlagen hat, an dem diese Theorien im Labor getestet werden könnten. Leider befürchte ich, dass all ihre Arbeit bis dahin ein bizarres Fantasiespiel und eine Übung im Verstehen esoterischen Wissens außerhalb des Mainstreams der Naturwissenschaft bleiben wird.

Untersuchung der Eigenschaften von Schwarzen Löchern

1996 setzten die Stringtheoretiker Andrew Strominger und Cumrun Wafa auf mehr frühe Ergebnisse Susskind und Sen veröffentlichten "The Microscopic Nature of Bekenstein and Hawking's Entropy". In dieser Arbeit konnten Strominger und Wafa die Stringtheorie verwenden, um die mikroskopischen Komponenten einer bestimmten Klasse von Schwarzen Löchern zu finden und die Beiträge dieser Komponenten zur Entropie genau zu berechnen. Die Arbeit basierte auf der Anwendung einer neuen Methode, teilweise außerhalb des Rahmens der Störungstheorie, die in den 1980er und frühen 1990er Jahren verwendet wurde. Das Ergebnis der Arbeit stimmte genau mit den Vorhersagen von Bekenstein und Hawking überein, die mehr als zwanzig Jahre zuvor gemacht wurden.

Strominger und Vafa begegneten den realen Entstehungsprozessen von Schwarzen Löchern mit einem konstruktiven Ansatz. Sie änderten die Sichtweise auf die Bildung von Schwarzen Löchern, indem sie zeigten, dass sie konstruiert werden können, indem der genaue Satz von Branen, der während der zweiten Superstring-Umdrehung entdeckt wurde, sorgfältig zu einem Mechanismus zusammengesetzt wird.

Alle Bedienelemente eines mikroskopischen Designs in der Hand haben schwarzes Loch konnten Strominger und Wafa die Anzahl der Permutationen der mikroskopischen Komponenten eines Schwarzen Lochs berechnen, die gemeinsame beobachtbare Eigenschaften wie Masse und Ladung unverändert lassen. Danach verglichen sie die resultierende Zahl mit der Fläche des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs – der von Bekenstein und Hawking vorhergesagten Entropie – und stellten eine perfekte Übereinstimmung fest. Zumindest für die Klasse der extremalen Schwarzen Löcher konnten Strominger und Vafa eine Anwendung der Stringtheorie zur Analyse mikroskopischer Komponenten und zur exakten Berechnung der entsprechenden Entropie finden. Das Problem, vor dem die Physiker ein Vierteljahrhundert lang standen, war gelöst.

Für viele Theoretiker war diese Entdeckung wichtig und überzeugendes Argument zur Unterstützung der Stringtheorie. Die Entwicklung der Stringtheorie ist noch zu grob für einen direkten und genauen Vergleich mit experimentellen Ergebnissen, beispielsweise mit den Ergebnissen von Messungen der Massen eines Quarks oder eines Elektrons. Die Stringtheorie liefert jedoch längst die erste fundamentale Begründung. öffentliches Eigentum Schwarze Löcher, die Unerklärbarkeit, die viele Jahre lang die Forschung von Physikern behinderte, die mit traditionellen Theorien arbeiteten. Sogar Sheldon Glashow Nobelpreisträger in Physik und entschiedener Gegner der Stringtheorie in den 1980er Jahren, gab 1997 in einem Interview zu, dass "wenn Stringtheoretiker über schwarze Löcher sprechen, sie fast über beobachtbare Phänomene sprechen, und das ist beeindruckend."

String-Kosmologie

Es gibt drei Hauptpunkte, an denen die Stringtheorie das kosmologische Standardmodell modifiziert. Erstens folgt aus der Stringtheorie im Sinne der modernen Forschung, die die Situation zunehmend aufklärt, dass das Universum ein Minimum haben sollte zulässige Größe. Diese Schlussfolgerung ändert die Vorstellung von der Struktur des Universums unmittelbar zum Zeitpunkt des Urknalls, für den das Standardmodell die Nullgröße des Universums angibt. Zweitens das Konzept der T-Dualität, also der Dualität von klein und große Radien(in seinem Verbindung schließen mit Existenz einer Mindestgröße) in der Stringtheorie ist auch in der Kosmologie wichtig. Drittens beträgt die Anzahl der Raum-Zeit-Dimensionen in der Stringtheorie mehr als vier, sodass die Kosmologie die Entwicklung all dieser Dimensionen beschreiben muss.

Modell von Brandenberg und Wafa

In den späten 1980er Jahren Den Anfang machten Robert Brandenberger und Kumrun Wafa wichtige Schritte zu verstehen, welche Änderungen in den Folgen des Standards Kosmologisches Modell wird die Stringtheorie verwenden. Sie kamen zu zwei wichtigen Schlussfolgerungen. Erstens, wenn wir uns zurück zur Zeit des Urknalls bewegen, steigt die Temperatur weiter bis zu dem Moment, an dem die Größe des Universums in allen Richtungen gleich der Planck-Länge ist. An diesem Punkt erreicht die Temperatur ein Maximum und beginnt zu sinken. Auf einer intuitiven Ebene ist es nicht schwierig, den Grund für dieses Phänomen zu verstehen. Nehmen Sie der Einfachheit halber (in Anlehnung an Brandenberger und Wafa) an, dass alle räumlichen Dimensionen des Universums zyklisch sind. Wenn wir uns in der Zeit rückwärts bewegen, schrumpft der Radius jedes Kreises und die Temperatur des Universums steigt. Aus der Stringtheorie wissen wir, dass die Verkleinerung der Radien zunächst auf und dann unter die Planck-Länge physikalisch gleichbedeutend ist mit der Verkleinerung der Radien auf die Planck-Länge, gefolgt von ihrer anschließenden Vergrößerung. Da die Temperatur während der Expansion des Universums abfällt, führen erfolglose Versuche, das Universum auf Größen kleiner als die Planck-Länge zu komprimieren, zum Ende des Temperaturwachstums und zu dessen weiterer Abnahme.

Als Ergebnis gelangten Brandenberger und Vafa zu folgendem kosmologischen Bild: Erstens sind alle räumlichen Dimensionen in der Stringtheorie eng aufgerollt bis zu einer minimalen Dimension in der Größenordnung der Planck-Länge. Temperatur und Energie sind hoch, aber nicht unendlich: Die Paradoxien des Ausgangspunkts der Größe Null in der Stringtheorie sind gelöst. BEI Anfangsmoment Existenz des Universums sind alle räumlichen Dimensionen der Stringtheorie vollkommen gleich und vollkommen symmetrisch: Sie werden alle zu einem mehrdimensionalen Klumpen von Planck-Dimensionen zusammengerollt. Außerdem durchläuft das Universum laut Brandenberger und Wafa die erste Stufe der Symmetriereduktion, wenn zur Planck-Zeit drei räumliche Dimensionen für die nachfolgende Expansion ausgewählt werden, während der Rest seine ursprüngliche Planck-Größe behält. Diese drei Dimensionen werden dann mit den Dimensionen im Szenario identifiziert Inflationäre Kosmologie und im Laufe der Evolution die jetzt beobachtbare Form annehmen.

Modell Veneziano und Gasperini

Seit den Arbeiten von Brandenberger und Wafa haben Physiker kontinuierliche Fortschritte beim Verständnis der Stringkosmologie gemacht. Unter den Leitern dieser Studien sind Gabriele Veneziano und sein Kollege Maurizio Gasperini von der Universität Turin. Diese Wissenschaftler stellten ihre Version der String-Kosmologie vor, die an einigen Stellen mit dem oben beschriebenen Szenario in Berührung kommt, sich aber an anderen Stellen grundlegend davon unterscheidet. Wie Brandenberger und Wafa, um die unendlichen Temperatur- und Energiedichten auszuschließen, die im Standard entstehen und Inflationäres Modell, stützten sie sich auf die Existenz einer Mindestlänge in der Stringtheorie. Anstatt jedoch zu dem Schluss zu kommen, dass das Universum aufgrund dieser Eigenschaft aus einem Klumpen von Planck-Größe entstanden ist, schlugen Gasperini und Veneziano vor, dass es ein prähistorisches Universum gab, das lange vor dem aufgerufenen Moment entstand Null Punkte, und gebar diesen kosmischen „Embryo“ von Planck-Dimensionen.

Der Anfangszustand des Universums in einem solchen Szenario und im Urknallmodell ist sehr unterschiedlich. Laut Gasperini und Veneziano war das Universum kein heißer und eng verdrehter Ball von Dimensionen, sondern kalt und hatte eine unendliche Ausdehnung. Dann, wie aus den Gleichungen der Stringtheorie folgt, überfiel die Instabilität das Universum, und alle seine Punkte begannen, wie in der Ära der Inflation nach Guth, sich schnell zu den Seiten zu zerstreuen.

Gasperini und Veneziano zeigten, dass dadurch der Raum immer stärker gekrümmt wurde und es dadurch zu einem starken Temperatur- und Energiedichtesprung kam. Ein wenig Zeit verging, und darin ein dreidimensionaler millimetergroßer Bereich endlose Weiten in einen glühenden und dichten Fleck verwandelt, identisch mit dem Fleck, der nach Guth bei der inflationären Expansion entsteht. Dann verlief alles nach dem Standardszenario der Urknall-Kosmologie, und aus dem expandierenden Fleck wurde das beobachtbare Universum.

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

Das Studium der Stringkosmologie entwickelt sich schnell zu einem Bereich aktiver und produktiver Forschung. Zum Beispiel war das Evolutionsszenario vor dem Urknall mehr als einmal Gegenstand hitziger Debatten, und sein Platz in der zukünftigen kosmologischen Formulierung ist alles andere als offensichtlich. Es besteht jedoch kein Zweifel, dass diese kosmologische Formulierung fest auf dem Verständnis der Physiker der Ergebnisse basieren wird, die während der zweiten Superstring-Revolution entdeckt wurden. So sind beispielsweise die kosmologischen Konsequenzen der Existenz mehrdimensionaler Membranen noch immer nicht klar. Mit anderen Worten, wie wird sich die Vorstellung von den ersten Momenten der Existenz des Universums als Ergebnis der Analyse der abgeschlossenen M-Theorie ändern? An dieser Problematik wird intensiv geforscht.

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