Zusammen mit der Empfindung, der geschickten Hand und dem scharfen Gehirn ist das, was mit einem menschlichen Körper einhergeht, ein neugieriger und übermäßig neugieriger Geist, der immer wieder die Ideen hinter allem um ihn herum herausfindet. Das erstaunlich koordinierte Universum von uns ist eine Quelle der Ehrfurcht für uns undein passendes Studienfach.
Wir haben einen langen Weg von Aristoteles 'grundlegender Elementhypothese zum vorherrschenden Standardmodell zurückgelegt, um die Geheimnisse des Universums zu enträtseln. Aber die Gedankenlinie war die ganze Zeit ziemlich linear.
Die Stringtheorie stellt den grundlegenden Ansatz in Frage und bietet uns eine atemberaubende neue Perspektive, um die Realität zu sehen. Aber zuerst wollen wir sehen, was die Stringtheorie revolutionär und so interessant macht.
Die Physiker hatten eine gute Zeit, das beobachtbare Universum mit galiläischen Bewegungsgesetzen zu erklären. Newton fügte ihrer Gravitationskraft im Arsenal hinzu und die Dinge machten mehr Sinn.
Dann kamen elektrische und magnetische Kräfte, die durch die Gesetze von Coulomb und Ampere erklärt wurden. Ein großer Durchbruch gelang Maxwell, als er die elektrischen und magnetischen Kräfte zu Elektromagnetismus vereinte.
Er erklärte sogar die Träger der Kraft, die Photonen sind. Aber wir hatten immer noch keine Ahnung von der Gravitationskraft. Was bringt sie hervor?
Einstein war der erste, der mit seinem in diese Richtung Fortschritte gemacht hat Theorie der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie . Er hat versucht, die Schwerkraft nur anhand der Geometrie zu erklären, und es lief ziemlich gut.
Aber die Welt der Wissenschaft wurde von Heisenberg und anderen völlig auf den Kopf gestellt, als sie das fundamentale Kapitel der Quantenphysik hinzufügten. Bis zu diesem Punkt leisteten das klassische Modell und der Elektromagnetismus hervorragende Arbeit und erklärten das Phänomen und die Wechselwirkungen am MakroskopNiveau.
Die Quantenphysik ermöglichte es den Physikern nun auch, die mikroskopische Welt zu erklären. Später wurden schwache und starke Kernkräfte entdeckt und wir bekamen unsere vier Grundkräfte .
Auf dem Weg entdeckten wir viele wirklich kleine Teilchen, aus denen das Universum zu bestehen schien. Moleküle halten lange Zeit den Platz für das 'grundlegende Teilchen'.
Dann war das Atom an der Reihe. Später ergriffen Elektronen, Protonen und Neutronen diesen Punkt.
Ab sofort betrachten wir Bosonen wie Gluonen, Higgs und Fermionen wie Quarks, Leptonen als Elementarteilchen. Diese fundamentalen Teilchen und ihre Wechselwirkung untereinander haben die Natur der Realität ziemlich genau veranschaulicht, wobei die Schwerkraft die einzige istAusnahme.
Dieses Video von CERN aus dem Jahr 2010 vor der Entdeckung des Higgs-Bosons erklärt das Standardmodell der Teilchenphysik :
Wie kommen wir also dazu, die Stringtheorie zu betrachten?
Nun wollen wir nicht tief in die Mathematik hinter diesen Entdeckungen eintauchen, aber Sie müssen wissen, dass unser Wissen über sie aus bloßen Spekulationen und Berechnungen stammt. Elementarteilchen sind so klein, in der Größenordnung einer Planck-Dimension von 10 -33 dass wir sie nicht experimentieren oder gar beobachten können.
Wie spielen wir also mit ihnen? Physiker haben dieses Rätsel gelöst, indem sie diese Teilchen als 'Punkt' in unserer dreidimensionalen Welt betrachtet haben. In Verbindung mit der vierten Dimension der Zeit zeichnen sie eine 'Weltlinie' nach.
Außerdem haben diese Punkte Quantenzustände, die wir Masse, Ladung usw. nennen. Mit diesen Punktteilchen kann man aber nicht viel anfangen.
Dies erwies sich als große Hürde bei der Formulierung der Wechselwirkung zwischen verschiedenen Partikeln.
In den 50er und 60er Jahren produzierten Teilchenbeschleuniger völlig neue Verbundteilchen. Gabriele Veneziano hat die Stringtheorie entwickelt, um das Muster der Masse und der Spins von 'Hadronen' zu beschreiben.
Sein theoretisches Modell von Strings schlug jedoch für Hadronen fehl, wurde jedoch später wiederbelebt, um alle Elementarteilchen zu beschreiben.
Stringtheorie vereinfacht
Erinnern Sie sich an unser kleines Problem, dass Punktpartikel Wechselwirkungen nicht erklären können? Nun, die Stringtheorie schlug vor, die Idee der fundamentalen konstituierenden Einheit auf eine Dimension zu verallgemeinern.
Dies bedeutet, dass die Stringtheorie nahe legt, dass kleine Strings von der Größe der Planck-Länge die Elementarobjekte und nicht die Elementarteilchen sind. Alle Elementarteilchen können als Strings mit unterschiedlichen Quantenzuständen beschrieben werden.
Es gibt eine ziemlich berühmte Analogie dieser theoretischen Saiten zu den Saiten einer Violine. Da unterschiedliche Schwingungen einer Saite auf einer Violine unterschiedliche Noten erzeugen, führen unterschiedliche Quantenzustände einer Saite auf ähnliche Weise zu allen möglichen ElementarenTeilchen, sei es ein Elektron oder ein Quark oder ein Gluon.
In größerem Maßstab sehen Sie keine Strings, sie sehen aus wie die Elementarteilchen, mit denen wir gut vertraut sind.
Sie können fragen, woraus diese Saiten bestehen. Nun, sie bestehen nicht aus irgendetwas, sondern sie selbst machen alles.
In einem Standardmodell besteht ein Stuhl beispielsweise aus Holz, das wiederum verschiedene Moleküle umfasst, die selbst aus verschiedenen Atomen bestehen, die aus Elektronen, Protonen aus Quarks und Neutronen ebenfalls aus Quarks gebildet bestehen..
Aber was haben diese Quarks und Elektronen in ihrem endgültigen Abbau? Nun, nichts; weil sie das endgültige Abbauprodukt sind.
Wir haben gerade die nulldimensionalen Elementarobjekte durch einen eindimensionalen Elementarbestandteil namens string ersetzt.
Wie ist ein eindimensionales Elementarobjekt ein Fortschritt gegenüber Punktteilchen? Sie sehen, dass diese Strings neben ihren Quantenzuständen auch eine Länge haben.
Diese Zeichenfolgen können also mehrere Anordnungen für sich haben, z. B. offene oder geschlossene Zeichenfolgen. Die offenen Zeichenfolgen können ein Ende verbinden und eine neue offene Zeichenfolge bilden, oder zwei offene Zeichenfolgen können zusammenkommen und sich bildeneine geschlossene Zeichenfolge.
Diese String-Wechselwirkungen führen zu fünf verschiedenen String-Theorien, die wir als verschiedene Versionen der Superstring-Theorie lernen werden.
Intuitiv müssen diese Saiten eine gewisse Spannung haben. Diese Spannung führt zu verschiedenen Schwingungsmodi und bringt alle Formen von Elementarteilchen hervor.
Das verblüffendste Merkmal der Stringtheorie sind ihre zusätzlichen Dimensionen. Wir leben in einer vierdimensionalen Welt mit drei räumlichen und einer zeitlichen Dimension.
Die Mathematik der Stringtheorie beginnt jedoch mit nur 4 Dimensionen auseinanderzufallen. Sie stabilisiert sich nur mit insgesamt 10 Dimensionen.
Bevor wir uns mit dem Verständnis dieser zusätzlichen Dimensionen befassen, schauen wir uns die Geschichte dieser revolutionären Theorie an, um mehr Klarheit über die Notwendigkeit von 10 Dimensionen zu erhalten.
Geschichte der Stringtheorie
Lassen Sie uns in die Herkunft der Stringtheorie. Aber stellen Sie zunächst sicher, dass Sie verstehen, dass die Stringtheorie im Gegensatz zu vielen populären Theorien, die mit bestimmten Postulaten beginnen und ein System oder Phänomen beschreiben, sehr komplex ist.
Es handelt sich um eine Sammlung verschiedener mathematischer Rahmenbedingungen und theoretischer Modelle, die sich zwar grundlegend von den Grundprinzipien unterscheiden. Die Geschichte der Stringtheorie beginnt mit Kaluza-Klein-Hypothese mit dem versucht wurde, Gravitation und Elektromagnetismus zu vereinen.
Kaluza-Klein schlug 1921 vor, dass es vier, nicht drei räumliche Dimensionen gibt. Eine dieser Dimensionen ist nicht unendlich erweitert, sondern auf sich selbst zusammengerollt, ein Phänomen, das als Verdichtung bezeichnet wird.
Außerdem gibt es in dieser 4-dimensionalen Welt nur Gravitation und keinen Elektromagnetismus. Dieser Satz ergab mit Hilfe einiger qualvoller Berechnungen, dass sich das Graviton der Kraftträger der Gravitation, ein Spin-2-Teilchen, in ein Spin-1 aufspaltetTeilchen in der dreidimensionalen Welt.
Hier ist ein wunderschönes Erklärungsvideo zum Thema Spin, das eine intrinsische Eigenschaft der Partikel ist :
Der Satz trug somit zur Vereinheitlichung von Elektromagnetismus und Gravitation bei. Wenn Sie mit der Idee von 4 räumlichen Dimensionen nicht einverstanden sind, denken Sie an einen Draht oder Stab, der so klein gemacht wurde, dass Sie seine Breite nicht wahrnehmen können.
Sie werden nur eine Dimension erleben und andere werden verborgen oder verdichtet.
Die Kaluza-Klein-Theorie wurde nicht viral, weil das Konzept der Quantengravitation, das sie übernahm, der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu verrückt erschien.
Die 70er Jahre waren jedoch das Jahrzehnt der Stringtheorie. Geoffrey Chew, Leonard Susskind, C. Schmid und andere erarbeiteten die Stringtheorie, um 'Hadronen' zu erklären. Gabriele Veneziano war ein weiterer großer Mitwirkender, dem die Entwicklung der Stringtheorie, wie wir sie heute kennen, zugeschrieben wird.
Die vorherrschenden Vorstellungen der Theorie haben einen großen Schub bekommen mit Hypothese „Yang-Mills“ . Diese neue Theorie versuchte, alle fundamentalen Kräfte außer der Gravitation zu vereinen. Dieser Versuch wurde treffend als "große Vereinigung" bezeichnet.
Superstringtheorie
Wir wissen, dass die Superstringtheorie ein ausgefallener Name ist, und Sie denken vielleicht darüber nach, worauf es bei der neuen Stringtheorie im Biestmodus ankommt. Die Superstringtheorie steht für Supersymmetrische Stringtheorie.
Wenn Sie die Idee von kombinieren Supersymmetrie Mit der Stringtheorie erhalten Sie eine bessere Theorie, die Superstringtheorie.
Also, was ist Supersymmetrie?
Wir wissen, dass es zwei Arten von Grundpartikeln gibt: Bosonen und Fermionen. Bosonen sind ganzzahlige Spinpartikel, die fundamentale Kräfte vermitteln, und Fermionen sind halb ganzzahlige Spinpartikel, aus denen die Materie besteht.
Die Physiker erwarteten, dass die Bosonen und Fermionen in irgendeiner Weise miteinander verbunden sein würden, aber die Mathematik schlug etwas anderes vor. Damals wurde der Begriff der Supersymmetrie in die Szene gebracht.
Sehen Sie sich das folgende Video an, in dem Dr. Don Lincoln von Fermilab das Konzept der Supersymmetrie auf einfachste Weise erklärt.
Supersymmetrie besagt, dass alle Bosonen einen fermionischen „Superpartner“ haben und umgekehrt mit einem Spin, der sich um eine halbe Einheit unterscheidet. Zusammen mit ihren Unterschieden im Spin unterscheiden sie sich auch in den kollektiven Eigenschaften.
Fermionen bleiben gerne im unterschiedlichen Zustand, während Bosonen es vorziehen, im selben Zustand zu sein. Auf diese Weise brachte die Supersymmetrie die beiden Typen mit ihren Unterschieden zusammen und bildete die Grundlage der Superstringtheorie.
Die neue Theorie sagte die meisten bekannten Teilchen und ein neues Spin-2-Teilchen 'Graviton' voraus, das ein Kandidat für den Gravitationskraftträger ist.
Im Laufe der Zeit entwickelten die Physiker fünf verschiedene Versionen der Superstringtheorie, nämlich Typ I, Typ IIA, Typ IIB, heterotisch und heterotisch mit E 8 x E 8 Eichensymmetrie.
Die erste Superstring-Revolution im Jahr 1984 zog auf diesem Gebiet viel Aktivität an. 1995 Edward Witten vereinheitlicht alle diese Versionen in einer 11-dimensionalen Theorie, im Volksmund "M-Theorie" genannt.
Extra-Dimensionen der Stringtheorie
Wir haben unsere Diskussion über zusätzliche Dimensionen unvollständig gelassen, als wir über die Superstringtheorie gesprochen haben. Fahren wir fort.
Die Stringtheorie unterstützt 10 Dimensionen, von denen sich 3 auf unbestimmte Zeit erstrecken und für uns beobachtbar sind. Wo sind also die anderen 6 räumlichen Dimensionen?
Sie sind genau hier, aber auf sich selbst zusammengerollt, dh sie sind verdichtet.
Die zusätzlichen Dimensionen sind dem mathematischen Begriff von inhärent. 'Verteiler' Nehmen Sie zum Beispiel eine relativ große Kugel und platzieren Sie eine Ameise darüber.
Die Oberfläche der Kugel sieht für die Ameise flach aus. Wir haben hier also eine 'lokale' Form flache Oberfläche und eine 'globale' Form die Kugel. Die Kugel ist in diesem Fall ein Beispiel füreine zweidimensionale Mannigfaltigkeit.
So ist es auch mit unserer Welt.
Wir leben in einer dreidimensionalen Mannigfaltigkeit. Auch wenn wir die Postulate der Stringtheorie nicht berücksichtigen, legt die allgemeine Relativitätstheorie eine vierte Dimension nahe, die Schwerkraft, und das universelle Phänomen wird mit Hilfe der Krümmung dieser zusätzlichen Dimension beschrieben.
Somit können wir leicht schließen, dass ein Verteiler Krümmung und andere nicht triviale Eigenschaften haben kann.
Calabi-Yau-Verteiler ist eine Klasse von 6-dimensionalen Mannigfaltigkeiten und Gegenstand der Stringtheorie. Sie sagen mehrere realistische Theorien in einer 4-dimensionalen Raumzeit wunderbar voraus.
Wir haben uns stark an der zuvor diskutierten Kaluza-Klein-Idee der Verdichtung orientiert. Die zusätzlichen Abmessungen sind nur kompakte Verteiler, die zu klein sind, um von uns erkannt zu werden.
Darüber hinaus erweitert die M-Theorie die 10 Dimensionen der Stringtheorie und arbeitet mit insgesamt 11 Dimensionen.
Ist die Stringtheorie die Theorie von allem?
Wir wissen, dass die wahre Kenntnis eines Fachgebiets in der Essenz des Studienfachs liegt. Sie möchten nicht, dass eine Unmenge scheinbar unterschiedlicher Theorien und Parameter die Natur der Realität herausarbeitet, sondern einen einheitlichen fundamentalen Ansatz.
Das Standardmodell ist zwar ziemlich erfolgreich, hält diese Erwartung jedoch nicht aufrecht. Es ist nur bei Dutzenden von Partikeln und Hunderten von nicht so genau definierten Parametern sinnvoll.
Vor allem haben wir Quantenmechanik, allgemeine Relativitätstheorie, Quantenfeldtheorie und viele weitere Modelle, um Einblicke in dasselbe Thema wie das Universum zu erhalten.
Können nicht alle auf irgendeine Weise miteinander verbunden werden? Sollten Quantenmechanik und Gravitation nicht unter einen gemeinsamen Rahmen fallen? Ja, sollten sie.
Die Theorie von Allem ist unser Versuch, verschiedene theoretische Modelle zu vereinheitlichen, um die Natur zu untersuchen. Die Stringtheorie hat sich als der stärkste Kandidat für einen solchen einheitlichen Ansatz herausgestellt.
Es hat unerwartet die Quantisierung der Schwerkraft mit Gravitonen vorhergesagt. Warum ist es nicht die ultimative Entdeckung?
Stringtheorie wurde erfolgreich bei der Erklärung vieler komplexer Phänomene vor allem Schwarze Löcher. Schwarze Löcher sind sehr kleine Objekte mit sehr großer Masse und erfordern allgemeine Relativitätstheorie sowie Quantenzustände, um sie zu untersuchen.
Die Stringtheorie bietet neue Einblicke in das Quark-Gluon-Plasma und es wurde eine Beziehung zwischen Quantenfeldtheorie und Stringtheorie hergestellt, die als AdS / CFT-Korrespondenz bezeichnet wird.
Die Stringtheorie hat zahlreiche Ergebnisse hervorgebracht, von denen einige absurd oder unverständlich erscheinen können. Zum Beispiel sagt sie die Existenz von voraus. 10 500 Universen oder ein massives Multiversum.
Aufgrund dieser Tatsache hat die Stringtheorie in der Vergangenheit viele Rückschläge erlebt. Was die Wissenschaft jedoch erschreckt, ist das wiederkehrende Comeback dieser kontroversen Theorie.
Seine Lösungen und Ergebnisse tauchen in allen Bereichen des Studiums immer wieder auf. Außerdem hat die Stringtheorie viele neue Ideen wie die Supersymmetrie inspiriert, die mittlerweile gut etabliert sind und allein verwendet werden.
Die Stringtheorie war sowohl in den Medien und in der Populärwissenschaft als auch in der wissenschaftlichen Gemeinschaft wegen ihrer kontraintuitiven Lösungen von Interesse. Das größte Problem der Stringtheorie ist jedoch, dass die meisten ihrer Vorhersagen und Vorstellungen dies nicht könnenmit Experimenten getestet werden, da sie sehr viel Energie benötigen, was derzeit mit unseren Sonden nicht möglich ist.
Aber die Stringtheorie ist nicht nur eine Theorie, sondern eine Revolution in der Welt der Physik und wird auf die eine oder andere Weise immer Teil der Mainstream-Wissenschaft sein. Theoretische Physiker und populäre Gesichter der Physik Brian Greene und Michio Kaku bestätigen Sie dies.
Hier ist also die Stringtheorie vereinfacht.