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Interaktion in der subatomaren Welt: Weltlinien von Punktteilchen im Standardmodell oder eine durch geschlossene Strings ausgelöschte Kugel in der Stringtheorie.

Das Stringtheorie oder Stringtheorie ist ein Theorie wer probiert die vier Grundkräfte der Natur in dem Physik (das elektromagnetische Kraft, das stark und schwache Kernkraft und der Schwere) zu einer umfassenden Theorie. Sie ist eine Kandidatin für die sogenannte Vereinigungstheorie.

Beschreibung

EIN Pressemitteilung auf der Website der Universität Amsterdam, veröffentlicht als Reaktion auf die Robbert Dijkgraaf gewonnen Spinoza-Preis, gab die folgende Beschreibung der Theorie^[1]:

Stringtheorie ist die extremste Form von theoretische Physik und der führende Kandidat für eine quantenmechanische Beschreibung der Gravitation. Dies ist notwendig, weil aktuelle Theorien, insbesondere die Relativitätstheorie, unvollständig sein. Stringtheorie funktioniert nicht mit Elektronen oder Quarks aber mit einer Art Mini-Gummizug, der auf alle möglichen Arten vibrieren kann. All die verschiedenen Elementarteilchen um uns herum würden dann als Schwingungen einer einzigen Saite entstehen, wie z Obertöne von a Geigensaite. Auf diese Weise ist es möglich, die Gravitation nach den Gesetzen der Quantenmechanik zu beschreiben. Mit diesem Ausgangspunkt kann die Stringtheorie beispielsweise extrem schwere und sehr kleine Objekte beschreiben, wie Schwarze Löcher und das Universum kurz nach dem Urknall.

Geschichte

Im 1921 entwickelt Theodor Kaluzac und Oskar Klein unabhängig von der Idee, dass Elektromagnetismus in einer einheitlichen Krafttheorie aus der Schwerkraft abgeleitet werden, wenn es vier statt drei Raumdimensionen gibt und diese vierte zu einer kleinen Kreis. Diese Theorie ist bekannt als kaluza-kleine-theorie.

Die offizielle Geburtsstunde der Stringtheorie geht zurück auf 1970, wenn drei Elementarteilchentheoretiker (Yoichiro Nambu, Holger Bech Nielsen und Leonard Süßkind) erkannte, dass die Beschreibung der starke Kernkraft durch Gabriele Veneziano von 1968, gilt auch für die Quantenmechanik schwingender Saiten.

Nambu ging davon aus, dass die winzigen gespannten Saiten Abmessungen von ungefähr der kleinsten messbaren Größe mit der aktuellen Technologie haben.⁻¹⁵ Meter, ein Billionstel Millimeter, die Größe eines Protons oder Neutrons. Die Eigenschaften der Partikel leiten sich aus den unterschiedlichen Schwingungsmoden ab, ähnlich den unterschiedlichen Tönen einer Saite.

Fünf Jahre später wurde das Erklärungsmodell mit Quarks, das Quantenchromodynamik, erzielte mehr experimentelle Erfolge und das Saitenmodell wurde aufgegeben.

Die Stringtheorie kam durch Erkenntnisse von J. Scherk und J. Schwarz zurück: Die Stringtheorie enthält Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, weil sie ein masseloses Teilchen mit Spinne 2 und dieses Teilchen wechselwirkt universell mit aller anderen Materie.Alle Teilchen haben einen Spin gleich:

• 1/2 für Elektronen, Protonen und Neutronen.
• 1 für das Photon oder Lichtquant, den Träger der elektromagnetischen Kraft. Es hat eine Ruhemasse gleich Null. Diese Ruhemasse von Null ist etwas Besonderes: Sie entspricht einer Kraft, die über weite Strecken spürbar ist.
• 2 für das Graviton, vermuteter Schwerkraftträger, ebenfalls mit Null Ruhemasse. Der Spin 2 folgt aus der Struktur der Einsteinschen Theorie.

Das hat die Stringtheorie rund gemacht 1974 ein Comeback, als erkannt wurde, dass Teilchen mit Spin 2 die Masse 0 haben müssen, was unserer Vorstellung von Graviton erwarten von. Damit hatte sich die Stringtheorie als "Theorie für alles" positioniert, also als einheitliche Theorie für vier Elementarkräfte.

Vor den 1990er Jahren glaubten String-Theoretiker, dass es drei verschiedene Superstring-Theorien gibt, die Tippe I, Typ II A und Typ II B und zwei heterogene Stringtheorien (SO (32) und E8 × E8Man dachte, dass diese fünf Theorien zu nur einer Theorie führen würden: der "Theorie von allemDiese Theorie, nach der die zehn Dimensionen auf unsere vier Dimensionen reduziert werden könnten, die den physikalischen Beobachtungen in unserer Welt entsprechen, wurde für richtig gehalten.

Es wird nun davon ausgegangen, dass die fünf Superstring-Theorien miteinander verbunden sind, als ob sie jeweils ein Spezialfall einer fundamentaleren Theorie wären (die M-Theorie) sein. Diese Theorien sind durch sogenannte Dualitäten verbunden. Werden zwei Theorien durch eine Dualitätstransformation verbunden, bedeutet dies, dass beide Theorien durch eine Transformation und eine Rücktransformation ineinander überführt werden können. Sie beschreiben dasselbe auf unterschiedliche Weise.

Es wurde auch festgestellt, dass sich geschlossene Saiten ähnlich wie offene Saiten verhalten. Dadurch lassen sich relativ einfachere Berechnungen an offenen Strings durchführen, die auch für geschlossene Strings gültig sind. Es ist möglich, dass nur die für die Schwerkraft verantwortlichen Saiten geschlossene Saiten sind.

Experimentelle Verifizierbarkeit

Es gibt noch keine experimentellen Beweise, die die Theorie stützen.^[2] Die Stringtheorie hat den Ruf, komplex zu sein. Experimentell verifizierbare Aussagen sind schwer genug, aber ein großes praktisches Problem besteht darin, dass das Energieniveau, auf dem bestimmte Aspekte der Stringtheorie sichtbar werden können, noch weit über der Kapazität der heutigen Generation liegt. Teilchenbeschleuniger Lügen. Daher ist es vorerst nicht möglich, diese Theorie in ihrer Gesamtheit experimentell zu überprüfen. Im Juni 2009 wurde ein physikalisches Phänomen mithilfe der Stringtheorie von FOM.^[3]

Es ist möglich, dass bestimmte Aspekte der Stringtheorie in naher Zukunft experimentell getestet werden können. Der wahrscheinlichste Ort dafür ist der neue Teilchenbeschleuniger im In CERN in Genf, die LHC. Die Stringtheorie geht von einer zehn oder elf ausdimensional Platz und Supersymmetrie; vielleicht die Existenz von zusätzliche Abmessungen kann gezeigt werden: Wenn Energie während eines Experiments verschwindet, sollte sie in einer anderen Dimension sein. Der LHC konnte auch Supersymmetrie zeigen. Wenn die Welt, in der wir leben, tatsächlich supersymmetrisch ist (wie viele theoretische Physiker denken und hoffen), bedeutet dies, dass jedes Teilchen einen supersymmetrischen Partner hat. So ist a Quark der supersymmetrische Partner von a Quark. Die supersymmetrischen Partner sind jedoch viel schwerer. Werden diese „Partnerteilchen“ beobachtet, spricht dies also für die Existenz der Supersymmetrie.

Allerdings wird die Existenz supersymmetrischer Partner oder zusätzlicher Dimensionen auch in anderen Theorien vorhergesagt und ist somit kein Beweis für die Stringtheorie. Möglich ist auch, dass diese Teilchen nur mit viel stärkeren Teilchenbeschleunigern entdeckt werden können.

Es gibt eine Reihe von Problemen mit der Überprüfbarkeit der Stringtheorie, aber es gibt auch Aspekte, die die Theorie sehr attraktiv machen. Erstens kann die Stringtheorie able Quantenmechanik auf elegante Weise mit Relativitätstheorie vereinigen. Mit anderen Worten, sie erklärt, wie die Schwerkraft auf der kleinsten Längenskala aussieht. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber den meisten anderen Theorien. (Eine Ausnahme ist die sogenannte Schleife Quantengravitation.) Darüber hinaus ist die Stringtheorie in der Lage, viele scheinbar unterschiedliche Theorien als unterschiedliche Zustände einer einzigen Theorie zu beschreiben. Zum Beispiel gibt es 5 oder 6 verschiedene Versionen der Stringtheorie (nämlich die fünf Superstring-Theorien und M-Theorie). Es ist bekannt, dass diese im Wesentlichen die gleiche Theorie sind, aber auf andere Weise beschrieben werden. Eine Eigenschaft der Stringtheorie ist, dass sie das Verhalten von Schwarzen Löchern im mikroskopischen Maßstab beschreiben und erklären kann.

Stringtheorie in der Physik

sehen Vereinigungstheorie für den Hauptartikel zu diesem Thema.

Die vier Grundkräfte der Natur in der Physik (de elektromagnetische Kraft, das stark und schwache Kernkraft und der Schwere) werden in zwei Theorien beschrieben:

• Das Relativitätstheorie beschreibt die Natur auf große Entfernungen und bei hohen Geschwindigkeiten. Es ist also ein makroskopische Beschreibung des Schwere. (Bei geringen Geschwindigkeiten und geringen Massen kann man die Gravitation auch beschreiben mit Newtons Gravitationstheorie.)
• Das Quantenmechanik beschreibt das Verhalten von Materie auf sehr kleinem Maßstab. Es beschreibt somit, wie fundamentale Teilchen wechselwirken. Die starke, schwache und elektromagnetische Kraft muss daher mit einer Quantentheorie beschrieben werden. Diese Theorie wurde in der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts gefunden und wird heute als die Standardmodell der Teilchenphysik.

In „alltäglichen“ Situationen, in denen es keine sehr großen Geschwindigkeiten oder Massen gibt und in denen das Verhalten von Materie auf sehr kleinem Maßstab vernachlässigbar ist, reduzieren sich die obigen Theorien auf klassische oder Newtonsche Mechanik, und die vertrautere Welt der Flüssigkeiten, Gase und Feststoffe. Daraus entstehen dann die bekannteren Zweige der Physik, wie die Physik, die im Sekundarbereich unterrichtet wird.

In der Regel haben die Quantenmechanik, die klassische Mechanik und die Relativitätstheorie aufgrund des unterschiedlichen Maßstabs, in dem sie gelten, ihr eigenes Anwendungsgebiet. (Es ist zum Beispiel klar, dass man keine Quantenmechanik braucht, um das makroskopische Verhalten eines Gases zu beschreiben. Man braucht auch keine Relativitätstheorie, um die Bahn eines fallenden Objekts zu erklären: in dieser Situation ist Newtons Gravitationstheorie gut genug für eine Beschreibung.)

Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen sowohl die Quantenmechanik als auch die Relativitätstheorie berücksichtigt werden müssen, zum Beispiel die kleinräumige Gravitation Schwarze Löcher auch wenn Sie die Zeit kurz nach dem einstellen Urknall will studieren. Diese Situationen sind sehr interessant für ein tieferes Verständnis unseres Universums. Problematisch ist, dass es noch keine umfassende Theorie gibt, die sowohl relativistische als auch quantenmechanische Effekte gleichzeitig beschreiben kann. Lange haben die Menschen nach einer universellen Theorie gesucht, die dies kann, der sogenannten Vereinigungstheorie.

Die Tatsache, dass die Stringtheorie sowohl die Relativitätstheorie als auch die Quantenmechanik umfasst, macht sie zu einem guten Kandidaten für die Vereinheitlichungstheorie (auch Theorie von allem). Aus diesem Grund wird die Stringtheorie intensiv studiert.

Saiten und zusätzliche Abmessungen

Oben wurde erläutert, dass es der Stringtheorie gelingt, Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie mit Quantenmechanik. Es wird auch gesagt, dass die Stringtheorie eine konsistente QuantengravitationTheorie ist. Die Stringtheorie geht davon aus, dass Teilchen tatsächlich kleine, schwingende, eindimensionale Saiten sind. Verschiedene Schwingungsarten einer Saite werden dann als verschiedene Partikel wahrgenommen. So wie eine Geigensaite durch Änderung der Saitenlänge unterschiedliche Töne erzeugen kann, kann eine Saite verschiedene Grundpartikel erzeugen, wie z Quarks oder Elektronen. Die Stringtheorie hat also noch einen weiteren verbindenden Aspekt: ​​All die verschiedenen Teilchentypen sind elegant zu einem einzigen fundamentalen Ganzen vereint. Wie in der Einleitung erwähnt, sind diese Saiten (sofern sie existieren) sehr schwer zu erkennen: Sie hätten Abmessungen, etwa Dielenlänge (10⁻³⁵ Meter), während mit der aktuellen Technologie die kleinste messbare Entfernung 10 . beträgt⁻¹⁵ Meter.

Ein weiterer Aspekt der Stringtheorie ist, dass Mathematiker Konsistenz eins mehrdimensional Platz benötigt. In unserer gegenwärtigen Welt haben wir drei greifbare Raumdimensionen plus eine Zeitdimension. Insgesamt sind es also vier Raumzeitdimensionen. Die Stringtheorie geht jedoch davon aus, dass der Raum im sehr kleinen Maßstab nicht vier-, sondern zehn- oder sogar elfdimensional ist. Die sechs „zusätzlichen“ Dimensionen sind „aufgerollt“ und daher nicht wahrnehmbar. Denn mit dem Strom Teilchenbeschleuniger es wurden keine zusätzlichen Abmessungen gefunden, die zusätzlichen Abmessungen müssen kleiner sein als die Längenskala, die die Teilchenbeschleuniger "sehen" können, etwa 10⁻¹⁵ Meter. Eine häufig verwendete Gleichung zur Erklärung des Konzepts der „aufgerollten“ (auch „kompakten“) Abmessungen lautet: Ein Gartenschlauch ist ein Objekt, das „großen“ Betrachtern als eindimensionales Objekt erscheint. Schließlich hat ein Gartenschlauch eine Richtung: seine Längsrichtung. Bei einer Ameise, die auf dem Gartenschlauch läuft, sieht dies jedoch anders aus. Für sie gibt es (neben der Längsrichtung) auch die Richtung um den Gartenschlauch. Eine Ameise sieht also eine Dimension mehr als ein Beobachter, der nur große Längenskalen beobachten kann. Ebenso könnten wir (als makroskopische Beobachter) im täglichen Leben kleine Dimensionen „übersehen“, während diese kleinen Richtungen für sehr kleine Teilchen (oder Fäden) oder bei sehr hohen Energien (in bestimmten Experimenten in zukünftigen Teilchenbeschleunigern) sichtbar sein könnten ).

Varianten der Stringtheorie

sehen Superstring-Theorie für den Hauptartikel zu diesem Thema.

Wie oben erwähnt, gibt es verschiedene Versionen der Stringtheorie. Dies wurde anfangs als Mangel angesehen. Wenn es mehrere Versionen einer Theorie gibt, ist es schwieriger zu überprüfen, ob eine davon richtig ist. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es sich bei den verschiedenen Versionen tatsächlich um dieselbe Theorie handelt, die jedoch anders beschrieben wird. Das sind die sogenannten Dualitäten zwischen verschiedenen Stringtheorien. Dass die bestehenden Versionen der Stringtheorie dieselbe Physik scheinbar anders beschreiben können, wird heute als wichtiger Aspekt und nicht mehr als Fehler angesehen. Schließlich ermöglichen diese Dualitäten es, die Beschreibung für ein bestimmtes Problem zu wählen, bei der die Berechnungen am einfachsten sind. Typischerweise geschieht Folgendes: Je schwieriger ein Problem in einer Beschreibung ist, desto einfacher ist die Berechnung in einer anderen Beschreibung. Technisch gesehen ist die Größe der Kopplungskonstante umgekehrt beim Übergang von einer Theorie zu ihrer/einer dualen Theorie. Beispiele für häufig verwendete Dualitäten in Berechnungen sind die offene/geschlossene Dualität, S-Dualität, und T-Dualität.

Ein Unterschied zwischen den verschiedenen Versionen der Stringtheorie ist das Vorhandensein oder Fehlen offener Strings. Offene Saiten sind schwingende Saiten mit zwei Endpunkten (wie eine Saite). Dies steht im Gegensatz zu den geschlossenen Saiten, die keine Endpunkte haben (wie ein Gummiband). Open-String-Theorien haben noch eine andere Art von fundamentalem Gegenstand: die sogenannte D-Brane (benannt nach dem Mathematiker Johann Dirichlet). Die D-Branes sind höherdimensionale Objekte (denken Sie beispielsweise an eine zweidimensionale Fläche), an denen die Endpunkte der offenen Saiten befestigt sind.

D-Branen sind sehr wichtig bei Versuchen, unsere Welt mit der Stringtheorie zu beschreiben. Schließlich erweist sich die Aufstellung eines stringtheoretischen Modells unserer Realität als keine leichte Aufgabe. D-Branes sind ein wichtiges Werkzeug für Versuche, solche Modelle zu bauen. Ein viel recherchiertes Beispiel ist das folgende. Angenommen, unsere Welt ist tatsächlich eine dreidimensionale D-Brane. Wenn alle Strings außer denen des Gravitonen, sind offen, die meisten Partikel und Kräfte sind an der Brane 'geklebt'. Gravitationspartikel sind geschlossen, sodass sie nicht mehr an eine Dimension gebunden sind. So können sie unsere Dimensionen verlassen, was erklären würde, warum die Schwerkraft, wie wir sie wahrnehmen, im Vergleich zu den anderen drei Kräften relativ schwach ist. Dieses Modell würde daher sofort eine gültige Erklärung für eine der großen Fragen der Physik liefern, nämlich die Frage, warum die Gravitationskraft zwischen fundamentalen Teilchen so schwach ist.

Es gibt mehrere Stringtheorien, von denen fünf mit Superstrings arbeiten. Diese fünf Superstring-Theorien sind miteinander verbunden, als würden sie die Realität aus einem anderen Blickwinkel beleuchten. Schließlich gibt es auch noch die M-Theorie. Dies gibt eine zusammenfassende Beschreibung der fünf Stringtheorien, aber leider ist diese Theorie noch nicht gut verstanden. Die grundlegenden Ziele von M-Theorie sind auch keine Strings sondern sogenannte Membranen, zwei- oder fünfdimensionale Objekte. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die fünf Stringtheorien und ihre typischen Eigenschaften.

Kritik

Dank an M-Theorie von Edward Witten Immer mehr Physiker halten die Stringtheorie für einen ernsthaften Kandidaten für die universelle Vereinheitlichungstheorie. Einige Physiker, wie z Brian Greene, glauben, dass die Stringtheorie in nicht allzu ferner Zukunft zu einer universellen Theorie führen könnte. Er schrieb: "Und ein beträchtlicher Teil der Physik- und Mathematik-Community ist zunehmend davon überzeugt, dass die Stringtheorie die Antwort liefern kann." (Freie Übersetzung: „Ein bedeutender Teil der Physik- und Mathematik-Community ist zunehmend davon überzeugt, dass die Stringtheorie die Antwort liefern könnte.“)

Andere Physiker lehnen ihn jedoch ab, weil nach jahrzehntelanger Forschung die Beweise – im Sinne von experimentellen Bestätigungen oder gar experimenteller Überprüfbarkeit – noch fehlen. Sheldon Glass Show hat die Stringtheorie mit mittelalterlichTheologie verglichen, basierend mehr auf Glauben und Spin als auf Beobachtungen und Experimente, und Richard Feynman tat sie rundweg als "Unsinn" ab. Vor kurzem wurde die Stringtheorie in den Büchern von Peter Woit kritisiert: Nicht einmal falsch und Lee Smolin: Das Problem mit der Physik. Woit kritisiert die wissenschaftliche Monokultur in der theoretischen Physik aufgrund der Dominanz stringtheoretischer Forschung und schlägt vor, nach anderen Kandidaten für eine "Theorie von allem" wie eine Erweiterung der Quantenfeldtheorie. Die Stringtheorie ist 'nicht einmal falsch', weil ein durchführbares wissenschaftliches Experiment, das die Theorie bestätigt oder widerlegt, (noch) nicht konzipiert werden kann.

Ähnliche Kritik findet sich auch in Smolins Buch: Wegen der sehr vielen Möglichkeiten, die 10 Dimensionen der Stringtheorien in die beobachtbare 4 zu falten (er zitiert 10⁵⁰⁰), sind die Stringtheorien nicht so elegant, wie die geringe Anzahl von Parametern vermuten lässt, und die Vorhersagekraft ist gering. Die einzige experimentell getestete Vorhersage, die Stringtheoretiker jemals gemacht haben, nämlich dass die dat Ausdehnung des Universums verzögern konnte, stellte sich als falsch heraus. Auch die Stringtheorie ist nicht hintergrundunabhängig, sollte aber dennoch die hintergrundunabhängige Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenphysik vereinen.Obwohl sich der Name Stringtheorie durchgesetzt hat, darf man eigentlich nur von einer Hypothese sprechen. Dennoch müssen die Prinzipien der Stringtheorie für viele Physiker, die ihr ihre Karriere verdanken, nicht mehr diskutiert werden. Laut Smolin behindert die große, sich selbst erhaltende Gruppe von Stringtheoretikern an prominenten Fakultäten die Suche nach der universellen Vereinheitlichungstheorie. Obwohl die zur experimentellen Verifikation einer universellen Vereinigungstheorie benötigten Energien für den Menschen unerreichbar sind, sieht er Möglichkeiten in astronomischen Beobachtungen, beispielsweise der Expansion des Universums (siehe dunkle Energie) oder von kosmischer Strahlung.

Siehe auch

• Vereinigungstheorie
• Supergravitation
• D-Brane
• M-Theorie

Literatur

Für ein breites Publikum

• (NL) Marcel Vonk, Strings und Stringtheorie, Veen Magazine 2010. ISBN 9085712483 .
• (NL) Allgemeine Erklärung Über Quantengravitation, Stringtheorie und Schwarze Löcher.
• (und) Michael Grün, Superstrings. aus Scientific American (1986). (Auf Englisch)
• (und) Edward Witten, Das Universum an einer Schnur (PDF-Datei). aus dem Astronomy Magazine (2002). (Auf Englisch)

Lehrbücher

• Zwiebach, Barton: Ein erster Kurs in Stringtheorie, Cambridge University Press 2004 (Auf dem Niveau eines Masterstudenten der Physik, mit viel Erklärung und schrittweisem Aufbau.)
• Polchinski, Josepho (1998) Stringtheorie. Cambridge University Press. (Eher technischer, aber ein grundlegendes Lehrbuch.)
  • Voll. 1: Eine Einführung in die bosonische Saite. ISBN 0-521-63303-6 .
  • Voll. 2: Superstringtheorie und darüber hinaus and. ISBN 0-521-63304-4 .

Kritik

• Smolin, Lee: Das Problem mit der Physik
• Woit, Peter: Nicht einmal falsch
• Krauss, Lawrence: Im Spiegel verstecken^[4]

Externe Links

• (NL) Eine niederländische Einführung Erste Begegnung.
• (und) Brian Greene über String-Theorie in weniger als zwanzig Minuten auf TED.com.
• (und) Das elegante Universum – Diverse Filme, Texte, Animationen und Bilder zur Erläuterung der Stringtheorie. Präsentiert von Brian Greene.
• (und) Website von Robbert Dijkgraaf mit Links zur englischen Seite "String Theory Group"
• (und) Eine einfache Einführung in die Stringtheorie.
• (und) Wolchover, Natalie, String Theory Only Game in Town Tests. Quanta-Magazin (18. Februar 2015). Zugegriffen unter 6. September 2020. – mit etwas Ideengeschichte der Stringtheorie.

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