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Das Theorie von allem oder Vereinigungstheorie, ist eine (noch nicht existierende) Theorie, die die verschiedenen fundamentalen Theorien in den Physik vereint sich miteinander.

Beschreibung

Eine solche Theorie würde Elementarteilchen und der Grundkräfte der Natur zu einem Modell verschmelzen. Dieses Modell wäre dann im allerersten Minutenbruchteil einer Sekunde nach dem Urknall. obwohl Einstein als einer der ersten versuchten zu sein generelle Relativität Über Schwere mit der Beschreibung der Elektromagnetismus mit dem Maxwell-Gleichungen in einer einzigen Feldtheorie, was ihm nicht gelang, hat er nie den Begriff "Theorie von allem" verwendet. Einsteins Versuch war ein Beispiel dafür, was Einheitliche Feldtheorie erwähnt, und in denen Felder sind die Grundlage aller physikalischen Phänomene.

Argumente für die Existenz der Theorie von allem

Seit Jahren sucht der Mensch nach der Existenz einer Theorie, die alle Gesetze der Physik vereint. Ein Argument ist die auffallende Ähnlichkeit zwischen den Schwere und der Coulomb-Kraft: Die Kraft zwischen 2 Objekten ist jeweils gleich einer Konstanten mal einer Größe des Objekts mal der gleichen Größe des anderen Objekts geteilt durch das Quadrat des Abstands zwischen den Objekten. Das kann laut Physikern kein Zufall sein, nur eine Theorie von allem könnte diese Kräfte vereinen.

Probleme mit der Vereinigung

In der Physik werden die Teilchen und die Kräfte zwischen ihnen beschrieben durch Felder. Eine Vereinigungstheorie versucht, die vier fundamentalen Kräfte (oder Felder) der Natur zu vereinen:

• Starke Kernkraft: Macht das Quarks hält zusammen Neutronen und Protonen, und die Neutronen und Protonen im zusammenhält Atomkern. Das Austauschteilchen für diese Kraft ist das Gluon.
• Elektromagnetische Kraft: die Kraft, die auf elektrisch geladene Teilchen wirkt. Es Photon ist das Austauschteilchen für diese Kraft.
• Schwache Kernkraft: verantwortlich für Radioaktivität, eine abstoßende Wechselwirkung zwischen Elektronen im Nahbereich, Neutrinos und Quarks. Arrangiert von der W-Bosonen und der Z-Boson.
• Schwere: eine Attraktion für kurze und lange Strecken, die auf alle Teilchen, aber auch viel, viel schwächer als die anderen Kräfte auf der Ebene der Mikrowelt. Weil diese Kraft aber proportional zur Masse zunimmt, wird sie dennoch auf der Ebene der für uns gewöhnlichen Alltagsgegenstände wichtig, und sie ist auch die Kraft, die dafür sorgt, dass nichts einfach von der Erde fliegt und Monde, Planeten und Sterne bleiben in ihrer Umlaufbahn durch den Weltraum. Die noch hypothetischen Austauschteilchen sind Gravitonen erwähnt.

Die ersten drei Kräfte werden beschrieben durch die described Standardmodell, ein quantenmechanische Feldtheorie. Die Schwerkraft ist ein Teil der generelle Relativität. Ein Konflikt zwischen den beiden Modellen entsteht in Situationen, in denen beide angewendet werden sollen: starke Gravitationsfelder im kleinen Maßstab, zum Beispiel in a schwarzes Loch oder während der Urknall. In solchen Fällen scheint die Kombination keine sinnvollen Ergebnisse zu liefern. Zum Beispiel gibt es unendlich große Zahlen aus. Das bedeutet, dass etwas nicht stimmt. Wir müssen also auf eine Theorie von allem warten, die die beiden Weltanschauungen (in leicht abgewandelter Form) vereint.

Geschichte

Viele bekannte und weniger bekannte Physiker haben im Laufe der Zeit versucht, eine "Theory of Everything" zu entwickeln. Berühmte Wissenschaftler wie Albert Einstein und unbekannt wie Burkhard Heim.^[1]In der Geschichte der Physik hat es mehrere Assoziationen von Naturkräften gegeben, die scheinbar unterschiedliche Phänomene in einen größeren Rahmen stellen. Am Ende von 18. Jahrhundert drei Kräfte waren bekannt: Schwerkraft, elektrische Kraft und magnetische Kraft. Durch (unter anderem) die Arbeit von Hans Christian rsted, der entdeckte, dass elektrische und magnetische Phänomene zusammenhängen, begannen sie, nach einer einzigen zugrunde liegenden Theorie zu suchen. Nach der Arbeit von werk Gauss, Faraday und Ampere, bestanden James Clerk Maxwell dort mitten in der 19. Jahrhundert um alle Gesetze der Elektrizität und des Magnetismus in nur vier Gleichungen zusammenzufassen. Das Maxwells Gesetze gelten bis heute als besonders elegante und prägnante Kombination der unzähligen elektromagnetischen Phänomene, die unsere Realität weitgehend zu dem machen, was sie ist. Es ist auch wegen dieser Einsicht, dass die Leute angefangen haben, von „Elektromagnetismus“ anstatt von „Elektrizität und Magnetismus“ zu sprechen.

Zu Beginn des 20. Jahrhundert es wurde realisiert, nach der Entdeckung von Radioaktivität, dass in unserem Universum noch eine Kraft am Werk sein muss. Diese Macht wurde die genannt schwache Kernkraft. Der lange Weg zu einem besseren Verständnis dieser Kraft führte zu einer erfolgreichen Beschreibung dieser Kraft und schließlich zu der Erkenntnis, dass diese Kraft zusammen mit der elektromagnetischen Kraft tatsächlich in einem größeren Rahmen beschrieben werden kann. Für die Beiträge zur Vereinigung der schwachen und der elektromagnetischen Wechselwirkung in einer einzigen Theorie der sogenannten elektroschwache Wechselwirkung, empfangen Abdus Salam, Sheldon Glass Show und Steven Weinberg im 1979 das Nobelpreis für Physik.

Neben der schwachen Kernkraft wurde jedoch erkannt, dass zur Erklärung der Stabilität von Atomkerne noch eine andere Kraft muss eingeführt werden. Diese Macht wurde Starke Kernkraft getauft. Nach vielen Versuchen ab 1950 Gell-Mann, Kein Mann und Zweig es in dieser Macht in einer guten Weise zu beschreiben. Die Theorie wurde Quantenchromodynamik namens. Da diese Theorie ähnlich formuliert ist wie die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung, liegt es nahe, beides zu kombinieren. Diese Theorie wird Standardmodell erwähnt. Diese Theorie ist (soweit wir wissen) in der Lage, alle bekannten Phänomene (außer der Gravitation) zu beschreiben. Die Theorie erklärt, warum Kerne zusammenkleben, warum einige Kerne radioaktiv sind, wie chemische Bindungen funktionieren und so weiter. Diese Theorie gilt bis heute als die eleganteste Vereinigung von Naturkräften in der Geschichte der Physik.

Trotz all dieser Vereinheitlichungen gibt es noch ein Rätsel, das bis heute ungelöst geblieben ist. Schließlich ist es immer noch eine große Frage, wie das oben genannte Standardmodell kann mit der Theorie von . verschmelzen Schwere. Das mag auf den ersten Blick nicht so schwierig erscheinen, es gibt jedoch grundlegende Probleme. Immerhin ist das Standardmodell a Quantentheorie. Die beste Beschreibung der Schwerkraft (Relativitätstheorie) zur Verfügung steht, ist eine klassische Theorie, die auf Prinzipien aus dem klassische Physik (und damit nicht auf Prinzipien der Quantenmechanik). Viele Physiker sind sich einig, dass die endgültige Verschmelzung der Gravitationstheorie und des Standardmodells die Formulierung einer quantenmechanischen Version der Gravitation erfordert. Daher ist es seit mehreren Jahrzehnten das oberste Ziel der theoretischen Physik, eine konsistente Theorie der Quantengravitation (auch Quantengravitation genannt). Im Erfolgsfall können alle bekannten Naturgesetze in einem einzigen Rahmen beschrieben werden. So etwas wäre dann Theorie von allem heißen.

Die folgende Abbildung fasst die Verbindungen zwischen den grundlegenden Theorien zusammen:

Die Bezeichnungen SU(3), SU(2) und U(1) sind die mathematische Bezeichnung der Theorie. Genauer gesagt handelt es sich um die Lehrengruppen der entsprechenden Quantenfeldtheorie.

Kandidaten für eine Theorie von allem

Der bisher vielversprechendste Versuch einer vollständigen Vereinigung ist der Stringtheorie. Diese Theorie ist mathematisch sehr elegant und hat viele gute Eigenschaften. Immerhin ist es eine gute Quantengravitationstheorie, aber sie hat ein Problem. Es gibt mehrere unterschiedliche Versionen der Theorie, und es ist auch nicht klar, ob es eine Version gibt, die (genau) mit "der" Realität übereinstimmt: Wenn eine der Versionen übereinstimmen sollte, bleibt die Schwierigkeit zu erkennen, welche Version die richtige ist einer. Eines der Probleme besteht darin, dass die von der Stringtheorie vorgeschlagenen Schwingungsmuster gemäß der Formel E = mc² von Einstein, um eine Energiemenge (und damit Masse) zu erzeugen, die um ein Vielfaches größer ist als die Planck-Masse. Dies widerspricht der Tatsache, dass die Masse von Elementarteilchen wie Quarks und Neutrinos sehr nahe bei 0 liegt. Diese scheinbare Inkonsistenz muss jedoch nicht das Ende der Superstring-Theorie bedeuten, denn bekannt ist auch, dass solche Teilchen sehr schnell instabil werden, also zerfallen. Das nächste Ziel ist daher zu beweisen, dass die von der Stringtheorie vorgeschlagenen Schwingungsmuster die geringe Masse der Elementarteilchen exakt erklären können.^[2]

Es gibt auch andere Theorien, wie z Schleife Quantengravitation, und andere weniger bekannte Versuche, aber auch hier gibt es noch keine erfolgreichen Kandidaten, die sich wirklich als Theorie der Quantengravitation qualifizieren, die unsere Realität beschreibt.

Anekdote

Einstein versuchte bereits in seinen letzten Lebensjahren, eine Vereinheitlichung aller Naturgesetze zu erreichen. Er ist es (oder seine Schüler) Theodor Kaluzac und Oskar Klein) ist es gelungen, ein Modell zu formulieren, das Elektromagnetismus und Schwerkraft in einem Modell vereint. Obwohl sehr interessant, ist diese Theorie keine Quantentheorie der Gravitation, sondern eine klassische Vereinigung beider Theorien. Es war jedoch das erste Beispiel für eine physikalische Theorie, die die Existenz von extra Maße angenommen. Diese Ansicht ist später viele Male wieder aufgetaucht. In dem Stringtheorie zum Beispiel ist es unbedingt erforderlich, dass es viel mehr Dimensionen als die bekannten gibt Raumzeitdimensionen. Zu erklären, warum wir diese zusätzlichen Dimensionen nicht sehen, ist eine der großen Herausforderungen für die Stringtheorie.^[2]