Kurz:
- warum die moderne Physik eine Sackgasse erreicht hat.
- dass Einstein und Hawking keine Zeit hatten zu erkunden.
- wie man Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie kombiniert.
Mit Hilfe des Internets können Sie alles lernen - vom Entwurf eines Verbrennungsmotors bis zur Expansionsgeschwindigkeit des Universums. Aber es gibt Fragen, deren Antworten nicht nur Google, sondern auch den größten Wissenschaftlern unserer Zeit bekannt sind.
Wenn Sie plötzlich das Glück haben, mit den neuesten Nobelpreisträgern der Physik zu sprechen, fragen Sie sie nicht nach Exoplaneten und dunkler Materie, das haben sie schon hunderte Male gesagt.
Fragen Sie besser, warum verschiedene Objekte in unserer Welt unterschiedlichen Gesetzen der Physik gehorchen. Zum Beispiel, warum Planeten, Sterne und andere große Objekte nach bestimmten Gesetzen miteinander interagieren und Teilchen auf der kleinsten Ebene wie Atome nur sich selbst gehorchen.
Eine solche Frage wird den Laien verblüffen, und eine gebildete Person, die sie beantwortet, wird Ihnen sagen, warum die moderne Wissenschaft eine Sackgasse erreicht hat, was der Unterschied zwischen dem Standardmodell der Physik und der allgemeinen Relativitätstheorie (im Folgenden - GR) ist und warum die Bedeutung von Higgs-Bosonen und Stringtheorie tatsächlich ist Der Fall wird überbewertet.
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Trotz dieser Erklärungen kann Ihnen niemand, einschließlich des auferstandenen Albert Einstein, die unterschiedliche Natur physikalischer Phänomene auf Mikro- und Makroebene erklären. Wenn Sie dieses Problem selbst lösen können - Glückwunsch, Sie sind der erste Autor der Theorie von allem, das größte Gehirn in der Geschichte der Menschheit, der Preisträger aller möglichen Auszeichnungen und der Vater (oder die Mutter) der neuen Physik.
Bevor Sie der Welt eine revolutionäre Entdeckung präsentieren, ist es besser zu verstehen, was die Theorie von allem bedeutet, welche Fragen sie beantworten sollte und wer ihrer Entdeckung am nächsten kam.
Die Theorie von allem ist eine Kombination aus zwei der bekanntesten Konzepte der modernen Physik - der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein und der Quantenmechanik. Die erste Theorie beschreibt alles, was uns umgibt, in Form von Raum-Zeit sowie die Interaktion aller Objekte im Universum nur mit der Schwerkraft. Die Quantenmechanik beschreibt wiederum die Wechselwirkung von Elementarteilchen unter Verwendung von drei Indikatoren gleichzeitig - elektromagnetische und starke / schwache Kernwechselwirkung.
Es geht also um Schwerkraft und große Objekte wie Planeten und Sterne, und die Quantenmechanik spricht um Elementarteilchen und ihre elektromagnetischen und schwachen / starken nuklearen Wechselwirkungen. Wir werden etwas später darauf zurückkommen.
Newtons Erbe
Zum ersten Mal wurde die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein geäußert. Zu dieser Zeit ergänzte ein junger Mitarbeiter des österreichischen Patentamts Newtons klassische Gravitationstheorie und beschrieb alle darin enthaltenen Unbekannten. Dank dieser Entdeckung lernten die Menschen insbesondere, was Schwerkraft wirklich ist und wie sie die Wechselwirkung nicht nur zwischen dem Apfel und der Erde, sondern auch zwischen der Sonne und allen Planeten im Sonnensystem bestimmt.
Einstein schlug vor, dass Raum und Zeit miteinander verbunden sind und ein einziges Raum-Zeit-Kontinuum bilden - die Grundlage für die Entstehung der Gravitationskräfte aller Objekte. Im Gegensatz zu Newtons Theorie ist dieses Kontinuum (oder die Raum-Zeit) flexibel und kann seine Form abhängig von der Masse der Objekte und entsprechend ihrer Energie ändern.
Einsteins Vermutungen wurden erst vor einigen Jahren in der Praxis bestätigt, als sie bemerkten, wie sich Licht - und dementsprechend Raum-Zeit - aufgrund des Einflusses der Schwerkraft biegt und in der Nähe eines massiven Objekts - der Sonne - vorbeizieht. Auch ohne diese Beweise ist die allgemeine Relativitätstheorie längst zur Grundlage der modernen Physik geworden, und bisher konnte niemand eine fundiertere Erklärung für die Schwerkraft von Körpern und Feldern im Raum liefern.
Trotzdem ist die Raumzeit selbst noch wenig verstanden, und Wissenschaftler wissen nicht, wie sie gebildet wird und woraus sie besteht. Antworten auf diese Fragen werden in der Quantenmechanik gerade erst gesucht - ein theoretischer Zweig der Physik, der die Natur physikalischer Phänomene auf der Ebene von Molekülen, Atomen, Elektronen, Photonen und anderen winzigen Teilchen beschreibt.
Quantenmechanik
Nach Einsteins Theorie sollten absolut alle Objekte im Universum der Schwerkraft erliegen. Gleichzeitig mit der Entdeckung der allgemeinen Relativitätstheorie untersuchten andere Wissenschaftler, wie Objekte auf subatomarer Ebene interagieren.
Es stellte sich heraus, dass die Schwerkraft in einem solchen Maßstab völlig nutzlos ist. Stattdessen wurden elektromagnetische und schwache / starke nukleare Wechselwirkungen definiert. Mit Hilfe dieser Kräfte interagieren die kleinsten Teilchen miteinander - Photonen, Gluonen und Bosonen.
Wissenschaftler wissen jedoch immer noch nicht, nach welchen Prinzipien diese Teilchen interagieren, da sie eine extrem hohe Energiedichte haben können und sich immer noch nicht für die Schwerkraft eignen. Daher - solche unerklärlichen Phänomene wie der Wellen-Korpuskel-Dualismus (Manifestation der Eigenschaften einer Welle durch ein Teilchen) sowie die Wirkung eines Beobachters mit der daraus resultierenden Form einer lebenden und toten Schrödingers Katze.
Aus diesem Grund kollidierten zwei Welten der Physik mit ihren Stirnen - Einsteins, in denen alle Objekte bestimmte Eigenschaften haben, sich für die Schwerkraft eignen, beschrieben und vorhersehbar sind, und Quanten, in denen ein völlig anderes, unvorhersehbares Leben tobt, in dem sich alles ständig ändert und das Konzept des Raums nivelliert. Zeit als solche.
Was muss getan werden, um diese beiden Welten zu vereinen? Wir sprachen über die Schwerkraft in der allgemeinen Relativitätstheorie und über die elektromagnetische, starke / schwache nukleare Wechselwirkung im Standardmodell der Physik. Die Schwerkraft ist also fast perfekt, sie ermöglicht es uns, fast alles zu verstehen, was uns umgibt, aber sie berücksichtigt nicht das sehr unerklärliche Verhalten von Partikeln auf der kleinsten Ebene. Elektromagnetische und starke / schwache nukleare Wechselwirkungen sind ein alternativer Teil der Physik, der neue Entdeckungen verbirgt und ein riesiges Reservoir für die Forschung darstellt, jedoch die Gravitationsgesetze der allgemeinen Relativitätstheorie nicht berücksichtigt.
Die letzte Phase in der Forschung und im Leben von Albert Einstein war die Schaffung der Theorie der Quantengravitation, die es ermöglichen würde, alle möglichen Wechselwirkungen von Objekten auf Makro- und Mikroebene zu vereinen und auch zu erklären, warum sie sich unterschiedlich verhalten. Einstein konnte nie Antworten auf diese Fragen finden, und nach ihm wurde die mögliche Vereinigung von allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik als Theorie von allem bezeichnet.
Die Theorie von allem
Auf ihrer Suche nach einer Theorie von allem haben Wissenschaftler einige der ungewöhnlichsten Objekte im Universum untersucht - Schwarze Löcher. Sie sind so schwer, dass sie sich für die Schwerkraft eignen, und so komprimiert, dass Quanteneffekte theoretisch beobachtet werden können, wenn sie in ein Schwarzes Loch fallen. Leider haben Schwarze Löcher, abgesehen von der der Quantenmechanik entgegengesetzten Hawking-Strahlung und einem aktuellen Foto des Ereignishorizonts, der modernen Wissenschaft bisher wenig geholfen. Selbst wenn sie existieren, ist es für den Menschen fast unmöglich, sie zu erreichen.
Sie begannen, nach einer Theorie von allem auf der Erde zu suchen, indem sie verschiedene Gedankenexperimente und Eigenschaften der Quantenmechanik und der allgemeinen Relativitätstheorie verwendeten, die sich möglicherweise ergänzen könnten.
Heute ist die Stringtheorie vielleicht die beliebteste und der Wahrheit am nächsten liegende Version der Theorie von allem. Es heißt, dass jedes Teilchen eine eindimensionale Kette ist, die in einer 11-dimensionalen Realität schwingt, und abhängig von diesen Schwingungen werden seine Masse und Ladung bestimmt.
Die Haupteigenschaft eines Strings besteht unter anderem darin, dass er die Schwerkraft auf Quantenebene übertragen kann. Wenn eine solche Theorie in der Praxis bestätigt würde, könnten Strings der erste Schritt zur Vereinheitlichung der Quantenmechanik mit der allgemeinen Relativitätstheorie sein. Leider konnte bisher niemand dies beweisen und erklären, dass die Saiten auf subatomarer Ebene die Schwerkraft tragen. Genau wie das kürzlich entdeckte Higgs-Boson nicht zum gewünschten Graviton wurde.
Ja, wir wissen immer noch nicht, woher die Masse vieler Elementarteilchen kommt und nach welchem Prinzip sie miteinander interagieren, aber dies hindert moderne Physiker nicht daran, immer mehr neue "Theorien von allem" vorzuschlagen.
So haben kürzlich Physiker aus China, Deutschland und Kanada Wojciech Zureks Theorie des Quantendarwinismus getestet, die angeblich erklärt, wie Quantenteilchen ihre Spuren im Makrokosmos hinterlassen, der uns zur Verfügung steht. Aber selbst bei gleichzeitiger Bestätigung des Auffindens von Teilchen in zwei Zuständen ist dies nur eine Bestätigung der Wechselwirkung der Quantenmechanik der allgemeinen Relativitätstheorie und in keiner Weise eine Erklärung dafür.
Ein anderer amerikanischer theoretischer Physiker von der University of Maryland, Brian Swingle, verpflichtete sich, die Natur des Ursprungs der Raum-Zeit zu beschreiben, und entschied, dass die Quantenverschränkung das Einstein-Kontinuum bilden könnte. Swingle schlug vor, dass die vierdimensionale Struktur der Raumzeit (Länge, Breite, Tiefe und Zeit) in der dreidimensionalen Quantenphysik (mit denselben Dimensionen, nur ohne Zeit) codiert werden könnte. Nach Ansicht des Physikers sollten Schwerkraft und allgemeine Relativitätstheorie durch die Eigenschaften der Quantenmechanik erklärt werden und nicht umgekehrt, was dieses Experiment eher widersprüchlich machte.
Es gibt Dutzende ähnlich komplexer und sogar gut begründeter Theorien, aber keine von ihnen kann noch als Theorie von allem bezeichnet werden. Vielleicht ist das gut, da der Mensch erst seit einem Jahrhundert versucht zu verstehen, wie Atome und Sterne interagieren, und das Universum seit fast 14 Milliarden Jahren existiert.
Der berühmteste moderne Forscher der Theorie von allem - Stephen Hawking - kam am Ende seines Lebens zu dem Schluss, dass es unmöglich war, sie zu finden. Dies wurde jedoch keine Enttäuschung für ihn, sondern führte, wie er später sagte, im Gegenteil zu dem Verständnis, dass sich ein Mensch ständig weiterentwickeln wird: „Jetzt bin ich froh, dass unsere Suche nach Verständnis niemals enden wird und dass wir immer neue Entdeckungen erleben werden … Ohne das wären wir stehen geblieben."
