In einem Artikel des Quanta-Magazins erklärt der niederländische Physiker und Mathematiker Robbert Dijkgraaf anhand der räumlichen Metapher "Landschaft" die revolutionäre Bedeutung der Stringtheorie für das Verständnis des Universums.
Das Hauptdilemma der Quantenphysik
Stellen Sie sich vor, Alice und Bob werden gebeten, das Abendessen zu kochen. Alice liebt chinesisches Essen, Bob liebt Italienisch. Jeder von ihnen wählt sein Lieblingsrezept aus, kauft in einem örtlichen Geschäft ein und befolgt die Anweisungen genau. Aber wenn sie das Essen aus dem Ofen nehmen, sind beide ziemlich überrascht. Beide Gerichte sind genau gleich. Man kann sich nur die existenziellen Fragen vorstellen, die Alice und Bob stellen. Wie können verschiedene Zutaten die gleichen Gerichte machen? Was bedeutet es überhaupt, chinesisches oder italienisches Essen zu kochen? Oder haben sie den Kochprozess so falsch angegangen?
Dies ist ein Beispiel für das zentrale Dilemma der Quantenphysiker. Sie fanden viele Beispiele dafür, wie zwei völlig unterschiedliche Konzepte dasselbe physikalische System beschreiben können. In der Physik wirken Partikel und Kräfte anstelle von Fleisch und Saucen als Zutaten, Rezepte sind Interaktionsformeln, und der Kochprozess ist ein Diskretisierungsverfahren, bei dem die Wahrscheinlichkeit physikalischer Phänomene den Formeln entspricht. Genau wie Alice und Bob sind Wissenschaftler erstaunt darüber, wie unterschiedliche Rezepte zu denselben Ergebnissen führen.
Hatte die Natur die Möglichkeit, ihre Grundgesetze zu wählen? Albert Einstein glaubte, soweit wir wissen, in gewissem Sinne, dass es nur einen Weg gab, auf der Grundlage einiger Grundprinzipien ein elegantes, funktionierendes Universum aufzubauen. Wenn wir aus seiner Sicht das Wesen der Physik auf einer ausreichend tiefen Ebene untersuchen, werden wir zu dem Schluss kommen, dass es nur einen und nur einen möglichen Weg der Wechselwirkung aller Zahnräder des universellen Uhrwerks gibt - Materie, Strahlung, Kräfte, Raum und Zeit.
Stringtheorie als "Theorie von allem"
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Das derzeitige Standardmodell der Teilchenphysik ist ein inerter Mechanismus, der aus einem mageren Satz von Bestandteilen besteht. Trotz der scheinbaren Einzigartigkeit ist unser Universum nur eine der unzähligen möglichen Welten. Wir haben nicht die geringste Ahnung, warum diese besondere Konfiguration von Teilchen und die auf sie einwirkenden Kräfte die Grundlage unserer Weltordnung sind.
Warum gibt es sechs "Aromen" von Quarks, drei "Generationen" von Neutrinos und ein Higgs-Teilchen? Darüber hinaus enthält das Standardmodell neunzehn grundlegende physikalische Konstanten (wie Masse und Ladung eines Elektrons). Die Werte dieser "freien Parameter" scheinen keine tiefe Bedeutung zu haben. Einerseits ist die Teilchenphysik ein Beispiel für Eleganz. Auf der anderen Seite ist es nur eine schöne Theorie.
Wenn unsere Welt nur eine von vielen ist, was sollen wir dann mit alternativen Welten tun? Der aktuelle Standpunkt ist das absolute Gegenteil von Einsteins Vorstellung von einem einzigartigen Universum. Moderne Physiker decken einen riesigen Bereich von Wahrscheinlichkeiten ab und versuchen, die Logik ihrer Verbindungen zu verstehen. Von Goldsuchern haben sie sich zu Geographen und Geologen entwickelt, die die Landschaft kartografieren und die Kräfte, die sie geformt haben, im Detail untersuchen.
Ein Meilenstein in diesem Prozess war die Geburt der Stringtheorie. Im Moment ist sie die einzige Kandidatin für den Titel "Theorie von allem". Die gute Nachricht ist, dass es in der Stringtheorie keine freien Parameter gibt. Es steht außer Frage, welche Stringtheorie unser Universum beschreibt, denn es ist einzigartig. Das Fehlen zusätzlicher Funktionen führt zu radikalen Konsequenzen. Alle Zahlen in der Natur müssen von der Physik selbst bestimmt werden. Dies sind keine "Naturkonstanten", sondern einfach Variablen, die aus Gleichungen erhalten werden (manchmal, wenn auch unglaublich komplex).
Schlechte Nachrichten, meine Herren. Der Lösungsraum für die Stringtheorie ist groß und komplex. Dies ist normal für die Physik. Traditionell werden Grundgesetze unterschieden, die auf mathematischen Gleichungen und Lösungen dieser Gleichungen basieren. Normalerweise gibt es mehrere Gesetze und unendlich viele Lösungen. Nehmen wir Newtons Gesetze. Sie sind knackig und elegant, aber sie beschreiben eine unglaublich breite Palette von Phänomenen, von einem fallenden Apfel bis zu einer Mondumlaufbahn. Wenn diese Gesetze den Anfangszustand des Systems kennen, können sie verwendet werden, um seinen Zustand im nächsten Moment zu beschreiben. Wir erwarten oder fordern keine universelle Lösung, die alles beschreibt.
Ökumenische Landschaft
In der Stringtheorie sind einige der Elemente, die üblicherweise als Gesetze angesehen werden, tatsächlich Lösungen. Sie werden durch die Form und Größe der verborgenen zusätzlichen Abmessungen bestimmt. Der Raum all dieser Lösungen wird oft als "Landschaft" bezeichnet, aber dies wird zu leicht gesagt. Selbst die beeindruckendsten Berglandschaften verblassen gegen die Weite dieses Raumes. Und obwohl seine Geographie noch nicht vollständig erforscht ist, kann man mit Sicherheit sagen, dass seine Kontinente riesig sind.
Eine der differenzierteren Annahmen in der Theorie ist, dass möglicherweise alles miteinander verbunden ist. Wenn wir das Universum gut erschüttern, könnten wir von einer hypothetischen Welt in eine andere übergehen, das ändern, was wir gewohnt sind, die unveränderlichen Naturgesetze zu berücksichtigen, und eine neue Kombination von Elementarteilchen erhalten, die unsere Realität ausmachen.
Aber wie erforschen wir die weite Landschaft physikalischer Modelle des Universums, die leicht Hunderte von Dimensionen haben könnten? Stellen Sie sich das als einen weitgehend unbebauten Abschnitt der Wildnis vor, der größtenteils unter dicken Schichten unwiderstehlicher Komplexität verborgen ist. Lebenswerte Orte gibt es nur an den Grenzen. Hier ist das Leben einfach und frei. Hier sind die Grundmodelle, die wir perfekt verstehen. Sie sind nicht sehr wichtig für die Beschreibung der realen Welt, dienen aber als bequemer Ausgangspunkt für die Erkundung der unmittelbaren Umgebung.
Ein gutes Beispiel ist die Quantenelektrodynamik (QED), eine Theorie, die die Wechselwirkungen zwischen Materie und Licht beschreibt. Dieses Modell hat einen Parameter, der als "Feinstrukturkonstante" bezeichnet wird und die Stärke der Wechselwirkung zwischen zwei Elektronen ausdrückt. Numerisch liegt es nahe bei 1/137. In der QED können alle Prozesse als aus elementaren Wechselwirkungen hervorgegangen betrachtet werden. Beispielsweise kann die Abstoßung zweier Elektronen als Austausch von Photonen angesehen werden. Die Quantenelektrodynamik schlägt vor, alle möglichen Wege zu berücksichtigen, auf denen zwei Elektronen Photonen austauschen können.
In der Praxis bedeutet dies, dass Physiker mit der Notwendigkeit konfrontiert sind, unendliche Summen von großer Komplexität zu berechnen. Die Theorie bietet aber auch einen Ausweg: Jeder zusätzliche Austausch von Photonen fügt eine Bedingung hinzu, in der die Feinstrukturkonstante auf die nächste Potenz angehoben wird. Da die Anzahl dieser Börsen relativ gering ist, haben die zusätzlichen Bedingungen keine großen Auswirkungen. Sie können vernachlässigt werden, indem sie näher an den "realen" Wert gebracht werden. Wir werden diese lose gekoppelten Theorien an den Außenposten der Landschaft finden. Hier sind die Kräfte schwach, und es ist sinnvoll, über die Liste der Inhaltsstoffe - Elementarteilchen - und das Rezept für ihre Wechselwirkung zu sprechen. Wenn wir jedoch unsere bewohnbaren Orte verlassen und in unbekannte Wildnis eintauchen, wird jede zusätzliche Bedingung immer wichtiger. Jetzt unterscheiden wir nicht mehr zwischen einzelnen Partikeln. Sie lösen sich aufverwandeln sich in ein Wirrwarr von Energie, wie die Zutaten eines Kuchens im Ofen.
Es ist jedoch nicht alles verloren. Manchmal ist am Ende des Weges ein weiterer Außenposten zu sehen. Mit anderen Worten, ein weiteres gut kontrolliertes Modell, das diesmal aus einem völlig anderen Satz von Partikeln und Kräften besteht. In solchen Fällen gibt es zwei alternative Rezepte für dieselbe zugrunde liegende Physik wie bei Alice und Bobs Abendessen. Diese konjugierten Beschreibungen werden als duale Modelle bezeichnet, und die Verbindung zwischen ihnen wird als Dualität bezeichnet. Diese Gegensätze können als großartige Verallgemeinerung des von Heisenberg entdeckten berühmten Welle-Teilchen-Dualismus angesehen werden. Bei Alice und Bob erfolgt die Umwandlung zwischen chinesischen und italienischen Rezepten.
Alles ist miteinander verbunden
Warum ist das alles aus physikalischer Sicht so aufregend? Zuallererst ist die Annahme, dass viele (wenn nicht alle) Modelle Teil eines riesigen miteinander verbundenen Raums sind, eine der überraschendsten Erkenntnisse der modernen Quantenphysik. Dies ist ein Perspektivwechsel, der als "Paradigmenwechsel" bezeichnet werden sollte. Anstelle eines Archipels verstreuter Inseln erkunden wir einen riesigen Kontinent.
In gewisser Weise können wir sie alle verstehen, wenn wir ein Modell gründlich genug studieren. Wir können die Beziehung zwischen diesen Modellen untersuchen, indem wir uns auf die allgemeinen Umrisse ihrer Struktur konzentrieren. Es ist wichtig anzumerken, dass dieses Phänomen stark davon abhängt, ob die Stringtheorie mit der realen Welt übereinstimmt. Diese Eigenschaft ist der Quantenphysik inhärent, die unveränderlich ist, unabhängig davon, wie sich die "Theorie von allem" herausstellt.
Dramatischer ist die Schlussfolgerung, dass alle traditionellen Theorien der Grundlagenphysik in den Mülleimer der Geschichte gehen müssen. Teilchen, Felder, Kräfte, Symmetrien - all dies sind nichts anderes als Artefakte eines freien Lebens an den Außenposten einer endlosen Landschaft von undenkbarer Komplexität. Es scheint unglaublich oder zumindest äußerst begrenzt, die Physik in Bezug auf die elementaren Bausteine zu betrachten.
Vielleicht gibt es eine grundlegend neue Struktur, die die grundlegenden Naturgesetze vereint und alle gewohnten Konzepte ignoriert. Die mathematischen Feinheiten und die Eleganz der Stringtheorie sind eine verlockende Motivation, diesen Standpunkt zu akzeptieren. Aber seien wir ehrlich. Nur sehr wenige moderne Ideen darüber, was Teilchen und Felder ersetzen wird, sind "verrückt genug, um wahr zu sein", wie Niels Bohr es ausdrückte.
