Der große italienische Galileo Galilei hat vor langer Zeit gezeigt, dass es mit Hilfe mathematischer Formeln möglich ist, auch Prozesse zuverlässig zu beschreiben, die außerhalb unserer Wahrnehmung liegen. Seitdem haben Wissenschaftler versucht, eine Art physikalische und mathematische "Theorie von allem" zu schaffen, die das Universum unter Berücksichtigung der bekannten Wechselwirkungen elegant beschreibt.
FÜNFTE ABMESSUNG
Isaac Newton eröffnete eine neue Ära in der Geschichte der Wissenschaft und formulierte 1684 seine drei berühmten Gesetze der Mechanik. Gleichzeitig dachte er überhaupt nicht darüber nach, wie die von ihm beschriebenen Kräfte wirken und wie sie beschaffen sind.
Newtons Gesetze waren von begrenztem Nutzen. Sie konnten in keiner Weise zur Beschreibung von Phänomenen wie Elektrizität, Magnetismus und optischen Effekten verwendet werden. Ende des 19. Jahrhunderts wurden all diese drei Phänomene mit Hilfe von James Maxwells Gleichungen erfolgreich zu einer kohärenten Wissenschaft der Elektrodynamik kombiniert, und die Wissenschaftler hofften ernsthaft, dass sie kurz davor waren, eine "Theorie von allem" zu schaffen. Bald wurde dieses Thema von Albert Einstein aufgegriffen, der die speziellen (1905) und allgemeinen (1916) Relativitätstheorien formulierte, die eine Überarbeitung der Newtonschen Physik erforderten. Da Einsteins Entdeckung durch einfache visuelle Beobachtungen bestätigt wurde, akzeptierte die wissenschaftliche Gemeinschaft sie ohne Einwände. Einstein glaubte, dass es ausreichen würde, um eine "Theorie von allem" zu formulieren, eine Verbindung zwischen Elektromagnetismus und Schwerkraft herzustellen. Aber er zog schnell Schlussfolgerungen.
Der deutsche Physiker Theodor Kaluzei konnte 1921 die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie formal mit den klassischen Maxwell-Gleichungen kombinieren, musste dafür aber zusätzlich zu den vier bekannten (drei Raumdimensionen und eine Zeit) eine weitere fünfte Dimension einführen. Anfangs schien diese Idee verrückt zu sein, doch fünf Jahre später schlug der Schwede Oskar Klein die Begründung für die "Unbeobachtbarkeit" der fünften Dimension vor.
Es schien, als würde alles konvergieren, und hier stellten neue Entdeckungen auf dem Gebiet der Elementarteilchenphysik und die Entstehung der Quantenmechanik einen so einfachen Ansatz in Frage.
Werbevideo:
MULTIDIMENSIONALE WELT
Die moderne Physik erfordert eine hypothetische "Theorie von allem", um die vier derzeit bekannten grundlegenden Wechselwirkungen zu kombinieren: Gravitationswechselwirkung, elektromagnetische Wechselwirkung, starke Kernwechselwirkung, schwache Kernwechselwirkung. Außerdem muss es die Existenz aller Elementarteilchen und ihre Unterschiede zueinander erklären.
Die Versuche, mehrere Interpretationen der beobachteten Wechselwirkungen zu kombinieren, wurden im gesamten 20. Jahrhundert fortgesetzt. Mitte der 1970er Jahre stellte sich sogar heraus, dass drei Wechselwirkungen kombiniert wurden, zusätzlich zu den wichtigsten und uns in Empfindungen gegebenen - der Schwerkraft. Aber selbst diese "verkürzte" Theorie hat keine experimentelle Bestätigung erhalten.
Weitere Versuche zu verstehen, wie das Universum auf einer grundlegenden Ebene angeordnet ist, führten dazu, dass Physiker sich an die vergessene Kaluzei-Klein-Theorie erinnern und zusätzliche Dimensionen in ihre Formeln einführen mussten. Es stellte sich heraus, dass alles konvergiert, wenn wir die Hypothese akzeptieren, dass das Universum nicht vier oder nicht fünf, sondern zehn Dimensionen hat. Später entstand die M-Theorie, die in elf Dimensionen arbeitete, gefolgt von der F-Theorie, in der zwölf Dimensionen auftreten. Man könnte denken, dass die Einführung zusätzlicher Dimensionen, die wir uns nicht einmal vorstellen können, das Problem kompliziert, aber auf der Ebene der reinen Mathematik stellt sich heraus, dass sich im Gegenteil vereinfacht. Und das Problem der Wahrnehmung ist nur mit Gewohnheit verbunden: Es gab Zeiten, in denen die Menschen nichts über Vakuum und Schwerelosigkeit wussten, und jetzt hat jedes Schulkind, das davon träumt, Astronaut zu werden, eine Vorstellung davon.
Ist es möglich, die grundlegende Beziehung in einem mehrdimensionalen Raum in der Praxis irgendwie aufzudecken? Es stellt sich heraus, dass Sie können. Genau das tun die Befürworter der sogenannten Stringtheorie.
QUANTUMGEWINDE
"Strings" als grundlegende Formationen wurden in die Physik der Elementarteilchen eingeführt, um die Struktur von Pi-Mesonen zu erklären - Teilchen, deren starke Wechselwirkung Atomkerne zu einem einzigen Ganzen macht. Die Existenz solcher Teilchen wurde vorhergesagt und sie selbst wurden 1947 bei der Untersuchung der kosmischen Strahlung entdeckt. Die bei Kollisionen von Pi-Mesonen beobachteten Effekte ermöglichten es, die Idee vorzubringen, dass sie durch einen "unendlich dünnen vibrierenden Faden" verbunden sind. Ich mochte die Idee und sofort gab es mathematische Modelle, in denen alle Elementarteilchen als eindimensionale Strings beschrieben werden, die bei bestimmten Frequenzen schwingen.
Die Stringtheorie begann sich zu entwickeln und es wurde sehr schnell klar, dass "Stringness" nur in Räumen realisiert wird, in denen die Anzahl der Dimensionen a priori mehr als vier beträgt. Sie versuchten, die Theorie auf verschiedene hypothetische Konstruktionen wie Tachyon (ein Teilchen, dessen Geschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit übersteigt), Graviton (Quantum des Gravitationsfeldes) und Boson (Teilchen der Masse) anzuwenden, jedoch ohne großen Erfolg.
In den 1980er Jahren kamen die Physiker jedoch nach langen Debatten zu dem Schluss, dass die Stringtheorie alle Elementarteilchen und die Wechselwirkungen zwischen ihnen beschreiben kann. Hunderte von Wissenschaftlern haben begonnen, daran zu arbeiten. Es wurde bald gezeigt, dass verschiedene Versionen der Stringtheorie praktikabel sind, wenn sie die Grenzfälle der M-Theorie darstellen, die in elf Dimensionen arbeiten. Und obwohl die Arbeit noch lange nicht abgeschlossen ist, neigen die Physiker dazu zu glauben, dass sie auf dem richtigen Weg sind.
Hier muss erklärt werden, wie die Mehrdimensionalität des Universums in der Stringtheorie aussieht.
Die erste Option ist die "Verdichtung" zusätzlicher Dimensionen, was bedeutet, dass sie in so geringen Abständen für sich geschlossen sind, dass sie nicht experimentell erfasst werden können. Physiker sprechen so darüber. Wenn Sie einen Gartenschlauch weit genug vom Gras entfernt beobachten, scheint er nur eine Dimension zu haben - die Länge. Aber wenn Sie zu ihm gehen, werden Sie zwei weitere finden. In ähnlicher Weise können zusätzliche Raumdimensionen nur aus extrem geringer Entfernung erfasst werden und liegen außerhalb der Möglichkeiten von Instrumenten.
Die zweite Möglichkeit besteht darin, die Messungen zu „lokalisieren“. Sie sind nicht so klein wie im ersten Fall, aber aus irgendeinem Grund sind alle Teilchen unserer Welt auf einem vierdimensionalen Blatt (Brane) im mehrdimensionalen Universum lokalisiert und können es nicht verlassen. Da wir und alle unsere Geräte aus gewöhnlichen Partikeln bestehen, können wir im Grunde nicht sehen, was sich draußen befindet. Die einzige Möglichkeit, das Vorhandensein zusätzlicher Dimensionen zu erkennen, ist die Schwerkraft, die nicht auf der Brane lokalisiert ist, sodass Gravitonen und mikroskopisch kleine Schwarze Löcher nach draußen gehen können. In der uns bekannten Welt wird ein solcher Prozess wie ein plötzliches Verschwinden der von diesen Objekten weggetragenen Energie aussehen.
Obwohl angenommen wird, dass die Stringtheorie niemals experimentell bestätigt wird, haben Physiker mehrere Experimente entwickelt, die indirekt darauf hinweisen können, dass sie korrekt ist. Darunter befindet sich die Bestimmung von Abweichungen im Gesetz der universellen Gravitation in Entfernungen in der Größenordnung von Hundertstel Millimetern. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Gravitonen und mikroskopisch kleine Schwarze Löcher am Large Hadron Collider zu fixieren. Das dritte ist die Beobachtung von "kosmischen Strings", die sich auf intergalaktische Dimensionen erstrecken und das stärkste Gravitationsfeld besitzen. Vielleicht wird eines dieser Experimente in naher Zukunft zu positiven Ergebnissen führen.
DAS ZENTRUM DES UNIVERSUMS
Im Jahr 2003 fanden Physiker heraus, dass es viele Möglichkeiten gibt, zehndimensionale Stringtheorien auf vier Dimensionen zu reduzieren. Darüber hinaus enthält die Theorie selbst kein Kriterium für die Präferenz eines möglichen Pfades. Jede der Optionen erzeugt eine eigene vierdimensionale Welt, die dem beobachteten Universum ähneln oder sich erheblich davon unterscheiden kann. Es stellt sich heraus, dass die Anzahl solcher Optionen nahezu unendlich ist: etwa 10.500 (zehn bis fünfhundertstel Potenz). Was macht unsere Welt so wie sie ist?
Bald wurde vorgeschlagen, dass die Antwort nur durch die Aufnahme einer Person in dieses Bild erhalten werden kann - wir existieren genau in dem Universum, in dem unsere Existenz möglich ist. In jedem anderen Fall würden Sie diese Zeilen einfach nicht lesen.
Anton Pervushin
