Heute ist das wissenschaftliche Bild der Welt so geformt, dass unser Universum von zwei Gesetzen beherrscht wird - der allgemeinen Relativitätstheorie, die die wunderbare Arbeit der Schwerkraft erklärt, und der Quantenmechanik, die die anderen drei Wechselwirkungen des Universums beschreibt (starker Kern, schwacher Kern und Elektromagnetismus). Sie können diese Gesetze anwenden und sie auf Dinge in großem Maßstab anwenden - Planeten, Galaxien und dann auf die kleinsten Maßstäbe - Protonen und Neutronen. Aber warum hat die Natur zwei getrennte Gesetze für das Universum erlassen?
Die Superstringtheorie ist ein Versuch, zwei Fragen zu beantworten: Gibt es eine Möglichkeit, allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik zu kombinieren, um eine "Theorie von allem" zu schaffen? Woraus besteht das alles?
Superstringtheorie
Früher dachten wir, die Bausteine des Lebens seien Atome, die kleinsten Bestandteile der Materie. Aber dann haben wir die Atome getroffen und Elementarteilchen gefunden, die so klein sind, dass wir sie nicht einmal sehen können, ohne uns auf eine bestimmte Weise zu verändern. Um etwas zu sehen, brauchen wir zuerst das Licht, um vom Objekt abzuprallen und unsere Augen zu treffen, um das Bild zu bilden. Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen, die frei durch Elementarteilchen hindurchtreten. Wir können diese Wellen dichter machen, ihnen Energie hinzufügen, so dass sie auf die Partikel treffen und wir sie sehen können, aber sobald etwas auf das Partikel trifft, ändert es sich, sodass wir es nicht in seinem ursprünglichen Zustand sehen können. Wir haben keine Ahnung, wie Elementarteilchen aussehen. Wie dunkle Energie, dunkle Materie, können wir diese Phänomene nicht direkt beobachten, aber wir haben Grund zu der Annahmedass sie existieren.
Wir betrachten diese Teilchen als Punkte im Raum, obwohl dies in Wirklichkeit nicht der Fall ist. Trotz aller Mängel gibt uns diese Methode - die quantenmechanische Idee, dass Kräfte von Teilchen getragen werden - eine ziemlich gute Vorstellung vom Universum und führt zu Durchbrüchen wie Quantenlösungsmitteln und Magnetschwebebahnen. Die allgemeine Relativitätstheorie selbst hat sich ebenfalls gut bewährt. Sie hat Neutronensterne und Merkurs Orbitalanomalien erklärt, Schwarze Löcher vorhergesagt und Licht gekrümmt. Aber die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie funktionieren leider nicht mehr in der Mitte des Schwarzen Lochs und am Vorabend des Urknalls. Das Problem ist, dass es unmöglich ist, sie zusammenzubringen, da die Schwerkraft mit der Geometrie von Raum und Zeit verbunden ist, wenn Entfernungen genau gemessen werden, aber in der Quantenwelt gibt es keine Möglichkeit, etwas zu messen.
Als Wissenschaftler versuchten, ein neues Teilchen zu erfinden, das die Schwerkraft mit der Quantenmechanik verbindet, scheiterte ihre Mathematik einfach.
In gewisser Weise musste ich zur Tafel zurückkehren. Daher haben Wissenschaftler vorgeschlagen, dass die kleinsten Komponenten des Universums keine Punkte, sondern Strings sind. Unterschiedliche Schwingungen von Saiten erzeugen unterschiedliche Elementarteilchen wie Quarks. Die vibrierenden Saiten könnten alle Materie und alle vier Kräfte im Universum ausmachen - einschließlich der Schwerkraft.
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Höhere Dimensionen
Die Superstringtheorie hat ein Problem. Es wird nicht funktionieren, wenn wir annehmen, dass es nur drei räumliche Dimensionen und eine zeitliche Dimension gibt, in der wir leben. Die Stringtheorie erfordert, dass Sie mindestens zehn Dimensionen spielen.
Als GR zum ersten Mal konzipiert wurde, verzerrte die Schwerkraft Raum und Zeit, um diese Kraft zu beschreiben. Wenn jemand eine andere Kraft wie den Elektromagnetismus beschreiben möchte, muss er daher eine neue Dimension hinzufügen. Wissenschaftler schrieben Gleichungen, die die Kurven und Defekte des Universums mit einer zusätzlichen Dimension beschreiben, und erhielten die ursprüngliche Gleichung des Elektromagnetismus. Eine erstaunliche Entdeckung.
Die zusätzlichen Dimensionen der Stringtheorie können uns helfen zu erklären, warum die Zahlen in unserem Universum so kalibriert sind, dass sie alles existieren lassen. Warum beträgt die Lichtgeschwindigkeit beispielsweise 299.792.458 Meter pro Sekunde? Sie versuchen auch, die Frage nach der Schwerkraft zu beantworten - warum ist diese Kraft so schwach? Es ist die schwächste der vier fundamentalen Wechselwirkungen: 1040-mal schwächer als die elektromagnetische Kraft. Es wird ausreichen, sich einfach zu bücken und das Buch vom Boden zu heben, um ihm zu widerstehen. Theoretisch liegt dies daran, dass die Schwerkraft in höhere Dimensionen eindringt. Die Schwerkraft besteht aus Strängen mit geschlossener Schleife, die es ihr ermöglichen, unsere Dimension zu verlassen, im Gegensatz zu offenen Strängen, die besser geerdet sind.
Warum können wir nicht alle diese Dimensionen sehen?
Weil sie auf einer so kleinen Ebene existieren, dass sie für uns unsichtbar sind und sich der Entdeckung entziehen. Sie sind kompakt, so ausgestattet, dass sie die Physik unserer Welt reproduzieren und sich in interessante Calabi-Yau-Formen falten. Verschiedene Formen von Calabi Yau ermöglichen unterschiedliche Saitenschwingungen und sehr unterschiedliche Universen.
Wir können sogar angeblich mehrere Universen testen. Da wir davon ausgehen, dass die Schwerkraft in höhere Dimensionen eindringt, sollte nach der Kollision zweier Partikel weniger Zeit verbleiben als vor der Kollision. Aber selbst unter den günstigsten Bedingungen wäre es unglaublich schwierig und schwer, so etwas zu testen.
Stringtheoretische Berechnungen werden in simulierten Universen mit 10 oder 11 Dimensionen durchgeführt, in denen Mathematik funktioniert. Wissenschaftler versuchen dann, die zusätzlichen Dimensionen zu löschen, aber bisher ist es niemandem gelungen, unser Universum zu beschreiben oder ein Experiment zu entwickeln, um eine Theorie zu beweisen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass wir keine Anwendungen für die Stringtheorie haben.
Ein mathematisches Werkzeug, das im Rahmen der Forschung zur Stringtheorie entwickelt wird, hilft uns, Teile unseres Universums zu verstehen. Wir können es verwenden, um das Informationsparadoxon, die Quantengravitation und einige Probleme in der reinen Mathematik besser zu erklären. Einige Wissenschaftler verwenden die Theorie für ihre Berechnungen in der Teilchenphysik oder bei der Beobachtung exotischer Materiezustände.
Die Stringtheorie ist vielleicht nicht eine Theorie von allem, aber zumindest eine Theorie von etwas.
Ilya Khel
