Stephen Hawking Hoffte, Dass Die M-Theorie Das Universum Erklären Würde. Was Ist Diese Theorie? - Alternative Ansicht

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Stephen Hawking Hoffte, Dass Die M-Theorie Das Universum Erklären Würde. Was Ist Diese Theorie? - Alternative Ansicht
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Video: Stephen Hawking Hoffte, Dass Die M-Theorie Das Universum Erklären Würde. Was Ist Diese Theorie? - Alternative Ansicht

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Anonim

Der Legende nach verbrachte Albert Einstein seine letzten Stunden auf der Erde damit, etwas auf einem Blatt Papier zu verfolgen, um eine Theorie von allem zu formulieren. Sechzig Jahre später wird ein anderer legendärer Wissenschaftler auf dem Gebiet der theoretischen Physik, Stephen Hawking, diese Welt mit ähnlichen Gedanken verlassen. Wir wissen, dass Hawking glaubte, dass die sogenannte M-Theorie unsere beste Chance war, eine vollständige Theorie des Universums zu erstellen. Aber was ist es?

Seit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie 1915 formuliert wurde, hat jeder theoretische Physiker davon geträumt, unser Verständnis der unendlich kleinen Welt der Atome und Teilchen mit dem unendlich großen Raummaßstab in Einklang zu bringen. Während das letztere durch Einsteins Gleichungen perfekt beschrieben wird, wird das erstere durch das sogenannte Standardmodell grundlegender Wechselwirkungen mit außerordentlicher Genauigkeit vorhergesagt.

Unser derzeitiges Verständnis ist, dass die Wechselwirkung zwischen physischen Objekten durch vier fundamentale Kräfte beschrieben wird. Zwei davon - Schwerkraft und Elektromagnetismus - erscheinen uns auf makroskopischer Ebene, wir beschäftigen uns jeden Tag mit ihnen. Die anderen beiden - schwache und starke Wechselwirkungen - treten in sehr geringem Umfang auf und nur dann, wenn es sich um subatomare Prozesse handelt.

Das Standardmodell grundlegender Wechselwirkungen bietet eine einzige Struktur für drei dieser Kräfte, aber die Schwerkraft möchte in keiner Weise in dieses Bild passen. Trotz genauer Beschreibungen großräumiger Phänomene wie des Verhaltens eines Planeten in der Umlaufbahn oder der Dynamik von Galaxien versagt die allgemeine Relativitätstheorie auf sehr kurzen Entfernungen. Nach dem Standardmodell werden alle Kräfte durch bestimmte Partikel vermittelt. Bei der Schwerkraft wird die Arbeit vom Graviton erledigt. Wenn wir jedoch versuchen, die Wechselwirkungen dieser Gravitonen zu berechnen, erscheinen in den Gleichungen bedeutungslose Unendlichkeiten.

Eine vollständige Gravitationstheorie muss in jedem Maßstab funktionieren und die Quantennatur fundamentaler Teilchen berücksichtigen. Dies würde es der Schwerkraft ermöglichen, sich in eine kombinierte Struktur mit drei anderen fundamentalen Wechselwirkungen einzufügen, wodurch die berüchtigte Theorie von allem geschaffen würde. Seit dem Tod von Albert Einstein im Jahr 1955 wurden in diesem Bereich natürlich erhebliche Fortschritte erzielt. Unser bester Kandidat heißt heute M-Theorie.

Die Saitenrevolution

Um die Grundidee der M-Theorie zu verstehen, müssen Sie bis in die 1970er Jahre zurückgehen, als Wissenschaftler erkannten, dass es besser ist, das Universum als oszillierende Strings (Energieröhren) zu beschreiben, anstatt es anhand von Punktteilchen zu beschreiben. Eine neue Art, die grundlegenden Bestandteile der Natur zu verstehen, hat zur Lösung vieler theoretischer Probleme geführt. Zunächst kann eine einzelne Schwingung einer Saite als Graviton interpretiert werden. Und im Gegensatz zur Standardgravitation kann die Stringtheorie ihre Wechselwirkungen mathematisch beschreiben und keine seltsamen Unendlichkeiten erhalten. Dies bedeutet, dass die Schwerkraft in die kombinierte Struktur einbezogen werden kann.

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Nach dieser aufregenden Entdeckung haben theoretische Physiker hart gearbeitet, um die Konsequenzen zu verstehen. Aber wie so oft in der wissenschaftlichen Forschung ist die Geschichte der Stringtheorie voller Höhen und Tiefen. Zuerst waren die Leute ratlos, dass sie die Existenz eines Teilchens vorhersagte, das sich schneller als Licht bewegt, des sogenannten "Tachyon". Diese Vorhersage widersprach allen experimentellen Beobachtungen und warf einen ernsthaften Schatten auf die Stringtheorie.

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Dennoch wurde dieses Problem in den frühen 1980er Jahren mit der Einführung der sogenannten „Supersymmetrie“in die Stringtheorie gelöst. Sie sagt voraus, dass jedes Teilchen seinen eigenen Superpartner hat und durch einen ungewöhnlichen Zufall derselbe Zustand den Tachyon tatsächlich eliminiert. Dieser erste Erfolg ist allgemein als "erste Saitenrevolution" bekannt.

Ein weiteres ungewöhnliches Merkmal ist, dass die Stringtheorie zehn Raum-Zeit-Dimensionen erfordert. Derzeit kennen wir nur vier: Tiefe, Höhe, Breite und Zeit. Obwohl dies ein großes Hindernis zu sein scheint, wurden bisher mehrere Lösungen vorgeschlagen, und es scheint derzeit eher ein ungewöhnliches Merkmal als ein Problem zu sein.

Zum Beispiel könnten wir in einer vierdimensionalen Welt existieren, ohne Zugang zu zusätzlichen Dimensionen zu haben. Oder die zusätzlichen Abmessungen könnten „kompakt“sein und in so kleine Maßstäbe passen, dass wir sie nicht bemerken würden. Unterschiedliche Verdichtungen würden jedoch zu unterschiedlichen Werten physikalischer Konstanten und unterschiedlichen Gesetzen der Physik führen. Eine mögliche Lösung ist, dass unser Universum nur eines von vielen in einem unendlichen „multiplen Universum“ist, das von verschiedenen physikalischen Gesetzen regiert wird.

M-Theorie

Es gab noch ein Problem, das die Stringtheoretiker des Tages verfolgte. Eine sorgfältige Klassifizierung ergab die Existenz von fünf verschiedenen sequentiellen Stringtheorien, und es war unklar, warum die Natur eine der fünf wählen sollte.

Hier kommt die M-Theorie ins Spiel. Während der zweiten Saitenrevolution 1995 schlugen die Physiker vor, dass fünf aufeinanderfolgende Stringtheorien tatsächlich unterschiedliche Gesichter einer einzigartigen Theorie sind, die in elf Zeit-Raum-Dimensionen existiert, die als M-Theorie bezeichnet werden. Es integriert jede Stringtheorie in eine Vielzahl von physischen Kontexten und bleibt für alle praktikabel. Dieses unglaublich faszinierende Bild hat die meisten theoretischen Physiker zu der Idee geführt, dass die M-Theorie eine Theorie von allem wird - und sie ist auch mathematisch konsistenter als jede andere vorgeschlagene Theorie.

Wie dem auch sei, die M-Theorie war bisher nicht in der Lage, Vorhersagen zu erstellen, die experimentell verifiziert werden können. Supersymmetrie wird derzeit am Large Hadron Collider getestet. Wenn Wissenschaftler Anzeichen für die Existenz von Superpartnern finden könnten, würde dies schließlich die Position der M-Theorie stärken. Die moderne theoretische Physik ist jedoch noch nicht in der Lage, überprüfbare Vorhersagen zu treffen, und die experimentelle Physik kann keine Experimente für diese Überprüfung vorlegen.

Die meisten großen Physiker und Kosmologen sind besessen davon, diese schöne und einfache Beschreibung der Welt zu finden, die alles erklären könnte. Und obwohl wir noch weit davon entfernt sind, wäre dies ohne brillante und kreative Leute wie Hawking völlig unmöglich.

Ilya Khel

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