heim » Hof und Garten » Warum die Stringtheorie in der modernen Physik benötigt wird. Superstring-Theorie. Zwei relativistische Physiker präsentieren ihre Ansichten über das Universum, seine Entwicklung und die Rolle der Quantentheorie

Warum die Stringtheorie in der modernen Physik benötigt wird. Superstring-Theorie. Zwei relativistische Physiker präsentieren ihre Ansichten über das Universum, seine Entwicklung und die Rolle der Quantentheorie

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Aber ich werde versuchen, es in meinem Firmenstil zu erzählen;)

Wir haben ein sehr langes Gespräch, aber ich hoffe, du wirst interessiert sein, Bruder. Im Allgemeinen hören Sie, was hier der Sinn ist. Hauptidee ist bereits im Titel selbst sichtbar: statt gepunktet Elementarteilchen(wie: Elektronen, Photonen usw.) diese Theorie bietet Saiten an - eine Art mikroskopisch kleine, schwingende, eindimensionale Energiefäden, die so klein sind, dass keine moderne Ausrüstung sie können nicht nachgewiesen werden (insbesondere haben sie die Planck-Länge, aber darum geht es nicht). Sagen Sie nicht Partikel bestehen von Saiten, sie und Essen Saiten, nur wegen der Unvollkommenheit unserer Ausrüstung, sehen wir sie als Partikel. Und wenn unsere Ausrüstung in der Lage ist, die Planck-Länge zu erreichen, dann sollen wir dort Saiten finden. Und so wie eine Geigensaite vibriert, um verschiedene Töne zu erzeugen, Quantenkette vibriert, produziert verschiedene Eigenschaften Teilchen (z. B. Ladungen oder Massen). Dies ist im Allgemeinen die Hauptidee.

Es ist jedoch wichtig, hier zu beachten, dass die Stringtheorie ein sehr hat große Ambitionen und sie beansprucht nichts weniger als den Status einer „Theory of Everything“, die Gravitation (die Relativitätstheorie) und Quantenmechanik (d. h. der Makrokosmos ist die uns vertraute Welt der großen Objekte und der Mikrokosmos die Welt) kombiniert von Elementarteilchen). Die Schwerkraft tritt in der Stringtheorie elegant für sich allein auf, und hier ist der Grund. Anfangs wurde die Stringtheorie allgemein nur als Theorie der starken Kernkraft (der Kraft, durch die Protonen und Neutronen im Kern eines Atoms zusammengehalten werden) wahrgenommen, nicht mehr, da einige Arten von schwingenden Saiten den Eigenschaften von Gluonen ähnelten ( Trägerpartikel der starken Kraft). Darin befanden sich jedoch neben Gluonen auch andere Arten von Saitenschwingungen, die an andere Teilchen-Träger einer Art Wechselwirkung erinnern, die nichts mit Gluonen zu tun hatten. Nachdem sie die Eigenschaften dieser Teilchen untersucht hatten, stellten die Wissenschaftler fest, dass diese Schwingungen genau mit den Eigenschaften eines hypothetischen Teilchens - eines Gravitons - eines Teilchenträgers der Gravitationswechselwirkung übereinstimmen. So erschien die Gravitation in der Stringtheorie.

Aber auch hier (was werden Sie tun!) gibt es ein Problem namens "Quantenfluktuationen". Ja, keine Angst, dieser Begriff ist nur dem Anschein nach schrecklich. Quantenfluktuationen sind also mit der ständigen Geburt und Zerstörung virtueller (derjenigen, die aufgrund ihres kontinuierlichen Erscheinens und Verschwindens nicht direkt sichtbar sind) Teilchen verbunden. Der bezeichnendste Prozess in diesem Sinne ist die Annihilation – die Kollision eines Teilchens und eines Antiteilchens mit der Bildung eines Photons (Lichtteilchen), das anschließend ein weiteres Teilchen und Antiteilchen erzeugt. Und Schwerkraft ist im Wesentlichen was? Es ist ein glatt gekrümmtes geometrisches Raum-Zeit-Gewebe. Das Schlüsselwort hier ist glatt. Und in Quantenwelt Aufgrund dieser Schwankungen ist der Raum nicht glatt und glatt, es herrscht ein solches Chaos, dass es sogar beängstigend ist, sich das vorzustellen. Wie Sie wahrscheinlich bereits verstehen, ist die glatte Geometrie des Raums der Relativitätstheorie völlig unvereinbar mit Quantenfluktuationen. Peinlicherweise haben Physiker jedoch eine Lösung gefunden, die besagt, dass das Zusammenspiel von Saiten diese Schwankungen glättet. Wie, fragen Sie? Aber stellen Sie sich zwei geschlossene Schnüre vor (denn es gibt auch offene, das ist eine Art kleiner Faden mit zwei offenen Enden; geschlossene Schnüre sind jeweils eine Art Schleifen). Diese beiden geschlossenen Stränge befinden sich auf Kollisionskurs und irgendwann kollidieren sie und werden zu einem größere Größe Schnur. Diese Saite bewegt sich noch einige Zeit, danach teilt sie sich in zwei kleinere Saiten auf. Jetzt der nächste Schritt. Stellen wir uns diesen ganzen Prozess in einer Filmaufnahme vor: Wir werden sehen, dass dieser Prozess ein gewisses dreidimensionales Volumen angenommen hat. Dieses Volumen wird als "Weltoberfläche" bezeichnet. Stellen wir uns nun vor, dass Sie und ich diesen ganzen Prozess unter die Lupe nehmen verschiedene Winkel: Ich schaue geradeaus und Sie sind leicht schräg. Wir werden sehen, dass aus Ihrer Sicht und aus meiner Sicht die Fäden aufeinanderprallen werden verschiedene Orte, da sich diese Saiten-"Schlaufen" (nennen wir sie so) für Sie leicht schräg bewegen, für mich jedoch gerade. Es ist jedoch derselbe Prozess, dieselben zwei Saiten kollidieren, der Unterschied besteht nur in zwei Gesichtspunkten. Das bedeutet, dass es zu einer Art „Verschmierung“ des Zusammenspiels von Saiten kommt: Aus der Position unterschiedlicher Betrachter wirken sie an unterschiedlichen Orten zusammen. Allerdings trotz dieser verschiedene Punkte Sichtweise ist der Prozess dennoch eins, und der Interaktionspunkt ist eins. Somit werden verschiedene Beobachter denselben Ort der Wechselwirkung zweier Punktteilchen festlegen. So ist das! Verstehst du, was los ist? Wir haben Quantenfluktuationen geglättet und so Gravitation und Quantenmech kombiniert! Sehen!

Okay, machen wir weiter. Noch nicht müde? Nun, hör zu. Jetzt werde ich darüber sprechen, was ich persönlich an der Stringtheorie nicht wirklich mag. Und das nennt man „Mathematisierung“. Irgendwie haben sich Theoretiker zu sehr von der Mathematik mitreißen lassen ... aber der Punkt hier ist einfach: Hier, wie viele Raumdimensionen kennen Sie? Richtig, drei: Länge, Breite und Höhe (Zeit ist die vierte Dimension). Nun, die Mathematik der Stringtheorie passt nicht gut zu diesen vier Dimensionen. Und fünf auch. Und zehn. Aber es verträgt sich gut mit elf. Und die Theoretiker entschieden: Nun, da es die Mathematik erfordert, soll es elf Dimensionen geben. Sie sehen, Mathematik erfordert! Mathe, nicht Realität! (Ausruf an der Seite: Wenn ich falsch liege, wird mich jemand überzeugen! Ich will meine Meinung ändern!) Nun, wo, fragt man sich, sind die anderen sieben Dimensionen geblieben? Auf diese Frage antwortet uns die Theorie, dass sie „verdichtet“, zu mikroskopischen Formationen auf Planck-Länge gefaltet sind (d. h. in einem Maßstab, den wir nicht beobachten können). Diese Formationen werden "Calabi-Yau-Mannigfaltigkeit" genannt (nach den Namen zweier prominenter Physiker).

Interessant ist auch, dass uns die Stringtheorie zum Multiversum bringt, also zur Idee der Existenz eine unendliche Zahl paralleluniversen. Der springende Punkt ist hier, dass es in der Stringtheorie nicht nur Strings gibt, sondern auch Branes (vom Wort „Membran“). Branes können unterschiedliche Abmessungen haben, bis zu neun. Es wird angenommen, dass wir auf einer 3-Brane leben, aber es kann andere in der Nähe dieser Brane geben, und sie können periodisch kollidieren. Und wir sehen sie nicht, weil an beiden Enden offene Saiten fest mit der Brane verbunden sind. Diese Saiten können sich mit ihren Enden entlang der Brane bewegen, aber sie können sie nicht verlassen (aushaken). Und wenn man der Stringtheorie Glauben schenken darf, dann bestehen alle Materie und wir alle aus Teilchen, die wie Strings in Planck-Länge aussehen. Da offene Saiten die Brane nicht verlassen können, können wir daher in keiner Weise mit einer anderen Brane interagieren (lesen Sie: Paralleluniversum) oder es irgendwie sehen. einzelnes Teilchen, denen diese Einschränkung grundsätzlich egal ist und die dies können hypothetisches Graviton, was eine geschlossene Zeichenfolge ist. Bisher konnte jedoch noch niemand das Graviton nachweisen. Ein solches Multiversum wird als "Brane-Multiversum" oder "Braneworld-Szenario" bezeichnet.

Übrigens, aufgrund der Tatsache, dass in der Stringtheorie nicht nur Strings, sondern auch Branes gefunden wurden, begannen Theoretiker, sie "M-Theorie" zu nennen, aber niemand weiß wirklich, was dieses "M" bedeutet;)

So ist das. So ist die Geschichte. Ich hoffe, es hat dir gefallen, Bruder. Wenn etwas unklar bleibt, fragen Sie in den Kommentaren nach - ich werde es erklären.

Hast du jemals gedacht, dass das Universum wie ein Cello ist? Richtig, es kam nicht. Denn das Universum ist nicht wie ein Cello. Aber das bedeutet nicht, dass sie keine Saiten hat. Lassen Sie uns heute über die Stringtheorie sprechen.

Natürlich ähneln die Saiten des Universums kaum denen, die wir uns vorstellen. In der Stringtheorie sind sie unglaublich kleine, vibrierende Energiefäden. Diese Fäden sind eher wie winzige "Gummibänder", die sich in jeder Hinsicht winden, dehnen und schrumpfen können. All dies bedeutet jedoch nicht, dass die Symphonie des Universums nicht auf ihnen „gespielt“ werden kann, denn laut Stringtheoretikern besteht alles, was existiert, aus diesen „Fäden“.

Physik Kontroverse

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts schien es den Physikern, dass in ihrer Wissenschaft nichts Ernsthaftes mehr zu entdecken sei. klassische Physik glaubte, dass ernsthafte Probleme es war nichts mehr darin, und die gesamte Struktur der Welt sah aus wie eine perfekt abgestimmte und vorhersehbare Maschine. Der Ärger geschah wie üblich wegen Unsinn - einer der kleinen "Wolken", die noch am klaren, verständlichen Himmel der Wissenschaft blieben. Nämlich bei der Berechnung der Strahlungsenergie eines vollständig schwarzen Körpers (eines hypothetischen Körpers, der bei jeder Temperatur die auf ihn einfallende Strahlung vollständig absorbiert, unabhängig von der Wellenlänge - NS).

Das haben die Berechnungen ergeben Gesamtenergie Strahlung eines absolut schwarzen Körpers sollte unendlich groß sein. Um eine solche offensichtliche Absurdität zu vermeiden, schlug der deutsche Wissenschaftler Max Planck dies im Jahr 1900 vor sichtbares Licht, Röntgenstrahlen und andere Elektromagnetische Wellen können nur von bestimmten diskreten Energieportionen ausgesandt werden, die er Quanten nannte. Mit ihrer Hilfe konnte das besondere Problem eines vollständig schwarzen Körpers gelöst werden. Allerdings die Folgen Quantenhypothese für den Determinismus waren noch nicht verwirklicht. Bis 1926 ein anderer deutscher Wissenschaftler, Werner Heisenberg, die berühmte Unschärferelation formulierte.

Ihre Essenz läuft darauf hinaus, dass entgegen allen vorher verbreiteten Aussagen die Natur unsere Fähigkeit, die Zukunft vorherzusagen, einschränkt physikalische Gesetze. Hier geht es natürlich um die Zukunft und Gegenwart subatomarer Teilchen. Es stellte sich heraus, dass sie sich völlig anders verhalten als alle anderen Dinge im Makrokosmos um uns herum. Auf der subatomaren Ebene wird das Raumgefüge uneben und chaotisch. Die Welt der winzigen Teilchen ist so turbulent und unverständlich, dass sie widerspricht gesunder Menschenverstand. Raum und Zeit sind darin so verdreht und verflochten, dass es keine gewöhnlichen Konzepte von links und rechts, oben und unten und sogar davor und danach gibt.

Es gibt keine Möglichkeit, mit Sicherheit zu sagen, an welchem Punkt im Raum dies der Fall ist dieser Moment dieses oder jenes Teilchen, und was ist der Moment seines Impulses. In vielen Bereichen der Raumzeit besteht nur eine gewisse Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen zu finden. Teilchen auf subatomarer Ebene scheinen über den Weltraum "verschmiert" zu sein. Außerdem ist der „Status“ der Teilchen selbst nicht definiert: In einigen Fällen verhalten sie sich wie Wellen, in anderen weisen sie die Eigenschaften von Teilchen auf. Das nennen Physiker Welle-Teilchen-Dualismus. Quantenmechanik.

Ebenen der Struktur der Welt: 1. Makroskopische Ebene – Materie 2. Molekulare Ebene 3. Atomare Ebene – Protonen, Neutronen und Elektronen 4. Subatomare Ebene – Elektron 5. Subatomare Ebene – Quarks 6. String-Ebene

In der Allgemeinen Relativitätstheorie, wie in einem Zustand mit entgegengesetzten Gesetzen, liegen die Dinge grundlegend anders. Der Raum scheint wie ein Trampolin zu sein – ein glattes Gewebe, das von Objekten mit Masse gebogen und gedehnt werden kann. Sie erzeugen Verformungen der Raumzeit – was wir als Schwerkraft erleben. Unnötig zu erwähnen, dass die kohärente, korrekte und vorhersagbare Allgemeine Relativitätstheorie in unlösbarem Konflikt mit dem "verrückten Hooligan" steht - Quantenmechanik, und folglich kann sich der Makrokosmos nicht mit dem Mikrokosmos "versöhnen". Hier kommt die Stringtheorie ins Spiel.

2D-Universum. E8-Polyedergraph Theory of Everything

Die Stringtheorie verkörpert den Traum aller Physiker, beide grundlegend zu vereinen widersprüchlich Freund der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik, ein Traum, der den größten „Zigeuner und Vagabunden“ Albert Einstein bis ans Ende seiner Tage verfolgte.

Viele Wissenschaftler glauben, dass alles, vom exquisiten Tanz der Galaxien bis zum frenetischen Tanz der subatomaren Teilchen, letztlich durch nur einen Grundton erklärt werden kann physikalisches Prinzip. Vielleicht sogar ein einziges Gesetz, das alle Arten von Energie, Teilchen und Wechselwirkungen in einer eleganten Formel vereint.

Mit Hilfe die komplexeste Mathematik gelungen zu zeigen, dass die elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen haben gemeinsame Natur, die sie zu einem einzigen elektroschwachen kombinieren. Anschließend wurde ihnen die starke nukleare Wechselwirkung hinzugefügt - aber die Schwerkraft tritt ihnen in keiner Weise bei. Die Stringtheorie ist einer der ernsthaftesten Kandidaten für die Verbindung aller vier Kräfte und damit für die Erfassung aller Phänomene im Universum – nicht umsonst wird sie auch „Theory of Everything“ genannt.

Am Anfang war ein Mythos

Noch sind nicht alle Physiker von der Stringtheorie begeistert. Und in der Morgendämmerung seines Erscheinens schien es unendlich weit von der Realität entfernt zu sein. Schon ihre Geburt ist eine Legende.

Graph der Euler-Beta-Funktion mit reellen Argumenten

In den späten 1960er Jahren suchte ein junger italienischer theoretischer Physiker, Gabriele Veneziano, nach Gleichungen, die die starken Kernkräfte erklären könnten, den extrem starken „Kleber“, der die Atomkerne zusammenhält, indem er Protonen und Neutronen aneinander bindet. Der Legende nach stieß er einst auf ein verstaubtes Buch über die Geschichte der Mathematik, in dem er eine 200 Jahre alte Funktion fand, die erstmals vom Schweizer Mathematiker Leonhard Euler aufgezeichnet wurde. Stellen Sie sich Venezianos Überraschung vor, als er entdeckte, dass die Euler-Funktion, die lange Zeit nichts weiter als eine mathematische Kuriosität betrachtet, beschreibt dies starke Interaktion.

Wie war es wirklich? Die Formel ist wahrscheinlich das Ergebnis für lange Jahre Arbeit von Veneziano, und der Fall half nur, den ersten Schritt zur Entdeckung der Stringtheorie zu tun. Euler-Funktion, auf wundersame Weise die starke Wechselwirkung zu erklären, hat ein neues Leben gefunden.

Am Ende erregte es die Aufmerksamkeit eines jungen amerikanischen theoretischen Physikers, Leonard Susskind, der sah, dass die Formel in erster Linie Teilchen beschrieb, die keine hatten Interne Struktur und vibrieren könnte. Diese Teilchen verhielten sich so, dass sie nicht einfach nur Punktteilchen sein konnten. Susskind verstand – die Formel beschreibt einen Faden, der wie ein Gummiband ist. Sie konnte sich nicht nur dehnen und schrumpfen, sondern auch oszillieren, sich winden. Nach der Beschreibung seiner Entdeckung stellte Susskind die revolutionäre Idee der Saiten vor.

Leider nahm die überwältigende Mehrheit seiner Kollegen die Theorie eher kühl auf.

Standardmodell

Zu dieser Zeit stellte die Mainstream-Wissenschaft Teilchen als Punkte dar, nicht als Fäden. Seit Jahren untersuchen Physiker das Verhalten subatomarer Teilchen, lassen sie mit hoher Geschwindigkeit kollidieren und untersuchen die Folgen dieser Kollisionen. Es stellte sich heraus, dass das Universum viel reicher ist, als man sich vorstellen kann. Es war eine regelrechte „Bevölkerungsexplosion“ von Elementarteilchen. Doktoranden physische Universitäten rannten durch die Korridore und riefen, dass sie geöffnet hätten neues Teilchen, - es gab nicht einmal genug Buchstaben, um sie zu bezeichnen. Aber leider konnten Wissenschaftler in der "Entbindungsklinik" neuer Teilchen keine Antwort auf die Frage finden - warum gibt es so viele von ihnen und woher kommen sie?

Das veranlasste Physiker zu einer ungewöhnlichen und verblüffenden Vorhersage: Sie erkannten, dass sich die in der Natur wirkenden Kräfte auch mit Teilchen erklären lassen. Das heißt, es gibt Materieteilchen und Teilchenträger von Wechselwirkungen. Dies ist zum Beispiel ein Photon - ein Lichtteilchen. Je mehr dieser Teilchen-Träger - die gleichen Photonen, die durch Materieteilchen ausgetauscht werden, die helleres Licht. Wissenschaftler haben vorhergesagt, dass dieser besondere Austausch von Trägerteilchen nichts anderes ist als das, was wir als Kraft wahrnehmen. Dies wurde durch Experimente bestätigt. Damit sind die Physiker Einsteins Traum vom Zusammenschluss ein Stück näher gekommen.

Wissenschaftler glauben, dass, wenn wir zum Moment unmittelbar danach vorspulen Urknall, als das Universum Billionen Grad heißer war, Teilchen, die Elektromagnetismus tragen und schwache Interaktion werden ununterscheidbar und vereinen sich zu einer einzigen Kraft namens Elektroschwach. Und wenn wir noch weiter in der Zeit zurückgehen, dann würde sich die elektroschwache Wechselwirkung mit der starken zu einer totalen „Superkraft“ verbinden.

Obwohl all dies noch auf seinen Beweis wartet, hat die Quantenmechanik plötzlich erklärt, wie drei der vier Kräfte auf subatomarer Ebene zusammenwirken. Und sie hat es schön und konsequent erklärt. Dieses harmonische Interaktionsmuster wurde schließlich genannt Standardmodell. Aber leider gab es sogar in dieser perfekten Theorie eine ein großes Problem- es enthielt nicht die berühmteste Kraft der Makroebene - die Schwerkraft.

Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Partikeln im Standardmodell
Graviton

Für die Stringtheorie, die keine Zeit zum "Blühen" hatte, kam der "Herbst", sie enthielt von Anfang an zu viele Probleme. Beispielsweise sagten die Berechnungen der Theorie die Existenz von Teilchen voraus, die, wie sich bald herausstellte, nicht existierten. Das ist das sogenannte Tachyon – ein Teilchen, das sich im Vakuum bewegt schneller als das Licht. Unter anderem stellte sich heraus, dass die Theorie bis zu 10 Dimensionen erfordert. Es ist nicht verwunderlich, dass dies den Physikern sehr peinlich war, denn es ist offensichtlich mehr als das, was wir sehen.

1973 kämpften nur noch wenige junge Physiker mit den Geheimnissen der Stringtheorie. Einer von ihnen war der amerikanische theoretische Physiker John Schwartz. Vier Jahre lang versuchte Schwartz, die ungezogenen Gleichungen zu zähmen, aber ohne Erfolg. Neben anderen Problemen beschrieb eine dieser Gleichungen hartnäckig ein mysteriöses Teilchen, das keine Masse hatte und in der Natur nicht beobachtet wurde.

Der Wissenschaftler hatte bereits beschlossen, sein desaströses Geschäft aufzugeben, und dann dämmerte es ihm - vielleicht beschreiben die Gleichungen der Stringtheorie unter anderem die Schwerkraft? Dies implizierte jedoch eine Überarbeitung der Abmessungen der wichtigsten "Helden" der Theorie - der Saiten. Indem sie annahmen, dass Strings Milliarden und Abermilliarden Mal kleiner als ein Atom sind, machten die „Stringer“ den Fehler der Theorie zu ihrem Vorteil. Das mysteriöse Teilchen, das John Schwartz so beharrlich loszuwerden versucht hatte, fungierte nun als Graviton – ein seit langem gesuchtes Teilchen, das es ermöglichen würde, die Schwerkraft auf die Quantenebene zu übertragen. So hat die Stringtheorie dem Puzzle Gravitation hinzugefügt, die im Standardmodell fehlt. Aber leider auch für diese Entdeckung Wissenschaftsgemeinschaft reagierte überhaupt nicht. Die Stringtheorie blieb am Rande des Überlebens. Aber das hielt Schwartz nicht auf. Nur ein Wissenschaftler, der bereit war, seine Karriere für mysteriöse Fäden zu riskieren, wollte sich seiner Suche anschließen - Michael Green.

Subatomare Nistpuppen

Trotz allem hatte die Stringtheorie Anfang der 1980er Jahre noch unlösbare Widersprüche, die in der Wissenschaft als Anomalien bekannt sind. Schwartz und Green machten sich daran, sie zu beseitigen. Und ihre Bemühungen waren nicht umsonst: Den Wissenschaftlern gelang es, einige der Widersprüche der Theorie zu beseitigen. Stellen Sie sich das Erstaunen dieser beiden vor, die bereits daran gewöhnt sind, dass ihre Theorie ignoriert wird, als die Reaktion der wissenschaftlichen Gemeinschaft explodierte wissenschaftliche Welt. In weniger als einem Jahr stieg die Zahl der Stringtheoretiker auf Hunderte an. Damals wurde der Stringtheorie der Titel The Theory of Everything verliehen. Neue Theorie schien in der Lage zu sein, alle Bestandteile des Universums zu beschreiben. Und hier sind die Zutaten.

So klein, dass wenn das Atom auf die Größe vergrößert würde Sonnensystem, wäre der String so groß wie ein Baum. So wie die unterschiedlichen Schwingungen einer Cellosaite das erzeugen, was wir als unterschiedliche Musiknoten hören, verschiedene Wege(Moden) Die Schwingungen der Saite geben den Teilchen ihre Einzigartige Eigenschaften Masse, Ladung usw. Wissen Sie, wie sich relativ gesehen die Protonen in Ihrer Nagelspitze von dem noch nicht entdeckten Graviton unterscheiden? Nur die Reihe winziger Saiten, aus denen sie bestehen, und wie diese Saiten vibrieren.

Das alles ist natürlich mehr als erstaunlich. Seit der Zeit Antikes Griechenland Physiker sind daran gewöhnt, dass alles auf dieser Welt aus so etwas wie Kugeln, winzigen Teilchen, besteht. Und jetzt, da sie keine Zeit haben, sich an das unlogische Verhalten dieser Kugeln zu gewöhnen, das aus der Quantenmechanik folgt, werden sie aufgefordert, das Paradigma ganz zu verlassen und mit einer Art Spaghetti-Zutaten zu operieren ...

Fünfte Dimension

Obwohl viele Wissenschaftler die Stringtheorie als den Triumph der Mathematik bezeichnen, bleiben einige Probleme bestehen – vor allem das Fehlen jeglicher Möglichkeit, sie in naher Zukunft experimentell zu testen. Kein einziges Instrument auf der Welt, ob es existiert oder perspektivisch erscheinen kann, ist nicht in der Lage, die Saiten zu „sehen“. Manche Wissenschaftler stellen sich deshalb übrigens sogar die Frage: Ist die Stringtheorie eine Theorie der Physik oder der Philosophie?... Stimmt, es ist überhaupt nicht nötig, Strings „mit eigenen Augen“ zu sehen. Um die Stringtheorie zu beweisen, ist vielmehr etwas anderes erforderlich – etwas, wonach sich anhört Science-Fiction- Bestätigung der Existenz zusätzlicher Raumdimensionen.

Worüber fraglich? Wir sind alle an die drei Dimensionen des Raumes und der Einmaligkeit gewöhnt. Aber die Stringtheorie sagt das Vorhandensein anderer – zusätzlicher – Dimensionen voraus. Aber fangen wir der Reihe nach an.

Tatsächlich entstand die Idee der Existenz anderer Dimensionen vor fast hundert Jahren. Es kam 1919 auf den Kopf des damals noch unbekannten deutschen Mathematikers Theodor Kalutz. Er schlug die Möglichkeit der Anwesenheit einer anderen Dimension in unserem Universum vor, die wir nicht sehen. Albert Einstein hörte von dieser Idee und fand sie anfangs sehr gut. Später bezweifelte er jedoch seine Richtigkeit und verzögerte Kaluzas Veröffentlichung um bis zu zwei Jahre. Letztlich wurde der Artikel aber trotzdem veröffentlicht, und die Extradimension wurde zu einer Art Leidenschaft für das Genie der Physik.

Wie Sie wissen, hat Einstein gezeigt, dass die Schwerkraft nichts anderes ist als eine Verformung von Raum-Zeit-Messungen. Kaluza schlug vor, dass Elektromagnetismus auch Wellen sein könnten. Warum sehen wir es nicht? Kaluza fand die Antwort auf diese Frage – die Wellen des Elektromagnetismus können in einer zusätzlichen, verborgenen Dimension existieren. Aber wo ist es?

Die Antwort auf diese Frage wurde vom schwedischen Physiker Oscar Klein gegeben, der vorschlug, dass die fünfte Dimension von Kaluza milliardenfach mehr als die Größe eines einzelnen Atoms zusammengerollt ist, sodass wir sie nicht sehen können. Die Idee, dass diese winzige Dimension überall um uns herum existiert, ist das Herzstück der Stringtheorie.

Eine der vorgeschlagenen Formen von zusätzlichen wirbelnden Dimensionen. In jeder dieser Formen vibriert und bewegt sich eine Saite – der Hauptbestandteil des Universums. Jede Form ist sechsdimensional - entsprechend der Anzahl von sechs zusätzlichen Dimensionen

zehn Dimensionen

Aber tatsächlich erfordern die Gleichungen der Stringtheorie nicht einmal eine, sondern sechs zusätzliche Dimensionen (insgesamt sind es bei vier uns bekannten genau 10). Alle von ihnen haben eine sehr verdrehte und verdrehte Komplexe Form. Und alles ist unvorstellbar klein.

Wie können sich diese winzigen Dimensionen auf unsere auswirken? Große Welt? Nach der Stringtheorie entscheidend: Für sie wird alles durch die Form bestimmt. Wenn Sie verschiedene Tonarten auf dem Saxophon spielen, erhalten Sie und verschiedene Geräusche. Dies liegt daran, dass Sie die Form des Raums ändern, wenn Sie die eine oder andere Taste oder eine Kombination davon drücken Musikinstrument wo Luft zirkuliert. Aus diesem Grund werden verschiedene Klänge geboren.

Die Stringtheorie legt nahe, dass sich die zusätzlichen verdrehten und verdrehten Dimensionen des Raums auf ähnliche Weise zeigen. Die Formen dieser zusätzlichen Dimensionen sind komplex und vielfältig, und jede bewirkt, dass die Saite innerhalb dieser Dimensionen genau aufgrund ihrer Form auf unterschiedliche Weise vibriert. Denn wenn wir zum Beispiel annehmen, dass eine Saite in einem Krug schwingt und die andere in einem gebogenen Posthorn, dann sind das ganz andere Schwingungen. Wenn man jedoch der Stringtheorie Glauben schenken will, sehen die Formen der zusätzlichen Dimensionen in Wirklichkeit viel komplizierter aus als ein Glas.

Wie die Welt funktioniert

Die Wissenschaft kennt heute eine Reihe von Zahlen, die die fundamentalen Konstanten des Universums sind. Sie bestimmen die Eigenschaften und Eigenschaften von allem um uns herum. Unter solchen Konstanten sind zum Beispiel die Elektronenladung, die Gravitationskonstante, die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ... Und wenn wir diese Zahlen auch nur geringfügig ändern, werden die Folgen katastrophal sein. Angenommen, wir haben die Stärke erhöht elektromagnetische Wechselwirkung. Was ist passiert? Wir können plötzlich feststellen, dass die Ionen stärker geworden sind und sich gegenseitig abstoßen Kernfusion, das Sterne zum Leuchten bringt und Wärme abstrahlt, fiel plötzlich aus. Alle Sterne werden ausgehen.

Aber was ist mit der Stringtheorie mit ihren zusätzlichen Dimensionen? Tatsache ist, dass es demnach die zusätzlichen Dimensionen sind, die bestimmen genauer Wert fundamentale Konstanten. Einige Messmethoden bringen eine Saite auf eine bestimmte Weise zum Schwingen und erzeugen das, was wir als Photon sehen. Bei anderen Formen schwingen die Saiten anders und erzeugen ein Elektron. Wahrlich, Gott liegt in den „kleinen Dingen“ – es sind diese winzigen Formen, die alle grundlegenden Konstanten dieser Welt bestimmen.

Superstring-Theorie

Mitte der 1980er Jahre nahm die Stringtheorie ein majestätisches und schlankes Aussehen an, aber innerhalb dieses Monuments herrschte Verwirrung. In nur wenigen Jahren sind bis zu fünf Versionen der Stringtheorie entstanden. Und obwohl jeder von ihnen auf Saiten aufgebaut ist und zusätzliche Abmessungen(alle fünf Versionen sind zusammengeführt in Allgemeine Theorie Superstrings - NS) weichen diese Versionen in Details erheblich voneinander ab.

In einigen Versionen hatten die Saiten also offene Enden, in anderen sahen sie wie Ringe aus. Und in einigen Versionen erforderte die Theorie sogar nicht 10, sondern bis zu 26 Messungen. Das Paradoxe ist, dass alle fünf Versionen heute als gleichermaßen wahr bezeichnet werden können. Aber welche beschreibt wirklich unser Universum? Das ein weiteres Rätsel Stringtheorie. Deshalb winkten viele Physiker erneut gegen die „verrückte“ Theorie ab.

Aber die meisten das Hauptproblem Saiten, wie bereits erwähnt, in der Unmöglichkeit (zumindest vorerst), ihre Anwesenheit experimentell nachzuweisen.

Einige Wissenschaftler sagen jedoch immer noch, dass es bei der nächsten Generation von Beschleunigern eine sehr minimale, aber dennoch Gelegenheit gibt, die Hypothese zusätzlicher Dimensionen zu testen. Obwohl sich die Mehrheit natürlich sicher ist, dass dies, wenn dies möglich ist, leider nicht sehr bald geschehen sollte - zumindest in Jahrzehnten, höchstens - sogar in hundert Jahren.

Letztlich lassen sich alle Elementarteilchen als mikroskopisch kleine multidimensionale Strings darstellen, in denen Schwingungen verschiedener Harmonischer angeregt werden.

Achtung, schnallen Sie sich fest an - und ich werde versuchen, Ihnen einen der häufigsten zu beschreiben seltsame Theorien unter den ernsthaft diskutierten heute Akademie, die endlich den letzten Hinweis auf den Aufbau des Universums geben kann. Diese Theorie sieht so wild aus, dass sie möglicherweise richtig ist!

Verschiedene Versionen der Stringtheorie gelten heute als Hauptanwärter auf den Titel einer umfassenden universellen Theorie, die die Natur von allem Existierenden erklärt. Und dies ist eine Art Heiliger Gral der theoretischen Physiker, die sich mit der Theorie der Elementarteilchen und der Kosmologie befassen. Universaltheorie (aka. Theorie von allem) enthält nur wenige Gleichungen, die den gesamten Satz kombinieren menschliches Wissenüber die Art der Wechselwirkungen und Eigenschaften der grundlegenden Elemente der Materie, aus denen das Universum aufgebaut ist. Heute wurde die Stringtheorie mit dem Konzept kombiniert Supersymmetrie, was zur Geburt führt Superstring-Theorie, und dies ist heute das Maximum, das erreicht wurde, um die Theorie aller vier Hauptwechselwirkungen (in der Natur wirkende Kräfte) zu vereinheitlichen. Die Theorie der Supersymmetrie selbst ist bereits a priori aufgebaut modernes Konzept, wonach jede entfernte (Feld-)Wechselwirkung auf dem Austausch von Teilchen-Wechselwirkungsträgern der entsprechenden Art zwischen den wechselwirkenden Teilchen beruht ( cm. Standardmodell). Zur Verdeutlichung können die interagierenden Teilchen als "Ziegel" des Universums und die Teilchenträger als Zement betrachtet werden.

Im Rahmen des Standardmodells fungieren Quarks als Bausteine und Wechselwirkungsträger sind es Bosonen messen, die diese Quarks untereinander austauschen. Die Theorie der Supersymmetrie geht noch weiter und besagt, dass die Quarks und Leptonen selbst nicht fundamental sind: Sie bestehen alle aus noch schwereren und experimentell unentdeckten Strukturen (Ziegeln) der Materie, die von einem noch stärkeren „Zement“ aus superenergetischen Teilchen zusammengehalten werden. Träger von Wechselwirkungen als Quarks, in Hadronen und Bosonen. Natürlich wurde noch keine der Vorhersagen der Theorie der Supersymmetrie im Labor verifiziert, sondern die hypothetischen verborgenen Komponenten materielle Welt haben bereits Namen, z. siehe Elektron(supersymmetrischer Partner eines Elektrons), Quadrat usw. Die Existenz dieser Teilchen wird jedoch durch Theorien dieser Art eindeutig vorhergesagt.

Das Bild des Universums, das diese Theorien bieten, ist jedoch recht einfach zu visualisieren. Auf Skalen in der Größenordnung von 10 -35 m, also 20 Größenordnungen kleiner als der Durchmesser des gleichen Protons, das drei gebundene Quarks enthält, unterscheidet sich die Struktur der Materie von dem, was wir gewohnt sind, sogar auf elementarer Ebene Partikel. Bei so kleinen Abständen (und bei so hohen Wechselwirkungsenergien, dass es undenkbar ist) verwandelt sich Materie in eine Reihe von stehenden Feldwellen, ähnliche Themen die in den Saiten von Musikinstrumenten erregt werden. Wie bei einer Gitarrensaite, in einer solchen Saite, zusätzlich zum Grundton, viele Obertöne oder Obertöne. Jede Harmonische hat ihre eigene Energiezustand. Entsprechend Prinzip der Relativität (cm. Relativitätstheorie) sind Energie und Masse äquivalent, was bedeutet, dass je höher die Frequenz der harmonischen Schwingung der Saite ist, desto höher ist ihre Energie und desto höher ist die Masse des beobachteten Teilchens.

Stellt man sich jedoch ganz einfach eine stehende Welle in einer Gitarrensaite vor, stehende Wellen, vorgeschlagen von der Superstringtheorie Visualisierung sind schwer zu erreichen - Tatsache ist, dass die Schwingungen von Superstrings in einem Raum auftreten, der 11 Dimensionen hat. Wir sind gewohnt an vierdimensionaler Raum, die drei räumliche und eine zeitliche Dimension enthält (links-rechts, oben-unten, vorwärts-rückwärts, Vergangenheit-Zukunft). Im Bereich der Superstrings sind die Dinge viel komplizierter (siehe Einschub). Theoretische Physiker umgehen das schlüpfrige Problem der „zusätzlichen“ räumlichen Dimensionen, indem sie argumentieren, dass sie „verborgen“ (bzw. Wissenschaftliche Sprache ausgedrückt "kompaktieren") und werden daher bei gewöhnlichen Energien nicht beobachtet.

In jüngerer Zeit hat die Stringtheorie erhalten weitere Entwicklung als Theorie mehrdimensionaler Membranen- in der Tat sind dies die gleichen Saiten, aber flach. Wie einer der Autoren beiläufig scherzte, unterscheiden sich Membranen von Fäden in ähnlicher Weise wie Nudeln von Fadennudeln.

Das ist vielleicht alles, was kurz über eine der Theorien gesagt werden kann, die nicht ohne Grund heute den Anspruch erhebt, die universelle Theorie der Großen Vereinigung aller Kräftewechselwirkungen zu sein. Leider ist diese Theorie nicht ohne Sünde. Zunächst einmal wurde es noch nicht streng genommen mathematische Form wegen Unzulänglichkeit mathematischer Apparat um es in strikte interne Übereinstimmung zu bringen. Es ist 20 Jahre her, dass diese Theorie entstanden ist, und niemand ist in der Lage gewesen, einige ihrer Aspekte und Versionen mit anderen konsistent zu harmonisieren. Noch unerfreulicher ist die Tatsache, dass keiner der Theoretiker, die die Theorie der Saiten (und insbesondere der Superstrings) vorschlagen, noch kein einziges Experiment vorgeschlagen hat, an dem diese Theorien im Labor getestet werden könnten. Leider fürchte ich, dass all ihre Arbeit bis dahin ein bizarres Fantasiespiel und eine Verständnisübung bleiben wird. Esoterisches Wissen abseits des naturwissenschaftlichen Mainstreams.

Siehe auch:

1972	Quantenchromodynamik

Wie viele Dimensionen gibt es?

Uns, gewöhnliche Menschen, drei Dimensionen waren immer genug. Seit jeher sind wir gewohnt zu beschreiben physikalische Welt in einem so bescheidenen Rahmen (ein Säbelzahntiger 40 Meter vor mir, 11 Meter rechts und 4 Meter über mir - ein Kopfsteinpflaster für den Kampf!). Die Relativitätstheorie hat die meisten von uns gelehrt, dass die Zeit die Essenz der vierten Dimension ist (der Säbelzahntiger ist nicht nur hier – er bedroht uns hier und jetzt!). Und so begannen Theoretiker ab Mitte des 20. Jahrhunderts davon zu sprechen, dass es tatsächlich noch mehr Dimensionen gibt - entweder 10 oder 11 oder sogar 26. Natürlich, ohne zu erklären, warum wir, normale Leute, wir beobachten sie nicht, könnte es hier nicht tun. Und dann entstand das Konzept der "Verdichtung" - das Anhaften oder Zusammenbrechen von Dimensionen.

Stellen Sie sich einen Gartenbewässerungsschlauch vor. Aus der Nähe wird es als normales dreidimensionales Objekt wahrgenommen. Es ist jedoch notwendig, sich in ausreichendem Abstand vom Schlauch zu entfernen – und er erscheint uns als eindimensionales lineares Objekt: Wir nehmen einfach seine Dicke nicht mehr wahr. Dieser Effekt wird gemeinhin als Verdichtung einer Dimension bezeichnet: dieser Fall Die Dicke des Schlauchs erwies sich als „verdichtet“ - die Skala der Messskala ist zu klein.

Genau so verschwinden den Theoretikern zufolge die real existierenden zusätzlichen Dimensionen aus dem Bereich unserer experimentellen Wahrnehmung, die für eine adäquate Erklärung der Eigenschaften der Materie auf subatomarer Ebene notwendig sind: Sie werden kompakt, ausgehend von einer Größenordnung von etwa 10 -35 m, und moderne Methoden Beobachtung u Messgeräte einfach nicht in der Lage, Strukturen in so kleinem Maßstab zu erkennen. Vielleicht ist es genau so, oder vielleicht liegen die Dinge ganz anders. Obwohl es keine derartigen Beobachtungsinstrumente und -methoden gibt, bleiben alle oben genannten Argumente und Gegenargumente auf der Ebene müßiger Spekulation.

Hast du jemals gedacht, dass das Universum wie ein Cello ist? Richtig, es kam nicht. Denn das Universum ist nicht wie ein Cello. Aber das bedeutet nicht, dass sie keine Saiten hat. Natürlich ähneln die Saiten des Universums kaum denen, die wir uns vorstellen. In der Stringtheorie sind sie unglaublich kleine, vibrierende Energiefäden. Diese Fäden sind eher wie winzige "Gummibänder", die sich in jeder Hinsicht winden, dehnen und schrumpfen können. All dies bedeutet jedoch nicht, dass die Symphonie des Universums nicht auf ihnen „gespielt“ werden kann, denn laut Stringtheoretikern besteht alles, was existiert, aus diesen „Fäden“.

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Physik Kontroverse

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts schien es den Physikern, dass in ihrer Wissenschaft nichts Ernsthaftes mehr zu entdecken sei. Die klassische Physik glaubte, dass es keine ernsthaften Probleme mehr darin gäbe, und die gesamte Struktur der Welt sah aus wie eine perfekt abgestimmte und vorhersehbare Maschine. Der Ärger geschah wie üblich wegen Unsinn - einer der kleinen "Wolken", die noch am klaren, verständlichen Himmel der Wissenschaft blieben. Nämlich bei der Berechnung der Strahlungsenergie eines vollständig schwarzen Körpers (eines hypothetischen Körpers, der bei jeder Temperatur die auf ihn einfallende Strahlung unabhängig von der Wellenlänge vollständig absorbiert). Berechnungen ergaben, dass die gesamte Strahlungsenergie eines absolut schwarzen Körpers unendlich groß sein sollte. Um eine solche offensichtliche Absurdität zu vermeiden, schlug der deutsche Wissenschaftler Max Planck im Jahr 1900 vor, dass sichtbares Licht, Röntgenstrahlen und andere elektromagnetische Wellen nur von bestimmten diskreten Energieportionen emittiert werden könnten, die er Quanten nannte. Mit ihrer Hilfe konnte das besondere Problem eines vollständig schwarzen Körpers gelöst werden. Allerdings waren die Konsequenzen der Quantenhypothese für den Determinismus damals noch nicht erkannt. Bis 1926 ein anderer deutscher Wissenschaftler, Werner Heisenberg, die berühmte Unschärferelation formulierte.

Ihre Essenz läuft darauf hinaus, dass entgegen allen bisher vorherrschenden Aussagen die Natur unsere Fähigkeit, die Zukunft auf der Grundlage physikalischer Gesetze vorherzusagen, einschränkt. Hier geht es natürlich um die Zukunft und Gegenwart subatomarer Teilchen. Es stellte sich heraus, dass sie sich völlig anders verhalten als alle anderen Dinge im Makrokosmos um uns herum. Auf der subatomaren Ebene wird das Raumgefüge uneben und chaotisch. Die Welt der winzigen Teilchen ist so turbulent und unverständlich, dass sie dem gesunden Menschenverstand widerspricht. Raum und Zeit sind darin so verdreht und verflochten, dass es keine gewöhnlichen Konzepte von links und rechts, oben und unten und sogar davor und danach gibt. Es lässt sich nicht mit Sicherheit sagen, an welchem Punkt im Raum sich dieses oder jenes Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet und in welchem Moment sein Impuls liegt. In vielen Bereichen der Raumzeit besteht nur eine gewisse Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen zu finden. Teilchen auf subatomarer Ebene scheinen über den Weltraum "verschmiert" zu sein. Außerdem ist der „Status“ der Teilchen selbst nicht definiert: In einigen Fällen verhalten sie sich wie Wellen, in anderen weisen sie die Eigenschaften von Teilchen auf. Das nennen Physiker den Welle-Teilchen-Dualismus der Quantenmechanik.

Ebenen der Struktur der Welt: 1. Makroskopische Ebene - Substanz
2. Molekulare Ebene 3. Atomare Ebene - Protonen, Neutronen und Elektronen
4. Subatomare Ebene – Elektron 5. Subatomare Ebene – Quarks 6. String-Ebene
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In der Allgemeinen Relativitätstheorie, wie in einem Zustand mit entgegengesetzten Gesetzen, liegen die Dinge grundlegend anders. Der Raum scheint wie ein Trampolin zu sein – ein glattes Gewebe, das von Objekten mit Masse gebogen und gedehnt werden kann. Sie erzeugen Verformungen der Raumzeit – was wir als Schwerkraft erleben. Unnötig zu erwähnen, dass die kohärente, korrekte und vorhersagbare Allgemeine Relativitätstheorie in einem unlösbaren Konflikt mit dem „verrückten Hooligan“ steht – der Quantenmechanik, und infolgedessen kann sich der Makrokosmos nicht mit dem Mikrokosmos „versöhnen“. Hier kommt die Stringtheorie ins Spiel.

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Theorie von allem

Die Stringtheorie verkörpert den Traum aller Physiker, zwei grundsätzlich widersprüchliche allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik zu vereinen, ein Traum, der den größten „Zigeuner und Vagabunden“ Albert Einstein bis ans Ende seiner Tage verfolgte.

Viele Wissenschaftler glauben, dass alles, vom exquisiten Tanz der Galaxien bis zum frenetischen Tanz subatomarer Teilchen, letztendlich durch nur ein grundlegendes physikalisches Prinzip erklärt werden kann. Vielleicht sogar ein einziges Gesetz, das alle Arten von Energie, Teilchen und Wechselwirkungen in einer eleganten Formel vereint.

Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt eine der berühmtesten Kräfte im Universum – die Schwerkraft. Die Quantenmechanik beschreibt drei weitere Kräfte: die starke Kernkraft, die Protonen und Neutronen in Atomen zusammenhält, den Elektromagnetismus und die schwache Kraft, die am radioaktiven Zerfall beteiligt ist. Jedes Ereignis im Universum, von der Ionisation eines Atoms bis zur Geburt eines Sterns, wird durch die Wechselwirkungen der Materie durch diese vier Kräfte beschrieben. Mit Hilfe komplexer Mathematik konnte gezeigt werden, dass die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung eine gemeinsame Natur haben, indem sie zu einer einzigen elektroschwachen kombiniert wurden. Anschließend wurde ihnen die starke nukleare Wechselwirkung hinzugefügt - aber die Schwerkraft tritt ihnen in keiner Weise bei. Die Stringtheorie ist einer der ernsthaftesten Kandidaten für die Verbindung aller vier Kräfte und damit für die Erfassung aller Phänomene im Universum – nicht umsonst wird sie auch „Theory of Everything“ genannt.

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Am Anfang war ein Mythos

In den späten 1960er Jahren suchte ein junger italienischer theoretischer Physiker, Gabriele Veneziano, nach Gleichungen, die die starken Kernkräfte erklären könnten, den extrem starken „Kleber“, der die Atomkerne zusammenhält, indem er Protonen und Neutronen aneinander bindet. Der Legende nach stieß er einst auf ein verstaubtes Buch über die Geschichte der Mathematik, in dem er eine 200 Jahre alte Gleichung fand, die erstmals vom Schweizer Mathematiker Leonhard Euler geschrieben worden war. Was war Venezianos Überraschung, als er entdeckte, dass die Euler-Gleichung, die lange Zeit nur als mathematisches Kuriosum galt, diese starke Kraft beschreibt.

Wie war es wirklich? Die Gleichung war wahrscheinlich das Ergebnis jahrelanger Arbeit Venezianos, und der Fall trug nur dazu bei, den ersten Schritt zur Entdeckung der Stringtheorie zu tun. Eulers Gleichung, die auf wundersame Weise die starke Kraft erklärt, hat ein neues Leben gefunden.

Schließlich erregte sie die Aufmerksamkeit eines jungen amerikanischen theoretischen Physikers, Leonard Susskind, der sah, dass die Formel hauptsächlich Teilchen beschrieb, die keine innere Struktur hatten und schwingen konnten. Diese Teilchen verhielten sich so, dass sie nicht einfach nur Punktteilchen sein konnten. Susskind verstand – die Formel beschreibt einen Faden, der wie ein Gummiband ist. Sie konnte sich nicht nur dehnen und schrumpfen, sondern auch oszillieren, sich winden. Nach der Beschreibung seiner Entdeckung stellte Susskind die revolutionäre Idee der Saiten vor.

Leider nahm die überwältigende Mehrheit seiner Kollegen die Theorie eher kühl auf.

Standardmodell

Zu dieser Zeit stellte die Mainstream-Wissenschaft Teilchen als Punkte dar, nicht als Fäden. Seit Jahren untersuchen Physiker das Verhalten subatomarer Teilchen, lassen sie mit hoher Geschwindigkeit kollidieren und untersuchen die Folgen dieser Kollisionen. Es stellte sich heraus, dass das Universum viel reicher ist, als man sich vorstellen kann. Es war eine regelrechte „Bevölkerungsexplosion“ von Elementarteilchen. Graduierte Studenten der Physikuniversitäten rannten durch die Korridore und riefen, sie hätten ein neues Teilchen entdeckt – es gab nicht einmal genug Buchstaben, um sie zu benennen.

Aber leider konnten Wissenschaftler in der "Entbindungsklinik" neuer Teilchen keine Antwort auf die Frage finden - warum gibt es so viele von ihnen und woher kommen sie?

Das veranlasste Physiker zu einer ungewöhnlichen und verblüffenden Vorhersage: Sie erkannten, dass sich die in der Natur wirkenden Kräfte auch mit Teilchen erklären lassen. Das heißt, es gibt Materieteilchen und Teilchenträger von Wechselwirkungen. Dies ist zum Beispiel ein Photon - ein Lichtteilchen. Je mehr dieser Trägerteilchen – die gleichen Photonen, die Materieteilchen austauschen, desto heller ist das Licht. Wissenschaftler haben vorhergesagt, dass dieser besondere Austausch von Trägerteilchen nichts anderes ist als das, was wir als Kraft wahrnehmen. Dies wurde durch Experimente bestätigt. Damit sind die Physiker Einsteins Traum vom Zusammenschluss ein Stück näher gekommen.

Wissenschaftler glauben, dass, wenn wir kurz nach dem Urknall vorspulen, als das Universum um Billionen Grad heißer war, die Teilchen, die den Elektromagnetismus und die schwache Kraft tragen, nicht mehr zu unterscheiden wären und sich zu einer einzigen Kraft verschmelzen würden, die als Elektroschwache bezeichnet wird. Und wenn wir noch weiter in der Zeit zurückgehen, dann würde sich die elektroschwache Wechselwirkung mit der starken zu einer totalen „Superkraft“ verbinden.

Obwohl all dies noch auf seinen Beweis wartet, hat die Quantenmechanik plötzlich erklärt, wie drei der vier Kräfte auf subatomarer Ebene zusammenwirken. Und sie hat es schön und konsequent erklärt. Dieses harmonische Bild der Wechselwirkungen wurde schließlich als Standardmodell bezeichnet. Aber leider gab es sogar in dieser perfekten Theorie ein großes Problem – sie beinhaltete nicht die berühmteste Kraft der Makroebene – die Schwerkraft.

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Graviton

Für die Stringtheorie, die keine Zeit zum "Blühen" hatte, kam der "Herbst", sie enthielt von Anfang an zu viele Probleme. Beispielsweise sagten die Berechnungen der Theorie die Existenz von Teilchen voraus, die, wie sich bald herausstellte, nicht existierten. Das ist das sogenannte Tachyon – ein Teilchen, das sich im Vakuum schneller als Licht bewegt. Unter anderem stellte sich heraus, dass die Theorie bis zu 10 Dimensionen erfordert. Es ist nicht verwunderlich, dass dies den Physikern sehr peinlich war, denn es ist offensichtlich mehr als das, was wir sehen.

Der Wissenschaftler hatte bereits beschlossen, sein desaströses Geschäft aufzugeben, und dann dämmerte es ihm - vielleicht beschreiben die Gleichungen der Stringtheorie unter anderem die Schwerkraft? Dies implizierte jedoch eine Überarbeitung der Abmessungen der wichtigsten "Helden" der Theorie - der Saiten. Indem sie annahmen, dass Strings Milliarden und Abermilliarden Mal kleiner als ein Atom sind, machten die „Stringer“ den Fehler der Theorie zu ihrem Vorteil. Das mysteriöse Teilchen, das John Schwartz so beharrlich loszuwerden versucht hatte, fungierte nun als Graviton – ein seit langem gesuchtes Teilchen, das es ermöglichen würde, die Schwerkraft auf die Quantenebene zu übertragen. So hat die Stringtheorie dem Puzzle Gravitation hinzugefügt, die im Standardmodell fehlt. Aber leider reagierte nicht einmal die wissenschaftliche Gemeinschaft auf diese Entdeckung. Die Stringtheorie blieb am Rande des Überlebens. Aber das hielt Schwartz nicht auf. Nur ein Wissenschaftler, der bereit war, seine Karriere für mysteriöse Fäden zu riskieren, wollte sich seiner Suche anschließen - Michael Green.

Der amerikanische theoretische Physiker John Schwartz (oben) und Michael Green
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Welchen Grund gibt es zu der Annahme, dass die Schwerkraft den Gesetzen der Quantenmechanik gehorcht? Für die Entdeckung wurde dieser „Grund“ im Jahr 2011 ausgezeichnet Nobelpreis in Physik. Es bestand darin, dass sich die Expansion des Universums nicht verlangsamt, wie man früher dachte, sondern im Gegenteil beschleunigt. Diese Beschleunigung wird durch die Wirkung einer speziellen „Antigravitation“ erklärt, die irgendwie charakteristisch für den leeren Raum ist. Weltraumvakuum. Andererseits weiter Quantenebene es kann nichts absolut „leeres“ geben – subatomare Teilchen erscheinen ständig und verschwinden sofort im Vakuum. Es wird angenommen, dass ein solches "Flimmern" von Partikeln für die Existenz von "Antigravitation" verantwortlich ist. dunkle Energie, die den leeren Raum füllt.

Einst war es Albert Einstein, der bis zu seinem Lebensende die paradoxen Prinzipien der Quantenmechanik (die er selbst vorhersagte) nicht akzeptierte und die Existenz dieser Energieform vorschlug. Der Tradition von Aristoteles' klassischer griechischer Philosophie mit ihrem Glauben an die Ewigkeit der Welt folgend, weigerte sich Einstein zu glauben, was seine eigene Theorie voraussagte, nämlich dass das Universum einen Anfang hatte. Um das Universum zu „verewigen“, führte Einstein sogar eine bestimmte kosmologische Konstante in seine Theorie ein und beschrieb damit die Energie des leeren Raums. Glücklicherweise stellte sich einige Jahre später heraus, dass das Universum überhaupt keine gefrorene Form ist, sondern sich ausdehnt. Dann gab Einstein die kosmologische Konstante auf und nannte sie „die größte Fehleinschätzung seines Lebens“.

Heute weiß die Wissenschaft, dass dunkle Energie existiert, obwohl ihre Dichte viel geringer ist als die von Einstein vorgeschlagene (das Problem der dunklen Energiedichte ist übrigens eines davon). die größten Geheimnisse moderne Physik). Aber egal, wie klein der Wert der kosmologischen Konstante ist, er reicht völlig aus, um sicherzustellen, dass Quanteneffekte in der Gravitation existieren.

Subatomare Nistpuppen

Trotz allem wies die Stringtheorie Anfang der 1980er Jahre noch unlösbare Widersprüche auf, die in der Wissenschaft als Anomalien bekannt sind. Schwartz und Green machten sich daran, sie zu beseitigen. Und ihre Bemühungen waren nicht umsonst: Den Wissenschaftlern gelang es, einige der Widersprüche der Theorie zu beseitigen. Stellen Sie sich das Erstaunen dieser beiden vor, die bereits daran gewöhnt sind, dass ihre Theorie ignoriert wird, als die Reaktion der wissenschaftlichen Gemeinschaft die wissenschaftliche Welt in die Luft jagte. In weniger als einem Jahr stieg die Zahl der Stringtheoretiker auf Hunderte an. Damals wurde der Stringtheorie der Titel The Theory of Everything verliehen. Die neue Theorie schien in der Lage zu sein, alle Bestandteile des Universums zu beschreiben. Und hier sind die Zutaten.

Jedes Atom besteht bekanntlich aus noch kleineren Teilchen - Elektronen, die um den Kern kreisen, der aus Protonen und Neutronen besteht. Protonen und Neutronen wiederum bestehen aus noch kleineren Teilchen, den sogenannten Quarks. Aber die Stringtheorie sagt, dass sie nicht mit Quarks endet. Quarks bestehen aus winzigen, sich schlängelnden Energiefäden, die Saiten ähneln. Jede dieser Saiten ist unvorstellbar klein. So klein, dass, wenn das Atom auf die Größe des Sonnensystems vergrößert würde, die Schnur die Größe eines Baumes hätte. So wie die unterschiedlichen Schwingungen einer Cellosaite das erzeugen, was wir hören, als unterschiedliche Musiknoten, verleihen die unterschiedlichen Arten (Modi) der Schwingung einer Saite den Partikeln ihre einzigartigen Eigenschaften – Masse, Ladung und so weiter. Wissen Sie, wie sich relativ gesehen die Protonen in Ihrer Nagelspitze von dem noch nicht entdeckten Graviton unterscheiden? Nur die Reihe winziger Saiten, aus denen sie bestehen, und wie diese Saiten vibrieren.

Das alles ist natürlich mehr als erstaunlich. Seit der griechischen Antike haben sich die Physiker daran gewöhnt, dass alles auf dieser Welt aus so etwas wie Kugeln, winzigen Teilchen, besteht. Und jetzt, da sie keine Zeit haben, sich an das unlogische Verhalten dieser Kugeln zu gewöhnen, das aus der Quantenmechanik folgt, werden sie aufgefordert, das Paradigma ganz zu verlassen und mit einer Art Spaghetti-Zutaten zu operieren ...

Fünfte Dimension

Obwohl viele Wissenschaftler die Stringtheorie als den Triumph der Mathematik bezeichnen, bleiben einige Probleme bestehen – vor allem das Fehlen jeglicher Möglichkeit, sie in naher Zukunft experimentell zu testen. Kein einziges Instrument auf der Welt, ob es existiert oder perspektivisch erscheinen kann, ist nicht in der Lage, die Saiten zu „sehen“. Manche Wissenschaftler stellen sich deshalb übrigens sogar die Frage: Ist die Stringtheorie eine Theorie der Physik oder der Philosophie?... Stimmt, es ist überhaupt nicht nötig, Strings „mit eigenen Augen“ zu sehen. Was zum Beweis der Stringtheorie benötigt wird, ist vielmehr etwas anderes – was nach Science-Fiction klingt – die Bestätigung der Existenz zusätzlicher Raumdimensionen.

Worum geht es? Wir sind alle an die drei Dimensionen des Raumes und der Einmaligkeit gewöhnt. Aber die Stringtheorie sagt das Vorhandensein anderer – zusätzlicher – Dimensionen voraus. Aber fangen wir der Reihe nach an.

In jeder dieser Formen vibriert und bewegt sich eine Saite – der Hauptbestandteil des Universums.
Jede Form ist sechsdimensional - entsprechend der Anzahl von sechs zusätzlichen Dimensionen
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zehn Dimensionen

Wie können diese winzigen Dimensionen unsere große Welt beeinflussen? Nach der Stringtheorie entscheidend: Für sie wird alles durch die Form bestimmt. Wenn Sie verschiedene Tasten auf dem Saxophon spielen, erhalten Sie unterschiedliche Klänge. Denn wenn Sie eine bestimmte Taste oder Tastenkombination drücken, verändern Sie die Form des Raums im Musikinstrument, in dem die Luft zirkuliert. Aus diesem Grund werden verschiedene Klänge geboren.

Wie die Welt funktioniert

Die Wissenschaft kennt heute eine Reihe von Zahlen, die die fundamentalen Konstanten des Universums sind. Sie bestimmen die Eigenschaften und Eigenschaften von allem um uns herum. Unter solchen Konstanten sind zum Beispiel die Ladung eines Elektrons, die Gravitationskonstante, die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ... Und wenn wir diese Zahlen auch nur geringfügig ändern, werden die Folgen katastrophal sein. Angenommen, wir haben die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung erhöht. Was ist passiert? Wir können plötzlich feststellen, dass die Ionen sich gegenseitig abstoßender geworden sind, und die thermonukleare Fusion, die Sterne zum Leuchten bringt und Wärme abstrahlt, ist plötzlich ausgefallen. Alle Sterne werden ausgehen.

Aber was ist mit der Stringtheorie mit ihren zusätzlichen Dimensionen? Tatsache ist, dass es demnach die zusätzlichen Dimensionen sind, die den genauen Wert der Fundamentalkonstanten bestimmen. Einige Messmethoden bringen eine Saite auf eine bestimmte Weise zum Schwingen und erzeugen das, was wir als Photon sehen. Bei anderen Formen schwingen die Saiten anders und erzeugen ein Elektron. Wahrlich, Gott liegt in den „kleinen Dingen“ – es sind diese winzigen Formen, die alle grundlegenden Konstanten dieser Welt bestimmen.

Superstring-Theorie

Mitte der 1980er Jahre nahm die Stringtheorie ein majestätisches und schlankes Aussehen an, aber innerhalb dieses Monuments herrschte Verwirrung. In nur wenigen Jahren sind bis zu fünf Versionen der Stringtheorie entstanden. Und obwohl jede von ihnen auf Saiten und zusätzlichen Dimensionen aufgebaut ist (alle fünf Versionen sind in der allgemeinen Theorie der Superstrings vereint), weichen diese Versionen in Details erheblich voneinander ab.

In einigen Versionen hatten die Saiten also offene Enden, in anderen sahen sie wie Ringe aus. Und in einigen Versionen erforderte die Theorie sogar nicht 10, sondern bis zu 26 Messungen. Das Paradoxe ist, dass alle fünf Versionen heute als gleichermaßen wahr bezeichnet werden können. Aber welche beschreibt wirklich unser Universum? Dies ist ein weiteres Mysterium der Stringtheorie. Deshalb winkten viele Physiker erneut gegen die „verrückte“ Theorie ab.

Aber das Hauptproblem von Saiten ist, wie bereits erwähnt, die Unmöglichkeit (zumindest vorerst), ihre Anwesenheit experimentell nachzuweisen.

Wissenschaft ist ein weites Feld und große Menge Forschungen und Entdeckungen werden täglich durchgeführt, wobei es erwähnenswert ist, dass einige Theorien interessant zu sein scheinen, aber gleichzeitig keine wirklichen Beweise haben und sozusagen „in der Luft hängen“.

Was ist Stringtheorie?

Die physikalische Theorie, die Teilchen in Form von Schwingungen darstellt, heißt Stringtheorie. Diese Wellen haben nur einen Parameter - Länge, und die Höhe und Breite fehlen. Um herauszufinden, dass dies die Stringtheorie ist, sollten Sie die Haupthypothesen berücksichtigen, die sie beschreibt.

Es wird angenommen, dass alles um uns herum aus vibrierenden Fäden und Energiemembranen besteht.
Versucht, allgemeine Relativitätstheorie und Quantenphysik zu kombinieren.
Die Stringtheorie bietet eine Chance, alles zu vereinen grundlegende Kräfte Universum.
Sagt eine symmetrische Beziehung zwischen voraus verschiedene Typen Teilchen: Bosonen und Fermionen.
Bietet die Möglichkeit, bisher nicht beobachtete Dimensionen des Universums zu beschreiben und darzustellen.

Stringtheorie – wer hat sie entdeckt?

Das erste Mal 1960 Quantentheorie Strings wurde geschaffen, um das Phänomen in der Hadronenphysik zu erklären. Damals wurde es von G. Veneziano, L. Susskind, T. Goto und anderen entwickelt.
Er erzählte den Wissenschaftlern D. Schwartz, J. Sherk und T. Yene, was die Stringtheorie ist, da sie die Hypothese der bosonischen Strings entwickelten, und dies geschah 10 Jahre später.
1980 identifizierten zwei Wissenschaftler: M. Green und D. Schwartz die Theorie der Superstrings, die einzigartige Symmetrien aufwiesen.
Studien zu der vorgeschlagenen Hypothese werden bis heute durchgeführt, aber bisher konnte sie nicht bewiesen werden.

Stringtheorie - Philosophie

Es gibt eine philosophische Richtung, die eine Verbindung zur Stringtheorie hat, und sie nennen sie Monade. Es geht um die Verwendung von Symbolen, um beliebig viele Informationen zu verdichten. Monaden- und Stringtheorie in der Philosophie verwenden Gegensätze und Dualitäten. Das beliebteste einfache Monadensymbol ist Yin-Yang. Experten schlugen vor, die String-Theorie auf einer dreidimensionalen statt auf einer flachen Monade darzustellen, und dann werden die Strings Realität, auch wenn sie lang und spärlich sind.

Wenn eine volumetrische Monade verwendet wird, dann ist die Linie, die Yin-Yang teilt, eine Ebene, und unter Verwendung einer mehrdimensionalen Monade wird ein spiralförmiges Volumen erhalten. Während es in der Philosophie keine Arbeiten zu mehrdimensionalen Monaden gibt, ist dies ein Bereich für zukünftige Studien. Philosophen glauben, dass Erkenntnis ein endloser Prozess ist, und beim Versuch, ein einziges Modell des Universums zu erstellen, wird eine Person mehr als einmal überrascht und ihre Grundkonzepte ändern.

Nachteile der Stringtheorie

Da die von einer Reihe von Wissenschaftlern vorgeschlagene Hypothese unbestätigt ist, ist es durchaus verständlich, dass es eine Reihe von Problemen gibt, die auf die Notwendigkeit einer Verfeinerung hinweisen.

Hat beispielsweise die Stringtheorie Missverständnisse beim Rechnen entdeckt neuer Typ Teilchen sind Tachyonen, aber sie können in der Natur nicht existieren, da das Quadrat ihrer Masse kleiner als Null ist und die Bewegungsgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit ist.
Die Stringtheorie kann nur in einem zehndimensionalen Raum existieren, aber dann ist die Frage relevant - warum nimmt eine Person andere Dimensionen nicht wahr?

Stringtheorie - Beweis

Die beiden wichtigsten physikalischen Konventionen, auf denen die wissenschaftlicher Beweis, stehen sich tatsächlich gegenüber, da sie die Struktur des Universums auf der Mikroebene auf unterschiedliche Weise darstellen. Um sie anzuprobieren, wurde die Theorie der kosmischen Saiten vorgeschlagen. In vielerlei Hinsicht sieht es zuverlässig aus, und zwar nicht nur in Worten, sondern auch in mathematischen Berechnungen, aber heute hat eine Person keine Gelegenheit, es praktisch zu beweisen. Wenn Zeichenfolgen vorhanden sind, worauf sie sich beziehen mikroskopische Ebene, und bisher gibt es keine technischen Möglichkeiten, sie zu erkennen.

Stringtheorie und Gott

Der berühmte theoretische Physiker M. Kaku schlug eine Theorie vor, in der er mit der String-Hypothese die Existenz des Herrn beweist. Er kam zu dem Schluss, dass alles auf der Welt danach handelt bestimmte Gesetze und die Regeln, die von dem einen Geist festgelegt wurden. Nach Kaku, Stringtheorie und verborgene Dimensionen Dem Universum wird geholfen, eine Gleichung zu schaffen, die alle Kräfte der Natur vereint und es Ihnen ermöglicht, den Geist Gottes zu verstehen. Er konzentriert seine Hypothese auf Tachyon-Teilchen, die sich schneller als Licht bewegen. Sogar Einstein sagte, dass es möglich sein wird, die Zeit zurückzudrehen, wenn Sie solche Teile finden.

Nach einer Reihe von Experimenten kam Kaku zu dem Schluss, dass das menschliche Leben kontrolliert wird stabile Gesetze, anstatt auf kosmische Unfälle zu reagieren. Die String-Theorie existiert im Leben und ist damit verbunden unbekannte Kraft der das Leben beherrscht und vollendet. Seiner Meinung nach ist das so. Kaku ist sich sicher, dass das Universum vibrierende Saiten sind, die aus dem Geist des Supreme kommen.

Typ