05/01/2012 - Die Theorie der Saiten. Gibt es eine Theorie überhaupt?

Menéame

Physik ist eigentlich zwei Wissenschaften. Es gibt die Quantenmechanik, die seltsame und tumultuöse Welt, in der Teilchen erscheinen und verschwinden und Katzen gleichzeitig lebendig und tot sind.

Und da ist die allgemeine Relativität, Einsteins majestätische Vision von massiven Objekten, die Raum und Zeit biegen.

Seit diese zwei verschiedenen Weltsichten zu Beginn des 20. Jahrhunderts entstanden sind, haben Generationen von Physikern versucht, sie in einer einzigen Theorie zu vereinen, die idealerweise die vier grundlegenden Kräfte der Natur beschreiben würde, sogar Einstein versuchte es und versagte. Jetzt, nach einigen besonders frustrierenden Jahrzehnten mit wenigen neuen Tests, um uns zu führen, können die heutigen Physiker in der Lage sein, verlockende Hinweise darauf zu finden, wie Kräfte miteinander passen.

Es wird erwartet, dass die Pisten vom Großen Hadronen-Kollider kommen, einem Ring von Supraleitermagneten in den Alpen, der dazu bestimmt ist, Protonen zwischen sich zu treffen, um die Energien, die nie zuvor auf der Erde gesehen wurden, zu treffen. Der Zusammenstoßer hat im März 2010 begonnen, und es wird erwartet, dass er 2014 seine maximale Leistung erreichen wird, wenn er versuchen wird, Protonen doppelt so hoch wie die aktuelle Energie zu kollidieren.

Selbst dann wird LHC weit davon entfernt sein, stark genug zu sein, um die einzige vereinte Kraft nachzubilden, die die Physiker glauben, dass sie nach dem Urknall für einen Bruchteil einer Sekunde existierte - Sie würden einen so großen Zusammenstoßer brauchen wie das Universum selbst, um das zu tun. Aber LHC könnte in der Lage sein, einige der Vorhersagen zu testen, die durch die Haupttheorie gemacht werden, die Schwerkraft und andere Kräfte verbindet.

Die Theorie der Superkorden - oder die Theorie der Saiten zu kurz - verbindet die ganze Physik in einem Paket, indem sie die verwirrende Partikeltaxonomie des gegenwärtigen Physiktiers, des Standardmodells, mit identischen Saitenfragmenten, jedes von weniger als einer Milliardestel Milliardenstel Zentimeter lang reduziert. Gemäß der Theorie der Saiten sind die Teilchen, die die drei Kräfte des Standardmodells tragen - Photon (Elektromagnetismus), Gluon (starke Kernkraft) und Bosonen W und Z (schwache Kernkraft) - nur die gleichen kleinen Tänzer, die jeweils unterschiedliche Rhythmen folgen.

Und im Gegensatz zum Standardmodell, hat die Theorie der Saiten einen Platz für die Schwerkraft.

Obwohl es Vorschläge neben der Theorie der Saiten gibt, die zu erklären versuchen, wie alle Kräfte der Natur zusammenpassen würden, haben die meisten dieser Theorien große Probleme. Einige sagen zum Beispiel die Existenz von Teilchen voraus, die nicht existieren können.

Das Haupthindernis der Stricktheorie ist, dass es im Universum vieles mehr erfordert, als Physiker studieren können, was die Theorie sehr schwierig auf die Probe stellt. Zum Beispiel erfordern die meisten Versionen der Saitentheorie, dass das Universum 10 oder 11 Dimensionen hat - 9 oder 10 Raum und eine Zeitzone, anstatt die vier, die die Menschen erleben: oben-unten, vor-hinter, links-rechts und vorbei-zukünftig.

"Die Kräfte werden in 11 Dimensionen vereint, aber sie teilen sich, wenn sie in vier Dimensionen übergehen," sagt Gordon Kane, Physiker der Universität Michigan in Ann Arbor.

Damit die Saitentheorie etwas darüber sagen kann, wie Kräfte entstehen, müssen die Physiker berechnen, wie sie sich wickeln oder "kompatibeln," diese zusätzlichen Dimensionen, in den vier, die uns vertraut sind.

Die Theorie der Saiten lässt auch eine Population von Schatten-Partner-Partikeln für jede, die derzeit bekannt ist, eine Idee, die Supersymmetrie genannt wird, erscheinen. In der Tat, Supersymmetrie kann notwendig sein, um elektromagnetische Kräfte zu vereinen, stark und schwach, so ist es wichtig, auch wenn die Theorie der Saiten ist nicht korrekt.

Wenn die Kräfte kollidieren

Viele Physiker haben große Hoffnungen, dass LHC Anzeichen für supersymmetrische Teilchen und zusätzliche Raumdimensionen finden wird.

"Selbst wenn wir nicht zu den anderen Dimensionen gehen, werden die anderen Dimensionen in gewissem Sinne zu uns kommen," sagt Harvard Lisa Randalls Physiker.

In den 1990er Jahren, als er mit Raman Sundrum, jetzt an der Universität Maryland im College Park, arbeitete, zeigte Randall, dass es möglich sein könnte, den Zerfall eines Gravitationspartikels zu erkennen, das aus einer zusätzlichen Dimension stammt. Das Finden solcher Teilchen im LHC würde die Existenz der zusätzlichen Dimensionen überprüfen und vorschlagen, warum die Schwerkraft viel schwächer ist als die anderen drei Kräfte.

"Ich denke, es wäre ziemlich überraschend," sagt Randall. "Aber das ist eines der Dinge, die wir finden könnten, und das ist eines, nach dem wir suchen sollten."

Die meisten Physiker glauben, dass LHC wahrscheinlicher ist, dass sie Beweise für supersymmetrische Begleiter der Teilchen des Standardmodells finden. Das Aussehen und die Eigenschaften der Gefährten würden einige nützliche Einschränkungen auf, wie das Universum die 11 Dimensionen vergleicht, die von der Theorie der Saiten vorhergesagt wurden.

Wenn sich zum Beispiel das leichteste Superteilchen als Wino erweist, wäre die Superpartnerin des W-Bosons, Träger der schwachen Kraft, mit einer Version der bekannten Saitentheorie mit dem ausdrucksvollen "M-Theorie in einem 7-D-Sammler der Holonomie G2′" vereinbar.

Solche supersymmetrischen Teilchen können bereits beobachtet worden sein - nicht auf der Erde, sondern im Weltraum. Ein Teil der dunklen Materie, die angeblich mehr als 80 Prozent der Materie des Universums bildet, könnte aus supersymmetrischen Teilchen bestehen, Resten der ersten Momente des Universums. In den letzten Jahren haben zwei Rauminstrumente, das Gamma-Fermi-Strahlenteleskop und die italienische Mission PAMELA, Anzeichen für eine dunkle Materie in der Milchstraße in Form von Gamma- und Antimateriestrahlen gesehen, die durch den Zusammenstoß supersymmetrischer Partikel entstanden sein könnten.

Da LHC und zukünftige Kollisionatoren die Physiker erst nach dem Urknall bis jetzt zusammenbringen können, wird das wissenschaftliche Verständnis einer einheitlichen Theorie schließlich von der Erforschung der Weite des Universums führen müssen. Einige Physiker fragen sich, ob eine solche Strategie, die von der Suche nach und Interpretation von Spuren, die von Natur aus verlassen, abhängig ist, zu Ergebnissen führen kann, die mit den hochpräzisen experimentellen Daten vergleichbar sind, die im 20. Jahrhundert zum Standardmodell führten.

Aber die Theorie der Saiten ist nicht Wissenschaft des zwanzigsten Jahrhunderts - in der Tat, Edward Witten Saiten Theoretiker hat es als "physischen des 21. Jahrhunderts, fiel durch Zufall im zwanzigsten Jahrhundert" beschrieben. Jetzt, da das 21. Jahrhundert gekommen ist, ist es an der Zeit, die Theorie der Saiten zu testen.

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