In der Stringtheorie ersetzen winzige Fadenstücke traditionelle subatomare Teilchen.
Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei SUNY Stony Brook und am Flatiron Institute Fragen Sie einen Raumfahrer und Weltraumradiound Autor von "Dein Platz im Universum."Sutter hat diesen Artikel dazu beigetragen Expertenstimmen von Space.com: Op-Ed & Insights.
Die Stringtheorie hofft, eine wörtliche Theorie von allem zu sein, ein einheitliches Gerüst, das die Vielfalt und den Reichtum erklärt, die wir im Kosmos und in unseren Teilchenkollidern sehen, von der Art und Weise, wie sich die Schwerkraft verhält, bis zum Teufel dunkle Energie Deshalb haben Elektronen die Masse, die sie haben. Und obwohl es sich um eine potenziell mächtige Idee handelt, die, wenn sie freigeschaltet wird, unser Verständnis der physischen Welt völlig revolutionieren würde, wurde sie noch nie direkt getestet.
Es gab jedoch Möglichkeiten, einige der Grundlagen und möglichen Konsequenzen von zu untersuchen Stringtheorie. Und obwohl diese Tests die Stringtheorie nicht auf die eine oder andere Weise direkt beweisen würden, würden sie dazu beitragen, ihren Fall zu untermauern. Lass uns erforschen.
Ein störendes Problem
Zunächst müssen wir jedoch untersuchen, warum die Stringtheorie so schwer zu testen ist. Es gibt zwei Gründe.
Die Saiten der Stringtheorie sind erstaunlich klein und liegen vermutlich irgendwo auf der Planck-Skala mit einem Durchmesser von 10 bis 34 Metern. Das ist weitaus kleiner als alles, was wir selbst mit unseren präzisesten Instrumenten untersuchen können. Die Strings sind in der Tat so klein, dass sie uns als punktförmige Teilchen wie Elektronen, Photonen und Neutronen erscheinen. Wir können einfach nie direkt auf eine Schnur starren.
Bezogen auf diese Kleinheit ist die Energieskala, die benötigt wird, um die Regime zu untersuchen, in denen die Stringtheorie tatsächlich eine Rolle spielt. Ab heute haben wir zwei verschiedene Ansätze zur Erklärung der vier Naturkräfte. Einerseits verfügen wir über die Techniken der Quantenfeldtheorie, die eine mikroskopische Beschreibung des Elektromagnetismus und der beiden Kernkräfte liefern. Und auf der anderen Seite haben wir generelle RelativitätDies ermöglicht es uns, die Schwerkraft als das Biegen und Verziehen der Raumzeit zu verstehen.
Für alle Fälle, die wir direkt untersuchen können, ist die Verwendung des einen oder anderen in Ordnung. Die Stringtheorie kommt nur ins Spiel, wenn wir versuchen, alle vier Kräfte mit einer einzigen Beschreibung zu kombinieren, was nur auf den höchsten Energieskalen wirklich wichtig ist - so hoch, dass wir niemals eine Maschine bauen könnten, um solche Höhen zu erreichen.
Aber selbst wenn wir einen Teilchenkollider entwickeln könnten, um die Energien der Quantengravitation direkt zu untersuchen, könnten wir die Stringtheorie nicht testen, da die Stringtheorie noch nicht vollständig ist. Es existiert nicht. Wir haben nur Annäherungen, von denen wir hoffen, dass sie der tatsächlichen Theorie nahe kommen, aber wir haben keine Ahnung, wie richtig (oder falsch) wir sind. Die Stringtheorie ist also nicht einmal der Aufgabe gewachsen, Vorhersagen zu treffen, die wir mit hypothetischen Experimenten vergleichen können.
Kosmischer Blues
Obwohl wir nicht die Energien erreichen können, die in unseren Teilchenkollidern benötigt werden, um wirklich einen detaillierten Einblick in die potenzielle Welt der Saiten zu erhalten, war unser gesamtes Universum vor 13,8 Milliarden Jahren ein Kessel grundlegender Kräfte. Vielleicht können wir durch einen Blick in die Geschichte von der Urknall.
Ein Vorschlag der Stringtheoretiker ist eine andere Art von theoretischem String: der kosmische String. Kosmische Strings sind universumsübergreifende Defekte in der Raumzeit, die von den frühesten Momenten des Urknalls übrig geblieben sind, und sie sind eine ziemlich allgemeine Vorhersage der Physik jener Epochen von das Weltall.
Aber kosmische Saiten Es könnte sich auch um Super-Duper-Stretch-Strings aus der Stringtheorie handeln, die normalerweise so klein sind, dass "mikroskopisch" ein zu großes Wort ist, aber durch die unaufhörliche Expansion des Universums gedehnt und gezogen wurden. Wenn wir also eine kosmische Kette finden würden, die da draußen im Kosmos herumschwebt, könnten wir sie sorgfältig studieren und prüfen, ob sie wirklich von der Stringtheorie vorhergesagt wird.
Bis heute wurden in unserem Universum keine kosmischen Ketten gefunden.
Die Suche ist noch nicht abgeschlossen. Wenn wir einen kosmischen String finden würden, würde dies nicht unbedingt die Stringtheorie validieren - es müsste sowohl theoretisch als auch beobachtend viel mehr Arbeit geleistet werden, um die Vorhersage der Stringtheorie von der Crack-in-Spacetime-Version zu unterscheiden.
Nicht so Supersymmetrie
Dennoch könnten wir in der Lage sein, einige interessante Hinweise zu finden, und einer dieser Hinweise ist Supersymmetrie. Supersymmetrie ist eine hypothetische Symmetrie der Natur, die alle Fermionen (die Bausteine der Realität wie Elektronen und Quarks) mit den Bosonen (den Trägern der Kräfte wie Gluonen und Photonen) unter einem einzigen Rahmen verbindet.
Die Maschinerie der Supersymmetrie wurde zuerst von Stringtheoretikern ausgearbeitet, nahm jedoch das Feuer als interessanten Weg für alle Hochenergiephysiker, um möglicherweise einige Probleme mit dem zu lösen Standardmodell und Vorhersagen für neue Physik machen. Innerhalb der Stringtheorie ermöglicht die Supersymmetrie den Strings, nicht nur die Naturkräfte, sondern auch die Bausteine zu beschreiben, wodurch diese Theorie die Kraft erhält, wirklich eine Theorie von allem zu sein.
Wenn wir also Beweise für Supersymmetrie finden würden, würde dies keine Stringtheorie beweisen, aber es wäre ein wichtiger Schritt.
Wir haben keine Beweise für Supersymmetrie gefunden.
Das Large Hadron Collider (LHC) wurde explizit entwickelt, um die Supersymmetrie oder zumindest einige der einfachsten und am leichtesten erreichbaren Versionen der Supersymmetrie zu untersuchen, indem nach neuen Partikeln gesucht wird, die von der Theorie vorhergesagt werden. Der LHC ist völlig leer aufgetaucht, ohne auch nur einen Hauch eines neuen supersymmetrischen Partikels, und hat alle einfachsten Supersymmetrie-Ideen komplett von der Karte gestrichen.
Und obwohl dieses negative Ergebnis die Stringtheorie nicht ausschließt, sieht es auch nicht allzu gut aus.
Werden wir eines Tages auch nur Beweise für eine der Grundlagen oder Nebenvorhersagen der Stringtheorie haben? Es ist unmöglich zu sagen. Es wurden viele Hoffnungen auf die Supersymmetrie gesetzt, die bisher nicht erfolgreich war, und es bleiben Fragen offen, ob es sich lohnt, noch größere Collider zu bauen, um die Supersymmetrie stärker voranzutreiben, oder ob wir einfach aufgeben und etwas anderes ausprobieren sollten.
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Erfahren Sie mehr, indem Sie sich die Folge anhören "Lohnt sich die Stringtheorie? (Teil 6: Wir sollten das wahrscheinlich testen)" im Ask A Spaceman Podcast, verfügbar auf iTunes und im Web unterhttp://www.askaspaceman.com. Dank an John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T. ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., Twblanchard, Aurie, Christopher M., Unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. für die Fragen, die zu diesem Stück geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder indem Sie Paul folgen @ PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter.
