Wie das Universum möglicherweise mehr Dimensionen haben könnte

Die Stringtheorie ist eine angebliche Theorie von allem, von der Physiker hoffen, dass sie eines Tages … alles erklären wird.

Alle Kräfte, alle Teilchen, alle Konstanten, alle Dinge unter einem einzigen theoretischen Dach, wo alles, was wir sehen, das Ergebnis winziger, vibrierender Saiten ist. Theoretiker haben seit den 1960er Jahren an der Idee gearbeitet, und eines der ersten Dinge, die sie realisiert haben, ist, dass es für die Theorie mehr Dimensionen geben muss als die vier, an die wir gewöhnt sind.,

Aber diese Idee ist nicht so verrückt, wie es sich anhört.

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Dimensional disaster

In der Stringtheorie manifestieren sich kleine Schleifen vibrierender Stringiness (in der Theorie sind sie das grundlegende Objekt der Realität) als die verschiedenen Teilchen (Elektronen, Quarks, Neutrinos usw.).) und als Kraftträger der Natur (Photonen, Gluonen, Gravitonen usw.). Die Art, wie Sie dies tun, ist durch Ihre Schwingungen., Jede Saite ist so klein, dass sie uns als nichts anderes als ein punktartiges Teilchen erscheint, aber jede Saite kann mit verschiedenen Modi vibrieren, genauso wie Sie verschiedene Noten aus einer Gitarrensaite herausholen können.

Es wird angenommen, dass sich jeder Vibrationsmodus auf eine andere Art von Teilchen bezieht. So sehen alle Saiten, die in eine Richtung vibrieren, wie Elektronen aus, alle Saiten, die in eine andere Richtung vibrieren, sehen wie Photonen aus und so weiter. Was wir als Teilchenkollisionen sehen, sind in der stringtheoretischen Ansicht eine Reihe von Strings, die miteinander verschmelzen und sich aufteilen.,

Aber damit die Mathematik funktioniert, muss es in unserem Universum mehr als vier Dimensionen geben. Dies liegt daran, dass unsere übliche Raumzeit den Saiten nicht genug „Raum“ gibt, um auf alle Arten zu vibrieren, die sie benötigen, um sich als alle Arten von Partikeln der Welt vollständig auszudrücken. Sie sind einfach zu eingeschränkt.

Mit anderen Worten, die Saiten wackeln nicht nur, sie wackeln hyperdimensional.

Aktuelle Versionen der Stringtheorie erfordern insgesamt 10 Dimensionen, während eine noch hypothetischere Über-String-Theorie, die als M-Theorie bekannt ist, 11 erfordert., Aber wenn wir uns im Universum umschauen, sehen wir immer nur die üblichen drei räumlichen Dimensionen plus die Dimension der Zeit. Wir sind uns ziemlich sicher, dass wir es bemerkt hätten, wenn das Universum mehr als vier Dimensionen hätte.

Wie kann das Erfordernis der Stringtheorie nach zusätzlichen Dimensionen möglicherweise mit unseren alltäglichen Erfahrungen im Universum in Einklang gebracht werden?

Zusammengerollt und kompakt

Zum Glück konnten Stringtheoretiker auf einen historischen Vorläufer für diesen scheinbar radikalen Begriff hinweisen.,

Bereits 1919, kurz nachdem Albert Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht hatte, spielte der Mathematiker und Physiker Theodor Kaluza nur zum Spaß mit den Gleichungen herum. Und er fand etwas besonders Interessantes, als er den Gleichungen eine fünfte Dimension hinzufügte — nichts passierte. Die Relativitätsgleichungen kümmern sich nicht wirklich um die Anzahl der Dimensionen; Es ist etwas, das Sie hinzufügen müssen, um die Theorie auf unser Universum anwendbar zu machen.,

Aber dann fügte Kaluza dieser fünften Dimension eine besondere Wendung hinzu und ließ sie sich in dem, was er den „Zylinderzustand“ nannte, um sich selbst wickeln.“Diese Anforderung ließ etwas Neues hervortreten: Kaluza stellte die üblichen Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie in den üblichen vier Dimensionen wieder her, plus eine neue Gleichung, die die Ausdrücke des Elektromagnetismus replizierte.

Es sah so aus, als könnte das Hinzufügen von Dimensionen die Physik möglicherweise vereinheitlichen.

Im Nachhinein war das ein bisschen ein roter Hering.,

Dennoch versuchte ein paar Jahrzehnte später ein anderer Physiker, Oskar Klein, Kaluzas Idee eine Interpretation in Bezug auf die Quantenmechanik zu geben. Er fand heraus, dass, wenn diese fünfte Dimension existierte und in irgendeiner Weise für den Elektromagnetismus verantwortlich war, diese Dimension verkleinert werden musste, sich um sich selbst wickeln (genau wie in Kaluzas ursprünglicher Idee), aber viel kleiner, bis auf eine nackte 10^-35 Meter.

Die vielen Mannigfaltigkeiten, die string-Theorie

Wenn Sie eine zusätzliche dimension (oder Dimensionen) ist wirklich so klein, wären wir nicht von jetzt bemerkt haben., Es ist so klein, dass wir unmöglich hoffen konnten, es direkt mit unseren hochenergetischen Experimenten zu untersuchen. Und wenn diese Dimensionen auf sich selbst eingewickelt sind, dann umrunden Sie jedes Mal, wenn Sie sich im vierdimensionalen Raum bewegen, diese zusätzlichen Dimensionen Milliarden auf Milliarden von Malen.

Und das sind die Dimensionen, in denen die Strings der Stringtheorie leben.,

Mit weiteren mathematischen Erkenntnissen wurde festgestellt, dass die zusätzlichen sechs räumlichen Dimensionen, die in der Stringtheorie benötigt werden, in einem bestimmten Satz von Konfigurationen eingeschlossen werden müssen, die nach zwei prominenten Physikern als Calabi-Yao-Manifolds bezeichnet werden. Aber es gibt keine einzigartige Manifold, die durch Sting Theorie erlaubt ist.

Es gibt ungefähr 10^200,000.

Es stellt sich heraus, dass, wenn Sie sechs Dimensionen brauchen, um sich selbst zu kräuseln und ihnen fast jede mögliche Möglichkeit zu geben, es … summiert.

Das sind viele verschiedene Möglichkeiten, diese zusätzlichen Dimensionen in sich selbst zu verpacken., Und jede mögliche Konfiguration beeinflusst die Art und Weise, wie die Saiten in ihnen vibrieren. Da die Art und Weise, wie Saiten vibrieren, bestimmt, wie sie sich hier in der makroskopischen Welt verhalten, führt jede Wahl der Manifold zu einem eigenen Universum mit eigener Physik.

So kann nur eine Mannigfaltigkeit die Welt entstehen lassen, wie wir sie erleben. Aber welche?

Leider kann uns die Stringtheorie keine Antwort geben, zumindest noch nicht., Das Problem ist, dass die Stringtheorie nicht durchgeführt wird — wir haben nur verschiedene Approximationsmethoden, von denen wir hoffen, dass sie der Realität nahe kommen, aber im Moment haben wir keine Ahnung, wie richtig wir sind. Wir haben also keine mathematische Technologie, um der Kette zu folgen, vom spezifischen Verteiler über die spezifische Saitenschwingung bis hin zur Physik des Universums.

Die Antwort von Stringtheoretikern ist so etwas wie die Landschaft, ein Multiversum aller möglichen Universen, die von den verschiedenen Mannigfaltigkeiten vorhergesagt werden, wobei unser Universum nur ein Punkt unter vielen ist.,

Und da sitzt heute die Stringtheorie, irgendwo in der Landschaft.

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Paul M. Sutter ist ein Astrophysiker an der SUNY Stony Brook und dem Flatiron Institute, Gastgeber von Fragen Sie einen Raumfahrer und Space Radio, und Autor von Dein Platz im Universum.

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