Leonard Sasskind, ein berühmter amerikanischer Physiker und einer der Schöpfer der Stringtheorie, schlug einmal ein revolutionäres Konzept vor, um das Universum und den Platz des Menschen darin zu verstehen. Durch seine Forschung inspirierte Susskind eine Galaxie moderner Physiker, die glaubten, dass diese Theorie die Eigenschaften unseres Universums eindeutig vorhersagen könnte. Jetzt, in seinem ersten Buch für ein breites Spektrum von Lesern, verfeinert und überdenkt Susskind seine Ansichten und argumentiert, dass diese Idee keineswegs universell ist und einem viel umfassenderen Konzept einer gigantischen „kosmischen Landschaft“ weichen muss.
Die Forschung zu Beginn des 21. Jahrhunderts ermöglichte es der Wissenschaft, das Wissen der Welt auf ein neues Niveau zu heben, sagt Susskind. Und dieses faszinierende Buch, das den Leser an die Front der Schlachten in der modernen Physik führt, ist eine lebendige Bestätigung dafür.
Elegantes supersymmetrisches Universum?
Die wirklichen Prinzipien, die der Stringtheorie zugrunde liegen, sind in ein großes Geheimnis gehüllt. Fast alles, was wir über Theorie wissen, umfasst einen speziellen Teil der Landschaft, in dem die Mathematik dank einer Eigenschaft namens Supersymmetrie überraschend vereinfacht wird. Supersymmetrische Bereiche der Landschaft bilden eine perfekt flache Ebene in einer Höhe von genau Null, deren Eigenschaften so symmetrisch sind, dass viele Dinge ohne Informationen über die gesamte Landschaft berechnet werden können. Wenn jemand nach Einfachheit und Eleganz suchte, dann ist die flache Ebene der supersymmetrischen Stringtheorie, auch als Theorie der Superstrings bekannt, genau der Ort, auf den er achten sollte. Tatsächlich war dieser Ort vor ein paar Jahren der einzige, dem Stringtheoretiker Aufmerksamkeit schenkten. Aber einige Physiker haben die bezaubernde Besessenheit bereits abgeschüttelt und versuchen, die eleganten Vereinfachungen der Superwelt loszuwerden. Der Grund ist einfach: Die reale Welt ist nicht supersymmetrisch.
Eine Welt, die das Standardmodell und eine kleine kosmologische Konstante ungleich Null enthält, kann sich nicht auf einer Ebene mit einer Höhe von Null befinden. Es liegt irgendwo in einem unebenen Bereich der Landschaft mit Hügeln, Tälern, Hochebenen und steilen Hängen. Es besteht jedoch Grund zu der Annahme, dass unser Tal nahe am supersymmetrischen Teil der Landschaft liegt und dass einige Überreste des mathematischen Superwunders uns helfen könnten, die Merkmale der empirischen Welt zu verstehen. Ein Beispiel, das wir in diesem Abschnitt behandeln werden, ist die Masse des Higgs-Bosons. Tatsächlich sind alle Entdeckungen, die dieses Buch Wirklichkeit werden ließen, die ersten schüchternen Versuche, sich von einer sicheren supersymmetrischen Ebene zu entfernen.
Supersymmetrie sagt uns über die Unterschiede und Ähnlichkeiten von Bosonen und Fermionen. Wie viel mehr in der modernen Physik lassen sich die Prinzipien der Supersymmetrie auf die ersten Arbeiten von Einstein zurückführen. 2005 feierten wir das 100-jährige Bestehen von „anno mirabilis“, dem Jahr der Wunder der modernen Physik. Einstein begann dieses Jahr zwei Revolutionen und vollendete die dritte. Dies war natürlich das Jahr der speziellen Relativitätstheorie. Aber nur wenige Menschen wissen, dass 1905 viel mehr als ein "Jahr der Relativitätstheorie" war. Er markierte auch die Geburt der Photonen, den Beginn der modernen Quantenmechanik.
Einstein erhielt nur einen Nobelpreis für Physik, obwohl ich denke, dass jeder nach 1905 verliehene Nobelpreis Anklänge an Einsteins Entdeckungen enthielt. Einstein erhielt den Nobelpreis nicht für die Erstellung der Relativitätstheorie, sondern für die Erklärung des photoelektrischen Effekts. Es war die Theorie des photoelektrischen Effekts, die Einsteins radikalsten Beitrag zur Physik darstellte, wo er zuerst das Konzept der Photonen, Energiequanten, aus denen Licht besteht, einführte. Die Physik war bereit, eine spezielle Relativitätstheorie hervorzubringen. Ihre Entstehung war nur eine Frage der Zeit, während die Photonentheorie des Lichts wie ein Blitz aus heiterem Himmel donnerte. Einstein zeigte, dass ein Lichtstrahl, der normalerweise als Wellenphänomen dargestellt wird, eine diskrete Struktur aufweist. Wenn das Licht eine bestimmte Farbe (Wellenlänge) hat, scheinen alle Photonen im Bein zu marschieren: Jedes Photon ist mit jedem anderen identisch. Teilchen, die sich gleichzeitig im selben Quantenzustand befinden können, werden zu Ehren des indischen Physikers Chatyatranat Bose Bosonen genannt.
Fast zwanzig Jahre später wird Louis de Broglie bei der Fertigstellung des von Einstein errichteten Gebäudes zeigen, dass sich Elektronen, die immer als Teilchen wahrgenommen werden, gleichzeitig und wie Wellen verhalten. Wie Wellen können Elektronen reflektieren, brechen, beugen und interferieren. Es gibt jedoch einen grundlegenden Unterschied zwischen Elektronen und Photonen: Im Gegensatz zu Photonen können sich zwei Elektronen nicht gleichzeitig im gleichen Quantenzustand befinden. Paulis Prinzip der Hemmung garantiert, dass jedes Elektron in einem Atom seinen eigenen Quantenzustand hat und dass kein anderes Elektron seine Nase an einen bereits besetzten Ort stecken kann. Selbst außerhalb eines Atoms können sich zwei identische Elektronen nicht am selben Ort befinden oder denselben Impuls haben. Teilchen dieser Art heißen Fermionen mit dem Namen des italienischen Physikers Enrico Fermi, obwohl sie fairerweise Pauli heißen sollten. Von allen Teilchen des Standardmodells sind etwa die Hälfte Fermionen (Elektronen, Neutrinos und Quarks) und die andere Hälfte Bosonen (Photonen, Z- und W-Bosonen, Gluonen und das Higgs-Boson).
Fermionen und Bosonen spielen im Bild der Welt unterschiedliche Rollen. Normalerweise stellen wir uns Materie vor, die aus Atomen besteht, dh aus Elektronen und Kernen. In erster Näherung bestehen Kerne aus Protonen und Neutronen, die durch Kernkräfte zusammengehalten werden, aber auf einer tieferen Ebene werden Protonen und Neutronen aus kleinen Bausteinen - Quarks - zusammengesetzt. Alle diese Teilchen - Elektronen, Protonen, Neutronen und Quarks - sind Fermionen. Materie besteht aus Fermionen. Aber ohne Bosonen fallen Atome, Kerne, Protonen und Neutronen einfach auseinander. Diese Bosonen, hauptsächlich Photonen und Gluonen, die zwischen Fermionen hin und her springen, erzeugen die Anziehungskräfte, die alles zusammenhalten. Obwohl Fermionen und Bosonen für die Welt von entscheidender Bedeutung sind, wurden sie immer als "Tiere verschiedener Rassen" betrachtet.
Zu Beginn der 1970er Jahre begannen Theoretiker, die von den ersten Erfolgen der Stringtheorie inspiriert waren, mit neuen mathematischen Ideen zu spielen, nach denen Fermionen und Bosonen eigentlich nicht so unterschiedlich sind. Eine Idee war, dass alle Teilchen perfekte Paare identischer Zwillinge bilden, die in jeder Hinsicht identisch sind, außer dass eines von ihnen eine Fermion und das andere ein Boson ist. Es war eine völlig wilde Hypothese. Seine Gerechtigkeit für die reale Welt würde bedeuten, dass es den Physikern irgendwie gelungen ist, die Hälfte aller Elementarteilchen zu verlieren, ohne sie in ihren Labors zu finden. Nach dieser Hypothese muss beispielsweise ein Teilchen mit genau der gleichen Masse, Ladung und anderen Eigenschaften wie ein Elektron existieren, aber es ist keine Fermion, sondern ein Boson. Wie konnten Sie ein solches Teilchen an den Stanford- oder CERN-Beschleunigern nicht bemerken? Supersymmetrie setzt die Existenz eines masselosen neutralen Fermion-Zwillings in einem Photon sowie von Boson-Zwillingen in Elektronen und Quarks voraus. Das heißt, die Hypothese sagte eine ganze Welt mysteriös fehlender „Gegensätze“ voraus. Tatsächlich war all diese Arbeit nur ein mathematisches Spiel, eine rein theoretische Untersuchung einer neuen Art von Symmetrie - einer Welt, die nicht existiert, aber existieren könnte.
Identische Zwillingsteilchen existieren nicht. Die Physiker haben nicht herumgespielt und die ganze Parallelwelt nicht verpasst. Welches Interesse hat diese mathematische Spekulation in diesem Fall und warum hat sich dieses Interesse in den letzten 30 Jahren plötzlich verstärkt? Physiker waren schon immer an allen Arten von mathematischen Symmetrien interessiert, auch wenn die einzig vernünftige Frage lautete: "Warum liegt diese Symmetrie nicht in der Natur?" Aber sowohl die reale Welt als auch ihre physikalische Beschreibung sind voller verschiedener Symmetrien. Symmetrie ist eines der weitreichendsten und leistungsfähigsten Werkzeuge im Arsenal der theoretischen Physik. Es durchdringt alle Bereiche der modernen Physik, insbesondere die der Quantenmechanik. In vielen Fällen ist die Art der Symmetrie alles, was wir über das physikalische System wissen, aber die Symmetrieanalyse ist so leistungsfähig, dass sie uns oft fast alles sagt, was wir wissen wollen. Symmetrien sind oft der Garten, in dem Physiker ästhetische Befriedigung aus ihren Theorien finden. Aber was ist Symmetrie?
Beginnen wir mit den Schneeflocken. Jedes Kind weiß, dass es keine zwei identischen Schneeflocken gibt, aber gleichzeitig haben sie alle ein gemeinsames Merkmal, nämlich die Symmetrie. Die Symmetrie einer Schneeflocke ist sofort erkennbar. Wenn Sie eine Schneeflocke nehmen und in einem beliebigen Winkel drehen, sieht sie anders aus als ihre ursprüngliche Form - gedreht. Wenn Sie die Schneeflocke jedoch genau um 60 ° drehen, fällt sie mit sich selbst zusammen. Ein Physiker könnte sagen, dass eine 60 ° -Drehung einer Schneeflocke Symmetrie ist.
Symmetrien sind mit Operationen oder Transformationen verbunden, die auf dem System ausgeführt werden können, ohne das Ergebnis des Experiments zu beeinflussen. Bei einer Schneeflocke ist ein solcher Vorgang eine Drehung um 60 °. Hier ist ein weiteres Beispiel: Nehmen wir an, wir haben ein Experiment durchgeführt, um die Erdbeschleunigung auf der Erdoberfläche zu messen. Die einfachste Möglichkeit wäre, den Stein aus einer bekannten Höhe fallen zu lassen und die Zeit seines Falles zu messen. Antwort: ungefähr 10 Meter pro Sekunde pro Sekunde. Bitte beachten Sie, dass ich mir keine Sorgen mache, Ihnen zu sagen, wo ich den Stein fallen gelassen habe: in Kalifornien oder in Kalkutta. In sehr guter Näherung ist die Antwort überall auf der Erdoberfläche dieselbe: Das Ergebnis des Experiments ändert sich nicht, wenn Sie sich mit allen experimentellen Geräten von einem Ort auf der Erdoberfläche zum anderen bewegen. Im physischen Jargon wird eine Verschiebung oder Bewegung von etwas von einem Punkt zum anderen als Übersetzung bezeichnet. Daher können wir über das Gravitationsfeld der Erde sagen, dass es eine „Translationssymmetrie“ aufweist. Natürlich können einige Nebenwirkungen die Ergebnisse unseres Experiments stören und die Symmetrie ruinieren. Wenn wir beispielsweise ein Experiment an sehr großen und massiven Mineralvorkommen durchführen, erhalten wir einen etwas höheren Wert als an anderen Orten. In diesem Fall würden wir sagen, dass die Symmetrie nur ungefähr ist. Die ungefähre Symmetrie wird auch als gebrochene Symmetrie bezeichnet. Das Vorhandensein separater Ablagerungen von Schwermineralien "verletzt die Translationssymmetrie".
Kann die Schneeflockensymmetrie gebrochen werden? Zweifellos sind einige Schneeflocken unvollkommen. Wenn sich unter unvollständigen Bedingungen eine Schneeflocke bildet, kann sich eine Seite von der anderen unterscheiden. Es wird immer noch eine Form nahe einem Sechseck haben, aber dieses Sechseck wird unvollkommen sein, das heißt, seine Symmetrie wird gebrochen.
Im Weltraum könnten wir, weit entfernt von störenden Einflüssen, die Gravitationskraft zwischen zwei Massen messen und das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation erhalten. Unabhängig davon, wo das Experiment durchgeführt wird, sollten wir theoretisch die gleiche Antwort erhalten. Somit hat das Newtonsche Gravitationsgesetz eine translatorische Invarianz.
Um die Anziehungskraft zwischen zwei Objekten zu messen, müssen diese in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet werden. Zum Beispiel können wir zwei Objekte so anordnen, dass die Verbindungslinie parallel zur x-Achse in einem bestimmten Koordinatensystem verläuft. Mit gleichem Erfolg können wir Objekte auf einer Linie parallel zur y-Achse anordnen. Wird die von uns gemessene Anziehungskraft von der Richtung der Linie abhängen, die diese Objekte verbindet? Im Prinzip ja, aber nur, wenn sich die Naturgesetze von denen unterscheiden, die wir haben. In der Natur besagt das Gesetz der universellen Gravitation, dass die Anziehungskraft proportional zum Produkt der Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen ihnen ist und nicht von der Ausrichtung eines Objekts relativ zu einem anderen abhängt. Die Unabhängigkeit von der Richtung wird Rotationssymmetrie genannt. Translations- und Rotationssymmetrien sind die wichtigsten grundlegenden Eigenschaften der Welt, in der wir leben.
Schau in den Spiegel. Dein Spiegelbild ist wie zwei Wassertropfen. Das Spiegelbild Ihrer Hose unterscheidet sich nicht von der Hose selbst. Die Reflexion des linken Handschuhs wiederholt genau den linken Handschuh.
Hör auf Hier stimmt etwas nicht. Schauen wir noch einmal genau hin. Das Spiegelbild des linken Handschuhs ist nicht vollständig identisch mit dem linken Handschuh. Es ist identisch mit dem richtigen Handschuh! Und das Spiegelbild des rechten Handschuhs ist identisch mit dem linken Handschuh.
Schauen Sie sich jetzt Ihr eigenes Spiegelbild genauer an. Das bist nicht du. Der Maulwurf, der sich auf Ihrer linken Wange befindet, befindet sich bei Ihrem Spiegelbild auf Ihrer rechten Seite. Und wenn Sie Ihre eigene Brust öffnen würden, würden Sie feststellen, dass das Herz bei Ihrem Spiegelbild nicht links ist, wie bei allen normalen Menschen, sondern rechts. Nennen wir den Spiegel Mann - Mann.
Angenommen, wir haben eine futuristische Technologie, mit der wir jedes gewünschte Objekt aus einzelnen Atomen zusammensetzen können. Mit dieser Technologie bauen wir eine Person, deren Spiegelbild Sie genau wiederholt: das Herz links, die Sommersprosse links usw. Dann ist das Original, das wir bauen, eine Person.
Funktioniert eine Person normal? Wird er atmen? Wird sein Herz schlagen? Wenn Sie ihm Süßigkeiten geben, wird er Zucker in seiner Zusammensetzung aufnehmen? Die Antworten auf die meisten dieser Fragen lauten ja. Grundsätzlich funktioniert eine Person genauso wie eine Person. Aber es wird Probleme mit seinem Stoffwechsel geben. Er wird keinen normalen Zucker aufnehmen können. Der Grund ist, dass Zucker in zwei Spiegelformen vorliegt, wie z. B. rechten und linken Handschuhen. Eine Person kann nur eine der Spiegelformen von Zucker aufnehmen. Und eine Person kann nur Zucker aufnehmen. Moleküle - Zucker und Zucker - unterscheiden sich in gleicher Weise wie der rechte und der linke Handschuh. Chemiker nennen gewöhnliche Zucker, die eine Person in der Lage ist, D-Isomere zu assimilieren (aus dem lateinischen Dextra - rechts), und Spiegelzucker, die nur Menschen assimilieren können - L-Isomere (aus dem lateinischen Lævum - links).
Das Ersetzen von Gegenständen durch Spiegelreflexion wird als Spiegelsymmetrie oder Parität bezeichnet. Die Konsequenzen der Spiegelreflexion liegen im Prinzip auf der Hand, aber lassen Sie uns noch eines wiederholen: Wenn alles auf der Welt durch die Spiegelreflexion ersetzt wird, ändert sich das Verhalten dieser Welt in keiner Weise und unterscheidet sich nicht vom Verhalten unserer Welt.
Tatsächlich ist die Spiegelsymmetrie nicht genau. Es ist ein gutes Beispiel für gebrochene Symmetrie. Etwas führt dazu, dass die Spiegelreflexion des Neutrinos um ein Vielfaches schwerer ist als das Original. Dies gilt für alle anderen Partikel, wenn auch in viel geringerem Maße. Es scheint, dass der große Weltspiegel leicht schief ist und die Reflexion leicht verzerrt. Diese Verzerrung ist jedoch so unbedeutend, dass sie die gewöhnliche Materie praktisch nicht beeinträchtigt. Im Verhalten energiereicher Teilchen in der Spiegelwelt können jedoch sehr signifikante Änderungen auftreten. Stellen wir uns jedoch vorerst vor, dass die Spiegelsymmetrie in der Natur korrekt ist.
Was meinen wir, wenn wir sagen, dass es eine Symmetriebeziehung zwischen Partikeln gibt? Kurz gesagt bedeutet dies, dass jeder Partikeltyp einen Partner oder Zwilling mit sehr ähnlichen Eigenschaften hat. Für die Spiegelsymmetrie bedeutet dies, dass die Existenz eines rechten Handschuhs möglich ist, wenn die Naturgesetze die Existenz eines linken Handschuhs zulassen. Die Feststellung der Existenz von D-Glucose bedeutet, dass auch L-Glucose existieren muss. Und wenn die Spiegelsymmetrie nicht gebrochen ist, sollte dies für alle Elementarteilchen gleich sein. Jedes Teilchen muss einen Zwilling haben, der bis zur Spiegelreflexion mit ihm identisch ist. Wenn eine Person gespiegelt wird, wird jedes Elementarteilchen, aus dem sein Körper besteht, durch seinen Spiegelzwilling ersetzt.
Antimaterie ist eine andere Art von Symmetrie, die als Ladungskonjugationssymmetrie bezeichnet wird. Da Symmetrie das Ersetzen von allem durch sein symmetrisches Analogon beinhaltet, beinhaltet die Symmetrie der Ladungskonjugation das Ersetzen jedes Teilchens durch sein Antiteilchen. Es wandelt positive elektrische Ladungen wie Protonen in negative, in diesem Fall Antiprotonen um. In ähnlicher Weise werden negativ geladene Elektronen durch positiv geladene Positronen ersetzt. Wasserstoffatome werden durch Antiwasserstoffatome ersetzt, die aus Positronen und Antiprotonen bestehen. Solche Atome werden zwar in Laboratorien in sehr geringer Menge erhalten, jedoch nicht ausreichend, um daraus Antimoleküle aufzubauen. Aber niemand zweifelt daran, dass Antimoleküle möglich sind. Antikörper sind auf die gleiche Weise möglich, aber vergessen Sie nicht, dass Sie sie mit Anti-Lebensmittel füttern müssen. In der Tat ist es besser, die Anti-Menschen und gewöhnlichen Menschen voneinander fernzuhalten. Wenn eine Substanz auf Antimaterie trifft, zerstören sie sich gegenseitig und verwandeln sich in Photonen. Die Explosion, die passiert, wenn Sie dem Anti-Menschen versehentlich die Hand geben, ist stärker als die Explosion einer Wasserstoffbombe.
Wie sich herausstellte, ist auch die Symmetrie der Ladungskonjugation leicht gebrochen. Aber wie im Fall der Spiegelsymmetrie ist der Effekt dieser Verletzung völlig unbedeutend, wenn wir Teilchen mit sehr hohen Energien nicht berücksichtigen. Nun zurück zu den Fermionen und Bosonen. Die ursprüngliche, allererste Stringtheorie, die wir mit Nambu entwickelt haben, heißt Theorie der Bosonischen Strings, da alle darin beschriebenen Teilchen Bosonen sind. Es ist nicht ganz geeignet, Hadronen zu beschreiben, denn ein Proton ist schließlich eine Fermion. Ebenso ist es nicht für die Rolle der Theorie von allem geeignet. Elektronen, Neutrinos, Quarks - alles sind Fermionen. Aber es verging nicht viel Zeit und eine neue Version der Stringtheorie erschien, die bereits nicht nur Bosonen, sondern auch Fermionen enthielt. — , , -, , .
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