Fragen Sie Ethan: Wie nah sind wir der Theorie von allem?

Die Idee, dass alle heute beobachteten Wechselwirkungen und Partikel Manifestationen einer einzigen, umfassenden Theorie sind, ist attraktiv, erfordert jedoch zusätzliche Messungen und eine Reihe neuer Arten von Partikeln und Wechselwirkungen

Lange vor Einstein hatten Menschen, die das Universum studierten, den Traum, eine einzige Gleichung zu finden, die so viele Phänomene wie möglich abdeckt. Anstatt für jede physikalische Eigenschaft des Universums ein eigenes Gesetz zu haben, wäre es möglich, sie zu einer einzigen, umfassenden Plattform zu kombinieren. Alle Gesetze der elektrischen Ladung, des Magnetismus, der elektrischen Ströme, der Induktion und anderer Dinge wurden Mitte des 19. Jahrhunderts von James Clerk Maxwell zu einer Plattform zusammengefasst . Seitdem haben Physiker von der Theorie von Allem geträumt: einer einzigen Gleichung, die alle Gesetze des Universums regelt. Welche Fortschritte haben wir gemacht? Dies ist die Frage unseres Lesers, der wissen will:

Hat die Wissenschaft Fortschritte in Bezug auf die Theorie der großen Vereinigung (TVO) und die Theorie von allem gemacht? Können Sie erklären, was es für uns bedeuten würde, wenn wir eine einheitliche Gleichung finden würden?

Ja, es wurden Fortschritte erzielt, aber wir haben das Ziel noch nicht erreicht. Darüber hinaus besteht nicht einmal das Vertrauen, dass die Theorie von allem überhaupt existiert.


Elektromagnetische, schwache, starke und Gravitationswechselwirkungen sind die vier bekannten fundamentalen Wechselwirkungen des Universums.

Die Naturgesetze können, soweit wir sie entdeckt haben, in vier grundlegende Wechselwirkungen unterteilt werden: die Schwerkraft, die von der Allgemeinen Relativitätstheorie gesteuert wird, und die drei Quantenkräfte, die die Teilchen und ihre Wechselwirkung steuern - starke Kernwechselwirkung, schwache Kernwechselwirkung und elektromagnetische Wechselwirkung. Die frühesten Versuche, eine einheitliche Theorie von allem zu schaffen, begannen kurz nach der Veröffentlichung der allgemeinen Relativitätstheorie, noch bevor wir die grundlegenden Gesetze für nukleare Wechselwirkungen kannten. Diese als Kaluza-Klein-Theorien bekannten Ideen versuchten, Schwerkraft und Elektromagnetismus zu kombinieren.


Die Idee, Schwerkraft und Elektromagnetismus zu verbinden, stammt aus den frühen 1920er Jahren und aus den Werken von Theodor Kaluza und Oscar Klein.

Das Hinzufügen einer zusätzlichen räumlichen Dimension zu Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, der fünften in Folge (mit Ausnahme der drei üblichen räumlichen und einer temporären), führte zum Auftreten von Einsteins Schwerkraft, Maxwells Elektromagnetismus und einem neuen, zusätzlichen Skalarfeld. Die zusätzliche Dimension sollte klein genug sein, um die Schwerkraftgesetze nicht zu beeinträchtigen, und das zusätzliche Skalarfeld sollte keine unterscheidbare Wirkung auf das Universum haben. Da es mit einem solchen Ansatz unmöglich war, eine Quantentheorie der Schwerkraft zu formulieren, beraubte die Entdeckung der Quantenphysik und der Kernkräfte, die dieser Vereinigungsversuch nicht berücksichtigen konnte, den Ansatz der Popularität.


Quarks, Antiquarks und Gluonen des Standardmodells haben neben allen anderen Eigenschaften wie Masse und elektrische Ladung eine Farbladung. Das Standardmodell kann in Form einer einzelnen Gleichung geschrieben werden, die darin enthaltenen Wechselwirkungen werden jedoch nicht kombiniert.

Starke und schwache nukleare Wechselwirkungen führten jedoch 1968 zur Formulierung des Standardmodells, das starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen unter einem umfassenden Dach vereinte. Alle Partikel und ihre Wechselwirkungen wurden berücksichtigt, mehrere neue Vorhersagen wurden getroffen, einschließlich einer großen Vorhersage über die Assoziation. Bei hohen Energien in der Größenordnung von 100 GeV (der Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron auf ein Potential von 100 Milliarden Volt zu beschleunigen) sollte die Symmetrie zwischen elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung wiederhergestellt werden. Die Existenz neuer massiver Bosonen wurde vorhergesagt, und mit der Entdeckung der W- und Z-Bosonen im Jahr 1983 wurde diese Vorhersage bestätigt. Vier grundlegende Wechselwirkungen auf drei reduziert.


Die Idee der Vereinigung legt nahe, dass alle drei Wechselwirkungen des Standardmodells und möglicherweise sogar die Schwerkraft bei hohen Energien zu einer einzigen Plattform kombiniert werden

Die Gewerkschaft war bereits eine interessante Idee, aber Modelle begannen, sie zu entwickeln. Die Leute haben vorgeschlagen, dass bei noch höheren Energien eine starke Wechselwirkung mit einer Elektroschwäche einhergeht. Von hier aus entstand die Idee der großen Vereinigungstheorien. Einige haben vorgeschlagen, dass bei noch höheren Energien, vielleicht im Bereich der Planck-Skala, auch die Schwerkraft mit dem Rest einhergeht; Dies war eine der Hauptmotive für die Stringtheorie. Ein interessantes Merkmal dieser Ideen ist, dass Sie, wenn Sie eine Vereinheitlichung benötigen, Symmetrien bei hohen Energien wiederherstellen müssen. Und wenn das Universum bei hohen Energien Symmetrien aufweist, die derzeit gebrochen sind, kann dies in etwas Beobachtbares übersetzt werden: neue Teilchen und neue Wechselwirkungen.


Teilchen des Standardmodells und ihre supersymmetrischen Zwillinge. Dieses Teilchenspektrum ist eine unvermeidliche Folge der Vereinigung von vier fundamentalen Wechselwirkungen im Kontext der Stringtheorie

Welche neuen Partikel und Wechselwirkungen werden also vorhergesagt? Es hängt davon ab, welche Version der Vereinigungstheorien zu wählen ist. Dazu gehören:

• Schwere, neutrale Partikel, ähnlich wie dunkle Materie.
• Supersymmetrische Partner von Partikeln.
• Magnetische Monopole.
• Schwere, geladene Skalarbosonen [mit null Spin / ca. übersetzt.].
• Viele Partikel ähnlich dem Higgs-Partikel.
• Zwischenpartikel beim Protonenzerfall.

Obwohl wir durch indirekte Beobachtungen die Existenz dunkler Materie sicher bestätigen können, wurden in Experimenten keine dieser Partikel oder vorhergesagten Zerfälle beobachtet.


In einem von Blas Cabrera durchgeführten Experiment mit acht Drahtschleifen wurde 1982 eine Änderung in acht Magnetonen aufgezeichnet: ein Zeichen für einen magnetischen Monopol. Leider war während der Entdeckung niemand im Labor und seitdem konnte niemand dieses Experiment reproduzieren oder den zweiten Monopol finden.

Aber es ist schade - aus vielen Gründen, da wir sehr aktiv nach all dem gesucht haben. Im Jahr 1982 verzeichnete eines der Experimente zur Suche nach magnetischen Monopolen das einzig positive Ergebnis, sodass viele Anhänger versuchten, Monopole zu finden. Leider war dieses positive Ergebnis eine Anomalie, und niemand hat es jemals reproduziert. Ebenfalls in den 1980er Jahren begannen die Menschen, riesige Tanks mit Wasser und anderen Atomkernen zu bauen, um Hinweise auf den Protonenzerfall zu finden. Infolgedessen wurden diese Tanks in Neutrino-Sensoren umgewandelt, und es wurde kein einziger Zerfall des Protons aufgezeichnet. Die Protonenlebensdauer überschreitet jetzt 10 ³⁵ Jahre - ungefähr 25 Größenordnungen mehr als das Alter des Universums.


Die wassergefüllte Zisterne des Super Kamiokande-Experiments , die die strengsten Einschränkungen für die Protonenlebensdauer festlegte. Später wurden solche Detektoren zu hervorragenden Neutrino-Observatorien, registrierten jedoch keinen einzigen Protonenzerfall.

Dies ist auch schlecht, weil die Große Vereinigung eine saubere und elegante Möglichkeit bietet, Asymmetrien zwischen Materie und Antimaterie im Universum zu erzeugen. In den frühen Tagen war das Universum heiß genug, um Materie / Antimaterie-Paare und alle Partikel zu produzieren, die es sein könnten. In den meisten TBOs sind zwei solche vorhandenen Partikel superschwere Bosonen X und Y, die Ladungen aufweisen und Paare von Quarks und Leptonen enthalten. Es wird erwartet, dass sich Asymmetrie in der Art und Weise manifestiert, in der sich ihre Versionen für Materie und Antimaterie auflösen, was dazu führen kann, dass Materiereste gegenüber Antimaterie überwiegen, selbst wenn anfangs keine Vorherrschaft bestand. Leider müssen wir noch einmal Beweise für das Vorhandensein solcher Partikel und ihre Wechselwirkungen finden.


Eine symmetrische Ansammlung von Bosonen aus Materie und Antimaterie (X, Y, Anti-X, Anti-Y) kann in Gegenwart der notwendigen Eigenschaften von TBO die heute im Universum beobachtete Asymmetrie von Materie / Antimaterie erzeugen

Einige Physiker glauben, dass solche Symmetrien im Universum existieren müssen und dass ihre Beweise einfach jenseits der auf dem LHC verfügbaren Energien liegen. Andere kommen zu einer weniger günstigen Gelegenheit: Wahrscheinlich versucht die Natur nicht, sich zu vereinen. Vielleicht gibt es keinen TVO, der unsere physische Realität beschreibt; Vielleicht wird die Quantentheorie der Schwerkraft nicht mit anderen Wechselwirkungen kombiniert. Vielleicht haben die Probleme der Baryogenese und der Dunklen Materie andere Lösungen, die sich nicht aus diesen Ideen ergeben. Schließlich wird der letzte Schiedsrichter darüber, wie das Universum aussieht, nicht unsere Vorstellung davon sein, sondern das Ergebnis von Experimenten und Beobachtungen. Wir können das Universum nur fragen, was es ist; Es liegt an uns, die Antwort zu beachten und auf dieser Grundlage zu handeln.


Der Lagrange des Standardmodells ist eine einzelne Gleichung, die Partikel und Wechselwirkungen des Standardmodells enthält. Es besteht aus fünf unabhängigen Teilen: Gluonen (1), schwachen Bosonen (2), der Wechselwirkung von Materie mit einer schwachen Wechselwirkung und dem Higgs-Feld (3), Teilchengeistern, die die Redundanz des Higgs-Feldes (4) beseitigen, und Faddeev-Popov-Geistern , die die Redundanz beeinflussen schwache Wechselwirkung (5). Massen von Neutrinos sind nicht enthalten.

Obwohl wir das Standardmodell als eine einzige Gleichung schreiben können, ist dies keine Vereinigungstheorie in dem Sinne, dass verschiedene, separate, unabhängige Mitglieder verschiedene Komponenten des Universums regieren. Verschiedene Teile des Standardmodells interagieren nicht miteinander - die Farbladung beeinflusst keine elektromagnetischen oder schwachen Wechselwirkungen. Es gibt auch keine Antwort auf Fragen, warum es keine Interaktionen gibt, wie z. B. eine Verletzung der CP-Invarianz in der starken Interaktion, die auftreten sollte.


Wenn die Symmetrie wiederhergestellt wird (beim höchsten potenziellen Wert), tritt eine Vereinigung auf. Die Verletzung von Symmetrien am Fuße des Hügels entspricht jedoch dem heutigen Universum, in dem neue Arten massereicher Teilchen existieren

Viele hoffen, dass der Verein die Antwort auf diese Fragen enthält und viele offene Probleme und Rätsel der modernen Physik löst. Jede Art von zusätzlichen Symmetrien - Symmetrien, die bei hohen Energien wiederhergestellt werden und heute gebrochen werden - führt jedoch zum Auftreten neuer Teilchen, neuer Wechselwirkungen und neuer physikalischer Regeln, nach denen das Universum spielen sollte. Wir haben versucht, einige der Vorhersagen anhand der Regeln rückzuentwickeln, die erforderlich sind, damit alles funktioniert. Die Partikel und Assoziationen, die wir uns erhofft hatten, wurden jedoch nicht angezeigt. Die Vereinigung wird Ihnen nicht helfen, solche manifestierenden Eigenschaften wie Chemie, Biologie, Geologie und Bewusstsein abzuleiten - aber sie wird uns helfen, besser zu verstehen, woher und wie alles kam.


Die kosmische Geschichte des gesamten bekannten Universums zeigt, dass wir den Ursprung aller Materie und des gesamten Lichts darin dem Ende der Inflation und dem Beginn des heißen Urknalls verdanken

Natürlich gibt es eine andere Möglichkeit: dass sich das Universum nicht vereinigt. Die Tatsache, dass viele verschiedene Gesetze und Regeln aus einem Grund existieren: Die von uns erfundenen Symmetrien sind nur mathematische Merkmale und keine Beschreibungen des physikalischen Universums. Für jede elegante, schöne, überzeugende physikalische Theorie gibt es eine andere, ebenso elegante, schöne und überzeugende physikalische Theorie - aber falsch. Wie bei allen wissenschaftlichen Fragen besteht die Aufgabe der Menschheit darin, die richtigen Fragen zu stellen. Nun, die Aufgabe des Universums ist es, uns Antworten zu geben. Was auch immer sie sind, wir haben ein solches Universum wie es ist. Und wir müssen verstehen, was diese Antworten bedeuten.

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).

FAQ: Wenn sich das Universum ausdehnt, warum erweitern wir uns dann nicht? warum das Alter des Universums nicht mit dem Radius seines beobachteten Teils übereinstimmt .