Wissenschaftler suchen nach einer einzigen Beschreibung der Realität. Die moderne Physik erlaubt es uns jedoch, sie auf viele Arten zu beschreiben, von denen viele einander äquivalent sind und durch eine umfangreiche Landschaft mathematischer Möglichkeiten miteinander verbunden sind
Angenommen, wir haben Alice und Bob gebeten, eine Mahlzeit zu kochen. Alice mag chinesisches Essen, Bob mag italienisches Essen. Jeder von ihnen wählte sein Lieblingsrezept aus, kaufte es in einem örtlichen Geschäft, das auf die richtigen Produkte spezialisiert war, und befolgte die Anweisungen sorgfältig. Aber als sie ihr Geschirr aus dem Ofen holten, waren sie sehr überrascht. Es stellte sich heraus, dass beide Gerichte identisch sind. Man kann sich vorstellen, welche existenziellen Fragen Alice und Bob stellen werden. Wie kann das gleiche Gericht aus verschiedenen Zutaten hergestellt werden? Was bedeutet es, ein chinesisches oder italienisches Gericht zu kochen? Gibt es einen fatalen Fehler in ihrer Herangehensweise an das Kochen?
Es ist genau diese Verwirrung, die Spezialisten der Quantenphysik erfahren. Sie fanden viele Beispiele für zwei völlig unterschiedliche Beschreibungen desselben physikalischen Systems. Nur im Falle der Physik sind die Zutaten nicht Fleisch und Soße, sondern Partikel und Stärke; Rezepte sind mathematische Formeln, die Interaktionen codieren. und Kochen ist ein Quantisierungsverfahren, das Gleichungen in Wahrscheinlichkeiten physikalischer Phänomene umwandelt. Und wie Alice und Bob sind auch die Physiker ratlos, wie unterschiedliche Rezepte zum gleichen Ergebnis geführt haben.
Kann die Natur ihre Grundgesetze wählen? Wie Sie wissen, glaubte Albert Einstein, dass es einen einzigartigen Weg gibt, eine konsistente, funktionierende Version des Universums aufzubauen, die auf Grundprinzipien basiert. Wenn wir aus Einsteins Sicht tief genug in die Essenz der Physik eintauchen, wird es einen einzigen Weg geben, auf dem alle Komponenten - Materie, Strahlung, Kräfte, Raum, Zeit - miteinander verbunden werden, so dass die Realität funktioniert, verglichen mit Wie Zahnräder, Federn, Zifferblätter und Riemenscheiben einer mechanischen Uhr kombinieren und zählen sie auf einzigartige Weise die Zeit.
Das derzeitige
Standardmodell für die Teilchenphysik ist in der Tat ein sorgfältig zugeschnittener Mechanismus mit wenigen Inhaltsstoffen. Und anstatt einzigartig zu bleiben, ist das Universum eine von unendlich vielen möglichen Welten. Wir haben absolut keine Ahnung, warum genau eine solche Menge von Teilchen und Kräften der Struktur der Natur zugrunde liegt. Warum gibt es sechs
Quarkaromen ,
drei Neutrino-Generationen und ein
Higgs-Teilchen ? Darüber hinaus listet das Standardmodell 19 Naturkonstanten auf - Werte wie Masse und Ladung eines Elektrons -, die experimentell gemessen werden müssen. Die Bedeutungen dieser "
freien Parameter " scheinen keine tiefe Bedeutung zu haben. Einerseits ist die Teilchenphysik ein Wunder der Eleganz; auf der anderen Seite die Geschichte, dass es alles ist, weil es ist.
Wenn unsere Welt eine von vielen ist, was tun mit den Alternativen? Die aktuelle Sichtweise kann als das Gegenteil von Einsteins Traum von einem einzigartigen Kosmos angesehen werden. Moderne Physiker nutzen einen riesigen Raum von Möglichkeiten und versuchen, ihre allgemeine Logik und Vernetzung zu verstehen. Von Goldsuchern wurden sie zu Geographen und Geologen, markierten die Details der Landschaft und untersuchten die Kräfte, die sie bilden.
Die Stringtheorie hat dazu beigetragen, die Situation und die Perspektive zu ändern. Derzeit ist dies der einzige brauchbare Kandidat für die Naturtheorie, der in der Lage ist, alle Teilchen und Wechselwirkungen einschließlich der Schwerkraft zu beschreiben und dabei die strengen logischen Regeln der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie zu befolgen. Die gute Nachricht ist, dass es in der Stringtheorie keine freien Parameter gibt. Sie hat keine Stimmknöpfe zum Spielen. Es macht keinen Sinn zu fragen, welche Stringtheorie unser Universum beschreibt, da es nur eine ist. Das Fehlen zusätzlicher Merkmale führt zu radikalen Konsequenzen. Alle Zahlen der Natur müssen von der Physik selbst bestimmt werden. Es gibt keine „natürlichen Konstanten“, nur durch Gleichungen festgelegte Variablen (möglicherweise äußerst komplex).
Und das führt uns zu schlechten Nachrichten. Der Raum für stringtheoretische Lösungen ist riesig und komplex. In der Physik passiert dies. Wir unterscheiden traditionell zwischen Grundgesetzen, die durch mathematische Gleichungen gegeben sind, und ihren Lösungen. Normalerweise gibt es nur wenige Gesetze und unendlich viele Lösungen. Nimm die Gesetze von Newton. Sie sind streng und elegant, beschreiben aber eine Vielzahl von Phänomenen, vom fallenden Apfel bis zur Umlaufbahn des Mondes. Wenn Sie die Anfangsbedingungen eines bestimmten Systems kennen, können Sie mit den Möglichkeiten dieser Gesetze Gleichungen lösen und vorhersagen, was als nächstes passieren wird. Wir erwarten und benötigen keine einzigartigen Lösungen, die alles beschreiben.
In der Stringtheorie sind bestimmte Merkmale der Physik, die wir normalerweise als Naturgesetze betrachten würden - zum Beispiel bestimmte Teilchen oder Wechselwirkungen - tatsächlich Lösungen. Sie werden durch die Form und Größe der verborgenen zusätzlichen Abmessungen bestimmt. Der Raum aller Entscheidungen wird oft als "Landschaft" bezeichnet, aber dies ist eine monströse Untertreibung. Selbst das spektakulärste bergige Gelände wird im Vergleich zur Weite dieses Raumes Unsinn erscheinen. Und obwohl wir seine Geographie sehr schlecht verstehen, wissen wir, dass Kontinente von enormen Dimensionen darauf existieren. Eine seiner verführerischsten Eigenschaften ist, dass vielleicht alles mit allem verbunden ist - das heißt, zwei beliebige Modelle sind kontinuierlich miteinander verbunden. Wenn wir das Universum stark genug erschüttern, sollten wir in der Lage sein, von einer möglichen Welt in eine andere zu gelangen und das zu ändern, was wir als unveränderliche Naturgesetze und eine spezielle Kombination von Elementarteilchen betrachten, aus denen unsere Realität besteht.
Aber wie können wir die weite Landschaft der physikalischen Modelle des Universums untersuchen, in der Hunderte von Dimensionen auftreten können? Es ist nützlich, sich die Landschaft als unentwickelte Tierwelt vorzustellen, von der die meisten unter dicken Schichten unpassierbarer Komplexität verborgen sind. Und nur an seinen Rändern können wir bewohnbare Orte finden. An diesen Außenposten ist das Leben einfach und angenehm. Hier finden wir die Grundmodelle, die für uns völlig verständlich sind. Sie tragen wenig zur Beschreibung der realen Welt bei, dienen jedoch als bequeme Ausgangspunkte für die Erkundung der Umgebung.
Ein gutes Beispiel wäre QED,
die Quantenelektrodynamik , die die Wechselwirkungen zwischen Materie und Licht beschreibt. In diesem Modell gibt es einen Parameter, die
Feinstrukturkonstante α, die die Stärke der Wechselwirkung zweier Elektronen misst. In absoluten Zahlen liegt es nahe bei 1/137. In der QED können alle Prozesse als Folge elementarer Wechselwirkungen betrachtet werden. QED lädt uns ein, alle möglichen Möglichkeiten zu prüfen, wie zwei Elektronen ein Photon austauschen können, was in der Praxis erfordern würde, dass Physiker eine äußerst komplexe und unendliche Menge finden. Die Theorie gibt uns jedoch eine Problemumgehung: Jeder nachfolgende Photonenaustausch fügt einen Term hinzu, in dem α erhöht und in einem zusätzlichen Ausmaß erhöht wird. Da diese Zahl eher gering ist, leisten Mitglieder mit einer großen Anzahl von Börsen einen kleinen Beitrag. Sie können vernachlässigt werden, indem der "reale" Wert grob geschätzt wird.
Wir betrachten diese lose gekoppelten Theorien als Außenposten der Landschaft. Hier ist die Stärke der Wechselwirkungen gering, und es ist sinnvoll, über eine Einkaufsliste aus Elementarteilchen und ein Rezept zur Berechnung ihrer Wechselwirkungen zu sprechen. Aber wenn wir unseren inneren Kreis verlassen und in die Wildnis gehen, werden die Verbindungen größer und jedes weitere Mitglied wird wichtiger. Und jetzt können wir nicht mehr zwischen einzelnen Partikeln unterscheiden. Sie lösen sich auf und verwandeln sich in ein verwirrtes Netzwerk von Energien, wie Kuchenzutaten in einem heißen Ofen.
Es ist jedoch nicht alles verloren. Manchmal endet der Weg durch das dunkle Dickicht an einem anderen Außenposten. Das heißt, in einem anderen gut kontrollierten Modell, das aus einem völlig anderen Satz von Partikeln und Wechselwirkungen zusammengesetzt ist. In diesem Fall werden sie zu zwei alternativen Rezepten für dieselbe zugrunde liegende Physik wie die Gerichte von Alice und Bob. Diese komplementären Beschreibungen werden Doppelmodelle genannt, und ihre Beziehung wird Dualismus genannt. Wir können diese Dualismen in Form einer großen Verallgemeinerung der von Heisenberg entdeckten berühmten
Welle-Teilchen-Dualität betrachten . Bei Alice und Bob handelt es sich um einen Übergang zwischen chinesischen und italienischen Rezepten.
Warum ist es für die Physik so interessant? Erstens gehört die Schlussfolgerung, dass viele, wenn nicht alle Modelle Teil eines riesigen miteinander verbundenen Raums sind, zu den beeindruckendsten Ergebnissen der modernen Quantenphysik. Dies ist ein Perspektivwechsel, der den Begriff "
Paradigmenwechsel " verdient. Sie sagt, anstatt den Archipel einzelner Inseln zu erkunden, haben wir einen riesigen Kontinent entdeckt. In gewisser Weise können wir alle studieren, indem wir ein Modell gründlich genug studieren. Wir können untersuchen, wie diese Modelle zusammenhängen, was uns das Gemeinsame in ihren Strukturen offenbaren wird. Es ist wichtig zu betonen, dass dieses Phänomen weitgehend unabhängig von der Frage ist, ob die Stringtheorie die reale Welt beschreibt oder nicht. Dies ist eine interne Eigenschaft der Quantenphysik, die nirgendwo hingehen wird, egal wie die Zukunft der „Theorie von allem“ aussieht.
Eine radikalere Schlussfolgerung ist, dass wir alle traditionellen Beschreibungen der Grundlagenphysik loswerden müssen. Teilchen, Felder, Wechselwirkungen, Symmetrien - all dies sind Artefakte einfacher Existenz an den Außenposten dieser riesigen Landschaft von uneinnehmbarer Komplexität. Offensichtlich ist die Herangehensweise an die Physik in Bezug auf elementare Bausteine falsch oder zumindest sehr begrenzt. Vielleicht gibt es eine radikal neue Plattform, die die grundlegenden Naturgesetze kombiniert und alle bekannten Konzepte ignoriert. Die mathematische Komplexität und Kohärenz der Stringtheorie motiviert diesen Standpunkt stark. Aber ich muss ehrlich sagen. Nur sehr wenige der heutigen Ideen zum Ersetzen von Partikeln und Feldern sind „zu verrückt, um wahr zu sein“, um
Niels Bohr zu zitieren. Wie Alice und Bob ist die Physik bereit, alte Rezepte wegzuwerfen und die moderne
Fusionsküche zu übernehmen .