Eine neue physikalische Hypothese stellt die führende „Theorie von allem“ in Frage.
Am 25. Juni wachte der in Wien lebende Physiker Timm Wrase auf und blätterte schläfrig in einer Liste kürzlich veröffentlichter physischer Werke online. Eine Schlagzeile traf ihn, so dass er alle Reste des Schlafes wegwarf.
Die Arbeit von
Harran Harvard, einem herausragenden Spezialisten für Stringtheorie, der in Zusammenarbeit mit seinen Kollegen durchgeführt wurde, hat die Hypothese aufgestellt, dass es eine einfache Formel gibt, die bestimmt, welche Universen existieren dürfen und welche nicht, gemäß der Stringtheorie. Die Stringtheorie, der führende Kandidat für die "
Theorie von allem ", die Schwerkraft und Quantenphysik zusammenfügt, definiert alle Materie und Wechselwirkungen in Form von Schwingungen winziger Energiefäden. Die Theorie erlaubt ungefähr
10.500 Lösungen: eine riesige und vielfältige "Landschaft" möglicher Universen. Experten für Stringtheorie wie Vraze und Wafa versuchen seit Jahren, unser Universum irgendwo in diese Landschaft der Möglichkeiten zu bringen.
Aber während Wafa und Kollegen vorschlugen, dass in der Landschaft der Stringtheorie Universen wie unsere - oder besser gesagt, wie wir sie uns vorgestellt haben - nicht existieren könnten. Wenn die Theorie richtig ist, wie Vraze und andere Physiker sofort verstanden haben, dann ist entweder unser Universum völlig anders als es sein sollte, oder die Stringtheorie ist falsch.
Nachdem Vraze den Nachwuchs in den Kindergarten gebracht hatte, arbeitete er am Wiener Institut für Technologie, wo seine Kollegen die gleiche Arbeit heftig diskutierten. Am selben Tag präsentierte Wafa in Okinawa in Japan
diese Theorie auf der Strings 2018-Konferenz, an der Physiker auf der ganzen Welt teilnahmen. Auf der Konferenz und an anderen Orten kam es zu Streitigkeiten. "Viele sagten sofort:" Dies ist wahrscheinlich ein Fehler ", andere sagten:" Ja, wie viele Jahre habe ich das gesagt ", es gab andere Zwischenreaktionen", sagt Vraze. Er fügt hinzu, dass es Verwirrung gab, aber „und natürlich großes Interesse. Denn wenn diese Hypothese wahr ist, wird sie viele enorme Konsequenzen für die Kosmologie haben. "
Die Forscher setzten sich bei der Arbeit zusammen und versuchten, die Hypothese zu testen und ihre Konsequenzen zu untersuchen. Vraze hat bereits zwei Werke geschrieben,
von denen eines zu einer Verfeinerung der Hypothese führen kann, und dies tat er hauptsächlich im Urlaub mit seiner Familie. Er erinnert sich, wie er dachte: "Es ist so interessant, dass ich es genauer untersuchen und studieren muss."
Die vorgeschlagene Formel, die in der
Arbeit vom 25. Juni von Vafa, Georges Obied, Hiroshi Ooguri und Lev Spodyneiko erschien und dann in einer nachfolgenden
Arbeit, die zwei Tage später von Vafa, Obied, Prateek Agraval und Pla Steinhardt veröffentlicht wurde, eingehender untersucht wurde, legt nahe, dass mit der Expansion des Universums die Vakuumenergiedichte des leeren Raums schneller als ein bestimmter Wert abnehmen sollte. Die Regel sollte in allen einfachen Universumsmodellen funktionieren, die auf der Stringtheorie basieren. Es widerspricht jedoch zwei populären Meinungen über das reale Universum: Es macht sowohl die allgemein akzeptierte Idee seiner gegenwärtigen Expansion als auch das führende Modell seiner explosiven Geburt unmöglich.
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Seit 1998 wurde an Teleskopen beobachtet, dass sich der Raum immer schneller ausdehnt, was bedeutet, dass das Vakuum des leeren Raums durch eine Dosis schwerkraftabstoßender "dunkler Energie" befeuert werden sollte. Außerdem scheint die Menge an dunkler Energie, die in den leeren Raum gegossen wird, konstant zu bleiben (soweit man das beurteilen kann).
Eine neue Hypothese besagt jedoch, dass die Vakuumenergie des Universums abnehmen sollte.
Wafa und Kollegen argumentieren, dass Universen mit stabiler und positiver Vakuumenergie, bekannt als
De-Sitter-Universen , nicht existieren können. Seit der Entdeckung der Dunklen Energie im Jahr 1998 haben Experten der Stringtheorie Probleme, ein überzeugendes String-Modell der De-Sitter-Universen zu konstruieren. Aber wenn Wafa Recht hat, sind solche Versuche dazu verdammt, in logischen Inkonsistenzen zu stecken. de Sitter-Universen befinden sich nicht in dieser Landschaft, sondern in „Sümpfen“. "Ich nenne Dinge, die konsistent aussehen, aber Widersprüche haben, Sümpfe", erklärte er kürzlich. „Sie sind der Landschaft sehr ähnlich, sie können dich täuschen. Es scheint dir, dass du sie konstruieren kannst, aber in Wirklichkeit ist das nicht so. “
Nach dieser „Hypothese des De-Sitter-Sumpfes“ sollte in allen möglichen logischen Universen die Vakuumenergie entweder wie eine bergab rollende Kugel fallen oder einen stabilen negativen Wert erreichen. (Die sogenannten Anti-De-Sitter-Universen mit stabilen und negativen Werten der Vakuumenergie sind in der Stringtheorie leicht zu konstruieren.)
Wenn diese Annahme wahr ist, bedeutet dies, dass die Dichte der dunklen Energie in unserem Universum nicht konstant sein kann und die Form der sogenannten annehmen muss. "
Quintessenzen " - eine Energiequelle, die über zig Milliarden von Jahren allmählich abnimmt. Es wird nun erwartet, dass mehrere Experimente gestartet werden, bei denen mithilfe von Teleskopen besser festgestellt werden kann, ob sich das Universum mit konstanter Geschwindigkeit ausdehnt oder beschleunigt - das heißt, ob eine proportionale Menge neuer dunkler Energie mit neuem Raum auftritt oder sich die kosmische Beschleunigung gemäß Quintessenzmodellen allmählich ändert . Die Entdeckung der Quintessenz würde die grundlegende Physik und Kosmologie revolutionieren und die Vergangenheit und Zukunft des Weltraums neu schreiben. Ein typisches Universum würde nicht durch die
große Lücke auseinandergerissen , sondern sich allmählich verlangsamen und nach den meisten Modellen schließlich in
Big Compression oder
Big Bounce expandieren und
schrumpfen .
Steinhardt, ein Kosmologe aus Princeton und einer der Mitautoren von Wafa, sagt, dass in den nächsten Jahren "alle Augen auf die Ergebnisse von Experimenten wie der
Beobachtung der dunklen Energie , einem
Weitbereichs-Infrarot-Teleskop und
dem euklidischen Teleskop gerichtet sein werden" , aus denen klar wird, ob dunkle Energiedichte. "Wenn klar wird, dass das Bild der Quintessenz widerspricht", sagt Steinhardt, "bedeutet dies, dass entweder die Idee mit dem Sumpf falsch ist oder die Stringtheorie falsch ist oder beide falsch sind - im Allgemeinen sollte etwas falsch sein."
Die neue Hypothese des Sumpfes äußert nicht weniger scharfe Zweifel an der allgemein akzeptierten Geschichte der Geburt des Universums: der Theorie des Urknalls und der kosmischen Inflation. Nach dieser Theorie schwoll ein winziges Raum-Zeit-Teilchen, das eine große Menge an Energie enthielt, schnell an und bildete ein makroskopisches Universum, in dem wir leben. Diese Theorie wurde unter anderem erfunden, um zu erklären, wie genau das Universum so groß, glatt und flach wurde.
Das hypothetische inflationäre Energiefeld, das die kosmische Inflation befeuern sollte, ist jedoch nicht mit der Wafa-Formel vereinbar. Um diese Formel zu erfüllen, musste die Energie des Inflationsfeldes sehr schnell aufgebraucht werden, um ein glattes und flaches Universum zu erhalten, wie er und seine Kollegen erklärten. Daher widerspricht ihre Hypothese vielen populären Modellen der kosmischen Inflation. In den kommenden Jahren werden Teleskope wie das
Simons Observatory die ultimativen Anzeichen einer Weltrauminflation suchen, indem sie diese Theorie mit konkurrierenden vergleichen.
Zu dieser Zeit waren sich Experten der Stringtheorie, die normalerweise an einer einheitlichen Front sprachen, nicht einig über die Hypothese. Eva Silverstein, Professorin für Physik an der Stanford University, Projektleiterin bei der Erstellung von String-Inflationsmodellen, hält es für sehr wahrscheinlich, dass sich diese Theorie als falsch herausstellen wird. Ihr Ehemann, Stanford-Professor Shamit Kachra, ebenfalls. Er ist der erste Buchstabe K in KKLT, dem berühmten Werk von 2003, das den Initialen seiner Autoren bekannt ist und in dem sie eine Reihe von String-Zutaten vorschlugen, mit denen De-Sitter-Universen geschaffen werden können. Wafas Formel besagt, dass die Designs von Silverstein und Kachra nicht funktionieren werden. "Diese Hypothesen haben unsere Familie belagert", scherzt Silverstein. Aus ihrer Sicht haben beschleunigte Expansionsmodelle nach der Veröffentlichung neuer Werke nichts verloren. "Sie argumentieren im Wesentlichen nur, dass diese Dinge nicht existieren, und zitieren die sehr begrenzten und in einigen Fällen zweifelhaften analytischen Ergebnisse", sagt sie.
Matthew Kleban, Spezialist für Stringtheorie und Kosmologe an der New York University, arbeitet ebenfalls an Stranginflationsmodellen. Er betont, dass die neue Theorie des Sumpfes sehr spekulativ ist und ein klassisches Beispiel für das Verhalten eines Betrunkenen ist, der unter einer Laterne nach Schlüsseln suchte, weil sie dort leichter war, da der größte Teil der Landschaft der Stringtheorie noch untersucht werden muss. Er gibt jedoch zu, dass sich die Hypothese auf der Grundlage vorhandener Beweise als wahr herausstellen könnte. "Es könnte sich herausstellen, dass die Stringtheorie wahr ist, und dann stellt sich heraus, dass die Stringtheorie die Welt nicht beschreibt", sagt Kleban. Und vielleicht hat „dunkle Energie es widerlegt. Und das wird natürlich sehr interessant sein. “
Werden de Sumters Sumpf-Theorie und zukünftige Experimente die Stringtheorie widerlegen können, werden wir später erfahren. Eine in den 2000er Jahren gemachte Entdeckung, dass die Stringtheorie etwa
10.500 Lösungen enthält, hat die Hoffnung zunichte gemacht, die Zukunft unseres Universums auf einzigartige und unvermeidliche Weise vorhersagen zu können. Die Theorie scheint fast jede Beobachtung unterstützen zu können, was es sehr schwierig macht, sie experimentell zu verifizieren oder zu widerlegen.
Im Jahr 2005 begannen Wafa und ein ganzes Netzwerk von Co-Autoren darüber nachzudenken, wie diese Anzahl von Möglichkeiten reduziert werden kann, um die grundlegenden Eigenschaften der Natur herauszustellen, die auf jeden Fall zutreffen sollten. Zum Beispiel legt ihre
Theorie der schwachen Schwerkraft nahe, dass die Schwerkraft die schwächste Wechselwirkung in einem logischen Universum sein sollte. Theoretische Universen, die solche Anforderungen nicht erfüllen, werden aus der Landschaft in den Sumpf geworfen. Viele dieser sumpfigen Annahmen kamen gut mit den Argumenten zurecht, die sie angegriffen haben, und einige "stehen jetzt auf einem sehr soliden Fundament", sagte Hiroshi Ooguri, ein theoretischer Physiker am California Institute of Technology, einer der ersten Kollegen von Wafa in Bezug auf die Sumpfhypothese. Zum Beispiel hat die Theorie der schwachen Schwerkraft so viele Beweise erhalten, dass angenommen wird, dass sie im Allgemeinen wahr ist, unabhängig davon, ob sich die Stringtheorie als geeignete Theorie der Schwerkraft herausstellt.
Die Intuition darüber, wo die Landschaft endet und der Sumpf beginnt, beruht auf jahrzehntelangen Bemühungen, String-Modelle von Universen zu bauen. Das Haupthindernis für dieses Projekt ist, dass die Stringtheorie die Existenz von 10 Dimensionen der Raumzeit vorhersagt, die viel größer sind als die vier sichtbaren. Experten der Stringtheorie schlagen vor, dass sechs zusätzliche Dimensionen klein sein sollten - an jedem Punkt fest gefaltet. Die Landschaft bietet alle Möglichkeiten, um diese zusätzlichen Dimensionen zu konfigurieren. Obwohl es viele Möglichkeiten gibt, entdeckten Forscher wie Wafa das Auftreten verallgemeinerter Prinzipien. Beispielsweise neigen verdrehte Messungen dazu, sich durch Gravitation zusammenzuziehen, und Felder wie elektromagnetische neigen dazu, alles auseinander zu drücken. In einfachen, stabilen Konfigurationen werden diese Effekte durch die negative Energie des Vakuums ausgeglichen, was zur Entstehung von Anti-De-Sitter-Universen führt. Es ist sehr schwierig, Vakuumenergie in positive Energie umzuwandeln. "Normalerweise gibt es in der Physik einfache Beispiele für allgemeine Phänomene", sagte Wafa. "Dies gilt jedoch nicht für das Modell de Sitter."
KKLT, verfasst von Kachra, Renata Kallosh, Andrei Linde und Sandeep Trivedi, bietet Saitenfallen wie Flussmittel, Instantonen und Anti-D-Brane an, die theoretisch zu Werkzeugen zur Einstellung der positiven und konstanten Vakuumenergie werden können. Diese Entwürfe sind jedoch komplex und im Laufe der Jahre wurden mögliche Instabilitäten in ihnen gefunden. Obwohl Kachru sagt, er habe keine "ernsthaften Zweifel", haben viele Forscher den Verdacht, dass das KKLT-Skript immer noch keine stabilen de Sitter-Universen hervorbringt.
Wafa glaubt, dass es Zeit war, eine konzertierte Suche nach einem Modell eines einzigartig stabilen de Sitter-Universums durchzuführen. Seine Hypothese sollte zunächst die Bedeutung dieses Problems hervorheben. Aus seiner Sicht fühlen sich Experten der Stringtheorie nicht motiviert genug, um herauszufinden, ob die Stringtheorie unsere Welt beschreiben kann, anstatt den Standpunkt einzunehmen, nach dem wir, da die Saitenlandschaft riesig ist, Raum für uns haben niemand weiß wo genau. „Die meisten Mitglieder der Community der Stringtheorie sind immer noch auf der Seite der Existenz von De-Sitter-Konstruktionen“, sagt er, „da jeder glaubt: Schauen Sie, wir leben in einem De-Sitter-Universum mit positiver Energie; Deshalb suchen wir besser nach Beispielen dieser Art. “
Seine Hypothese veranlasste die Community, Maßnahmen zu ergreifen, und Forscher wie Vraze begannen, nach Gegenbeispielen für stabile de Sitter-Universen zu suchen, während andere mit wenig erforschten String-Modellen von fundamentalen Universen spielten. "Auf jeden Fall würde mich interessieren, ob die Hypothese wahr ist oder nicht", sagte Wafa. - Die Frage ist, was wir tun sollen. Und wir können nur Fortschritte erzielen, wenn wir Beweise für oder gegen die Theorie finden. “
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