Theorie von allem


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Eine Theorie von allem ( TOE [1] oder ToE ), Final Theory , Ultimate Theory , Theory of the World oder Master Theory ist ein hypothetischer, singulärer, allumfassender, kohärenter theoretischer Rahmen der Physik , der alle physikalischen Aspekte vollständig erklärt und miteinander verbindet des Universums . [2] : 6 Das Finden eines TOE ist eines der größten ungelösten Probleme in der Physik . [3] Stringtheorie und M-Theoriewurden als Theorien von allem vorgeschlagen. In den letzten Jahrhunderten wurden zwei theoretische Rahmen entwickelt, die zusammen am ehesten einem EVG ähneln. Diese beiden Theorien, auf denen die gesamte moderne Physik beruht, sind die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik . Die Allgemeine Relativitätstheorie ist ein theoretischer Rahmen, der sich nur auf die Gravitation konzentriert, um das Universum in Regionen mit großem Maßstab und hoher Masse zu verstehen: Sterne , Galaxien , Galaxienhaufen usw. Auf der anderen Seite ist die Quantenmechanik ein theoretischer Rahmen, der sich nur auf drei konzentriert Nicht-Gravitationskräfte zum Verständnis des Universums in kleinen und massereichen Regionen: subatomare Teilchen, Atome , Moleküle usw. Die Quantenmechanik hat erfolgreich das Standardmodell implementiert , das die drei Nichtgravitationskräfte – starke Kernkraft , schwache Kernkraft und elektromagnetische Kraft – sowie alle beobachteten Elementarteilchen beschreibt. [4] : 122

Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik sind in ihren getrennten Fachgebieten gründlich bewiesen. Da die üblichen Anwendungsbereiche der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik so unterschiedlich sind, erfordern die meisten Situationen, dass nur eine der beiden Theorien verwendet wird. [5] [6] : 842–844 Die beiden Theorien gelten als inkompatibel in Regionen extrem kleiner Skala – der Planck-Skala – wie denen, die innerhalb eines Schwarzen Lochs oder in den Anfangsstadien des Universums existieren (dh der Moment unmittelbar nach dem Urknall). Um die Inkompatibilität aufzulösen, muss ein theoretischer Rahmen entdeckt werden, der eine tiefere zugrunde liegende Realität enthüllt und die Gravitation mit den anderen drei Wechselwirkungen vereint, um die Bereiche der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik harmonisch in ein nahtloses Ganzes zu integrieren: Der TOE ist eine einzige Theorie, die Prinzip, ist in der Lage, alle Phänomene im Universum zu beschreiben.

Um dieses Ziel zu verfolgen, ist die Quantengravitation zu einem aktiven Forschungsgebiet geworden. Ein Beispiel ist die Stringtheorie, die sich zu einem Kandidaten für den TOE entwickelt hat, jedoch nicht ohne Nachteile (insbesondere das Fehlen derzeit überprüfbarer Vorhersagen ) und Kontroversen. Die Stringtheorie geht davon aus, dass zu Beginn des Universums (bis zu 10 −43 Sekunden nach dem Urknall) die vier Grundkräfte einmal eine einzige Grundkraft waren. Nach der Stringtheorie ist jedes Teilchen im Universum auf seiner mikroskopischsten Ebene ( Planck-Länge), besteht aus verschiedenen Kombinationen von vibrierenden Saiten (oder Strängen) mit bevorzugten Vibrationsmustern. Die Stringtheorie behauptet weiter, dass durch diese spezifischen Schwingungsmuster von Saiten ein Teilchen von einzigartiger Masse und Kraftladung erzeugt wird (das heißt, das Elektron ist eine Art von Saite, die in eine Richtung schwingt, während das Up-Quark eine Art ist a Saitenschwingung auf andere Weise usw.).

Name

Anfangs wurde der Begriff Theorie von allem mit einem ironischen Verweis auf verschiedene überverallgemeinerte Theorien verwendet. Zum Beispiel kann ein Großvater von Ijon Tichy - eine Figur aus einem Zyklus von Stanisław Lem ‚s Science - Fiction - Geschichten von den 1960er Jahren - wurde die Arbeit an dem‚bekannten General Theory of Everything ‘. Der Physiker Harald Fritzsch verwendete den Begriff 1977 in seinen Vorlesungen in Varenna. [7] Der Physiker John Ellis behauptet [8] , 1986 in einem Artikel in Nature das Akronym "TOE" in die Fachliteratur eingeführt zu haben . [9] Im Laufe der Zeit blieb der Begriff in der Popularisierung vontheoretische physikalische forschung.

Historische Vorläufer

Antike bis 19. Jahrhundert

Viele alte Kulturen wie babylonische Astronomen , indische Astronomie untersuchten das Muster der Sieben klassischen Planeten vor dem Hintergrund von Sternen , mit ihrem Interesse, die Himmelsbewegungen mit menschlichen Ereignissen in Verbindung zu bringen ( Astrologie ), und das Ziel war es, Ereignisse vorherzusagen, indem sie Ereignisse aufzeichneten ein Zeitmaß und suchen Sie dann nach wiederkehrenden Mustern. Die Debatte zwischen dem Universum, das entweder einen Anfangs- oder ewige Zyklen hat, kann bis ins alte Babylonien zurückverfolgt werden . [10] Hindu-Kosmologiepostuliert, dass die Zeit bei einem zyklischen Universum unendlich ist, wobei dem aktuellen Universum eine unendliche Anzahl von Universen vorausgeht und ihm folgen wird. [11] [12] Die in der hinduistischen Kosmologie erwähnten Zeitskalen entsprechen denen der modernen wissenschaftlichen Kosmologie. Seine Zyklen verlaufen von unserem gewöhnlichen Tag und Nacht zu einem Tag und einer Nacht von Brahma, 8,64 Milliarden Jahre lang. [13]

Die Naturphilosophie des Atomismus taucht in mehreren alten Traditionen auf. Im antiken griechischen Philosophie , die Vorsokratiker spekuliert , dass die scheinbare Vielfalt der beobachteten Phänomene aufgrund einer einzigen Art von Interaktion war, nämlich die Bewegungen und Kollisionen der Atome. Das von Demokrit vorgeschlagene Konzept des "Atoms" war ein früher philosophischer Versuch, in der Natur beobachtete Phänomene zu vereinen. Der Begriff ‚Atom‘ auch im erschien Nyaya - Vaisheshika Schule der alten indischen Philosophie .

Archimedes war möglicherweise der erste Philosoph, der die Natur mit Axiomen (oder Prinzipien) beschrieben hat und daraus neue Ergebnisse ableitete. Ebenso wird erwartet, dass jede "Theorie von allem" auf Axiomen beruht und alle beobachtbaren Phänomene daraus ableitet. [14] : 340

In Anlehnung an früheres atomistisches Denken postulierte die mechanische Philosophie des 17. Jahrhunderts, dass alle Kräfte letztendlich auf Kontaktkräfte zwischen den Atomen reduziert und dann als winzige feste Teilchen vorgestellt werden könnten . [15] : 184 [16]

Im späten 17. Jahrhundert deutete Isaac Newtons Beschreibung der Schwerkraft auf große Entfernungen an, dass nicht alle Kräfte in der Natur aus der Berührung von Dingen resultieren. Newtons Arbeit in seinen Mathematical Principles of Natural Philosophy behandelte dies in einem weiteren Beispiel der Vereinheitlichung, in diesem Fall vereinte er Galileis Arbeit über die Erdgravitation, Keplers Gesetze der Planetenbewegung und das Phänomen der Gezeiten, indem er diese scheinbaren Handlungen bei einer Entfernung unter einem einzigen Gesetz: dem Gesetz der universellen Gravitation . [17]

Im Jahr 1814 schlug Laplace , aufbauend auf diesen Ergebnissen, bekanntermaßen vor, dass ein ausreichend starker Intellekt , wenn er die Position und Geschwindigkeit jedes Teilchens zu einem bestimmten Zeitpunkt zusammen mit den Naturgesetzen kenne, die Position jedes Teilchens zu einem anderen Zeitpunkt berechnen könnte : [18] : Kanal 7

Ein Intellekt, der zu einem bestimmten Zeitpunkt alle Kräfte, die die Natur in Bewegung setzen, und alle Positionen aller Elemente, aus denen die Natur besteht, kennen würde, wenn dieser Intellekt auch groß genug wäre, um diese Daten einer Analyse zu unterziehen, würde er in einer einzigen Formel umfassen die Bewegungen der größten Körper des Universums und die des kleinsten Atoms; für einen solchen Intellekt wäre nichts ungewiss und die Zukunft ebenso wie die Vergangenheit vor seinen Augen.

—  Essai philosophique sur les probabilités , Einführung. 1814

So sah Laplace eine Kombination von Gravitation und Mechanik als Theorie von allem vor. Die moderne Quantenmechanik impliziert, dass Unsicherheit unausweichlich ist , und daher muss Laplaces Vision geändert werden: Eine Theorie von allem muss Gravitation und Quantenmechanik beinhalten. Selbst wenn man die Quantenmechanik ignoriert, reicht die Chaostheorie aus, um zu garantieren, dass die Zukunft eines hinreichend komplexen mechanischen oder astronomischen Systems unvorhersehbar ist.

Im Jahr 1820 entdeckte Hans Christian Ørsted einen Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus und löste jahrzehntelange Arbeit aus, die 1865 in James Clerk Maxwells Theorie des Elektromagnetismus ihren Höhepunkt fand . Im 19. und frühen 20. Jahrhundert wurde allmählich deutlich, dass viele gängige Beispiele für Kräfte – Kontaktkräfte, Elastizität , Viskosität , Reibung und Druck – aus elektrischen Wechselwirkungen zwischen kleinsten Materieteilchen resultieren.

In seinen Experimenten von 1849 bis 1850 suchte Michael Faraday als erster nach einer Vereinigung der Schwerkraft mit Elektrizität und Magnetismus. [19] Er fand jedoch keinen Zusammenhang.

1900 veröffentlichte David Hilbert eine berühmte Liste mathematischer Probleme. In Hilberts sechstem Problem forderte er die Forscher auf, eine axiomatische Grundlage für die gesamte Physik zu finden. In diesem Problem fragte er also nach dem, was man heute eine Theorie von allem nennen würde. [20]

Frühes 20. Jahrhundert

In den späten 1920er Jahren zeigte die neue Quantenmechanik, dass die chemischen Bindungen zwischen Atomen Beispiele für (quanten-)elektrische Kräfte sind, was Diracs Prahlerei rechtfertigt , dass "die zugrundeliegenden physikalischen Gesetze, die für die mathematische Theorie eines großen Teils der Physik und des Ganzen notwendig sind" der Chemie sind damit vollständig bekannt". [21]

Nach 1915, als Albert Einstein die Gravitationstheorie ( Allgemeine Relativitätstheorie ) veröffentlichte, wurde die Suche nach einer einheitlichen FeldtheorieDie Kombination von Schwerkraft und Elektromagnetismus begann mit einem erneuten Interesse. Zu Einsteins Tagen waren die starken und die schwachen Kräfte noch nicht entdeckt worden, dennoch fand er die potenzielle Existenz zweier anderer unterschiedlicher Kräfte, der Schwerkraft und des Elektromagnetismus, viel verlockender. Damit begann seine dreißigjährige Reise auf der Suche nach der sogenannten „Einheitlichen Feldtheorie“, von der er hoffte, dass sie zeigen würde, dass diese beiden Kräfte wirklich Manifestationen eines großen, zugrunde liegenden Prinzips sind. In den letzten Jahrzehnten seines Lebens entfremdete dieser Ehrgeiz Einstein vom Rest des Mainstreams der Physik, da der Mainstream stattdessen viel mehr von dem aufkommenden Rahmen der Quantenmechanik begeistert war. Einstein schrieb Anfang der 1940er Jahre an einen Freund: "Ich bin ein einsamer alter Kerl geworden, der vor allem bekannt ist, weil erkeine Socken trägt und zu besonderen Anlässen als Kuriosität ausgestellt wird." Prominente Mitwirkende warenGunnar Nordström , Hermann Weyl , Arthur Eddington , David Hilbert , [22] Theodor Kaluza , Oskar Klein (siehe Kaluza-Klein-Theorie ) und vor allem Albert Einstein und seine Mitarbeiter. Einstein suchte ernsthaft nach einer vereinheitlichenden Theorie [23] , fand sie aber letztendlich nicht : Kapitel 17 (siehe Einstein-Maxwell-Dirac-Gleichungen).

Ende des 20. Jahrhunderts und die nuklearen Wechselwirkungen

Im 20. Jahrhundert wurde die Suche nach einer vereinheitlichenden Theorie durch die Entdeckung der starken und schwachen Kernkräfte unterbrochen , die sich sowohl von der Schwerkraft als auch vom Elektromagnetismus unterscheiden. Eine weitere Hürde war die Annahme, dass die Quantenmechanik von vornherein in einen EVG integriert werden musste und nicht, wie Einstein gehofft hatte, als Folge einer deterministischen einheitlichen Theorie entstand.

Schwerkraft und Elektromagnetismus können als Einträge in einer Liste klassischer Kräfte koexistieren, aber viele Jahre lang schien es, dass die Schwerkraft nicht in das Quantengerüst integriert, geschweige denn mit den anderen fundamentalen Kräften vereint werden könnte. Aus diesem Grund konzentrierten sich die Arbeiten zur Vereinigung während eines Großteils des 20. Jahrhunderts darauf, die drei von der Quantenmechanik beschriebenen Kräfte zu verstehen: den Elektromagnetismus und die schwachen und starken Kräfte. Die ersten beiden wurden kombiniert 1967-68 von Sheldon Glashow , Steven Weinberg und Abdus Salam in die elektroKraft. [24] Elektroschwache Vereinigung ist eine gebrochene Symmetrie: Die elektromagnetischen und schwachen Kräfte erscheinen bei niedrigen Energien unterschiedlich, weil die Teilchen, die die schwache Kraft tragen, die W- und Z-Bosonen , Massen ungleich null haben (80,4 GeV/ c 2 und91,2 GeV/ c 2 ), während das Photon , das die elektromagnetische Kraft trägt, masselos ist. Bei höheren Energien können leicht W-Bosonen und Z-Bosonen erzeugt werden und die einheitliche Natur der Kraft wird deutlich.

Während die starken und elektroschwachen Kräfte im Standardmodell der Teilchenphysik koexistieren , bleiben sie unterschiedlich. Somit bleibt das Streben nach einer Theorie von allem erfolglos: Weder eine Vereinigung der starken und elektroschwachen Kräfte – die Laplace „Kontaktkräfte“ genannt hätte – noch eine Vereinigung dieser Kräfte mit der Gravitation ist gelungen.

Moderne Physik

Konventionelle Abfolge von Theorien

Eine Theorie von allem würde alle fundamentalen Wechselwirkungen der Natur vereinen : Gravitation , starke Wechselwirkung , schwache Wechselwirkung und Elektromagnetismus . Da die schwache Wechselwirkung Elementarteilchen von einer Art in eine andere umwandeln kann , sollte der EVG auch alle möglichen verschiedenen Arten von Teilchen vorhersagen. Der übliche angenommene Pfad von Theorien ist in der folgenden Grafik angegeben, wobei jeder Vereinigungsschritt eine Ebene auf der Grafik nach oben führt.

In dieser Grafik erfolgt die elektroschwache Vereinigung bei etwa 100 GeV, die große Vereinigung wird bei 10 16 GeV vorhergesagt und die Vereinigung der GUT-Kraft mit der Schwerkraft wird bei der Planck-Energie von etwa 10 19 GeV erwartet .

Mehrere Grand Unified Theories (GUTs) wurden vorgeschlagen, um den Elektromagnetismus und die schwachen und starken Kräfte zu vereinen. Große Vereinigung würde die Existenz einer elektronuklearen Kraft implizieren; es wird erwartet, dass es bei Energien in der Größenordnung von 10 16 GeV einsetzt, weit mehr, als von jedem derzeit machbaren Teilchenbeschleuniger erreicht werden könnte . Obwohl die einfachsten GUTs experimentell ausgeschlossen wurden, ist die Idee einer großen vereinheitlichten Theorie, insbesondere in Verbindung mit Supersymmetrie, bleibt ein beliebter Kandidat in der theoretischen Physik-Community. Supersymmetrische GUTs scheinen nicht nur wegen ihrer theoretischen "Schönheit" plausibel, sondern weil sie natürlich große Mengen dunkler Materie produzieren und weil die inflationäre Kraft mit der GUT-Physik zusammenhängen könnte (obwohl sie kein unvermeidlicher Teil der Theorie zu sein scheint). . Doch GUTs sind eindeutig nicht die endgültige Antwort; Sowohl das aktuelle Standardmodell als auch alle vorgeschlagenen GUTs sind Quantenfeldtheorien, die die problematische Technik der Renormierung erfordern , um vernünftige Antworten zu liefern. Dies wird normalerweise als Zeichen dafür gewertet, dass es sich nur um effektive Feldtheorien handelt , bei denen entscheidende Phänomene ausgelassen werden, die nur bei sehr hohen Energien relevant sind. [5]

Der letzte Schritt in der Grafik erfordert die Auflösung der Trennung zwischen Quantenmechanik und Gravitation, die oft mit der Allgemeinen Relativitätstheorie gleichgesetzt wird . Zahlreiche Forscher konzentrieren ihre Bemühungen auf diesen spezifischen Schritt; dennoch ist keine anerkannte Theorie der Quantengravitation und somit keine anerkannte Theorie von allem entstanden. Üblicherweise wird davon ausgegangen, dass der EVG auch die verbleibenden Probleme von GUTs lösen wird.

Zusätzlich zur Erklärung der in der Grafik aufgeführten Kräfte kann ein EVG auch den Status von mindestens zwei von der modernen Kosmologie vorgeschlagenen Kandidatenkräften erklären : einer inflationären Kraft und einer dunklen Energie . Darüber hinaus legen kosmologische Experimente auch die Existenz dunkler Materie nahe , die angeblich aus fundamentalen Teilchen außerhalb des Schemas des Standardmodells besteht. Die Existenz dieser Kräfte und Teilchen ist jedoch nicht bewiesen.

Stringtheorie und M-Theorie

Ungelöstes Problem in der Physik :

Ist Stringtheorie , Superstringtheorie oder M-Theorie oder eine andere Variante zu diesem Thema ein Schritt auf dem Weg zu einer "Theorie von allem" oder nur eine Sackgasse?

(mehr ungelöste Probleme in der Physik)

Seit den 1990er Jahren glauben einige Physiker wie Edward Witten , dass die 11-dimensionale M-Theorie , die in einigen Grenzen durch eine der fünf perturbativen Superstring-Theorien und in einer anderen durch die maximal supersymmetrische 11-dimensionale Supergravitation beschrieben wird , die Theorie ist von allem. In dieser Frage besteht kein allgemeiner Konsens.

Eine bemerkenswerte Eigenschaft der String / M-Theorie ist, dass für die Konsistenz der Theorie zusätzliche Dimensionen erforderlich sind. In dieser Hinsicht kann die Stringtheorie als aufbauend auf den Erkenntnissen der Kaluza-Klein-Theorie angesehen werden , in der erkannt wurde, dass die Anwendung der Allgemeinen Relativitätstheorie auf ein fünfdimensionales Universum (mit einem davon klein und zusammengerollt) [ Klarstellung erforderlich ] sieht aus der vierdimensionalen Perspektive wie die übliche Allgemeine Relativitätstheorie zusammen mit der Maxwellschen Elektrodynamik aus . Dies verlieh der Idee Glaubwürdigkeit, Maß und Schwerkraft zu vereinenWechselwirkungen und auf zusätzliche Dimensionen, ging jedoch nicht auf die detaillierten experimentellen Anforderungen ein. Eine weitere wichtige Eigenschaft der Stringtheorie ist ihre Supersymmetrie , die zusammen mit zusätzlichen Dimensionen die beiden Hauptvorschläge zur Lösung des Hierarchieproblems des Standardmodells sind , das (ungefähr) die Frage ist, warum die Gravitation so viel schwächer ist als jede andere Kraft. Die extradimensionale Lösung beinhaltet, dass sich die Schwerkraft in die anderen Dimensionen ausbreiten kann, während andere Kräfte auf eine vierdimensionale Raumzeit beschränkt bleiben, eine Idee, die mit expliziten stringenten Mechanismen realisiert wurde. [25]

Die Erforschung der Stringtheorie wurde durch eine Vielzahl theoretischer und experimenteller Faktoren gefördert. Auf experimenteller Seite passt der Teilchengehalt des mit Neutrinomassen ergänzten Standardmodells in eine Spinor-Darstellung von SO(10) , einer Untergruppe von E8 , die routinemäßig in der Stringtheorie auftaucht, etwa in der heterotischen Stringtheorie [26] oder (manchmal äquivalent) in der F-Theorie . [27] [28] Die Stringtheorie hat Mechanismen, die erklären könnten, warum Fermionen in drei hierarchischen Generationen vorkommen und die Mischungsraten zwischen Quark-Generationen erklären . [29]Auf der theoretischen Seite hat es begonnen , einige der wichtigsten Fragen in adressieren Quantengravitation , wie die Lösung des Schwarzen Lochs Informationsparadoxon , das Zählen der richtige Entropie schwarzer Löcher [30] [31] und damit für Topologie -Ändern Prozesse. [32] [33] [34] Es hat auch zu vielen Einsichten in die reine Mathematik und in die gewöhnliche, stark gekoppelte Eichtheorie aufgrund der Gauge/String-Dualität geführt .

In den späten 1990er Jahren wurde festgestellt, dass eine große Hürde bei diesem Unterfangen darin besteht, dass die Zahl der möglichen vierdimensionalen Universen unglaublich groß ist. Die kleinen, "zusammengerollten" Extradimensionen lassen sich auf enorm viele verschiedene Arten verdichten (eine Schätzung ist 10 500  ), die jeweils zu unterschiedlichen Eigenschaften für die niederenergetischen Teilchen und Kräfte führen. Diese Reihe von Modellen wird als Stringtheorie-Landschaft bezeichnet . [14] : 347

Eine vorgeschlagene Lösung besteht darin, dass viele oder alle dieser Möglichkeiten in dem einen oder anderen von einer riesigen Anzahl von Universen realisiert werden, dass jedoch nur eine kleine Anzahl davon bewohnbar ist. Daher ist das, was wir normalerweise als fundamentale Konstanten des Universums betrachten, letztlich das Ergebnis des anthropischen Prinzips und nicht von der Theorie diktiert. Dies hat zu Kritik an der Stringtheorie [35] geführt, die argumentiert, dass sie keine nützlichen (dh originellen, falsifizierbaren und überprüfbaren) Vorhersagen machen kann und sie als Pseudowissenschaft betrachtet . Andere sind anderer Meinung, [36] und die Stringtheorie bleibt ein aktives Forschungsthema in der theoretischen Physik . [37]

Schleife Quantengravitation

Die aktuelle Forschung zur Schleifenquantengravitation könnte bei einem TOE schließlich eine grundlegende Rolle spielen, aber das ist nicht ihr primäres Ziel. [38] Auch die Schleifenquantengravitation führt eine untere Schranke für die möglichen Längenskalen ein.

Es gab kürzlich Behauptungen, dass die Schleifenquantengravitation in der Lage sein könnte, Merkmale zu reproduzieren, die dem Standardmodell ähneln . Bisher wurde nur die erste Generation von Fermionen ( Leptonen und Quarks ) mit korrekten Paritätseigenschaften von Sundance Bilson-Thompson modelliert, wobei als Bausteine Preonen verwendet werden, die aus Geflechten der Raumzeit bestehen. [39] Es gibt jedoch keine Ableitung des Lagrange-Operators , die die Wechselwirkungen solcher Teilchen beschreiben würde, noch kann gezeigt werden, dass solche Teilchen Fermionen sind, noch dass die Eichgruppen oder Wechselwirkungen des Standardmodells realisiert werden. Nutzung von QuantencomputingKonzepte konnten zeigen, dass die Teilchen Quantenfluktuationen überstehen . [40]

Dieses Modell führt zu einer Interpretation von elektrischer und Farbladung als topologische Größen (elektrisch als Anzahl und Chiralität der auf den einzelnen Bändern getragenen Verdrillungen und Farbe als Varianten einer solchen Verdrillung für feste elektrische Ladung).

Bilson-Thompsons Originalarbeit schlug vor, dass die Fermionen der höheren Generation durch kompliziertere Geflechte repräsentiert werden könnten, obwohl keine expliziten Konstruktionen dieser Strukturen angegeben wurden. Die elektrischen Ladungs-, Farb- und Paritätseigenschaften solcher Fermionen würden sich wie bei der ersten Generation ergeben. Das Modell wurde in einer Arbeit von Bilson-Thompson, Hackett, Kauffman und Smolin aus dem Jahr 2008 ausdrücklich für eine unendliche Anzahl von Generationen und für die Bosonen mit schwacher Kraft (aber nicht für Photonen oder Gluonen) verallgemeinert. [41]

Andere Versuche

Unter anderem versucht , eine Theorie von Allem ist die Theorie der Entwicklung kausaler Fermionsysteme , [42] gibt die beide aktuellen physikalischen Theorien ( die allgemeine Relativitätstheorie und Quantenfeldtheorie ) als Grenzfälle.

Eine andere Theorie wird Kausalmengen genannt . Wie bei einigen der oben genannten Ansätze ist es nicht unbedingt das direkte Ziel, einen TOE zu erreichen, sondern in erster Linie eine Arbeitstheorie der Quantengravitation, die schließlich das Standardmodell einschließen und ein Kandidat für einen TOE werden könnte. Sein Grundprinzip ist, dass die Raumzeit grundsätzlich diskret ist und die Raumzeitereignisse durch eine Teilordnung zusammenhängen . Diese Teilordnung hat die physikalische Bedeutung der Kausalitätsbeziehungen zwischen relativer Vergangenheit und Zukunft, die Raumzeitereignisse unterscheiden .

Die kausale dynamische Triangulation geht nicht von einer bereits existierenden Arena (dimensionalem Raum) aus, sondern versucht vielmehr zu zeigen, wie sich das Raum-Zeit-Gefüge selbst entwickelt.

Ein anderer Versuch könnte mit ER=EPR zusammenhängen , einer Vermutung in der Physik, die besagt, dass verschränkte Teilchen durch ein Wurmloch (oder eine Einstein-Rosen-Brücke) verbunden sind. [43]

Aktueller Status

Gegenwärtig gibt es keine Kandidatentheorie für alles, was das Standardmodell der Teilchenphysik und der Allgemeinen Relativitätstheorie umfasst und gleichzeitig die Feinstrukturkonstante oder die Masse des Elektrons berechnen kann . [3] Die meisten Teilchenphysiker erwarten, dass die Ergebnisse laufender Experimente – die Suche nach neuen Teilchen an den großen Teilchenbeschleunigern und nach Dunkler Materie – benötigt werden, um weiteren Input für einen TOE zu liefern.

Argumente gegen

Parallel zur intensiven Suche nach einem TOE haben verschiedene Wissenschaftler ernsthaft über die Möglichkeit seiner Entdeckung diskutiert.

Unvollständigkeitssatz von Gödel

Eine Reihe von Wissenschaftlern behauptet, dass Gödels Unvollständigkeitssatz darauf hindeutet, dass jeder Versuch, einen EVG zu konstruieren, zum Scheitern verurteilt ist. Gödels Satz, informell formuliert, behauptet, dass jede formale Theorie, die ausreicht, um elementare arithmetische Tatsachen auszudrücken und stark genug, um sie zu beweisen, entweder inkonsistent ist (sowohl eine Aussage als auch ihre Ablehnung können aus ihren Axiomen abgeleitet werden) oder unvollständig in dem Sinne, dass es ist eine wahre Aussage, die in der formalen Theorie nicht hergeleitet werden kann.

Stanley Jaki wies in seinem 1966 erschienenen Buch The Relevance of Physics darauf hin, dass jede "Theorie von allem" sicherlich eine konsistente, nicht-triviale mathematische Theorie sein wird, sie unvollständig sein muss. Er behauptet, dass dieser Untergang nach einer deterministischen Theorie von allem sucht. [44]

Freeman Dyson hat gesagt: „Der Satz von Gödel impliziert, dass die reine Mathematik unerschöpflich ist. Egal wie viele Probleme wir lösen, es wird immer andere Probleme geben, die nicht innerhalb der bestehenden Regeln gelöst werden können. […] Wegen des Satzes von Gödel ist auch die Physik unerschöpflich Die Gesetze der Physik sind ein endliches Regelwerk und beinhalten die Regeln für die Mathematik, so dass der Satz von Gödel auf sie anwendbar ist.“ [45]

Stephen Hawking glaubte ursprünglich an die Theorie von allem, aber nachdem er Gödels Theorem betrachtet hatte, kam er zu dem Schluss, dass eine nicht erhältlich war. "Manche Leute werden sehr enttäuscht sein, wenn es keine endgültige Theorie gibt, die sich als endliche Anzahl von Prinzipien formulieren lässt. Ich gehörte früher zu diesem Lager, aber ich habe meine Meinung geändert." [46]

Gegen diese Ansicht hat Jürgen Schmidhuber (1997) argumentiert; er behauptet, dass die Sätze von Gödel für die berechenbare Physik irrelevant sind . [47] Im Jahr 2000 konstruierte Schmidhuber explizit limitberechenbare, deterministische Universen, deren Pseudozufälligkeit basierend auf unentscheidbaren , Gödel-ähnlichen Halteproblemen extrem schwer zu erkennen ist, aber formale TOEs, die durch sehr wenige Informationen beschreibbar sind, überhaupt nicht verhindert. [48]

Ähnliche Kritik wurde von Solomon Feferman [49] und anderen angeboten. Douglas S. Robertson führt als Beispiel Conways Spiel des Lebens an: [50] Die zugrunde liegenden Regeln sind einfach und vollständig, aber es gibt formal unentscheidbare Fragen zum Verhalten des Spiels. Analog können (oder auch nicht) die zugrunde liegenden Regeln der Physik mit einer endlichen Anzahl wohldefinierter Gesetze vollständig formuliert werden, aber es besteht kein Zweifel daran, dass es Fragen zum Verhalten physikalischer Systeme gibt, die formal unentscheidbar sind Grundlage der zugrunde liegenden Gesetze.

Da die meisten Physiker die Angabe der zugrunde liegenden Regeln für die Definition einer "Theorie von allem" als ausreichend erachten würden, argumentieren die meisten Physiker, dass Gödels Theorem nicht bedeutet, dass ein TOE nicht existieren kann. Andererseits scheinen sich die Gelehrten, die sich auf Gödels Theorem berufen, zumindest in einigen Fällen nicht auf die zugrunde liegenden Regeln, sondern auf die Verständlichkeit des Verhaltens aller physikalischen Systeme zu beziehen, wie wenn Hawking erwähnt, Blöcke zu Rechtecken anzuordnen, Berechnung von Primzahlen in eine physikalische Frage. [51] Diese definitorische Diskrepanz kann einige der Meinungsverschiedenheiten unter den Forschern erklären.

Grundlegende Grenzen der Genauigkeit

Es wird angenommen, dass keine physikalische Theorie bis heute genau ist. Stattdessen ist die Physik mit einer Reihe von "sukzessiven Approximationen" vorangegangen, die immer genauere Vorhersagen über ein immer breiteres Spektrum von Phänomenen ermöglichen. Einige Physiker halten es daher für einen Fehler, theoretische Modelle mit der wahren Natur der Realität zu verwechseln, und meinen, dass die Reihe von Näherungen niemals in der "Wahrheit" enden wird. Einstein selbst hat diese Ansicht gelegentlich geäußert. [52] Dieser Ansicht folgend, dürfen wir vernünftigerweise auf eine Theorie von allem hoffen, die in sich konsistent alle gegenwärtig bekannten Kräfte einbezieht, aber wir sollten nicht erwarten, dass sie die endgültige Antwort ist.

Auf der anderen Seite wird oft behauptet, dass trotz der scheinbar immer komplexer werdenden Mathematik jeder neuen Theorie, die in einem tiefen Sinne mit ihrer zugrunde liegenden Eichsymmetrie und der Anzahl dimensionsloser physikalischer Konstanten verbunden ist , die Theorien einfacher werden. Wenn dies der Fall ist, kann der Vereinfachungsprozess nicht unbegrenzt fortgesetzt werden.

Fehlen grundlegender Gesetze

Es gibt eine philosophische Debatte innerhalb der Physik-Gemeinschaft darüber, ob eine Theorie von allem es verdient, als das Grundgesetz des Universums bezeichnet zu werden. [53] Eine Ansicht ist die harte reduktionistische Position, dass der TOE das Grundgesetz ist und dass alle anderen Theorien, die im Universum gelten, eine Folge des TOE sind. Eine andere Ansicht ist, dass emergente Gesetze, die das Verhalten komplexer Systeme bestimmen , als ebenso grundlegend anzusehen sind. Beispiele für emergente Gesetze sind der zweite Hauptsatz der Thermodynamik und die Theorie der natürlichen Auslese. Die Befürworter der Emergenz argumentieren, dass emergente Gesetze, insbesondere solche, die komplexe oder lebende Systeme beschreiben, unabhängig von den mikroskopischen Gesetzen auf niedriger Ebene sind. Aus dieser Sicht sind aufkommende Gesetze so grundlegend wie ein EVG.

Die Debatten machen den Streitpunkt nicht klar. Möglicherweise geht es nur um das Recht, den hochrangigen Begriff „fundamental“ auf die jeweiligen Forschungsgegenstände anzuwenden. Eine bekannte Debatte über diese fand zwischen Steven Weinberg und Philip Anderson [ Bearbeiten ] . [54]

Unmöglichkeit, "von allem" zu sein

Obwohl der Name "Theorie von allem" den Determinismus von Laplaces Zitat suggeriert, erweckt dies einen sehr irreführenden Eindruck. Der Determinismus wird durch die probabilistische Natur quantenmechanischer Vorhersagen, durch die extreme Empfindlichkeit gegenüber Anfangsbedingungen, die zu mathematischem Chaos führt , durch die Beschränkungen aufgrund von Ereignishorizonten und durch die extreme mathematische Schwierigkeit, die Theorie anzuwenden, frustriert . Obwohl das aktuelle Standardmodell der Teilchenphysik "im Prinzip" fast alle bekannten nichtgravitativen Phänomene vorhersagt, wurden in der Praxis nur wenige quantitative Ergebnisse aus der vollständigen Theorie abgeleitet (z. B. die Massen einiger der einfachsten Hadronen) und diese Ergebnisse (insbesondere die für die Niederenergiephysik am relevantesten Teilchenmassen) sind weniger genau als bestehende experimentelle Messungen. Auch in der klassischen Mechanik gibt es noch ungelöste Probleme wie Turbulenzen , obwohl die Gleichungen seit Jahrhunderten bekannt sind. Der EVG wäre mit ziemlicher Sicherheit noch schwieriger für die Vorhersage experimenteller Ergebnisse anzuwenden und könnte daher von begrenztem Nutzen sein.

Ein Motiv für die Suche nach einem EVG [ Zitat erforderlich ] neben der reinen intellektuellen Befriedigung, eine jahrhundertelange Suche zu vollenden, besteht darin, dass frühere Beispiele der Vereinigung neue Phänomene vorhergesagt haben, von denen sich einige (z. B. elektrische Generatoren ) als sehr praktisch erwiesen haben Bedeutung. Und wie in diesen früheren Beispielen der Vereinheitlichung würde uns der TOE wahrscheinlich erlauben, den Gültigkeitsbereich und den Restfehler von Näherungen mit niedriger Energie an die vollständige Theorie sicher zu definieren.

Die Theorien berücksichtigen im Allgemeinen nicht die scheinbaren Phänomene des Bewusstseins oder des freien Willens , die stattdessen oft Gegenstand von Philosophie und Religion sind .

Unendlich viele Zwiebelschichten

Frank Close argumentiert regelmäßig, dass die Schichten der Natur wie die Schichten einer Zwiebel sein können und dass die Anzahl der Schichten unendlich sein könnte. [55] Dies würde eine unendliche Abfolge physikalischer Theorien implizieren.

Unmöglichkeit der Berechnung

Weinberg [56] weist darauf hin, dass es unmöglich ist, die genaue Bewegung eines tatsächlichen Projektils in der Erdatmosphäre zu berechnen. Wie können wir also wissen, dass wir eine angemessene Theorie zur Beschreibung der Bewegung von Projektilen haben? Weinberg schlägt vor, dass wir Prinzipien (Newtons Gesetze der Bewegung und Gravitation) kennen, die für einfache Beispiele, wie die Bewegung von Planeten im leeren Raum, "gut genug" funktionieren. Diese Prinzipien haben bei einfachen Beispielen so gut funktioniert, dass wir einigermaßen sicher sein können, dass sie bei komplexeren Beispielen funktionieren. Obwohl zum Beispiel die allgemeine RelativitätstheorieGleichungen enthält, die keine exakten Lösungen haben, wird sie weithin als gültige Theorie akzeptiert, da alle ihre Gleichungen mit exakten Lösungen experimentell verifiziert wurden. Ebenso muss ein EVG für eine Vielzahl einfacher Beispiele so funktionieren, dass wir einigermaßen sicher sein können, dass es für jede Situation in der Physik funktioniert.

Siehe auch

  • Absolut (Philosophie)
  • Argument aus Schönheit
  • Attraktor
  • Jenseits von Schwarzen Löchern
  • Jenseits des Standardmodells
  • Urknall
  • cGH Physik
  • Chronologie des Universums
  • Elektroschwache Wechselwirkung
  • ER=EPR
  • Holographisches Prinzip
  • Mathematische Schönheit
  • Hypothese des mathematischen Universums
  • Multiversum
  • Penrose-Interpretation
  • Skalenrelativität
  • Standardmodell (mathematische Formulierung)
  • Suprafluid-Vakuum-Theorie (SVT)
  • Die Theorie von allem (Film 2014)
  • Zeitleiste des Urknalls
  • Einheitliche Feldtheorie
  • Null-Energie-Universum

Verweise

  1. ^ Fran De Aquino (1999). "Theorie von allem". arXiv : gr-qc/9910036 .
  2. ^ Steven Weinberg (2011-04-20). Träume von einer endgültigen Theorie: Die Suche des Wissenschaftlers nach den ultimativen Naturgesetzen . Knopf Doubleday Verlagsgruppe. ISBN 978-0-307-78786-6.
  3. ^ a b Auf Wiedersehen, Dennis (23. November 2020). „Kann ein Computer - Devise a Theory of Everything - Es könnte möglich sein, sagen die Physiker, aber nicht in absehbarer Zeit und es gibt keine Garantie , dass wir Menschen verstehen das Ergebnis.“ . Die New York Times . Abgerufen am 23. November 2020 .
  4. ^ Stephen W. Hawking (28. Februar 2006). Die Theorie von allem: Der Ursprung und das Schicksal des Universums . Phönix-Bücher; Besonderes Jubiläum ISBN 978-1-59777-508-3.
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Externe Links

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  • Die Theorie von allem : Kommen wir uns näher oder ist eine endgültige Theorie der Materie und des Universums unmöglich? Debatte zwischen John Ellis (Physiker) , Frank Close und Nicholas Maxwell .
  • Why The World Exists , eine Diskussion zwischen der Physikerin Laura Mersini-Houghton , dem Kosmologen George Francis Rayner Ellis und dem Philosophen David Wallace über Dunkle Materie, Paralleluniversen und die Erklärung, warum diese und das gegenwärtige Universum existieren.
  • Theories of Everything , BBC Radio 4 Diskussion mit Brian Greene, John Barrow & Val Gibson ( In Our Time , 25. März 2004)
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