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Transkript
Was ist die wahre Natur des Universums?
Um diese Frage zu beantworten, haben sich Menschen Geschichten ausgedacht, um die Welt zu beschreiben.
Wir testen unsere Geschichten und lernen, was wir behalten oder entfernen sollten
Aber je mehr wir lernen, desto komplizierter und seltsamer werden unsere Geschichten!
Manche davon sogar so sehr, dass es schwer zu wissen ist worüber sie wirklich handeln,
wie die “String Theorie”
Eine berühmte, kontroverse und oft missverstandene Geschichte über die Natur von allem
Warum haben wir sie uns ausgedacht, und stimmt sie, oder sollten wir sie besser einfach verwerfen
Um die wahre Natur der Realität zu verstehen schauten wir ganz genau hin und waren erstaunt
Wundersame Welten im Staub, Zoos bizarrer Kreaturen, komplexe Eiweißroboter
Sie alle bestehen aus strukturierten Molekülen, die wiederum auf zahllosen noch kleineren Atomen basieren
Wir dachten diese wären die kleinsten Bausteine der Realität, bis wir sie wirklich hart zusammenschlugen
und Teilchen entdeckten, die nicht weiter geteilt werden konnten
Elementarteilchen
Doch nun gab es ein Problem: So kleine Teilchen konnten wir nicht länger sehen
Denk’ mal drüber nach: Was ist “Sehen” eigentlich?
Um etwas sehen zu können benötigen wir Licht, eine elektromagnetische Welle
Diese Welle wird von der Oberfläche eines Objekts in unser Auge reflektiert
Die Welle transportiert Informationen über das Objekt, die dein Hirn zu einem Bild verarbeitet
Also kannst du ein Objekt nicht sehen, ohne irgendwie mit dem Objekt zu interagieren
“Sehen” entspricht “Berühren” – es ist ein aktiver Prozess, kein passiver
In den meisten Fällen ist das kein Problem
Doch Elementarteilchen sind sehr, sehr, SEHR klein
So winzig, dass die elektromagnetischen Wellen, die uns beim Sehen helfen, einfach zu groß sind um sie zu berühren
Sichtbares Licht übergeht diese Teilchen einfach
Wir können versuchen elektromagnetische Wellen mit mehr und wesentlich kleineren Wellenlängen zu nutzen
Doch eine kleinere Wellenlänge führt zu größerer Energie
Und wenn wir ein Teilchen mit hochenergetischen Wellen treffen, verändert es sich dadurch
Versuchen wir also ein Teilen anzusehen, verändern wir es unwillkürlich auch
Elementarteilen können wir demnach nicht präzise ermessen
Ein so bedeutsamer Grundsatz hat einen eigenen Namen:
die Heisenbergsche Unschärferelation auf der die gesamte Quantenphysik fußt
Wie sieht ein Elementarteilchen denn dann aus?
Und worin liegt seine Natur?
Wir wissen es einfach nicht.
Wenn wir ganz genau hinschauen, sehen wir nur einen wagen Einflussbereich, doch nie die eigentlichen Partikel
Wir wissen lediglich, dass sie existieren müssen.
Aber wie können wir dann überhaupt mit den Teilchen herum forschen?
Wir machten, was Menschen am besten können: Eine neue Geschichte voll mathematischer Fiktion erfinden
Die Geschichte des Punktpartikels beginnt
Wir einigten uns darauf, dass ein Teilchen einem festen Punkt im Raum entspricht
Jedes Elektron ist ein Punkt mit einer bestimmten Masse und Ladung
Und alle Elektronen gleichen sie in jeder Hinsicht
Auf diese Weise konnten Physiker Elektronen definieren und all ihre Interaktionen berechnen
Diese sogenannte Quantenfeldtheorie löste eine Menge Probleme
Das gesamte Standardmodell der Teilchenphysik basiert darauf
Und es sagt viele Dinge ziemlich genau voraus
Einige Quanteneigenschaften der Elektronen wurden beispielsweise getestet und sind bis auf 0.0000000000002% genau
Obwohl Teilchen also nicht wirklich Punkten entsprechen, liefert uns diese vereinfachte Vorstellung ein ziemlich genaues Bild des Universums
Diese Idee war nicht nur ein großer Fortschritt für die theoretischen Wissenschaften,
sie führte auch zur Entwicklung vieler Technologien von denen wir täglich profitieren
Doch dann ist da noch enorme Problem mit der Schwerkraft…
In der Quantenmechanik werden alle Kräfte von bestimmten Partikeln übertragen
Doch Einstein’s allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Gravitation keine Kraft wie jede andere ist
Wenn das Universum ein Theaterstück ist, wären Partikel die Schauspieler, aber Gravitation ist die Bühne
Vereinfacht gesagt ist Gravitation eine geometrische Theorie
Die Geometrie von nichts geringerem als der Raumzeit
Eine Theorie, die Distanzen beschreibt, die wir mir absoluter Sicherheit definieren müssen
Doch in der Welt der Quanten gibt es keinen Weg, Dinge präzise zu messen
Weshalb unsere Geschichten von Gravitation und Quantenphysik nicht zusammen funktionieren
Als Physiker versuchten Gravitation mit einem neuen Teilchen in die Geschichte zu integrieren
brach das gesamte mathematische System zusammen
Und das ist ein riesiges Problem
Wenn wir Gravitation mit dem Standardmodell vereinen könnten, hätten wir sie, die “Theorie von Allem”
also überlegten sich sehr sehr schlaue Menschen eine neue Geschichte
Sie fragten sich: “Was ist komplexer als ein Punkt?”
Genau, eine Linie! Auch “String” genannt
Das war die Geburtsstunde der Stringtheorie
Besonders elegant ist die Stringtheorie, weil sie viele unterschiedliche Teilchen als verschiedene Schwingungsarten des Strings beschreibt
So wie eine Geigensaite unterschiedlich vibriert und so viele Töne produzieren kann
Kann ein String viele verschiedene Partikel erzeugen
Und am wichtigsten: Gravitation ist ebenfalls inbegriffen!
Die Stringtheorie versprach also alle fundamentalen Kräfte des Universums zu vereinen
Das hat enorme Unruhe und Freude verursacht.
Die Stringtheorie ist schnell zur möglichen Theorie von allem geworden.
Leider hat die Stringtheorie viele Haken.
Viele der Mathematiken, einschließlich einer einheitlichen Stringtheorie,
funktioniert nicht in unserem Universum mit seinem dreidimensionalen Raum und der eindimensonialen Zeit.
Die Stringtheorie benötigt 10 Dimensionen um zu funktionieren.
Also haben Stringtheoretiker Berechnungen in Modell-Universen gemacht.
Und dann wollten sie die 6 zusätzlichen Dimensionen loswerden
und unser eigenes Universum beschreiben.
Aber bis jetzt hat es noch niemand geschafft
und keine Voraussage der Stringtheorie wurde jemals in einem Experiment bewiesen.
Also hat die Stringtheorie nicht die Natur unseres Universums verraten.
Aber man könnte auch behaupten, dass in diesem Fall,
die Stringtheorie wirklich überhaupt nicht nützlich ist.
Die Naturwissenschaften sind über Experimente und Voraussagungen.
Wenn wir die nicht machen können, warum sollten wir uns mit Strings beschäftigen?
Es geht eigentlich nur darum wie wir sie benutzen.
Physik basiert auf Mathematik, zwei plus zwei ist vier
Das ist richtig, egal was du darüber denkst.
Und die Mathematik in der Stringtheorie ergibt Sinn.
Darum ist die Stringtheorie immer noch nützlich.
Stell dir vor du willst ein Kreuzfahrtschiff bauen, hast aber nur Pläne für ein kleines Ruderboot
Es gibt viele Unterschiede: Der Motor, das Material, die Grösse
Aber beide Dinge sind fundamental gleich: sie können schwimmen
So kannst du durch das Studieren der Ruderbootpläne vielleicht lernen,
wie du einmal ein Kreuzfahrtschiff bauen können.
Mit der String Theorie können wir versuchen einige Fragen über Quanten Gravität zu lösen
welche Physiker seit Jahrzehnten beschäftigten
wie etwa wie schwarze Löcher oder das Informations Paradoxon funktionieren.
Die String Theorie führt uns vielleicht in die richtige Richtung
Wenn wir diese Einstellung haben, wird die String Theorie ein wichtiges Insturment für
theoretische Physiker um neue Aspekte der Quantenwelt zu entdecken,
und schöne Mathematik.
Also, vielleicht ist die Geschichte der String Theorie doch nicht die Theorie von allem
Aber wie in der Geschichte des Punkt Partikels
kann es eine extrem nützliche Geschichte sein.
Wir wissen noch nicht, was die wahre Natur der Realität ist,
aber wir erfinden immer weitere Geschichten um zu Versuchen dies herauszufinden
bis wir, hoffentlich, eines Tages
die Lösung von allem gefunden haben.
Dieses Video wurde von der “swiss national science foundation” unterstützt und durch die wissenschaftliche Hilfe von Allessandro Sfondrini ermöglich.