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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.