Physiker entdecken Stringtheorie ohne Absicht

Ursprünglich in den 1960er-Jahren entwickelt, versucht die Stringtheorie, eines der größten ungelösten Probleme der Physik zu lösen: die Vereinigung der Quantenmechanik mit der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Die Quantenmechanik erklärt das Verhalten extrem kleinen Skalen, während die Allgemeine Relativitätstheorie die Gravitation und die Struktur des Kosmos auf den größten Skalen beschreibt.

Physiker haben sich seit Jahrzehnten mit der Vereinigung beider theoretischer Rahmenwerke beschäftigt, da die Mathematik versagt, sobald die Gravitation quantenmechanisch behandelt wird. Die Stringtheorie bietet eine mögliche Lösung, indem sie punktförmige Teilchen durch mikroskopische Strings ersetzt.

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Unterschiedliche Schwingungsmoden dieser Strings würden alle bekannten Teilchen erzeugen, einschließlich des Gravitons, eines hypothetischen Teilchens, das die Gravitation vermittelt. Die Theorie sagt zudem die Existenz, anstatt der vier, die der Mensch im Alltag erfährt. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, die Theorie direkt zu testen.

Die Energien, die für einen experimentellen Nachweis der Strings erforderlich wären, sind so enorm, dass Forscher einen Teilchenbeschleuniger der Größe einer Galaxie benötigen würden. Ein neuer Bootstrap-Ansatz für die Stringtheorie: Da eine direkte Überprüfung der Stringtheorie nicht möglich ist, wenden Physiker alternative Methoden an.

Eine zunehmend populäre Strategie ist der sogenannte „Bootstrap"-Ansatz. Statt mit einer vollständigen Theorie zu beginnen, starten Wissenschaftler mit einigen allgemeinen Annahmen darüber, wie die Natur sich verhalten sollte, und untersuchen, welche mathematischen Strukturen daraus entstehen.

Was die Studie zeigt

In einem neuen Artikel mit dem Titel „Strings from Almost Nothing", der zur Veröffentlichung in Physical Review Letters angenommen wurde, haben Forscher vom Caltech, der New York University und dem Institut de Fisica d'Altes Energies in Barcelona diese Methode verwendet, um Teilchenwechselwirkungen bei extrem hohen Energien zu untersuchen.

Ausgehend über Streuungsverhalten haben sie unerwartet die definierenden Merkmale der Stringtheorie wiederhergestellt. „Die Strings sind einfach so herausgefallen", sagt Clifford Cheung, Professor für theoretische Physik und Direktor des Leinweber Forums für Theoretische Physik am Caltech. „Wir haben über Strings getroffen, doch die Lösung enthielt die Eckpfeiler-Signaturen." Cheung erklärt, dass die Arbeit nicht als experimenteller Beweis für die Stringtheorie gewertet werden kann, das Ergebnis ist dennoch bedeutsam, da die zugrunde liegenden Annahmen viele mögliche mathematische Ergebnisse hätten hervorbringen können.

Stattdessen führten die Gleichungen zu einer einzigartigen Struktur, die der Stringtheorie entspricht. Das unendliche Spektrum der Teilchen Eines der wichtigsten Signaturen, die hervorgetreten sind, wird als String-Spektrum bezeichnet.

Ende der 1960er Jahre entdeckte der

Ende der 1960er Jahre entdeckte der italienische Physiker Gabriele Veneziano am CERN eine mathematische Funktion, die eine scheinbar endlose Sequenz, die in Kollisionsexperimenten erzeugt werden.

Diese Teilchen traten in einem geordneten Muster auf mit stetig zunehmenden Massen und Spins. „Zu Venezianos Zeit sahen Teilchenkollider diesen Sprühregen aus Trümmern aus den Kollisionen hervorgehen, Teilchen unterschiedlicher Massen.

Es war faszinierend, und niemand hatte eine Ahnung, was vor sich ging." Veneziano hat eine Funktion formuliert, um alle Massen zu beschreiben und damit einen unendlichen Turm üllt", sagt Cheung. Wissenschaftler erkannten später, dass dieses Teilchenspektrum den harmonischen Schwingungen einer musikalischen Saite ähnelt.

Technik und Auswirkungen

Eine Geigen-Saite erzeugt beispielsweise einen Grundton sowie eine Reihe höherer Obertöne. Die Stringtheorie geht davon aus, dass Teilchen aus ähnlichen Schwingungsmustern entstehen.

Die Verbindung zwischen Stringtheorie und Gravitation wurde im Jahr 1974 klarer, als der Physiker der französische Physiker Joël Scherk erkannten, dass die Theorie die Gravitation selbst natürlich einschließt. „Wie alle Teilchenphysiker jener Zeit hatten wir kein vorheriges Interesse an der Gravitation.

Stringtheorien verhalten sich bei sehr hohen Energien gut, im Gegensatz zu Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die lediglich als Näherung bei niedrigen Energien gültig ist. Daher waren wir, obwohl noch vieles nicht verstanden war, sehr erregt darüber, dass eine Version der Stringtheorie eine vereinheitlichte Quantentheorie könnte", sagt Schwarz.

In der Stringtheorie entspricht jede Schwingungsmoden

In der Stringtheorie entspricht jede Schwingungsmoden einem anderen Teilchen. Ein Photon kann aus einer offenen String entstehen, die in einem Grundzustand schwingt, während ein Graviton aus einer geschlossenen String hervorgehen kann, die auf ähnliche Weise schwingt.

Warum Quantengravitation instabil wird Die neue Studie konzentrierte sich auf Streuamplituden, mathematische Werkzeuge, die verwendet werden, um die Ergebnisse hohen Energien in der Nähe der Planck-Skala beginnen Berechnungen auf Basis der Allgemeinen Relativitätstheorie, Unendlichkeiten zu produzieren, die keinen physikalischen Sinn ergeben. „Wenn man die Allgemeine Relativitätstheorie nimmt und bei sehr hohen Energien in der sogenannten Planck-Skala streut – das ist etwa 19 Größenordnungen größer als die Masse eines Protons –, erhält man ein Ergebnis, das keinen Sinn ergibt.

Alles bricht vollständig zusammen", sagt Cheung. Die Stringtheorie vermeidet dieses Problem durch eine Eigenschaft, die als Ultrasoftness bezeichnet wird.

Technik, Energie und Einsatz

Bei sehr hohen Energien werden Wechselwirkungen glatter und weniger gewalttätig, wodurch verhindert wird, dass die Gleichungen gegen Unendlich divergieren. „In einem Stringtheorie-Rahmenwerk beobachten Sie, dass die Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich Teilchen streuen, mit zunehmender Energieübertragung zwischen den Teilchen schnell abfällt.

Es ist, als würden die Teilchen gar nicht erst wollen, sich gegenseitig zu streuen, sondern stattdessen frei vorüberziehen", sagt Cheung. „Die Streuamplituden gehen nicht gegen Unendlich; sie verhalten sich besser." Die Forscher nutzten dieses ultrasofte Verhalten als eine ihrer Kernannahmen.

Zudem gingen sie, die als „minimal zeros" bezeichnet wird und die Anzahl der speziellen Punkte begrenzt, an denen die Streuwahrscheinlichkeiten verschwinden. "Besonders bemerkenswert ist, dass Konsistenz verlangt, dass Streuamplituden nicht nur zu interagieren, sondern auch an speziellen kinematischen Punkten, sogenannten 'Nullstellen', nicht zu interagieren haben." Die Annahme der 'minimalen Nullstellen' fordert die mathematisch durch die Gleichungen erlaubte geringste Anzahl solcher verschwindenden Punkte, so Cheung.

Technik und Auswirkungen

Aus nur diesen Annahmen zeigten die Forscher mathematisch nach, dass die resultierenden Lösungen die zentralen Merkmale der Stringtheorie natürlich reproduzieren, einschließlich ihres charakteristischen Teilchenspektrums und der Kopplungsstärken. "Die präzisen Details der Stringtheorie entstanden automatisch, einschließlich des unendlichen Turms massiver, sich drehender Teilchen, die die 'Harmonischen' der String bilden, für die die Theorie berühmt ist", sagt Mitautor Grant N.

Remmen (PhD '17), James Arthur Postdoctoral Fellow an der New York University. Eine alte physikalische Idee wiederbeleben: Cheung vergleicht die Bootstrap-Methode mit dem Lösen eines Sudoku-Rätsels.

Ausgehend Forscher nach der einen Lösung, die alle Bedingungen erfüllt. „Die tiefe Ironie besteht darin, dass dieses Bootstrapping-Konzept, das wir heute mit modernen Werkzeugen und modernen Ideen verfolgen, ausgesprochen retro ist. Es ist eine alte Idee", erklärt Cheung. „Die ursprüngliche Entdeckung des Veneziano-Spektrums und die Arbeit ähnlichen Weg.

Technik und Auswirkungen

Sie begannen nicht mit Stringtheorie-Modellen, sondern die Lösungen ergaben sich aus grundlegenden Prinzipien." Cheung würdigt zudem frühere Pioniere des Bootstrapping-Konzepts, darunter den Physiker Steven Frautschi vom Caltech und den Physiker Geoffrey Chew den 1960er Jahren entwickelten sie Bootstrapping-Methoden in der Teilchenphysik und entdeckten frühe Hinweise auf dasselbe unendliche Teilchenspektrum, das später mit der Stringtheorie in Verbindung gebracht wurde. „Die Idee des Bootstrap-Verfahrens galt als veraltet, doch nun bringen Persönlichkeiten wie Cliff es wieder auf und modernisieren es", sagt Hirosi Ooguri, Fred-Kavli-Professor für theoretische Physik und Mathematik am Caltech sowie Kent-und-Joyce-Kresa-Leadership-Chair der Division für Physik, Mathematik und Astronomie. „Wir verfügen heute über ein besseres Verständnis der grundlegenden Annahmen, die wir treffen können, sowie über leistungsfähigere Methoden, um diese Annahmen in Eigenschaften zu übersetzen." Quelle: „Strings from almost nothing", Grant N.

Remmen, Francesco Sciotti und Michele Tarquini. Akzeptiert in Physical Review Letters.

DOI: 10.1103/cw4p-cqh7 Die Studie wurde unterstützt durch das US-amerikanische Department of Energy, das Walter-Burke-Institut für theoretische Physik, das Leinweber-Forum für theoretische Physik, die James-Arthur-Postdoktoranden-Stelle an der New York University sowie das Next Generation EU.

Zusätzliche Autoren sind Francesco Sciotti vom Institut de Física d'Altes Energies in Barcelona und Michele Tarquini, ein Doktorand am Caltech.