Verdensformel

En verdensformel eller en teori om alt ( engelsk teori om alt , ToE eller TOE ) er en hypotetisk teori , dannet fra teoretisk fysikk og matematikk , som skal presist beskrive og knytte alle fysiske fenomener i det kjente universet . Over tid har begrepet strømmet til popularisering av elementær partikkelfysikk . I dette forskningsområdet vil en verdensformel, dvs. en enkelt, altomfattende modell, forklare og bringe sammen teoriene om alle grunnleggende interaksjoner i naturen.

forventningene

En teori om alt skal blant annet nøyaktig beskrive alle de fire grunnleggende kreftene - gravitasjon , elektromagnetisme og svake og sterke atomkrefter. Man snakker også om en forening av krefter eller samspill.

Den mulige foreningen av de tre grunnleggende kreftene, dvs. H. den elektromagnetiske, den svake (enhetlig i elektrosvak målerteori ) og den sterke interaksjonen ( kvantekromodynamikk ) uten tyngdekraft, blir referert til som den store enhetlige teorien ( Grand Unified Theory , GUT ). Muligheten for denne delvise foreningen av de tre sporviddeinteraksjonene antas på grunn av likheten i den matematiske strukturen til de tre teoriene.

For teorien om alt er inkludering av tyngdekraften spesielt nødvendig. Det er forventet at dette finner sted ved en energi på omtrent 10 19 GeV (den Planck energi ), da en ekstrapolering av den styrken av vekselvirkningen mellom de enkelte grunnleggende krefter til denne energien indikerer at de er da alle sammenlignbare, og fordi de Planck energi bruker tyngdekraft og kvantefeltteori må brukes samtidig i hvert tilfelle.

For eksempel bør en teori om alt:

  • inneholder generell relativitetsteori og kvantefeltsteori,
  • forklare de observerte kreftene og partiklene til standardmodellen for elementære partikler ,
  • forklare massene, koblingskonstantene og blandingsvinklene til standardmodellen for elementære partikler ,
  • Beskriv standardmodellen for kosmologi , samt klargjøre og forutsi prosessene i det tidlige eller sene universet - spesielt den asymptotiske oppførselen på veldig små eller veldig store rom- og tidsskalaer,
  • klargjøre naturen til mørk materie og mørk energi ,
  • inneholder en konsistent, renormaliserbar kvante teori om gravitasjon, sammen med beskrivelsen eller unngåelse av singulariteter.

Antatte funksjoner:

  • Supersymmetrisk , enhetlig grunnstruktur som går utover den tradisjonelle inndelingen i bosoniske og fermioniske frihetsgrader;
  • Fysiske frihetsgrader som går utover den firedimensjonale romtid.

Det er ikke klart om en teori om alt forutsier nye partikler eller til og med nye krefter. Slike nye partikler kan påvises med kosmologiske observasjoner. Det ble forventet fremgang mot en verdensformel fra eksperimentene på Large Hadron Collider , som startet på CERN i 2010 . Imidlertid er denne forventningen ikke bekreftet så langt (tidlig i 2021): ingen tegn til stor standardisering av de tre sporvidde-interaksjonene, ingen effekter av supersymmetri og ingen ytterligere dimensjoner eller frihetsgrader er funnet.

Mange fysikere er overbevist om at alle fysiske prosesser kan spores tilbake til et grunnleggende prinsipp ( reduksjonisme ) eller i det minste kan beskrives med noen få konsistente grunnuttrykk.

Verdensformler i historien

Forsøk på å spore den fysiske virkeligheten tilbake til et enkelt prinsipp går tilbake til antikken. I det gamle Hellas spekulerte før-sokratiske filosofer om at det tilsynelatende mangfoldet av fenomener som ble observert skyldtes en enkelt type interaksjon, nemlig bevegelse og kollisjon av atomer . Begrepet "atom" introdusert av Demokrit var et tidlig filosofisk forsøk på å forene alle fenomener som ble observert i naturen. Archimedes var muligens den første forskeren som beskrev naturen med aksiomer (eller prinsipper) og hentet nye resultater fra dem. Så han prøvde å beskrive “alt” på grunnlag av noen få aksiomer. Hver teori om alt forventes å stole på aksiomer og utlede alle observerbare fenomener fra dem.

Basert på Demokrits atomisme antok den mekaniske filosofien på 1600-tallet at alle krefter til slutt kunne reduseres til kontaktkrefter mellom atomene, som ble forestilt seg som små faste partikler. På slutten av 1600-tallet antydet Isaac Newtons beskrivelse av gravitasjonens virkning på avstand at ikke alle krefter i naturen skyldes mekanisk kontakt med materie. I sin Philosophiae Naturalis Principia Mathematica forenet Newton Galileos arbeid med tyngdekraften, Keplers lover om planetarisk bevegelse og fenomenet tidevann ved å forklare disse tilsynelatende forskjellige fenomenene i en enkelt lov: Newtons gravitasjonslov .

På grunnlag av disse resultatene foreslo Laplace i 1814 at et tilstrekkelig kraftig intellekt ville være i stand til å beregne og bestemme hver fortid og enhver fremtidig tilstand med kunnskap om alle naturlover og alle innledende forhold som posisjon, posisjon og hastighet til all fysisk partikler i kosmos. Dette konseptet kalles også Laplace-demonen . Så Laplace så en teori om alt i en kombinasjon av gravitasjon og mekanikk . Moderne kvantemekanikk innebærer imidlertid at tilstandene til partikler ikke bestemmes, men er utsatt for sannsynligheter, og det er grunnen til at Laplaces visjon må endres: en teori om alt må inkludere gravitasjon og kvantemekanikk.

I 1820 oppdaget Hans Christian Ørsted en sammenheng mellom elektrisitet og magnetisme, og utløste tiår med arbeid som kulminerte i James Clerk Maxwells teori om elektromagnetisme i 1865 . På 1800- og begynnelsen av 1900-tallet ble det gradvis klart at mange vanlige eksempler på krefter - kontaktkrefter, elastisitet, viskositet, friksjon og trykk - skyldes elektriske interaksjoner mellom de minste partiklene av materien. I sine eksperimenter fra 1849–50 var Michael Faraday den første som lette etter en forening av tyngdekraften med elektrisitet og magnetisme. Imidlertid fant han ingen sammenheng.

Emil du Bois-Reymond laget det tyske begrepet "Weltformel" allerede i 1872 i sin tale "On the Limits of Knowledge of Nature" i betydningen en komplett matematisk beskrivelse av verden som, etter hans mening, ikke kunne realiseres. Denne betegnelsen er betydelig eldre enn den engelske ekvivalenten "theory of everything".

I 1900 publiserte David Hilbert en berømt liste over matematiske problemer . I Hilberts sjette problem ba han om et aksiomatisk grunnlag for all fysikk å bli funnet. Så i dette problemet spurte han hva man ville kalt en teori om alt i dag.

På slutten av 1920-tallet viste den nye kvantemekanikken at de kjemiske bindingene mellom atomer er eksempler på (kvante) elektriske krefter, noe som førte til at Paul Dirac sa at “de underliggende fysiske lovene som styrer den matematiske teorien til en stor del av fysikken og hele av kjemi er nødvendige, og dermed er helt kjent "(i originalen:" de underliggende fysiske lovene som er nødvendige for den matematiske teorien til en stor del av fysikken og hele kjemien er dermed fullstendig kjent. ").

Etter at Albert Einstein publiserte sin generelle relativitetsteori i 1915 , begynte søket etter en enhetlig feltteori som ville kombinere gravitasjon og elektromagnetisme. På den tiden hadde de sterke og svake interaksjonene ennå ikke blitt oppdaget. Med dette begynte hans mer enn tretti år lange søk etter den såkalte Unified Field Theory , som skulle vise at gravitasjon og elektromagnetisme er manifestasjoner av et enkelt grunnleggende prinsipp. En tidlig teori om at enhetlig elektromagnetisk interaksjon og tyngdekraft var Kaluza-Klein teorien . Imidlertid oppsto den før de svake og sterke interaksjonene var kjent og var derfor ufullstendig. Albert Einstein prøvde til slutten av livet å finne en samlende teori, men til slutt lyktes det ikke.

I 1958 presenterte Werner Heisenberg en formel som han kalte materialligning, og som hovedelementet var en masseløs originalpartikkel Psi (,), som alle observerbare partikler senere ville være sammensatt av. Pressen hyllet raskt denne ligningen som den universelle formelen , men kritikk oppsto snart og kolleger oppdaget avvik i ligningen. Siden disse forsøkene, noen ganger for tidlig og overdrevet hyllet i pressen, har begrepet universell formel også blitt brukt i nedsettende, hånende forstand for lignende prosjekter. I sin kvanteteori om de opprinnelige alternativene søkte Heisenbergs student Carl Friedrich von Weizsäcker en enhetlig naturbeskrivelse utelukkende basert på kvanteteori, som han i denne sammenheng forsto som en teori om informasjon i tid.

I løpet av det 20. århundre ble søken etter en samlende teori komplisert av oppdagelsen av sterke og svake atomkrefter (eller samspill) som skiller seg fra både tyngdekraften og elektromagnetismen. En annen hindring var antagelsen om at kvantemekanikk måtte inkluderes i en slik teori fra starten, i stedet for å vises som et resultat av en deterministisk verdensformel, slik Einstein håpet.

Gravitasjon og elektromagnetisme kunne alltid eksistere sammen som klassiske krefter, men i mange år så det ut til at gravitasjon ikke engang kunne integreres i kvantarammen, enn si forenes med de andre grunnleggende kreftene. På grunn av dette fokuserte arbeidet i foreningen i det meste av det tjuende århundre på å forstå de tre "kvantekreftene": elektromagnetisme og den svake og sterke interaksjonen. De to første ble oppsummert i 1967-68 av Sheldon Glashow , Steven Weinberg og Abdus Salam for elektrosvak interaksjon . Den elektrosvake foreningen er en ødelagt symmetri: de elektromagnetiske og svake kreftene ser forskjellige ut ved lave energier fordi partiklene som bærer den svake kraften, W- og Z-bosonene, har en masse på 80,4 GeV / c² og 91,2 GeV / c², mens fotonet som bærer den elektromagnetiske kraften, er masseløs. Ved høyere energier kan W- og Z-bosoner lett genereres og enhetens styrke blir tydelig.

Selv om de sterke og elektrosvake kreftene eksisterer fredelig i standardmodellen for partikkelfysikk , forblir de forskjellige. Jakten på en teori om alt har fortsatt å være mislykket i to henseender: De sterke og elektrosvake kreftene er heller ikke blitt kombinert i en stor, samlet teori, og heller ikke disse kreftene blitt kombinert med tyngdekraften.

To av de for tiden mest populære teoriene for en ensartet beskrivelse av de fire grunnleggende kreftene og for en kvanteteoretisk beskrivelse av tyngdekraften er strengteori og sløyfekvantumgravitasjon , hvor representanter for begge teoriene understreker at de eksisterende teoriene er ufullstendige og at essensielle problemer fortsatt har blitt løst for å formulere en endelig teori Behov for å bli. Mens strengteori beskriver de grunnleggende byggesteinene som utgjør verden som vibrerende endimensjonale eller høyere-dimensjonale gjenstander, prøver løkkekvantgravitasjon å kvantifisere selve romtiden .

Enhetstrinn

Teorier som tidligere ble sett hver for seg, er eller blir for tiden slått sammen, som følgende tabell viser:

Grunnleggende interaksjoner og deres beskrivelser
(teorier i et tidlig utviklingsstadium er skyggelagt i grått.)
Sterk interaksjon Elektromagnetisk interaksjon Svak interaksjon Tyngdekraft
klassisk Elektrostatikk og magnetostatikk ,
elektrodynamikk 		Newtons gravitasjonslov ,
generell relativitet
quantum
teori 		Kvantekromodynamikk
( standardmodell ) 		Kvantelektrodynamikk Fermi teori Kvantitet  ?
Elektro-svak interaksjon
( standardmodell )
Big Unified Theory  ?
Verdensformel ("teori om alt")?

begrep

Begrepet universell formel inneholder en konsistent eller entydig beskrivelse og prediksjon av fenomenene som kan observeres i naturen innenfor rammen av et enkelt sett med matematiske formler . Verdensformelen blir følgelig forstått som en kontrast til den nåværende tilstanden i fysikken, der man kommer til spådommer med forskjellige teorier på forskjellige områder, som i praksis ikke motsier hverandre, men åpenbart ikke kan forenes. Dette løses for øyeblikket på en slik måte at, avhengig av konteksten, er teorien som brukes den erfaringen har gitt størst samsvar med det respektive eksperimentet . I grenseområdene mellom eksisterende teorier eller deres gyldighetsområder resulterer dette uunngåelig i beslutningskonflikter og mer eller mindre store avvik fra eksperimentene. Et eksempel på hvordan slike konflikter kan løses for spesifikke enkeltsaker er Hawking-stråling og den relaterte Unruh-effekten .

I utgangspunktet refererer begrepet verdensformel bare til (i prinsippet) målbare størrelser i fysikk. I tillegg møter selv de beste nåværende teoriene praktiske grenser for forutsigbarhet med økende kompleksitet i det aktuelle systemet . Dette er imidlertid ikke en begrensning av den omfattende forklarende påstanden om disse teoriene i deres respektive gyldighetsområder.

Så det er z. For eksempel, selv i dag er det ikke engang mulig å beskrive en menneskelig organisme ved hjelp av Kvanteelektrodynamikk (QED), fordi antallet av stoffpartikler det inneholder overgår langt den lagringskapasitet på dagens datamaskiner . Likevel har fysikk en veldig høy grad av tillit til gyldigheten av kvanteelektrodynamikk i dette problemområdet, siden dens anvendelse på alle praktisk løsbare problemer som er undersøkt så langt, har vist en ekstremt god samsvar med eksperimentene. Dermed antar man også at sammensatte, men ikke lenger praktisk løsbare systemer av QED vil vise denne graden av enighet. I nøyaktig samme forstand vil en fremtidig TOE derfor gjøre krav på forklaringen på alle målbare naturfenomener.

Begrepet universell formel skal ikke bare forstås i figurativ forstand. En fysisk teori om alt vil sannsynligvis ikke reduseres til en enkelt matematisk formel , men heller være basert på et system med sammenkoblede overordnede differensialligninger. I stedet for en verdensformel kreves et matematisk verdensligningssystem som inneholder fysikk som en spesiell løsning.

Hver fysiske teori om et bestemt aspekt av verden inneholder, i tillegg til ligningene som støtter den, mange andre forklarende elementer, uten hvilke den ikke kan brukes. Disse inkluderer fremfor alt regelverket om hvordan mengdene som forekommer i ligningene skal måles. Et system med verdensligninger må være uavhengig av regelverk.

Verdensformelen forventes også å beskrive begynnelsen på vårt univers ( Big Bang-teorien ), og dermed skapelsen av rom, tid, masse og energi.

kritikk

Konseptet med en teori om alt står i sentrum for en intern vitenskapelig debatt om reduksjonisme . Noen forskere, inkludert Robert B. Laughlin og Philip Warren Anderson , benekter den grunnleggende muligheten for å forklare komplekse fakta med en slik teori, kritiserer det de anser for å være de uforholdsmessige forskningsmidlene som samles inn for å søke etter verdensformelen, og presenterer begreper til det om fremvekst og selvorganisering motarbeidet.

Kulturell bearbeiding

I mange romaner, filmer og skuespill spiller en verdensformel som er funnet, men som ennå ikke er offentlig, en rolle. Et kjent eksempel er komedien Die Physiker av Friedrich Dürrenmatt .

Se også

litteratur

weblenker

Individuelle bevis

  1. ↑ SWR2-kunnskap (Aula 6. juli 2008): Inside the World (rtf; 38 kB) .
  2. Im Chris Impey: How It Began: A Time-Traveler's Guide to the Universe . WW Norton, New York og London 2012, ISBN 978-0-393-08002-5 . S. 340
  3. ↑ Michael Faraday : Eksperimentelle undersøkelser innen elektrisitet. Tjuefjerde serie. Om mulig tyngdekraft til elektrisitet . Abstracts of the Papers Communicated to the Royal Society of London, London 1850, doi : 10.1098 / rspl.1843.0267 . S. 994 f.
  4. ↑ Emil du Bois-Reymond : Om grensene for kunnskap om naturen. Et foredrag på den andre offentlige sesjonen i den 45. samling av tyske naturforskere og leger . von Veit & Co., Leipzig 1872. s. 4 ff.
  5. ^ Paul Dirac : Kvantemekanikk i mange-elektron-systemer . Proceedings of the Royal Society of London A, London 1929, doi : 10.1098 / rspa.1929.0094 . S. 714
  6. ↑ Christopher Schrader: Heisenbergs Weltformel Spektrum.de (2018).
  7. ↑ Alexander Blum: Heisenberg og søket etter en endelig teori Max Planck Institute for the History of Science (2018)
  8. ↑ Den innvendingen av Peter Woit er godt kjent , som ønsker å klassifisere den strengteori som “ikke verifiserbar” med formuleringen Ikke engang galt .
  9. ^ Robert B. Laughlin , David Pines : Theory of Everything. I: Proceedings of the National Academy of Sciences. ( PNAS ) Volum 97, s. 28-31. online@pnas.org Hentet 28. mai 2011.
  10. ↑ Robert B. Laughlin : Farvel til den universelle formelen: Fysikkens gjenoppfinnelse . 4. utgave. Piper, München 2007, ISBN 978-3-492-04718-0 .