Verdensformel

En verdensformel eller en teori om alt ( engelsk teori om alt , ToE eller TOE ) er en hypotetisk teori , der er dannet ud fra teoretisk fysik og matematik , som formodes at præcist beskrive og forbinde alle fysiske fænomener i det kendte univers . Over tid har udtrykket strømmet ind i populariseringen af elementær partikelfysik . I dette forskningsområde ville en verdensformel, dvs. en enkelt altomfattende model, forklare og samle teorierne om alle grundlæggende interaktioner i naturen.

forventninger

En teori om alt skal blandt andet præcist beskrive alle fire grundlæggende kræfter - tyngdekraft , elektromagnetisme og svage og stærke atomkræfter . Man taler også om en forening af kræfter eller interaktioner.

Den mulige forening af de tre grundlæggende kræfter, dvs. H. det elektromagnetiske, det svage (forenet i elektromagnetisk teori ) og den stærke interaktion ( kvantekromodynamik ) uden tyngdekraft kaldes den store forenede teori ( Grand Unified Theory , GUT ). Muligheden for denne delvise forening af de tre sporviddeinteraktioner antages på grund af ligheden i de tre teoriers matematiske struktur.

For teorien om alt er inklusionen af ​​tyngdekraften særlig nødvendig. Det forventes, at dette finder sted ved en energi på omkring 10 19 GeV (den Planck energi ), fordi en ekstrapolation af den styrken af interaktionen af de enkelte grundlæggende kræfter til denne energi indikerer at de er så alle sammenlignelige, og fordi Planck energi bruger tyngdekraft og kvantefeltteori skal anvendes samtidigt i hvert tilfælde.

For eksempel skal en teori om alt:

  • indeholder generel relativitetsteori og kvantefeltsteori,
  • forklare de observerede kræfter og partikler i standardmodellen for elementære partikler ,
  • forklare masser, koblingskonstanter og blandingsvinkler for standardmodellen af elementære partikler ,
  • Beskriv standardmodellen for kosmologi samt præciser og forudsig processerne i det tidlige eller sene univers - især den asymptotiske opførsel på meget små eller meget store rum- og tidsskalaer,
  • afklare karakteren af mørkt stof og mørk energi ,
  • indeholder en konsistent, renormaliserbar kvanteteori om tyngdekraft sammen med beskrivelsen eller undgåelse af singulariteter.

Antagne funktioner:

  • Supersymmetrisk , ensartet grundstruktur, der går ud over den traditionelle opdeling i bosoniske og fermioniske frihedsgrader;
  • Fysiske frihedsgrader, der går ud over fire-dimensionel rumtid.

Det er ikke klart, om en teori om alt forudsiger nye partikler eller endda nye kræfter. Sådanne nye partikler kunne påvises med kosmologiske observationer. Der blev forventet fremskridt mod en verdensformel fra eksperimenterne på Large Hadron Collider , der startede på CERN i 2010 . Imidlertid er denne forventning ikke bekræftet indtil videre (tidligt i 2021): ingen tegn på en stor standardisering af de tre sporvidde-interaktioner, ingen effekter af supersymmetri og ingen yderligere dimensioner eller frihedsgrader er fundet.

Mange fysikere er overbeviste om, at alle fysiske processer kan spores tilbage til et grundlæggende princip ( reduktionisme ) eller i det mindste kan beskrives med nogle få konsistente grundlæggende termer.

Verdensformler i historien

Forsøg på at spore den fysiske virkelighed tilbage til et enkelt princip går tilbage til antikken. I det gamle Grækenland, pre-sokratiske filosoffer spekuleret , at den tilsyneladende række forskellige fænomener observeret skyldtes en enkelt type interaktion, nemlig bevægelser og kollisioner af atomer . Udtrykket "atom" introduceret af Democritus var et tidligt filosofisk forsøg på at forene alle fænomener, der blev observeret i naturen. Archimedes var muligvis den første videnskabsmand, der beskrev naturen med aksiomer (eller principper) og udledte nye resultater fra dem. Så han forsøgte at beskrive “alt” på basis af nogle få aksiomer. Hver teori om alt forventes at stole på aksiomer og udlede alle observerbare fænomener fra dem.

Baseret på Democrit's atomisme antog den mekaniske filosofi fra det 17. århundrede, at alle kræfter i sidste ende kunne reduceres til kontaktkræfter mellem atomerne, som blev forestillet som små faste partikler. I slutningen af ​​det 17. århundrede antydede Isaac Newtons beskrivelse af tyngdekraftens virkning på afstand , at ikke alle kræfter i naturen skyldes mekanisk kontakt med stof. I sin Philosophiae Naturalis Principia Mathematica forenede Newton Galileos arbejde med tyngdekraften, Keplers love om planets bevægelse og tidevandsfænomenet ved at forklare disse tilsyneladende forskellige fænomener i en enkelt lov: Newtons gravitationslov .

På basis af disse resultater foreslog Laplace i 1814, at et tilstrækkeligt stærkt intellekt ville være i stand til at beregne og bestemme enhver fortid og enhver fremtidig tilstand med kendskab til alle naturlige love og alle indledende forhold såsom position, position og hastighed for al fysisk partikler i kosmos. Dette koncept kaldes også Laplace-dæmonen . Så Laplace så en teori om alt i en kombination af tyngdekraft og mekanik . Moderne kvantemekanik indebærer imidlertid, at partiklernes tilstande ikke bestemmes, men er udsat for sandsynligheder, hvorfor Laplaces vision skal ændres: en teori om alt skal omfatte tyngdekraft og kvantemekanik.

I 1820 opdagede Hans Christian Ørsted en sammenhæng mellem elektricitet og magnetisme, der udløste årtiers arbejde, der kulminerede i James Clerk Maxwells teori om elektromagnetisme i 1865 . I det 19. og tidlige 20. århundrede blev det gradvis klart, at mange almindelige eksempler på kræfter - kontaktkræfter, elasticitet, viskositet, friktion og tryk - skyldes elektriske interaktioner mellem de mindste partikler af stof. I sine eksperimenter fra 1849–50 var Michael Faraday den første til at lede efter en forening af tyngdekraften med elektricitet og magnetisme. Han fandt dog ingen forbindelse.

Emil du Bois-Reymond opfandt det tyske udtryk "Weltformel" allerede i 1872 i sin tale "On the Limits of Knowledge of Nature" i betydningen af ​​en komplet matematisk beskrivelse af verden, der efter hans mening ikke kunne realiseres. Denne betegnelse er betydeligt ældre end den engelske ækvivalent "teori om alt".

I 1900 offentliggjorde David Hilbert en berømt liste over matematiske problemer . I Hilberts sjette problem bad han om et aksiomatisk grundlag for al fysik. Så i dette problem spurgte han, hvad der ville kaldes en teori om alt i dag.

I slutningen af ​​1920'erne viste den nye kvantemekanik, at de kemiske bindinger mellem atomer er eksempler på (kvante) elektriske kræfter, hvilket fik Paul Dirac til at sige, at "de underliggende fysiske love, der styrer den matematiske teori om en stor del af fysikken og hele af kemi er nødvendige, således er de fuldstændig kendte "(i originalen:" de underliggende fysiske love, der er nødvendige for den matematiske teori om en stor del af fysikken, og hele kemien er således fuldstændig kendt. ").

Efter at Albert Einstein offentliggjorde sin generelle relativitetsteori i 1915, begyndte søgen efter en samlet feltteori, der ville kombinere tyngdekraft og elektromagnetisme. På det tidspunkt var de stærke og svage interaktioner endnu ikke blevet opdaget. Med dette begyndte hans mere end tredive år lange søgning efter den såkaldte Unified Field Theory , som skulle vise, at tyngdekraft og elektromagnetisme er manifestationer af et enkelt grundlæggende princip. En tidlig teori om, at samlet elektromagnetisk interaktion og tyngdekraft var Kaluza-Klein teorien . Det opstod imidlertid, før de svage og stærke interaktioner var kendt og var derfor ufuldstændige. Albert Einstein forsøgte indtil slutningen af ​​sit liv at finde en samlende teori, men var i sidste ende mislykket.

I 1958 præsenterede Werner Heisenberg en formel, som han kaldte ligningen af ​​stof, og hvis hovedelement var en masseløs originalpartikel Psi (,), hvorfra alle observerbare partikler senere ville blive sammensat. Pressen hyldede hurtigt denne ligning som den universelle formel , men der opstod hurtigt kritik, og kolleger opdagede uoverensstemmelser i ligningen. Siden disse forsøg, undertiden for tidligt og overdrevet hyldet i pressen, er udtrykket universel formel også blevet brugt i en nedsættende, hånende forstand for lignende projekter. I sin kvanteteori om de originale alternativer søgte Heisenbergs studerende Carl Friedrich von Weizsäcker en ensartet beskrivelse af naturen udelukkende baseret på kvanteteori, som han i denne sammenhæng forstod som en teori om information i tide.

I løbet af det 20. århundrede blev søgen efter en samlende teori kompliceret af opdagelsen af ​​de stærke og svage atomkræfter (eller interaktioner), der adskiller sig fra både tyngdekraften og elektromagnetismen. En anden forhindring var antagelsen om, at kvantemekanik skulle indgå i en sådan teori fra starten i stedet for at dukke op som et resultat af en deterministisk verdensformel, som Einstein håbede.

Gravitation og elektromagnetisme kunne altid eksistere sammen som klassiske kræfter, men i mange år syntes det, at tyngdekraft ikke engang kunne integreres i kvantestrukturen, endsige blive forenet med de andre grundlæggende kræfter. På grund af dette fokuserede arbejdet på foreningen i meget af det tyvende århundrede på at forstå de tre "kvantekræfter": elektromagnetisme og den svage og stærke interaktion. De to første blev opsummeret i 1967-68 af Sheldon Glashow , Steven Weinberg og Abdus Salam for elektrosvag interaktion . Den elektrosvage union er en brudt symmetri: de elektromagnetiske og svage kræfter fremstår forskellige ved lave energier, fordi de partikler, der bærer den svage kraft, W- og Z-bosonerne, har en masse på 80,4 GeV / c² og 91,2 GeV / c², mens fotonet der bærer den elektromagnetiske kraft er masseløs. Ved højere energier kan W- og Z-bosoner let genereres, og kraftens ensartethed bliver tydelig.

Selvom de stærke og elektrosvage kræfter fredeligt eksisterer sammen i standardmodellen for partikelfysik , forbliver de forskellige. Søgen efter en teori om alt har forblevet mislykket i to henseender: Hverken de stærke og elektrosvage kræfter er blevet kombineret i en stor, samlet teori, og heller ikke disse kræfter er blevet kombineret med tyngdekraften.

To af de i øjeblikket mest populære teorier for en ensartet beskrivelse af de fire grundlæggende kræfter og for en kvanteteoretisk beskrivelse af tyngdekraften er strengteori og loop-kvantegravitation , hvor repræsentanter for begge teorier understreger, at de eksisterende teorier er ufuldstændige, og at væsentlige problemer stadig har blevet løst for at formulere en endelig teori Behov for at blive. Mens strengteori beskriver de grundlæggende byggesten, der udgør verden som vibrerende endimensionelle eller højere-dimensionelle objekter, forsøger loop-kvantegravitation at kvantificere selve rumtiden .

Foreningstrin

Teorier, der tidligere blev set separat, er blevet eller er i øjeblikket ved at blive flettet, som følgende tabel viser:

Grundlæggende interaktioner og deres beskrivelser
(teorier i et tidligt udviklingsstadium er skyggelagt med gråt.)
Stærk interaktion Elektromagnetisk interaktion Svag interaktion Tyngdekraft
klassisk Elektrostatik og magnetostatik ,
elektrodynamik 		Newtons tyngdelov ,
generel relativitet
kvante
teori 		Kvantekromodynamik
( standardmodel ) 		Kvanteelektrodynamik Fermi teori Kvantitet  ?
Elektrisk svag interaktion
( standardmodel )
Big Unified Theory  ?
Verdensformel ("teori om alt")?

semester

Udtrykket universel formel indeholder en konsistent eller utvetydig beskrivelse og forudsigelse af de fænomener, der kan observeres i naturen inden for rammerne af et simpelt sæt matematiske formler . Verdensformlen forstås følgelig som en kontrast til den nuværende fysiktilstand, hvor man kommer til forudsigelser med forskellige teorier inden for forskellige områder, som i praksis ikke modsiger hinanden, men naturligvis ikke kan forenes. Dette løses i øjeblikket på en sådan måde, at den anvendte teori, afhængigt af konteksten, er den, som erfaringen har vist, giver størst enighed med det respektive eksperiment . I grænseområderne mellem de eksisterende teorier eller deres gyldighedsområder resulterer dette uundgåeligt i beslutningskonflikter og mere eller mindre store afvigelser fra eksperimenterne. Et eksempel på, hvordan sådanne konflikter kan løses i specifikke individuelle tilfælde, er Hawking-stråling og den relaterede Unruh-effekt .

Grundlæggende refererer begrebet verdensformel kun til (i princippet) målbare størrelser i fysik. Derudover støder selv de bedste aktuelle teorier på praktiske grænser for forudsigelighed med stigende kompleksitet i det aktuelle system . Dette er imidlertid ikke en begrænsning af den omfattende forklarende påstand om disse teorier i deres respektive gyldighedsområder.

Så det er z. For eksempel selv i dag er det ikke engang muligt at beskrive en human organisme under anvendelse kvanteelektrodynamik (QED), fordi antallet af stofpartikler det indeholder langt overstiger den lagerkapacitet på nuværende computere . Ikke desto mindre har fysik en meget høj grad af tillid til gyldigheden af ​​kvanteelektrodynamik i dette problemområde, da dens anvendelse på alle hidtil undersøgte praktisk løsbare problemer har vist en yderst god overensstemmelse med eksperimenterne. Man antager således også, at sammensatte, men ikke længere praktisk løselige systemer af QED vil vise denne grad af enighed. I nøjagtig samme forstand vil en fremtidig TOE derfor gøre krav på forklaringen af alle målbare naturfænomener.

Udtrykket universel formel skal ikke kun forstås i figurativ forstand. En fysisk teori om alt vil sandsynligvis ikke blive reduceret til en enkelt matematisk formel , men snarere være baseret på et system med koblede overordnede differentialligninger. I stedet for en verdensformel kræves et matematisk verdensligningssystem, der indeholder fysik som en speciel løsning.

Enhver fysisk teori om et bestemt aspekt af verden indeholder ud over ligningerne, der understøtter den, mange andre forklarende elementer, uden hvilke den ikke kan anvendes. Disse inkluderer frem for alt reglerne for, hvordan de mængder, der forekommer i ligningerne, skal måles. Et system med verdensligninger skal være uafhængigt af reglerne.

Verdensformlen forventes også at beskrive begyndelsen på vores univers ( Big Bang-teorien ) og dermed skabelsen af ​​rum, tid, masse og energi.

kritik

Begrebet teori om alt er i centrum for en intern videnskabelig debat om reduktionisme . Nogle forskere, herunder Robert B. Laughlin og Philip Warren Anderson , benægter den grundlæggende mulighed for at forklare komplekse fakta med en sådan teori, kritiserer det, de anser for at være de uforholdsmæssige forskningsmidler, der indsamles til at søge efter verdensformlen og præsenterer begreber til det om fremkomst og selvorganisering imod.

Kulturel forarbejdning

I adskillige romaner, film og skuespil spiller en verdensformel, der er fundet, men endnu ikke offentlig, en rolle. Et velkendt eksempel er komedien Die Physiker af Friedrich Dürrenmatt .

Se også

litteratur

Weblinks

Individuelle beviser

  1. ↑ SWR2-viden (Aula 6. juli 2008): Inde i verden (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 undersøgelser inden for elektricitet. Femogtyvende serie. Om det mulige forhold mellem tyngdekraft og elektricitet . 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 grænserne for viden om naturen. Et foredrag på den anden offentlige session i den 45. samling af tyske naturforskere og læger . von Veit & Co., Leipzig 1872. s. 4 ff.
  5. ^ Paul Dirac : Kvantemekanik 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 søgen efter en endelig teori Max Planck Institute for the History of Science (2018)
  8. ↑ Den indvending af Peter Woit er velkendt , der ønsker at klassificere den strengteori som ”ikke verificerbare” med formuleringen Ikke engang forkert .
  9. ^ Robert B. Laughlin , David Pines : Theory of Everything. I: Proceedings of the National Academy of Sciences. ( PNAS ) bind 97, s. 28-31. online@pnas.org Hentet 28. maj 2011.
  10. ↑ Robert B. Laughlin : Farvel til den universelle formel: Genopfindelsen af ​​fysik . 4. udgave. Piper, München 2007, ISBN 978-3-492-04718-0 .