• Thursday May 23,2019

Nichts des Weltraums könnte die Theorie von allem erleuchten

Anonim

Bild mit freundlicher Genehmigung von ESO

Wenn die nächste Revolution die Physik erschüttert, besteht die Chance, dass es um nichts geht - das Vakuum, diese endlose unendliche Leere. In einer Disziplin, in der das Dehnen der Zeit und das Verzerren des Raumes Routine-Arbeitsannahmen sind, bleibt das Vakuum eine Art kosmisches Koan. Und wie in der übrigen Physik hat sich herausgestellt, dass es von Natur aus verwirrend ist: Leerer Raum ist nicht wirklich leer, weil nichts etwas enthält, brodelt mit Energie und Teilchen, die in und aus der Existenz flitzen. Das wissen die Physiker seit Jahrzehnten, seit der Geburt der Quantenmechanik. Aber erst in den letzten zehn Jahren stand das Vakuum im Mittelpunkt als eine Art verwirrender Geheimnisse wie der Natur der dunklen Energie und der Materie; erst vor kurzem hat sich die Leere in ein verlockendes Signal für Kurbeln verwandelt. Wie eine blonde Erbin und Verkörperung der Leere sagen könnte, ist nichts heiß.

Um die Geheimnisse der Leere zu untersuchen, verwenden einige Physiker das größte jemals gebaute wissenschaftliche Instrument - den gerade fertiggestellten Large Hadron Collider, einen riesigen Teilchenbeschleuniger an der französisch-schweizerischen Grenze. Andere entwerfen Tischversuche, um herauszufinden, ob sie das Vakuum ausloten können, um neue, ungewöhnliche Nanotech-Geräte anzutreiben. "Das Vakuum ist einer der Orte, an denen unser Wissen sprudelt, und wir haben alle möglichen verrückten Ideen", sagt John Baez, ein mathematischer Physiker an der University of California in Riverside. Ob bei der visionären Suche nach dem Motor der kosmischen Expansion oder der beinahe fruchtlosen Suche nach ewig freier Energie - das Vakuum ist dort, wo es geschieht. Durch den Abbau der Reichtümer des Vakuums kann eine wahre Theorie von allem noch entstehen.

Der leere Raum war nicht immer so rätselhaft. Bis in die 1920er Jahre betrachteten die Physiker das Vakuum genauso wie der Rest von uns: als ein nichtsloses Nichts, als eine wahre Leere. Das alles änderte sich mit der Geburt der Quantenmechanik. Nach dieser Theorie ist der Raum um ein Teilchen herum mit unzähligen "virtuellen" Teilchen gefüllt, die wie ein unsichtbares Feuerwerk schnell in und aus dem Dasein platzen.

Diese virtuellen Quantenpartikel sind mehr als eine theoretische Abstraktion. Vor 60 Jahren schlug der niederländische Physiker Hendrik Casimir ein einfaches Experiment vor, um zu zeigen, dass virtuelle Teilchen Objekte in der realen Welt bewegen können. Was würde passieren, fragte er, wenn zwei Metallplatten in einem vollständigen Vakuum dicht beieinander gestellt würden? In den Tagen vor der Quantenmechanik hätten die Physiker gesagt, die Platten würden einfach dort sitzen. Casimir erkannte jedoch, dass der Nettodruck aller virtuellen Teilchen - der Stoff des leeren Raums - außerhalb der Platten eine minimale Kraft ausüben sollte, ein Anstoß von nichts, was die Platten zusammenstoßen würde.

Die Physiker haben jahrzehntelang versucht, die Casimir-Kraft mit großer Präzision zu messen, aber bis 1997 hat die Technologie die Theorie eingeholt. In diesem Jahr gelang es dem Physiker Steve Lamoreaux in Yale, die schwache Kraft von Casimir auf zwei kleinen Flächen zu entdecken, die nur wenige tausendstel Millimeter voneinander entfernt waren. Ihre Stärke entsprach in etwa der Kraft, die durch das Gewicht eines einzelnen roten Blutkörperchens gegen die Handinnenfläche ausgeübt würde.

Zuerst betrachteten die meisten Physiker die Casimir-Kraft als eine Quanten-Kuriosität, etwas ohne praktischen Wert. Das hat sich nun geändert: Vordenker sehen es als wichtigen Energieträger für kleinste Maschinen, Geräte im Nanomaßstab und einige Labore arbeiten daran, wie man die Kraft einsetzen kann, um die herkömmlichen Grenzen des mechanischen Designs zu überwinden. Federico Capasso, Physiker in Harvard, leitet ein kleines Team, das versucht, eine abstoßende Casimir-Kraft zu erzeugen, indem er mit den Formen der Platten oder mit den Beschichtungen, die sie bedecken, bastelt. Seine gesamten Experimente passen auf einen Schreibtisch, und die Objekte, mit denen er arbeitet, sind so klein, dass die meisten von ihnen ohne ein Mikroskop nicht gesehen werden können.

"Sobald Sie eine abstoßende Kraft zwischen zwei Platten haben, sollten Sie die statische Reibung beseitigen können", sagt Capasso. Dies könnte zu einer Vielzahl nützlicher Anwendungen führen, darunter winzige reibungslose Lager oder Nanogetriebe, die sich ohne Berührung drehen. "Aber die Experimente sind enorm schwierig, daher kann ich Ihnen nicht sagen, wann und wie."

Bei aller Fremdheit mag die Casimir-Kraft die einzige Eigenschaft des leeren Raums sein, die die heutigen Physiker nicht verblüfft. Es ist eine Quantenmechanik der Gartenvielfalt, komisch, aber nicht unerwartet. Dasselbe kann nicht über die dunkle Energie gesagt werden, eine wahrlich erstaunliche Entdeckung, die vor einem Jahrzehnt von Astronomen gemacht wurde, während sie entfernte explodierende Sterne beobachtete. Die Explosionen enthüllten ein Universum, das sich immer schneller ausdehnte, ein Befund, der nicht mit den bisherigen Erwartungen übereinstimmt, dass die Expansion des Kosmos sich verlangsamen sollte, gebremst durch die kollektive Anziehungskraft der Materie. Eine unbekannte Energieform - Physiker nennen sie dunkle Energie, einfach weil sie keinen beschreibenden Begriff hat - scheint in das Gewebe des Weltraums eingebaut zu sein, das der Anziehungskraft der Materie entgegenwirkt und alles im Universum auseinander drückt. Einige Theoretiker spekulieren, dass dunkle Energie eine unkontrollierte Expansion des Universums zur Folge haben könnte, was in etwa 50 Milliarden Jahren zu einem sogenannten Big Rip führen würde, der den Kosmos in Stücke reißen und sogar Atome zerreißen würde.

Die Beobachtungen haben es Physikern ermöglicht, die Menge an dunkler Energie abzuschätzen, indem sie die Kraft ableiten, die zur Erzeugung des Beschleunigungseffekts erforderlich ist. Das Ergebnis ist eine minimale Energiemenge für jeden Kubikmeter Vakuum. Da der größte Teil des Kosmos jedoch aus leerem Raum besteht, summiert sich dieses bisschen, und die gesamte Menge an dunkler Energie dominiert vollständig die Dynamik des Universums.

Mit der Entdeckung der dunklen Energie kamen schwierige Fragen: Was ist diese Energie und woher kommt sie? Physiker wissen es einfach nicht. Gemäß der Quantenmechanik kommt die Energie des leeren Raums von den virtuellen Teilchen, die dort leben. Wenn Physiker jedoch die Gleichung der Quantentheorie verwenden, um die Menge dieser virtuellen Energie zu berechnen, erhalten sie eine lächerlich große Zahl - etwa 120 Größenordnungen zu groß. So viel Energie würde das Universum buchstäblich zerreißen: Objekte, die ein paar Zentimeter von uns entfernt waren, würden in astronomische Entfernungen entführt werden; Das Universum würde sich alle 10-43 Sekunden buchstäblich verdoppeln, und es würde sich mit dieser Geschwindigkeit weiter verdoppeln, bis die Vakuum-Energie verschwunden war. Dies kann die kolossalste Lücke zwischen Beobachtung und Theorie in der Wissenschaftsgeschichte sein. Und es bedeutet, dass Physiker etwas grundlegendes über die Funktionsweise des Universums vermissen.

"Wir haben eine Vorhersage auf der Grundlage unserer besten Theorien gemacht, und das ist falsch, völlig falsch", sagt Sean Carroll, theoretischer Physiker am California Institute of Technology. „Das bedeutet, dass wir hier und dort nicht nur einen Parameter verändern. Wir müssen wirklich gründlich darüber nachdenken, was unsere Theorien sind. “

Selbst wenn niemand weiß, woher die Energie des leeren Raums kommt oder warum er den Wert hat, den er ausübt, gibt es keinen Zweifel mehr daran, dass er existiert. Und wenn es Energie zu haben gibt, ist unvermeidlich jemand da draußen, der darüber nachdenkt, wie er sie nutzen kann. Die Vorstellung von grenzenloser Energie aus dem leeren Raum hat Legionen von Möchtegern-Physikern inspiriert, die davon träumen, das ultimative Perpetual-Motion-Gerät zu entwickeln, eine Maschine, die die Energieprobleme der Welt für immer lösen würde. Eine schnelle Internet-Suche nach den Wörtern "freie Energie" und "Vakuum" blendet Seiten und Seiten mit Schemata zur Erschließung der Energie des Vakuums auf. Ich frage John Baez, ob solche Bemühungen so hoffnungslos sind wie die bisherigen Maschinen mit permanenter Bewegung. Sind sie genauso verrückt und zum Scheitern verurteilt?

"Vielleicht nicht zum Scheitern verurteilt wie der Versuch zu beweisen, dass die Welt flach ist", sagt Baez. „Eine Sache, die ich sagen kann, ist die Hoffnung, dass dies nicht funktioniert. Wenn Sie Energie aus dem Vakuum gewinnen könnten, würde dies bedeuten, dass das Vakuum nicht stabil ist. Für normale Physiker, fügt er lachend hinzu, "die Definition des Vakuums ist, dass es die Situation mit dem geringsten Energieverbrauch ist - es hat weniger Energie als alles andere." Kurz gesagt, sagt Baez, solange wir es können Um Energie aus dem Vakuum zu gewinnen, bedeutet Erfolg, dass "das Universum weitaus instabiler ist, als wir je geträumt haben."

Die Argumentation lautet wie folgt: Wenn sich das Vakuum nicht im niedrigst möglichen Energiezustand befindet, könnte das Vakuum zu einem späteren Zeitpunkt in einen niedrigeren Zustand fallen und Energie ausstrahlen, die die Struktur des Kosmos gefährdet. Wenn ein kluger Ingenieur jemals Energie aus dem Vakuum gewinnen könnte, könnte dies eine Kettenreaktion auslösen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und das Universum zerstören würde. Freie Energie, ja, aber nicht das, was die Erfinder im Sinn hatten.

Vielleicht ziehen wir also keine Energie aus dem Vakuum, aber wir könnten bald andere Vorteile aus dem leeren Raum ziehen: Bestätigung einer 40 Jahre alten Theorie und mit etwas Glück radikal neue Physik.

In diesem Herbst fängt der Large Hadron Collider (LHC) an, Protonen bei 99, 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzte Richtungen entlang einer kreisförmigen 17-Meilen-Strecke zu schleudern. In den Trümmern der darauf folgenden Kollisionen erwarten Physiker, dass noch ein weiterer merkwürdiger Bestandteil des leeren Raums gefunden wird, der erklären könnte, warum Teilchen Masse haben. Theoretiker glauben neben virtuellen Teilchen und dunkler Energie, dass das Universum so etwas wie das Higgs-Feld enthält. Wie die dunkle Energie wird angenommen, dass das Higgs-Feld den gesamten Raum durchdringt. Aber anders als bei der Entdeckung der dunklen Energie, die völlig unerwartet und noch unerklärlich war, überrascht die Detektion des Higgs-Feldes die Physiker überhaupt nicht. Sie haben es gejagt, seit Peter Higgs, ein Physiker an der University of Edinburgh, 1964 seine Existenz vorschlug.

Higgs wollte erklären, warum Materie Masse hat und genauer, warum jedes Teilchen eine andere Masse hat. Er theoretisierte die Existenz eines unsichtbaren Feldes, das den gesamten Raum ausfüllt, und argumentierte, dass Teilchen durch Interaktion mit diesem Feld Masse erhalten. Was wir als Masse eines Teilchens interpretieren, ist wirklich die Stärke seiner Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld. Denken Sie für eine sehr lockere Analogie daran, eine Kugel durch den Sirup zu schieben: Je klebriger der Sirup, desto schwieriger wäre es, ihn zu drücken.

Wenn das Higgs-Feld existiert, sollte der LHC ein zuvor nicht gesehenes Teilchen namens Higgs-Boson finden. So wie Licht, das ein elektromagnetisches Feld ist, von Teilchen übertragen wird, die als Photonen bezeichnet werden, erwarten die Physiker, dass der massentreibende Effekt des Higgs-Feldes von Higgs-Bosonen übertragen wird.

Die Entdeckung des Higgs-Bosons würde eines der grundlegendsten Rätsel unserer Realität beantworten, und dennoch scheinen Physiker über die Aussicht seltsam blasiert zu sein. "Wenn es gefunden wird, wäre das eigentlich nicht so aufregend", sagt Baez. „Es wäre vielleicht eine Erleichterung. Nun, es wäre aufregend, aber nur in dem Sinne, als würden Sie Ihre Schlüssel verlieren und dann wiederfinden. Jemand würde sicherlich einen Nobelpreis dafür gewinnen, aber nach der anfänglichen Erregung würden Teilchenphysiker mürrisch werden, weil dies nur bedeuten würde, dass das, was wir für wahr hielten, wahr ist, und all die Dinge, die wir nicht verstehen, die wir noch nicht verstehen. Ich verstehe es nicht, und es gibt immer noch keine neuen Beweise. “

Einige Forscher gehen jedoch davon aus, dass der LHC Beweise für etwas sehr Neues liefert - zusätzliche Dimensionen des Weltraums. Nach der M-Theorie - dem neuesten, mutigsten Versuch, die grundlegenden Funktionen der Physik zu erklären - kann der Raum um uns herum aus bis zu 11 Dimensionen bestehen. Die Theorie der Theorie besagt, dass die ultimativen Bausteine ​​des Universums keine Teilchen sind, sondern winzige vibrierende Energiekreisläufe oder Fäden, wie sie von Physikern genannt werden. Aus komplizierten mathematischen Gründen benötigen diese Schleifen 11 Dimensionen, in denen sie schwingen können; Ansonsten funktioniert die Theorie nicht. Im Alltag erleben wir nur vier Dimensionen (drei von Raum und eine von Zeit), weil die anderen sieben angeblich so klein sind, dass wir sie nicht bemerken. Sie werden nur im subatomaren Maßstab sichtbar.

Eine Möglichkeit, sich dies vorzustellen, besteht darin, sich einen Seiltänzer auf einem Hochseilzug vorzustellen. Für den Seiltänzer ist der Draht im Wesentlichen eindimensional, eine Linie, die in eine Richtung zeigt. Aber eine Ameise, die auf dem Draht krabbelte, würde es als dreidimensionales Objekt sehen; Die Ameise könnte vollständig um den Draht kriechen und eine Dimension erfahren, die für den Seiltänzer unerreichbar ist. Stringtheoretiker würden sagen, dass wir wie der Seiltänzer sind, außer dass unser „Seil“ ein 11-dimensionaler Raum ist, von dem wir nur vier Dimensionen wahrnehmen können.

Die Verfechter der M-Theorie hatten es schwer, einige ihrer Kollegen von der Realität all dieser zusätzlichen Dimensionen zu überzeugen, aber der LHC könnte einige Konvertiten gewinnen. Wenn wirklich zusätzliche Abmessungen vorhanden sind, können einige der durch die Kollisionen im Inneren des großen Beschleunigers erzeugten Partikel in andere Dimensionen abrutschen, und Partikel aus höheren Dimensionen könnten in unsere vierdimensionale Welt gelangen. Wenn also Physiker am Beschleuniger einen Unter- oder Überschuss in ihren Partikelkennlinien feststellen, könnte dies der erste Beweis für die wilde neue Physik sein. "Wahrscheinlich wird alles, was wahr ist, tatsächlich verrückt sein, denn historisch gesehen scheint die Wahrheit in der Physik immer weiter zu sein als alles, was man sich hätte vorstellen können", sagt Baez.

Einige Physiker gehen gerne davon aus, dass die M-Theorie die Grundlage dessen bildet, was sie eine Theorie von allem nennen, eine Reihe von Gesetzen, die das Universum in seiner ganzen Fremdartigkeit vollständig beschreiben werden Alles passt in ein ordentliches Paket. Am Ende kann der Schlüssel zur kosmischen Wahrheit jedoch aus einem anderen Fenster der Realität stammen, der sich abzeichnenden Leere. Eine gute Theorie von nichts könnte nur die Theorie von allem sein, was die Physiker so lange gesucht haben.


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