Zwei Forscher der University of Southern California haben eine Verbindung zwischen der Stringfeldtheorie und der Quantenmechanik vorgeschlagen, welche die Tür zur Nutzung der Stringfeldtheorie (oder einer breiteren Version namens M-Theorie) als Grundlage der gesamten Physik öffnen könnte. “Dies könnte das Rätsel lösen, wo die Quantenmechanik herkommt”, sagte Professor Itzhak Bars vom Dornsife College of Letters der USC, der leitende Autor der Studie.
Bars arbeitete mit seinem Doktoranden Dmitry Rychkov zusammen. Die Abhandlung wurde am 27. Oktober 2014 online im Journal Physics Letters veröffentlicht. Anstatt die Quantenmechanik zu benutzen, um die Stringfeldtheorie zu überprüfen, arbeiteten die Forscher andersherum und verwendeten die Stringfeldtheorie für den Versuch, die Quantenmechanik zu bestätigen.
In ihrer Abhandlung, welche die Stringfeldtheorie in einer klareren Sprache neu formuliert, zeigten Bars und Rychkov, dass eine Reihe fundamentaler quantenmechanischer Prinzipien – die “kanonischen Vertauschungsrelationen” – aus der Geometrie sich verbindender und teilender Strings abgeleitet werden könnte. “Unsere Erörterung kann in Grundgerüsten in einer stark vereinfachten mathematischen Struktur dargelegt werden”, sagte Bars. Der entscheidende Teil ist die Vermutung, dass alle Materie aus Strings besteht und dass die einzig mögliche Wechselwirkung die Vereinigung oder Trennung ist, wie in ihrer Version der Stringfeldtheorie beschrieben wird.
Physiker haben lange Zeit versucht, die Quantenmechanik und die allgemeine Relativitätstheorie zu vereinigen, und versucht zu erklären, warum beide in ihren jeweiligen Umgebungen funktionieren. Die Stringtheorie wurde erstmals in den 1970er Jahren vorgeschlagen und löste Widersprüche bei der Quantengravitation. Sie propagierte, dass die Grundeinheit von Materie kein Punkt, sondern ein winziger String ist, und dass die einzig möglichen Wechselwirkungen zwischen Materie Strings sind, die sich entweder vereinigen oder trennen.
Vier Jahrzehnte später versuchen Physiker noch immer, die Gesetze der Stringtheorie zu erörtern, die einige interessante Anfangsbedingungen zu verlangen scheinen. Dazu zählen beispielsweise zusätzliche Dimensionen, die erklären könnten, warum Quarks und Leptonen elektrische Ladungen und “Flavors” besitzen, die sie voneinander unterscheiden. Gegenwärtig kann aber kein einzelnes Regelwerk verwendet werden, um alle physikalischen Wechselwirkungen zu erklären, die im beobachtbaren Universum stattfinden.
In großen Maßstäben nutzen Wissenschaftler die klassische Newtonsche Mechanik, um zu beschreiben, wie die Gravitation den Mond auf seiner Umlaufbahn hält, oder warum die Kraft einer Turbine ein Flugzeug vorwärts bewegt. Die Newtonsche Mechanik ist intuitiv und kann oft mit dem bloßem Auge beobachtet werden. In unglaublich kleinen Maßstäben, etwa 100 Millionen Mal kleiner als ein Atom, greifen Forscher auf die relativistische Quantenfeldtheorie zurück, um die Wechselwirkungen subatomarer Teilchen und jene Kräfte zu beschreiben, die Quarks und Leptonen in Protonen, Neutronen, Atomkernen und Atomen zusammenhalten.
Die Quantenmechanik steht dem gesunden Menschenverstand oft entgegen. Sie erlaubt Teilchen zum Beispiel, an zwei Orten gleichzeitig zu sein, aber sie wurde mehrfach bestätigt. Sie wurde zu einem unschätzbaren und genauen Rahmenwerk, um die Wechselwirkungen von Materie und Energie bei kleinen Entfernungen zu verstehen. Die Quantenmechanik ist extrem erfolgreich als Modell dafür, wie die Dinge in kleinen Maßstäben ablaufen, aber sie enthält ein großes Rätsel: die unerklärten, fundamentalen kanonischen Vertauschungsrelationen, die eine Unschärfe bei der Position und dem Impuls an jedem Ort im Universum vorhersagen.
“Die kanonischen Vertauschungsrelationen haben keine Erklärung aus einer noch fundamentaleren Perspektive heraus, aber sie wurden mit den leistungsfähigsten Teilchenbeschleunigern untersucht und bis zu den kleinsten machbaren Distanzen bestätigt. Sicherlich sind die Gesetze korrekt, aber sie verlangen nach einer Erklärung für ihre Ursprünge wegen einiger noch tieferer physikalischer Phänomene”, sagte Bars. Die Schwierigkeit liegt in der Tatsache, dass es keine experimentellen Daten über dieses Thema gibt – die Überprüfung auf einem so kleinen Maßstab liegt momentan jenseits der technologischen Möglichkeiten eines Wissenschaftlers.
Die Forschungsarbeit wurde vom US-Energieministerium finanziert.
Quelle: http://pressroom.usc.edu/string-field-theory-could-be-the-foundation-of-quantum-mechanics/
(THK)
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