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Wie Die Physik Des Nichts Allem Zugrunde Liegt

Wie die Physik des Nichts allem zugrunde liegt

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Die meisten Quantenfelder, die unser Universum füllen, haben einen, und nur einen, bevorzugten Zustand, in dem sie für die Ewigkeit bleiben. Die meisten, aber nicht alle.

Wahre und falsche Vakuums

In den 1970er Jahren lernten Physiker die Bedeutung einer anderen Klasse von Quantenfeldern kennen, deren Werte es vorziehen, auch im Durchschnitt nicht Null zu sein. Ein solches „Skalarfeld“ ist wie eine Ansammlung von Pendeln, die alle in einem, sagen wir, 10-Grad-Winkel schweben. Diese Konfiguration kann der Grundzustand sein: Die Pendel bevorzugen diesen Winkel und sind stabil.

Im Jahr 2012 bewiesen Experimentatoren am Giant Hadron Collider, dass ein skalares Feld, das als Higgs-Feld bekannt ist, das Universum durchdringt. Zuerst, im heißen, frühen Universum, zeigten seine Pendel nach unten. Aber als der Kosmos abkühlte, änderte das Higgs-Feld seinen Zustand, so wie Wasser zu Eis gefrieren kann, und seine Pendel stiegen alle in den gleichen Winkel. (Dieser Higgs-Wert ungleich Null verleiht vielen Elementarteilchen die als Masse bekannte Eigenschaft.)

Bei Skalarfeldern ist die Stabilität des Vakuums nicht unbedingt absolut. Die Pendel eines Feldes können mehrere halbstabile Winkel und eine Neigung zum Wechseln von einer Konfiguration zur anderen haben. Theoretiker sind sich nicht sicher, ob beispielsweise das Higgs-Feld seine absolute Lieblingskonfiguration gefunden hat – das wahre Vakuum. Einige haben argumentiert, dass der aktuelle Zustand des Feldes, obwohl er seit 13,8 Milliarden Jahren besteht, nur vorübergehend stabil oder „metastabil“ ist.

Wenn ja, werden die guten Zeiten nicht ewig dauern. In den 1980er Jahren beschrieben die Physiker Sidney Coleman und Frank De Luccia, wie ein falsches Vakuum eines Skalarfelds „zerfallen“ kann. Jeden Second, wenn sich genügend Pendel an einem Ort in einen günstigeren Winkel bewegen, ziehen sie ihre Nachbarn zu sich heran, und eine Blase aus echtem Vakuum fliegt mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nach außen. Es wird die Physik auf seinem Weg umschreiben und die Atome und Moleküle auf seinem Weg zerstören. (Keine Panik. Auch wenn unser Vakuum nur metastabil ist, wird es angesichts seines bisherigen Durchhaltevermögens wahrscheinlich noch Milliarden von Jahren überdauern.)

In der potenziellen Veränderlichkeit des Higgs-Felds identifizierten Physiker die erste von praktisch unendlich vielen Möglichkeiten, wie das Nichts uns alle töten könnte.

Mehr Probleme, mehr Staubsauger

Als Physiker versuchten, die bestätigten Naturgesetze in einen größeren Satz einzupassen (und dabei riesige Lücken in unserem Verständnis zu füllen), haben sie mögliche Naturtheorien mit zusätzlichen Feldern und anderen Zutaten ausgeheckt.

Wenn sich Felder anhäufen, interagieren sie, beeinflussen gegenseitig ihre Pendel und bilden neue gegenseitige Konfigurationen, in denen sie gerne stecken bleiben. Physiker stellen sich diese Vakuums als Täler in einer hügeligen „Energielandschaft“ vor. Unterschiedliche Pendelwinkel entsprechen unterschiedlichen Energiemengen oder Höhen in der Energielandschaft, und ein Feld versucht, seine Energie zu verringern, so wie ein Stein versucht, bergab zu rollen. Das tiefste Tal ist der Grundzustand, aber der Stein könnte – zumindest für eine gewisse Zeit – in einem höheren Tal zur Ruhe kommen.

Vor ein paar Jahrzehnten explodierte die Landschaft im Maßstab. Die Physiker Joseph Polchinski und Raphael Bousso untersuchten bestimmte Aspekte der Stringtheorie, dem führenden mathematischen Rahmen zur Beschreibung der Quantenseite der Gravitation. Die Stringtheorie funktioniert nur, wenn das Universum etwa 10 Dimensionen hat, wobei die zusätzlichen zu winzigen Formen zusammengerollt sind, um sie zu erkennen. Polchinski und Bousso berechneten im Jahr 2000, dass sich solche zusätzlichen Dimensionen auf unzählige Arten zusammenfalten könnten. Jede Artwork der Faltung würde ein eigenes Vakuum mit eigenen physikalischen Gesetzen bilden.

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