Geschichte und Eigenschaften der M-Theorie

M-Theorie ist der Name für eine einheitliche Version der Stringtheorie, die 1995 vom Physiker Edward Witten vorgeschlagen wurde. Zum Zeitpunkt des Vorschlags gab es 5 Variationen der Stringtheorie, aber Witten brachte die Idee vor, dass jede eine Manifestation einer einzelnen zugrunde liegenden Theorie sei.

Witten und andere identifizierten verschiedene Formen der Dualität zwischen den Theorien, die zusammen mit bestimmten Annahmen über die Natur des Universums ermöglichen könnten, dass sie alle eine einzige Theorie sind: M-Theorie. Eine der Hauptkomponenten der M-Theorie besteht darin, dass zusätzlich zu den bereits zahlreichen zusätzlichen Dimensionen der Stringtheorie eine weitere Dimension hinzugefügt werden muss, damit die Beziehungen zwischen den Theorien herausgearbeitet werden können.

Die Revolution der zweiten Stringtheorie

In den 1980er und frühen 1990er Jahren hatte die Stringtheorie aufgrund der Fülle an Reichtümern ein gewisses Problem erreicht. Durch Anwendung der Supersymmetrie auf die Stringtheorie in der kombinierten Superstringtheorie hatten die Physiker (einschließlich Witten selbst) die möglichen Strukturen dieser Theorien untersucht, und die resultierende Arbeit hatte 5 verschiedene Versionen der Superstringtheorie gezeigt. Die Forschung hat ferner gezeigt, dass Sie bestimmte Formen mathematischer Transformationen, S-Dualität und T-Dualität genannt, zwischen den verschiedenen Versionen der Stringtheorie verwenden können. Die Physiker waren ratlos 

Auf einer Physikkonferenz zur Stringtheorie an der University of Southern California im Frühjahr 1995 schlug Edward Witten seine Vermutung vor, diese Dualitäten ernst zu nehmen. Was wäre, wenn die physikalische Bedeutung dieser Theorien lautete, dass die verschiedenen Ansätze zur Stringtheorie unterschiedliche Wege waren, um dieselbe zugrunde liegende Theorie mathematisch auszudrücken? Obwohl er die Details dieser zugrunde liegenden Theorie nicht kartographiert hatte, schlug er den Namen dafür vor, M-Theorie.

Ein Teil der Idee, die der Stringtheorie zugrunde liegt, ist, dass die vier Dimensionen (3 Raumdimensionen und eine Zeitdimension) unseres beobachteten Universums erklärt werden können, indem man sich das Universum als 10 Dimensionen vorstellt, aber dann 6 davon "verdichtet" Abmessungen in einem submikroskopischen Maßstab, der nie beobachtet wird. Tatsächlich war Witten selbst einer der Menschen, die diese Methode in den frühen 1980er Jahren entwickelt hatten! Er schlug nun vor, dasselbe zu tun, indem er zusätzliche Dimensionen annahm, die die Transformationen zwischen den verschiedenen 10-dimensionalen Varianten der Stringtheorie ermöglichen würden.

Die Begeisterung für die Forschung, die aus diesem Treffen hervorging, und der Versuch, die Eigenschaften der M-Theorie abzuleiten, leiteten eine Ära ein, die einige als "zweite Revolution der Stringtheorie" oder "zweite Revolution der Superstrings" bezeichneten.

Eigenschaften der M-Theorie

Obwohl die Physiker die Geheimnisse der M-Theorie noch nicht gelüftet haben, haben sie einige Eigenschaften identifiziert, die die Theorie haben würde, wenn sich Wittens Vermutung als wahr herausstellen würde:

• 11 Dimensionen der Raumzeit (diese zusätzlichen Dimensionen sollten nicht mit der Idee in der Physik eines Multiversums paralleler Universen verwechselt werden)
• enthält Saiten und Membranen (ursprünglich Membranen genannt)
• Methoden zur Verwendung der Kompaktifizierung, um zu erklären, wie sich die zusätzlichen Dimensionen auf die vier beobachteten Raumzeitdimensionen reduzieren
• Dualitäten und Identifikationen innerhalb der Theorie, die es erlauben, sie auf spezielle Fälle der bekannten Stringtheorien und letztendlich auf die Physik, die wir in unserem Universum beobachten, zu reduzieren

Wofür steht das "M"??

Es ist unklar, wofür das M in der M-Theorie stehen soll, obwohl es wahrscheinlich ursprünglich für "Membran" stand, da diese gerade als Schlüsselelement der Stringtheorie entdeckt worden waren. Witten selbst war rätselhaft und stellte fest, dass die Bedeutung des M nach Geschmack ausgewählt werden kann. Zu den Möglichkeiten gehören Membran, Meister, Magie, Geheimnis und so weiter. Eine Gruppe von Physikern, die größtenteils von Leonard Susskind geleitet wird, hat die Matrixtheorie entwickelt, von der sie glauben, dass sie letztendlich das M kooptieren könnte, wenn sich jemals herausstellt, dass es wahr ist.

Ist M-Theorie wahr??

M-Theorie hat, wie die Varianten der Stringtheorie, das Problem, dass es derzeit keine wirklichen Vorhersagen gibt, die getestet werden können, um die Theorie zu bestätigen oder zu widerlegen. Viele theoretische Physiker erforschen diesen Bereich weiterhin, aber wenn Sie über zwei Jahrzehnte lang ohne solide Ergebnisse geforscht haben, lässt die Begeisterung zweifellos etwas nach. Es gibt jedoch keine Beweise dafür, dass starke Argumente dafür sprechen, dass Wittens M-Theorie-Vermutung ebenfalls falsch ist. Dies kann ein Fall sein, in dem ein Versäumnis, die Theorie zu widerlegen, beispielsweise indem gezeigt wird, dass sie intern widersprüchlich oder in irgendeiner Weise inkonsistent ist, das Beste ist, auf das die Physiker derzeit hoffen können.