Könnten Wissenschaftler eine Theorie von allem testen?

Ein häufiges Missverständnis über Theorien im Allgemeinen ist, dass man sie beweisen kann , obwohl man eine Theorie niemals beweisen kann – man kann eine Theorie immer nur falsifizieren . Es gibt einfach keine Möglichkeit zu beweisen, dass eine Theorie immer für jeden Fall gilt, für den sie verwendbar sein soll. Man kann immer nur eine Theorie falsifizieren und damit sagen, dass sie für einen bestimmten Fall nicht funktioniert und damit sagen, dass sie unmöglich alle Fälle umfassen kann, für die sie gelten sollte, weil man mindestens ein Beispiel dafür hat es funktioniert nicht.

Das bedeutet, dass kein Wissenschaftler jemals beweisen kann , dass die Theorie von allem richtig ist.

Sie können nur Experimente durchführen, um es zu falsifizieren. Und wenn sie es nicht falsifizieren können, ist es gut genug, um verwendet zu werden, bis ein Fall auftaucht, in dem es falsifiziert wird, was bedeuten würde, dass sie nach einer besseren Theorie suchen müssten, die auch auf diesen Fall anwendbar ist.

Wie in den Kommentaren angemerkt wurde, ist dies keine vollständige Definition dessen, was eine Theorie ist. Um zum Beispiel eine Theorie zu sein, muss man sie überprüfen können. Je einfacher es ist, sie theoretisch zu falsifizieren, desto besser ist die Theorie. Die Logik dahinter ist, dass, wenn es viele Punkte gibt, die Sie angreifen könnten, und jeder die Theorie jederzeit ohne viel Ressourcen angreifen könnte, dann wird sicherlich jemand irgendwann Fehler in Ihrem System finden können. Wenn es Ihrer Theorie gelingt, zu bestehen und nicht falsifiziert zu werden, obwohl die Experimente einfach durchzuführen sind und viele Experimente durchgeführt werden, scheint Ihre Theorie brauchbar zu sein und die Menschen beginnen, die Theorie als Grundlage für ihre Arbeit zu akzeptieren.

Hohe Angriffsfläche + nach langer Zeit immer noch nicht verfälscht = gute Theorie

Dies bedeutet immer noch, dass Ihr Vertrauen in die Theorie das einzige ist, was steigen kann, und Sie werden nie 100% sicher sein, dass Ihre Theorie richtig ist . Man kann einfach nicht sicher sein, dass eine Theorie stimmt. Sie können nur sagen, dass es für alle getesteten Fälle funktioniert hat, und bis ein Fall auftaucht, der die Theorie widerlegt, gehen Sie einfach davon aus, dass es so funktioniert, um Ihnen das Leben zu erleichtern und Ihre Arbeit fortzusetzen.

Wenn es keine Möglichkeit gibt, eine Theorie zu falsifizieren, dann bewegt man sich im Bereich der Pseudowissenschaft und missachtet den normalen wissenschaftlichen Prozess. Eine Theorie , die Sie unmöglich widerlegen können, ist per Definition keine Theorie . Das Gleiche gilt für Argumente wie "Da war etwas, das es funktioniert hat, als ich dieses Experiment gemacht habe, aber jetzt ist es weg und Sie können es nicht reproduzieren, aber mein Experiment war erfolgreich, also sind meine Ergebnisse korrekt." Wenn eine andere Person es unter den gleichen Umständen nicht reproduzieren kann, ist es nutzlos und wird nicht mit der erforderlichen wissenschaftlichen Strenge durchgeführt. Ja, das Experiment kann sehr kostspielig oder schwierig sein, aber es muss möglich sein, ein Experiment zu wiederholen.

Zuerst sollten wir feststellen, was eine „Theorie von allem“ eigentlich ist . Ich würde es als ein mathematisches Modell beschreiben, das das Verhalten grundlegender Teilchen und Kräfte vorhersagt (daher können entstehende Phänomene durch Theorien beschrieben werden, die für diese bestimmte Bedingung besser geeignet sind). Es sollte in allen Situationen gültig sein und experimentell mit früheren Beobachtungen des Universums übereinstimmen. Einige würden argumentieren, dass eine solche Theorie nach einer Definition des Wortes auch "schön" sein sollte. Vielleicht stimmt das; vielleicht ist es nicht. Jedenfalls sollte eine Theorie von allem genau erklären, was sie behauptet: alles.

Zentral für die Idee einer Theorie von allem ist die Idee der Vereinigung. Es gibt vier grundlegende Kräfte im Universum: Elektromagnetismus, die schwache Kernkraft, die starke Kernkraft und die Schwerkraft. Wir glauben, dass eine gültige Theorie von allem erklären würde, wie alle vier Kräfte wirklich nur Manifestationen einer einzigen zugrunde liegenden Kraft sind; Dieses Prinzip wird Vereinigung genannt . Bei hohen Energien sollten sich alle vier Kräfte als Komponenten dieser Kraft gleich verhalten. Wir würden ähnliche Ergebnisse erwarten, wenn wir über die an der Theorie beteiligten Teilchen sprechen.

Lassen Sie uns über ein Beispiel sprechen, ein teilweises Analogon zu einer Theorie von allem: die elektroschwache Wechselwirkung . Die elektromagnetischen und schwachen nuklearen Kräfte wurden Mitte des 20. Jahrhunderts von einer Reihe von Theoretikern erfolgreich vereint. Nun, diese Vereinigung hat einige Vorhersagen gemacht - von denen Sie vielleicht schon gehört haben:

• Wir brauchen das Higgs-Boson, um die elektroschwache Symmetriebrechung zu erklären - eine Art zu sagen, warum die beiden Kräfte Trägerteilchen mit unterschiedlichen Massen haben (das Photon ist masselos, während die W- und Z-Bosonen Masse haben). Das Higgs-Boson wurde 2012 entdeckt.
• Die Theorie sagte die Existenz der Z-Bosonen voraus , die zusammen mit den zuvor vorhergesagten W-Bosonen die schwache Kraft vermitteln. Alle drei wurden in den 1980er Jahren entdeckt.
• Neutrale Ströme , eine Art schwache Wechselwirkung, wurden vorhergesagt und 1973 gefunden.

Eine Theorie von allem wird die Existenz neuer Teilchen oder neuer Phänomene vorhersagen, typischerweise bei hohen Energien, und würde leistungsfähigere Detektoren und Collider erfordern, um sie zu erkennen. Da die Technologie immer besser wird, werden offensichtlich leistungsfähigere Teilchenbeschleuniger und Collider gebaut. Besonders gespannt bin ich auf den International Linear Collider und den Future Circular Collider . Der Supraleitende Supercollider wäre erstaunlich gewesen, wenn er gebaut worden wäre, aber er wurde wegen Budgetproblemen abgesagt. Die elektroschwache Kraft ist ein hervorragendes Beispiel dafür, dass Vorhersagen bei hohen Energien verifiziert werden – siehe, wie ich bereits erwähnt habe, die Entdeckung des Higgs-Bosons.

Nun ist es auch möglich, dass wir Beweise für eine bestimmte Theorie von allem in der Natur finden könnten – möglicherweise in astrophysikalischen Experimenten. Um Ihre Erwähnung der Supersymmetrie (SUSY) als Beispiel zu verwenden, sind bestimmte Superpartner Kandidaten für dunkle Materie . Das Studium dieser in verschiedenen Umgebungen könnte SUSY unterstützen - obwohl es wichtig ist zu bedenken, dass Supersymmetrie nicht bedeutet, dass die Stringtheorie richtig ist, und dass die Stringtheorie keine Supersymmetrie benötigt . Sie sind nur enge Gefährten, und jeder arbeitet ziemlich gut mit dem anderen zusammen.

Wenn eine Theorie von allem immer wieder Beweise sammelt, könnte sie schließlich als allgemein richtig akzeptiert werden, obwohl, wie Secespitus betonte , eine Theorie niemals bewiesen werden kann; es kann nur durch immer mehr Beweise gestützt werden. Vielleicht stellen wir fest, dass eine Theorie für Teilchen mit einer Energie von bis zu 10 TeV korrekte Vorhersagen macht, aber bei 20 TeV versagt. Wenn wir feststellen, dass das passiert, müsste die Theorie modifiziert – oder verworfen werden.

Keine der gegebenen Antworten scheint die ursprüngliche Frage zu beantworten, wie man bei der Suche nach Beweisen für oder gegen eine solche Theorie vorgehen könnte. Ich gehe davon aus, dass Sie meinen, dass die Theorie in der modernen Welt oder in naher Zukunft experimentell getestet werden soll (wie andere Antworten darauf hinweisen: nicht bewiesen).

Im Allgemeinen muss die Theorie zwei Dinge tun, um Gewicht zu haben:

1. Beschreiben Sie alle bekannten Phänomene richtig.
2. Prognostizieren Sie neue Phänomene, die experimentell verifiziert werden können.

Eine weitere unnötige, aber hilfreiche Eigenschaft wäre, dass es an ein Gefühl von "Natürlichkeit" appelliert. Es wird viel über das Thema Natürlichkeit diskutiert, wie man sie definiert und ob sie überhaupt eine wünschenswerte Eigenschaft physikalischer Theorien ist oder ob das Jagen nach Natürlichkeit tatsächlich in die falsche Richtung führt. Hier gibt es eine nette Diskussion . Auch würde es der Theorie helfen, sich durchzusetzen, wenn sie Behauptungen über bestimmte herausragende philosophische Probleme aufstellt.

Offene ungeklärte Beobachtungen in der Physik

Mit unseren aktuellen technologischen Fähigkeiten haben wir alles von der Struktur von Hadronen (in der Größenordnung von$10^{-16}$m) zur alltäglichen normalen Newtonschen Physik (in der Größenordnung von$10^0$m) zur Struktur galaktischer Superhaufen ($10^{24}$m) zum kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) (in der Größenordnung des Radius des Universums um$10^{26}$m). Unsere aktuellen Theorien (Quantenfeldtheorie für die extrem kurzen Skalen, Allgemeine Relativitätstheorie für die extrem großen Skalen) sind ziemlich gut darin, alle bisher beobachteten Phänomene zu erklären, abgesehen von ein paar Dingen, wie in dieser Liste . Ein paar große, die mir aus phänomenologischer Sicht auffallen (nach persönlicher Vorliebe ausgewählt):

• Dunkle Energie : Was ist die Quelle der beschleunigten Expansion des Universums?
• Dunkle Materie : Es gibt zahlreiche Beweisquellen dafür, dass es im Universum weit mehr Materie gibt, als wir sehen können, von der angenommen wird, dass sie eine Form von Materie ist, die nicht elektromagnetisch (dh mit Licht) wechselwirkt und daher "dunkel" ist.
• Schwarze Löcher: Aus theoretischer Sicht sind Schwarze Löcher ein Problem, da sie Punkte mit unendlicher Krümmung sind. Wenn sogenannte „ nackte Singularitäten “ existieren, könnten unsere Theorien keine Vorhersagen treffen. Gibt es Singularitäten oder gibt es eine ultradichte Form von Materie, die wir noch nicht kennen, wie Quarksterne oder andere exotische Materiezustände? Siehe auch die Hypothese der kosmischen Zensur .
• Magnetische Monopole : Warum gibt es keine magnetischen Monopole? Wenn es auch nur einen magnetischen Monopol gäbe , würde das erklären, warum elektrische Ladung quantisiert ist , aber niemand hat jemals einen entdeckt.
• Warum gibt es drei „Generationen“ von Elementarteilchen (Quarks und Leptonen)? Die leichteste Generation sind die Up- und Down-Quarks, das Elektron und das Neutrino, die alle ziemlich häufig vorkommen (Protonen und Neutronen bestehen aus Up- und Down-Quarks). Aber es gibt drei Generationen dieser Teilchen, das Strange/Charm + Myon/Mu-Neutrino und das Top/Bottom + Tau/Tau-Neutrino, die die gleichen Eigenschaften haben, aber wesentlich mehr Masse haben (und daher weniger häufig vorkommen).
• Warum haben Neutrinos Masse ? Neutrinos wurden ursprünglich für masselos gehalten, aber Experimente zeigen, dass sie eine sehr kleine Masse haben (in der Größenordnung von einer Million mal kleiner als die Masse eines Elektrons). Warum das so ist, ist nicht bekannt.

Dies sind nur einige Beispiele dafür, was eine grundlegendere Theorie von der Seite der „bekannten Phänomene“ aus erklären könnte.

Vorhersagekraft

Schauen wir uns nun an, was vorhergesagt werden könnte. Aller Wahrscheinlichkeit nach würde eine grundlegendere Theorie Dinge vorhersagen, die auf Längenskalen auftreten, die kleiner sind als die bisher beobachteten. Das bedeutet, dass neue, größere Collider gebaut werden müssen, um höhere Energien und damit kleinere Längenskalen zu erreichen. Leider wird angenommen, dass eine grundlegende Theorie von allem, die Gravitations- und Quantenfeldtheorie vereint, auf Längenskalen in der Größenordnung der Planck-Länge in der Größenordnung von funktionieren würde$10^{-35}$m, was viel zu klein ist, um es direkt mit Collidern zu untersuchen. Aber es könnten interessante Dinge direkt unterhalb der derzeit messbaren Längenskalen passieren, die eine neue Theorie vorhersagen könnte, die untersucht werden könnte. Was könnten wir dort finden? Beachten Sie, dass diese ziemlich rein hypothetisch sind:

• Eine Möglichkeit ist, dass Quarks tatsächlich zusammengesetzte Teilchen mit einer inneren Struktur sind, die zu klein ist, um sie derzeit zu untersuchen.
• Teilchenbeschleuniger mit höherer Energie könnten auch schwerere Teilchen erzeugen und möglicherweise eine Art neues extrem schweres Elementarteilchen enthüllen. Es würde wahrscheinlich nicht direkt auftauchen (wie es das Higgs tat), könnte aber als Resonanz in Collider-Experimenten auftauchen. Ein neues Elementarteilchen (oder vielleicht mikroskopisch kleine Schwarze Löcher) könnte in der Nähe der Planck-Skala erscheinen, wäre aber aufgrund seiner Masse (ca$10^{19}$mal die Protonenmasse) und zerfallen so schnell (in der Größenordnung von$10^{-39}$s). Leider sind diese Skalen mit Collidern nicht wirklich erreichbar, aber vielleicht könnte es möglich sein, wenn eine Art neuer Technologie erfunden würde, zum Beispiel Plasma-Nachlaufbeschleunigung .
• Es gibt einige Formen der Supersymmetrie , die unserer Erkennungsfähigkeit bisher entgangen sind, sodass extrem schwere Superpartner noch nicht vollständig ausgeschlossen sind.
• Könnte es eine fünfte fundamentale Kraft geben , die bisher der Entdeckung entgangen ist? Es gibt viele Theorien, die so etwas postulieren. Dies würde bedeuten, einen neuen Kraftträger zu finden oder Wechselwirkungen zu beobachten, die von den vier Kräften, die wir derzeit kennen, nicht zugelassen werden.
• Wenn zusätzliche Dimensionen existieren, könnten sie in Collider-Experimenten aus "fehlender Energie" im Ergebnis eines Teilchenkollisionsexperiments entdeckt werden (ein Teil dieser Energie entweicht in andere Dimensionen).
• Bei höheren Energien konnten in Collider-Experimenten mikroskopisch kleine Schwarze Löcher entdeckt werden. Es ist ziemlich allgemein anerkannt, dass Schwarze Löcher strahlen ( Hawking-Strahlung ). Eine Frage ist, was passiert, wenn ein Schwarzes Loch seine gesamte Masse abstrahlt, bis es ungefähr so ​​​​massiv ist wie die fundamentalen Teilchen? Wird es vollständig verdampfen oder wird es einen Überrest von Schwarzen Löchern hinterlassen, der wie ein massives Teilchen wirken würde? Solche mikroskopisch kleinen Überreste von Schwarzen Löchern sind eine hypothetische Form von Weakly Interactive Massive Particles (WIMPs), die ein Kandidat für Dunkle Materie sein könnten.

Was könnte alternativ vorhergesagt werden, was im größten Maßstab gemessen werden könnte?

• Wenn die Theorie mehrere Universen vorhersagt, könnte sie neue Methoden hervorbringen, um zu versuchen, ihre Existenz zu verifizieren. Theorien über das Multiversum oder "Blasenuniversen" und dergleichen könnten nachweisbare Signaturen im CMB erzeugen .
• Die Theorie könnte neue Einsichten in Gravitationswellen liefern und vielleicht eine neue Methode hervorbringen, um die Existenz des Gravitons zu verifizieren . (Dadurch vermischen sich die Längenskalen, Gravitationswellen werden zwar auf extrem langen Längenskalen detektiert, aber ihre quantenfeldtheoretische Teilchenform (siehe Welle-Teilchen-Dualismus ) wird Graviton genannt).

Philosophische Zwickmühlen in der Physik

Aus einer eher philosophischen Perspektive sind einige offene Fragen (die sich auf das Thema „Natürlichkeit“ beziehen, auch in der Wikipedia-Liste aufgeführt):

• Aus Sicht der Quantengravitation ist das sogenannte Zeitproblem ein großes Problem .
• Eine andere unabhängige Frage zur Zeit lautet: Wenn physikalische Gesetze zeitumkehrsymmetrisch sind, warum gibt es dann einen Zeitpfeil ? Die Antwort darauf könnte in der CP-Symmetriebrechung einiger Wechselwirkungen schwacher Kräfte liegen. Es wurden viele Erklärungen versucht, die im Allgemeinen Statistiken und den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beinhalten (die Entropie nimmt immer zu).
• Was bedeutet der Kollaps der Wellenfunktion ? Welchen Einfluss hat die Messung auf den Zustand eines Systems? Siehe Interpretationen der Quantenmechanik .
• Warum haben die physikalischen Konstanten die Werte, die sie haben? Wie viele physikalische Konstanten gibt es? Sind sie verwandt und lässt sich ihr Wert aus Grundprinzipien ableiten? Derzeit können sie nur experimentell gemessen werden. Warum scheint das Universum auf Leben eingestellt zu sein ? Wenn sich die Werte der Konstanten geringfügig ändern würden, würden Dinge wie Sterne nicht entstehen oder alles würde zusammenbrechen. Siehe auch das Anthropische Prinzip oder einige Punkte hier .
• Was geschah in den frühesten Zeiten im Universum und was ist das endgültige Schicksal des Universums ? Wir können nur bis etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall zurückblicken, wenn wir das CMB betrachten . Eine Möglichkeit wäre, wenn wir irgendwie den kosmischen Neutrino-Hintergrund erkennen könnten , der uns bis zu einer Sekunde nach dem Urknall zurückblicken lassen würde. Oder gab es überhaupt einen Big Bang oder war es vielleicht ein Big Bounce ?
• Hierarchieproblem : Warum ist die Schwerkraft so viel schwächer als die anderen drei Kräfte? Wenn ein Wasserstoffatom (Proton + Elektron) durch die Gravitationskraft statt durch die elektromagnetische Kraft gebunden wäre, wäre es größer als die Größe des Universums .
• Kann die Quantenfeldtheorie auf eine streng mathematische Grundlage gestellt werden? Siehe zum Beispiel diese Serie von Urs Schreiber. Verwandte mathematische Schwierigkeiten in der Physik werden hier diskutiert .

Zusammenfassung

1. Berücksichtigen Sie, was andere über "falsifizierbar" vs. "beweisbar" gesagt haben. Die Theorie sollte falsifizierbar sein.
2. Die Theorie muss die verifizierten Ergebnisse unserer aktuellen fundamentalen Theorien reproduzieren.
3. Die Theorie muss neue experimentell überprüfbare Phänomene vorhersagen. Experimentell überprüfbar ist hier der Schlüssel. Die Stringtheorie zum Beispiel macht Vorhersagen, die hypothetisch verifiziert werden könnten, wenn wir einen Supercollider von der Größe der Galaxie bauen, was offensichtlich nicht machbar ist.
4. Um Akzeptanz zu finden, wäre es schön, wenn die Theorie auch "natürlich" und "ästhetisch ansprechend" wäre. Vor allem, wenn es eine „schönere“ oder „einfachere“ oder „intuitivere“ Erklärung bietet als derzeit vorherrschende Theorien.
5. Um Akzeptanz zu finden, wäre es schön, wenn die Theorie einige derzeit ungeklärte Phänomene erklären könnte.
6. Um Akzeptanz zu finden, wäre es schön, wenn die Theorie bestimmte ungelöste philosophische oder etwas metaphysische Probleme erklären könnte. Natürlich werden diese Erklärungen keine Zugkraft haben, es sei denn, die Theorie hat eine überprüfbare Vorhersagekraft.

Natürlich sollte man die Worte von Max Planck berücksichtigen:

Eine neue wissenschaftliche Wahrheit triumphiert nicht dadurch, dass sie ihre Gegner überzeugt und sie ans Licht bringt, sondern weil ihre Gegner schließlich sterben und eine neue Generation heranwächst, die damit vertraut ist.

Um die Frage zu beantworten, sollten wir uns zunächst ansehen, welchen Wert eine „Theory of Everything“ hätte.

1. Bieten Sie eine einfachere Erklärung für Dinge, die wir in der Natur beobachten, als die bestehenden Theorien
2. Erklären Sie in der Natur beobachtete Beobachtungen, die durch bestehende Theorien nicht ausreichend erklärt werden
3. Machen Sie Vorhersagen für die Ergebnisse von Ereignissen, die noch nicht beobachtet wurden. "Wenn X passiert, dann sollte Y das Ergebnis sein"

Die ersten beiden sind hauptsächlich von didaktischem Wert, weil sie den Menschen besser erklären können, wie das Universum funktioniert. Aber sie schaffen keine neuen Erkenntnisse. Sie machen vorhandene Erkenntnisse nur schmackhafter.

Das dritte ist, wo wir mögliche Anwendungen haben. Wenn Ihre Theorie neue Vorhersagen macht, die den Vorhersagen konkurrierender Theorien widersprechen, gibt es möglicherweise eine Möglichkeit, ein Experiment zu erstellen, um die Theorie zu testen.

Ihre Theorie lautet zum Beispiel: „Wenn wir einen Hamster in einen Teilchenbeschleuniger stecken, sollte er sich in einen Frosch verwandeln“. Die konkurrierende Theorie besagt: „Wenn wir einen Hamster in einen Teilchenbeschleuniger stecken, sollte er sich in eine Taube verwandeln“. Niemand hat das vorher versucht. Also beschließen einige Wissenschaftler, es zu versuchen. Das Ergebnis ist eine federlose, flügellose, grüne Amphibie. Das bedeutet, dass Ihre Theorie verifiziert und die konkurrierende Theorie falsifiziert wurde.

Das bedeutet , dass etwas an der konkurrierenden Theorie falsch sein muss. Aber das bedeutet nicht, dass Ihre Theorie als richtig bestätigt wird . Es wurde nur bestätigt, dass es auf dieses spezifische Experiment anwendbar ist. Funktioniert es bei jedem Hamster oder nur bei diesem? Funktioniert es an jedem Teilchenbeschleuniger oder nur an diesem bestimmten? Funktioniert es immer oder hatten wir nur Glück? Und ist das Tier wirklich ein Frosch oder ist es vielleicht doch eine sehr froschähnliche Taube?

Ein anderes Experiment könnte zu einem anderen Ergebnis führen, als Ihre Theorie vorhergesagt hat. Das würde bedeuten, dass Ihre Theorie genau wie die vorherige Theorie falsifiziert wurde.

Wenn eine Theorie durch viele verschiedene Experimente bestätigt wurde, die von vielen verschiedenen Personen unter vielen verschiedenen Umständen durchgeführt wurden, könnten die Leute zu dem Schluss kommen, dass die Theorie unter den meisten Bedingungen sehr wahrscheinlich größtenteils richtig ist und dass es das Risiko wert sein könnte, kommerzielle Produkte zu entwickeln die auf dieser Theorie basieren.

Und dann erschafft jemandes Hamster-zu-Frosch-Umwandler plötzlich ein Kaninchen. Jetzt ist die ganze Welt in Aufruhr, weil irgendetwas an der „Theorie von allem“ falsch sein muss und wir eine bessere Theorie brauchen, die auch diese neue Beobachtung erklärt und eine Vorhersage darüber macht, unter welchen Umständen dies wieder passieren wird.

Eine „Theory of Everything“ muss unter anderem erklären können, warum frühere Theorien so gut funktioniert haben.

Zum Beispiel ist die klassische Newtonsche Mechanik nicht ganz korrekt, aber es ist für jemanden nicht trivial herauszufinden, wo er von der Realität abweicht. Die Relativitätstheorie stimmt bei langsamen Geschwindigkeiten mit der Newtonschen Mechanik überein und beginnt erst dann abzuweichen, wenn sich die Dinge mit einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Durch Abweichung von bestehenden Theorien würde auch eine "Theorie von allem" getestet - wie @Secespitus sagt, eine Theorie, die Möglichkeiten bietet, sie als falsch zu beweisen, die sie am Ende nicht als falsch beweist, ist, wie wir Vertrauen in die Richtigkeit von a gewinnen können Theorie. Zum Beispiel lassen uns die Unterschiede in der Newtonschen Mechanik und der Relativitätstheorie wissen, dass wir Dinge testen mussten, die sich sehr bewegen und/oder Dinge mit erheblicher Schwerkraft, und als die Ergebnisse der Relativitätstheorie statt der Newtonschen Mechanik entsprachen, gewannen wir Vertrauen in die Korrektheit der Relativitätstheorie .

Im Moment können Quantenfeldtheorie und allgemeine Relativitätstheorie zusammen so ziemlich alles erklären, aber wie die Wikipedia-Seite für die Theorie von allemStaaten haben Physiker festgestellt, dass es einen Fehler in einer oder beiden dieser Theorien geben muss. Das Problem ist, dass „wie sich herausstellt, diese Inkompatibilität zwischen [den beiden Theorien] anscheinend nur ein Problem in Regionen mit extrem kleinem Maßstab und hoher Masse ist, wie sie beispielsweise in einem Schwarzen Loch oder in den Anfangsstadien des Universums existieren (d. h. der Moment unmittelbar nach dem Urknall)“ Mit anderen Worten, es ist in der Tat wahrscheinlich, dass eine Theorie von allem nicht überprüfbar wäre – nicht weil sie keine Vorhersagen treffen kann, die von der Quantenfeldtheorie und der Allgemeinen Relativitätstheorie abweichen, sondern weil die Abweichungen würden unter solch extremen Umständen auftreten, dass es technisch sehr schwierig wäre, die Umstände herzustellen, die erforderlich sind, damit die Abweichungen signifikant genug sind, um messbar zu sein.

Nun, diese „Theory of Everything“ müsste ein paar Kästchen ankreuzen, um überhaupt als Kandidat für eine Theory of Everything in Frage zu kommen:

1. Habe Newtonsche Mechanik als Grenzfall (für alltägliche Geschwindigkeiten, Entfernungen und Massen).
2. Habe die Allgemeine Relativitätstheorie als Grenzfall (für große Massen und schnelle Geschwindigkeiten).
3. Nehmen Sie das Standardmodell der Teilchenphysik als Grenzfall (für niedrige Energien).
4. Habe die Quantenmechanik als Grenzfall.

Neben diesen Grenzfällen (was auf die Aussage hinausläuft, dass es alles beschreibt, was unsere aktuellen Theorien beschreiben) sollte es alle derzeit offenen Fragen der Grundlagenphysik beantworten (sonst wäre es per Definition keine Theorie von allem):

1. Wie nehmen Neutrinos Masse an und welche Ordnung haben sie (ist das Elektron-Neutrino das leichteste oder das schwerste)?
2. Warum gibt es im Universum mehr Materie als Antimaterie?
3. Was ist Dunkle Materie (oder erzeugt einen ähnlichen Effekt)?
4. Was ist Dunkle Energie (oder erzeugt einen ähnlichen Effekt)?
5. Was passiert bei einer Singularität (sowohl in einem Schwarzen Loch als auch am Anfang des Universums)?

Wenn es all diese Einschränkungen erfüllen würde, würden die Leute definitiv darauf achten, auch wenn es nicht sofort falsifizierbar wäre. Es sollte jedoch theoretisch falsifizierbar sein (wie in den anderen Antworten angegeben).

Wenn die neue Theory of Everything andere Vorhersagen über etwas macht, können diese Vorhersagen empirisch überprüft werden. Ein Beispiel dafür, wie es scheint, als müsste es sein: Wir wissen derzeit nicht, wie wir die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik in Einklang bringen können, um eine Theorie der Quantengravitation zu erhalten, also würde eine Theory of Everything vermutlich neue, überprüfbare Vorhersagen über die Schwerkraft treffen.

Wenn die Theory of Everything das bestehende Standardmodell der Physik nur auf neue und elegante Weise herleitet, aber keine neuen Vorhersagen macht, dann ist das wie die mehrfach mathematisch äquivalenten „Interpretationen“ von Stücken der modernen Physik. Es wäre eine rein theoretische Entdeckung. Das Papier würde mathematisch , nicht experimentell beweisen, dass es alle die gleichen Vorhersagen macht. Wenn mit den neuen Gleichungen wesentlich einfacher zu rechnen wäre, würden sie schnell übernommen. Ob Menschen eine solche Theorie als elegantere, „bessere“ Erklärung akzeptieren, wäre eine Frage der persönlichen Meinung und der gesellschaftlichen Konvention. Vielleicht würde es allen neuen Physikern beigebracht werden, oder vielleicht würde die Gruppe von Physikern, die es verwenden, eine kleine Subkultur bilden.

Um die bestehenden Antworten in praktische World-Building-Begriffe zu fassen, wenn die vorgeschlagene Theory of Everything etwas Unerwartetes vorhersagt, zB einen plausiblen Weg, so etwas wie einen Alcubierre-Antrieb zu bauen , der tatsächlich kostengünstig getestet werden kann - wenn auch nur im experimentellen Maßstab - und Wenn der Test erfolgreich durchgeführt und später von mehreren unabhängigen Teams reproduziert wurde, wird die Theorie wahrscheinlich von der wissenschaftlichen Gemeinschaft vorläufig als wahrscheinlich wahr akzeptiert.

Sie könnten sich sogar dafür entscheiden, jemand anderen als den Schöpfer der Theorie, vielleicht einen Rivalen oder Skeptiker, auf die unerwartete Vorhersage aufmerksam machen zu lassen; Vergleichen Sie diese reale Geschichte über ein überraschendes Verhalten, das von der Wellentheorie des Lichts erfolgreich vorhergesagt wurde .

Wie bereits erklärt, ist dies kein Beweis , aber es würde ausreichen, um zu erklären, warum die Theorie tatsächlich sehr ernst genommen wird. Es würde noch einige Jahre dauern, bis die Theorie als Teil des wissenschaftlichen Konsens darüber, wie die Welt funktioniert, in den Lehrplan des Grundstudiums aufgenommen wurde, aber jeder würde davon wissen und es ernst nehmen.

Ihr Hauptproblem besteht darin, einen möglichen Test zu finden, der für die Stimmung Ihrer Geschichte nicht zu ausgefallen ist, der einem echten Physiker möglichst nicht zu lächerlich erscheint (wie viele Erfolgsgeschichten bestätigen können, ist dieser optional!) und von natürlich, die Ihre Handlung nicht stört; obwohl Sie in der Lage sein könnten, alle Handlungsschwierigkeiten mit der Lücke im "experimentellen Maßstab" zu umgehen, zB ja, Sie haben ein funktionierendes Alcubierre-Laufwerk gebaut, aber nur im mikroskopischen Maßstab; Es wird Jahrzehnte oder Jahrhunderte dauern, die technischen Probleme zu lösen, die für die Herstellung eines tatsächlichen FTL-Raumschiffs erforderlich sind, oder vielleicht schließt die Theorie dies vollständig aus.

(Beachten Sie auch, dass Sie je nach Art Ihrer Geschichte möglicherweise nicht wirklich angeben müssen, welches überraschende Verhalten die Theorie vorhergesagt hat, sondern sagen Sie einfach, dass dies der Fall war und dass die Vorhersagen der Theorie experimentell bestätigt wurden.)

Es gibt keinen eigentlichen Grund, warum TOEs nicht testbar wären. Wenn Sie eine Geschichte wollen, in der ein EVG leichter testbar ist als in der realen Welt 2018, müssen Sie nur einige der alltäglichen praktischen Dinge optimieren, die hier zu solchen Schwierigkeiten beitragen. Als Physiker fallen mir dazu ein paar Beispiele ein:

• Die Tatsache, dass die Energieskala, auf der „neue Physik“ stattfindet, so viele Größenordnungen größer ist als das, was unsere Teilchenbeschleuniger erreichen können. Vielleicht ist ihr Design in Ihrer Welt mächtiger oder bestimmte physikalische Verhältnisse sind kleiner. Die Planck-Länge wird durch die Stärke der Schwerkraft bestimmt, aber Sie würden nicht einmal unbedingt eine kleinere Gravitations-elektroschwache Kraftlücke benötigen, da die kompaktierten Dimensionen in der Stringtheorie viel größer sein können als die Planck-Länge.
• Die Tatsache, dass die EVG so viele verschiedene Optionen bieten, können wir nicht eingrenzen. Die Landschaft der Stringtheorie ist riesig, aber es ist denkbar, dass wir unsere Suchtechniken verbessern könnten. So wie es im Silicon Valley um ein Team mit einem großartigen Komprimierungsalgorithmus geht, könnte Ihre Geschichte einen effizienten Landschaftssuchalgorithmus enthalten, der alle Optionen gezeigt hat, die mit früheren Beobachtungen übereinstimmen, bestimmte Vorhersagen treffen, die wir an anderer Stelle testen können.
• Die Tatsache, dass wir nur so viel messen können. TOEs korrigieren typischerweise bestimmte theoretische Details der Thermodynamik von Schwarzen Löchern. Kann Ihre Zivilisation die Entropie von Schwarzen Löchern messen? Sie könnten in der Raumfahrt unterwegs sein, oder sie könnten herausgefunden haben, wie man kleine Schwarze Löcher herstellt, die sie studieren können.
• Die Tatsache, dass die Ideen der Neuen Physik so lange verstrichen sind, ohne aufgetaucht zu sein. Echte Daten sagen uns, dass die Lebensdauer von Protonen, wenn sie endlich ist, viel größer ist, als sich frühe GUTs* vorgestellt haben; Echte Daten zeigen uns auch, dass supersymmetrische Partnerteilchenarten, falls vorhanden, viel mehr Masse haben als die uns bekannten „Standard“-Teilchen. Auch hier könnte Ihr Universum diese Probleme nicht haben, zumindest nicht in gleichem Maße. (* Große Vereinigungstheorien vernachlässigen immer noch die Schwerkraft, führen aber eine stark-elektroschwache Vereinigung ein.)
• Die Tatsache, dass die reale Welt so viel komplizierter ist, als die ersten Bemühungen erhofft hatten. Kaluza-Klein hätte sich vielleicht geirrt, wenn es die Nuklearstreitkräfte nicht gegeben hätte. (Die Stabilität großer Atome würde dann negativ geladene Nukleonen erfordern, aber warum nicht? Es ist Ihr Universum.) Ein Nachteil wäre, dass Sie Fossilien ohne radiometrischen Zerfall nicht datieren können, aber Sie könnten entscheiden, dass dies ein kleiner Preis ist, den Sie in Ihrer Geschichte zahlen müssen.
• Vielleicht arbeiten Ihre Physiker einfach schon länger daran. Hin und wieder schlägt jemand einen einfallsreicheren (und hoffentlich praktischeren) Weg vor, um einen EVG zu testen, als "Ihren Beschleuniger auf die Planck-Energie zu bringen". Vielleicht wird sich in ein oder zwei Jahrhunderten etwas ergeben. Denken Sie daran, dass die Theorien sehr jung sind.

Frage: "In meiner Welt erfindet jemand eine Theorie für alles. Gibt es eine Möglichkeit, wie Wissenschaftler die Theorie testen würden, um zu beweisen, dass sie richtig ist, anstatt irgendwelche durcheinandergebrachten Gleichungen?"

Antworten:

Natürlich kann jede anständige Theorie überprüft werden. Es muss (1) mit allen Experimenten übereinstimmen, und es muss (2) erklären, was bisher unerklärt ist. Derzeit (2020) ist die erste Anforderung, dass es mit der Teilchenphysik und der Allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmen muss.

In der Physik gibt es bisher erstaunlich wenig Unerklärtes. Alle Probleme wurden in der Antwort von Kai oben erwähnt. Aber in Wirklichkeit sind die wirklichen Probleme noch weniger. Daher läuft die zweite Anforderung darauf hinaus, alle Grundkonstanten der Physik zu erklären. Es gibt ungefähr 25 von ihnen. Die bekanntesten sind die Feinstrukturkonstante 1/137,03599.. und die Masse des Elektrons (als Bruchteil der Planck-Masse). Die kosmologische Konstante ("dunkle Energie") ist eine der Liste. Dunkle Materie – sofern vorhanden – sollte ebenfalls erklärt werden.

Hier sind zwei zusätzliche Punkte, die bisher noch nicht gemacht wurden.

A. In einer zukünftigen Welt besteht die Theorie nicht aus Gleichungen, weil Gleichungen Raum und Zeit benötigen, um zu existieren. Und eine gute Theorie von allem erklärt, wie Raum und Zeit entstehen, und erklärt somit, wie Gleichungen entstehen. Eine gute Theorie von allem verwendet also keine Gleichungen, sondern andere Konzepte.

B. Die Theorie von allem könnte sich als nicht nützlich herausstellen (wie sie mit gegenwärtigen Theorien übereinstimmt), könnte sich als nicht wichtig erweisen (wie sie mit gegenwärtigen Theorien übereinstimmt), könnte sich als nicht wertvoll erweisen (wie sie es möglicherweise nicht tut erlauben, neue Maschinen zu bauen). Es kann sich also als nicht leistungsfähig im üblichen Sinne des Wortes erweisen: es liefert keine Kraft. Es ist eher eine Art intellektuelle Unterhaltung.