Von der Quantenmechanik über die Quantenfeldtheorie zur Stringtheorie?

Heute, während einer sehr "einzigartigen" Lernsitzung, habe ich vielleicht verinnerlicht, warum die Quantenmechanik nicht genug war und die Quantenfeldtheorie Sinn macht. Es scheint, dass die Gründe dafür sind

  • Wenn ein Potential in der Quantenmechanik verwendet wird, verletzen wir ausdrücklich die spezielle Relativitätstheorie, weil Informationen schneller als Licht reisen müssten

  • In der QFT werden Partikelerzeugung und -vernichtung gut als natürliche Implikationen dessen verstanden, was passieren kann, wenn die kinetische Energie der sich verbindenden Spezies größer ist als die Ruhemasse eines erzeugten Paares

  • Raum und Zeit stehen im QM nicht „auf Augenhöhe“.

  • Zerfallsprozesse sind ein heikles Thema

Diese Dinge beginnen mir etwas zu bedeuten. Was ist der Grund für die Stringtheorie, was macht sie natürlich und deutlich, wozu QFT nicht in der Lage ist?

Gravitation? UV-Abweichungen? Zu viele freie Parameter?
QFT ist QM und Stringtheorie ist QM, es sei denn, Sie möchten QM eng als "nicht-relativistische Modelle mit fester Teilchenzahl" definieren? Ich finde das ist keine besonders gute Einteilung. Der Begriff „Quantenmechanik“ sollte übergreifend verwendet werden. Sogar die Stringtheorie ist Quantenmechanik, sie postuliert nur eine andere Lagrange-Funktion und kann Ihnen nicht wirklich sagen, wie die selbstkonsistenten effektiven Feldtheorien aussehen würden, die aus diesem höllischen Konstrukt hervorgehen. Zumindest jetzt noch nicht. Was greift die Stringtheorie zu kurz? Testbare Vorhersagen.
@CuriousOne: Stringtheorie ist nicht QM oder QFT. Es mag so aussehen, weil es viele Konzepte ausleiht und weil es QFT in einer niedrigen Energiegrenze reproduzieren muss, aber entscheidend ist, dass die String-Partitionsfunktion anders definiert ist als eine QFT-Partitionsfunktion und die Zustände mit ihren Einfügungen von Scheitelpunktoperatoren auf dem Weltblatt auch sind keine QFT-Konstrukte.
Mögliche Duplikate: physical.stackexchange.com/q/387/2451 und Links darin.
Was die Frage betrifft, diese Frage ist wirklich zu weit gefasst. Was für einen "Grund" suchst du? Die historischen Gründe, warum Menschen mit der Stringtheorie begannen, sind wahrscheinlich nicht der Grund, warum die meisten Stringtheoretiker sie heute verfolgen, und ich vermute, dass die Gründe für die Durchführung der Stringtheorie auch unter den aktuellen Stringtheoretikern nicht einheitlich sind.
@ACuriousMind: Wie wirken sich modellabhängige Entscheidungen auf die Frage aus, was Quantenmechanik ist? Funktionieren Messungen in der Stringtheorie anders? Bekomme ich am Ende des Tages mehr als Wellenfunktionen und Wahrscheinlichkeiten heraus? Lässt sich dies in echte experimentelle Vorhersagen übersetzen? Wenn nicht, dann ist die Stringtheorie Quantenmechanik. Ich habe übrigens kürzlich einen Vortrag gehört (von Brian Greene, glaube ich), in dem er sagte, dass sich die Stringtheorie als äquivalent zu QFT herausstellen könnte (oder umgekehrt).
Würden Sie bitte aufhören, gute interessante Fragen zu schließen?
@JohnDuffield: Die Frage ist nicht interessant. Es ist nicht einmal gut definiert, da das OP Begriffe anders verwendet als ich. Wie Sie sehen, hat sogar ACuriousMind eine Meinung, wird sie dann aber nicht unterstützen, wenn er nach Details gefragt wird, die den Kern der Sache treffen (ich hoffe, er ändert seine Meinung und gibt uns eine Antwort). Abgesehen davon verstümmelt das OP eine große Anzahl von Themen, die nichts miteinander zu tun haben, wie z ein bedeutungsloser Satz zu Beginn.
@CuriousOne Es ist nicht verwunderlich, dass meine Frage möglicherweise nicht gut gestellt ist und zumindest auf den ersten Blick eine Aneinanderreihung trivialer, nicht genau zusammenhängender Fakten darstellt. Ich bin kein professioneller Physiker, beschäftige mich aber gerne mit ausgewählten Themen in QM und QFT. Die Stringtheorie ist ein reichhaltiges, aber schwer zu fassendes Thema. Die Frage ist wirklich: "Warum sollte ich all die Mühe, Zeit und das Geld investieren, die notwendig sind, um Kompetenz in der Stringtheorie zu erlangen?" Warum es absolut sinnvoll ist, von der Quantenfeldtheorie zur Stringtheorie zu wechseln.
Der einzige Grund, warum Sie Wissenschaft lernen möchten, ist Neugier. Warum steigen wir auf den Berg? Weil es da ist. Sie werden sicher keinen Job in der Industrie oder im Bankwesen bekommen, indem Sie die Stringtheorie lernen. Betrachten Sie es so: Die Quantenmechanik ist ein Rahmenwerk, wie die klassische Mechanik. Orbitalmechanik ist eine Anwendung von CM und Raumfahrzeugnavigator ist eine Stellenbeschreibung, die Orbitalmechanik verwendet. QFT und Stringtheorie sind Anwendungen von QM, aber die einzige Berufsbezeichnung, die beide verwendet, ist Theoretischer Physiker. Nun, wenn es das ist, was Sie werden wollen, stellen Sie besser sicher, dass Sie eine Festanstellung obendrauf bekommen.
@AccidentalFourierTransform hat bereits einige der Dinge angedeutet, die die Stringtheorie auf natürliche und mühelose Weise beschreibt und die für QFT unerreichbar erscheinen. Ich glaube, ich habe in diese Richtung gedacht. Einige spezifische klare Wege vorwärts, die nur die Stringtheorie geben könnte, und Dinge, die absolut klar und unzweideutig gemacht werden. Mit Antworten wie diesen bewaffnet, würde es mich ermutigen, weiterhin zu versuchen, QM und QFT zu verstehen, damit ich einschätzen kann, was die Stringtheorie auf den Tisch bringt, wenn ich dort ankomme.
Aber meine Frage, wie sich die Stringtheorie ontologisch von der Quantenmechanik unterscheidet, hat er noch nicht beantwortet. Ich habe nirgendwo gelesen, dass es geht. Wenn keiner von Ihnen diese Frage beantworten kann, ist die Unterscheidung rein semantisch. Die Stringtheorie hat bisher keinen Weg nach vorn gezeigt. Es hat auch nicht das wirklich heikle Problem beseitigt, das uns daran hindert, Fortschritte zu machen: die Vorgeometrie. Was die Stringtheorie tut, ist, ein paar kleinere Konvergenz- und freie Parameterprobleme zu lösen, indem sie die Dimensionalität erhöht. Es zahlt sich dafür aus, indem es mehrdeutig ist 10 500 . Da gibt es keine Fortschritte.
Warum du überhaupt Antworten von uns hier oder Zuspruch brauchst, ist mir völlig unklar. Wenn Sie Stringtheorie lernen wollen, schnappen Sie sich drei Dutzend Bücher und fangen an zu lesen und die Übungen und Mathematik zu machen, bis Sie selbst etwas nicht Triviales berechnen können. Was Ihnen hier gesagt wird, macht angesichts des Schwierigkeitsgrades, dieses intellektuelle Ziel zu erreichen, absolut keinen Unterschied.
@CuriousOne Ich habe das ab und zu so gemacht, aber ich werde im Herbst wieder zur Schule gehen und sollte mich zu 100% darauf einlassen. Der erste technische Block, den ich bewältigen musste, war der mathematische Hintergrund. Ich glaube, ich habe jetzt ein paar Dinge im Griff. Ich versuche derzeit nicht, Stringy-Zeug zu berechnen, ich gehe gerade einige Standardtexte in QFT und GR durch, ich hoffe, zuerst in QFT kompetent zu sein. Ich habe in der Vergangenheit an einigen Klassen teilgenommen, sollte sie aber offiziell nehmen, wenn ich zur Schule zurückkehre.

Antworten (2)

Man muss sich die Struktur der heutigen Physik klar vor Augen halten.

Die Quantenmechanik ist die Theorie, die mit der Schrödinger-Gleichung für Potentiale als nicht-relativistisch begann und mit der Dirac- und Klein-Gordon- sowie der quantisierten Maxwwell-Gleichung relativistisch wurde. Die Quantenmechanik hat Postulate, die mit den Lösungen der Differentialgleichungen verwendet werden, um Einzelteilchenpotentialprobleme korrekt zu beschreiben, und sie wurde validiert, beginnend mit dem Wasserstoffatom usw.

Die Quantenfeldtheorie basiert auf den Lösungen der obigen Gleichungen und wurde entwickelt, um quantenmechanische Wechselwirkungen zu beschreiben, die ein Vielkörperproblem sind, wie in jedem Feynman-Diagramm zu sehen ist . Die Quantenfeldtheorie basiert auf den freien Teilchenlösungen der obigen QM-Gleichungen und gehorcht den Postulaten der Quantenmechanik . Die Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren wirken auf die entsprechende Grundwellenfunktion des vorliegenden Problems.

Der Erfolg des SU(3)xSU(2)xU(1) -Modells der Teilchenphysik , das die drei Wechselwirkungen, stark, schwach, elektromagnetisch, vereint hat, führte zum heiligen Gral der Vereinigung der Gravitationswechselwirkungen mit den anderen drei. Das führte zur StringtheorieModelle werden wichtig. Die Quantisierung der Gravitation existiert nur als effektive Feldtheorie, weil kein Renormalisierungsprogramm die Singularitäten entfernen kann, die dem Spin-zwei-Austausch höherer Ordnung von Gravitonen innewohnen. Es wurde gezeigt, dass die Stringtheorie eine Gruppenstruktur hat, die das Standardmodell aufnehmen kann, und auch eine Darstellung eines Teilchens mit Spin zwei, die dem Graviton zugeordnet werden kann; mit supersymmetrischen Modellen liefern Berechnungen höherer Ordnung endliche Ergebnisse, weshalb in der Stringtheorie-Forschung so viel Aufwand betrieben wird. Das Problem ist, dass unter den Tausenden von möglichen Modellen bisher kein endgültiges Modell gefunden wurde.

Wie Sie in Ihrer Frage sagten, ist die Quantenfeldtheorie sehr wichtig; es nimmt die Ideen der Quantenmechanik und wendet sie auf Felder wie die elektromagnetische Kraft an (tatsächlich war die Quantenelektrodynamik der Beginn der Quantenfeldtheorie). Die Quantenfeldtheorie hat viele Beweise, die sie stützen, und sie ist immer noch eine laufende Arbeit. Die Stringtheorie ist jedoch ganz anders. In Wirklichkeit hat die Stringtheorie nur sehr wenige Beweise, die sie stützen. Im Moment ist es im Grunde eine Idee, und was sie stützt, sind die Dualitäten, die in der M-Theorie verkörpert sind. Nun zu den Vorteilen der Stringtheorie:

  1. Einige Wissenschaftler glauben, dass die Verwendung des anthropischen Prinzips ein Vorteil ist (um dies auf den Punkt zu bringen, die Stringtheorie sagt so viele Universen voraus, dass einige Wissenschaftler glauben, dass dies die Feinabstimmung beispielsweise der kosmologischen Konstante wegerklärt, obwohl es mehr gibt zum anthropischen Prinzip und dieses Problem als das).
  2. Es bietet einen Rahmen für die Kombination von Teilchenphysik und allgemeiner Relativitätstheorie.
  3. Derzeit wird das von uns verwendete physikalische Modell als Standardmodell bezeichnet. Obwohl dieses Modell unglaublich nützlich ist, gibt es einige Dinge, die es nicht kann - zum Beispiel kann es die Schwerkraft nicht berücksichtigen. Wissenschaftler hoffen, dass die Stringtheorie einen Weg zur Kombination von Quantentheorie und Gravitation eröffnen könnte.
  4. Der Urknall erklärt nicht alles über die Anfänge des Universums und die kosmische Inflation ist die Theorie, von der angenommen wird, dass sie unsere beste Chance ist, voranzukommen. Die kosmische Inflation benötigt ein Teilchen namens Inflation, dessen Eigenschaften nicht von der kosmischen Inflation abgeleitet werden können, aber möglicherweise von der Stringtheorie abgeleitet werden können.

Allerdings muss beim Lesen beachtet werden, dass die Stringtheorie nicht annähernd so stark aufgestellt ist wie die Quantenfeldtheorie. Es gibt viele Knicke, die ausgearbeitet werden müssen, und es gibt nicht wirklich Beweise dafür. Ich hoffe das hilft!

Hier ist der Wikipedia-Artikel zur Stringtheorie, der einiges davon vertieft und auch einige Probleme und Mathematik der Stringtheorie erklärt: https://en.wikipedia.org/wiki/String_theory

Es gibt keine Beweise für Astrologie. Für die Stringtheorie ist die korrekte Behauptung, dass die experimentellen Beweise, die es gibt, auch Beweise für zB Standardmodell + ΛCDM sind.
Auch die Stringtheorie braucht das anthropische Prinzip nicht zu verwenden; einige Stringtheoretiker tun dies.
...was bedeutet, "ist auch ein Beweis für die vorhandene Mainstream-Physik, also werden Strings dadurch nicht unterschieden"
Von der Quantenmechanik über die Quantenfeldtheorie zur Stringtheorie?
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