Wenn die Stringtheorie nicht mit Beobachtungen übereinstimmt, warum wurde sie dann noch nicht verworfen?

Sie wissen sicherlich, dass die Stringtheorie Millionen von Leerstellen enthält. Die meisten dieser Vakuen können sofort ausgeschlossen werden, zB weil sie die falsche Anzahl makroskopischer Dimensionen haben oder aus ähnlichen Gründen. Aber unter den verbleibenden Möglichkeiten - die die richtigen qualitativen Möglichkeiten besitzen - ist es außerordentlich schwierig, etwas Testbares zu berechnen.

Das Interesse an den "Sumpfland-Hypothesen" - Hypothesen, dass bestimmte Dinge in der Stringtheorie unmöglich sind - besteht darin, dass sie das Verständnis der Theorie und ihre Anwendung auf die Realität dramatisch beschleunigen könnten. Wenn zum Beispiel ein metastabiler de Sitter-Raum von kosmologischer Dauer in der Stringtheorie wirklich unmöglich ist, dann muss dunkle Energie auf andere Weise erklärt werden, zB durch Quintessenz. Sumpfland-Hypothesen können möglicherweise auch scharfe Auswirkungen auf die zulässigen Werte der Parameter in der Effektivfeldtheorie haben.

Aber das Schlüsselwort ist möglicherweise . Keine dieser Hypothesen wurde bewiesen. Es ist ein bisschen wie in der Mathematik, wo es verschiedene hochkarätige Aussagen gibt (verallgemeinerte Riemann-Hypothese, abc-Vermutung ...), die nie bewiesen wurden, aber die meisten Leute denken, dass sie wahr sind, und viele der weiteren Konsequenzen herausgefunden haben, wenn sie wahr sind. Die Sumpflandforschung hat immer noch diesen mutmaßlichen Charakter, und die Sumpflandhypothesen werden immer noch in Frage gestellt, zB von den Leuten, die in den 2000er Jahren eine Landschaft aus vermeintlichen de Sitter vacua für die Stringtheorie konstruierten. Diese Konstruktionen haben einige heuristische, nicht ganz strenge Zutaten, die die Sumpfland-Hypothesen implizieren und tatsächlich fehlerhaft sein müssen. Es ist also eine technische Debatte darüber im Gange, ob sie realisierbar sind oder nicht.

(Die Implikationen von Sumpfland-Hypothesen für die Realität der String-Theorie-Landschaft und das Paradigma der anthropischen Selektion innerhalb der ewigen Inflation wären ein weiterer Grund für das lebhafte Interesse. Schließlich wird das Sumpfland als der Raum der Feldtheorien definiert, die sich befinden nicht in der Landschaft.)

Man könnte sagen, dass die Stringtheorie ohne die Sumpflanddebatte entweder nur mit der Handbewegung anthropischer Rechtfertigungen für die beobachteten Merkmale der Welt oder der langsamen technischen Verbesserung der Fähigkeit zur Berechnung von Teilcheneigenschaften feststecken würde. Die Sumpfland-Debatte ist eine Gelegenheit, an einer dritten Front voranzukommen.

Als Experimentalphysiker werde ich den Titel beantworten. Die Beispiele für Inkonsistenzen in der Frage befassen sich mit vielen Annahmen zu kosmologischen Beobachtungen und Modellen und werden von @MitchellPorter beantwortet.

Wenn die Stringtheorie nicht mit Beobachtungen übereinstimmt, warum wurde sie dann noch nicht verworfen?

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist eine Zusammenfassung aller bisher gesammelten Daten über Teilchen. Eine Theory of Everything (TOE) , die das Ziel der Stringtheorie und der heilige Gral für die meisten Theoretiker ist, sollte in der Lage sein, das Standardmodell einzubetten, da es die Daten sind, zusätzlich zu einer Lösung für die Quantisierung der Gravitation (die ist relevant für kosmologische Modelle).

Stringtheorien sind bisher die einzigen Vorschläge , die das Standardmodell einbetten (an die Daten anpassen können) und die Quantisierung der Gravitation ermöglichen. Dies geschieht durch eine Zuordnung der Quantenniveaus der Saite zu den$SU(3)\times SU(2) \times U(1)$Energieniveaus, da diese Gruppen in den Schwingungen der generischen Saite vorhanden sind. Das, plus ein Schwingungsniveau, das geeignet ist, Gravitonen darzustellen, hält das Interesse an Stringtheorien und ihren Erweiterungen am Leben.

Es gibt tausend mögliche Versionen von Stringtheorien, und Theoretiker haben es nicht geschafft, eine festzunageln, damit die Phänomenologie aktiv werden kann, und das ist, wo wir jetzt sind, soweit die Stringtheorie die Theorie der Teilchenphysik ist.

Stringtheorien stimmen also mit den unzähligen Daten der Teilchenphysik überein.

Die offensichtliche „Inkompatibilität“ der Stringtheorie mit der Existenz von de Sitter vacua und Inflation ist nur eine Verschärfung der offensichtlichen „Inkompatibilität“ der Quantenfeldtheorie, der halbklassischen Quantengravitation und der Holographie mit de Sitter kosmologischen Lösungen und Inflation.

Es gibt eine starke Spannung zwischen den de Sitter-Kosmologien und der aktuellen theoretischen Physik, nicht nur mit der Stringtheorie. Lassen Sie mich einige Beispiele aufzählen:

1. Ein bekanntes Problem mit dem de Sitter-Raum ist die semiklassische Inkompatibilität zwischen der Endlichkeit der Entropie eines gegebenen kausalen Patches im de Sitter-Raum, die durch die Hawking-Gibbons-Formel gegeben ist, und der Existenz hermitescher Operatoren, die die Symmetriegeneratoren der de Sitter-Gruppe in d realisieren -Maße. Beachten Sie, wie robust die Argumente sind (basierend auf Symmetrie, Einheitlichkeit und holografischen Überlegungen ohne weitere physikalische Eingaben), die das Problem dargelegt haben, und wie drastisch die Konsequenzen sind.

2. Infrarot-Instabilitäten . Auch hier folgen die Argumente, die Infrarotprobleme angeben, aus grundlegenden Erwartungen über die Verbindung von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie.

3. Abwesenheit von Holographie. Der De-Sitter-Raum hat keine Grenze. Wo erwartet irgendjemand, die „CFT“-Seite der Gravitationsmassentheorie zu „lokalisieren“? Es stimmt, dass heroische Versuche unternommen wurden, eine dS/CFT-Korrespondenz herzustellen . Die Wahrheit ist, dass es nicht klar ist, ob sie tatsächlich funktionieren, und auf jeden Fall sieht die CFT-Seite (das Leben auf der unendlichen zeitähnlichen Oberfläche in der fernen Zukunft) viel exotischer aus als das, was aus physikalischen Gründen erwartet wird.

4. Instanton-vermittelte Übergänge zwischen verschiedenen de Sitter-Vakuen , Blasenkeimbildung, Coleman-de-Luccia-Instabilitäten und anderen grundlegenden Problemen mit Vakuen vom Typ Bunch-Davies und vielen anderen sind wunderbar zusammengefasst in „ On the Limits of Effective Quantum Field Theory: Eternal Inflation, Landscapes , und andere mythische Bestien .

5. Die inhärente Schwierigkeit, eine immer wechselwirkende thermische Feldtheorie in einem kompakten Raum ohne Begrenzung zu haben (Fehlen der LSZ-Formel und einer geeigneten Definition von S-Matrix-Elementen).

Es gibt viele andere Probleme. Aber ich möchte nachdrücklich betonen, dass die Stringtheorie nicht das einzige Paradigma ist, das sich offenbar gegen die Quantenexistenz eines de Sitter vacua verschworen hat. Es ist fast die gesamte theoretische Physik , von der Quantenmechanik über die allgemeine Relativitätstheorie bis hin zu Grundprinzipien (Symmetrien und Unitarität) und grundlegenden Erwartungen an die Quantengravitation (wie Holographie und Erweiterungen der Komplementarität von Schwarzen Löchern), die sich gegen die Existenz von de Sitter zu verschwören scheinen. wie vacua . Selbst wenn jemand die Stringtheorie ablehnt, sind alle späteren Probleme immer noch da.

Bedeuten die Argumente von oben, dass wir die Quantenfeldtheorie und unsere grundlegenden Annahmen über die Quantengravitation ablehnen sollten? Natürlich nicht! Die offensichtliche Inkompatibilität einiger besonderer Modelle und allgemeiner Prinzipien der Quantenfeldtheorie und der halbklassischen Quantengravitation mit unseren Beobachtungen kann letztere nicht als Paradigmen ausschließen; Dasselbe gilt für die Stringtheorie.

Selbst dunkle Energie und Inflation würden sich als unvereinbar mit der Landschaft darstellen. Das bedeutet nicht, dass ein Universum nicht als "aufgeregter" Zustand beschrieben werden kann, der innerhalb der Stringtheorie in eine Landschaftslösung zerfallen könnte (siehe de Sitter-Raum als Glauber-Sudarshan-Zustand und vierdimensionaler de Sitter-Raum ist ein Glauber-Sudarshan-Zustand). in der Stringtheorie ) genau so, wie Sie die Quantenmechanik verwenden können, um die angeregten Zustände eines Systems (nicht nur seine Grundzustände) zu beschreiben.

Da diese Frage viele Diskussionen auslöst, möchte ich auch eingreifen. Ich sage nicht, dass die Antworten, die @anna v und @Mitchell Porter bereits gegeben haben, keine guten und soliden Antworten sind, ich möchte etwas sehr hinzufügen schnell.

Selbst wenn – und das ist eine riesige Wenn-String-Theorie – in ihrer derzeitigen Formulierung nachweislich nicht mit den Daten übereinstimmt, hat sie viele Einblicke in Eichtheorien geliefert. Dies ist an sich schon wichtig und war schon vor den AdS/CFT-Jahren der Fall – siehe zum Beispiel die Hanany-Witten-Setups.

Angesichts der Tatsache, dass AdS/CFT ein solides Beispiel für das holografische Prinzip ist, hat es auch viele Beispiele für Gauge/Schwerkraft-Duale bereitgestellt, bei denen Sie testen können, wie das holografische Prinzip auf beiden Seiten funktioniert, und versuchen, etwas Grundlegenderes über die Quantengravitation zu lernen .

Durch das AdS/CFT hat es auch Licht auf stark gekoppelte Eichtheorien, kondensierte Materiesysteme, anisotrope Plasmaphysik usw. geworfen.

Es gibt auch Lektionen, die wir aufgrund der Stringtheorie für die reine Mathematik erhalten haben.

Ich denke, mein Argument lässt sich kurz so zusammenfassen: Auch wenn es sich als falsch oder unvollständig herausstellt, ist es ein großartiger Spielplatz für viele Disziplinen und muss uns vielleicht noch mehr beibringen.

Die Stringtheorie macht keine klaren definitiven Vorhersagen und kann daher nicht durch Beobachtungen widerlegt werden

Die Frage ist eigentlich eine wissenschaftsphilosophische. Und je nachdem, welchem ​​Wissenschaftsphilosophen man folgt, kommt man zu unterschiedlichen Schlussfolgerungen zum Problem der Stringtheorie.

Zum Beispiel argumentierte Karl Popper – um ein großes Argument sehr zu vereinfachen – dass es bei guter Wissenschaft darum geht, widerlegbare Hypothesen aufzustellen. Das heißt, die Wissenschaft, die es wert ist, betrieben zu werden, besteht darin, eine mutige und eindeutig empirisch überprüfbare Theorie vorzuschlagen, die, wenn Experimente durchgeführt werden, ein klares Ergebnis liefert, das jedoch zumindest im Prinzip die Theorie als falsch erweisen könnte.

Stellen Sie sich vor, Sie schlagen ein Gesetz für die Schwerkraft vor, das auf einer kubischen Beziehung zwischen der Kraft und dem Abstand basiert. Einfache Beobachtungen zeigen, dass dies die beobachtete Gravitationsbewegung nicht erklären kann. Theorie gebannt. Neue Theorie: Es ist ein inverses quadratisches Gesetz. Das scheint mit den meisten Beobachtungen übereinzustimmen. Aber später erklärt es einige subtile Beobachtungen über die Umlaufbahn des Quecksilbers nicht. Ein Problem bis Einstein und eine bessere Theorie, die erreichbaren Beobachtungen entspricht. Endlos wiederholen.

Jede Theorie hatte eine klare Differenzierung, basierend darauf, welche Beobachtungen sie erklären konnte. Schlugen die Beobachtungen fehl, wurde die Theorie durch eine bessere ersetzt.

Das Problem mit der Stringtheorie ist, dass es nicht so ist. In dem Bestreben, die Vereinigung aller Kräfte zu erklären, suchten Theoretiker nach einer übergreifenden mathematischen Idee, die sie alle in einem einzigen Rahmen vereinen würde. Es gab einige Hinweise auf mathematische Ideen aus der Einstein-Ära. Aber was herauskam, war kein einzelnes mathematisches Modell mit klaren Vorhersagen, sondern eine Familie abstimmbarer Lösungen mit mehr möglichen Antworten, als es Teilchen im Universum gibt (gemäß einigen Analysen).

Kurz gesagt, es gibt keine Ein- String-Theorie. Es gibt so viele Variationen der Stringtheorie, dass viele von ihnen jede mögliche Beobachtung erklären können, die wir machen können. Das passt wirklich nicht zu irgendetwas, das Popper als Wissenschaft einstufen würde.

Als Reaktion darauf haben viele Stringtheoretiker Popper zurückgewiesen, um auf eine Definition der wissenschaftlichen Theorie zu drängen, die die Schönheit des mathematischen Rahmens höher einschätzt als empirische Vorhersagen. Wenn Sie ihren Standpunkt ernst nehmen, hat es keinen Sinn, die Stringtheorie anhand tatsächlicher Beobachtungen zu testen. Was ein Glück ist, denn in all den Jahren der Entwicklung der Stringtheorie hat sich in der realen Welt der Beobachtungen kein nützlicher empirischer Gültigkeitstest herausgebildet.

Einige Physiker haben den Nutzen der Suche nach schönen Theorien in Frage gestellt, die keine klaren, überprüfbaren Vorhersagen machen. Ein gutes Beispiel aus jüngster Zeit ist Hossenfelders „ Lost in math: How Beauty Leads Physics Irre “

Aber die Antwort auf die Frage ist, dass eine Familie von Theorien, die alles in der Realität erklären kann, nichts erklärt und nicht durch tatsächliche Beobachtungen widerlegt werden kann.

Lassen Sie mich zunächst sagen, dass ich kein Stringtheoretiker bin, daher ist meine Antwort vorläufig. Ich stimme @matt_black weitgehend zu. Es scheint mir, dass die Stringtheorie eine – sehr mächtige – mathematische Familie istTheorien, keine physikalischen, zumindest nicht im Moment. Die Einführung neuer (nicht beobachtbarer) Dimensionen und einer Reihe höchst ausgeklügelter mathematischer Werkzeuge scheint zu dem Ergebnis geführt zu haben, dass fast jede physikalisch aussehende Gleichung abgeleitet werden kann. Das ist sicherlich eine mathematische Meisterleistung, und es ist möglich, dass es irgendwann zur Physik führt, aber es scheint mir, dass starke physikalische Hypothesen eingeführt werden müssen, die die möglichen Lösungen astronomisch reduzieren. Und es scheint, dass im Moment niemand eine Ahnung hat, was diese physikalischen Annahmen sind. Eine Sache, die mir bei der Stringtheorie oft auffällt, ist, dass einige Befürworter behaupten, dass sie bereits eine vollständige Theorie der Quantengravitation ist, während bescheidenere Physiker, sogar Nobelpreisträger wie Gerard 't Hooft, viel vorsichtiger sind und sagen, dass wir weit sind weg von einer vollständigen Theorie der Quantengravitation.https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/504/1/012003 . Warum so eine andere Einschätzung? Das scheint mir eine wichtige Frage zu sein.