String-Theoretiker simulieren den Urknall


Japanischer Physiker haben eine String-Theorie-Modell geschaffen, das die Geburt des Universums simuliert. In ihrem Modell war der Big Bang "Symmetrie-Breaking-Veranstaltung" — eine Fluktuation, die drei Raumdimensionen, befreien Sie sich von den anderen sechs Dimensionen der Stringtheorie, dann schnell zu entfalten, um unser Universum zu produzieren verursacht die 3D-Struktur beobachtet.

Stringtheorie – eine vorgeschlagene "Theory of everything", die Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie zusammen in ein vollständiges Bild vereint – Modelle Elementarteilchen als oszillierende Linien ("Strings") anstatt dimensionslose Punkte. In Reihenfolge für die Mathematik zu arbeiten, erfordert die Stringtheorie, die es werden 10 Dimensionen: neun Raum und eine Zeit. Unser Universum scheint nur drei Raumdimensionen, Zeichenfolge Theoretiker sagen, haben weil die anderen sechs zusammengerollt in unbemerkt kleine Bündel genannt Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten, die eine Minuskel 10 ^-33 Zentimeter über.

Wie viele andere zugrunde liegenden Aspekte der String-Theorie ist keine machbar Experiment, das überprüfen könnte, ob diese Mannigfaltigkeiten vorhanden sind, und damit, dass das Universum wirklich eine 9-dimensionale räumliche Struktur aufweist. Und wenn dies der Fall, Physiker Fragen, warum drei von diesen Dimensionen enorm sein würde und die anderen sechs extrem klein. Dennoch ist die String-Theorie-Rahmen überzeugend, weil sie anmutig die meisten Aspekte des Universums, die wir erklärt, von Elektromagnetismus, Gravitation, die Thermodynamik der schwarzen Löcher beobachten.

Die neue Forschung – von Sang-Woo Kim der Universität Osaka, Jun Nishimura der hohen Energie Accelerator Research Organisation (KEK) und Asato Tsuchiya der Shizuoka Universität – zeigt, dass String-Theorie plausibel Konten für den Ursprung des Universums und seiner scheinbaren 3D-Struktur. "Wir konnten sehen, wie drei Richtungen beginnen, an einem gewissen Punkt in der Zeit zu erweitern" Nishimura erzählt die Geheimnisse des Lebens wenig. [Hat das Universum eine Kante?]

Um die Berechnung zu tun, die Physiker verwendet eine Neuformulierung der Stringtheorie genannt das IIB-Matrix-Modell, das die Theorie in Form von Matrizen Sofas – rechteckigen Rastern von mathematischen Ausdrücken, die die Eigenschaften des Universums zu beschreiben. Die Elemente der Matrizen können mathematisch kombiniert werden, um zu simulieren, wie Zeichenfolgen interagiert haben könnte, um das Universum zu bilden, wie es heute gesehen wird.

"In der Matrix Modell Formulierung für die Superstring-Theorie, Matrizen sollen die grundlegenden Freiheitsgrade und die Zeichenfolge Bild ergibt sich, wenn man die Grenze des unendlich großen Matrixgröße" Nishimura schrieb in einer e-Mail. Unendlich approximiert große Matrizen als unhandlich, die Physiker die Struktur des Universums durch die Zusammenarbeit mit endlichen Matrizen, von denen der, die größte 32 Zeilen und 32 Spalten hatte.

Die übliche Methode der String Theorie Berechnungen ist mit der Störungstheorie, in dem alle mögliche Wechselwirkungen zwischen Zeichenfolgen zusammen in einer Berechnung einer einzigen Interaktion betrachtet werden. Aber die Gleichungen beschreiben Zeichenfolge Interaktionen sind so kompliziert, dass diese Methode nur, funktioniert wenn alle möglichen Interaktionen zwischen Saiten sehr schwach sind – kleine Störungen, anstatt die hochenergetische Kollisionen und Compactifications, die im frühen Universum passiert wäre. Matrizen, auf der anderen Seite numerisch simuliert werden von Supercomputern, und so die Neuformulierung der String-Theorie in einem Matrix-Modell ermöglicht es Physiker zu berechnen, wie Ereignisse bei extrem hohen Energien, wie Sie zum Zeitpunkt des Urknalls entfalten würde. "Das war nicht möglich mit der konventionellen Formulierung der Superstring-Theorie", schrieb Nishimura.

"Was tun wir in dieser Simulation ist, Hunderte oder Tausende von Matrizen, von die jeder die ganze Geschichte des Universums, während einige endlichen Zeitintervall beschreibt zu generieren." "Wir haben dann dauern durchschnittlich über die Matrizen zu bekommen die physikalische Information, wie das Universum in der Zeit entwickelt", erklärte Nishimura.

Größere Matrizen bot Einblicke in die größere Fenster in der Zeit. Simulationen mit 32 x 32 Matrizen, die größte in das Experiment dauerte zwei Monate auf einen Supercomputer und konnten die Forscher beobachten Sie die Entwicklung des Universums vom Urknall bis zum Beginn der Inflation – einer Phase exponentiellen Wachstums – nur 10 ^-36 Sekunden später.

Ein zentrales Ergebnis des Experiments war, dass ganz von selbst, das neun-dimensionales Modell Universum spontan in drei Richtungen, aufgebläht, während seiner sechs andere räumliche Dimensionen fest eingewickelten blieb. Diese Symmetrie-Breaking-Veranstaltung wurde von den wechselnden Zeilen und Spalten von Variablen bei den Matrizen beschrieben; mathematische Operationen auf Matrizen produziert die Koordinaten des Raumes, und mit jedem Zeitschritt erhöht die Koordinaten in drei Richtungen (während in den übrigen sechs unverändert). Für diejenigen, die sie interpretieren könnte, die wechselnden Matrizen ausgedrückt, mathematisch, die Geburt des Raum-Zeit.

Die Forscher sagten das spontane Symmetrie brechen resultierte aus einem Quantum Fluktuation – eine momentane Verletzung in das Gesetz der Erhaltung der Energie, die nach den Regeln der Quantenmechanik erlaubt ist. "Die Raumzeit hat gewisse Unsicherheiten... wie durch Heisenbergs Unschärferelation diktiert." Eines unserer wichtige Erkenntnisse ist, dass diese Quantennatur der Raumzeit in der Tat drei Raumrichtungen, anstatt anderen Fällen verlängert begünstigt. Wie die Quanten-Raumzeit entwickelt sich eine klassische wie wir jetzt wahrnehmen ein wichtiges Thema ist, was, das wir planen, in naher Zukunft angehen,"schrieb Nishimura.

Um diese und andere Fragen über die Entwicklung des Universums nach String-Theorie zu untersuchen, müssen die Forscher ein Zeitfenster über den Beginn der Inflation Sonde, und um dies zu tun, müssen sie noch größere Matrizen zu simulieren. "Wir sind auf sie jetzt arbeiten", betonte er.

Die neue Forschung wird in einem kommenden Artikel in der Fachzeitschrift Physical Review Letters beschrieben.

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