Frage von Unsecure, 79

Ist die Stringtheorie deterministisch?

So wie ich das verstanden habe, haben wir nach unserem heutigen wissenschaftlichen Stand einen indeterminismus in der Quantenmechanik, angenommen die Stringtheorie würde sich als richtig beweisen, wäre sie deterministisch und würde somit den indeterminismus wiederlegen?

Antwort
von grtgrt, 40

Man muss in der Quantenphysik zwei Begriffe klar unterscheiden:

  • fehlenden Determinismus einerseits
  • und Unschärfe (im Sinne von Unbestimmtheit) andererseits.

Unschärfe und Unbestimmheit werden quantifiziert durch Heisenbergs Unschärfe-Relation.

Von fehlendem Determinismus spricht man dann, wenn nicht jeder Zustand eines Objekts sich zwangsläufig - bis in all seine Details hinein - aus seinem vorherigen bzw. aus anderen erkennbaren Gründen ergibt (d.h., wenn irgendwo auch absoluter Zufall waltet).

Freier Wille kann uns Menschen nur so weit gegeben sein, als es Nichtdeterminusmus gibt (wenigstens auf Quantenebene).

Unter Stringtheorie versteht man

  • eine Menge recht komplizierter mathematischer Gegenstände, mit deren Hilfe man hofft, die Physik unserer Welt zutreffender modellieren zu können als das mit Einsteins Relativitätstheorie einerseits und der Quantenmechanik andererseits möglich ist,
  • sowie die Bemühung, all diese Gegenstände und ihre Beziehungen untereinander zunächst mal sehr viel besser zu verstehen, als das heute noch der Fall ist (aus mathematischer ebenso wie aus physikalischer Sicht heraus).

Wie man überhaupt auf die Idee kam, dass diese mathematischen Gegenstände gut geeignet sein könnten, überaus zutreffende Modelle der Natur zu bekommen ist beschrieben in Notiz http://greiterweb.de/zfo/Stringtheorie.htm#msgnr0-73 .

Der Wissenschaftler, von dem man glaubt, dass er die Stringtheorie - aus mathematischer ebenso wie aus physikalischer Sicht heraus - am besten verstünde, ist Edward Witten. Bitte lies, wie er selbst das Wunder der Stringtheorie beschreibt: http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/view-witten.html .

Er sagt dort insbesondere: 

Quantum mechanics brought an unexpected fuzziness into physics because of quantum uncertainty, the Heisenberg uncertainty principle. String theory does so again because a point particle is replaced by a string, which is more spread out. And even though it's a naïve statement, it leads in the right direction: when we study it more deeply, we find that in string theory, spacetime becomes fuzzy.

Um auf deine Frage zurückzukommen:

Unschärfe und Unbestimmtheit sind wesentlicher Teil der mit Hilfe der Stringtheorie gewonnenen physikalischen Modelle, sind aber nicht Teil der rein mathematischen Sicht auf die Gegenstände der Stringtheorie (Strings, Branen und Räume mit bis zu 11 Dimensionen).

Diese Gegenstände werden benutzt, Zustände des Universums (oder von Teilen davon bis hin zu einzelnen Elementarteilchen) zu beschreiben.

Von Determinismus bzw. fehlendem Determinismus zu sprechen, macht erst Sinn, wenn man davon spricht, wie solche Zustände aufeinander folgen oder in einander übergehen. 

Somit ist Determinismus oder fehlender Determinismus keine Eigenschaft der Stringtheorie, sondern eine Eigenschaft der Prozesse, welche die Entwicklung des Universums zu beschreiben versuchen. 

Sie zu beschreiben möchte man die Stringtheorie nutzen als eine - wie man hofft - hierfür besonders geeignete Sprache.

Kommentar von Astroknoedel ,

Schöne Antwort.

Antwort
von Astroknoedel, 43

Hallo Unsecure,

Erstmal vorweg: Das ist eine sehr gute Frage, meine Lieblingsfrage des Monats.

Nun, die Quantenmechanik bringt ja so schöne Dinge wie die Heisenbergsche Unschärferelation hervor, die ja schon auf einen Indeterminismus schließt, da ja die die komplementären Größen eines Teilchens immer unscharf sind.

Andererseits ist dort auch die Schrödingergleichung, die ein Quantensystem mit der Zeit beschreibt (allerdings wird dies mit dem Kollaps der Wellenfunktion zunichte gemacht).

Aber, was rede ich um den heißen Brei herum, ich nehme an, du kennst dich mit QM aus, wenn du so eine Frage stellst.

Jetzt geht's ums Eingemachte:

Also die Stringtheorie ist ja ein Versuch, die Allgemeine Relativitätstheorie und die QM in einer zusammenfassenden Theorie zu beschreiben.

Wie in der Teilchenphysik werden in der Stringtheorie Wechselwirkungen durch Raum-Zeit-Diagramme dargestellt, die sehr den Feynman-Diagrammen ähneln, dargestellt.

Dies nennt man ein Schleifendiagramm.  In diesem Diagramm sind natürlich die Weltlinien der Strings nicht eindimensional, sondern 2+ Dimensional. Das sieht dann ungefähr so aus (Bild von Wikipedia)  :

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e6/Brane-wlwswv.png/800px...

Jetzt fragst du dich bestimmt, was das ganze jetzt soll.

Nun, wie du gleich sehen wirst, spielt die Quantenphysik hier eine sehr große Rolle, was den Weg des String betrifft. Man müsste nämlich miteinberechnen, wie sich die Quantenfluktuationen darauf auswirken.

Dies müsste man angeben, indem man die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Entstehung von String-Antistring-Paaren angibt. Dies ist die Kopplungskonstante des String  (die Kopplungskonstante funktioniert hier ein wenig anders als bei der teilchenphysik, wo die Kopplungskonstante die jeweils vorgegebene Kraft, bzw. Energiewert eines Eichbosons beschreibt).

Die Stringtheorietiker müssen sogar oft Nullschleifendiagrammen rechnen (das sind Schleifendiagramme, die die Quantenfluktuationen nicht berücksichtigen).

Man muss also aufgrund solcher Dinge in der Stringtheorie mit Näherungen arbeiten, weil man es nicht hinbekommt, alles miteinzubeziehen, es gibt teilweise sogar unendliche Lösungen (siehe Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten).

Ob dies aber nun die Schuld von uns ist, oder die Schuld der Natur lässt sich in den unterschiedlichsten Bereichen nicht genau sagen. Aber zum Beispiel eben diese Unbestimmtheit, die du  gesehen hast, lässt mich (persönlich) doch eher an eine indeterministische Natur der Stringtheorie glauben.

LG, Astroknoedel

Kommentar von Unsecure ,

Erstmals danke für die Antwort.

Ich kenne mich nicht wirklich mit der QM aus, mir ist halt nur bekannt das es dort einen gewissen indeterminismus ist, auch wenn mir bis heute noch keiner richtig erklären konnte wo denn dort dieser indeterminismus ist.

sagt die Heisenbergsche Unschärferelation nicht im prinzip nur aus, das wir es nicht richtig messen können? 

Kommentar von Astroknoedel ,

teilweise. Die Unschärfe ist eigentlich gegeben, also ist "real".

Es gilt:

Delta x mal Delta p ist kleiner oder = Plancksches Wirkungsquantum

 Diese Unschärfe ist tatsächlich gegeben, was zur Kopenhagener Deutung führte bzw. Grundlage der ges. Quantenmechanik ist (grob gesagt).

Zu behaupten, der Mesapparat würde das Ergebnis beeinflussen, ist aber auch nicht ganz falsch. Man kann grob sagen, dass die Messung die "Unbestimmtheitsverteilungen " verändert.

Nehmen wir mal ein Beispiel:

Du hast ein Quantenobjekt, dessen Impuls sehr gut bestimmt ist, dessen Ort aber nach obiger Formel unscharf ist.

Jetzt misst du nach und der Ort wird auf einmal scharf begrenzt, aber DAFÜR ist der Impuls jetzt unbestimmt. Aber diese Unschärfe ist tatsächlich gegeben, jedoch beeinflusst die Messung dies trotzdem.

Antwort
von indiachinacook, 37

Ich kenne mich bei Stringtheorie überhaupt nicht aus, aber auf etwas All­gemei­nes möchte ich bei dieser Frage schon hinweisen: Die Bellsche Un­gleichung gilt aller Wahr­scheinlich­keit nach auch für die String­theorie. Sie kann also nicht zugleich deterministisch und lokal sein.

Denn die Stringtheorie (oder welche Theorie am Ende auch immer gewinnen wird) muß ja im Bereich niedriger Energien die Quanten­mechanik re­produ­zie­ren. Für die bekannten Experi­mente mit Ver­schrän­kung muß jede theory of every­thing die gleichen Vorher­sagen wie die Quanten­mechanik machen, weil das genau das ist was wr in der Natur beobachten.

Kommentar von Astroknoedel ,

Da hast du Recht. Die Allgemeine Relativitätstheorie und die QM müssen als Grenzfälle enthalten sein, obwohl die Stringtheorien (zu meinem Ärgernis)  bisher nur auf euklidischen Räumen formuliert wurden.

Antwort
von Semno, 9

Alle rein mathematischen Erklärungsversuche enden in einer materialistischen und deterministischen Modell.

Aber wer seine Erklärungsversuche auf eine echten Beobachtung basieren lässt, ohne diese bewusst zu ignorieren weil es unbequeme Erkenntnisse hervorbringt, der wird immer sich in Richtung Idealismus und Undeterminismus bewegen.

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