Was ist eine Grand Unified Theory?
Die Grand Unified Theory (GUT) ist die Suche nach einer präzisen, einfachen Theorie in der Physik ab 2011, die das Zusammenspiel der vier fundamentalen Naturkräfte Elektromagnetismus, schwache und starke Kernkräfte und Schwerkraft beschreibt. Da jede große Einheitstheorie versucht, das aktuelle Verständnis physikalischer Kräfte zusammenzuführen, wird sie oft als Forschung in klassischen Einheitsfeldtheorien bezeichnet. Es gibt viele verschiedene einheitliche Feldtheorien, um das Verhalten von Materie und Energie zu erklären. Die Stringtheorie wird jedoch ab 2011 als die beste Möglichkeit angesehen, die Auswirkungen der Schwerkraft mit den anderen drei fundamentalen Kräften in Verbindung zu bringen.
Die Teilchenphysik verwendet derzeit eine als Standardmodell bekannte Theorie, um die Wechselwirkung physikalischer Kräfte in der Natur zu beschreiben. Die aktuelle Form des Standardmodells aus dem Jahr 2011 wurde in den 1970er Jahren festgelegt und berücksichtigt das Zusammenwirken von drei der vier Grundkräfte - Elektromagnetismus und schwache und starke Kernkräfte. Bei der Entwicklung des Standardmodells wurde festgestellt, dass Elektromagnetismus und die schwache Kernkraft bei hohen Energieniveaus tatsächlich Aspekte derselben Kraft sind. Dies beruhte auf früheren Entdeckungen des britischen Physikers James Maxwell im späten 19. Jahrhundert, bei denen die Kräfte von Magnetismus und Elektrizität als zwei Aspekte derselben Kraft vereint wurden - Elektromagnetismus. Die Grand Unified Theory kann daher als ein Versuch angesehen werden, das Standardmodell mit den Auswirkungen der Schwerkraft zu vereinen.
Da die Entwicklung einer einfachen, einheitlichen Theorie möglicherweise nicht alle Wechselwirkungen von Materie und Energie im Raum erklärt, wird die endgültige Theorie, die alle Kräfte vereint, oft als Theorie von Allem (EVG) bezeichnet. Drei Hauptbereiche des Physikstudiums müssten zu einem zusammengefasst werden, um eine tragfähige Theorie von allem zu erstellen. Dazu gehören das Standardmodell, die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik. Ein Schlüsselvorschlag hierfür ist die Erforschung der Stringtheorie, die einen fundamentalen Materiezustand beschreibt, in dem alles im physikalischen Universum letztendlich aus schwingenden Energiekreisläufen besteht, die jeweils die Größe einer Planck-Länge oder 10 -33 Zentimeter haben. Es wird vermutet, dass diese Saiten die direkte Ursache für die Auswirkungen aller vier fundamentalen Kräfte in der Natur sind, die Existenz von Materie und Energie und sowohl Raum als auch Zeit. Eine der Schwächen der Stringtheorie besteht jedoch darin, dass sie äußerst komplex ist und Interaktionen in zehn Raumdimensionen erfordert, wohingegen eine ultimative, vereinheitlichte Theorie als einfache Gleichung betrachtet wird, die nicht länger als 2,5 Zentimeter ist Länge, wenn mit der üblichen Schriftgröße ausgeschrieben.
Die vielleicht größte Herausforderung, um ab 2011 eine elegante Form einer großen Einheitstheorie zu entwickeln, besteht darin, die physikalische Kosmologie der Schwerkraft in die Gleichungen einzuarbeiten. Die Schwerkraft ist die am wenigsten verstandene aller physischen Kräfte und darf überhaupt keine Kraft sein. Einige Untersuchungen legen nahe, dass die Schwerkraft lediglich eine Auswirkung der Verzerrung des Raums durch Materie ist, wie Einsteins Entdeckungen nahe legen, da ein Ursprung für die Schwerkraftquelle nie gefunden wurde. An alle anderen Kräfte in der Natur sind fundamentale Teilchen gebunden, so dass die Physik angenommen hat, dass ein Gravitonenteilchen existiert, um die Schwerkraft zu erklären. Bis Beweise dafür vorliegen, wie die Gravitation sowohl auf makroskopischer als auch auf mikroskopischer Ebene funktioniert, bleibt eine große einheitliche Theorie, die alle physikalischen Kräfte in der Natur vereint, schwer fassbar.