String theory and the hidden structures of the universe - Clifford Johnson

Die Stringtheorie und die verborgenen Strukturen des Universums – Clifford Johnson

Transcriber: Andrea McDonough Reviewer: Bedirhan Cinar

Übersetzung: Englisch2 Intrawi Lektorat: Jo Pi

So I work on trying to understand

Ich will verstehen,

how the universe works at the very basic level,

wie das Universum im Grunde funktioniert --

the most basic level we can find.

auf seiner einfachsten Ebene.

So, when you try in your everyday life

Wenn ihr in eurem Alltag herausfinden wollt,

to try and work out how something works,

wie etwas funktioniert,

what you're actually doing is you're looking for

dann sucht ihr die verborgenen Strukturen, wie ich sie nenne.

what I call hidden structures.

For example, you take something like your cell phone,

Zum Beispiel in eurem Handy.

your smart phone,

Das Smartphone ist ein komplizierter Gegenstand.

it's a complicated object,

and you might wonder how it works.

Ihr fragt euch vielleicht, wie es funktioniert.

Well, what you can do is go in

Dazu könnt ihr es beispielsweise auseinandernehmen.

and actually take it apart.

You'll void the warranty, but that's OK.

Dann gilt zwar die Garantie nicht mehr, aber gut.

And you'll go in and what you'll find

Beim Hineinsehen merkt ihr,

is that it's made of tiny little electronic components.

dass es aus winzigen elektronischen Teilen besteht.

And those electronic components are actually moving around

Diese elektronischen Bestandteile bewegen sich um ein bestimmtes Teilchen,

a certain kind of particle that we know

das Elektron heißt.

that's called the electron,

and that's where the name "electronics" comes from.

Daher stammt der Begriff "Elektronik".

So if you know the actual rules

Wenn ihr also die Regeln der Zusammensetzung kennt,

of how to put those things together,

you can actually make your smart phone

dann könnt ihr euch euer eigenes Smartphone

or you could make various other electronic devices as well.

oder verschiedene andere elektronische Geräte bauen.

So, there are people like myself

Es gibt Menschen wie mich,

who, actually for a living, try and do this sort of thing

die genau damit ihr Geld verdienen.

not just for, say, a cell phone or its components,

Abgesehen von Handys und ihren Bestandteilen

but asking what, say, your hand is made of,

fragen wir uns auch, woraus etwa unsere Hand besteht,

or the chair you're sitting in,

der Stuhl, auf dem ihr gerade sitzt,

or the planet Earth,

the sun,

die Erde, die Sonne, die Sterne und das komplette Universum.

the stars,

the entire universe.

And so, using various kinds of instruments

Mithilfe verschiedener Instrumente

and observations

sowie durch Beobachtungen und Experimente

and experiments,

konnten wir dieses Gebiet im Laufe der Jahre immer eingehender erforschen.

we've been able to probe deeper and deeper over the years,

and we now know that the matter that we're made of

Jetzt wissen wir, dass sich die Materie, aus der wir und unsere Umwelt bestehen,

and that we see around us

is actually made of tiny little elementary particles.

aus winzigen Elementarteilchen zusammensetzt.

And elementary particles interact with each other

Diese Teilchen können dank

via the forces of nature,

der Naturkräfte miteinander interagieren.

but we've also discovered

Aber wir haben auch herausgefunden,

that those forces of nature themselves actually operate

dass diese Naturkräfte selbst ebenfalls

by exchanging elementary particles as well.

über den Austausch von Elementarteilchen funktionieren.

They're actually particles of force that are exchanged

Es sind Bosonen, die durch Materieteilchen ausgetauscht werden.

by the particles of matter.

And you may have heard this year

Vielleich habt ihr die große Neuigkeit auf diesem Gebiet

that there was big news,

a major announcement in this story,

dieses Jahr schon gehört:

the Large Hadron Collider, the LHC,

Bei einem großen Experiment im Großen Hadronen-Speicherring, dem LHC,

a huge experiment in Europe,

wurde in Europa das sogenannte Higgs-Boson nachgewiesen.

has actually uncovered a Higgs boson,

and that particle's job is to interact

Dieses Teilchen interagiert mit den verschiedenen Elementarteilchen

with the various elementary particles

and give them the masses that we observe.

und verleiht ihnen ihre Masse.

Dieses spannende Szenario

So, this exciting picture is analogous

to the one I showed you for the cell phone.

ist also das gleiche wie beim Handy.

We have the components

Es gibt die Bestandteilchen

and we have the rules of particle theory,

und es gibt die Regeln der Teilchenphysik,

as it's called,

by which these all operate

durch die das Verhalten der Teilchen

and give rise to the various things.

und der Aufbau der Dinge erklärt werden können.

Now, we actually think that we've only just

Wir haben wohl erst die Spitze des Eisbergs der Quantenwelt,

scratched the surface of finding this quantum world,

der verborgenen Struktur unserer Welt, entdeckt.

the hidden structure of our world.

Let me give you three examples

Nun zu drei Beispielen für die Rätsel, die wir noch zu lösen versuchen.

of the puzzles we're still working on.

So, what I did is I gathered the particles up

Ich ordnete die Teilchen in Mustern an, die sie normalerweise bilden.

into the patterns that they tend to form,

but we don't know where those patterns come from.

Aber wir wissen nicht, wie die Muster entstehen.

We know how to describe the particles,

Wir können die Teilchen beschreiben, aber nicht den Ursprung der Muster.

but we don't know where the patterns come from.

When you see patterns in science,

Wenn Wissenschafler Muster erkennen, suchen sie nach einer verdeckten Struktur.

you look for a hidden structure,

so that's one of the things.

Also, we now know that there's a huge amount

Zweitens wissen wir, dass da draußen neben den Dingen,

more matter out there

than just the things that I was just talking about.

über die ich eben gesprochen habe, eine große Menge an Materie existiert --

That stuff is called dark matter.

die sogenannte dunkle Materie.

We don't know what it is,

and we'd like to be able to get it

Wir wissen noch nicht, was das ist,

and experiment with it and figure out what it is.

möchten es aber in Experimenten herausfinden.

Drittens funktioniert die uns wohl bekannteste Kraft -- die Schwerkraft --

And then, the other thing I'd like to talk about

is the fact that the force of gravity,

perhaps the most familiar force we know,

when you get down to the quantum level,

auf der Quantenebene nicht nach den Prinzipien der Teilchentheorie.

it actually doesn't operate

according to those rules of particle theory.

So, given that gravity is actually about the shape

Laut Einstein geht es bei der Gravitation um das Gefüge von Raum und Zeit.

of space and time as Einstein taught us,

Von der Erforschung der Quantengravitation

we, in working out what the quantum story of gravity is,

which we call quantum gravity,

erhoffen wir uns daher Antworten auf Fragen wie:

we hope to get to groups of questions like,

are there particles of space and time itself

Gibt es eigene Raum- und Zeitteilchen und wie sind sie zusammengefügt?

and how do they fit together?

What are the rules?

Was sind die Regeln?

So, this leads us to things

So können wir die Anfänge erforschen:

like studying where it all began,

13.7 billion years ago,

den Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren.

the Big Bang.

We know matter and energy

Damals entstanden nicht nur Materie und Energie,

as we understand it was created,

but also, space and time itself.

sondern auch Raum und Zeit selbst.

So those are the sorts of things

Genau das erforschen wir hier.

we study in this quest.

Also, we have things that are around us today,

Heute sind wir zudem von Dingen umgeben, die uns wichtige Anhaltspunkte liefern.

such as black holes,

which are very important clues.

Einerseits wollen wir schwarze Löcher -- das heißt, Löcher im All -- verstehen.

They're actually holes in space

that we'd like to understand.

Also, the newly discovered dark energy,

Andererseits wurde vor kurzem die dunkle Energie entdeckt,

which is the tendency of space

die die Ausdehnung des Universums beschleunigt.

all through the universe to accelerate its expansion.

Wissenschaftler erforschen dies und gehen der aktuellen Theorie nach,

So scientists are working on these kinds of things,

trying to understand what we think is now the case

that there's not just hidden structures

dass es nicht nur verborgene Strukturen für Masse und Energie gibt,

of matter and energy,

but also space and time.

sondern auch für Raum und Zeit.

Die Frage ist: Wie lauten die Regeln?

So the question is, what are the rules?

Es gibt viele Ansätze, um dies herauszufinden.

And there are many approaches to this,

and one of them is one you may have heard of,

Einen kennt ihr vielleicht, und zwar die Stringtheorie.

called string theory.

And so it is one of many approaches

Das ist eine von vielen Theorien.

and we don't know if it's right yet,

Wir wissen nicht, ob sie die richtige ist, weil die Theorie noch nicht fertig ist,

we're not finished developing the theory,

but it's given us some really exciting, tantalizing hints.

aber sie liefert uns spannende, verlockende Anhaltspunkte.

I'd like to tell you about a few of them.

Ich nenne euch einige.

So, one of them is simply that you take away

Einem zufolge sucht man nicht nach einem winzigen Quantenteilchen,

the idea of looking for a tiny quantum particle,

sondern nach einem vibrierenden eindimensionalen Objekt --

you look instead for an extended object,

a string, which can vibrate.

einem String.

And it actually gives you some exciting opportunities

Dadurch entstehen spannende Möglichkeiten.

because, for example, it would say

Wenn wir beispielsweise die verborgene Struktur nicht entdeckt haben,

if we've missed that hidden structure

by not looking closely enough,

weil wir ungenau geforscht haben, würden wir nicht merken,

we wouldn't realize that many different kinds of particles

dass die verschiedenen Teilchen nur verschiedene Vibrationen

are just different vibrations of the same string,

desselben Strings sind.

which is a really exciting possibility

Das ist spannend und würde vieles sehr vereinfachen.

and a huge simplification.

So that's one of the ideas.

So viel dazu.

Ebenso spannend an der Stringtheorie ist,

The other thing that's really exciting about string theory

is that one of those particles it describes

dass sie das fehlende Teilchen beschreiben kann,

is actually the missing quantum of gravity

das man in der Quantengravitation zu verstehen versucht.

that we have been trying to understand.

And then the other thing is that strings actually,

Des Weiteren scheinen Strings sich in höheren Dimensionen zu bewegen,

instead of one wanting just to move in the dimensions,

the three space dimensions that we are familiar with,

anstatt nur in den drei uns bekannten Raumdimensionen.

actually seem to want to move in higher dimensions.

So we have this idea, then,

Was bedeutet nun dieses Konzept für die Welt --

what would it mean for our world,

if this were anything to do with our world,

wenn es denn etwas mit unserer Welt zu tun hat und wir das nur nicht wissen?

and we don't know that yet?

Here's a way that our world would arise from that.

Mit diesem Modell ließe sich unsere Welt so erklären:

You would have our world,

and then one of the hidden structures

Eine der verborgenen Strukturen, die unserer Welt zugrunde liegen,

would be hidden chunks in space time

wären unsichtbare Stücke von Raumzeit,

that are not visible, those extra dimensions.

die zusätzlichen Dimensionen.

And then the various particles that we see in the world

Die in der Welt sichtbaren Teilchen gingen auf verschiedene Stringvibrationen zurück.

would come from being vibrations of strings

and those patterns we saw that we can't explain

Die vorhin erwähnten unerklärlichen Muster wären darauf zurückzuführen,

come from the fact that the strings can probe

dass die Strings die Gestalt dieser internen Dimensionen wahrnehmen können.

and feel the shape of those internal dimensions.

So, one of the things, then, is

Eine Frage ist: Lässt sich diese Theorie überprüfen?

can we actually test this?

This is a lovely idea, but how do we confront this

Sie klingt ja ganz nett,

aber wie legen wir die Experimente und Beobachtungen an?

with real experiments and observations

because we're doing science here?

Schließlich sind wir Wissenschaftler.

And that's the hard thing.

We think that the energy you need

Genau das ist das Schwierige.

to probe the tiny-enough scales

Eine Erforschung der winzigen Maßstäbe zum Nachweis der Strings selbst

to see the strings if they're there,

ist wegen der benötigten Energie in naher Zukunft nicht realistisch.

is more than we can hope to get any time soon.

But what we can do is we can look

Aber wir können die Auswirkungen der verborgenen Strukturen erforschen --

for the consequences of those hidden structures,

we can look for how those things show up in physics

jene Auswirkungen, die sich etwa in der Physik zeigen.

that we can get access to.

So, that's why we study things like

Deshalb erforschen wir dunkle Materie, schwarze Löcher, dunkle Energie

dark matter,

black holes,

dark energy,

and we also look at remnants of the early universe,

und Überbleibsel des frühen Universums, die kosmische Hintergrundstrahlung.

the cosmic microwave background that satellites.

Vor allem suchen wir Hinweise mittels teilchenphysikalischer Experimente,

And, importantly, we look for clues

from the various kinds of particle physics experiments,

like the LHC.

wie im LHC.

So, one last thing, then,

Abschließend noch zu einer weiteren neuen Entwicklung.

is a new thing that's been going on.

String theory may turn out to be useful

Die Stringtheorie könnte für andere physikalische Bereiche nützlich sein.

in other areas of physics.

There are new kinds of experiments

In neuen elektronenbasierten Experimenten wurde nachgewiesen,

that start out, say, with our friend the electron,

and actually show that in certain circumstances,

dass Elektronen unter gewissen Umständen völlig neue Interaktionsmuster aufweisen.

the electrons interact in a way

that give you completely new,

weird kinds of behavior.

And there are models that show

Modellen zufolge kann diese Art von Verhalten

that string theory's actually the best way.

In some circumstances,

am besten mithilfe der Regeln der Stringtheorie erklärt werden.

using the rules of string theory,

you can actually explain that sort of behavior.

So this gives us an exciting possibility,

Das eröffnet uns eine spannende Möglichkeit.

there's real experiments you can do

Anhand konkreter Elektronenexperimente

with these electrons

that will help us shape the rules

können wir die Regeln der Stringtheorie aufstellen.

for what string theory is.

And you might go,

"Well, OK, that's going to give us

Ihr sagt jetzt vielleicht:

maybe some fancy new kind of electronics

"Gut, damit kann die Elektronik vielleicht irgendwann bessere Handys herstellen."

that we can make a better cell phone with."

But, what I'm saying that those rules

Aber vielleicht können wir dank derselben Regeln auch herausfinden,

may actually be the same rules we're looking for

to see if string theory can help us

with these bigger questions.

ob die Stringtheorie Antworten auf komplexere Fragen liefern kann.

So, at the end of the day,

Damit könnten uns die verborgenen Strukturen des Universums

the hidden structures of the universe we're looking for,

may, one day, be right under our noses.

eines Tages direkt ersichtlich sein.

Thank you.

Vielen Dank.