Große vereinheitlichte Theorie


Große vereinheitlichte Theorie

Als große vereinheitlichte Theorie (englisch Grand Unified Theory, GUT, auch Grand Unification) bezeichnet man in der Physik eine Theorie, die drei der vier bekannten physikalischen Grundkräfte vereinigt, nämlich die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die elektromagnetische Kraft.

Allgemeine Beschreibung

Man nimmt an, dass diese Grundkräfte zum Zeitpunkt des Urknalls eine einzige Kraft waren, die sich nach der Abkühlung in diese drei bekannten Kräfte aufspaltete. Voraussetzung dazu wäre, dass die starke Kernkraft bei hoher Energie schwächer wird, wohingegen die elektromagnetische Kraft und die schwache Wechselwirkung, die nicht asymptotisch frei sind, bei hoher Energie stärker werden. Bei einer bestimmten, sehr hohen Energie hätten dann alle drei Kräfte die gleiche Stärke und könnten sich als verschiedene Aspekte einer einzigen Kraft erweisen. Die große vereinheitlichte Theorie sagt weiter voraus, dass bei dieser Energie alle Materieteilchen mit Spin 1/2, zum Beispiel Elektronen und Quarks, im Wesentlichen gleich seien, was zu einer weiteren Vereinheitlichung führen würde.[1]

Zustände, in denen diese Kraft erzeugbar wäre, sind praktisch nicht herstellbar, da dazu überdimensionierte Teilchenbeschleuniger konstruiert werden müssten. Eine Möglichkeit, die Existenz einer vereinheitlichten Kraft dennoch zu prüfen, sind Protonenzerfälle, die von nahezu allen vereinheitlichten Theorien postuliert werden. Durch das bisherige Ausbleiben eines Nachweises solcher Zerfälle konnte ein Minimum für die Energie, bei der die Vereinheitlichung auftreten kann, angegeben werden. Sie liegt bei einem YeV (1024 eV = 1 Yottaelektronenvolt) gleich 160.000 Joule.

Zur vollständigen Beschreibung aller bekannten physikalischen Phänomene müsste diese Vereinigung auch die vierte Grundkraft, die Gravitation, mit der allgemeinen Relativitätstheorie einbeziehen. Eine solche Theorie, die Quantentheorie und Gravitationstheorie vereint (Quantengravitation), bezeichnet man als „Theory of Everything“ (TOE). Kandidaten sind beispielsweise die Stringtheorie oder vielmehr die Vereinheitlichung der fünf Stringtheorie-Approximationen, die sogenannte M-Theorie, und die Loop-Quantengravitation, die jedoch bisher nur in Ansätzen existieren, und in noch eingeschränkterem Maße die Twistor-Theorie.

Schritte zur großen vereinheitlichten Theorie
Elektrostatik Magnetostatik Schwache
Wechselwirkung
Starke
Wechselwirkung
Gravitation
Elektromagnetische
Wechselwirkung
Quantenelektrodynamik Quantenchromodynamik Allgemeine
Relativitätstheorie
Elektroschwache Wechselwirkung
Große vereinheitlichte Theorie
„Theory of Everything“ oder „Weltformel“ / Quantengravitation

Siehe auch

  • Schwache Hyperladung zu den erhaltenen Quantenzahlen B−L bzw. X der meisten GUT-Versionen

Literatur

  • Steven Weinberg: Der Traum von der Einheit des Universums. Goldmann, München 1995, ISBN 3-442-12641-X.
  • Takeshi Fukuyama: Grand unified theories – current status and future prospects. AIP Press, Melville 2008, ISBN 978-0-7354-0536-3.
  • Rabindra N. Mohapatra: Unification and supersymmetry – the frontiers of quark-lepton physics. Springer, New York 2003, ISBN 0-387-95534-8.

Einzelnachweise

  1. Stephen Hawking: Eine kurze Geschichte der Zeit. dtv, München 2001, ISBN 3-423-33070-8, S. 100ff.