Teoria superstrun, w popularnym języku, przedstawia wszechświat jako zbiór wibrujących pasm energii - strun. Są fundamentem natury. Hipoteza opisuje również inne elementy - membrany. Cała materia w naszym świecie składa się z wibracji strun i bran. Naturalną konsekwencją teorii jest opis grawitacji. Dlatego naukowcy uważają, że jest kluczem do ujednolicenia grawitacji z innymi siłami.
Koncepcja ewoluuje
Zunifikowana teoria pola, teoria superstrun, jest czysto matematyczna. Podobnie jak wszystkie koncepcje fizyczne, opiera się na równaniach, które można interpretować w określony sposób.
Dziś nikt nie wie dokładnie, jaka będzie ostateczna wersja tej teorii. Naukowcy mają dość niejasne wyobrażenie o jego ogólnych elementach, ale nikt jeszcze nie wymyślił ostatecznego równania, które obejmowałoby wszystkie teorie superstrun, i eksperymentalnie nie było jeszcze w stanie tego potwierdzić (choć też nie obalić).. Fizycy stworzyli uproszczone wersje równania, ale jak dotąd nie do końca opisuje ono nasz wszechświat.
Teoria superstrun dla początkujących
Hipoteza opiera się na pięciu kluczowych pomysłach.
- Teoria superstrun przewiduje, że wszystkie obiekty w naszym świecie składają się z wibrujących włókien i błon energii.
- Próbuje połączyć ogólną teorię względności (grawitację) z fizyką kwantową.
- Teoria superstrun zjednoczy wszystkie fundamentalne siły wszechświata.
- Ta hipoteza przewiduje nowe połączenie, supersymetrię, między dwoma zasadniczo różnymi typami cząstek, bozonami i fermionami.
- Koncepcja opisuje szereg dodatkowych, zwykle nieobserwowalnych wymiarów Wszechświata.
Struny i membrany
Kiedy teoria pojawiła się w latach 70., zawarte w niej nitki energii uważano za jednowymiarowe obiekty - struny. Słowo „jednowymiarowy” oznacza, że sznurek ma tylko 1 wymiar, długość, w przeciwieństwie do np. kwadratu, który ma zarówno długość, jak i wysokość.
Teoria dzieli te superstruny na dwa typy - zamknięte i otwarte. Struna otwarta ma końce, które się nie stykają, podczas gdy sznurek zamknięty jest pętlą bez otwartych końców. W rezultacie odkryto, że te ciągi, zwane ciągami pierwszego typu, podlegają 5 głównym rodzajom interakcji.
Interakcje opierają się na zdolności łańcucha do łączenia i rozdzielania jego końców. Ponieważ końce otwartych strun mogą się łączyć, tworząc zamknięte strun, niemożliwe jest skonstruowanie teorii superstrun, która nie uwzględnia zapętlonych strun.
Okazało się to ważne, ponieważ zamknięte struny mają, jak uważają fizycy, właściwości, które mogą opisywać grawitację. Innymi słowy, naukowcyzdał sobie sprawę, że teoria superstrun, zamiast wyjaśniać cząstki materii, może opisać ich zachowanie i grawitację.
Po wielu latach odkryto, że oprócz strun potrzebne są do teorii inne elementy. Można je traktować jako arkusze lub membrany. Sznurki można przymocować z jednej lub z obu stron.
Grawitacja kwantowa
Współczesna fizyka ma dwa główne prawa naukowe: ogólną teorię względności (GR) i kwantową. Reprezentują zupełnie inne dziedziny nauki. Fizyka kwantowa bada najmniejsze naturalne cząstki, a GR z reguły opisuje przyrodę w skali planet, galaktyk i wszechświata jako całości. Hipotezy, które próbują je ujednolicić, nazywane są teoriami grawitacji kwantowej. Najbardziej obiecującym z nich jest dziś string.
Zamknięte wątki odpowiadają zachowaniu grawitacji. W szczególności mają one właściwości grawitonu, cząstki, która przenosi grawitację między obiektami.
Łączenie sił
Teoria strun próbuje połączyć cztery siły - elektromagnetyczne, silne i słabe siły jądrowe oraz grawitację - w jedno. W naszym świecie manifestują się one jako cztery różne zjawiska, ale teoretycy strun uważają, że we wczesnym wszechświecie, kiedy istniały niewiarygodnie wysokie poziomy energii, wszystkie te siły są opisane przez struny oddziałujące ze sobą.
Supersymetria
Wszystkie cząstki we wszechświecie można podzielić na dwa typy: bozony i fermiony. Teoria strunprzewiduje, że istnieje między nimi związek, zwany supersymetrią. W supersymetrii musi istnieć fermion na każdy bozon i bozon na każdy fermion. Niestety, istnienie takich cząstek nie zostało eksperymentalnie potwierdzone.
Supersymetria to matematyczna zależność między elementami równań fizycznych. Została odkryta w innej dziedzinie fizyki, a jej zastosowanie doprowadziło do zmiany nazwy teorii supersymetrycznych strun (lub w potocznym języku teorii superstrun) w połowie lat 70.
Jedną z zalet supersymetrii jest to, że znacznie upraszcza ona równania, umożliwiając eliminację niektórych zmiennych. Bez supersymetrii równania prowadzą do fizycznych sprzeczności, takich jak nieskończone wartości i urojone poziomy energii.
Ponieważ naukowcy nie zaobserwowali cząstek przewidywanych przez supersymetrię, jest to nadal hipoteza. Wielu fizyków uważa, że przyczyną tego jest zapotrzebowanie na znaczną ilość energii, która jest powiązana z masą słynnym równaniem Einsteina E=mc2. Cząstki te mogły istnieć we wczesnym wszechświecie, ale gdy ostygło i energia rozprzestrzeniła się po Wielkim Wybuchu, cząstki te przesunęły się na niskie poziomy energii.
Innymi słowy, struny, które wibrowały jako cząstki o wysokiej energii, straciły swoją energię, zamieniając je w elementy o niższych wibracjach.
Naukowcy mają nadzieję, że obserwacje astronomiczne lub eksperymenty z akceleratorami cząstek potwierdzą tę teorię, ujawniając niektóre elementy supersymetryczne o wyższymenergia.
Dodatkowe pomiary
Kolejną matematyczną konsekwencją teorii strun jest to, że ma ona sens w świecie o więcej niż trzech wymiarach. Obecnie istnieją na to dwa wyjaśnienia:
- Dodatkowe wymiary (sześć z nich) załamały się lub, w terminologii teorii strun, skompaktowały się do niewiarygodnie małych rozmiarów, które nigdy nie będą postrzegane.
- Utknęliśmy w branie 3D, a pozostałe wymiary wychodzą poza nią i są dla nas niedostępne.
Ważnym kierunkiem badań wśród teoretyków jest matematyczne modelowanie, w jaki sposób te dodatkowe współrzędne mogą być powiązane z naszymi. Najnowsze wyniki przewidują, że naukowcy wkrótce będą w stanie wykryć te dodatkowe wymiary (jeśli istnieją) w nadchodzących eksperymentach, ponieważ mogą one być większe niż wcześniej oczekiwano.
Zrozumienie celu
Cel, do którego dążą naukowcy badając superstruny, to „teoria wszystkiego”, czyli pojedyncza fizyczna hipoteza opisująca całą fizyczną rzeczywistość na podstawowym poziomie. Jeśli się powiedzie, może wyjaśnić wiele pytań dotyczących struktury naszego wszechświata.
Wyjaśnienie materii i masy
Jednym z głównych zadań współczesnych badań jest znalezienie rozwiązań dla rzeczywistych cząstek.
Teoria strun powstała jako koncepcja opisująca cząstki, takie jak hadrony, w różnych wyższych stanach wibracyjnych struny. W większości nowoczesnych preparatów materia obserwowana w naszymwszechświata, jest wynikiem wibracji strun i bran o najniższej energii. Wyższe wibracje generują cząstki o wysokiej energii, które obecnie nie istnieją w naszym świecie.
Masa tych elementarnych cząstek jest przejawem tego, jak struny i brany są owinięte w zagęszczone dodatkowe wymiary. Na przykład w uproszczonym przypadku, w którym są one złożone w kształt pączka, nazywanego torusem przez matematyków i fizyków, sznurek może zawinąć ten kształt na dwa sposoby:
- krótka pętla przez środek torusa;
- długa pętla wokół całego zewnętrznego obwodu torusa.
Krótka pętla będzie lekką cząsteczką, a duża pętla będzie ciężka. Owijanie sznurków wokół toroidalnych zagęszczonych wymiarów daje nowe elementy o różnych masach.
Teoria superstrun zwięźle i jasno, prosto i elegancko wyjaśnia przejście długości w masę. Złożone wymiary są tutaj znacznie bardziej skomplikowane niż torus, ale w zasadzie działają w ten sam sposób.
Możliwe, choć trudno to sobie wyobrazić, że struna owija się wokół torusa w dwóch kierunkach jednocześnie, co daje inną cząstkę o różnej masie. Otręby mogą również owijać dodatkowe wymiary, tworząc jeszcze więcej możliwości.
Określanie przestrzeni i czasu
W wielu wersjach teorii superstrun wymiary zapadają się, co czyni je nieobserwowalnymi na obecnym poziomie rozwoju technologii.
Obecnie nie jest jasne, czy teoria strun może wyjaśnić fundamentalną naturę przestrzeni i czasuwięcej niż Einstein. W nim pomiary są tłem dla interakcji ciągów i nie mają niezależnego rzeczywistego znaczenia.
Zaoferowano, nie w pełni rozwinięte, wyjaśnienia dotyczące reprezentacji czasoprzestrzeni jako pochodnej całkowitej sumy wszystkich interakcji strun.
To podejście nie odpowiada wyobrażeniom niektórych fizyków, co doprowadziło do krytyki hipotezy. Konkurencyjna teoria pętli kwantowej grawitacji wykorzystuje kwantyzację przestrzeni i czasu jako punkt wyjścia. Niektórzy uważają, że będzie to po prostu inne podejście do tej samej podstawowej hipotezy.
Kwantyzacja grawitacji
Głównym osiągnięciem tej hipotezy, jeśli zostanie potwierdzona, będzie kwantowa teoria grawitacji. Obecny opis grawitacji w ogólnej teorii względności jest niezgodny z fizyką kwantową. Ta ostatnia, nakładając ograniczenia na zachowanie małych cząstek, prowadzi do sprzeczności przy próbie eksploracji Wszechświata na ekstremalnie małą skalę.
Ujednolicenie sił
Obecnie fizycy znają cztery podstawowe siły: grawitacyjne, elektromagnetyczne, słabe i silne oddziaływania jądrowe. Z teorii strun wynika, że wszystkie one były kiedyś przejawami jednego.
Zgodnie z tą hipotezą, odkąd wczesny Wszechświat ochłodził się po Wielkim Wybuchu, ta pojedyncza interakcja zaczęła się rozpadać na różne, aktywne dzisiaj.
Eksperymenty wysokoenergetyczne pozwolą nam pewnego dnia odkryć zjednoczenie tych sił, chociaż takie eksperymenty wykraczają daleko poza obecny rozwój technologii.
Pięć wyborów
Po rewolucji superstrun w 1984 roku prace rozwojowe odbywały się w gorączkowym tempie. W rezultacie zamiast jednej koncepcji powstało pięć nazwanych typów I, IIA, IIB, HO, HE, z których każdy prawie całkowicie opisywał nasz świat, ale nie do końca.
Fizycy, przeszukując wersje teorii strun w nadziei znalezienia uniwersalnej prawdziwej formuły, stworzyli 5 różnych samowystarczalnych wersji. Niektóre z ich właściwości odzwierciedlały fizyczną rzeczywistość świata, inne nie odpowiadały rzeczywistości.
Teoria M
Na konferencji w 1995 roku fizyk Edward Witten zaproponował odważne rozwiązanie problemu pięciu hipotez. Opierając się na nowo odkrytej dwoistości, wszystkie one stały się szczególnymi przypadkami jednej nadrzędnej koncepcji, zwanej M-teorią superstrun Wittena. Jednym z jego kluczowych pojęć były brany (skrót od membrana), podstawowe obiekty o więcej niż jednym wymiarze. Chociaż autor nie zaoferował pełnej wersji, która nie jest jeszcze dostępna, M-teoria superstrun składa się w skrócie z następujących cech:
- 11-wymiar (10 przestrzennych plus 1 czasowy);
- dwoistości, które prowadzą do pięciu teorii wyjaśniających tę samą rzeczywistość fizyczną;
- brany to ciągi o więcej niż jednym wymiarze.
Konsekwencje
W rezultacie zamiast jednego, było 10500 rozwiązań. Dla niektórych fizyków spowodowało to kryzys, podczas gdy inni przyjęli zasadę antropiczną, która wyjaśnia właściwości wszechświata naszą obecnością w nim. Czas pokaże, kiedy teoretycy znajdą innysposób orientacji w teorii superstrun.
Niektóre interpretacje sugerują, że nasz świat nie jest jedyny. Najbardziej radykalne wersje pozwalają na istnienie nieskończonej liczby wszechświatów, z których niektóre zawierają dokładne kopie naszego.
Teoria Einsteina przewiduje istnienie zwiniętej przestrzeni, zwanej tunelem czasoprzestrzennym lub mostem Einsteina-Rosena. W tym przypadku dwa odległe lokalizacje są połączone krótkim przejściem. Teoria superstrun pozwala nie tylko na to, ale także na połączenie odległych punktów światów równoległych. Możliwe jest nawet przechodzenie między wszechświatami o różnych prawach fizyki. Jest jednak prawdopodobne, że kwantowa teoria grawitacji uniemożliwi ich istnienie.
Wielu fizyków wierzy, że zasada holograficzna, gdy wszystkie informacje zawarte w objętości przestrzeni odpowiadają informacjom zapisanym na jej powierzchni, pozwoli na głębsze zrozumienie pojęcia nici energii.
Niektórzy uważają, że teoria superstrun uwzględnia wiele wymiarów czasu, co może skutkować podróżowaniem przez nie.
Ponadto w ramach hipotezy istnieje alternatywa dla modelu Wielkiego Wybuchu, zgodnie z którą nasz wszechświat powstał w wyniku zderzenia dwóch bran i przechodzi przez powtarzające się cykle tworzenia i niszczenia.
Ostateczny los wszechświata zawsze zajmował fizyków, a ostateczna wersja teorii strun pomoże określić gęstość materii i stałą kosmologiczną. Znając te wartości, kosmolodzy mogą określić, czy wszechświatzmniejsz, aż wybuchnie, aby zacząć wszystko od nowa.
Nikt nie wie, dokąd może prowadzić teoria naukowa, dopóki nie zostanie opracowana i przetestowana. Einstein, pisząc równanie E=mc2, nie spodziewał się, że doprowadzi to do pojawienia się broni jądrowej. Twórcy fizyki kwantowej nie wiedzieli, że stanie się ona podstawą do stworzenia lasera i tranzystora. I choć nie wiadomo jeszcze, do czego doprowadzi taka czysto teoretyczna koncepcja, historia pokazuje, że z pewnością okaże się coś wyjątkowego.
Więcej informacji na temat tej hipotezy można znaleźć w Teorii superstrun Andrew Zimmermana dla manekinów.
