Superstringiteooria kujutab rahvakeeles universumit vibreerivate energiakiudude – stringide – kogumina. Need on looduse alus. Hüpotees kirjeldab ka teisi elemente – braane. Kogu mateeria meie maailmas koosneb stringide ja braanide vibratsioonist. Teooria loomulik tagajärg on gravitatsiooni kirjeldus. Seetõttu usuvad teadlased, et sellel on võti gravitatsiooni ühendamiseks teiste jõududega.
Konseptsioon areneb
Ühtne väljateooria, superstringiteooria, on puht alt matemaatiline. Nagu kõik füüsikalised mõisted, põhineb see võrranditel, mida saab teatud viisil tõlgendada.
Täna ei tea keegi täpselt, milline saab olema selle teooria lõplik versioon. Teadlastel on selle üldistest elementidest üsna ähmane ettekujutus, kuid keegi pole veel välja pakkunud lõplikku võrrandit, mis hõlmaks kõiki superstringiteooriaid, ja eksperimentaalselt pole see veel suutnud seda kinnitada (kuigi mitte ka ümber lükata).. Füüsikud on loonud võrrandi lihtsustatud versioonid, kuid siiani ei kirjelda see meie universumit päris hästi.
Superstringiteooria algajatele
Hüpotees põhineb viiel põhiideel.
- Superstringiteooria ennustab, et kõik meie maailma objektid koosnevad vibreerivatest filamentidest ja energiamembraanidest.
- Ta püüab ühendada üldrelatiivsusteooria (gravitatsiooni) kvantfüüsikaga.
- Superstringiteooria ühendab kõik universumi põhijõud.
- See hüpotees ennustab uut ühendust, supersümmeetriat, kahe põhimõtteliselt erinevat tüüpi osakeste, bosonite ja fermioonide vahel.
- Mõte kirjeldab mitmeid universumi täiendavaid, tavaliselt mittejälgitavaid dimensioone.
Keeled ja braanid
Kui teooria 1970. aastatel tekkis, peeti selles olevaid energialõite 1-mõõtmelisteks objektideks – stringideks. Sõna "ühemõõtmeline" tähendab, et stringil on ainult 1 mõõde, pikkus, erinev alt näiteks ruudust, millel on nii pikkus kui ka kõrgus.
Teooria jagab need superstringid kahte tüüpi – suletud ja avatud. Avatud stringil on otsad, mis ei puuduta üksteist, samas kui suletud stringil on silmus, millel puuduvad avatud otsad. Selle tulemusena leiti, et need stringid, mida nimetatakse esimest tüüpi stringideks, on allutatud 5 peamist tüüpi interaktsioonidele.
Interaktsioonid põhinevad stringi võimel ühendada ja eraldada oma otsad. Kuna avatud stringide otsad võivad ühineda, moodustades suletud stringe, on võimatu konstrueerida superstringiteooriat, mis ei sisalda silmuseid.
See osutus oluliseks, kuna suletud stringidel on füüsikute arvates omadused, mis kirjeldavad gravitatsiooni. Teisisõnu, teadlasedmõistis, et superstringiteooria võib aineosakeste selgitamise asemel kirjeldada nende käitumist ja gravitatsiooni.
Pärast aastaid avastati, et lisaks keelpillidele on teooria jaoks vajalikud ka muud elemendid. Neid võib pidada lehtedeks või braanidena. Nöörid saab kinnitada ühele või mõlemale küljele.
Kvantgravitatsioon
Kaasaegsel füüsikal on kaks peamist teaduslikku seadust: üldrelatiivsusteooria (GR) ja kvant. Nad esindavad täiesti erinevaid teadusvaldkondi. Kvantfüüsika uurib väikseimaid looduslikke osakesi ja GR kirjeldab reeglina loodust planeetide, galaktikate ja universumi kui terviku skaalal. Hüpoteese, mis püüavad neid ühendada, nimetatakse kvantgravitatsiooni teooriateks. Tänapäeval on neist kõige lootustandvam string.
Suletud niidid vastavad gravitatsiooni käitumisele. Eelkõige on neil gravitoni omadused – osake, mis kannab gravitatsiooni objektide vahel.
Jõgede ühendamine
Stringiteooria püüab ühendada neli jõudu – elektromagnetilised, tugevad ja nõrgad tuumajõud ning gravitatsioon – üheks. Meie maailmas avalduvad need nelja erineva nähtusena, kuid stringiteoreetikud usuvad, et varases universumis, kui energiatase oli uskumatult kõrge, kirjeldatakse kõiki neid jõude üksteisega vastastikmõjus olevate stringide abil.
Supersümmeetria
Kõik universumi osakesed võib jagada kahte tüüpi: bosoniteks ja fermioonideks. Stringiteooriaennustab, et nende vahel on suhe, mida nimetatakse supersümmeetriaks. Supersümmeetrias peab iga bosoni jaoks olema fermion ja iga fermioni jaoks boson. Kahjuks ei ole selliste osakeste olemasolu eksperimentaalselt kinnitatud.
Supersümmeetria on matemaatiline seos füüsikaliste võrrandite elementide vahel. See avastati teises füüsikavaldkonnas ja selle rakendamine viis supersümmeetrilise stringiteooria (või rahvakeeles superstringiteooria) ümbernimetamiseni 1970. aastate keskel.
Üks supersümmeetria eeliseid on see, et see lihtsustab võrrandeid oluliselt, võimaldades mõne muutuja kõrvaldamist. Ilma supersümmeetriata põhjustavad võrrandid füüsikalisi vastuolusid, nagu lõpmatud väärtused ja kujuteldavad energiatasemed.
Kuna teadlased pole supersümmeetriaga ennustatud osakesi täheldanud, on see siiski hüpotees. Paljud füüsikud arvavad, et selle põhjuseks on vajadus märkimisväärse energiahulga järele, mis on massiga seotud kuulsa Einsteini võrrandiga E=mc2. Need osakesed võisid eksisteerida varajases universumis, kuid pärast Suurt Pauku jahtudes ja energia levides liikusid need osakesed madalale energiatasemele.
Teisisõnu, kõrge energiaga osakestena vibreerinud stringid kaotasid oma energia, muutes need madalama vibratsiooniga elementideks.
Teadlased loodavad, et astronoomilised vaatlused või katsed osakeste kiirenditega kinnitavad teooriat, paljastades mõned supersümmeetrilised elemendid, millel on suurem väärtus.energiat.
Lisamõõdud
Stringiteooria teine matemaatiline tagajärg on see, et see on mõttekas maailmas, kus on rohkem kui kolm mõõdet. Sellel on praegu kaks seletust:
- Lisadimensioonid (neist kuus) on kokku varisenud või stringiteooria terminoloogias tihendatud uskumatult väikesteks suurusteks, mida kunagi ei tajuta.
- Oleme kinni 3D-braanis ja teised dimensioonid ulatuvad sellest kaugemale ning on meile kättesaamatud.
Teoreetikute seas on oluline uurimissuund nende täiendavate koordinaatide omaga seotud matemaatiline modelleerimine. Viimased tulemused ennustavad, et teadlased suudavad peagi eelseisvates katsetes tuvastada need lisamõõtmed (kui need on olemas), kuna need võivad olla oodatust suuremad.
Eesmärgi mõistmine
Eesmärk, mille poole teadlased superstringe uurides püüdlevad, on "kõige teooria", st üks füüsiline hüpotees, mis kirjeldab kogu füüsilist reaalsust fundamentaalsel tasemel. Kui see õnnestub, võib see selgitada paljusid küsimusi meie universumi struktuuri kohta.
Aine ja massi seletus
Kaasaegse uurimistöö üks peamisi ülesandeid on lahenduste leidmine pärisosakeste jaoks.
Stringiteooria sai alguse kontseptsioonist, mis kirjeldab osakesi nagu hadronid stringi erinevates kõrgemates vibratsiooniseisundites. Enamikus kaasaegsetes formulatsioonides on asi meieuniversum, on madalaima energiaga stringide ja braanide vibratsiooni tulemus. Kõrgemad vibratsioonid tekitavad suure energiaga osakesi, mida praegu meie maailmas ei eksisteeri.
Nende elementaarosakeste mass näitab, kuidas stringid ja braanid on pakitud tihendatud lisamõõtmetesse. Näiteks lihtsustatud juhul, kui need on volditud sõõrikukujuliseks, mida matemaatikud ja füüsikud nimetavad toruks, võib nöör seda kujundit mähkida kahel viisil:
- lühike silmus läbi toruse keskosa;
- pikk silmus toru kogu välisringi ümber.
Lühike silmus on kerge osake ja suur silmus raske. Nööride mähkimine toroidaalsete tihendatud mõõtmete ümber tekitab uusi erineva massiga elemente.
Superstringiteooria selgitab lühid alt ja selgelt, lihts alt ja elegantselt pikkuse üleminekut massiks. Volditud mõõtmed on siin palju keerulisemad kui torus, kuid põhimõtteliselt töötavad need samamoodi.
On isegi võimalik, kuigi raske ette kujutada, et nöör keerdub toruse ümber korraga kahes suunas, mille tulemuseks on erineva massiga erinev osake. Branid võivad katta lisamõõtmeid, luues veelgi rohkem võimalusi.
Ruumi ja aja määramine
Paljudes superstringiteooria versioonides mõõtmed kukuvad kokku, muutes need tehnoloogia arengu praegusel tasemel jälgimatuks.
Praegu pole selge, kas stringiteooria suudab selgitada ruumi ja aja põhiolemustrohkem kui Einstein tegi. Selles on mõõtmised stringide interaktsiooni taustaks ja neil puudub sõltumatu tegelik tähendus.
Seletusi on pakutud, kuid mitte täielikult välja töötatud, seoses aegruumi kujutamisega kõigi stringide interaktsioonide kogusumma tuletisega.
See lähenemine ei vasta mõnede füüsikute ideedele, mis tõi kaasa hüpoteesi kriitika. Silmuskvantgravitatsiooni konkurentsiteooria kasutab lähtepunktina ruumi ja aja kvantiseerimist. Mõned usuvad, et see on lihts alt erinev lähenemine samale põhihüpoteesile.
Gravitatsiooni kvantifitseerimine
Selle hüpoteesi peamiseks saavutuseks, kui see kinnitust leiab, on gravitatsiooni kvantteooria. Praegune gravitatsiooni kirjeldus üldrelatiivsusteoorias ei ole kvantfüüsikaga kooskõlas. Viimane, seades piiranguid väikeste osakeste käitumisele, viib vastuoludeni, kui üritatakse universumit äärmiselt väikeses skaalas uurida.
Jõgede ühendamine
Praegu teavad füüsikud nelja põhijõudu: gravitatsioon, elektromagnetiline, nõrk ja tugev tuuma vastastikmõju. Stringiteooriast järeldub, et need kõik olid kunagi ühe ilmingud.
Selle hüpoteesi kohaselt, kuna varane universum pärast Suurt pauku jahtus, hakkas see üksainus interaktsioon lagunema erinevateks, mis on praegu aktiivsed.
Kõrge energiaga katsed võimaldavad meil ühel päeval avastada nende jõudude ühendamise, kuigi sellised katsed jäävad tehnoloogia praegusest arengust kaugele kaugemale.
Viis valikut
Pärast superstringirevolutsiooni 1984. aastal toimus arendus palavikulises tempos. Selle tulemusena oli ühe mõiste asemel viis nimega I, IIA, IIB, HO, HE tüüpi, millest igaüks kirjeldas peaaegu täielikult meie maailma, kuid mitte täielikult.
Füüsikud, sorteerides stringiteooria versioone, lootes leida universaalset tõest valemit, on loonud 5 erinevat iseseisvat versiooni. Mõned nende omadused peegeldasid maailma füüsilist reaalsust, teised aga ei vastanud tegelikkusele.
M-teooria
1995. aasta konverentsil pakkus füüsik Edward Witten välja julge lahenduse viie hüpoteesi probleemile. Tuginedes äsja avastatud duaalsusele, muutusid need kõik ühe kõikehõlmava kontseptsiooni erijuhtudeks, mida nimetatakse Witteni M-teooriaks superstringidest. Üks selle põhikontseptsioone oli braanid (lühend membraanist), põhiobjektid, millel on rohkem kui üks mõõde. Kuigi autor ei pakkunud täisversiooni, mis pole veel saadaval, koosneb superstringide M-teooria lühid alt järgmistest funktsioonidest:
- 11-mõõde (10 ruumilist pluss 1 ajamõõdet);
- duaalsused, mis viivad viie teooriani, mis selgitavad sama füüsilist reaalsust;
- braanid on stringid, millel on rohkem kui üks mõõde.
Tagajärjed
Selle tulemusena oli ühe asemel 10500 lahendust. Mõne füüsiku jaoks põhjustas see kriisi, teised aga nõustusid antroopse printsiibiga, mis seletab universumi omadusi meie kohalolekuga selles. Eks ole näha, millal teoreetikud teise leiavadorienteerumisviis superstringiteoorias.
Mõned tõlgendused viitavad sellele, et meie maailm pole ainus. Kõige radikaalsemad versioonid võimaldavad eksisteerida lõpmatul hulgal universumeid, millest mõned sisaldavad meie oma täpseid koopiaid.
Einsteini teooria ennustab keerdunud ruumi olemasolu, mida nimetatakse ussiauguks või Einsteini-Roseni sillaks. Sel juhul on kaks kaugemat saiti ühendatud lühikese läbikäiguga. Superstringiteooria võimaldab mitte ainult seda, vaid ka paralleelmaailmade kaugete punktide ühendamist. Erinevate füüsikaseadustega universumite vahel on isegi võimalik üle minna. Siiski on tõenäoline, et gravitatsiooni kvantteooria muudab nende olemasolu võimatuks.
Paljud füüsikud usuvad, et holograafiline põhimõte, kui kogu ruumi mahus sisalduv informatsioon vastab selle pinnale salvestatud teabele, võimaldab energialõngade mõistet sügavam alt mõista.
Mõned usuvad, et superstringiteooria võimaldab kasutada mitut aja dimensiooni, mis võib põhjustada nende läbimise.
Lisaks on hüpoteesi raames olemas alternatiiv suure paugu mudelile, mille kohaselt meie universum tekkis kahe braani kokkupõrke tulemusena ning läbib korduvaid loomise ja hävitamise tsükleid.
Universumi lõplik saatus on füüsikuid alati vaevanud ning stringiteooria lõplik versioon aitab määrata mateeria tihedust ja kosmoloogilist konstandit. Neid väärtusi teades saavad kosmoloogid kindlaks teha, kas universum seda teebkahanege, kuni see plahvatab, et alustada kõike uuesti.
Keegi ei tea, kuhu teaduslik teooria viia võib, kuni see on välja töötatud ja testitud. Einstein, kirjutades võrrandit E=mc2, ei oodanud, et see toob kaasa tuumarelvade ilmumise. Kvantfüüsika loojad ei teadnud, et sellest saab laseri ja transistori loomise alus. Ja kuigi pole veel teada, milleni selline puht alt teoreetiline kontseptsioon viib, näitab ajalugu, et kindlasti selgub midagi silmapaistvat.
Selle oletuse kohta lisateabe saamiseks vaadake Andrew Zimmermani teost Superstring Theory for Dummies.
