Teoria superstringurilor, în limbaj popular, reprezintă universul ca o colecție de fire vibrante de energie - șiruri. Ele sunt temelia naturii. Ipoteza descrie și alte elemente - brane. Toată materia din lumea noastră este alcătuită din vibrații ale corzilor și branelor. O consecință naturală a teoriei este descrierea gravitației. De aceea oamenii de știință cred că deține cheia unificării gravitației cu alte forțe.
Concept în evoluție
Teoria câmpului unificat, teoria superstringurilor, este pur matematică. Ca toate conceptele fizice, se bazează pe ecuații care pot fi interpretate în anumite moduri.
Astăzi nimeni nu știe exact care va fi versiunea finală a acestei teorii. Oamenii de știință au o idee destul de vagă despre elementele sale generale, dar nimeni nu a venit încă cu o ecuație definitivă care să acopere toate teoriile superstringurilor și experimental nu a fost încă în măsură să o confirme (deși nici să nu o infirme). Fizicienii au creat versiuni simplificate ale ecuației, dar până acum nu descrie prea bine universul nostru.
Teoria superstringurilor pentru începători
Ipoteza se bazează pe cinci idei cheie.
- Teoria superstringurilor prezice că toate obiectele din lumea noastră sunt formate din filamente vibrante și membrane de energie.
- Ea încearcă să combine relativitatea generală (gravitația) cu fizica cuantică.
- Teoria superstringurilor va unifica toate forțele fundamentale ale universului.
- Această ipoteză prezice o nouă conexiune, supersimetria, între două tipuri fundamental diferite de particule, bosoni și fermioni.
- Conceptul descrie o serie de dimensiuni suplimentare ale Universului, de obicei neobservabile.
Corzi și brane
Când teoria a apărut în anii 1970, firele de energie din ea erau considerate obiecte unidimensionale - șiruri. Cuvântul „unidimensional” înseamnă că șirul are o singură dimensiune, lungimea, spre deosebire de, de exemplu, un pătrat, care are atât o lungime, cât și o înălțime.
Teoria împarte aceste superstringuri în două tipuri - închise și deschise. Un șir deschis are capete care nu se ating, în timp ce un șir închis este o buclă fără capete deschise. Drept urmare, s-a constatat că aceste șiruri, numite șiruri de primul tip, sunt supuse a 5 tipuri principale de interacțiuni.
Interacțiunile se bazează pe capacitatea unui șir de a-și conecta și separa capetele. Deoarece capetele șirurilor deschise se pot combina pentru a forma șiruri închise, este imposibil să se construiască o teorie a superstringurilor care să nu includă șiruri în buclă.
Acest lucru sa dovedit a fi important, deoarece corzile închise au proprietăți, cred fizicienii, care ar putea descrie gravitația. Cu alte cuvinte, oameni de științăși-a dat seama că teoria superstringurilor, în loc să explice particulele de materie, le poate descrie comportamentul și gravitația.
După mulți ani, s-a descoperit că, pe lângă corzi, sunt necesare și alte elemente pentru teorie. Ele pot fi gândite ca foi, sau brane. Corzile pot fi atașate pe o parte sau pe ambele părți.
Gravitație cuantică
Fizica modernă are două legi științifice principale: relativitatea generală (GR) și cuantică. Ele reprezintă domenii complet diferite ale științei. Fizica cuantică studiază cele mai mici particule naturale, iar GR, de regulă, descrie natura la scara planetelor, galaxiilor și a universului în ansamblu. Ipotezele care încearcă să le unifice sunt numite teorii gravitaționale cuantice. Cel mai promițător dintre ele astăzi este șirul.
Fire închise corespund comportamentului gravitației. În special, au proprietățile unui graviton, o particulă care transportă gravitația între obiecte.
Unirea forțelor
Teoria corzilor încearcă să combine cele patru forțe - electromagnetice, forțe nucleare puternice și slabe și gravitație - într-una singură. În lumea noastră, ele se manifestă ca patru fenomene diferite, dar teoreticienii corzilor cred că în universul timpuriu, când existau niveluri incredibil de ridicate de energie, toate aceste forțe sunt descrise de șiruri care interacționează între ele.
Supersimetrie
Toate particulele din univers pot fi împărțite în două tipuri: bosoni și fermioni. Teoria corzilorprezice că există o relație între ele, numită supersimetrie. În supersimetrie, trebuie să existe un fermion pentru fiecare boson și un boson pentru fiecare fermion. Din păcate, existența unor astfel de particule nu a fost confirmată experimental.
Supersimetria este o relație matematică între elementele ecuațiilor fizice. A fost descoperit într-o altă zonă a fizicii, iar aplicarea sa a dus la redenumirea teoriei corzilor supersimetrice (sau a teoriei superstringurilor, în limbajul popular) la mijlocul anilor 1970.
Unul dintre avantajele supersimetriei este că simplifică foarte mult ecuațiile, permițând eliminarea unor variabile. Fără supersimetrie, ecuațiile duc la contradicții fizice, cum ar fi valori infinite și niveluri de energie imaginare.
Deoarece oamenii de știință nu au observat particulele prezise de supersimetrie, este încă o ipoteză. Mulți fizicieni cred că motivul pentru aceasta este necesitatea unei cantități semnificative de energie, care este legată de masă prin celebra ecuație Einstein E=mc2. Aceste particule ar fi putut exista în universul timpuriu, dar pe măsură ce s-a răcit și s-a răspândit energia după Big Bang, aceste particule s-au mutat la niveluri scăzute de energie.
Cu alte cuvinte, corzile care vibrau ca particule de în altă energie și-au pierdut energia, transformându-le în elemente cu vibrație mai joasă.
Oamenii de știință speră că observațiile astronomice sau experimentele cu acceleratori de particule vor confirma teoria prin dezvăluirea unora dintre elementele supersimetrice cu o valoare mai mare.energie.
Măsurări suplimentare
O altă consecință matematică a teoriei corzilor este că are sens într-o lume cu mai mult de trei dimensiuni. Există în prezent două explicații pentru aceasta:
- Dimensiunile suplimentare (șase dintre ele) s-au prăbușit sau, în terminologia teoriei corzilor, s-au compactat la dimensiuni incredibil de mici, care nu vor fi niciodată percepute.
- Suntem blocați în brana 3D, iar celel alte dimensiuni se extind dincolo de ea și ne sunt inaccesibile.
O linie importantă de cercetare în rândul teoreticienilor este modelarea matematică a modului în care aceste coordonate suplimentare ar putea fi legate de ale noastre. Cele mai recente rezultate prevăd că oamenii de știință vor putea în curând să detecteze aceste dimensiuni suplimentare (dacă există) în experimentele viitoare, deoarece ar putea fi mai mari decât se aștepta anterior.
Înțelegerea scopului
Scopul pentru care se străduiesc oamenii de știință atunci când explorează superstringurile este o „teorie a tuturor”, adică o singură ipoteză fizică care descrie întreaga realitate fizică la un nivel fundamental. Dacă are succes, ar putea clarifica multe întrebări despre structura universului nostru.
Explicația materiei și a masei
Una dintre principalele sarcini ale cercetării moderne este de a găsi soluții pentru particule reale.
Teoria corzilor a început ca un concept care descrie particule precum hadronii în diferite stări de vibrație superioară ale unei corzi. În cele mai multe formulări moderne, materia observată în nostruunivers, este rezultatul vibrațiilor corzilor și branelor cu cea mai scăzută energie. Vibrațiile mai mari generează particule de în altă energie care în prezent nu există în lumea noastră.
Masa acestor particule elementare este o manifestare a modului în care corzile și branele sunt înfășurate în dimensiuni suplimentare compactate. De exemplu, într-un caz simplificat în care sunt pliate într-o formă de gogoașă, numită tor de către matematicieni și fizicieni, o sfoară poate înfășura această formă în două moduri:
- buclă scurtă prin mijlocul torusului;
- o buclă lungă în jurul întregii circumferințe exterioare a torusului.
O buclă scurtă va fi o particulă ușoară, iar o buclă mare va fi una grea. Înfășurarea șirurilor în jurul dimensiunilor compactate toroidale produce elemente noi cu mase diferite.
Teoria superstringurilor explică în mod concis și clar, simplu și elegant trecerea lungimii în masă. Dimensiunile pliate aici sunt mult mai complicate decât torul, dar în principiu funcționează la fel.
Este chiar posibil, deși greu de imaginat, ca șirul să se înfășoare în jurul torusului în două direcții în același timp, rezultând o particulă diferită cu o masă diferită. Branele pot, de asemenea, să împacheteze dimensiuni suplimentare, creând și mai multe posibilități.
Determinarea spațiului și timpului
În multe versiuni ale teoriei superstringurilor, dimensiunile se prăbușesc, făcându-le inobservabile la nivelul actual de dezvoltare a tehnologiei.
În prezent, nu este clar dacă teoria corzilor poate explica natura fundamentală a spațiului și a timpuluimai mult decât a făcut-o Einstein. În ea, măsurătorile reprezintă fundalul interacțiunii șirurilor și nu au un sens real independent.
Au fost oferite explicații, care nu sunt complet dezvoltate, cu privire la reprezentarea spațiu-timpului ca derivat al sumei totale a tuturor interacțiunilor șirurilor.
Această abordare nu corespunde ideilor unor fizicieni, ceea ce a dus la critica ipotezei. Teoria competitivă a gravitației cuantice în buclă folosește cuantizarea spațiului și timpului ca punct de plecare. Unii cred că va ajunge să fie doar o abordare diferită a aceleiași ipoteze de bază.
Cuantificarea gravitației
Principala realizare a acestei ipoteze, dacă se va confirma, va fi teoria cuantică a gravitației. Descrierea actuală a gravitației în relativitatea generală este incompatibilă cu fizica cuantică. Acesta din urmă, prin impunerea de restricții asupra comportamentului particulelor mici, duce la contradicții atunci când se încearcă explorarea Universului la scară extrem de mică.
Unificarea forțelor
În prezent, fizicienii cunosc patru forțe fundamentale: gravitația, electromagnetice, interacțiuni nucleare slabe și puternice. Din teoria corzilor rezultă că toate au fost odată manifestări ale unuia.
Conform acestei ipoteze, deoarece universul timpuriu s-a răcit după Big Bang, această interacțiune unică a început să se despartă în diferite care sunt active astăzi.
Experimentele de în altă energie ne vor permite într-o zi să descoperim unificarea acestor forțe, deși astfel de experimente depășesc cu mult dezvoltarea actuală a tehnologiei.
Cinci opțiuni
După revoluția superstringurilor din 1984, dezvoltarea a fost realizată într-un ritm febril. Drept urmare, în loc de un singur concept, au existat cinci, numite tipuri I, IIA, IIB, HO, HE, fiecare dintre ele descriind aproape complet lumea noastră, dar nu complet.
Fizicienii, sortând prin versiuni ale teoriei corzilor în speranța de a găsi o formulă universală adevărată, au creat 5 versiuni diferite autosuficiente. Unele dintre proprietățile lor reflectau realitatea fizică a lumii, altele nu corespundeau realității.
Teoria M
La o conferință din 1995, fizicianul Edward Witten a propus o soluție îndrăzneață la problema celor cinci ipoteze. Pe baza dualității recent descoperite, toate au devenit cazuri speciale ale unui singur concept general, numit teoria M a superstringurilor a lui Witten. Unul dintre conceptele sale cheie a fost branele (prescurtare de la membrană), obiecte fundamentale cu mai mult de o dimensiune. Deși autorul nu a oferit o versiune completă, care nu este încă disponibilă, teoria M a superstringurilor constă pe scurt din următoarele caracteristici:
- 11 dimensiuni (10 dimensiuni spațiale plus 1 dimensiune temporală);
- dualitate care duc la cinci teorii care explică aceeași realitate fizică;
- branele sunt șiruri cu mai mult de o dimensiune.
Consecințe
Ca urmare, în loc de una, au existat 10500 soluții. Pentru unii fizicieni, acest lucru a provocat o criză, în timp ce alții au acceptat principiul antropic, care explică proprietățile universului prin prezența noastră în el. Rămâne de văzut când teoreticienii vor găsi altulmodul de orientare în teoria superstringurilor.
Unele interpretări sugerează că lumea noastră nu este singura. Cele mai radicale versiuni permit existența unui număr infinit de universuri, dintre care unele conțin copii exacte ale noastre.
Teoria lui Einstein prezice existența unui spațiu încolăcit, care se numește o gaură de vierme sau un pod Einstein-Rosen. În acest caz, două locuri îndepărtate sunt conectate printr-un pasaj scurt. Teoria superstringurilor permite nu numai acest lucru, ci și conectarea punctelor îndepărtate ale lumilor paralele. Este chiar posibilă tranziția între universuri cu legi diferite ale fizicii. Cu toate acestea, este probabil ca teoria cuantică a gravitației să facă imposibilă existența lor.
Mulți fizicieni cred că principiul holografic, atunci când toate informațiile conținute în volumul spațiului corespund informațiilor înregistrate pe suprafața acestuia, va permite o înțelegere mai profundă a conceptului de fire energetice.
Unii cred că teoria superstringurilor permite dimensiuni multiple ale timpului, ceea ce ar putea duce la călătoria prin ele.
În plus, în cadrul ipotezei, există o alternativă la modelul big bang, conform căreia universul nostru a apărut ca urmare a unei coliziuni a două brane și trece prin cicluri repetate de creație și distrugere.
Soarta supremă a universului i-a ocupat întotdeauna pe fizicieni, iar versiunea finală a teoriei corzilor va ajuta la determinarea densității materiei și a constantei cosmologice. Cunoscând aceste valori, cosmologii pot determina dacă universul o va facemicșorați până explodează pentru a începe totul de la capăt.
Nimeni nu știe unde poate duce o teorie științifică până când nu este dezvoltată și testată. Einstein, scriind ecuația E=mc2, nu se aștepta ca aceasta să ducă la apariția armelor nucleare. Creatorii fizicii cuantice nu știau că aceasta va deveni baza pentru crearea unui laser și a unui tranzistor. Și, deși nu se știe încă la ce va duce un astfel de concept pur teoretic, istoria arată că cu siguranță se va întâmpla ceva extraordinar.
Pentru mai multe despre această presupunere, consultați Teoria superstringurilor pentru manechin a lui Andrew Zimmerman.
