Superstrengteori, på populært språk, representerer universet som en samling av vibrerende energistrenger. De er grunnlaget for naturen. Hypotesen beskriver også andre elementer - braner. All materie i vår verden består av vibrasjoner av strenger og braner. En naturlig konsekvens av teorien er beskrivelsen av tyngdekraften. Det er grunnen til at forskerne mener at den har nøkkelen til å forene tyngdekraften med andre krefter.
konsept i utvikling
Den enhetlige feltteorien, superstrengteorien, er rent matematisk. Som alle fysiske konsepter er det basert på ligninger som kan tolkes på bestemte måter.
I dag vet ingen nøyaktig hva den endelige versjonen av denne teorien blir. Forskere har en ganske vag idé om dens generelle elementer, men ingen har ennå kommet opp med en definitiv ligning som vil dekke alle superstrengteorier, og eksperimentelt har den ennå ikke vært i stand til å bekrefte det (selv om det ikke er for å motbevise det heller). Fysikere har laget forenklede versjoner av ligningen, men så langt beskriver den ikke helt universet vårt.
Superstring Theory for Beginners
Hypotesen er basert på fem nøkkelideer.
- Superstrengteori forutsier at alle objekter i vår verden består av vibrerende filamenter og membraner av energi.
- Hun prøver å kombinere generell relativitet (tyngdekraft) med kvantefysikk.
- Superstrengteori vil forene alle de grunnleggende kreftene i universet.
- Denne hypotesen forutsier en ny sammenheng, supersymmetri, mellom to fundament alt forskjellige typer partikler, bosoner og fermioner.
- Konseptet beskriver en rekke ekstra, vanligvis uobserverbare dimensjoner av universet.
Strenger og braner
Da teorien dukket opp på 1970-tallet, ble energitrådene i den betraktet som 1-dimensjonale objekter - strenger. Ordet "endimensjonal" betyr at strengen kun har 1 dimensjon, lengden, i motsetning til for eksempel en firkant, som har både en lengde og en høyde.
Teorien deler disse superstrengene inn i to typer - lukket og åpen. En åpen streng har ender som ikke berører hverandre, mens en lukket streng er en løkke uten åpne ender. Som et resultat ble det funnet at disse strengene, k alt strenger av den første typen, er gjenstand for 5 hovedtyper av interaksjoner.
Interaksjoner er basert på evnen til en streng til å koble sammen og skille endene. Siden endene på åpne strenger kan kombineres for å danne lukkede strenger, er det umulig å konstruere en superstrengteori som ikke inkluderer løkkede strenger.
Dette viste seg å være viktig, ettersom lukkede strenger har egenskaper, mener fysikere, som kan beskrive tyngdekraften. Med andre ord, forskereinnså at superstrengteori, i stedet for å forklare materiepartiklene, kan beskrive deres oppførsel og tyngdekraft.
Etter mange år ble det oppdaget at i tillegg til strenger, er andre elementer nødvendige for teorien. De kan tenkes på som ark eller braner. Strenger kan festes til én side eller begge sider.
Quantum gravity
Moderne fysikk har to vitenskapelige hovedlover: generell relativitet (GR) og kvante. De representerer helt forskjellige vitenskapsfelt. Kvantefysikk studerer de minste naturlige partiklene, og GR beskriver som regel naturen på skalaen til planeter, galakser og universet som helhet. Hypotesene som forsøker å forene dem kalles kvantegravitasjonsteorier. Den mest lovende av dem i dag er strengen.
Lukket tråder tilsvarer tyngdekraftens oppførsel. Spesielt har de egenskapene til en graviton, en partikkel som bærer tyngdekraften mellom objekter.
Joining Forces
Strengteori prøver å kombinere de fire kreftene - elektromagnetiske, sterke og svake kjernekrefter og tyngdekraften - til én. I vår verden manifesterer de seg som fire forskjellige fenomener, men strengteoretikere mener at i det tidlige universet, da det var utrolig høye nivåer av energi, er alle disse kreftene beskrevet av strenger som interagerer med hverandre.
Supersymmetri
Alle partikler i universet kan deles inn i to typer: bosoner og fermioner. Strengteorispår at det er et forhold mellom dem, k alt supersymmetri. I supersymmetri må det være en fermion for hver boson og en boson for hver fermion. Dessverre har ikke eksistensen av slike partikler blitt bekreftet eksperimentelt.
Supersymmetri er et matematisk forhold mellom elementer i fysiske ligninger. Den ble oppdaget i et annet område av fysikk, og bruken av den førte til omdøping av supersymmetrisk strengteori (eller superstrengteori, på populært språk) på midten av 1970-tallet.
En av fordelene med supersymmetri er at den i stor grad forenkler ligninger ved å tillate at noen variabler elimineres. Uten supersymmetri fører likningene til fysiske motsetninger som uendelige verdier og imaginære energinivåer.
Fordi forskere ikke har observert partiklene spådd av supersymmetri, er det fortsatt en hypotese. Mange fysikere tror at årsaken til dette er behovet for en betydelig mengde energi, som er relatert til masse ved den berømte Einstein-ligningen E=mc2. Disse partiklene kunne ha eksistert i det tidlige universet, men etter hvert som det ble avkjølt og energi spredte seg etter Big Bang, flyttet disse partiklene til lave energinivåer.
Med andre ord, strengene som vibrerte som høyenergipartikler mistet energien, og gjorde dem om til lavere vibrasjonselementer.
Forskere håper at astronomiske observasjoner eller eksperimenter med partikkelakseleratorer vil bekrefte teorien ved å avsløre noen av de supersymmetriske elementene med en høyereenergi.
Ytterligere mål
En annen matematisk konsekvens av strengteori er at den gir mening i en verden med mer enn tre dimensjoner. Det er for øyeblikket to forklaringer på dette:
- De ekstra dimensjonene (seks av dem) har kollapset, eller, i strengteoretisk terminologi, komprimert til utrolig små størrelser som aldri vil bli oppfattet.
- Vi sitter fast i 3D-branen, og de andre dimensjonene strekker seg utover den og er utilgjengelige for oss.
En viktig forskningslinje blant teoretikere er den matematiske modelleringen av hvordan disse ekstra koordinatene kan være relatert til våre. De siste resultatene spår at forskere snart vil kunne oppdage disse ekstra dimensjonene (hvis de eksisterer) i kommende eksperimenter, siden de kan være større enn tidligere forventet.
Forstå formålet
Målet som forskere streber etter når de utforsker superstrenger er en "teori om alt", det vil si en enkelt fysisk hypotese som beskriver hele den fysiske virkeligheten på et grunnleggende nivå. Hvis det lykkes, kan det avklare mange spørsmål om strukturen til universet vårt.
Forklaring av materie og masse
En av hovedoppgavene til moderne forskning er å finne løsninger for ekte partikler.
Strengteori begynte som et konsept som beskrev partikler som hadroner i forskjellige høyere vibrasjonstilstander av en streng. I de fleste moderne formuleringer er saken observert i våruniverset, er resultatet av vibrasjoner av strenger og braner med lavest energi. Høyere vibrasjoner genererer høyenergipartikler som for øyeblikket ikke eksisterer i vår verden.
Massen til disse elementærpartiklene er en manifestasjon av hvordan strenger og braner er pakket inn i komprimerte ekstra dimensjoner. For eksempel, i et forenklet tilfelle der de er brettet til en smultringform, k alt en torus av matematikere og fysikere, kan en streng pakke denne formen på to måter:
- kort sløyfe gjennom midten av torusen;
- en lang sløyfe rundt hele den ytre omkretsen av torusen.
En kort sløyfe vil være en lett partikkel, og en stor sløyfe vil være tung. Vikle strenger rundt ringformede kompakterte dimensjoner produserer nye elementer med forskjellige masser.
Superstrengteori forklarer kortfattet og tydelig, enkelt og elegant overgangen av lengde til masse. De brettede dimensjonene her er mye mer kompliserte enn torusen, men i prinsippet fungerer de på samme måte.
Det er til og med mulig, men vanskelig å forestille seg, at strengen vikler seg rundt torusen i to retninger samtidig, noe som resulterer i en annen partikkel med en annen masse. Branes kan også pakke inn ekstra dimensjoner, og skape enda flere muligheter.
Bestemme plass og tid
I mange versjoner av superstrengteori kollapser dimensjonene, noe som gjør dem uobserverbare på det nåværende nivået av teknologiutvikling.
Foreløpig er det ikke klart om strengteori kan forklare den grunnleggende naturen til rom og tidmer enn Einstein gjorde. I den er målinger bakgrunnen for samspillet mellom strenger og har ingen uavhengig reell betydning.
Forklaringer har blitt tilbudt, ikke fullt utviklet, angående representasjonen av rom-tid som en derivert av den totale summen av alle strenginteraksjoner.
Denne tilnærmingen oppfyller ikke ideene til enkelte fysikere, noe som førte til kritikk av hypotesen. Den konkurrerende teorien om løkkekvantetyngdekraften bruker kvantiseringen av rom og tid som utgangspunkt. Noen tror det vil ende opp som bare en annen tilnærming til den samme grunnleggende hypotesen.
kvantisering av gravitasjon
Den viktigste prestasjonen til denne hypotesen, hvis den bekreftes, vil være kvanteteorien om tyngdekraften. Den nåværende beskrivelsen av gravitasjon i generell relativitet er inkonsistent med kvantefysikk. Sistnevnte, ved å pålegge restriksjoner på oppførselen til små partikler, fører til motsetninger når man prøver å utforske universet i ekstremt liten skala.
Forening av styrkene
For tiden kjenner fysikere fire grunnleggende krefter: tyngdekraft, elektromagnetisk, svak og sterk kjernefysisk interaksjon. Det følger av strengteori at de alle en gang var manifestasjoner av én.
I følge denne hypotesen, siden det tidlige universet ble avkjølt etter big bang, begynte denne enkeltinteraksjonen å bryte opp i forskjellige som er aktive i dag.
Høyenergieksperimenter vil en dag tillate oss å oppdage foreningen av disse kreftene, selv om slike eksperimenter er langt utenfor dagens teknologiske utvikling.
Fem valg
Etter superstrengrevolusjonen i 1984 ble utviklingen gjennomført i et febrilsk tempo. Som et resultat, i stedet for ett konsept, var det fem navngitte typer I, IIA, IIB, HO, HE, som hver nesten fullstendig beskrev vår verden, men ikke fullstendig.
Fysikere, som sorterer gjennom versjoner av strengteori i håp om å finne en universell sann formel, har laget 5 forskjellige selvforsynte versjoner. Noen av egenskapene deres reflekterte den fysiske virkeligheten i verden, andre samsvarte ikke med virkeligheten.
M-teori
På en konferanse i 1995 foreslo fysiker Edward Witten en dristig løsning på problemet med fem hypoteser. Basert på den nyoppdagede dualiteten ble de alle spesi altilfeller av et enkelt overordnet konsept, k alt Wittens M-teori om superstrenger. Et av nøkkelbegrepene var branes (forkortelse for membran), grunnleggende objekter med mer enn 1 dimensjon. Selv om forfatteren ikke tilbød en fullversjon, som ennå ikke er tilgjengelig, består M-teorien for superstrenger kort av følgende funksjoner:
- 11-dimensjon (10 romlig pluss 1 tidsdimensjon);
- dualiteter som fører til fem teorier som forklarer den samme fysiske virkeligheten;
- braner er strenger med mer enn én dimensjon.
Konsekvenser
Som et resultat, i stedet for én, var det 10500 løsninger. For noen fysikere forårsaket dette en krise, mens andre aksepterte det antropiske prinsippet, som forklarer universets egenskaper ved vår tilstedeværelse i det. Det gjenstår å se når teoretikere finner en annenorienteringsmåte i superstrengteori.
Noen tolkninger tyder på at vår verden ikke er den eneste. De mest radikale versjonene tillater eksistensen av et uendelig antall universer, hvorav noen inneholder nøyaktige kopier av våre egne.
Einsteins teori forutsier eksistensen av et oppviklet rom, som kalles et ormehull eller en Einstein-Rosen-bro. I dette tilfellet er to fjerne steder forbundet med en kort passasje. Superstrengteori tillater ikke bare dette, men også koblingen av fjerne punkter i parallelle verdener. Det er til og med mulig å gå mellom universer med ulike fysikklover. Imidlertid er det sannsynlig at kvanteteorien om gravitasjon vil gjøre deres eksistens umulig.
Mange fysikere tror at det holografiske prinsippet, når all informasjonen i volumet av rommet tilsvarer informasjonen registrert på overflaten, vil tillate en dypere forståelse av konseptet energitråder.
Noen mener at superstrengteori tillater flere tidsdimensjoner, noe som kan resultere i reise gjennom dem.
I tillegg, innenfor rammen av hypotesen, er det et alternativ til big bang-modellen, ifølge hvilken universet vårt dukket opp som et resultat av en kollisjon av to braner og går gjennom gjentatte sykluser av skapelse og ødeleggelse.
Universets ultimate skjebne har alltid opptatt fysikere, og den endelige versjonen av strengteori vil bidra til å bestemme tettheten til materie og den kosmologiske konstanten. Ved å kjenne disse verdiene, kan kosmologer avgjøre om universet vilkrympe til den eksploderer for å starte den på nytt.
Ingen vet hvor en vitenskapelig teori kan føre før den er utviklet og testet. Einstein, som skrev ligningen E=mc2, forventet ikke at det ville føre til at det dukket opp atomvåpen. Skaperne av kvantefysikk visste ikke at det ville bli grunnlaget for å lage en laser og en transistor. Og selv om det ennå ikke er kjent hva et slikt rent teoretisk konsept vil føre til, viser historien at noe enestående helt sikkert vil vise seg.
For mer om denne formodningen, se Andrew Zimmermans Superstring Theory for Dummies.
