Co to są superstruny?

Superstruny, czyli teoria superstrun, to ekscytująca dziedzina fizyki zwana czasem Teorią Wszystko . Wielu uważa, że ​​jest to nieuchwytne jednoczące wyjaśnienie, którego szukał Einstein, które mogłoby wyjaśnić wszystkie znane siły we wszechświecie.

Dopóki nie pojawiły się superstruny, naukowcy mieli dwie przeciwstawne teorie dotyczące zachowania praw przyrody: ogólną teorię względności Einsteina i mechanikę kwantową.

Ogólna teoria względności wyjaśnia świat, jaki znamy na dość masową skalę. Opisuje czasoprzestrzeń jako tkaninę wypaczoną przez masę uwzględniającą układy orbitalne, galaktyki i siłę grawitacji. Ale te prawa rozpadają się na poziomie kwantowym, gdzie cząsteczki subatomowej nie można zmierzyć pod względem jej dokładnej pozycji w przestrzeni w danym czasie. Jest równie prawdopodobne, że cofnie się w czasie, podobnie jak w przód, i może nawet wydawać się znajdować w dwóch miejscach jednocześnie. Świat nieskończenie małego jest tak dziwaczny, że naukowcy wymyślili termin „dziwność kwantowa”, aby go opisać.

Problemem dla fizyków było wymyślenie teorii, która połączyłaby świat, który znamy ze światem kwantowym. Jedno wytłumaczenie dla wszystkich czterech znanych sił: grawitacji, silnych i słabych sił jądrowych i elektromagnetyzmu. Superstring może być taką odpowiedzią.

Dzięki równaniom matematycznym stało się oczywiste, że sposób, w jaki wcześniej uważaliśmy cząstki za „punkty” lub „małe kule” energii, był niedokładny. Te małe kawałki materii zachowywały się bardziej jak poruszające się, wibrujące struny . Struny są tak małe, że Brian Greene, fizyk i zwolennik, wyjaśnia, że ​​gdyby pojedynczy atom był wielkości naszego Układu Słonecznego, łańcuch byłby wielkości drzewa. Jednak struny tworzą całą materię od poziomu kwantowego w górę.

Sposób, w jaki struny wibrują, określa szczególne właściwości każdej cząstki, porównując wszechświat do kosmicznej symfonii superstrun. Aby jednak pozbyć się teorii anomalii matematycznych, konieczne było sześć dodatkowych wymiarów. Sześć dodatkowych wymiarów tworzy małe, zwinięte kształty 6-D w każdym punkcie naszej przestrzeni. Wewnątrz tych kształtów 6-D znajdują się struny teorii superstrun. Sześć dodatkowych wymiarów plus nasze trzy oznaczały, że było naprawdę 9 wymiarów. Dodaj jeszcze jeden na czas , a w sumie było 10 wymiarów. Choć było to zaskakujące, to nie był koniec.

W 1995 r. Różne teorie superstrun przedstawiły zagadkę, dopóki teoria M nie połączyła ich. Jedyny haczyk? Teoria M wymagała matematycznie 11 wymiaru. To pokazało nowy obraz strun, przy których przy dostatecznej ilości energii struna mogłaby się rozciągnąć, aby stać się niezwykle dużą pływającą membraną, zwaną w skrócie brane . Gałęzie mogą mieć różne właściwości wymiarowe i rosnąć tak duże jak wszechświat. W rzeczywistości, zgodnie z teorią, cały nasz wszechświat istnieje na pływającej brane - tylko jednej z kilku pływających bran, z których każda obsługuje własny równoległy wszechświat. Każde brane reprezentuje jeden plasterek o większej przestrzeni wymiarowej lub objętości .

Chociaż model standardowy z lat 70. zjednoczył już trzy z czterech sił w ujednoliconej teorii, grawitacji nie można było pogodzić z trzema siłami kwantowymi. Ale przełom w superstrunach obejmował nieuchwytną siłę grawitacji, szepczącą Świętego Graala fizyki. Jeśli bezmasowa hipotetyczna cząstka odpowiedzialna za przenoszenie grawitacji - grawiton - istnieje na poziomie kwantowym jako zamknięty ciąg , to stanowiłoby to bezpośrednie powiązanie grawitacyjne z teorią superstrun.

Teoria przewiduje, że łańcuchy mogą być otwarte lub zamknięte. Otwarte sznurki lub sznurki, które przypominają małe poruszające się włosy, mają co najmniej jeden punkt końcowy „przymocowany” do membrany, tak jak wózek wózkowy jest przymocowany za pomocą górnego kabla do linii elektrycznej. Sznurki mogą przemieszczać się przez brane, ale nie mogą go opuścić, wyjaśniając, dlaczego nie możemy fizycznie widzieć poza naszym wymiarem lub wychodzić poza ten wymiar. Atomy tworzące nasze ciała składają się z otwartych łańcuchów, które przymocowały punkty końcowe do naszej błony 3D. Innym sposobem na to jest rozważenie ekranu filmu. Ludzie na ekranie wydają się trójwymiarowi, ale tak naprawdę nie mogą dosięgnąć ekranu w naszym trójwymiarowym świecie. Utknęli w swoim świecie 2D, podobnie jak my utknęliśmy w naszym świecie 3D i nie możemy sięgnąć do sąsiednich wymiarów. Naukowcy nazywają to stopniami swobody .

Ale grawiton jest inny. Jako zamknięty ciąg lub pętla bez dołączonych punktów końcowych wysunięto teorię, że może on być w stanie uciec z naszej trójwymiarowej brany i przeniknąć do innych wymiarów. To by wyjaśniało, dlaczego grawitacja jest wielokrotnie słabsza niż inne siły.

A gdyby tak było odwrotnie ? Co jeśli grawitacja na równoległej brane jest tak silna jak inne siły, ale jest tutaj słabsza, ponieważ przecieka tylko do naszego wymiaru? Matematycznie teoria superstrun znów działała pięknie i ostatecznie przedstawiła wiarygodne wyjaśnienie słabości grawitacji, jednocząc ją z pozostałymi trzema siłami.

Pozostała tylko jedna przeszkoda: teoria jednocząca powinna być w stanie wyjaśnić Wielki Wybuch. Czterech fizyków podróżujących razem pociągiem od niechcenia poruszyło ten temat. Jeden z nich zadał pytanie: Co by się stało, gdyby zderzyły się dwa brany? Prawdopodobną matematyczną odpowiedzią okazał się Wielki Wybuch.

Krytycy teorii superstrun wskazują na brak dowodów i trudność w ich dostarczeniu. Czy to tylko piękna konstrukcja matematyczna? Filozofia? Czy prawdziwe wyjaśnienie naszego świata? Żadna inna teoria nie zbliżyła się do matematycznego ujednolicenia wszystkich czterech sił, a tym bardziej wyjaśnienia Wielkiego Wybuchu. Ale udowodnienie, że istnieją inne wymiary - pływające brany i równoległe wszechświaty - było głównym punktem spornym.

Niemniej jednak wierzący w elegancką teorię chętnie ją sprawdzą, a naukowcy odkryli, że może istnieć możliwy do zaobserwowania dowód na astronomicznie duże sznurki. Tak więc teoria superstrun wciąż zyskuje na popularności. Ostatecznie, jeśli odniesie sukces, od 11 wymiarów do równoległych wszechświatów, od wirujących galaktyk po kwantową zupę, superstruny mogą po prostu naprawdę być Teorią Wszystko .