Dzisiaj naukowy obraz świata kształtuje się w taki sposób, że naszym wszechświatem rządzą dwa zbiory praw - ogólna teoria względności, która wyjaśnia cudowną pracę grawitacji, oraz mechanika kwantowa, która opisuje pozostałe trzy interakcje wszechświata (silne jądro, słabe jądro i elektromagnetyzm). Możesz wziąć te prawa i zastosować je do rzeczy na dużą skalę - planet, galaktyk, a następnie do najmniejszych skal - protonów i neutronów. Ale dlaczego natura stworzyła dwa oddzielne zbiory praw dla wszechświata?
Teoria superstrun jest próbą odpowiedzi na dwa pytania: Czy istnieje sposób na połączenie ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej w celu stworzenia „teorii wszystkiego”? Z czego to wszystko się składa?
Teoria superstrun
Kiedyś myśleliśmy, że budulcem życia są atomy, najmniejsze składniki materii. Ale potem trafiliśmy w atomy i znaleźliśmy cząstki elementarne, tak małe, że nie możemy ich nawet zobaczyć bez zmiany w określony sposób. Aby coś zobaczyć, musimy najpierw odbić światło od obiektu i uderzyć w oczy, tworząc obraz. Światło składa się z fal elektromagnetycznych, które swobodnie przechodzą przez cząstki elementarne. Możemy zagęścić te fale, dodać im energii, aby uderzały w cząstki i możemy je zobaczyć, ale gdy tylko coś uderza w cząsteczkę, zmienia się, więc nie możemy zobaczyć jej w pierwotnym stanie. Nie mamy pojęcia, jak wyglądają cząstki elementarne. Podobnie jak ciemna energia, ciemna materia, nie możemy bezpośrednio obserwować tych zjawisk, ale mamy powody, by wierzyćże istnieją.
Uważamy te cząstki za punkty w przestrzeni, chociaż w rzeczywistości tak nie jest. Pomimo wszystkich swoich wad metoda ta - idea mechaniki kwantowej, zgodnie z którą siły przenoszone są przez cząstki - daje nam całkiem dobre wyobrażenie o wszechświecie i prowadzi do przełomów, takich jak kwantowe rozpuszczalniki i pociągi lewitacji magnetycznej. Sama ogólna teoria względności również przeszła dobrą próbę czasu, wyjaśniając gwiazdy neutronowe i anomalie orbitalne Merkurego, przewidując czarne dziury i zakrzywione światło. Ale równania ogólnej teorii względności niestety przestają działać w centrum czarnej dziury iw przededniu Wielkiego Wybuchu. Problem w tym, że nie da się ich połączyć, bo grawitacja kojarzy się z geometrią przestrzeni i czasu, kiedy odległości są dokładnie mierzone, ale w świecie kwantowym nie da się niczego zmierzyć.
Kiedy naukowcy próbowali wynaleźć nową cząstkę, która połączyłaby grawitację z mechaniką kwantową, ich matematyka po prostu zawiodła.
W pewnym sensie musiałem wrócić do tablicy. Dlatego naukowcy zasugerowali, że najmniejszymi składnikami wszechświata nie są kropki, ale struny. Różne wibracje strun tworzą różne cząstki elementarne, takie jak kwarki. Wibrujące struny mogą tworzyć całą materię i wszystkie cztery siły we wszechświecie - w tym grawitację.
Film promocyjny:
Wyższe wymiary
Teoria superstrun ma problem. Nie zadziała, jeśli założymy, że istnieją tylko trzy wymiary przestrzenne i jeden wymiar czasowy, w którym żyjemy. Teoria strun wymaga gry na co najmniej dziesięciu wymiarach.
Kiedy po raz pierwszy powstał GR, grawitacja zniekształciła przestrzeń i czas, opisując tę siłę. Dlatego gdyby ktoś chciał opisać inną siłę, jak np. Elektromagnetyzm, musiałby dodać nowy wymiar. Naukowcy napisali równania opisujące krzywe i defekty Wszechświata z dodatkowym wymiarem i uzyskali oryginalne równanie elektromagnetyzmu. Niesamowite odkrycie.
Dodatkowe wymiary teorii strun mogą pomóc nam wyjaśnić, dlaczego liczby w naszym wszechświecie są tak skalibrowane, że pozwalają wszystkim istnieć. Na przykład, dlaczego prędkość światła wynosi 299 792 458 metrów na sekundę? Próbują też odpowiedzieć na pytanie o grawitację - dlaczego ta siła jest tak słaba? Jest to najsłabsze z czterech podstawowych oddziaływań: 1040 razy słabsze niż siła elektromagnetyczna. Wystarczy pochylić się i podnieść książkę z podłogi, aby się jej oprzeć. W teorii dzieje się tak, ponieważ grawitacja przenika do wyższych wymiarów. Grawitacja składa się z zamkniętych pętli, które pozwalają jej opuścić nasz wymiar, w przeciwieństwie do pasm otwartych, które są lepiej uziemione.
Dlaczego nie możemy zobaczyć wszystkich tych wymiarów?
Ponieważ istnieją na tak małym poziomie, że są dla nas niewidoczne i nie dają się wykryć. Są kompaktowe, wyposażone w taki sposób, że odwzorowują fizykę naszego świata, składając się w ciekawe kształty Calabi-Yau. Różne formy Calabi Yau pozwalają na różne wibracje strun i bardzo różne wszechświaty.
Możemy nawet przetestować rzekomo wiele wszechświatów. Ponieważ zakładamy, że grawitacja przenika do wyższych wymiarów, po zderzeniu dwóch cząstek powinno być mniej czasu niż przed zderzeniem. Ale nawet w najbardziej sprzyjających warunkach testowanie czegoś takiego byłoby niesamowicie trudne, nieuchwytne.
Obliczenia teorii strun są wykonywane w symulowanych wszechświatach o 10 lub 11 wymiarach, w których działa matematyka. Naukowcy próbują następnie usunąć dodatkowe wymiary, ale jak dotąd nikomu nie udało się opisać naszego wszechświata ani opracować eksperymentu, aby udowodnić teorię. Nie oznacza to jednak, że nie mamy zastosowań teorii strun.
Narzędzie matematyczne opracowywane w ramach badań teorii strun pomaga nam zrozumieć części naszego wszechświata. Możemy go użyć do lepszego wyjaśnienia paradoksu informacyjnego, grawitacji kwantowej i niektórych problemów czystej matematyki. Niektórzy naukowcy wykorzystują tę teorię do obliczeń w fizyce cząstek elementarnych lub podczas obserwacji egzotycznych stanów materii.
Teoria strun może nie jest teorią wszystkiego, ale przynajmniej jest teorią czegoś.
Ilya Khel