Teorija superstruna, popularnim jezikom, predstavlja svemir kao skup vibrirajućih niti energije - struna. Oni su temelj prirode. Hipoteza opisuje i druge elemente - brane. Sva materija u našem svijetu sastoji se od vibracija struna i brana. Prirodna posljedica teorije je opis gravitacije. Zato znanstvenici vjeruju da on drži ključ za ujedinjenje gravitacije s drugim silama.
Koncept se razvija
Ujedinjena teorija polja, teorija superstruna, je čisto matematička. Kao i svi fizički koncepti, temelji se na jednadžbama koje se mogu tumačiti na određene načine.
Danas nitko ne zna točno koja će biti konačna verzija ove teorije. Znanstvenici imaju prilično nejasnu predodžbu o njegovim općim elementima, ali još nitko nije došao do konačne jednadžbe koja bi obuhvatila sve teorije superstruna, a eksperimentalno je još nije uspjela potvrditi (iako ne i opovrgnuti). Fizičari su stvorili pojednostavljene verzije jednadžbe, ali ona do sada ne opisuje baš naš svemir.
Teorija superstruna za početnike
Hipoteza se temelji na pet ključnih ideja.
- Teorija superstruna predviđa da su svi objekti u našem svijetu sastavljeni od vibrirajućih vlakana i energetskih membrana.
- Ona pokušava kombinirati opću relativnost (gravitaciju) s kvantnom fizikom.
- Teorija superstruna ujedinit će sve temeljne sile svemira.
- Ova hipoteza predviđa novu vezu, supersimetriju, između dvije fundamentalno različite vrste čestica, bozona i fermiona.
- Koncept opisuje niz dodatnih, obično neuočljivih dimenzija svemira.
Strings and branes
Kada se teorija pojavila 1970-ih, niti energije u njoj smatrani su jednodimenzionalnim objektima - strunama. Riječ "jednodimenzionalan" znači da niz ima samo jednu dimenziju, duljinu, za razliku od, na primjer, kvadrata, koji ima i duljinu i visinu.
Teorija dijeli ove superstrune u dvije vrste - zatvorene i otvorene. Otvoreni niz ima krajeve koji se međusobno ne dodiruju, dok je zatvoreni niz petlja bez otvorenih krajeva. Kao rezultat toga, ustanovljeno je da su ovi nizovi, nazvani stringovi prve vrste, podložni 5 glavnih vrsta interakcija.
Interakcije se temelje na sposobnosti niza da poveže i odvoji svoje krajeve. Budući da se krajevi otvorenih struna mogu kombinirati u zatvorene nizove, nemoguće je konstruirati teoriju superstruna koja ne uključuje petlje.
Ovo se pokazalo važnim, budući da zatvorene žice imaju svojstva, vjeruju fizičari, koja mogu opisati gravitaciju. Drugim riječima, znanstvenicishvatio da teorija superstruna, umjesto da objašnjava čestice materije, može opisati njihovo ponašanje i gravitaciju.
Nakon mnogo godina, otkriveno je da su, osim struna, za teoriju nužni i drugi elementi. Mogu se smatrati plahtama ili branama. Konce se mogu pričvrstiti na jednu ili obje strane.
Kvantna gravitacija
Moderna fizika ima dva glavna znanstvena zakona: opću relativnost (GR) i kvantni. Oni predstavljaju potpuno različita područja znanosti. Kvantna fizika proučava najmanje prirodne čestice, a GR, u pravilu, opisuje prirodu na ljestvici planeta, galaksija i svemira u cjelini. Hipoteze koje ih pokušavaju ujediniti nazivaju se kvantnim teorijama gravitacije. Najperspektivniji od njih danas je niz.
Zatvorene niti odgovaraju ponašanju gravitacije. Konkretno, imaju svojstva gravitona, čestice koja nosi gravitaciju između objekata.
Udruživanje snaga
Teorija struna pokušava spojiti četiri sile - elektromagnetske, jake i slabe nuklearne sile i gravitaciju - u jednu. U našem se svijetu manifestiraju kao četiri različita fenomena, ali teoretičari struna vjeruju da su u ranom svemiru, kada su postojale nevjerojatno visoke razine energije, sve te sile opisane strunama koje međusobno djeluju.
Supersimetrija
Sve čestice u svemiru mogu se podijeliti u dvije vrste: bozone i fermione. Teorija strunapredviđa da između njih postoji odnos, nazvan supersimetrija. U supersimetriji mora postojati fermion za svaki bozon i bozon za svaki fermion. Nažalost, postojanje takvih čestica nije eksperimentalno potvrđeno.
Supersimetrija je matematički odnos između elemenata fizičkih jednadžbi. Otkriven je u drugom području fizike, a njegova primjena dovela je do preimenovanja supersimetrične teorije struna (ili teorije superstruna, u narodnom govoru) sredinom 1970-ih.
Jedna od prednosti supersimetrije je da uvelike pojednostavljuje jednadžbe dopuštajući da se neke varijable eliminiraju. Bez supersimetrije, jednadžbe dovode do fizičkih kontradikcija kao što su beskonačne vrijednosti i imaginarne razine energije.
Budući da znanstvenici nisu promatrali čestice predviđene supersimetrijom, to je još uvijek hipoteza. Mnogi fizičari vjeruju da je razlog tome potreba za značajnom količinom energije, koja je povezana s masom poznatom Einsteinovom jednadžbom E=mc2. Te su čestice mogle postojati u ranom svemiru, ali kako se hladio i širila energija nakon Velikog praska, te su se čestice pomaknule na niske energetske razine.
Drugim riječima, žice koje su vibrirale kao čestice visoke energije izgubile su energiju, pretvarajući ih u elemente niže vibracije.
Znanstvenici se nadaju da će astronomska promatranja ili eksperimenti s akceleratorima čestica potvrditi teoriju otkrivanjem nekih supersimetričnih elemenata s višimenergija.
Dodatne mjere
Još jedna matematička posljedica teorije struna je da ona ima smisla u svijetu s više od tri dimenzije. Trenutno postoje dva objašnjenja za ovo:
- Dodatne dimenzije (njih šest) su se srušile, ili, u terminologiji teorije struna, zbijene na nevjerojatno male veličine koje se nikada neće primijetiti.
- Zaglavljeni smo u 3D brani, a ostale dimenzije sežu izvan nje i nedostupne su nam.
Važna linija istraživanja među teoretičarima je matematičko modeliranje kako bi te dodatne koordinate mogle biti povezane s našima. Najnoviji rezultati predviđaju da će znanstvenici uskoro moći otkriti ove dodatne dimenzije (ako postoje) u nadolazećim eksperimentima, jer bi mogle biti veće od prethodno očekivanog.
Razumijevanje svrhe
Cilj kojem znanstvenici teže kada istražuju superstrune je "teorija svega", odnosno jedna fizička hipoteza koja opisuje cjelokupnu fizičku stvarnost na temeljnoj razini. Ako bude uspješan, mogao bi razjasniti mnoga pitanja o strukturi našeg svemira.
Objašnjenje materije i mase
Jedan od glavnih zadataka modernog istraživanja je pronaći rješenja za stvarne čestice.
Teorija struna započela je kao koncept koji opisuje čestice kao što su hadroni u različitim višim vibracijskim stanjima strune. U većini modernih formulacija, materija promatrana u našojsvemir, rezultat je vibracija struna i brana s najnižom energijom. Više vibracije stvaraju čestice visoke energije koje trenutno ne postoje u našem svijetu.
Masa ovih elementarnih čestica je manifestacija kako su strune i brane omotane u kompaktne dodatne dimenzije. Na primjer, u pojednostavljenom slučaju kada su presavijeni u oblik krafne, koji matematičari i fizičari nazivaju torus, niz može omotati ovaj oblik na dva načina:
- kratka petlja kroz sredinu torusa;
- duga petlja oko cijelog vanjskog opsega torusa.
Kratka petlja bit će lagana čestica, a velika će biti teška. Omotavanje žica oko toroidalnih kompaktnih dimenzija proizvodi nove elemente s različitim masama.
Teorija superstruna sažeto i jasno, jednostavno i elegantno objašnjava prijelaz duljine u masu. Ovdje su presavijene dimenzije puno kompliciranije od torusa, ali u principu rade na isti način.
Moguće je čak, iako je teško zamisliti, da se struna omota oko torusa u dva smjera u isto vrijeme, što rezultira različitom česticom s različitom masom. Brane također mogu obaviti dodatne dimenzije, stvarajući još više mogućnosti.
Određivanje prostora i vremena
U mnogim verzijama teorije superstruna, dimenzije se kolabiraju, čineći ih neuočljivim na trenutnoj razini razvoja tehnologije.
Trenutno nije jasno može li teorija struna objasniti temeljnu prirodu prostora i vremenaviše nego Einstein. U njemu su mjerenja pozadina za interakciju nizova i nemaju neovisno pravo značenje.
Ponuđena su objašnjenja, koja nisu u potpunosti razvijena, u vezi s reprezentacijom prostora-vremena kao derivata ukupnog zbroja svih interakcija nizova.
Ovaj pristup ne odgovara idejama nekih fizičara, što je dovelo do kritike hipoteze. Kompetitivna teorija kvantne gravitacije u petlji koristi kvantizaciju prostora i vremena kao polazišnu točku. Neki vjeruju da će to na kraju biti samo drugačiji pristup istoj osnovnoj hipotezi.
Kvantizacija gravitacije
Glavno postignuće ove hipoteze, ako se potvrdi, bit će kvantna teorija gravitacije. Trenutni opis gravitacije u općoj relativnosti nije u skladu s kvantnom fizikom. Potonje, nametanjem ograničenja u ponašanju malih čestica, dovodi do kontradikcija kada se pokušava istražiti Svemir u iznimno maloj mjeri.
Ujedinjenje snaga
Trenutno fizičari poznaju četiri temeljne sile: gravitaciju, elektromagnetsku, slabu i jaku nuklearnu interakciju. Iz teorije struna slijedi da su svi oni nekada bili manifestacije jednog.
Prema ovoj hipotezi, otkako se rani svemir ohladio nakon velikog praska, ova se pojedinačna interakcija počela raspadati na različite koje su danas aktivne.
Eksperimenti visoke energije jednog dana će nam omogućiti da otkrijemo ujedinjenje tih sila, iako su takvi eksperimenti daleko izvan sadašnjeg razvoja tehnologije.
Pet izbora
Nakon revolucije superstruna 1984., razvoj se odvijao grozničavim tempom. Kao rezultat toga, umjesto jednog koncepta, postojalo je pet, nazvanih tipova I, IIA, IIB, HO, HE, od kojih je svaki gotovo u potpunosti opisivao naš svijet, ali ne u potpunosti.
Fizičari, razvrstavajući verzije teorije struna u nadi da će pronaći univerzalnu istinitu formulu, stvorili su 5 različitih samodostatnih verzija. Neka njihova svojstva odražavala su fizičku stvarnost svijeta, druga nisu odgovarala stvarnosti.
M-teorija
Na konferenciji 1995., fizičar Edward Witten predložio je hrabro rješenje problema pet hipoteza. Na temelju novootkrivene dualnosti, svi su postali posebni slučajevi jednog sveobuhvatnog koncepta, nazvanog Wittenova M-teorija superstruna. Jedan od njegovih ključnih koncepata bili su brane (kratica od membrane), temeljni objekti s više od jedne dimenzije. Iako autor nije ponudio punu verziju, koja još nije dostupna, M-teorija superstruna se ukratko sastoji od sljedećih značajki:
- 11-dimenzija (10 prostorna plus 1 vremenska dimenzija);
- dvojnosti koje vode do pet teorija koje objašnjavaju istu fizičku stvarnost;
- brane su žice s više od jedne dimenzije.
Posljedice
Kao rezultat, umjesto jednog, bilo je 10500 rješenja. Nekim je fizičarima to izazvalo krizu, dok su drugi prihvatili antropski princip, koji svojstva svemira objašnjava našom prisutnošću u njemu. Ostaje za vidjeti kada će teoretičari pronaći drugunačin orijentacije u teoriji superstruna.
Neka tumačenja sugeriraju da naš svijet nije jedini. Najradikalnije verzije dopuštaju postojanje beskonačnog broja svemira, od kojih neki sadrže točne kopije naših.
Einsteinova teorija predviđa postojanje namotanog prostora, koji se naziva crvotočina ili Einstein-Rosenov most. U ovom slučaju, dva udaljena mjesta povezana su kratkim prolazom. Teorija superstruna dopušta ne samo to, već i povezivanje udaljenih točaka paralelnih svjetova. Čak je moguć prijelaz između svemira s različitim zakonima fizike. Međutim, vjerojatno je da će kvantna teorija gravitacije onemogućiti njihovo postojanje.
Mnogi fizičari vjeruju da će holografski princip, kada sve informacije sadržane u volumenu prostora odgovaraju informacijama zabilježenim na njegovoj površini, omogućiti dublje razumijevanje koncepta energetskih niti.
Neki vjeruju da teorija superstruna dopušta više dimenzija vremena, što bi moglo rezultirati putovanjem kroz njih.
Osim toga, u okviru hipoteze, postoji alternativa modelu velikog praska, prema kojem je naš svemir nastao kao rezultat sudara dviju brana i prolazi kroz ponavljane cikluse stvaranja i uništenja.
Konačna sudbina svemira oduvijek je zaokupljala fizičare, a konačna verzija teorije struna pomoći će odrediti gustoću materije i kozmološku konstantu. Poznavajući te vrijednosti, kozmolozi mogu odrediti hoće li svemirsmanji se dok ne eksplodira da sve počne iznova.
Nitko ne zna kamo znanstvena teorija može dovesti dok se ne razvije i testira. Einstein, pišući jednadžbu E=mc2, nije očekivao da će to dovesti do pojave nuklearnog oružja. Tvorci kvantne fizike nisu znali da će ona postati osnova za stvaranje lasera i tranzistora. I premda se još ne zna do čega će dovesti takav čisto teoretski koncept, povijest pokazuje da će se nešto izvanredno sigurno ispostaviti.
Za više o ovoj pretpostavci, pogledajte Teoriju superstruna za lutke Andrewa Zimmermana.
