Fiziki, ki so se sprehodili po "pokrajini" teorije strun - prostora milijard in milijard matematičnih rešitev teoriji, v kateri vsaka rešitev ponuja enačbe, s katerimi fiziki poskušajo opisati resničnost - so naleteli na podmnožico takšnih enačb, ki vključujejo toliko delcev snovi, kolikor jih je v našem vesolju. Vendar je ta podskupina ogromna: takšnih rešitev je vsaj štiri tisoč. To je največja najdba v zgodovini teorije strun.
Vesolje v teoriji strun
Po teoriji strun vsi viri in temeljne sile nastajajo z vibriranjem drobnih strun. Zaradi matematične skladnosti ti struni vibrirajo v 10-dimenzionalnem vesolju. In zaradi skladnosti z našo običajno vsakodnevno izkušnjo obstoja v Vesolju, s tremi prostorskimi in eno časovno dimenzijo, je dodatnih šest dimenzij "stisnjenih", da jih ni mogoče zaznati.
Različne kompaktifikacije vodijo do različnih rešitev. V teoriji strun se "rešitev" nanaša na vakuum vesoljskega časa, ki ga ureja Einsteinova teorija gravitacije v kombinaciji s kvantno teorijo polja. Vsaka rešitev opisuje edinstveno vesolje z lastnim naborom delcev, temeljnimi silami in drugimi definirajočimi lastnostmi.
Nekateri teoretiki strun so svoja prizadevanja usmerili v iskanje načinov, kako povezati teorijo niz z lastnostmi našega znanega vesolja, ki ga je mogoče opazovati - zlasti Standardni model fizike delcev, ki opisuje vse znane delce in sile, razen gravitacije.
Velik del tega truda izhaja iz različice teorije strun, v kateri strune šibko delujejo. V zadnjih dvajsetih letih pa je nova veja teorije strun, imenovana F-teorija, fizikom omogočila, da delujejo z močno medsebojno delujočimi ali tesno povezanimi strunami.
"Zanimivi rezultati so, da lahko začnemo, ko je razmerje veliko, teorijo opisati zelo geometrijsko," pravi Miriam Tsvetik z univerze v Pensilvaniji v Filadelfiji.
Promocijski video:
To pomeni, da lahko teoretiki strun uporabijo algebrsko geometrijo - ki uporablja algebarske metode za reševanje geometrijskih problemov - za analizo različnih načinov strnjevanja dodatnih dimenzij v teoriji F in iskanje rešitev. Matematiki neodvisno preučujejo nekatere geometrijske oblike, ki se pojavljajo v F-teoriji. "Omogočajo nam fizikom veliko orodja," pravi Ling Lin, tudi z univerze v Pensilvaniji. "Geometrija je pravzaprav zelo pomembna. F-teorija naredi močno strukturo."
Quadrilions vesoljev
Tako so Tsvetik, Lin, James Halverson z univerze Northeastern v Bostonu uporabili te metode, da so opredelili razred rešitev z vibrirajočimi vrvicami, ki vodijo do enakega spektra fermionov (ali delcev snovi), kot jih opisuje standardni model - vključno z lastnostjo, zaradi katerih so fermioni treh generacij (na primer elektroni, muon in tau so tri generacije iste vrste fermionov).
Teoretične rešitve F, ki so jih odkrile Tsvetik in njeni sodelavci, vključujejo tudi delce, ki kažejo hiralnost (pomanjkanje simetrije glede na desno in levo stran) Standardnega modela. V terminologiji fizike delcev te rešitve reproducirajo natančen "kiralni spekter" delcev v standardnem modelu. Na primer, kvarki in leptoni v teh rešitvah imajo levo in desno različico, kot v našem vesolju.
Novo delo kaže, da obstajajo vsaj kvadratne raztopine, v katerih imajo delci enak kiralni spekter kot v standardnem modelu, kar je 10 vrst več, kot je bilo doslej v teoriji strun. "To je daleč največji podrazred standardnih rešitev," pravi Tsvetik. "Kar je neverjetno in lepo, je, da je vse skupaj v tesno povezani teoriji strun, kjer nam pomaga geometrija."
Quadrillion je izredno veliko število, čeprav precej manjše od števila rešitev v F-teoriji (ki jih nazadnje šteje približno 10.272.000). In ker gre za izjemno veliko število, ki v fiziki delcev v resničnem svetu izda nekaj nepomembnega in resničnega, ga bomo preučili z vso strogostjo in resnostjo, pravi Halverson.
Nadaljnje raziskovanje bo vključevalo ugotavljanje močnejših povezav s fiziko delcev v resničnem svetu. Raziskovalci morajo v rešitvah F-teorije ugotoviti povezave ali interakcije med delci, ki so spet odvisne od geometrijskih podrobnosti kompaktnosti dodatnih dimenzij.
Povsem mogoče je, da se bo v prostoru s štiriolijonskimi rešitvami v predvidljivih časovnih merilih našlo nekaj rešitev, ki vodijo do razpada protona. To bi očitno nasprotovalo resničnemu svetu, saj poskusi niso razkrili nobenih znakov propadanja protonov. Ali pa bi fiziki lahko iskali rešitve, ki izvajajo spekter delcev standardnega modela, pri tem pa ohranili matematično simetrijo (R-parnost). Ta simetrija prepoveduje nekatere procese propadanja protona in bi bila z vidika fizike delcev zelo privlačna, vendar v sodobnih modelih ni.
Poleg tega to delo predpostavlja obstoj superimetrije - to pomeni, da imajo vsi standardni delci partnerske delce. Teorija strun potrebuje to simetrijo za zagotovitev matematične doslednosti rešitev.
Da pa je vsaka teorija o super-simetriji skladna z vesoljem, ki ga je mogoče opazovati, je treba simetrijo prekiniti (tako kot bi postavljanje jedilnega pribora in kozarca na levo ali desno stran zaradi sinhronizacije prekinilo simetrijo nastavitve mize). V nasprotnem primeru bodo imeli partnerski delci enako maso kot delci Standardnega modela - kar zagotovo ni tako, saj takšnih partnerskih delcev v svojih poskusih nismo videli.
Ilya Khel