Danes se znanstvena slika sveta oblikuje tako, da v našem vesolju vladata dva sklopa zakonov - splošna relativnost, ki razlaga čudovito gravitacijsko delo, in kvantna mehanika, ki opisuje ostale tri interakcije vesolja (močan jedrski, šibek jedrski in elektromagnetizem). Te zakone lahko vzamete in jih uporabljate za stvari v velikem obsegu - planete, galaksije in nato na najmanjših lestvicah - protone in nevtrone. Toda zakaj je narava naredila dva ločena zakona za vesolje?
Teorija superstringov je poskus odgovora na dve vprašanji: Ali obstaja način kombiniranja splošne relativnosti in kvantne mehanike, da se ustvari "teorija vsega"? Iz česa vse to je sestavljeno?
Teorija superstringov
Včasih smo mislili, da so gradniki življenja atomi, najmanjši sestavni deli materije. Toda potem smo zadeli atome in našli elementarne delce, tako majhne, da jih sploh ne moremo videti, ne da bi se na določen način spremenili. Da nekaj vidimo, potrebujemo svetlobo, da najprej odbijemo s predmeta in udarimo v oči, sestavljamo sliko. Svetlobo sestavljajo elektromagnetni valovi, ki prosto prehajajo skozi elementarne delce. Te valove lahko naredimo gostejše, jim dodamo energijo, tako da zadenejo delce in jih vidimo, a ko nekaj zadene v delček, se spremeni, zato ga ne moremo videti v prvotnem stanju. Nimamo pojma, kako izgledajo osnovni delci. Tako kot temna energija, temna materija tudi teh pojavov ne moremo opazovati neposredno, vendar imamo razlog za to verjetida obstajajo.
Te delce obravnavamo kot točke v vesolju, čeprav v resnici niso. Zaradi vseh njegovih pomanjkljivosti nam ta metoda - ideja kvantne mehanike, da sile prenašajo delci - daje precej dobro predstavo o vesolju in vodi do prebojev, kot so kvantna topila in vlaki z magnetno levitacijo. Sama splošna relativnost je tudi dobro preizkusila čas, saj je razlagala nevtronske zvezde in orbitalne nepravilnosti Merkurja, napovedovala črne luknje in krivo svetlobo. Toda enačbe splošne relativnosti žal nehajo delovati v središču črne luknje in na predvečer Velikega poka. Težava je v tem, da jih je nemogoče združiti, ker je gravitacija povezana z geometrijo prostora in časa, ko se razdalje natančno merijo, v kvantnem svetu pa ni mogoče ničesar meriti.
Ko so znanstveniki poskušali izumiti nov delček, ki bi se s kvantno mehaniko poročil s težo, njihova matematika preprosto ni uspela.
V nekem smislu sem se moral vrniti na tablo. Zato so znanstveniki predlagali, da najmanjše sestavine vesolja niso pike, ampak strune. Različne vibracije strun ustvarjajo različne elementarne delce, kot so kvarki. Vibracijske strune lahko sestavljajo vso snov in vse štiri sile v vesolju - vključno z gravitacijo.
Promocijski video:
Višje dimenzije
Teorija superstringov ima težavo. Ne bo delovalo, če predpostavimo, da imamo samo tri prostorske dimenzije in eno časovno dimenzijo, v kateri živimo. Teorija strun zahteva, da igrate vsaj deset dimenzij.
Ko je bila GR prvič zasnovana, je gravitacija izkrivila prostor in čas za opis te sile. Če bi torej kdo želel opisati drugo silo, na primer elektromagnetizem, bi moral dodati novo dimenzijo. Znanstveniki so napisali enačbe, ki so z dodatno dimenzijo opisovale krivulje in okvare vesolja ter pridobile izvirno enačbo elektromagnetizma. Neverjetno odkritje.
Dodatne dimenzije teorije strun nam lahko pomagajo razložiti, zakaj so številke v našem vesolju tako umerjene, da omogočajo, da obstaja vse. Na primer, zakaj je hitrost svetlobe 299.792.458 metrov na sekundo? Poskušajo odgovoriti tudi na vprašanje o gravitaciji - zakaj je ta sila tako šibka? Je najšibkejša od štirih temeljnih interakcij: 1040-krat šibkejša od elektromagnetne sile. Dovolj bo, da knjigo preprosto upognete in dvignete od tal, da se ji uprete. Teoretično je to zato, ker gravitacija prehaja v višje dimenzije. Gravitacija je sestavljena iz zaprtih pramenov, ki ji omogočajo, da zapusti našo dimenzijo, v nasprotju z odprtimi prameni, ki so bolje ozemljeni.
Zakaj ne vidimo vseh teh dimenzij?
Ker obstajajo na tako majhni ravni, da so za nas nevidni in kljubujejo odkrivanju. So kompaktni, opremljeni tako, da reproducirajo fiziko našega sveta in se zlagajo v zanimive oblike Calabi-Yau. Različne oblike Calabi Yau omogočajo različne nihaje struna in zelo različne vesolje.
Lahko celo preizkusimo domnevne več vesolje. Ker predpostavljamo, da gravitacija prehaja v višje dimenzije, bi po trčenju dveh delcev moralo biti manj časa kot pred trkom. Toda tudi v najbolj ugodnih pogojih bi bilo preizkusiti kaj takega neverjetno težko, nedostopno.
Izračuni teorije strun se izvajajo v simuliranih vesoljih z 10 ali 11 dimenzijami, kjer deluje matematika. Znanstveniki nato poskušajo zbrisati dodatne dimenzije, vendar doslej še nihče ni uspel opisati našega vesolja ali izmisliti eksperimenta, ki bi dokazal teorijo. Vendar to ne pomeni, da nimamo vlog za teorijo strun.
Matematično orodje, ki je bilo razvito v okviru raziskav teorije vrvic, nam pomaga razumeti dele našega vesolja. Lahko ga uporabimo za boljše razlago paradoksa informacij, kvantne gravitacije in nekaterih težav v čisti matematiki. Nekateri znanstveniki teorijo za svoje izračune uporabljajo v fiziki delcev ali pri opazovanju eksotičnih stanj snovi.
Teorija strun morda ni teorija vsega, je pa vsaj teorija nečesa.
Ilya Khel