Supersträngteori, på populärt språk, representerar universum som en samling vibrerande energisträngar - strängar. De är grunden för naturen. Hypotesen beskriver även andra element - branes. All materia i vår värld är uppbyggd av vibrationer av strängar och branar. En naturlig följd av teorin är beskrivningen av gravitationen. Det är därför forskare tror att det har nyckeln till att förena gravitationen med andra krafter.
Konceptet utvecklas
Den enhetliga fältteorin, supersträngteorin, är rent matematisk. Liksom alla fysiska begrepp är det baserat på ekvationer som kan tolkas på vissa sätt.
Idag vet ingen exakt vad den slutliga versionen av denna teori kommer att bli. Forskare har en ganska vag uppfattning om dess allmänna beståndsdelar, men ingen har ännu kommit med en definitiv ekvation som skulle täcka alla supersträngteorier, och experimentellt har den ännu inte kunnat bekräfta det (även om det inte heller för att motbevisa det). Fysiker har skapat förenklade versioner av ekvationen, men än så länge beskriver den inte riktigt vårt universum.
Superstring Theory for Beginners
Hypotesen bygger på fem nyckelidéer.
- Supersträngteorin förutspår att alla objekt i vår värld är uppbyggda av vibrerande filament och membran av energi.
- Hon försöker kombinera allmän relativitet (gravitation) med kvantfysik.
- Supersträngteorin kommer att förena alla universums grundläggande krafter.
- Denna hypotes förutspår ett nytt samband, supersymmetri, mellan två fundament alt olika typer av partiklar, bosoner och fermioner.
- Konceptet beskriver ett antal ytterligare, vanligtvis oobserverbara dimensioner av universum.
Strings and branes
När teorin dök upp på 1970-talet ansågs energitrådarna i den vara 1-dimensionella objekt - strängar. Ordet "endimensionell" betyder att strängen endast har 1 dimension, längden, till skillnad från till exempel en kvadrat, som har både en längd och en höjd.
Teorin delar in dessa supersträngar i två typer - stängda och öppna. Ett öppet snöre har ändar som inte berör varandra, medan ett slutet snöre är en slinga utan öppna ändar. Som ett resultat fann man att dessa strängar, som kallas strängar av den första typen, är föremål för 5 huvudtyper av interaktioner.
Interaktioner baseras på en strängs förmåga att ansluta och separera dess ändar. Eftersom ändarna på öppna strängar kan kombineras för att bilda slutna strängar är det omöjligt att konstruera en supersträngteori som inte inkluderar loopade strängar.
Detta visade sig vara viktigt, eftersom slutna strängar har egenskaper, tror fysiker, som kan beskriva gravitationen. Med andra ord, forskareinsåg att supersträngteori, istället för att förklara materiens partiklar, kan beskriva deras beteende och gravitation.
Efter många år upptäckte man att förutom strängar är andra element nödvändiga för teorin. De kan ses som lakan eller branar. Snören kan fästas på ena sidan eller båda sidorna.
Quantum gravity
Modern fysik har två huvudsakliga vetenskapliga lagar: allmän relativitet (GR) och kvant. De representerar helt olika vetenskapsområden. Kvantfysiken studerar de minsta naturliga partiklarna, och GR beskriver som regel naturen i skalan av planeter, galaxer och universum som helhet. Hypoteserna som försöker förena dem kallas kvantgravitationsteorier. Den mest lovande av dem idag är snöret.
Stängda trådar motsvarar gravitationens beteende. I synnerhet har de egenskaperna hos en graviton, en partikel som bär gravitationen mellan föremål.
Joining Forces
Strängteori försöker kombinera de fyra krafterna - elektromagnetiska, starka och svaga kärnkrafter och gravitation - till en. I vår värld manifesterar de sig som fyra olika fenomen, men strängteoretiker tror att i det tidiga universum, när det fanns otroligt höga nivåer av energi, beskrivs alla dessa krafter av strängar som interagerar med varandra.
Supersymmetri
Alla partiklar i universum kan delas in i två typer: bosoner och fermioner. Strängteorinförutspår att det finns en relation mellan dem, kallad supersymmetri. I supersymmetri måste det finnas en fermion för varje boson och en boson för varje fermion. Tyvärr har förekomsten av sådana partiklar inte bekräftats experimentellt.
Supersymmetri är ett matematiskt förhållande mellan element i fysiska ekvationer. Den upptäcktes inom ett annat område av fysiken och dess tillämpning ledde till att supersymmetrisk strängteori (eller supersträngteori, i populärt språkbruk) döptes om i mitten av 1970-talet.
En av fördelarna med supersymmetri är att den avsevärt förenklar ekvationer genom att tillåta att vissa variabler elimineras. Utan supersymmetri leder ekvationerna till fysiska motsättningar som oändliga värden och imaginära energinivåer.
Eftersom forskare inte har observerat de partiklar som förutspåtts av supersymmetri, är det fortfarande en hypotes. Många fysiker tror att orsaken till detta är behovet av en betydande mängd energi, som är relaterad till massan av den berömda Einsteinsekvationen E=mc2. Dessa partiklar kunde ha funnits i det tidiga universum, men när det svalnade och energi spreds efter Big Bang, flyttade dessa partiklar till låga energinivåer.
Med andra ord, strängarna som vibrerade som högenergipartiklar förlorade sin energi och förvandlade dem till lägre vibrationselement.
Forskare hoppas att astronomiska observationer eller experiment med partikelacceleratorer kommer att bekräfta teorin genom att avslöja några av de supersymmetriska elementen med en högreenergi.
Ytterligare mått
En annan matematisk konsekvens av strängteorin är att den är vettig i en värld med mer än tre dimensioner. Det finns för närvarande två förklaringar till detta:
- De extra dimensionerna (sex av dem) har kollapsat, eller, i strängteoretisk terminologi, kompakterats till otroligt små storlekar som aldrig kommer att uppfattas.
- Vi har fastnat i 3D-branen, och de andra dimensionerna sträcker sig bortom den och är otillgängliga för oss.
En viktig forskningslinje bland teoretiker är den matematiska modelleringen av hur dessa extra koordinater kan vara relaterade till våra. De senaste resultaten förutspår att forskare snart kommer att kunna upptäcka dessa extra dimensioner (om de finns) i kommande experiment, eftersom de kan vara större än tidigare förväntat.
Förstå syftet
Målet som forskare strävar efter när de utforskar supersträngar är en "teori om allt", det vill säga en enda fysisk hypotes som beskriver hela den fysiska verkligheten på en grundläggande nivå. Om det lyckas kan det klargöra många frågor om vårt universums struktur.
Förklaring av materia och massa
En av huvuduppgifterna för modern forskning är att hitta lösningar för riktiga partiklar.
Strängteori började som ett koncept som beskrev partiklar som hadroner i olika högre vibrationstillstånd av en sträng. I de flesta moderna formuleringar observeras saken i våruniversum, är resultatet av vibrationer av strängar och branar med lägst energi. Högre vibrationer genererar högenergipartiklar som för närvarande inte existerar i vår värld.
Massan av dessa elementarpartiklar är en manifestation av hur strängar och branar lindas in i kompakterade extra dimensioner. Till exempel, i ett förenklat fall där de viks till en munkform, kallad torus av matematiker och fysiker, kan ett snöre linda denna form på två sätt:
- kort slinga genom mitten av torus;
- en lång slinga runt hela den yttre omkretsen av torus.
En kort slinga kommer att vara en lätt partikel och en stor slinga blir tung. Att linda strängar runt toroidformade kompakterade dimensioner producerar nya element med olika massor.
Supersträngteori förklarar kortfattat och tydligt, enkelt och elegant övergången av längd till massa. De vikta måtten här är mycket mer komplicerade än torus, men i princip fungerar de på samma sätt.
Det är till och med möjligt, även om det är svårt att föreställa sig, att strängen lindas runt torusen i två riktningar samtidigt, vilket resulterar i en annan partikel med en annan massa. Branes kan också slå in extra dimensioner, vilket skapar ännu fler möjligheter.
Bestämma utrymme och tid
I många versioner av supersträngteorin kollapsar dimensionerna, vilket gör dem omöjliga att observera på nuvarande nivå av teknikutveckling.
För närvarande är det inte klart om strängteorin kan förklara den grundläggande naturen hos rum och tidmer än Einstein gjorde. I den är mått bakgrunden för samverkan mellan strängar och har ingen oberoende verklig betydelse.
Förklaringar har erbjudits, inte helt utvecklade, angående representationen av rumtid som en derivata av den totala summan av alla stränginteraktioner.
Det här tillvägagångssättet uppfyller inte idéerna från vissa fysiker, vilket ledde till kritik av hypotesen. Den konkurrensutsatta teorin om loopkvantgravitation använder kvantiseringen av rum och tid som utgångspunkt. Vissa tror att det bara kommer att bli ett annat förhållningssätt till samma grundläggande hypotes.
Kvantisering av gravitationen
Den här hypotesens främsta prestation, om den bekräftas, kommer att vara kvantteorin om gravitation. Den nuvarande beskrivningen av gravitation i allmän relativitet är oförenlig med kvantfysik. Det senare, genom att införa restriktioner för små partiklars beteende, leder till motsägelser när man försöker utforska universum i extremt liten skala.
Enhet av krafter
Fysiker känner för närvarande till fyra grundläggande krafter: gravitation, elektromagnetisk, svag och stark kärnväxelverkan. Det följer av strängteorin att de alla en gång var manifestationer av en.
Enligt denna hypotes, sedan det tidiga universum svalnade efter big bang, började denna enstaka interaktion att delas upp i olika som är aktiva idag.
Högenergiexperiment kommer en dag att tillåta oss att upptäcka föreningen av dessa krafter, även om sådana experiment ligger långt bortom den nuvarande teknikutvecklingen.
Fem val
Efter supersträngrevolutionen 1984 genomfördes utvecklingen i febril takt. Som ett resultat, i stället för ett koncept, fanns det fem, namngivna typer I, IIA, IIB, HO, HE, som var och en nästan fullständigt beskrev vår värld, men inte fullständigt.
Fysiker, som sorterar igenom versioner av strängteori i hopp om att hitta en universell sann formel, har skapat 5 olika självförsörjande versioner. Vissa av deras egenskaper återspeglade världens fysiska verklighet, andra motsvarade inte verkligheten.
M-teori
På en konferens 1995 föreslog fysikern Edward Witten en djärv lösning på problemet med fem hypoteser. Baserat på den nyupptäckta dualiteten blev de alla specialfall av ett enda övergripande koncept, kallat Wittens M-teori om supersträngar. Ett av dess nyckelbegrepp var branes (förkortning för membran), grundläggande objekt med mer än 1 dimension. Även om författaren inte erbjöd en fullständig version, som ännu inte är tillgänglig, består M-teorin för supersträngar i korthet av följande funktioner:
- 11-dimension (10 rumslig plus 1 tidsdimension);
- dualiteter som leder till fem teorier som förklarar samma fysiska verklighet;
- branes är strängar med mer än en dimension.
Konsekvenser
Som ett resultat, i stället för en, fanns det 10500 lösningar. För vissa fysiker orsakade detta en kris, medan andra accepterade den antropiska principen, som förklarar universums egenskaper genom vår närvaro i det. Det återstår att se när teoretiker hittar en annansätt att orientera i supersträngteorin.
Vissa tolkningar tyder på att vår värld inte är den enda. De mest radikala versionerna tillåter existensen av ett oändligt antal universum, av vilka några innehåller exakta kopior av våra egna.
Einsteins teori förutsäger existensen av ett hoprullat utrymme, som kallas ett maskhål eller en Einstein-Rosen-bro. I det här fallet är två avlägsna platser förbundna med en kort passage. Supersträngteorin tillåter inte bara detta, utan också kopplingen av avlägsna punkter i parallella världar. Det är till och med möjligt att övergå mellan universum med olika fysiklagar. Det är dock troligt att kvantteorin om gravitation kommer att omöjliggöra deras existens.
Många fysiker tror att den holografiska principen, när all information som finns i rymdens volym motsvarar informationen registrerad på dess yta, kommer att möjliggöra en djupare förståelse av begreppet energitrådar.
Vissa tror att supersträngteorin tillåter flera tidsdimensioner, vilket kan resultera i resor genom dem.
Dessutom, inom ramen för hypotesen, finns det ett alternativ till big bang-modellen, enligt vilken vårt universum uppstod som ett resultat av en kollision av två grenar och går igenom upprepade cykler av skapande och förstörelse.
Universums yttersta öde har alltid sysselsatt fysiker, och den slutliga versionen av strängteorin kommer att hjälpa till att bestämma materiens densitet och den kosmologiska konstanten. Genom att känna till dessa värden kan kosmologer avgöra om universum kommer att göra detkrympa tills den exploderar för att börja om igen.
Ingen vet vart en vetenskaplig teori kan leda förrän den är utvecklad och testad. Einstein, som skrev ekvationen E=mc2, förväntade sig inte att det skulle leda till uppkomsten av kärnvapen. Skaparna av kvantfysiken visste inte att det skulle bli grunden för att skapa en laser och en transistor. Och även om det ännu inte är känt vad ett sådant rent teoretiskt koncept kommer att leda till, visar historien att något enastående säkert kommer att visa sig.
För mer om denna gissning, se Andrew Zimmermans Superstring Theory for Dummies.
