Теоријата на струни е една од најреволуционерните и најконтроверзните идеи во физиката чија цел е да ги обедини сите честички и фундаментални сили во природата во една единствена теорија.
Заслуги: parameter_bond/Фликр
Покрај свеста, вештата рака и остриот мозок, со нашето тело добиваме и испитувачки и љубопитен ум кој упорно да ги сфаќа идеите коишто стојат зад се околу него. Нашиот восхитувачки координиран универзум за нас е извор на стравопочит, но и соодветна тема за проучување.
Долг пат пројдовме од Аристотеловата хипотеза за елементи до преовладувачкиот Стандарден модел во нашата потрага по тајните на Универзумот. Но до сега начин на мислење е прилично еднонасочен, линеарен. Теоријата на струни го предизвикува основниот пристап и ни претставува вџашувачки нов поглед врз реалноста. Но прво да видиме што е тоа што ја прави теоријата на струни револуционерна и толку интересна.
Физичарите добро си поминуваа објаснувајќи го видливиот Универзум со Галилеевите закони на движење. Њутн ја додаде гравитациската сила во нивниот арсенал и коцките почнаа да се склопуваат. Потоа настапија електричните и магнетните сили, кои беа објаснети со законите на Кулон и Ампер, последователно. Максвел направи значајно откритие со обединувањето на електричните и магнетните сили во електромагнетизам. Тој дури и ги објасни носителите на оваа електромагнетна сила, фотоните. Но се уште ништо не се знаеше за гравитациската сила. Што ја создава? Како постои?
Ајнштајн беше првиот кој даде каков било напредок во оваа област со неговата Теорија за специјална и општа релативност. Тој се обиде да ја објасни гравитацијата на строго геометриски начин и тоа му успеа до некој степен.
Но светот на глава го свртеа Хајзенберг и другите кога го додадоа суштинското поглавје на квантната физика. Се дотогаш, класичниот модел и електромагнетизмот одлично ги објаснуваа појавите и заемодејствата на макроскопско ниво. Сега квантната физика им дава на физичарите можност да го испитаат и микроскопскиот свет. Потоа беа откриени и силната и слабата нуклеарна сила, доведувајќи не до четирите фундаментални сили кои ги имаме денес.
Заслуги: MissMJ/Wikimedia Commons
По пат откривме и многу мали честички кои изгледаа како да се составните делови на Универзумот. Молекулите ја држеа титулата „основна честичка“ долго време. Потоа му дојде ред на атомот. Подоцна тоа место го освоија електроните, протоните и неутроните. Сега ги сметаме бозоните (како глуоните и Хигсовиот бозон) и фермионите (како кварковите и лептоните) за основни честички (види слика 2). Овие основни честички и нивните меѓусебни заемодејства ја илустрираат природата на реалноста со голема прецизност, со исклучок на гравитацијата.
Ова видео од 2010 од ЦЕРН пред откритието на Хигсовиот бозон убаво го објаснува стандардниот модел на физиката на честички:
Заслуги: ЦЕРН
Како можеме да ја разбереме теоријата на струни?
Не сакаме да навлегуваме подлабоко во математиката на овие откритија, но морате да знаете дека нашите сознанија за нив произлегуваат од претпоставки и пресметки. Елементарните честички се толку мали (во размер на една Планкова димензија, или 0,-па 33 нули позади запирката- метри), што не можеме да вршиме експерименти или набљудувања врз нив.
Па тогаш како можеме да си играме со нив? Физичарите ја решија оваа енигма така што ги сметаат честичките како „точки“ во нашиот тридимензионален свет. Кога ќе се спојат со четвртата, временска, димензија, тие опишуваат светска линија (worldline – пат на објектот низ четиридимензионалното простор-време.) Овие точки исто така имаат и квантни состојби кои ги нарекуваме маса, полнеж, итн. Но, нема многу работи кои можеме да ги направиме со овие честички-точки.
Ова се покажува како голема препрека при формулирањето на заемодејствата меѓу различни честички.
Во 1950тите и 60тите, забрзувачите на честички произведуваа нови композитни честички. Габриеле Венецијано ја создаде Теоријата на струни за да ја опише шемата на масите и вртежите на „хадроните“.
Неговиот теоретски модел за струните не успеал за хадроните, но подоцна бил повторно оживеан за да ги опише сите елементарни честички.
Теоријата на струни, поедноставена
Се сеќавате на нашиот мал проблем, тоа што честичките-точки не можеа да ги објаснат заемодејствата? Теоријата на струни предлага идејата за основната составна единка да се генерализира за една димензија. Ова значи дека теоријата на струни предлага дека елементарните објекти се мали струни со големина на една Планкова димензија, а не елементарните честички. Сите елементарни честички се опишани како струни со различни квантни состојби.
Постои прилично позната споредба на овие теоретски струни со жиците на виолината. Како што различните вибрации на виолинската жица произведуваат различни ноти, така и различните квантни состојби на струната ги даваат сите можни елементарни честички, без разлика дали се електрони, кваркови, глуони… Не можеме да ги видиме овие струни во поголем размер, тие изгледаат на елементарните честички со кои сме добро запознаени.
Можеби ќе се запрашате од што се направени овие струни. Тие не се направени од ништо, но самите тие прават се што постои. На пример, во Стандардниот модел еден стол е направен од дрво, кое самото е составено од различни молекули, кои се составени од различни атоми кои се состојат од електрони, протони (составени од кваркови) и неутрони (исто така составени од кваркови). Но што добиваме кога ќе ги расклопиме и кварковите и електроните? Одговорот е ништо: самите тие се крајниот производ на овие расклопувања.
Се што направивме е тоа што ги заменивме бездимензионалните елементарни објекти со еднодимензионални составни делови наречени струни. Па како се еднодимензионалните елементарни објекти подобри од честичките-точки? Одговорот е во тоа што освен нивните квантни состојби, овие струни имаат и должина. Со помош на нивната должина овие струни можат да имаат неколку различни форми самите по себе, како на пример „отворени“ или „затворени“. Отворените струни можат да спојат по еден крај, создавајќи нова струна, или да ги спојат двата свои краја, создавајќи затворена струна.
Овие заемодејства на струните создаваат пет различни теории на струни, за кои ќе учиме како да се различни верзии на една теорија на суперструни.
Интуитивно, овие струни мораат да имаат некаква „затегнатост“. Оваа затегнатост дозволува различни видови на вибрација и со тоа ги создава сите форми на елементарни честички.
Заслуги: Zoneka/Wkimedia
Најневеројатната одлика на теоријата на струни се нејзините додатни димензии. Ние живееме во четиридимензионален свет со три просторни и една временска димензија.
Но, математиката за теоријата на струни се распаѓа со само четири димензии. Таа се стабилизира само со вкупно десет димензии. Пред да навлеземе во разбирање на овие додатни димензии, да ја погледнеме историјата на оваа револуционерна теорија за да ни биде појасна потребата за десет димензии.
Историјата на теоријата на струни
Да навлеземе во потеклото на теоријата на струни. Но прво треба да разберете дека за разлика од многу познати теории кои започнуваат со одредени постулати и опишуваат систем или појава (феномен), теоријата на струни е многу сложена.
Таа е збир на неколку математички конструкции и теоретски модели кои значително се разликуваат меѓу себе, иако се основни принципи. Приказната на теоријата на струни започнува со хипотезата Калуца-Клеин, која се обиде да ги обедини гравитацијата и електромагнетизмот.
Во 1921 год., Германецот Калуца и Швеѓанецот Клеин предложија дека не постојат три туку четири просторни димензии. Една од овие димензии не се шири во бесконечност, туку е свиткана околу себеси, појава наречена збирање (компактификација). Исто така, во овој четиридимензионален свет постои само гравитација, а не и електромагнетизам. Овој исказ, заедно со некои исцрпувачки пресметки, открива дека гравитонот (носител на силата на гравитацијата), кој е честичка со спин 2, се претвора во честичка со спин 1 во тридимензионалниот свет.
Ова е убаво објаснително видео за спинот, едно од внатрешните (интринсички) својство на честичките:
Заслуги: Looking Glass Universe
Со ова, предлогот успева да ги обедини гравитацијата и електромагнетизмот. Ако идејата за четири просторни димензии не може да ви легне, помислете на жица или стапче кои се истенчено до тој степен што не можете да ја процените нивната ширина. Можете да ја искусите само едната димензија, додека другите три се скриени или собрани, збрани. Теоријата на Калуца-Клеин не се расчула бидејќи концептот на квантна гравитација кој таа го употребува се чинел како премногу ненормален за научната јавност.
Од друга страна, 1970тите се деценијата на теоријата на струни. Џефри Чу, Леонард Саскинд, Кристоф Шмид и други научници ја разработија теоријата на струни за да ги објаснат „хадроните“. Габриеле Венецијано е уште еден значаен придонесувач, на кој му се дава заслугата за создавање на теоријата на струни каква што ја знаеме и денес. Преовладувачките поими од теоријата добија голем замав со помош на хипотезата „Јанг-Милс“. Оваа нова теорија се обиде да ги соедини сите фундаментални сили освен гравитацијата. Овој обид е наречен „големото обединување“.
Теорија на суперструни
Знаеме дека „теорија на суперструни“ е доста накитено име и можеби си замислувате: каква е оваа нова баснословна форма на теоријата на струни? „Теорија на суперструни“ всушност значи „теорија на суперсиметрични струни“. Кога ќе се комбинира идејата за суперсиметрија со теоријата на струни, добиваме подобра теорија, или теоријата на суперструни.
Тогаш што е суперсиметрија?
Знаеме дека постојат два вида на елементарни честички: бозони и фермиони. Бозоните се честички чиј спин е цел број и кои посредуваат со фундаменталните сили, а фермионите се честички чиј спин е половина од цел број и кои се составни делови на супстанцијата. Физичарите очекуваа бозоните и фермионите да бидат поврзани на некој начин, но математичарите не ги делеа нивните очекувања. Тука настапува поимот суперсиметрија.
Погледнете го видеото подолу, каде што д-р Дон Линколн од Фермилаб ја објаснува идејата на суперсиметрија на најлесниот можен начин.
Заслуги: Дон Линколн/Фермилаб
Суперсиметријата вели дека сите бозони имаат фермионски „супер-партнер“ и обратно, а дека нивните спинови се разликуваат за половина единица. Заедно со нивните разлики во спинот, тие се разликуваат и во заедничките својства. Фермионите „сакаат“ да останат во различната состојба, додека бозоните претпочитаат да останат во истата состојба. На овој начин суперсиметријата ги спои двата вида на честички преку нивните разлики и ја создаде основата за теоријата на суперструни.
Новата теорија ги предвидува повеќето од познатите честички заедно со нова честичка со спин = 2, наречена гравитон, која е кандидат за носителот на силата на гравитацијата.
Заслуги: Алекс Данкел/Википедиа Комонс
Низ времето, физичарите создале пет различни верзии на теоријата на суперструни, имено Тип I, Тип IIA, Тип IIБ, хетеротична и хетеротична со E(8) х Е(8) мерна симетрија.
Првата суперструна револуција во 1984 год. привлече многу активност во оваа област. Во 1995, Едвард Витен ги спои сите овие верзии во една 11-димензионална теорија, општонаречена „М-теорија“.
Додатни димензии на теоријата на струни
Не го довршивме нашиот разговор за додатните димензии додека зборувавме за теоријата на суперструни. Да го продолжиме. Теоријата на струни поддржува 10 димензии, од кои три се издолжуваат во бесконечност и можеме да ги набљудуваме. Тогаш каде се другите шест димензии? (Не ја заборавајте и временската димензија!)
Тие се тука околу нас, но завиткани околу себеси, односно собрани. Додатните димензии се својствени за математичката концепција на „многуобразие“ (manifold). За пример ќе земеме релативно голема сфера и врз неа ќе поставиме мравка. Површината на сферата за мравката ќе биде рамна. Тоа значи дека имаме „локална“ форма (површината) и „глобална“ форма (сферата). Во овој случај, сферата е случај на дводимензионално многуобразие. Нашиот свет ја има истата појава.
Ние живееме во тридимензионално многуобразие. Дури и да не ги земаме предвид постулатите на теоријата на струни, Општата релативност ни дава четврта димензија, гравитацијата, и универзалниот феномен е опишан со помош на закривеноста на оваа додатна димензија.
Со ова можеме да заклучиме дека едно многуобразие може да има закривеност и други незанемарливи својства.
Заслуги: Ендрју Џ. Хенсон/Викимедија
Многуобразието Калаби-Јау е вид на шестдимензионално многуобразие и предмет на изучување во теоријата на струни. Таа прекрасно предвидува неколку реални теории во четиридимензионално простор-време.
Претходно ја образложивме идејата на Калуца-Клеин за збирање, која исцрпно ја искористивме. Додатните димензии се само компактни повеќекратности кои се многу мали за да можеме да ги забележиме. Дополнително, М-теоријата оди пошироко од десетте димензии на теоријата на струни и употребува вкупно 11 димензии.
Дали теоријата на струни е теоријата на се?
Знаеме дека вистинското знаење на едно поле лежи во самата суштина на работите кои што ги проучува. Не сакаме каталјарда навидум различни теории и параметри за да ја објасниме природата на реалноста, туку обединет и основен пристап.
Стандардниот модел, иако прилично успешен, не ги исполнува овие очекувања. Тој има смисла само со десетици честички и стотици недоволно дефинирани параметри. Најважно е тоа што користиме квантна механика, општа релативност, квантна теорија на полиња и многу други модели за да го добиеме увид во универзумот. Не можат ли сите тие да бидат споени на некој начин? Нели би требало квантната механика и гравитацијата да делат заедничка основна структура? Да, би требало.
Теоријата на се е нашиот обид да обединиме различни теоретски модели за да ја испитаме природата. Теоријата на струни се покажа како најсилниот кандидат за ваков обединет пристап. Таа неочекувано ја предвиде квантизацијата на гравитацијата со гравитонот. Зошто тогаш не е врвното откритие? Теоријата на струни успешно објасни многу сложени феномени, од кои најважните се црните дупки. Црните дупки се многу мали објекти со многу голема маса и за да се проучат потребни се општа релативност и квантни состојби. Теоријата на струни даде нов увид во кварк-глуон плазмата и создадена е врска меѓу квантната теорија на полиња и теоријата на струни, наречена АдС/ЦФТ (AdS/CFT) кореспонденција.
Теоријата на струни досега произвела бројни резултати, а некои од нив можеби изгледаат апсурдни или несфатливи. На пример, таа го предвидува постоењето на 10500 универзуми во еден огромен мултиверзум. Заради овој факт, теоријата на струни се има соочено со многу препреки во минатото. Но тоа што ги вчудоневидува научниците е тоа што оваа контроверзна теорија секогаш се враќа. Нејзините решенија и резултати сеуште се појавуваат во секакви области на науката. Исто така, теоријата на струни инспирира многу нови идеи како суперсиметријата кои сега се добро основани и користени сами по себе.
Контраинтуитивните решенија кои таа ги дава придонесуваат теоријата на струни да биде поле од интерес во медиумите и популарната наука, како и во научната јавност. Но, најголемиот проблем со теоријата на струни е тоа што повеќето од нејзините предвидувања и ставови не можат да се тестираат со експерименти бидејќи за тоа се потребни многу високи нивоа на енергија, нешто што не е возможно со начините на испитување кои моментално ги поседуваме.
Сепак, теоријата на струни не е само теорија туку и револуција во светот на физиката и секогаш некако ќе биде дел од преовладувачкиот академски свет. Теоретските физичари и популарни лица во физиката Брајан Грин и Мичио Каку го тврдат ова.
Тоа беше теоријата на струни, поедноставена.
Превод: Јоаким Јаковлески
Извор: String Theory Explained: A Brief Overview for Starters
