Superstīgu teorija, populārā valodā, Visumu attēlo kā vibrējošu enerģijas virzienu - stīgu - kopumu. Tie ir dabas pamats. Hipotēze apraksta arī citus elementus - branas. Visa matērija mūsu pasaulē sastāv no stīgu un branu vibrācijām. Dabiskas teorijas sekas ir gravitācijas apraksts. Tāpēc zinātnieki uzskata, ka tajā ir atslēga gravitācijas apvienošanai ar citiem spēkiem.
Koncepcija attīstās
Vienotā lauka teorija, superstīgu teorija, ir tīri matemātiska. Tāpat kā visi fiziskie jēdzieni, tas ir balstīts uz vienādojumiem, kurus var interpretēt noteiktos veidos.
Šodien neviens precīzi nezina, kāda būs šīs teorijas galīgā versija. Zinātniekiem ir diezgan neskaidrs priekšstats par tā vispārīgajiem elementiem, taču neviens vēl nav nācis klajā ar galīgu vienādojumu, kas aptvertu visas superstīgu teorijas, un eksperimentāli tas vēl nav spējis to apstiprināt (lai gan arī neatspēkot).. Fiziķi ir radījuši vienkāršotas vienādojuma versijas, taču līdz šim tas ne visai apraksta mūsu Visumu.
Superstīgu teorija iesācējiem
Hipotēze ir balstīta uz piecām galvenajām idejām.
- Superstīgu teorija paredz, ka visi objekti mūsu pasaulē sastāv no vibrējošiem pavedieniem un enerģijas membrānām.
- Viņa mēģina apvienot vispārējo relativitāti (gravitāciju) ar kvantu fiziku.
- Superstīgu teorija apvienos visus Visuma pamatspēkus.
- Šī hipotēze paredz jaunu savienojumu, supersimetriju, starp diviem būtiski atšķirīgiem daļiņu veidiem, bozoniem un fermioniem.
- Jēdziens apraksta vairākas papildu, parasti nenovērojamas Visuma dimensijas.
Stīgas un branes
Kad teorija radās 1970. gados, enerģijas pavedieni tajā tika uzskatīti par 1-dimensijas objektiem – stīgām. Vārds "viendimensionāls" nozīmē, ka virknei ir tikai 1 dimensija, garums, atšķirībā no, piemēram, kvadrāta, kuram ir gan garums, gan augstums.
Teorija iedala šīs superstīgas divos veidos – slēgtās un atvērtās. Atvērtai virknei ir gali, kas nepieskaras viens otram, savukārt slēgta virkne ir cilpa bez atvērtiem galiem. Rezultātā tika konstatēts, ka šīs virknes, ko sauc par pirmā tipa virknēm, ir pakļautas 5 galvenajiem mijiedarbības veidiem.
Mijiedarbības pamatā ir virknes spēja savienot un atdalīt tās galus. Tā kā atvērto virkņu galus var apvienot, veidojot slēgtas virknes, nav iespējams izveidot superstīgu teoriju, kas neietver cilpas virknes.
Tas izrādījās svarīgi, jo slēgtām stīgām piemīt īpašības, kas varētu raksturot gravitāciju, uzskata fiziķi. Citiem vārdiem sakot, zinātniekisapratu, ka superstīgu teorija tā vietā, lai izskaidrotu matērijas daļiņas, var aprakstīt to uzvedību un gravitāciju.
Pēc daudziem gadiem atklājās, ka teorijai papildus stīgām ir nepieciešami arī citi elementi. Tos var uzskatīt par loksnēm vai branām. Stīgas var piestiprināt vienā vai abās pusēs.
Kvantu gravitācija
Mūsdienu fizikā ir divi galvenie zinātniskie likumi: vispārējā relativitāte (GR) un kvanti. Viņi pārstāv pilnīgi dažādas zinātnes jomas. Kvantu fizika pēta mazākās dabiskās daļiņas, un GR, kā likums, apraksta dabu planētu, galaktiku un visuma mērogā. Hipotēzes, kas mēģina tās apvienot, sauc par kvantu gravitācijas teorijām. Visdaudzsološākā no tām šodien ir virkne.
Slēgtie pavedieni atbilst gravitācijas uzvedībai. Jo īpaši tiem ir gravitona īpašības, daļiņas, kas nes gravitāciju starp objektiem.
Apvieno spēkus
Stīgu teorija mēģina apvienot četrus spēkus - elektromagnētiskos, spēcīgos un vājos kodolspēkus un gravitāciju - vienā. Mūsu pasaulē tie izpaužas kā četras dažādas parādības, taču stīgu teorētiķi uzskata, ka agrīnajā Visumā, kad bija neticami augsts enerģijas līmenis, visus šos spēkus apraksta virknes, kas savstarpēji mijiedarbojas.
Supersimetrija
Visas Visuma daļiņas var iedalīt divos veidos: bozonos un fermionos. Stīgu teorijaprognozē, ka starp tām pastāv attiecības, ko sauc par supersimetriju. Supersimetrijā ir jābūt fermionam katram bozonam un bozonam katram fermionam. Diemžēl šādu daļiņu esamība nav eksperimentāli apstiprināta.
Supersimetrija ir matemātiska sakarība starp fizisko vienādojumu elementiem. Tā tika atklāta citā fizikas jomā, un tās izmantošana noveda pie supersimetrisko stīgu teorijas (vai superstīgu teorijas, tautas valodā runājot) pārdēvēšanas 1970. gadu vidū.
Viena no supersimetrijas priekšrocībām ir tā, ka tā ievērojami vienkāršo vienādojumus, ļaujot izslēgt dažus mainīgos. Bez supersimetrijas vienādojumi rada fiziskas pretrunas, piemēram, bezgalīgas vērtības un iedomātus enerģijas līmeņus.
Tā kā zinātnieki nav novērojuši supersimetrijas prognozētās daļiņas, tā joprojām ir hipotēze. Daudzi fiziķi uzskata, ka iemesls tam ir nepieciešamība pēc ievērojama enerģijas daudzuma, kas ir saistīta ar masu ar slaveno Einšteina vienādojumu E=mc2. Šīs daļiņas varēja pastāvēt agrīnajā Visumā, taču, kad pēc Lielā sprādziena tas atdzisa un enerģija izplatījās, šīs daļiņas pārcēlās uz zemu enerģijas līmeni.
Citiem vārdiem sakot, stīgas, kas vibrēja kā augstas enerģijas daļiņas, zaudēja savu enerģiju, pārvēršot tās par zemākas vibrācijas elementiem.
Zinātnieki cer, ka astronomiskie novērojumi vai eksperimenti ar daļiņu paātrinātājiem apstiprinās teoriju, atklājot dažus supersimetriskos elementus ar augstākuenerģija.
Papildu izmēri
Citas stīgu teorijas matemātiskas sekas ir tādas, ka tai ir jēga pasaulē, kurā ir vairāk nekā trīs dimensijas. Pašlaik tam ir divi skaidrojumi:
- Papildu izmēri (seši no tiem) ir sabrukuši vai, stīgu teorijas terminoloģijā, saspiesti līdz neticami maziem izmēriem, kas nekad netiks uztverti.
- Mēs esam iestrēguši 3D brēnā, un pārējās dimensijas sniedzas ārpus tās un mums nav pieejamas.
Svarīgs teorētiķu pētījumu virziens ir matemātiskā modelēšana par to, kā šīs papildu koordinātas varētu būt saistītas ar mūsu koordinātām. Jaunākie rezultāti paredz, ka zinātnieki drīzumā varēs atklāt šīs papildu dimensijas (ja tādas pastāv) gaidāmajos eksperimentos, jo tās var būt lielākas nekā iepriekš gaidīts.
Mērķa izpratne
Mērķis, uz kuru zinātnieki tiecas, pētot superstīgas, ir "teorija par visu", tas ir, viena fiziska hipotēze, kas apraksta visu fizisko realitāti fundamentālā līmenī. Ja tas izdosies, tas varētu noskaidrot daudzus jautājumus par mūsu Visuma uzbūvi.
Matērijas un masas skaidrojums
Viens no mūsdienu pētījumu galvenajiem uzdevumiem ir atrast risinājumus īstām daļiņām.
Stīgu teorija aizsākās kā jēdziens, kas apraksta daļiņas, piemēram, hadronus dažādos virknes augstāko vibrāciju stāvokļos. Lielākajā daļā mūsdienu formulējumu jautājums novērots mūsuVisums, ir virkņu un branu ar viszemāko enerģiju vibrāciju rezultāts. Augstākas vibrācijas rada augstas enerģijas daļiņas, kuras pašlaik mūsu pasaulē neeksistē.
Šo elementārdaļiņu masa ir izpausme tam, kā stīgas un branas tiek ietītas sablīvētās papildu dimensijās. Piemēram, vienkāršotā gadījumā, kad tie ir salocīti virtuļa formā, ko matemātiķi un fiziķi sauc par toru, aukla var apvilkt šo formu divos veidos:
- īsa cilpa caur tora vidu;
- gara cilpa ap visu tora ārējo apkārtmēru.
Īsa cilpa būs viegla daļiņa, bet liela cilpa būs smaga. Aptinot stīgas ap toroidāli saspiestiem izmēriem, tiek iegūti jauni elementi ar dažādu masu.
Superstīgu teorija kodolīgi un skaidri, vienkārši un eleganti izskaidro garuma pāreju uz masu. Šeit salocītie izmēri ir daudz sarežģītāki nekā toram, taču principā tie darbojas tāpat.
Ir pat iespējams, lai gan grūti iedomāties, ka virkne apvij toru divos virzienos vienlaikus, kā rezultātā veidojas cita daļiņa ar atšķirīgu masu. Branes var arī aptvert papildu izmērus, radot vēl vairāk iespēju.
Telpas un laika noteikšana
Daudzās superstīgu teorijas versijās izmēri sabrūk, padarot tos nepamanāmus pašreizējā tehnoloģiju attīstības līmenī.
Pašlaik nav skaidrs, vai stīgu teorija var izskaidrot telpas un laika būtībuvairāk nekā to darīja Einšteins. Tajā mērījumi ir stīgu mijiedarbības fons, un tiem nav neatkarīgas reālas nozīmes.
Ir piedāvāti, nepilnīgi izstrādāti skaidrojumi attiecībā uz telpas-laika attēlojumu kā visu virkņu mijiedarbības kopējās summas atvasinājumu.
Šī pieeja neatbilst dažu fiziķu idejām, kas izraisīja hipotēzes kritiku. Konkurences teorija par cilpas kvantu gravitāciju kā sākumpunktu izmanto telpas un laika kvantēšanu. Daži uzskata, ka tā galu galā būs tikai atšķirīga pieeja tai pašai pamata hipotēzei.
Gravitācijas kvantifikācija
Šīs hipotēzes galvenais sasniegums, ja tā apstiprināsies, būs gravitācijas kvantu teorija. Pašreizējais gravitācijas apraksts vispārējā relativitātes teorijā neatbilst kvantu fizikai. Pēdējā, uzliekot ierobežojumus mazo daļiņu uzvedībai, rada pretrunas, mēģinot izpētīt Visumu ārkārtīgi mazā mērogā.
Spēku apvienošana
Pašlaik fiziķi zina četrus pamatspēkus: gravitāciju, elektromagnētisko, vājo un spēcīgu kodolu mijiedarbību. No stīgu teorijas izriet, ka tās visas kādreiz bija viena izpausmes.
Saskaņā ar šo hipotēzi, kopš agrīnais Visums pēc lielā sprādziena atdzisa, šī vienotā mijiedarbība sāka sadalīties dažādās mijiedarbībās, kas ir aktīvas šodien.
Augstas enerģijas eksperimenti kādu dienu ļaus mums atklāt šo spēku apvienošanos, lai gan šādi eksperimenti ir daudz tālāk par pašreizējo tehnoloģiju attīstību.
Piecas izvēles iespējas
Pēc superstīgu revolūcijas 1984. gadā attīstība tika veikta drudžainā tempā. Rezultātā viena jēdziena vietā bija pieci, nosaukti tipi I, IIA, IIB, HO, HE, un katrs no tiem gandrīz pilnībā aprakstīja mūsu pasauli, bet ne pilnībā.
Fiziķi, šķirojot stīgu teorijas versijas, cerot atrast universālu patieso formulu, ir radījuši 5 dažādas pašpietiekamas versijas. Dažas to īpašības atspoguļoja pasaules fizisko realitāti, citas neatbilda realitātei.
M-teorija
1995. gada konferencē fiziķis Edvards Vitens piedāvāja drosmīgu risinājumu piecu hipotēžu problēmai. Pamatojoties uz jaunatklāto dualitāti, tie visi kļuva par īpašiem viena visaptveroša jēdziena gadījumiem, ko sauc par Vitena superstīgu M-teoriju. Viens no tā galvenajiem jēdzieniem bija branas (saīsinājums no membrānas), pamata objekti ar vairāk nekā 1 dimensiju. Lai gan autors nepiedāvāja pilnu versiju, kas vēl nav pieejama, superstīgu M-teorija īsumā sastāv no šādām funkcijām:
- 11 dimensiju (10 telpiskā un 1 laika dimensija);
- dualitātes, kas noved pie piecām teorijām, kas izskaidro vienu un to pašu fizisko realitāti;
- brānas ir virknes ar vairāk nekā vienu izmēru.
Sekas
Tā rezultātā viena vietā bija 10500 risinājumi. Dažiem fiziķiem tas izraisīja krīzi, bet citi pieņēma antropisko principu, kas izskaidro Visuma īpašības ar mūsu klātbūtni tajā. Jāskatās, kad teorētiķi atradīs cituorientēšanās veids superstīgu teorijā.
Dažas interpretācijas liecina, ka mūsu pasaule nav vienīgā. Radikālākās versijas pieļauj bezgalīgi daudzu Visumu pastāvēšanu, daži no tiem satur precīzas mūsu pašu kopijas.
Einšteina teorija paredz saritinātas telpas esamību, ko sauc par tārpa caurumu vai Einšteina-Rozena tiltu. Šajā gadījumā divas attālas vietas ir savienotas ar īsu eju. Superstīgu teorija pieļauj ne tikai šo, bet arī attālu paralēlo pasauļu punktu savienojumu. Ir pat iespējams pāriet starp Visumiem ar dažādiem fizikas likumiem. Tomēr ir iespējams, ka gravitācijas kvantu teorija padarīs to pastāvēšanu neiespējamu.
Daudzi fiziķi uzskata, ka hologrāfiskais princips, kad visa telpas tilpumā ietvertā informācija atbilst informācijai, kas ierakstīta uz tās virsmas, ļaus dziļāk izprast enerģijas pavedienu jēdzienu.
Daži uzskata, ka superstīgu teorija pieļauj vairākas laika dimensijas, kā rezultātā tās var ceļot.
Turklāt hipotēzes ietvaros ir alternatīva lielā sprādziena modelim, saskaņā ar kuru mūsu Visums parādījās divu branu sadursmes rezultātā un iziet cauri atkārtotiem radīšanas un iznīcināšanas cikliem.
Visuma galīgais liktenis vienmēr ir nodarbinājis fiziķus, un stīgu teorijas galīgā versija palīdzēs noteikt matērijas blīvumu un kosmoloģisko konstanti. Zinot šīs vērtības, kosmologi var noteikt, vai Visums to darīssarauties, līdz tas uzsprāgst, lai sāktu visu no jauna.
Neviens nezina, kur var novest zinātniska teorija, kamēr tā nav izstrādāta un pārbaudīta. Einšteins, rakstot vienādojumu E=mc2, negaidīja, ka tas novedīs pie kodolieroču parādīšanās. Kvantu fizikas veidotāji nezināja, ka tā kļūs par pamatu lāzera un tranzistora radīšanai. Un, lai gan vēl nav zināms, pie kā novedīs šāda tīri teorētiska koncepcija, vēsture liecina, ka kaut kas izcils noteikti izrādīsies.
Lai iegūtu plašāku informāciju par šo pieņēmumu, skatiet Endrjū Cimmermana sadaļu Superstring Theory for Dummies.
