Теорията на суперструните, на популярен език, представя Вселената като колекция от вибриращи нишки на енергия - струни. Те са основата на природата. Хипотезата описва и други елементи - брани. Цялата материя в нашия свят се състои от вибрации на струни и брани. Естествено следствие от теорията е описанието на гравитацията. Ето защо учените вярват, че той държи ключа към обединяването на гравитацията с други сили.
Концепцията се развива
Обединената теория на полето, теорията на суперструните, е чисто математическа. Както всички физически концепции, той се основава на уравнения, които могат да бъдат интерпретирани по определени начини.
Днес никой не знае точно каква ще бъде окончателната версия на тази теория. Учените имат доста неясна представа за общите му елементи, но никой все още не е измислил окончателно уравнение, което да обхване всички теории за суперструните и експериментално все още не е успяло да го потвърди (въпреки че и да не го опровергае). Физиците са създали опростени версии на уравнението, но досега то не описва напълно нашата вселена.
Теория на суперструните за начинаещи
Хипотезата се основава на пет ключови идеи.
- Теорията на суперструните предвижда, че всички обекти в нашия свят са изградени от вибриращи нишки и енергийни мембрани.
- Тя се опитва да комбинира общата теория на относителността (гравитацията) с квантовата физика.
- Теорията на суперструните ще обедини всички фундаментални сили на вселената.
- Тази хипотеза предвижда нова връзка, суперсиметрия, между два фундаментално различни типа частици, бозони и фермиони.
- Концепцията описва редица допълнителни, обикновено ненаблюдаеми измерения на Вселената.
Струни и брани
Когато теорията се появи през 70-те години на миналия век, нишките на енергията в нея се смятаха за едномерни обекти - струни. Думата "едноизмерен" означава, че низът има само 1 измерение, дължината, за разлика например от квадрат, който има както дължина, така и височина.
Теорията разделя тези суперструни на два вида - затворени и отворени. Отворената струна има краища, които не се допират един до друг, докато затворената струна е цикъл без отворени краища. В резултат на това беше установено, че тези низове, наречени низове от първия тип, са обект на 5 основни типа взаимодействия.
Взаимодействията се основават на способността на низ да свързва и разделя своите краища. Тъй като краищата на отворените струни могат да се комбинират, за да образуват затворени струни, е невъзможно да се изгради теория на суперструните, която не включва примкови струни.
Това се оказа важно, тъй като затворените струни имат свойства, смятат физиците, които биха могли да опишат гравитацията. С други думи, учениосъзна, че теорията на суперструните, вместо да обяснява частиците на материята, може да опише тяхното поведение и гравитация.
След много години беше открито, че освен струните, за теорията са необходими и други елементи. Те могат да се разглеждат като чаршафи или брани. Струните могат да бъдат прикрепени от едната или от двете страни.
Квантова гравитация
Съвременната физика има два основни научни закона: обща теория на относителността (ОТО) и квантов. Те представляват напълно различни области на науката. Квантовата физика изучава най-малките естествени частици, а GR, като правило, описва природата в мащаба на планетите, галактиките и Вселената като цяло. Хипотезите, които се опитват да ги обединят, се наричат квантови теории на гравитацията. Най-обещаващият от тях днес е низът.
Затворените нишки съответстват на поведението на гравитацията. По-специално, те имат свойствата на гравитон, частица, която носи гравитация между обекти.
Обединяване на силите
Теорията на струните се опитва да комбинира четирите сили - електромагнитни, силни и слаби ядрени сили и гравитацията - в една. В нашия свят те се проявяват като четири различни феномена, но теоретиците на струните вярват, че в ранната Вселена, когато е имало невероятно високи нива на енергия, всички тези сили се описват от струни, взаимодействащи една с друга.
Суперсиметрия
Всички частици във Вселената могат да бъдат разделени на два вида: бозони и фермиони. Теория на струнитепредсказва, че има връзка между тях, наречена суперсиметрия. В суперсиметрията трябва да има фермион за всеки бозон и бозон за всеки фермион. За съжаление съществуването на такива частици не е експериментално потвърдено.
Суперсиметрията е математическа връзка между елементите на физическите уравнения. Тя е открита в друга област на физиката и нейното приложение доведе до преименуването на суперсиметричната теория на струните (или теорията на суперструните, на популярен език) в средата на 70-те години.
Едно от предимствата на суперсиметрията е, че тя значително опростява уравненията, като позволява някои променливи да бъдат елиминирани. Без суперсиметрия, уравненията водят до физически противоречия като безкрайни стойности и въображаеми енергийни нива.
Тъй като учените не са наблюдавали частиците, предсказани от суперсиметрията, това все още е хипотеза. Много физици смятат, че причината за това е необходимостта от значително количество енергия, която е свързана с масата чрез известното уравнение на Айнщайн E=mc2. Тези частици биха могли да съществуват в ранната вселена, но докато се охлажда и енергията се разпространява след Големия взрив, тези частици се преместват на ниски енергийни нива.
С други думи, струните, които вибрираха като високоенергийни частици, загубиха енергията си, превръщайки ги в елементи с по-ниски вибрации.
Учените се надяват, че астрономически наблюдения или експерименти с ускорители на частици ще потвърдят теорията, като разкрият някои от суперсиметричните елементи с по-високаенергия.
Допълнителни измервания
Друго математическо следствие от теорията на струните е, че тя има смисъл в свят с повече от три измерения. В момента има две обяснения за това:
- Допълнителните измерения (шест от тях) се свиха или, в терминологията на теорията на струните, компактизирани до невероятно малки размери, които никога няма да бъдат възприети.
- Ние сме заседнали в 3D брана, а другите измерения се простират отвъд него и са недостъпни за нас.
Важна линия на изследване сред теоретиците е математическото моделиране на това как тези допълнителни координати могат да бъдат свързани с нашите. Последните резултати прогнозират, че учените скоро ще могат да открият тези допълнителни измерения (ако съществуват) в предстоящи експерименти, тъй като те може да са по-големи от очакваното преди.
Разбиране на целта
Целта, към която се стремят учените, когато изследват суперструните, е "теория на всичко", тоест една единствена физическа хипотеза, която описва цялата физическа реалност на фундаментално ниво. Ако успее, това би могло да изясни много въпроси относно структурата на нашата вселена.
Обяснение на материята и масата
Една от основните задачи на съвременните изследвания е намирането на решения за реални частици.
Теорията на струните започва като концепция, описваща частици като адрони в различни по-високи вибрационни състояния на струна. В повечето съвременни формулировки, въпросът, наблюдаван в нашатаВселената, е резултат от вибрации на струни и брани с най-ниска енергия. По-високите вибрации генерират високоенергийни частици, които в момента не съществуват в нашия свят.
Масата на тези елементарни частици е проявление на това как струните и браните са увити в компактни допълнителни измерения. Например, в опростен случай, когато те са сгънати във форма на поничка, наречена тор от математиците и физиците, низ може да увие тази форма по два начина:
- кратък цикъл през средата на тора;
- дълъг контур около цялата външна обиколка на тора.
Къс цикъл ще бъде лека частица, а голям цикъл ще бъде тежък. Обвиването на струни около тороидални компактни размери произвежда нови елементи с различни маси.
Теорията на суперструните кратко и ясно, просто и елегантно обяснява прехода на дължината в маса. Сгънатите размери тук са много по-сложни от тора, но по принцип работят по същия начин.
Възможно е дори, макар и трудно да си представим, струната да се увива около тора в две посоки едновременно, което води до различна частица с различна маса. Branes също могат да обвиват допълнителни измерения, създавайки още повече възможности.
Определяне на пространство и време
В много версии на теорията на суперструните, измеренията се свиват, което ги прави ненаблюдаеми при сегашното ниво на технологично развитие.
В момента не е ясно дали теорията на струните може да обясни фундаменталната природа на пространството и времетоповече от Айнщайн. В него измерванията са фон за взаимодействието на низовете и нямат независимо реално значение.
Предложени са обяснения, които не са напълно разработени, относно представянето на пространство-времето като производна на общата сума от всички взаимодействия на низовете.
Този подход не отговаря на идеите на някои физици, което доведе до критика на хипотезата. Конкурентната теория на кръговата квантова гравитация използва квантуването на пространството и времето като отправна точка. Някои вярват, че в крайна сметка това ще бъде просто различен подход към същата основна хипотеза.
Квантиране на гравитацията
Основното постижение на тази хипотеза, ако се потвърди, ще бъде квантовата теория на гравитацията. Настоящото описание на гравитацията в общата теория на относителността е несъвместимо с квантовата физика. Последното, като налага ограничения върху поведението на малките частици, води до противоречия при опит за изследване на Вселената в изключително малък мащаб.
Обединение на силите
В момента физиците познават четири фундаментални сили: гравитацията, електромагнитното, слабото и силното ядрено взаимодействие. От теорията на струните следва, че всички те някога са били проявления на едно.
Според тази хипотеза, тъй като ранната вселена се охлади след Големия взрив, това единично взаимодействие започна да се разпада на различни, които са активни днес.
Експериментите с висока енергия един ден ще ни позволят да открием обединението на тези сили, въпреки че подобни експерименти са далеч отвъд сегашното развитие на технологиите.
Пет избора
След революцията на суперструните през 1984 г. развитието се извършва с трескаво темпо. В резултат на това вместо една концепция имаше пет, наречени типове I, IIA, IIB, HO, HE, всеки от които описваше почти напълно нашия свят, но не напълно.
Физиците, сортиращи версии на теорията на струните с надеждата да намерят универсална истинска формула, създадоха 5 различни самодостатъчни версии. Някои от техните свойства отразяват физическата реалност на света, други не отговарят на реалността.
M-теория
На конференция през 1995 г. физикът Едуард Витън предложи смело решение на проблема с петте хипотези. Въз основа на новооткритата двойственост, всички те се превърнаха в специални случаи на една всеобхватна концепция, наречена М-теория на Витен за суперструните. Една от ключовите му концепции бяха брани (съкратено от мембрана), фундаментални обекти с повече от 1 измерение. Въпреки че авторът не е предложил пълна версия, която все още не е налична, M-теорията на суперструните накратко се състои от следните характеристики:
- 11-измерение (10 пространствени плюс 1 времево измерение);
- дуалности, които водят до пет теории, обясняващи една и съща физическа реалност;
- branes са низове с повече от 1 измерение.
Последствия
В резултат на това вместо едно имаше 10500 решения. За някои физици това предизвика криза, докато други приеха антропния принцип, който обяснява свойствата на Вселената с нашето присъствие в нея. Остава да видим кога теоретиците ще намерят другначин за ориентация в теорията на суперструните.
Някои интерпретации предполагат, че нашият свят не е единственият. Най-радикалните версии позволяват съществуването на безкраен брой вселени, някои от които съдържат точни копия на нашите собствени.
Теорията на Айнщайн предсказва съществуването на навито пространство, което се нарича червейна дупка или мост на Айнщайн-Розен. В този случай два отдалечени обекта са свързани с кратък пасаж. Теорията на суперструните позволява не само това, но и свързването на отдалечени точки от паралелни светове. Възможно е дори преминаване между вселени с различни закони на физиката. Въпреки това е вероятно квантовата теория на гравитацията да направи тяхното съществуване невъзможно.
Много физици вярват, че холографският принцип, когато цялата информация, съдържаща се в обема на пространството, съответства на информацията, записана на неговата повърхност, ще позволи по-задълбочено разбиране на концепцията за енергийните нишки.
Някои вярват, че теорията на суперструните позволява множество измерения на времето, което може да доведе до пътуване през тях.
Освен това в рамките на хипотезата има алтернатива на модела на Големия взрив, според който нашата Вселена се е появила в резултат на сблъсък на две брани и преминава през повтарящи се цикли на създаване и унищожение.
Крайната съдба на Вселената винаги е занимавала физиците и окончателната версия на теорията на струните ще помогне да се определи плътността на материята и космологичната константа. Познавайки тези стойности, космолозите могат да определят дали Вселената ще го направисвийте, докато експлодира, за да започнете всичко отначало.
Никой не знае докъде може да доведе една научна теория, докато не бъде разработена и тествана. Айнщайн, записвайки уравнението E=mc2, не е очаквал, че това ще доведе до появата на ядрени оръжия. Създателите на квантовата физика не знаеха, че тя ще стане основа за създаване на лазер и транзистор. И въпреки че все още не е известно до какво ще доведе такава чисто теоретична концепция, историята показва, че нещо невероятно ще се получи.
За повече информация относно тази хипотеза вижте теорията на суперструните на Андрю Цимерман за манекени.
