Dnes je vedecký obraz sveta formovaný tak, že náš vesmír sa riadi dvoma zákonmi - všeobecnou relativitou, ktorá vysvetľuje úžasné dielo gravitácie, a kvantovou mechanikou, ktorá opisuje ďalšie tri interakcie vesmíru (silný jadrový, slabý jadrový a elektromagnetický). Môžete prijať tieto zákony a aplikovať ich na veci vo veľkom meradle - planéty, galaxie a potom na najmenšie mierky - protóny a neutróny. Prečo však príroda vytvorila dva samostatné súbory zákonov pre vesmír?
Teória superstrunu je pokusom odpovedať na dve otázky: Existuje spôsob, ako kombinovať všeobecnú relativitu a kvantovú mechaniku a vytvoriť „teóriu všetkého“? Z čoho všetko pozostáva?
Teória superstrunu
Mysleli sme si, že stavebnými kameňmi života sú atómy, najmenšie zložky hmoty. Ale potom sme zasiahli atómy a našli základné častice, také malé, že ich nemôžeme ani vidieť bez toho, aby sme sa určitým spôsobom zmenili. Aby sme niečo videli, potrebujeme svetlo, aby sa odrazilo od objektu a zasiahlo naše oči, čím sa vytvoril obraz. Svetlo sa skladá z elektromagnetických vĺn, ktoré voľne prechádzajú elementárnymi časticami. Môžeme tieto vlny zahusťovať, pridať do nich energiu, aby zasiahli častice a mohli ich vidieť, ale akonáhle niečo zasiahne časticu, zmení sa, takže ju nevidíme v pôvodnom stave. Nemáme potuchy, ako vyzerajú elementárne častice. Rovnako ako temná energia, temná hmota, nemôžeme pozorovať tieto javy priamo, ale máme dôvod uveriťže existujú.
Tieto častice považujeme za vesmírne body, hoci v skutočnosti nie sú. Táto metóda - myšlienka kvantovej mechaniky, že sily sú prenášané časticami - nám dáva celkom dobrú predstavu o vesmíre a vedie k prielomom, ako sú kvantové rozpúšťadlá a magnetické levitačné vlaky. Aj samotná všeobecná relativita obstála v dobrej skúške času, ktorá vysvetľovala neutrónové hviezdy a Merkúrove orbitálne anomálie, predpovedala čierne diery a zakrivené svetlo. Ale rovnice všeobecnej relativity bohužiaľ prestávajú pracovať v strede čiernej diery a v predvečer Veľkého tresku. Problém je v tom, že nie je možné ich spojiť, pretože gravitácia je spojená s geometriou priestoru a času, keď sa vzdialenosti merajú presne, ale v kvantovom svete neexistuje spôsob, ako nič merať.
Keď sa vedci snažili vymyslieť novú časticu, ktorá by si vzala gravitáciu s kvantovou mechanikou, ich matematika jednoducho zlyhala.
V istom zmysle som sa musel vrátiť na tabuľu. Vedci preto navrhli, že najmenšími zložkami vesmíru nie sú bodky, ale reťazce. Rôzne vibrácie strún vytvárajú rôzne elementárne častice ako kvarky. Vibrujúce struny môžu tvoriť všetku hmotu a všetky štyri sily vo vesmíre - vrátane gravitácie.
Propagačné video:
Vyššie rozmery
Teória superstrunu má problém. To nebude fungovať, ak budeme predpokladať, že žijeme iba tri priestorové dimenzie a jednu časovú dimenziu. Teória strún vyžaduje, aby ste hrali aspoň desať dimenzií.
Keď GR bol prvýkrát počatý, gravitácia zdeformovala priestor a čas na opísanie tejto sily. Ak by teda niekto chcel opísať inú silu, napríklad elektromagnetizmus, musel by pridať novú dimenziu. Vedci napísali rovnice popisujúce krivky a defekty vesmíru s ďalšou dimenziou a získali pôvodnú rovnicu elektromagnetizmu. Úžasný objav.
Extra dimenzie teórie strún nám môžu pomôcť vysvetliť, prečo sú čísla v našom vesmíre tak kalibrované, že umožňujú všetko existovať. Napríklad, prečo je rýchlosť svetla 299 792 458 metrov za sekundu? Snažia sa tiež odpovedať na otázku gravitácie - prečo je táto sila taká slabá? Je to najslabší zo štyroch základných interakcií: 1040-krát slabší ako elektromagnetická sila. Bude stačiť jednoducho sa ohnúť a zdvihnúť knihu z podlahy, aby jej odolala. Teoreticky je to preto, že gravitácia presakuje do vyšších dimenzií. Gravitácia sa skladá z prameňov s uzavretou slučkou, ktoré jej umožňujú opustiť našu dimenziu, na rozdiel od otvorených prameňov, ktoré sú lepšie uzemnené.
Prečo nevidíme všetky tieto dimenzie?
Pretože existujú na takej malej úrovni, že sú pre nás neviditeľní a vzdorujú detekcii. Sú kompaktné, vybavené takým spôsobom, že reprodukujú fyziku nášho sveta a skladajú sa do zaujímavých tvarov Calabi-Yau. Rôzne formy Calabi Yau umožňujú rôzne vibrácie strún a veľmi odlišné vesmíry.
Môžeme dokonca testovať údajné viaceré vesmíry. Pretože predpokladáme, že gravitácia presakuje do vyšších dimenzií, po zrážke dvoch častíc by malo byť menej času ako pred zrážkou. Ale aj za najvýhodnejších podmienok by bolo testovanie niečoho takého neuveriteľne ťažké a nepolapiteľné.
Výpočty teórie strún sa vykonávajú v simulovaných vesmíroch s 10 alebo 11 dimenziami, v ktorých matematika funguje. Vedci sa potom pokúsia vymazať ďalšie dimenzie, zatiaľ sa však nikomu nepodarilo opísať náš vesmír alebo navrhnúť experiment na preukázanie teórie. To však neznamená, že nemáme žiadne aplikácie pre teóriu strún.
Matematický nástroj vyvíjaný ako súčasť výskumu teórie strún nám pomáha porozumieť častiam nášho vesmíru. Môžeme ho použiť na lepšie vysvetlenie informačného paradoxu, kvantovej gravitácie a niektorých problémov v čistej matematike. Niektorí vedci používajú teóriu pre svoje výpočty vo fyzike častíc alebo pri pozorovaní exotických stavov hmoty.
Teória strún nemusí byť teóriou všetkého, ale prinajmenšom je to teória niečoho.
Ilja Khel