Teorija superstruna, na popularnom jeziku, predstavlja univerzum kao skup vibrirajućih niti energije - struna. Oni su temelj prirode. Hipoteza opisuje i druge elemente - brane. Sva materija u našem svijetu sastoji se od vibracija struna i brana. Prirodna posljedica teorije je opis gravitacije. Zbog toga naučnici vjeruju da on drži ključ za ujedinjenje gravitacije s drugim silama.
Koncept se razvija
Ujedinjena teorija polja, teorija superstruna, je čisto matematička. Kao i svi fizički koncepti, on se zasniva na jednačinama koje se mogu tumačiti na određene načine.
Danas niko ne zna tačno koja će biti konačna verzija ove teorije. Naučnici imaju prilično nejasnu predstavu o njegovim općim elementima, ali još nitko nije došao do konačne jednadžbe koja bi obuhvatila sve teorije superstruna, a eksperimentalno to još nije uspjelo potvrditi (iako ne i opovrgnuti). Fizičari su kreirali pojednostavljene verzije jednadžbe, ali do sada ona ne opisuje baš naš univerzum.
Teorija superstruna za početnike
Hipoteza se zasniva na pet ključnih ideja.
- Teorija superstruna predviđa da su svi objekti u našem svijetu sastavljeni od vibrirajućih filamenata i energetskih membrana.
- Ona pokušava da kombinuje opštu relativnost (gravitaciju) sa kvantnom fizikom.
- Teorija superstruna će ujediniti sve fundamentalne sile univerzuma.
- Ova hipoteza predviđa novu vezu, supersimetriju, između dvije fundamentalno različite vrste čestica, bozona i fermiona.
- Koncept opisuje niz dodatnih, obično neuočljivih dimenzija Univerzuma.
Strings and branes
Kada se teorija pojavila 1970-ih, niti energije u njoj su se smatrale jednodimenzionalnim objektima - strunama. Riječ "jednodimenzionalan" znači da niz ima samo 1 dimenziju, dužinu, za razliku od, na primjer, kvadrata, koji ima i dužinu i visinu.
Teorija deli ove superstrune u dva tipa - zatvorene i otvorene. Otvorena žica ima krajeve koji se ne dodiruju, dok je zatvorena žica petlja bez otvorenih krajeva. Kao rezultat toga, ustanovljeno je da su ovi nizovi, nazvani stringovi prvog tipa, podložni 5 glavnih tipova interakcija.
Interakcije se zasnivaju na sposobnosti niza da poveže i odvoji svoje krajeve. Pošto se krajevi otvorenih struna mogu kombinovati u zatvorene žice, nemoguće je konstruisati teoriju superstruna koja ne uključuje petlje.
Ovo se pokazalo važnim, jer zatvorene žice imaju svojstva, vjeruju fizičari, koja mogu opisati gravitaciju. Drugim riječima, naučnicishvatio da teorija superstruna, umjesto da objašnjava čestice materije, može opisati njihovo ponašanje i gravitaciju.
Nakon mnogo godina, otkriveno je da su, osim struna, i drugi elementi neophodni za teoriju. Mogu se smatrati plahtama ili branama. Konce se mogu pričvrstiti na jednu ili obje strane.
Kvantna gravitacija
Moderna fizika ima dva glavna naučna zakona: opštu relativnost (GR) i kvantni. Oni predstavljaju potpuno različite oblasti nauke. Kvantna fizika proučava najmanje prirodne čestice, a GR, po pravilu, opisuje prirodu na skali planeta, galaksija i svemira u cjelini. Hipoteze koje pokušavaju da ih ujedine nazivaju se kvantne teorije gravitacije. Najperspektivniji od njih danas je žica.
Zatvorene niti odgovaraju ponašanju gravitacije. Konkretno, oni imaju svojstva gravitona, čestice koja nosi gravitaciju između objekata.
Udruživanje snaga
Teorija struna pokušava spojiti četiri sile - elektromagnetne, jake i slabe nuklearne sile i gravitaciju - u jednu. U našem svijetu se manifestiraju kao četiri različita fenomena, ali teoretičari struna vjeruju da su u ranom svemiru, kada su postojale nevjerovatno visoke razine energije, sve ove sile opisane strunama koje međusobno djeluju.
Supersimetrija
Sve čestice u svemiru mogu se podijeliti u dvije vrste: bozone i fermione. Teorija strunapredviđa da postoji odnos između njih, nazvan supersimetrija. U supersimetriji, mora postojati fermion za svaki bozon i bozon za svaki fermion. Nažalost, postojanje takvih čestica nije eksperimentalno potvrđeno.
Supersimetrija je matematički odnos između elemenata fizičkih jednačina. Otkriven je u drugom području fizike, a njegova primjena dovela je do preimenovanja supersimetrične teorije struna (ili teorije superstruna, u narodnom govoru) sredinom 1970-ih.
Jedna od prednosti supersimetrije je da u velikoj meri pojednostavljuje jednačine dozvoljavajući da se neke varijable eliminišu. Bez supersimetrije, jednadžbe dovode do fizičkih kontradikcija kao što su beskonačne vrijednosti i imaginarni energetski nivoi.
Pošto naučnici nisu posmatrali čestice predviđene supersimetrijom, to je još uvek hipoteza. Mnogi fizičari smatraju da je razlog tome potreba za značajnom količinom energije, koja je povezana sa masom poznatom Einsteinovom jednačinom E=mc2. Ove čestice su mogle postojati u ranom svemiru, ali kako se hladio i energija širila nakon Velikog praska, te su se čestice pomjerile na niske energetske nivoe.
Drugim riječima, žice koje su vibrirale kao čestice visoke energije izgubile su energiju, pretvarajući ih u elemente niže vibracije.
Naučnici se nadaju da će astronomska zapažanja ili eksperimenti s akceleratorima čestica potvrditi teoriju otkrivanjem nekih supersimetričnih elemenata s višimenergija.
Dodatne mjere
Još jedna matematička posljedica teorije struna je da ona ima smisla u svijetu sa više od tri dimenzije. Trenutno postoje dva objašnjenja za ovo:
- Dodatne dimenzije (njih šest) su se srušile, ili, u terminologiji teorije struna, kompaktirane u neverovatno male veličine koje se nikada neće uočiti.
- Zaglavljeni smo u 3D brani, a ostale dimenzije se protežu izvan nje i nedostupne su nam.
Važna linija istraživanja među teoretičarima je matematičko modeliranje kako bi ove dodatne koordinate mogle biti povezane s našima. Najnoviji rezultati predviđaju da će naučnici uskoro moći otkriti ove dodatne dimenzije (ako postoje) u nadolazećim eksperimentima, jer bi mogle biti veće nego što se ranije očekivalo.
Razumijevanje svrhe
Cilj kojem naučnici teže kada istražuju superstrune je "teorija svega", odnosno jedna fizička hipoteza koja opisuje cjelokupnu fizičku stvarnost na fundamentalnom nivou. Ako bude uspješan, mogao bi razjasniti mnoga pitanja o strukturi našeg univerzuma.
Objašnjenje materije i mase
Jedan od glavnih zadataka modernog istraživanja je pronalaženje rješenja za stvarne čestice.
Teorija struna je započela kao koncept koji opisuje čestice kao što su hadroni u različitim višim vibracijskim stanjima strune. U većini savremenih formulacija, materija posmatrana u našojsvemir, rezultat je vibracija struna i brana sa najnižom energijom. Više vibracije stvaraju čestice visoke energije koje trenutno ne postoje u našem svijetu.
Masa ovih elementarnih čestica je manifestacija kako su strune i brane umotane u kompaktne dodatne dimenzije. Na primjer, u pojednostavljenom slučaju kada su presavijeni u oblik krofne, koji matematičari i fizičari nazivaju torus, niz može omotati ovaj oblik na dva načina:
- kratka petlja kroz sredinu torusa;
- duga petlja oko cijelog vanjskog obima torusa.
Kratka petlja će biti laka čestica, a velika petlja će biti teška. Omotavanje žica oko toroidalnih kompaktnih dimenzija proizvodi nove elemente s različitim masama.
Teorija superstruna sažeto i jasno, jednostavno i elegantno objašnjava prijelaz dužine u masu. Ovdje su presavijene dimenzije mnogo komplikovanije od torusa, ali u principu rade na isti način.
Moguće je čak, iako je teško zamisliti, da se niz obavija oko torusa u dva smjera u isto vrijeme, što rezultira različitim česticama različite mase. Brane također mogu obaviti dodatne dimenzije, stvarajući još više mogućnosti.
Određivanje prostora i vremena
U mnogim verzijama teorije superstruna, dimenzije se kolabiraju, čineći ih neuočljivim na trenutnom nivou razvoja tehnologije.
Trenutno nije jasno da li teorija struna može objasniti fundamentalnu prirodu prostora i vremenaviše nego Ajnštajn. U njemu su mjerenja pozadina za interakciju žica i nemaju nezavisno pravo značenje.
Ponuđena su objašnjenja, koja nisu u potpunosti razvijena, u vezi sa predstavljanjem prostor-vremena kao derivatom ukupnog zbira svih interakcija nizova.
Ovaj pristup ne odgovara idejama nekih fizičara, što je dovelo do kritike hipoteze. Kompetitivna teorija kvantne gravitacije u petlji koristi kvantizaciju prostora i vremena kao polaznu tačku. Neki vjeruju da će to na kraju biti samo drugačiji pristup istoj osnovnoj hipotezi.
Kvantizacija gravitacije
Glavno dostignuće ove hipoteze, ako se ona potvrdi, biće kvantna teorija gravitacije. Trenutni opis gravitacije u opštoj relativnosti nije u skladu sa kvantnom fizikom. Ovo posljednje, nametanjem ograničenja u ponašanju malih čestica, dovodi do kontradikcija kada se pokušava istražiti Univerzum u izuzetno maloj mjeri.
Ujedinjenje snaga
Trenutno, fizičari poznaju četiri fundamentalne sile: gravitaciju, elektromagnetnu, slabu i jaku nuklearnu interakciju. Iz teorije struna slijedi da su svi oni nekada bili manifestacije jednog.
Prema ovoj hipotezi, otkako se rani svemir ohladio nakon velikog praska, ova pojedinačna interakcija je počela da se raspada na različite koje su aktivne danas.
Eksperimenti visoke energije će nam jednog dana omogućiti da otkrijemo ujedinjenje ovih sila, iako takvi eksperimenti daleko prevazilaze trenutni razvoj tehnologije.
Pet izbora
Nakon revolucije superstruna 1984. godine, razvoj se odvijao grozničavim tempom. Kao rezultat toga, umjesto jednog koncepta, postojalo je pet, nazvanih tipova I, IIA, IIB, HO, HE, od kojih je svaki gotovo u potpunosti opisivao naš svijet, ali ne u potpunosti.
Fizičari, sortirajući verzije teorije struna u nadi da će pronaći univerzalnu istinitu formulu, stvorili su 5 različitih samodovoljnih verzija. Neka njihova svojstva odražavala su fizičku stvarnost svijeta, druga nisu odgovarala stvarnosti.
M-teorija
Na konferenciji 1995. godine, fizičar Edward Witten predložio je hrabro rješenje problema pet hipoteza. Na osnovu novootkrivene dualnosti, svi su postali posebni slučajevi jednog sveobuhvatnog koncepta, nazvanog Wittenova M-teorija superstruna. Jedan od njegovih ključnih koncepata bili su brane (skraćeno od membrane), fundamentalni objekti sa više od jedne dimenzije. Iako autor nije ponudio punu verziju, koja još nije dostupna, M-teorija superstruna se ukratko sastoji od sljedećih karakteristika:
- 11-dimenzija (10 prostornih plus 1 vremenska dimenzija);
- dualnosti koje vode do pet teorija koje objašnjavaju istu fizičku stvarnost;
- brane su žice sa više od 1 dimenzije.
Posljedice
Kao rezultat, umjesto jednog, bilo je 10500 rješenja. Za neke fizičare to je izazvalo krizu, dok su drugi prihvatili antropski princip, koji svojstva svemira objašnjava našim prisustvom u njemu. Ostaje da se vidi kada će teoretičari pronaći drugunačin orijentacije u teoriji superstruna.
Neka tumačenja sugeriraju da naš svijet nije jedini. Najradikalnije verzije dozvoljavaju postojanje beskonačnog broja univerzuma, od kojih neki sadrže tačne kopije naših.
Ajnštajnova teorija predviđa postojanje namotanog prostora, koji se naziva crvotočina ili Ajnštajn-Rozenov most. U ovom slučaju, dva udaljena mjesta su povezana kratkim prolazom. Teorija superstruna dozvoljava ne samo to, već i povezivanje udaljenih tačaka paralelnih svjetova. Moguća je čak i tranzicija između univerzuma s različitim zakonima fizike. Međutim, vjerovatno je da će kvantna teorija gravitacije onemogućiti njihovo postojanje.
Mnogi fizičari vjeruju da će holografski princip, kada sve informacije sadržane u volumenu prostora odgovaraju informacijama zabilježenim na njegovoj površini, omogućiti dublje razumijevanje koncepta energetskih niti.
Neki vjeruju da teorija superstruna dozvoljava višestruke dimenzije vremena, što bi moglo rezultirati putovanjem kroz njih.
Pored toga, u okviru hipoteze, postoji alternativa modelu velikog praska, prema kojem je naš svemir nastao kao rezultat sudara dvije brane i prolazi kroz ponavljane cikluse stvaranja i uništenja.
Konačna sudbina svemira oduvijek je zaokupljala fizičare, a konačna verzija teorije struna pomoći će u određivanju gustine materije i kosmološke konstante. Poznavajući ove vrijednosti, kosmolozi mogu odrediti hoće li univerzumsmanji se dok ne eksplodira da sve počne iznova.
Niko ne zna kuda naučna teorija može dovesti dok se ne razvije i testira. Ajnštajn, pišući jednačinu E=mc2, nije očekivao da će to dovesti do pojave nuklearnog oružja. Tvorci kvantne fizike nisu znali da će ona postati osnova za stvaranje lasera i tranzistora. I iako se još ne zna do čega će takav čisto teorijski koncept dovesti, historija pokazuje da će nešto izvanredno sigurno ispasti.
Za više o ovoj pretpostavci, pogledajte Teoriju superstruna za lutke Andrewa Zimmermana.
