Superstygų teorija, populiaria kalba, vaizduoja visatą kaip vibruojančių energijos gijų – stygų – rinkinį. Jie yra gamtos pagrindas. Hipotezėje aprašomi ir kiti elementai – branas. Visa mūsų pasaulio materija susideda iš stygų ir branų virpesių. Natūrali teorijos pasekmė yra gravitacijos aprašymas. Štai kodėl mokslininkai mano, kad tai yra raktas į gravitacijos suvienijimą su kitomis jėgomis.
Koncepcija tobulinama
Vieningo lauko teorija, superstygų teorija, yra grynai matematinė. Kaip ir visos fizinės sąvokos, jis pagrįstas lygtimis, kurias galima interpretuoti tam tikrais būdais.
Šiandien niekas tiksliai nežino, kokia bus galutinė šios teorijos versija. Mokslininkai turi gana miglotą idėją apie jos bendruosius elementus, tačiau niekas dar nepateikė galutinės lygties, kuri apimtų visas superstygų teorijas, o eksperimentiškai to dar nepavyko patvirtinti (nors ir nepaneigti).. Fizikai sukūrė supaprastintas lygties versijas, tačiau iki šiol ji nevisiškai apibūdina mūsų visatą.
Superstygų teorija pradedantiesiems
Hipotezė pagrįsta penkiomis pagrindinėmis idėjomis.
- Superstygų teorija numato, kad visi mūsų pasaulio objektai yra sudaryti iš vibruojančių gijų ir energijos membranų.
- Ji bando sujungti bendrąjį reliatyvumą (gravitaciją) su kvantine fizika.
- Superstygų teorija suvienys visas pagrindines visatos jėgas.
- Ši hipotezė numato naują ryšį, supersimetriją, tarp dviejų iš esmės skirtingų dalelių tipų, bozonų ir fermionų.
- Sąvoka apibūdina daugybę papildomų, dažniausiai nepastebimų Visatos matmenų.
Stygos ir branos
Kai teorija atsirado aštuntajame dešimtmetyje, joje esančios energijos gijos buvo laikomos 1 dimensijos objektais – stygomis. Žodis „vienmatis“reiškia, kad eilutė turi tik 1 matmenį, ilgį, kitaip nei, pavyzdžiui, kvadratas, kuris turi ir ilgį, ir aukštį.
Teorija padalija šias superstygas į du tipus – uždaras ir atviras. Atvira eilutė turi galus, kurie nesiliečia vienas su kitu, o uždara eilutė yra kilpa be atvirų galų. Dėl to buvo nustatyta, kad šios eilutės, vadinamos pirmojo tipo eilutėmis, yra veikiamos 5 pagrindinių sąveikų tipų.
Sąveika grindžiama eilutės galimybe sujungti ir atskirti jos galus. Kadangi atvirų eilučių galai gali susijungti ir sudaryti uždaras eilutes, neįmanoma sukurti superstygų teorijos, kuri neapimtų kilpinių eilučių.
Tai pasirodė svarbu, nes uždaros stygos turi savybių, kurios gali apibūdinti gravitaciją. Kitaip tariant, mokslininkaisuprato, kad superstygų teorija, užuot aiškinusi materijos daleles, gali apibūdinti jų elgesį ir gravitaciją.
Po daugelio metų buvo išsiaiškinta, kad teorijai, be stygų, būtini ir kiti elementai. Jie gali būti laikomi lakštais arba branomis. Stygos gali būti pritvirtintos prie vienos arba abiejų pusių.
Kvantinė gravitacija
Šiuolaikinė fizika turi du pagrindinius mokslinius dėsnius: bendrąjį reliatyvumą (GR) ir kvantinį. Jie atstovauja visiškai skirtingoms mokslo sritims. Kvantinė fizika tiria mažiausias natūralias daleles, o GR, kaip taisyklė, apibūdina gamtą planetų, galaktikų ir visos visatos mastu. Hipotezės, kuriomis bandoma jas suvienodinti, vadinamos kvantinės gravitacijos teorijomis. Perspektyviausia iš jų šiandien yra eilutė.
Uždarytos gijos atitinka gravitacijos elgseną. Visų pirma, jie turi gravitono, dalelės, pernešančios gravitaciją tarp objektų, savybes.
Jėgų sujungimas
Stygų teorija bando sujungti keturias jėgas – elektromagnetines, stipriąsias ir silpnąsias branduolines jėgas bei gravitaciją – į vieną. Mūsų pasaulyje jie pasireiškia kaip keturi skirtingi reiškiniai, tačiau stygų teoretikai mano, kad ankstyvojoje visatoje, kai buvo neįtikėtinai aukštas energijos lygis, visos šios jėgos apibūdinamos viena su kita sąveikaujančiomis stygomis.
Supersimetrija
Visas visatos daleles galima suskirstyti į du tipus: bozonus ir fermionus. Stygų teorijanumato, kad tarp jų yra ryšys, vadinamas supersimetrija. Esant supersimetrijai, kiekvienam bozonui turi būti fermionas ir kiekvienam fermionui – bozonas. Deja, tokių dalelių egzistavimas nebuvo eksperimentiškai patvirtintas.
Supersimetrija yra matematinis ryšys tarp fizikinių lygčių elementų. Jis buvo atrastas kitoje fizikos srityje, o taikant jį aštuntojo dešimtmečio viduryje supersimetrinių stygų teorija (arba superstygų teorija, liaudiškai kalbant) buvo pervadinta.
Vienas iš supersimetrijos pranašumų yra tai, kad ji labai supaprastina lygtis, nes leidžia pašalinti kai kuriuos kintamuosius. Be supersimetrijos lygtys sukelia fizinius prieštaravimus, tokius kaip begalinės reikšmės ir įsivaizduojami energijos lygiai.
Kadangi mokslininkai nepastebėjo supersimetrijos nuspėjamų dalelių, tai vis dar yra hipotezė. Daugelis fizikų mano, kad to priežastis yra didelio energijos kiekio poreikis, susietas su mase pagal garsiąją Einšteino lygtį E=mc2. Šios dalelės galėjo egzistuoti ankstyvojoje visatoje, tačiau po Didžiojo sprogimo jai atvėsus ir pasklidus energijai, šios dalelės perėjo į žemą energijos lygį.
Kitaip tariant, stygos, kurios vibravo kaip didelės energijos dalelės, prarado energiją ir pavertė jas žemesnės vibracijos elementais.
Mokslininkai tikisi, kad astronominiai stebėjimai arba eksperimentai su dalelių greitintuvais patvirtins teoriją, atskleisdami kai kuriuos supersimetrinius elementus, kuriųenergija.
Papildomi išmatavimai
Kita matematinė stygų teorijos pasekmė yra ta, kad ji prasminga pasaulyje, kuriame yra daugiau nei trys dimensijos. Šiuo metu tai yra du paaiškinimai:
- Papildomi matmenys (šeši iš jų) sumažėjo arba, kalbant stygų teorijos terminologijoje, sutankinti iki neįtikėtinai mažų dydžių, kurie niekada nebus suvokiami.
- Esame įstrigę 3D branoje, o kiti matmenys yra už jos ribų ir mums nepasiekiami.
Svarbi teoretikų tyrimų kryptis yra matematinis modeliavimas, kaip šios papildomos koordinatės gali būti susijusios su mūsų koordinatėmis. Naujausi rezultatai prognozuoja, kad mokslininkai netrukus galės aptikti šiuos papildomus matmenis (jei tokių yra) būsimuose eksperimentuose, nes jie gali būti didesni, nei tikėtasi anksčiau.
Tikslo supratimas
Tikslas, kurio mokslininkai siekia tyrinėdami superstygas, yra „visko teorija“, ty viena fizinė hipotezė, apibūdinanti visą fizinę tikrovę esminiu lygmeniu. Jei pasiseks, tai gali išsiaiškinti daugelį klausimų apie mūsų visatos struktūrą.
Materijos ir masės paaiškinimas
Viena iš pagrindinių šiuolaikinių tyrimų užduočių – rasti sprendimus tikroms dalelėms.
Stygų teorija prasidėjo kaip sąvoka, apibūdinanti daleles, tokias kaip hadronai, esant įvairioms aukštesnių virpesių stygos būsenoms. Daugumoje šiuolaikinių formuluočių tai pastebėta mūsųVisata, yra mažiausią energiją turinčių stygų ir branų virpesių rezultatas. Didesnės vibracijos sukuria didelės energijos daleles, kurių šiuo metu mūsų pasaulyje nėra.
Šių elementariųjų dalelių masė yra išraiška, kaip stygos ir branos yra suvyniotos į sutankintus papildomus matmenis. Pavyzdžiui, supaprastintu atveju, kai jie yra sulankstyti į spurgos formą, kurią matematikai ir fizikai vadina toru, styga gali apvynioti šią formą dviem būdais:
- trumpa kilpa per toro vidurį;
- ilga kilpa aplink visą išorinį toro perimetrą.
Trumpa kilpa bus lengva dalelė, o didelė kilpa bus sunki. Apvyniojus stygas aplink toroidinius sutankintus matmenis, gaunami nauji skirtingos masės elementai.
Superstygų teorija glaustai ir aiškiai, paprastai ir elegantiškai paaiškina ilgio perėjimą į masę. Sulenkti matmenys čia yra daug sudėtingesni nei toro, bet iš esmės jie veikia taip pat.
Netgi įmanoma, nors ir sunku įsivaizduoti, kad styga tuo pačiu metu apsivijo aplink torą dviem kryptimis, todėl susidaro skirtinga dalelė su skirtinga masė. Branes taip pat gali apimti papildomų matmenų, sukurdamos dar daugiau galimybių.
Erdvės ir laiko nustatymas
Daugelyje superstygų teorijos versijų matmenys žlunga, todėl dabartiniu technologijų išsivystymo lygiu jų negalima pastebėti.
Šiuo metu neaišku, ar stygų teorija gali paaiškinti esminę erdvės ir laiko prigimtįdaugiau nei padarė Einšteinas. Jame matavimai yra stygų sąveikos fonas ir neturi savarankiškos tikrosios reikšmės.
Buvo pasiūlyti, ne iki galo išplėtoti, paaiškinimai, susiję su erdvės laiko vaizdavimu kaip visos stygų sąveikų sumos išvestiniu.
Šis požiūris neatitinka kai kurių fizikų idėjų, todėl hipotezės buvo kritikuojamos. Konkurencinė kilpos kvantinės gravitacijos teorija kaip atskaitos tašką naudoja erdvės ir laiko kvantavimą. Kai kurie mano, kad tai bus tik kitoks požiūris į tą pačią pagrindinę hipotezę.
Gravitacijos kvantavimas
Pagrindinis šios hipotezės pasiekimas, jei ji pasitvirtins, bus kvantinė gravitacijos teorija. Dabartinis gravitacijos aprašymas bendrojoje reliatyvumo teorijoje neatitinka kvantinės fizikos. Pastaroji, nustatydama mažų dalelių elgesio apribojimus, sukelia prieštaravimų bandant tyrinėti Visatą itin mažu mastu.
Jėgų suvienijimas
Šiuo metu fizikai žino keturias pagrindines jėgas: gravitaciją, elektromagnetinę, silpnąją ir stipriąją branduolinę sąveiką. Iš stygų teorijos matyti, kad jie visi kažkada buvo vienos apraiškos.
Remiantis šia hipoteze, kadangi ankstyvoji visata po Didžiojo sprogimo atvėso, ši vienintelė sąveika pradėjo skaidytis į skirtingas, kurios yra aktyvios ir šiandien.
Didelės energijos eksperimentai vieną dieną leis mums atrasti šių jėgų suvienijimą, nors tokie eksperimentai gerokai pranoksta dabartinę technologijų raidą.
Penki pasirinkimai
Po superstygų revoliucijos 1984 m. plėtra buvo vykdoma karštligišku tempu. Dėl to vietoj vienos sąvokos buvo penki, pavadinti I, IIA, IIB, HO, HE tipais, kurių kiekvienas beveik visiškai apibūdino mūsų pasaulį, bet ne visiškai.
Fizikai, rūšiuodami stygų teorijos versijas, tikėdamiesi rasti universalią tikrąją formulę, sukūrė 5 skirtingas savarankiškas versijas. Kai kurios jų savybės atspindėjo fizinę pasaulio tikrovę, kitos neatitiko tikrovės.
M-teorija
1995 m. konferencijoje fizikas Edvardas Vitenas pasiūlė drąsų penkių hipotezių problemos sprendimą. Remiantis naujai atrastu dvilypumu, jie visi tapo ypatingais vienos visa apimančios koncepcijos, vadinamos Witteno superstygų M teorija, atvejai. Viena iš pagrindinių jos sąvokų buvo branos (sutrumpinimas iš membranos), pagrindiniai objektai, turintys daugiau nei 1 matmenį. Nors autorius nepasiūlė pilnos versijos, kuri dar nepasiekiama, superstygų M teorija trumpai susideda iš šių savybių:
- 11 matmenų (10 erdvinių ir 1 laiko matmuo);
- dvejobos, kurios veda prie penkių teorijų, paaiškinančių tą pačią fizinę tikrovę;
- branos yra eilutės, turinčios daugiau nei 1 matmenį.
Pasekmės
Dėl to vietoj vieno buvo 10500 sprendimų. Kai kuriems fizikams tai sukėlė krizę, o kiti priėmė antropinį principą, kuris visatos savybes paaiškina mūsų buvimu joje. Belieka laukti, kada teoretikai ras kitąorientacijos būdas superstygų teorijoje.
Kai kurios interpretacijos rodo, kad mūsų pasaulis nėra vienintelis. Pačios radikaliausios versijos leidžia egzistuoti be galo daug visatų, kai kuriose iš jų yra tikslios mūsų pačių kopijos.
Einšteino teorija numato suvyniotos erdvės, vadinamos kirmgrauža arba Einšteino-Rozeno tiltu, egzistavimą. Šiuo atveju dvi nutolusios vietos yra sujungtos trumpu praėjimu. Superstygų teorija leidžia ne tik tai, bet ir jungti tolimus paralelinių pasaulių taškus. Netgi įmanoma pereiti tarp visatų su skirtingais fizikos dėsniais. Tačiau tikėtina, kad kvantinė gravitacijos teorija padarys jų egzistavimą neįmanomą.
Daugelis fizikų mano, kad holografinis principas, kai visa erdvės tūryje esanti informacija atitinka informaciją, įrašytą jos paviršiuje, leis giliau suprasti energijos gijų sampratą.
Kai kurie mano, kad superstygų teorija leidžia naudoti kelias laiko dimensijas, todėl jas galima keliauti.
Be to, hipotezės rėmuose yra alternatyva Didžiojo sprogimo modeliui, pagal kurį mūsų visata atsirado dėl dviejų branų susidūrimo ir išgyvena pasikartojančius kūrimo ir naikinimo ciklus.
Galutinis Visatos likimas visada užėmė fizikus, o galutinė stygų teorijos versija padės nustatyti materijos tankį ir kosmologinę konstantą. Žinodami šias vertybes, kosmologai gali nustatyti, ar visata bussusitraukite, kol sprogs, kad viskas prasidėtų iš naujo.
Niekas nežino, kur gali nuvesti mokslinė teorija, kol ji nebus sukurta ir patikrinta. Einšteinas, rašydamas lygtį E=mc2, nesitikėjo, kad tai sukels branduolinių ginklų atsiradimą. Kvantinės fizikos kūrėjai nežinojo, kad tai taps pagrindu sukurti lazerį ir tranzistorių. Ir nors dar nežinoma, prie ko tokia grynai teorinė koncepcija prives, istorija rodo, kad kažkas išskirtinio tikrai paaiškės.
Daugiau apie šį spėjimą žr. Andrew Zimmermano „Superstygų teorija manekenams“.
