7
Teoria strun jest dla początkujących fascynującą, ale bardzo abstrakcyjną koncepcją, która zakłada, że podstawowymi elementami budulcowymi wszechświata nie są punktowe cząstki, ale maleńkie, wibrujące struny o długości Plancka.
Teoria strun dla początkujących: pochodzenie i podstawowa idea
Teoria strun powstała pod koniec lat 60. i na początku lat 70. XX wieku, początkowo jako próba opisania wielu cząstek elementarnych i sił występujących w naturze w jednolity sposób, zwłaszcza w zakresie silnych oddziaływań.
- Naukowcy zauważyli, że wiele zjawisk można wyjaśnić za pomocą modeli, jeśli cząstki traktuje się nie jako punkty, ale jako małe, jednowymiarowe „struny”.
- Teoria strun bozonowych była jedną z pierwszych odmian i opisuje tylko bozony, czyli cząstki o spinie całkowitym, jednak napotyka ona na problemy, np. istnienie stanów tachionowych (cząstki o masie urojonej) oraz to, że nie uwzględnia fermionów (cząstki o spinie półcałkowym).
- Później teoria została rozwinięta do teorii superstrun, która obejmuje zarówno bozony, jak i fermiony i stosuje zasadę supersymetrii – oznacza to, że każdy bozon ma swój fermionowy odpowiednik. Rozwój ten był ważny dla przezwyciężenia słabości teorii bozonowej.
Tak działa teoria: Wibracje, wymiary i kompaktowanie
Podstawowa idea jest taka: cała materia i wszystkie oddziaływania składają się z maleńkich, wibrujących strun.
- Różne rodzaje drgań tych strun tworzą różne cząstki o różnych właściwościach, takich jak masa, ładunek lub spin – podobnie jak w przypadku struny instrumentu muzycznego, gdzie różne drgania wytwarzają różne dźwięki. Struna może być otwarta (z końcami) lub zamknięta (w kształcie pierścienia) i w zależności od tego, jak drga, wykazuje określoną właściwość cząstki.
- Aby teoria ta była spójna matematycznie, potrzebuje więcej niż cztery znane nam wymiary (trzy przestrzenne i jeden czasowy). W teorii strun bozonowych jest to 26 wymiarów, a w teorii superstrun 10 wymiarów. Dodatkowe wymiary są postulowane w taki sposób, że są one „zwinięte” lub skompaktowane w mikroskopijnej skali – oznacza to, że nie dostrzegamy ich w naszym codziennym życiu, ponieważ są one bardzo małe lub ukryte w specjalnych strukturach topologicznych.
- Popularnym modelem tego zjawiska są tzw. rozmaitości Calabi-Yau, specjalne formy przestrzeni, które mogą pomieścić sześć dodatkowych wymiarów przestrzeni teorii superstrun, nie naruszając znanych praw fizyki.
Ambicje i aktualna sytuacja
Głównym celem teorii strun jest połączenie teorii kwantowej (opisującej zachowanie cząstek w mikrokosmosie) i ogólnej teorii względności (zajmującej się grawitacją oraz zachowaniem przestrzeni i czasu w makrokosmosie) w jednolitej strukturze.
- Jak dotąd te dwie teorie nie są w pełni kompatybilne, zwłaszcza jeśli weźmie się pod uwagę bardzo małe odległości (skala Plancka) lub bardzo silną grawitację (np. czarne dziury). Teoria strun mogłaby być „formułą świata”, w której obie teorie zostałyby połączone.
- Istnieją różne warianty teorii superstrun, np. typ I, typ IIA, typ IIB, teorie heterotyczne (E₈×E₈ i SO(32)), które różnią się rodzajem strun (otwarte/zamknięte), liczbą supersymetrii i właściwościami.
- Obecnie nie ma jeszcze dowodów eksperymentalnych, które jednoznacznie potwierdzałyby teorię strun. Jak dotąd nie znaleziono cząstek supersymetrycznych, nie wykryto również dodatkowych wymiarów.
- Wiele struktur matematycznych, kompaktyfikacji i wyborów rozmaitości Calabi-Yau jest przedmiotem intensywnych badań, a ich wpływ na obserwowalne zjawiska fizyczne jest nadal hipotetyczny.
