Dnes je vědecký obraz světa utvářen tak, že náš vesmír je řízen dvěma soubory zákonů - obecnou relativitou, která vysvětluje úžasné dílo gravitace, a kvantovou mechanikou, která popisuje další tři interakce vesmíru (silný jaderný, slabý jaderný a elektromagnetismus). Můžete přijmout tyto zákony a aplikovat je na věci ve velkém měřítku - planety, galaxie a pak na nejmenší měřítka - protony a neutrony. Ale proč příroda vytvořila dvě oddělené sady zákonů pro vesmír?
Teorie superstrun je pokusem odpovědět na dvě otázky: Existuje způsob, jak kombinovat obecnou relativitu a kvantovou mechaniku a vytvořit „teorii všeho“? Z čeho to všechno sestává?
Teorie superstrun
Mysleli jsme si, že stavební kameny života jsou atomy, nejmenší složky hmoty. Ale pak jsme zasáhli atomy a našli elementární částice, tak malé, že je nemůžeme ani vidět, aniž bychom se určitým způsobem změnili. Abychom něco viděli, potřebujeme světlo, aby se odrazilo od objektu a zasáhlo naše oči, čímž se vytvořil obrázek. Světlo se skládá z elektromagnetických vln, které volně procházejí elementárními částicemi. Můžeme tyto vlny zesílit, přidat jim energii, aby zasáhly částice a viděli jsme je, ale jakmile něco dopadne na částici, změní se, takže ji nevidíme v původním stavu. Nemáme ponětí, jak vypadají elementární částice. Stejně jako temná energie, temná hmota nemůžeme tyto jevy pozorovat přímo, ale máme důvod věřitže existují.
Tyto částice považujeme za body ve vesmíru, i když ve skutečnosti nejsou. Tato metoda - myšlenka kvantové mechaniky, že síly jsou přenášeny částicemi - poskytuje pro všechny její nedostatky docela dobrou představu o vesmíru a vede k průlomům, jako jsou kvantová rozpouštědla a magnetické levitační vlaky. Samotná obecná relativita také obstála v dobré zkoušce času, vysvětluje neutronové hvězdy a Merkurovy orbitální anomálie, předpovídá černé díry a zakřivené světlo. Ale rovnice obecné relativity bohužel přestanou fungovat uprostřed černé díry a v předvečer Velkého třesku. Problém je v tom, že je nemožné je spojit, protože gravitace je spojena s geometrií prostoru a času, když jsou vzdálenosti přesně měřeny, a v kvantovém světě neexistuje způsob, jak nic měřit.
Když se vědci pokusili vymyslet novou částici, která by si vzala gravitaci s kvantovou mechanikou, jejich matematika prostě selhala.
V jistém smyslu jsem se musel vrátit na tabuli. Vědci proto navrhli, že nejmenší složky vesmíru nejsou tečky, ale řetězce. Různé vibrace strun vytvářejí různé elementární částice, jako jsou kvarky. Vibrující struny mohou tvořit veškerou hmotu a všechny čtyři síly ve vesmíru - včetně gravitace.
Propagační video:
Vyšší rozměry
Teorie superstrun má problém. To nebude fungovat, pokud budeme předpokládat, že existují pouze tři prostorové dimenze a jedna časová dimenze, ve které žijeme. Teorie strun vyžaduje, abyste hráli alespoň deset dimenzí.
Když GR byla poprvé počata, gravitace zdeformovala prostor a čas k popisu této síly. Pokud by tedy někdo chtěl popsat jinou sílu, jako je elektromagnetismus, musel by přidat novou dimenzi. Vědci psali rovnice popisující křivky a defekty vesmíru s extra dimenzí a získali původní rovnici elektromagnetismu. Úžasný objev.
Extra dimenze teorie strun nám mohou vysvětlit, proč jsou čísla v našem vesmíru tak kalibrovaná, že umožňují všechno existovat. Proč je například rychlost světla 299 792 458 metrů za sekundu? Také se snaží odpovědět na otázku gravitace - proč je tato síla tak slabá? Je to nejslabší ze čtyř základních interakcí: 1040krát slabší než elektromagnetická síla. Bude stačit jednoduše se ohnout a zvednout knihu z podlahy, aby jí odporovala. Teoreticky je to proto, že gravitace proniká do vyšších dimenzí. Gravitace je tvořena prameny uzavřené smyčky, které umožňují opustit naši dimenzi, na rozdíl od otevřených pramenů, které jsou lépe uzemněny.
Proč nevidíme všechny tyto dimenze?
Protože existují na tak malé úrovni, že jsou pro nás neviditelné a vzdorují detekci. Jsou kompaktní, vybavené tak, že reprodukují fyziku našeho světa a skládají se do zajímavých tvarů Calabi-Yau. Různé formy Calabi Yau umožňují různé vibrace strun a velmi odlišné vesmíry.
Můžeme dokonce otestovat údajné více vesmírů. Protože předpokládáme, že gravitace prosakuje do vyšších dimenzí, měla by být po srážce dvou částic méně času než před srážkou. Ale i za nejvýhodnějších podmínek by bylo testování něčeho takového neuvěřitelně obtížné a nepolapitelné.
Výpočty teorie řetězců se provádějí v simulovaných vesmírech s 10 nebo 11 rozměry, kde matematika funguje. Vědci se pak pokusí vymazat další dimenze, ale zatím se nikomu nepodařilo popsat náš vesmír nebo navrhnout experiment, který by dokázal teorii. To však neznamená, že nemáme žádné aplikace pro teorii strun.
Matematický nástroj vyvíjený jako součást výzkumu strunové teorie nám pomáhá porozumět částem našeho vesmíru. Můžeme jej použít k lepšímu vysvětlení informačního paradoxu, kvantové gravitace a některých problémů v čisté matematice. Někteří vědci používají teorii pro své výpočty ve fyzice částic nebo při pozorování exotických stavů hmoty.
Teorie strun nemusí být teorií všeho, ale alespoň je to teorie něčeho.
Ilya Khel