Danas je znanstvena slika svijeta formirana na takav način da našim svemirom upravljaju dva niza zakona - opća relativnost, koja objašnjava prekrasno djelo gravitacije, i kvantna mehanika, koja opisuje ostale tri interakcije svemira (jak nuklearni, slab nuklearni i elektromagnetizam). Možete preuzeti ove zakone i primijeniti ih na stvari u velikom opsegu - planete, galaksije, a zatim i na najmanju ljestvicu - protone i neutrone. Ali zašto je priroda stvorila dva odvojena zakona za svemir?
Teorija superstringa je pokušaj odgovora na dva pitanja: Postoji li način kombiniranja opće relativnosti i kvantne mehanike da bi se stvorila "teorija svega"? Od čega se sve sastoji?
Teorija superstringa
Nekada smo mislili da su građevni blokovi života atomi, najmanje sastojke materije. Ali tada smo pogodili atome i pronašli elementarne čestice, tako male da ih ne možemo ni vidjeti a da se ne promijenimo na određeni način. Da bismo nešto vidjeli, prvo nam treba svjetlo da odbijemo predmet i udarimo u oči, čineći sliku. Svjetlost se sastoji od elektromagnetskih valova koji slobodno prolaze kroz elementarne čestice. Te valove možemo učiniti gušćim, dodati im energiju tako da udaraju u čestice i možemo ih vidjeti, ali čim nešto udari u česticu, mijenja se, pa ga ne možemo vidjeti u svom izvornom stanju. Pojma nemamo kako izgledaju elementarne čestice. Poput tamne energije, tamne materije, i ove pojave ne možemo izravno promatrati, ali imamo razloga vjerovatida postoje.
Te čestice smatramo točkama u prostoru, mada u stvarnosti nisu. Zbog svih njegovih mana, ova metoda - ideja kvantne mehanike koju sile nose čestice - daje nam prilično dobru predodžbu o svemiru i vodi do proboja poput kvantnih otapala i vlakova za magnetsku levitaciju. Sama opća relativnost je također stala dobar test vremena, objašnjavajući neutronske zvijezde i Merkurove orbitalne anomalije, predviđajući crne rupe i zakrivljenu svjetlost. Ali jednadžbe opće relativnosti, nažalost, prestaju raditi u središtu crne rupe i uoči Velikog praska. Problem je u tome što ih je nemoguće spojiti, jer je gravitacija povezana s geometrijom prostora i vremena, kada se udaljenosti točno mjere, a u kvantnom svijetu ne postoji način da se bilo što mjeri.
Kad su znanstvenici pokušali izmisliti novu česticu koja bi se gravitirala gravitaciji kvantnom mehanikom, njihova matematika jednostavno nije uspjela.
U određenom smislu, morao sam se vratiti na ploču. Stoga su znanstvenici sugerirali da najmanji dijelovi svemira nisu točkice, već žice. Različite vibracije žica stvaraju različite elementarne čestice poput kvarkova. Vibracijske žice mogle bi sačinjavati svu materiju i sve četiri sile u svemiru - uključujući i gravitaciju.
Promotivni video:
Veće dimenzije
Teorija superstringa ima problem. Neće funkcionirati ako pretpostavimo da postoje samo tri prostorne dimenzije i jedna vremenska dimenzija u kojoj živimo. Teorija struna zahtijeva da igrate barem deset dimenzija.
Kada je GR prvi put zamišljen, gravitacija je iskrivila prostor i vrijeme da bi opisala ovu silu. Stoga, ako bi netko želio opisati drugu silu, poput elektromagnetizma, trebao bi mu dodati novu dimenziju. Znanstvenici su napisali jednadžbe opisujući krivulje i nedostatke svemira s dodatnom dimenzijom, i dobili su originalnu jednadžbu elektromagnetizma. Nevjerojatno otkriće.
Dodatne dimenzije teorije struna mogu nam pomoći objasniti zašto su brojevi u našem svemiru toliko kalibrirani da dopuštaju da sve postoji. Na primjer, zašto je brzina svjetlosti 299.792.458 metara u sekundi? Oni također pokušavaju odgovoriti na pitanje o gravitaciji - zašto je ta sila tako slaba? To je najslabija od četiri temeljne interakcije: 1040 puta slabija od elektromagnetske sile. Bit će dovoljno da se jednostavno nagnete i dignete knjigu s poda da joj se oduprete. Teoretski je to zato što gravitacija prodire u veće dimenzije. Gravitacija se sastoji od pramenova zatvorenih petlji koji joj omogućuju da napusti našu dimenziju, za razliku od otvorenih niti, koje su bolje uzemljene.
Zašto ne možemo vidjeti sve te dimenzije?
Jer postoje na tako maloj razini da su nam nevidljivi i prkose otkrivanju. Oni su kompaktni, opremljeni tako da reproduciraju fiziku našeg svijeta, preklapajući se u zanimljive Calabi-Yau oblike. Različiti oblici Calabi Yau omogućuju različite vibracije struna i vrlo različite svemire.
Čak možemo testirati navodne više svemira. Budući da pretpostavljamo da gravitacija ulazi u veće dimenzije, nakon sudara dviju čestica treba proći manje vremena nego prije sudara. Ali čak i u najpovoljnijim uvjetima testiranje nečeg takvog bilo bi nevjerojatno teško, neuhvatljivo.
Izračunavanje teorije struna vrši se u simuliranim svemirima s 10 ili 11 dimenzija u kojima matematika radi. Znanstvenici zatim pokušavaju izbrisati dodatne dimenzije, ali do sada nitko nije uspio opisati naš svemir niti je osmislio eksperiment kako bi dokazao teoriju. Međutim, to ne znači da nemamo primjene za teoriju struna.
Matematički alat koji se razvija u sklopu istraživanja teorije struka pomaže nam da razumijemo dijelove našeg svemira. Možemo ga koristiti za bolje objašnjenje paradoksa informacija, kvantne gravitacije i nekih problema iz čiste matematike. Neki znanstvenici koriste teoriju za svoje proračune u fizici čestica ili kad promatraju egzotična stanja materije.
Teorija struna možda nije teorija svega, ali barem je teorija nečega.
Ilya Khel