Teória superstrun, ľudovo povedané, predstavuje vesmír ako súbor vibrujúcich prameňov energie – strún. Sú základom prírody. Hypotéza popisuje aj ďalšie prvky – brany. Všetka hmota v našom svete je tvorená vibráciami strún a brán. Prirodzeným dôsledkom teórie je popis gravitácie. To je dôvod, prečo vedci veria, že je to kľúč k zjednoteniu gravitácie s inými silami.
Koncept sa vyvíja
Jednotná teória poľa, teória superstrun, je čisto matematická. Rovnako ako všetky fyzikálne koncepty je založený na rovniciach, ktoré možno interpretovať určitými spôsobmi.
Dnes nikto presne nevie, aká bude konečná verzia tejto teórie. Vedci majú dosť hmlistú predstavu o jeho všeobecných prvkoch, ale nikto zatiaľ neprišiel s definitívnou rovnicou, ktorá by pokrývala všetky teórie superstrun a experimentálne sa to ešte nepodarilo potvrdiť (aj keď nie vyvrátiť). Fyzici vytvorili zjednodušené verzie rovnice, ale zatiaľ celkom nepopisuje náš vesmír.
Teória superstrun pre začiatočníkov
Hypotéza je založená na piatich kľúčových myšlienkach.
- Teória superstrun predpovedá, že všetky predmety v našom svete sú tvorené vibrujúcimi vláknami a energetickými membránami.
- Pokúša sa spojiť všeobecnú teóriu relativity (gravitáciu) s kvantovou fyzikou.
- Teória superstrun zjednotí všetky základné sily vesmíru.
- Táto hypotéza predpovedá nové spojenie, supersymetriu, medzi dvoma zásadne odlišnými typmi častíc, bozónmi a fermiónmi.
- Koncept popisuje množstvo dodatočných, zvyčajne nepozorovateľných dimenzií vesmíru.
Struny a brány
Keď sa v 70. rokoch objavila teória, energetické vlákna v nej boli považované za 1-rozmerné objekty – struny. Slovo "jednorozmerný" znamená, že reťazec má iba 1 rozmer, dĺžku, na rozdiel napríklad od štvorca, ktorý má dĺžku aj výšku.
Teória rozdeľuje tieto superstruny na dva typy – uzavreté a otvorené. Otvorená šnúrka má konce, ktoré sa navzájom nedotýkajú, zatiaľ čo uzavretá šnúrka je slučka bez otvorených koncov. Výsledkom bolo zistenie, že tieto reťazce, nazývané reťazce prvého typu, podliehajú 5 hlavným typom interakcií.
Interakcie sú založené na schopnosti reťazca spojiť a oddeliť jeho konce. Keďže konce otvorených strún sa môžu spájať a vytvárať uzavreté struny, je nemožné vytvoriť teóriu superstrun, ktorá by nezahŕňala slučkové struny.
Ukázalo sa to ako dôležité, keďže podľa fyzikov majú uzavreté struny vlastnosti, ktoré by mohli opísať gravitáciu. Inými slovami, vedcisi uvedomil, že teória superstrun namiesto vysvetľovania častíc hmoty môže opísať ich správanie a gravitáciu.
Po mnohých rokoch sa zistilo, že okrem strún sú pre teóriu potrebné aj ďalšie prvky. Možno si ich predstaviť ako plachty alebo brány. Šnúrky je možné pripevniť na jednu alebo obe strany.
Kvantová gravitácia
Moderná fyzika má dva hlavné vedecké zákony: všeobecnú teóriu relativity (GR) a kvantovú. Predstavujú úplne odlišné oblasti vedy. Kvantová fyzika študuje najmenšie prírodné častice a GR spravidla opisuje prírodu v mierke planét, galaxií a vesmíru ako celku. Hypotézy, ktoré sa ich pokúšajú zjednotiť, sa nazývajú teórie kvantovej gravitácie. Najsľubnejšou z nich je dnes struna.
Uzavreté vlákna zodpovedajú správaniu gravitácie. Predovšetkým majú vlastnosti gravitónu, častice, ktorá prenáša gravitáciu medzi objektmi.
Spájame sily
Teória strún sa snaží spojiť štyri sily – elektromagnetické, silné a slabé jadrové sily a gravitáciu – do jednej. V našom svete sa prejavujú ako štyri rôzne javy, ale teoretici strún sa domnievajú, že v ranom vesmíre, keď existovali neuveriteľne vysoké úrovne energie, sú všetky tieto sily opísané strunami, ktoré spolu interagujú.
Supersymetria
Všetky častice vo vesmíre možno rozdeliť do dvoch typov: bozóny a fermióny. Teória strúnpredpovedá, že medzi nimi existuje vzťah nazývaný supersymetria. V supersymetrii musí existovať fermión pre každý bozón a bozón pre každý fermión. Žiaľ, existencia takýchto častíc nebola experimentálne potvrdená.
Supersymetria je matematický vzťah medzi prvkami fyzikálnych rovníc. Bola objavená v inej oblasti fyziky a jej aplikácia viedla k premenovaniu supersymetrickej teórie strún (alebo teórie superstrun, ľudovo povedané) v polovici 70. rokov.
Jednou z výhod supersymetrie je, že výrazne zjednodušuje rovnice tým, že umožňuje eliminovať niektoré premenné. Bez supersymetrie vedú rovnice k fyzikálnym rozporom, ako sú nekonečné hodnoty a imaginárne energetické hladiny.
Pretože vedci nepozorovali častice predpovedané supersymetriou, stále ide o hypotézu. Mnoho fyzikov verí, že dôvodom je potreba značného množstva energie, ktorá súvisí s hmotnosťou podľa známej Einsteinovej rovnice E=mc2. Tieto častice mohli existovať v ranom vesmíre, ale keď sa po Veľkom tresku ochladzovalo a šírila sa energia, tieto častice sa posunuli na nízku energetickú úroveň.
Inými slovami, struny, ktoré vibrovali ako vysokoenergetické častice, stratili svoju energiu a zmenili ich na prvky s nižšími vibráciami.
Vedci dúfajú, že astronomické pozorovania alebo experimenty s urýchľovačmi častíc potvrdia teóriu odhalením niektorých supersymetrických prvkov s vyššouenergia.
Dodatočné miery
Ďalším matematickým dôsledkom teórie strún je, že dáva zmysel vo svete s viac ako tromi dimenziami. Momentálne sú na to dve vysvetlenia:
- Dodatočné dimenzie (šesť z nich) sa zrútili, alebo, v terminológii teórie strún, sa zhutnili na neuveriteľne malé veľkosti, ktoré nikdy nebude možné vnímať.
- Uviazli sme v 3D bráne a ostatné dimenzie ju presahujú a sú pre nás neprístupné.
Dôležitou líniou výskumu medzi teoretikmi je matematické modelovanie toho, ako môžu tieto extra súradnice súvisieť s našimi. Najnovšie výsledky predpovedajú, že vedci budú čoskoro schopní odhaliť tieto extra dimenzie (ak existujú) v nadchádzajúcich experimentoch, pretože môžu byť väčšie, než sa pôvodne očakávalo.
Pochopenie účelu
Cieľ, o ktorý sa vedci pri skúmaní superstrun snažia, je „teória všetkého“, teda jedna fyzikálna hypotéza, ktorá na základnej úrovni popisuje celú fyzikálnu realitu. Ak bude úspešná, mohla by objasniť veľa otázok o štruktúre nášho vesmíru.
Vysvetlenie hmoty a hmotnosti
Jednou z hlavných úloh moderného výskumu je nájsť riešenia pre skutočné častice.
Teória strún začala ako koncept opisujúci častice, ako sú hadróny, v rôznych vyšších vibračných stavoch struny. Vo väčšine moderných formulácií, záležitosť pozorovaná v našomvesmír, je výsledkom vibrácií strún a brán s najnižšou energiou. Vyššie vibrácie generujú vysokoenergetické častice, ktoré v súčasnosti v našom svete neexistujú.
Hmota týchto elementárnych častíc je prejavom toho, ako sú struny a vlákna zabalené do zhutnených extra dimenzií. Napríklad v zjednodušenom prípade, keď sú poskladané do tvaru donutu, ktorý matematici a fyzici nazývajú torus, šnúrka môže tento tvar zabaliť dvoma spôsobmi:
- krátka slučka cez stred torusu;
- dlhá slučka okolo celého vonkajšieho obvodu torusu.
Krátka slučka bude ľahká častica a veľká slučka bude ťažká. Obtočenie šnúrok okolo toroidných kompaktných rozmerov vytvára nové prvky s rôznymi hmotnosťami.
Teória superstrun stručne a jasne, jednoducho a elegantne vysvetľuje prechod dĺžky do hmoty. Zložené rozmery sú tu oveľa komplikovanejšie ako torus, ale v princípe fungujú rovnako.
Je dokonca možné, aj keď je ťažké si to predstaviť, že struna ovinie okolo torusu v dvoch smeroch súčasne, výsledkom čoho je odlišná častica s odlišnou hmotnosťou. Brány môžu tiež zabaliť ďalšie rozmery a vytvoriť tak ešte viac možností.
Určenie priestoru a času
V mnohých verziách teórie superstrún sa dimenzie rúcajú, takže sú na súčasnej úrovni vývoja technológií nepozorovateľné.
V súčasnosti nie je jasné, či teória strún môže vysvetliť základnú povahu priestoru a časuviac ako Einstein. V ňom sú merania podkladom pre interakciu reťazcov a nemajú žiadny nezávislý skutočný význam.
Ponúkli sa ešte nie úplne vyvinuté vysvetlenia týkajúce sa znázornenia časopriestoru ako derivátu celkového súčtu všetkých interakcií reťazcov.
Tento prístup nespĺňa predstavy niektorých fyzikov, čo viedlo ku kritike hypotézy. Konkurenčná teória slučkovej kvantovej gravitácie využíva ako východiskový bod kvantovanie priestoru a času. Niektorí veria, že to nakoniec bude len odlišný prístup k rovnakej základnej hypotéze.
Kvantifikácia gravitácie
Hlavným úspechom tejto hypotézy, ak sa potvrdí, bude kvantová teória gravitácie. Súčasný popis gravitácie vo všeobecnej teórii relativity nie je v súlade s kvantovou fyzikou. Ten druhý, zavedením obmedzení na správanie malých častíc, vedie k rozporom pri pokuse preskúmať vesmír v extrémne malom meradle.
Zjednotenie síl
V súčasnosti fyzici poznajú štyri základné sily: gravitáciu, elektromagnetické, slabé a silné jadrové interakcie. Z teórie strún vyplýva, že všetky boli kedysi prejavom jedného.
Podľa tejto hypotézy, keďže raný vesmír sa po veľkom tresku ochladil, táto jediná interakcia sa začala rozpadať na rôzne, ktoré sú aktívne dnes.
Experimenty s vysokou energiou nám jedného dňa umožnia objaviť zjednotenie týchto síl, hoci takéto experimenty ďaleko presahujú súčasný vývoj technológií.
Päť možností
Po revolúcii superstrun v roku 1984 prebiehal vývoj horúčkovitým tempom. Výsledkom bolo, že namiesto jedného konceptu bolo päť pomenovaných typov I, IIA, IIB, HO, HE, z ktorých každý takmer úplne popisoval náš svet, ale nie úplne.
Fyzici, ktorí triedia verzie teórie strún v nádeji, že nájdu univerzálny pravdivý vzorec, vytvorili 5 rôznych sebestačných verzií. Niektoré z ich vlastností odrážali fyzickú realitu sveta, iné nezodpovedali realite.
M-teória
Na konferencii v roku 1995 fyzik Edward Witten navrhol odvážne riešenie problému piatich hypotéz. Na základe novoobjavenej duality sa všetky stali špeciálnymi prípadmi jediného zastrešujúceho konceptu, nazývaného Wittenova M-teória superstrun. Jedným z jeho kľúčových konceptov boli brány (skratka pre membránu), základné objekty s viac ako 1 rozmerom. Hoci autor neponúkol plnú verziu, ktorá ešte nie je dostupná, M-teória superstrun stručne pozostáva z nasledujúcich funkcií:
- 11-dimenzia (10 priestorových plus 1 časová dimenzia);
- duality, ktoré vedú k piatim teóriám vysvetľujúcim rovnakú fyzikálnu realitu;
- branes sú struny s viac ako 1 rozmerom.
Dôsledky
Výsledkom bolo, že namiesto jedného bolo 10500 riešení. Niektorým fyzikom to spôsobilo krízu, iní prijali antropický princíp, ktorý vysvetľuje vlastnosti vesmíru našou prítomnosťou v ňom. Uvidí sa, kedy teoretici nájdu ďalšiespôsob orientácie v teórii superstrun.
Niektoré interpretácie naznačujú, že náš svet nie je jediný. Najradikálnejšie verzie umožňujú existenciu nekonečného množstva vesmírov, z ktorých niektoré obsahujú presné kópie našich vlastných.
Einsteinova teória predpovedá existenciu stočeného priestoru, ktorý sa nazýva červia diera alebo Einstein-Rosenov most. V tomto prípade sú dve vzdialené lokality spojené krátkym priechodom. Teória superstrun umožňuje nielen toto, ale aj prepojenie vzdialených bodov paralelných svetov. Dokonca je možné prechádzať medzi vesmírmi s rôznymi fyzikálnymi zákonmi. Je však pravdepodobné, že kvantová teória gravitácie znemožní ich existenciu.
Mnoho fyzikov verí, že holografický princíp, keď všetky informácie obsiahnuté v objeme priestoru zodpovedajú informáciám zaznamenaným na jeho povrchu, umožní hlbšie pochopenie konceptu energetických vlákien.
Niektorí veria, že teória superstrun umožňuje viaceré dimenzie času, čo môže viesť k cestovaniu cez ne.
V rámci hypotézy navyše existuje alternatíva k modelu veľkého tresku, podľa ktorého náš vesmír vznikol ako dôsledok zrážky dvoch brán a prechádza opakovanými cyklami stvorenia a zničenia.
Konečný osud vesmíru vždy zamestnával fyzikov a konečná verzia teórie strún pomôže určiť hustotu hmoty a kozmologickú konštantu. So znalosťou týchto hodnôt môžu kozmológovia určiť, či vesmír budezmenšovať sa, až kým to nevybuchne, aby to všetko začalo odznova.
Nikto nevie, kam môže vedecká teória viesť, kým nebude vyvinutá a otestovaná. Einstein, ktorý napísal rovnicu E=mc2, neočakával, že to povedie k objaveniu sa jadrových zbraní. Tvorcovia kvantovej fyziky nevedeli, že sa stane základom pre vytvorenie lasera a tranzistora. A hoci ešte nie je známe, k čomu takýto čisto teoretický koncept povedie, história ukazuje, že sa určite ukáže niečo výnimočné.
Viac o tejto domnienke nájdete v Teórii super strún pre figuríny Andrewa Zimmermana.
