Fiziki so navajeni delati z delci: teorija je izdelana, poskusi konvergirajo. Jedrski reaktorji in atomske bombe so izračunani z uporabo delcev. Z enim opozorilom - gravitacija ni upoštevana v vseh izračunih.
Gravitacija je privlačnost teles. Ko govorimo o gravitaciji, si predstavljamo gravitacijo. Telefon vam pod vplivom gravitacije pade iz rok na asfalt. V vesolju Luno privlači Zemlja, Zemlja Sonce. Vse na svetu se privlači drug drugega, a da bi to občutili, potrebujete zelo težke predmete. Občutimo gravitacijo Zemlje, ki je 7,5 × 10 22-krat težja od človeka, in ne opazimo gravitacije nebotičnika, ki je 4 × 10 6-krat težja.
7,5 × 10 22 = 75.000.000.000.000.000.000.000
4 × 10 6 = 4.000.000
Gravitacijo opisuje Einsteinova splošna teorija relativnosti. V teoriji masivni predmeti ukrivljajo prostor. Če želite razumeti, pojdite v otroški park in postavite težak kamen na trampolin. Na gumi trampolina se bo pojavil krater. Če na trampolin postavite majhno žogico, se bo skotalila po lijaku proti kamnu. Približno tako planeti tvorijo lijak v vesolju, mi pa kot žogice padamo nanje.
Planeti so tako veliki, da ukrivljajo prostor
Da bi vse opisali na ravni osnovnih delcev, gravitacija ni potrebna. V primerjavi z drugimi silami je gravitacija tako majhna, da je bila preprosto izločena iz kvantnih izračunov. Sila zemeljske teže je 10 38-krat manjša od sile, ki drži delce atomskega jedra. To velja za skoraj celotno vesolje.
10 38 = 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000
Edino mesto, kjer je gravitacija tako močna kot druge sile, je črna luknja. To je ogromen lijak, v katerem gravitacija sama zvija prostor in posrka vase vse, kar je v bližini. Tudi svetloba odleti v črno luknjo in se nikoli ne vrne.
Za delo z gravitacijo kot z drugimi delci so fiziki iznašli kvant gravitacije – graviton. Naredili smo izračune, a se niso ujemali. Izračuni so pokazali, da energija gravitona raste v neskončnost. Vendar se to ne bi smelo zgoditi.
Fiziki najprej izumijo, nato iščejo. Higgsov bozon je bil izumljen 50 let pred odkritjem.
Težave z razlikami v izračunih so izginile, ko gravitona niso obravnavali kot delca, ampak kot niz. Strune imajo končno dolžino in energijo, zato lahko energija gravitona raste le do določene meje. Znanstveniki imajo torej delovno orodje, s katerim preučujejo črne luknje.
Napredek pri preučevanju črnih lukenj nam pomaga razumeti, kako je nastalo vesolje. Po teoriji velikega poka je svet zrasel iz mikroskopske točke. V prvih trenutkih življenja je bilo vesolje zelo gosto - vse sodobne zvezde in planeti so bili zbrani v majhnem volumnu. Gravitacija je bila tako močna kot druge sile, zato je poznavanje učinkov gravitacije pomembno za razumevanje zgodnjega vesolja.
Uspeh pri opisovanju kvantne gravitacije je korak k ustvarjanju teorije, ki bo opisala vse na svetu. Takšna teorija bo pojasnila, kako se je rodilo vesolje, kaj se v njem zdaj dogaja in kakšen bo njegov konec.
Seveda so strune vesolja komajda podobne tistim, ki si jih predstavljamo. V teoriji strun so neverjetno majhne vibrirajoče niti energije. Te niti so bolj podobne majhnim "gumijastim trakom", ki se lahko zvijajo, raztezajo in stiskajo na vse mogoče načine. Vse to pa ne pomeni, da je na njih nemogoče »zaigrati« simfonijo vesolja, saj je po mnenju teoretikov strun vse, kar obstaja, sestavljeno iz teh »nitk«.
Fizikalno protislovje
V drugi polovici 19. stoletja se je fizikom zdelo, da v njihovi znanosti ni več mogoče odkriti ničesar resnega. Klasična fizika je verjela, da v njem ni več nobenih resnih težav, celotna zgradba sveta pa je bila videti kot popolnoma reguliran in predvidljiv stroj. Težave so se, kot običajno, zgodile zaradi neumnosti - enega od majhnih "oblakov", ki so še ostali na jasnem, razumljivem nebu znanosti. In sicer pri izračunu energije sevanja absolutno črnega telesa (hipotetičnega telesa, ki pri kateri koli temperaturi popolnoma absorbira sevanje, ki vpada nanj, ne glede na valovno dolžino – NS).
Izračuni so pokazali, da bi morala biti skupna energija sevanja katerega koli absolutno črnega telesa neskončno velika. Da bi se izognil tako očitnemu absurdu, je nemški znanstvenik Max Planck leta 1900 predlagal, da lahko vidno svetlobo, rentgenske žarke in druge elektromagnetne valove oddajajo le določeni diskretni deli energije, ki jih je imenoval kvanti. Z njihovo pomočjo je bilo mogoče rešiti poseben problem absolutno črnega telesa. Vendar pa posledice kvantne hipoteze za determinizem še niso bile uresničene. Dokler leta 1926 drugi nemški znanstvenik, Werner Heisenberg, ni oblikoval znamenitega principa negotovosti.
Njegovo bistvo je v tem, da v nasprotju z vsemi dosedanjimi trditvami narava omejuje našo sposobnost napovedovanja prihodnosti na podlagi fizikalnih zakonov. Govorimo seveda o prihodnosti in sedanjosti subatomskih delcev. Izkazalo se je, da se obnašajo popolnoma drugače kot vse stvari v makrokozmosu okoli nas. Na subatomski ravni tkanina vesolja postane neenakomerna in kaotična. Svet drobnih delcev je tako turbulenten in nerazumljiv, da kljubuje zdravi pameti. Prostor in čas sta v njem tako zavita in prepletena, da ni običajnih konceptov levo in desno, gor in dol ali celo prej in potem.
Ni mogoče z gotovostjo trditi, na kateri točki v prostoru se v danem trenutku nahaja določen delec in kolikšen je njegov moment. Obstaja le določena verjetnost, da najdemo delec v mnogih regijah prostora-časa. Zdi se, da so delci na subatomski ravni »razmazani« po vesolju. Ne le to, tudi sam "status" delcev ni definiran: v nekaterih primerih se obnašajo kot valovi, v drugih kažejo lastnosti delcev. To je tisto, čemur fiziki pravijo dvojnost valov in delcev kvantne mehanike.
Ravni zgradbe sveta: 1. Makroskopski nivo - materija 2. Molekularni nivo 3. Atomski nivo - protoni, nevtroni in elektroni 4. Subatomski nivo - elektron 5. Subatomski nivo - kvarki 6. Nivo niza /©Bruno P. Ramos
V Splošni relativnostni teoriji je, kot v državi z nasprotnimi zakoni, situacija bistveno drugačna. Zdi se, da je prostor kot trampolin – gladka tkanina, ki jo lahko predmeti z maso upognejo in raztegnejo. Ustvarjajo zvitke v prostoru-času – kar doživljamo kot gravitacijo. Ni treba posebej poudarjati, da je harmonična, pravilna in predvidljiva Splošna teorija relativnosti v nerešljivem konfliktu z »ekscentričnim huliganom« – kvantno mehaniko, posledično pa se makrosvet ne more »pomiriti« z mikrosvetom. Tu na pomoč priskoči teorija strun.
2D vesolje. Poliedrski graf E8 /©John Stembridge/Projekt Atlas of Lie Groups
Teorija vsega
Teorija strun uteleša sanje vseh fizikov o poenotenju obeh v osnovi nasprotujočih si splošne relativnostne teorije in kvantne mehanike, sanje, ki so preganjale največjega »cigana in potepuha« Alberta Einsteina do konca njegovih dni.
Številni znanstveniki verjamejo, da je mogoče vse, od izjemnega plesa galaksij do norega plesa subatomskih delcev, na koncu razložiti le z enim temeljnim fizikalnim principom. Morda celo en sam zakon, ki združuje vse vrste energije, delce in interakcije v neko elegantno formulo.
Splošna relativnost opisuje eno najbolj znanih sil vesolja – gravitacijo. Kvantna mehanika opisuje tri druge sile: močno jedrsko silo, ki zlepi protone in nevtrone v atome, elektromagnetizem in šibko silo, ki sodeluje pri radioaktivnem razpadu. Vsak dogodek v vesolju, od ionizacije atoma do rojstva zvezde, je opisan z interakcijami snovi skozi te štiri sile.
S pomočjo najbolj zapletene matematike je bilo mogoče pokazati, da imajo elektromagnetne in šibke interakcije skupno naravo, ki jih združuje v eno elektrošibko interakcijo. Kasneje jim je bila dodana še močna jedrska interakcija – gravitacija pa se jim nikakor ne pridruži. Teorija strun je eden najresnejših kandidatov za povezovanje vseh štirih sil in s tem zaobjem vseh pojavov v vesolju – ne zaman jo imenujejo tudi “teorija vsega”.
Na začetku je obstajal mit
Do sedaj niso bili vsi fiziki navdušeni nad teorijo strun. In ob zori svojega videza se je zdelo neskončno daleč od resničnosti. Že njeno rojstvo je legenda.
V poznih šestdesetih letih 20. stoletja je mladi italijanski teoretični fizik Gabriele Veneziano iskal enačbe, ki bi lahko pojasnile močno jedrsko silo – izjemno močno »lepilo«, ki drži skupaj jedra atomov in povezuje protone in nevtrone. Legenda pravi, da je nekega dne po naključju naletel na zaprašeno knjigo o zgodovini matematike, v kateri je našel dvesto let staro funkcijo, ki jo je prvi zapisal švicarski matematik Leonhard Euler. Predstavljajte si Venezianovo presenečenje, ko je odkril, da Eulerjeva funkcija, ki je dolgo veljala za nič drugega kot matematično radovednost, opisuje to močno interakcijo.
Kako je bilo v resnici? Formula je verjetno rezultat Venezianovega dolgoletnega dela, naključje pa je le pripomoglo k prvemu koraku k odkritju teorije strun. Eulerjeva funkcija, ki je čudežno razložila močno silo, je našla novo življenje.
Sčasoma je padla v oči mlademu ameriškemu teoretičnemu fiziku Leonardu Susskindu, ki je videl, da formula najprej opisuje delce, ki nimajo notranje strukture in lahko vibrirajo. Ti delci so se obnašali tako, da niso mogli biti le točkasti delci. Susskind je razumel – formula opisuje nit, ki je podobna elastičnemu traku. Ni se mogla samo raztezati in krčiti, ampak tudi nihati in zvijati. Po opisu svojega odkritja je Susskind predstavil revolucionarno idejo strun.
Žal je velika večina njegovih kolegov teorijo sprejela zelo hladnokrvno.
Standardni model
Takrat je konvencionalna znanost predstavljala delce kot točke in ne kot strune. Fiziki že leta preučujejo vedenje subatomskih delcev s trčenjem pri visokih hitrostih in proučujejo posledice teh trkov. Izkazalo se je, da je vesolje veliko bogatejše, kot bi si lahko predstavljali. Šlo je za pravo »populacijsko eksplozijo« osnovnih delcev. Študenti podiplomskega študija fizike so tekali po hodnikih in kričali, da so odkrili nov delec - ni bilo niti dovolj črk, da bi jih označili. Toda, žal, v "porodnišnici" novih delcev znanstveniki nikoli niso mogli najti odgovora na vprašanje - zakaj jih je toliko in od kod prihajajo?
To je fizike spodbudilo k nenavadni in presenetljivi napovedi – spoznali so, da je sile, ki delujejo v naravi, mogoče razložiti tudi z delci. To pomeni, da obstajajo delci snovi in obstajajo delci, ki prenašajo interakcije. Na primer, foton je delec svetlobe. Več kot je teh nosilnih delcev – istih fotonov, ki si izmenjujejo delce snovi – svetlejša je svetloba. Znanstveniki so napovedali, da ta posebna izmenjava nosilcev delcev ni nič drugega kot tisto, kar dojemamo kot silo. To so potrdili poskusi. Tako se je fizikom uspelo približati Einsteinovim sanjam o združitvi sil.
Interakcije med različnimi delci v standardnem modelu /
Znanstveniki verjamejo, da če se hitro pomaknemo naprej do časa po velikem poku, ko je bilo vesolje na bilijone stopinj bolj vroče, bodo delci, ki prenašajo elektromagnetizem, in šibka sila postali neločljivi in se bodo združili v eno samo silo, imenovano elektrošibka sila. In če se vrnemo še dlje v preteklost, bi se elektrošibka interakcija združila z močno v eno popolno »supersilo«.
Čeprav vse to še čaka na dokaz, je kvantna mehanika nenadoma pojasnila, kako tri od štirih sil medsebojno delujejo na subatomski ravni. In to je lepo in dosledno razložila. Ta skladna slika interakcij je nazadnje postala znana kot standardni model. Toda, žal, ta popolna teorija je imela eno veliko težavo - ni vključevala najbolj znane sile na makro ravni - gravitacije.
Graviton
Za teorijo strun, ki še ni imela časa "razcveteti", je prišla "jesen", vsebovala je preveč težav že od samega rojstva. Izračuni teorije so na primer napovedali obstoj delcev, ki pa, kot je bilo kmalu ugotovljeno, ne obstajajo. To je tako imenovani tahion – delec, ki se v vakuumu giblje hitreje od svetlobe. Med drugim se je izkazalo, da teorija zahteva kar 10 dimenzij. Ni presenetljivo, da je to zelo zmedlo fizike, saj je očitno večje od tega, kar vidimo.
Do leta 1973 se je le nekaj mladih fizikov še spopadalo s skrivnostmi teorije strun. Eden od njih je bil ameriški teoretični fizik John Schwartz. Štiri leta je Schwartz poskušal ukrotiti neukrotljive enačbe, a neuspešno. Med drugimi težavami je ena od teh enačb vztrajala pri opisovanju skrivnostnega delca, ki ni imel mase in ga v naravi niso opazili.
Znanstvenik se je že odločil, da bo opustil svoj katastrofalni posel, potem pa se mu je posvetilo - morda enačbe teorije strun opisujejo tudi gravitacijo? Vendar je to pomenilo revizijo dimenzij glavnih "junakov" teorije - strun. S predpostavko, da so strune milijarde in milijardekrat manjše od atoma, so »strunarji« slabost teorije spremenili v svojo prednost. Skrivnostni delec, ki se ga je John Schwartz tako vztrajno skušal znebiti, je zdaj deloval kot graviton – delec, ki so ga dolgo iskali in bi omogočil prenos gravitacije na kvantno raven. Tako je teorija strun dopolnila uganko z gravitacijo, ki je v standardnem modelu manjkala. Toda, žal, tudi na to odkritje se znanstvena skupnost ni odzvala na noben način. Teorija strun je ostala na robu preživetja. A to Schwartza ni ustavilo. Njegovemu iskanju se je želel pridružiti le en znanstvenik, pripravljen tvegati kariero za skrivnostne strune – Michael Green.
Subatomske lutke za gnezdenje
Kljub vsemu je imela teorija strun v zgodnjih osemdesetih letih še vedno nerešljiva protislovja, ki jih v znanosti imenujemo anomalije. Schwartz in Green sta se jih lotila odstraniti. In njihova prizadevanja niso bila zaman: znanstvenikom je uspelo odpraviti nekatera protislovja v teoriji. Predstavljajte si začudenje teh dveh, že vajenih, da je bila njuna teorija ignorirana, ko je reakcija znanstvene skupnosti raznesla znanstveni svet. V manj kot letu dni je število teoretikov strun poskočilo na stotine ljudi. Takrat je teorija strun dobila naziv Teorija vsega. Zdelo se je, da je nova teorija sposobna opisati vse komponente vesolja. In to so komponente.
Vsak atom je, kot vemo, sestavljen iz še manjših delcev – elektronov, ki se vrtinčijo okoli jedra, sestavljenega iz protonov in nevtronov. Protoni in nevtroni pa so sestavljeni iz še manjših delcev - kvarkov. Toda teorija strun pravi, da se ne konča pri kvarkih. Kvarki so narejeni iz drobnih, vijugajočih se pramenov energije, ki spominjajo na strune. Vsaka od teh vrvic je nepredstavljivo majhna.
Tako majhna, da če bi atom povečali na velikost sončnega sistema, bi bila struna velika kot drevo. Tako kot različni tresljaji strune violončela ustvarijo to, kar slišimo, tako različne glasbene note, različni načini (načini) nihanja strune dajejo delcem njihove edinstvene lastnosti - maso, naboj itd. Ali veste, v čem se, relativno gledano, protoni na konici vašega nohta razlikujejo od še neodkritega gravitona? Samo z zbirko drobnih strun, ki jih sestavljajo, in načinom, kako te strune vibrirajo.
Seveda je vse to več kot presenetljivo. Od časov stare Grčije so se fiziki navadili, da je vse na tem svetu sestavljeno iz nečesa podobnega kroglicam, drobnim delcem. In tako, ker se niso imeli časa navaditi na nelogično obnašanje teh kroglic, ki izhaja iz kvantne mehanike, so pozvani, da popolnoma opustijo paradigmo in operirajo z nekakšnimi ostanki špagetov ...
Peta dimenzija
Čeprav mnogi znanstveniki imenujejo teorijo strun zmagoslavje matematike, nekatere težave z njo še vedno ostajajo - predvsem pomanjkanje kakršne koli možnosti, da bi jo v bližnji prihodnosti eksperimentalno preizkusili. Noben inštrument na svetu, ki ne obstaja in se ne more pojaviti v prihodnosti, ni sposoben »videti« strun. Zato nekateri znanstveniki mimogrede celo postavljajo vprašanje: ali je teorija strun teorija fizike ali filozofije?.. Res je, videti strune »na lastne oči« sploh ni potrebno. Dokazovanje teorije strun zahteva nekaj drugega – kar zveni kot znanstvena fantastika – potrditev obstoja dodatnih dimenzij prostora.
Za kaj se gre? Vsi smo navajeni treh dimenzij prostora in ene – časa. Toda teorija strun napoveduje prisotnost drugih – dodatnih – dimenzij. A začnimo po vrsti.
Pravzaprav se je ideja o obstoju drugih dimenzij pojavila pred skoraj sto leti. Takrat neznani nemški matematik Theodor Kaluza je prišel na misel leta 1919. Predlagal je možnost druge dimenzije v našem vesolju, ki je ne vidimo. Albert Einstein je izvedel za to idejo in sprva mu je bila zelo všeč. Pozneje pa je podvomil o njeni pravilnosti in je celi dve leti odlašal z izidom Kaluze. Na koncu je bil članek vendarle objavljen in dodatna dimenzija je postala nekakšen hobi za genija fizike.
Kot veste, je Einstein pokazal, da gravitacija ni nič drugega kot deformacija prostorsko-časovnih dimenzij. Kaluza je predlagal, da bi elektromagnetizem lahko bil tudi valovanje. Zakaj tega ne vidimo? Kaluza je našel odgovor na to vprašanje - valovanje elektromagnetizma lahko obstaja v dodatni, skriti dimenziji. Toda kje je?
Odgovor na to vprašanje je dal švedski fizik Oskar Klein, ki je domneval, da je Kalužina peta dimenzija prepognjena milijardkrat močneje od velikosti enega samega atoma, zato je ne vidimo. Zamisel o tej majhni dimenziji, ki je povsod okoli nas, je v središču teorije strun.
Ena od predlaganih oblik dodatnih zvitih dimenzij. Znotraj vsake od teh oblik vibrira in se premika struna – glavna sestavina vesolja. Vsaka oblika je šestdimenzionalna - glede na število šestih dodatnih dimenzij /
Deset dimenzij
A v resnici enačbe teorije strun ne zahtevajo niti ene, temveč šest dodatnih dimenzij (skupaj jih je pri štirih, ki jih poznamo, natanko 10). Vsi imajo zelo zvito in ukrivljeno kompleksno obliko. In vse je nepredstavljivo malo.
Kako lahko te majhne meritve vplivajo na naš veliki svet? Po teoriji strun je odločilna: zanjo vse določa oblika. Ko pritisnete različne tipke na saksofonu, dobite različne zvoke. To se zgodi zato, ker s pritiskom na določeno tipko ali kombinacijo tipk spremenite obliko prostora v glasbilu, kjer kroži zrak. Zahvaljujoč temu se rodijo različni zvoki.
Teorija strun kaže, da se dodatne ukrivljene in zavite dimenzije prostora manifestirajo na podoben način. Oblike teh dodatnih dimenzij so zapletene in raznolike in vsaka povzroči, da struna, ki se nahaja v takih dimenzijah, različno vibrira ravno zaradi njihovih oblik. Konec koncev, če na primer predpostavimo, da ena struna vibrira znotraj vrča, druga pa znotraj ukrivljenega stebričnega roga, bodo to popolnoma drugačna nihanja. Vendar, če verjamete teoriji strun, so v resnici oblike dodatnih dimenzij videti veliko bolj zapletene kot vrč.
Kako deluje svet
Znanost danes pozna niz števil, ki so temeljne konstante vesolja. Oni so tisti, ki določajo lastnosti in lastnosti vsega okoli nas. Med takimi konstantami so na primer naboj elektrona, gravitacijska konstanta, hitrost svetlobe v vakuumu ... In če te številke spremenimo tudi za neznatno število krat, bodo posledice katastrofalne. Recimo, da smo povečali moč elektromagnetne interakcije. Kaj se je zgodilo? Nenadoma lahko ugotovimo, da se ioni začnejo močneje odbijati in jedrska fuzija, zaradi katere zvezde svetijo in sevajo toploto, nenadoma odpove. Vse zvezde bodo ugasnile.
Toda kaj ima s tem teorija strun s svojimi dodatnimi dimenzijami? Dejstvo je, da so po njem dodatne dimenzije tiste, ki določajo natančno vrednost temeljnih konstant. Nekatere oblike meritev povzročijo, da ena struna vibrira na določen način in proizvede tisto, kar vidimo kot foton. V drugih oblikah strune vibrirajo drugače in proizvajajo elektron. Resnično, Bog je v »malenkostih« – prav te drobne oblike določajo vse temeljne konstante tega sveta.
Teorija superstrun
Sredi osemdesetih let je teorija strun dobila veličasten in urejen videz, toda znotraj spomenika je vladala zmeda. V le nekaj letih je nastalo kar pet različic teorije strun. In čeprav je vsaka od njih zgrajena na strunah in dodatnih dimenzijah (vseh pet različic je združenih v splošno teorijo superstrun - NS), so se te različice v podrobnostih precej razlikovale.
Tako so v nekaterih različicah strune imele odprte konce, v drugih pa so spominjale na obroče. In v nekaterih različicah teorija celo zahteva ne 10, ampak kar 26 dimenzij. Paradoks je, da lahko vseh pet današnjih različic imenujemo enako resnične. Toda katera zares opisuje naše vesolje? To je še ena skrivnost teorije strun. Zato so mnogi fiziki spet obupali nad »noro« teorijo.
Toda glavna težava strun je, kot že omenjeno, nezmožnost (vsaj za zdaj) eksperimentalno dokazati njihove prisotnosti.
Nekateri znanstveniki pa še vedno trdijo, da ima naslednja generacija pospeševalnikov zelo malo, a še vedno možnost, da preveri hipotezo o dodatnih dimenzijah. Čeprav je večina seveda prepričana, da če je to mogoče, se to, žal, ne bo zgodilo zelo kmalu - vsaj v desetletjih, največ - celo v sto letih.
Teorija relativnosti predstavlja vesolje kot "plosko", toda kvantna mehanika pravi, da na mikroravni obstaja neskončno gibanje, ki ukrivlja prostor. Teorija strun združuje te ideje in predstavlja mikrodelce kot posledico združitve najtanjših enodimenzionalnih strun, ki bodo imele videz točkastih mikrodelcev in jih zato ni mogoče eksperimentalno opazovati.
Ta hipoteza nam omogoča, da si predstavljamo osnovne delce, ki sestavljajo atom iz ultramikroskopskih vlaken, imenovanih strune.
Vse lastnosti osnovnih delcev so razložene z resonančnim nihanjem vlaken, ki jih tvorijo. Ta vlakna lahko vibrirajo na neskončno veliko načinov. Ta teorija vključuje združevanje idej kvantne mehanike in teorije relativnosti. Toda zaradi prisotnosti številnih težav pri potrditvi misli, na katerih temelji, večina sodobnih znanstvenikov verjame, da predlagane ideje niso nič drugega kot najbolj navadna profanacija ali, z drugimi besedami, teorija strun za telebane, to je za ljudi, ki so popolnoma ne pozna znanosti in strukture sveta, ki ga obkroža.
Lastnosti ultramikroskopskih vlaken
Da bi razumeli njihovo bistvo, si lahko predstavljate strune glasbil - lahko vibrirajo, upognejo, zvijejo. Enako se dogaja s temi nitmi, ki z oddajanjem določenih vibracij medsebojno delujejo, se zvijajo v zanke in tvorijo večje delce (elektrone, kvarke), katerih masa je odvisna od frekvence nihanja vlaken in njihove napetosti – teh indikatorji določajo energijo strun. Večja kot je oddana energija, večja je masa osnovnega delca.
Inflacijska teorija in strune
Po inflacijski hipotezi je Vesolje nastalo zaradi širjenja mikroprostora, velikosti strune (Planckova dolžina). Ko se je to območje povečalo, so se tako imenovana ultramikroskopska vlakna raztegnila in zdaj je njihova dolžina sorazmerna z velikostjo vesolja. Medsebojno delujejo na enak način in proizvajajo enake vibracije in tresljaje. Videti je kot učinek, ki ga proizvajajo gravitacijske leče, ki izkrivljajo žarke svetlobe iz oddaljenih galaksij. In vzdolžne vibracije ustvarjajo gravitacijsko sevanje.
Matematična nedoslednost in druge težave
Eden od problemov je matematična nedoslednost teorije - fiziki, ki jo preučujejo, nimajo formul, da bi jo pripeljali do popolne oblike. In drugo je, da ta teorija meni, da obstaja 10 dimenzij, mi pa čutimo le 4 - višino, širino, dolžino in čas. Znanstveniki domnevajo, da je preostalih 6 v zvitem stanju, katerih prisotnost se ne čuti v realnem času. Prav tako ni problem možnost eksperimentalne potrditve te teorije, ampak je tudi nihče ne more ovreči.
Ste kdaj pomislili, da je vesolje kot violončelo? Tako je – ni prišla. Ker vesolje ni kot violončelo. Vendar to ne pomeni, da nima vrvic. Danes se pogovorimo o teoriji strun.
Seveda so strune vesolja komajda podobne tistim, ki si jih predstavljamo. V teoriji strun so neverjetno majhne vibrirajoče niti energije. Te niti so bolj podobne majhnim "gumijastim trakom", ki se lahko zvijajo, raztezajo in stiskajo na vse mogoče načine. Vse to pa ne pomeni, da je na njih nemogoče »zaigrati« simfonijo vesolja, saj je po mnenju teoretikov strun vse, kar obstaja, sestavljeno iz teh »nitk«.
Fizikalno protislovje
V drugi polovici 19. stoletja se je fizikom zdelo, da v njihovi znanosti ni več mogoče odkriti ničesar resnega. Klasična fizika je verjela, da v njem ni več nobenih resnih težav, celotna zgradba sveta pa je bila videti kot popolnoma reguliran in predvidljiv stroj. Težave so se, kot običajno, zgodile zaradi neumnosti - enega od majhnih "oblakov", ki so še ostali na jasnem, razumljivem nebu znanosti. In sicer pri izračunu energije sevanja absolutno črnega telesa (hipotetičnega telesa, ki pri kateri koli temperaturi popolnoma absorbira sevanje, ki vpada nanj, ne glede na valovno dolžino – NS).
Izračuni so pokazali, da bi morala biti skupna energija sevanja katerega koli absolutno črnega telesa neskončno velika. Da bi se izognil tako očitnemu absurdu, je nemški znanstvenik Max Planck leta 1900 predlagal, da lahko vidno svetlobo, rentgenske žarke in druge elektromagnetne valove oddajajo le določeni diskretni deli energije, ki jih je imenoval kvanti. Z njihovo pomočjo je bilo mogoče rešiti poseben problem absolutno črnega telesa. Vendar pa posledice kvantne hipoteze za determinizem še niso bile uresničene. Dokler leta 1926 drugi nemški znanstvenik, Werner Heisenberg, ni oblikoval znamenitega principa negotovosti.
Njegovo bistvo je v tem, da v nasprotju z vsemi dosedanjimi trditvami narava omejuje našo sposobnost napovedovanja prihodnosti na podlagi fizikalnih zakonov. Govorimo seveda o prihodnosti in sedanjosti subatomskih delcev. Izkazalo se je, da se obnašajo popolnoma drugače kot vse stvari v makrokozmosu okoli nas. Na subatomski ravni tkanina vesolja postane neenakomerna in kaotična. Svet drobnih delcev je tako turbulenten in nerazumljiv, da kljubuje zdravi pameti. Prostor in čas sta v njem tako zavita in prepletena, da ni običajnih konceptov levo in desno, gor in dol ali celo prej in potem.
Ni mogoče z gotovostjo trditi, na kateri točki v prostoru se v danem trenutku nahaja določen delec in kolikšen je njegov moment. Obstaja le določena verjetnost, da najdemo delec v mnogih regijah prostora-časa. Zdi se, da so delci na subatomski ravni »razmazani« po vesolju. Ne le to, tudi sam "status" delcev ni definiran: v nekaterih primerih se obnašajo kot valovi, v drugih kažejo lastnosti delcev. To je tisto, čemur fiziki pravijo dvojnost valov in delcev kvantne mehanike.
Ravni zgradbe sveta: 1. Makroskopski nivo - snov 2. Molekularni nivo 3. Atomski nivo - protoni, nevtroni in elektroni 4. Subatomski nivo - elektron 5. Subatomski nivo - kvarki 6. Nivo niza
V Splošni relativnostni teoriji je, kot v državi z nasprotnimi zakoni, situacija bistveno drugačna. Zdi se, da je prostor kot trampolin – gladka tkanina, ki jo lahko predmeti z maso upognejo in raztegnejo. Ustvarjajo zvitke v prostoru-času – kar doživljamo kot gravitacijo. Ni treba posebej poudarjati, da je harmonična, pravilna in predvidljiva Splošna teorija relativnosti v nerešljivem konfliktu z »ekscentričnim huliganom« – kvantno mehaniko, posledično pa se makrosvet ne more »pomiriti« z mikrosvetom. Tu na pomoč priskoči teorija strun.
2D vesolje. Poliedrski graf E8 Teorija vsega
Teorija strun uteleša sanje vseh fizikov o poenotenju obeh v osnovi nasprotujočih si splošne relativnostne teorije in kvantne mehanike, sanje, ki so preganjale največjega »cigana in potepuha« Alberta Einsteina do konca njegovih dni.
Številni znanstveniki verjamejo, da je mogoče vse, od izjemnega plesa galaksij do norega plesa subatomskih delcev, na koncu razložiti le z enim temeljnim fizikalnim principom. Morda celo en sam zakon, ki združuje vse vrste energije, delce in interakcije v neko elegantno formulo.
Splošna relativnost opisuje eno najbolj znanih sil vesolja – gravitacijo. Kvantna mehanika opisuje tri druge sile: močno jedrsko silo, ki zlepi protone in nevtrone v atome, elektromagnetizem in šibko silo, ki sodeluje pri radioaktivnem razpadu. Vsak dogodek v vesolju, od ionizacije atoma do rojstva zvezde, je opisan z interakcijami snovi skozi te štiri sile.
S pomočjo najbolj zapletene matematike je bilo mogoče pokazati, da imajo elektromagnetne in šibke interakcije skupno naravo, ki jih združuje v eno elektrošibko interakcijo. Kasneje jim je bila dodana še močna jedrska interakcija – gravitacija pa se jim nikakor ne pridruži. Teorija strun je eden najresnejših kandidatov za povezovanje vseh štirih sil in s tem zaobjem vseh pojavov v vesolju – ne zaman jo imenujejo tudi “teorija vsega”.
Na začetku je obstajal mit
Do sedaj niso bili vsi fiziki navdušeni nad teorijo strun. In ob zori svojega videza se je zdelo neskončno daleč od resničnosti. Že njeno rojstvo je legenda.
Graf Eulerjeve beta funkcije z realnimi argumenti
V poznih šestdesetih letih 20. stoletja je mladi italijanski teoretični fizik Gabriele Veneziano iskal enačbe, ki bi lahko pojasnile močno jedrsko silo – izjemno močno »lepilo«, ki drži skupaj jedra atomov in povezuje protone in nevtrone. Legenda pravi, da je nekega dne po naključju naletel na zaprašeno knjigo o zgodovini matematike, v kateri je našel dvesto let staro funkcijo, ki jo je prvi zapisal švicarski matematik Leonhard Euler. Predstavljajte si Venezianovo presenečenje, ko je odkril, da Eulerjeva funkcija, ki je dolgo veljala za nič drugega kot matematično radovednost, opisuje to močno interakcijo.
Kako je bilo v resnici? Formula je verjetno rezultat Venezianovega dolgoletnega dela, naključje pa je le pripomoglo k prvemu koraku k odkritju teorije strun. Eulerjeva funkcija, ki je čudežno razložila močno silo, je našla novo življenje.
Sčasoma je padla v oči mlademu ameriškemu teoretičnemu fiziku Leonardu Susskindu, ki je videl, da formula najprej opisuje delce, ki nimajo notranje strukture in lahko vibrirajo. Ti delci so se obnašali tako, da niso mogli biti le točkasti delci. Susskind je razumel – formula opisuje nit, ki je podobna elastičnemu traku. Ni se mogla samo raztezati in krčiti, ampak tudi nihati in zvijati. Po opisu svojega odkritja je Susskind predstavil revolucionarno idejo strun.
Žal je velika večina njegovih kolegov teorijo sprejela zelo hladnokrvno.
Standardni model
Takrat je konvencionalna znanost predstavljala delce kot točke in ne kot strune. Fiziki že leta preučujejo vedenje subatomskih delcev s trčenjem pri visokih hitrostih in proučujejo posledice teh trkov. Izkazalo se je, da je vesolje veliko bogatejše, kot bi si lahko predstavljali. Šlo je za pravo »populacijsko eksplozijo« osnovnih delcev. Študenti podiplomskega študija fizike so tekali po hodnikih in kričali, da so odkrili nov delec - ni bilo niti dovolj črk, da bi jih označili. Toda, žal, v "porodnišnici" novih delcev znanstveniki nikoli niso mogli najti odgovora na vprašanje - zakaj jih je toliko in od kod prihajajo?
To je fizike spodbudilo k nenavadni in presenetljivi napovedi – spoznali so, da je sile, ki delujejo v naravi, mogoče razložiti tudi z delci. To pomeni, da obstajajo delci snovi in obstajajo delci, ki prenašajo interakcije. Na primer, foton je delec svetlobe. Več kot je teh nosilnih delcev – istih fotonov, ki si izmenjujejo delce snovi – svetlejša je svetloba. Znanstveniki so napovedali, da ta posebna izmenjava nosilcev delcev ni nič drugega kot tisto, kar dojemamo kot silo. To so potrdili poskusi. Tako se je fizikom uspelo približati Einsteinovim sanjam o združitvi sil.
Znanstveniki verjamejo, da če se hitro pomaknemo naprej do časa po velikem poku, ko je bilo vesolje na bilijone stopinj bolj vroče, bodo delci, ki prenašajo elektromagnetizem, in šibka sila postali neločljivi in se bodo združili v eno samo silo, imenovano elektrošibka sila. In če se vrnemo še dlje v preteklost, bi se elektrošibka interakcija združila z močno v eno popolno »supersilo«.
Čeprav vse to še čaka na dokaz, je kvantna mehanika nenadoma pojasnila, kako tri od štirih sil medsebojno delujejo na subatomski ravni. In to je lepo in dosledno razložila. Ta skladna slika interakcij je nazadnje postala znana kot standardni model. Toda, žal, ta popolna teorija je imela eno veliko težavo - ni vključevala najbolj znane sile na makro ravni - gravitacije.
Interakcije med različnimi delci v standardnem modelu
Graviton
Za teorijo strun, ki še ni imela časa "razcveteti", je prišla "jesen", vsebovala je preveč težav že od samega rojstva. Izračuni teorije so na primer napovedali obstoj delcev, ki pa, kot je bilo kmalu ugotovljeno, ne obstajajo. To je tako imenovani tahion – delec, ki se v vakuumu giblje hitreje od svetlobe. Med drugim se je izkazalo, da teorija zahteva kar 10 dimenzij. Ni presenetljivo, da je to zelo zmedlo fizike, saj je očitno večje od tega, kar vidimo.
Do leta 1973 se je le nekaj mladih fizikov še spopadalo s skrivnostmi teorije strun. Eden od njih je bil ameriški teoretični fizik John Schwartz. Štiri leta je Schwartz poskušal ukrotiti neukrotljive enačbe, a neuspešno. Med drugimi težavami je ena od teh enačb vztrajala pri opisovanju skrivnostnega delca, ki ni imel mase in ga v naravi niso opazili.
Znanstvenik se je že odločil, da bo opustil svoj katastrofalni posel, potem pa se mu je posvetilo - morda enačbe teorije strun opisujejo tudi gravitacijo? Vendar je to pomenilo revizijo dimenzij glavnih "junakov" teorije - strun. S predpostavko, da so strune milijarde in milijardekrat manjše od atoma, so »strunarji« slabost teorije spremenili v svojo prednost. Skrivnostni delec, ki se ga je John Schwartz tako vztrajno skušal znebiti, je zdaj deloval kot graviton – delec, ki so ga dolgo iskali in bi omogočil prenos gravitacije na kvantno raven. Tako je teorija strun dopolnila uganko z gravitacijo, ki je v standardnem modelu manjkala. Toda, žal, tudi na to odkritje se znanstvena skupnost ni odzvala na noben način. Teorija strun je ostala na robu preživetja. A to Schwartza ni ustavilo. Njegovemu iskanju se je želel pridružiti le en znanstvenik, pripravljen tvegati kariero za skrivnostne strune – Michael Green.
Subatomske lutke za gnezdenje
Kljub vsemu je imela teorija strun v zgodnjih osemdesetih letih še vedno nerešljiva protislovja, ki jih v znanosti imenujemo anomalije. Schwartz in Green sta se jih lotila odstraniti. In njihova prizadevanja niso bila zaman: znanstvenikom je uspelo odpraviti nekatera protislovja v teoriji. Predstavljajte si začudenje teh dveh, že vajenih, da je bila njuna teorija ignorirana, ko je reakcija znanstvene skupnosti raznesla znanstveni svet. V manj kot letu dni je število teoretikov strun poskočilo na stotine ljudi. Takrat je teorija strun dobila naziv Teorija vsega. Zdelo se je, da je nova teorija sposobna opisati vse komponente vesolja. In to so komponente.
Vsak atom je, kot vemo, sestavljen iz še manjših delcev – elektronov, ki se vrtinčijo okoli jedra, sestavljenega iz protonov in nevtronov. Protoni in nevtroni pa so sestavljeni iz še manjših delcev - kvarkov. Toda teorija strun pravi, da se ne konča pri kvarkih. Kvarki so narejeni iz drobnih, vijugajočih se pramenov energije, ki spominjajo na strune. Vsaka od teh vrvic je nepredstavljivo majhna.
Tako majhna, da če bi atom povečali na velikost sončnega sistema, bi bila struna velika kot drevo. Tako kot različni tresljaji strune violončela ustvarijo to, kar slišimo, tako različne glasbene note, različni načini (načini) nihanja strune dajejo delcem njihove edinstvene lastnosti - maso, naboj itd. Ali veste, v čem se, relativno gledano, protoni na konici vašega nohta razlikujejo od še neodkritega gravitona? Samo z zbirko drobnih strun, ki jih sestavljajo, in načinom, kako te strune vibrirajo.
Seveda je vse to več kot presenetljivo. Od časov stare Grčije so se fiziki navadili, da je vse na tem svetu sestavljeno iz nečesa podobnega kroglicam, drobnim delcem. In tako, ker se niso imeli časa navaditi na nelogično obnašanje teh kroglic, ki izhaja iz kvantne mehanike, so pozvani, da popolnoma opustijo paradigmo in operirajo z nekakšnimi ostanki špagetov ...
Peta dimenzija
Čeprav mnogi znanstveniki imenujejo teorijo strun zmagoslavje matematike, nekatere težave z njo še vedno ostajajo - predvsem pomanjkanje kakršne koli možnosti, da bi jo v bližnji prihodnosti eksperimentalno preizkusili. Noben inštrument na svetu, ki ne obstaja in se ne more pojaviti v prihodnosti, ni sposoben »videti« strun. Zato nekateri znanstveniki mimogrede celo postavljajo vprašanje: ali je teorija strun teorija fizike ali filozofije?.. Res je, videti strune »na lastne oči« sploh ni potrebno. Dokazovanje teorije strun zahteva nekaj drugega – kar zveni kot znanstvena fantastika – potrditev obstoja dodatnih dimenzij prostora.
Za kaj se gre? Vsi smo navajeni treh dimenzij prostora in ene – časa. Toda teorija strun napoveduje prisotnost drugih – dodatnih – dimenzij. A začnimo po vrsti.
Pravzaprav se je ideja o obstoju drugih dimenzij pojavila pred skoraj sto leti. Takrat neznani nemški matematik Theodor Kaluza je prišel na misel leta 1919. Predlagal je možnost druge dimenzije v našem vesolju, ki je ne vidimo. Albert Einstein je izvedel za to idejo in sprva mu je bila zelo všeč. Pozneje pa je podvomil o njeni pravilnosti in je celi dve leti odlašal z izidom Kaluze. Na koncu je bil članek vendarle objavljen in dodatna dimenzija je postala nekakšen hobi za genija fizike.
Kot veste, je Einstein pokazal, da gravitacija ni nič drugega kot deformacija prostorsko-časovnih dimenzij. Kaluza je predlagal, da bi elektromagnetizem lahko bil tudi valovanje. Zakaj tega ne vidimo? Kaluza je našel odgovor na to vprašanje - valovanje elektromagnetizma lahko obstaja v dodatni, skriti dimenziji. Toda kje je?
Odgovor na to vprašanje je dal švedski fizik Oskar Klein, ki je domneval, da je Kalužina peta dimenzija prepognjena milijardkrat močneje od velikosti enega samega atoma, zato je ne vidimo. Zamisel o tej majhni dimenziji, ki je povsod okoli nas, je v središču teorije strun.
Ena od predlaganih oblik dodatnih zvitih dimenzij. Znotraj vsake od teh oblik vibrira in se premika struna – glavna sestavina vesolja. Vsaka oblika je šestdimenzionalna – glede na število šestih dodatnih dimenzij
Deset dimenzij
A v resnici enačbe teorije strun ne zahtevajo niti ene, temveč šest dodatnih dimenzij (skupaj jih je pri štirih, ki jih poznamo, natanko 10). Vsi imajo zelo zvito in ukrivljeno kompleksno obliko. In vse je nepredstavljivo malo.
Kako lahko te majhne meritve vplivajo na naš veliki svet? Po teoriji strun je odločilna: zanjo vse določa oblika. Ko pritisnete različne tipke na saksofonu, dobite različne zvoke. To se zgodi zato, ker s pritiskom na določeno tipko ali kombinacijo tipk spremenite obliko prostora v glasbilu, kjer kroži zrak. Zahvaljujoč temu se rodijo različni zvoki.
Teorija strun kaže, da se dodatne ukrivljene in zavite dimenzije prostora manifestirajo na podoben način. Oblike teh dodatnih dimenzij so zapletene in raznolike in vsaka povzroči, da struna, ki se nahaja v takih dimenzijah, različno vibrira ravno zaradi njihovih oblik. Konec koncev, če na primer predpostavimo, da ena struna vibrira znotraj vrča, druga pa znotraj ukrivljenega stebričnega roga, bodo to popolnoma drugačna nihanja. Vendar, če verjamete teoriji strun, so v resnici oblike dodatnih dimenzij videti veliko bolj zapletene kot vrč.
Kako deluje svet
Znanost danes pozna niz števil, ki so temeljne konstante vesolja. Oni so tisti, ki določajo lastnosti in lastnosti vsega okoli nas. Med takimi konstantami so na primer naboj elektrona, gravitacijska konstanta, hitrost svetlobe v vakuumu ... In če te številke spremenimo tudi za neznatno število krat, bodo posledice katastrofalne. Recimo, da smo povečali moč elektromagnetne interakcije. Kaj se je zgodilo? Nenadoma lahko ugotovimo, da se ioni začnejo močneje odbijati in jedrska fuzija, zaradi katere zvezde svetijo in sevajo toploto, nenadoma odpove. Vse zvezde bodo ugasnile.
Toda kaj ima s tem teorija strun s svojimi dodatnimi dimenzijami? Dejstvo je, da so po njem dodatne dimenzije tiste, ki določajo natančno vrednost temeljnih konstant. Nekatere oblike meritev povzročijo, da ena struna vibrira na določen način in proizvede tisto, kar vidimo kot foton. V drugih oblikah strune vibrirajo drugače in proizvajajo elektron. Resnično, Bog je v »malenkostih« – prav te drobne oblike določajo vse temeljne konstante tega sveta.
Teorija superstrun
Sredi osemdesetih let je teorija strun dobila veličasten in urejen videz, toda znotraj spomenika je vladala zmeda. V le nekaj letih je nastalo kar pet različic teorije strun. In čeprav je vsaka od njih zgrajena na strunah in dodatnih dimenzijah (vseh pet različic je združenih v splošno teorijo superstrun - NS), so se te različice v podrobnostih precej razlikovale.
Tako so v nekaterih različicah strune imele odprte konce, v drugih pa so spominjale na obroče. In v nekaterih različicah teorija celo zahteva ne 10, ampak kar 26 dimenzij. Paradoks je, da lahko vseh pet današnjih različic imenujemo enako resnične. Toda katera zares opisuje naše vesolje? To je še ena skrivnost teorije strun. Zato so mnogi fiziki spet obupali nad »noro« teorijo.
Toda glavna težava strun je, kot že omenjeno, nezmožnost (vsaj za zdaj) eksperimentalno dokazati njihove prisotnosti.
Nekateri znanstveniki pa še vedno trdijo, da ima naslednja generacija pospeševalnikov zelo malo, a še vedno možnost, da preveri hipotezo o dodatnih dimenzijah. Čeprav je večina seveda prepričana, da če je to mogoče, se to, žal, ne bo zgodilo zelo kmalu - vsaj v desetletjih, največ - celo v sto letih.
Različne različice teorije strun zdaj veljajo za glavne kandidate za naziv celovite, univerzalne teorije, ki pojasnjuje naravo vsega. In to je nekakšen sveti gral teoretičnih fizikov, ki se ukvarjajo s teorijo osnovnih delcev in kozmologijo. Univerzalna teorija (tudi teorija vsega, kar obstaja) vsebuje le nekaj enačb, ki združujejo celotno človeško znanje o naravi interakcij in lastnostih temeljnih elementov materije, iz katerih je zgrajeno vesolje.
Danes so teorijo strun združili s konceptom supersimetrije, kar je povzročilo rojstvo teorije superstrun, danes pa je to največ, kar je bilo doseženo v smislu poenotenja teorije vseh štirih osnovnih interakcij (sil, ki delujejo v naravi). Sama teorija supersimetrije je že zgrajena na podlagi a priori sodobnega koncepta, po katerem je vsaka oddaljena (poljska) interakcija posledica izmenjave delcev nosilca interakcije ustrezne vrste med medsebojno delujočimi delci (glej standardni model). Zaradi jasnosti se medsebojno delujoči delci lahko štejejo za »opeke« vesolja, nosilne delce pa za cement.
Teorija strun je veja matematične fizike, ki ne preučuje dinamike točkastih delcev, kot večina vej fizike, temveč enodimenzionalnih razširjenih objektov, tj. strune
Znotraj standardnega modela kvarki delujejo kot gradniki, merilni bozoni, ki si jih ti kvarki izmenjujejo med seboj, pa kot nosilci interakcij. Teorija supersimetrije gre še dlje in trdi, da sami kvarki in leptoni niso temeljni: vsi so sestavljeni iz še težjih in eksperimentalno neodkritih struktur (gradnikov) snovi, ki jih drži skupaj še močnejši »cement« superenergijskih delcev. -nosilci interakcij kot kvarki sestavljeni iz hadronov in bozonov.
Nobena od napovedi teorije supersimetrije seveda še ni bila preizkušena v laboratorijskih pogojih, vendar hipotetične skrite komponente materialnega sveta že imajo imena - na primer elektron (supersimetrični partner elektrona), skvark itd. . Obstoj teh delcev je nedvoumno predviden.
Sliko vesolja, ki jo ponujajo te teorije, pa je precej enostavno vizualizirati. Na merilu okoli 10E–35 m, torej 20 velikostnih redov manjšem od premera istega protona, ki vključuje tri vezane kvarke, se struktura snovi razlikuje od tiste, ki smo je vajeni že na ravni osnovnih delcev. . Na tako majhnih razdaljah (in pri tako visokih energijah interakcij, da si tega ni mogoče predstavljati) se materija spremeni v niz stojnih valov polja, podobnih tistim, ki se vzbujajo v strunah glasbil. Tako kot struna za kitaro lahko v taki struni poleg osnovnega tona vzbudimo številne prizvoke ali harmonike. Vsak harmonik ima svoje energijsko stanje. Po načelu relativnosti (glej teorijo relativnosti) sta energija in masa enakovredni, kar pomeni, da večja kot je frekvenca harmoničnega nihanja strune, večja je njena energija in večja je masa opazovanega delca.
Vendar, če je stoječe valovanje v struni kitare precej enostavno vizualizirati, je stoječe valove, ki jih predlaga teorija superstrun, težko vizualizirati – dejstvo je, da se vibracije superstrun pojavljajo v prostoru, ki ima 11 dimenzij. Navajeni smo na štiridimenzionalni prostor, ki vsebuje tri prostorske in eno časovno dimenzijo (levo-desno, gor-dol, naprej-nazaj, preteklost-prihodnost). V prostoru superniz so stvari veliko bolj zapletene (glej okvir). Teoretični fiziki se spodrsljivemu problemu "dodatnih" prostorskih razsežnosti izognejo s trditvijo, da so "skrite" (ali v znanstvenem smislu "zgoščene") in jih zato ne opazimo pri običajnih energijah.
V zadnjem času se je teorija strun dodatno razvila v obliki teorije večdimenzionalnih membran – v bistvu gre za enake strune, vendar ravne. Kot se je mimogrede pošalil eden od njenih avtorjev, se membrane od vrvic razlikujejo približno tako, kot se rezanci razlikujejo od vermikelov.
To je morda vse, kar lahko na kratko povemo o eni od teorij, ki danes ne brez razloga trdijo, da so univerzalna teorija Velikega poenotenja vseh interakcij sil. Žal, ta teorija ni brez greha. Prvič, še ni bil priveden v strogo matematično obliko zaradi nezadostnosti matematičnega aparata, da bi ga spravil v strogo notranjo korespondenco. Od rojstva te teorije je minilo 20 let, pa še nikomur ni uspelo dosledno uskladiti nekaterih njenih vidikov in različic z drugimi. Še bolj neprijetno pa je, da nihče od teoretikov, ki predlagajo teorijo strun (še posebej superstrun), ni predlagal niti enega eksperimenta, v katerem bi te teorije lahko preizkusili v laboratoriju. Žal, bojim se, da bo vse njihovo delo, dokler tega ne storijo, ostalo bizarna igra fantazije in vaj v razumevanju ezoteričnega znanja zunaj glavnega toka naravoslovja.
Preučevanje lastnosti črnih lukenj
Leta 1996 sta teoretika strun Andrew Strominger in Kumrun Vafa gradila na prejšnjih rezultatih Susskinda in Sena ter objavila »Mikroskopska narava Bekensteinove in Hawkingove entropije«. V tem delu sta Strominger in Vafa lahko uporabila teorijo strun, da bi našla mikroskopske komponente določenega razreda črnih lukenj in natančno izračunala entropijske prispevke teh komponent. Delo je temeljilo na novi metodi, ki je deloma presegla teorijo motenj, uporabljeno v osemdesetih in zgodnjih devetdesetih letih prejšnjega stoletja. Rezultat dela je natančno sovpadal z napovedmi Bekensteina in Hawkinga, podanima pred več kot dvajsetimi leti.
Strominger in Vafa sta realnim procesom nastajanja črnih lukenj nasprotovala s konstruktivnim pristopom. Spremenili so pogled na nastanek črnih lukenj in pokazali, da jih je mogoče sestaviti s skrbnim sestavljanjem v en mehanizem natančnega niza bran, odkritih med drugo revolucijo superstrun.
Z vsemi kontrolami mikroskopske strukture črne luknje sta Strominger in Vafa lahko izračunala število permutacij mikroskopskih komponent črne luknje, ki bi pustile splošne opazne značilnosti, kot sta masa in naboj, nespremenjene. Nato so dobljeno število primerjali z območjem obzorja dogodkov črne luknje - entropijo, ki sta jo napovedala Bekenstein in Hawking - in našli popolno soglasje. Vsaj za razred ekstremnih črnih lukenj sta Strominger in Vafa lahko našla uporabo teorije strun za analizo mikroskopskih komponent in natančen izračun ustrezne entropije. Problem, s katerim so se fiziki soočali četrt stoletja, je bil rešen.
Za številne teoretike je bilo to odkritje pomemben in prepričljiv argument v podporo teoriji strun. Razvoj teorije strun je še vedno pregrob za neposredno in natančno primerjavo z eksperimentalnimi rezultati, na primer z meritvami mase kvarka ali elektrona. Teorija strun pa nudi prvo temeljno razlago za dolgo odkrito lastnost črnih lukenj, katere nezmožnost razlage je dolga leta ustavila raziskave fizikov, ki so se ukvarjali s tradicionalnimi teorijami. Celo Sheldon Glashow, Nobelov nagrajenec za fiziko in odločen nasprotnik teorije strun v 1980-ih, je v intervjuju leta 1997 priznal, da "ko teoretiki strun govorijo o črnih luknjah, govorijo skoraj o opazovanih pojavih, in to je impresivno."
Kozmologija strun
Obstajajo trije glavni načini, na katere teorija strun spreminja standardni kozmološki model. Prvič, v duhu sodobnih raziskav, ki vse bolj razjasnjujejo situacijo, iz teorije strun izhaja, da mora imeti vesolje minimalno sprejemljivo velikost. Ta ugotovitev spreminja razumevanje strukture vesolja takoj v trenutku velikega poka, za katerega standardni model daje ničelno velikost vesolja. Drugič, koncept T-dualnosti, to je dvojnosti majhnih in velikih radijev (v njeni tesni povezavi z obstojem minimalne velikosti) v teoriji strun, je pomemben tudi v kozmologiji. Tretjič, število prostorsko-časovnih dimenzij v teoriji strun je več kot štiri, zato mora kozmologija opisati razvoj vseh teh dimenzij.
Model Brandenberg in Vafa
Konec osemdesetih let prejšnjega stoletja. Robert Brandenberger in Kumrun Vafa sta naredila prve pomembne korake k razumevanju, kako bo teorija strun spremenila posledice standardnega modela kozmologije. Prišli so do dveh pomembnih ugotovitev. Prvič, ko se vračamo k velikemu poku, temperatura še naprej narašča, dokler velikost vesolja v vseh smereh ne postane enaka Planckovi dolžini. Na tej točki bo temperatura dosegla svoj maksimum in začela padati. Na intuitivni ravni ni težko razumeti razloga za ta pojav. Za poenostavitev predpostavimo (po Brandenbergerju in Vafi), da so vse prostorske dimenzije vesolja ciklične. Ko se premikamo nazaj v času, se polmer vsakega kroga zmanjša in temperatura vesolja se poveča. Iz teorije strun vemo, da je krčenje polmerov najprej na in nato pod Planckovo dolžino fizično enako zmanjšanju polmerov na Planckovo dolžino, čemur sledi njihovo kasnejše povečanje. Ker med širjenjem vesolja temperatura pada, bodo neuspešni poskusi stiskanja vesolja na velikosti, manjše od Planckove dolžine, povzročili prenehanje rasti temperature in njeno nadaljnje zniževanje.
Kot rezultat sta Brandenberger in Vafa prišla do naslednje kozmološke slike: prvič, vse prostorske dimenzije v teoriji strun so tesno zložene na najmanjšo velikost reda Planckove dolžine. Temperatura in energija sta visoki, vendar ne neskončni: paradoksi izhodiščne točke ničelne velikosti v teoriji strun so razrešeni. V začetnem trenutku obstoja vesolja so vse prostorske razsežnosti teorije strun popolnoma enake in popolnoma simetrične: vse so zvite v večdimenzionalno kepo Planckovih razsežnosti. Nadalje, po Brandenbergerju in Vafi gre vesolje skozi prvo stopnjo zmanjšanja simetrije, ko so v Planckovem trenutku izbrane tri prostorske dimenzije za nadaljnjo širitev, ostale pa ohranijo svojo prvotno Planckovo velikost. Te tri dimenzije se nato identificirajo z dimenzijami v scenariju inflacijske kozmologije in skozi proces evolucije prevzamejo obliko, ki jo opazujemo zdaj.
Model Veneziano in Gasperini
Od dela Brandenbergerja in Vafe so fiziki nenehno napredovali k razumevanju kozmologije strun. Med tistimi, ki vodijo to raziskavo, sta Gabriele Veneziano in njegov kolega Maurizio Gasperini z Univerze v Torinu. Ti znanstveniki so predstavili svojo različico kozmologije strun, ki je ponekod podobna zgoraj opisanemu scenariju, drugje pa se od njega bistveno razlikuje. Tako kot Brandenberger in Vafa sta se za izključitev neskončne temperature in gostote energije, ki nastaneta v standardnem in inflacijskem modelu, oprla na obstoj minimalne dolžine v teoriji strun. Vendar sta Gasperini in Veneziano namesto sklepa, da se zaradi te lastnosti vesolje rodi iz grude Planckovih dimenzij, predlagala, da je obstajalo prazgodovinsko vesolje, ki je nastalo veliko pred trenutkom, imenovanim ničelna točka, in ki je rodilo to kozmični »zarodek« Planckovih dimenzij.
Začetno stanje vesolja v tem scenariju in v modelu velikega poka se zelo razlikuje. Po Gasperiniju in Venezianu Vesolje ni bilo vroča in tesno zvita krogla dimenzij, ampak je bilo hladno in je imelo neskončno razsežnost. Nato je, kot izhaja iz enačb teorije strun, nestabilnost vdrla v vesolje in vse njegove točke so se začele, kot v obdobju inflacije po Guthu, hitro razpršiti na stran.
Gasperini in Veneziano sta pokazala, da je zaradi tega prostor postajal vse bolj ukrivljen in posledično je prišlo do močnega skoka temperature in gostote energije. Minilo je malo časa in tridimenzionalno območje milimetrskih dimenzij znotraj teh neskončnih prostranstev se je spremenilo v vročo in gosto točko, identično pegi, ki po Guthu nastane med inflacijsko ekspanzijo. Nato je šlo vse po standardnem scenariju kozmologije velikega poka in širijoča se točka se je spremenila v opazljivo vesolje.
Ker je obdobje pred velikim pokom doživljalo lastno inflacijsko ekspanzijo, je Guthova rešitev paradoksa obzorja samodejno vgrajena v ta kozmološki scenarij. Kot je povedal Veneziano (v intervjuju leta 1998), "nam teorija strun na srebrnem pladnju poda različico inflacijske kozmologije."
Študij kozmologije strun hitro postaja področje aktivnih in produktivnih raziskav. Na primer, scenarij evolucije pred velikim pokom je bil že večkrat predmet vroče razprave in njegovo mesto v prihodnji kozmološki formulaciji še zdaleč ni očitno. Vendar pa ni dvoma, da bo ta kozmološka formulacija trdno temeljila na fizičnem razumevanju rezultatov, odkritih med drugo revolucijo superstrun. Na primer, kozmološke posledice obstoja večdimenzionalnih membran so še vedno nejasne. Z drugimi besedami, kako se bo ideja o prvih trenutkih obstoja vesolja spremenila kot rezultat analize dokončane M-teorije? To vprašanje se intenzivno raziskuje.
