Základní prvky teorie strun

Autor: Andrew Zimmerman Jones, Daniel Robbins

Pět klíčových myšlenek je jádrem teorie strun. Seznamte se s těmito klíčovými prvky teorie strun hned po pálce. V následujících částech si přečtěte samotné základy těchto pěti myšlenek teorie strun.

Struny a membrány

Když byla teorie původně vyvinuta v 70. letech, vlákna energie v teorii strun byla považována za jednorozměrné objekty: struny. ( Jednorozměrný označuje, že řetězec má pouze jednu dimenzi, délku, na rozdíl od čtverce, který má rozměry délky i výšky.)



Tyto řetězce přicházely ve dvou formách - uzavřené řetězce a otevřené řetězce. Otevřený řetězec má konce, které se navzájem nedotýkají, zatímco uzavřený řetězec je smyčka bez otevřeného konce. Nakonec bylo zjištěno, že tyto rané řetězce, nazývané řetězce typu I, mohou procházet pěti základními typy interakcí, jak ukazuje tento obrázek.

hýbat volný kloub zdraví
Řetězce typu I mohou procházet pěti základními interakcemi založenými na různých způsobech připojení aŘetězce typu I mohou procházet pěti základními interakcemi založenými na různých způsobech spojování a dělení.

Interakce jsou založeny na schopnosti řetězce spojit a rozdělit konce. Protože konce otevřených řetězců se mohou spojit a vytvořit uzavřené řetězce, nemůžete vytvořit teorii řetězců bez uzavřených řetězců.

To se ukázalo jako důležité, protože uzavřené řetězce mají vlastnosti, díky nimž fyzici věří, že mohou popisovat gravitaci. Fyzici si místo teorie teorií částic hmoty začali uvědomovat, že teorie strun může vysvětlit gravitaci a chování částic.

V průběhu let se zjistilo, že teorie vyžaduje jiné objekty než jen řetězce. Tyto objekty lze považovat za listy nebo otruby . K těmto branám se mohou připojit řetězce na jednom nebo obou koncích. Na tomto obrázku je znázorněna 2-dimenzionální brane (nazývaná 2-brane).

V teorii strun se řetězce připevňují k branám.V teorii strun se řetězce připevňují k branám.

Kvantová gravitace

Moderní fyzika má dva základní vědecké zákony: kvantovou fyziku a obecnou relativitu. Tyto dva vědecké zákony představují radikálně odlišné studijní obory. Kvantová fyzika studuje nejmenší objekty v přírodě, zatímco relativita má tendenci studovat přírodu na stupnici planet, galaxií a vesmíru jako celku. (Je zřejmé, že gravitace ovlivňuje také malé částice, a to také odpovídá relativitě.) Teorie, které se pokoušejí sjednotit dvě teorie, jsou teorie kvantová gravitace, a nejslibnější ze všech takových teorií je dnes teorie strun.

Sjednocení sil

Ruka v ruce s otázkou kvantové gravitace se teorie strun pokouší sjednotit čtyři síly ve vesmíru - elektromagnetickou sílu, silnou jadernou sílu, slabou jadernou sílu a gravitaci - dohromady do jedné sjednocené teorie. V našem vesmíru se tyto základní síly objevují jako čtyři různé jevy, ale teoretici strun se domnívají, že v časném vesmíru (kdy byly neuvěřitelně vysoké energetické hladiny) jsou všechny tyto síly popsány řetězci, které na sebe vzájemně působí.

Supersymetrie

Všechny částice ve vesmíru lze rozdělit do dvou typů: bosony a fermiony. Teorie strun předpovídá, že se jedná o typ spojení, tzv supersymetrie, mezi těmito dvěma typy částic existuje. Podle supersymetrie musí existovat fermion pro každý boson a naopak. Experimenty bohužel dosud tyto extra částice nezjistily.

Supersymetrie je specifický matematický vztah mezi určitými prvky fyzikálních rovnic. Bylo objeveno mimo teorii strun, ačkoli její začlenění do teorie strun transformovalo teorii na supersymetrickou teorii strun (nebo teorii superstrun) v polovině 70. let.

Supersymetrie výrazně zjednodušuje rovnice teorie strun tím, že umožňuje zrušení určitých termínů. Bez supersymetrie mají rovnice za následek fyzické nekonzistence, jako jsou nekonečné hodnoty a imaginární energetické úrovně.

Protože vědci nepozorovali částice předpovídané supersymetrií, je to stále teoretický předpoklad. Mnoho fyziků věří, že důvod, proč nikdo částice nepozoroval, je ten, že jejich generování vyžaduje hodně energie. (Energie souvisí s hmotou podle Einsteinova slavného JE = mc Rovnice 2, takže k vytvoření částice je zapotřebí energie.) Možná existovaly v časném vesmíru, ale když se vesmír ochladil a energie se rozšířila po velkém třesku, tyto částice by se zhroutily do stavů s nižší energií, které my pozorovat dnes. (Možná si nemyslíme, že náš současný vesmír je zvlášť nízkoenergetický, ale ve srovnání s intenzivním teplem prvních několika okamžiků po velkém třesku to určitě je.)

Vědci doufají, že astronomická pozorování nebo experimenty s urychlovači částic odhalí některé z těchto vysokoenergetických supersymetrických částic, což podpoří tuto předpověď strunové teorie.

Extra rozměry

Dalším matematickým výsledkem teorie strun je, že teorie má smysl pouze ve světě s více než třemi prostorovými rozměry! (Náš vesmír má tři rozměry prostoru - levý / pravý, nahoru / dolů a přední / zadní.) Pro umístění dalších dimenzí v současné době existují dvě možná vysvětlení:

  • Extra rozměry prostoru (obvykle šest z nich) jsou zvlněné ( zhutněný , v terminologii teorie strun) na neuvěřitelně malé velikosti, takže je nikdy nevnímáme.

  • Uvízli jsme na trojrozměrné braně a další dimenze se od ní rozšiřují a jsou pro nás nepřístupné.

Hlavní oblast výzkumu mezi teoretiky strun je na matematických modelech, jak by tyto extra dimenze mohly souviset s naší vlastní. Některé z těchto nedávných výsledků předpovídaly, že vědci mohou být brzy schopni detekovat tyto další dimenze (pokud existují) v nadcházejících experimentech, protože mohou být větší, než se dříve očekávalo.