Superstrengteori repræsenterer i populært sprog universet som en samling af vibrerende energistrenge - strenge. De er grundlaget for naturen. Hypotesen beskriver også andre elementer - braner. Alt stof i vores verden består af vibrationer af strenge og braner. En naturlig konsekvens af teorien er beskrivelsen af tyngdekraften. Det er grunden til, at videnskabsmænd mener, at det rummer nøglen til at forene tyngdekraften med andre kræfter.
Konceptet udvikler sig
Den forenede feltteori, superstrengteori, er rent matematisk. Som alle fysiske begreber er det baseret på ligninger, der kan fortolkes på bestemte måder.
I dag ved ingen præcis, hvad den endelige version af denne teori bliver. Forskere har en ret vag idé om dets generelle elementer, men ingen er endnu kommet med en endelig ligning, der ville dække alle superstrengteorier, og eksperimentelt har den endnu ikke været i stand til at bekræfte det (selv om det heller ikke skal modbevise det). Fysikere har lavet forenklede versioner af ligningen, men indtil videre beskriver den ikke helt vores univers.
Superstring Theory for Beginners
Hypotesen er baseret på fem nøgleideer.
- Superstrengteori forudsiger, at alle objekter i vores verden består af vibrerende filamenter og membraner af energi.
- Hun forsøger at kombinere generel relativitet (tyngdekraft) med kvantefysik.
- Superstrengteori vil forene alle de grundlæggende kræfter i universet.
- Denne hypotese forudsiger en ny forbindelse, supersymmetri, mellem to fundament alt forskellige typer partikler, bosoner og fermioner.
- Konceptet beskriver en række yderligere, sædvanligvis uobserverbare dimensioner af universet.
Strenge og braner
Da teorien dukkede op i 1970'erne, blev energitrådene i den betragtet som 1-dimensionelle objekter - strenge. Ordet "en-dimensionel" betyder, at strengen kun har 1 dimension, længden, i modsætning til f.eks. en firkant, som både har en længde og en højde.
Teorien opdeler disse superstrenge i to typer - lukkede og åbne. En åben snor har ender, der ikke rører hinanden, mens en lukket streng er en løkke uden åbne ender. Som et resultat blev det fundet, at disse strenge, kaldet strenge af den første type, er underlagt 5 hovedtyper af interaktioner.
Interaktioner er baseret på en strengs evne til at forbinde og adskille dens ender. Da enderne af åbne strenge kan kombineres for at danne lukkede strenge, er det umuligt at konstruere en superstrengteori, der ikke inkluderer løkkede strenge.
Dette viste sig at være vigtigt, da lukkede strenge har egenskaber, mener fysikere, der kunne beskrive tyngdekraften. Med andre ord videnskabsmændindså, at superstrengteori i stedet for at forklare stofpartiklerne kan beskrive deres adfærd og tyngdekraft.
Efter mange år blev det opdaget, at der udover strenge er andre elementer nødvendige for teorien. De kan opfattes som plader eller braner. Strenge kan fastgøres til den ene side eller begge sider.
kvantetyngdekraft
Moderne fysik har to hovedvidenskabelige love: generel relativitetsteori (GR) og kvante. De repræsenterer helt forskellige videnskabsområder. Kvantefysikken studerer de mindste naturlige partikler, og GR beskriver som regel naturen på skalaen af planeter, galakser og universet som helhed. Hypoteserne, der forsøger at forene dem, kaldes kvantetyngde-teorier. Den mest lovende af dem i dag er strengen.
Lukkede tråde svarer til tyngdekraftens adfærd. De har især egenskaberne som en graviton, en partikel, der bærer tyngdekraften mellem objekter.
Forenede kræfter
Strengteori forsøger at kombinere de fire kræfter - elektromagnetiske, stærke og svage kernekræfter og tyngdekraften - til én. I vores verden manifesterer de sig som fire forskellige fænomener, men strengteoretikere mener, at i det tidlige univers, hvor der var utroligt høje niveauer af energi, er alle disse kræfter beskrevet af strenge, der interagerer med hinanden.
Supersymmetri
Alle partikler i universet kan opdeles i to typer: bosoner og fermioner. Strengteoriforudsiger, at der er et forhold mellem dem, kaldet supersymmetri. I supersymmetri skal der være en fermion for hver boson og en boson for hver fermion. Desværre er eksistensen af sådanne partikler ikke blevet eksperimentelt bekræftet.
Supersymmetri er et matematisk forhold mellem elementer i fysiske ligninger. Det blev opdaget i et andet område af fysikken, og dets anvendelse førte til omdøbningen af supersymmetrisk strengteori (eller superstrengteori, i populær sprogbrug) i midten af 1970'erne.
En af fordelene ved supersymmetri er, at den i høj grad forenkler ligninger ved at tillade, at nogle variabler elimineres. Uden supersymmetri fører ligningerne til fysiske modsætninger såsom uendelige værdier og imaginære energiniveauer.
Fordi videnskabsmænd ikke har observeret partiklerne forudsagt af supersymmetri, er det stadig en hypotese. Mange fysikere mener, at årsagen til dette er behovet for en betydelig mængde energi, som er relateret til masse af den berømte Einstein-ligning E=mc2. Disse partikler kunne have eksisteret i det tidlige univers, men da det afkølede og energi spredte sig efter Big Bang, flyttede disse partikler til lave energiniveauer.
Med andre ord mistede de strenge, der vibrerede som højenergipartikler, deres energi og forvandlede dem til lavere vibrationselementer.
Forskere håber, at astronomiske observationer eller eksperimenter med partikelacceleratorer vil bekræfte teorien ved at afsløre nogle af de supersymmetriske elementer med en højereenergi.
Yderligere mål
En anden matematisk konsekvens af strengteori er, at den giver mening i en verden med mere end tre dimensioner. Der er i øjeblikket to forklaringer på dette:
- De ekstra dimensioner (seks af dem) er kollapset eller, i strengteoretisk terminologi, komprimeret til utroligt små størrelser, som aldrig vil blive opfattet.
- Vi sidder fast i 3D-branen, og de andre dimensioner strækker sig ud over den og er utilgængelige for os.
En vigtig forskningslinje blandt teoretikere er den matematiske modellering af, hvordan disse ekstra koordinater kan være relateret til vores. De seneste resultater forudsiger, at forskere snart vil være i stand til at opdage disse ekstra dimensioner (hvis de findes) i kommende eksperimenter, da de kan være større end tidligere forventet.
Forstå formålet
Målet, som videnskabsmænd stræber efter, når de udforsker superstrenge, er en "teori om alt", det vil sige en enkelt fysisk hypotese, der beskriver hele den fysiske virkelighed på et grundlæggende niveau. Hvis det lykkes, kan det afklare mange spørgsmål om strukturen i vores univers.
Forklaring af stof og masse
En af hovedopgaverne for moderne forskning er at finde løsninger for rigtige partikler.
Strengteori begyndte som et koncept, der beskriver partikler såsom hadroner i forskellige højere vibrationstilstande af en streng. I de fleste moderne formuleringer observeres sagen i voresuniverset, er resultatet af vibrationer af strenge og braner med den laveste energi. Højere vibrationer genererer højenergipartikler, som i øjeblikket ikke eksisterer i vores verden.
Massen af disse elementarpartikler er en manifestation af, hvordan strenge og braner er pakket ind i komprimerede ekstra dimensioner. For eksempel, i et forenklet tilfælde, hvor de er foldet til en donutform, kaldet en torus af matematikere og fysikere, kan en snor vikle denne form på to måder:
- kort sløjfe gennem midten af torusen;
- en lang sløjfe rundt om hele torus' ydre omkreds.
En kort løkke vil være en let partikel, og en stor løkke vil være en tung. Vikle strenge omkring ringformede kompakterede dimensioner producerer nye elementer med forskellige masser.
Superstrengteori forklarer kortfattet og klart, enkelt og elegant overgangen fra længde til masse. De foldede dimensioner her er meget mere komplicerede end torusen, men i princippet fungerer de på samme måde.
Det er endda muligt, selvom det er svært at forestille sig, at strengen vikler sig rundt om torusen i to retninger på samme tid, hvilket resulterer i en anden partikel med en anden masse. Braner kan også indpakke ekstra dimensioner, hvilket skaber endnu flere muligheder.
Bestemme rum og tid
I mange versioner af superstrengteori kollapser dimensionerne, hvilket gør dem uobserverbare på det nuværende niveau af teknologisk udvikling.
I øjeblikket er det ikke klart, om strengteori kan forklare den grundlæggende natur af rum og tidmere end Einstein gjorde. I den er målinger baggrunden for samspillet mellem strenge og har ingen selvstændig reel betydning.
Forklaringer er blevet tilbudt, ikke fuldt udviklede, angående repræsentationen af rumtid som en afledt af den samlede sum af alle strenginteraktioner.
Denne tilgang opfylder ikke ideerne fra nogle fysikere, hvilket førte til kritik af hypotesen. Den konkurrenceprægede teori om sløjfekvantetyngdekraften bruger kvantiseringen af rum og tid som udgangspunkt. Nogle mener, at det ender med at blive en anden tilgang til den samme grundlæggende hypotese.
Kvantisering af tyngdekraften
Den vigtigste opnåelse af denne hypotese, hvis den bekræftes, vil være kvanteteorien om tyngdekraften. Den nuværende beskrivelse af tyngdekraften i generel relativitetsteori er ikke i overensstemmelse med kvantefysikken. Sidstnævnte fører ved at pålægge begrænsninger for små partiklers opførsel til modsigelser, når man forsøger at udforske universet i ekstremt lille skala.
Forening af styrker
I øjeblikket kender fysikere fire grundlæggende kræfter: tyngdekraft, elektromagnetisk, svag og stærk nuklear interaktion. Det følger af strengteori, at de alle engang var manifestationer af én.
Ifølge denne hypotese, siden det tidlige univers afkølede efter big bang, begyndte denne enkelte interaktion at bryde op i forskellige, der er aktive i dag.
Højenergieksperimenter vil en dag give os mulighed for at opdage foreningen af disse kræfter, selvom sådanne eksperimenter er langt ud over den nuværende teknologiske udvikling.
Fem valg
Efter superstrengrevolutionen i 1984 blev udviklingen gennemført i et febrilsk tempo. Som et resultat heraf var der i stedet for ét koncept fem navngivne typer I, IIA, IIB, HO, HE, som hver næsten fuldstændig beskrev vores verden, men ikke fuldstændigt.
Fysikere, der sorterer gennem versioner af strengteori i håbet om at finde en universel sand formel, har skabt 5 forskellige selvforsynende versioner. Nogle af deres egenskaber afspejlede verdens fysiske virkelighed, andre svarede ikke til virkeligheden.
M-teori
På en konference i 1995 foreslog fysikeren Edward Witten en modig løsning på problemet med fem hypoteser. Baseret på den nyopdagede dualitet blev de alle til særlige tilfælde af et enkelt overordnet koncept, kaldet Wittens M-teori om superstrenge. Et af dets nøglekoncepter var braner (forkortelse for membran), fundamentale objekter med mere end 1 dimension. Selvom forfatteren ikke tilbød en fuld version, som endnu ikke er tilgængelig, består M-teorien for superstrenge kort af følgende funktioner:
- 11-dimension (10 rumlig plus 1 tidsdimension);
- dualiteter, der fører til fem teorier, der forklarer den samme fysiske virkelighed;
- braner er strenge med mere end 1 dimension.
Konsekvenser
Som et resultat var der 10500 løsninger i stedet for én. For nogle fysikere forårsagede dette en krise, mens andre accepterede det antropiske princip, som forklarer universets egenskaber ved vores tilstedeværelse i det. Det er stadig at se, hvornår teoretikere finder en andenorienteringsmåde i superstrengteori.
Nogle fortolkninger tyder på, at vores verden ikke er den eneste. De mest radikale versioner tillader eksistensen af et uendeligt antal universer, hvoraf nogle indeholder nøjagtige kopier af vores egne.
Einsteins teori forudsiger eksistensen af et snoet rum, som kaldes et ormehul eller en Einstein-Rosen-bro. I dette tilfælde er to fjerne steder forbundet med en kort passage. Superstrengteori tillader ikke kun dette, men også forbindelsen af fjerne punkter i parallelle verdener. Det er endda muligt at skifte mellem universer med forskellige fysiklove. Det er dog sandsynligt, at kvanteteorien om tyngdekraften vil umuliggøre deres eksistens.
Mange fysikere mener, at det holografiske princip, når al information indeholdt i rummets rumfang svarer til informationen registreret på dets overflade, vil tillade en dybere forståelse af begrebet energitråde.
Nogle mener, at superstrengteori tillader flere tidsdimensioner, hvilket kan resultere i rejser gennem dem.
Derudover er der inden for hypotesens rammer et alternativ til big bang-modellen, ifølge hvilken vores univers opstod som et resultat af en kollision af to braner og gennemgår gentagne cyklusser af skabelse og ødelæggelse.
Universets ultimative skæbne har altid optaget fysikere, og den endelige version af strengteori vil hjælpe med at bestemme stoffets tæthed og den kosmologiske konstant. Ved at kende disse værdier kan kosmologer afgøre, om universet vilkrymp indtil den eksploderer for at starte det hele forfra.
Ingen ved, hvor en videnskabelig teori kan føre hen, før den er udviklet og testet. Einstein, der skrev ligningen E=mc2, forventede ikke, at det ville føre til fremkomsten af atomvåben. Skaberne af kvantefysikken vidste ikke, at det ville blive grundlaget for at skabe en laser og en transistor. Og selvom det endnu ikke vides, hvad sådan et rent teoretisk begreb vil føre til, viser historien, at noget enestående helt sikkert vil vise sig.
For mere om denne formodning, se Andrew Zimmermans Superstring Theory for Dummies.
