Ang
Superstring theory, sa tanyag na wika, ay kumakatawan sa uniberso bilang isang koleksyon ng mga nanginginig na hibla ng enerhiya - mga string. Sila ang pundasyon ng kalikasan. Ang hypothesis ay naglalarawan din ng iba pang mga elemento - branes. Ang lahat ng bagay sa ating mundo ay binubuo ng mga vibrations ng mga string at branes. Ang isang natural na kahihinatnan ng teorya ay ang paglalarawan ng grabidad. Kaya naman naniniwala ang mga siyentipiko na hawak nito ang susi sa pag-iisa ng gravity sa iba pang pwersa.
Nagbabago ang konsepto
Ang pinag-isang field theory, superstring theory, ay puro matematika. Tulad ng lahat ng pisikal na konsepto, nakabatay ito sa mga equation na maaaring bigyang-kahulugan sa ilang partikular na paraan.
Ngayon ay walang nakakaalam nang eksakto kung ano ang magiging huling bersyon ng teoryang ito. Ang mga siyentipiko ay may isang medyo malabo na ideya ng mga pangkalahatang elemento nito, ngunit wala pang nakabuo ng isang tiyak na equation na sumasaklaw sa lahat ng mga superstring na teorya, at sa eksperimento ay hindi pa ito nakumpirma (bagaman hindi rin ito pasinungalingan). Gumawa ang mga physicist ng mga pinasimpleng bersyon ng equation, ngunit sa ngayon ay hindi pa nito lubos na inilalarawan ang ating uniberso.
Superstring Theory for Beginners
Ang hypothesis ay batay sa limang pangunahing ideya.
- Ang teorya ng superstring ay hinuhulaan na ang lahat ng bagay sa ating mundo ay binubuo ng mga nanginginig na filament at lamad ng enerhiya.
- Sinusubukan niyang pagsamahin ang general relativity (gravity) sa quantum physics.
- Ang teorya ng superstring ay pag-isahin ang lahat ng pangunahing puwersa ng sansinukob.
- Ang hypothesis na ito ay hinuhulaan ang isang bagong koneksyon, supersymmetry, sa pagitan ng dalawang pangunahing magkaibang uri ng mga particle, boson at fermion.
- Inilalarawan ng konsepto ang ilang karagdagang, kadalasang hindi nakikitang mga dimensyon ng Uniberso.
Strings at branes
Nang lumitaw ang teorya noong 1970s, ang mga thread ng enerhiya sa loob nito ay itinuturing na 1-dimensional na mga bagay - mga string. Ang salitang "one-dimensional" ay nangangahulugan na ang string ay may 1 dimensyon lamang, ang haba, hindi katulad, halimbawa, isang parisukat, na parehong may haba at taas.
Hinahati ng teorya ang mga superstring na ito sa dalawang uri - sarado at bukas. Ang isang bukas na string ay may mga dulo na hindi magkadikit, habang ang isang saradong string ay isang loop na walang bukas na mga dulo. Bilang resulta, napag-alaman na ang mga string na ito, na tinatawag na mga string ng unang uri, ay napapailalim sa 5 pangunahing uri ng mga pakikipag-ugnayan.
Ang mga pakikipag-ugnayan ay nakabatay sa kakayahan ng isang string na kumonekta at paghiwalayin ang mga dulo nito. Dahil ang mga dulo ng bukas na mga string ay maaaring pagsamahin upang bumuo ng mga closed string, imposibleng bumuo ng isang superstring theory na hindi kasama ang mga naka-loop na string.
Ito ay naging mahalaga, dahil ang mga saradong string ay may mga katangian, naniniwala ang mga physicist, na maaaring maglarawan sa gravity. Sa madaling salita, mga siyentipikonapagtanto na ang superstring theory, sa halip na ipaliwanag ang mga particle ng matter, ay maaaring ilarawan ang kanilang pag-uugali at gravity.
Pagkalipas ng maraming taon, natuklasan na, bilang karagdagan sa mga string, ang iba pang mga elemento ay kinakailangan para sa teorya. Maaari silang isipin bilang mga sheet, o branes. Maaaring ikabit ang mga string sa isang gilid o magkabilang gilid.
Quantum gravity
Ang modernong pisika ay may dalawang pangunahing siyentipikong batas: pangkalahatang relativity (GR) at quantum. Kinakatawan nila ang ganap na magkakaibang larangan ng agham. Pinag-aaralan ng quantum physics ang pinakamaliit na natural na particle, at ang GR, bilang panuntunan, ay naglalarawan ng kalikasan sa sukat ng mga planeta, galaxy at uniberso sa kabuuan. Ang mga hypotheses na nagtatangkang pag-isahin ang mga ito ay tinatawag na quantum gravity theories. Ang pinaka-promising sa kanila ngayon ay ang string.
Ang mga saradong thread ay tumutugma sa gawi ng gravity. Sa partikular, mayroon silang mga katangian ng isang graviton, isang particle na nagdadala ng gravity sa pagitan ng mga bagay.
Pagsasama-samang Lakas
Sinusubukan ng teorya ng string na pagsamahin ang apat na puwersa - electromagnetic, malakas at mahinang puwersang nuklear, at gravity - sa isa. Sa ating mundo, ipinakikita nila ang kanilang sarili bilang apat na magkakaibang phenomena, ngunit naniniwala ang mga string theorists na sa unang bahagi ng uniberso, kapag may napakataas na antas ng enerhiya, ang lahat ng pwersang ito ay inilalarawan sa pamamagitan ng mga string na nakikipag-ugnayan sa isa't isa.
Supersymmetry
Lahat ng particle sa uniberso ay maaaring hatiin sa dalawang uri: boson at fermion. Teorya ng stringhinuhulaan na mayroong relasyon sa pagitan nila, na tinatawag na supersymmetry. Sa supersymmetry, dapat mayroong isang fermion para sa bawat boson at isang boson para sa bawat fermion. Sa kasamaang palad, ang pagkakaroon ng mga naturang particle ay hindi pa nakumpirma sa eksperimento.
Ang
Supersymmetry ay isang matematikal na kaugnayan sa pagitan ng mga elemento ng mga pisikal na equation. Natuklasan ito sa ibang larangan ng pisika, at ang paggamit nito ay humantong sa pagpapalit ng pangalan ng supersymmetric string theory (o superstring theory, sa sikat na parlance) noong kalagitnaan ng 1970s.
Isa sa mga pakinabang ng supersymmetry ay lubos nitong pinapasimple ang mga equation sa pamamagitan ng pagpayag na alisin ang ilang variable. Kung walang supersymmetry, ang mga equation ay humahantong sa mga pisikal na kontradiksyon gaya ng mga walang katapusang halaga at mga antas ng enerhiya sa haka-haka.
Dahil hindi naobserbahan ng mga siyentipiko ang mga particle na hinulaan ng supersymmetry, isa pa rin itong hypothesis. Maraming physicist ang naniniwala na ang dahilan nito ay ang pangangailangan para sa malaking halaga ng enerhiya, na nauugnay sa masa ng sikat na Einstein equation na E=mc2. Maaaring umiral ang mga particle na ito sa unang bahagi ng uniberso, ngunit habang lumalamig ito at kumalat ang enerhiya pagkatapos ng Big Bang, lumipat ang mga particle na ito sa mababang antas ng enerhiya.
Sa madaling salita, ang mga string na nag-vibrate bilang mga high-energy na particle ay nawalan ng enerhiya, na nagiging mas mababang mga elemento ng vibration.
Umaasa ang mga siyentipiko na ang mga astronomical na obserbasyon o mga eksperimento na may particle accelerators ay magpapatunay sa teorya sa pamamagitan ng pagbubunyag ng ilan sa mga supersymmetric na elemento na may mas mataasenerhiya.
Mga karagdagang sukat
Ang isa pang mathematical na kahihinatnan ng string theory ay ang pagkakaroon ng kahulugan sa mundong may higit sa tatlong dimensyon. Kasalukuyang mayroong dalawang paliwanag para dito:
- Ang mga dagdag na dimensyon (anim sa mga ito) ay gumuho, o, sa string theory terminolohiya, na-compacted sa hindi kapani-paniwalang maliliit na sukat na hindi kailanman makikita.
- Na-stuck tayo sa 3D brane, at ang iba pang dimensyon ay lumalampas pa rito at hindi natin naa-access.
Ang isang mahalagang linya ng pananaliksik sa mga theorists ay ang mathematical modelling kung paano maaaring nauugnay ang mga karagdagang coordinate na ito sa atin. Ang mga pinakabagong resulta ay hinuhulaan na malapit nang ma-detect ng mga siyentipiko ang mga karagdagang dimensyong ito (kung mayroon sila) sa paparating na mga eksperimento, dahil maaaring mas malaki ang mga ito kaysa sa naunang inaasahan.
Pag-unawa sa layunin
Ang layunin na sinisikap ng mga siyentipiko kapag nag-explore ng mga superstring ay isang "teorya ng lahat", iyon ay, isang pisikal na hypothesis na naglalarawan sa buong pisikal na katotohanan sa isang pangunahing antas. Kung matagumpay, maaari nitong linawin ang maraming tanong tungkol sa istruktura ng ating uniberso.
Paliwanag ng bagay at masa
Isa sa mga pangunahing gawain ng modernong pananaliksik ay ang paghahanap ng mga solusyon para sa mga tunay na particle.
Ang teorya ng string ay nagsimula bilang isang konsepto na naglalarawan ng mga particle gaya ng mga hadron sa iba't ibang mas mataas na vibrational na estado ng isang string. Sa karamihan ng mga modernong formulations, ang bagay na naobserbahan sa aminguniberso, ay ang resulta ng vibrations ng mga string at branes na may pinakamababang enerhiya. Ang mas matataas na vibrations ay bumubuo ng mga particle na may mataas na enerhiya na kasalukuyang wala sa ating mundo.
Ang bigat ng elementarya na mga particle na ito ay isang pagpapakita kung paano nababalot ang mga string at brane sa mga siksik na dagdag na dimensyon. Halimbawa, sa isang pinasimpleng kaso kung saan ang mga ito ay nakatiklop sa hugis ng donut, na tinatawag na torus ng mga mathematician at physicist, maaaring ibalot ng string ang hugis na ito sa dalawang paraan:
- maikling loop sa gitna ng torus;
- isang mahabang loop sa paligid ng buong panlabas na circumference ng torus.
Ang isang maikling loop ay magiging isang magaan na particle, at ang isang malaking loop ay magiging isang mabigat. Ang pagbabalot ng mga string sa mga toroidal compactified na dimensyon ay gumagawa ng mga bagong elemento na may iba't ibang masa.
Superstring theory nang maikli at malinaw, simple at eleganteng ipinapaliwanag ang paglipat ng haba sa masa. Ang mga nakatiklop na dimensyon dito ay mas kumplikado kaysa sa torus, ngunit sa prinsipyo gumagana ang mga ito sa parehong paraan.
Posible, kahit mahirap isipin, na ang string ay bumabalot sa torus sa dalawang direksyon nang sabay, na nagreresulta sa ibang particle na may ibang masa. Ang mga branes ay maaari ding magbalot ng mga karagdagang dimensyon, na lumilikha ng higit pang mga posibilidad.
Pagtukoy ng espasyo at oras
Sa maraming bersyon ng superstring theory, bumabagsak ang mga dimensyon, na ginagawang hindi napapansin sa kasalukuyang antas ng pag-unlad ng teknolohiya.
Sa kasalukuyan ay hindi malinaw kung ang teorya ng string ay maaaring ipaliwanag ang pangunahing katangian ng espasyo at orashigit pa sa ginawa ni Einstein. Dito, ang mga sukat ay ang background para sa pakikipag-ugnayan ng mga string at walang independiyenteng tunay na kahulugan.
Inaalok ang mga paliwanag, hindi ganap na binuo, hinggil sa representasyon ng space-time bilang derivative ng kabuuang kabuuan ng lahat ng mga pakikipag-ugnayan ng string.
Ang diskarte na ito ay hindi nakakatugon sa mga ideya ng ilang physicist, na humantong sa pagpuna sa hypothesis. Ang mapagkumpitensyang teorya ng loop quantum gravity ay gumagamit ng quantization ng espasyo at oras bilang panimulang punto. Naniniwala ang ilan na magiging ibang diskarte lang ito sa parehong pangunahing hypothesis.
Quantization ng gravity
Ang pangunahing tagumpay ng hypothesis na ito, kung ito ay makumpirma, ay ang quantum theory of gravity. Ang kasalukuyang paglalarawan ng gravity sa pangkalahatang relativity ay hindi naaayon sa quantum physics. Ang huli, sa pamamagitan ng pagpapataw ng mga paghihigpit sa pag-uugali ng maliliit na particle, ay humahantong sa mga kontradiksyon kapag sinusubukang galugarin ang Uniberso sa napakaliit na sukat.
Pagiisa ng mga puwersa
Sa kasalukuyan, alam ng mga physicist ang apat na pangunahing puwersa: gravity, electromagnetic, mahina at malakas na pakikipag-ugnayang nuklear. Kasunod nito mula sa teorya ng string na ang lahat ng ito ay dating pagpapakita ng isa.
Ayon sa hypothesis na ito, dahil lumamig ang unang bahagi ng uniberso pagkatapos ng big bang, nagsimulang mahati ang nag-iisang interaksyon na ito sa iba't ibang mga aktibo ngayon.
Ang mga eksperimento na may mataas na enerhiya ay magbibigay-daan sa amin balang araw na matuklasan ang pagkakaisa ng mga puwersang ito, bagama't ang mga naturang eksperimento ay higit pa sa kasalukuyang pag-unlad ng teknolohiya.
Limang pagpipilian
Pagkatapos ng superstring revolution noong 1984, ang pag-unlad ay isinagawa sa isang nilalagnat na bilis. Bilang resulta, sa halip na isang konsepto, mayroong lima, pinangalanang mga uri I, IIA, IIB, HO, HE, na halos ganap na inilarawan ng bawat isa ang ating mundo, ngunit hindi ganap.
Ang mga physicist, na nagbubukod-bukod sa mga bersyon ng string theory sa pag-asang makahanap ng isang unibersal na totoong formula, ay nakagawa ng 5 iba't ibang bersyon na may sariling kakayahan. Ang ilan sa kanilang mga pag-aari ay sumasalamin sa pisikal na katotohanan ng mundo, ang iba ay hindi tumutugma sa katotohanan.
M-theory
Sa isang kumperensya noong 1995, iminungkahi ng physicist na si Edward Witten ang isang matapang na solusyon sa problema ng limang hypotheses. Batay sa bagong natuklasang duality, lahat sila ay naging mga espesyal na kaso ng isang pangkalahatang konsepto, na tinatawag na Witten's M-theory of superstrings. Ang isa sa mga pangunahing konsepto nito ay branes (maikli para sa lamad), mga pangunahing bagay na may higit sa 1 dimensyon. Bagama't hindi nag-aalok ang may-akda ng isang buong bersyon, na hindi pa magagamit, ang M-theory ng superstrings sa madaling sabi ay binubuo ng mga sumusunod na tampok:
- 11-dimension (10 spatial plus 1 time dimension);
- dualities na humahantong sa limang teoryang nagpapaliwanag sa parehong pisikal na realidad;
- branes ay mga string na may higit sa 1 dimensyon.
Ang
Mga Bunga
Bilang resulta, sa halip na isa, mayroong 10500 na solusyon. Para sa ilang mga physicist, nagdulot ito ng isang krisis, habang ang iba ay tinanggap ang anthropic na prinsipyo, na nagpapaliwanag ng mga katangian ng uniberso sa pamamagitan ng ating presensya dito. Ito ay nananatiling makikita kung kailan makakahanap ng iba ang mga teoristaparaan ng oryentasyon sa superstring theory.
Ang ilang mga interpretasyon ay nagmumungkahi na ang ating mundo ay hindi lamang. Pinahihintulutan ng mga pinaka-radikal na bersyon ang pagkakaroon ng walang katapusang bilang ng mga uniberso, ang ilan ay naglalaman ng mga eksaktong kopya ng sarili natin.
Ang teorya ni Einstein ay hinuhulaan ang pagkakaroon ng isang coiled space, na tinatawag na wormhole o isang Einstein-Rosen bridge. Sa kasong ito, ang dalawang malalayong site ay konektado sa pamamagitan ng isang maikling daanan. Ang teorya ng superstring ay nagpapahintulot hindi lamang ito, kundi pati na rin ang koneksyon ng malalayong mga punto ng magkatulad na mundo. Posible pa ring lumipat sa pagitan ng mga uniberso na may iba't ibang batas ng pisika. Gayunpaman, malamang na gagawing imposible ng quantum theory of gravity ang kanilang pag-iral.
Maraming physicist ang naniniwala na ang holographic na prinsipyo, kapag ang lahat ng impormasyong nakapaloob sa volume ng espasyo ay tumutugma sa impormasyong naitala sa ibabaw nito, ay magbibigay-daan sa mas malalim na pag-unawa sa konsepto ng mga thread ng enerhiya.
Naniniwala ang ilan na ang teorya ng superstring ay nagbibigay-daan sa maraming dimensyon ng oras, na maaaring magresulta sa paglalakbay sa kanila.
Sa karagdagan, sa loob ng balangkas ng hypothesis, mayroong isang alternatibo sa modelo ng big bang, ayon sa kung saan lumitaw ang ating uniberso bilang resulta ng banggaan ng dalawang brane at dumaan sa paulit-ulit na mga siklo ng paglikha at pagkawasak.
Ang pinakahuling kapalaran ng uniberso ay palaging sinasakop ng mga pisiko, at ang huling bersyon ng teorya ng string ay makakatulong na matukoy ang density ng bagay at ang cosmological constant. Sa pag-alam sa mga halagang ito, matutukoy ng mga kosmologist kung gagawin ng unibersopaliitin hanggang sa ito ay sumabog upang simulan itong muli.
Walang nakakaalam kung saan maaaring humantong ang isang siyentipikong teorya hangga't hindi ito nabubuo at nasubok. Si Einstein, na nagsusulat ng equation na E=mc2, ay hindi inaasahan na hahantong ito sa paglitaw ng mga sandatang nuklear. Ang mga tagalikha ng quantum physics ay hindi alam na ito ang magiging batayan para sa paglikha ng isang laser at isang transistor. At bagama't hindi pa alam kung ano ang hahantong sa gayong purong teoretikal na konsepto, ipinapakita ng kasaysayan na tiyak na may mangyayaring kakaiba.
Para sa higit pa sa haka-haka na ito, tingnan ang Superstring Theory for Dummies ni Andrew Zimmerman.
