Superstringteorie, in populêre taal, verteenwoordig die heelal as 'n versameling vibrerende stringe energie - snare. Hulle is die fondament van die natuur. Die hipotese beskryf ook ander elemente – brane. Alle materie in ons wêreld bestaan uit vibrasies van snare en brane. 'n Natuurlike gevolg van die teorie is die beskrywing van swaartekrag. Dit is hoekom wetenskaplikes glo dat dit die sleutel inhou om swaartekrag met ander kragte te verenig.
Konsep ontwikkel
Die verenigde veldteorie, superstringteorie, is suiwer wiskundig. Soos alle fisiese konsepte, is dit gebaseer op vergelykings wat op sekere maniere geïnterpreteer kan word.
Vandag weet niemand presies wat die finale weergawe van hierdie teorie sal wees nie. Wetenskaplikes het 'n taamlik vae idee van die algemene elemente daarvan, maar niemand het nog met 'n definitiewe vergelyking vorendag gekom wat alle superstringteorieë sal dek nie, en eksperimenteel kon dit dit nog nie bevestig nie (hoewel om dit ook nie te weerlê nie). Fisici het vereenvoudigde weergawes van die vergelyking geskep, maar tot dusver beskryf dit nie heeltemal ons heelal nie.
Superstringteorie vir beginners
Die hipotese is gebaseer op vyf sleutelgedagtes.
- Superstringteorie voorspel dat alle voorwerpe in ons wêreld uit vibrerende filamente en membrane van energie bestaan.
- Sy probeer algemene relatiwiteit (swaartekrag) met kwantumfisika kombineer.
- Superstringteorie sal al die fundamentele kragte van die heelal verenig.
- Hierdie hipotese voorspel 'n nuwe verband, supersimmetrie, tussen twee fundamenteel verskillende tipes deeltjies, bosone en fermione.
- Die konsep beskryf 'n aantal bykomende, gewoonlik onwaarneembare dimensies van die Heelal.
Snare en brane
Toe die teorie in die 1970's na vore gekom het, is die drade van energie daarin beskou as 1-dimensionele voorwerpe - snare. Die woord "eendimensioneel" beteken dat die tou net 1 dimensie het, die lengte, anders as byvoorbeeld 'n vierkant, wat beide 'n lengte en 'n hoogte het.
Die teorie verdeel hierdie superstringe in twee tipes – geslote en oop. 'n Oop tou het punte wat nie aan mekaar raak nie, terwyl 'n geslote tou 'n lus is met geen oop punte nie. Gevolglik is gevind dat hierdie snare, wat snare van die eerste tipe genoem word, onderhewig is aan 5 hooftipes interaksies.
Interaksies is gebaseer op die vermoë van 'n string om te verbind en sy ente te skei. Aangesien die punte van oop snare kan kombineer om geslote snare te vorm, is dit onmoontlik om 'n superstringteorie te konstrueer wat nie lusstringe insluit nie.
Dit blyk belangrik te wees, aangesien geslote snare eienskappe het, glo fisici, wat swaartekrag kan beskryf. Met ander woorde, wetenskaplikeshet besef dat superstringteorie, in plaas daarvan om die deeltjies van materie te verduidelik, hul gedrag en swaartekrag kan beskryf.
Na baie jare is ontdek dat, benewens snare, ander elemente nodig is vir die teorie. Hulle kan beskou word as lakens, of brane. Strings kan aan die een kant of albei kante geheg word.
Kwantumswaartekrag
Moderne fisika het twee hoof wetenskaplike wette: algemene relatiwiteit (GR) en kwantum. Hulle verteenwoordig heeltemal verskillende velde van die wetenskap. Kwantumfisika bestudeer die kleinste natuurlike deeltjies, en GR beskryf as 'n reël die natuur op die skaal van planete, sterrestelsels en die heelal as 'n geheel. Die hipoteses wat poog om hulle te verenig, word kwantumswaartekragteorieë genoem. Die mees belowende van hulle vandag is die tou.
Geslote drade stem ooreen met die gedrag van swaartekrag. Hulle het veral die eienskappe van 'n graviton, 'n deeltjie wat swaartekrag tussen voorwerpe dra.
Samkragte
Stringteorie probeer om die vier kragte – elektromagnetiese, sterk en swak kernkragte, en swaartekrag – in een te kombineer. In ons wêreld manifesteer hulle hulself as vier verskillende verskynsels, maar snaarteoretici glo dat in die vroeë heelal, toe daar ongelooflike hoë vlakke van energie was, al hierdie kragte beskryf word deur snare wat met mekaar in wisselwerking is.
Supersimmetrie
Alle deeltjies in die heelal kan in twee tipes verdeel word: bosone en fermione. Snaarteorievoorspel dat daar 'n verwantskap tussen hulle is, wat supersimmetrie genoem word. In supersimmetrie moet daar 'n fermion vir elke boson wees en 'n boson vir elke fermion. Ongelukkig is die bestaan van sulke deeltjies nie eksperimenteel bevestig nie.
Supersimmetrie is 'n wiskundige verhouding tussen elemente van fisiese vergelykings. Dit is in 'n ander area van fisika ontdek, en die toepassing daarvan het gelei tot die hernoeming van supersimmetriese snaarteorie (of supersnaarteorie, in populêre spreektaal) in die middel-1970's.
Een van die voordele van supersimmetrie is dat dit vergelykings aansienlik vereenvoudig deur toe te laat dat sommige veranderlikes uitgeskakel word. Sonder supersimmetrie lei die vergelykings tot fisiese teenstrydighede soos oneindige waardes en denkbeeldige energievlakke.
Omdat wetenskaplikes nie die deeltjies waargeneem het wat deur supersimmetrie voorspel is nie, is dit steeds 'n hipotese. Baie fisici glo dat die rede hiervoor die behoefte aan 'n aansienlike hoeveelheid energie is, wat met massa verband hou deur die bekende Einstein-vergelyking E=mc2. Hierdie deeltjies kon in die vroeë heelal bestaan het, maar soos dit afgekoel en energie versprei het na die Oerknal, het hierdie deeltjies na lae energievlakke beweeg.
Met ander woorde, die snare wat as hoë-energie-deeltjies vibreer het, het hul energie verloor en dit in laer vibrasie-elemente verander.
Wetenskaplikes hoop dat astronomiese waarnemings of eksperimente met deeltjieversnellers die teorie sal bevestig deur sommige van die supersimmetriese elemente met 'n hoërenergie.
Bykomende mates
Nog 'n wiskundige gevolg van snaarteorie is dat dit sin maak in 'n wêreld met meer as drie dimensies. Daar is tans twee verduidelikings hiervoor:
- Die ekstra dimensies (ses van hulle) het ineengestort, of, in stringteorie-terminologie, gekompakteer tot ongelooflike klein groottes wat nooit waargeneem sal word nie.
- Ons sit vas in die 3D-brein, en die ander dimensies strek verder as dit en is vir ons ontoeganklik.
'n Belangrike navorsingslyn onder teoretici is die wiskundige modellering van hoe hierdie ekstra koördinate met ons s'n verband kan hou. Die jongste resultate voorspel dat wetenskaplikes binnekort hierdie ekstra dimensies (indien hulle bestaan) in komende eksperimente sal kan opspoor, aangesien dit groter kan wees as wat voorheen verwag is.
Verstaan die doel
Die doelwit waarna wetenskaplikes streef wanneer hulle supersnare ondersoek, is 'n "teorie van alles", dit wil sê, 'n enkele fisiese hipotese wat die hele fisiese werklikheid op 'n fundamentele vlak beskryf. As dit suksesvol is, kan dit baie vrae oor die struktuur van ons heelal opklaar.
Verduideliking van materie en massa
Een van die hooftake van moderne navorsing is om oplossings vir werklike deeltjies te vind.
Snaarteorie het begin as 'n konsep wat deeltjies soos hadrone in verskeie hoër vibrasietoestande van 'n snaar beskryf. In die meeste moderne formulerings word die saak waargeneem in onsheelal, is die resultaat van vibrasies van snare en brane met die laagste energie. Hoër vibrasies genereer hoë-energie deeltjies wat tans nie in ons wêreld bestaan nie.
Die massa van hierdie elementêre deeltjies is 'n manifestasie van hoe snare en brane in gekompakteerde ekstra afmetings toegedraai word. Byvoorbeeld, in 'n vereenvoudigde geval waar hulle in 'n donutvorm gevou word, wat deur wiskundiges en fisici 'n torus genoem word, kan 'n tou hierdie vorm op twee maniere omvou:
- kort lus deur die middel van die torus;
- 'n lang lus rondom die hele buitenste omtrek van die torus.
'n Kort lus sal 'n ligte deeltjie wees, en 'n groot lus sal 'n swaar een wees. Om stringe om toroïdale gekompakteerde afmetings te draai, produseer nuwe elemente met verskillende massas.
Superstringteorie verduidelik bondig en duidelik, eenvoudig en elegant die oorgang van lengte na massa. Die gevoude afmetings hier is baie meer ingewikkeld as die torus, maar in beginsel werk hulle op dieselfde manier.
Dit is selfs moontlik, alhoewel moeilik om te dink, dat die torus in twee rigtings gelyktydig om die torus draai, wat lei tot 'n ander deeltjie met 'n ander massa. Brane kan ook ekstra afmetings omvou, wat selfs meer moontlikhede skep.
Bepaal ruimte en tyd
In baie weergawes van supersnaarteorie stort die dimensies ineen, wat hulle onwaarneembaar maak op die huidige vlak van tegnologie-ontwikkeling.
Dit is tans nie duidelik of snaarteorie die fundamentele aard van ruimte en tyd kan verklaar niemeer as wat Einstein gedoen het. Daarin is metings die agtergrond vir die interaksie van snare en het geen onafhanklike werklike betekenis nie.
Verduidelikings is aangebied, nie volledig ontwikkel nie, rakende die voorstelling van ruimte-tyd as 'n afgeleide van die totale som van alle stringinteraksies.
Hierdie benadering voldoen nie aan die idees van sommige fisici nie, wat gelei het tot kritiek op die hipotese. Die mededingende teorie van lus-kwantumswaartekrag gebruik die kwantisering van ruimte en tyd as 'n beginpunt. Sommige glo dit sal uiteindelik net 'n ander benadering tot dieselfde basiese hipotese wees.
Kwantisering van swaartekrag
Die belangrikste prestasie van hierdie hipotese, as dit bevestig word, sal die kwantumteorie van swaartekrag wees. Die huidige beskrywing van swaartekrag in algemene relatiwiteit is nie in ooreenstemming met kwantumfisika nie. Laasgenoemde, deur beperkings op die gedrag van klein deeltjies in te stel, lei tot teenstrydighede wanneer daar probeer word om die Heelal op 'n uiters klein skaal te verken.
Vereniging van magte
Tans ken fisici vier fundamentele kragte: swaartekrag, elektromagnetiese, swak en sterk kerninteraksies. Dit volg uit snaarteorie dat hulle almal eens manifestasies van een was.
Volgens hierdie hipotese, aangesien die vroeë heelal na die oerknal afgekoel het, het hierdie enkele interaksie begin opbreek in verskillendes wat vandag aktief is.
Hoë-energie-eksperimente sal ons eendag toelaat om die vereniging van hierdie kragte te ontdek, hoewel sulke eksperimente ver verby die huidige ontwikkeling van tegnologie is.
Vyf keuses
Ná die supersnaar-rewolusie in 1984 is ontwikkeling teen 'n koorsagtige pas uitgevoer. As gevolg hiervan, in plaas van een konsep, was daar vyf, genoemde tipes I, IIA, IIB, HO, HE, wat elkeen byna volledig ons wêreld beskryf het, maar nie heeltemal nie.
Fisici, wat deur weergawes van snaarteorie sorteer in die hoop om 'n universele ware formule te vind, het 5 verskillende selfonderhoudende weergawes geskep. Sommige van hulle eienskappe het die fisiese werklikheid van die wêreld weerspieël, ander het nie met die werklikheid ooreengestem nie.
M-teorie
By 'n konferensie in 1995 het die fisikus Edward Witten 'n dapper oplossing vir die probleem van vyf hipoteses voorgestel. Op grond van die nuut ontdekte dualiteit het hulle almal spesiale gevalle geword van 'n enkele oorkoepelende konsep, genaamd Witten se M-teorie van supersnare. Een van sy sleutelkonsepte was brane (kort vir membraan), fundamentele voorwerpe met meer as 1 dimensie. Alhoewel die skrywer nie 'n volledige weergawe aangebied het nie, wat nog nie beskikbaar is nie, bestaan die M-teorie van supersnare kortliks uit die volgende kenmerke:
- 11-dimensie (10 ruimtelike plus 1 tyddimensie);
- dualiteite wat lei tot vyf teorieë wat dieselfde fisiese werklikheid verduidelik;
- brane is snare met meer as 1 dimensie.
Gevolge
Gevolglik, in plaas van een, was daar 10500 oplossings. Vir sommige fisici het dit 'n krisis veroorsaak, terwyl ander die antropiese beginsel aanvaar het, wat die eienskappe van die heelal verklaar deur ons teenwoordigheid daarin. Dit moet nog gesien word wanneer teoretici 'n ander sal vindmanier van oriëntasie in supersnaarteorie.
Sommige interpretasies dui daarop dat ons wêreld nie die enigste een is nie. Die mees radikale weergawes laat die bestaan van 'n oneindige aantal heelalle toe, waarvan sommige presiese kopieë van ons eie bevat.
Einstein se teorie voorspel die bestaan van 'n opgerolde ruimte, wat 'n wurmgat of 'n Einstein-Rosen-brug genoem word. In hierdie geval word twee verafgeleë terreine met 'n kort gang verbind. Superstringteorie laat nie net dit toe nie, maar ook die verbinding van verre punte van parallelle wêrelde. Dit is selfs moontlik om tussen heelalle met verskillende fisikawette oor te skakel. Dit is egter waarskynlik dat die kwantumteorie van swaartekrag hul bestaan onmoontlik sal maak.
Baie fisici glo dat die holografiese beginsel, wanneer al die inligting vervat in die volume ruimte ooreenstem met die inligting wat op sy oppervlak aangeteken is, 'n dieper begrip van die konsep van energiedrade sal toelaat.
Sommige glo dat supersnaarteorie veelvuldige dimensies van tyd toelaat, wat kan lei tot reis daardeur.
Boonop is daar binne die raamwerk van die hipotese 'n alternatief vir die oerknal-model, waarvolgens ons heelal verskyn het as gevolg van 'n botsing van twee brane en deur herhaalde siklusse van skepping en vernietiging gaan.
Die uiteindelike lot van die heelal het fisici nog altyd besig gehou, en die finale weergawe van snaarteorie sal help om die digtheid van materie en die kosmologiese konstante te bepaal. Deur hierdie waardes te ken, kan kosmoloë bepaal of die heelal salkrimp totdat dit ontplof om dit weer van voor af te begin.
Niemand weet waarheen 'n wetenskaplike teorie kan lei totdat dit ontwikkel en getoets is nie. Einstein, wat die vergelyking E=mc2 geskryf het, het nie verwag dat dit tot die verskyning van kernwapens sou lei nie. Die skeppers van kwantumfisika het nie geweet dat dit die basis sou word vir die skep van 'n laser en 'n transistor nie. En hoewel dit nog nie bekend is waartoe so 'n suiwer teoretiese konsep gaan lei nie, wys die geskiedenis dat iets uitstaande sekerlik sal uitdraai.
Vir meer oor hierdie vermoede, sien Andrew Zimmerman se Superstring Theory for Dummies.
