Teori superstring, dalam bahasa popular, mewakili alam semesta sebagai koleksi untaian tenaga yang bergetar - rentetan. Mereka adalah asas alam semula jadi. Hipotesis juga menerangkan elemen lain - branes. Semua jirim di dunia kita terdiri daripada getaran tali dan bran. Akibat semula jadi teori ini ialah perihalan graviti. Itulah sebabnya saintis percaya ia memegang kunci untuk menyatukan graviti dengan kuasa lain.
Konsep berkembang
Teori medan bersatu, teori superstring, adalah matematik semata-mata. Seperti semua konsep fizik, ia adalah berdasarkan persamaan yang boleh ditafsirkan dengan cara tertentu.
Hari ini tiada siapa yang tahu dengan tepat apakah versi akhir teori ini. Para saintis mempunyai idea yang agak kabur tentang unsur-unsur amnya, tetapi belum ada yang menghasilkan persamaan muktamad yang akan merangkumi semua teori superstring, dan secara eksperimen ia masih belum dapat mengesahkannya (walaupun tidak juga untuk menyangkalnya). Ahli fizik telah mencipta versi ringkas persamaan, tetapi setakat ini ia tidak menggambarkan alam semesta kita.
Teori Superstring untuk Pemula
Hipotesis adalah berdasarkan lima idea utama.
- Teori superstring meramalkan bahawa semua objek di dunia kita terdiri daripada filamen dan membran tenaga yang bergetar.
- Dia cuba menggabungkan relativiti am (graviti) dengan fizik kuantum.
- Teori superstring akan menyatukan semua kuasa asas alam semesta.
- Hipotesis ini meramalkan sambungan baharu, supersimetri, antara dua jenis zarah, boson dan fermion yang berbeza secara asasnya.
- Konsep ini menerangkan beberapa dimensi tambahan yang biasanya tidak dapat diperhatikan bagi Alam Semesta.
String dan bran
Apabila teori itu muncul pada tahun 1970-an, benang tenaga di dalamnya dianggap sebagai objek 1 dimensi - rentetan. Perkataan "satu dimensi" bermaksud rentetan hanya mempunyai 1 dimensi, panjang, tidak seperti, contohnya, segi empat sama, yang mempunyai kedua-dua panjang dan tinggi.
Teori membahagikan superstrings ini kepada dua jenis - tertutup dan terbuka. Rentetan terbuka mempunyai hujung yang tidak bersentuhan antara satu sama lain, manakala rentetan tertutup ialah gelung tanpa hujung terbuka. Akibatnya, didapati bahawa rentetan ini, yang dipanggil rentetan jenis pertama, tertakluk kepada 5 jenis interaksi utama.
Interaksi adalah berdasarkan keupayaan rentetan untuk menyambung dan memisahkan hujungnya. Memandangkan hujung rentetan terbuka boleh bergabung untuk membentuk rentetan tertutup, adalah mustahil untuk membina teori rentetan super yang tidak termasuk rentetan bergelung.
Ini ternyata penting, kerana rentetan tertutup mempunyai sifat, ahli fizik percaya, yang boleh menggambarkan graviti. Dengan kata lain, saintismenyedari bahawa teori superstring, bukannya menerangkan zarah jirim, boleh menggambarkan tingkah laku dan gravitinya.
Selepas bertahun-tahun, didapati bahawa, sebagai tambahan kepada rentetan, elemen lain diperlukan untuk teori. Mereka boleh dianggap sebagai helaian, atau bran. Rentetan boleh dilekatkan pada satu sisi atau kedua-dua belah.
Graviti kuantum
Fizik moden mempunyai dua undang-undang saintifik utama: relativiti am (GR) dan kuantum. Mereka mewakili bidang sains yang sama sekali berbeza. Fizik kuantum mengkaji zarah semula jadi terkecil, dan GR, sebagai peraturan, menerangkan alam semula jadi pada skala planet, galaksi dan alam semesta secara keseluruhan. Hipotesis yang cuba menyatukan mereka dipanggil teori graviti kuantum. Yang paling menjanjikan hari ini ialah rentetan.
Benang tertutup sepadan dengan tingkah laku graviti. Khususnya, ia mempunyai sifat graviton, zarah yang membawa graviti antara objek.
Mengabungkan Pasukan
Teori rentetan cuba menggabungkan empat daya - elektromagnet, daya nuklear kuat dan lemah, dan graviti - menjadi satu. Di dunia kita, mereka menunjukkan diri mereka sebagai empat fenomena yang berbeza, tetapi ahli teori rentetan percaya bahawa di alam semesta awal, apabila terdapat tahap tenaga yang sangat tinggi, semua daya ini digambarkan melalui rentetan yang berinteraksi antara satu sama lain.
Supersimetri
Semua zarah di alam semesta boleh dibahagikan kepada dua jenis: boson dan fermion. Teori rentetanmeramalkan bahawa terdapat hubungan antara mereka, dipanggil supersimetri. Dalam supersimetri, mesti ada fermion untuk setiap boson dan boson untuk setiap fermion. Malangnya, kewujudan zarah sedemikian belum disahkan secara eksperimen.
Supersimetri ialah hubungan matematik antara unsur persamaan fizik. Ia ditemui dalam bidang fizik yang lain, dan penggunaannya membawa kepada penamaan semula teori rentetan supersimetri (atau teori rentetan super, dalam bahasa popular) pada pertengahan 1970-an.
Salah satu faedah supersimetri ialah ia sangat memudahkan persamaan dengan membenarkan beberapa pembolehubah dihapuskan. Tanpa supersimetri, persamaan membawa kepada percanggahan fizikal seperti nilai tak terhingga dan tahap tenaga khayalan.
Oleh kerana saintis tidak memerhatikan zarah yang diramalkan oleh supersimetri, ia masih merupakan hipotesis. Ramai ahli fizik percaya bahawa sebab untuk ini adalah keperluan untuk sejumlah besar tenaga, yang berkaitan dengan jisim oleh persamaan Einstein yang terkenal E=mc2. Zarah-zarah ini mungkin wujud di alam semesta awal, tetapi apabila ia menyejuk dan tenaga merebak selepas Big Bang, zarah-zarah ini bergerak ke tahap tenaga yang rendah.
Dengan kata lain, rentetan yang bergetar sebagai zarah bertenaga tinggi kehilangan tenaganya, mengubahnya menjadi unsur getaran yang lebih rendah.
Para saintis berharap pemerhatian astronomi atau eksperimen dengan pemecut zarah akan mengesahkan teori dengan mendedahkan beberapa unsur supersimetri dengan lebih tinggi.tenaga.
Ukuran tambahan
Satu lagi akibat matematik teori rentetan ialah ia masuk akal dalam dunia yang mempunyai lebih daripada tiga dimensi. Pada masa ini terdapat dua penjelasan untuk perkara ini:
- Dimensi tambahan (enam daripadanya) telah runtuh, atau, dalam terminologi teori rentetan, dipadatkan kepada saiz yang sangat kecil yang tidak akan pernah dilihat.
- Kami terperangkap dalam bran 3D, dan dimensi lain melampauinya dan tidak boleh diakses oleh kami.
Satu penyelidikan penting dalam kalangan ahli teori ialah pemodelan matematik tentang cara koordinat tambahan ini mungkin berkaitan dengan koordinat kita. Keputusan terkini meramalkan bahawa saintis tidak lama lagi akan dapat mengesan dimensi tambahan ini (jika wujud) dalam percubaan akan datang, kerana ia mungkin lebih besar daripada yang dijangkakan sebelum ini.
Memahami tujuan
Matlamat yang diusahakan oleh saintis apabila meneroka superstrings ialah "teori segala-galanya", iaitu, satu hipotesis fizikal yang menerangkan keseluruhan realiti fizikal pada tahap asas. Jika berjaya, ia boleh menjelaskan banyak soalan tentang struktur alam semesta kita.
Penjelasan tentang jirim dan jisim
Salah satu tugas utama penyelidikan moden ialah mencari penyelesaian bagi zarah sebenar.
Teori rentetan bermula sebagai konsep yang menerangkan zarah seperti hadron dalam pelbagai keadaan getaran yang lebih tinggi bagi rentetan. Dalam kebanyakan rumusan moden, perkara itu diperhatikan dalam kamialam semesta, adalah hasil daripada getaran tali dan bran dengan tenaga yang paling rendah. Getaran yang lebih tinggi menjana zarah bertenaga tinggi yang pada masa ini tidak wujud di dunia kita.
Jisim zarah asas ini ialah manifestasi cara rentetan dan bran dibalut dalam dimensi tambahan yang dipadatkan. Contohnya, dalam kes yang dipermudahkan di mana ia dilipat menjadi bentuk donat, dipanggil torus oleh ahli matematik dan fizik, rentetan boleh membalut bentuk ini dalam dua cara:
- gelung pendek melalui tengah torus;
- gelung panjang mengelilingi seluruh lilitan luar torus.
Gelung pendek akan menjadi zarah ringan dan gelung besar akan menjadi berat. Membungkus rentetan di sekeliling dimensi padat toroid menghasilkan unsur baharu dengan jisim yang berbeza.
Teori superstring dengan ringkas dan jelas, ringkas dan elegan menerangkan peralihan panjang kepada jisim. Dimensi terlipat di sini jauh lebih rumit daripada torus, tetapi pada dasarnya ia berfungsi dengan cara yang sama.
Malah mungkin, walaupun sukar untuk dibayangkan, tali itu melilit torus dalam dua arah pada masa yang sama, menghasilkan zarah yang berbeza dengan jisim yang berbeza. Branes juga boleh membungkus dimensi tambahan, mewujudkan lebih banyak kemungkinan.
Menentukan ruang dan masa
Dalam banyak versi teori superstring, dimensi runtuh, menjadikannya tidak dapat diperhatikan pada tahap pembangunan teknologi semasa.
Pada masa ini tidak jelas sama ada teori rentetan dapat menerangkan sifat asas ruang dan masalebih daripada Einstein. Di dalamnya, ukuran ialah latar belakang untuk interaksi rentetan dan tidak mempunyai makna sebenar yang bebas.
Penjelasan telah ditawarkan, tidak dibangunkan sepenuhnya, mengenai perwakilan ruang-masa sebagai terbitan daripada jumlah keseluruhan semua interaksi rentetan.
Pendekatan ini tidak memenuhi idea sesetengah ahli fizik, yang membawa kepada kritikan terhadap hipotesis. Teori persaingan graviti kuantum gelung menggunakan kuantisasi ruang dan masa sebagai titik permulaan. Sesetengah percaya ia akan menjadi pendekatan yang berbeza kepada hipotesis asas yang sama.
Kuantisasi graviti
Pencapaian utama hipotesis ini, jika ia disahkan, akan menjadi teori kuantum graviti. Penerangan semasa graviti dalam relativiti am tidak konsisten dengan fizik kuantum. Yang terakhir, dengan mengenakan sekatan ke atas tingkah laku zarah kecil, membawa kepada percanggahan apabila cuba meneroka Alam Semesta pada skala yang sangat kecil.
Penyatuan kuasa
Pada masa ini, ahli fizik mengetahui empat daya asas: graviti, elektromagnet, interaksi nuklear lemah dan kuat. Ia berikutan daripada teori rentetan bahawa semuanya pernah merupakan manifestasi satu.
Menurut hipotesis ini, sejak alam semesta awal menjadi sejuk selepas letupan besar, interaksi tunggal ini mula berpecah kepada yang berbeza yang aktif hari ini.
Percubaan tenaga tinggi suatu hari nanti akan membolehkan kita menemui penyatuan kuasa-kuasa ini, walaupun eksperimen sedemikian jauh melangkaui perkembangan teknologi semasa.
Lima pilihan
Selepas revolusi superstring pada tahun 1984, pembangunan telah dijalankan pada kadar yang membara. Akibatnya, daripada satu konsep, terdapat lima, yang dinamakan jenis I, IIA, IIB, HO, HE, yang setiap satunya menggambarkan dunia kita sepenuhnya, tetapi tidak sepenuhnya.
Ahli fizik, menyusun versi teori rentetan dengan harapan mencari formula sebenar universal, telah mencipta 5 versi sara diri yang berbeza. Sesetengah sifat mereka mencerminkan realiti fizikal dunia, yang lain tidak sepadan dengan realiti.
Teori-M
Pada persidangan pada tahun 1995, ahli fizik Edward Witten mencadangkan penyelesaian yang berani kepada masalah lima hipotesis. Berdasarkan dualiti yang baru ditemui, kesemuanya menjadi kes-kes istimewa bagi satu konsep menyeluruh, yang dipanggil Witten's M-theory of superstrings. Salah satu konsep utamanya ialah branes (singkatan untuk membran), objek asas dengan lebih daripada 1 dimensi. Walaupun pengarang tidak menawarkan versi penuh, yang belum tersedia, teori-M superstrings secara ringkas terdiri daripada ciri-ciri berikut:
- 11-dimensi (10 spatial campur 1 dimensi masa);
- dualiti yang membawa kepada lima teori yang menerangkan realiti fizikal yang sama;
- branes ialah rentetan dengan lebih daripada 1 dimensi.
Akibat
Akibatnya, bukannya satu, terdapat 10500 penyelesaian. Bagi sesetengah ahli fizik, ini menyebabkan krisis, manakala yang lain menerima prinsip antropik, yang menerangkan sifat-sifat alam semesta dengan kehadiran kita di dalamnya. Ia masih perlu dilihat apabila ahli teori akan mencari yang laincara orientasi dalam teori superstring.
Sesetengah tafsiran menunjukkan bahawa dunia kita bukan satu-satunya. Versi paling radikal membenarkan kewujudan bilangan alam semesta yang tidak terhingga, beberapa daripadanya mengandungi salinan tepat kita sendiri.
Teori Einstein meramalkan kewujudan ruang bergelung, yang dipanggil lubang cacing atau jambatan Einstein-Rosen. Dalam kes ini, dua tapak yang jauh disambungkan dengan laluan pendek. Teori superstring membenarkan bukan sahaja ini, tetapi juga sambungan titik jauh dunia selari. Malah mungkin untuk peralihan antara alam semesta dengan undang-undang fizik yang berbeza. Walau bagaimanapun, kemungkinan besar teori kuantum graviti akan menjadikan kewujudan mereka mustahil.
Ramai ahli fizik percaya bahawa prinsip holografik, apabila semua maklumat yang terkandung dalam isipadu ruang sepadan dengan maklumat yang direkodkan pada permukaannya, akan membolehkan pemahaman yang lebih mendalam tentang konsep benang tenaga.
Sesetengah percaya bahawa teori superstring membenarkan pelbagai dimensi masa, yang boleh mengakibatkan perjalanan melaluinya.
Selain itu, dalam kerangka hipotesis, terdapat alternatif kepada model big bang, yang menurutnya alam semesta kita muncul akibat perlanggaran dua bran dan melalui kitaran penciptaan dan kemusnahan yang berulang.
Nasib muktamad alam semesta sentiasa diduduki ahli fizik, dan versi terakhir teori rentetan akan membantu menentukan ketumpatan jirim dan pemalar kosmologi. Mengetahui nilai-nilai ini, ahli kosmologi boleh menentukan sama ada alam semesta akanmengecut sehingga ia meletup untuk memulakannya semula.
Tiada siapa yang tahu ke mana teori saintifik boleh membawa sehingga ia dibangunkan dan diuji. Einstein, menulis persamaan E=mc2, tidak menyangka ia akan membawa kepada kemunculan senjata nuklear. Pencipta fizik kuantum tidak tahu bahawa ia akan menjadi asas untuk mencipta laser dan transistor. Dan walaupun belum diketahui apa yang akan membawa kepada konsep teori semata-mata, sejarah menunjukkan bahawa sesuatu yang luar biasa pasti akan berlaku.
Untuk lebih lanjut mengenai tekaan ini, lihat Teori Superstring Andrew Zimmerman untuk Dummies.
