Teorija strun: uvod v superstrune, M-teorijo in teorijo vsega

Uvodi v teorijo strun, ki so namenjeni širši javnosti, morajo najprej razložiti fiziko. Nekatere polemike glede teorije strun so posledica napačnega razumevanja fizike. Pogost nesporazum tudi pri znanstvenikih je domneva, da je teorija dokazano resnična pri razlagi naravnega sveta povsod, kjer so njene napovedi uspešne. Drugi nesporazum je, da so svet pojasnili že prejšnji fizikalni znanstveniki, vključno s kemiki. To vodi do nesporazuma, da so teoretiki strun začeli postavljati čudne hipoteze, ko so postali nerazložljivo "osvobojeni resnice".

Klasično področje

Newtonova fizika

Newtonov zakon o univerzalni gravitaciji (UG), ki je bil dodan trem Galilejevim zakonom gibanja in nekaterim drugim predpostavkam, je bil objavljen leta 1687. Newtonova teorija je uspešno modelirala interakcije med predmeti velikosti, ki jo lahko vidimo, tj. vrsto pojavov, ki jih zdaj imenujemo klasična sfera. Coulombov zakon je modeliral električno privlačnost. Maxwellova teorija elektromagnetnega polja je poenotila elektriko in magnetizem, optika pa se je razvila iz tega področja.

Hitrostsvetlobe je ostala približno enaka, ko jo je izmeril opazovalec, ki je potoval v njenem polju, čeprav je dodajanje hitrosti pokazalo, da je polje počasnejše ali hitrejše glede na opazovalca, ki je potoval z njim ali proti njemu. Tako je opazovalec v primerjavi z elektromagnetnim poljem izgubljal hitrost. Kljub temu to ni kršilo Galilejevega načela relativnosti, ki pravi, da zakoni mehanike delujejo enako za vsa telesa, ki imajo vztrajnost.

Po zakonu vztrajnosti, ko na predmet ne deluje nobena sila, predmet ohrani svojo hitrost, ki je hitrost in smer. Predmet, ki se enakomerno giblje, kar je konstantna hitrost v nespremenljivi smeri, ali pa miruje, kar je ničelna hitrost, ima inercijo. Pri tem se kaže galilejska invariantnost - njegove mehanske interakcije potekajo brez sprememb -, kar se imenuje tudi galilejska relativnost, saj ne moremo zaznati, ali smo v mirovanju ali enakomernem gibanju.

Teorija relativnosti

Posebna teorija relativnosti

Einsteinova posebna teorija relativnosti je leta 1905 pojasnila natančnost Maxwellovega elektromagnetnega polja in Galilejeve relativnosti z izjavo, da je hitrost polja absolutna - univerzalna konstanta - medtem ko sta prostor in čas lokalna pojava glede na energijo predmeta. Tako se predmet v relativnem gibanju skrajša v smeri svojega navora (Lorentzova kontrakcija), njegovo odvijanje dogodkov pa se upočasni (časovna dilatacija). Potnik na predmetu ne more zaznati spremembe, saj so vse merilne naprave v vozilu doživele krčenje dolžine in dilatacijo časa. Le zunanji opazovalec, ki je v relativnem mirovanju, izmeri, da se je predmet v relativnem gibanju skrajšal na svoji potovalni poti in da so se njegovi dogodki upočasnili. Zaradi posebne relativnosti Newtonove teorije, ki prostor in čas opredeljuje kot absolutna, ni bilo mogoče razložiti gravitacije.

Einstein je na podlagi načela enakovrednosti sklepal, da sta gravitacija ali stalni pospešek nerazločljivi izkušnji, ki imata lahko skupni fizikalni mehanizem. Predlagani mehanizem je bil postopno krčenje dolžine in časovna dilatacija - posledica lokalne gostote energije v tridimenzionalnem prostoru -, ki vzpostavljata postopno napetost v togem predmetu, ki se s premikanjem proti mestu z največjo gostoto energije razbremeni napetosti. Posebna teorija relativnosti bi bila omejen primer gravitacijskega polja. Posebna relativnost bi veljala, če je gostota energije v tridimenzionalnem prostoru enakomerna in je zato gravitacijsko polje enakomerno skalirano od lokacije do lokacije, zaradi česar predmet ne doživlja pospeška in s tem tudi ne gravitacije.

Splošna relativnost

Leta 1915 je Einsteinova splošna teorija relativnosti na novo razložila gravitacijo s 4D prostor-časom, modeliranim kot Lorentzova mnogoterost. Čas je ena dimenzija, združena s tremi prostorskimi dimenzijami, saj vsak dogodek v 3D prostoru - 2D vodoravno in 1D navpično - pomeni točko vzdolž 1D časovne osi. Tudi v vsakdanjem življenju človek navaja ali implicira oboje. Človek reče ali vsaj pomeni: "10. oktobra 2012 ob 21.00 se srečamo v stavbi 123 Main Street s križiščem Franklin Street v stanovanju 3D. Če izpustimo ali izpustimo časovno koordinato, pridemo na pravilno lokacijo v prostoru, ko iskanega dogodka ni - ta je v preteklosti ali prihodnosti, morda ob 6:00PM ali 12:00AM.

Splošna teorija relativnosti je s konvergenco prostora in časa ter predpostavko, da sta oba relativna glede na gostoto energije v okolici, in z določitvijo edine konstante ali absolutne vrednosti, ki ni niti masa, temveč hitrost svetlobe v vakuumu, razkrila prej nepredstavljivo ravnovesje in simetrijo naravnega sveta. Vsak predmet se vedno giblje s svetlobno hitrostjo vzdolž ravne črte - njenega ekvivalenta na ukrivljeni površini, imenovani geodetska ali svetovna črta - edini poti najmanjšega upora, kot je prosti pad skozi 4D prostor-čas, katerega geometrija se "ukrivlja" v bližini mase/energije.

Predmet s svetlobno hitrostjo v vakuumu se giblje z največjo hitrostjo v tridimenzionalnem prostoru, vendar se dogodki ne razvijajo - je zamrznjen v času, medtem ko predmet, ki se ne giblje v tridimenzionalnem prostoru, v celoti teče v enodimenzionalnem času in doživlja največjo hitrost razvijanja dogodkov. Prikazano vesolje je relativno glede na določeno lokacijo, vendar ko je enkrat podana masa/energija v tej bližini, Einsteinove enačbe napovedujejo, kaj se dogaja - ali se je zgodilo ali se bo zgodilo - kjer koli v vesolju. Einstein je nekoliko obžaloval razširjeno mnenje, da relativno v Einsteinovi teoriji pomeni subjektivno ali poljubno, saj je pozneje menil, da bi jo moral poimenovati splošna teorija.

Kozmologija

Delci sporočil elektromagnetnega polja, fotoni, brezčasno prenašajo podobo po vesolju, medtem ko imajo opazovalci znotraj tega polja dovolj časovnega pretoka, da to podobo dekodirajo in se nanjo odzovejo s premikanjem v tridimenzionalnem prostoru, vendar nikoli ne morejo prehiteti te brezčasne podobe. Stanje vesolja 400 000 let po domnevnem velikem poku, s katerim se je začelo naše vesolje, se kaže kot kozmično mikrovalovno ozadje (CMB).

Leta 1915 so menili, da je vesolje v celoti sestavljeno iz galaksije, ki jo danes imenujemo galaksija Mlečna cesta, in da je statično. Einstein je uporabil svoje nedavno objavljene enačbe gravitacijskega polja in odkril posledico, da se vesolje širi ali krči. (Teorija je uporabna v obeh smereh - časovna invariantnost.) Popravil je teorijo in dodal kozmološko konstanto, da bi poljubno uravnotežil vesolje. Blizu leta 1930 so teleskopski podatki Edwina Hubbla, interpretirani s splošno teorijo relativnosti, razkrili, da se vesolje širi.

Leta 1916 je Karl Schwarzschild na bojišču prve svetovne vojne uporabil Einsteinove enačbe in Schwarzschildova rešitev je napovedala črne luknje. Desetletja pozneje so astrofiziki ugotovili, da je supermasivna črna luknja v središču morda vsake galaksije. Zdi se, da črne luknje vodijo nastajanje in vzdrževanje galaksij z uravnavanjem nastajanja in uničevanja zvezd.

V tridesetih letih 20. stoletja so opazili, da bi v skladu s splošno teorijo relativnosti galaksije razpadle, če jih ne bi obdajala nevidna snov, ki bi galaksijo držala skupaj, v sedemdesetih letih pa so temno snov začeli sprejemati. Leta 1998 so sklepali, da se širjenje vesolja ne upočasnjuje, temveč pospešuje, kar kaže na veliko gostoto energije - dovolj za pospeševanje vidne in temne snovi - po celotnem vesolju, ogromno polje temne energije. Očitno je znanih manj kot 5 % sestave vesolja, preostalih 95 % pa je skrivnostnih - temna snov in temna energija.

Kvantna sfera

Nenavadna mehanika

V dvajsetih letih 20. stoletja je bila za raziskovanje delovanja elektromagnetnega polja na majhnih razdaljah prostora in časa razvita kvantna mehanika (QM). Vendar se je zdelo, da elektroni - delci snovi, ki so v interakciji s fotoni, ki so nosilci sil elektromagnetnega polja - povsem nasprotujejo mehanskim načelom. Nihče ni mogel napovedati, kje se kvantni delec nahaja iz trenutka v trenutek.

Pri poskusu z režami bi elektron potoval skozi eno luknjo, ki je postavljena pred njim. Vendar bi en sam elektron potoval hkrati skozi več lukenj, ne glede na to, koliko bi jih bilo pred njim. Posamezen elektron bi na detekcijski ploščici pustil interferenčni vzorec, kot da bi bil posamezen delec val, ki je šel skozi vse luknje hkrati. A to se je zgodilo le, če ga nihče ni opazoval. Če bi na pričakovani dogodek posvetili s svetlobo, bi interakcija fotona s poljem postavila elektron v en sam položaj.

Zaradi načela negotovosti natančne lokacije in gibanja vsakega kvantnega delca ni mogoče zanesljivo določiti. Interakcija delca z opazovalnim/merilnim instrumentom ga odkloni tako, da je zaradi boljše določitve njegovega položaja manjša določitev njegovega navora in obratno.

Kvantizirana teorija polja

Z razširitvijo kvantne mehanike na področje se je pokazal dosleden vzorec. Od lokacije do sosednje lokacije se je verjetnost obstoja delca na tej lokaciji povečevala in zmanjševala kot val verjetnosti - naraščajoča in padajoča gostota verjetnosti. Ko ga ne opazimo, vsak kvantni delec vstopi v superpozicijo, tako da že en sam delec zapolni celotno polje, pa naj bo še tako veliko. Vendar pa delec ni zagotovo nikjer v polju, ampak je tam z določeno verjetnostjo glede na to, ali je bil na sosednji lokaciji. Valovanje Maxwellovega elektromagnetnega polja je nastalo s kopičenjem verjetnostnih dogodkov. Ne delci, ampak matematična oblika je bila konstantna.

Prilagoditev polja posebni teoriji relativnosti je omogočila napoved celotnega elektromagnetnega polja. Tako je nastala relativistična kvantna teorija polja (QFT). Za elektromagnetno polje je to relativistična kvantna elektrodinamika (QED). Za šibko in elektromagnetno polje skupaj je to relativistična teorija elektrošibkosti (EWT). Za močno polje je to relativistična kvantna kromodinamika (QCD). Skupaj je to postal standardni model fizike delcev.

Razdelitev na področju fizike

Ko se standardni model prilagodi splošni teoriji relativnosti, da bi vključili maso, se pojavijo neskončne gostote verjetnosti. To je domnevno nepravilno, saj se verjetnost običajno giblje od 0 do 1-0 % do 100 % verjetnosti. Nekateri teoretični fiziki sumijo, da je težava v standardnem modelu, ki vsak delec predstavlja z ničrazsežno točko, ki je načeloma lahko neskončno majhna. Vendar je v kvantni fiziki Planckova konstanta najmanjša energijska enota, na katero se lahko razdeli polje, kar je morda namig za najmanjšo velikost delca. Zato si prizadevamo kvantificirati gravitacijo - razviti teorijo kvantne gravitacije.

Okvir

String domneva, da je Einsteinov 4D prostor-čas na mikroskopski ravni polje Calabi-Yauovih mnogoterosti, od katerih vsaka vsebuje 6 zvitih prostorskih dimenzij in tako ni razširjena na 3 prostorske dimenzije, ki so značilne za klasično sfero. V teoriji strun je vsak kvantni delec nadomeščen z 1D struno vibrirajoče energije, katere dolžina je Planckova dolžina. Ko se struna premika, sledi širini in tako postane 2D, svetovna plošča. Ko struna vibrira in se giblje v 6D Calabi-Yauovem prostoru, postane kvantni delec. S tem pristopom se hipotetični graviton, ki naj bi pojasnil splošno relativnost, zlahka pojavi.

Teorije

Teorija strun se je začela kot bozonska teorija strun, katere 26 dimenzij deluje kot veliko manj. Vendar je ta modelirala le bozone, ki so delci energije, medtem ko je izpustila fermione, ki so delci snovi. Tako bozonska teorija strun ni mogla pojasniti materije. A z dodatkom supersimetrije k bosonski teoriji strun so dosegli fermione in teorija strun je postala teorija superstrun, ki pojasnjuje tudi materijo.

(V različicah kvantne teorije polja, ki vključujejo supersimetrijo (SUSY), ima vsak bozon ustrezen fermion in obratno. To pomeni, da ima vsak energijski delec ustrezen snovni delec in vsak snovni delec ima ustrezen energijski delec, vendar je neopazni partner masivnejši in zato super. Ti superpartnerji se morda zdijo ekstravagantna napoved, vendar so številni teoretiki in eksperimentatorji naklonjeni supersimetričnim različicam standardnega modela, katerega enačbe je sicer treba ekstravagantno in včasih arbitrarno prilagajati, da bi ohranili uspešnost napovedi ali matematično skladnost, vendar z uskladitvijo superpartnerjev).

Netestabilno - neznanstveno?

Trditev teorije strun, da so vse molekule energijske strune, je bila deležna ostrih kritik. Obstaja več različic teorije strun, nobena pa ne napoveduje povsem uspešno podatkov opazovanj, ki jih pojasnjuje standardni model. Zdaj je znano, da ima teorija strun nešteto rešitev, ki pogosto napovedujejo nenavadne in neznane stvari. Nekateri trdijo, da teoretiki strun izbirajo le želene napovedi.

Trditev, da teorija strun nima preverljivih napovedi, je napačna, saj jih ima veliko. Nobena teorija - napovedni in morda razlagalni model nekega področja naravnih pojavov - ni preverljiva. Vse konvencionalne fizikalne teorije do standardnega modela so vsebovale trditve o neopaznih vidikih naravnega sveta. Tudi standardni model ima različne razlage glede naravnega sveta. Ko se standardni model uporablja, se pogosto naredi različica s supersimetrijo, ki podvoji število vrst delcev, ki so jih doslej identificirali fiziki delcev.

Nihče ne more dobesedno izmeriti prostora, vendar je Newton postuliral absolutni prostor in čas, njegova teorija pa je vsebovala izrecne napovedi, ki jih je bilo mogoče zelo dobro preizkusiti in so bile uspešne 200 let, vendar je bila teorija še vedno ponarejena kot razlaga narave. Fiziki se strinjajo, da takšna privlačna sila, ki bi neposredno privlačila snov k snovi, ne obstaja, kaj šele, da bi ta sila v trenutku prepotovala vesolje. Kljub temu je Newtonova teorija še vedno paradigma znanosti.

Skrite dimenzije?

Zamisel o skriti razsežnosti prostora se lahko zdi okultna. Nekateri teoretiki kvantne gravitacije z zanko - pretendenta za kvantno gravitacijo - menijo, da je teorija strun v osnovi zgrešena, saj predpostavlja, da ima prostor sploh obliko, dokler ga ne oblikujejo delci. To pomeni, da ne dvomijo, da ima prostor različne oblike, ampak menijo, da delci določajo obliko prostora in ne obratno. Očitno se je potrdil vrtinec prostor-časa, ki ga napoveduje splošna relativnost.

Standardni model, ki predstavlja kvantni delec kot točko 0D, že nakazuje, da je prostor-čas morje valujočih oblik, kvantna pena, če si ga razlagamo kot naravno resnico. Teoretiki strun so nagnjeni k temu, da je narava bolj elegantna, kar teoretik zanke Lee Smolin zavrača kot romantično prepričanje, medtem ko moderno sintezo biologije uporablja kot retorično sredstvo. Poskusi, s katerimi bi odkrili dodane prostorske dimenzije, so bili doslej neuspešni, vendar še vedno obstaja možnost, da se lahko pojavijo njihovi znaki.

Toliko rešitev?

Teorija M ima več bilijonov rešitev. Leonard Susskind, vodja teorije strun, razlaga plastičnost rešitev teorije strun kot paradoksalno podporo reševanju skrivnosti, zakaj to vesolje obstaja, saj teorija M kaže, da je le različica splošnega vzorca, ki vedno daje približne rezultate.

Splošna relativnost je prinesla številna odkritja, ki so bila leta 1915 nepredstavljiva le v domišljiji. Einstein-Rosenov most, ki je rešitev Einsteinovih enačb, s katero je želel pojasniti dinamiko kvantnih delcev, predvideva bližnjico, ki povezuje dve oddaljeni točki v prostor-času. Einstein-Rosenov most, ki se običajno imenuje črvina, je dvomljiv, vendar ne ovržen, kar kaže, da vse posledice teorije niso nujno točne ali da je resničnost precej nenavadna na načine, ki jih ni mogoče opaziti.

Številni svetovi

Celo standardni model fizike delcev ponuja nenavadne možnosti, ki jih populistični opisi znanosti izpuščajo ali pa jih omenjajo kot nepojasnjene zanimivosti. Teorija običajno sprejema kopenhagensko interpretacijo, po kateri je polje le možnost, nobena ni resnična, dokler opazovalec ali instrument ne pride v interakcijo s poljem, katerega valovna funkcija se nato sesuje in pusti le funkcijo delcev, pri čemer so resnični le delci. Vendar je bil kolaps valovne funkcije zgolj predpostavljen - niti eksperimentalno potrjen niti celo matematično modeliran - in ni bilo ugotovljeno nobeno odstopanje niti od valovne funkcije v kvantnem področju niti od funkcije delcev v klasičnem področju.

Leta 1957 je Hugh Everett opisal svojo razlago "relativnega stanja". Everett je trdil, da valovna funkcija ne kolapsira, in ker naj bi bila vsa snov in interakcije zgrajene iz kvantnih valovnih delcev, so vse možne različice kvantnega polja - nakazane z matematičnimi enačbami - resnične in hkrati se pojavljajoče, vendar različne smeri zgodovine. Po tej razlagi se vse, kar je v interakciji s poljem, pridruži stanju polja, ki je relativno glede na stanje opazovalca - ki je samo po sebi valovna oblika v lastnem kvantnem polju -, medtem ko obe preprosto medsebojno delujeta v univerzalni valovni obliki, ki se nikoli ne sesuje. Do zdaj mnogi fiziki očitnega prehoda iz kvantnega v klasično področje ne razlagajo kot kolaps valovne funkcije, temveč kot kvantno dekoherenco.

Pri dekoherenci interakcija s poljem opazovalca popelje v samo eno determinantno konstelacijo kvantnega polja, zato se vsa opazovanja uskladijo s tem novim, kombiniranim kvantnim stanjem. Everettova teza je navdihnila interpretacijo mnogih svetov, po kateri naj bi znotraj našega vesolja obstajalo praktično ali potencialno neskončno vzporednih svetov, ki so resnični, vendar je vsak od njih od drugih svetov oddaljen le neznatno razdaljo. Ker je valovna oblika vsakega sveta univerzalna - ne razpadajoča - in ker so njeni matematični odnosi invariantni, vzporedni svetovi preprosto zapolnijo vrzeli in se ne dotikajo.

Številna vesolja

Einstein je dvomil, da so črne luknje, kot jih predvideva Schwarzschildova rešitev, resnične. Nekateri zdaj domnevajo, da črne luknje kot take ne obstajajo, ampak so temna energija, ali da je naše vesolje oboje - črna luknja in temna energija. Schwarzschildovo rešitev Einsteinovih enačb je mogoče maksimalno razširiti in napovedati, da ima črna luknja tudi drugo stran - drugo vesolje, ki nastane iz bele luknje. Morda je bil veliki pok našega vesolja polovica velikega odboja, ko se je nekaj sesulo v črno luknjo, naše vesolje pa se je na drugi strani pojavilo kot bela luknja.

Delci so strune?

Fiziki močno dvomijo, da so kvantni delci resnično 0D točke, kot jih predstavlja standardni model, ki ponuja formalizem - matematične naprave, katerih poteze napovedujejo zanimive pojave po vnosu podatkov, ne pa razlage mehanizmov, ki te pojave določajo. Kljub temu teoretiki strun optimistično domnevajo, da so strune resnične in razlagalne, ne le napovedne naprave. Današnji pospeševalniki delcev še zdaleč ne zmorejo poganjati kakršnih koli sondirnih delcev z dovolj visokimi energijami, da bi premagali lastno energijo kvantnega delca in ugotovili, ali gre za struno. Ta omejitev pa velja tudi za preizkušanje drugih teorij kvantne gravitacije. Razvoj predlaga druge strategije za "opazovanje" strukture kvantnih delcev.

Paradoksalno, tudi če bi testiranje potrdilo, da so delci strune energije, to še vedno ne bi dokončno dokazalo, da so delci strune, saj bi lahko obstajale druge razlage, morda nepričakovana deformacija prostora, čeprav je bil delec 0D točka prave trdnosti. Tudi kadar so napovedi uspešne, obstaja veliko možnih razlag - problem nedoločenosti - in filozofi znanosti ter nekateri znanstveniki ne sprejemajo niti brezhibnega napovednega uspeha kot potrditev uspešnih razlag teorije, če so te zastavljene kot znanstveni realizem, resnični opis naravnega sveta.

Materija je energija?

Govori o fizikih delcev, ki s trki delcev v pospeševalnikih preizkušajo delce, ki so jih napovedali teoretični fiziki, kažejo, da so kvantni delci majhni newtonski delci, ki jih eksperimentatorji razprejo, da bi razkrili njihovo strukturo. Namesto tega lahko ob trku dveh delcev, od katerih ima vsak določeno maso - merjeno z energijo v elektronvoltih -, nastane delec s to skupno maso/energijo, nastali delec pa se "opazuje", ali se ujema z napovedjo.

Med fiziki ni sporno, da so vsi delci energija. Teoretiki zanke, ki včasih tekmujejo s teorijo strun, trdijo, da se v delce spreminja sam prostor-čas. To, da je snov posebna različica energije, je bila posledica Einsteinove posebne teorije relativnosti, s katero je Einstein formaliziral ekvivalentnost mase in energije, E=mc2. Ko trčijo dovolj energični fotoni, se lahko združijo in povzročijo nastanek materije. Vsi delci imajo antidelce, atomi snovi pa imajo antiatome antimaterije, katerih združitev izniči delce in snov, pri čemer ostane energija.

Navdihujoč razvoj je odkritje zrcalne simetrije, pri čemer so Calabi-Yauovi prostori ponavadi v parih, tako da je rešitve, ki so bile prej težavne v skrajnem vibracijskem načinu enega niza, mogoče rešiti s pomočjo geometrije zrcalnega Calabi-Yauovega prostora v njegovem nasprotnem območju.

Teorijo strun običajno rešujemo s konformno teorijo polja, kvantno teorijo polja na dvodimenzionalnem prostoru. Potrjeno je, da se lahko molekule sesedejo v 2D prostor. In elektron, ki je dolgo veljal za elementarni delec, se očitno razcepi na tri entitete, ki ločeno nosijo tri elektronske stopnje svobode, ko se molekule, ki vsebujejo elektrone, preusmerijo po 1D poti.