Vysvětlení teorie strun: Základní průvodce teorií strun

V oblasti částicové fyziky spojuje teorie strun dohromady kvantovou mechaniku a obecnou teorii relativity Alberta Einsteina.

Co je teorie strun?

Teorie strun poskytuje teoretický rámec, ve kterém všechny částice, od fotonů po kvarky, jsou jednorozměrné struny na rozdíl od nulových rozměrů. Pokud by byla nalezena verze teorie strun, která by obstála ve všech kontextech, sloužila by jako jediný matematický model pro popis povahy vesmíru – „teorie všeho“, která by nahradila Standardní model fyziky, který nevysvětluje gravitace.

5 ústředních myšlenek teorie strun

Pochopení jemností a nevýhod teorie strun vyžaduje rozsáhlé studium, ale seznámení se s hlavními prvky teorie strun vám poskytne základní pochopení jejích základních pojmů.

1. Struny a branky : Struny jsou jednorozměrná vlákna, která přicházejí ve dvou formách: otevřené struny a uzavřené struny. Otevřený řetězec má konce, které se nespojují, zatímco uzavřený řetězec tvoří uzavřenou smyčku. Branes (odvozené od slova „membrána“) jsou listy podobné předměty, ke kterým se mohou na obou koncích připojit provázky. Branes jsou schopni pohybovat se prostoročasem podle pravidel kvantové mechaniky.

2. Další prostorové dimenze : Fyzici připouštějí, že náš vesmír obsahuje tři prostorové dimenze, ale strunoví teoretici argumentují pro model, který popisuje další dimenze prostoru. V teorii strun zůstává nejméně šest dalších dimenzí nezjištěno, protože jsou pevně zhutněny do složitého složeného tvaru nazývaného Calabi-Yauova manifolda.

3. Kvantová gravitace : Teorie strun je teorií kvantové gravitace, protože se pokouší spojit kvantovou fyziku s teorií obecné relativity. Kvantová fyzika studuje nejmenší objekty ve vesmíru – jako jsou atomy a subatomární částice – zatímco obecná teorie relativity se obvykle zaměřuje na objekty ve vesmíru ve větším měřítku.

4. Supersymetrie : Také známá jako teorie superstrun, supersymetrie popisuje vztah mezi dvěma typy částic, bosony a fermiony. V supersymetrické teorii strun má boson (nebo částice síly) vždy protějšek fermion (nebo částici hmoty) a naopak. Koncept supersymetrie je stále teoretický, protože vědci dosud žádnou z těchto částic neviděli. Někteří fyzici spekulují, že je to proto, že k vytvoření bosonů a fermionů by bylo zapotřebí neuvěřitelně vysokých energetických hladin. Tyto částice mohly existovat v raném vesmíru před velkým třeskem, ale poté byly rozloženy na částice s nižší energií, které vidíme dnes. Velký hadronový urychlovač (nejvyšší energetický urychlovač částic na světě) může v určitém okamžiku generovat dostatek energie na podporu této teorie – i když zatím neobjevil důkazy o supersymetrii.

5. Sjednocené síly : Teoretici strun věří, že mohou pomocí interagujících strun vysvětlit, jak čtyři základní přírodní síly – gravitační síla, elektromagnetická síla, silná jaderná síla a slabá jaderná síla – vytvářejí jednotnou teorii všeho.

Stručná historie teorie strun

Následující časová osa znamená významné úspěchy na poli teorie strun.

  • 1968 : Gabriele Veneziano, italský teoretický fyzik pracující v Evropské organizaci pro jaderný výzkum (CERN), použil data shromážděná z různých urychlovačů částic k formulaci základů teorie strun. Zkonstruoval model duální rezonance poté, co si uvědomil, že může použít 200 let starý vzorec Eulerovy beta funkce k vysvětlení fyzikálních charakteristik silně interagujících částic.
  • 1970 : Název „teorie strun“ vznikl, když tři fyzici – Leonard Susskind, Holger Nielsen a Yoichiro Nambu – kteří použili Venezianoův model k domněnce, že vesmír se skládá z malých vibrujících strun.
  • 1971 : Profesor teoretické fyziky Pierre Ramond zahájil vývoj teorie superstrun formulováním konceptu supersymetrie.
  • 1974 : Japonský fyzik Tamiaki Yoneya objevil, že teorie strun obsahuje částici s vlastnostmi gravitonu – kvantovou částici, která nese gravitační sílu – a uvědomil si, že aspekty teorie strun mohou být také teorií gravitace.
  • 1984 : Anglický fyzik Michael Green a americký fyzik John Schwarz objevili zrušení anomálie v teorii strun typu I, která se stala známou jako Green-Schwarzův mechanismus. Tato událost dále propojila myšlenky teorie strun se supersymetrií a zahájila první superstrunovou revoluci.
  • 1985 : „Princeton String Quartet“ – David Goss, Jeffrey Harvey, Emil Martinec a Ryan Rohm – objevili heterotické struny, což jsou uzavřené struny, které jsou hybridy superstruny a bosonické struny.
  • 1995 : Edward Witten, teoretický fyzik z Institutu pro pokročilé studium v ​​Princetonu, New Jersey, navrhl, že pět různých akceptovaných verzí teorie strun ve skutečnosti nejsou samostatné teorie. Witten navrhl, že jsou to jen různé limity jedné jediné teorie, kterou Witten nazval M-teorie. Myšlenka M-teorie zahájila druhou superstrunovou revoluci.