A szuperhúr-elmélet a népszerű nyelven az univerzumot rezgő energiaszálak – húrok – gyűjteményeként ábrázolja. Ők a természet alapjai. A hipotézis más elemeket is leír - a bránokat. Világunkban minden anyag húrok és bránok rezgéseiből áll. Az elmélet természetes következménye a gravitáció leírása. Ez az oka annak, hogy a tudósok úgy vélik, hogy ez a kulcs a gravitáció más erőkkel való egyesítéséhez.
A koncepció fejlődik
Az egyesített térelmélet, a szuperhúrelmélet tisztán matematikai. Mint minden fizikai fogalom, ez is bizonyos módokon értelmezhető egyenleteken alapul.
Ma senki sem tudja pontosan, mi lesz ennek az elméletnek a végső változata. A tudósoknak meglehetősen homályos elképzelésük van az általános elemeiről, de még senki sem állt elő olyan végleges egyenlettel, amely minden szuperhúr-elméletet lefedne, és kísérletileg sem sikerült megerősíteni (bár nem is cáfolni).. A fizikusok elkészítették az egyenlet egyszerűsített változatát, de ez eddig nem írja le teljesen az univerzumunkat.
Szuperhúrelmélet kezdőknek
A hipotézis öt kulcsfontosságú gondolaton alapul.
- A szuperhúr-elmélet azt jósolja, hogy világunk összes tárgya rezgő szálakból és energiamembránokból áll.
- Megpróbálja ötvözni az általános relativitáselméletet (gravitációt) a kvantumfizikával.
- A szuperhúr-elmélet egyesíteni fogja az univerzum összes alapvető erejét.
- Ez a hipotézis új kapcsolatot, szuperszimmetriát jósol két alapvetően különböző típusú részecske, a bozonok és a fermionok között.
- A fogalom az Univerzum számos további, általában nem megfigyelhető dimenzióját írja le.
Húrok és bránok
Amikor az elmélet az 1970-es években megjelent, a benne lévő energiaszálakat egydimenziós objektumoknak – húroknak – tekintették. Az "egydimenziós" szó azt jelenti, hogy a karakterláncnak csak 1 dimenziója van, a hossza, ellentétben például egy négyzettel, amelynek hossza és magassága is van.
Az elmélet ezeket a szuperhúrokat két típusra osztja – zárt és nyitott. A nyitott húrnak olyan végei vannak, amelyek nem érintik egymást, míg a zárt húr egy hurok, amelynek nincs nyitott vége. Ennek eredményeként azt találták, hogy ezek a karakterláncok, amelyeket az első típusú karakterláncoknak neveznek, 5 fő típusú kölcsönhatásnak vannak kitéve.
Az interakciók azon a képességen alapulnak, hogy egy karakterlánc képes összekapcsolni és elválasztani a végeit. Mivel a nyitott karakterláncok végei egyesülhetnek zárt karakterláncokká, lehetetlen olyan szupersztring elméletet felépíteni, amely nem tartalmazza a hurkos karakterláncokat.
Ez fontosnak bizonyult, mivel a fizikusok szerint a zárt húroknak olyan tulajdonságaik vannak, amelyek leírhatják a gravitációt. Más szóval tudósokrájött, hogy a szuperhúrelmélet ahelyett, hogy megmagyarázná az anyag részecskéit, leírhatja viselkedésüket és gravitációjukat.
Sok év után kiderült, hogy a húrokon kívül más elemekre is szükség van az elmélethez. Ezeket lapoknak vagy bránoknak tekinthetjük. A húrok az egyik vagy mindkét oldalra rögzíthetők.
Kvantumgravitáció
A modern fizikának két fő tudományos törvénye van: az általános relativitáselmélet (GR) és a kvantum. Teljesen más tudományterületeket képviselnek. A kvantumfizika a legkisebb természetes részecskéket vizsgálja, a GR pedig általában a bolygók, galaxisok és az univerzum egészének skáláján írja le a természetet. Azokat a hipotéziseket, amelyek megkísérlik egyesíteni őket, kvantumgravitációs elméleteknek nevezzük. A legígéretesebb közülük ma a karakterlánc.
A zárt szálak a gravitáció viselkedésének felelnek meg. Különösen olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, mint egy graviton, egy olyan részecske, amely a gravitációt hordozza az objektumok között.
Erők egyesítése
A húrelmélet megpróbálja egyesíteni a négy erőt – az elektromágneses, az erős és gyenge nukleáris erőket, valamint a gravitációt. A mi világunkban ezek négy különböző jelenségként jelennek meg, de a húrelméleti szakemberek úgy vélik, hogy a korai univerzumban, amikor hihetetlenül magas energiaszint volt, ezeket az erőket az egymással kölcsönhatásban lévő húrok írják le.
Szuperszimmetria
A világegyetem összes részecskéje két típusra osztható: bozonokra és fermionokra. Húrelméletazt jósolja, hogy kapcsolat van közöttük, amit szuperszimmetriának neveznek. A szuperszimmetriában minden bozonhoz kell egy fermion, és minden fermionhoz egy bozon. Sajnos az ilyen részecskék létezését kísérletileg nem igazolták.
A szuperszimmetria a fizikai egyenletek elemei közötti matematikai kapcsolat. A fizika egy másik területén fedezték fel, és alkalmazása a szuperszimmetrikus húrelmélet (vagy népnyelven szuperhúrelmélet) átnevezéséhez vezetett az 1970-es évek közepén.
A szuperszimmetria egyik előnye, hogy nagymértékben leegyszerűsíti az egyenleteket azáltal, hogy lehetővé teszi bizonyos változók kiiktatását. Szuperszimmetria nélkül az egyenletek fizikai ellentmondásokhoz vezetnek, például végtelen értékekhez és képzeletbeli energiaszintekhez.
Mivel a tudósok nem figyelték meg a szuperszimmetria által megjósolt részecskéket, ez még mindig hipotézis. Sok fizikus úgy véli, hogy ennek oka a jelentős mennyiségű energia szükségessége, amelyet a tömeghez a híres Einstein-egyenlet kapcsol össze: E=mc2. Ezek a részecskék létezhettek a korai univerzumban, de ahogy lehűlt és az energia terjedt az Ősrobbanás után, ezek a részecskék alacsony energiaszintre kerültek.
Más szóval, a nagyenergiájú részecskékként rezgő húrok elvesztették energiájukat, és alacsonyabb rezgésű elemekké változtatták őket.
A tudósok azt remélik, hogy a csillagászati megfigyelések vagy a részecskegyorsítókkal végzett kísérletek megerősítik az elméletet azáltal, hogy felfedik néhány szuperszimmetrikus elemetenergia.
További méretek
A húrelmélet másik matematikai következménye, hogy van értelme egy háromnál több dimenziójú világban. Ennek jelenleg két magyarázata van:
- Az extra dimenziók (hat közülük) összeomlottak, vagy a húrelméleti terminológiával élve hihetetlenül kicsi méretekre tömörültek, amelyeket soha nem fogunk észrevenni.
- A 3D-s bránban ragadtunk, és a többi dimenzió túlmutat rajta, és elérhetetlen számunkra.
A teoretikusok egyik fontos kutatási iránya annak matematikai modellezése, hogy ezek az extra koordináták miként kapcsolódhatnak a miénkhez. A legfrissebb eredmények azt jósolják, hogy a tudósok hamarosan képesek lesznek kimutatni ezeket az extra dimenziókat (ha léteznek) a soron következő kísérletekben, mivel nagyobbak lehetnek a korábban vártnál.
A cél megértése
A tudósok célja a szuperhúrok feltárása során a „minden elmélete”, vagyis egyetlen fizikai hipotézis, amely a teljes fizikai valóságot alapvető szinten írja le. Ha sikerül, sok kérdést tisztázhat az univerzumunk felépítésével kapcsolatban.
Az anyag és a tömeg magyarázata
A modern kutatás egyik fő feladata a valódi részecskék megoldása.
A húrelmélet egy olyan fogalomként indult, amely a részecskéket, például a hadronokat írja le egy húr különböző magasabb rezgési állapotaiban. A legtöbb modern megfogalmazásban az ügy megfigyelhető a mivilágegyetem, a legalacsonyabb energiájú húrok és bránok rezgésének eredménye. A magasabb rezgések nagy energiájú részecskéket generálnak, amelyek jelenleg nem léteznek a világunkban.
Ezeknek az elemi részecskéknek a tömege annak a megnyilvánulása, ahogy a húrok és a bránok tömörített extra dimenziókba csomagolódnak. Például egy leegyszerűsített esetben, amikor fánk alakúra hajtogatják őket, amelyet a matematikusok és fizikusok tórusznak neveznek, egy zsinór kétféleképpen tekerheti ezt az alakzatot:
- rövid hurok a tórusz közepén keresztül;
- hosszú hurok a tórusz teljes külső kerülete körül.
A rövid hurok könnyű részecske lesz, a nagy hurok pedig nehéz. A toroidálisan tömörített méretek köré tekercselve a húrokat különböző tömegű új elemek jönnek létre.
A szuperhúrelmélet tömören és világosan, egyszerűen és elegánsan magyarázza el a hosszúság tömeggé való átalakulását. Az itt összehajtott méretek sokkal bonyolultabbak, mint a tóruszé, de elvileg ugyanúgy működnek.
Még az is lehetséges, bár nehéz elképzelni, hogy a húr egyidejűleg két irányba tekeredjen a tórusz köré, ami egy másik, eltérő tömegű részecskét eredményez. A branes extra méreteket is becsomagolhat, még több lehetőséget teremtve.
Tér és idő meghatározása
A szuperhúrelmélet számos változatában a dimenziók összeomlanak, így a technológiai fejlődés jelenlegi szintjén megfigyelhetetlenek lesznek.
Jelenleg nem világos, hogy a húrelmélet meg tudja-e magyarázni a tér és idő alapvető természetéttöbbet, mint Einstein tette. Ebben a mérések képezik a húrok kölcsönhatásának hátterét, és nincs független valódi jelentésük.
A téridőnek az összes karakterlánc-kölcsönhatás teljes összegének származékaként való megjelenítésére vonatkozóan nem teljesen kidolgozott magyarázatokat kínáltak.
Ez a megközelítés nem felel meg néhány fizikus elképzelésének, ami a hipotézis bírálatához vezetett. A hurokkvantumgravitáció kompetitív elmélete a tér és az idő kvantálását használja kiindulási pontként. Egyesek úgy vélik, hogy ez csak egy másik megközelítés lesz ugyanannak az alaphipotézisnek.
A gravitáció kvantálása
Ennek a hipotézisnek a fő eredménye, ha beigazolódik, a gravitáció kvantumelmélete lesz. A gravitáció jelenlegi általános relativitáselméleti leírása nincs összhangban a kvantumfizikával. Ez utóbbi, mivel korlátozza a kis részecskék viselkedését, ellentmondásokhoz vezet, amikor az Univerzumot rendkívül kis léptékben próbálják felfedezni.
Erők egyesítése
Jelenleg a fizikusok négy alapvető erőt ismernek: gravitáció, elektromágneses, gyenge és erős nukleáris kölcsönhatás. A húrelméletből az következik, hogy egykor mindegyik egynek a megnyilvánulása volt.
E hipotézis szerint, mivel a korai univerzum lehűlt az ősrobbanás után, ez az egyetlen interakció kezdett felbomlani különböző ma is aktív kölcsönhatásokra.
A nagy energiájú kísérletek egy napon lehetővé teszik számunkra, hogy felfedezzük ezeknek az erőknek az egyesülését, bár az ilyen kísérletek messze túlmutatnak a technológia jelenlegi fejlődésén.
Öt választási lehetőség
Az 1984-es szuperhúros forradalom után lázas ütemben folyt a fejlesztés. Ennek eredményeként egy fogalom helyett öt, I., IIA, IIB, HO, HE típusok léteztek, amelyek mindegyike szinte teljesen leírta világunkat, de nem teljesen.
A fizikusok a húrelmélet változatai között válogatva egy univerzális igaz képlet megtalálásának reményében 5 különböző önellátó változatot hoztak létre. Egyes tulajdonságaik a világ fizikai valóságát tükrözték, mások nem feleltek meg a valóságnak.
M-elmélet
Egy 1995-ös konferencián Edward Witten fizikus merész megoldást javasolt öt hipotézis problémájára. Az újonnan felfedezett kettősség alapján ezek mindegyike egyetlen átfogó koncepció, a Witten-féle szuperhúrok M-elméletének speciális esetei lettek. Egyik kulcsfogalma a bránok (a membrán rövidítése) voltak, amelyek egynél több dimenzióval rendelkező alapvető objektumok. Bár a szerző nem kínált teljes verziót, amely még nem elérhető, a szuperhúrok M-elmélete röviden a következő jellemzőkből áll:
- 11-dimenzió (10 térbeli plusz 1 idődimenzió);
- kettősségek, amelyek öt elmélethez vezetnek, amelyek ugyanazt a fizikai valóságot magyarázzák;
- bránok egynél több dimenziójú karakterláncok.
A
Következmények
Ennek eredményeként egy helyett 10500 megoldás született. Egyes fizikusok számára ez válságot okozott, míg mások elfogadták az antropikus elvet, amely az univerzum tulajdonságait a benne való jelenlétünkkel magyarázza. Majd kiderül, mikor találnak a teoretikusok másikataz eligazodás módja a szuperhúrelméletben.
Egyes értelmezések azt sugallják, hogy nem a mi világunk az egyetlen. A legradikálisabb változatok végtelen számú univerzum létezését teszik lehetővé, amelyek némelyike a mi sajátunk pontos másolatát tartalmazza.
Einstein elmélete megjósolja egy tekercselt tér létezését, amelyet féreglyuknak vagy Einstein-Rosen hídnak neveznek. Ebben az esetben két távoli helyszínt egy rövid átjáró köt össze. A szuperhúrelmélet nem csak ezt teszi lehetővé, hanem párhuzamos világok távoli pontjainak összekapcsolását is. Még az univerzumok között is át lehet váltani a különböző fizikatörvények mellett. Valószínű azonban, hogy a gravitáció kvantumelmélete lehetetlenné teszi létezésüket.
Sok fizikus úgy véli, hogy a holografikus elv, amikor a tér térfogatában lévő összes információ megfelel a felületén rögzített információnak, lehetővé teszi az energiaszálak fogalmának mélyebb megértését.
Egyesek úgy vélik, hogy a szuperhúrelmélet az idő több dimenzióját is lehetővé teszi, ami rajtuk keresztüli utazást eredményezhet.
Emellett a hipotézis keretein belül létezik az ősrobbanás-modell alternatívája is, mely szerint univerzumunk két brán ütközésének eredményeként jelent meg és ismétlődő teremtési és pusztulási ciklusokon megy keresztül.
A világegyetem végső sorsa mindig is foglalkoztatta a fizikusokat, és a húrelmélet végső változata segít meghatározni az anyag sűrűségét és a kozmológiai állandót. Ezen értékek ismeretében a kozmológusok meg tudják határozni, hogy az univerzum megteszi-ezsugorítsa össze, amíg fel nem robban, és kezdje elölről.
Senki sem tudja, hová vezethet egy tudományos elmélet, amíg ki nem dolgozzák és nem tesztelik. Einstein, aki az E=mc2 egyenletet írta, nem számított arra, hogy az atomfegyverek megjelenéséhez vezet. A kvantumfizika alkotói nem tudták, hogy ez lesz a lézer és egy tranzisztor létrehozásának alapja. És bár még nem tudni, hogy egy ilyen pusztán elméleti koncepció mire vezet, a történelem azt mutatja, hogy valami kiemelkedő dolog biztosan kiderül.
Ha többet szeretne megtudni erről a sejtésről, olvassa el Andrew Zimmerman szuperhúrelméletét a Dummies számára.
