Supermerkkijonoteoria edustaa yleisellä kielellä maailmankaikkeutta kokoelmana värähteleviä energiasäikeitä - kieliä. Ne ovat luonnon perusta. Hypoteesi kuvaa myös muita elementtejä - braneja. Kaikki maailmassamme oleva aine koostuu merkkijonojen ja braenien värähtelyistä. Teorian luonnollinen seuraus on painovoiman kuvaus. Tästä syystä tiedemiehet uskovat, että siinä on avain painovoiman yhdistämiseen muiden voimien kanssa.
Konsepti kehittyy
Yhdistetty kenttäteoria, supermerkkijonoteoria, on puhtaasti matemaattinen. Kuten kaikki fyysiset käsitteet, se perustuu yhtälöihin, jotka voidaan tulkita tietyillä tavoilla.
Tänään kukaan ei tiedä tarkalleen, mikä tämän teorian lopullinen versio tulee olemaan. Tiedemiehillä on melko epämääräinen käsitys sen yleisistä elementeistä, mutta kukaan ei ole vielä keksinyt lopullista yhtälöä, joka kattaisi kaikki supermerkkijonoteoriat, eikä se ole vielä pystynyt kokeellisesti vahvistamaan sitä (vaikka ei myöskään kumota sitä). Fyysikot ovat luoneet yksinkertaistettuja versioita yhtälöstä, mutta toistaiseksi se ei täysin kuvaa maailmankaikkeuttamme.
Supermerkkijonoteoria aloittelijoille
Hypoteesi perustuu viiteen keskeiseen ajatukseen.
- Supermerkkijonoteoria ennustaa, että kaikki esineet maailmassamme koostuvat värähtelevistä säikeistä ja energiakalvoista.
- Hän yrittää yhdistää yleisen suhteellisuusteorian (painovoiman) kvanttifysiikkaan.
- Supermerkkijonoteoria yhdistää kaikki maailmankaikkeuden perusvoimat.
- Tämä hypoteesi ennustaa uuden yhteyden, supersymmetrian, kahden pohjimmiltaan erilaisen hiukkastyypin, bosonien ja fermionien, välillä.
- Konsepti kuvaa useita muita, yleensä havaitsemattomia universumin ulottuvuuksia.
Jeleet ja branesit
Kun teoria syntyi 1970-luvulla, siinä olevia energialankoja pidettiin yksiulotteisina esineinä - kieleinä. Sana "yksiulotteinen" tarkoittaa, että merkkijonolla on vain yksi ulottuvuus, pituus, toisin kuin esimerkiksi neliö, jolla on sekä pituus että korkeus.
Teoria jakaa nämä supermerkkijonot kahteen tyyppiin - suljettuun ja avoimeen. Avoimella merkkijonolla on päät, jotka eivät kosketa toisiaan, kun taas suljettu merkkijono on silmukka, jolla ei ole avoimia päitä. Tämän seurauksena havaittiin, että nämä merkkijonot, joita kutsutaan ensimmäisen tyypin merkkijonoiksi, ovat vuorovaikutuksen 5 päätyypin alaisia.
Vuorovaikutukset perustuvat merkkijonon kykyyn yhdistää ja erottaa sen päät. Koska avoimien merkkijonojen päät voivat yhdistyä muodostaen suljettuja merkkijonoja, on mahdotonta rakentaa supermerkkijonoteoriaa, joka ei sisällä silmukallisia merkkijonoja.
Tämä osoittautui tärkeäksi, koska fyysikot uskovat, että suljetuilla merkkijonoilla on ominaisuuksia, jotka voisivat kuvata painovoimaa. Toisin sanoen tiedemiehettajusi, että supermerkkijonoteoria sen sijaan, että selittäisi aineen hiukkasia, voi kuvata niiden käyttäytymistä ja painovoimaa.
Monien vuosien jälkeen havaittiin, että teorialle tarvitaan kielten lisäksi muita elementtejä. Niitä voidaan pitää levyinä tai braineina. Nauhat voidaan kiinnittää yhdelle tai molemmille puolille.
Kvanttigravitaatio
Modernisessa fysiikassa on kaksi pääasiallista tieteellistä lakia: yleinen suhteellisuusteoria (GR) ja kvantti. He edustavat täysin eri tieteenaloja. Kvanttifysiikka tutkii pienimpiä luonnonhiukkasia, ja GR kuvaa pääsääntöisesti luontoa planeettojen, galaksien ja koko maailmankaikkeuden mittakaavassa. Hypoteesit, jotka yrittävät yhdistää niitä, kutsutaan kvanttigravitaatioteorioiksi. Lupaavin niistä tänään on merkkijono.
Suljetut langat vastaavat painovoiman käyttäytymistä. Erityisesti niillä on gravitonin ominaisuudet, hiukkanen, joka kuljettaa painovoimaa esineiden välillä.
Joining Forces
Jieteoria yrittää yhdistää neljä voimaa - sähkömagneettiset, vahvat ja heikot ydinvoimat sekä painovoima - yhdeksi. Maailmassamme ne ilmenevät neljänä eri ilmiönä, mutta jousiteoreetikot uskovat, että varhaisessa universumissa, jolloin energiatasot olivat uskomattoman korkeat, kaikki nämä voimat kuvataan toistensa kanssa vuorovaikutuksessa olevilla jousilla.
Supersymmetria
Kaikki maailmankaikkeuden hiukkaset voidaan jakaa kahteen tyyppiin: bosoneihin ja fermioneihin. Säieteoriaennustaa, että niiden välillä on suhde, jota kutsutaan supersymmetriaksi. Supersymmetriassa täytyy olla fermion jokaiselle bosonille ja bosonille jokaiselle fermionille. Valitettavasti tällaisten hiukkasten olemassaoloa ei ole kokeellisesti vahvistettu.
Supersymmetria on fysikaalisten yhtälöiden elementtien välinen matemaattinen suhde. Se löydettiin toiselta fysiikan osa-alueelta, ja sen soveltaminen johti supersymmetrisen merkkijonoteorian (tai kansankielellä supermerkkijonoteorian) uudelleennimeämiseen 1970-luvun puolivälissä.
Yksi supersymmetrian eduista on, että se yksinkertaistaa huomattavasti yhtälöitä sallimalla joidenkin muuttujien eliminoinnin. Ilman supersymmetriaa yhtälöt johtavat fysikaalisiin ristiriitoihin, kuten äärettömiin arvoihin ja kuvitteellisiin energiatasoihin.
Koska tiedemiehet eivät ole havainneet supersymmetrian ennustamia hiukkasia, se on edelleen hypoteesi. Monet fyysikot uskovat, että syynä tähän on merkittävän energiamäärän tarve, joka liittyy massaan kuuluisalla Einstein-yhtälöllä E=mc2. Nämä hiukkaset saattoivat olla olemassa varhaisessa universumissa, mutta kun se jäähtyi ja energia levisi alkuräjähdyksen jälkeen, nämä hiukkaset siirtyivät alhaiselle energiatasolle.
Toisin sanoen, kielet, jotka värähtelivät korkeaenergisinä hiukkasina, menettivät energiansa ja muuttivat ne alhaisemman värähtelyn elementeiksi.
Tutkijat toivovat, että tähtitieteelliset havainnot tai kokeet hiukkaskiihdyttimillä vahvistavat teorian paljastamalla joitain supersymmetrisiä elementtejä, joilla on korkeampienergiaa.
Lisämitat
Toinen merkkijonoteorian matemaattinen seuraus on, että se on järkevä maailmassa, jossa on enemmän kuin kolme ulottuvuutta. Tällä hetkellä tälle on kaksi selitystä:
- Lisämitat (kuusi niistä) ovat romahtaneet tai merkkijonoteorian terminologian mukaan tiivistyneet uskomattoman pieniin kokoihin, joita ei koskaan havaita.
- Olemme jumissa 3D-braanissa, ja muut ulottuvuudet ulottuvat sen ulkopuolelle, eivätkä ole meidän ulottuvillamme.
Teoreetikkojen keskuudessa tärkeä tutkimuslinja on matemaattinen mallintaminen siitä, kuinka nämä ylimääräiset koordinaatit voivat liittyä meidän koordinaatteihimme. Viimeisimmät tulokset ennustavat, että tutkijat pystyvät pian havaitsemaan nämä ylimääräiset mitat (jos niitä on) tulevissa kokeissa, koska ne voivat olla aiemmin odotettua suurempia.
Tarkoituksen ymmärtäminen
Tavoite, johon tiedemiehet pyrkivät tutkiessaan supermerkkijonoja, on "kaiken teoria", eli yksittäinen fyysinen hypoteesi, joka kuvaa koko fyysistä todellisuutta perustasolla. Jos se onnistuu, se voi selventää monia kysymyksiä universumimme rakenteesta.
Aineen ja massan selitys
Yksi modernin tutkimuksen päätehtävistä on löytää ratkaisuja todellisille hiukkasille.
Säiteteoria alkoi käsitteenä, joka kuvaa hiukkasia, kuten hadroneja, jotka ovat merkkijonon useissa korkeammissa värähtelytiloissa. Useimmissa nykyaikaisissa formulaatioissa asia havaittiin meidänuniversumi, on seurausta vähiten energiaa omaavien kielten ja braenien värähtelyistä. Korkeammat värähtelyt synnyttävät korkeaenergisiä hiukkasia, joita maailmassamme ei tällä hetkellä ole.
Näiden alkuainehiukkasten massa on osoitus siitä, kuinka kielet ja braneet kääritään tiivistyneisiin lisämittoihin. Esimerkiksi yksinkertaistetussa tapauksessa, jossa ne on taitettu donitsin muotoon, jota matemaatikot ja fyysikot kutsuvat torukseksi, merkkijono voi kääriä tämän muodon kahdella tavalla:
- lyhyt silmukka toruksen keskeltä;
- pitkä lenkki toruksen koko ulkokehän ympäri.
Lyhyt silmukka on kevyt hiukkanen, ja suuri silmukka on raskas. Lankojen kääriminen toroidisten tiivistettyjen mittojen ympärille tuottaa uusia elementtejä, joilla on eri massat.
Supermerkkijonoteoria selittää lyhyesti ja selkeästi, yksinkertaisesti ja tyylikkäästi pituuden siirtymisen massaksi. Taitetut mitat ovat tässä paljon monimutkaisempia kuin toru, mutta periaatteessa ne toimivat samalla tavalla.
On jopa mahdollista, vaikkakin vaikea kuvitella, että merkkijono kiertyy toruksen ympärille kahteen suuntaan samanaikaisesti, jolloin tuloksena on eri hiukkanen, jolla on eri massa. Branes voi myös kääriä ylimääräisiä mittoja luoden entistä enemmän mahdollisuuksia.
Avaruuden ja ajan määrittäminen
Monissa supermerkkijonoteorian versioissa mitat romahtavat, jolloin ne eivät ole havaittavissa nykyisellä teknologian kehitystasolla.
Tällä hetkellä ei ole selvää, voiko merkkijonoteoria selittää tilan ja ajan perusluonteenenemmän kuin Einstein teki. Siinä mittaukset ovat taustana merkkijonojen vuorovaikutukselle, eikä niillä ole itsenäistä todellista merkitystä.
On tarjottu selityksiä, joita ei ole täysin kehitetty, koskien aika-avaruuden esittämistä kaikkien merkkijonovuorovaikutusten kokonaissumman johdannaisena.
Tämä lähestymistapa ei vastaa joidenkin fyysikkojen ajatuksia, mikä johti hypoteesin kritiikkiin. Kilpaileva silmukkakvanttigravitaation teoria käyttää tilan ja ajan kvantisointia lähtökohtana. Jotkut uskovat, että se on vain erilainen lähestymistapa samaan perushypoteesiin.
Painovoiman kvantisointi
Tämän hypoteesin tärkein saavutus, jos se vahvistetaan, on painovoiman kvanttiteoria. Nykyinen yleisen suhteellisuusteorian painovoiman kuvaus on ristiriidassa kvanttifysiikan kanssa. Jälkimmäinen, asettamalla rajoituksia pienten hiukkasten käyttäytymiselle, johtaa ristiriitoihin yritettäessä tutkia maailmankaikkeutta erittäin pienessä mittakaavassa.
Voimien yhdistäminen
Tällä hetkellä fyysikot tuntevat neljä perusvoimaa: painovoima, sähkömagneettinen, heikko ja vahva ydinvuorovaikutus. Stringteoriasta seuraa, että ne kaikki olivat kerran yhden ilmentymiä.
Tämän hypoteesin mukaan, koska varhainen universumi jäähtyi alkuräjähdyksen jälkeen, tämä yksittäinen vuorovaikutus alkoi hajota erilaisiksi vuorovaikutuksiksi, jotka ovat aktiivisia nykyään.
Suurienergisten kokeiden avulla voimme jonakin päivänä löytää näiden voimien yhdistämisen, vaikka tällaiset kokeet ovatkin paljon nykyisen tekniikan kehityksen ulkopuolella.
Viisi vaihtoehtoa
Vuonna 1984 tapahtuneen supermerkkien vallankumouksen jälkeen kehitystyötä tehtiin kuumeiseen tahtiin. Tuloksena oli, että yhden käsitteen sijaan oli viisi, nimeltään tyypit I, IIA, IIB, HO, HE, joista jokainen kuvasi maailmaamme lähes täydellisesti, mutta ei täysin.
Fyysikot, jotka lajittelevat eri versioita merkkijonoteoriasta toivoen löytävänsä universaalin todellisen kaavan, ovat luoneet 5 erilaista omavaraista versiota. Jotkut niiden ominaisuuksista heijastivat maailman fyysistä todellisuutta, toiset eivät vastanneet todellisuutta.
M-teoria
Konferenssissa vuonna 1995 fyysikko Edward Witten ehdotti rohkeaa ratkaisua viiden hypoteesin ongelmaan. Hiljattain löydetyn kaksinaisuuden perusteella niistä kaikista tuli erikoistapauksia yhdelle kattavalle konseptille, jota kutsutaan Wittenin supermerkkijonojen M-teoriaksi. Yksi sen keskeisistä käsitteistä oli branes (lyhenne sanoista kalvo), perusobjektit, joilla on enemmän kuin yksi ulottuvuus. Vaikka kirjoittaja ei tarjonnut täyttä versiota, joka ei ole vielä saatavilla, supermerkkijonojen M-teoria koostuu lyhyesti seuraavista ominaisuuksista:
- 11-ulottuvuus (10 tila- ja 1 aikaulottuvuus);
- kaksinaisuudet, jotka johtavat viiteen teoriaan, jotka selittävät samaa fyysistä todellisuutta;
- branes ovat merkkijonoja, joissa on enemmän kuin yksi ulottuvuus.
Seuraukset
Tämän seurauksena yhden sijasta oli 10500 ratkaisua. Joillekin fyysikoille tämä aiheutti kriisin, kun taas toiset hyväksyivät antrooppisen periaatteen, joka selittää universumin ominaisuudet läsnäolollamme siinä. Nähtäväksi jää, milloin teoreetikot löytävät toisensuuntautumistapa supermerkkijonoteoriassa.
Jotkin tulkinnat viittaavat siihen, että maailmamme ei ole ainoa. Radikaalimmat versiot mahdollistavat äärettömän määrän universumeja, joista osa sisältää tarkkoja kopioita omasta.
Einsteinin teoria ennustaa kiertyneen avaruuden olemassaolon, jota kutsutaan madonreiäksi tai Einstein-Rosenin sillaksi. Tässä tapauksessa kaksi etäistä paikkaa on yhdistetty lyhyellä käytävällä. Superstring-teoria ei salli vain tätä, vaan myös rinnakkaisten maailmojen etäisten pisteiden yhdistämistä. On jopa mahdollista siirtyä universumien välillä erilaisilla fysiikan laeilla. On kuitenkin todennäköistä, että painovoiman kvanttiteoria tekee niiden olemassaolon mahdottomaksi.
Monet fyysikot uskovat, että holografinen periaate, jossa kaikki avaruuden tilavuuden sisältämä tieto vastaa sen pinnalle tallennettua tietoa, mahdollistaa energialankojen käsitteen syvemmän ymmärtämisen.
Jotkut uskovat, että supermerkkijonoteoria sallii useita ajan ulottuvuuksia, mikä voi johtaa matkaan niiden läpi.
Lisäksi hypoteesin puitteissa on vaihtoehto alkuräjähdyksen mallille, jonka mukaan universumimme ilmestyi kahden braanin törmäyksen seurauksena ja käy läpi toistuvia luomis- ja tuhoutumiskiertoja.
Universumin lopullinen kohtalo on aina vaivannut fyysikot, ja merkkijonoteorian lopullinen versio auttaa määrittämään aineen tiheyden ja kosmologisen vakion. Tietäen nämä arvot kosmologit voivat määrittää, tekeekö maailmankaikkeuskutista, kunnes se räjähtää aloittaakseen kaiken alusta.
Kukaan ei tiedä mihin tieteellinen teoria voi johtaa ennen kuin se on kehitetty ja testattu. Einstein, kirjoittaessaan yhtälön E=mc2, ei odottanut, että se johtaisi ydinaseiden ilmestymiseen. Kvanttifysiikan luojat eivät tienneet, että siitä tulisi perusta laserin ja transistorin luomiselle. Ja vaikka ei vielä tiedetä, mihin tällainen puhtaasti teoreettinen käsitys johtaa, historia osoittaa, että jotain upeaa tulee varmasti esiin.
Lisätietoja tästä oletuksesta on Andrew Zimmermanin artikkelissa Superstring Theory for Dummies.
