Teoria superstrun
Z Wikipedii
Teoria superstrun to teoria fizyczna próbująca wyjaśnić wszystkie znane rodzaje cząstek elementarnych oraz sił natury jako wibracji supersymetrycznych strun.
Teoria superstrun mieści w sobie wszystkie symetrie Modelu Standardowego, a nawet teorii GUT. Jest to także najbardziej obiecująca kwantowa teoria grawitacji, ponieważ jako pierwsza w historii fizyki poddaje się renormalizacji (czyli ma skończone poprawki kwantowe). Tego kryterium nie spełniały wszystkie znane wcześniej teorie, włącznie z oryginalną teorią Einsteina, teorią Kaluzy-Kleina i supergrawitacją.
Teoria superstrun stanowi szczególny przypadek tzw. M-teorii.
Spis treści |
[edytuj] Historia teorii superstrun
Teoria supersymetrycznych strun powstała na bazie pierwotnej wersji teorii strun z 1970 r. (teorii strun bozonowych) oraz supersymetrii (1971). Pracowali nad nią od 1980 r. John Schwarz z California Institute of Technology i Michael Green z Queen Mary College. W 1983 r. Edward Witten z Institute for Advanced Study w Princeton i Luis Alvarez-Gaumé wykazali anomalie w teoriach supersymetrii, jednak Schwarzowi i Greenowi udało się je ominąć przy założeniu 10 wymiarów hiperprzestrzeni oraz jednej z dwóch symetrii: SO(32) lub E(8)xE(8), i udowodnić, że teoria ta jest jedyną spójną teorią kwantowej grawitacji. Ostatecznie teoria superstrun została ogłoszona latem 1984 r. Była to pierwsza rewolucja superstrunowa.
W latach 1984-1986 powstało ponad tysiąc prac na ten temat. W 1985 r. Edward Witten dokonał zasadniczych postępów w tym modelu, nazwanym teorią pola Wittena. Okazało się jednak, że matematyka tej teorii jest na tyle skomplikowana, że wymaga stosowania przybliżeń. Dopiero na konferencji Strings 1995, zwołanej w 1995 r. na University of Southern California, Witten wywołał drugą rewolucję superstrunową proponując M-teorię.
[edytuj] Nierozwiązany problem
Współczesna fizyka zmaga się z problemem połączenia ogólnej teorii względności, która opisuje grawitację w skalach kosmicznych (gwiazdy, planety, galaktyki) z mechaniką kwantową opisującą pozostałe trzy podstawowe siły, działające w skali atomowej, czyli silne i słabe oddziaływania jądrowe i oddziaływanie elektromagnetyczne.
[edytuj] Nieudana unifikacja
Rozwój fizyki doprowadził do powstania kilku kwantowych teorii pola. Niestety każda z nich daje w odpowiedzi nieskończone wartości parametrów jak ładunki elementarne czy masy cząstek, co czyni te wyniki dyskusyjnymi. Dzięki wynalezieniu matematycznej techniki renormalizacji udało się zrozumieć pochodzenie tych nieskończoności i wyeliminować je dla pewnej klasy modeli. Modele te są nazwane renormalizowalnymi i zalicza się do nich m.in. teorię sił elektromagnetycznych oraz silnych i słabych oddziaływań jądrowych. Niestety, techniki kwantowania pól nie dają się zastosować wprost do równań grawitacji wynikających z ogólnej teorii względności, co oznacza, że kwantowa teoria grawitacji musi mieć inną postać niż dzisiejsze teorie. Brak unifikacji wszystkich sił oznacza, że współczesna fizyka nie może poprawnie opisać zjawisk zachodzących w czarnej dziurze, albo w chwili wielkiego wybuchu.
[edytuj] Nowa teoria
W starszych teoriach cząstki traktowane są jako punkty w przestrzeni. W teorii superstrun cząstki są strunami mającymi rozmiary zbliżone do długości Plancka (około 10-35m), które wibrują z pewnymi ściśle określonymi częstotliwościami. Struny te cechuje supersymetria. Każdy rodzaj drgań określa wystąpienie innej cząstki elementarnej. Podobnie jak w innych teoriach kwantowych, fundamentalne siły przenoszone są poprzez odpowiednie cząstki. Przykładem może być tutaj grawiton, który przenosi siłę grawitacji. Grawitonowi odpowiada struna drgająca z amplitudą równą zero. Struny w ramach tej teorii są obiektami rozciagłymi (niepunktowymi) i dlatego teoria superstrun nie jest teorią pola.
[edytuj] Liczba wymiarów
Czasoprzestrzeń, w której żyjemy, ma cztery normalne wymiary (3 przestrzenne i czas) i teoria fizyczna musi brać to pod uwagę. Jednak w teorii strun wewnętrzna spójność narzuca liczbę wymiarów 10 lub 26. Pozorny konflikt pomiędzy obserwacją i teorią zostaje rozwiązany, dzięki temu, że długości pozostałych wymiarów hiperprzestrzeni są bardzo małej wielkości (10-35 m), zwanej długością Plancka, wobec tego ich nie dostrzegamy.
Niestety, obecność dodatkowych wymiarów prowadzi do dużych trudności w budowaniu praktycznych rozwiązań opartych na teorii superstrun. Niektóre wersje tej teorii przewidują istnienie nowych, nieprzewidzianych przez inne teorie cząstek elementarnych nazwanych supersymetrycznymi. Roboczo ich nazwy pochodzą od "zwykłych" cząstek z dodatkiem przedrostka "s". Teoria przewiduje istnienie m.in: selektronów, smionów, staonów, skwarków itd.
"Scząstki" powinny mieć większą masę i energię od ich "zwykłych" odpowiedników. Aktualnie dostępne możliwości techniczne nie pozwalają na sztuczne uzyskanie i detekcję tych cząstek, twórcy teorii strun mają jednak nadzieję, że uda się przeprowadzić konieczne eksperymenty do 2008 r.
Podobnie badania zanikania siły grawitacji wraz z odległością powinny dać inne wyniki niż dla przypadku 4 wymiarów, co jest efektem związanym z założeniem, że grawitacja jako jedyne oddziaływanie w modelu rozchodzi się we wszystkich dostępnych wymiarach. Zakładając więc, że udałoby się zaobserwować proces rozpadu pewnego obiektu, to bilansując tę część energii która jest emitowana dzięki oddziaływanim grawitacyjnym, powinniśmy zaobserwować odstępstwo od przypadku 4 wymiarowego. Przypuszczalnym doświadczeniem mogącym umożliwić takie pomiary byłoby tworzenie mikroskopijnych czarnych dziur, których parowanie przez promieniowanie Hawkinga mogłoby zostać zaobserwowane w laboratorium. Sam proces tworzenia takich obiektów jak mikroskopijne czarne dziury zależy od liczby dostępnych wymiarów i powinien być znacznie łatwiejszy dla przestrzeni ponad 4 wymiarowej.
[edytuj] Spieniona przestrzeń
Oddziaływanie superstrun wpływa nie tylko na cząstki, ale również na samą przestrzeń. W teorii superstrun przestrzeń nie jest gładka, tylko ciągle drży i wibruje tworząc coś w rodzaju piany. Zniekształcenia te w dużej skali ulegają uśrednieniu i obserwowana przez nas przestrzeń jest gładka.
[edytuj] Wielość teorii superstrun
Jakiś czas temu problem stanowiło istnienie pięciu niezależnych teorii superstrun. Pięć spójnych teorii superstrun to:
- typ I
- typ IIA
- typ IIB
- heterotyczna E(8)xE(8) (lub HE)
- heterotyczna SO(32) (lub HO)
W końcu okazało się, że każda z tych teorii stanowi szczególny przypadek jednej podstawowej teorii, którą nazwano M-teorią.
[edytuj] Bibliografia
- Greene, Brian, Piękno Wszechświata: Superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie teorii ostatecznej, Prószyński i S-ka, Warszawa 2001, ISBN 83-7255-178-2.
- Green, Michael, John Schwarz and Edward Witten, Superstring theory, Cambridge University Press, Cambridge (1998). The original textbook.
- Vol. 1: Introduction, ISBN 0521357527
- Vol. 2: Loop amplitudes, anomalies and phenomenology, ISBN 0521357535
- Kaku, Michio, Hiperprzestrzeń. Wszechświaty równoległe, pętle czasowe i dziesiąty wymiar, Prószyński i S-ka, Warszawa 1997, ISBN 83-86669-52-7
- Polchinski, Joseph, String Theory, Cambridge University Press, Cambridge (1987). A modern textbook.
- Vol. 1: An introduction to the bosonic string, ISBN 0521633036
- Vol. 2: Superstring theory and beyond, ISBN 0521633044
- Resource Letter – dobry przewodnik, żeby znaleźć więcej informacji po angielsku
[edytuj] Linki zewnętrzne
- artykuł o teorii superstrun - po polsku
- Superstringtheory.com - wstęp do teorii superstrun po angielsku
- The Elegant Universe - różne schematy, teksty, animacje wyjaśniające teorię strun przedstawione przez Briana Greene'a - po angielsku
- [1] - Teoria strun wyjaśniona krok po kroku po polsku
