vagy

Húrelmélet - Minden vagy semmi elmélete

Az általános relativitáselmélet befejezése után Einstein elkezdett dolgozni a mindennek az úgynevezett elméletén. Egy elmélet, amely lehetővé tenné a legnagyobb kozmikus tárgyak és szerkezetek, valamint a kis méretű elektronok leírását.

Akkoriban a legtöbb tudós erőfeszítéseit egy régi zseni utópisztikus vágyának tekintette. Ezért amikor Einstein meghalt, senki sem folytatta sokáig a nyomában. Az egységes elmélet csak az elmúlt húsz évben tért vissza elméleti fizikusok munkájába. A legjobb jelölt rá a húrelmélet.

Örök ellenségek

A kvantummechanika elmélete szó szerint kívül esik a józan észnél. A részecskék pontos helyzetének meghatározása felváltotta a különböző helyeken való előfordulásuk valószínűségének meghatározását. A fotonokat és atomokat (de néhány molekulát is) egyszer pontként, néha hullámként vagy egyszerre mindkettőként írja le. Minden sajátossága ellenére azonban jóslatai tökéletes összhangban vannak a kísérleti megfigyelésekkel, és egyelőre nincs pontosabb tárgyi leírás atomi szinten.

A változás relativitásának általános elmélete magában foglalja a makovilágot - galaxisokat, csillagokat, az univerzum egészét. Ez lehetővé teszi a tudósok számára, hogy megértsék a gravitációt és a vele kapcsolatos összes hatást. Ez egy "klasszikus" elmélet abban az értelemben, hogy minden valószínűség és bizonytalanság nélkül megteszi.

A modern elméleti fizika fő célja, hogy ezt a két elméletet egyetlen elméletekké egyesítse. A természet mind a négy alapvető erőjéhez közös kvantummechanikai nyelvet használna, lehetővé téve számára az univerzum minden tárgyának leírását. 1

De eddig a fizikusok minden "egyesítő" erőfeszítése mindig kudarcot vallott. Valójában mindig végtelennek tűntek a reményteli elméletek egyenleteiben, ami fizikailag ostobaság. Nincs végtelen valószínűség, hogy az objektum egy adott helyen lesz. A kvantummechanika egyesítése az általános relativitáselmélettel tehát a legösszetettebb problémát jelenti, amellyel az elméleti fizika eddig találkozott.

Mi motiválja a tudósokat egyáltalán kipróbálni? Valószínűleg a legjobb példa az ősrobbanás. A korai világegyetem olyan rendkívül sűrű volt, hogy leírásához a relativitáselméletre van szükség, ugyanakkor olyan kicsi, hogy nem nélkülözhetjük a kvantummechanikát a leírásában. Így egy egyesítő elmélet feltárhatná a választ az emberiség legrégebbi és legalapvetőbb kérdéseire: a világegyetem eredetére, valamint a tér és az idő alapvető természetére.

Jelenleg minden elméletének legjobb jelöltjét gyakran az M-elméletnek tekintik, amely a húrok elméletén alapul.

Új válasz a régi kérdésre

A húrelmélet koncepciója nem tulajdonítható egyetlen személynek. Több tudós hosszú távú erőfeszítése volt.

Alapjait Gabriele Veneziano olasz fizikus fektette le 1968-ban. A CERN alkalmazottjaként részecske-ütközéseket tanulmányozott, hogy megértse az erős atomenergia természetét. A mért adatok elemzése során összefüggést fedezett fel ennek az erőnek a tulajdonságai és az Euler béta függvényként ismert matematikai jelölés között. Hiányzott azonban egy fizikai elképzelése arról, hogy mit is ír le ez a matematikai képlet.

Körülbelül két évvel később egy nemzetközi tudóscsoport állt elő Leonard Susskind amerikai fizikus vezetésével. A kutatók kimutatták, hogy a részecskeütközések megfigyelt eredményei egy kicsi és rendkívül vékony szál hatásaként magyarázhatók, amely matematikailag leírható a béta funkcióval. A szálat később húrnak nevezték.

De ez az első húrelmélet nem volt túl sikeres. A további részecskeütközések pontosabb elemzése feltárta, hogy előrejelzései nem értenek egyet a kísérlettel.

A nyilvánvaló akadályok ellenére tanulmányát John Henry Schwarz elméleti fizikus kezdte tanulmányozni. Matematikailag átalakította abba a formába, amelyet szuperhúrelméletnek nevezett. Ez már lehetővé tette a gyorsítóknál megfigyelt új eredmények magyarázatát.

Ugyanakkor a szuperhúr-elmélet azt jósolta, hogy a nagy energiájú részecske-ütközéseknek nagyon szokatlan részecskéket kell előállítaniuk, nulla szobatömeggel és forgással. 2 Mivel addig senki (és valójában a mai napig) nem vette észre őket, a húrelmélet újabb kudarcának tűnt.

Hanyatlás és további feltámadás

Schwarz azonban más elméletekhez képest úgy találta, hogy ezek a szokatlan részecskék gravitonok lehetnek - az a kvantum, amelyen keresztül a gravitáció terjed. Hasonló részecskék például a fényáteresztő fotonok. A graviton képviselte az elméleti fizikusok rémálmát. Senki sem tudta beépíteni a maradék három alapvető erő egységes kvantummechanikai leírásába anélkül, hogy értelmetlen végtelen egyenleteket hozzon létre az egyenletekben.

A húrelmélet tehát nemcsak egy erős nukleáris erő kvantumleírását jelentette, hanem mind a négyet. Áhított egyesítő elmélet volt. Azonban ez az új felfedezés sem csupán inspirálta a tudományos közösséget. Az eredeti Schwarz-egyenleteket többször kellett matematikailag módosítani. Emellett világossá vált, hogy a helyes eredményeket csak a további hat térbeli dimenzió figyelembevételével lehet elérni. 2 Ez enyhén szólva is furcsa volt, mert a fizikának mindig három térbeli és egy időbeli dimenziója volt a világ leírására.

Nem tudunk elképzelni magasabb dimenziókat. Csak matematikailag írhatók le. Kiderült, hogy mindannyian nagyjából a Planck-hossz szintjén (a Planck-hossz értéke körülbelül 1,616 × 10 -35 m) ér el egy méretet, és bonyolult formációvá tekerednek, amelyet felfedezői szerint Calabinak hívnak. - Yau fajta. Ezek a további dimenziók léteznek az általunk ismert háromdimenziós világ minden pontján. Túlságosan miniatűr méreteik miatt azonban a jelenlegi tudományos eszközök nem tudják megragadni őket.


A Calabi - Yau fajta hozzávetőleges képviselete (forrás: közkincs)

Emellett az 1990-es évek közepére négy következetesebb húrelmélet jelent meg, ami túl sok egy egységesítő elmélet számára. A tudósok csak egyetlen "univerzális egyenletet" kerestek.

Edward Witten amerikai fizikus azonban megállapította, hogy az öt szuperhúr-elmélet valójában csak egy úgynevezett M-elmélet durva leírása, amely tizenegy dimenzióval működik. M jelentése angol varázslat, rejtély vagy membrán. Az M-elmélet részletes matematikai elemzése feltárta, hogy a legkisebb szintű húrok mellett vannak önkényesen nagy struktúrák is, amelyeket kapuknak nevezünk. Ezek korlátozzák a nyitott húrok végeinek mozgását. (Kétféle húr létezik - nyitott, amelyek szabad végű száldarabhoz hasonlítanak, és zártak. Ezeknek mindkét vége össze van kötve.)

Bár az M-elmélet a legfontosabb jelölt mindennek elméletéhez, olyan elvont ötleteket mutat be, hogy sok tudós kétségbe vonja annak helyességét, és inkább matematikai játéknak tartja. Maga a húrelmélet is ezen áll. Olyan apró tárgyakat is leír, amelyeket jelenlegi eszközeik közvetett módon sem képesek észlelni, és kérdéses, hogy ez valaha is sikerül-e egyáltalán.

Hiányzik a bizonyíték

Másrészt lehetséges, hogy a tudósok képesek lesznek feltárni a szuperhúr elméletek legalább néhány makroszkopikus következményét. A számításokból kiderült, hogy minél több energiát tartalmaz egy húr, annál gyorsabban oszcillál. Egy bizonyos pillanattól kezdve azonban a további energiaellátás nem befolyásolja a rezgés módszerét, hanem a húr méreteinek (meghosszabbításának) növekedését okozza, miközben növekedésének nincs határa.

Így a kellő mennyiségű energia koncentrálásával a tér egyetlen pontjára a kísérletezők megnövelhetik (meghosszabbíthatják) a húrokat megfigyelhető formába. A fő akadály ismét a technikai lehetőségek.

A szuperhúr-elméletek hívei azonban azt állítják, hogy hosszú húrok már kialakultak, egy rendkívül forró univerzumban, közvetlenül az Ősrobbanás után. És bár valószínűleg ma már nem léteznek, lehet, hogy enyhe nyomokat hagytak, amelyeket felfedezhettünk a kozmikus relikviás sugárzásban. Tehát a miniatűr húrok elméletét végül csillagászati ​​megfigyelések is megerősíthetik.

Az M-elméleten alapuló egyéb számítások még azt is megjósolják, hogy a húrok normál körülmények között is elérhetik a 10-18 m-es méreteket. Ez körülbelül százmilliárdszor nagyobb érték, mint az eredetileg feltételezett, Planck hosszának megfelelő méret. Nagyjából megfelel a kvarkok méretének. 3 Bár az ilyen dimenziók túl kicsinek tűnhetnek, a tudósok több évtizedig megfigyelhetik az ekkora húrok jeleit, például részecskegyorsítókban.

A Patreone támogatásának köszönhetően el tudtuk hozni ezt a cikket. A szimbolikus hozzájárulás további minőségi cikkek közzétételében is segít.

Megjegyzések
1. Az alapvető természeti erők közé tartozik az erős és gyenge mag-kölcsönhatás, az elektromágnesesség és a gravitáció.
2. A húrelmélet szerint a részecskék tulajdonságai a húrok különböző rezgési módjai eredményeként merülnek fel. A három dimenzió azonban nem biztosított elegendő „teret” ahhoz, hogy kielégítse az anyag összes megfigyelt tulajdonságának előállításához szükséges rezgésmintákat, ugyanakkor az egyenletek matematikailag helyesek voltak. A számítások azt mutatták, hogy az előírt feltételek csak további dimenziókban teljesíthetők, legalább tízben.
3. Ezek az eredmények akkor érhetők el, ha az egész univerzumunk egy háromdimenziós kapu.