Teoria superstrun

Teoria superstrun rozwiązuje najbardziej zagadkowy problem XX wieku, nurtujący fizyków teoretyków - matematyczną niespójność fundamentalnych filarów mechaniki kwantowej i Ogólnej Teorii Względności. W ten sposób teoria strun modyfikuje nasz sposób rozumienia czasoprzestrzeni i oddziaływania grawitacyjnego. Jedna niedawno potwierdzona konsekwencja tej modyfikacji pokazuje, że czasoprzestrzeń może w szczególny sposób zmieniać swoją budowę, zależnie od wymogów rozdzielać a następnie ponownie łączyć swoją strukturę. Takie procesy nie były możliwe do przyjęcia we wcześniejszych teoriach. W omawianej teorii strun natomiast mają one sens fizyczny.

Ogólna Teoria Względności i mechanika kwantowa zasadniczo różnią się od siebie. OTW opisuje siłę grawitacji, stąd odnosi się do największych i najbardziej masywnych obiektów (gwiazdy, galaktyki, czarne dziury, a w kosmologii nawet cały wszechświat). Mechanika kwantowa zaś stosowana jest do opisu najmniejszych struktur w przyrodzie (elektrony, kwarki). Zazwyczaj fizyka zajmuje się zjawiskami, które są teoretycznie zrozumiałe albo dzięki teorii względności albo dzięki mechanice kwantowej. Istnieją jednak wyjątkowe fizyczne okoliczności, które, aby je prawidłowo potraktować, wymagają zastosowania obu tych fundamentalnych teorii.
Pierwszym przykładem takich sytuacji jest osobliwość - centralny punkt czarnej dziury lub stan wszechświata przed Wielkim Wybuchem. Te egzotyczne fizycznie struktury dotyczą niewyobrażalnie dużych mas (stąd wymagają narzędzia OTW) i bardzo małych odległości (mechanika kwantowa). Niestety, teoria względności i mechanika kwantowa są wzajemnie niezgodne: jakiekolwiek obliczenia, w których jednocześnie używa się obu tych narzędzi, prowadzą do nonsensownych wyników. Kiedy cząstki oddziałują między sobą na bardzo małym dystansie rzędu 1033 cm (długość Plancka), równania stają się niepoprawne.
Teoria strun wiąże mechanikę kwantową z OTW poprzez zmiany zasad teorii względności w odniesieniu do skali odległości rzędu długości Plancka. Teoria ta bazuje na przesłance mówiącej o tym, że elementarne składniki materii nie są przedstawiane właściwie, kiedy ich modele opisywane są jako obiekty punktowe. Według tej teorii elementarne "cząstki" są raczej maleńkimi zamkniętymi pętlami strun o promieniu w przybliżeniu równym długości Plancka. Dzięki współczesnym akceleratorom można przeprowadzać badania na dystansach rzędu 1016 cm, stąd owe pętle strun widoczne są jako obiekty punktowe. Jednakże teoretycy założyli, że są to właśnie cienkie struny, zmieniając drastycznie sposób, w jaki oddziałują one na najmniejszych odległościach. Taka modyfikacja prowadzi do harmonijnego związku między mechaniką kwantową i grawitacją. Okazało się jednak, że równania teorii strun są spójne tylko dla wszechświata składającego się, oprócz wymiaru czasowego, z dziewięciu wymiarów przestrzennych.

Idea wszechświata mającego więcej niż trzy znane wymiary przestrzenne została wprowadzona przez T. Kaluza i O. Kleina pół wieku wcześniej niż teoria strun. Podstawowa zasada, na jakiej opiera się teoria Kaluzy-Kleina mówi nam o tym, że wymiar może być zarówno duży i bezpośrednio obserwowalny ale może również być mały i niewidoczny. Do zrozumienia tej zasady pomocna jest analogia do ogrodowego węża. Z dużej odległości wąż ogrodowy wygląda jak długi jednowymiarowy obiekt. Z bliskiego punktu obserwacyjnego (bądź z dużej odległości ale z pomocą np. lornetki) staje się widoczny dodatkowy wymiar - ogkrągły wymiar zwinięty wokół węża. A zatem, zależnie od dokładności wizualnej obserwatora, wąż ukazuje się jako jedno- albo dwuwymiarowy. Teoria Kaluzy-Kleina zakłada, że obie sytuacje są we wszechświecie prawdziwe. Żaden eksperyment nie wykazał możliwości istnienia dodatkowych wymiarów przestrzennych zwiniętych (podobnie jak wymiar wokół węża ogrodowego) na odległościach mniejszych niż 1016 cm. Pomimo tego, że powyższą teorię wprowadzono w odniesieniu do cząstek punktowych, ogólne wyobrażenie można zastosować do strun. Dlatego też teoria strun jest fizycznie sensowna jeśli sześć dodatkowych wymiarów (których wymaga ta teoria) jest zwiniętych według wyżej opisanej zasady. Szczególną właściwością tej teorii jest to, że dokładny rozmiar, kształt, ilość szczelin, itp. tych dodatkowych wymiarów determinują właściwości takie jak masy i ładunki elektryczne elementarnych cząstek.

Grawitacyjne fluktuacje i topologia czasoprzestrzeni

Istnieje jeszcze wiele nierozwiązanych zagadnień, co z kolei uniemożliwia zastosowanie teorii strun do analizy wyżej opisanych osobliwości i czasoprzestrzeni. Jednakże teorię tą stosuje się sukcesywnie w odniesieniu do innej klasy osobliwości, kontrolujących topologię wszechświata.
Topologia jest pojęciem matematycznym, obejmującym te właściwości przestrzeni geometrycznej, które nie ulegają zmianie w wyniku rozciągania, skręcania, zginania, ale nie rozerwania tejże przestrzeni. Przykład: pączek z dziurką i kulka są z topologicznego punktu widzenia różne od siebie, gdyż nie ma możliwości ciągłego odwzorowania jednego obiektu w drugi bez rozerwania któregoś z nich; natomiast ten sam pączek i filiżanka, oba obiekty mające otwór, możemy w sposób ciągły deformować tak, aby przeszły w siebie, stąd mają one taką samą topologię.
Ogólna teoria względności przewiduje, że struktura czasoprzestrzeni może zmieniać swój rozmiar i kształt w zależności od obecności materii i energii. Manifestacją tego zjawiska jest ekspansja wszechświata. Jego topologia pozostaje jednak stała. Nasuwa się pytanie czy możliwy jest taki proces fizyczny, który spowodowałby zmianę topologii wszechświata. Takie przypuszczenie opiera się na prostym zastosowaniu mechaniki kwantowej. Mianowicie cechą mechaniki kwantowej jest to, że w skali najmniejszych odległości nawet najbardziej stałe układy przechodzą w 'kwantowy stan rozsynchronizowania', tzn. wielkości skwantowane określają w jaki sposób układ fluktuuje, czasem gwałtownie, dążąc do uśrednienia zmierzonych w większej skali wielkości opisujących ten układ. Takie pojęcie odniesione do budowy czasoprzestrzeni daje obraz pieniącej się, falującej struktury w skali bardzo małych odległości, która zostaje uśredniona na większej skali dając równomierny geometryczny opis zgodny z teorią względności. Wyobrażamy sobie, że w obliczu wahań kwantowych, struktura czasoprzestrzeni może chwilowo być rozrywana a następnie ponownie łączona w wyniku zmiany topologii wszechświata.

Zmiana topologii w teorii superstrun

W wyniku powyższego rozumowania zasugerowano możliwość zmian topologii wszechświata jako nowatorską charakterystykę związku grawitacji i mechaniki kwantowej. Teoria strun spełniająca te warunki, jak wykazano ostatnio, dopuszcza zachodzenie takich fizycznych procesów, dla których możliwa jest zmiana szczególnego rodzaju topologii w przynajmniej sześciu dodatkowych wymiarach składowych czasoprzestrzeni.
Stosuje się specjalną matematyczną operację, zmieniającą topologię przestrzeni geometrycznej w minimalnym stopniu. Polega ona na wydzieleniu sfery w przestrzeni, zmniejszanie jej objętości do zera (pozostawiając resztę przestrzeni całkowicie nienaruszoną) a następnie ponowne powiększenie owej sfery do objętości początkowej ale w ortogonalnym (prostopadłym) kierunku. Punkt, dla którego objętość była równa zero jest osobliwością. Rezultatem takiej operacji jest nowa przestrzeń geometryczna z nową, różną od oryginalnej, topologią. Zmiana topologii nie jest tak drastyczna jak w wyżej opisanym przykładzie pączka i kulki, niemniej jednak istnieje.
Pod względem matematycznym ten zabieg jest poprawny i szeroko stosowany. Może być również zastosowany do części czasoprzestrzeni z sześcioma zwiniętymi wymiarami, bazując na teorii strun. Pojawia się tylko decydujące pytanie, czy jest to fizycznie możliwe do zrealizowania. Czy można ten zabieg osiągnąć w taki sposób, aby nie pociągał za sobą katastrofalnych konsekwencji? W teorii względności odpowiedź na to pytanie jest przecząca dla modelu fizycznego, który w osobliwości (w punkcie o zerowej objętości) przestaje mieć sens. W teorii strun, odkąd teoria względności dla małych skal odległości opiera się na innych zasadach, jest możliwe aby, dla postawionego pytania, odpowiedź była twierdząca. Na pierwszy rzut oka analiza tego problemu może być trudna.

Rozmaitości zwierciadlane

Interpretacja teorii strun przy pomocy idei Kaluzy-Kleina dotyczącej zwiniętych wymiarów okazała się szczególnie godna uwagi. Dla dwóch całkowicie odmiennych, lecz odpowiednio wybranych własności zwiniętej przestrzeni (różne rozmiary, kształty, liczby szczelin), możliwe jest otrzymanie jednakowych wyników - obrazów. W odniesieniu do cząstek punktowych jest to wynik nieoczekiwany. Teorie, które bazują na jednakowym matematycznym i fizycznym opisie przestrzeni geometrycznej, przyjmują, że takie obiekty są zbiorami nieskończonej ilości punktów zgrupowanych w określony sposób, zaś w teorii strun fizycznym modelem są maleńkie pętle, stąd też ich opis matematyczny jest wyraźnie inny. Zatem dla fizycznego modelu struny mamy dwa różne opisy matematyczne - dwa symetryczne obrazy (odbicie zwierciadlane). Pomimo że każdy obraz z pary odbić możemy jednakowo opisać teoretycznie, to charakterystyki, zaistniałych w wyniku takiej operacji, procesów fizycznych dla każdej przestrzeni (rozmaitości) bardzo często są diametralnie różne. W rzeczywistości niektóre procesy są skomplikowane i trudne do zanalizowania w opisie skręconej przestrzeni, zaś proste i przejrzyste w opisie przestrzeni odbitej względem pierwotnej rozmaitości.
Wynika stąd, że dla takich uproszczonych rozwiązań jest możliwa zmiana topologii bez efektów ubocznych, co więcej okazuje się, że procesy fizyczne w takich warunkach są możliwe.
Teoria strun rozwija się właśnie dzięki rozmaitościom zwierciadlanym, które umożliwiają zachodzenie procesów fizycznych przy zmianie topologii przestrzeni.

Podobne artykuły

Światy równoległe okiem naukowców

wyświetlenia: 13320

Teorie o wyglądzie wszechświata

wyświetlenia: 13031

Paradoksy kosmologiczne

wyświetlenia: 6268

Wielki Wybuch

wyświetlenia: 12741

Przetrwać w próżni kosmicznej

wyświetlenia: 4963

Czarne dziury

wyświetlenia: 6807

Nic nie jest takie, jakim się wydaje

wyświetlenia: 4097

Hipoteza eteru

wyświetlenia: 7753

Powiązane tematy

teria, super struny, kosmos, kosmologia, fizyka, nauka

zibi, 19/09/2007

+ 6

odpowiedz

Ciała trójwymiarowego nie można przekształcić w ciało jedno lub dwu wymiarowe. Przytoczony w artykule wąż jest ciałem fizycznym a nie aksjomatem matematycznym. Niezależnie czy jest zwinięty czy nie zawsze posiadał będzie trzy wymiary. Wprowadzenie abstrakcyjnej wielowymiarowości w teorii strun jest błędne. Podobnie jest z czasem. Czas jest źle rozumiany przez współczesną naukę. Czas nie jest wymiarem przestrzeni a miar jej transformacji.
Artykuł podobał mi się, jest przejrzyście napisany.

Punkty dla autora artykułu: 3

Bogdan Szenkaryk (www), 09/01/2008

+ 1

odpowiedz

Jeśli ktoś przeczytał przedstawiony artykuł "Teoria superstrun" i nie podoba się pokrętność i nielogiczność idei zawartych w obu teoriach względności, w mechanice kwantowej, a przede wszystkim w teorii strun i teorii superstrun, może zapoznać się z polową teorią budowy materii, jaka jest przedstawiana w artykułach, które dotyczą materii i są wymienione na stronie http://www.eioba.pl/u3311/bogd(...)enkaryk .
I rzecz nie w tym, że zachwalam swoją teorię i największe odkrycie - fundamentalną zasadę materii.
Za pomocą wymienionych nielogicznych(!) teorii nie można modelować i przedstawiać, jak przebiegają zjawiska fizyczne. (Teorie te są nielogiczne, bo zawierają "założone" elementy, których nikt nie jest w stanie sobie wyobrazić, a więc mowy być nie może o logice, której filarami są: doświadczenie, wiedza, która wynika z tego doświadczenia, oraz wyobraźnia.)
Na bazie tych nielogicznych teorii nie można, na przykład, zamodelować i pokazać na ekranie komputera, na czym polega i czym jest bezwładność ciał, jaki jest mechanizm zjawiska żyroskopowego, skąd bierze się sprężystość materialnych struktur i w ogóle ich stabilny charakter, skąd biorą się prawa dynamiki Newtona, niebieska mechanika Keplera itd. Natomiast, jeśli oprzeć się na fundamentalnej zasadzie materii i własnościach fundamentalnych cząstek materii - centralnie symetrycznych pól - wówczas wszystko to można zamodelować i pokazać działanie zjawisk na ekranie komputera.
Trzeba przy tym pamiętać o tym, co do czego ma służyć... Teorie fizyczne mają służyć przede wszystkim do logicznego wyjaśniania i interpretacji zjawisk fizycznych, a robić to powinny w sposób jak najbardziej prosty i jasny.

Prema Dharmin (www), 19/08/2008

odpowiedz

Tu można trochę się poedukować o czym nowoczesne teorie unifikacyjne mówią i co próbują wyjaśnić. Do zrozumienia Shipova też się bardzo wiedza przyda, a to w zasadzie konkurencyjna i bardziej znana teoria...

Jacek Śródka, 08/10/2008

odpowiedz

Artykuł fajny.

Jednakże autorka powinna po głębszym zastanowieniu się dojść do wniosku, że hipotetyczne pole Higgsa lepiej opisuje zjawiska niż teoria superstrun, ewentualnie przedstawić hipotezę bozonu Higgsa jako alternatywną w stosunku do opisanej.
30 pkt. dla autorki, pozdrawiam.

Jacek Śródka, 08/10/2008

odpowiedz

Aha, 30 pkt ;-))

Punkty dla autora artykułu: 30

Hamilton Starszy (www), 15/12/2009

odpowiedz

Autorka pisze :
" Kiedy cząstki oddziałują między sobą na bardzo małym dystansie rzędu 1033 cm (długość Plancka), równania stają się niepoprawne. " - ma na myśli zapewne oddziaływania na dystansie 10 do potęgi minus 33 cm.
Błąd gigantyczny. Gdyby opisywała kulę ziemską równik naszej planety musiałby mieć długość liczoną w latach
świetlnych. Dotyczy to również dalszych (...) żaden eksperyment nie wykazał możliwości istnienia dodatkowych wymiarów przestrzennych zwiniętych (podobnie jak wymiar wokół węża ogrodowego) na odległościach mniejszych niż 1016 cm. - tu również 10 do potęgi (- 16). Różnica kosmiczna. Wynikająca prawdopodobnie z niedopatrzenia.

Dodaj swoją opinię

W trosce o jakość komentarzy wymagamy od użytkowników, aby zalogowali się przed dodaniem komentarza. Jeżeli nie posiadasz jeszcze swojego konta, zarejestruj się. To tylko chwila, a uzyskasz dostęp do dodatkowych możliwości!