W teorii strun przestrzeń ma więcej niż 3 wymiary, ale dodatkowe wymiary są zwinięte do mikroskopijnych rozmiarów, jak na przedstawionej tutaj
rozmaitości Calabi-Yau
.
Teoria superstrun – wersja
teorii strun
, która łączy ją z
supersymetrią
. Wersja teorii superstrun,
M-teoria
, jest najbardziej prawdopodobną
teorią wszystkiego
. M-teoria przewiduje, że teoria superstrun opisuje tylko część rzeczywistości.
Teoria superstrun mieści w sobie wszystkie symetrie
Modelu Standardowego
i
GUT
. Jest to także najbardziej obiecująca
kwantowa teoria grawitacji
, ponieważ jako pierwsza w historii fizyki poddaje się
kwantowej renormalizacji
.
Michio Kaku
próbował wyjaśnić strukturę
Wszechświata
z perspektywy teorii superstrun w następujący sposób:
|
Struna heterotyczna jest zamkniętą struną z dwoma typami drgań, zgodnie i przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara, które są traktowane oddzielnie. Drgania zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara odbywają się w dziesięciowymiarowej przestrzeni, natomiast drgania w przeciwnym kierunku wypełniają dwudziestosześciowymiarową przestrzeń, w której szesnaście wymiarów uległo
kompaktyfikacji
(w oryginalnej, pięciowymiarowej przestrzeni Kaluzy piąty wymiar był skompaktyfikowany przez zwinięcie do okręgu). |
Struny
W starszych teoriach cząstki traktowane są jako
punkty
w przestrzeni. W teorii superstrun cząstki są strunami mającymi rozmiary zbliżone do
długości Plancka
(około 10-35
m
), 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
grawiton
, który przenosi siłę grawitacji. Grawitonowi odpowiada struna drgająca z
amplitudą
równą zero. Struny w ramach tej teorii są obiektami rozciągłymi (niepunktowymi) i dlatego teoria superstrun nie jest
teorią pola
.
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 są bardzo małej wielkości (10-35 m), zwanej
długością Plancka
, wobec tego ich nie dostrzegamy.
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 oddziaływaniom 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.
Renormalizacja
Rozwój fizyki doprowadził do powstania kilku
kwantowych teorii pola
. Każda z nich daje jednak w odpowiedzi
nieskończone
wartości parametrów takich 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.
Techniki kwantowania pól nie dają się jednak 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
.
Wersje teorii superstrun
Jakiś czas temu problem stanowiło istnienie pięciu niezależnych teorii superstrun. Przed powstaniem M-teorii (1995) istniało pięć teorii superstrun:
- typ I
- typ IIA
- typ IIB
- heterozyjna E(8)xE(8) (lub HE)
- heterozyjna SO(32) (lub HO)
M-teoria przewiduje, że każda z tych teorii stanowi szczególny jej przypadek.
Bibliografia
- Greene, Brian, Piękno Wszechświata: Superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie teorii ostatecznej, Prószyński i S-ka, Warszawa 2001, .
- Green, Michael, John Schwarz and Edward Witten, Superstring theory, Cambridge University Press, Cambridge (1998). The original textbook.
- Vol. 1: Introduction,
- Vol. 2: Loop amplitudes, anomalies and phenomenology,
- Kaku, Michio, Hiperprzestrzeń. Wszechświaty równoległe, pętle czasowe i dziesiąty wymiar, Prószyński i S-ka, Warszawa 1997,
- Polchinski, Joseph, String Theory, Cambridge University Press, Cambridge (1987). A modern textbook.
- Vol. 1: An introduction to the bosonic string,
- Vol. 2: Superstring theory and beyond,
-
Resource Letter
– dobry przewodnik, żeby znaleźć więcej informacji (
ang.
)
Linki zewnętrzne