Vad är superstrings?

December 3

Superstrings eller superteori, är en spännande inom fysiken kallas ibland Teorin om Allt. Det är tänkt av många vara den svårfångade samlande förklaring Einstein sökt som kunde stå för alla kända krafter i universum.

Tills superstrings kom forskarna hade två motsatta teorier för hur naturlagarna betedde: Einsteins allmänna relativitetsteori och kvantmekanik.

Allmän relativitetsteori förklarar världen som vi känner den i en ganska stor skala. Den beskriver rumtiden som ett tyg skev av mass redovisning av omloppssystem, galaxer och tyngdkraften. Men dessa lagar bryts ner på kvantnivå, där en subatomär partikel inte kan mätas i termer av dess exakta position i rymden vid en given tidpunkt. Det är också så stor risk att gå bakåt i tiden som det är att gå framåt, och kan till och med verkar vara på två ställen samtidigt. I världen av den oändligt liten är så bisarr, forskare myntade termen "kvant weirdness" för att beskriva det.

Problemet för fysiker var att komma med en teori som skulle förena världen som vi känner den kvantvärlden. En förklaring till svars för alla fyra kända krafter: gravitation, de starka och svaga kärnvapen, och elektromagnetism. Superstrings kan vara att svaret.

Genom matematiska ekvationer blev det uppenbart att det sätt vi hade tidigare tänkt på partiklar som "poäng" eller "små bollar" av energi var felaktig. Dessa små bitar av materia egentligen betedde mer som vickar, vibrerande strängar. Strängar är så små att Brian Greene, en fysiker och förespråkare, förklarar att om en enda atom var storleken på vårt solsystem, skulle en sträng endast vara storleken på ett träd. Ändå strängar utgör all materia från kvantnivå upp.

Det sätt strängar vibrerar bestämma de specifika egenskaperna för varje partikel, likna universum till en kosmisk symfoni av superstrings. Men att befria teorin om matematiska anomalier, var nödvändiga sex extra dimensioner. De sex extra dimensioner bildar små, hopkrupen 6-D former vid varje punkt inom vårt utrymme. Inuti dessa 6-D former är strängarna på superteori. De sex extra dimensioner, plus våra tre, innebar det var verkligen nio dimensioner. Lägg en mer för tiden, och totalen var 10 dimensioner. Så förvånande eftersom detta var, det var inte slutet.

År 1995 olika teorier om superstrings presenterade en gåta tills M-teorin förenade dem. Den enda haken? M-teori matematiskt krävs en 11: e dimension. Detta presenterade en ny bild av strängar, mot bakgrund av tillräckligt med energi, en sträng kunde sträcka att bli en mycket stor flytande membran, en så kallad Brane för korta. Bran kan ha olika mått egenskaper och bli så stort som ett universum. I själva verket, enligt teorin, finns hela vårt universum på en flytande Brane - bara en av flera flytande bran att varje stöder deras egna parallellt universum. Varje brane representerar ett segment av en högre dimensionell rymd eller bulk.

Även om standardmodellen av 1970-talet redan förenade tre av de fyra krafter i en enhetlig teori, kunde gravitationen inte överens med de tre kvant krafterna. Men ett genombrott i superstrings omfattade gäckgravitationskraften, viskade den heliga graal i fysik. Om en masslösa hypotetisk partikel som ansvarar för överföring gravitation - gravitonen - existerar på kvantnivå som en sluten sträng, skulle detta utgöra en direkt gravitations länk till teorin om superstrings.

Teorin förutsäger strängar kan vara öppen eller stängd. Öppna strängar eller strängar som liknar små vickande hårstrån har åtminstone en ändpunkt "fäst" till membranet som en vagn bil är fäst med en övre kabel till en elektrisk ledning. Strängar kan röra sig genom Brane men kan inte lämna det, förklarar varför vi inte fysiskt kan se ut, eller nå ut med vår dimension. De atomer som bygger upp våra kroppar består av öppna strängar som har fäst endpoints till vår 3-D-membran. Ett annat sätt att se på det är att överväga en filmduk. Människor på en skärm verkar vara tredimensionell, men de kan faktiskt inte nå utanför skärmen i vår 3-D värld. De har fastnat i deras 2-D värld, precis som vi har fastnat i vårt 3-D värld och kan inte nå in grann dimensioner. Forskarna kallar detta frihetsgrader.

Men gravitonen är annorlunda. Som en sluten sträng eller slinga utan bifogade endpoints var det en teori om att det skulle kunna undkomma vår 3-D brane och sippra in i andra dimensioner. Detta skulle förklara varför gravitationen är många gånger svagare än de andra krafter.

Men vad händer om det omvända var sant? Tänk om gravitationen på en parallell brane är lika stark som de andra krafter, men är svagare här eftersom det är bara läcker in i vår dimension? Matematiskt teorin om superstrings igen arbetade vackert och slutligen lägga fram en rimlig förklaring till den svaga gravitationen samtidigt förena den med de andra tre krafterna.

Det fanns bara en hindret kvar: Den förenande teorin bör också kunna förklara Big Bang. Fyra fysiker reser tillsammans på ett tåg nonchalant tacklas detta ämne. En av dem lägga fram frågan, vad skulle hända om två bran kolliderade? Den rimliga matematiska svaret visade sig vara Big Bang.

Belackare teorin om superstrings pekar på bristande bevis och svårigheten i att ge det. Är det bara en vacker matematisk konstruktion? En filosofi? Eller en sann förklaring av vår värld? Ingen annan teori har kommit i närheten av matematiskt förena alla fyra krafter, mycket mindre dessutom ge en förklaring till Big Bang. Men att bevisa att andra dimensioner existerar - flytande bran och parallella universum - har varit en stor stötesten.

Ändå troende av den eleganta teorin är ivriga att se det bevisat, och forskarna har sedan funnit att det kan finnas observer bevis på astronom stora strängar. Således fortsätter teorin om superstrings att vinna mark. I slutändan, om det lyckas, från 11 dimensioner till parallella universum, från virvlande galaxer till kvant soppa, kanske superstrings bara verkligen vara Teorin om Allt.

  • Superstrings bidra till att stödja teorin om hur universum bildades efter Big Bang.
  • Allmän relativitetsteori beskriver rumtiden som ett tyg skev av mass redovisning av omloppssystem, galaxer och tyngdkraften.