Teoria e superstringut, në gjuhën popullore, përfaqëson universin si një koleksion të fijeve vibruese të energjisë - fijeve. Ata janë themeli i natyrës. Hipoteza përshkruan edhe elementë të tjerë - branes. E gjithë lënda në botën tonë përbëhet nga dridhjet e fijeve dhe branes. Një pasojë e natyrshme e teorisë është përshkrimi i gravitetit. Kjo është arsyeja pse shkencëtarët besojnë se ai mban çelësin për unifikimin e gravitetit me forcat e tjera.
Koncept në zhvillim
Teoria e unifikuar e fushës, teoria e superstringut, është thjesht matematikore. Si të gjitha konceptet fizike, ai bazohet në ekuacione që mund të interpretohen në mënyra të caktuara.
Sot askush nuk e di saktësisht se cili do të jetë versioni përfundimtar i kësaj teorie. Shkencëtarët kanë një ide mjaft të paqartë për elementët e tij të përgjithshëm, por askush nuk ka dalë ende me një ekuacion përfundimtar që do të mbulonte të gjitha teoritë e superstringut, dhe eksperimentalisht nuk ka qenë ende në gjendje ta konfirmojë atë (edhe pse as ta kundërshtojë). Fizikanët kanë krijuar versione të thjeshtuara të ekuacionit, por deri më tani ai nuk e përshkruan plotësisht universin tonë.
Teoria e Superstringut për Fillestarët
Hipoteza bazohet në pesë ide kryesore.
- Teoria e superstringut parashikon që të gjitha objektet në botën tonë përbëhen nga filamente vibruese dhe membrana energjie.
- Ajo përpiqet të kombinojë relativitetin e përgjithshëm (gravitetin) me fizikën kuantike.
- Teoria e superstringut do të bashkojë të gjitha forcat themelore të universit.
- Kjo hipotezë parashikon një lidhje të re, supersimetri, midis dy llojeve thelbësisht të ndryshme të grimcave, bozoneve dhe fermioneve.
- Koncepti përshkruan një numër dimensionesh shtesë, zakonisht të pavëzhgueshme të Universit.
Telat dhe branes
Kur teoria u shfaq në vitet 1970, fijet e energjisë në të konsideroheshin objekte 1-dimensionale - vargje. Fjala "një-dimensionale" do të thotë se vargu ka vetëm 1 dimension, gjatësinë, ndryshe nga, për shembull, një katror, i cili ka një gjatësi dhe një lartësi.
Teoria i ndan këto superstrings në dy lloje - të mbyllura dhe të hapura. Një varg i hapur ka skaje që nuk prekin njëri-tjetrin, ndërsa një varg i mbyllur është një lak pa skaje të hapura. Si rezultat, u zbulua se këto vargje, të quajtura vargje të llojit të parë, i nënshtrohen 5 llojeve kryesore të ndërveprimeve.
Ndërveprimet bazohen në aftësinë e një vargu për të lidhur dhe ndarë skajet e tij. Meqenëse skajet e vargjeve të hapura mund të kombinohen për të formuar vargje të mbyllura, është e pamundur të ndërtohet një teori e superstringut që nuk përfshin vargje me lak.
Kjo doli të ishte e rëndësishme, pasi fijet e mbyllura kanë veti, besojnë fizikanët, që mund të përshkruajnë gravitetin. Me fjalë të tjera, shkencëtarëtkuptoi se teoria e superstringut, në vend që të shpjegojë grimcat e materies, mund të përshkruajë sjelljen dhe gravitetin e tyre.
Pas shumë vitesh, u zbulua se, përveç vargjeve, edhe elementë të tjerë janë të nevojshëm për teorinë. Ato mund të mendohen si çarçafë, ose brane. Vargjet mund të ngjiten në njërën anë ose në të dyja anët.
Graviteti kuantik
Fizika moderne ka dy ligje kryesore shkencore: relativitetin e përgjithshëm (GR) dhe kuantik. Ato përfaqësojnë fusha krejtësisht të ndryshme të shkencës. Fizika kuantike studion grimcat më të vogla natyrore, dhe GR, si rregull, përshkruan natyrën në shkallën e planetëve, galaktikave dhe universit në tërësi. Hipotezat që përpiqen t'i bashkojnë ato quhen teori të gravitetit kuantik. Më premtuesi prej tyre sot është vargu.
Fijet e mbyllura korrespondojnë me sjelljen e gravitetit. Në veçanti, ato kanë vetitë e një gravitoni, një grimcë që mbart gravitetin midis objekteve.
Forcat e bashkimit
Teoria e fijeve përpiqet të kombinojë katër forcat - elektromagnetike, forcat bërthamore të forta dhe të dobëta, dhe gravitetin - në një. Në botën tonë, ato manifestohen si katër dukuri të ndryshme, por teoricienët e fijeve besojnë se në universin e hershëm, kur kishte nivele tepër të larta energjie, të gjitha këto forca përshkruhen nga vargjet që ndërveprojnë me njëri-tjetrin.
Supersimetri
Të gjitha grimcat në univers mund të ndahen në dy lloje: bozone dhe fermione. Teoria e fijeveparashikon se mes tyre ekziston një marrëdhënie, e quajtur supersimetri. Në supersimetri, duhet të ketë një fermion për çdo bozon dhe një bozon për çdo fermion. Për fat të keq, ekzistenca e grimcave të tilla nuk është konfirmuar eksperimentalisht.
Supersimetria është një marrëdhënie matematikore midis elementeve të ekuacioneve fizike. Ajo u zbulua në një fushë tjetër të fizikës dhe aplikimi i saj çoi në riemërtimin e teorisë supersimetrike të fijeve (ose teorisë së superstringut, në gjuhën popullore) në mesin e viteve 1970.
Një nga përfitimet e supersimetrisë është se ajo thjeshton shumë ekuacionet duke lejuar që disa variabla të eliminohen. Pa supersimetri, ekuacionet çojnë në kontradikta fizike siç janë vlerat e pafundme dhe nivelet imagjinare të energjisë.
Për shkak se shkencëtarët nuk i kanë vëzhguar grimcat e parashikuara nga supersimetria, kjo është ende një hipotezë. Shumë fizikanë besojnë se arsyeja për këtë është nevoja për një sasi të konsiderueshme energjie, e cila lidhet me masën nga ekuacioni i famshëm i Ajnshtajnit E=mc2. Këto grimca mund të kishin ekzistuar në universin e hershëm, por ndërsa u ftoh dhe energjia u përhap pas Big Bengut, këto grimca u zhvendosën në nivele të ulëta energjie.
Me fjalë të tjera, vargjet që dridheshin si grimca me energji të lartë humbën energjinë e tyre, duke i kthyer ato në elementë me dridhje më të ulët.
Shkencëtarët shpresojnë që vëzhgimet astronomike ose eksperimentet me përshpejtuesit e grimcave do të konfirmojnë teorinë duke zbuluar disa nga elementët supersimetrik me njëenergji.
Matje shtesë
Një tjetër pasojë matematikore e teorisë së fijeve është se ajo ka kuptim në një botë me më shumë se tre dimensione. Aktualisht ka dy shpjegime për këtë:
- Dimensionet shtesë (gjashtë prej tyre) janë shembur, ose, në terminologjinë e teorisë së fijeve, janë kompaktuar në përmasa tepër të vogla që nuk do të perceptohen kurrë.
- Ne kemi ngecur në brane 3D dhe dimensionet e tjera shtrihen përtej tij dhe janë të paarritshme për ne.
Një linjë e rëndësishme kërkimi midis teoricienëve është modelimi matematik se si këto koordinata shtesë mund të lidhen me tonat. Rezultatet e fundit parashikojnë që shkencëtarët së shpejti do të jenë në gjendje të zbulojnë këto dimensione shtesë (nëse ekzistojnë) në eksperimentet e ardhshme, pasi ato mund të jenë më të mëdha se sa pritej më parë.
Të kuptuarit e qëllimit
Qëllimi për të cilin përpiqen shkencëtarët kur eksplorojnë superstrings është një "teori e gjithçkaje", domethënë një hipotezë e vetme fizike që përshkruan të gjithë realitetin fizik në një nivel themelor. Nëse është i suksesshëm, mund të qartësojë shumë pyetje rreth strukturës së universit tonë.
Shpjegimi i materies dhe masës
Një nga detyrat kryesore të kërkimit modern është gjetja e zgjidhjeve për grimcat reale.
Teoria e fijeve filloi si një koncept që përshkruan grimca të tilla si hadronet në gjendje të ndryshme vibruese më të larta të një vargu. Në shumicën e formulimeve moderne, çështja e vërejtur në tonëuniversi, është rezultat i dridhjeve të fijeve dhe branes me energjinë më të ulët. Dridhjet më të larta gjenerojnë grimca me energji të lartë që aktualisht nuk ekzistojnë në botën tonë.
Masa e këtyre grimcave elementare është një manifestim i mënyrës sesi fijet dhe branat janë mbështjellë në përmasa shtesë të ngjeshur. Për shembull, në një rast të thjeshtuar ku ato palosen në një formë donuti, të quajtur torus nga matematikanët dhe fizikantët, një varg mund ta mbështjell këtë formë në dy mënyra:
- cik i shkurtër në mes të torusit;
- një lak i gjatë rreth gjithë perimetrit të jashtëm të torusit.
Një lak i shkurtër do të jetë një grimcë e lehtë dhe një lak i madh do të jetë një grimcë e rëndë. Mbështjellja e fijeve rreth dimensioneve të ngjeshura toroidale prodhon elementë të rinj me masa të ndryshme.
Teoria e superstringut shpjegon në mënyrë koncize dhe të qartë, thjesht dhe elegante kalimin e gjatësisë në masë. Dimensionet e palosura këtu janë shumë më të komplikuara se torusi, por në parim ato funksionojnë në të njëjtën mënyrë.
Është madje e mundur, megjithëse e vështirë të imagjinohet, që vargu të mbështillet rreth torusit në dy drejtime në të njëjtën kohë, duke rezultuar në një grimcë të ndryshme me një masë të ndryshme. Brane gjithashtu mund të mbështjell dimensione shtesë, duke krijuar edhe më shumë mundësi.
Përcaktimi i hapësirës dhe kohës
Në shumë versione të teorisë së superstringut, dimensionet shemben, duke i bërë ato të pavëzhgueshme në nivelin aktual të zhvillimit të teknologjisë.
Aktualisht nuk është e qartë nëse teoria e fijeve mund të shpjegojë natyrën themelore të hapësirës dhe kohësmë shumë se Ajnshtajni. Në të, matjet janë sfondi për ndërveprimin e vargjeve dhe nuk kanë asnjë kuptim real të pavarur.
Shpjegime janë ofruar, jo plotësisht të zhvilluara, në lidhje me paraqitjen e hapësirë-kohës si një derivat i shumës totale të të gjitha ndërveprimeve të vargjeve.
Kjo qasje nuk i plotëson idetë e disa fizikanëve, gjë që çoi në kritika të hipotezës. Teoria konkurruese e gravitetit kuantik të ciklit përdor kuantizimin e hapësirës dhe kohës si pikënisje. Disa besojnë se do të përfundojë të jetë thjesht një qasje e ndryshme për të njëjtën hipotezë bazë.
Quantizimi i gravitetit
Arritja kryesore e kësaj hipoteze, nëse vërtetohet, do të jetë teoria kuantike e gravitetit. Përshkrimi aktual i gravitetit në relativitetin e përgjithshëm nuk është në përputhje me fizikën kuantike. Kjo e fundit, duke vendosur kufizime në sjelljen e grimcave të vogla, çon në kontradikta kur përpiqeni të eksploroni Universin në një shkallë jashtëzakonisht të vogël.
Bashkimi i forcave
Aktualisht, fizikanët njohin katër forca themelore: gravitetin, elektromagnetik, ndërveprimet bërthamore të dobëta dhe të forta. Nga teoria e fijeve rrjedh se të gjitha dikur ishin manifestime të një.
Sipas kësaj hipoteze, meqenëse universi i hershëm u ftoh pas shpërthimit të madh, ky ndërveprim i vetëm filloi të ndahej në të ndryshme që janë aktive sot.
Eksperimentet me energji të lartë një ditë do të na lejojnë të zbulojmë bashkimin e këtyre forcave, megjithëse eksperimente të tilla janë shumë përtej zhvillimit aktual të teknologjisë.
Pesë zgjedhje
Pas revolucionit të superstringut në 1984, zhvillimi u krye me një ritëm të ethshëm. Si rezultat, në vend të një koncepti, kishte pesë, të quajtur tipet I, IIA, IIB, HO, HE, secila prej të cilave përshkruan pothuajse plotësisht botën tonë, por jo plotësisht.
Fizikanët, duke renditur versionet e teorisë së fijeve me shpresën për të gjetur një formulë të vërtetë universale, kanë krijuar 5 versione të ndryshme të vetë-mjaftueshme. Disa nga vetitë e tyre pasqyronin realitetin fizik të botës, të tjerat nuk korrespondonin me realitetin.
Teoria M
Në një konferencë në vitin 1995, fizikani Edward Witten propozoi një zgjidhje të guximshme për problemin e pesë hipotezave. Bazuar në dualitetin e sapo zbuluar, të gjitha ato u bënë raste të veçanta të një koncepti të vetëm gjithëpërfshirës, të quajtur M-teoria e superstrings e Witten. Një nga konceptet kryesore të tij ishin branes (shkurt për membrana), objekte themelore me më shumë se 1 dimension. Megjithëse autori nuk ofroi një version të plotë, i cili nuk është ende i disponueshëm, teoria M e superstrings përbëhet shkurtimisht nga karakteristikat e mëposhtme:
- 11-dimension (10 dimension hapësinor plus 1 kohë);
- dualitete që çojnë në pesë teori që shpjegojnë të njëjtin realitet fizik;
- branes janë vargje me më shumë se 1 dimension.
Pasojat
Si rezultat, në vend të një, kishte 10500 zgjidhje. Për disa fizikanë, kjo shkaktoi një krizë, ndërsa të tjerët pranuan parimin antropik, i cili shpjegon vetitë e universit me praninë tonë në të. Mbetet për t'u parë se kur teoricienët do të gjejnë një tjetërmënyra e orientimit në teorinë e superstringave.
Disa interpretime sugjerojnë se bota jonë nuk është e vetmja. Versionet më radikale lejojnë ekzistencën e një numri të pafund universesh, disa prej të cilëve përmbajnë kopje të sakta të tonave.
Teoria e Ajnshtajnit parashikon ekzistencën e një hapësire të mbështjellë, e cila quhet një vrimë krimbi ose një urë Einstein-Rosen. Në këtë rast, dy vende të largëta lidhen me një pasazh të shkurtër. Teoria e superstringut lejon jo vetëm këtë, por edhe lidhjen e pikave të largëta të botëve paralele. Është madje e mundur që të kalohet midis universeve me ligje të ndryshme të fizikës. Megjithatë, ka të ngjarë që teoria kuantike e gravitetit do ta bëjë të pamundur ekzistencën e tyre.
Shumë fizikanë besojnë se parimi holografik, kur i gjithë informacioni që përmban vëllimi i hapësirës korrespondon me informacionin e regjistruar në sipërfaqen e saj, do të lejojë një kuptim më të thellë të konceptit të fijeve të energjisë.
Disa besojnë se teoria e superstringut lejon përmasa të shumta të kohës, të cilat mund të rezultojnë në udhëtimin nëpër to.
Përveç kësaj, brenda kornizës së hipotezës, ekziston një alternativë ndaj modelit të Big Bang-ut, sipas të cilit universi ynë u shfaq si rezultat i një përplasjeje të dy branes dhe kalon nëpër cikle të përsëritura të krijimit dhe shkatërrimit.
Fati përfundimtar i universit i ka zënë gjithmonë fizikanët dhe versioni përfundimtar i teorisë së fijeve do të ndihmojë në përcaktimin e densitetit të materies dhe konstantës kozmologjike. Duke ditur këto vlera, kozmologët mund të përcaktojnë nëse universi dotkurret derisa të shpërthejë për ta nisur nga e para.
Askush nuk e di se ku mund të çojë një teori shkencore derisa të zhvillohet dhe testohet. Ajnshtajni, duke shkruar ekuacionin E=mc2, nuk priste që kjo të çonte në shfaqjen e armëve bërthamore. Krijuesit e fizikës kuantike nuk e dinin që ajo do të bëhej baza për krijimin e një lazeri dhe një transistori. Dhe megjithëse nuk dihet ende se çfarë do të çojë një koncept i tillë thjesht teorik, historia tregon se diçka e jashtëzakonshme me siguri do të dalë.
Për më shumë mbi këtë hamendje, shihni Teorinë e Superstringut të Andrew Zimmerman për Dummies.
