Mi az a sztringelmélet? | Tér


A sztringelmélet az elméleti fizikusok egyik legnagyobb álma – az összes erő és anyag leírása egy matematikai képen. De számtalan papír, konferencia és száraz törlési jelölő után a lélegzetelállító áttörés, amit sokan remélett, sokkal távolabb tűnik el, mint valaha.

Mindazonáltal, még az izgalmas fejlődés jelei nélkül is, a kapott betekintés mély benyomást tett mind a fizikára, mind a matematikára. Tetszik vagy sem (és bizonyos fizikusok biztosan nem) a húrelmélet itt marad.

A sztringelmélet egyszerűsödött

Az úgynevezett "Mindentudomány elmélete" jelöltként a karakterláncelmélet különböző elméleti összefogásokkal foglalkozik; a legalapvetőbb az, hogy hogyan működik a gravitáció apró tárgyakhoz, például elektronokhoz és fotonokhoz. Általános relativitás a gravitációt nagy objektumok, mint pl. bolygók, reakciójaként írja le a tér ívelt területeire, de az elméleti fizikusok úgy gondolják, hogy a gravitációnak inkább úgy kell viselkednie, mint a mágnesesség – hűtőszekrénymágnesek, mert részecskéik fotonokat cserélnek hűtőszekrény részecskékkel. A négy erő a természetben csak a gravitáció hiányzik a kis részecskék szemszögéből. Az elméleti tudósok megjósolhatják, hogy milyen a gravitációs részecske, de amikor megpróbálják kiszámítani, hogy mi történik, amikor két "graviton" összeomlik, akkor egy végtelen mennyiségű energiát kapnak egy kis térbe – egy biztos jele annak, hogy a matematika hiányzik valamit.

Az egyik lehetséges megoldás, amelyet az 1970-es években a nukleáris fizikusoktól kölcsönzött elméleti szakemberek születtek, hogy megszabaduljanak a problémás, pont-szerű gravitonrészecskéktől. A húrok, és csak a sztringek tisztán ütközhetnek és visszahúzódhatnak anélkül, hogy fizikailag lehetetlen végtelenségeket jelentenek.

"Egydimenziós objektum – ez az a tény, ami igazán megzavarja a számítások során felmerülő végtelenségeket" – mondta Marika Taylor, az angliai Southamptoni Egyetem elméleti fizikusa.

A sztringelmélet az oldalt az univerzum általános leírásává alakítja, az összes anyag és erő részecskét csak egy elemgel helyettesítve: apró rezgő húrok, amelyek bonyolult módon fordulnak és fordulnak, hogy szemszögünkből szemcséknek látszanak. Egy bizonyos hosszúságú sztring, amely egy adott jegyzetet megragad, megszerzi a foton tulajdonságait, és egy másik, különböző frekvenciájú hajtogatott és vibráló karakterlánc egy kvark szerepét és így tovább. A gravitáció megvilágítása mellett a keretrendszer vonzónak bizonyult az úgynevezett alapvető konstansok, mint az elektron tömegének magyarázatára. A következő lépés, hogy megtaláljuk a helyes utat a húrok összecsukásának és mozgásának leírására, az elméleti tudósok reményére, és minden más következik.

De ez a kezdeti egyszerűség a váratlan komplexitás költségén jött létre – a string matematika nem működött az ismerős négy dimenzióban (három tér és egy idő). Hat további dimenzióra volt szükség (összesen 10-re), amelyek csak a kis húrok számára voltak láthatóak, ugyanis egy villamos vonal egy 1D-s vonalnak tűnik a madaraknak, amelyek túlnyomórészt felsőrészen repülnek, de egy 3D-s henger a huzalra csúszó hangyákhoz. A fizikusok az 1980-as évek közepéig öt ellentmondásos húrelméletet fogalmaztak meg. Mindent elmélete törött.

Alaposabb elmélet jelenik meg

Az elkövetkező évtizedben az öt elmélet kapcsolatát feltáró tudósok váratlan kapcsolatokat kezdtek találni, amelyeket Edward Witten, a Princeton Fejlett Tanulmányi Intézetének elméleti szakembere gyűjtött össze és mutatott be. 1995-ben a húrelméleti konferencia a Dél-Kaliforniai Egyetemen. Witten azzal érvelt, hogy az öt karakterláncelmélet egy adott helyzetben egy alaposabb, 11 dimenziós elmélet közelítését tükrözi, mint ahogyan Einstein térbeli és időbeli hajlító relativitáselméletei megfelelnek Newton normál sebességgel mozgó tárgyainak leírásának.

Az új elméletet M-elméletnek nevezzük, bár a mai napig senki sem tudja, hogy milyen matematikai formát ölt. Az "M" -ot valószínűleg a membránoknak nevezett magasabb dimenziós objektumok inspirálják, mondta Taylor, de mivel az elméletnek nincs konkrét matematikai egyenlete, az "M" marad helyőrző, nincs hivatalos jelentése. – Tényleg a tudatlanságunk paraméterezése volt – mondta Taylor. "Ez a szülői elmélet, amely abszolút mindent leírna."

Azok az általános egyenletek megtalálására tett kísérletek, amelyek minden lehetséges helyzetben működnének, kevés előrelépést tettek, de az alapelmélet állítólagos fennállása az elméleti tudósok számára megértést és bizalmat adott a húrelmélet öt változatának matematikai technikáinak kidolgozásához és a megfelelő kontextusban való alkalmazásához . A karakterláncok túl kicsi ahhoz, hogy bármilyen elképzelhető technológiával észlelhessék, de egy korai elméleti siker volt a leírási képességük fekete lyuk entrópia 1996-ban.

Az Entrópia utal arra, hogy hány módon rendezhetjük el a rendszer részeit, de anélkül, hogy látnánk a fekete lyuk áthatolhatatlan mélységébe, senki sem tudja, hogy milyen típusú részecskék lehetnek belsejében, vagy milyen elrendezéseket hozhatnak. És mégis, az 1970-es évek elején Stephen Hawking és mások megmutatták, hogyan kell kiszámítani az entrópiát, ami arra utal, hogy a fekete lyukak valamilyen belső szerkezettel rendelkeznek. A fekete lyuk sminkjének leírására irányuló legtöbb kísérlet meghiúsul, de a hipotetikus húrok konfigurációinak megfogalmazása a trükk. "A sztringelmélet képes volt arra, hogy pontosan számoljon," mondja Taylor, "nem csak durván igaza van."

A karakterlánc keretrendszer azonban még mindig számos kihívással szembesül: Lehetetlenül sokféle módja van arra, hogy összecsukja azokat az extra dimenziókat, amelyek mindegyike megfelel a részecske-fizika szabványmodelljének általános jellemzőinek, kevés reményt adva a megkülönböztetésnek, ami a helyes. Ezen túlmenően mindezek a modellek a szupersimetriának nevezett erő részecskék és anyagrészecskék egyenértékűségére támaszkodnak, amelyek az extra dimenziókhoz hasonlóan nem figyeljük meg a világunkat. A modellek is nem úgy tűnik, hogy egy kiterjedő univerzumot ír le.

Számos fizikus, mint pl. Peter Woit a Columbia Egyetemen, ezeket a különbségeket a valóságtól látja végzetes hibák. "A karakterláncelmélet egyesítésének alapvető problémája nem az, hogy az előrehaladás lassú volt az elmúlt 30 évben," írta blogján, "de ez negatív volt, mindent megtanult, ami egyértelműbb, hogy miért nem működik az ötlet."

Taylor azonban azt állítja, hogy a mai modellek túlságosan egyszerűsítettek, és ez a funkciók hasonlóak kozmológiai terjeszkedés és a szuperszimmetria hiánya később is beépülhet a jövőbeli változatokba. Taylor arra számít, hogy míg a gravitációs hullámcsillagászat új korszakában új kvantitatív információval rendelkezhet a kvantum gravitációról, több előrelépést fogunk elérni a matematika követése a sztringelmélethez. – Van elméleti torzításom – mondta -, de úgy gondolom, hogy az általam ismert áttörés egy táblából származik, a gondolatból.

Kötött fonal, amely a húrelmélet összetettségét képviseli.

A húrelméleti matematika hat további dimenziót igényelt (összesen 10-re), amelyek csak a kis húrok számára voltak láthatóak, ugyanis az áramvonal egy 1D-s vonalnak tűnik a madarakhoz, amelyek túlnyomórészt felsőrészen repülnek, de egy 3D-s henger, amely a huzalra csúsztató hangya felé halad.

(Képhitel: Shutterstock)

A modern húrelmélet a matematikai pontokat köti össze

Függetlenül attól, hogy miként fejlődik a karakterláncelmélet minden elmélete, annak öröksége, mint produktív kutatási program, csak matematikai érdemekkel biztosítható.

"Nem lehet halott vége abban az értelemben, amit mi csak a matematikából tanultunk" – mondta Taylor. – Ha holnap elmondtad, hogy az univerzum nem feltétlenül szuperszimmetrikus és nincs 10-es [spatial] dimenziók, még mindig összekapcsoltuk a matematika egész ágait. "

Amikor Witten és mások azt mutatták, hogy az öt sztringelmélet egyetlen szülői elmélet árnyékai, a kettősségnek nevezett kapcsolatokat emelték ki, amelyek a matematikához és a fizikához jelentősen hozzájárultak.

A kettősség elvont, matematikai kapcsolat a két helyzetek között, amelyek másnak tűnnek, de lefordíthatók az egyikről a másikra. Vegyünk például egy sasot hologram hitelkártyán. Ez 2D vagy 3D? Fizikai értelemben a matrica sima, de vizuális értelemben a kép mélysége van. Mindkét leírás egyetért azzal, hogy a hologram egy sasot tartalmaz.

A fizikusok hasonló dualitásokat alkalmaztak a matematika látszólag független ágainak áthidalására, mint például a geometria és számelmélet. Mindegyik önálló nyelvként működik, de a dualitások lehetővé teszik, hogy a matematikusok forduljanak az egyikről a másikra, a másikban végrehajtott számítások segítségével támadják meg az egyik keretben tarthatatlan problémákat. Más kettősségek segítsen leküzdeni a kvantum számítástechnikai kihívásokat. "Ez nem fogja megtenni a következő iPhone generációját" – mondta Taylor.

Az, hogy a karakterláncelmélet képes-e megvilágítani a matematika különböző területeit összekötő sötét hálót, jelzi annak potenciálját, vagy csak egy szerencsés véletlen, továbbra is vita tárgyát képezi. Witten májusban Princetonban– elismerte, hogy miközben már nem érzi magát olyan magabiztosnak, mint amennyit egyszer megtett, ez a karakterláncelmélet teljes fizikai elméjévé fejlődik, bélje azt mondja neki, hogy az elmélet továbbra is a kutatás eredményes területe.

– Számomra valószínűtlen, hogy az emberek megbotlottak véletlenül[to] olyan hihetetlen struktúra, amely annyira világít a megalapozott fizikai elméletekre, valamint a matematika számos különböző ágára, "mondta a közönségnek." Bízom benne, hogy az általános vállalkozás jó úton halad, de nem állítom, hogy hogy az általam adott érv tudományosan meggyőző. "

További források: