Στη θεωρία χορδών, μικρά κομμάτια χορδών αντικαθιστούν τα παραδοσιακά υποατομικά σωματίδια.
Πολ Μ. Σάτερ είναι αστροφυσικός στο SUNY Stony Brook και στο Ινστιτούτο Flatiron, φιλοξενούμενος του Ρωτήστε έναν Spaceman και Διαστημικό ραδιόφωνοκαι συγγραφέας του "Η θέση σας στο Σύμπαν."Ο Sutter συνέβαλε σε αυτό το άρθρο Οι ειδικές φωνές του Space.com: Op-Ed & Insights.
Η θεωρία των χορδών ελπίζει να είναι μια κυριολεκτική θεωρία των πάντων, ένα ενιαίο ενοποιητικό πλαίσιο που εξηγεί όλη την ποικιλία και τον πλούτο που βλέπουμε στον Κόσμο και στα σωματιδιακά συγκρούματά μας, από τον τρόπο με τον οποίο η βαρύτητα συμπεριφέρεται έως ό, τι άλλο σκοτεινή ενέργεια είναι γιατί τα ηλεκτρόνια έχουν τη μάζα που κάνουν. Και ενώ είναι μια δυνητικά ισχυρή ιδέα, η οποία εάν ξεκλειδωθεί θα φέρει επανάσταση εντελώς στην κατανόηση του φυσικού κόσμου, δεν έχει ποτέ δοκιμαστεί άμεσα.
Υπήρξαν, ωστόσο, τρόποι για να εξερευνήσετε μερικά από τα βασικά στοιχεία και τις πιθανές συνέπειες του θεωρία χορδών. Και ενώ αυτά τα τεστ δεν θα αποδείκνυαν τη θεωρία των χορδών απευθείας με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, θα βοηθούσαν στην ενίσχυση της υπόθεσής της. Ας εξερευνήσουμε.
Ένα ανησυχητικό πρόβλημα
Πρώτον, όμως, πρέπει να εξετάσουμε γιατί η θεωρία χορδών είναι τόσο δύσκολο να δοκιμαστεί. Υπάρχουν δύο λόγοι.
Οι χορδές της θεωρίας χορδών είναι εντυπωσιακά μικρές, πιστεύεται ότι βρίσκονται κάπου γύρω από την κλίμακα Planck, γυμνά 10-34 μέτρα. Αυτό είναι πολύ, πολύ μικρότερο από οτιδήποτε μπορούμε να ελπίζουμε να διερευνήσουμε ακόμη και με τα πιο ακριβή μας όργανα. Οι χορδές είναι τόσο μικρές, στην πραγματικότητα, που μας φαίνεται να είναι σωματιδιακά σημεία, όπως ηλεκτρόνια και φωτόνια και νετρόνια. Απλώς δεν μπορούμε να κοιτάξουμε μια συμβολοσειρά απευθείας.
Σχετίζεται με αυτή τη μικρογραφία η ενεργειακή κλίμακα που απαιτείται για τον έλεγχο των καθεστώτων όπου η θεωρία χορδών έχει ουσιαστική σημασία. Από σήμερα, έχουμε δύο διαφορετικές προσεγγίσεις για να εξηγήσουμε το τέσσερις δυνάμεις της φύσης. Από τη μία πλευρά, έχουμε τις τεχνικές της κβαντικής θεωρίας πεδίου, οι οποίες παρέχουν μια μικροσκοπική περιγραφή του ηλεκτρομαγνητισμού και των δύο πυρηνικών δυνάμεων. Και από την άλλη έχουμε γενική σχετικότητα, που μας επιτρέπει να κατανοήσουμε τη βαρύτητα ως κάμψη και στρέβλωση του χωροχρόνου.
Για όλες τις περιπτώσεις που μπορούμε να εξετάσουμε άμεσα, η χρήση της μιας ή της άλλης είναι μια χαρά. Η θεωρία χορδών μπαίνει στο παιχνίδι μόνο όταν προσπαθούμε να συνδυάσουμε και τις τέσσερις δυνάμεις με μία μόνο περιγραφή, η οποία έχει σημασία μόνο στις πολύ υψηλότερες ενεργειακές κλίμακες - τόσο υψηλές που δεν θα μπορούσαμε ποτέ, να φτιάξουμε ποτέ μια μηχανή για να φτάσουμε σε τέτοια ύψη.
Αλλά ακόμα κι αν μπορούσαμε να επινοήσουμε ένα συγκολλητή σωματιδίων για να ανιχνεύσουμε άμεσα τις ενέργειες της κβαντικής βαρύτητας, δεν θα μπορούσαμε να δοκιμάσουμε τη θεωρία χορδών, επειδή από τη στιγμή που η θεωρία χορδών δεν είναι πλήρης. Δεν υπάρχει. Έχουμε μόνο προσεγγίσεις που ελπίζουμε να πλησιάσουν την πραγματική θεωρία, αλλά δεν έχουμε ιδέα πόσο σωστό (ή λάθος) είμαστε. Επομένως, η θεωρία χορδών δεν εξαρτάται από το να κάνουμε προβλέψεις που θα μπορούσαμε να συγκρίνουμε με υποθετικά πειράματα.
Κοσμικά μπλουζ
Ακόμα κι αν δεν μπορούμε να φτάσουμε τις ενέργειες που απαιτούνται στους συγκολλητές σωματιδίων για να ρίξουμε μια βαθιά ματιά στον πιθανό κόσμο των χορδών, πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια ολόκληρο το σύμπαν μας ήταν ένα καζάνι θεμελιωδών δυνάμεων. Ίσως θα μπορούσαμε να κερδίσουμε μερικές αυστηρές γνώσεις εξετάζοντας την ιστορία του η μεγάλη έκρηξη.
Μία πρόταση από τους θεωρητικούς χορδών είναι ένα άλλο είδος θεωρητικής συμβολοσειράς: η κοσμική χορδή. Οι κοσμικές χορδές είναι ελαττώματα που καλύπτουν το σύμπαν στο χωροχρόνο, που έχουν απομείνει από τις πρώτες στιγμές του Big Bang, και είναι μια αρκετά γενική πρόβλεψη της φυσικής αυτών των εποχών το σύμπαν.
Αλλά κοσμικές χορδές μπορεί επίσης να είναι υπερδιπλωμένες χορδές από τη θεωρία χορδών, οι οποίες είναι συνήθως τόσο μικρές που το "μικροσκοπικό" είναι πολύ μεγάλο από μια λέξη, αλλά έχουν τεντωθεί και τραβηχτεί από τη συνεχή επέκταση του σύμπαντος. Έτσι, αν βρήκαμε μια κοσμική χορδή που αιωρούσε εκεί έξω στον Κόσμο, θα μπορούσαμε να την μελετήσουμε προσεκτικά και να ελέγξουμε αν είναι πραγματικά κάτι που προβλέπει η θεωρία χορδών.
Μέχρι σήμερα, δεν έχουν βρεθεί κοσμικές χορδές στο σύμπαν μας.
Ωστόσο, η αναζήτηση είναι ενεργή. Αν βρήκαμε μια κοσμική συμβολοσειρά, δεν θα επικυρωνόταν απαραίτητα η θεωρία χορδών - θα χρειαζόταν πολύ περισσότερη δουλειά, τόσο θεωρητικά όσο και παρατηρητικά, για να ξεχωρίσουμε την πρόβλεψη της θεωρίας χορδών από την έκδοση crack-in-spacetime.
Όχι τόσο υπερσυμμετρία
Ακόμα, μπορεί να είμαστε σε θέση να πάρουμε μερικές ενδιαφέρουσες ενδείξεις, και μία από αυτές είναι υπερσυμμετρία. Η υπερσυμμετρία είναι μια υποθετική συμμετρία της φύσης που συνδέει όλα τα φερμιόνια (τα δομικά στοιχεία της πραγματικότητας όπως τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ) με τα μποζόνια (τους φορείς των δυνάμεων όπως τα γλουόνια και τα φωτόνια) σε ένα ενιαίο πλαίσιο.
Ο μηχανισμός της υπερσυμμετρίας επεξεργάστηκε για πρώτη φορά από θεωρητικούς χορδών, αλλά πυροδότησε ως ενδιαφέρουσα λεωφόρο για όλους τους φυσικούς υψηλής ενέργειας για να λύσει δυνητικά ορισμένα προβλήματα με Πρότυπο μοντέλο και κάντε προβλέψεις για νέα φυσική. Μέσα στη θεωρία χορδών, η υπερσυμμετρία επιτρέπει στις χορδές να περιγράψουν όχι μόνο τις δυνάμεις της φύσης αλλά και τα δομικά στοιχεία, δίνοντας σε αυτήν τη θεωρία τη δύναμη να είναι πραγματικά μια θεωρία των πάντων.
Επομένως, αν βρήκαμε στοιχεία για την υπερσυμμετρία, δεν θα αποδείχτηκε θεωρία χορδών, αλλά θα ήταν ένα σημαντικό βήμα.
Δεν έχουμε βρει στοιχεία για υπερσυμμετρία.
ο Μεγάλου Αδρανίου (LHC) σχεδιάστηκε ρητά για να εξερευνήσει την υπερσυμμετρία, ή τουλάχιστον μερικές από τις πιο απλές και ευκολότερες εκδόσεις της υπερσυμμετρίας, αναζητώντας νέα σωματίδια που προβλέπονται από τη θεωρία. Ο LHC εμφανίστηκε εντελώς άδειος, χωρίς καν να μυρίζει ένα νέο υπερσυμμετρικό σωματίδιο, σκουπίζοντας όλες τις απλούστερες ιδέες υπερσυμμετρίας εντελώς εκτός χάρτη.
Και ενώ αυτό το αρνητικό αποτέλεσμα δεν αποκλείει τη θεωρία χορδών, δεν το κάνει να φαίνεται πολύ μεγάλο.
Θα έχουμε κάποια μέρα αποδεικτικά στοιχεία ακόμη και για έναν από τους υποστηρικτές ή τις πλευρικές προβλέψεις της θεωρίας χορδών; Είναι αδύνατο να πούμε. Πολλές ελπίδες καρφώθηκαν στην υπερσυμμετρία, η οποία μέχρι στιγμής απέτυχε να επιτευχθεί, και παραμένουν ερωτήματα σχετικά με το αν αξίζει να χτίσουμε ακόμη μεγαλύτερους συγκρούσεις για να προσπαθήσουμε να πιέσουμε σκληρότερα την υπερσυμμετρία ή αν πρέπει απλά να τα παρατήσουμε και να δοκιμάσουμε κάτι άλλο.
- Πώς το σύμπαν θα μπορούσε ενδεχομένως να έχει περισσότερες διαστάσεις
- Μυστηριώδη σωματίδια που εκτοξεύουν από την Ανταρκτική αψηφούν τη φυσική
- Το Big Bang: Τι πραγματικά συνέβη κατά τη γέννηση του σύμπαντός μας;
Μάθετε περισσότερα ακούγοντας το επεισόδιο "Αξίζει η θεωρία των χορδών; (Μέρος 6: Πιθανότατα πρέπει να το δοκιμάσουμε αυτό)" στο podcast Ask A Spaceman, διαθέσιμο στις iTunes και στον Ιστό στοhttp://www.askaspaceman.com. Χάρη στους John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. για τις ερωτήσεις που οδήγησαν σε αυτό το κομμάτι! Κάντε τη δική σας ερώτηση στο Twitter χρησιμοποιώντας το #AskASpaceman ή ακολουθώντας τον Paul @PaulMattSutter και facebook.com/PaulMattSutter.
