W teorii strun małe fragmenty sznurka zastępują tradycyjne cząsteczki subatomowe.
Paul M. Sutter jest astrofizykiem w SUNY Stony Brook i Flatiron Institute, gospodarz Zapytaj kosmonautę i Radio kosmicznei autor „Twoje miejsce we wszechświecie.„Sutter przyczynił się do napisania tego artykułu Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Teoria strun ma być dosłowną teorią wszystkiego, pojedynczą ramą jednoczącą, która wyjaśnia całą różnorodność i bogactwo, które widzimy w kosmosie i w naszych zderzaczach cząstek, od sposobu, w jaki grawitacja zachowuje się do wszystkiego ciemna energia dlaczego elektrony mają masę, którą mają. I chociaż jest to potencjalnie potężny pomysł, który po odblokowaniu całkowicie zrewolucjonizuje nasze rozumienie świata fizycznego, nigdy nie został bezpośrednio przetestowany.
Istnieją jednak sposoby na zbadanie niektórych podstaw i potencjalnych konsekwencji teoria strun. I chociaż testy te nie potwierdziłyby teorii strun bezpośrednio w ten czy inny sposób, pomogłyby wzmocnić jej przypadek. Odkryjmy.
Niepokojący problem
Najpierw jednak musimy zbadać, dlaczego teoria strun jest tak trudna do przetestowania. Są dwa powody.
Sznury teorii strun są zadziwiająco małe, uważa się, że znajdują się gdzieś w pobliżu skali Plancka, mają zaledwie 10–34 metry średnicy. To znacznie, dużo mniej niż cokolwiek, co moglibyśmy mieć nadzieję sondować nawet przy pomocy naszych najbardziej precyzyjnych instrumentów. Sznury są tak małe, że wydają się nam punktowymi cząsteczkami, takimi jak elektrony, fotony i neutrony. Po prostu nie możemy nigdy patrzeć bezpośrednio na sznurek.
Z tą małością wiąże się skala energii potrzebna do zbadania reżimów, w których teoria strun ma znaczenie. Na dzień dzisiejszy mamy dwa różne podejścia do wyjaśniania cztery siły natury. Z jednej strony mamy techniki kwantowej teorii pola, które zapewniają mikroskopowy opis elektromagnetyzmu i dwóch sił jądrowych. A z drugiej mamy ogólna teoria względności, co pozwala nam zrozumieć grawitację jako wygięcie i wypaczenie czasoprzestrzeni.
We wszystkich przypadkach, które możemy zbadać bezpośrednio, użycie jednego lub drugiego jest w porządku. Teoria strun wchodzi w grę tylko wtedy, gdy próbujemy połączyć wszystkie cztery siły z jednym opisem, co naprawdę ma znaczenie tylko w bardzo wysokich skalach energii - tak wysokich, że nigdy nie moglibyśmy zbudować maszyny, która osiągałaby takie wysokości.
Ale nawet gdybyśmy mogli opracować zderzacz cząstek do bezpośredniego badania energii grawitacji kwantowej, nie moglibyśmy przetestować teorii strun, ponieważ jak dotąd teoria strun nie jest kompletna. Nie istnieje. Mamy tylko przybliżenia, które, jak mamy nadzieję, zbliżają się do faktycznej teorii, ale nie mamy pojęcia, jak dobrze (lub źle) jesteśmy. Tak więc teoria strun nie jest nawet zadaniem przewidywania, które moglibyśmy porównać do eksperymentów hipotetycznych.
Kosmiczny blues
Mimo że nie jesteśmy w stanie dotrzeć do energii potrzebnej naszym zderzaczom cząstek, aby naprawdę dokładnie przyjrzeć się potencjalnemu światowi łańcuchów, 13,8 miliarda lat temu cały nasz wszechświat był kotłem sił fundamentalnych. Być może moglibyśmy uzyskać pewne rygorystyczne spostrzeżenia, analizując historię Big Bang.
Jedną z sugestii wysuniętych przez teoretyków strun jest inny rodzaj struny teoretycznej: struna kosmiczna. Kosmiczne struny są obejmującymi wszechświat defektami czasoprzestrzennymi, pozostałymi po najwcześniejszych momentach Wielkiego Wybuchu, i są dość ogólną prognozą fizyki tych epok wszechświat.
Ale kosmiczne struny mogą być również rozciągniętymi w super-duperze ciągami z teorii strun, które są zwykle tak małe, że „mikroskopijny” jest zbyt wielkim słowem, ale zostały rozciągnięte i pociągnięte przez nieustanne rozszerzanie się wszechświata. Gdybyśmy znaleźli kosmiczny sznur unoszący się w kosmosie, moglibyśmy go dokładnie przestudiować i sprawdzić, czy jest to rzeczywiście coś przewidywanego przez teorię strun.
Do tej pory w naszym wszechświecie nie znaleziono kosmicznych sznurków.
Mimo to wyszukiwanie jest włączone. Gdybyśmy znaleźli kosmiczny sznurek, niekoniecznie sprawdziłby teorię strun - musiałoby być dużo więcej pracy, zarówno teoretycznie, jak i obserwacyjnie, aby odróżnić prognozę teorii strun od wersji pękania w czasoprzestrzeni.
Nie taka supersymetria
Mimo to możemy być w stanie zdobyć kilka interesujących wskazówek, a jedną z nich jest supersymetria. Supersymetria to hipotetyczna symetria natury, która łączy wszystkie fermiony (elementy składowe rzeczywistości, takie jak elektrony i kwarki) z bozonami (nośnikami sił, takimi jak gluony i fotony) w ramach jednego szkieletu.
Mechanizm supersymetrii został po raz pierwszy opracowany przez teoretyków strun, ale wziął ogień jako interesująca droga dla wszystkich fizyków wysokich energii do potencjalnego rozwiązania niektórych problemów z Model standardowy i przewidywania nowej fizyki. W ramach teorii strun supersymetria pozwala strunom opisywać nie tylko siły natury, ale także elementy składowe, dając tej teorii moc, aby naprawdę być teorią wszystkiego.
Gdybyśmy znaleźli dowody na supersymetrię, nie udowodniłoby to teorii strun, ale byłby to istotny krok naprzód.
Nie znaleźliśmy żadnych dowodów na supersymetrię.
The Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) zostało wyraźnie zaprojektowane do badania supersymetrii, a przynajmniej niektórych z najprostszych i najłatwiej dostępnych wersji supersymetrii, poprzez poszukiwanie nowych cząstek przewidywanych przez teorię. LHC okazało się całkowicie puste, nawet bez powiewu nowej supersymetrycznej cząstki, usuwając wszystkie najprostsze supersymetryczne pomysły całkowicie z mapy.
I chociaż ten ujemny wynik nie wyklucza teorii strun, nie sprawia też, że wygląda on zbyt świetnie.
Czy pewnego dnia będziemy mieli dowody na istnienie choćby jednego z podstaw lub bocznych prognoz teorii strun? Nie da się powiedzieć. Wiele nadziei wiązało się z supersymetrią, która jak dotąd nie przyniosła rezultatów, i wciąż pozostają pytania, czy warto budować jeszcze większe zderzaki, aby spróbować bardziej naciskać na supersymetrię, czy też powinniśmy się poddać i spróbować czegoś innego.
- Jak wszechświat mógłby mieć więcej wymiarów
- Tajemnicze cząstki wylatujące z Antarktydy przeciwstawiają się fizyce
- Wielki Wybuch: Co naprawdę wydarzyło się przy narodzinach naszego wszechświata?
Dowiedz się więcej, słuchając odcinka „Czy warto teorię strun? (Część 6: Prawdopodobnie powinniśmy to przetestować)” na podcastie Ask A Spaceman, dostępnym na stronie iTunes oraz w Internecie pod adresemhttp://www.askaspaceman.com. Podziękowania dla Johna 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. za pytania, które doprowadziły do tego utworu! Zadaj własne pytanie na Twitterze za pomocą #AskASpaceman lub obserwując Paula @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter.
