Stringid stringiteoorias: hüpoteetilised 1-mõõtmelised nöörid
Avasta stringiteooria salapärased 1‑mõõtmelised stringid: hüpoteetilised Plancki-pikkused nöörid, mis võiksid seletada universumi mõõtmeid ja fundamentaalseid osakesi.
Stringiteoorias ja teoreetilises füüsikas on stringid hüpoteetilised objektid, mida peetakse universumi elementaarosakesteks. Kui need on olemas, siis ei oleks need mitte punktitaolised osakesed, vaid pigem 1-mõõtmelised energiast koosnevad "nöörid", mis vibreerivad erinevates mõõtmetes. Parempoolne pilt illustreerib erinevaid võimalikke mõõtmeid, milles string võiks vibreerida. (Praegu nõustuvad füüsikud sellega, et meie universumis on vähemalt 11 mõõdet: 1 ajamõõde ja 10 ruumimõõdet). Stringide pikkus oleks määratud Plancki pikkusega:
e p = ℏ G c 3 {\displaystyle e_{p}={\sqrt {\frac {\hbar G}{c^{3}}}}} 
Ei ole veel teada, kas need stringid on tegelikult olemas. Need on üsna suures osas stringiteooria põhiteema.
Mis on stringid ja kuidas neid mõistetakse?
Stringid on teoreetilised 1-mõõtmelised objektid, mille asemel, et kirjeldada elementaarosakesi punktidena, kujutatakse neid kui vibreerivaid nööre. Iga vibratsioonirežiim vastab erinevale osakestüübile (näiteks elektronile või fotonile) — seega saab kõiki osakesi ja nende omadusi kirjeldada ühe ühtse alarmehhanismiga.
Peamised omadused ja tüübid
- Avatud ja suletud stringid: avatud stringil on otsad, suletud string moodustab silmuse. Paljud olulised osakestehüpoteesid (näiteks graviton) tulenevad suletud stringide vibratsioonidest.
- Stringide pinge ja massiskaala: stringi omadused sõltuvad selle pingest (tension): kõrge pinge tähendab suuri energiakulusid vibratsioonide tekitamiseks, mis vastab väga väikesesse pikkusmõõtkonda (ligikaudu Plancki pikkus ~1,6×10^−35 m).
- Supersümmeetia: enamik kaasaegseid ja füüsiliselt huvitavaid stringsüsteeme eeldab supersümmeetiat — seega räägitakse sageli superstringitest, mis seovad fermioneid ja bosoneid.
- D-branid: kõrgemad m-mõõtmelised objektid (m-branid) tekivad teoorias loomuliku omadusena. Avatud stringid võivad oma otstega kinnituda D-branadele, mis mõjutab sellest tulenevaid füüsikalisi mudeleid.
Pikkus, Plancki skaala ja valem
Stringide iseloomulik pikkus on Plancki pikkus, mida antakse valemiga (välja toodud ülal ka pildina). Numeriliselt on Plancki pikkus väga väike, ligikaudu 1,6 × 10−35 meetrit. See tähendab, et stringide otsene otsimine vajaks energiaskaalat, mis on tunduvalt kõrgem kui tänapäevaste kiirendite (nt LHC) võimekus.
Laiem füüsikaline tähendus
Stringiteooria huvitav omadus on see, et graviton — kvantelement, mis vahendaks gravitatsiooni — ilmneb loomulikult suletud stringi madalaimal vibratsioonitasemel. Seetõttu peetakse stringiteooriat peamiseks kandidaadiks kvantgravitatsiooni dešifreerimiseks, see tähendab kvantteooria ühendamiseks üldrelatiivsusega.
Mõõtmete küsimus ja Calabi–Yau kompaktifikatsioon
Et stringsüsteemid sobiksid tuntud neljamõõtmelise (1 ajamõõde + 3 ruumimõõdet) füüsikaga, eeldatakse lisamõõtmete kompaktifikatsiooni — näiteks Calabi–Yau tüüpi väikesed kuubikud või keerukamad geomeetriad, mille kujutis on artikli alguses. Need lisamõõtmed on väga väikesed või muul viisil "peidetud", mistõttu me neid igapäevaelus ei märka.
Erinevad stringiteooria versioonid ja M-teooria
Ajalooliselt leiti mitu matemaatiliselt järjepidevat stringiteooriat (nt bosoonne stringiteooria, supersättega tüübid nagu Type I, Type IIA, Type IIB, heterootne SO(32) ja E8×E8). Hiljem levis arusaam, et need on eri eripärad samast laiemast raamistikust, mida nimetatakse M-teooriaks, mis võib nõuda 11 mõõdet.
Vaatlused, eksperimentaalne olukord ja piirangud
- Puudub otsene tõend: tänaseks pole leitud otsest eksperimentaalset kinnitust stringide olemasolu kohta.
- Võimalikud kaudsed signaalid: kosmoloogilised jäljed (nt kosmilised stringid), väikemahulised muutused gravitatsioonikäitumises või üleloomulikud raskusastmete seosed, kuid need pole kinnitust leidnud.
- Energia- ja mõõteskaala piirangud: enamik stringiteooria olulisemaid efekte ilmneks Plancki energiaskaalal, mis on palju kõrgem kui praegused eksperimentaalsed võimed.
- Teoreetilised raskused: täpne mõõdetesüsteemite arv ja see, kuidas valida õige kompaktifikatsioon (nn "landscape" probleem), teeb otseste prognooside andmise keeruliseks.
Miks stringiteooria on oluline ja millised on väljakutsed?
Stringiteooria pakub elegantset ja ühtset raamistiku, mis seoks kokku kõik fundamentaalsed vastasmõjud, sh gravitatsiooni. Samas seisab teooria silmitsi konkreetsete väljakutsetega: puuduvad eksperimentaalsed tõendid, paljud võimalikud lahendused viivad eri madalaenergia füüsikani (nn lahustike maastik), ja arvutuslik keerukus piirab täpsete ennustuste tegemist.
Järeldus: Stringid on kaalukas ja aktiivselt uuritud idee kaasaegses teoreetilises füüsikas — need pakuvad võimalust ühtsustada loodusseadusi ning selgitada kvantgravitatsiooni, kuid seni jäävad nad hüpoteetiliseks ning vajavad kas uut eksperimentaalset lähenemist või teoreetilist läbimurret, et kinnitust saada.
Seotud leheküljed
- M-teooria
Küsimused ja vastused
K: Mis on stringid?
V: Stringid on hüpoteetilised objektid, mida peetakse universumi elementaarosakesteks. Kui nad on olemas, siis ei oleks nad mitte punktitaolised osakesed, vaid pigem 1-mõõtmelised "energiajadad", mis vibreerivad erinevates mõõtmetes.
K: Mitu mõõdet on meie universumis?
V: Füüsikud nõustuvad sellega, et meie universumis on vähemalt 11 mõõdet: 1 ajaline mõõde ja 10 ruumilist mõõdet.
K: Mis on Plancki pikkus?
V: Plancki pikkus on mõõtühik, mida kasutatakse jadade pikkuse määramiseks. See arvutatakse, võttes ruutjuure hbar korda G jagatuna c-ga kuupmeetrile (e_p=sqrt(hbar*G/c^3)).
Küsimus: Kas on teada, kas need stringid on tegelikult olemas?
V: Ei ole veel teada, kas need stringid on tegelikult olemas. Need on üsna suures osas stringiteooria põhiteema.
K: Mis tüüpi osakesed oleksid stringid, kui nad eksisteeriksid?
V: Stringid ei oleks punktitaolised osakesed, vaid pigem 1-mõõtmelised energiast koosnevad "nöörid", mis vibreerivad erinevates dimensioonides.
K: Kuidas füüsikud mõõdavad stringide pikkusi?
V: Stringide pikkuse määraks Plancki pikkus, mis arvutatakse, võttes ruutjuure hbar korda G jagatuna c kuupmeetriga (e_p=sqrt(hbar*G/c^3)).
K: Millest räägib stringiteooria?
V: Stringiteooria tegeleb selle väljaselgitamisega, kas need stringid on tegelikult olemas või mitte - need on üsna suures osas stringiteooria põhiteema.
Otsige