Miks stringiteooria püsib - hoolimata sõlmefüüsikast

Paul M. Sutter on astrofüüsik SUNY Stony Brook ja Flatironi Instituut, saatejuht Küsige kosmonautilt ja Kosmoseraadio ja autor Teie koht universumis .



Stringiteooria on hüpoteetiline idee, mis väidetavalt on kõige teooria, mis suudab selgitada kogu reaalsuse põhilisi mikroskoopilisi aspekte. loodusjõud kõikide ehitusmaterjalide juurde. See on võimas idee, lõpetamata ja katsetamata, kuid see on püsinud aastakümneid.



Kuid teoorial endal olid üsna ebasoodsad algused, mida kasutati tugeva tuumajõu selgitamiseks. Ja see polnud eriti hea.

See on hajumises

Kuni 1960ndateni tundsid füüsikud end üsna kindlalt: nad olid avastanud aine põhikomponendid (prootonid, neutronid ja elektronid). Ja nad olid hiljuti saavutanud kvantmehaanika ja erirelatiivsusteooria ühendamise saavutuse kvant -elektrodünaamikaga (QED), mis oli elektromagnetilise jõu täielik kvantkirjeldus.



Kuid siis hakkasid nad välja töötama uskumatult võimsaid osakeste põrkeseadmeid ja äkki ei meeldinud neile see, mida nad leidsid. Nendest instrumentidest leidsid füüsikud hulga purunenud prootoneid ja neutroneid, paljastades, et need osakesed ei olnud üldse põhilised. Ja mis veelgi hullem, põrkurid hakkasid sülitama igasuguseid uut tüüpi osakesi: mesoneid, pioneere, kaone, resonantse, töid.

Ja nende kõigi juhtimine oli ilmselt uus loodusjõud: tugev jõud.

QED -i väljatöötamiseks kasutatud tööriistad lihtsalt lagunesid, kuna see mitmekordne osakeste hulk põrkasid välja. Füüsikud olid kahjumis ja valmis uusi ideid proovima.



Nii hakkasid mõned teoreetikud pööningul tuhnima ja otsima matemaatilisi tööriistu, mis võivad osutuda kasulikuks. Ja sealt leidsid nad huvitava ideekomplekti, mille esitas kõigepealt kvantmehaanika üks rajajaid Werner Heisenberg.

Vaata, ma leidsin nööri!

Kvantmehaanika algusaegadel (20. sajandi esimesel poolel) ei olnud täpselt selge, milline oleks parim matemaatiline lähenemine kogu selle veidruse selgitamiseks. 1930. aastatel pakkus Heisenberg välja üsna äärmusliku idee: tavalise klassikalise füüsika lähenemise asemel 1) kirjutada üles kõigi interaktsioonis osalevate osakeste lähtepositsioonid, 2) omada selle interaktsiooni mudelit ja 3) järgida nende osakeste areng aja jooksul, kasutades tulemuse ennustamiseks oma mudelit.

Selle asemel väitis ta, miks me lihtsalt ei jäta kogu seda tööd vahele ja arendame välja masinat, mida nimetatakse hajumismaatriksiks või s-maatriksiks, mis hüppab kohe algolekust lõppseisundisse, mida me tegelikult tahame mõõta . See masin kodeerib kogu interaktsiooni hiiglaslikus kastis, ilma et peaks süsteemi arengu pärast muretsema.



See oli lahe idee, kuid osutus kellelegi põnevil liiga raskeks ja see suri viinapuule - kuni füüsikud muutusid meeleheitel 60ndatel.

Selle lähenemise taaselustamine uuele tugev tuumajõud , teoreetikud laiendasid ja arendasid s-maatriksi ideed, leides, et teatud matemaatilised funktsioonid, mis kordusid, olid eriti võimsad.

Teised teoreetilised füüsikud sukeldusid ega suutnud vastu panna soovile anda raamistikule traditsiooniline tõlgendus ajas ja ruumis ning osakeste arengu jälgimine. Ja seal leidsid nad midagi üllatavat: tugeva jõu kirjeldamiseks pidid seda kandma pisikesed vibreerivad nöörid.

Kiirem kui kiirust ületav footon

Need stringid tundusid olevat tugeva jõu põhielement, nende kvantmehaanilised vibratsioonid määravad nende omadused mikroskoopilises maailmas - teisisõnu, nende vibratsioon pani nad välja nägema ja toimima nagu väikesed osakesed.

Lõpuks ei lõiganud see stringiteooria varajane versioon, mida tunti barüooniliste keelte teooriana selliste osakeste jaoks, mida ta üritas selgitada, sinepit päris ära lõigata. Sellega oli kuradima raske töötada, muutes ennustused peaaegu võimatuks. See nõudis ka liikuvate osakeste olemasolu kiirem kui valguse kiirus , mida nimetatakse tahhüoonideks. See oli varajase stringiteooria jaoks suur probleem, kuna tahhüoone pole olemas ja kui nad seda teeksid, rikuksid nad räigelt uskumatult edukat erirelatiivsusteooriat.

Oh, kas ma mainisin, et barüooniliste keelte teooria jaoks oli matemaatiliselt mõtestamiseks vaja 26 mõõdet? See oli päris suur tablett alla neelata, kui arvestada, et universumil on ainult neli mõõdet.

Lõppkokkuvõttes suri barüooniline stringiteooria kahel põhjusel. Esiteks tegi see ennustusi, mis ei olnud eksperimentidega nõus. See on suur ei-ei. Ja teiseks, tugeva jõu alternatiivne teooria, mis hõlmas uut hüpoteetilist osakest, mida nimetatakse kvarkiks, ja jõu kandjat, mida nimetatakse gluoniks, suutis kvantraamistikku kokku voltida ja edukalt ennustada. See uus teooria, mida nimetatakse kvant -kromodünaamikaks või QCD -ks, jääb täna meie tugeva tuumajõu teooriaks.

Ja mis puutub stringiteooriasse, siis see jäi enamasti tagaplaanile. See taaselustati 1970ndatel, kui teoreetikud mõistsid, et see võib kirjeldada enamat kui tugev jõud, ja pärast seda, kui nad leidsid viisi, kuidas vabaneda teooria ennustustest. Teooria vajas endiselt lisamõõtmeid, kuid füüsikud suutsid selle arvu vähendada mõistlikumalt kõlavale 10. Ja mõistes, et need mõõtmed võivad olla väikesed ja keritud allapoole skaalat, kus me seda otse jälgida saaksime, ei teinud stringiteooria seda ei tundu lõppude lõpuks hull.

Ja täna jääb see stringiteooria ka alles, püüdes ikka veel seletada tugevat jõudu - ja nii palju muud.

Lisateavet saate jagu kuulates 'Kas keelte teooria on seda väärt? (2. osa: keelte häälestamine) ' podcastilt Ask A Spaceman, saadaval aadressil iTunes ja veebis aadressil http://www.askaspaceman.com . Tänu 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. küsimuste eest mis viis selle tükkini! Esitage oma küsimus Twitteris, kasutades #AskASpaceman või Paulust @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter .

Järgne meile Twitteris @Spacedotcom ja edasi Facebook .