Jest to drugi artykuł poświęcony teorii strun. W poprzednim artykule omówiony został konflikt, który w fizyce teoretycznej powoduje niemałe problemy. Opisana została również dotychczas zebrana wiedza na temat materii (połowicznie), oddziaływań fundamentalnych, oraz cząstek przenoszących te oddziaływania. Wracając do pytania z poprzedniego artykułu, które dotyczyło charakterystycznych cech Wszechświata, spróbujmy zapoznać się z koncepcją teorii strun. Zapraszam do czytania.
Nowa koncepcja
Teoria strun wywołała zainteresowanie między innymi dlatego, że modyfikuje dotychczas uznany obraz budowy materii. Poprzedni artykuł uświadomił nam, że im bardziej staramy się wejść w strukturę jakiegoś przedmiotu, to na wystarczająco małych odległościach zaczniemy zauważać atomy, z których jest zbudowany. Przy większym przybliżeniu zauważamy wewnętrzną strukturę atomu, który składa się z protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony odkrywają przed nami swoje wnętrze w postaci kwarków. Teoria strun wprowadza jeszcze jeden poziom do tej struktury. Wynika z niej, że gdy spróbujemy zbadać wewnętrzną strukturę kwarków, to ukaże się nam cienka drgająca struna. Oznacza to, że teoria strun przewiduje, że wszystko złożone jest z malutkich tańczących strun.
Od dłuższego czasu, gdy odkryto, że wszystko jest przejawem czterech fundamentalnych oddziaływań, naukowcy zaczęli prace nad ich unifikacją. Stało się to między innymi dzięki Maxwellowi, który dokonał unifikacji elektryczności i magnetyzmu, które były przed nim uważane za dwa różne rodzaje oddziaływań. Pokazał on, że obie te siły są tak naprawdę przejawem jednego oddziaływania elektromagnetycznego. Tak powstała elektrodynamika Maxwellowska (obrazek obok przedstawia cztery równania Maxwella w pełni opisujące elektryczność i magnetyzm). Współcześnie naukowcy pracują nad tak zwanymi kwantowymi teoriami pola, które próbują uogólnić mechanikę kwantową tak, aby była zgodna ze szczególną teorią względności. Przykładem kwantowej teorii pola jest elektrodynamika kwantowa, która jest uogólnieniem klasycznej elektrodynamiki Maxwella, teoria oddziaływań elektrosłabych, która uogólnia oddziaływania słabe i elektrodynamikę kwantową, chromodynamika kwantowa opisująca oddziaływanie silne, czy model standardowy, który opisuje wszystkie trzy oddziaływania podstawowe (oprócz grawitacji). Jak zostało wspomniane wcześniej teoria strun również jest potencjalną kandydatką na teorię, która spaja ze sobą wszystkie oddziaływania podstawowe. A wszystko to poprzez wprowadzenie koncepcji struny. W istocie tak właśnie się dzieje. Pozwala ona nam opisać wszystkie oddziaływania, przez co możemy ją potencjalnie nazywać teorią wszystkiego. Nie zachwycajmy się jednak za bardzo. Wielu ludzi myśli, że teoria wszystkiego wyjaśni nam dosłownie wszystko od ruchu najmniejszych cząstek, po wybuchy wulkanów i da nam aparat do opisu wszystkich zjawisk. Na szczęście tak się nie stanie. Nawet jeżeli odkryjemy teorię wszystkiego i uda nam się zapisać wszystkie oddziaływania podstawowe, za pomocą zestawu równań, lub za pomocą jednego uniwersalnego równania, to będzie to dopiero początek naszej podróży do nowych odkryć. W żadnym wypadku nie koniec. Wszechświat jest zbyt bogaty w zadziwiające zjawiska i zawsze będzie coś do odkrycia. Współcześnie teoria strun rozwija się w zadziwiająco szybkim tempie, lecz nie zmienia to faktu, że czeka naukowców jeszcze długa droga, aby dopracować ją co do ostatniej literki. Niezależnie od tego jednak ukazała nam już wiele zadziwiających zjawisk. Trudnym zadaniem jest przedstawić jej elegancje z jaką tłumaczy ona pozornie mało znaczące cechy Wszechświata, związane z cząstkami elementarnymi i siłami. Robi to w sposób w jaki nie robiła żadna inna teoria. Według niej cechy poszczególnych cząstek i właściwości sił wynikają z pewnych subtelnych cech geometrii Wszechświata, który jest niczym skomplikowany wielowymiarowy labirynt, w którym struny drgają, wyginają się i splatają tworząc grunt pod czas i przestrzeń jaką znamy. Nasz Wszechświat według niej jest niczym innym jak melodią, która odgrywa rolę stworzyciela. Porównanie to wynika z faktu, że teoria strun opisuje wszystkie rodzaje cząstek jako różne częstotliwości wibracji struny. Innymi słowy, każdej znanej nam cząstce odpowiada struna wibrująca o pewnej unikalnej częstotliwości. Jak się okaże potem nie tylko struna odgrywa istotną rolę i dowiemy się o innych rodzajach obiektów, które są wymagane, aby teoria strun mogła opisać nasz dziwny świat.
Zanim zaczniemy gruntownie omawiać koncepcje i zjawiska wynikające z teorii strun musimy zapoznać się z historią jej powstania i przygotować się do zmian jakie wprowadzi ona do zrozumienia rzeczywistości. Pamiętajmy jednak, że jest to czysta teoria, która nie została jeszcze poznana na tyle, aby dać nam odpowiedzi na wszystkie pytania, które wygenerowała. Naukowcy posiadają tylko przybliżone równania, które są już tak skomplikowane, że musimy pracować nad nową matematyką. Nie wiemy zatem, czy teoria strun to ślepy zaułek, czy droga do głębszego zrozumienia wszechświata. Teoretycy są przekonani, że jest to coś więcej niż tylko puste gadanie. Ocenicie sami.
Spis treści:
Dodatkowe informacje:
Elektrodynamika Maxwellowska
Elektrodynamika kwantowa
Chromodynamika kwantowa
Teoria oddziaływań elektrosłabych
Źródła obrazków:
Następne artykuły już wkrótce. Dziękuję!