Struny (teoria strun) — definicja, wymiary i znaczenie w fizyce
Poznaj teorię strun: definicja, rola w fizyce, wymiary (w tym 11 wymiarów) i szanse istnienia jednowymiarowych obiektów fundamentalnych.
W teorii strun i fizyce teoretycznej, struny są hipotetycznymi obiektami, które uważa się za elementarne cząstki wszechświata. Gdyby istniały, nie byłyby to cząstki punktowe, ale raczej jednowymiarowe "ciągi" energii, które wibrują w różnych wymiarach. Obrazek po prawej stronie ilustruje różne możliwe wymiary, w których łańcuch mógłby wibrować. (Obecnie fizycy akceptują fakt, że w naszym wszechświecie istnieje co najmniej 11 wymiarów: 1 wymiar czasowy i 10 wymiarów przestrzennych). Długość łańcuchów byłaby określona przez długość Plancka:
e p = ℏ G c 3 {\i1}displaystyle e_{p}= {\i1}sqrt {\i1}frac {\i1}{\i1}bar G}{c^{3}}}}}} 
Nadal nie wiadomo, czy te sznurki rzeczywiście istnieją. Są one w dużej mierze głównym tematem teorii strun.
Poniżej rozszerzenie i wyjaśnienie najważniejszych pojęć oraz znaczenia teorii strun w fizyce:
- Czym są struny?
Struny to jednowymiarowe obiekty (mają długość, ale brak im istotnej szerokości). Mogą występować jako struny otwarte (z dwoma końcami) lub struny zamknięte (tworzące pętlę). Różne tryby drgań struny odpowiadają różnym cząstkom elementarnym: inaczej drgają struny odpowiadające elektronowi, inaczej fotonowi, jeszcze inaczej kwarkom itp. W szczególności tryb drgań zamkniętej struny zawiera rezonans interpretowany jako grawiton, co daje naturalny mechanizm wyłaniania grawitacji z teorii kwantowej. - Wymiary przestrzeni
Aby równania teorii strun były matematycznie spójne, potrzebne są dodatkowe wymiary przestrzenne. W tradycyjnych superstringach model wymaga 10 wymiarów czasoprzestrzennych (9 przestrzennych + 1 czasowy). W tzw. M-teorii pojawia się 11 wymiarów (10 przestrzennych + 1 czasowy). Dodatkowe wymiary zwykle są „zwinięte” na bardzo małych skalach (compactification) — jedną z możliwych geometrii zwijania są przestrzenie typu Calabi–Yau (stąd ilustracja powyżej). - Długość Plancka i skala strun
Typowa długość związana ze skalą kwantowej grawitacji to długość Plancka, dana wzorem l_p = sqrt(ħG / c^3). Numerycznie:- l_p ≈ 1,616 × 10^−35 m.
- Matematyka i typy teorii strun
Istnieje kilka wersji teorii strun: teoria bosoniczna (wymaga 26 wymiarów), pięć spójnych teorii superstrun w 10 wymiarach oraz M-teoria w 11 wymiarach, które są powiązane ze sobą poprzez dualności (relacje przekształcające jedną opisową ramę w inną). W teorii pojawiają się pojęcia takie jak napięcie struny (tension) i parametr α' (w praktyce masa i skale energii cząstek zależą od tych parametrów). - Znaczenie w fizyce
- Teoria strun jest kandydatem na spójną teorię kwantowej grawitacji — łączy mechanikę kwantową i ogólną teorię względności.
- Wyjaśnia obecność grawitonu jako naturalnego trybu drgań zamkniętej struny, a także daje mechanizmy powstawania pól oddziaływań (poprzez struny otwarte przyczepione do bramek D-brane).
- Rozwinęła głębokie narzędzia matematyczne i odkryła nowe powiązania, np. dualność AdS/CFT, które mają zastosowania poza pierwotnym kontekstem (np. w teorii pól, fizyce materii skondensowanej, teorii czarnych dziur).
- Obserwacje i testowalność
Do tej pory nie ma bezpośrednich dowodów eksperymentalnych na istnienie strun. Modele teorii strun często działają na energiach znacznie przekraczających zasięg współczesnych akceleratorów (np. LHC). Istnieją jednak pośrednie pomysły testów — np. poszukiwanie sygnatur dodatkowych wymiarów, efektywne modyfikacje grawitacji na małych odległościach czy ślady w kosmologii — żaden z tych sygnałów nie potwierdził jednak jednoznacznie teorii strun. - Wyzwania i krytyka
- Problem mnogości próżni (tzw. "krajobraz" teorii strun): wiele (może ogromna liczba) możliwych zwinięć dodatkowych wymiarów prowadzi do bardzo wielu możliwych niskopoziomowych teorii fizycznych, co utrudnia przewidywalność.
- Trudności z wygenerowaniem konkretnych, falsyfikowalnych przewidywań na skalach dostępnych eksperymentalnie.
- Mimo to, rozwój teorii strun przyniósł nowe spojrzenia i techniki, które są wartościowe dla innych dziedzin teorii pola i matematyki.
Podsumowując: struny to propozycja opisania elementarnych składników materii jako obiektów jednowymiarowych, których różne drgania odpowiadają różnym cząstkom. Teoria ta oferuje obiecującą ramę łączenia grawitacji kwantowej z teorią pól, ale wciąż stoi przed ważnymi problemami zarówno teoretycznymi, jak i eksperymentalnymi. Badania nad teorią strun trwają — obejmują pracę nad jej wewnętrzną spójnością, możliwymi sygnaturami obserwacyjnymi oraz zastosowaniami matematycznymi i fizycznymi poza pierwotnym kontekstem.
Powiązane strony
- M-teoria
Pytania i odpowiedzi
P: Co to są struny?
O: Struny to hipotetyczne obiekty, które uważa się za cząstki elementarne wszechświata. Jeżeli istnieją, nie są to cząstki punktowe, lecz raczej jednowymiarowe "struny" energii, które wibrują w różnych wymiarach.
P: Ile wymiarów ma nasz wszechświat?
O: Fizycy akceptują fakt, że w naszym wszechświecie jest co najmniej 11 wymiarów: 1 wymiar czasowy i 10 przestrzennych.
P: Co to jest długość Plancka?
O: Długość Plancka to jednostka miary używana do określania długości strun. Oblicza się ją, biorąc pierwiastek kwadratowy z hbar razy G podzielony przez c cubed (e_p=sqrt(hbar*G/c^3)).
P: Czy wiadomo, czy te ciągi rzeczywiście istnieją?
O: Nadal nie wiadomo, czy te ciągi rzeczywiście istnieją. Są one w zasadzie głównym tematem teorii strun.
P: Jakim typem cząstek byłyby struny, gdyby istniały?
O: Struny nie byłyby cząstkami punktowymi, lecz raczej jednowymiarowymi "strunami" energii, które wibrują w różnych wymiarach.
P: Jak fizycy mierzą długość strun?
O: Długość strun byłaby określona przez długość Plancka, którą oblicza się jako pierwiastek kwadratowy z hbar razy G podzielony przez c cubed (e_p=sqrt(hbar*G/c^3)).
P: O co chodzi w teorii strun?
O: W teorii strun chodzi o ustalenie, czy te struny rzeczywiście istnieją, czy nie - są one w zasadzie głównym tematem teorii strun.
Przeszukaj encyklopedię