Kas ir stīgu teorija un kā tā tiek definēta?

Evelīna Maitī Marina
Rūpniecības inženieris, fizikas maģistrs un EdD

Stīgu teorija ir fiziska pieeja, kas mēģina saskaņot vispārējās relativitātes teoriju un kvantu mehāniku vienā modelī, kas satur un apraksta visus pamatspēkus dabu. Šajā teorijā elementārdaļiņas nav punktveida daļiņas, kā norādīts standarta modelī fizika, bet drīzāk attēlo bezgalīgi mazas dimensijas "stīgas" vai "pavedienus", kas vibrē telpas laiks.

Teorijas nosaukums ir balstīts uz pieņēmumu, ka fundamentālās daļiņas ir viendimensionāli objekti, kas ir atgādina virknes, kas svārstās dažādās frekvencēs, kas nosaka daļiņu masu un veidu pārstāvēt.

Šī teorija radās aptuveni 60. gadu beigās, un to izstrādāja vairāki fiziķi, tostarp Gabriele Veneziano, Joičiro Nambu, Leonards Saskinds, Džons H. Švarcs un Maikls Grīns, cita starpā. Tomēr galvenās publikācijas sāka ģenerēt Jöel Scherk un John Henry Schwarz ap 1974. Iepriekš minētie zinātnieki meklēja veidu, kā saskaņot vispārējās relativitātes teoriju un kvantu mehāniku, un nonāca pie domas, ka elementārdaļiņas patiesībā ir virknes, kas vibrē telpā-laikā, nevis daļiņas punktuāls. Turpmākajās desmitgadēs stīgu teorija ir bijusi daudzu strīdu un diskusiju priekšmets zinātnieku aprindās.

Stīgu teorijas pamatā ir ideja, ka visa matērija un fundamentālie spēki Visumā ir šo stīgu vibrācijas rezultāts.

Raksturlielumi

Dažas no stīgu teorijas īpašībām un priekšnosacījumiem ietver:

• Elementārās daļiņas patiesībā ir viendimensionālas virknes, kas vibrē telpā-laikā.

• Šo virkņu īpašības (piemēram, to garums un spriegums) nosaka to radīto daļiņu īpašības.

• Šo virkņu dažādie svārstību veidi varētu izskaidrot visu zināmo elementārdaļiņu, tostarp bozonu un fermionu, esamību.

• Tas ietver vairākas ārpustelpiskās dimensijas papildus četrām dimensijām, kuras mēs piedzīvojam mūsu ikdienas realitātē.

Šī teorija, ko daži zinātnieki sauc par hipotēzi, balstās uz matemātiskiem modeļiem, kas ir ārkārtīgi sarežģīti un ir atvasināti no kvantu mehānikas, vispārējās relativitātes teorijas, diferenciālās ģeometrijas un topoloģija.

Ir svarīgi atzīmēt, ka šie jēdzieni, kas ir saistīti ar teoriju, joprojām ir izpētes priekšmets, un tāpēc ir iespējams, ka izmantotie matemātiskie modeļi un vienādojumi tiek modificēti, kad tiek veikti jauni atklājumi un tiek veikti jauni pētījumiem.

Stīgu teorija nesniedz pilnīgu Visuma izcelsmes skaidrojumu, jo tā vairāk koncentrējas uz realitātes un elementārdaļiņu fundamentālo dabu. Tomēr tas zināmā mērā ir saderīgs ar Lielā sprādziena teoriju, izskaidrojot tādas parādības kā kosmiskā inflācija, kas ir paātrinātas izplešanās periods, kas notika Visuma pirmajos brīžos, un liela mēroga struktūru veidošanās mērogs.

Izaicinājumi un kritika

Stīgu teorija gadu gaitā ir bijusi daudzu kritiķu un noniecinātāju priekšmets, un daži no argumentiem attiecas uz šādiem aspektiem:

• Empīrisku pierādījumu trūkums: neskatoties uz gadu desmitiem ilgajiem pētījumiem, stīgu teorijai joprojām nav pietiekami daudz empīrisku pierādījumu, lai apstiprinātu tās patiesumu.

• matemātiskā sarežģītība: Šī teorija ir ārkārtīgi sarežģīta no matemātiskā viedokļa, tāpēc lielākajai daļai cilvēku to ir grūti saprast.

• nesamērojamība: nav samērojams ar standarta fiziku, kas nozīmē, ka nevar veikt eksperimentus, lai salīdzinātu un noteiktu attiecības starp abām teorijām.

• multiversi: tā pamats nozīmē vairāku Visumu esamību, un dažiem cilvēkiem ir grūti pieņemt šo ideju.

• Grūtības izteikt prognozes: Sarežģītības dēļ stīgu teoriju ir grūti izmantot, lai veiktu precīzas prognozes par novērojamām fiziskām parādībām.

Šie ir tikai daži no pārmetumiem un trūkumiem, kas ir vērsti pret stīgu teoriju. Neskatoties uz šiem izaicinājumiem, pētījumi šajā jomā turpinās, un daudzi zinātnieki uzskata, ka tie varētu būt fizikas apvienošanas atslēga.

Pielietošanas jomas

Stīgu teorija tiek izmantota tādās jomās kā augstas enerģijas fizika, kosmoloģija un teorētiskā fizika. Tam ir arī ietekme uz daļiņu fiziku un kvantu gravitāciju. Turklāt tas ir izmantots, lai pētītu melno caurumu fiziku un to entropiju.

No vienas puses, stīgu teorija var atrisināt dažus no vissvarīgākajiem fizikas jautājumiem, piemēram, vispārējās relativitātes teorijas un kvantu mehānikas saskaņošanu. Viņa filozofija atbalsta vairāku dimensiju un paralēlu Visumu pastāvēšanu, kas ir kļuvusi par vienu no aktīvākajām teorētiskās kosmoloģijas pētniecības jomām.

No otras puses, hipotēze, uz kuras balstās šis modelis, ir arī novedusi pie daudziem sasniegumiem fizikā. ārpus kosmoloģijas, piemēram, kondensētās vielas un kvantu informācijas teorijā, cita starpā lauki.

Kosmoloģija ir viena no jomām, kurā stīgu teorija ir bijusi nozīmīga līdzdalība pēdējās desmitgadēs.