Čo je teória strún a ako je definovaná?

Evelyn Maitee Marin
Priemyselný inžinier, MSc z fyziky a EdD

Teória strún je fyzikálny prístup, ktorý sa snaží zosúladiť teóriu všeobecnej relativity a kvantovej mechaniky do jedného modelu, ktorý obsahuje a popisuje všetky základné sily prírody. V tejto teórii elementárne častice nie sú bodové častice, ako naznačuje štandardný model fyziky, ale skôr predstavujú "struny" alebo "vlákna" nekonečne malých rozmerov, ktoré vibrujú v vesmírny čas.

Názov teórie je založený na predpoklade, že fundamentálne častice sú jednorozmerné objekty, ktoré sú pripomínajú struny, ktoré kmitajú na rôznych frekvenciách, čo určuje hmotnosť a typ častice, ktorá reprezentovať.

Táto teória vznikla koncom 60-tych rokov a bola vyvinutá niekoľkými fyzikmi, vrátane Gabriele Veneziano, Yoichiro Nambu, Leonard Susskind, John H. Schwarz a Michael Green, medzi inými. Hlavné publikácie však začali generovať Jöel Scherk a John Henry Schwarz okolo roku 1974. Spomínaní vedci hľadali spôsob, ako zosúladiť teóriu všeobecnej relativity a kvantovej mechaniky a dospel k myšlienke, že elementárne častice sú vlastne struny vibrujúce v časopriestore a nie častice dochvíľny. Počas nasledujúcich desaťročí bola teória strún predmetom mnohých kontroverzií a diskusií vo vedeckej komunite.

Základom teórie strún je myšlienka, že všetka hmota a základné sily vo vesmíre sú výsledkom vibrácií týchto strún.

Charakteristika

Niektoré z charakteristík a predpokladov teórie strún zahŕňajú:

• Elementárne častice sú vlastne jednorozmerné struny, ktoré vibrujú v časopriestore.

• Charakteristiky týchto strún (ako ich dĺžka a napätie) určujú vlastnosti častíc, ktoré vytvárajú.

• Rôzne spôsoby oscilácie týchto strún by mohli vysvetliť existenciu všetkých známych elementárnych častíc, vrátane bozónov a fermiónov.

• Zahŕňa viacero mimopriestorových dimenzií, okrem štyroch dimenzií, ktoré zažívame v našej každodennej realite.

Táto teória, alebo nazývaná niektorými vedcami, hypotéza, je založená na matematických modeloch, ktoré sú extrémne zložité a sú odvodené z kvantovej mechaniky, všeobecnej teórie relativity, diferenciálnej geometrie a topológie.

Je dôležité poznamenať, že tieto pojmy, ktoré sú spojené s teóriou, sú naďalej predmetom výskumu, a preto je možné, že použité matematické modely a rovnice sa upravujú podľa nových objavov a nových objavov výskumu.

Teória strún neposkytuje úplné vysvetlenie pôvodu vesmíru, pretože sa zameriava skôr na základnú podstatu reality a elementárnych častíc. Je však do určitej miery kompatibilná s teóriou veľkého tresku, pri vysvetľovaní javov ako je kozmická inflácia, ktorá je obdobím zrýchlenej expanzie, ku ktorej došlo v raných okamihoch vesmíru, a vzniku rozsiahlych štruktúr stupnica.

Výzvy a kritika

Teória strún bola v priebehu rokov predmetom mnohých kritikov a kritikov a niektoré z argumentov sa týkajú nasledujúcich aspektov:

• Nedostatok empirických dôkazov: Napriek desaťročiam výskumu teória strún stále nemá dostatok empirických dôkazov na potvrdenie jej pravdivosti.

• matematická zložitosť: Táto teória je z matematického hľadiska mimoriadne zložitá, čo sťažuje jej pochopenie pre väčšinu ľudí.

• nesúmerateľnosť: je neporovnateľný so štandardnou fyzikou, čo znamená, že nie je možné vykonávať experimenty na porovnanie a stanovenie vzťahov medzi týmito dvoma teóriami.

• multivesmíry: jeho základ predpokladá existenciu viacerých vesmírov a pre niektorých ľudí je ťažké prijať túto myšlienku.

• Ťažkosti pri vytváraní predpovedí: Teória strún je pre svoju zložitosť ťažko použiteľná na presné predpovede pozorovateľných fyzikálnych javov.

Toto sú len niektoré z kritiky a nedostatkov, ktoré boli namierené proti teórii strún. Napriek týmto výzvam výskum v tejto oblasti pokračuje a mnohí vedci sa domnievajú, že by mohol byť kľúčom k zjednoteniu fyziky.

Oblasti použitia

Teória strún sa používa v oblastiach ako fyzika vysokých energií, kozmológia a teoretická fyzika. Má to tiež dôsledky pre časticovú fyziku a kvantovú gravitáciu. Okrem toho sa používa na štúdium fyziky čiernych dier a ich entropie.

Na jednej strane môže teória strún vyriešiť niektoré z najzákladnejších otázok fyziky, ako je zmierenie medzi teóriou všeobecnej relativity a kvantovou mechanikou. Jeho filozofia podporuje existenciu viacerých dimenzií a paralelných vesmírov, čo sa stalo jednou z najaktívnejších oblastí výskumu teoretickej kozmológie.

Na druhej strane, hypotéza, na ktorej je tento model založený, tiež viedla k veľkému množstvu pokrokov vo fyzike mimo kozmológie, napríklad v teórii kondenzovanej hmoty a kvantovej informácie, medzi inými poliach.

Kozmológia je jednou z oblastí, kde má teória strún v posledných desaťročiach významnú účasť.