Idag tar den vetenskapliga bilden av världen form på ett sådant sätt att vårt universum styrs av två uppsättningar lagar - allmän relativitet, som förklarar det underbara tyngdverket, och kvantmekanik, som beskriver universums andra interaktioner (stark kärnkraft, svag kärnkraft och elektromagnetism). Du kan ta dessa lagar och tillämpa dem på saker i stor skala - planeter, galaxer och sedan på de minsta skalorna - protoner och neutroner. Men varför gjorde naturen två separata lagar för universum?
Superstring teori är ett försök att besvara två frågor: Finns det ett sätt att kombinera allmän relativitet och kvantmekanik för att skapa en "teori om allt"? Vad består det av?
Superstring teori
Vi brukade tro att livets byggstenar var atomer, materiens minsta komponenter. Men sedan träffade vi atomerna och hittade elementära partiklar, så små att vi inte ens kan se dem utan att förändras på ett visst sätt. För att se något, behöver vi ljuset först för att studsa från objektet och slå våra ögon och bilda bilden. Ljus består av elektromagnetiska vågor som fritt passerar genom elementära partiklar. Vi kan göra dessa vågor tätare, lägga till energi till dem så att de träffar partiklarna och vi kan se dem, men så fort något träffar partikeln förändras det, så vi kan inte se det i sitt ursprungliga tillstånd. Vi har ingen aning om hur elementära partiklar ser ut. Liksom mörk energi, mörk materia, kan vi inte observera dessa fenomen direkt, men vi har anledning att troatt de finns.
Vi betraktar dessa partiklar som punkter i rymden, även om de i verkligheten inte är det. För alla dess brister ger denna metod - kvantmekanikens idé att krafter bärs av partiklar oss en ganska bra idé om universum och leder till genombrott som kvantlösningsmedel och magnetiska levitationståg. Allmän relativitet har också varit ett bra test av tid, förklarar neutronstjärnor och Merkurius orbitala anomalier, förutsäger svarta hål och böjda ljus. Men ekvationerna om generell relativitet, tyvärr, slutar att arbeta i mitten av det svarta hålet och i förkant av Big Bang. Problemet är att det är omöjligt att föra dem samman, eftersom tyngdkraften är förknippad med geometri för rymd och tid, när avstånd mäts noggrant, och i kvantvärlden finns det inget sätt att mäta någonting.
När forskare försökte uppfinna en ny partikel som skulle gifta sig med gravitation med kvantmekanik, misslyckades deras matematik helt enkelt.
På något sätt var jag tvungen att gå tillbaka till tavlan. Därför har forskare föreslagit att de minsta komponenterna i universum inte är prickar utan strängar. Olika vibrationer i strängar skapar olika elementära partiklar som kvarkar. De vibrerande strängarna kan utgöra all materia och alla fyra krafter i universum - inklusive allvar.
Kampanjvideo:
Högre dimensioner
Superstring teori har ett problem. Det fungerar inte om vi antar att det bara finns tre rumsliga dimensioner och en temporär dimension där vi lever. Stringteori kräver att du spelar minst tio dimensioner.
När GR först blev tänkt, förvrängde tyngdkraften utrymme och tid för att beskriva denna kraft. Därför, om någon ville beskriva en annan kraft, till exempel elektromagnetism, skulle han behöva lägga till en ny dimension. Forskare skrev ekvationer som beskriver universums kurvor och defekter med en extra dimension och erhöll den ursprungliga ekvationen för elektromagnetism. En fantastisk upptäckt.
Strängteoriens extra dimensioner kan hjälpa oss att förklara varför siffrorna i vårt universum är så kalibrerade att de tillåter allt att existera. Till exempel varför är ljusets hastighet 299,792,458 meter per sekund? De försöker också besvara frågan om allvar - varför är denna kraft så svag? Det är den svagaste av de fyra grundläggande interaktionerna: 1040 gånger svagare än den elektromagnetiska kraften. Det räcker att helt enkelt böja sig och lyfta boken från golvet för att motstå den. I teorin beror detta på att tyngdkraften sipprar in i högre dimensioner. Tyngdekraften består av stängda slingor som låter den lämna vår dimension, i motsats till öppna trådar, som är bättre jordade.
Varför kan vi inte se alla dessa dimensioner?
Eftersom de finns på en så liten nivå att de är osynliga för oss och trotsar upptäckt. De är kompakta, utrustade på ett sådant sätt att de reproducerar fysiken i vår värld och vikas in i intressanta Calabi-Yau-former. Olika former av Calabi Yau möjliggör olika strängsvibrationer och mycket olika universum.
Vi kan till och med testa påstådda flera universum. Eftersom vi antar att tyngdkraften sipprar in i högre dimensioner, bör det vara mindre tid efter kollisionen mellan två partiklar än före kollisionen. Men även under de mest gynnsamma förhållandena skulle det vara oerhört svårt att testa något som det här.
Strängteoriberäkningar görs i simulerade universum med 10 eller 11 dimensioner där matematik fungerar. Forskare försöker sedan radera de extra dimensionerna, men hittills har ingen lyckats beskriva vårt universum eller utforma ett experiment för att bevisa en teori. Detta betyder dock inte att vi inte har några applikationer för strängteori.
Ett matematiskt verktyg som utvecklas som en del av strängteoriforskningen hjälper oss att förstå delar av vårt universum. Vi kan använda den för att bättre förklara informationsparadoxen, kvanttyngd och några problem i ren matematik. Vissa forskare använder teorin för sina beräkningar i partikelfysik eller när man observerar exotiska tillstånd av materia.
Stringteori är kanske inte en teori för allt, men åtminstone är det en teori om något.
Ilya Khel