ทฤษฎีของ superstrings เป็นภาษายอดนิยมสำหรับ Dummies

ทฤษฎีของ superstrings ในภาษาที่เป็นที่นิยมหมายถึงจักรวาลเป็นชุดของเส้นสั่นสะเทือนของสตริงพลังงาน พวกเขาเป็นพื้นฐานของธรรมชาติ สมมติฐานอธิบายองค์ประกอบอื่น ๆ - branes สารทั้งหมดในโลกของเราประกอบด้วยการสั่นสะเทือนของสายและ branes ผลตามธรรมชาติของทฤษฎีคือคำอธิบายของแรงโน้มถ่วง นั่นเป็นเหตุผลที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ากุญแจนี้มีส่วนสำคัญในการรวมแรงโน้มถ่วงเข้ากับปฏิสัมพันธ์อื่น ๆ

แนวคิดคือการพัฒนา

ทฤษฎีของสนามแบบรวมทฤษฎี superstrings เป็นทางคณิตศาสตร์อย่างหมดจด เหมือนแนวคิดทางกายภาพทั้งหมดมันขึ้นอยู่กับสมการที่สามารถแปลความหมายได้ในทางใดทางหนึ่ง

วันนี้ไม่มีใครรู้ว่าสิ่งที่จะเป็นรุ่นสุดท้ายของทฤษฎีนี้ นักวิทยาศาสตร์มีความคิดที่ค่อนข้างคลุมเครือเกี่ยวกับองค์ประกอบทั่วไป แต่ก็ยังไม่มีใครสรุปถึงสมการสุดท้ายที่จะครอบคลุมทฤษฎีทั้งหมดของ superstrings และยังไม่ได้รับการยืนยันจากการทดลอง (แม้ว่าจะถูกหักล้างกัน) นักฟิสิกส์ได้สร้างสมการแบบเรียบง่ายขึ้น แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่ได้อธิบายถึงเอกภพของเราอย่างครบถ้วน

ทฤษฎีของ superstrings สำหรับผู้เริ่มต้น

สมมติฐานที่ห้าตั้งอยู่บนสมมุติฐาน

1. ทฤษฎีของ superstrings คาดการณ์ว่าวัตถุทั้งหมดของโลกของเราประกอบด้วยเส้นสั่นสะเทือนและเยื่อพลังงาน
2. เธอพยายามที่จะรวม ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (แรงดึงดูด) กับฟิสิกส์ควอนตัม
3. ทฤษฎีของ superstrings จะรวมพลังทั้งหมดของจักรวาล
4. สมมติฐานนี้ทำนายการเชื่อมต่อใหม่ supersymmetry ระหว่างสองประเภทของอนุภาคมูลฐานโบนันและ fermions
5. แนวคิดนี้อธิบายจำนวนของการวัดที่เพิ่มขึ้นซึ่งมักจะไม่สามารถสังเกตได้จากจักรวาล

Strings และ Branes

เมื่อทฤษฎีเกิดขึ้นในปี 1970 หัวข้อพลังงานในวัตถุนี้ถือว่าเป็นวัตถุ 1 มิติ - สตริง คำว่า "หนึ่งมิติ" กล่าวว่าสตริงมีเพียง 1 มิติความยาวตรงกันข้ามกับสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่มีความยาวและความสูง

ทฤษฎี superstring เหล่านี้แบ่งออกเป็นสองประเภทคือปิดและเปิด สตริงเปิดมีปลายที่ไม่ได้สัมผัสกันในขณะที่สตริงที่ปิดเป็นลูปโดยไม่มีปลายเปิด ด้วยเหตุนี้พบว่าสายอักขระเหล่านี้ซึ่งเรียกว่าสตริงประเภทแรกจะอยู่ภายใต้การติดต่อกัน 5 ประเภท

ปฏิสัมพันธ์จะขึ้นอยู่กับความสามารถของสายการเชื่อมต่อและแยกปลายของมัน ตั้งแต่ปลายของสตริงเปิดสามารถรวมกันเพื่อสร้างสายปิดไม่สามารถสร้างทฤษฎีของ superstrings ที่ไม่รวมสายคล้อง

สิ่งนี้กลายเป็นเรื่องสำคัญเนื่องจากสายพ่นมีคุณสมบัติเหมือนนักฟิสิกส์เชื่อซึ่งอาจอธิบายถึงแรงโน้มถ่วง กล่าวได้ว่านักวิทยาศาสตร์เข้าใจว่าทฤษฎี superstrings แทนการอธิบายอนุภาคของสสารสามารถอธิบายถึงพฤติกรรมและแรงดึงดูดของโลกได้

หลังจากหลายปีมันก็พบว่านอกเหนือจากสตริงทฤษฎีที่จำเป็นองค์ประกอบอื่น ๆ พวกเขาสามารถถือเป็นแผ่นหรือ branes สายสามารถติดหนึ่งหรือทั้งสองด้านได้

ควอนตัมแรงโน้มถ่วง

ฟิสิกส์สมัยใหม่มีสองกฎทางวิทยาศาสตร์พื้นฐาน: ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GTR) และทฤษฎีควอนตัม เป็นสาขาวิทยาศาสตร์ที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง ฟิสิกส์ควอนตัมศึกษาอนุภาคของธรรมชาติที่เล็กที่สุดและ GTR เป็นกฎอธิบายธรรมชาติในขนาดของดาวเคราะห์กาแลคซีและจักรวาลโดยรวม สมมุติฐานที่พยายามรวมกันเรียกว่าทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัม ที่มีแนวโน้มมากที่สุดของพวกเขาในวันนี้คือสตริง

เส้นปิดจะสัมพันธ์กับพฤติกรรมของแรงโน้มถ่วง โดยเฉพาะอย่างยิ่งพวกเขามีคุณสมบัติของ graviton อนุภาคขนส่งแรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุ

การรวมกันของกองกำลัง

ทฤษฎีสตริงพยายามที่จะรวมพลังสี่แรงซึ่ง ได้แก่ ปฏิกิริยานิวเคลียร์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแรงและอ่อนและแรงโน้มถ่วงเข้าด้วยกัน ในโลกของเราพวกเขาปรากฏตัวเองเป็นปรากฏการณ์สี่ที่แตกต่างกัน แต่ทฤษฎีสตริงเชื่อว่าในจักรวาลต้นเมื่อมีระดับพลังงานที่สูงอย่างไม่น่าเชื่อแรงทั้งหมดเหล่านี้จะอธิบายโดยสตริงที่มีปฏิสัมพันธ์กับแต่ละอื่น ๆ

supersymmetry

อนุภาคทั้งหมดในจักรวาลสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภทคือบอแสและเฟอร์เมีย ทฤษฎีสตริงคาดการณ์ว่ามีการเชื่อมโยงระหว่างพวกเขาเรียกว่า supersymmetry สำหรับ supersymmetry สำหรับแต่ละ boson ต้องมี fermion และสำหรับ fermion แต่ละ boson แต่น่าเสียดายที่การดำรงอยู่ของอนุภาคดังกล่าวยังไม่ได้รับการยืนยันจากการทดลอง

Supersymmetry คือความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ระหว่างองค์ประกอบของสมการทางกายภาพ มันถูกค้นพบในด้านฟิสิกส์และการประยุกต์ใช้ในการเปลี่ยนชื่อของทฤษฎี supersymmetric สตริง (หรือ superstring ทฤษฎีนิยมภาษา) ในช่วงกลางทศวรรษ 1970-

หนึ่งในข้อดีของ supersymmetry คือช่วยให้สมการง่ายขึ้นช่วยให้คุณสามารถยกเว้นบางตัวแปรได้ สมการจะนำไปสู่ความขัดแย้งทางกายภาพเช่นค่าอนันต์และ ระดับพลังงานที่ สมมุติ

เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ไม่ได้สังเกตอนุภาคที่ทำนายโดยซูเปอร์เมตริกซ์จึงเป็นสมมติฐาน นักฟิสิกส์หลายคนเชื่อว่าเหตุผลนี้คือความต้องการพลังงานที่มีนัยสำคัญซึ่งเกี่ยวข้องกับมวลของสมการ Einstein E = mc ^{2 ที่} รู้จักกันดี อนุภาคเหล่านี้อาจมีอยู่ในเอกภพในยุคแรก ๆ แต่เมื่อมันเย็นลงและหลังจากที่บิกแบงกระจายพลังงานอนุภาคเหล่านี้ก็ย้ายไปอยู่ในระดับพลังงานต่ำ

กล่าวได้ว่าสตริงสั่นขณะที่อนุภาคพลังงานสูงสูญเสียพลังงานทำให้กลายเป็นองค์ประกอบที่มีการสั่นสะเทือนต่ำ

นักวิทยาศาสตร์หวังว่า การสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ หรือการทดลองกับเครื่องเร่งอนุภาคจะยืนยันทฤษฎีเผยให้เห็นองค์ประกอบบางอย่างที่มีค่าพลังงานสูงกว่า

การวัดเพิ่มเติม

ผลทางคณิตศาสตร์อีกอย่างหนึ่งของทฤษฎีสตริงก็คือความรู้สึกในโลกที่มีมิติข้อมูลมากกว่าสาม ขณะนี้มีสองคำอธิบายสำหรับเรื่องนี้:

1. การวัดเพิ่มเติม (หกตัว) ขดหรือในคำศัพท์ของทฤษฎีสตริงบดอัดให้มีขนาดเล็กเหลือเชื่อซึ่งจะไม่มีวันรับรู้
2. เราติดอยู่ในมิติ 3 มิติและมิติอื่น ๆ จะขยายไปไกลกว่านั้นและไม่สามารถเข้าถึงได้สำหรับเรา

ทิศทางที่สำคัญของการวิจัยในหมู่นักทฤษฎีคือการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของวิธีการพิกัดเพิ่มเติมเหล่านี้สามารถเกี่ยวข้องกับของเรา ผลการวิจัยล่าสุดคาดการณ์ว่านักวิทยาศาสตร์จะสามารถตรวจจับมิติข้อมูลเพิ่มเติมเหล่านี้ (ถ้ามี) ในการทดลองที่กำลังจะมาถึงเนื่องจากอาจมีขนาดใหญ่กว่าที่คาดไว้ก่อนหน้านี้

ทำความเข้าใจกับเป้าหมาย

เป้าหมายที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการที่จะตรวจสอบ superstring คือ "ทฤษฎีของทุกสิ่งทุกอย่าง" นั่นคือสมมุติฐานทางกายภาพแบบรวมกันซึ่งในระดับพื้นฐานอธิบายถึงความเป็นจริงทางกายภาพทั้งหมด ถ้าประสบความสำเร็จเธอสามารถชี้แจงคำถามมากมายเกี่ยวกับโครงสร้างของจักรวาลของเราได้

คำชี้แจงเรื่องวัตถุและมวลชน

หนึ่งในงานหลักของการวิจัยสมัยใหม่คือการค้นหาวิธีแก้ปัญหาสำหรับอนุภาคจริง

ทฤษฎีสตริงเริ่มเป็นแนวคิดที่อธิบายถึงอนุภาคเช่นฮาร์บอร์โดยสถานะการสั่นที่สูงขึ้นของสตริง ในสูตรที่ทันสมัยที่สุดสิ่งที่สังเกตได้ในจักรวาลของเราเป็นผลมาจากการสั่นสะเทือนของสายและ branes ที่มีพลังงานต่ำสุด การสั่นสะเทือนที่มีพลังงานสูงทำให้เกิดอนุภาคพลังงานสูงซึ่งขณะนี้ยังไม่มีอยู่ในโลกของเรา

มวลของ อนุภาคมูลฐาน เหล่านี้แสดงให้เห็นว่าสายและทรานส์ถูกห่อไว้ในมิติเพิ่มเติมที่กระชับหรือไม่ ตัวอย่างเช่นในกรณีที่เรียบง่ายเมื่อพวกเขาจะรีดขึ้นในรูปแบบของโดนัทที่เรียกว่านักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์สตริงสามารถห่อแบบฟอร์มนี้ได้สองวิธี:

• ห่วงสั้น ๆ ผ่านตรงกลางของพรู
• ห่วงยาวรอบเส้นรอบวงรอบนอกทั้งหมดของพรู

ห่วงสั้นเป็นอนุภาคที่ง่ายและมีขนาดใหญ่มาก เมื่อห่อหุ้มสตริงรอบการวัดแบบกระชับรูป torus จะสร้างองค์ประกอบใหม่ที่มีมวลแตกต่างกัน

ทฤษฎีของ superstrings สั้นและเข้าใจได้ง่ายและอธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงของความยาวกับมวล การวัดที่ยุบลงมีความซับซ้อนมากกว่า torus แต่ในหลักการพวกเขายังใช้งานได้

บางทีแม้จะเป็นเรื่องยากที่จะจินตนาการได้ว่าสายรัดพรูในสองทิศทางในเวลาเดียวกันผลลัพธ์จะเป็นอีกอนุภาคที่มีมวลแตกต่างกัน Branes สามารถห่อมิติข้อมูลเพิ่มเติมเพื่อสร้างความเป็นไปได้มากยิ่งขึ้น

ความหมายของพื้นที่และเวลา

ในหลาย ๆ ทฤษฎีการวัด superstring ขึ้นทำให้พวกเขาไม่สามารถสังเกตได้ในระดับที่ทันสมัยของการพัฒนาเทคโนโลยี

ในปัจจุบันยังไม่ชัดเจนว่าทฤษฎีสายสามารถอธิบายลักษณะพื้นฐานของอวกาศและเวลาได้มากกว่าที่ Einstein ทำ ในการวัดของเธอเป็นพื้นฐานสำหรับการปฏิสัมพันธ์ของสตริงและไม่มีความหมายที่แท้จริง

มีการอธิบายข้อเสนอที่ยังไม่สมบูรณ์ครบถ้วนเกี่ยวกับการเป็นตัวแทนของพื้นที่ว่างเป็นส่วนหนึ่งของผลรวมของการติดต่อทั้งหมดของสตริง

วิธีนี้ไม่สอดคล้องกับความคิดของนักฟิสิกส์บางคนซึ่งนำไปสู่การวิจารณ์สมมติฐาน ทฤษฎีการแข่งขันของแรงโน้มถ่วงควอนตัมแบบวงเป็นจุดเริ่มต้นใช้ quantization ของพื้นที่และเวลา บางคนเชื่อว่าในที่สุดก็จะเป็นเพียงวิธีการเดียวกับสมมติฐานพื้นฐานที่เหมือนกัน

การหาปริมาณของแรงโน้มถ่วง

ความสำเร็จหลักของสมมติฐานนี้ถ้าได้รับการยืนยันจะเป็นทฤษฎีควอนตัมของแรงโน้มถ่วง คำอธิบายในปัจจุบัน ของแรงโน้มถ่วง ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปไม่เห็นด้วยกับฟิสิกส์ควอนตัม ข้อ จำกัด ในการใช้อนุภาคขนาดเล็กเมื่อพยายามสำรวจเอกภพในระดับที่เล็กมากนำไปสู่ความขัดแย้ง

การรวมกันของกองกำลัง

ในปัจจุบันมีนักฟิสิกส์รู้จักแรงโน้มถ่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่อ่อนแอและแรง จากทฤษฎีสตริงมันตามที่พวกเขาเคยแสดงออกทั้งหมดของหนึ่ง

ตามสมมติฐานนี้ตั้งแต่ต้นจักรวาลเย็นลงหลังจากบิกแบงการปฏิสัมพันธ์เดี่ยวครั้งนี้เริ่มแตกสลายลงในวันนี้

การทดลองที่มีพลังงานสูงจะช่วยให้เราสามารถค้นพบการรวมกันของกองกำลังเหล่านี้ได้แม้ว่าการทดลองดังกล่าวจะอยู่นอกเหนือการพัฒนาเทคโนโลยีในปัจจุบัน

ห้าตัวเลือก

หลังจากการปฏิวัติ superstring 1984 การพัฒนาได้ดำเนินการด้วยความเร็วไข้ ด้วยเหตุนี้แทนที่จะเป็นแนวคิดหนึ่ง ๆ จึงได้รับห้าประเภทชื่อ I, IIA, IIB, HO, HE ซึ่งแต่ละส่วนได้กล่าวถึงโลกของเราอย่างสมบูรณ์ แต่ไม่สมบูรณ์

นักฟิสิกส์การทบทวนทฤษฎีสตริงด้วยความหวังว่าจะหาสูตรสากลที่แท้จริงสร้าง 5 รุ่นที่พึ่งพาตนเองได้ คุณสมบัติบางอย่างของพวกเขาสะท้อนถึงความเป็นจริงทางกายภาพของโลกคนอื่นไม่สอดคล้องกับความเป็นจริง

M-ทฤษฎี

ในการประชุมเมื่อปีพศ. 2538 นักฟิสิกส์เอ็ดเวิร์ดวิทไทน์ได้เสนอแนวทางแก้ไขปัญหาห้าสมมติฐาน ขึ้นอยู่กับความเป็นคู่ที่เพิ่งค้นพบพวกเขาทั้งหมดกลายเป็นกรณีพิเศษของแนวคิดเดียวที่เรียกว่า Witten M-theory of superstrings หนึ่งในแนวคิดหลักของมันคือ branes (ย่อมาจากเมมเบรน) วัตถุพื้นฐานที่มีมากกว่า 1 มิติ แม้ว่าผู้เขียนไม่ได้เสนอเวอร์ชันเต็มซึ่งยังไม่พร้อมใช้งาน M-theory of superstrings ประกอบด้วยคุณสมบัติสั้น ๆ ดังนี้:

• 11 มิติ (10 มิติเชิงพื้นที่บวก 1 ครั้ง);
• ความเป็นคู่ซึ่งนำไปสู่ห้าทฤษฎีที่อธิบายถึงความเป็นจริงทางกายภาพเดียวกัน
• Branes เป็นสายที่มีมากกว่า 1 มิติ

การสอบสวน

เป็นผลให้แทนที่จะมีการตัดสินใจ ^10,500 ราย สำหรับนักฟิสิกส์บางคนนี่เป็นสาเหตุของวิกฤตขณะที่คนอื่น ๆ ยอมรับหลักธรรมมนุษย์ที่อธิบายคุณสมบัติของจักรวาลโดยการปรากฏตัวของเราในนั้น ก็ยังคงเป็นที่คาดหวังเมื่อนักทฤษฎีจะหาแนวทางอื่นในการกำหนดทิศทางทฤษฎี superstrings

การตีความบางอย่างบอกว่าโลกของเราไม่ใช่แค่คนเดียว รุ่นที่รุนแรงที่สุดให้การดำรงอยู่ของจำนวนอนันต์ของจักรวาลบางแห่งซึ่งมีสำเนาถูกต้องของเรา

ทฤษฎีของ Einstein คาดการณ์การดำรงอยู่ของพื้นที่พับซึ่งเรียกว่า wormhole หรือ Einstein-Rosen bridge ในกรณีนี้พื้นที่ห่างไกลทั้งสองแห่งเชื่อมต่อโดยทางเดินสั้น ๆ ทฤษฎีของ superstrings ช่วยให้ไม่เพียง แต่นี้ แต่ยังเชื่อมต่อจากจุดไกลของโลกคู่ขนาน แม้กระทั่งการเปลี่ยนแปลงระหว่างจักรวาลกับกฎทางฟิสิกส์ที่แตกต่างกันไป อย่างไรก็ตามเป็นไปได้ว่าทฤษฎีควอนตัมของแรงโน้มถ่วงจะทำให้การดำรงอยู่ของพวกเขาเป็นไปไม่ได้

นักฟิสิกส์หลายคนเชื่อว่าหลักการโฮโลแกรมเมื่อข้อมูลทั้งหมดที่มีอยู่ในปริมาตรของพื้นที่สอดคล้องกับข้อมูลที่บันทึกไว้บนพื้นผิวของมันจะช่วยให้เข้าใจแนวคิดเรื่องพลังงานได้มากขึ้น

บางคนเชื่อว่าทฤษฎีของ superstrings ช่วยให้หลายหลากของการวัดเวลาผลของการที่สามารถเดินทางผ่านพวกเขา

นอกจากนี้ภายในสมมุติฐานยังมีทางเลือกในการใช้รูปแบบของบิกแบงตามที่เอกภพของเราได้ปรากฏตัวขึ้นอันเป็นผลมาจากการชนกันของสอง branes และผ่านรอบการสร้างและการทำลายซ้ำ

ชะตากรรมที่ดีที่สุดของจักรวาลได้เสมอนักฟิสิกส์และทฤษฎีสตริงสุดท้ายจะช่วยในการกำหนดความหนาแน่นของสสารและค่าคงที่ของเอกภพ เมื่อรู้ความหมายเหล่านี้นักดาราศาสตร์จะสามารถกำหนดว่าจักรวาลจะหดตัวลงจนกว่าจะระเบิดเพื่อให้ทุกอย่างเริ่มต้นใหม่อีกครั้ง

ไม่มีใครรู้ว่า ทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ สามารถนำไปสู่การพัฒนาและทดสอบได้อย่างไร Einstein เขียนสมการ E = mc ² ไม่ได้คาดหวังว่าจะนำไปสู่การเกิดอาวุธนิวเคลียร์ ผู้สร้างฟิสิกส์ควอนตัมไม่รู้ว่ามันจะเป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างเลเซอร์และทรานซิสเตอร์ และแม้ว่าจะยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัดว่าแนวคิดทางทฤษฎีอย่างหมดจดนี้จะนำไปสู่ประวัติศาสตร์แสดงให้เห็นว่ามีบางอย่างโดดเด่น

รายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับสมมติฐานนี้สามารถดูได้จากหนังสือทฤษฎีของ Superstrings สำหรับ Dummies ของ Andrew Zimmermann