Teorija struna spada među najambicioznije ideje moderne fizike. Prema njoj, sve čestice u svemiru nisu točkaste, već predstavljaju nevjerojatno sitne, titrajuće strune energije. Fizičari se nadaju da će ovom teorijom objediniti sve sile prirode u jedan okvir.
Ako pitate teoretičare, subatomske čestice zapravo ne predstavljaju krajnje gradivne blokove materije. Strune igraju tu ulogu.
Što teorija struna tvrdi i zašto je važna
Fizičari su zamijenili klasičnu sliku čestica kao točaka s jednostavnim nitima koje titraju. Svaki način titranja stvara drugu česticu, recimo elektron ili kvark. Teorija struna jedina prirodno uključuje graviton, česticu koja prenosi gravitaciju, pa tako nudi most između kvantne mehanike i gravitacije.
Kako vibrirajuće strune zamjenjuju točkaste čestice
Standardna fizika tretira čestice kao točke bez dimenzija. Teorija struna predlaže nešto zanimljivije: najmanji dijelovi materije su jednodimenzionalne strune, duge oko Planckove duljine (otprilike 10⁻³⁵ metara).
Strune mogu biti:
- Otvorene (imaju dva kraja)
- Zatvorene (čine petlju)
Svaka struna titra na svoj način, a taj način određuje koja čestica nastaje. Ovakav pristup izbjegava problem beskonačnosti koji muči kvantnu fiziku kad se čestice promatraju kao točke.
Zašto su elektron, kvarkovi i druge osnovne čestice različiti modovi titranja
Neki fizičari uspoređuju strune s glazbenim žicama. Kao što žica na gitari može proizvesti različite tonove, tako i struna može titrati na više načina i stvoriti razne čestice.
| Čestica | Svojstvo koje određuje mod titranja |
|---|---|
| Elektron | Masa, električni naboj, spin |
| Kvark | Boja, naboj, okus |
| Foton | Nema mase, spin 1 |
| Graviton | Nema mase, spin 2 |
Elektroni, kvarkovi i ostale čestice iz standardnog modela nisu odvojene vrste objekata. Sve su to isti objekt koji titra na različite načine. Ova ideja prilično je radikalna, ali i fascinantna.
Kako teorija pokušava spojiti kvantnu mehaniku i gravitaciju
Kvantna mehanika opisuje tri od četiri osnovne sile: elektromagnetizam, jaku i slabu nuklearnu silu. Gravitacija, koju je Einstein opisao općom relativnošću, jednostavno se ne uklapa u taj okvir.
Fizičari vjeruju da teorija struna može riješiti taj problem. Ona prirodno stvara česticu zvanu graviton – nositelja gravitacije – kao jedan od načina titranja zatvorene strune.
- Kvantna mehanika i gravitacija napokon dijele isti matematički okvir.
- Teorija izbjegava beskonačnosti koje muče druge pristupe kvantizaciji gravitacije.
- Otvara se mogućnost da sve četiri sile potječu iz istog izvora.
Možda zato teorija struna i dalje zaokuplja pažnju fizičara diljem svijeta.
Dimenzije, brane i širi okvir teorije
Teorija struna funkcionira ispravno samo ako svemir ima više od četiri dimenzije. M-teorija čak predviđa jedanaest dimenzija. Brane, višedimenzionalni objekti, u tom okruženju dobivaju važnu ulogu.
Zašto teorija traži dodatne dimenzije
Kad fizičari rješavaju jednadžbe teorije struna, dobiju smislen rezultat samo ako prostor ima više od tri dimenzije. Točan broj varira, ali najčešće se spominje deset dimenzija (devet prostornih i jedna vremenska).
Zašto ne vidimo te dodatne dimenzije? One su kompaktificirane, što znači da su smotane same u sebe na toliko sitnoj skali da ih instrumenti ne mogu otkriti. Možda je najlakše zamisliti to kao vrtno crijevo – izdaleka izgleda kao linija, ali izbliza ima kružni presjek.
Što znače 11 dimenzija i M-teorija
Do sredine 90-ih znanstvenici su razvili pet različitih verzija teorije struna. Edward Witten je 1995. pokazao da su to samo posebni slučajevi jedne šire teorije, nazvane M-teorija.
M-teorija zahtijeva 11 dimenzija i uključuje ne samo strune, nego i objekte s više dimenzija. Witten nije nikad jasno rekao što “M” znači – neki nagađaju da je to “membrana”, drugi kažu “magija” ili “misterij”.
Uloga brana i kako mijenjaju sliku svemira
Brane (skraćeno od “membrane”) predstavljaju višedimenzionalne objekte u teoriji struna.
- 0-brana: točka
- 1-brana: struna
- 2-brana: površina (membrana)
- p-brana: bilo koji p-dimenzionalni objekt
Jedna od zanimljivijih ideja: naš svemir može biti trodimenzionalna brana koja se nalazi u višedimenzionalnom prostoru, tzv. bulk-u. Prema nekim teorijama, drugi svemiri mogu postojati kao odvojene brane, a sudar dviju brana mogao bi izazvati Veliki prasak.
Najvažnije ideje i poznata imena u razvoju polja
Razvoj teorije struna obilježile su dualnosti koje su pokazale da su različite verzije zapravo povezane. AdS/CFT korespondencija otvorila je vrata primjenama izvan same fizike čestica. U ovom području posebno se ističu Witten, Maldacena i Greene.
Dualnosti kao most između različitih verzija teorije
Dualnosti su matematičke veze koje povezuju naizgled različite teorije i pokazuju da opisuju istu stvarnost.
- T-dualnost: teorija na malom krugu jednaka je teoriji na velikom krugu
- S-dualnost: jaka sprega u jednoj teoriji jednaka je slaboj u drugoj
- M-teorijska dualnost: svih pet verzija superstruna su posebni slučajevi M-teorije
Ove dualnosti nisu samo matematička igra – one ukazuju na dublju, zajedničku strukturu među svim tim teorijama.
AdS/CFT i holografski princip
AdS/CFT korespondencija, koju je Juan Maldacena predložio 1997., spada među najvažnije rezultate u ovom području. Ona tvrdi da teorija gravitacije u (n+1)-dimenzionalnom anti-de Sitterovom prostoru (AdS) odgovara kvantnoj teoriji polja bez gravitacije na n-dimenzionalnoj granici tog prostora (CFT).
To je primjer holografskog principa: opis cijelog volumena prostora može se “spremiti” na njegovu granicu, kao što hologram na ravnoj površini sadrži trodimenzionalnu sliku.
AdS/CFT koristi se za proučavanje:
- Crnih rupa
- Kvark-gluon plazme
- Sustava kondenzirane materije
Edward Witten, Juan Maldacena i Brian Greene u popularizaciji i razvoju
| Osoba | Doprinos |
|---|---|
| Edward Witten | Formulirao M-teoriju (1995.), dobitnik Fieldsove medalje 1990. |
| Juan Maldacena | Otkrio AdS/CFT korespondenciju (1997.) |
| Brian Greene | Popularizirao teoriju struna knjigama “The Elegant Universe” i “The Fabric of the Cosmos” |
| Roger Penrose | Kritičar teorije struna; zagovara alternativne pristupe kvantnoj gravitaciji |
Witten je jedini fizičar koji je osvojio Fieldsovu medalju, što je u matematici ekvivalent Nobelovoj nagradi. Maldacenin rad o AdS/CFT citira se više nego ijedan drugi u fizici visokih energija. Greene je, kroz svoje knjige i dokumentarce, približio teoriju struna široj publici.
Što teorija danas može objasniti, a što još ne
Teorija struna pruža matematički okvir koji povezuje zakrivljenost prostora i kvantnu gravitaciju. Neke njezine ideje bacaju novo svjetlo na Veliki prasak, ali, ruku na srce, eksperimentalna provjera i dalje ostaje najveći kamen spoticanja.
Od zakrivljenosti prostora do kvantne gravitacije
Opća relativnost opisuje zakrivljenost prostora i gravitaciju na velikim skalama. Teorija struna ne proturječi tome, već ide dalje i nudi kvantni opis gravitacije putem gravitona.
Zanimljivo je da teorija struna na ovom području:
- Objašnjava Bekenstein-Hawkingovu entropiju crnih rupa u nekim slučajevima.
- Daje matematički okvir bez onih beskonačnih rezultata koji zadaju muke standardnoj kvantizaciji gravitacije.
- AdS/CFT omogućuje konkretne izračune u jakim gravitacijskim poljima.
Može li pomoći u razumijevanju Velikog praska
Teorija struna nudi nekoliko scenarija za nastanak svemira, koji idu dalje od standardnog modela Velikog praska.
Primjerice, ekpirotički model predviđa da sudar dviju brana uzrokuje Veliki prasak. Zatim, postoji ideja cikličkog svemira, gdje se svemiri povremeno sudaraju i stalno stvaraju iznova.
Tu je i krajolik teorije struna, s nevjerojatno velikim brojem mogućih svemira (neki spominju 10⁵⁰⁰ varijanti), među kojima je naš samo jedan.
Za sad, znanstvenici nisu eksperimentalno potvrdili nijedan od ovih scenarija. Ipak, oni nude zanimljive i matematički dosljedne alternative standardnoj kozmologiji.
Glavne kritike i problem eksperimentalne potvrde
Teorija struna već dugo izaziva ozbiljne prigovore.
Prvo, nitko još nije smislio način da je opovrgne – nije falsificibilna. Zvuči frustrirajuće, zar ne?
Osim toga, ima previše slobode. Postoji ogroman broj mogućih rješenja, pa svako opisuje neki svoj svemir.
Još jedna stvar: nikakva eksperimentalna predviđanja nisu potvrđena u laboratoriju. To baš i ne ulijeva povjerenje.
I naravno, Veliki hadronski sudarač (LHC) nije pronašao supersimetriju, iako je ona ključna za cijelu teoriju.
Roger Penrose i još neki fizičari tvrde da teorija struna bez eksperimentalne potvrde ne može biti prava fizikalna teorija.
No, neki zagovornici vole istaknuti da već sama matematička konzistentnost i objedinjavajuća moć teorije predstavljaju vrijedan napredak.
