Stīgas (stīgu teorija) — viendimensiju daļiņas un to loma fizikā
Stīgas — iepazīsti stīgu teoriju: viendimensiju daļiņas, to vibrācijas, loma fizikā, saikne ar Planka garumu un daudzdimensionālo Visumu.
Stīgu teorijā un teorētiskajā fizikā stīgas ir hipotētiski objekti, kas tiek uzskatīti par Visuma elementārdaļiņām. Ja tās pastāvētu, tās nebūtu punktveida daļiņas, bet gan viendimensiju enerģijas "stīgas", kas vibrē dažādās dimensijās. Attēlā pa labi ir attēlotas dažādas iespējamās dimensijas, kurās varētu vibrēt stīga. (Pašlaik fiziķi pieņem faktu, ka mūsu Visumā ir vismaz 11 dimensijas: 1 laika dimensija un 10 telpiskās dimensijas.) Stīgu garumu nosaka Planka garums:
e p = ℏ G c 3 {\displaystyle e_{p}={\sqrt {\frac {\hbar G}{c^{3}}}}} 
Joprojām nav zināms, vai šīs virknes patiešām eksistē. Tās ir strūnu teorijas galvenais temats.
Kas ir stīgas — īss pārskats
Stīgas traktē kā mazas, viendimensiju "vijas" vai cilpas, kuru dažādās vibrācijas režīmos parādās kā dažādas elementārdaļiņas — elektroni, fotoni, kvarki u. c. Tā vietā, lai katra daļiņa būtu punktveida, to īpašības (masa, lādiņš, spins u. tml.) noteiktu stīgas vibrācijas stāvoklis. Šī ideja piedāvā vienu vienotu pamatu visu fundamentālo mijiedarbību un daļiņu īpašību aprakstam.
Galvenās iezīmes un jēdzieni
- Atvērtās un slēgtās stīgas: stīga var būt atvērta (ar galiem) vai slēgta (cilpa). No to vibrācijām rodas dažādas daļiņas; piemēram, gravitona kandidāts parasti parādās slēgtās stīgas kvantu režīmā.
- Supersistēmas un superstīgu teorijas: lai iekļautu fermionus (materiālas daļiņas) un novērstu nevēlamus kvantu anomālijas, lielākā daļa modernu formulējumu ietver supersimetriju — simetriju starp bosoniem un fermioniem.
- Daudzdimensionāls telpas lauks: stīgu teorijas prasa papildus telpiskās dimensijas. Lai tās būtu saderīgas ar mūsu novērojumiem, papildu dimensijas tiek "kompaktificētas" uz ļoti maziem ģeometriskiem objektiem (piemēram, Calabi–Yau daudzveidības).
- Planka skala: raksturīgā garuma mērogs, kurā stīgu efekti kļūst nozīmīgi, ir Planka garums ≈ 1.616×10^−35 m. Tas ir ievērojami mazāks par mūsdienu eksperimentu mērogiem, tādēļ tieša novērošana ir tehniski ārkārtīgi sarežģīta.
Stīgu teoriju klasifikācija un M-teorija
Astoloģiski strūnu teoriju attīstība 20. gadsimta 80.–90. gados noveda pie vairākiem savstarpēji saistītiem modeļiem: Type I, Type IIA, Type IIB, heterotiskā SO(32) un heterotiskā E8×E8. Vēlāk tika ierosināta M-teorija, kas tiek uzskatīta par plašāku 11-dimensiju teoriju, no kuras šie pieci stīgu teoriju veidi var tikt iegūti kā dažādi ierobežojumi vai vakuuma konfigurācijas. M-teorijā parādās arī tādas papildu objektu klases kā D-brānas — daudzdimensiju "plāksnes", uz kurām var „pieslēgties" atvērtās stīgas.
Kā stīgas saista dažādas daļiņas un mijiedarbības
Stīgas vibrācijas režīmi kvantīgi atbilst dažādiem lauka kvantiem: viens režīms var dot fotonu, cits — kvarku, vēl cits — gravitonu. Tādā veidā stīgu teorija sola vienot kvantu lauka teorijas aprakstu ar gravitācijas teoriju (vispārējo relativitāti) vienā matemātiskā ietvarā.
Eksperimentālā pārbaude un problēmas
- Grūta pārbaudāmība: tipiskā enerģija, kurā stīgas kļūst acīmredzamas, ir tuvu Planka enerģijai (~10^19 GeV) — daudz virs modernajām sadursmju laboratorijām. Tāpēc tieša eksperimentāla novērošana ir pagaidām nerisināma.
- Netiešas pārbaudes: meklē iespējas kosmoloģijā (piem., kosmiskās mikrobangām vai gravitācijas viļņos) vai ļoti precīzos zemas enerģijas eksperimentiem, taču šie signāli bieži ir netieši un var tikt interpretēti arī citos modeļos.
- Teorētiskās grūtības: pastāv milzīgs "vakua ainavas" skaits (daudzveidību komplekss ar dažādām kompaktifikācijām), kas apgrūtina unikāla mūsu Visumam atbilstoša risinājuma atrašanu. Tāpat joprojām nav pilnībā saprasts, kā veikt pilnīgu, neperturbatīvu teorijas definīciju visos reģimos.
Ieguvumi teorētiskajā fizikā
Pat bez tiešas eksperimentālas apstiprināšanas stīgu teorija ir veicinājusi būtiskus matemātikas un fizikas sasniegumus: jaunu saikņu atklāšana starp ģeometriju un lauka teoriju (piemēram, mirror symmetry Calabi–Yau ģeometrijā), AdS/CFT dukalētātes attīstība (Maldacena dualitāte), kā arī jaunas idejas par melnajām caurumu kvantizāciju un entropiju. Šīs idejas ir dārgas teorētiskajām metodēm un var dot rezultātus arī ārpus pašu stīgu teorijas.
Secinājums
Stīgu teorija piedāvā elegantu, matemātiski bagātu pieeju, lai sapludinātu kvantu mehāniku un gravitāciju, pārvēršot punktveida daļiņas par vibrējošām viendimensiju struktūrām. Tomēr līdzīgas teorijas eksperimentāla apstiprināšana joprojām ir atklāta problēma. Lielākā daļa rezultātu līdz šim ir teorētiski un konceptuāli — tie prasa vai nu ļoti jaunas eksperimentālās metodes, vai rūpīgu, starpdisciplināru sadarbību starp fizikām un matemātikām, lai izstrādātu praktiski pārbaudāmas prognozes.
Saistītās lapas
- M-teorija
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir stīgas?
A: Stīgas ir hipotētiski objekti, kurus uzskata par Visuma elementārdaļiņām. Ja tās eksistē, tad tās nebūtu punktveida daļiņas, bet gan viendimensiju enerģijas "stīgas", kas vibrē dažādās dimensijās.
Jautājums: Cik dimensiju ir mūsu Visumam?
Atbilde: Fiziķi atzīst, ka mūsu Visumā ir vismaz 11 dimensijas: 1 laika dimensija un 10 telpiskās dimensijas.
J: Kas ir Planka garums?
A: Planka garums ir mērvienība, ko izmanto virkņu garuma noteikšanai. To aprēķina, ņemot kvadrātsakni no hbar reiz G, kas dalīts ar kubu (e_p=sqrt(hbar*G/c^3)).
Vai ir zināms, vai šīs virknes patiešām eksistē?
A: Joprojām nav zināms, vai šīs virknes patiešām eksistē. Tās ir stīgu teorijas galvenais temats.
J: Kāda veida daļiņas būtu stīgas, ja tās pastāvētu?
A: Stīgas nebūtu punktveida daļiņas, bet gan viendimensiju enerģijas "stīgas", kas vibrē dažādās dimensijās.
J: Kā fiziķi mēra stīgu garumu?
A: Stīgu garumu noteiktu pēc Planka garuma, ko aprēķina, ņemot kvadrātsakni no hbar reiz G, kas dalīts ar kubu (e_p=sqrt(hbar*G/c^3)).
J: Par ko ir stīgu teorija?
A:Stīgu teorija ir saistīta ar to, lai noteiktu, vai šīs stīgas patiešām eksistē - tās ir diezgan lielā mērā stīgu teorijas galvenais temats.
Meklēt