Teorija struna za početnike

Naravno, strune svemira rijetko izgledaju kao one koje mi zamišljamo. U teoriji struna, one su nevjerojatno male vibrirajuće niti energije. Ove niti su više slične sitnim "elastičnim trakama", sposobne da se izvijaju, rastežu i stišću na sve načine. Sve to, međutim, ne znači da na njima nije moguće "svirati" simfoniju Svemira, jer prema mišljenju teoretičara struna, sve što postoji sastoji se od ovih "niti".

Protivrječnost fizike

U drugoj polovini XIX vijeka fizičarima se činilo da više nema ničega ozbiljnog što bi mogli otkriti u njihovoj nauci. Klasična fizika je smatrala da u njoj nema ozbiljnih problema, a sve u strukturi svijeta izgledalo je kao besprijekorno podešena i predvidljiva mašina. Nesreća, kao i obično, dogodila se zbog sitnice - jednog od malih "oblaka", još uvijek prisutnih na čistom, razumljivom nebu nauke. Ta sitnica je bila - prilikom računanja energije zračenja apsolutno crnog tijela (hipotetičkog tijela koje u potpunosti apsorbira svjetlost koja pada na njega, nezavisno od valne dužine).

Proračuni su pokazali da bi ukupna energija zračenja bilo kojeg apsolutno crnog tijela trebala biti beskonačno velika. Kako bi se izbjegla ova očigledna apsurdnost, njemački naučnik Max Planck je 1900. godine pretpostavio da vidljiva svjetlost, rendgenski zraci i ostali elektromagnetski talasi mogu biti emitirani samo određenim diskretnim dijelovima energije, koje je nazvao kvantima. Pomoću njih je uspio riješiti poseban problem apsolutno crnog tijela. Međutim, posljedice kvantne hipoteze za determinizam tada nisu bile shvaćene. Tek u 1926. godini drugi njemački naučnik, Werner Heisenberg, formulirao je poznati princip neodređenosti.

Srž njegove suštine leži u činjenici da, uprkos svim dotadašnjim tvrdnjama, priroda ograničava našu sposobnost predviđanja budućnosti na osnovu fizičkih zakona. Naravno, to se odnosi na budućnost i sadašnjost subatomske čestice. Otkriveno je da se one ponašaju potpuno drugačije od bilo čega u našem makro svijetu. Na subatomskom nivou, tkanje prostora postaje neravnomjerno i haotično. Svijet malih čestica je toliko burno i nerazumljivo da to proturječi zdravom razumu. Prostor i vrijeme u njemu su toliko iskrivljeni i isprepleteni da tamo nema običnih pojmovi lijevo i desno, gore i dolje, čak ni prije i poslije.

Ne postoji način da se sa sigurnošću kaže u kojoj se tačno tački prostora nalazi određena čestica u datom trenutku, niti koja je u tom trenutku njena količina gibanja. Postoji samo određena vjerovatnoća da će se čestica nalaziti u određenim oblastima prostora-vremena. Čestice na subatomskom nivou su kao da su "razmazane" po prostoru. Ali to nije sve, nije određen ni sam "status" čestica: u nekim slučajevima se ponašaju kao talasi, a u drugima ispoljavaju čestična svojstva. To je ono što fizičari nazivaju korpuskularno-valnim dualizmom kvantne mehanike.

Nivoi građe svijeta, sa slike:

  1. Makroskopski nivo - tvar
  2. Molekularni nivo
  3. Atomski nivo - protoni, neutroni i elektroni
  4. Subatomska razina - elektron
  5. Subatomska razina - kvarkovi
  6. Nivo struna

U Općoj teoriji relativnosti, kao u državi sa suprotnim zakonima, stvari su principijelno drugačije. Prostor se čini sličnim trampolini - glatkom tkaninom koju mogu savijati i rastezati objekti s masom. Oni stvaraju deformacije prostora-vremena - ono što osjećamo kao gravitaciju. Treba li reći da je čvrsta, pravilna i predvidljiva Opća teorija relativnosti u nepremostivom sukobu s "buntovnom buntovnicom" - kvantnom mehanikom, i kao posljedica, makrosvijet ne može "pomiriti" sa mikrosvijetom. Tu dolazi teorija struna kao pomoć.

2D-Univerzum. Graf poliedra E8 / ©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project Teorija Svega 2D-Univerzum. Graf poliedra E8 / ©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project Teorija Svega

Teorija struna ostvaruje san svih fizičara o ujedinjenju dvije fundamentalne, međusobno suprotstavljene teorije - Opće teorije relativnosti i kvantne mehanike, san koji nikada nije prestao mučiti najvećeg "cigana i skitnicu" Alberta Einsteina.

Mnogi naučnici su uvjereni da sve, od složenog plesa galaksija do ludog vrtloga subatomskih čestica, na kraju može biti objašnjeno samo jednim fundamentalnim fizičkim principom. Možda čak i jednim zakonom koji objedinjuje sve oblike energije, čestica i interakcija u nekoj elegantnoj formuli.

Opća teorija relativnosti opisuje jednu od najpoznatijih sila u Svemiru - gravitaciju. Kvantna mehanika opisuje tri druge sile: snažnu nuklearnu interakciju, koja povezuje protone i neutrone u atomima, elektromagnetizam i slabo nuklearno djelovanje, koje sudjeluje u radioaktivnom raspadu. Svaki događaj u svemiru, od jonizacije atoma do rođenja zvijezde, opisuje interakcija materije putem ovih četiri sile.

Korištenjem složene matematike uspjelo je pokazati da elektromagnetska i slaba nuklearna interakcija imaju zajedničku prirodu, sjedinjujući ih u jednu elektroslabu silu. Kasnije im se pridružila i snažna nuklearna interakcija - ali gravitacija im se nikako ne pridružuje. Teorija struna je jedan od najozbiljnijih kandidata za povezivanje svih četiri sile, što znači obuhvatiti sve pojave u Svemiru - stoga je ne bez razloga nazivaju "Teorijom Svega".

Na početku je bio mit

Do danas, daleko od svih fizičara su oduševljeni teorijom struna. A u njenom početku, ona je čak izgledala beskonačno daleko od stvarnosti. Sam njen nastanak - legenda.

Grafik beta-funkcije Eulera sa stvarnim argumentima / ©Flickr Grafik beta-funkcije Eulera sa stvarnim argumentima / ©Flickr

Krajem 1960-ih godina, mladi italijanski teorijski fizičar Gabriele Veneziano tražio je jednadžbe koje bi mogle objasniti snažne nuklearne interakcije - izuzetno snažan "ljepilo" koje povezuje jezgre atoma, spajajući protoni i neutrone zajedno. Prema legendi, jednom prilikom slučajno je naišao na prašnjavu knjigu o historiji matematike, u kojoj je pronašao funkciju staru dva stoljeća, prvi put zapisanu švicarskim matematičarem Leonardom Eulerom. Kakvo je bilo iznenađenje Veneziana kada je otkrio da funkcija Eulera, koju su dugi niz godina smatrali ničim drugim nego matematičkim kuriozitetom, opisuje tu snažnu interakciju.

Kako je stvarno bilo? Vjerovatno je formula postala rezultat dugogodišnjeg rada Veneziana, a slučajnost je samo pomogla da se napravi prvi korak ka otkriću teorije struna. Funkcija Eulera, čudesno objašnjavajući snažnu interakciju, dobila je novi život.

Na kraju, ta formula je zapala za oko mladom američkom teorijskom fizičaru Leonardu Susskindu, koji je primijetio da formula prvenstveno opisuje čestice koje nemaju unutarnju strukturu i koje mogu vibrirati. Ove čestice su se ponašale na način koji nije mogao biti opisan kao jednostavne tačkaste čestice. Susskind je shvatio - formula opisuje nit, sličnu elastičnoj traci. Ona nije samo mogla biti rastezana i stiskana, već je mogla oscilirati, izvijati se. Opisujući svoje otkriće, Susskind je predstavio revolucionarnu ideju o strunama.

Nažalost, većina njegovih kolega je hladno dočekala teoriju.

Standardni model

U to vrijeme, uobičajena nauka je predstavljala čestice kao tačke, a ne kao strune. Tokom mnogo godina, fizičari su proučavali ponašanje subatomskih čestica, sudarajući ih pri visokim brzinama i proučavajući posljedice tih sudara. Otkriveno je da je Svemir mnogo bogatiji nego što smo mogli zamisliti. To je bio pravi "demografski bum" elementarnih čestica. Studenti fizičkih fakulteta trčali su hodnicima vičući da su otkrili novu česticu - nedostajalo je čak i slova za njihovo označavanje. Ali, nažalost, u "porodilištu" novih čestica, naučnici nisu uspjeli pronaći odgovor na pitanje - zašto ih ima toliko mnogo i odakle dolaze?

Ovo je potaklo fizičare na neobično i zadivljujuće predviđanje - shvatili su da se sile koje djeluju u prirodi također mogu objasniti pomoću čestica. Drugim riječima, postoje čestice materije i postoje čestice prenositelji interakcija. Primjer takve čestice je foton - čestica svjetlosti. Što više ovih čestica-preanosioca - istih fotona kojima se razmjenjuju čestice materije, to svjetlost je svjetlija. Znanstvenici su predviđali da je upravo ovaj razmjena česticama-preanosiocima - isto ono što mi percipiramo kao silu. To je potvrđeno eksperimentima. Na taj način, fizičari su uspjeli približiti se Einsteinovom snu o ujedinjenju sila.

Naučnici vjeruju da ako se vratimo u trenutak odmah nakon Velikog praska, kada je Univerzum bio trilijarde stepeni vruć, čestice prenosioci elektromagnetizma i slabe nuklearne interakcije postale bi nerazdvojne i spojile bi se u jednu jedinstvenu silu, nazvanu elektroslaba sila. Ako se vratimo u vremenu još dalje, elektroslaba interakcija bi se spojila sa snažnom u jednu ukupnu "super silu".

Iako sve to još čeka svoje dokaze, kvantna mehanika je odjednom objasnila kako tri od četiri sile djeluju na subatomskom nivou. I to je objasnila na lijep i dosljedan način. Ova koherentna slika interakcija, na kraju, dobila je naziv Standardni model. Ali, nažalost, čak i u ovoj savršenoj teoriji postojao je jedan veliki problem - nije uključivala najpoznatiju silu na makro nivou - gravitaciju.

 

Uživali ste u ovom članku? Ostanite informisani tako što ćete se pridružiti našem newsletteru!

Komentari

Morate biti prijavljeni da biste ostavili komentar.

Srodni članci
Autor

Zanimljivosti se bave pisanjem privlačnih i edukativnih članaka, istražujući raznovrsne teme s dubokim razumijevanjem i živopisnim stilom pisanja. Naš profil odražava strast prema donošenju informacija na zanimljiv i pristupačan način, potičući čitatelje na učenje i razmišljanje.