Теория на струните

Теория на струните



В Теорията на струните частиците не се разглеждат като точки, а като микроскопични струни — едномерни нишки, трептящи с различни честоти. Големината на тези струни е от порядъка на планковата дължина, което значи, че те не могат да бъдат наблюдавани със съвременни уреди и методи.

Както струна на една цигулка може да трепти по безброй начини и на това разнообразие да се дължат различните ноти, така всяка струна трепти по различни начини и това води до различни маси и заряди на частиците.

Свойствата на дадена частица се определят от резонансното трептене на съответната й струна.

Енергията на една струна зависи от начина на трептене:

* малка амплитуда и голяма дължина на вълната — трептенето ще има по-малка енергия;
* голяма амплитуда и малка дължина на вълната — трептенето ще има по-голяма енергия.

От E = mc² следва, че колкото по-голяма енергия притежава трептящата струна, толкова по-голяма маса ще има частицата. Установено е, че електрическият, слабият и силниятзаряд на частиците зависят също от характеристиките на трептенето. Същото важи и за частиците - вестоносци (взаимодействията) — фотони, междинни векторни бозони, глуонии гравитони (които засега съществуват само теоретично и не са открити експериментално).

"За читателя със склонност към математиката отбелязваме, че връзката между формите на трептение на струната и силовите заряди може да бъде описана по-точно по следния начин. Когато движението на струната се квантува, нейните възможни трептения се представят като вектори в хилбертово пространство, както за всяка квантовомеханична система. Тези вектори могат да бъдат обозначени с техните собствени стойности в множество от комутиращи хермитови оператори. Сред тези оператори са хамилтонианът, чиито собствени стойности дават енергията и оттам масата на трептенето, както и оператори, генериращи различникалибровъчни симетрии, които теорията спазва. Техните собствени стойности дават силовите заряди, носени от съответното трептене." — от "Елегантната вселена" на Брайън Грийн, изд. "Изток-Запад", 2004 г., стр. 486 (бележка №7)

Важен резултат от теорията на струните е фактът, че допреди нея всяка различна частица се считала за различен вид материя. Теорията на струните твърди, че всички частици (и взаимодействия) са от една и съща "материя" — струни, които трептят различно.
Струните в теорията на струните могат да бъдат изследвани само теоретично с математически модели. Физиците ги "дърпат" и установяват каква е тяхната коравина и чрез подобни изчисления е доказано, че струната, отговаряща на гравитона, при трептенето си има мега-колосално напрежение със стойност 10^39 тона (т. нар. планково напрежение). Изводът е, че фундаменталните струни са изключително корави!

От този факт произлизат няколко заключения:

1. Размерите на струната трябва да са много малки
от порядъка на планковата дължина

2. Енергията на струната трябва да е много висока
колкото по-корава е тя, толкова повече енергия е нужна да се разтрепти

Енергията на струната зависи от две неща:

* начина на трептене (по-буйно трептене значи по-висока енергия)
* напрежението на струната (по-напрегната струна значи повече енергия)

Съгласно квантовата механика всяка струна има дискретна стойност на енергията (някакво цяло число по някаква минимална енергия). Тази минимална енергия е пропорционална на напрежението и на броя върхове и падове на трептенето, а цялото число е пропорционално на амплитудата на трептенето.

След като мин. енергия е пропорционална на напрежението, а то е огромно, то тя също е огромна (за мащабите на елементарните частици). От тази планкова енергия и формулата на Айнщайн E = mc² се получава каква маса съответства на струната — планкова маса (10^19 пъти по-голяма от тази на протона). Възниква въпрос:

Ако "естествената" енергийна скáла е 10 милиарда милиарда пъти по-голяма от тази на протона, как е възможно да има значително по-леки частици като електрони, фотони, кварки?

Решението на този привиден парадокс се крие пак в квантовата механика. От принципа на неопределеността знаем, че нищо никога не е в пълен покой, включително струните. През 70-те години на миналия век е доказано, че трептенията могат взаимно да се неутрализират. Енергията на струните се оказва намалена, което отговаря на действителността. За някои частици неутрализирането е пълно, което води до нулева маса (неутриното). Леките частици обаче са по-скоро изключения. Много по-типични са тежките частици (високо-енергийните трептения).

3. Струните могат да трептят по безкраен брой начини
"видовете" частици трябва да са безкраен брой

За да бъде доказано това е нужен ускорител на частици милиарди пъти по-мощен от сегашните. Има и друг начин обаче. При раждането на вселената енергиите са били достатъчно високи, за да се образуват много тежки частици. Животът им е много кратък и те бързо се разпадат на по-леки, но не е изключено някъде из дълбините на космоса все още да има останали тежки частици. Тяхното евентуално откритие ще е монументално събитие в света на физиката.