Stygos (fizika): stygų teorijos sąvoka ir apibrėžimas
Stygos (fizika): aiškus stygų teorijos apibrėžimas — vienmatės vibruojančios elementarios dalelės, matmenų reikšmės ir Planko ilgio paaiškinimas.
Stygų teorijoje ir teorinėje fizikoje stygos apibrėžiamos kaip hipotetiniai, vienmatės erdvės objektai, kurie galėtų būti fundamentalių dalelių — elektronų, kvarkų, fotonų ir kt. — „mažesnės sudedamosios dalys“. Vietoje taškinių dalelių, tradiciškai vartojamų dalelių fizikoje, stygos yra vienmato ilgio objektai, kurie vibruodami skirtingais būdais atitinka skirtingas daleles ir jų savybes (masę, krūvį, spino). Dešinėje esančiame paveikslėlyje parodyta viena iš galimų kompaktifikuotų erdvių formų (Calabi–Yau), kuri gali leisti stygoms vibruoti papildomais už mūsų matomų trimatės erdvės + laiko ribų matmenimis.
Kas tai reiškia praktiškai?
Stygos vibruoja, o skirtingos vibracijos (standarinės harmonikos) interpretuojamos kaip skirtingos elementariosios dalelės. Keletas svarbių idėjų:
- Stygos gali būti uždaros (uždaros kilpos) arba atidarytos (turinčios galus).
- Uždaroje stygoje atsiranda vibracijos, kurias galima susieti su gravitonu — tai vienas iš pagrindinių argumentų, kodėl stygų teorija yra siūloma kaip gravitacijos ir kvantinės teorijos suvienijimo kandidatas (kvantinė gravitacija).
- Stygų savybės priklauso nuo stygos „įtampos“ (tension) ir charakteristinės ilgio skalės — stygos mastelis paprastai yra labai mažas, artimas Planko ilgiui.
Stygų ilgis būtų nustatomas pagal Planko ilgį. Apytiksliai:
l_p = sqrt(ħ G / c^3) 
Matmenys ir kompaktifikacija
Stygų teorija reikalauja papildomų erdvinių matmenų, kurių skaičius priklauso nuo konkrečios teorijos varianto:
- Bosoninė stygų teorija reikalauja 26 matmenų (erdvė + laikas), tačiau ji neturi fermionų ir susiduria su kitomis problemomis.
- Superstygų teorijos, kurios įtraukia supersimetriją, paprastai reikalauja 10 matmenų (9 erdviniai + 1 laiko).
- M-teorija, kuri gali jungti kelis superstygų modelius, dažnai minima kaip turinti 11 matmenų.
Kad papildomi matmenys nekliudytų mūsų pastebimam pasauliui, jie laikomi kompaktifikuotais — užmaunami labai mažu mastu (pvz., Calabi–Yau erdvės), todėl jų tiesiogiai nejaučiame kasdienėje makroskopinėje erdvėje.
Stygų tipai ir papildomos struktūros
- D-branos: daugiamatės objekto formos, prie kurių gali prisitvirtinti atviros stygos galai. D-branos vaidina svarbų vaidmenį modeliuojant dalelių sąveikas ir konstrukcijose, kurios stengiasi reprodukuoti Žvaigždžių fizi-ką.
- Supersimetrija (SUSY): daugelyje stygų modelių įvedama supersimetrija — simetrija tarp bosonų ir fermionų. Jei tokia simetrija egzistuoja gamtoje, ji turėtų pasireikšti didesnėse energijose; iki šiol eksperimentai (pvz., LHC) jos nepatvirtino.
- AdS/CFT ir holografinė dualybė: stygų teorija sukūrė galingų įrankių, pvz., Ads/CFT dualybę, leidžiančią tirti tam tikras kvantinės lauko teorijas per gravitinį ekvivalentą aukštesniame matmenyje.
Eksperimentinis statusas ir iššūkiai
Kol kas nėra tiesioginio eksperimentinio įrodymo, kad stygos egzistuoja. Pagrindiniai trukdžiai ir pastebėjimai:
- Stygų mastas paprastai artimas Planko skalėms, kuriai reikia energijų daug didesnių už šiuo metu pasiekiamas dalelių greitintuvuose.
- Teorija turi daug skirtingų sprendinių — „peizažą“ (landscape), kuriame yra labai daug galimų kompaktifikacijų, todėl sunku pateikti unikalius prognozavimo testus.
- Vis dėlto stygų teorija davė idėjų ir metodų, kurie taikomi kitose srityse: kvantinė informacija, kondensuotasis materija, gravitacinės bangos, ir kt.
Teorinės ir filosofinės implikacijos
Stygų teorija kelia fundamentalius klausimus apie tolygumą tarp fizikos teorijų, apie tai, ką laikyti „fundamentine“ dalelių aprašymo forma, ir apie matmenų prigimtį. Ji taip pat pasiūlė galimus sprendimus juodųjų skylų mikrostatiškai aprašant entropiją ir kitas kvantinės gravitacijos problemas.
Išvados
Stygų teorija yra plačiai tyrinėjama teorinė užuomina, siekianti suvienyti kvantinę mechaniką su gravitacija ir paaiškinti, kodėl pastebime tokias daleles ir sąveikas, kokias matome. Tačiau jos patvirtinimas reikalauja tiek naujų eksperimentinių duomenų, tiek tolesnio teorinio darbo, ypač sprendžiant problemą, kaip iš didelio galimų sprendinių kiekio išsirinkti vieną, atitinkančią mūsų Visatą.
Vis dar nežinoma, ar šios stygos iš tikrųjų egzistuoja — tai tebėra viena iš svarbiausių ir aktyviausiai tiriamų temų šiuolaikinėje teorinėje fizikoje. Jos lieka pagrindine stygų teorijos tema.
Susiję puslapiai
- M-teorija
Klausimai ir atsakymai
Klausimas: Kas yra stygos?
A: Stygos yra hipotetiniai objektai, kurie, kaip manoma, yra elementariosios visatos dalelės. Jei jos egzistuotų, tai būtų ne taškinės dalelės, o vienmatės energijos "stygos", vibruojančios įvairiuose matmenyse.
Klausimas: Kiek matmenų turi mūsų visata?
Atsakymas: Fizikai pripažįsta, kad mūsų visatoje yra bent 11 matmenų: Visatoje yra 1 laiko matmuo ir 10 erdvinių matmenų.
K: Kas yra Planko ilgis?
A: Planko ilgis yra matavimo vienetas, naudojamas stygų ilgiui nustatyti. Jis apskaičiuojamas imant kvadratinę šaknį iš hbar, padauginto iš G ir padalyto iš kubo (e_p=sqrt(hbar*G/c^3)).
Klausimas: Ar žinoma, ar šios stygos iš tikrųjų egzistuoja?
A: Kol kas nežinoma, ar šios eilutės iš tikrųjų egzistuoja. Jos yra beveik pagrindinė stygų teorijos tema.
K: Kokio tipo dalelės būtų stygos, jei jos egzistuotų?
A: Stygos būtų ne taškinės dalelės, o veikiau vienmatės energijos "stygos", vibruojančios įvairiuose matmenyse.
K: Kaip fizikai matuoja stygų ilgį?
A: Stygų ilgis būtų nustatomas pagal Planko ilgį, kuris apskaičiuojamas kvadratinę šaknį iš hbar padauginus iš G ir padalijus iš kubo (e_p=sqrt(hbar*G/c^3)).
K: Apie ką kalbama stygų teorijoje?
Atsakymas: Stygų teorija skirta nustatyti, ar šios stygos iš tikrųjų egzistuoja, ar ne - jos yra beveik pagrindinė stygų teorijos tema.
Ieškoti