В теории струн крошечные кусочки струны заменяют традиционные субатомные частицы.
Пол М. Саттер астрофизик в SUNY Stony Brook и Институте Флатирон, ведущий Спроси космонавта а также Космическое Радиои автор "Ваше место во Вселенной."Саттер внес эту статью Экспертные голоса Space.com: Op-Ed & Insights.
Теория струн надеется стать буквальной теорией всего, единой объединяющей структурой, которая объясняет все разнообразие и богатство, которое мы видим в космосе и в наших коллайдерах частиц, от того, как гравитация ведет себя к черту. темная энергия это почему электроны имеют массу, которую они делают. И хотя это потенциально мощная идея, которая, если ее разблокировать, полностью изменит наше понимание физического мира, она никогда не проверялась напрямую.
Тем не менее, существуют способы изучить некоторые из основ и потенциальных последствий струнная теория, И хотя эти тесты так или иначе не подтвердят теорию струн, они помогут поддержать ее. Давайте исследуем.
Возмущающая проблема
Однако сначала мы должны выяснить, почему теорию струн так сложно проверить. Есть две причины.
Струны теории струн невероятно малы, считается, что они находятся где-то примерно в масштабе Планка, примерно 10-34 метра в поперечнике. Это намного, намного меньше, чем все, что мы можем надеяться исследовать даже с нашими самыми точными инструментами. На самом деле струны настолько малы, что кажутся нам точечными частицами, такими как электроны, фотоны и нейтроны. Мы просто не можем смотреть прямо на строку.
С этой малостью связан энергетический масштаб, необходимый для исследования режимов, в которых теория струн действительно имеет значение. На сегодняшний день у нас есть два разных подхода к объяснению четыре силы природы, С одной стороны, у нас есть методы квантовой теории поля, которые обеспечивают микроскопическое описание электромагнетизма и двух ядерных сил. А с другой стороны мы имеем общая теория относительности, что позволяет нам понимать гравитацию как изгиб и искривление пространства-времени.
Для всех случаев, которые мы можем непосредственно изучить, использование одного или другого - это просто замечательно. Теория струн вступает в игру только тогда, когда мы пытаемся объединить все четыре силы в одном описании, которое действительно имеет значение только при самых высоких энергетических масштабах - настолько высоких, что мы никогда не сможем построить машину для достижения таких высот.
Но даже если бы мы могли разработать коллайдер частиц, чтобы непосредственно исследовать энергии квантовой гравитации, мы не смогли бы проверить теорию струн, потому что теория струн еще не завершена. Не существует У нас есть только те приближения, которые, как мы надеемся, приблизятся к реальной теории, но мы понятия не имеем, насколько мы правы (или неправы). Таким образом, теория струн не соответствует даже задаче прогнозирования, которую мы могли бы сравнить с гипотетическими экспериментами.
Космический блюз
Даже при том, что мы не можем достичь энергий, необходимых в наших коллайдерах частиц, чтобы действительно глубоко изучить потенциальный мир струн, 13,8 миллиардов лет назад вся наша вселенная была котлом фундаментальных сил. Возможно, мы могли бы получить некоторые строгие идеи, изучая историю большой взрыв.
Одно предложение, выдвинутое теоретиками струн, - это другой вид теоретической струны: космическая струна. Космические струны - это охватывающие вселенную дефекты в пространстве-времени, оставшиеся от самых ранних моментов Большого взрыва, и они являются довольно общим предсказанием физики тех эпох Вселенная.
Но космические струны это также могут быть строки, вытянутые из пуповины из теории струн, которые обычно настолько малы, что «микроскопический» - слишком большое слово, но растягиваются и растягиваются непрерывным расширением Вселенной. Поэтому, если бы мы нашли космическую струну, плавающую вокруг в космосе, мы могли бы внимательно изучить ее и проверить, действительно ли это предсказано теорией струн.
На сегодняшний день в нашей вселенной не найдено космических струн.
Тем не менее, поиск продолжается. Если бы мы нашли космическую струну, это не обязательно подтвердило бы теорию струн - нужно было бы проделать гораздо больше работы, теоретически и наблюдательно, чтобы отличить предсказание теории струн от версии «трещина в пространстве-времени».
Не такая суперсимметрия
Тем не менее, мы могли бы найти некоторые интересные подсказки, и одна из этих подсказок суперсимметрия, Суперсимметрия - это гипотетическая симметрия природы, которая связывает воедино все фермионы (строительные блоки реальности, такие как электроны и кварки) с бозонами (носителями сил, таких как глюоны и фотоны) под одной структурой.
Механизм суперсимметрии был впервые разработан теоретиками струн, но он стал огненным интересным путем для всех физиков высоких энергий, чтобы потенциально решить некоторые проблемы с Стандартная модель и делать прогнозы для новой физики. В рамках теории струн суперсимметрия позволяет струнам описывать не только силы природы, но и строительные блоки, что дает этой теории возможность действительно быть теорией всего.
Так что, если бы мы нашли доказательства суперсимметрии, это не доказало бы теорию струн, но это было бы важным шагом.
Мы не нашли никаких доказательств суперсимметрии.
Большой адронный коллайдер (LHC) был явно разработан для изучения суперсимметрии, или, по крайней мере, некоторых из самых простых и самых доступных версий суперсимметрии, путем поиска новых частиц, предсказанных теорией. БАК оказался совершенно пустым, даже без дуновения новой суперсимметричной частицы, полностью уничтожив все самые простые идеи суперсимметрии.
И хотя этот отрицательный результат не исключает теории струн, он также не выглядит слишком хорошо.
Будем ли мы когда-нибудь иметь доказательства хотя бы одного из подкреплений или побочных предсказаний теории струн? Невозможно сказать. Много надежд было возложено на суперсимметрию, которую пока не удалось реализовать, и остаются вопросы о том, стоит ли создавать коллайдеры еще больших размеров, чтобы попытаться усилить суперсимметрию, или нам следует просто сдаться и попробовать что-то еще.
- Как вселенная может иметь больше измерений
- Таинственные частицы, извергаемые из Антарктиды, бросают вызов физике
- Большой взрыв: Что на самом деле произошло при рождении нашей вселенной?
Узнайте больше, слушая эпизод «Стоит ли теория струн? (Часть 6: Вероятно, мы должны это проверить)» на подкасте Ask A Spaceman, доступном на Itunes и в Интернете по адресуhttp://www.askaspaceman.com, Благодаря Джону С., Захари Х., @edit_room, Мэтью Й., Кристоферу Л., Кризне В., Саяну П., Неха С., Захари Х., Джойсу С., Маурисио М., @shrenicshah, Паносу Т. ., Друв Р., Мария А., Тер Б., ОйСнови, Эван Т., Дэн М., Джон Т., @twblanchard, Ори, Кристофер М., @unplugged_wire, Джакомо С., Галли Ф. за вопросы, которые привели к этой части! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или подписавшись на Пола. @PaulMattSutter а также facebook.com/PaulMattSutter.
