Етикети

От Насипни струн…

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, слабиятсилният заряд на частиците зависят също от характеристиките на трептенето. Същото важи и за частиците – вестоносци (взаимодействията) — фотони, междинни векторни бозони, глуони и гравитони (които засега съществуват само теоретично и не са открити експериментално).
и

„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 различни калибровъчни 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.

Според Общата теория на относителността (ОТО) пространство-времето се изменя плавно при наличието на маса. Според Квантовата механика (КМ) при разглеждане на достатъчно малки области от пространство-времето всичко търпи квантови флуктуации и не може да става дума за плавно изменение. Този нерешим досега проблем вече има своето решение.

Как се получава информация за даден обект? Като се обстрелва с други тела и се отчита тяхното отражение от повърхността на обекта. Съществува принцип, според който размерът на пробната частица определя долна граница на разстоянията, които можем да проучим.

Ускорителите ползват елементарни частици, за да изследват структурата на ускорените частици. В субатомни мащаби най-уместната мярка за чувствителността на пробното тяло е квантовата дължина на вълната му. Тази дължина е обратнопропорционална на енергията (Е) на частицата: Колкото по-висока Е има тя, толкова по-детайлно може да опише изследваното тяло.

При струните обаче увеличаването на Е не води до увеличаване на точността, защото над определена граница Е води до увеличаване размера на струната (разтяга се) и намаля чувствителността й към малки разстояния. Струната има два източника на „размазване„: квантовите трептения и собствения й размер. Като увеличаваме Е се намалява размазването от първия източник, но се увеличава размазването от втория.

Квантовите флуктуации се появяват при субпланкови дължини, но ако фундаменталният градивен блок на вселената не може да се ползва за наблюдение на тези флуктуации, нито този блок, нито нещо изградено от него не може да се повлияе от тези флуктуации. Струните един вид „размазват“ квантовата пяна и въпреки че не изглаждат пространство-времето изцяло, те елиминират несъвместимостта между ОТО и КМ. Безкрайностите в уравненията на физиците вече ги няма.

В Теорията на струните схващането, че можем да увеличаваме дадена област от пространството безгранично не е вярно. Съществува граница, която се появява преди да се сблъскаме с пагубните флуктуации. С други думи, щом не можем да „видим“ тези флуктуации, то те не съществуват.

Това решение ли е за проблема, или просто си затваряме очите за него?

В известен смисъл, проблемът с квантовата пяна се появява когато разглеждаме частиците като точки и когато изследваме безкрайно малки части от пространството — т.е. самите ние сме създали проблем (поради приемането за точков характер на частиците). Според новите правила (Теорията на струните) излиза, че има долна граница и не можем да разглеждаме по-малки зони от пространството.
„Така виждаме, че пагубните пространствени флуктуации са се получили в нашите теории, защото не сме знаели за тези ограничения и сме били подведени от модела на точковите частици да минем далеч отвъд пределите на физическата реалност.“ — „Елегантната вселена“, стр. 208

Приложеното клипче е само малка част от филма създаден от NOVA по книгата на Брайън Грийн.

Трите части на филма „Елегантната вселена“ може да вземете от тук:

Елегантната вселена – Епизод 1

Елегантната вселена – Епизод 2

Елегантната вселена – Епизод 3

Advertisements