Stygų teorija

Bendros žinios

Nuo pat stygų teorijos kaip dvigubo rezonanso modelio, aprašančio stipriai sąveikaujančius hadronus kaip stygas, gimimo, sąvoka „Stygų teorija” pasikeitė įtraukdama bet kokią susijusią superstygų teorijų grupę ir jas suvienydama. Viena bendra šių teorijų savybė yra holografinis principas. Stygų teorija gali turėti daug formuluočių, kurių kiekviena turi skirtingą matematinę struktūrą ir kiekviena geriausiai aprašo skirtingas fizikines sąlygas. Tačiau bendri principai visoms teorijoms, abipusiškas nuoseklumas ir faktas, kad kai kurios iš jų gali paaiškinti standartinį dalelių fizikos modelį, daugeliui mokslininkų leido tikėti, kad teorija yra teisingas fundamentalus gamtos aprašymas. Tačiau svarbiausia, kad stygų teorija yra pagrindinė kandidatė tapti Visko Teorija (TOE) – teorija, kuri tvarkinga matematine sistema aparašytų visas sąveikas ir materiją. Tokia teorija dar vadinama M teorija.
Daug šios teorijos priešininkų kritikuoja stygų teoriją, nes ji dar nedavė kiekybinių eksperimentinių rezultatų. Kaip ir visos kitos kvantinės gravitacijos teorijos, ši taip pat nurodo, kad tiesioginis eksperimentinis teorijos tikrinimas reikalautų neįmanomai brangių inžinerijos žygdarbių ir išradimų. Jei ir yra griežtų netiesioginių teorijos testų, jie dar nežinomi.
Stygų teorija yra daugybės fizikų dėmesio centras, nes ji reikalauja naujų matematinių ir fizikinių idėjų, kurios būtų sujungtos su labai skirtingomis matematinėmis formuluotėmis. Viena iš viską apimančių idėjų yra 11 dimensijų M teorija, reikalaujanti, kad erdvėlaikis turėtų 11 dimensijų – kitaip nei mums įprastos trys erdvės ir viena laiko dimensija. Originalios stygų teorijos nuo 1980 metų aprašo specialias M teorijos sąlygas, kur 11-oji dimensija yra kompaktifikuota (labai trumpa linija ar mažo spindulio apskritimas) ir, jei tokios formuluotės yra laikomos fundamentaliomis, tada stygų teorija reikalauja 10-ies dimensijų. Tačiau teorija aprašo ir mums įprastą visatą su keturmačiu erdvėlaikiu ir atvejus, kur koordinatė 10-matėje erdvėje apibrėžiama ne realiais skaičiais, o visai kitokio tipo matematiniais dydžiais. Taigi, erdvėlaikio sąvokos supratimas stygų teorijoje nėra fiksuotas tam tikra sąvoka: erdvėlaikis geriausiai suprantamas kaip esantis skirtingas skirtingose sąlygose.
Stygų teorija įtraukia ir bendresnius nei stygos objektus, vadinamus Branomis (angl. vadinamų brane, sutrumpinimas iš „membranų„). Ši sąvoka apima skirtingų objektų įvairovę – D-branas, juodas p-branas, Neveu-Švarco 5-mates branas. Tai yra išplėsti objektai, krūvio šaltiniai, vektorinio potencialo elektromagnetinio lauko diferencialinės formos apibendrinimams. Šie objektai yra susiję vieni su kitais dvilypumų įvairove. Juodosios bedugnės tipo p-branos yra identifikuojamos su D branomis, kurios yra stygų galiniai taškai, o toks identifikavimas vadinamas kalibraciniu gravitacijos dualumu (angl. Gauge-gravity duality). Tokio ekvivalentiškumo tyrimas leido naujai pažvelgti į kvantinę chromodinamiką.
Stygų teorijoje elektronai ir kvarkai yra ne taškiniai objektai, o viendimensinės stygos. Šios stygos gali judėti ar vibruoti taip sukurdamos skirtingas stebimas daleles su skirtingu aromatu, krūviu, mase ar sukiniu. Stygos sudaro uždaras kilpas ir kartais paviršius, vadinamus D-branomis, kurie gali atsidaryti į viendimensines linijas. Stygos galiniai taškai gali prasiskverbti pro D-braną. Stygų teorija yra gravitacijos teorija, Bendrosios reliatyvumo teorijos (BRT) plėtotė ir klasikinė stygų ir branų interpretacija teigianti, kad tai yra kvantmechaniškai vibruojančios, turinčios krūvį išplėstos juodosios bedugnės.
Viską apimantis fizikinis „žvilgsnis” už stygos teorijos yra Holografinis principas, kuris sako, kad juodosios bedugnės paviršiaus svyravimų apibrėžimas taip pat turi aprašyti ir aplink ją esantį erdvėlaikį. Holografija reikalauja, kad mažų dimensijų teorija, aprašanti horizonto fliuktuacijas, baigsis aprašydama viską, kas gali kristi į bet ką. Todėl juodosios bedugnės horizonto teorija turėtų būti visko teorija (TOE). Randant bent vieną pilną holografinį aprašymą, pirmumas atrodo kaip ilga sąskaita, nes turi būti atsietas nelokalus kvantinės gravitacijos aprašymas. Stygų teorijoje yra ne vienas toks aprašymas, jų yra net keletas, kurių kiekvienas aprašo horizontų su skirtingais krūviais ir dimensijomis fliuktuacijas ir visus juos kartu pritaiko. Taigi, tie patys fizikiniai objektai ir sąveikos gali būti aprašomi viendimensinių juodųjų bedugnių horizontų fliuktuacijomis, arba taškiniais horizontais. Faktas, kad tokie skirtingi aprašymai aprašo tą pačią fiziką yra įrodymas, kad stygų teorija yra nuosekli.
Paprastos astronominės juodosios bedugnės neturi tinkamo holografinio aprašymo, nes turi Hokingo temperatūrą. Stygų teorija formuluojama šaltoms juodosioms bedugnėms, kurios turi tokį didelį krūvį, koks tik įmanomas. Pirmoji holografinė teorija aprašė viendimensinių stygų sklaidą, mažas vibruojančio horizonto, įkraunamo dvejeto formos vektoriniu potencialu, kilpas. Šis potencialas padaro juodąją bedugnę vienmate linija. Šios linijos horizonto fliuktuacijos aprašo visą materiją, taigi, kiekviena elementari dalelė gali būti aprašoma kaip stygos ar kilpos (ar net jos dalies) svyravimo moda. Stygos ilgis yra apytiksliai lygus Planko ilgiui, bet gali būti ir ženkliai didesnis, kai stygos silpnai sąveikauja.

Stygų teorijos objektai

Visos stygų teorijos pranašauja laisvės laipsnių egzistavimą, kurie vadinami „ekstra dimensijomis“. Be fermionų, bozoninės stygos gali svyruoti plokščiame, bet nestabiliame 26 dimensijų erdvėlaikyje. Superstygų teorijoje, kuri aprašo fermionus, silpno jungimosi (be sąveikos) riba aprašo stabilų 10 dimensijų erdvėlaikį. Sąveikaujančios superstygų teorijos yra geriausiai suprantamos kaip 11 dimensijų supergravitacijos teorijos, vadinamos M teorija, konfiguracijos, kur viena ar daugiau dimensijų yra kompaktiškos- ,,užlankstytos” taip, kad linijiškai išplėsta krūvį turinti juodoji bedugnė tampa ilga ir lengva. Ilgos ir lengvos stygos gali vibruoti skirtinguose rezonansiniuose dažniuose, o kiekvienas rezonansinis dažnis aprašo skirtingą dalelės tipą. Todėl stygų ribose bet kokia elementari dalelė turi būti suprantama kaip vibruojanti plona linija o ne taškas. Styga gali vibruoti skirtingomis modomis sukurdama skirtingas daleles lygiai taip pat, kaip gitaros styga gali išgauti skirtingas natas.
Vienintelis būdas kaip stygos gali sąveikauti yra išplitimas ir tolygus susijungimas. Neįmanoma apžvelgti pasirinktos sutartinės medžiagos, sudarytos iš taškinių dalelių, kurios sąveikauja su stygomis susidūrimų metu, nes dalelės gali kristi į juodąją bedugnę ir holografija reikalauja, kad tai turi pasirodyti kaip svyravimo moda. Vienintelis būdas apžvelgti naują medžiagą yra gravitaciniai fonai, kur stygos gali sklaidyti nuosekliai arba esant dar pridėtinėms sąlygoms. Kai kurie iš fonų yra skirtingų dimensijų juodųjų bedugnių plokšumos su itin dideliu krūviu ir vadinamos NS branomis. Kiti krūvinių juodųjų bedugnių fonai yra D-branos, turinčios alternatyvų aprašymą kaip plokštumos, kur stygos gali baigtis ar slysti. Stygos yra ilgos ir lengvos, o branos yra sunkios. Kitose ribose, kur stygos gali tapti sunkiomis, kai kurios branos gali tapti lengvomis.
Kol tikima, kad stygų teorija gali būti tinkama kvantinės gravitacijos teorija, daug mokslininkų mano, kad ji teisingai aprašo visatą ir gali tapti visko teorija. Yra žinomos konfigūracijos, aprašančios visas daleles ir jėgas, tačiau jose tariama, kad kosmologinė konstanta lygi nuliui. Taip pat yra modeliai ir esant skirtingoms šios konstantos vertėms. Jie yra metastabilūs, tačiau ilgai gyvuojantys. Todėl ir tikimasi, kad yra tokia kosmologinės konstantos vertė, kuri duotų metastabilų sprendinį, kiekybiškai sutampantį su standartiniu modeliu, talpinantį tamsiąją medžiagą ir patikimą kosminės infliacijos mechanizmą. Dar nežinoma, ar stygų teorija turi tokį sprendinį ir kiek laisvai galima pasirinkti kai kuriuos parametrus. Pilna teorija dar neturi tinkamo apibrėžimo visose sąlygose, kol stygos nėra papračiausiai ir lengviausiai apibrėžiamos perturbacijų teorijoje. Teisinga aukštų dimensijų branų kvantinė mechanika nėra lengvai apibrėžiama ir stygų teorijos elgesys kosmologijos skalėse nėra pilnai aprašytas. Dar nepatikrinta, ar, jei yra principas, pagal kurį stygų teorija surenka vakuumo būsenas, egzistuoja erdvėlaikio konfiguracijos, aprašančios mūsų visatos savybes.