Teória strún

Princíp

Podstatou strunových teórii je predpoklad, že hmota je prejavom rôznych vibrácií objektov nazývaných struny. Ich veľkosť je tak malá, že pokiaľ by sme si predstavili atóm rovnako veľký ako našu slnečnú sústavu, struny by boli veľké len asi ako strom. Na mikroúrovni, v tzv. kvantovom svete bolo potrebné vyriešiť hlavne problém neurčitosti (Heisenbergov princíp neurčitosti). Prepojenie týchto dvoch svetov umožnila teória strún, ktorá hovorí, že všetko vo vesmíre je vyplnené extrémne malými vibrujúcimi strunami energie, pričom však struny môžu taktiež nadobúdať extrémne veľké rozmery, kedy sa hovorí už o membránach, či rovno bránach, ktoré môžu byť priamo vesmírom samotným, čiže pri uznaní možnosti paralelných vesmírov je táto úvaha v množnom čísle. Popularizátorom teórie strún je americký astrofyzik Brian Greene.
Greene stručne uvádza, že struna je vlastne tým, čo priamo prepája kvantový svet a makrosvet tým, že kvantovú neurčitosť a chaotičnosť "stlmuje" svojou imanentnou integračnou charakteristikou, pričom vytvára akési tunely ustáleneho stavu a práve tieto tunely sú vlastne podstatou superstrún, membrán či brán, ktoré v konečnom dôsledku tvoria vlastne vesmír ako celok, nachádzajúci sa v nejakej vyššej štruktúre. Teória strún vychádza z fyzikálne overených vlastností vesmíru – aspoň na úrovni teoretickej fyziky – ako aj zo schopnosti vysvetliť prepojenie veľmi malého a veľmi veľkého priestoru v tzv. kvantovej teórii vesmíru a gravitáciu, ktorá je inak len všeobecne vysvetľovaná ako zakrivenie priestoru hmotnými subjektami, pričom bez strún ako základného pletiva vesmíru by bol prenos gravitačnej či akejkoľvek inej energie v podstate nemožný, resp. teoreticky by zostával len popísaný, no nie vysvetlený. Teória strún, či teória všetkého založená na akceptácii existencie strún spája tzv. Štandardný model  vyvinutý americkým fyzikom Stevenom Weinbergom  a vysvetľujúci fungovanie troch základných samostatných síl – elekromagnetickej, silnej jadrovej sily a slabej jadrovej sily s pôsobením gravitácie, v jadre ktorej je struna ako nositeľ gravitácie, nahrádzajúca dovtedy hypotetickú nehmotnú časticu. 
Ďalším významným vedcom v oblasti teórie strún je Edward Witten , americký teoretický fyzik. Witten pri skúmaní tzv. superstrún navrhol jednotiacu teóriu strún, tzv. M-teóriu, kde vysvetľuje problém nezrovnalostí v rôznych nezávislých teóriách všetkého, ktorých bolo pôvodne päť. Rozpracoval teorém pozitívnej energie , ktorý hovorí, že za predpokladu dominantnej energetickej podmienky, masa asymptoticky plochého časopriestoru je ne-negatívna, vrátane problematiky spinorov  vo všeobecnej teórii relativity. Venuje sa otázkam supersymetrie  a Morseho teórii, ktorá analyzuje topológiu mnohosti štúdiom diferenciálnych funkcií . Supersymetria hovorí, že každá elementárna častica má vždy svoju partnerskú časticu, ktorá sa od svojho partnera líši polovicou spinu (tzv. superpartneri), t. j. pre každý bozón  existuje vždy korešpondujúci fermión .  
Samotná M-teória v súlade s teóriou strún predpokladá, že existuje až 11 dimenzií priestoru, a hovorí o dynamike nízkej entropie, t. j. o interakcii supergravitácie , s dvoj- a päťdimenzionálnymi membránami.
Podrobný výklad (preklad z anglickej Wikipedia)
Teória strún je teória vo vývoji v oblasti časticovej fyziky, ktorá sa pokúša zjednotiť kvantovú mechaniku a všeobecnú relativitu. Teória strún hovorí, že elektróny a kvarky vnútri atómov nie sú objektami s nulovými dimenziami, ale skôr jednorozmerné oscilujúce linky ("struny"), ktoré majú len dĺžku, ale nie výšku či šírku. Teória tvrdí, že tieto struny môžu vibrovať, čím dávajú pozorovaným časticiam ich vôňu, náboj, hmotnosť a spin. Najranejší strunový model, bozónické struny, zahŕňal len bozóny, hoci tento pohľad sa vyvinul do teórie superstrún, ktorá tvrdí, že spojenie je ("supersymetrické"), t. j. že existuje medzi bozónmi a fermiónmi, dvomi fundamentálnymi rozdielnymi typmi častíc. Teória strún si taktiež vyžaduje existenciu niekoľkých dodatočných, nepozorovateľných dimenzií vesmíru, ktoré sa pridávajú k našim trom priestorovým dimenziám (výška, šírka a dĺžka) a štvrtej dimenzii času. M teória napríklad vyžaduje, aby časopriestor mal jedenásť dimenzií.
Teória má svoj pôvod v duálnom rezonančnom modeli – prvýkrát navrhnutom v r. 1969 Gabrielom Venezianom, ktorý popísal silne interagujúce hadróny ako struny. Odvtedy sa pojem teória strún rozvinul, aby zahrnul akúkoľvek zo skupín príbuzných teórií superstrún. Dá sa povedať, že "struny" už nie sú viac považované za fundamentálne pre teóriu, ktorú je možné formulovať taktiež ako body alebo povrchy. Bolo rozvinutých päť veľkých teórií strún, každá s inou matematickou štruktúrou, pričom každá svojím spôsobom najlepšie popisovala iné fyzikálne okolnosti. Hlavnými rozdielmi medzi jednotlivými teóriami boli principiálne počty dimenzií v ktorých sa struny vyvíjali, ako aj ich charakteristiky (niektoré boli otvorené slučky, iné uzavreté slučky, ap.), ale všetky tieto teórie sa zdali byť správne. V polovici 90-tych rokov, strunový teoretický fyzik Edward Witten z Institute for Advanced Study usúdil, že päť veľkých verzií teórie strún v skutočnosti mohli popisovať jeden a ten istý fenomén z rôznej perspektívy. Wittenova výsledná M-teória, navrhnutá ako zjednotenie všetkých predchádzajúcich superstrunových teórií tvrdí, že struny sú jednodimenzionálne "krajce" dvojdimenzionálnych membrán vibrujúcich v 11-dimenzionálnom priestore.
Ako výsledok mnohých vlastností a princípov zdieľaných týmito prístupmi (ako je holografický princíp), ich vzájomnou logickou konzistenciou a faktom, ktorý niektorí zahrnuli do štandardného modelu časticovej fyziky, mnoho veľkých žijúcich fyzikov (ako sú Edward Witten, Juan Maldacena a Leonard Susskind) je presvedčených, že teória strún je krokom  smerom k správnemu fundamentálnemu popisu vesmíru. Teória strún je prvým kandidátom pre teóriu všetkého (TOE), spôsob popisu známych fundamentálnych síl (gravitačnej, elektromagnetizmu, slabej sily, silnej sily), hmoty (kvarkov a leptónov) v matematicky úplnom systéme. Ale prominentní fyzici ako sú Richard Feynman a Sheldon Lee Glashow kritizovali teóriu strún za to, že neposkytla žiadne kvantitatívne  experimentálne predpovede. Ako akákoľvek iná teória gravitácie, všeobecne sa predpokladá, že testovanie teórie priamo by si vyžadovalo extrémne drahé technické riešenia. Hoci priame experimentálne testovanie Teórie strún zahŕňa veľké výskumy a vývoj systémov, existuje niekoľko nepriamych experimentov, ktoré môže čiastočne potvrdiť Teóriu strún. Supersymetria (myšlienka rozvinutá začiatkom 70. rokov počas výskumov na Teórii strún) je teoreticky ustanovená prostredníctvom Teórie strún a zdá sa, že sa rozvíja do súčasnej experimentálne pochopenej Fyziky vysokých energií (Časticová fyzika) (Supersymetria by snáď mohla byť objavená v CERNe, kde sú skúmané energie, ktoré by mohli motivovať objavenie sa supersymetrických častíc). Taktiež existencia dodatočných kompaktifikovaných dimenzií (Calabi-Yau priestorovosť) by pravdepodobne mohla byť objavená v CERNe permeáciou gravitónu do vyššieho dimenzionálneho priestoru  (Membrána (M-Teória)).

Prehľad

Teória strún tvrdí, že elektróny a kvarky vnútri atómu nie sú 0-rozmerné objekty, ale 1-dimenzionálne struny. Tieto struny sa môžu pohybovať a vibrovať, dávajúc pozorovaným časticiam ich vôňu, náboj, hmotnosť a spin. Teórie strún taktiež zahŕňajú objekty všeobecnejšie ako len struny, nazývané brány.  Slovo brána, odvodené od "membrána", sa odkazuje na varietu vzájomne prepojených objektov, ako sú D-brány, čierne p-brány a Neveu-Schwarzove 5-násobné brány. Ide o rozšírené objekty, ktoré sú nabitými zdrojmi pre diferenciálnu formu zovšeobecnenia vektorového potenciálu elektromagnetického poľa. Tieto objekty sú vzájomne prepojené prostredníctvom systému dualít. Čierna diera-ako čierne p-brány sú identifikované s D-bránami, ktoré sú koncovými bodmi pre struny a táto identifikácia sa nazýva kalibračno-gravitačná dualita. Výskum v tejto ekvivalencii viedol k novým poznatkom ohľadom kvantovej chromodynamiky, základnej teórie silnej jadrovej sily. Struny vytvárajú uzavreté slučky, až kým sa nestretnú s D-bránami, kde sa môžu otvoriť do 1-dimenzionálnych liniek. Koncové body strún sa nemôžu odtrhnúť od D-brány, ale môžu sa okolo nej kĺzať.
Keďže o teórii strún sa všeobecne predpokladá, že je konzistentná s kvantovou gravitáciou, mnoho vedcov dúfa, že ide o správny popis nášho vesmíru, čím sa táto teória stáva teóriou všetkého. Existujú známe konfigurácie, ktoré popisujú všetky pozorované základné sily a hmotu, ale s nulovou kozmologickou konštantou a niektorými novými poľami. Existujú tiež iné konfigurácie s odlišnými hodnotami kozmologickej konštanty, ktoré sú tzv. metastabilné, ale dlhotrvajúce. Toto vedie mnohých vedcov k presvedčeniu, že existuje najmenej jedno metastabilné riešenie, ktoré je kvantitatívne identické so štandardným modelom, s malou kozmologickou konštantou, ktorá obsahuje tmavú hmotu a priechodný mechanizmus pre kozmickú infláciu. Nie je zatiaľ známe, či teória strún má takéto riešenie, ako ani to, koľko voľnosti teória ponecháva pre výber detailov.
Úplná teória zatiaľ nemá uspokojivé definície pre všetky okolnosti, keďže struny sú najpriamočiarejšie definované prostredníctvom perturbačnej teórie. Kompletná kvantová mechanika brán vyššej dimenzie sa nedefinuje ľahko a vlastnosti teórie strún pokiaľ ide o kozmologické usporiadanie (časovo-závislé prostredie) ešte nie sú plne vypracované. taktiež nie je jasné, či existuje nejaký princíp, podľa ktorého teória strún vyberá svoj vákuový stav, časopriestorovú konfiguráciu, ktorá určuje vlastnosti nášho vesmíru (pozri topológia teórie strún).

Základné vlastnosti

Teória strún môže byť formulovaná pokiaľ ide o akčný princíp, buď ako Nambu-Gotova akcia alebo Polyakovovova akcia, ktorá popisuje, ako sa struny pohybujú v priestore a čase. Pri absencii externých interakcií, strunová dynamika sa riadi napätím a kinetickou energiou, ktoré v kombinácii produkujú osciláciu. Kvantová mechanika strún implikuje tieto oscilácie ako diskrétne vibračné módy, spektrum teórie.
Pri vzdialenostiach presahujúcich rádium strún, každý oscilačný mód sa správa ako rozdielny druh častice, so svojou hmotnosťou, spinom a nábojom určeným strunovou dynamikou. Rozdeľovanie a spájanie strún korešponduje s emisiami a absorpciou častice, čo vytvára interakcie  medzi časticami.
Analógiou pre módy strún je gitarová struna produkujúca množstvo rozličných hudobných tónov. Analogicky, rôzne tóny korešpondujú s rôznymi časticami. Jediným rozdielom je, že gitarová struna je len 2-dimenzionálna a môžete ňou pohybovať nahor a nadol. V skutočnosti by gitarové struny boli každou dimenziou a struny by mohli vibrovať akýmkoľvek smerom, čo by znamenalo, že častice by sa mohli pohybovať nielen v našej dimenzii, ale aj v iných dimenziách.
Teória strún obsahuje ako otvorené struny, ktorú majú dva samostatné koncové body, tak uzavreté struny, ktoré tvoria kompletnú slučku. Tieto dva rôzne typy strún sa správajú mierne odlišným spôsobom, čo dáva dve odlišné spektrá. Napríklad, vo väčšine teórií strún, jedným uzavretým strunovým módom je gravitón, a jedným otvoreným strunovým módom fotón. Pretože dva konce otvorenej struny sa môžu vždy stretnúť a spojiť, vytvoriac uzavretú strunu, strunové teórie bez uzavretých strún neexistujú.
Najranejší strunový model bozónických strun, zahŕňal iba bozóny.  Tento model popisuje, v dostatočne nízkych energiách, kvantovo-gravitačnú teóriu, ktorá taktiež zahŕňa (ak sú obsiahnuté aj otvorené struny) kalibračné polia, ako napríklad fotón (alebo, všeobecnejšie, akúkoľvek kalibračnú teóriu). Ale, tento model nie je bez problémov. Navyše, teória je zásadne nestabilná, a to v dôsledku rozkladu (prinajmenšom čiastočne) časopriestoru samotného. Na dôvažok, ako vyplýva z názvu, spektrum častíc obsahuje len bozóny, častice ktoré sa, ako napríklad fotón, riadia istými vymedzenými pravidlami správania. Stručne povedané, bozóny sú príčinou radiácie, ale nie hmoty, ktorá je tvorená fermiónmi. Zisťovanie toho, ako môže teória strún obsahovať fermióny je vo svojom základe vedené objavením supersymetrie, matematických vzťahov medzi bozónmi a fermiónmi. Teórie strún, ktoré obsahujú fermionické vibrácie sú známe ako superstrunové teórie; niekoľko rôznych druhov bolo popísaných, ale všetky sa dnes považujú za rôzne limity M-teórie.
Niektoré kvalitatívne vlastnosti kvantových strún možno pochopiť jednoduchým spôsobom. Napríklad, kvantové struny majú napätie, veľmi podobné bežným strunám urobených z dvojvlákna; toto napätie sa považuje za fundamentálny parameter teórie. Napätie kvantovej struny je úzko prepojené na jej veľkosť. Uvažujme o uzavretej strune, ktorá sa pohybuje v priestore bez externých síl. Jej napätie bude mať tendenciu ku kontrakcii na stále menšiu slučku. Klasická intuícia hovorí, že by sa mohlo scvrknúť na bod, ale toto by porušilo Heisenbergov princíp neurčitosti. Charakteristická veľkosť strunovej slučky bude rovnováha medzi silou napätia, ktorá ju zmenšuje a efektom neurčitosti, ktorý ju udržiava "napnutú". V dôsledku toho, minimálna veľkosť struny je v závislosti na strunovom napätí.

Obálka sveta

Pohyb bodovej častice je možné popísať náčrtom grafu jej pozície (v jednej alebo dvoch dimenziách) oproti času. Výsledný obrázok popisuje  svetovú linku častice (jej 'históriu') v časopriestore. Analogicky, podobný popis grafom je možný pre postup struny v čase; struna (jednorozmerný objekt – linka) sleduje povrch (dvojrozmerného priestoru), známeho ako obálka sveta. Rôzne módy struny (reprezentujúce rôzne častice ako sú fotón alebo gravitón) sú povrchové vlny tohto priestoru.
Uzavreté struny vyzerajú ako malé slučky, a tak ich svetová obálka vyzerá ako rúrka, alebo, všeobecnejšie,  Riemannov povrch (2-dimenzionálne orientovaný priestor bez hraníc (t. j. bez hrán). Otvorená struna vyzerá ako krátka linka, a tak je svetová obálka vyzerá ako prúžok, alebo, všeobecnejšie, Riemannov povrch, ktorý je ohraničený.
Struny sa môžu rozpájať a spájať. Toto sa odráža vo forme ich svetovej obálky (presnejšie, v jej topológii). Napríklad, ak sa uzavretá struna rozpojí, jej svetová obálka bude vyzerať ako jednoduchá  rúrka rozpojená na dve (často nazývaná nohavice – pozri obr. napravo). Ak sa rozpojí uzavretá struna a jej dve časti sa neskôr spoja, jej svetová obálka bude vyzerať ako jednoduchá rúrka rozdelená na dve neskôr spojené, čo tiež vyzerá ako torus napojený na dve rúrky (jedna predstavujúca vchádzajúcu strunu a druhá vychádzajúcu). Otvorená struna robiaca to isté bude mať svetovú obálku vyzerajúcu ako kruh pripojený na dva prúžky.
Proces deliacej sa struny (alebo spájajúcej sa struny) je globálny a nie lokálny proces svetovej obálky: lokálne, svetová obálka vyzerá rovnako všade a nie je možné určiť jeden bod svetovej obálky, kde sa delí. Preto tieto procesy sú integrálnou súčasťou teórie a sú popísané rovnakou dynamikou ako kontrola strunových módov.
V niektorých strunových teóriách (a to pre uzavreté struny v type I a niektorých verziách bozónických strún), sa struny môžu deliť  a spájať v opačnom smere ako v Möbiusovom prúžku alebo u Kleinovej fľaše). Tieto teórie sa nazývajú neorientované. Formálne, svetová obálka u týchto teórií je ne-orientovateľným povrchom.

Extra dimenzie

Zaujímavou črtou teórie strún je, že obsahuje predpovede o extra dimenziách. Počet dimenzií nie je fixovaný žiadnym konzistentným kritériom, ale  riešenia plochého časopriestoru predsa len existujú v tzv. "kritických dimenziách".  Kozmologické riešenia existujú v širšej variete dimenzionalít a tieto sa líšia rôznymi dimenziami—presnejšie rôznymi hodnotami "efektívneho centrálneho náboja", rátajúcim stupne voľnosti, ktoré sa redukujú na dimenzionalitu v slabo zakrivených režimoch—sú prepojené dynamickými vzťahmi.
Jednou z takýchto teórií je 12-rozmerová M-teória, ktorá požaduje, že časopriestor musí mať 11 dimenzií, v protiklade k obyčajným trom priestorovým dimenziám a štvrtej dimenzii času. Pôvodné teórie strún z 80-tych rokov popisujú špeciálne prípady M-teórie, kde jedenásta dimenzia je veľmi malý kruh alebo priamka a ak sú tieto formulácie považované za základné, potom teória strún požaduje desať rozmerov. Ale teória taktiež popisuje vesmíry ako je ten náš, so štyrmi pozorovateľnými dimenziami, ako aj vesmíry až s desiatimi plochými priestorovými rozmermi a taktiež prípady, kedy pozícia v niektorých z dimenzií nie je popísané reálnym číslom, ale úplne iným typom matematickej kvantity. A tak pojem časopriestoru nie je fixovaný strunovou teóriou: najlepšie je ho myslieť ako rôzny v rôznych okolnostiach.
Nič v Maxwellovej teórii elektromagnetizmu alebo Einsteinovej teórii relativity nedáva tento druh predpovedí; tieto teórie vyžadujú vloženie dodatočných dimenzií "oboma rukami", a tento počet je fixný a nezávislý na potenciálnej energii. Teória strún dovoľuje vztiahnuť počet rozmerov na skalár potenciálnej energie. Technicky, toto sa deje kvôli tomu, že pre každý samostatný počet predpovedaných dimenzií existuje kalibračná anomália, a kalibračná anomália môže byť vyvážená zahrnutím netriviálnej potenciálnej energie do rovnice pre riešenie pohybu. Ďalej, absencia potenciálnej energie v "kritickej dimenzii" vysvetľuje, prečo sú možné riešenia plochého časopriestoru.
Toto je možné pochopiť lepšie konštatovaním, že fotón zahrnutý v konzistentnej teórii (technicky, častica nesúca náboj vzťahujúci sa na neporušenú  kalibračnú symetriu) musí byť nehmotná. Hmotnosť fotónu, ktorá je predpovedaná teóriou strún závisí od energie strunového módu, ktorý reprezentuje  fotón. Táto energia zahŕňa príspevok z Casimirovho efektu, a to z kvantovej fluktuácie v strune. Veľkosť tohto príspevku závisí na počte dimenzií, keďže pre väčší počet dimenzií existuje viac možných fluktuácií v strunovej pozícii. Preto, fotón v plochom časopriestore bude nehmotný—a teória konzistentná—len pre konkrétny počet dimenzií.
Keď sa urobí prepočet, kritická dimenzionalita nie je štyri ako by sme sa mohli domnievať (tri osi priestoru a jedna času).
Podsúčet X sa rovná vzťahu fotónovej fluktuácie v lineárnej dimenzii. Strunové teórie plochého časopriestoru sú 26-dimenzionálne v bozónickom prípade, kým superstrunové teórie a M-teórie zahŕňajú 10 alebo 11 dimenzií pre ploché riešenia. U bozónických strunových teórií, 26 dimenzií pochádza od Polyakovovej rovnice. Počínajúc akoukoľvek dimenziou väčšou ako štyri, je nevyhnutné uvažovať, ako sa tieto redukujú na štvor-dimenzionálny časopriestor.

Kompaktné dimenzie

Na vyriešenie tohto očividného nesúladu boli navrhnuté dva spôsoby. Prvým je kompaktifikovať extra dimenzie t. j. šesť alebo sedem extra dimenzii, ktoré sú tak malé, že sú nezistiteľné súčasnými experimentami.
Pre zachovanie vysokého stupňa supersymetrie, tieto kompaktifikácie musia byť veľmi špeciálne, ako je reflektované v ich holonómii. 6-dimenzionálna priestorovosť musí mať SU (3) štruktúru, zvláštny prípad (beztorznosti), ktorá je SU (3) holonómiou, čím sa stáva Calabi-Yauovým priestorom, a  7-dimenzionálna priestorovosť musí mať štruktúru G₂i, s G₂ holonómiou, ktorá je opäť špecifický, jednoduchý priestor.  Takéto priestory boli študované pri pokusoch prirovnať teóriu strún k 4-rozmernému štandardnému modelu, čiastočne v dôsledku výpočtovej jednoduchosti, ktorá bola možná predpokladom o supersymetrii. Neskorší pokrok bol urobený konštruovaním realistickejších kompaktifikácií bez stupňa voľnosti Calabi-Yau alebo bez G2 priestorovostí.
Štandardnou analógiou pre toto je uvažovanie o viacrozmernom priestore ako o hadici. Ak je hadica nazeraná z dostatočnej vzdialenosti, zdá sa, že má len jeden rozmer, dĺžku. Skutočne, predstame si guľu, ktorá je dostatočne malá, aby sa vošla do hadice. Hodiac takúto guľu do hadice, táto by sa viac-menej pohybovala len jedným smerom; v akomkoľvek experimente, ktorý robíme hádzaním gúľ do hadice by jediný dôležitý pohyb bol jednorozmerný, a to pozdĺžne. Ale, ako sa človek približuje k hadici, zisťuje, že obsahuje aj ďalší rozmer, priemer. A tak, mravec idúci vnútri nej by sa pohyboval v dvoch dimenziách (a mucha vletiaca doň v troch). Táto "extra dimenzia" je viditeľná len z relatívnej blízkosti hadice, alebo ak do nej "vhodíme" dostatočne malé objekty. Podobne, extra kompaktné dimenzie sú "viditeľné" len pri extrémne malých vzdialenostiach, alebo experimentovaním s časticami s extrémne malou vlnovou dĺžkou (rádu polomeru kompaktnej dimenzie), čo v kvantovej mechanike znamená veľmi vysoké energie (pozri dualita vlnovej častice).

Scenár univerzálnej svetovej brány

Ďalšom možnosťou je, že sme "uväznení" v dimenzionálnom (t. j. tri dimenzie priestoru plus dimenzia času) podpriestore plného vesmíru. Ak sú takéto podmnožiny výnimočnými sústavami v rámci priestoru s väčším počtom dimenzií, potom typicky existujú vhodne umiestnená hmota a Yang-Millsove kalibračné polia. Tieto "výnimočné súbory" sú v Calabi-Yauovom priestore n-množiny a môžu byť popísané ako podpriestory bez lokálnych deformácií, podobné prasklinám na kuse papiera alebo v kryštáli, kde sa susedný priestor významne líši od výnimočného podpriestoru samotného. Ale, až do práce Randallovej a Sundruma, nebolo známe, že  
gravitácia tiež môže byť vhodne lokalizovaná na podpriestor; ich dôkaz je, že takýto kozmický scenár je realistický. Navyše, časopriestor môže byť taktiež stratifikovaný, obsahujúc straty (vrstvy) rôznych dimenzií, aby sme mohli obývať 3+1 dimenzionálnu vrstvu; takéto geometrie sa vyskytujú prirodzene ako Calabi-Yauove kompaktifikácie. Takéto podpriestory sú tzv. D-bránami, a preto takéto modely sú známe ako teórie bránového sveta.

Efekt skrytých dimenzií

V každom prípade, gravitácia pôsobiaca v skrytých dimenziách ovplyvňuje ostatné negravitačné sily ako je  elektromagnetizmus. Kaluzova raná práca demonštrovala, že všeobecná relativita v piatich dimenziách v zásade predpovedá existenciu elektromagnetizmu. Ale, kvôli povahe Calabi-Yauovej rozmanitosti, žiadne nové sily sa neobjavujú z malých vzdialeností, no ich tvar má zásadný vplyv  na to, ako sa sily medzi strunami javia v našom štvorrozmernom vesmíre. V zásade je preto možné dedukovať povahu týchto extra dimenzií požadovaním konzistencie so štandardným modelom, ibaže toto zatiaľ nie je praktická možnosť. Je tiež možné extrahovať informácie týkajúce sa skrytých dimenzií testami precíznosti gravitácie, ale dosiaľ tieto len udali horné obmedzenia ohľadom veľkosti takýchto skrytých dimenzií.

Kalibračno-gravitačná dualita

Kalibračno-gravitačná dualita je v istých prípadoch zbiehajúca sa dualita medzi kvantovou teóriou gravitácie a kalibračná teória v nižšom počte dimenzií. To znamená, že každý predpovedaný fenomén a kvantita v jednej teórii má analógiu v inej teórii, so "slovníkom" prekladajúcim jednu teóriu do druhej.

Opis duality

V istých prípadoch kalibračná teória ohľadom D-brán je rozpojenie od gravitácie nachádzajúcej sa v zhluku; a tak otvorené struny pripojené k D-bránam neinteragujú s uzavretými strunami. Takáto situácia sa nazýva rozpojovací limit.
V týchto prípadoch, D-brány majú dva nezávislé alternatívne popisy. Ako je popísané vyššie, z pohľadu uzavretých strún, D-brány sú gravitačné zdroje, a tak máme gravitačnú teóriu časopriestoru s poľami pozadia. Z pohľadu otvorených strún, fyzika D-brán je popísaná vhodnou kalibračnou teóriou. Preto v takýchto prípadoch je často uvádzané, že gravitačná teória časopriestoru s vhodnými poľami pozadia je duálna (t. j. fyzikálne ekvivalentná) ku kalibračnej teórii hranice tohto časopriestoru (keďže podpriestor naplnený s D-bránami je hranicou tohto časopriestoru). Doteraz, táto dualita nebola v žiadnom z prípadov dokázaná, takže panuje taktiež nezhoda medzi strunovými teoretikmi pokiaľ ide o duality aplikované na rôzne modely.

Príklady a intuícia

Najznámejším príkladom a prvým, ktorý budeme študovať je dualita medzi Typom IIB superstruny na AdS⁵  S⁵ (produktovom priestore päť-dimenzionality Anti de Sitterov priestor päť-sféry na jednej strane, a N = 4 supersymmetrickou Yang-Millsovovou teóriou na štvor-dimenzionálnej hranici Anti de Sitterovho priestoru (buď v plochom štvor-dimenzionálnom časopriestore R3,1 alebo troj-sfére s časom S³  R). Toto je známe ako AdS/CFT correspondence, názov často používaný pre kalibračno-gravitačnú dualitu vo všeobecnosti.
Túto dualitu si možno predstaviť nasledovne: predpokladajme, že existuje časopriestor s gravitačným zdrojom, napríklad extrémna čierna diera. Keď sú častice veľmi vzdialené od tohto zdroja, sú popísané uzavretými strunami (t. j. gravitačnou teóriou, alebo obyčajne supergravitáciou). Ako sa častice približujú ku gravitačnému zdroju, stále ich alternatívne možné popísať prostredníctvom uzavretých strún, resp. objektami podobnými QCD strunami,
Struny v Seiberg-Dualovej teórii]", ktoré sú zložené z kalibračných bozónov (gluónov) a ostatných stupňov voľnosti kalibračnej teórie. Takže, ak je možné (pri rozpojovacom limite) popísať gravitačný systém ako dve samostatné oblasti – jedna (zhluk) veľmi vzdialené od zdroja, a druhá blízko zdroja – potom druhá oblasť môže byť tiež popísaná kalibračnou teóriou D-brán. Táto druhá oblasť (blízko zdroja) sa nazýva limit blízko horizontu , keďže obyčajne existuje horizont udalosti okolo (alebo v) gravitačnom zdroji.
V gravitačnej teórii, jedným zo smerov v časopriestore je radiálny smer, ktorý ide od gravitačného zdroja preč (smerom od zhluku). Kalibračná teória existuje len na D-bráne samotnej, a tak nezahŕňa radiálny smer: je v časopriestore s o jednou dimenziou menej v porovnaní s gravitačnou teóriou (v skutočnosti, je v časopriestore identickom k hranici horizontu udalosti gravitačnej teórie). Predstavme si teraz, ako sú tieto dve teórie ekvivalentné:
Fyzika gravitačnej teórie horizontu udalosti zahŕňa len stavy v škrupine (obvyklé v teórii strún), kým teória poľa zahŕňa tiež korelačnú funkciu mimo škrupinu. Stavy v škrupine v gravitačnej teórii horizontu udalosti je možné myslieť ako  popisujúce len častice prichádzajú zo zhluku do oblasti horizontu udalosti, interagujúce medzi sebou navzájom. V kalibračnej teórii sú tieto  "projektované" na hranicu, takže častice, ktoré prídu do zdroja z rôznych smerov budú mať v tejto teórii kvantovú fluktuáciu (mimo škrupiny) ďaleko navzájom od seba, kým častice prichádzajúce k zdroju takmer z rovnakej vzdialenosti budú mať (mimo škrupinovú) kvantovú fluktuáciu navzájom blízko k sebe. A tak uhol medzi prichádzajúcimi časticami v gravitačnej teórii sa prekladá do škálovej vzdialenosti medzi kvantovou fluktuáciou v kalibračnej teórii. Uhol medzi prichádzajúcimi časticami v gravitačnej teórii sa vzťahuje k radiálnej vzdialenosti od gravitačného zdroja, v ktorej častice interagujú: čím väčší je uhol, tým bližšie ku zdroju musia častice byť, aby mohli interagovať navzájom. Na druhej strane, škála vzdialenosti medzi kvantovými fluktuáciami v kvantovej teórii poľa má vzťah (inverzný) k energetickej škále v tejto teórii, a tak malý polomer v gravitačnej teórii sa prekladá na nízkoenergetickú škálu v kalibračnej teórii (t. j. IR režim teórie poľa), kým veľký polomer v gravitačnej teórii sa prekladá na vysokoenergetickú škálu v kalibračnej teórii (t. j. UV režim teórie poľa).
Jednoduchý príklad tohto princípu je, že ak v gravitačnej teórii existuje nastavenie, v ktorom dilatačné pole (určujúce silu napojenia) klesá s polomerom, potom jeho teória poľa bude asymptoticky voľná, t. j. jeho napojenie sa bude zoslabovať vo vysokých energiách.

Kontakt s experimentom

Matematika strunovej teórie môže viesť k novým poznatkom ohľadom kvantovej chromodynamiky, kalibračnej teórie s jej fundamentálnou teóriou silnej jadrovej sily. Panuje presvedčenie, že bude objavená gravitačná teória duálna 
ku kvantovej chromodynamike. Matematická technika od tejto strunovej teórie (the AdS/CFT correspondence) bola použitá na popis kvalitatívnych vlastností kvark-gluónovej plazmy v relativistických kolíziách ťažkých iónov;, ale, ide výlučne o štandardnú kvantovú chromodynamiku, ktorá bola kvantitatívne modelovaná  lattice QCD metódami s dobrými výsledkami. Bola navrhnutá tiež ďalšia potenciálna forma dôkazu pre teóriu strún. Bolo by ňou objavenie veľkých kozmických strún v priestore, sformovaných, keď Big Bang "rozšíril" niektoré struny do astronomických rozmerov. Ostatné teórie však predpovedajú kozmické struny s rozdielnymi fyzikálnymi danosťami (topologické defekty v rôznych poliach. Nový fenomén konzistentný s verziami o teórii strún môže byť pozorovaný s novobudovaným Veľkým Hadrónovým urýchľovačom. Boli by ním indikácie o anomálne veľkej sile gravitácie na mikroskopickej úrovni, čo by bolo v súlade s bránami interagujúcimi medzi extra dimenziami prostredníctvom  unikania gravitónov z jednej do druhej. Objav supersymetrie by tiež mohol byť považovaný za dôkaz, keďže teória strún bola prvou teóriou, ktorá ho požadovala, hoci sú aj iné teórie, ktoré obsahujú supersymetriu. Absencia supersymetrických častíc na energetických hladinách prístupných pre LHC by nemusela znamenať koniec teórie strún, keďže supersymetria by mohla existovať, ale mimo dosah akcelerátoru.

Problémy a rozpory

Hoci teória strún pochádza z fyziky, niektorí fyzici tvrdia, že jej v súčasnosti netestovateľný status znamená, že by mala byť skôr klasifikovaná ako systematická sústava pre budovanie modelov v protiklade k fyzikálnej teórii. Niektorí idú ešte ďalej a hovoria, že teória strún ako teória všetkého je zlyhaním. Toto viedlo k verejnej debate v roku 2007,, kde jeden komentátor vyjadril svoj názor takto: 
"Počas obdobia vyše jednej generácie, fyzici naháňali výhonok zvaný teória strún. Začiatok tohto znamenal koniec toho, čo znamenalo trištvrte storočia pokroku. Tucty konferencií o teórii strún, stovky doktorátov, tisíce štúdií. Ale, napriek všetkej tejto aktivite, ani jedna testovateľná predpoveď, ani jedna teoretická hádanka nebola vyriešená. V skutočnosti, neexistuje žiadna iná teória, ktorá by bola tak rozsiahlym súborom kalkulácií naznačujúcich, že teória môže byť pravdivá. A, ak aj je, táto teória má toľko verzií, že jej praktické použitie je vylúčené: Teória ničoho." -- Jim Holt.

Močarina

Na odpoveď na tieto obavy, Cumrun Vafa a ďalší spochybnili myšlienku teórie strún, že je kompatibilná so všetkým. Navrhujú, aby pravdepodobnejšie teória fyziky nízkych energií bola v močarinách. Močariny sú súborom teórií, ktoré by mohli byť pravdivé, ak by nebol problém s gravitáciou, ale ktoré nie sú kompatibilné so strunovou teóriou. Príklad teórie v močiari je kvantová elektrodynamika v limite veľmi malého elektrónového náboja. Tento limit dokonale vyhovuje teórii kvantového poľa – v tomto limite sa teória prenikania vlastne stále zlepšuje. Ale v teórii strún, v momente, kedy náboj najľahšej častice začne mať menšiu hmotnosť ako je hmotnosť v prirodzených jednotkách, teória sa stáva nekonzistentnou. Dôvodom je, že dve takto nabité masívne častice sa budú vzájomne priťahovať viac ako elektrostaticky odpudzovať a mohli by byť použité na výrobu čiernej diery. Ak neexistujú žiadne ľahko nabité častice, tieto čierne diery by sa nemohli efektívne rozkladať, čo zabraňuje rôznym hypotetickým variantám alebo zvyškom (aby sa mohli sformovať). Štúdiom príkladov a z analýzy vyparovanie čiernej diery sa teraz akceptuje, že teórie s malým nábojovým kvantom musia pochádzať z ľahko nabitých častíc. Toto jediné platí vnútri teórie strún—neexistujú žiadne obmedzenia v teórii kvantového poľa. To znamená, že objav novej kalibračnej skupiny s malým kvantom náboja a len ťažko nabitými časticami by mohli sfalzifikovať strunovú teóriu. Keďže tento argument je veľmi obecný—spočívajúci len na vyparovaní čiernej diery a holografickom princípe, bolo navrhnuté, aby tento predpoklad platil pre akúkoľvek konzistentnú holografickú teóriu kvantovej gravitácie, hoci fráza "konzistentná holografickú teóriu kvantovej gravitácie" by rovnako mohla byť synonymická s "teóriou strún".
Treba poznamenať, že všetky základné črty štandardného modelu môžu byť zakomponované do teórie strún, aby štandardný model nebol močarinou. Toto obsahuje črty ako neabelianske kalibračné skupiny a chirálne fermióny, ktoré je ťažké zakomponovať do nestrunovej teórie kvantovej gravitácie.

Rozloženie strunovej teórie

Vákuová štruktúra teórie, nazvaná Rozloženie strunovej teórie, nie je dobre pochopená. Strunová teória obsahuje nekonečný počet samostatných metastabilných vákuí a možno až 10⁵⁰⁰ alebo viac ich korešponduje s vermírom, ktorý je podobný tomu nášmu – so štyrmi dimenziami, vysokou planckovou škálou, kalibračnými skupinami a chirálnymi fermiónmi. Každá z nich korešponduje s iným možným vesmírom, s inými súborom častíc a síl. Aký princíp, ak vôbec nejaký, je možné použiť na výber spomedzi týchto vákuí je otvorenou otázkou. Kým neexistujú žiadne kontinuálne parametre v teórii samotnej, existuje veľký súbot možných vesmírov, ktoré sa od seba môžu vzájomne radikálne odlišovať.
Niektorí fyzici sú presvedčení, že je to dobrá vec, pretože to môže umožniť prirodzené antropické vysvetlenie pozorovaných hodnôt fyzikálnych konštánt, obzvlášť malej hodnoty kozmologickej konštanty. Tvrdí sa, že väčšina vesmírov obsahuje hodnoty pre fyzikálne konštanty, ktoré nevedú k obývateľným vesmírom (prinajmenšom pre ľudí), a tak pravdepodobne žijeme v "najpriateľskejšom" vesmíre. Tento princíp je už zakomponovaný na vysvetlenie existencie života na Zemi ako výsledku pre život priaznivej orbity okolo slnka strednej veľkosti spomedzi nekonečného počtu možných orbít (ako aj relatívne stabilného umiestnenia v galaxii). Ale, kozmologická verzia antropického princípu zostáva vysoko kontroverzná, pretože by bolo ťažké ak nie nemožné pre Poppera ju falzifikovať; a tak mnohí to neuznávajú za vedecký podložené.

Ďalšie kritériá testovateľnosti

Mnoho fyzikov silne oponuje myšlienke, že teória strún nie je falzifikovateľná, medzi nimi Sylvester James Gates: "A tak, nabudúce, ak vám niekto povie, že strunová teória nie je testovateľná, pripomeňte im, AdS/CFT spojenie..." AdS/CFT vzťahuje strunovú teóriu na kalibračnú teóriu a umožňuje kontakt s experimentami nízkych energií v  kvantovej chromodynamike. Tento typu strunovej teórie, ktorý popisuje len silné interakcie, je oveľa menej kontroverzný dnes, kedy existujú strunové teórie všetkého (hoci pred 20 rokmi to bolo naopak).
Na dôvažok, Gates poznamenáva, že veľká unifikačná prirodzenosť v strunových teóriách všetkého vyžaduje, aby sa prepájacie konštanty všetkých štyroch síl stretávali v jednom bode renormalizácie preškálovania skupiny. Toto je tiež falzifikovateľný argument, ale nie je obmedzený len na strunovú teóriu, no je zdieľaný veľkými unifikačnými teóriami. LHC bude použitý jednak pre testovanie AdS/CFT, ako aj pre kontrolu, či nedochádza k elektroslabosilnej unifikácii, ako sa to predpovedá.