Какво е теория на струните и как се дефинира?

Евелин Майте Марин
Индустриален инженер, магистър по физика и EdD

Струнната теория е физически подход, който се опитва да съчетае теорията на общата теория на относителността и квантовата механика в един модел, който съдържа и описва всички фундаментални сили на природа. В тази теория елементарните частици не са точкови частици, както е посочено от стандартния модел на физика, а по-скоро представляват "струни" или "нишки" с безкрайно малки измерения, които вибрират в космическо време.

Името на теорията се основава на предположението, че фундаменталните частици са едномерни обекти, които са наподобяват струни, които трептят на различни честоти, което определя масата и вида на частицата, която представлявам.

Тази теория възниква около края на 60-те години и е разработена от няколко физици, включително Габриеле Венециано, Йоичиро Намбу, Леонард Съскинд, Джон Х. Шварц и Майкъл Грийн, наред с други. Въпреки това, основните публикации започват да се генерират от Jöel Scherk и John Henry Schwarz около 1974 г. Гореспоменатите учени търсеха начин да съчетаят теорията на общата теория на относителността и квантовата механика, и стигна до идеята, че елементарните частици всъщност са струни, вибриращи в пространство-времето, а не частици точен. През следващите десетилетия теорията на струните е била обект на много спорове и дебати в научната общност.

Основата на теорията на струните е идеята, че цялата материя и фундаменталните сили във Вселената са резултат от вибрациите на тези струни.

Характеристики

Някои от характеристиките и предпоставките на теорията на струните включват:

• Елементарните частици всъщност са едномерни струни, които вибрират в пространство-времето.

• Характеристиките на тези струни (като тяхната дължина и напрежение) определят свойствата на частиците, които генерират.

• Различните режими на трептене на тези струни биха могли да обяснят съществуването на всички известни елементарни частици, включително бозони и фермиони.

• Включва множество извънпространствени измерения, в допълнение към четирите измерения, които преживяваме в нашата ежедневна реалност.

Тази теория, или наричана от някои учени хипотеза, се основава на математически модели, които са изключително сложни и са извлечени от квантовата механика, общата теория на относителността, диференциалната геометрия и топологията.

Важно е да се отбележи, че тези концепции, които са свързани с теорията, продължават да бъдат обект на изследване и следователно е възможно използваните математически модели и уравнения се модифицират, когато се правят нови открития и се правят нови изследвания.

Теорията на струните не дава пълно обяснение на произхода на Вселената, тъй като се фокусира повече върху фундаменталната природа на реалността и елементарните частици. Въпреки това, тя е съвместима до известна степен с теорията за Големия взрив при обяснение на явления като космическата инфлация, която е период на ускорено разширяване, настъпил в ранните моменти на Вселената, и образуването на мащабни структури мащаб.

Предизвикателства и критика

Теорията на струните е била обект на много критици и критики през годините и някои от аргументите се отнасят до следните аспекти:

• Липса на емпирични доказателства: въпреки десетилетия изследвания, теорията на струните все още няма достатъчно емпирични доказателства, за да потвърди нейната истинност.

• математическа сложност: Тази теория е изключително сложна от математическа гледна точка, което я прави трудна за разбиране от повечето хора.

• несъизмеримост: е несъизмерим със стандартната физика, което означава, че не могат да се провеждат експерименти за сравнение и установяване на връзки между двете теории.

• мултивселени: неговата основа предполага съществуването на множество вселени и за някои хора е трудно да приемат тази идея.

• Трудност при правенето на прогнози: Поради своята сложност струнната теория е трудна за използване за правене на точни прогнози за наблюдавани физически явления.

Това са само някои от критиките и недостатъците, отправени срещу теорията на струните. Въпреки тези предизвикателства, изследванията в тази област продължават и много учени смятат, че те могат да държат ключа към обединяването на физиката.

Области на приложение

Теорията на струните се прилага в области като физика на високите енергии, космология и теоретична физика. Това също има значение за физиката на елементарните частици и квантовата гравитация. Освен това е използван за изследване на физиката на черните дупки и тяхната ентропия.

От една страна, теорията на струните може да разреши някои от най-фундаменталните въпроси във физиката, като например помирението между теорията на общата теория на относителността и квантовата механика. Неговата философия подкрепя съществуването на множество измерения и паралелни вселени, което се превърна в една от най-активните области на изследване в теоретичната космология.

От друга страна, хипотезата, на която се основава този модел, също е довела до голям брой постижения във физиката повече извън космологията, като например в теорията на кондензираната материя и квантовата информация, между другото полета.

Космологията е една от областите, в които теорията на струните има значително участие през последните десетилетия.