TEMA BROJA

Dr Vladica Božić

Teorija struna

Put ka prirodi svemira

Već hiljadama godina ljudi pokušavaju da razumeju svet u kojem žive. Od pitagorejskog učenja o harmoniji u prirodi, preko Njutnovih zakona kretanja, nauka je uvek težila da pronađe univerzalne zakone koji upravljaju svemirom (ili univerzuumom). Današnja fizika smatra da postoje četiri osnovne sile u prirodi: elektromagnetizam, jaka nuklearna sila (poznata i kao kvantna hromodinamika), slaba nuklearna sila i gravitacija. One upravljaju fundamentalnim interakcijama između elementarnih čestica i oblikuju ponašanje celokupne poznate materije i energije u svemiru.

Elektromagnetna, slaba i jaka nuklearna sila uspešno su prikazane Standardnim modelom čestica, koji opisuje ponašanje svih poznatih elementarnih (subatomskih) čestica i njihove interakcije u jedinstvenu teoriju (kvantna fizika ili mehanika).
Prema Standardnom modelu, sve što postoji u svemiru sastoji se od elementarnih čestica koje se mogu podeliti na fermione (gradivni blokovi materije) i bozone (čestice koje prenose sile). Fermioni se mogu grupisati u kvarkove i leptone, a bozoni u fotone, W i Z bozone, gluone i Higsov bozon.

Današnja fizika smatra da postoje četiri osnovne sile u prirodi: elektromagnetizam, jaka nuklearna sila (poznata i kao kvantna hromodinamika), slaba nuklearna sila i gravitacija. One upravljaju fundamentalnim interakcijama između elementarnih čestica i oblikuju ponašanje celokupne poznate materije i energije u svemiru.

Neki bozoni su posrednici u jakoj, slaboj i elektromagnetnoj interakciji pa je foton elementarna čestica svetlosti koja je nosilac elektromagnetne sile (Lorencova sila), gluoni su čestice koje nose jaku nuklearnu silu, dok slabu nuklearnu silu prenosi tri čestice: W+, W- i Z bozoni. Sila gravitacije je izuzetak jer se jasno uočava i uspešno modeluje na velikim razmerama (kretanje planeta i zvezda, crne rupe) pomoću Opšte teorije relativnosti ali ne i kod subatomskih čestica, kada pri tako malim razmerama gravitacija nije jasna. Zbog toga se gravitacija na mikroskopskom nivou ne može spojiti sa kvantnom fizikom.
Iz navedenog se vidi da se moderna fizika zasniva na kvantnoj mehanici, koja objašnjava svet čestica na atomskom i subatomskom nivou (elektroni, protoni, kvarkovi) i Opštoj teoriji relativnosti Alberta Ajnštajna, koja opisuje gravitaciju kao zakrivljenost prostora-vremena i objašnjava ponašanje velikih objekata kao što su planete, zvezde, galaksije, crne rupe. Problem nastaje kada se obe teorije pokušaju istovremeno primeniti da bi objasnile ekstremne uslove, kao što su uslovi unutar crnih rupa ili u toku Velikog praska. Tada dolazi do matematičkih nedoslednosti jer daju beskonačne rezultate koji ukazuju na to da je neka fundamentalna komponenta u modelu pogrešna ili nepotpuna. Kako se u tim situacijama ove dve teorije ne slažu međusobno jer daju besmislene rezultate, pokušano je da se one objedine pomoću Teorije struna (eng. string theory). Umesto da je sve što postoji u svemiru (planete, svetlost pa čak i atomi i njihovi elementi) napravljeno od čestica odnosno tačkica, Teorija struna pretpostavlja da su osnovni gradivni blokovi u svemiru zapravo sićušne jednodimenzionalne linije, odnosnostrune.

Razlika između čestice i strune

Strune su niti energije koje vibriraju na različite načine, a način vibracije proizvodi različite osobine sila ili čestica kao što su kvantni broj, masa, naelektrisanje, spin itd. Kao što različite vibracije na žici gitare daju različite tonove, tako i različite vibracije struna daju različite čestice: elektron, foton, kvark... Zatezanje, kinetika i vibracije ovih struna se posmatraju na kvantni način, čime se uspelo da se objedine sve osnovne sile i materiju u prirodi u jednu jedinstvenu i sveobuhvatnu teoriju. Ukoliko se pokaže kao ispravna, ova teorija će postati glavni kandidat za Teoriju svega (eng. Theory of everything-TOE), koja bi opisala sve poznate osnovne fizičke sile i stanja materije u svemiru na konačan matematički način.

Osnovne ideje Teorije struna

U klasičnoj fizici, materija se sastoji od atoma, koji se sastoje od 3 osnovna elementa: elektrona koji kruže oko jezgra koje se sastoji od neutrona i protona. Elektron je nedeljiva čestica (koja pripada porodici čestica nazvanih leptoni), dok su neutroni i protoni načinjeni od manjih čestica-kvarkova koji su nedeljivi. U Teorije struna elektroni i kvarkovi unutar atoma nisu bezdimenzioni objekti (čestice) bez unutrašnje strukture, već su zapravo jednodimenzionalne vibrirajuće niti-strune koje postoje u više dimenzija. Pored elektrona, kvarkova, fotona koji su osnovne čestice u Standardnom modelu, ova teorija predviđa i postojanje gravitona kao čestica koja prenose silu gravitacije. Ako je Teorija struna tačna, pod ekstremno snažnim mikroskopom bi se videlo da elektron zapravo nije tačka bez unutrašnje strukture već sićušna petlja strune koja osciluje na određen način. Ako struna osciluje na drugačiji način, onda bi videli foton, kvark ili graviton. Na taj način, Teorija struna pruža potencijalno objašnjenje zašto postoje baš te čestice koje znamo i zašto imaju takva svojstva. Vibrirajući na različitim frekvencijama, struna stvara i četiri osnovne sile, što omogućava teorijsko objašnjenje fenomena koje druge teorije ne mogu.
Teorija struna predviđa i višedimenzionalne objekte generalnije od struna zvane brane (od 0-brana do 9-brana), na koje se strune mogu „zakačiti”. Reč brana, izvedena iz „membrana”, odnosi se na različite objekte koji su međusobno povezani različitim dualnostima, kao što su D-brane, crne p-brane i NS5-brane. Strune formiraju zatvorene petlje, osim u slučaju kada se susretnu sa D-branama, gde one mogu da se otvore u jednodimenzionalne linije. Krajnje tačke struna ne mogu da prekinu D-branu, ali mogu da prođu oko nje.

Standardni model čestica i teorija struna

D-brane imaju ključnu ulogu u gravitaciono/kalibracionoj dualnosti, teorijskom mostu između kvantne teorije polja i gravitacije. Istraživanje ove dualnosti je dovelo do novih saznanja o kvantnoj hromodinamici, osnovnoj teoriji jake nuklearne sile. Neke crne rupe mogu se modelovati kao specifične vrste brana (npr. crne p-brane, identifikovane D-branama koje su krajnje tačke struna), što omogućava proučavanje njihovog ponašanja iz kvantnog ugla.
Za potpunu primenu Teorije struna neophodno je postojanje više od četiri dimenzije koje opažamo u svakodnevnom životu. Umesto tri prostorne: dužina, širina, visina i četvrte - vremenske dimenzije, teorija zahteva da svemir ima 10 ili čak 11 dimenzija u zavisnosti od verzije teorije. Dodate dimenzije su skupljene (kompaktifikovane) i savijene u ekstremno male, nevidljive prostore koji se ne mogu detektovati direktno jer su milionima puta manje od atoma (kao da su umotane u male „rolne” na svakom mestu u prostoru).

Poprečni presek Kalabi-Jauove mnogostrukosti

Jedan primer takvih prostora su Kalabi-Jau (engl. Calabi-Yau) mnogostrukosti, višedimenzionalni oblici koji su matematički kandidati za opis tih skrivenih dimenzija. Gravitacija se uklapa u ovu teoriju kroz zatvorene strune koje predstavljaju čestice zvane gravitoni koji prenose silu gravitacije, čime je uključena i kvantna gravitacija.
Jedna od najzanimljivijih posledica Teorije struna je i ideja o multiverzumu, mogućnosti da postoji ogroman broj paralelnih univerzuma, svaki sa svojim zakonima fizike. U nekima od njih možda ne bi postojala materija, svetlost ili vreme kakvo poznajemo. Čovečanstvo postoji u jednom koji je „podešen” za život, ali pitanje je da li je to jedini.

Vrste teorija struna

Razvijeno je nekoliko varijanti Teorije struna, uključujući Bozonsku teoriju struna, Teoriju superstruna i M-teoriju. Bozonska teorija struna je najranija verzija koja je predviđala postojanje samo jedne klase čestica-bozona (nosioci sila), bez uključivanja klase čestica nazvanih fermione (gradivni blokovi materije) pa je imala nestabilnosti. Ova teorija se kasnije razvila u superstrunsku teoriju, koja predviđa postojanje supersimetrije, odnosno da svaka čestica ima „superpartnera”, čime se povezuju bozoni i fermioni. Superstrunske teorije Tip I, Tip IIA i Tip IIB karakterišu različiti načini organizovanja struna i brana, dok heterotične SO(32) i E₈×E₈ superstrunske teorije kombinuju različite strukture struna u jedinstvenu sliku. Poslednja evolucija teorije struna je M-teorija koja povezuje svih 5 prethodnih superstrunskih teorija u jedinstvenu teoriju u 11 dimenzija.

Problemi i izazovi

Teorija struna još uvek nije potvrđena eksperimentima, jer su strune toliko male (~10-³⁵ m) da se trenutno ne mogu detektovati sa raspoloživom opremom kao što su najjači mikroskopi ili najmoćniji sudarači čestica. Eksperimenti koji bi mogli da je potvrde zahtevali bi i daleko više energije nego što se trenutno može proizvesti.

Zbog toga se radi na načinima da se teorija testira indirektno: kroz posmatranje crnih rupa, kosmičke pozadine zračenja, gravitacionih talasa i drugih fenomena. Na primer, otkriće mikroskopskih crnih rupa na Velikom hadronskom sudaraču (LHC) bi mogao biti jedan od tragova dodatnih dimenzija koje teorija predviđa. Teorija omogućava i ogroman broj mogućih različitih rešenja ili svemira (čak i do ~10⁵⁰⁰), jer zbog kompleksnosti matematičkih modela daje veliku slobodu u rešenjima ali to otežava predviđanja i njenu testabilnost.
Teorija struna opisuje celu strukturu svemira jer su njome sve poznate sile u prirodi i sve čestice obuhvaćene u jedan sveobuhvatan okvir. Iako čisto teorijska zbog čega nema nikakvog dokaza da predstavlja tačan opis prirode svemira, ona pruža jedinstveni matematički okvir koji ujedinjuje kvantnu mehaniku i Opštu teoriju relativnosti, što je mnogo godina bio jedan od najvažnijih problema u teorijskoj fizici. Pored toga što je izvršila snažan uticaj na matematiku, kosmologiju, pa čak i na razvoj novih tehnologija poput kvantnih računara, teorija ostaje plodno tlo za dalja istraživanja jer bi mogla dati odgovore o Velikom prasku, crnim rupama pa čak i multiverzumu.

Dr Vladica Božić

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"