NOVA | Tanárok | Elegáns univerzum | A szuperhúrok tudománya | PBS

A szuperhúrok tudománya

A mai fizikusok dilemmával küzdenek. Két különböző elméletet fogadtak el, amelyek megmagyarázzák az univerzum működését: Albert Einstein általános relativitáselméletét, amely nagyon nagy léptékben írja le a világegyetemet, és a kvantummechanikát, amely nagyon kis léptékben írja le a világegyetemet. Mindkét elméletet elsöprő mértékben alátámasztották a kísérleti bizonyítékok.

Ezek az elméletek sajnos nem egészítik ki egymást. Az általános relativitáselmélet, amely a gravitáció működését írja le, egy sima és áramló univerzumot feltételez, amely a téridő szövetének görbületeiből és görbületeiből áll. A kvantummechanika – a bizonytalansági elvvel – azt sugallja, hogy végtelenül kis léptékben az univerzum egy turbulens, kaotikus hely, ahol az eseményeket csak valószínűségekkel lehet megjósolni. Két olyan esetben, amikor az egymással versengő elméleteket egyaránt alkalmazni kell – az ősrobbanás és a fekete lyukak mélységeinek leírására – az egyenletek összeomlanak.

A legtöbb fizikusnak nehéz elfogadnia, hogy a világegyetem két különálló (és néha egymásnak ellentmondó) elmélet szerint működik. Valószínűbbnek tartják, hogy az univerzumot egyetlen elmélet irányítja, amely minden megfigyelést és adatot megmagyaráz.

A vadászat az egyetlen elméletért

Ezért a fizikusok vadásznak egy egységes elméletre. Egy ilyen elmélet egyetlen ernyő alá gyűjtené a természet mind a négy erejét: a gravitációt, a négy közül a leggyengébbet, ahogyan azt az általános relativitáselmélet magyarázza; valamint az elektromágnesességet, az erős és a gyenge erőt, ahogyan azt a kvantumtérelmélet magyarázza. Einstein úgy törekedett az egységes elméletre, hogy megpróbálta egyesíteni az elektromágnesességet és a gravitációt.

A szuperhúrelmélet, más néven húrelmélet ennek a folyamatos keresésnek a jelenlegi megfogalmazása. A húrelmélet mind a négy erőt megpróbálja egyesíteni, és ezáltal egyesíteni az általános relativitáselméletet és a kvantummechanikát. Az elmélet középpontjában egy meglehetősen egyszerű gondolat áll – minden részecske apró, rezgő energiafonalakból áll. (A húrelmélet nevét ezeknek az energiaszálaknak a húrszerű megjelenéséről kapta). A hétköznapi húroktól eltérően ezek a húrok hosszúak (átlagosan 10-33 centiméteresek), de nem vastagok. A húrelmélet azt sugallja, hogy a világegyetemben látható összes anyagot alkotó részecskék – és az összes erő, amely lehetővé teszi az anyag kölcsönhatását – apró, rezgő energiafonalakból állnak.

A jelenleg elfogadott és kísérletileg igazolt elmélet szerint a világegyetem működésének szubatomi léptékben történő leírása szerint minden anyag pontrészecskékből áll, és ezeken keresztül lép kölcsönhatásba. Ez a Standard Modell néven ismert elmélet leírja az elemi részecskéket és a négy alapvető erő közül hármat, amelyek világunk építőköveiként szolgálnak (lásd az Elemi részecskék táblázatot és az Alapvető Erő részecskék táblázatot e részecskék felsorolásáért). Ez az elmélet nem tartalmazza a gravitációt.

A húrelméletben minden egyes elemi anyagrészecske-típus – és minden egyes alapvető erőhordozó részecske-típus, amely az anyagrészecskék közötti kölcsönhatásokat közvetíti – egy egyedi húrrezgésmintának felel meg, valahogy úgy, ahogy a hegedű különböző hangjai egyedi húrrezgéseknek felelnek meg. Az, hogy egy húr hogyan rezeg, meghatározza annak a részecskének a tulajdonságait – például a töltését, tömegét és spinjét. A húrelmélet egyenletei a jelenleg ismert elemi részecskékhez (elektronok, kvarkok, fotonok stb.) hasonló elemi részecskéket eredményezhetnek, de mivel részletes numerikus előrejelzéseket még nem lehet készíteni, nehéz megmondani, hogy a lehetséges rezgésminták választéka helyesen ad-e számot az összes ismert anyag- és erőhordozó részecskéről. A húrok lehetnek nyílt végűek vagy hurkot alkotó zártak. Az, hogy egy húr nyitott vagy zárt, meghatározza, hogy milyen kölcsönhatásoknak lehet alávetni.

A húr természete az, ami egyesíti az általános relativitáselméletet és a kvantummechanikát. A kvantumtérelmélet szerint a részecskék a téridőben nulla távolságon keresztül lépnek kölcsönhatásba egymással. Az általános relativitáselmélet szerint a gravitáció feltételezett erőhordozó részecskéje, a graviton nem működhet nulla távolságon. A húrok segítenek megoldani ezt a dilemmát. Mivel egydimenziósak és hosszúak, “elkenik” a kölcsönhatásokat a kis távolságokon. Ez az elkenés eléggé kisimítja a téridőt ahhoz, hogy a graviton kölcsönhatásba léphessen más kvantumtér-részecskékkel, így egyesítve a két törvényszerűséget.

Nagy árcédula

A húrelméletnek azonban minden eleganciája ellenére ára van. Ahhoz, hogy az elmélet következetes legyen, az univerzumnak háromnál több térbeli dimenzióval kell rendelkeznie. Valójában a húrelmélet egy kilenc térbeli és egy időbeli dimenzióval rendelkező univerzumot jósol, ami összesen 10 dimenziót jelent. (A húrelmélet legfrissebb változata 11 dimenziót jósol.) A kilenc térbeli dimenzió a három kiterjesztett dimenzióból áll, amelyet a mindennapi életben tapasztalunk, valamint hat elméletileg apró, összegömbölyödött dimenzióból, amelyeket a jelenlegi technológiákkal nem lehet látni. Ez az extra hat dimenzió a megszokott háromdimenziós világ minden pontján előfordul. A háromnál több térbeli dimenzió létezése olyan nehezen felfogható fogalom, hogy még a húrelméleti szakemberek sem tudják elképzelni. Gyakran használnak analógiákat, hogy segítsenek elképzelni ezeket az absztrakciókat.

Képzeljünk el például egy papírlapot kétdimenziós, sík felülettel. Ha ezt a felületet feltekerjük, csövet képez, és az egyik dimenzió göndör lesz. Most képzeljük el, hogy addig tekerjük tovább a felületet, amíg olyan szorosan fel nem tekerjük, hogy a belső, felgöngyölített dimenzió eltűnni látszik, és a cső egyszerűen egy vonalnak tűnik. Hasonló módon a húrelmélet által megjósolt extra dimenziók is olyan szorosan göndörödnek, hogy a mindennapi tapasztalatban eltűnni látszanak.

Ezek a felgöndörödött dimenziók bizonyos összetett konfigurációkat vehetnek fel, amelyeket Calabi-Yau alakzatoknak neveznek. Sajnos ezeknek az alakzatoknak több tízezer változata létezik, és nehéz eldönteni, hogy melyek képviselhetik helyesen az univerzumunk extra dimenzióit. Azért fontos tudni, hogy melyek a megfelelőek, mert ezeknek az extra dimenzióknak az alakja határozza meg a húrrezgések mintázatát. Ezek a minták viszont az összes olyan összetevőt képviselik, amelyek lehetővé teszik az ismert világegyetem létezését.

Ezek az extra dimenziók lehetnek akár 10-35 méteresek, de akár tizedmilliméteresek is. Alternatívaként az extra dimenziók lehetnek olyan nagyok vagy nagyobbak, mint a saját univerzumunk. Ha ez a helyzet, egyes fizikusok szerint a gravitáció átszivároghat ezeken az extra dimenziókon, ami magyarázatot adhat arra, hogy a gravitáció miért olyan gyenge a másik három erőhöz képest.

Ez egyezik

A húrelmélet szerint minden ismert anyagrészecskének kell lennie egy még fel nem fedezett megfelelő “szuper” erőhordozó részecskének, és minden ismert erőhordozó részecskének kell lennie egy még fel nem fedezett megfelelő “szuper” anyagrészecskének. Ez a szuperszimmetriának nevezett elképzelés segít kapcsolatot teremteni az anyagrészecskék és az erőhordozó részecskék között. Ezeket az elméletileg szuper részecskéknek nevezett részecskéket (lásd alább a “Részecskék és részecskék” című fejezetet) úgy gondolják, hogy nagyobb tömegűek, mint ismert társaik, és ez lehet az oka annak, hogy a jelenlegi részecskegyorsítókkal és detektorokkal még nem sikerült megfigyelni őket.

* A gravitont és a Higgs-bozont még nem erősítették meg kísérletileg.A részecskék és javasolt szuperpartnereik teljes listája az “Elementáris részecskék” című fejezetben található a www.pbs.org/nova/elegant/ oldalon.

A húrelmélet hatalmas lehetőségeket rejt magában. Felfedhetné, hogy mi történt abban a pillanatban, amikor az univerzum elkezdődött. Az ősrobbanás elmélete csak azt írja le, hogy mi történt az első rendkívül kis másodperc töredéke után. A hagyományos elméletek szerint ezt megelőzően az univerzum nullára zsugorodott – ami lehetetlen. A húrelmélet égisze alatt a világegyetem talán soha nem zsugorodott össze addig a pontig, ahol eltűnt, hanem inkább egy parányi méretben kezdődött – egyetlen húr méretével.

A húrelmélet segíthetne feltárni a fekete lyukak természetét is, amelyeket az általános relativitáselmélet ugyan megjósolt, de kvantumszinten soha nem sikerült teljesen megmagyarázni. A húrelmélet egyik fajtáját használva a fizikusok matematikailag leírták a miniatűr tömeg nélküli fekete lyukakat, amelyek – miután a húrelmélet extra dimenzióinak geometriájában változásokon mennek keresztül – tömeggel és töltéssel rendelkező elemi részecskékként jelennek meg. Egyes teoretikusok most úgy gondolják, hogy a fekete lyukak és az alapvető részecskék azonosak, és hogy érzékelt különbségeik valami fázisátalakuláshoz hasonlót tükröznek, mint például a folyékony víz jéggé alakulása.

A húrelmélet a tér és az idő fejlődésével és természetével kapcsolatos különböző hipotézisek előtt is megnyitja az utat, például hogy hogyan nézhetett ki az univerzum az ősrobbanás előtt, vagy hogy a tér képes-e elszakadni és megjavulni, illetve topológiai változásokon átesni.

Amikor kezdődött

A húrelmélet nem teljesen új. Az 1960-as évek vége óta fejlődik. Egy időben az elméletnek öt változata létezett. Aztán az 1990-es évek közepén megjelent egy M-elmélet néven ismert elmélet, amely egyesítette az öt elméletet. Az M-elméletet a húrelmélet fejlődésének legújabb lépésének tekintik (lásd a “M-elmélet, varázslat, rejtély, anya?” című részt a jobb oldalon).

A húrelmélet legújabb inkarnációja – az M-elmélet – felfedte, hogy a húrelmélet öt korábbi változata csupán egy elmélet öt különböző aspektusa.

A húrelmélet egyetlen részét sem sikerült kísérletileg megerősíteni. Ez részben azért van így, mert az elméleti szakemberek még nem értik eléggé az elméletet ahhoz, hogy végleges, ellenőrizhető előrejelzéseket tegyenek. Ráadásul úgy gondolják, hogy a húrok olyan kicsik – kevesebb, mint egy atom milliárdod része -, hogy az olyan technológiák, mint a jelenlegi gyorsítók és detektorok nem elég erősek a kimutatásukhoz (lásd alább a “Seeking the Fundamental” című részt). Bár a húrelméletet kísérletileg még nem lehet igazolni, a fizikusok remélik, hogy néhány aspektusát közvetett bizonyítékokkal alá lehet támasztani, például a következő dimenziók létezésének bizonyításával:

• extradimenziók. A fizikusok remélik, hogy a jelenlegi vagy jövőbeli részecskegyorsítók segíthetnek az extra dimenziók létezésének kimutatásában. A detektorok megmérhetik a hiányzó energiát, amely a mi dimenzióinkból szivárogna át ezekbe az extra dimenziókba, és ezzel esetleg bizonyítékot szolgáltatnának e dimenziók létezésére.

• szuperpartner részecskék. A kutatók a jelenlegi és a következő generációs részecskegyorsítók segítségével a húrelmélet által megjósolt szuperpartner-részecskék után kutatnak majd.

• a háttérsugárzás ingadozásai. A világegyetemet a nagyon alacsony, 2,7 Kelvin fokos hőmérsékletű egyenletes sugárzás hatja át. Ez feltehetően az ősrobbanás eredeti, nagyon magas hőmérsékletéből maradt meg. Az égbolt különböző, egymástól mindössze kb. 1 fok távolságra lévő pontjairól származó hőmérsékleteket összehasonlítva rendkívül kis hőmérsékletkülönbségeket találtak (százezred Kelvin-fok nagyságrendűeket). A tudósok még kisebb hőmérséklet-különbségeket keresnek egy speciális formában, amelyek az ősrobbanás legkorábbi pillanataiból maradhattak vissza, amikor a húrok létrehozásához szükséges energiák elérhették.

A fundamentális részecskék keresése

Míg az ütköztetőket használó fizikusok bizonyítékot találtak a Standard Modellt alkotó anyag és erő részecskék többségére, még mindig keresik a Higgs-bozon nevű, feltételezett erőhordozó részecskét. Ez az ábra azokat az energiákat mutatja, amelyeknél egyes részecskéket és erőegyütthatókat találtak vagy elméletileg találtak (tömör körök), és jelzi azokat az energiákat, amelyeket a jelenlegi vagy tervezett ütköztetőkkel meg lehet vizsgálni (üres körök). A fizikusok azt remélik, hogy aCERN nagy hadronütköztetője Svájcban és Franciaországban – amelynek üzembe helyezését 2007-re tervezik – bizonyítékot mutathat a Higgs-bozonra, valamint a feltételezett gravitonra és a megfoghatatlan szuperpartner-részecskékre. Úgy tűnik, hogy az erős és az elektrogyenge erő egyesítéséhez vagy az elméletileg létező húrok megtalálásához olyan energiákat kell megvizsgálni, amelyek messze meghaladják a jelenlegi technológiák által kínált lehetőségeket. Egyes teoretikusok azonban úgy vélik, hogy a húr energiája közelebb lehet a jelenlegi vagy tervezett gyorsító energiákhoz.