Teori superstring adalah bahasa populer untuk dummies

Teori superstring, dalam bahasa populer, mewakili alam semesta sebagai kumpulan untaian energi string yang bergetar. Mereka adalah dasar alam. Hipotesis tersebut menggambarkan elemen lain - branes. Semua zat di dunia kita terdiri dari getaran senar dan bekatul. Konsekuensi alami dari teori ini adalah gambaran gravitasi. Itulah mengapa para ilmuwan percaya bahwa itu mengandung kunci untuk menggabungkan gravitasi dengan interaksi lainnya.

Konsepnya berkembang

Teori medan terpadu, teori superstring, adalah murni matematis. Seperti semua konsep fisik, hal itu didasarkan pada persamaan yang bisa ditafsirkan dengan cara tertentu.

Hari ini, tidak ada yang tahu persis apa yang akan menjadi versi terakhir dari teori ini. Para ilmuwan memiliki gagasan yang agak kabur tentang unsur-unsurnya yang umum, namun belum ada yang menemukan persamaan akhir yang akan mencakup semua teori superstring, namun belum dikonfirmasi secara eksperimental (walaupun juga ditolak). Fisikawan telah menciptakan versi persamaan yang disederhanakan, namun sejauh ini ia tidak sepenuhnya menggambarkan alam semesta kita.

Teori superstring untuk pemula

Lima hipotesis didasarkan pada hipotesis.

1. Teori superstring memprediksi bahwa semua benda di dunia kita terdiri dari helai bergetar dan membran energi.
2. Dia mencoba menggabungkan teori relativitas umum (gravitasi) dengan fisika kuantum.
3. Teori superstring akan menyatukan semua kekuatan fundamental alam semesta.
4. Hipotesis ini memprediksi sebuah hubungan baru, supersimetri, antara dua jenis partikel, boson dan fermion yang berbeda secara mendasar.
5. Konsep ini menggambarkan sejumlah pengukuran alam semesta yang tambahan yang biasanya tidak teramati.

String dan Branes

Ketika teori itu berasal pada 1970-an, benang energi di dalamnya dianggap objek 1 dimensi - senar. Kata "satu dimensi" mengatakan bahwa sebuah string hanya memiliki 1 dimensi, panjang, berbeda dengan, misalnya, persegi yang memiliki panjang dan tinggi.

Teori superstring ini terbagi menjadi dua jenis - tertutup dan terbuka. String terbuka telah berakhir yang tidak saling bersentuhan, sementara string tertutup adalah lingkaran tanpa ujung terbuka. Akibatnya, ditemukan bahwa string ini, yang disebut string tipe pertama, dikenai 5 jenis interaksi dasar.

Interaksi didasarkan pada kemampuan string untuk menghubungkan dan memisahkan ujungnya. Karena ujung senar terbuka dapat bersatu untuk membentuk senar tertutup, seseorang tidak bisa membuat teori superstring yang tidak termasuk string dilingkarkan.

Ini ternyata penting, karena senar tertutup memiliki sifat, sebagaimana diyakini oleh para ahli fisika, yang bisa menggambarkan gravitasi. Dengan kata lain, ilmuwan menyadari bahwa teori superstring, alih-alih menjelaskan partikel materi, dapat menggambarkan perilaku dan gravitasi mereka.

Setelah bertahun-tahun ditemukan bahwa, selain senar, teori tersebut membutuhkan unsur-unsur lain. Mereka bisa dianggap sebagai lembaran, atau bran. String bisa dilekatkan pada satu atau kedua sisi.

Gravitasi kuantum

Fisika modern memiliki dua dasar hukum ilmiah: teori relativitas umum (GTR) dan teori kuantum. Mereka mewakili bidang sains yang berbeda. Fisika kuantum mempelajari partikel alami terkecil, dan GTR, secara umum, menggambarkan sifat dalam skala planet, galaksi dan alam semesta secara keseluruhan. Hipotesis yang mencoba menyatukannya disebut teori gravitasi kuantum. Yang paling menjanjikan dari mereka hari ini adalah string satu.

Tali tertutup sesuai dengan perilaku gravitasi. Secara khusus, mereka memiliki sifat graviton, sebuah partikel yang mengangkut gravitasi antar benda.

Unifikasi kekuatan

Teori string mencoba menggabungkan empat kekuatan - interaksi nuklir elektromagnetik, kuat dan lemah, dan gravitasi - menjadi satu. Di dunia kita, mereka mewujudkan diri mereka sebagai empat fenomena yang berbeda, namun para teoretikus string percaya bahwa di alam semesta awal, ketika ada tingkat energi yang sangat tinggi, semua kekuatan ini digambarkan oleh senar yang saling berinteraksi satu sama lain.

Supersimetri

Semua partikel di alam semesta dapat dibagi menjadi dua jenis: boson dan fermion. Teori string memprediksi bahwa ada hubungan di antara mereka, yang disebut supersimetri. Untuk supersimetri, untuk setiap boson harus ada fermion dan untuk setiap fermion sebuah boson. Sayangnya, keberadaan partikel semacam itu belum dikonfirmasi secara eksperimental.

Supersimetri adalah hubungan matematis antara unsur-unsur persamaan fisika. Ini ditemukan di bidang fisika lain, dan aplikasinya menyebabkan dinamika teori supersimetrik (atau teori superstring, bahasa populer) pada pertengahan 1970an.

Salah satu kelebihan supersimetri adalah bahwa hal itu sangat menyederhanakan persamaan, memungkinkan Anda untuk mengecualikan beberapa variabel. Tanpa supersimetri, persamaan menyebabkan kontradiksi fisik, seperti nilai tak terhingga dan tingkat energi imajiner .

Karena para ilmuwan tidak mengamati partikel yang diprediksi oleh supersimetri, tetap saja hipotesisnya. Banyak fisikawan percaya bahwa alasan untuk ini adalah kebutuhan akan sejumlah energi yang signifikan, yang terkait dengan massa persamaan Einstein yang terkenal E = mc ² . Partikel ini bisa ada di alam semesta awal, tapi saat didinginkan, dan setelah Big Bang energi menyebar, partikel-partikel ini bergerak ke tingkat energi rendah.

Dengan kata lain, senar bergetar karena partikel berenergi tinggi kehilangan energi, yang mengubahnya menjadi elemen dengan getaran lebih rendah.

Para ilmuwan berharap bahwa pengamatan astronomi atau eksperimen dengan akselerator partikel akan mengkonfirmasi teori tersebut, mengungkapkan beberapa elemen supersymmetric dengan energi lebih tinggi.

Pengukuran tambahan

Konsekuensi matematis lain dari teori string adalah masuk akal di dunia yang jumlah dimensinya lebih besar dari tiga. Saat ini, ada dua penjelasan untuk ini:

1. Pengukuran tambahan (enam di antaranya) meringkuk, atau, dalam terminologi teori string, dipadatkan dengan ukuran yang sangat kecil, yang tidak akan pernah dirasakan.
2. Kita terjebak dalam brane 3 dimensi, dan dimensi lainnya melampaui dan tidak dapat diakses oleh kita.

Arah penting penelitian di antara para ahli teori adalah pemodelan matematika tentang bagaimana koordinat tambahan ini dapat dikaitkan dengan hubungan kita. Hasil terbaru memprediksi bahwa para ilmuwan akan segera dapat mendeteksi dimensi tambahan ini (jika ada) dalam percobaan mendatang, karena mungkin lebih besar dari perkiraan sebelumnya.

Memahami Tujuan

Tujuan yang ilmuwan berusaha untuk menyelidiki superstring adalah "teori segalanya," yaitu hipotesis fisik terpadu bahwa, pada tingkat fundamental, menggambarkan keseluruhan realitas fisik. Jika berhasil, dia bisa mengklarifikasi banyak pertanyaan tentang struktur alam semesta kita.

Penjelasan materi dan massa

Salah satu tugas utama penelitian modern adalah mencari solusi untuk partikel nyata.

Teori string dimulai sebagai sebuah konsep yang menggambarkan partikel seperti hadron, oleh berbagai keadaan getaran yang lebih tinggi dari senar tersebut. Dalam kebanyakan formulasi modern, materi yang diamati di alam semesta kita adalah hasil getaran senar dan bekatul dengan energi terendah. Getaran dengan energi yang lebih tinggi menghasilkan partikel berenergi tinggi, yang saat ini tidak ada di dunia kita.

Massa partikel elementer ini adalah manifestasi bagaimana senar dan bordir dibungkus dalam dimensi tambahan yang dipadatkan. Misalnya, dalam kasus yang disederhanakan, ketika digulung dalam bentuk donat, yang disebut matematikawan dan fisikawan, string tersebut dapat membungkus formulir ini dengan dua cara:

• Sebuah loop pendek melewati tengah torus;
• Lingkaran panjang mengelilingi seluruh lingkar luar torus.

Sebuah loop pendek adalah partikel yang mudah, dan yang besar itu berat. Saat membungkus senar di sekitar pengukuran kompak seperti torus, elemen baru dengan massa berbeda terbentuk.

Teori superstring singkat dan mudah dipahami, secara sederhana dan elegan menjelaskan transisi panjang ke massa. Pengukuran yang ambruk jauh lebih rumit daripada torus, tapi pada prinsipnya mereka juga bekerja.

Mungkin meski sulit membayangkan bahwa sebuah string membungkus sebuah torus dalam dua arah sekaligus, hasilnya akan menjadi partikel lain dengan massa yang berbeda. Branes juga bisa membungkus dimensi tambahan, menciptakan lebih banyak kemungkinan.

Definisi ruang dan waktu

Dalam banyak versi, teori pengukuran superstring angin, membuat mereka tidak teramati pada tingkat perkembangan teknologi modern.

Pada saat ini tidak jelas apakah teori string bisa menjelaskan sifat dasar ruang dan waktu lebih dari yang Einstein lakukan. Dalam pengukurannya adalah latar belakang interaksi senar dan tidak memiliki arti sebenarnya.

Penjelasan ditawarkan yang tidak sepenuhnya selesai, mengenai representasi ruang-waktu sebagai turunan dari jumlah total semua interaksi string.

Pendekatan ini tidak sesuai dengan gagasan beberapa fisikawan, yang menyebabkan kritik terhadap hipotesis tersebut. Teori kompetitif gravitasi kuantum loop sebagai titik awal menggunakan kuantisasi ruang dan waktu. Beberapa orang percaya bahwa pada akhirnya akan ada pendekatan lain terhadap hipotesis dasar yang sama.

Kuantisasi gravitasi

Pencapaian utama hipotesis ini, jika sudah dikonfirmasi, akan menjadi teori gravitasi kuantum. Deskripsi gravitasi saat ini dalam relativitas umum tidak sesuai dengan fisika kuantum. Yang terakhir, memaksakan pembatasan pada perilaku partikel kecil, ketika mencoba menjelajahi alam semesta dalam skala yang sangat kecil, menyebabkan kontradiksi.

Unifikasi kekuatan

Saat ini, empat kekuatan fundamental diketahui oleh fisikawan: gravitasi, interaksi elektromagnetik, lemah dan kuat. Dari teori string, berikut ini semua merupakan manifestasi dari satu teori.

Menurut hipotesis ini, sejak alam semesta awal mendingin setelah big bang, interaksi tunggal ini mulai hancur menjadi berbeda, berakting saat ini.

Percobaan dengan energi tinggi suatu saat akan memungkinkan kita untuk menemukan penyatuan kekuatan-kekuatan ini, walaupun eksperimen semacam itu jauh melampaui perkembangan teknologi saat ini.

Lima pilihan

Setelah revolusi superstring tahun 1984, perkembangan dilakukan dengan kecepatan tinggi. Akibatnya, alih-alih satu konsep, lima diperoleh, diberi nama tipe I, IIA, IIB, HO, HE, yang masing-masing hampir sepenuhnya menggambarkan dunia kita, tapi tidak sepenuhnya.

Fisikawan, meninjau versi teori string dengan harapan menemukan formula universal yang universal, menciptakan 5 versi mandiri yang berbeda. Beberapa sifat mereka mencerminkan realitas fisik dunia, yang lain tidak sesuai dengan kenyataan.

M-teori

Pada sebuah konferensi di tahun 1995, fisikawan Edward Witten mengajukan sebuah solusi berani untuk mengatasi lima hipotesis. Berdasarkan dualitas yang baru ditemukan, mereka semua menjadi kasus khusus dari sebuah konsep komprehensif yang disebut teori suplementasi Witten M. Salah satu konsep utamanya adalah bran (singkatan dari membran), objek mendasar yang memiliki lebih dari 1 dimensi. Meskipun penulis tidak menawarkan versi lengkap, yang belum tersedia, teori M superstrings terdiri dari beberapa ciri berikut:

• 11-dimensi (10 spasial ditambah 1 dimensi waktu);
• Dualitas, yang menyebabkan lima teori menjelaskan realitas fisik yang sama;
• Bran adalah senar, dengan lebih dari 1 dimensi.

Konsekuensi

Akibatnya, alih-alih satu, ada ^10.500 keputusan. Bagi beberapa fisikawan, inilah penyebab krisis, sementara yang lain menerima prinsip antropologi yang menjelaskan sifat alam semesta dengan kehadiran kita di dalamnya. Masih harus diharapkan, ketika para ahli teori akan menemukan cara lain untuk mengorientasikan teori superstring.

Beberapa interpretasi mengatakan bahwa dunia kita bukanlah satu-satunya. Versi yang paling radikal memungkinkan adanya jumlah alam semesta yang tak terbatas, beberapa di antaranya berisi salinan persis dari kita.

Teori Einstein meramalkan adanya ruang terlipat, yang disebut lubang cacing atau jembatan Einstein-Rosen. Dalam kasus ini, dua daerah terpencil dihubungkan oleh sebuah lorong pendek. Teori superstring tidak hanya memberi ini, tapi juga hubungan titik-titik jauh dari dunia paralel. Bahkan transisi antara alam semesta dengan hukum fisika yang berbeda dimungkinkan. Namun, ada kemungkinan teori kuantum gravitasi akan membuat keberadaan mereka tidak mungkin dilakukan.

Banyak fisikawan percaya bahwa prinsip holografik, ketika semua informasi yang terkandung dalam volume ruang, sesuai dengan informasi yang tercatat di permukaannya, akan memungkinkan pemahaman yang lebih dalam tentang konsep benang energi.

Beberapa percaya bahwa teori superstring memungkinkan berlipatnya pengukuran waktu, akibatnya bisa menjadi perjalanan melaluinya.

Selain itu, di dalam hipotesis ada alternatif untuk model big bang, yang menurutnya alam semesta kita muncul sebagai akibat dari tumbukan dua bran dan melewati siklus penciptaan dan penghancuran berulang.

Tujuan akhir alam semesta selalu menguasai fisikawan, dan versi terakhir dari teori string akan membantu menentukan kepadatan materi dan konstanta kosmologis. Mengetahui makna ini, ahli kosmologi akan dapat menentukan apakah alam semesta akan menyusut sampai meledak sehingga semuanya dimulai lagi.

Tidak ada yang tahu apa teori ilmiah bisa mengarah ke sampai dikembangkan dan diuji. Einstein, yang menulis persamaan E = mc ² , tidak menyangka akan mengarah pada kemunculan senjata nuklir. Pencipta fisika kuantum tidak tahu bahwa itu akan menjadi dasar untuk menciptakan laser dan transistor. Dan meskipun belum diketahui apa konsep teoritis murni ini akan mengarah pada, sejarah menunjukkan bahwa pasti akan ada sesuatu yang luar biasa.

Rincian lebih lanjut tentang hipotesis ini dapat ditemukan dalam buku Andrew Zimmermann, Theory of Superstrings for Dummies.