Teoria strun

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Poziomy:
1. Makroskopowy
2. Molekularny
3. Atomowy
4. Subatomowy – elektrony
5. Subatomowy – kwarki
6. Strunowy

Teoria strun (TS) – model matematyczny przewidujący, że podstawowym budulcem materii nie są cząstki w postaci punktu, lecz struny wielkości 10 metra.

Linia świata – w fizyce, zbiór punktów, z których każdy reprezentuje tzw. zdarzenie czasoprzestrzenne, określający kolejne położenia obiektu na diagramie czasoprzestrzennym Minkowskiego w wybranych składowych czasoprzestrzeni.Atom – podstawowy składnik materii. Składa się z małego dodatnio naładowanego jądra o dużej gęstości i otaczającej go chmury elektronowej o ujemnym ładunku elektrycznym.

Pierwotna teoria strun, zwana teorią strun bozonowych, powstała w 1970 roku. Jednak nie jest ona teorią odzwierciedlającą stan naszego fizycznego świata, ponieważ nie zakłada istnienia fermionów. Z upływem czasu pojawiały się nowe odmiany teorii strun. Obecnie uważa się, że wszystkie te teorie są odmianami jednej teorii wyższego rzędu, M-teorii.

Struny kosmiczne – hipotetyczne (przestrzennie) jednowymiarowe topologiczne solitony, które mogły zostać uformowane w wyniku złamania symetrii podczas przemiany fazowej we wczesnym Wszechświecie, kiedy topologia stanu próżniowego rozmaitości skojarzona do tego załamania symetrii nie jest przestrzenią jednospójną. Przewiduje się występowanie przynajmniej jednej struny na objętość Hubble’a. Powłoka masy w fizyce teoretycznej to abstrakcyjna matematyczna hiperpowierzchnia zanurzona w przestrzeni pędów. Wiąże ona energię, pęd i masę spoczynkową rozpatrywanej cząstki lub procesu. Określa ją równanie:

TS przewiduje, że przestrzeń, w której żyjemy, ma co najmniej 10 wymiarów, przy czym trzy wymiary przestrzenne oraz czas są wymiarami otwartymi, natomiast pozostałe wymiary są skompaktyfikowane do rozmiarów niedostępnych naszemu codziennemu doświadczeniu, dlatego ich nie obserwujemy.

Wstęp[ | edytuj kod]

Teoria strun zakłada, że elektrony i kwarki wewnątrz atomu nie są 0-wymiarowymi obiektami, lecz 1-wymiarowymi strunami. Struny te mogą oscylować, nadając obserwowanym cząstkom ich zapach, ładunek, masę i spin. Pomiędzy trybami oscylacji strun istnieje bezmasowy stan o spinie 2 – grawiton. Istnienie stanu grawitonu oraz fakt, że równania opisujące teorię strun zawierają równania OTW Einsteina, oznacza, że teoria strun jest kwantową teorią grawitacji. Ponieważ TS (teoria strun) jest matematycznie spójna, to wielu uważa, że w pełni opisuje nasz wszechświat, co czyni ją teorią wszystkiego. TS zawiera konfiguracje, które opisują wszystkie obserwowane, fundamentalne siły, lecz ze stałą kosmologiczną równą 0 i z pewnymi nowymi polami. Inne konfiguracje zawierają inne wartości stałej kosmologicznej oraz są metastabilne, lecz długowieczne. To prowadzi niektórych naukowców do założeń, że istnieje przynajmniej jedno metastabilne rozwiązanie jakościowo identyczne z modelem standardowym, z niezerową stałą kosmologiczną, zawierające ciemną materię oraz możliwy mechanizm dla istnienia kosmicznej inflacji. Nie jest obecnie wiadome, czy TS posiada takie rozwiązanie lub jak bardzo jest elastyczna, aby dopuścić odpowiedni dobór szczegółów.

Długość fali – najmniejsza odległość pomiędzy dwoma punktami o tej samej fazie drgań (czyli pomiędzy dwoma powtarzającymi się fragmentami fali – zob. rysunek). Dwa punkty fali są w tej samej fazie, jeżeli wychylenie w obu punktach jest takie samo i oba znajdują się na etapie wzrostu (lub zmniejszania się). Jeżeli w jednym punkcie wychylenie zwiększa się a w drugim maleje, to punkty te znajdują się w fazach przeciwnych.Wielki Zderzacz Hadronów, LHC (z ang. Large Hadron Collider) – największy na świecie akcelerator cząstek (hadronów), znajdujący się w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN w pobliżu Genewy. LHC jest położony na terenie Francji oraz Szwajcarii.

TS zawiera także inne obiekty, tzw. brany. Słowo brana pochodzi od membrany i odnosi się do odmiany wewnętrznie powiązanych obiektów takich jak D-brany, czarne p-brany czy 5-brany Neveu-Schwarza. Są to rozszerzone obiekty będące źródłami dla uogólnień form różniczkowych wektora potencjału pola elektromagnetycznego. Obiekty te są ze sobą powiązane przez różne odmiany dualności. Czarne dziury jak p-brany są identyfikowane z D-branami, które są końcowymi punktami dla strun, oraz to utożsamienie nazywane jest dualnością cechowania i grawitacji. Badania nad tą zamiennością doprowadziły do nowego spojrzenia na kwantową chromodynamikę, podstawową teorię silnego oddziaływania jądrowego. Struny tworzą zamknięte pętle, chyba że napotkają D-brany, gdzie mogą być otwarte w postaci 1-wymiarowych linii. Punkty końcowe nie mogą przerwać D-bran, lecz mogą ślizgać się na nich.

Plazma kwarkowo-gluonowa (QGP z ang. Quark-Gluon Plasma) – stan materii jądrowej występujący przy wysokich temperaturach i dużej gęstości materii. Jest to mieszanina swobodnych kwarków i gluonów. Materia w takim stanie występowała w początkowym okresie po Wielkim Wybuchu. Obecnie, w zderzeniach jąder atomów ciężkich pierwiastków w akceleratorach, gdy energia materii jądrowej po zderzeniu osiąga T ≳ 170 GeV {displaystyle Tgtrsim 170{ ext{GeV}}} , obserwuje się, że materia jądrowa zachowuje się bardziej jak ciecz nadciekła niż plazmowy gaz, co jest interpretowane jako sygnał powstania stanu plazmy kwarkowo-gluonowej.Działanie – podstawowe pojęcie mechaniki teoretycznej. Wyraża się w jednostkach iloczynu energii i czasu, bądź pędu i drogi. Działanie to całka lagranżjanu układu między dwoma stanami:

Pełna teoria nie posiada satysfakcjonującej definicji we wszystkich okolicznościach, ponieważ rozpraszanie strun jest najbardziej bezpośrednio zdefiniowane przez teorię perturbacji. Kompletna mechanika kwantowa wysoko wymiarowych bran nie jest łatwo zdefiniowana, a zachowanie TS w kosmologii (czasowo zależnym środowisku) nie jest w pełni opracowane. Nie jest także jasne, czy istnieje jakaś zasada, dzięki której TS wybiera swoje stany próżniowe, konfiguracji czasoprzestrzeni, która określa właściwości naszego wszechświata.

Grawitacja (ciążenie powszechne) – jedno z czterech oddziaływań podstawowych, będące zjawiskiem naturalnym polegającym na tym, że wszystkie obiekty posiadające masę oddziałują na siebie wzajemnie przyciągając się.Philip Warren Anderson (ur. 13 grudnia 1923 w Indianapolis) – fizyk amerykański. Urodzony w Indianapolis w stanie Indiana, dorastał w Urbana (stan Illinois). Studiował na Uniwersytecie Harvarda, który ukończył z wyróżnieniem w 1943 roku. W czasie wojny krótko pracował w Laboratorium Badawczym Marynarki Wojennej USA (U.S. Naval Research Laboratory).

Podstawowe właściwości[ | edytuj kod]

Teorię strun (TS) można sformułować w terminologii zasady działania (akcji) albo Nambu-Goto, albo Polakowa, co opisuje, jak struny propagują przez przestrzeń i czas. W przypadku nieobecności zewnętrznych interakcji, dynamika strun jest rządzona przez napięcia oraz energię kinetyczną, które razem powodują oscylacje. Mechanika kwantowa strun pokazuje, że te oscylacje istnieją w dyskretnych wibracyjnych trybach, widma emisyjnego teorii.

Mechanika kwantowa (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna.Foton (gr. φως – światło, w dopełniaczu – φοτος, nazwa stworzona przez Gilberta N. Lewisa) jest cząstką elementarną, nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero (m0 = 0), liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ wykazują dualizm korpuskularno-falowy, są równocześnie falą elektromagnetyczną.

W odległościach większych niż promień struny każdy tryb oscylacji zachowuje się jak inny gatunek cząstki z ich masą, spinem i ładunkiem określonym przez dynamikę struny. Podział oraz rekombinacja strun korespondujących do emisji cząstki oraz absorpcji daje podstawy do interakcji między cząstkami. Analogią dla trybów wibracji struny jest struna gitary odtwarzająca wiele różnych muzycznych nut. Jedyną różnicą jest fakt, że struna gitary istnieje w 3-wymiarowej przestrzeni, więc istnieją tylko dwa wymiary poprzeczne do struny. Struny podstawowe istnieją w przestrzeni 9-wymiarowej, dzięki czemu struny mogą wibrować w dowolnym kierunku, co oznacza, że spektrum trybów wibracji jest wiele bogatsze.

W fizyce cząstek bozony (ang. boson od nazwiska fizyka Satyendra Bose), są cząstkami posiadającymi spin całkowity. Większość bozonów to cząstki złożone, jednakże 12 z nich (tak zwane bozony cechowania) są cząstkami elementarnymi, niezłożonymi z mniejszych cząstek (cząstki fundamentalne).Popperyzm – filozofia Karla Poppera, a także stworzony przez niego prąd filozofii nauki rozwijany początkowo w opozycji do pozytywizmu logicznego, a później jako niezależny pogląd na kryteria naukowości wypowiedzi i metodologię nauki. "Popperyzm" określany jest również jako "krytyczny racjonalizm", a także, w odniesieniu wyłącznie do filozofii nauki jako "falsyfikacjonizm". Tak rozumiany "popperyzm" występuje w co najmniej trzech znaczeniach:

TS zawiera oba typy strun otwarte, które mają dwa odległe punkty końcowe, i zamknięte, tworzące pętlę. Te dwa typy strun zachowują się w nieco odmienny sposób. Dla przykładu we wszystkich TS dla grawitonu trybem struny jest struna zamknięta, lecz tylko struny otwarte mogą wibrować jak fotony. Ponieważ dwa końce otwartej struny mogą zawsze się spotkać i połączyć, formując zamkniętą strunę, nie istnieją teorie strun bez strun zamkniętych.

Sheldon Lee Glashow (ur. 5 grudnia 1932 w Nowym Jorku) – amerykański fizyk teoretyczny, laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w roku 1979 za wkład w rozwój teorii oddziaływania słabego.Teoria pola (fizyka), dział fizyki wypracowujący metody badania oraz badajaca pola fizyczne, czyli obszary w których występują zjawiska fizyczne. Fizycy matematyzując problem opisują te zjawiska poprzez przypisanie każdemu punktowi przestrzeni matematycznego obiektu, co odpowiada określeniu pewnej funkcji na przestrzeni, w której występuje pole.

Najwcześniejszy model struny, struna bozonowa, zawierała tylko bozonowe stopnie swobody. Model ten opisuje, w wystarczająco niskich energiach, teorię kwantowej grawitacji, która także zawiera (jeżeli struny otwarte są rozważane) pola cechowania takie jak foton (lub ogólniej każdą teorię cechowania). Jednakże model ten ma problemy. Teoria ta posiada fundamentalną niestabilność będącą wynikiem rozpadu samej czasoprzestrzeni. W dodatku jak sama nazwa wskazuje, spektrum cząstek zawiera tylko bozony – cząstki, które jak fotony podlegają szczególnym zasadom zachowania. Bozony są składnikami promieniowania, lecz nie materii, która jest zbudowana z fermionów. Badanie, jak TS może zawierać fermiony, prowadzi do wprowadzenia supersymetrii, matematycznej relacji między bozonami i fermionami. TS, które zawierają fermionowe wibracje, są obecnie znane jako teorie superstrun; kilka rodzajów było opisanych, lecz wszystkie są uważane za granice M-teorii.

Supersymetria (SUSY) – hipotetyczna symetria z zakresu fizyki cząstek elementarnych przekształcająca bozony w fermiony.Akcelerator – urządzenie służące do przyspieszania cząstek elementarnych lub jonów do prędkości bliskich prędkości światła. Cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym są przyspieszane w polu elektrycznym. Do skupienia cząstek w wiązkę oraz do nadania im odpowiedniego kierunku używa się odpowiednio ukształtowanego, w niektórych konstrukcjach także zmieniającego się w czasie, pola magnetycznego lub elektrycznego.

Pewne jakościowe właściwości strun kwantowych mogą być rozumiane jako dosyć prosty styl. Dla przykładu struny kwantowe mają napięcie takie jak zwykłe struny zrobione z dratwy; to napięcie jest uważane za podstawowy parametr teorii. Napięcie struny kwantowej jest blisko związane do jej rozmiaru. Rozważmy zamkniętą pętlę strunową, na którą nie działają żadne siły zewnętrzne, mogącą się poruszać swobodnie w przestrzeni. Jej napięcie dąży do skurczenia jej w coraz to mniejszą pętlę. Intuicja wynikająca z klasycznej mechaniki sugeruje, że może to spowodować skurczenie się jej do punktu, ale taki scenariusz naruszyłby zasadę nieoznaczoności Heisenberga. Charakterystyczny rozmiar pętli strunowej będzie przeciwwagą między siłą napięcia, dążącą do skurczenia jej, a rezultatem zasady nieoznaczoności, co utrzymuje ją rozciągniętą. Konsekwencją tego jest minimalny rozmiar struny związany z jej napięciem.

Teorie wielkiej unifikacji (GUT z ang. Grand Unification Theory) – teorie łączące chromodynamikę kwantową i teorię oddziaływań elektrosłabych. Przedstawiają one oddziaływanie silne, słabe i elektromagnetyczne jako przejaw jednego, zunifikowanego oddziaływania. Żadna z dotychczasowych teorii wielkiej unifikacji nie została potwierdzona doświadczalnie.Orientacja – pojęcie matematyczne odnoszące się do kilku obiektów oznaczające intuicyjnie określenie „strony” wierzchniej lub spodniej („lewej” lub „prawej”) obiektu. W szczególności jeżeli dana przestrzeń nie jest orientowalna, to znaczy, że nie jest możliwe wyróżnienie jej „stron”.

Powierzchnia świata[ | edytuj kod]

Ruch punktowej cząstki można opisać wykresem pozycji (w jedno lub dwuwymiarowej przestrzeni) względem czasu. Powstający w rezultacie obraz przedstawia linię świata cząstki (jej historię) w czasoprzestrzeni. Analogicznie można otrzymać podobny wykres przedstawiający strunę z upływem czasu. Struna (jednowymiarowy obiekt) przebiega powierzchnię (dwuwymiarową rozmaitość), znaną jako powierzchnia świata (worldsheet). Różne tryby (modulacje) strun (reprezentujące cząstki takie jak fotony czy grawitony) są falami na powierzchni tej rozmaitości.

Luboš Motl (ur. 5 grudnia 1973 w Pilźnie) – czeski fizyk teoretyczny i komentator fizyki, zagadnień związanych z globalnym ociepleniem oraz polityki. Jego badania skupiają się wokół teorii strun, której jest zagorzałym obrońcą. W 1997 zaproponował macierzową teorię strun.Fluktuacje kwantowe – chwilowe zmiany ilości energii w pewnym punkcie przestrzeni. Możliwość istnienia kwantowych fluktuacji jest konsekwencją zasady nieoznaczoności.

Zamknięte struny wyglądają jak małe pętle, więc ich powierzchnie świata będą wyglądały jak rury lub, w ogólnej terminologii, Powierzchnia Riemanna (dwuwymiarowa orientowana rozmaitość) bez brzegów (bez krawędzi). Otwarta struna wygląda jak krótka linia, więc jej powierzchnia świata będzie wyglądać jak pasek lub inaczej powierzchnia Riemanna z brzegiem.

Hadrony – grupa silnie oddziałujących cząstek elementarnych złożonych z kwarków bądź gluonów. Wyróżnia się stany złożone z samych kwarków (mezony, bariony, tetrakwarki, pentakwarki itd.), samych gluonów (kule gluonowe) oraz kwarków i gluonów (hybrydy mezonowe, hybrydy barionowe itd.). Pierwszymi odkrytymi hadronami były bariony (trzy kwarki albo trzy antykwarki) i mezony (jeden kwark i jeden antykwark). Właściwością hadronów jest ich liczba barionowa oraz całkowity ładunek elektryczny, choć budujące je kwarki i antykwarki mają ładunki ułamkowe. Hadrony, będące stanami związanymi, same mogą tworzyć stany związane - są to jądro atomowe, hiperjądro, atom hadronowy (jądro atomowe z orbitującym wokół nim hadronem), molekuła hadronowa (np. pionium) czy gwiazda neutronowa. Leonard Susskind (ur. 1940) – amerykański fizyk. Jest profesorem fizyki teoretycznej na Uniwersytecie Stanforda. Jego badania obejmują teorię strun, teorię pól kwantowych, statystyczną mechanikę kwantową i kosmologię kwantową. Jest członkiem NAS, Amerykańskiej Akademii Sztuki i Nauki oraz innych organizacji międzynarodowych o charakterze naukowym.
Interakcje w świecie subatomowym: z lewej linia świata cząstki punktowej w modelu standardowym lub powierzchnia świata zamkniętej struny w TS po prawej

Struny mogą się dzielić i łączyć. Ten stan jest odzwierciedlony przez formę ich powierzchni świata (topologię). Na przykład, jeżeli zamknięta struna się podzieli, to jej powierzchnia świata będzie wyglądała jak pojedyncza rura podzielona (lub połączona) do dwóch rur (częstym odnośnikiem jest para spodni — rysunek obok). Jeżeli zamknięta struna podzieli się, a następnie jej dwie części ponownie się połączą, to jej powierzchnia świata będzie wyglądała jak pojedyncza rura podzielona na dwa, następnie połączona, co również wygląda jak torus połączony do dwóch rur (jedna reprezentuje wchodzącą strunę a druga wychodzącą). Otwarta struna zachowująca się tak samo będzie miała swoją powierzchnię świata wyglądającą jak pierścień połączony do dwóch pasków.

Topologia (gr. tópos – miejsce, okolica; lógos – słowo, nauka) – jeden z najważniejszych kierunków w matematyce współczesnej. Obiektem jej badań są te własności figur geometrycznych i brył, które nie ulegają zmianie nawet po radykalnym zdeformowaniu tych figur (a więc np. położenie i sąsiedztwo). Własności takie nazywa się własnościami topologicznymi figury.Zasada dualności w geometrii rzutowej mówi, że dowolne prawdziwe twierdzenie na płaszczyźnie rzutowej jest równoważne twierdzeniu które otrzymamy, jeśli zamienimy w nim pojęcia "prosta" na "punkt" i odwrotnie (i odpowiednio "przechodzi przez" na "leży na"). Na przykład, gdy mamy twierdzenie mówiące o współliniowości kilku punktów, istnieje dualne do niego twierdzenie o współpękowości odpowiednich kilku prostych.

Na uwagę zasługuje fakt, że proces łączenia i podziału strun jest procesem globalnym powierzchni świata, nie lokalnym: lokalnie powierzchnia świata wygląda tak samo wszędzie i nie jest możliwe wskazanie pojedynczego punktu na powierzchni, gdzie podział się pojawia. Zatem te procesy są integralną częścią teorii i są opisane tą samą dynamiką, która kontroluje tryby (modulacje) strun.

Joseph Polchinski (ur. 16 maja 1954 w White Plains w stanie Nowy Jork) - amerykański fizyk teoretyczny pracujący nad teorią strun. W 2008 r. zdobył medal Diraca za swoje prace.Cząstka (korpuskuła) – w tradycyjnym znaczeniu, to każdy fragment materii, który ma kształt mniej lub bardziej zbliżony do sfery i jest na tyle mały, że nie można go zobaczyć gołym okiem. W tym określeniu informacja o kształcie nie dotyczy cząstek elementarnych (zob. fizyka cząstek elementarnych), w przypadku których nie ma żadnego sensu mówić o ich kształcie, gdyż ich "zachowanie" trudno jest sobie wyobrażać w kategoriach makroskopowych wyobrażeń zmysłowych.

W pewnych TS (zamkniętych strunach typu I oraz pewnych wersjach strun bozonowych), struny mogą się podzielić oraz połączyć w przeciwnej orientacji (jak we wstędze Möbiusa lub butelce Kleina). Teorie te nazywają się niezorientowane. W terminologii formalnej powierzchnia świata w tych teoriach jest nieorientowaną powierzchnią.

Jon – atom lub grupa atomów połączonych wiązaniami chemicznymi, która ma niedomiar lub nadmiar elektronów w stosunku do protonów. Obojętne elektrycznie atomy i cząsteczki związków chemicznych posiadają równą liczbę elektronów i protonów, jony zaś są elektrycznie naładowane dodatnio lub ujemnie.Konforemna teoria pola (CFT) – to kwantowa teoria pola także określana jako statystyczno mechaniczny model w punkcie krytycznym, który jest niezmienniczy przy przekształceniach konforemnych (równokątnych). CFT jest często badana w dwóch wymiarach gdzie istnieje nieskończenie wymiarowa grupa lokalnych transformacji konforemnych (równokątnych) opisanych przy pomocy funkcji holomorficznych. CFT jest ważna w teorii strun, fizyce statystycznej i fizyce materii skondensowanej. Teoria ta została po raz pierwszy zaproponowana przez Leigh Pagea i Normana I. Adamsa.

Dualności[ | edytuj kod]

Przed latami 90. XX wieku teoretycy zakładali, że istnieje pięć odrębnych teorii superstrun: otwarta typu I, zamknięta typu I, zamknięta typu IIA, zamknięta typu IIB i dwa zapachy heterotycznej teorii strun (SO(32) i E8xE8). Rozumowano, że tylko jedna z tych pięciu kandydatek będzie właściwą teorią wszystkiego i że to będzie ta, której limit niskiej energii, w dziesięciu wymiarach przestrzennych skompaktyfikowanych w dół do czterech będzie odpowiadał obserwowanym wielkościom fizycznym. Obecnie już wiadomo, że ten obraz był niepoprawny oraz że pięć teorii superstrun jest połączone wzajemnie w taki sposób, jak gdyby każda z nich była specjalnym przypadkiem jakiejś bardziej fundamentalnej (podstawowej) teorii (M-teorii). Te teorie są związane przez transformacje, które nazywane są dualnościami. Jeżeli dwie teorie są związane przez transformację dualną, to oznacza, że pierwsza teoria może być transformowana w pewien sposób, że skończy wyglądając zupełnie jak druga teoria. Mówi się wtedy, że te dwie teorie są dualne względem siebie, zakładając określoną transformację. Ujmując w inny sposób, można stwierdzić, że dwie teorie są różnym matematycznym opisem tego samego zjawiska.

Efekt Casimira – zjawisko fizyczne przyciągania pomiędzy dwiema pozbawionymi ładunku elektrycznego płytami wykonanymi z przewodnika spowodowane różnicą ciśnienia oddziałujących na nie cząstek wirtualnych. Pierwszy raz wystąpienie tego efektu w roku 1948 przewidział holenderski fizyk Hendrik B. G. Casimir pracujący w laboratoriach Philipsa.Kwark – cząstka elementarna, fermion mający ładunek koloru (czyli podlegający oddziaływaniom silnym). Według obecnej wiedzy cząstki elementarne będące składnikami materii można podzielić na dwie grupy. Pierwszą grupę stanowią kwarki, drugą grupą są leptony. Każda z tych grup zawiera po sześć cząstek oraz ich antycząstki, istnieje więc sześć rodzajów kwarków oraz sześć rodzajów antykwarków.

Te dualności łączą wielkości, które uważano za odrębne. W dużych i małych skalach wielkości, jak i w silnych i słabych oddziaływaniach, istnieją wielkości takie, które zawsze oznaczały bardzo odległe granice zachowania systemu fizycznego zarówno w klasycznej teorii pola, jak i w kwantowej fizyce cząstek elementarnych. T-dualizm odnosi duże i małe skale odległości między teoriami strun, S-dualizm odnosi się do silnego i słabego sprzężenia sił między teoriami strun. U-dualizm łączy T-dualizm i S-dualizm.

Spin – moment własny pędu cząstki w układzie, w którym nie wykonuje ruchu postępowego. Własny oznacza tu taki, który nie wynika z ruchu danej cząstki względem innych cząstek, lecz tylko z samej natury tej cząstki. Każdy rodzaj cząstek elementarnych ma odpowiedni dla siebie spin. Cząstki będące konglomeratami cząstek elementarnych (np. jądra atomów) mają również swój spin będący sumą wektorową spinów wchodzących w skład jego cząstek elementarnych.Soczewkowanie grawitacyjne – zakrzywienie promieni świetlnych w polu grawitacyjnym masywnego ciała niebieskiego prowadzące do ich skupienia. Efektem soczewkowania grawitacyjnego jest obserwowane pojaśnienie źródła oraz pojawianie się pozornych ciał niebieskich – obrazów ciał rzeczywistych.

Należy zauważyć, że w teoriach strun typu IIA i IIB dopuszczalne jest, aby zamknięte struny poruszały się wszędzie przez dziesięciowymiarową czasoprzestrzeń, podczas gdy otwarte struny mają ich końce przytwierdzone do D-bran, które są membranami niższej wymiarowości (ich wymiary są nieparzyste — 1, 3, 5, 7 lub 9 — w typie IIA i parzyste — 0, 2, 4, 6 lub 8 — w typie IIB, włącznie z kierunkiem czasu).

Dylaton – hipotetyczna cząstka skalarna przewidywana przez teorię Kaluzy-Kleina. Jej pole to składowa (5, 5) tensora metrycznego w pięciu wymiarach. Jest przedstawicielem klasy hipotetycznych cząstek zwanych radionami lub grawiskalarami, postulowanych przez teorie rozważające przestrzeń o liczbie wymiarów większej niż 4.Wstęga Möbiusa – dwuwymiarowa zwarta rozmaitość topologiczna istniejąca w przestrzeni trójwymiarowej, którą można uzyskać sklejając taśmę końcami "na odwrót". Jej najważniejszą cechą jest to, że ma tylko jedną stronę (jest tzw. powierzchnią jednostronną). Posiada również tylko jedną krawędź – "sklejenie" tej krawędzi (niemożliwe w przestrzeni trójwymiarowej) daje butelkę Kleina. Opisana przez niemieckiego matematyka Augusta Möbiusa i Johanna Benedicta Listinga w 1858 roku.

Dodatkowe wymiary[ | edytuj kod]

Liczba wymiarów[ | edytuj kod]

Ciekawą właściwością TS jest fakt, że przewiduje ona dodatkowe wymiary. W klasycznej TS liczba wymiarów nie jest ustalona żadnym logicznym kryterium. Jednakże, aby uczynić ją zgodną z teorią kwantową, wymaga się od TS, aby istniała w czasoprzestrzeni o tzw. krytycznym wymiarze: odpowiednio dla teorii strun bozonowych jest to 26 wymiarów czasoprzestrzennych i 10 dla teorii superstrun. To jest koniecznością dla zapewnienia zanikania anomalii konforemnej powierzchni świata konforemnej teorii pola. Nowoczesne rozumienie sugeruje, że istnieją mniej trywialne drogi spełnienia tego kryterium. Rozwiązania kosmologiczne istnieją w szerszej różnorodności wymiarowości i te inne wymiary są powiązane przez dynamiczne przejścia.

Library of Congress Control Number (LCCN) – numer nadawany elementom skatalogowanym przez Bibliotekę Kongresu wykorzystywany przez amerykańskie biblioteki do wyszukiwania rekordów bibliograficznych w bazach danych i zamawiania kart katalogowych w Bibliotece Kongresu lub u innych komercyjnych dostawców. Roger Bacon (ok. 1214-1292) – angielski franciszkanin naukowiec, zwany doctor mirabilis (łac. wspaniały nauczyciel); filozof średniowieczny, uznawany za skrajnego empirystę. Czasem opisywany jako jeden z najwcześniejszych europejskich zwolenników nowoczesnej metody naukowej, którą zainspirował się z prac islamskich naukowców.

Jedną z takich teorii jest 11-wymiarowa M-teoria, która wymaga czasoprzestrzeni o jedenastu wymiarach, w przeciwieństwie do zwykłych trzech wymiarów przestrzennych i czwartego wymiaru czasu. Oryginalne teorie strun z lat 80. XX wieku opisują specjalne przypadki M-teorii, gdzie jedenasty wymiar jest bardzo małym okręgiem lub linią oraz jeżeli te sformułowania są rozważane jako fundamentalne, wtedy teoria strun wymaga dziesięciu wymiarów. Lecz TS opisuje także wszechświaty takie jak nasz z czterema dającymi się zaobserwować wymiarami, jak i wszechświaty nawet z 10 płaskimi wymiarami przestrzennymi i także nie pokazuje, gdzie pozycja w niektórych wymiarach jest opisana liczbą zespoloną zamiast liczbą rzeczywistą. Pojęcie wymiaru czasoprzestrzennego nie jest stałe w TS: najlepiej pomyśleć o tym jako różne w zależności od okoliczności.

Pole elektromagnetyczne – pole fizyczne, stan przestrzeni, w której na obiekt fizyczny mający ładunek elektryczny działają siły o naturze elektromagnetycznej. Pole elektromagnetyczne jest układem dwóch pól: pola elektrycznego i pola magnetycznego. Pola te są wzajemnie związane, a postrzeganie ich zależy też od obserwatora, wzajemną relację pól opisują równania Maxwella. Własności pola elektromagnetycznego, jego oddziaływanie z materią bada dział fizyki zwany elektrodynamiką. W mechanice kwantowej pole elektromagnetyczne jest postrzegane jako wirtualne fotony.Ogólna teoria względności (OTW) – popularna nazwa teorii grawitacji formułowanej przez Alberta Einsteina w latach 1907–1915, a opublikowanej w roku 1916.

Nic w teorii elektromagnetyzmu Maxwella lub teorii względności Einsteina nie przewiduje niczego takiego. Teorie te wymagają od fizyków podania liczby wymiarów manualnie i arbitralnie i liczba ta jest stała, niezależna od energii potencjalnej. TS dopuszcza powiązanie liczby wymiarów ze skalarem potencjalnej energii. W terminologii technicznej dzieje się tak, ponieważ anomalia cechowania istnieje dla każdego przewidywanego wymiaru przestrzennego oddzielnie, anomalii cechowania można przeciwdziałać przez dołączenie nietrywialnej energii potencjalnej do równań, aby rozwiązać równania ruchu. Dalej nieobecność energii potencjalnej w "krytycznym wymiarze" wyjaśnia, dlaczego rozwiązania dla płaskiej czasoprzestrzeni są możliwe.

Zasada nieoznaczoności (zasada nieoznaczoności Heisenberga lub zasada nieokreśloności) − reguła, która mówi, że istnieją takie pary wielkości, których nie da się jednocześnie zmierzyć z dowolną dokładnością. O wielkościach takich mówi się, że nie komutują. Akt pomiaru jednej wielkości wpływa na układ tak, że część informacji o drugiej wielkości jest tracona. Zasada nieoznaczoności nie wynika z niedoskonałości metod ani instrumentów pomiaru, lecz z samej natury rzeczywistości.Zapach – jedna z liczb kwantowych przypisywanych elementarnym fermionom materii - kwarkom i leptonom. Zapach jest zachowywany w oddziaływaniach silnych i elektromagnetycznych, nie jest natomiast zachowany w oddziaływaniach słabych. Oznacza to, że tylko w oddziaływaniach słabych może następować zmiana zapachu kwarków i leptonów.

Najlepiej zrozumieć to, gdy foton zawarty w spójnej teorii (technicznie, cząstka niosąca siłę powiązaną do niezłamanej symetrii cechowania) musi być bezmasowa. Masa fotonu, która jest przewidziana przez TS, zależy od energii trybu struny reprezentującej foton. Energia ta zawiera udział z efektu Casimira, mianowicie z fluktuacji kwantowych w strunie. Rozmiar tego wkładu zależy od liczby wymiarów, ponieważ dla większej liczby wymiarów istnieje więcej możliwych fluktuacji w pozycji struny, wskutek czego foton w płaskiej czasoprzestrzeni będzie bezmasowy – a teoria spójna – tylko dla szczególnej liczby wymiarów. Kiedy wykona się niezbędne kalkulacje, to krytyczna wymiarowość nie jest cztero- (jak można by się spodziewać 3 wymiary przestrzenne plus jeden czasowy). Podzbiór X jest równy relacji fluktuacjom fotonu w liniowym wymiarze. Przestrzenno płaskie TS są 26-wymiarowe w przypadku bozonowym, podczas gdy teorie superstrun i M-teorii zawierają 10 lub 11 wymiarów dla rozwiązań płaskich. W bozonowych teoriach 26 wymiarów pochodzi z równań Polakowa. Wychodząc od dowolnego wymiaru większego od 4, jest konieczne rozważenie, jak są one zredukowane do czterowymiarowej czasoprzestrzeni.

Topologia produktowa – w topologii i związanych z nią działach matematyki naturalna topologia, w którą wyposażona jest przestrzeń produktowa, czyli iloczyn kartezjański rodziny przestrzeni topologicznych. Choć na przestrzeni produktowej można wprowadzić być może bardziej oczywistą topologię przedziałową, która pokrywa się z topologią produktową w przypadku produktu skończenie wielu przestrzeni, to topologię produktową uważa się jednak za „poprawniejszą” dlatego, iż czyni ona z przestrzeni produktowej teoriokategoryjny produkt jej czynników, podczas gdy topologia przedziałowa jest w ogólności zbyt uboga; w tym właśnie sensie topologia produktowa jest „naturalną” topologią przestrzeni produktowej.Materia – w potocznym znaczeniu: ogół obiektywnie istniejących przedmiotów fizycznych, poznawalnych zmysłami. W fizyce termin "materia" ma kilka znaczeń.

Wymiary kompaktowe[ | edytuj kod]

Aby rozwiązać ww. problem, zaproponowano dwa wyjścia. Pierwsze to kompaktyfikacja dodatkowej liczby wymiarów; w szczególności 6 lub 7 dodatkowych wymiarów są tak małe, że nie można ich wykryć przy obecnym stanie technicznych możliwości.

Aby zachować wysoki stopień supersymetrii, te skompaktyfikowane przestrzenie muszą być bardzo specjalne, aby znalazły odzwierciedlenie w swojej holonomii. 6-wymiarowa rozmaitość musi posiadać strukturę SU(3), szczególnym przypadkiem jest (nieskręcona) holonomia SU(3), co czyni ją przestrzenią Calabiego-Yau, a 7-wymiarowa rozmaitość musi posiadać strukturę rozmaitości G2, z holonomią G2 będącą znów specyficznym, prostym przypadkiem. Takie przestrzenie były badane przy próbach powiązania TS z 4-wymiarowym Modelem Standardowym, po części z powodu prostoty obliczeniowej wynikającej z założenia supersymetrii.

Czarna dziura – obszar czasoprzestrzeni, którego, z uwagi na wpływ grawitacji, nic, łącznie ze światłem, nie może opuścić. Zgodnie z ogólną teorią względności, do jej powstania niezbędne jest nagromadzenie dostatecznie dużej masy w odpowiednio małej objętości. Czarną dziurę otacza matematycznie zdefiniowana powierzchnia nazywana horyzontem zdarzeń, która wyznacza granicę bez powrotu. Nazywa się ją "czarną", ponieważ pochłania całkowicie światło trafiające w horyzont, nie odbijając niczego, zupełnie jak ciało doskonale czarne w termodynamice. Mechanika kwantowa przewiduje, że czarne dziury emitują promieniowanie jak ciało doskonale czarne o niezerowej temperaturze. Temperatura ta jest odwrotnie proporcjonalna do masy czarnej dziury, co sprawia, że bardzo trudno je zaobserwować w wypadku czarnych dziur o masie gwiazdowej bądź większych.Lee Smolin (ur. w 1955 w Nowym Jorku) – amerykański fizyk teoretyczny, pracuje m.in. na Perimeter Institute for Theoretical Physics, University of Waterloo oraz na University of Toronto. Żonaty z Diną Graser, prawnikiem oraz działaczką publiczną w Toronto. Jego brat, Dawid M. Smolin, jest profesorem prawa.

Standardową analogią przy rozważaniu wielowymiarowych przestrzeni jest wąż ogrodowy. Jeżeli wąż jest oglądany z odpowiedniej odległości, to wygląda, jakby był jednowymiarowy — posiadał tylko długość. Jeżeli pomyśli się o kuli o rozmiarze pozwalającym na wrzucenie jej do środka węża, to będzie się ona poruszała, w przybliżeniu, w jednym wymiarze; w jakimkolwiek eksperymencie jedynym ważnym ruchem będzie ruch jednowymiarowy. Jednak jeżeli zbliży się do węża, to zauważy się, że posiada on obwód. Wtedy mrówka krocząca po wewnętrznej ścianie węża będzie się poruszać w dwóch wymiarach (a mucha latająca we wnętrzu w trzech). Te dodatkowe wymiary są widoczne jedynie z relatywnie bliskiej odległości, lub eksperymentując z cząstkami z ekstremalnie małymi długościami fal (rzędu wielkości promienia wymiaru kompaktowego), co w mechanice kwantowej oznacza bardzo wysokie energie (dualizm korpuskularno-falowy).

M-teoria − jedna z potencjalnych teorii wszystkiego, czyli teorii opisującej w uniwersalny, spójny sposób prawa fizyki.Dratwa – gruba, mocna nić wykonana z włókien lnianych lub konopnych, impregnowana woskiem lub smołą, używana głównie przez szewców, rymarzy i kaletników.

Scenariusz świata Bran[ | edytuj kod]

Inną możliwością jest przypuszczenie, że utknęliśmy w 3+1 wymiarowej podprzestrzeni pełnego wszechświata. Odpowiednio zlokalizowana materia i pola cechowania Yanga-Millsa będą istniały, jeżeli podprzestrzeń jest wyjątkowym zbiorem większego wszechświata. Te "wyjątkowe zbiory" są wszechobecne w n-fałdach Calabiego-Yau i mogą być opisane jako podprzestrzenie bez lokalnych deformacji, pokrewnych do zmarszczek na kawałku papieru lub rysy na krysztale, których otoczenie jest znacząco inne od wyjątkowej samej podprzestrzeni. Jednakże do chwili pojawienia się pracy Randall i Sundruma, nie było wiadome, że grawitacja może być poprawnie zlokalizowana w pod-czasoprzestrzeni. W dodatku czasoprzestrzeń może być warstwowa, zawierająca warstwy różnych wymiarów, dopuszczająca, abyśmy zamieszkiwali 3+1 wymiarową warstwę — takie geometrie pojawiają się naturalnie w kompaktyfikacjach Calabiego-Yau. Takie pod-czasoprzestrzenie są D-branami, w związku z tym modele takie znane są jako scenariusze świata bran.

Teoria superstrun – wersja teorii strun, która łączy ją z supersymetrią. Wersja teorii superstrun, M-teoria, jest jedną z proponowanych teorii wszystkiego. M-teoria przewiduje, że teoria superstrun opisuje tylko część rzeczywistości.Forma różniczkowa (krótko k-forma) – rodzaj funkcji związanej z rachunkiem różniczkowym i całkowym na rozmaitościach. Podstawą rachunku form różniczkowych jest tzw. lemat Poincarego. Rachunek form różniczkowych jest często wykorzystywany w fizyce do całkowania takich pojęć jak praca, strumień pola (magnetycznego, grawitacyjnego itp.) przechodzącego przez powierzchnię, potencjały pól itp. Pojęcie formy różniczkowej formalizuje te operacje z matematycznego punktu widzenia.

Skutki istnienia ukrytych wymiarów[ | edytuj kod]

W każdym przypadku grawitacja działająca w ukrytych wymiarach wpływa na inne niegrawitacyjne siły takie jak elektromagnetyzm. I rzeczywiście wczesne prace Kaluzy pokazują, że ogólna teoria względności w pięciu wymiarach przewiduje istnienie elektromagnetyzmu. Jednakże z uwagi na właściwości rozmaitości Calabiego-Yau nie pojawiają się żadne nowe siły pochodzące z małych wymiarów, ale ich kształt ma głęboki wpływ na to, jak siły między strunami pojawiają się w naszym czterowymiarowym wszechświecie. W zasadzie jest możliwa dedukcja natury tych dodatkowych wymiarów wymagając zgodności z modelem standardowym, lecz obecnie nie istnieje taka praktyczna możliwość. Możliwe jest także wydobycie informacji odnośnie do ukrytych wymiarów przez precyzyjne testy grawitacji.

W geometrii różniczkowej, termin skręcenie odnosi się do scharakteryzowania przekręcenia poruszającej się ramki wzdłuż krzywejPrzestrzenie (lub kształty) Calabiego-Yau są rodzajem rozmaitości topologicznej, która odgrywa rolę w niektórych działach matematyki (takich jak geometria algebraiczna) oraz w fizyce. Dla przykładu teoria strun przewiduje istnienie dodatkowych wymiarów czasoprzestrzennych "zwiniętych" do postaci sześciowymiarowej przestrzeni Calabiego-Yau o wielkości długości Plancka.

D-brany[ | edytuj kod]

Inną kluczową właściwością TS jest istnienie D-bran. Są to membrany o innej wymiarowości (począwszy od zero wymiarowej membrany — która jest w rzeczywistości punktem — przez 2-wymiarowe membrany, 3-wymiarowe wielkości itd.)

D-brany są zdefiniowane przez fakt, że granice powierzchni świata są do nich przyczepione. D-brany posiadają masę, ponieważ emitują i absorbują zamknięte struny, co opisuje grawitony i w — teoriach superstrun — także ładunek, ponieważ łączą się z otwartymi strunami, to opisuje także interakcje cechowania.

Z punktu widzenia otwartych strun D-brany są obiektami, do których ich końce są przyczepione. Struny otwarte przyczepione do D-brany określa się jako "żyjące" na niej i dają początek teoriom cechowania "żyjącym" na nich (ponieważ jedna z trybów modeli otwartych strun jest bozonem cechowania, jak foton). W przypadku D-bran istnieje jeden typ bozonu cechowania i otrzymujemy abelową teorię cechowania (z fotonem jako bozonem cechowania). Jeżeli istnieje wiele równoległych D-bran, to będzie istniało wiele typów bozonów cechowania dając początek nieabelowej teorii cechowania.

Sir Roger Penrose (ur. 8 sierpnia 1931 w Colchester w Anglii) – angielski fizyk i matematyk. Jest synem lekarza, genetyka i matematyka Lionela Penrose’a oraz bratem matematyka Olivera Penrose’a i szachisty Jonathana Penrose’a.Czasoprzestrzeń – zbiór zdarzeń zlokalizowanych w przestrzeni i czasie, wyposażony w strukturę afiniczną i metryczną o określonej postaci, w zależności od analizowanego modelu fizycznej czasoprzestrzeni.

D-brany są grawitacyjnymi źródłami, na których teoria cechowania "żyje". Ta teoria cechowania jest połączona z grawitacją, co oznacza, że każdy z tych dwóch punktów widzenia jest niekompletny.

Podstrony: 1 [2] [3] [4] [5]




Warto wiedzieć że... beta

YouTube – serwis internetowy, stworzony w lutym roku 2005, który umożliwia bezpłatne umieszczanie, oglądanie filmów oraz live streaming. Używa technologii FLV do wyświetlania szerokiego wyboru filmów zamieszczonych przez użytkowników (tzw. user-generated content), takich jak zwiastuny filmowe lub telewizyjne, teledyski, jak i dzieła amatorskie: wideoblogi i krótkie własne filmy. Większość materiałów została załadowana na YouTube przez prywatne osoby, ale wiele firm (na przykład Columbia Broadcasting System, BBC, Universal Music Group, w Polsce Polska Agencja Prasowa, Grupa TVN, CD Projekt), różne instytucje i organizacje oferują część swoich materiałów przez YouTube jako część programu partnerskiego.
Michio Kaku (jap. 加來道雄, Kaku Michio, ur. 24 stycznia 1947 w USA) – amerykański japońskiego pochodzenia,fizyk-teoretyk, profesor, badacz teorii strun, popularyzator nauki, futurolog, autor ponad 70 prac i wielu książek, z których kilka stało się bestsellerami, gospodarz programów radiowych i telewizyjnych. Obecnie pracuje na Uniwersytecie Nowojorskim, gdzie piastuje funkcję dziekana katedry fizyki teoretycznej.
Energia punktu zerowego (inaczej energia próżni) to w mechanice kwantowej najniższa możliwa energia jaką może przyjąć dowolny układ kwantowy. Z definicji wszystkie układy kwantowe posiadają energię punktu zerowego.
Metastabilność – własność delikatnej równowagi stanów, które są stabilne dla małych odchyleń od położenia równowagi, ale większe wychylenie powoduje zmianę stanu i przejście do równowagi pełnej, lub ew. innego stanu metastabilnego.
Chromodynamika kwantowa (ang. QCD – quantum chromodynamics) – teoria oddziaływań silnych czyli kwantowa teoria pola opisująca oddziaływanie silne, najsilniejsze z oddziaływań podstawowych. Chromodynamika to nieabelowa (nieprzemienna) teoria z cechowaniem. Grupą cechowania jest grupa SU(3). Jest częścią Modelu Standardowego. Trwają próby połączenia grupy SU(3) z grupą SU(2) x U(1) teorii oddziaływań elektrosłabych. Nazywa się to teoriami wielkiej unifikacji.
Widmo emisyjne – widmo spektroskopowe, które jest obrazem promieniowania elektromagnetycznego, wysyłanego przez ciało.
Fizyka poza modelem standardowym - aspekty fizyki teoretycznej, próbujące wyjaśnić niedoskonałości modelu standardowego, takie jak: pochodzenie masy, naruszenie parzystości ładunku, oscylacje neutrin, asymetrię materii i antymaterii oraz naturę ciemnej materii i ciemnej energii. Dodatkową trudność sprawia aparat matematyczny samego modelu standardowego, który jest niespójny z ogólną teorią względności w punktach, w których jedna lub obie teorie załamują się przy określonych warunkach (np. w osobliwościach czasoprzestrzeni takich jak Wielki Wybuch czy horyzont zdarzeń czarnej dziury).

Reklama