Stygų teorija – atradimai ir naujos viltys

Turbūt vienos iš daugiausiai ginčų ir nesutarimų tarp mokslininkų keliančių šiuolaikinių teorijų yra tos, kurios yra susijusios su stygomis. Pradėta kurti dar septintajame dešimtmetyje perspektyvi stygų teorija turi vieną nemažą trūkumą – ją labai sunku patikrinti eksperimentiškai, tačiau jos įrodymas leistų žengti didelį žingsnį fundamentaliųjų mokslų vystymo kryptimi, apjungiant fizikos ir astrofizikos teorijas į visumą ir netgi atskleidžiant naujas dimensijas.

Kosmines stygas galime sutikti daugelyje didelių energijų fizikos teorijų. Vaizdžiai jas galima įsivaizduoti kaip spagečių makaronus, kurių kiekvieno mylia gali sverti daugiau negu mūsų gimtoji planeta. Tačiau nepaisant tokio svorio, stygų storis turėtų būti gerokai mažesnis už atomo matmenis. Kad ir kaip ten būtų, jų egzistavimo įrodymų dar nepavyko aptikti. Visai neseniai stygų teorijos entuziastams nusišypsojo laimė - kosmologų komanda atrado kai ką, kas gali patvirtinti kosminių stygų egzistavimą.

Kosminės mikrobangė spinduliuotė ir stygų teorija

„Tai, ką atradome, šiuo metu leidžia labiau krypti į kosminių stygų egzistavimo pusę. Arba bent jau nepaneigia jų egzistavimo“, – pasakoja Ženevos universiteto mokslininkas Martinas Kunzas (Martin Kunz). M. Kunzas yra tarptautinės mokslininkų grupės narys, kuriai vadovauja Markas Hindmaršas (Mark Hindmarsh) iš Sasekso universiteto (Jungtinė Karalystė). Likusią grupės dalį sudaro Nylas Bevis (Neil Bevis) iš Londono Imperatoriškojo koledžo bei Džonas Urestila (Jon Urrestilla) iš Tufts universiteto Masačusetse. Pagrindinis mokslininkų tikslas – kosminės mikrobangės spinduliuotės matavimai, tikintis aptikti kosminių stygų buvimo įrodymų. Paskutinysis jų darbas „Kosminės mikrobangės spinduliuotės matavimo duomenų suderinimas su kosminėmis stygomis ir plėtimusi“ išspausdintas „Physical Review Letters“ žurnale.

„Kai šios stygos juda, jos sukelia sutrikdymus, pritraukiančius medžiagą, – tegia M. Kunzas. – Šias perturbacijas galima pamatyti kosminėje mikrobangėje spinduliuotėje. Jeigu kosminės stygos egzistuoja, jos sukelia papildomus sutrikdymus, kuriuos galima netiesiogiai užfiksuoti“.

Norėdami įsitikinti kosminių stygų realumu, M. Kunzas su kitais grupės nariai suvedė įvairius galimus parametrus į superkompiuterį ir sukūrė skirtingus modelius. „Atlikome naujus kosminių stygų pėdsakų modeliavimus, – toliau pasakoja mokslininkas. – Mes apskaičiavome aplinkos sutrikdymus, kuriuos sukelia įprastinis plėtimasis, ir sutrikdymus, kuriuos sukeltų kosminės stygos. Paskui rezultatus palyginome“.

Sulyginus rezultatus, buvo nustatyta, jog teorijos, apimančios kosminių stygų modelius, geriausiai paaiškina registruojamos kosminės mikrobangės spinduliuotės struktūrą. Mokslininkai rėmėsi NASA Vilkinsono vardo mikrobangų anizotropijos zondo (WMAP) gautais duomenimis.

Vis dėlto M. Kunzas perspėja, jog gautos išvados dar nėra neabejotinas įrodymas. „Mums reikia daugiau duomenų. Nors šis rezultatas truputėlį palankesnis kosminėms stygoms, tačiau jis nėra apibendrinantis“. Mokslininkas teigia, jog tikslesnius duomenis gali pavykti gauti iš „Planck“ palydovo, kurį Europos kosmoso agentūra turėtų paleisti dar šiais metais.

„Jeigu pavyktų aptikti stygas, tuomet sužinotume daugybę dalykų apie dalelių fiziką ir geriau suprastume, kas vyksta, esant itin didelėms energijoms, kur kas didesnėms negu įmanoma pasiekti dalelių greitintuvais, – tęsia M. Kunzas. – Stygų aptikimas būtų labai naudingas fundamentalių teorijų plėtojimuisi“.

Kol bus gauta daugiau duomenų ir bus dar padirbėta tobulinant teorinius modelius, kosminės stygos turėtų išlikti mokslinių diskusijų objektu. Tačiau šis paskutinysis darbas yra įkvepiantis ir suteikiantis optimizmo neapsisprendžiantiems stoti ar nestoti stygų teorijos pusėn. Teorijos, kuri galėtų sujungti kvantinę fiziką ir gravitaciją bei paaiškintų didelių energijų ir kondensuotų medžiagų fiziką.

„Visa tai parodo, jog kosminės stygos galėtų būti tas kažkas, ką galime aptikti Visatoje,– priduria M. Kunzas. – Tai nieko neįrodo, todėl mums reikia daugiau duomenų. Į kosmines stygas verta vėl pažvelgti. Mes jų dar neaptikome, tačiau tai kažkas, ko reikia ieškoti“.

LHC – elementariųjų dalelių srautai, naujų dimensijų pėdsakai ir šviesa stygų teorijos tunelio gale?

Laukiamas stygų teorijos proveržis kuomet bus paleistas LHC - didysis hadronų priešpriešinių srautų greitintuvas. Net neabejojama, jog šiame įrenginyje kaip iš gausybės rago pasipils iki tol tik teoriškai nagrinėtos elementariosios dalelės. Arba tokio scenarijaus bent jau trokštų fizikai. Manoma, kad egzotiškosios naujosios dalelės leis užmesti akį į papildomas mums nematomas dimensijas, o tai savu ruožtu leistų įsitikinti stigų teorijos klaidingumu arba teisingumu. Kaip gi visa tai susiję?

Stygų teorija svarbiausias Visatos daleles aprašo kaip mažytes (bet milžiniškos masės) virpančias energijos stygas. Be to, čia taip pat numatomos šešios arba septynios nematomos erdvinės dimensijos, egzistuojančios kartu su tomis, kurias mes matome – trimate erdve (ir laiku).

Pasak Gario Šu (Gary Shiu), kaip muzikinio instrumento forma sąlygoja jo skambesį, lygiai taip pat minėtųjų dimensijų pavidalas nusako mūsų keturmatės Visatos savybes ir elgesį. G. Šu – pagrindinis straipsnio, išspausdinto sausio 25 d. „Physical Review Letters“ numeryje, autorius.

„Dimensijų pavidalas yra nepaprastai svarbus, nes, pagal stygų teoriją, nuo to, kaip virpa styga, priklauso mūsų pasaulio dalelių masių ir jėgų modelis“, – pasakoja Viskonsino-Madisono universiteto fizikos profesorius.

Jeigu pavyktų nustatyti dimensijų pavidalą, tuomet praplėstume savo keturmačio pasaulio supratimą ir galėtume daugiau prognozuoti. „Yra nesuskaitoma daugybė galimų papildomų dimensijų pavidalų. Būtų labai šaunu žinoti, kaip atskirti jas vieną nuo kitos, ir galbūt panaudoti eksperimentinius duomenis galimų variantų skaičiui sumažinti“.

Taigi, stygos turėtų įtakoti dimensijų pavidalą – o kadangi tai susiję parametrai, tai nors vieną iš jų aptikus, būtų galima nemažai sužinoti ir apie kitą. Tačiau dalelių greitintuvas, net ir toks galingas kaip LHC, nebus pajėgus sukurti milžiniškiems energijos srautams, kurie reikalingi stygų teorijai pagrįsti. Tad belieka stengtis surasti naujas dimensijas ir pagal jų pavidalą spręsti apie stygas.

Bet kaip dalelių greitintuvas gali parodyti naujas dimensijas? Pasirodo ir vėl netiesioginiu būdu. Greitintuve beveik šviesos greičiu priešpriešais atlekiantys atomų branduoliai smogia vieni į kitus, sukurdami naujas itin didelės energijos, tačiau labai nestabilias daleles, kurios savo ruožtu skildamos pažeria tikrą mažesnės energijos dalelių lietų. Būdinga dalelių skilimo struktūra leidžia atsekti, kas ir kada susidarė bei, visai įmanoma, atskleidžia nematomų dimensijų pavidalą.

Jau minėtasis G. Šu kartu su kolegomis savo straipsnyje parodo, kad dalelių, vadinamų Kaluza-Klein (KK) gravitonais, pėdsakų struktūra gali skirtis nuo kitų galimų papildomų dimensijų geometrijų. Pabandykime šią mintį „išversti“ į suprantamesnę kalbą.

G. Šu pateikia pritemdyto kambario pavyzdį, kurio formą galima nustatyti iš to, kaip jame rezonuoja garso bangos, atsispindėjusios nuo jo sienų. Žodžiu, tyrinėdami garso bangų rezonansus galima nusakyti absoliučiai tamsaus kambario formą. Pasirodo, tą patį galima pasakyti apie dimensijas, tyrinėjant elementariųjų dalelių pėdsakus. Konkrečiu atveju mokslininkai eksperimentavo su KK gravitonais, kurie pasirodo labai priklauso nuo papildomų dimensijų pavidalo, todėl iš jų skilimo ir elgesio galima surasti ieškomą pavidalą. Dabartiniai modeliavimai rodo, kad net ir maži geometriniai nukrypimai nulemia matomus KK gravitonų pėdsakų pakitimus.

Vadinasi, greitintuve susidariusios elementariosios dalelės paliks aparatūros fiksuojamus pėdsakus, pagal kuriuos mokslininkai galės nuspėti apie naujų dimensijų pavidalą. O tai savo ruožtu leis koreguoti stygų teorijas.

Praėjusiais metais G. Šu su B. Andervudu paskelbė, kad dimensijų geometrijas taip pat turėtų būti įmanoma nustatyti iš kosminio spinduliavimo pėdsakų, likusių nuo Didžiojo sprogimo. Mokslininkų naujasis darbas papildo ankstesnįjį.

„Kuo daugiau aptinkame užuominų, tuo kyla geresnės mintys apie už viso to slypinčią fiziką“, – pripažįsta G. Šu.

„Jeigu kosmologijos teorijos ir dalelių fizikos duomenys sutampa, vadinasi, mes einame tinkamu keliu“, – prideda B. Andervudas.

Iliustracijoje: šis modelis yra maža stebimos Visatos sritis iš karto po to, kai susiformavo stygos, praėjus maždaug 10-36 sekundės nuo Didžiojo sprogimo. Atstumai tarp stygų buvo dar tik keliskart didesnį už jų storį.

   

Facebook komentarai