Schemat budowy materii z cząstek elementarnych i kwarków tkz. Model Standardowy

 

Teoria superstrun

 Jednym z twórców tej teorii jest Brian Greene profesor fizyki w Columbia University. Teoria ta została zbudowana z wielu pomniejszych idei autorstwa wielu ludzi. Według hipotezy cała przestrzeń jest utkana z maleńkich strun, tak jak koszula z nitek. A materia , z której my sami jesteśmy zbudowani, byłaby czymś w rodzaju dodatkowych skupisk wibrujących strun. Przypominając skomplikowany wzór wyhaftowany na gładkim kawałku materiału. Ta teoria łączy ze sobą dwie wielkie lecz do tej pory wykluczające się teorie względności i kwantową. Teoria względności opisuje masywne ciała działające na siebie z ogromną siłą przyciągania np. galaktyki, gwiazdy, wielkie przestrzenie Wszechświata. Natomiast mechanika kwantowa rządzi fotonami, które w ogóle nie mają masy i pędzą zawsze z prędkością światła, oraz kwarkami wchodzącymi w skład protonów i neutronów a także całym mikroświatem. Przy zastosowaniu tych dwóch teorii ciężko zrozumieć, co działo się tuż po wielkim wybuchu, gdy cały Wszechświat miał rozmiary nie większe od jadra atomu. Dotychczasowe założenia „modelu standardowego” mówią że elementarne cząstki materii to fotony, elektrony i kwarki, które można sobie wyobrazić jako niepodzielne punkty, bez wymiarów i bez wewnętrznej struktury. Ale do dziś nikt nie potrafi wyjaśnić dlaczego miuon jest 23 razy cięższy niż kwark górny, a kwark wysoki waży 350 tyś. razy więcej niż elektron. Ani też jak powstał ujemny ładunek elektronu.

Zgodnie z teorią strun kwarki nie są najmniejszymi cząstkami, lecz składają się z jeszcze mniejszych tworów mających postać maleńkich pętli drgających strun.

Na dzień dzisiejszy uważa się, że struny są absolutnie elementarnymi składnikami materii. Potrafią jak struny skrzypiec , drgać na wiele sposobów, wytwarzając różne dźwięki. Włókna energii także wibrują na różne sposoby a rodzaj tych drgań decyduje o własnościach znanych nam cząsteczek. Z drgań jednej maleńkiej struny powstaje masa i ładunek elektronu. Inna struna wibruje tak, że tworzy kwarki lub fotony. Teoria ta jest na pewno zgodna ze wzorem Einsteina E= mc², według którego istnieje ścisły związek miedzy materią a energią. Jedna w druga przekształca się bez problemu

 

Materia składa się z atomów, które z kolei są zbudowane z kwarków i elektronów. Zgodnie z teorią strun wszystkie te cząstki mają w rzeczywistości postać maleńkich pętli drgających strun.

Superstruna - jest czymś miliardy miliardów razy mniejszym od protonu, czymś mocno zakręconym i przypominającym pętelkę, czego pewnie nikt nie zdoła zaobserwować. Nie jest to bowiem ani rodzaj materii ani energii a raczej "rodzaj pratworzywa matematycznego, które generuje materię, energię, przestrzeń i czas lecz które nie posiada żadnego odpowiednika w znanym nam z doświadczenia świecie.”

Mało tego, może funkcjonować jako fundament świata tylko w podwyższonej liczbie wymiarów.

 

Struny są to małe jednowymiarowe włókna, które nieustannie drgają. Teoria superstrun wyjaśnia rozmaitość cząstek drganiem strun mniejszych od protonu o tyle mniej więcej, o ile proton jest mniejszy od kuli ziemskiej.

Właściwości cząstek uważanych dotychczas za elementarne zależą od drgań rezonansowych odpowiedniej struny.

Różnice własności cząstek uważanych dotychczas za elementarne (masa, ładunek ) biorą się stąd, że ich struny drgają według innych

rezonansowych wzorów.

 Zamknięta i otwarta struna.

 

Pętle w teorii strun drgają tworząc wzory rezonansowe podobne do tych, które powstają w skrzypcach. W rozmiarach przestrzennych mieści się dokładnie całkowita

liczba grzbietów i dolin.

 

Im gwałtowniejsze są drgania, tym więcej mają energii.

 

 

Zgodnie z teorią strun obserwowane własności cząstki elementarnej pojawiają się w wyniku szczególnych rezonansowych drgań struny.

Przed odkryciem teorii strun fizycy opowiadali się za całkowicie odmienną koncepcją. Różnice między cząstkami elementarnymi wyjaśniano tym, że każdy rodzaj cząstki „jest zrobiony z czego innego”. Chociaż poszczególne cząstki uważano za elementarne, sądzono, że każda z nich zawiera inny „materiał”.

Na przykład „materiał” elektronu ma ujemny ładunek elektryczny, natomiast neutrino charakteryzuje się tym, że jego „materiał” pozbawiony jest ładunku elektrycznego.

Teoria strun całkowicie zmienia ten obraz. Według niej cała materia

i wszystkie siły składają się z takiego samego materiału. Każda cząstka elementarna zawiera pojedynczą strunę, a wszystkie struny są identyczne. Różnice między cząstkami biorą się stąd, że ich struny drgają według innych rezonansowych wzorów. Nie ma więc różnych cząstek elementarnych - istnieją tylko odmienne „dźwięki” podstawowej struny.

Struny oddziałowują wzajemnie. W przypadku otwartych strun mogą się one złączyć w większą strunę, kiedy ich końce zetkną się. Możliwe jest też złączenie końców jednej struny, kiedy jej dwa końce będą się stykać. Powstaje wtedy zamknięta struna. Dwie struny zamknięte również mogą się połączyć w jedną.

 

Na dzień dzisiejszy struny uważane są za absolutnie elementarne. Obserwujemy cząstki w laboratoriach fizycznych, ale tak naprawdę żadnych cząstek nie widzimy. Widzimy wibracje superstrun. Teoria Superstrun ogranicza liczbę wymiarów przestrzeni i czasu do dziesięciu. Szczególną cechą tej teorii jest to, że mikroskopijne struny (około 100 miliardów miliardów razy mniejsze od protonu) mogą drgać tylko w dziesięciowymiarowej czasoprzestrzeni.

Historia nauczyła nas jednak, że za każdym razem, gdy zaczynamy lepiej rozumieć naturę Wszechświata, na głębszym poziomie materii odnajdujemy jeszcze mniejsze składniki. Być może struny mają wewnętrzną strukturę, brak na to jednak przekonujących dowodów.

 

Na zakończenie chciałabym przytoczyć wypowiedź znanego rosyjskiego badacza cząstek elementarnych W.I.Wekslera:

 

„Cząstki nazywane przez nas elementarnymi są to po prostu te cząstki, których struktura wewnętrzna nie jest nam znana”.

---