[origo]
Nyomtatás

Szuper szuperhúrok
2003. november 28., péntek, 10:27


A 20. századi fizika két tartópillére, a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet jelenleg összeegyeztethetetlen egymással. A relativitáselmélet nem tesz eleget az elemi részecskék világát uraló kvantumszabályoknak, míg a fekete lyukak viselkedése az egész kvantummechanikát teszi kétségessé. A közelmúltig a húrelmélet volt az a nagy ígéret, amelynek keretében egyesülhetne a gravitáció és a kvantummechanika.


Az alábbi összeállítás egy sorozat része, amely a Scientific American c. tudományos-ismeretterjesztő lap a fizikai tudás határaival foglalkozó különszáma alapján készült. A Michael J. Duff tollából származó cikket Jéki László fizikus "szelídítette meg" és egészítette ki Olvasóink számára.

A húrelmélet minden fizikai jelenséget húrokkal ír le. Az elemi részecskék ezeknek az egydimenziós képződményeknek különböző rezgésállapotaiként jelennek meg. 1995 óta inkább az ún. M-elmélet áll a középpontban. Az M betű több mindent jelenthet: mágia, misztérium vagy membrán. (Szerencsénkre az angol szavak magyar megfelelői is m-mel kezdődnek.)

Az M-elmélet a húrelmélethez hasonlóan a szuperszimmetria gondolatából indul ki. Minden ma ismert részecskének lenne egy szuperszimmetrikus párja, s a párok csak spinjükben különböznek egymástól. A mai egész spinű részecskéknek lenne feles spinű párja és fordítva. (A spin az elemi részecskék saját impulzusmomentuma, perdülete, fontos kvantumszám. A perdület nem jelent a köznapi értelemben vett forgást.) A feltételezett szuperpartnerek közül azonban még egyetlen egyet sem sikerült a kísérletekben észlelni. A szimmetria bizonyára sérül, ezért a feltételezett részecskék tömege nem egyezik meg ismert párjuk tömegével, hanem annál lényegesen nehezebb. Ezért nem tudjuk őket a mai részecskegyorsítókban előállítani, megfigyelni. Az elméleti fizikusok továbbra is bíznak a szuperszimmetriában, annak keretében remélik a gyenge, az elektromágneses, az erős kölcsönhatás és a gravitáció egyesítését.


Extra dimenziók

IllusztrációA relativitáselmélet nem szab határt a dimenziók számának, az egyenletek elvileg akárhány dimenzióra felírhatók. A szupergravitációban 11 téridő-dimenzió létezik. A dimenziók száma fokozatosan nőtt az elméletben, az 1920-as évek elején még csak 5 dimenzióval számoltak. Az extra dimenziók köralakban, önmagukban záródnak, körülöttük csak egészszámú kvantumhullámok létezhetnek, ez szabja meg a részecskék energiáját. A részecskék töltésének nagysága a kör sugarától függ. Az ismert töltésértékekből visszaszámolva az extra dimenziók sugara 10-33 cm-nek adódik! Ez magyarázza, hogy miért nem észleljük őket. Nemcsak mi, még az atomok sem érzékelik az extra dimenziókat. Arra azonban nem sikerült magyarázatot találni, hogy a 11 dimenziót a valóban megtapasztalt 4 dimenzióra csökkentve, hogyan jelenik meg a természetben megfigyelhető bal-jobb különbség.

A szupergravitáció-elmélet helyét a 10 dimenzióval számoló szuperhúr elmélet vette át. Ennek ma öt egymással versengő változata létezik. Az egyik változatban nyitott húrok, a többiben hurokká összezáródó húrok szerepelnek. A kezdeti sikerek után ezt az elméletcsaládot is mind több kétség övezi. Az elméletből nem lehetett kísérletileg ellenőrizhető következtetéseket levonni. Miért van öt elmélet, amikor egyetlen, mindent egyesítő elméletet keresünk? Ha a szuperszimmetria 11 dimenziót enged meg, akkor a szuperhúr-elméleteknek miért elég 10 dimenzió? Miért húrnak képzeljük el a pontszerű részecskéket, miért nem membránnak, vagy sokkal általánosabban p-dimenziós tárgynak? A p dimenziós membránokat p-bránoknak (angolban p-brane) nevezték el. Egyes fizikusok így kezdtek el szuper-spagetti helyett szuper-raviolival foglalkozni.

P. A. M. Dirac 1962-ben az elektront nem pontszerűnek, hanem kis buboréknak írta le. A buborék valójában egy önmagában záródó membrán. Az általa a membránra felírt egyenletek képezik a mai M-elmélet alapját.

A szuperszimmetria szigorúan korlátozza, hogy hány dimenziós lehet egy p-brán. A 11 dimenziós téridőben lebegő membrán buborék vagy kétdimenziós lap alakot vehet fel. Kimutatták, hogy ha a 11 dimenzió között akad egyetlen köralakú, akkor az körbefogható a membrán-lappal, majd az éleket egymáshoz ragasztva egy csőhöz jutunk. Ha a sugár elegendően kicsiny, akkor a csővé összetekert membrán úgy néz ki, mint egy húr a 10 dimenziós világban, még pontosabban: olyan, mint IIA típusú szuperhúr. Ez az a pont, ahol az olvasók megértésében bízva felhagyunk az M-elmélet kidolgozásában fontos szerepet játszó M. J. Duff írásának részletes ismertetésével. Az M-elmélet fejlődésének részleteit átugorva a jelenlegi helyzet és a kilátások vázolására teszünk kísérletet.


Téridő-hengerek

Az elmélet lényeges következménye a kettősség (T-duality), amely összeköti a nagy és a kis méretek világát. Képzeljük el, hogy a téridő hengeralakúra görbült. A rátekert húrnak kétféle energiaállapota lehet. Vannak vibrációs módusok, ezek a húrban fellépő olyan hullámnak felelnek meg, amelyek ráillenek a hengerre. Ha a hengernek nagy az átmérője, akkor a vibrációknak hosszú lesz a hullámhossza és kisebb az energiája. A különböző hullámszámoknak megfelelő energiaértékek csak kismértékben különböznek egymástól. A húr azonban úgy is körbeveheti a hengert, mint egy megnyúlt gumiszalag. Ha henger átmérője nagy, akkor a húrnak jobban meg kell nyúlnia, ehhez több energia kell. Így a különböző feltekeréseknek megfelelő módusok távol esnek egymástól. Kis átmérőjű henger esetében a hullámok kicsik, az energiák nagyok, a vibrációs állapotok távol vannak egymástól. A feltekeréshez viszont ekkor kevesebb energia kell, tehát a feltekerési módusok közel esnek egymáshoz. Külső megfigyelő számára a vibrációs és a feltekerési állapotok eredete nem nyilvánvaló. A kis és a nagy átmérőjű hengerrel ugyanazokat az energiaállapotokat lehet tehát elérni, ezeket az állapotokat értelmezik részecskeként. A kis átmérőjű téridő-henger a mikrovilágnak, a nagy átmérőjű a világegyetemnek felel meg, e két, méreteiben nagyon különböző tartományban azonos a fizika.

Az M-elmélet fantasztikus világából tekintsünk át még egy lehetőséget. Ha az extra dimenziókat egy vonaldarabbá zsugorítják, akkor a vonal két végénél egy-egy 10 dimenziós univerzumot kapunk, az őket összekötő téridő pedig 11 dimenziós. Részecskék és húrok csak a párhuzamos világok széleinél létezhetnek, egymással csak a gravitáció útján vannak kapcsolatban. Lehet, hogy világegyetemünk látható anyaga az egyik falon fekszik, a hiányzó tömeg, a "sötét anyag" pedig a párhuzamos világegyetemben a másik falon? Ebben a világban a 11-ik dimenzió méretét akkorára lehet választani, hogy a négy kölcsönhatás egyetlen energiánál egyesüljön. Ez az energia jóval kisebb 1019 gigaelektronvoltnál.

Létezhet egy olyan bránvilág, amelyben a mi világegyetemünk egy 3 dimenziós brán egy sokdimenziós univerzumban. Az erős, a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatás a bránra korlátozódik, a gravitáció viszont a teljes teret áthatja. Az extra dimenziók akár 1 milliméteresek is lehetnek.


Az M-elmélet óceánja

Elképzelhető, hogy az M-elmélet ad majd megoldást a fekete lyukakkal kapcsolatos Hawking-paradoxonokra. (A fekete lyukakkal egymást metsző, 7 görbült dimenzióban létező fekete-bránokként számolnak.) A fekete-bránok a húrelmélet egyik legnagyobb problémájának megoldását is ígérik. A 10 dimenziót milliárdnyi különböző módon lehet 4 dimenzióssá zsugorítani. Rengeteg jóslat létezik tehát a valódi világ működésére, a rengeteg jóslat viszont azt jelenti, hogy valójában nincs jóslat.

IllusztrációA bránok világának szakértői egyre fantasztikusabb elképzelésekkel állnak elő. Egyetlen példa: az ősrobbanás egyszerűen két 3-brán ütközése volt. Egyelőre az M-elméletnek még csak részleteit dolgozták ki, az átfogó kép még hiányzik. A fizikusok azt gyanítják, hogy a gravitáció és a kvantumfizika egyesítése ahhoz vezet, hogy a téridő is bizonytalanná, pontatlanul meghatározottá válik, legalábbis addig, amíg egy újabb definíció nem születik.

A szerző szerint a 20. század elméleti fizikusait tengerparton játszó gyerekekhez hasonlóan elbűvölték a sima szuperhúr kavicsok, miközben az M-elmélet hatalmas óceánja ott hullámzott előttük, feltáratlanul.

Jéki László


[origo]