นำทฤษฎีสตริงมาทดสอบ

ในทฤษฎีสตริงสตริงเล็ก ๆ แทนที่อนุภาคย่อยแบบดั้งเดิม

Paul M. Sutter เป็นนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ SUNY Stony Brook และ Flatiron Institute ซึ่งเป็นโฮสต์ของ ถามนักบินอวกาศ และ วิทยุอวกาศและผู้เขียน "สถานที่ของคุณในจักรวาล"ซัทเทอร์สนับสนุนบทความนี้เพื่อ เสียงผู้เชี่ยวชาญของ Space.com: Op-Ed & Insights. 

ทฤษฎีสตริงหวังที่จะเป็นทฤษฎีที่แท้จริงของทุกสิ่งซึ่งเป็นกรอบการรวมที่เป็นหนึ่งเดียวที่อธิบายความหลากหลายและความร่ำรวยทั้งหมดที่เราเห็นในจักรวาลและในอนุภาค colliders ของเราจากแรงโน้มถ่วงวิธีการทำงานกับสิ่งที่ห่า พลังงานมืด ทำไมอิเล็กตรอนถึงมีมวลมาก และในขณะที่มันเป็นความคิดที่ทรงพลังซึ่งหากปลดล็อคจะปฏิวัติความเข้าใจโลกทางกายภาพของเราอย่างสมบูรณ์ แต่ก็ไม่เคยผ่านการทดสอบโดยตรง

อย่างไรก็ตามมีวิธีในการสำรวจการวางรากฐานและผลที่อาจเกิดขึ้นจาก ทฤษฎีสตริง. และในขณะที่การทดสอบเหล่านี้จะไม่พิสูจน์ทฤษฎีสตริงโดยตรงไม่ทางใดก็ทางหนึ่งพวกเขาจะช่วยหนุนกรณีของมัน มาสำรวจกัน

ปัญหาที่รบกวน

ก่อนอื่นเราต้องตรวจสอบว่าทำไมทฤษฎีสตริงจึงยากที่จะทดสอบ มีสองเหตุผล

สตริงของทฤษฎีสตริงมีขนาดเล็กอย่างน่าประหลาดใจซึ่งคิดว่าอยู่ที่ไหนสักแห่งในระดับพลังค์ซึ่งอยู่ห่างกันประมาณ 10-34 เมตร ไกลขนาดเล็กกว่าสิ่งใด ๆ ที่เราอาจคาดหวังได้แม้ในเครื่องมือที่แม่นยำที่สุดของเรา ความจริงแล้วสตริงนั้นมีขนาดเล็กมากและดูเหมือนว่าพวกเราจะเป็นอนุภาคที่มีลักษณะคล้ายจุดเช่นอิเล็กตรอนโฟตอนและนิวตรอน เราไม่สามารถจ้องสตริงได้โดยตรง

เกี่ยวข้องกับความเล็กน้อยนั้นคือระดับพลังงานที่จำเป็นในการตรวจสอบระบอบการปกครองที่ทฤษฎีสตริงสำคัญ ณ วันนี้เรามีสองวิธีที่แตกต่างกันสำหรับการอธิบาย สี่พลังแห่งธรรมชาติ. ในอีกด้านหนึ่งเรามีเทคนิคของทฤษฎีสนามควอนตัมซึ่งให้คำอธิบายด้วยกล้องจุลทรรศน์ของแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์ทั้งสอง และอื่น ๆ ที่เรามี ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปซึ่งช่วยให้เราเข้าใจแรงดึงดูดของโลกเมื่อโค้งงอและแปรปรวน

สำหรับทุกกรณีที่เราสามารถตรวจสอบได้โดยตรงการใช้งานอย่างใดอย่างหนึ่งก็ใช้ได้ ทฤษฎีสตริงเข้ามาเมื่อเราพยายามที่จะรวมกองกำลังทั้งสี่เข้ากับคำอธิบายเดียวซึ่งมีความสำคัญในระดับพลังงานสูงสุด - ซึ่งสูงมากจนเราไม่เคยสร้างเครื่องจักรเพื่อเข้าถึงความสูงดังกล่าว

แต่แม้ว่าเราจะสามารถสร้างคอลไลเดอร์ของอนุภาคเพื่อตรวจสอบพลังงานของแรงโน้มถ่วงควอนตัมได้โดยตรงเราก็ไม่สามารถทดสอบทฤษฎีสตริงได้เพราะทฤษฎีสตริงยังไม่สมบูรณ์ มันไม่มีอยู่จริง เรามีเพียงการประมาณที่เราหวังว่าจะเข้ามาใกล้กับทฤษฎีที่แท้จริง แต่เราไม่รู้ว่าเรา (หรือผิด) ถูกต้องแค่ไหน ทฤษฎีสตริงจึงไม่ได้ขึ้นอยู่กับภาระงานในการทำนายที่เราสามารถเปรียบเทียบกับการทดลองเชิงสมมุติ

จักรวาลบลูส์

แม้ว่าเราไม่สามารถเข้าถึงพลังงานที่จำเป็นในอนุภาคของเราเพื่อที่จะมองลึกเข้าไปในโลกแห่งศักยภาพของสาย 13.8 พันล้านปีก่อนจักรวาลของเราทั้งหมดเป็นหม้อขนาดใหญ่ของกองกำลังพื้นฐาน บางทีเราอาจได้รับข้อมูลเชิงลึกที่เข้มงวดโดยการดูประวัติของ บิ๊กแบง.

ข้อเสนอแนะหนึ่งที่นำเสนอโดยนักทฤษฎีสตริงคือสตริงทฤษฎีอีกประเภทหนึ่ง: สตริงจักรวาล สายจักรวาลเป็นข้อบกพร่องที่ทอดข้ามเอกภพในกาลอวกาศที่เหลือจากช่วงเวลาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของบิ๊กแบงและพวกมันเป็นการทำนายทั่วไปของฟิสิกส์ของยุคสมัยเหล่านั้น จักรวาล.

แต่ สายจักรวาล อาจจะเป็นสายอักขระที่ยืดสุด ๆ ออกมาจากทฤษฎีสตริงซึ่งมักจะมีขนาดเล็กจน "กล้องจุลทรรศน์" มีขนาดใหญ่เกินไปของคำ แต่ถูกยืดและดึงโดยการขยายตัวต่อเนื่องของจักรวาล ดังนั้นถ้าเราพบว่ามีสายจักรวาลที่ลอยอยู่รอบ ๆ ในจักรวาลเราสามารถศึกษามันอย่างรอบคอบและตรวจสอบว่ามันเป็นสิ่งที่ทำนายโดยทฤษฎีสตริง

จนถึงทุกวันนี้ยังไม่พบสตริงของจักรวาลในจักรวาลของเรา

ถึงกระนั้นการค้นหาก็ยังเปิดอยู่ ถ้าเราพบสตริงของจักรวาลมันไม่จำเป็นต้องตรวจสอบทฤษฎีสตริง - จะต้องมีงานอีกมากที่ต้องทำทั้งในเชิงทฤษฎีและเชิงสังเกตการณ์เพื่อบอกคำทำนายทฤษฎีสตริงจากคำแตกในกาลอวกาศ

ไม่ถึงความสมส่วน

ถึงกระนั้นเราอาจสามารถรับเบาะแสที่น่าสนใจและหนึ่งในเบาะแสเหล่านั้นคือ supersymmetry. Supersymmetry เป็นสมมาตรของธรรมชาติที่เชื่อมโยงกันทั้งหมด fermions (หน่วยการสร้างของความเป็นจริงเช่นอิเล็กตรอนและควาร์ก) กับ bosons (พาหะของกองกำลังเช่นกลูออนและโฟตอน) ภายใต้กรอบเดียว

กลไกของความสมมาตรเป็นผลงานชิ้นแรกโดยนักทฤษฎีสตริง แต่ถูกไฟไหม้เป็นถนนที่น่าสนใจสำหรับนักฟิสิกส์พลังงานสูงเพื่อแก้ปัญหาบางอย่างด้วย แบบจำลองมาตรฐาน และทำการคาดการณ์สำหรับฟิสิกส์ใหม่ ภายในทฤษฎีสตริงการควบคุมแบบสมมาตรช่วยให้สายอักขระสามารถอธิบายได้ไม่เพียง แต่พลังแห่งธรรมชาติเท่านั้น แต่ยังรวมถึงหน่วยการสร้างด้วยซึ่งทำให้ทฤษฎีนั้นมีอำนาจที่จะเป็นทฤษฎีของทุกสิ่งอย่างแท้จริง

ดังนั้นหากเราพบหลักฐานสำหรับความสมมาตรเกินจริงมันจะไม่พิสูจน์ทฤษฎีสตริง แต่มันจะเป็นขั้นบันไดที่สำคัญ

เราไม่พบหลักฐานใด ๆ สำหรับการเกินความคาดหมาย

Large Hadron Collider (LHC) ได้รับการออกแบบมาอย่างชัดเจนเพื่อสำรวจความสมมาตรหรืออย่างน้อยก็ในเวอร์ชั่นที่ง่ายที่สุดและง่ายที่สุดในการเข้าถึงโดยการมองหาอนุภาคใหม่ที่ทำนายโดยทฤษฎี LHC กลายเป็นสิ่งที่ว่างเปล่าอย่างสมบูรณ์โดยไม่ต้องแม้แต่อนุภาคของอนุภาคซูเปอร์สมมาตรตัวใหม่ที่เช็ดความคิดเรื่องซูเปอร์สมมาตรที่ง่ายที่สุดทั้งหมดออกจากแผนที่อย่างสมบูรณ์

และแม้ว่าผลลัพธ์เชิงลบนี้จะไม่ตัดทอนทฤษฎีสตริง แต่ก็ไม่ได้ทำให้ดูดีเกินไปเช่นกัน

สักวันหนึ่งเราจะมีหลักฐานของการคาดการณ์หรือการคาดการณ์ด้านทฤษฎีสตริงหรือไม่? มันเป็นไปไม่ได้ที่จะพูด ความหวังจำนวนมากถูกตรึงอยู่กับสิ่งที่เกินความคาดหมายซึ่งล้มเหลวในการส่งมอบและคำถามยังคงเกี่ยวกับว่ามันคุ้มค่าหรือไม่ที่จะสร้าง colliders ขนาดใหญ่ยิ่งขึ้นเพื่อพยายามผลักดันเรื่อง supersymmetry ให้หนักขึ้นหรือถ้าเราแค่ยอมแพ้

• เอกภพมีมิติมากขึ้นได้อย่างไร
• อนุภาคลึกลับพ่นออกมาจากแอนตาร์กติกาท้าฟิสิกส์
• บิ๊กแบง: เกิดอะไรขึ้นจริงๆในการกำเนิดจักรวาลของเรา?

เรียนรู้เพิ่มเติมโดยการฟังตอน "ทฤษฎีสตริงมีค่าหรือไม่ (ตอนที่ 6: เราควรทดสอบสิ่งนี้)" ในพอดคาสต์ Ask A Spaceman มีให้ที่ iTunes และบนเว็บที่http://www.askaspaceman.com. ขอบคุณ John C. , Zachary H. , @edit_room, Matthew Y. , Christopher L. , Krizna W. , Sayan P. , Neha S. , Zachary H. , Joyce S. , Mauricio M. , @ shrenicshah, Panos T ., Dhruv R. , Maria A. , Ter B. , oiSnowy, Evan T. , Dan M. , Jon T. , @twblanchard, Aurie, Christopher M. , @unplugged_wire, Giacomo S. , Gully F. สำหรับคำถามที่นำไปสู่งานชิ้นนี้! ถามคำถามของคุณใน Twitter โดยใช้ #AskASpaceman หรือทำตามพอล @PaulMattSutter และ facebook.com/PaulMattSutter.