Stringiteooria (0)

STRINGITEOORIA
12 K
2010
SISUKORD
Sissejuhatus ……………………………………………………………… lk.3
Stringi teooria ……………………………………………………………… lk 4
Kasutatud kirjandus ……………………………………………………….. lk 7
Sissejuhatus
Maailm on kummaline. Aga mitte ainult kummaline, vaid ka ääretult keeruline. Tundub isegi, et mida rohkem me maailma tundma õpime, seda enam saab meile selgeks tema keerulisus.
Maailm on kummaline. Aga ka inimene on kummaline - ta ei lepi maailma keerulisusega. Ikka püüab ta maailmast kuidagi aru saada, maailma kuidagi seletada. Uudishimu ongi üheks olulisemaks kiviks inimeksistentsi vundamendis. Uudishimu on paratamatu, kui me maailmast üldse aru ei saaks, oleks me häving paratamatu. Seega käitub iga inimene kui teadusemees.
Teaduse eesmärgiks ongi vähendada inimese teadmatust, püüda seletada olevat ning ennustada tulevat. Teadus seletab maailma teooria abil. Paraku on väga raske koostada täielikku, kogu maailma keerulisust seletavat teooriat. Selle asemel on meie käsutuses nö. osalised teooriad, mis seletavad teatud piiratud hulka nähtusi. Keemia, näiteks, võimaldab arvutada aatomite vahelisi mõjusid ilma aatomituuma ehitusse tungimata. Selliseid osalisi teooriaid on palju.
Aga kui me lähtume eeldusest, et maailm on üles ehitatud teatud ühtsete fundamentaalsete printsiipide järgi (kõik märgid paistavad sellele viitavat), siis võime meiegi loota ühtse Kõiksuse Teooria loomise võimalikkust. Selline ühendatud teooria peaks hõlmama kõik osalised teooriad kui üldistused teatavate tingimuste jaoks. Samuti ei peaks teda faktidega sobitama teooriasse meelevaldselt võetud numbrite (konstantide) sisse toomise teel.
Füüsika ajalugu mäletab, et nii mõnigi kord on lõpliku teooria suhtes üsna optimistlikud oldud. Füüsikute suust on kõlanud hüüded: "Varsti on ta meil käes..." või "Veel aasta ja kogu füüsika, nagu me teda tunneme , on lõpuni jõudnud!". Paraku on selline rõõm alati olnud enneaegne.
Stringiteooriad
Nende teooriate valguses pole mateeria fundamentaalstruktuuri aluseks mitte osakesed, mis hõivavad ruumis ühe punkti, vaid asjad, mille ainsaks dimensiooniks on pikkus, nagu näiteks lõpmata õhukesel niidijupil. [ String inglise keelest tõlgituna tähendaks nri, paela , (pilli-)keelt, kõõlust, kuid füüsika terminina jäetakse see tõlkimata.]
Stringil võivad olla otsad lahti (nn avatud string) või omavahel ühendatud (nn kinnine string) näiteks lõik - avatud string või ringjoon - suletud string. Osake hõivab igal hetkel ühe ruumipunkti. Seetõttu on tema teekond aegruumis esitatav joonena (maailmajoon). String seevastu hõivab iga hetkel ruumis ühe joone. Tema teekond aegruumis on aga esitatav pinnana ehk maailmalehena. ( Igat punkti sellisel maailmalehel iseloomustavad kaks suurust: aeg ja asukoht stringil.) Avatud stringi maailmaleht kujutab endast riba, mille ääred märgivad stringi otste liikumist aegruumis. Kinnise stringi maailmaleht on aga toru või silindri kujuline, lõik sellest torust on ring, see esitab stringi ühel ajahetkel.
Kaks stringi võivad omavahel ühineda ja moodustada ühe stringi. Sama moodi võib üks string jaguneda kaheks eraldi stringiks.
Seda, mida varem kujutati osakestena, vaatleb stringiteooria lainetena, mis on tingitud stringi võnkumisest. Ühe osakese kiirgamine või neelamine teise poolt on stringiteooria järgi kahe stringi ühinemine või jagunemine. Näiteks päikese gravitatsioonilist mõju maale kujutas osakeste teooria nii, et päikese osake kiirgas gravitoni ja osake maal püüdis selle kinni. Stringiteooria kujutab vastavat protsessi H- kujulise toruna. (Stringiteooria on mõnes mõttes üsna torulukksepanduse sarnane.) Kaks H püstist külge vastavad päikese ja maa osakesele, ristjoon nende vahel vastab gravitatsiooni osakesele.
Stringiteoorial on huvitav ajalugu. Õieti pakuti ta esimest korda välja tugeva vastasmõju seletamiseks 1960-ndate aastate lõpul. Idee oli selles, et prootonit ja neutronit võib vaadelda keele (stringi) võnkumisena. Tugev vastasmõju oleks selliste stringide omavaheline vastastikune mõju - põhimõtteliselt nagu ämblikuvõrgus. Et eksperiment teooriaga kokku läheks, peaks stringi pingsus olema umbes 10 tonni.
Stringiteooriad tulid füüsikasse tegelikult 1970ndate alguses, kui Y. Nambu püüdis nende abil tugevat interaktsiooni kirjeldada, kuid kvantkromodünaamika õigeks tunnistamisega jäid stringiteooriad varju. Uuesti päevakorda kerkisid nad 1976. aastal, kui prantsuse füüsik Joel Scherk koos oma kolleegidega näitas, et stringiteooria saab sisemistest vastuoludest vabastada supersümmeetria (sümmeetria fermionide ja bosonite vahel) liitmisega teooriale , saades niimoodi superstringiteooria. 1980ndatel näitasid Michael Green ja John Schwarz, et superstringiteooria võib olla sisemiselt kooskõlaline kvantteooria, mis lisaks elektromagnetilisele, nõrgale ja tugevale interaktsioonile hõlmaks ka gravitatsiooni.
Superstringiteooria sisaldab endas nii kvantmehaanikat kui üldrelatiivsusteooriat (üldrelatiivsusteooria on klassikaline teooria, mis ei arvesta määramatuse printsiipi ). Tavaliselt on nende teooriate kasutuspiirkonnad väga erinevad: kvantmehaanikat kasutatakse tavaliselt Universumi väikseimate koostisosade - elementaarosakeste - kirjeldamiseks, üldrelatiivsusteooriat aga suurimate ja raskeimate struktuuride (nt tähtede, galaktikate, mustade aukude ja isegi Universumi enda) kirjeldamisel. Siiski on olemas ekstreemseid füüsikalisi olukordi , kus on vaja neid mõlemaid; sellisteks olukordadeks on näiteks aegruumi singulaarsused (musta augu keskpunkt, Universumi seisund enne Suurt Pauku - kohad, kus aegruumi kõverus on lõpmatu), sellised eksootilised füüsikalised struktuurid hõlmavad endas tohutuid masse (seetõttu nõuavad üldrelatiivsusteooriat) ning üliväikesi vahemaid (seetõttu on vaja kvantmehaanikat). Kahjuks on kvantmehaanika ja üldrelatiivsusteooria ühtesobitamatud, võrrandites mõlemaid korraga kasutades saadakse vastusteks mõttetusi. Kuid vaadeldes elementaarosakesi dimensioonitute punktide asemel ühemõõtmeliste stringidena, on võimalik kvantmehaanikat ja gravitatsiooni (st üldrelatiivsusteooriat) koos kasutada.
Selline lahendus asjale toob aga superstringiteooriasse vähemalt 10-mõõtmelise aegruumi ( niisiis ei ole tegemist mitte igapäevase 4-mõõtmelise aegruumiga, milles on ainult kolm ruumimõõdet ja üks ajamõõde, vaid ühele ajamõõtmele lisandunud vähemalt üheksa ruumimõõdet). Mõtte, et Universumil võib olla rohkem kui 3 ruumimõõdet, esitasid juba viiskümmend aastat enne superstringiteooriat, st 1920ndatel, poola füüsik Theodor Kaluza ja rootsi füüsik Oskar Klein . Kaluza ja Klein olid omal ajal püüdnud luua gravitatsioonilist ja elektromagnetilist interaktsiooni ühendavat teooriat, milles oli tegemist 5-dimensionaalse aegruumiga. Kuigi see ühendamine ebaõnnestus, võeti 1980ndatel Kaluza- Kleini teoorias esinenud mõte superstringiteooria loomisel taas kasutusele.
10-mõõtmeline aegruum on vajalik superstringiteooria lihtsaima variandi korral, keerulisematel juhtudel võib aegruum olla isegi kuni 24-mõõtmeline. Kuigi see võib esmapilgul tunduda ületamatu takistusena, on kõige lihtsamas mudelis kuus dimensiooni kümnest nii väikesed (kokku pakitud väga väikesesse ruumiossa), et jäävad märkamatuks. Madalatel energiatel (nagu igapäevane maailm) oleks ruum tajutav ikkagi vaid kolmemõõtmelisena nii, et vastuolu siit ei teki.
Superstringiteooria sobivust elementaarosakeste ja nendevaheliste interaktsioonide maailma kirjeldamiseks peavad näitama juba kaugemas tulevikus läbiviidavad katsed.
1984. aastal tõusis stringiteooria jälle huviorbiiti, kuna ei suudetud tõestada, et supergravitatsioon oleks lõplik või et ta suudaks seletada selliseid osakesi, mida me vaatleme . Stringiteooria kallale asus hulk värskeid jõude ja töötati välja stringiteooria uus versioon nn heterootiline string. See paistis lubavat asjalikult seletada selliste osakeste olemasolu mis ka tõesti olemas on. Kuigi ka stringiteooriad viisid mõningate lõpmatusteni, leitakse siiski, et heterootilise stringi puhul peaksid need välja taanduma.
Miks ei pane me neid lisamõõtmeid tähele, kui nad tõesti olemas on? Miks me märkame ainult kolme ruumi- ja ühte ajamõõdet? Arvatavasti on need lisamõõtmed kokku kõverdunud üliväikesesse ruumi mõõtmetega umbes cm. See on nii väike, et me lihtsalt ei märka neid ja tunnetame ainult üht aja- ja kolme ruumimõõdet. Võiks paralleeli tuua näiteks apelsinikoorega - kui seda lähedalt uurida, siis on ta kortsus ja kipras, kui aga kaugelt vaadata, paistab mõnusalt ümmargune. Nii on arvatavasti ka aegruumiga - väikestel mastaapidel on 10- mõõtmeline ja väga kõverdunud, suurtel mastaapidel aga ei märka me lisamõõtmete kõverust. Kui selline pilt on õige, siis oleks see kosmoseränduritele õige kurb uudis - lisamõõtmed oleksid liiga väikesed, et kosmoselaeva läbi lasta.
Siiski võime me tõstatada veel ühe suure probleemi: miks on ainult mõned, mitte kõik mõõtmed pisikeseks kõverdunud. Ülivarajases Universumis olid arvatavasti kõik mõõtmed väga kõverdunud. Miks peaksid kolm ruumi- ja üks ajamõõde olema sirged , samal ajal kui teised on jäänud kõveraks? Üks võimalik vastus oleks antroopsusprintsiip - maailm on selline nagu ta on, kuna kui ta oleks teistsugune, poleks lihtsalt meid teda uudistamas. Elu, nagu me seda tunneme, saab eksisteerida ainult aegruumi piirkondades, kus on kolm ruumi- ja üks ajamõõde. Viimane muidugi ei tähenda, et stringiteooria ei lubaks selliseid universumi piirkondi või teisi universumeid (ükskõik mida need ka siis endast kujutaksid) kus kõik mõõtmed on väikeseks kõverdunud, või kus oleks rohkem kui neli sirget mõõdet, aga seal poleks lihtsalt arukaid olendeid neid jälgimas.
Peale aegruumi lisamõõtmete toob stringiteooria kaasa veel teisigi küsitavusi, mis tuleks lahendada enne, kui teda võiks kuulutada lõplikuks ühendatud füüsikateooriaks. Me ei tea veel kas kõik lõpmatused ikka taanduvad välja või kuidas seostada stringi laineid konkreetsete osakestega. Kõigele vaatamata tundub nii, et need küsimused lahendatakse lähemate aastate jooksul ning sajandi lõpuks selgub kas stringiteooria on tõepoolest kaua otsitud ühendatud füüsikateooria, või nagu suurustades öeldakse - Kõiksuse Teooria.
Füüsikateooriad näivad vahel vahetuvat sama kiiresti nagu Pariisi rõivamoedki. Kui Nobeli laureaadilt Steven Weinbergilt, elektronõrga vastasmõju teooria ühelt loojalt küsiti (1986), milline saatus ootab ees stringiteooriat, vastas ta:
"...Püüdes vastata sellele küsimusele, pean ma kõigepealt otse välja ütlema, et stringiteoorial puudub kõige vähemgi eksperimentaalne tõendus või alus.
Kasutatud materjalid

• http://et.wikipedia.org/wiki/String
  

• http://www.hot.ee/osakesed/11.html
  

• Jaak Lõhmus, L. Sorgsepp Sammuke kõiksuse teooria poole: mateeria stringistruktuurist (Tähetorni kalender 1989)
  

7