Säieteoria: säikeet — yhdenulotteiset alkeishiukkaset selitetty

Tutustu säieteoriaan: selkeä selitys säikeistä, yhdenulotteisista alkeishiukkasista ja ulottuvuuksista — mitä ne tarkoittavat ja miksi ne muuttavat fysiikkaa.

Säieteoriassa ja teoreettisessa fysiikassa säikeet ovat hypoteettisia kohteita, joiden uskotaan olevan maailmankaikkeuden alkeishiukkasia. Jos ne olisivat olemassa, ne eivät olisi pistemäisiä hiukkasia vaan pikemminkin yksiulotteisia "säikeitä", jotka värähtelevät eri ulottuvuuksissa. Oikealla oleva kuva havainnollistaa erilaisia mahdollisia ulottuvuuksia, joissa jousi voisi värähdellä. (Tällä hetkellä fyysikot hyväksyvät sen tosiasian, että maailmankaikkeudessamme on ainakin 11 ulottuvuutta: Yksi aikaulottuvuus ja 10 avaruusulottuvuutta). Jousien pituus määräytyisi Planckin pituuden mukaan:

e p = ℏ G c 3 {\displaystyle e_p}={\sqrt {\frac {\hbar G}{c^{3}}}}}

Vielä ei tiedetä, ovatko nämä jouset todella olemassa. Ne ovat melko lailla säieteorian pääaihe.

Mitä säikeet ovat ja miten ne toimivat?

Säikeet ovat teoriaan kuuluvia yhdenulotteisia objekteja, joiden eri värähtelytilat vastaavat eri hiukkaslajeja. Voidaan ajatella, että eri värähtelyt tuottavat erilaisia massoja, varauksia ja spin-arvoja — toisin sanoen sama perusolio voi ilmestyä eri hiukkasina eri värähtelytiloissa. Säikeet voivat olla:

• Suljettuja (muotoa renkaana) — suljetuista säikeistä voidaan johtaa esimerkiksi graviton (painovoiman kvantti).
• Avoimia (kahdella päällä) — avoimet säikeet liittyvät usein ainehiukkasten kuvaamiseen ja voivat päättyä niin kutsuttuihin braneihin.

Ulottuvuudet ja kompaktifikaatio

Säieteoriat edellyttävät useampia ulottuvuuksia kuin näkyvä kolmiulotteinen avaruus. Nämä ylimääräiset ulottuvuudet voi ajatella "kierrettyinä" hyvin pieniin muotoihin, joita emme koe arkipäivässä — esimerkiksi Calabi–Yau-muodot ovat yksi tapa kompaktifioida (kääriä) ylimääräiset avaruusulottuvuudet. Kuvassa näkyvä muoto on tyyppiesimerkki siitä, miten monimutkaisesti ulottuvuudet voivat olla järjestäytyneet vaikuttaen säikeiden värähtelyyn ja siten hiukkasfysiikkaan.

Yhteys kvanttigravitaatioon ja yhtenäiseen teoriaan

Yksi säieteorian suurista vetonauloista on se, että teoria sisältää luonnostaan gravitaation kvantittuneen kantamuodon (gravitonin) ja tarjoaa siten potentiaalin yhdistää kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteorian. Tästä syystä säieteoria on tutkijoiden keskuudessa merkittävä ehdokas ns. "kaiken teoriaa" (theory of everything) varten, joka yhdistäisi kaikki luonnon perusvuorovaikutukset yhdeksi loogiseksi kehyksiksi.

Säieteoriat ja M-teoria

Säieteoriakentässä on useita varianteja: bosoninen säieteoria, supersymmetriset (super) säieteoriat kuten tyypit I, IIA, IIB ja hetero-teoriat (esim. E8×E8). Näitä eri versioita yhdistävät niin sanotut dualiteetit, ja 1990-luvun lopulla ehdotettiin, että kaikki nämä ovat eri rajatapauksia suuremmasta M-teoriasta, joka vaatii 11 ulottuvuutta. Erilaiset teoriat poikkeavat toisistaan mm. ulottuvuuksien lukumäärän ja symmetrioiden suhteen.

Kokeellinen todentaminen ja haasteet

Säieteorian kokeellinen varmistaminen on vaikeaa, koska säikeiden luonnollinen pituus on hyvin pieni — Planckin pituus. Planckin pituuden arvo on

l_p = √(ħ G / c^3) ≈ 1,616 × 10^−35 metriä.

Tämä on monia kertaluokkia pienempi kuin nykyisten hiukkaskiihdyttimien, kuten LHC:n, kyky havaita suoraan. Tämän vuoksi toistaiseksi säieteoria on pitkälti matemaattinen kehys, ja mahdolliset kokeelliset viitteet voisivat tulla epäsuorasti esimerkiksi kosmologisista havainnoista, korkeiden energioiden astrofysiikasta tai fractioiduista ilmiöistä, joihin teoriat voivat antaa ennusteita. Kuitenkin yksiselitteistä kokeellista näyttöä ei vielä ole.

Ongelmia ja avoimia kysymyksiä

• Monimutkainen valintojen kirjo: säieteoriassa on valtava määrä mahdollisia vakioita ja kompaktifikaatioita (ns. landscape), mikä vaikeuttaa yksikäsitteisten ennusteiden tekemistä.
• Puutteellinen kokeellinen todennettavuus: monet ennusteet koskevat energiaskaalaa, jota emme vielä voi tavoittaa.
• Matemaattiset haasteet: monet teoriassa esiintyvät rinnakkaiset rakenteet vaativat edelleen syvällisempää ymmärrystä ja tarkempia laskentamenetelmiä.

Yhteenveto

Säieteoria tarjoaa kiehtovan ja laajan kehikon, jossa alkeishiukkaset ovat yhdenulotteisia säikeitä, joiden värähtelyt määräävät hiukkasten ominaisuudet. Teoria pyrkii yhdistämään kvanttimekaniikan ja gravitaation ja vaatii useita ylimääräisiä ulottuvuuksia, jotka on kompaktifioitava. Vaikka teoria on matemaattisesti rikas ja tarjoaa potentiaalin yhtenäistämiseen, sen kokeellinen vahvistus puuttuu edelleen ja monet peruskysymykset ovat auki. Säikeet ja säieteoria pysyvät aktiivisena tutkimuksen kohteena, ja tulevat teoreettiset kehitykset sekä uudet havainnot voivat muuttaa käsitystämme niiden roolista fysiikassa.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä ovat jouset?

K: Kuinka monta ulottuvuutta maailmankaikkeudellamme on?

K: Mikä on Planckin pituus?

Kysymys: Tiedetäänkö, onko näitä säikeitä todella olemassa?

K: Minkä tyyppisiä hiukkasia jouset olisivat, jos ne olisivat olemassa?

K: Miten fyysikot mittaavat säikeiden pituuksia?

K: Mistä jousiteoriassa on kyse?

Hae kirjaimella