Jei galėtumėte paimti obuolį ir jį supjaustyti į vis mažesnes dalis, rastumėte molekules, tada atomus, o po to – subatomines daleles, tokias kaip protonai, ir juos sudarančius kvarkus bei gliuonus.Galite manyti, kad pasiekėte dugną, tačiau, pasak stygų teoretikų, jei toliau eisite į dar mažesnius mastelius – maždaug milijardą milijardų kartų mažesnius už protoną – rasite daugiau: mažytes vibruojančias stygas.
Iliustracija, kaip stygų teorija kyla iš kelių paprastų matematinių prielaidų apie dalelių susidūrimus. Nuotrauka: Cliffordo Cheungo dirbtinio intelekto sukurta iliustacija
Stygų teorija, sukurta septintajame dešimtmetyje, teigia, kad viskas Visatoje sudaryta iš nematomų stygų. Ši teorija atsirado kaip galimas „kvantinės gravitacijos“ problemos sprendimas – siekis suderinti kvantinę mechaniką, kuri apibūdina mūsų pasaulį mažiausiais masteliais, su bendrąja reliatyvumo teorija, kuri paaiškina, kaip mūsų Visata veikia didžiausiais masteliais (ir apima gravitaciją). Tyrėjai bandė suderinti šias dvi teorijas – pavyzdžiui, klausdami, kaip gravitacija elgiasi kvantinėje srityje, – tačiau jų lygtys tampa neišsprendžiamos arba, matematiškai kalbant, virsta begalybe.
Stygų teorija yra matematinis sprendimas, kuris sutramdo nepaklusnias begalybes. Ji teigia, kad visos dalelės, įskaitant gravitoną – hipotetinę dalelę, kuri, kaip manoma, perteikia gravitacijos jėgą, – yra generuojamos labai mažų vibruojančių stygų. Stygų teorijos matematika reikalauja, kad stygos vibruotų bent 10 dimensijų, o ne keturiose, kuriose gyvename mes (trys erdvės ir vienas laiko), ir tai yra viena iš priežasčių, kodėl kai kurie mokslininkai nėra įsitikinę, kad stygų teorija yra teisinga. Tačiau bene didžiausias teorijos iššūkis yra itin didelės energijos, reikalingos jai patikrinti: tokiam eksperimentui reikėtų galaktikos dydžio dalelių greitintuvo.
Ką fizikai turėtų daryti? Vienas iš būdų, kaip jie gali patikrinti teoriją, yra kreiptis į „pradinį“ metodą, kai tyrėjai pradeda nuo tam tikrų prielaidų apie Visatą, kurias, jų manymu, laiko teisingomis, o tada stebi, kokie dėsniai išplaukia iš tų prielaidų. Naujame straipsnyje pavadinimu „Stygos iš beveik nieko“, priimtame publikuoti žurnale „Physical Review Letters“, Kalifornijos technologijos instituto (Caltech) tyrėjai ir jų kolegos iš Niujorko universiteto ir Barselonos energetikos instituto (Institut de Fisica d’Altes Energies) būtent tai ir padarė. Remdamiesi keliomis pagrindinėmis prielaidomis apie tai, kaip dalelės turėtų sklaidytis viena nuo kitos esant labai didelėms energijoms, jie išvedė stygų teorijos elementus.
„Stygos tiesiog iškrito“, – sako Cliffordas Cheungas, teorinės fizikos profesorius ir Kalifornijos technologijos instituto Leinweberio teorinės fizikos forumo direktorius. „Mes nepradėjome nuo jokių prielaidų apie stygas, bet tada sprendime buvo kertiniai stygų požymiai.“
Nors darbas nėra eksperimentinis stygų teorijos įrodymas, jis yra „labai įžvalgus teoriniu požiūriu, nes bendrosios prielaidos galėjo duoti begalybę sprendinių, bet jos davė tik vieną“, – sako Cheungas.
„Šis metodas padeda fizikams suprasti esminius stygų teorijos bruožus“, – aiškina Hirosi Ooguri, Caltech universiteto Fredo Kavli vardo teorinės fizikos ir matematikos profesorius ir Kento bei Joyce Kresos Fizikos, matematikos ir astronomijos skyriaus vadovybės pirmininkas, kuris yra stygų teoretikas, nors ir nėra straipsnio autorius. „Tai taip pat padeda tyrėjams sugalvoti alternatyvias teorijas. Jei stygų teorija nėra teisinga ir norime rasti kitą modelį, kokias pagrindines prielaidas turime pašalinti?“ – sako Ooguri.
Dalelės harmonijoje
Vienas iš pagrindinių stygų požymių, kurie „iškrito“ iš komandos analizės, yra žinomas kaip stygų spektras. Spektrą septintojo dešimtmečio pabaigoje atrado italų fizikos teoretikas Gabriele Veneziano iš Europos branduolinių tyrimų organizacijos (CERN). Spektras yra begalinės dalelių kopėčios, kuriose masės ir sukiniai didėja atskirais žingsniais.
„Veneziano laikais dalelių susidūrimo įrenginiai matė, kaip iš susidūrimų išsiskiria skirtingų masių dalelės – šiukšlių purslai. Tai buvo žavu, ir niekas neturėjo supratimo, kas vyksta. Veneziano užrašė funkciją, apibūdinančią visas mases, atskleisdamas begalines dalelių kopėčias“, – sako Cheungas.
Vėliau kiti tyrėjai suprato, kad Veneziano dalelių kopėčios atitinka vibruojančios stygos harmoninę seriją. Jei užtrauksite smuiko stygą, gausite natų seriją, vaizduojančią pagrindinę natą ir obertonus, kurie atitinka panašų modelį.
Stygų teorija gimė, tačiau tik 1974 m. Kalifornijos technikos universiteto Johnas Schwarzas, Haroldo Browno teorinės fizikos profesorius emeritas, ir jo kolega, prancūzų fizikas Joëlis Scherkas, suprato, kad teorija apima gravitaciją, taip suformuodami pirmąjį ryšį tarp stygų teorijos ir bendrosios reliatyvumo teorijos.
„Kaip ir visi to meto dalelių fizikai, mes iš anksto nesidomėjome gravitacija. Stygų teorijos gerai veikia esant labai didelėms energijoms, kitaip nei Einšteino bendroji reliatyvumo teorija, kuri išliko kaip mažos energijos aproksimacija. Todėl, nors daug kas dar nebuvo suprantama, buvome labai susijaudinę, kad kokia nors stygų teorijos versija galėtų pateikti vieningą visko kvantinę teoriją“, – sako Schwarzas.
Stygų teorijoje skirtingi mažyčių stygų virpesių režimai sukelia skirtingas daleles. Pavyzdžiui, fotonas atsiranda iš atviros stygos, vibruojančios savo pagrindiniu režimu, o gravitonas, kaip manoma, atsiranda dėl uždaros stygos pagrindinio virpesių režimo.
Naujajame tyrime tyrėjai nagrinėjo tai, kas vadinama sklaidos amplitudėmis, kurios apibūdina galimų dalelių susidūrimų rezultatų tikimybes. Kai tyrėjai, naudodamiesi bendrosios reliatyvumo teorijos įrankiais, formuluoja sklaidos amplitudes esant vis didesnėms energijoms, iškyla nepaklusnios begalybės. Matematiškai tai reiškia, kad rezultatai neturi prasmės ir negali būti teisingi.
„Jei imsite bendrąją reliatyvumo teoriją ir sklaidysite esant labai didelėms energijoms vadinamojoje Planko skalėje – tai yra maždaug 19 dydžio eilių daugiau nei protono masė – gausite rezultatą, kuris neturi prasmės. Viskas visiškai sugrius“, – sako Cheungas.
Štai kur sužiba stygų teorija. Ji keliais būdais neleidžia matematikai siekti begalybės, vienas iš jų vadinamas ultraminkštumu, kai stygos suminkština arba išsklaido sąveikas esant itin didelėms energijoms, todėl jas lengviau valdyti matematiškai.
„Stygų teorijos sistemoje, didinant energijos perdavimą tarp dalelių, pastebėsite greitą dalelių sklaidos tikimybės sumažėjimą. Tarsi dalelės net nenorėtų sklaidytis viena nuo kitos, o verčiau laisvai sklistų“, – sako Cheungas. „Sklaidos amplitudės nesiekia begalybės. Tai geriau veikia.“
Tyrėjai šį dalelių elgsenos ultraminkštumo bruožą pasirinko kaip vieną iš savo pradinių prielaidų. Jie nedarė jokių prielaidų apie stygas, bet manė, kad dalelės turi mažesnę tikimybę išsibarstyti esant didelėms energijoms – tai būtina norint suvaldyti nepageidaujamas begalybes kvantinės gravitacijos teorijose.
Be to, jie padarė kitą prielaidą apie dalelių elgesį, vadinamą „minimaliais nuliais“, kuri yra sudėtingesnė. „Nuostabu, kad nuoseklumui reikia, jog išsibarstymo amplitudės ne tik sąveikautų, bet ir nesąveikautų specialiuose kinematiniuose taškuose, vadinamuose „nuliais“. „Minimalių nulių“ prielaida reikalauja mažiausio tokių išnykimo taškų skaičiaus, kurį matematiškai leidžia lygtys“, – sako Cheungas.
Pradėdami nuo matematinių skaičiavimų, apibūdinančių šias dvi prielaidas, tyrėjai griežtai įrodė, kad vienintelės matematinės funkcijos, kurios tenkino šias prielaidas, yra pagrindiniai stygų teorijos požymiai. Šie požymiai apima visą dalelių masių ir sukinių spektrą, kaip apibrėžta stygų teorijoje, kartu su jų išsamiu sąveikos stiprumu.
„Tikslios stygų teorijos detalės, įskaitant begalines masyvių besisukančių dalelių kopėčias, kuris sudaro stygos „harmoniką“, kuria garsėja ši teorija, išryškėjo automatiškai“, – sako bendraautoris Grantas N. Remmenas, Jameso Arthuro podoktorantūros stipendininkas Niujorko universitete.
Tyrėjų metodas šiek tiek primena sudoku galvosūkį: pradedate nuo kelių taisyklių, kurių reikia laikytis, kaip išdėstyti skaičius tinklelyje, ir, remdamiesi šiomis pagrindinėmis taisyklėmis, ieškote vienintelio unikalaus galvosūkio sprendimo.
„Gili ironija ta, kad ši idėja, kurią dabar siekiame įgyvendinti naudodami modernius įrankius ir modernias idėjas, yra labai retro. Tai sena idėja“, – aiškina Cheungas. „Pradinis Veneziano spektro atradimas ir Johno Schwarzo darbai taikė panašų požiūrį. Jie nepradėjo nuo stygų teorijos modelių, o sprendimai kilo iš pagrindinių principų.“
„Dabar geriau suprantame pagrindines prielaidas, kurias galime daryti, taip pat turime tvirtesnius metodus, kaip šias prielaidas paversti sklaidos amplitudės ir kitų stebimų dydžių savybėmis.“
—————————-
Clifford Cheung et al, Strings from almost nothing, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/cw4p-cqh7. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2508.09246
Journal information:Physical Review Letters , arXiv
Vilniaus universiteto mokslininkai – apie kvantines technologijas
JONAS ŽMUIDZINAS APIE TAMSIĄJĄ ENERGIJĄ, GRAVITONUS IR PASITIKĖJIMĄ SAVO JĖGOMIS (3)
Ar fizika taps istoriniu mokslu?