1980-ban Stephen Hawking tartotta első előadását a Cambridge-i Egyetem Lucasian professzoraként, amelynek címe így hangzott: „Vége felé közeledik-e az elméleti fizika?” Ez az előadás nem csupán egy tudományos beszéd volt, hanem egy merész jóslat is: Hawking úgy vélte, hogy a 20. század végére felfedezhetjük azt az egységes elméletet, amely összehangolja a nagy léptékű univerzumot leíró általános relativitáselméletet és az atomok és részecskék mikroszkopikus világát szabályozó kvantummechanikát.
Az egységes elmélet keresése – 45 év távlatából
Negyvenöt évvel később azonban még mindig nincs kézzelfogható, végleges „mindent összefogó” elmélet. A legfőbb jelölt jelenleg az húr-elmélet, amely egy olyan keretrendszer, amely leírja az összes erőt és részecskét, beleértve a gravitációt is.
A húr-elmélet szerint a természet építőkövei nem pontszerű részecskék, mint például a kvarkok (amelyek az atommag részei), hanem rezgő húrok. Ha mélyen bele tudnánk nézni az elektronok belsejébe, ott húrhurkokat látnánk, amelyek úgy rezegnek, mint egy hegedű húrjai. A különböző rezgési mintázatok különböző részecskéket jelentenek.
A természet erőinek egységesítése és a matematika kapcsolata
A húr-elmélet egyesíti a természet minden erejét. Az olyan látszólag eltérő erők, mint a gravitáció és az elektromosság mélyen összefüggenek egymással. Ezeket az erőket úgynevezett dualitások kötik össze: ugyanazokat az alapvető jelenségeket többféleképpen lehet leírni.
Például a gravitációt geometriai fogalmakkal – alakzatokkal és pozíciókkal – írjuk le, míg más erőket algebrai és számelméleti eszközökkel modellezünk. Az erők egységesítése így mély matematikai kapcsolatokra utal különböző tudományterületek között. Ezeket a kapcsolatokat korábban matematikusok, különösen Robert Langlands is feltételezték, ám a húr-elmélet fizikai magyarázatot ad ezekre.
Kísérleti kihívások: Miért nehéz tesztelni a húr-elméletet?
Bár a húr-elmélet lehet az igazi mindent összefogó elmélet, kísérletileg nehéz igazolni. A húr-elmélet hatásai rendkívül kicsi méreteken és nagyon magas energiákon válnak láthatóvá.
A részecskegyorsítók úgy vizsgálják a részecskék belső szerkezetét, hogy ütköztetik őket és széttörik őket. Azonban még a legnagyobb gyorsítók is – például a svájci CERN-ben működők – nem képesek olyan energiákat előállítani, amelyekkel lebontanánk a részecskéket húrokká.
Kozmikus nyomok: Az univerzum titkai segíthetnek?
Ha nem érjük el ezeket az energiákat földi gyorsítókban, akkor hol kísérletezhetünk? A válasz talán az égbolton rejlik.
Az univerzum nagyon korai időszakában sűrű és forró volt minden anyag – ez az ősi „leves” húrokból állhatott. Az univerzum története ma is megfigyelhető nyomokat hagyott maga után: galaxisfelmérésekből és a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás méréséből olvashatjuk ki ezt.
Az 1900-as évek elején Edwin Hubble amerikai csillagász kimutatta, hogy az univerzum tágul: a galaxisok távolodnak egymástól. A század végére pedig kiderült, hogy ez a tágulás valójában gyorsul – vagyis ma a galaxisok gyorsabban távolodnak egymástól, mint egy millió évvel ezelőtt.
A sötét energia rejtélye
Mi hajtja ezt a gyorsulást? A gravitáció vonzó erőként lassítaná a tágulást. Ehelyett egy újfajta energia felelős ezért, amely minden térben jelen van: ezt nevezzük sötét energiának, amely az univerzum energiájának körülbelül 70%-át teszi ki.
A sötét energia pontos természete még ismeretlen. A legvalószínűbb magyarázat szerint ez maga az univerzum kvantumenergiája. A kvantumvilágban ugyanis soha nincs teljes nyugalom; mindig van egy kis rezgés és ezzel járó energia. Még az abszolút nulla fokra lehűtött atomok is rendelkeznek energiával kvantumos mozgásuk miatt.
A sötét energia tehát potenciálisan magyarázható úgy, mint minden erő és részecske alapvető kvantumenergiája – beleértve a gravitációt is.
Kozmológiai megfigyelések és kísérletek
Az ilyen típusú energiák tulajdonságait folyamatosan vizsgálják. Az amerikai Arizonában működő DESI obszervatórium például galaxisokat és kvazárokat térképez fel. Emellett az űrből érkező Euclid és Roman teleszkópok soha nem látott részletességgel mérik majd fel az univerzumot, több milliárd galaxis történetét feltárva milliárd éveken át.
A DESI legfrissebb eredményei arra utalnak, hogy a sötét energia időben változik – ami összhangban áll bizonyos húr-elméleti modellekkel –, bár ezt további mérésekkel még igazolni kell.
Bár ez nem bizonyítja egyértelműen a húr-elmélet helyességét (hiszen többféle univerzum létezhet különböző sötét energia mintázatokkal), ezek az eredmények arra utalnak, hogy érdemes lehet tovább vizsgálni azt a lehetőséget, hogy a sötét energia valójában húrok kvantumenergiája.
Természetesen más jelenségek is magyarázhatják ezt az időbeli változást. Az Euclid és Roman teleszkópok precízebb mérései azonban képesek lesznek kizárni számos alternatív sötét energia elméletet és bizonyos húr-elméleti változatokat is – ezzel segítve szűkíteni azt a területet, amire az elméleti fizikusoknak fókuszálniuk kell.
Fekete lyukak mint kísérleti laboratóriumok
Egy másik lehetőség a húr-elmélet igazolására fekete lyukakon keresztül nyílhat meg. Amint valami beleesik egy fekete lyukba, onnan nincs menekvés; rendkívül erős erők hatására részecskék szakadnak szét.
Bár pontosan nem értjük még teljesen, mi történik egy fekete lyuk belsejében, a húr-elmélet megmutatja nekünk, hogyan őrzi meg egy fekete lyuk az információt arról, ami beleesett.
Ez azért lehetséges, mert a húr-elmélet szerint nincs „szingularitás” – végtelen sűrűségű pont – egy fekete lyuk közepén; helyette ezek az objektumok húrgolyókként („fuzzball”-ként) vannak széttömörülve.
A jövőben pontosabb gravitációs hullám mérések (azaz téridő hullámzásainak vizsgálata) keresni fogják ezeket a finom jeleket, amelyek alátámasztják majd ezen kvantumos viselkedést fekete lyukak esetében. Ha valóban fuzzballokról van szó, akkor összeolvadáskor hosszabb ideig tartó jeleket adhatnak ki visszhangokkal együtt.
Továbbá ha léteznek extra dimenziók – ahogy azt a húr-elmélet feltételezi –, akkor ezek hatására fekete lyukak különféleképpen rezeghetnek majd, amit szintén detektálhatunk majd.
Gondolatkísérletek és tudományos áttörések
A kozmológiai mérések mellett tudósok gondolatkísérleteket is végeznek – hasonlóan ahhoz, ahogy Einstein dolgozott ki relativitáselméleteit. A húr-elmélet nemcsak matematikai újításokat hozott magával, hanem más tudományterületeken is hasznosnak bizonyult.
Például segített megérteni olyan kvantumos rendszereket is, amelyek alkalmazhatók lehetnek kvantumszámítógépek fejlesztésében.
Zárszó: Mennyire vagyunk közel a mindent összefogó elmélethez?
Bár nem hiszem, hogy egy teljes körű „mindent összefogó” elmélettel már holnap rendelkezni fogunk, Hawking 1980-as előadása óta rengeteget tanultunk erről a témáról. Jelenleg pedig biztató jelek mutatkoznak arra nézve, hogy érdemes tovább kutatni és fejleszteni a húr-elméletet.
Forrás: https://uk.news.yahoo.com/string-theory-scientists-trying-ways-133403036.html
