Mengapa fisikawan berpikir teori string bisa berubah menjadi "teori segalanya"

Teori string didasarkan pada gagasan bahwa alih-alih partikel elemental nol dimensi, Semesta terdiri dari string satu dimensi

Teori string adalah salah satu gagasan fisika yang paling cemerlang, kontradiktif, dan tidak terbukti. Ini didasarkan pada tren fisik yang telah hidup selama berabad-abad - bahwa pada tingkat fundamental, semua berbagai kekuatan, partikel, interaksi dan manifestasi realitas dihubungkan bersama sebagai bagian yang berbeda dari satu platform. Alih-alih empat interaksi fundamental independen - kuat, elektromagnetik, lemah dan gravitasi - ada satu teori terpadu yang mencakup semuanya.

Dalam banyak hal, teori string adalah kandidat terbaik untuk teori gravitasi quantum, menggabungkan interaksi pada tingkat energi tertinggi. Meskipun tidak ada bukti eksperimental untuk ini, ada alasan teoritis yang meyakinkan untuk percaya bahwa memang demikian. Pada 2015, spesialis teori string hidup terbesar, Edward Witten, menulis makalah tentang apa yang harus diketahui oleh setiap fisikawan tentang teori string. Dan inilah artinya - bahkan jika Anda bukan seorang fisikawan.


Perbedaan antara interaksi standar teori medan kuantum (kiri) untuk partikel titik dan interaksi dalam teori string (kanan) untuk string tertutup.

Sungguh menakjubkan bagaimana kadang-kadang banyak kesamaan ditemukan dalam hukum alam yang berkaitan dengan fenomena yang tampaknya tidak berhubungan. Struktur matematika dari fenomena semacam itu seringkali sangat mirip, dan kadang-kadang bahkan identik. Daya tarik dua benda besar menurut hukum Newton hampir identik dengan daya tarik / tolakan partikel bermuatan listrik. Osilasi bandul sepenuhnya analog dengan pergerakan massa pada pegas atau planet di sekitar bintang. Gelombang gravitasi, gelombang air, gelombang cahaya - mereka semua memiliki sifat yang sangat mirip, meskipun fakta bahwa ia berasal dari sumber fisik yang berbeda secara fundamental. Dan dalam nada yang sama, meskipun banyak yang tidak menyadarinya, teori kuantum dari satu partikel dan pendekatan teori gravitasi quantum juga mirip satu sama lain.


Diagram Feynman mewakili hamburan dua elektron - untuk ini perlu diringkas semua kemungkinan sejarah interaksi partikel

Teori medan kuantum bekerja seperti ini: ambil sebuah partikel dan lakukan “penjumlahan dari semua ceritanya” secara matematis. Anda tidak bisa hanya menghitung di mana partikel itu berada, dan di mana partikel itu sekarang, dan bagaimana partikel itu sampai di sana - karena di alam ada ketidakpastian kuantum internal dan mendasar. Alih-alih, kami merangkum semua cara yang memungkinkan di mana ia bisa tiba dalam keadaan saat ini ("sejarah masa lalu"), dengan bobot probabilistik yang sesuai, dan kemudian menghitung keadaan kuantum dari satu partikel.

Untuk bekerja dengan gravitasi, dan bukan dengan partikel kuantum, Anda perlu sedikit berubah. Karena Teori Relativitas Umum Einstein tidak dikaitkan dengan partikel, tetapi dengan kelengkungan ruang-waktu, kita tidak akan meratakan semua kemungkinan sejarah partikel. Alih-alih, kami meratakan semua kemungkinan geometri ruang-waktu.


Gravitasi menurut aturan Einstein dan yang lainnya (interaksi kuat, lemah, dan elektromagnetik) menurut aturan fisika kuantum adalah dua perangkat hukum berbeda yang mengatur segala sesuatu di alam semesta.

Bekerja dalam tiga dimensi spasial sangat sulit, dan ketika kita menghadapi masalah fisik yang kompleks, kita sering mencoba memecahkan versi yang lebih sederhana terlebih dahulu. Jika Anda turun satu dimensi, semuanya akan menjadi lebih mudah. Satu-satunya permukaan satu dimensi yang mungkin adalah string terbuka, dengan dua ujung terpisah yang tidak terhubung satu sama lain, atau string tertutup, ujung-ujungnya terhubung dan membentuk lingkaran. Selain itu, kelengkungan ruang - sangat kompleks dalam tiga dimensi - menjadi masalah sepele. Oleh karena itu, jika kita ingin menambahkan materi, kita menggunakan seperangkat bidang skalar (seperti untuk jenis partikel tertentu) dan konstanta kosmologis (bekerja persis sebagai anggota persamaan yang bertanggung jawab untuk massa): analogi yang hebat.

Tingkat kebebasan tambahan yang diterima suatu partikel dalam beberapa dimensi tidak memainkan peran khusus; selama kita dapat menentukan vektor momentum, ini tetap merupakan dimensi utama. Oleh karena itu, dalam satu dimensi, gravitasi kuantum terlihat seperti partikel kuantum bebas dalam jumlah dimensi sembarang.


Grafik dengan simpul di mana tiga sisi bertemu adalah komponen kunci dalam membangun integral jalur yang terkait dengan gravitasi kuantum satu dimensi

Langkah selanjutnya adalah menghidupkan interaksi, dan bergerak dari partikel bebas tanpa menebarkan amplitudo atau potongan melintang yang efektif ke partikel yang mungkin memiliki peran fisik yang terkait dengan alam semesta. Grafik yang mirip dengan yang di atas memungkinkan kita untuk menggambarkan konsep aksi fisik dalam gravitasi kuantum. Jika kita menuliskan semua kemungkinan kombinasi grafik tersebut dan merangkumnya - menggunakan hukum yang sama seperti biasa, misalnya, hukum kekekalan momentum - kita dapat menyelesaikan analoginya. Gravitasi kuantum dalam satu dimensi sangat mirip dengan interaksi satu partikel dalam sejumlah dimensi.


Probabilitas mendeteksi partikel kuantum di tempat tertentu tidak pernah 100%; probabilitas didistribusikan melalui ruang dan waktu.

Langkah selanjutnya adalah pindah dari satu dimensi spasial ke dimensi 3 + 1: ke mana Semesta memiliki tiga dimensi spasial dan satu dimensi temporal. Tetapi "peningkatan" teoretis ini untuk gravitasi bisa sangat sulit. Pendekatan yang berbeda dapat ditemukan jika kita memutuskan untuk bekerja dalam arah yang berlawanan.

Alih-alih menghitung perilaku satu partikel (entitas nol-dimensi) di sejumlah dimensi, mungkin kita bisa menghitung perilaku string, terbuka atau tertutup (entitas satu dimensi). Dan atas dasar ini, sudah mencari analogi dengan teori gravitasi kuantum yang lebih lengkap dalam jumlah dimensi yang lebih realistis.


Diagram Feynman (di atas) didasarkan pada partikel titik dan interaksinya. Mengubahnya menjadi analog untuk teori string (di bawah), kita mendapatkan permukaan yang dapat memiliki kelengkungan non-trivial.

Alih-alih titik dan interaksi, kami segera mulai bekerja dengan permukaan, membran, dan sebagainya. Setelah mendapatkan permukaan multidimensi yang sebenarnya, kita dapat menekuknya dengan cara yang tidak sepele. Kami mulai mengamati perilakunya yang sangat menarik; yang bisa menjadi dasar kelengkungan ruang-waktu yang diamati di Semesta dalam kerangka GR.

Tetapi meskipun gravitasi satu dimensi memberi kita teori medan kuantum untuk partikel dalam ruang-waktu yang mungkin melengkung, itu saja tidak menggambarkan gravitasi. Apa yang tidak ada dalam puzzle ini? Tidak ada korespondensi antara operator, atau fungsi yang mewakili interaksi dan sifat kuantum-mekanis, serta menyatakan, yaitu, bagaimana partikel dan sifatnya berubah dari waktu ke waktu. Korespondensi "operator negara" ini adalah unsur yang perlu tetapi hilang.

Tetapi jika kita berpindah dari partikel titik ke entitas string, korespondensi ini dimanifestasikan.


Deformasi metrik ruang-waktu dapat diwakili oleh fluktuasi ('p'), dan jika diterapkan pada analogi string, itu akan menggambarkan fluktuasi ruang-waktu dan sesuai dengan keadaan kuantum string.

Dalam transisi dari partikel ke string, korespondensi nyata dari kondisi operator muncul. Fluktuasi dalam metrik ruang-waktu (yaitu, operator) secara otomatis mewakili keadaan dalam deskripsi kuantum-mekanis dari properti string. Oleh karena itu, teori gravitasi quantum dalam ruang-waktu dapat dibuat berdasarkan teori string.

Tapi bukan hanya itu yang kita dapatkan: kita juga mendapatkan gravitasi kuantum, dikombinasikan dengan partikel lain dan interaksi dalam ruang-waktu, dengan yang sesuai dengan operator string lain dalam teori medan. Ada juga operator yang menggambarkan fluktuasi dalam geometri ruang-waktu, dan operator lain untuk keadaan kuantum string. Hal yang paling menarik tentang teori string adalah ia dapat memberi kita teori gravitasi quantum yang berfungsi.


Brian Green memberikan presentasi tentang teori string

Semua ini tidak berarti bahwa masalah telah diselesaikan, dan teori string adalah jalan menuju gravitasi kuantum. Harapan besar teori string adalah bahwa analogi ini dapat dipertahankan pada semua skala, dan bahwa akan ada korespondensi satu-ke-satu yang tegas dari gambaran string dunia dan Semesta yang kita amati di sekitar kita.

Sejauh ini, gambaran dunia dengan string dan superstring hanya konsisten dalam beberapa set dimensi, dan yang paling menjanjikan dari mereka tidak memberi kita gravitasi empat dimensi Einstein, yang menggambarkan Alam Semesta kita. Sebagai gantinya, kami menemukan teori gravitasi 10 dimensi oleh Brans - Dicke . Untuk mengembalikan gravitasi yang ada di Alam Semesta kita, kita perlu "menyingkirkan" enam dimensi dan mengarahkan konstanta kopling ω hingga tak terbatas.

Jika Anda telah mendengar istilah "pemadatan" yang diterapkan pada teori string, itu hanya sebuah kata yang berarti bahwa kita harus menyelesaikan teka-teki ini. Sejauh ini, banyak orang telah menyarankan solusi yang lengkap dan meyakinkan yang cocok untuk pemadatan. Tetapi pertanyaan tentang bagaimana mendapatkan gravitasi Einstein dan 3 + 1 dimensi dari teori 10 dimensi tetap terbuka.


Proyeksi dua dimensi dari manifold Calabi-Yau , salah satu metode populer untuk memadatkan pengukuran teori string tambahan yang tidak perlu

Teori string menawarkan jalan ke gravitasi kuantum yang bisa dibandingkan dengan beberapa alternatif. Jika kita membuat kesimpulan yang masuk akal tentang bagaimana matematika bekerja, kita bisa mendapatkannya dari relativitas umum dan model standar. Hari ini, ini adalah satu-satunya ide yang memberi kita ini - karena itu sangat dikejar. Tidak masalah apakah Anda mendukung keberhasilan teori string atau kegagalan, atau bagaimana perasaan Anda tentang kurangnya prediksi yang dapat diverifikasi, itu, tanpa diragukan lagi, tetap menjadi salah satu bidang penelitian paling aktif dalam fisika teoretis. Faktanya, teori string menonjol sebagai gagasan utama di antara impian fisikawan tentang teori final.