2006 Január






Tartalomjegyzék Novella: Email Fóbia Bill Gates kiosztja a tudást Utolsó lap

Szuperhúrok

Szerző: Héjjas István

Egy angol nyelvű tudományos folyóiratban egy nemzetközi hírű fizikus úgy nyilatkozott, hogy a szuperhúr elmélet szerint végtelen sok világegyetem létezhet. Ezek között pedig a mi világegyetemünk egészen speciális, különleges, egyedi, hiszen ez az egyetlen olyan lehetséges világegyetem, amelynek a működésére a szuperhúr elmélet nem érvényes.




A bevezetőben szereplő tréfás megállapítás mögött a modern fizika nagy dilemmája rejtőzik, amelynek megoldását sokan a szuperhúr-elmélettől remélik, és bár olykor úgy tűnhet, hogy az alagútban dereng már valami fény, de azt még nem tudhatjuk, vajon ez tényleg az alagút vége, vagy egy szembejövő másik vonat.

A dilemma lényege abban áll, hogy a modern fizika két hatalmas „tartóoszlopa”, nevezetesen a relativitáselmélet és a kvantumelmélet logikailag egymásnak ellentmond. Ebből tehát a „józan paraszti ész” alapján az következne, hogy ha az egyik igaz, akkor a másik nem lehet igaz. Ha azonban kísérleteket végzünk az elméletek igazolására, akkor a kísérletek mind a két elmélet helyességét külön-külön igazolják.

A két elmélet közötti ellentmondás több önmagában is problematikus ellentmondásból kombinálódik. Ilyenek elsősorban:

·      A relativitáselmélet szerint a fizikai jelenségek lefolyása szigorúan determinisztikus, és emiatt a kiindulási paraméterek ismeretében bármely fizikai rendszer jövőbeli állapota elvileg pontosan kiszámítható, a kvantumelmélet viszont valószínűségi függvényekkel számol, ami azt jelenti, hogy a fizikai jelenségeket a kiszámíthatatlan véletlen is befolyásolja.

·      A relativitáselmélet egységes 4 dimenziós téridőt feltételez, a kvantumelméletben azonban tér és idő két eltérő tulajdonságú entitás.

·      A relativitáselmélet szerint gravitációs erőtér nem létezik, ehelyett a tömegek meggörbítik maguk körül a teret, és ebben a görbült térben a tárgyak úgy mozognak, mintha gravitációs erő hatna reájuk, a kvantumelmélet szerint viszont a gravitációs erőtér valóságosan létezik és a többi kölcsönhatáshoz hasonlóan ezt is ún. virtuális részecskék áramlása közvetíti.

·      A relativitáselmélet szerint nem létezhet fénysebességnél gyorsabb „azonnali” kölcsönhatás vagy információ átadás, a kvantumelméletben azonban az un. EPR paradoxon szerint az azonnal információ-kommunikáció nem lehetetlen.

·      A relativitáselmélet szerint a fizikai jelenségek a megfigyeléstől független, „objektív” módon zajlanak le, míg a kvantumelmélet koppenhágai interpretációja szerint a tudatos megfigyelés is befolyásolja a fizikai kísérletek eredményét, stb.

Ha két tudományos elméletet egyesíteni akarunk, felmerül az ún. kompatibilitási probléma. Ezt a kifejezést leginkább a számítástechnikából ismerjük. Azt mondhatjuk pl., hogy a WORD 7.0 szövegszerkesztő felülről kompatibilis a WORD 6.0 szövegszerkesztővel. Ez azt jelenti, hogy a WORD 7.0 nagyobb tudású, mint WORD 6.0 és ezért a WORD 6.0 –val szerkesztett dokumentumokat a WORD 7.0 nehézség nélkül kezelni tudja, azonban abban már nem lehetünk biztosak, hogy a WORD 6.0 képes lehet megnyitni és sikeresen kezelni minden olyan fájlt, amely a WORD 7.0 rendszerben készült.

Ehhez hasonlóan beszélhetünk a tudományos elméletek kompatibilitásáról is és pl. azt mondhatjuk, hogy a relativitáselmélet felülről kompatibilis a Newton-féle klasszikus mechanikával és gravitációs elmélettel. Ez azt jelenti, hogy a relativitáselmélet jól leírja mindazokat a mechanikai eseményeket, amelyek a klasszikus mechanikában előfordulnak, de ez fordítva nem mindig igaz.

Egy 10-szeres hangsebességgel haladó tárgy esetén pl. a kétféle elmélet szerinti mozgásegyenletek eredményei között az eltérés nem éri el a százmilliomod százalékot. Ezért ilyen esetben a mérnökök a klasszikus mechanikát használják, hiszen ezzel sokkal kevesebbet kell számolni.

A 10-szeres hangsebesség igen nagy sebességnek tűnhet, ha figyelembe vesszük, hogy a leggyorsabb vadászrepülőgép is legfeljebb 5-szörös hangsebességgel képes repülni, és azt is csak rövid ideig. Ez a sebesség ugyanakkor szinte elhanyagolhatóan csekély a fénysebességhez mérve, amely utóbbi megközelítése esetén a két elmélet már jelentősen eltérő eredményekhez vezet.

Már a klasszikus fizika sem volt teljesen egységes. A klasszikus mechanika és a klasszikus elektrodinamika között ugyanis van bizonyos ellentmondás. Az előbbi szerint távoli objektumok közötti erőhatás esetén a kölcsönhatás kialakulása azonnali, míg az utóbbi szerint a kölcsönhatás legfeljebb fénysebességgel terjedhet.

Kimutatható azonban, hogy a relativitáselmélet nemcsak a klasszikus mechanikához, de a klasszikus elektrodinamikához is felülről kompatibilis, ezért úgy tekinthetjük, hogy a relativitáselmélet a klasszikus mechanika és klasszikus elektrodinamika egyesítésének elmélete.

Ha ehhez hasonlóan egyesíteni kellene a relativitáselméletet és a kvantumelméletet, akkor találni kellene egy olyan elméletet, amely mind a kettőhöz felülről kompatibilis. Ezt a reménybeli elméletet nevezték eredetileg kvantumgravitációs elméletnek, és sokak számára úgy tűnhet, hogy ezt a szerepet esetleg a szuperhúr elmélet fogja betölteni.

A szuperhúr elmélet alapgondolatának megértéséhez először tisztázni kell a térgörbület fogalmát. A görbült tér elméleti lehetősége matematikai értelemben már az 1800-as évek első felében felmerült a Bolyai – Gauss – Lobacsevszkij féle geometriában, majd néhány évtizeddel később – más előjellel – a Riemann féle geometriában, fizikai jelentést azonban csak a relativitáselméletben nyert.

E fogalom megvilágításához gondoljunk arra, hogy egy sík vagy görbült felület kétdimenziós térnek tekinthető. Példa lehet erre a Föld felszíne. Ha az Egyenlítő mentén elindulunk nyugat felé és „nyílegyenesen” haladunk, előbb-utóbb kelet felől vissza fogunk érkezni oda, ahonnan elindultunk. Hasonló tapasztalásunk lehet akkor is, ha egy délkör mentén észak felé indulunk el, és egyenesen haladva először az Északi, majd a Déli Sark érintésével jutunk vissza a kiindulási helyre.

Most képzeljük el azt, hogy a Föld nem gömbölyű, hanem tojás alakú. Ebben az esetben a délkör mentén hosszabb utat kell bejárni a Föld megkerüléséhez, mint az Egyenlítő mentén. Ez tehát egy aszimmetrikusan görbült kétdimenziós tér.

Ami a szuperhúr elméletet illeti, ennek is több változata van. Mindegyikre jellemző, hogy az ismert dimenziókon túl a köznapi életben nem tapasztalható többlet dimenziókat tételez fel. Az így kialakuló sokdimenziós tér, illetve téridő pedig a különféle dimenziók mentén eltérő mértékben görbült.

A különféle szuperhúr elméletekben a téridő dimenziók száma 9+1 és 31+1 közötti változatokat mutat, amelyben a +1 dimenzió jelenti az időt.

Mostanában leginkább a 9+1 dimenziós változatot népszerűsítik. Ebben a 3 tapasztalható térdimenziót 6 nem tapasztalható térdimenzió egészíti ki. A tapasztalható térdimenziók mentén a térgörbület csekély, vagyis ezek a dimenziók csaknem „egyenesek” és ezek irányában az Univerzum körüljárása több milliárd fényéves úthosszat jelent. Ezzel szemben a nem tapasztalható térdimenziók mentén a görbület mértéke akkora, hogy a körüljárási úthossz sokmilliárdszor kisebb, mint az atommagok mérete.

Ebben a 9 dimenziós térben lebegnek azután az un. szuperhúrok, ezek a parányi energiaszálak, amelyek rezonancia állapotai realizálják a különféle anyagi részecskéket. A jelenség hasonló a hegedűhúr rezgéséhez, amelyben különféle állóhullámok alakulhatnak ki és ezek hozzák létre az alapharmonikus rezgésszámának egész számú többszörösével rezgő felharmonikusokat, és adják meg ezzel a hegedű jellegzetes hangzását.

Az elmélet szerint léteznek zárt és nyitott szuperhúrok. Az utóbbiak két végponttal rendelkeznek és ezek segítségével összekapcsolódhatnak más szuperhúrokkal és mivel az egyesítés következtében új rezonancia frekvenciák alakulnak ki, ezáltal jöhetnek létre új részecskék.

Az elmélet feltételez egy olyan részecskét is, amely a gravitációs kölcsönhatást közvetíti és ily módon felelős a térgörbület kialakulásáért, ez pedig a zérus tömegű és 2 spinű graviton, amely a zárt hurkú szuperhúr egyik lehetséges rezgési állapotának felel meg.

A szuperhúrok hossza általában sok nagyságrenddel kisebb a részecskék méreténél. Publikáltak azonban olyan elméletet is, amely szerint létezhetnek galaxisokat átszelő hosszúságú, de végtelenül vékony szuperhúrok is.

A legtöbb szuperhúr elméletben a térdimenziók száma páratlan, és ha ehhez hozzáadjuk az egyetlen idődimenziót, akkor páros dimenziószámú téridő adódik. Ezt a követelményt az indokolja, hogy csupán páratlan számú térdimenzió esetén teljesülnek az ismert fizikai szimmetriák. Ennek ellenére kidolgoztak egy 10+1 dimenziós ún. szupergravitációs elméletet is, ebben azonban a szimmetriák sérülést szenvednek.

A szuperhúr elméletek legnagyobb hátránya, hogy a szuperhúrok létezése kísérleti úton nem mutatható ki, és hogy az ilyen elméletek prediktív képessége nagyon gyenge.

Egy elmélet prediktív képessége azt jelenti, hogy az elmélet segítségével előre meg lehet jósolni bizonyos fizikai jelenségeket. A szuperhúr elméletek eddig ebben a vonatkozásban nem sokat nyújtottak, inkább csak arra voltak alkalmasak, hogy önmagukban ismert jelenségekre utólag logikusnak látszó magyarázatokat adjanak, ezt is csak azon az áron, hogy más egyéb jelenségek esetén az elmélet gyakran csődöt mond.

Lehet persze, hogy ez az út végül is járhatónak bizonyul. Eddig azonban csak az derült ki, hogy fizikai kísérletek nélkül, íróasztal mellett, remek elméleteket lehet kiagyalni és nagyon érdekes és olvasmányos doktori értekezéseket lehet ezekről írni.

 

Héjjas István

 

Irodalom

J. S. BELL: Einstein-Podolsky-Rosen Experiments.
Proceedings of the Symposium on Frontier Problems in High Energy Physics, Pisa 1976

A. EINSTEIN, B. PODOLSKY, N. ROSEN: Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?
Physical Revue, May 15, 1935

Michael B. GREEN: Szuperhúrok.
Tudomány, 1986. november

Marcus Chown: It came from another dimension.
New Scientist, 18 December 2004

HÉJJAS István: Buddha és a részecskegyorsító.
Édesvíz, Budapest, 2004

HÉJJAS István: Az EPR paradoxon.
eVilág, 2005. június

Howard E. HABER, Gordon L. KANE: Szuperszimmetrikus-e a természet?
Tudomány, 1986. augusztus

J. von NEUMANN: The mathematical foundations of quantum mechanics.
Princeton University Press, 1955

Joseph NORWOOD: Századunk fizikája.
Műszaki Könyvkiadó, Bp. 1981

Roger PENROSE: Strings with a twist.
New Scientist, 31 July 2004

John. H. Schwarz: Dual Resonance Models of Elementary Particles.
Scientific American, February 1975

 









Hirdessen itt! A szükséges információkat elolvashatja, ha erre a szövegre kattint.


A fenti dokumentummal kapcsolatos felelősség meghatározása