Teoria strun, konceptualizowana ponad 50 lat temu jako podstawa wyjaśniająca powstawanie materii, pozostaje nieuchwytna jako zjawisko „możliwe do udowodnienia”. Jednak zespół fizyków zrobił teraz znaczący krok naprzód w walidacji teorii strun, stosując innowacyjną metodę matematyczną, która wskazuje na jej „nieuchronność”.
Teoria strun zakłada, że najbardziej podstawowymi cegiełkami natury nie są cząstki, ale raczej jednowymiarowe wibrujące struny, które poruszają się z różnymi częstotliwościami, określając rodzaj wyłaniającej się cząstki – podobnie jak wibracje instrumentów smyczkowych wytwarzają szereg nuty muzyczne.
W swojej pracy opublikowanej w czasopiśmie Physical Review Letters badacze z New York University i Caltech zadali następujące pytanie: „Jakie jest pytanie matematyczne, na które teoria strun jest jedyną odpowiedzią?” To podejście do zrozumienia fizyki znane jest jako „bootstrap”, co przypomina powiedzenie o „podciąganiu się za paski startowe” – uzyskiwaniu wyników bez dodatkowej pomocy lub, w tym przypadku, wkładu.
Bootstrap pozwolił już fizykom zrozumieć, dlaczego ogólna teoria względności i różne teorie cząstek – takie jak interakcje gluonów wewnątrz protonów – są matematycznie nieuniknione: są to jedyne spójne struktury matematyczne pod pewnymi kryteriami.
Jednakże na to samo pytanie nie udzielono wcześniej odpowiedzi w odniesieniu do teorii strun: jakie kryteria jednoznacznie ją określają, wybierając ją matematycznie ze zbioru wszystkich możliwych teorii?
W artykule opublikowanym w Physical Review Letters naukowcy odkryli sposób ładowania amplitud tych strun, a konkretnie konstruowanie ich poprzez tworzenie wzorów matematycznych. Wdrażając specjalne warunki matematyczne do wzorów na amplitudy rozpraszania, które opisują sposób interakcji cząstek i ich ostatecznego formowania, grupa odkryła, że jedyną spójną odpowiedzią okazały się amplitudy teorii strun.
„Ten artykuł po raz pierwszy dostarcza odpowiedzi na to pytanie związane z teorią strun” – mówi Grant Remmen, doktorant James Arthur w Centrum Kosmologii i Fizyki Cząstek Uniwersytetu Nowojorskiego i jeden z autorów artykułu. „Teraz, gdy znane są te warunki matematyczne, przybliżamy nas o krok do zrozumienia, czy i dlaczego teoria strun musi opisywać nasz wszechświat”.
Autorzy artykułu, w skład którego wchodzili także Clifford Cheung, profesor fizyki teoretycznej w Caltech i Aaron Hillman, badacz ze stopniem doktora w Caltech, dodają, że to przełom może być przydatny w lepszym zrozumieniu grawitacji kwantowej – ma na celu pogodzenie teorii względności Einsteina, co wyjaśnia grawitację na dużą skalę, z mechaniką kwantową, która opisuje aktywność cząstek w najmniejszych skalach.
„To podejście otwiera nowy obszar badań w analizie niepowtarzalności amplitud strun” – wyjaśnia Remmen. „Rozwój narzędzi zarysowanych w naszych badaniach można wykorzystać do badania deformacji teorii strun, co pozwoli nam na mapowanie przestrzeni możliwości grawitacji kwantowej”.
Badanie to zostało wsparte grantem Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DESC0011632).