Vajon léteznek más világok? A szuperhúrelmélet rejtélye

Ahogy más univerzumok, úgy más dimenziók is létezhetnek

Az átlagember számára az univerzum a csillagok, a galaxisok, valamint minden egyéb más, a teret kitöltő anyag illetve energia egyetlen nagy egységet alkotó összessége. Egyes elméleti fizikusok viszont úgy vélik, hogy az általunk ismert világegyetem csupán egy sokkal, de sokkal nagyobb egységnek, a multiverzumnak alkotja az egyik parányi szeletét.

A szuperhúrelmélet szerint minden apró, vibráló energiaszálakból épül fel. A szuperhúrelméletből következik az is, hogy az általunk ismert világegyetem csupán valami sokkal nagyobb egységnek a kis része,

vagyis hogy egy multiverzumban lakunk.

A tudósok számos elképzeléssel rendelkeznek arról, hogy miféle világok létezhetnek.

A szuperhúrelmélet szerint a mi világunk csak része egy még nagyobb multiverzumnak Forrás: https://www.livescience.com/48685-physics-field-revolution.html

Vannak, akik szerint más univerzumokban is ugyanazok a fizikai törvényszerűségek érvényesülnek és ugyanazok a részecskék építik fel az anyagot - néhány környezeti eltérés kivételével -, mint a saját univerzumunkban.

A Nagy Medve csillagkép két látványos spirál-galaxisa, az M81 és az M82. Egyes teoretikusok szerint más univerzumokban teljesen más törvényszerűségek érvényesülnek, mint az általunk ismert világegyetemben Forrás: Wikimedia Commons/Anttler

De vannak olyan teoretikusok is,

akik szerint viszont a feltételezett más univerzumok radikálisan eltérnek mindattól, amit jelenleg ismerünk,

mert ezekben más részecskékből épül fel az anyag, más fizikai törvényszerűségek érvényesek, és még a fizikai törvényeket leíró matematika is más, mint itt, a mi szűkebb világunkban.

Einstein nem tudta beteljesíteni élete nagy álmát

Az univerzum egyik legfontosabb kölcsönhatását, a gravitációt mindenki megtapasztalja, de hogy mi is ez valójában, az már egy sokkal nehezebb kérdés.

A tudománytörténet egyik legnagyobb alakja, Isaac Newton rájött arra, hogyan számolja ki és foglalja matematikai képletbe a gravitáció hatását, de azt már nem tudta megfejteni, valójában hogyan működik ez az erőhatás.

Newton felismerte a gravitáció törvényszerűségeit, de hogy mi is valójában ez az erőhatás, arra már nem tudott rájönni Forrás: commons.wikimedia.org

Hogyan lehetséges például, hogy a tőlünk 150 millió kilométer távolságra fekvő Nap hat a Hold és a Föld mozgására? Hogyan halad át a gravitáció az üres, inert téren keresztül, és hogyan fejti ki hatását? Ezek a modern elméleti fizika megoldandó nagy kérdéseivé váltak. Albert Einsteint is élénken foglalkoztatta ez a probléma.

1907-ben Einstein rájött, hogy maga a tér a közvetítő eszköz, az a közeg, ami közvetíti a gravitációt.

Albert Einstein 1916-ban publikálta az általános relativitáselméletet. A zseniális tudóst élénken foglalkoztatta a gravitáció problematikája Forrás: Wikimedia Commons/Ferdinand Schmutzer

A hipotetikus tér, ha nincsen jelen benne az anyag, sima és sík, de ha anyag van a környezetben, mint amilyen például a Nap, az a térszövet gyűrődését okozza, azaz meggörbíti a teret, és ez közvetíti a gravitációs erőt.

Einstein egyenletei azt mutatják, hogy a téridő az impulzus és az energia eloszlás szerint görbül.

1919-ben csillagászati megfigyeléssel igazolták elmélete helyességét. Einsteinnek az volt a legfőbb vágya, hogy megalkothasson egy olyan egyesített elméletet, amely felöleli az összes ismert fizikai törvényt, és amelyeket egyetlen matematikai keretmunkában ír le.

Az általános relativitáselmélet értelmében a fekete lyukak környezetében drasztikusan torzul a téridő szerkezete Forrás: Zamanda Yolculuk

Az egyesített elmélet megmagyarázná az összes természeti erőt egyetlen mesteregyenletből kiindulva. Einstein élete végéig eredménytelenül dolgozott ezen,

de ma már tudjuk, hogy ennek megoldása több szempontból is sokkal nehezebb probléma,

mint ahogyan gondolta. Einstein valójában csak a gravitációs és az elektromágneses hatásra koncentrált, de ma már tudjuk, hogy más kölcsönhatások is léteznek.

Körbefutotta a házat, és közben azt kiáltozta, hogy győzelem!

Theodor Kaluza, aki szintén az egyesített elméleten dolgozott, elgondolkodott Einstein gravitációs teóriáján. 1919-ben azzal a merész ötlettel állt elő, hogy az univerzum nem csak három térdimenzióval rendelkezik, amiről tudomásunk van, hanem létezhetnek további térdimenziók is, amelyeket valamiért nem vagyunk képesek érzékelni.

Ez az ötlet nagy befolyással volt az utóbbi évszázad elméleti fizikájára, és még ma is számos kutatás forrása, túl azon, hogy megalapozta a szuperhúrelméletet.

Theodor Franz Eduard Kaluza németmatematikust és elméleti fizikust Einstein elmélete további következtetésekre inspirálta Forrás: Tumbrl/ John Fleischmann

1919-ben Kaluza elküldte Einsteinnek azt a cikkét, amelyben felvázolta a gravitációs erő és az elektromágneses erő egyesítésére vonatkozó elképzeléseit.

A cikkében azt állította, hogy nem három, hanem négy térdimenzió létezik, így az idővel együtt összesen öt dimenzió van.

Theodor Kaluza arra gondolt, hogy az elektromágnesességet ugyanúgy próbálja meg leírni, ahogyan Einstein a gravitációt, vagyis a téridő görbülete és „fodrozódásai" alapján. Einstein modellje szerint csak a téridő görbül meg a gravitáció hatására.

A gravitációs hullámokat, mint a téridő fodrozódásait Einstein általános relativitáselmélete jósolta meg Forrás: Wikimedia Commons/Orren Jack Turner, Princeton, N.J.

Kaluza ezért abból indult ki, lehet, hogy nem három, hanem több térdimenzió létezik.

Ha le akarunk írni eggyel több erőhatást, viszont szükség lesz egy további térdimenzióra is. Kaluza ezért úgy gondolta, hogy az elektromágneses erő ebben a negyedik térdimenzióban görbül meg. Einstein általános relativitáselméletének egyenleteit kiterjesztette egy hipotetikus négy térdimenziós univerzumra.

A gravitáció matematikailag kapcsolódik a szubatomi részecskék viselkedéséhez. Forrás: https://phys.org/news/2018-12-gravity-mathematically-dynamics-subatomic-particles.html

Amikor megcsinálta a relativitáselmélet magasabb dimenziószámú változatát,

nem csak Einstein eredeti gravitációs egyenleteivel találkozott, hanem egy további egyenlettel is,

a plusz dimenzió miatt. Amikor ezeket alaposan megvizsgálta, egy egészen különleges dolgot fedezett fel.

James Clerk Maxwell alkotta meg az elektromágneses teret leíró egyenleteket Forrás: Fine Art America

Ezek az egyenletek ugyanis azonosak voltak az 1860-as években a skót James Clerk Maxwell által felfedezett elektromágneses teret leíró egyenletekkel. Kaluza annyira lázba jött a felismerésétől, hogy körbefutotta a házát azt kiabálva, hogy „Győzelem!", mert azt hitte, hogy ezzel megtalálta az egyesített elméletet.

Szakad a téridő

De felmerül a kérdés, hogy hol vannak ezek a térdimenziók, és hogy részleteiben is működik-e az elmélet, ha azt a körülöttünk levő világra alkalmazzuk?

Az első kérdés már 1926-ban megválaszolásra került Oskar Klein elmélete alapján.

Klein kétfajta térdimenziót javasolt: a nagy, és könnyen érzékelhetőt, valamint egy a parányi, „feltekeredett" dimenziót. Klein elképzelése szerint ez utóbbiak annyira fel vannak tekeredve, hogy hiába vesznek körül bennünket, nem vagyunk képesek érzékelni ezeket.

Oskar Benjamin Klein, svéd elméleti fizikus Forrás: Alchetron

Ezek az úgynevezett extra térdimenziók a tér "felcsavarodott", körkörös dimenziói. Klein szerint az ilyen extra körkörös térdimenzió sugara vélhetően egyenlő a Planck-hosszal, vagyis 10^-33 cm nagyságú.

Kaluza, Einstein és sokan mások is próbálták finomítani ezt a keretmunkát

és alkalmazni az univerzum fizikájára, de számos sikertelen próbálkozás után az 1950-es évektől háttérbe szorult az egyesített elmélet kérdése.

Egy hatalmas égitestcsoport a korai univerzumból Forrás: ESO/L. Calçada & Olga Cucciati et al.

Manapság azonban új formában közelítik meg a témát a fizikusok, ez pedig a húr, vagy szuperhúrelmélet. Albert Einstein az általános relativitáselméletben az időt, mint a 4. dimenziót vezette be. A szuperhúrelméletben - az általános relativitáselmélettel szemben - lehetséges, hogy „szakadjon" a téridő, amely ily módon alapvető alakváltozáson megy keresztül.

Mágikus rezonanciák, mint univerzális építőkockák

A szuperhúr elmélet arra próbál választ adni, hogy mik azok az alapvető, oszthatatlan komponensek, amelyek felépítenek mindent a körülöttünk lévő világban.

Amikor az anyag mélyére hatolunk, tudjuk, hogy ott atomok vannak, amiket elektronfelhő vesz körül,

az atommagot pedig protonok és neutronok építik fel, amelyek még kisebb elemi részecskékből állnak, ezeknek pedig a kvarkok az építőkövei.

Az atommag képe az azt körülvevő elektronfelhővel Forrás: Wikimedia Commons

Eddig tart a hagyományos fizikai ismeretünk.

A szuperhúrelmélet szerint a kvarkok olyan energiaszálakból épülnek fel, amelyek úgy néznek ki, mint egy vibráló húr. A kvarkokon belüli „táncoló" energiaszálak különböző mintázatokban vibrálnak, és ezek hozzák létre azokat a különböző rezgéseket, amelyekből végső soron a körülöttünk lévő világ felépül.

Az univerzum története az ősrobbanástól. A nulladik pillanatot a kvarkok megjelenése követte Forrás: ELTE

A különböző frekvenciákon rezgő energiaszálak, pedig más és más részecskéket hoznak létre, amelyek felépítik a körülöttünk lévő világot.

A matematikai modellezés szerint léteznek számunkra láthatatlan dimenziók

Az anyagi részecskék, az elektronok, a kvarkok, a fotonok vagy a gravitonok mind ugyanabból az egységből épülnek fel. Az elemi részecskék és a természeti erők kölcsönhatását a szuperhúrelmélet próbálja meg egységbe foglalni.

A szuperhúrelmélet matematikája nem működik a három térdimenziós univerzumban,

sem a 4, sem az 5, sem pedig a 6 térdimenziós univerzumban.

A multiverzum elmélet szerint az általunk ismert világegyetemen kívül végtelen számú más univerzum is létezhet Forrás: Smithsonian Magazine

Az egyenleteket tanulmányozva az a meglepő eredmény jön ki, hogy ez csak egy hipotetikusan tíz térdimenziós, plusz egy idődimenziós univerzumban működik. Ez a felismerés visszavezet Kaluza és Klein ötletéhez,

amely szerint a létező világnak jóval több dimenziója van annál, mint amit érzékelünk.

Az extra dimenziókat azért nem érzékeljük, mert olyan parányira vannak feltekeredve, hogy még a mai legszofisztikáltabb technológia számára sem elérhetőek.

Ahogy más univerzumok, úgy más dimenziók is létezhetnek Forrás: Eureka Physics

A húrelmélet egyenletei nem csak a térbeli dimenziók számát, hanem az extradimenziók által felvehető alakzatokat is meghatározzák. Ilyenek például a 6 dimenziós Calabi-Yau alakzatok.. A húrelmélet egyik legfontosabb kérdése, hogy a rengeteg Calabi-Yau alakzat közül melyek alkotják a téridő szövedékének extra dimenzióit.

A mágikus húsz szám, mint az univerzális "bölcsek köve"

Létezik húsz olyan alapvető fontosságú szám, ami valóban leírja az univerzumunkat. Ilyen többek között a részecskék tömege, töltése, az elektronok vagy a kvarkok tömege, a gravitációs erő, vagy az elektromágnesesség ereje. Ezek hihetetlen pontosan meg vannak mérve, de senki sem tudja, miért annyi az értékük amennyi.

A MACS J2129-0741 jelű, elöl lévő extrém nagy tömegű galaxishalmaz felnagyítja, fényesíti és eltorzítja a nagyon távoli háttérben lévő, a kép jobb felső sarkában látható MACS2129-1 galaxist. Ez is szemléletes bizonyíték a téridő görbületére Forrás: https://www.nasa.gov/image-feature/hubble-uses-gravitational-lens-to-capture-disk-galaxy

A szuperhúrelmélet egyelőre még nem ad választ erre a kérdésre, de azt feltételezik, hogy azért annyi e számok értéke amennyi, mert ez az extradimenziók alakjától függ.

Ha kicsit is mások lennének ezek a számok, az általunk ismert univerzum sem létezne.

Ezek teszik lehetővé többek között a csillagok ragyogását vagy a bolygók keletkezését, és így végső soron a mi létezésünket is. Az univerzum eltűnne, ha csak egy kicsit is megváltoztatnánk ezeket az értékek.

A TXS 2116-077, (jobb oldalt) ütközik egy hasonló tömegű, spirál alakú galaxissal relativisztikus jetet hozva létre Forrás:https://phys.org/news/2020-04-first-ever-photo-proof-powerful-jet.html

A szuperhúr elmélet azt sugallja, hogy ezt az alapvető fontosságú 20 számot az extradimenziók határozzák meg. Ahogyan a vadászkürt alakja, kanyarulatai hatással vannak a levegőáramlások vibrációjára, úgy a szuperhúrelméletben is minden szám annak a tükröződése, hogy a húrok mily módon vibrálnak:

a húrokra annak a geometriának a vibrációs mintája hat, amelyben mozognak.

Legközelebbi csillagváros szomszédunk,az Androméda-galaxis 2,5 millió fényévre fekszik a Naptól.Az extradimenziók ismerete segítene megérteni azt, hogy miért olyan az univerzum szerkezete, amilyennek ismerjük Forrás: Adam Evans/M 31

Ha tudnánk pontosan, hogyan néznek ki az extradimenziók, akkor arra is választ tudnánk adni, hogy miért olyan az univerzum szerkezete amilyennek ismerjük.

Lehetséges olyan kísérlet, ami felfedheti a más dimenziók rejtélyét

A fizikusok azt gondolják, képesek kísérleti úton is tesztelni az extradimenziók létezését, mégpedig úgy, hogy a CERN Nagy Hadronötköztetőjében közel fénysebességgel haladó részecskéket küldenek az ütköztető alagútjába, egymással ellentétes irányban, és frontálisan ütköztetik őket. Ha az ütközésnek elég nagy az energiája,

a feltételezések szerint lehetséges, hogy az „kilő" néhány részecskét a mi dimenzióinkból,

arra kényszerítve ezeket, hogy belépjenek egy másik dimenzióba.

Részlet a CERN részecskegyorsítójából Forrás: Stvorecz Adrián

Hogy ez megtörtént-e, úgy lehet megállapítani, hogy megmérjük az ütközés előtti és utáni energiaszintet. Ha ez az érték az ütközés után kisebb, akkor a valóságban is létezhetnek az extradimenziók.

Még rengeteg kérdés vár megválaszolásra Forrás: Pinterest

A húrelmélet matematikája az úgynevezett brane, vagy multiverzum képét sugallja, vagyis is egy olyan, az emberi értelem számára felfoghatatlan világ képét, amelyben nem csak a mi univerzumunk, hanem végtelen számú más világegyetem is létezik.