U fizici, teorija struna je teorijski okvir u kojem su tačkaste čestice fizike čestica zamijenjene jednodimenzionalnim objektima zvanim strune. Teorija struna opisuje kako se ove strune šire kroz prostor i međusobno djeluju. Na skalama udaljenosti većim od skale strune, struna se ponaša kao čestica, pri čemu su njena masa, naboj i druga svojstva određena vibracionim stanjem strune. U teoriji struna, jedno od mnogih vibracionih stanja strune odgovara gravitonu, kvantnomehaničkoj čestici koja prenosi gravitacijsku silu. Stoga je teorija struna teorija kvantne gravitacije.
Teorija struna je široka i raznovrsna tema koja nastoji odgovoriti na niz dubokih pitanja fundamentalne fizike. Teorija struna dala je niz napredaka u matematičkoj fizici, koji su primijenjeni na različite probleme u fizici crnih rupa, kosmologiji ranog svemira, nuklearnoj fizici i fizici kondenzirane materije, te je potaknula niz velikih razvoja u čistoj matematici. Budući da teorija struna potencijalno pruža jedinstveni opis gravitacije i fizike čestica, ona je kandidat za teoriju svega, samodovoljan matematički model koji opisuje sve fundamentalne sile i oblike materije. Uprkos velikom radu na ovim problemima, nije poznato u kojoj mjeri teorija struna opisuje stvarni svijet ili koliko slobode teorija dopušta u izboru svojih detalja.
Teorija struna prvi put je proučavana kasnih 1960-ih kao teorija jake nuklearne sile, prije nego što je napuštena u korist kvantne hromodinamike. Zbog toga je shvaćeno da su upravo svojstva koja su teoriju struna činila nepogodnom kao teoriju nuklearne fizike čine obećavajućim kandidatom za kvantnu teoriju gravitacije. Najranija verzija teorije struna, bozonska teorija struna, uključivala je samo klasu čestica poznatih kao bozoni. Kasnije se razvila u teoriju superstruna, koja postulira vezu zvanu supersimetrija između bozona i klase čestica zvanih fermioni. Razvijeno je pet konzistentnih verzija teorije superstruna prije nego što je sredinom 1990-ih pretpostavljeno da su sve one različiti granični slučajevi jedne teorije u jedanaest dimenzija poznate kao M-teorija. Krajem 1997. teoretičari su otkrili važnu vezu nazvanu anti-de Sitter/konformna teorija polja korespondencija (AdS/CFT korespondencija), koja povezuje teoriju struna s drugom vrstom fizičke teorije zvanom kvantna teorija polja.
Jedan od izazova teorije struna je taj što potpuna teorija nema zadovoljavajuću definiciju u svim okolnostima. Drugi problem je što se smatra da teorija opisuje ogroman pejzaž mogućih svemira, što je otežalo napore za razvoj teorija fizike čestica zasnovanih na teoriji struna. Ovi problemi naveli su neke u zajednici da kritikuju ove pristupe fizici i da preispituju vrijednost daljnjeg istraživanja ujedinjenja teorije struna.
Osnove desno|mini|alt=Valoviti otvoreni segment i zatvorena petlja strune|Osnovni objekti teorije struna su otvorene i zatvorene strune.
Pregled U 20. stoljeću pojavila su se dva teorijska okvira za formulisanje zakona fizike. Prvi je Einsteinova opća teorija relativnosti, teorija koja objašnjava silu gravitacije i strukturu prostorvremena na makro nivou. Drugi je kvantna mehanika, potpuno drugačija formulacija, koja koristi poznate principe vjerovatnoće za opisivanje fizičkih pojava na mikro nivou. Do kasnih 1970-ih, ova dva okvira pokazala su se dovoljnim za objašnjenje većine promatranih karakteristika svemira, od elementarnih čestica do atoma, do evolucije zvijezda i svemira u cjelini.Becker, Becker i Schwarz, str. 1
Uprkos tim uspjesima, još uvijek postoje mnogi problemi koje treba riješiti. Jedan od najdubljih problema u savremenoj fizici je problem kvantne gravitacije. Opća teorija relativnosti formulirana je u okviru klasične fizike, dok su druge fundamentalne sile opisane u okviru kvantne mehanike. Kvantna teorija gravitacije potrebna je kako bi se opća relativnost pomirila s principima kvantne mehanike, ali poteškoće nastaju kada se pokušaju primijeniti uobičajeni recepti kvantne teorije na silu gravitacije.Zwiebach, str. 6
Teorija struna je teorijski okvir koji pokušava odgovoriti na ova pitanja.
Polazište teorije struna je ideja da se tačkaste čestice fizike čestica također mogu modelirati kao jednodimenzionalni objekti zvani strune. Teorija struna opisuje kako se strune šire kroz prostor i međusobno djeluju. U datoj verziji teorije struna, postoji samo jedna vrsta strune, koja može izgledati kao mala petlja ili segment obične strune, i može vibrirati na različite načine. Na skalama udaljenosti većim od skale strune, struna će izgledati baš kao obična čestica u skladu s nestrunskim modelima elementarnih čestica, pri čemu su njena masa, naboj i druga svojstva određena vibracionim stanjem strune. Primjena teorije struna kao oblika kvantne gravitacije predlaže vibraciono stanje odgovorno za graviton, još uvijek nedokazanu kvantnu česticu za koju se teoretizira da prenosi gravitacijsku silu.Becker, Becker i Schwarz, str. 2–3
Jedan od glavnih razvoja u proteklih nekoliko decenija u teoriji struna bilo je otkriće određenih 'dualnosti'—matematičkih transformacija koje poistovjećuju jednu fizičku teoriju s drugom. Fizičari koji proučavaju teoriju struna otkrili su niz ovih dualnosti između različitih verzija teorije struna, i to je dovelo do pretpostavke da su sve konzistentne verzije teorije struna obuhvaćene jednim jedinstvenim okvirom poznatim kao M-teorija.Becker, Becker i Schwarz, str. 9–12
Proučavanja teorije struna također su dala niz rezultata o prirodi crnih rupa i gravitacijske interakcije. Postoje određeni paradoksi koji nastaju kada se pokušavaju razumjeti kvantni aspekti crnih rupa, a rad na teoriji struna pokušao je razjasniti ova pitanja. Krajem 1997. ovaj pravac rada kulminirao je otkrićem anti-de Sitter/konformne teorije polja korespondencije (skraćeno AdS/CFT).Becker, Becker i Schwarz, str. 14–15 Ovo je teorijski rezultat koji povezuje teoriju struna s drugim fizičkim teorijama koje su teorijski bolje razumljive. AdS/CFT korespondencija ima implikacije za proučavanje crnih rupa i kvantne gravitacije, a primijenjena je i na druge predmete, uključujući nuklearnu i fiziku kondenzirane materije.
Budući da teorija struna uključuje sve fundamentalne interakcije, uključujući gravitaciju, mnogi fizičari se nadaju da će se na kraju razviti do tačke u kojoj potpuno opisuje naš svemir, čineći je teorijom svega. Jedan od ciljeva trenutnih istraživanja u teoriji struna je pronaći rješenje teorije koje reprodukuje opaženi spektar elementarnih čestica, s malom kosmološkom konstantom, koje sadrži tamnu materiju i vjerodostojan mehanizam za kosmičku inflaciju. Iako je bilo napretka prema ovim ciljevima, nije poznato u kojoj mjeri teorija struna opisuje stvarni svijet ili koliko slobode teorija dopušta u izboru detalja.Becker, Becker i Schwarz, str. 3, 15–16
Jedan od izazova teorije struna je taj što potpuna teorija nema zadovoljavajuću definiciju u svim okolnostima. Raspršenje struna najjednostavnije je definirano korištenjem tehnika teorije perturbacije, ali nije općenito poznato kako definirati teoriju struna neperturbativno.Becker, Becker i Schwarz, str. 8 Također nije jasno postoji li ikakav princip po kojem teorija struna odabire svoje vakuumsko stanje, fizičko stanje koje određuje svojstva našeg svemira.Becker, Becker i Schwarz, str. 13–14 Ovi problemi naveli su neke u zajednici da kritikuju ove pristupe ujedinjenju fizike i preispituju vrijednost daljnjeg istraživanja ovih problema.Woit
Strune
lijevo|thumb|upright=1.2|alt=Interakcija u kvantnom svijetu: svjetske linije tačkastih čestica ili svjetska ploha koju tvore zatvorene strune u teoriji struna|Interakcija u kvantnom svijetu: svjetske linije tačkastih čestica ili svjetska ploha koju tvore zatvorene strune u teoriji struna
Primjena kvantne mehanike na fizičke objekte kao što je elektromagnetsko polje, koji su prošireni u prostoru i vremenu, poznata je kao kvantna teorija polja. U fizici čestica, kvantne teorije polja čine osnovu za naše razumijevanje elementarnih čestica, koje su modelirane kao ekscitacije u fundamentalnim poljima.
U kvantnoj teoriji polja, obično se računaju vjerovatnoće različitih fizičkih događaja korištenjem tehnika teorije perturbacije. Razvijena od strane Richarda Feynmana i drugih u prvoj polovini dvadesetog stoljeća, perturbativna kvantna teorija polja koristi posebne dijagrame zvane Feynmanovi dijagrami za organizaciju proračuna. Zamišlja se da ovi dijagrami prikazuju putanje tačkastih čestica i njihove interakcije.
Polazište za teoriju struna je ideja da se tačkaste čestice kvantne teorije polja također mogu modelirati kao jednodimenzionalni objekti zvani strune.Becker, Becker i Schwarz, str. 2 Interakcija struna najjednostavnije je definirana generalizacijom teorije perturbacije koja se koristi u običnoj kvantnoj teoriji polja. Na nivou Feynmanovih dijagrama, to znači zamjenu jednodimenzionalnog dijagrama koji predstavlja putanju tačkaste čestice dvodimenzionalnom (2D) površinom koja predstavlja kretanje strune.Becker, Becker i Schwarz, str. 6 Za razliku od kvantne teorije polja, teorija struna nema potpunu neperturbativnu definiciju, pa su mnoga teorijska pitanja na koja fizičari žele odgovoriti nedostižna.Zwiebach, str. 12
U teorijama fizike čestica zasnovanim na teoriji struna, karakteristična skala dužine struna pretpostavlja se da je reda Planckove dužine, ili metara, skala na kojoj se vjeruje da efekti kvantne gravitacije postaju značajni. Na mnogo većim skalama dužine, kao što su skale vidljive u fizičkim laboratorijama, takvi objekti bi bili nerazlučivi od nuldimenzionalnih tačkastih čestica, a vibraciono stanje strune odredilo bi vrstu čestice. Jedno od vibracionih stanja strune odgovara gravitonu, kvantnomehaničkoj čestici koja prenosi gravitacijsku silu.
Originalna verzija teorije struna bila je bozonska teorija struna, ali ova verzija opisivala je samo bozone, klasu čestica koje prenose sile između čestica materije, ili fermiona. Bozonsku teoriju struna na kraju su zamijenile teorije zvane teorije superstruna. Ove teorije opisuju i bozone i fermione, i uključuju teorijsku ideju zvanu supersimetrija. U teorijama sa supersimetrijom, svaki bozon ima pandan koji je fermion, i obrnuto.Becker, Becker i Schwarz, str. 4
Postoji nekoliko verzija teorije superstruna: tip I, tip IIA, tip IIB, i dvije varijante heterotične teorije struna ( i ). Različite teorije dopuštaju različite vrste struna, a čestice koje se pojavljuju pri niskim energijama pokazuju različite simetrije. Na primjer, teorija tipa I uključuje i otvorene strune (koje su segmenti s krajnjim tačkama) i zatvorene strune (koje tvore zatvorene petlje), dok tipovi IIA, IIB i heterotične uključuju samo zatvorene strune.Zwiebach, str. 324
Dodatne dimenzije
desno|mini|alt=Cjevasta površina i odgovarajuća jednodimenzionalna krivulja|Primjer kompaktifikacije: Na velikim udaljenostima, dvodimenzionalna površina s jednom kružnom dimenzijom izgleda jednodimenzionalno.
U svakodnevnom životu postoje tri poznate dimenzije (3D) prostora: visina, širina i dužina. Einsteinova opća teorija relativnosti tretira vrijeme kao dimenziju ravnu trima prostornim dimenzijama; u općoj relativnosti, prostor i vrijeme nisu modelirani kao odvojeni entiteti, već su ujedinjeni u četverodimenzionalni (4D) prostorvrijeme. U ovom okviru, fenomen gravitacije posmatra se kao posljedica geometrije prostorvremena.Wald, str. 4