mały|Poziomy:1. Makroskopowy2. Molekularny3. Atomowy4. Subatomowy – elektrony5. Subatomowy – kwarki6. Strunowy mały|Schemat przedstawiający M-teorię jako unifikację wszystkich pięciu teorii superstrunowych oraz 11-wymiarowej supergrawitacji
Teoria strun (TS) – koncepcja w fizyce teoretycznej, zgodnie z którą: podstawowym (fundamentalnym) budulcem materii nie są punktowe cząstki, lecz rozciągłe struny o wielkości ok. 10−31 metra; czasoprzestrzeń ma co najmniej 10 wymiarów. Oprócz czterech wymiarów makroskopowych, otwartych – trzech przestrzennych oraz czasu – teorie strun przewidują co najmniej sześć dodatkowych wymiarów przestrzeni. Mają one być niedostępne codziennemu doświadczeniu ani dotychczasowym eksperymentom za sprawą kompaktyfikacji – zwinięcia do skrajnie małych rozmiarów, sięgających skali Plancka wyznaczającej granice stosowalności znanej fizyki.
Model ten może prowadzić do wielkiej unifikacji oddziaływań cząstek – zjawiska elektrosłabe i jądrowe silne mogą się w nim połączyć w jedno, poszukiwane oddziaływanie elektrojądrowe. Oprócz tego teorie strun uwzględniają grawitację, co czyni je możliwymi teoriami superunifikacji. Czasem modele tego typu są zwane teoriami wszystkiego przez opisywanie wszystkich znanych oddziaływań podstawowych (elektrosłabego, jądrowego silnego oraz ciążenia).
Teoria strun zaczęła powstawać na przełomie lat 60. i 70. XX wieku, głównie dzięki pracom Gabriele Veneziano, Leonarda Susskinda i Yoichiro Nambu, początkowo jako teoria oddziaływań jądrowych Leonard Susskind, Why is Quantum Gravity Key?, , 0:40, kanał Closer to Truth na YouTube, 14 czerwca 2020 [dostęp 2022-01-12].. Ogłoszona w 1970 roku bozonowa teoria strun zawierała ponad 20 dodatkowych wymiarów i nie opisywała wszystkich cząstek elementarnych – pomijała fermiony. Jednak dzięki wprowadzeniu supersymetrii stworzono teorie superstrun – opisujące wszystkie znane cząstki i redukujące liczbę dodatkowych wymiarów do sześciu, co daje czasoprzestrzeń 10-wymiarową Piotr Sułkowski, 1+2+3+… = -1/12, zapytajfizyka.fuw.edu.pl, 23 maja 2015 [dostęp 2022-01-12]. Powstało pięć różnych modeli superstrunowych, a w latach 90. okazało się, że istnieją między nimi związki nazywane dualnościami. Stąd wysunięto przypuszczenie, że wszystkich pięć teorii superstrun to różne aspekty jednej teorii wyższego rzędu: M-teorii zaproponowanej przez Edwarda Wittena. Wprowadzony przez nią jedenasty wymiar czasoprzestrzeni – czyli siódmy wymiar dodatkowy – nie tylko pozwolił połączyć całą piątkę teorii superstrun, ale włączył także do nich 11-wymiarową supergrawitację. To powiązanie sześciu modeli nazwano drugą rewolucją strunową Sean M. Carroll, A Bit of Physics History: Ed Witten Introduces M-Theory, preposterousuniverce.com [dostęp 2022-01-13].Pierwsza nastąpiła w latach 80., kiedy usunięto osobliwości z istniejących wtedy teorii strun. To przywróciło ten model do głównego nurtu badań; por. Natalie Wolchover, Are Strings Still Our Best Hope for a Theory of Everything? , Quanta Magazine, quantamagazine.org, 23 marca 2026 [dostęp 2026-03-24].. Następnie pod koniec lat 90. Juan Maldacena wykazał korespondencję AdS/CFT, dowodząc że pewne warianty teorii strun spełniają zasadę holograficzną Piotr Sułkowski, Czym jest hipoteza holografii?, zapytajfizyka.fuw.edu.pl, 2 lutego 2018 [dostęp 2022-01-12].. W XXI wieku część badaczy zaczęła rozważać koncepcję będącego formą Wieloświata Łukasz Lamża, Krajobraz teorii strun, Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych – Uniwersytet Jagielloński (CKBI UJ), kanał „Copernicus”, 15 maja 2019 [dostęp 2023-05-21]..
Teoria strun wywołała mieszane opinie wśród fizyków. Od początku spotykała się z krytyką, jednak zaangażowała co najmniej setki naukowców (...) hundreds of researchers had dropped what they were working on and turned their full attention to string theory., w tym wybitnych jak nobliści, m.in. David Gross (nobel 2004) i Yoichiro Nambu (nobel 2008). Teoretyków strun zatrudniono w najlepszych na świecie ośrodkach fizyki teoretycznej jak Institute for Advanced Study (IAS) w Princeton, a ich postępy doceniono zaszczytami jak medale. Przez pewien czas była jedynym obiecującym modelem kwantowej grawitacji, a w 2022 roku pozostaje prawdopodobnie jedyną potencjalną teorią wszystkich oddziaływań. Zastosowano ją do kosmologii i fizyki materii skondensowanej; była też popularyzowana przez szereg autorów, najpóźniej od lat 80.
Z drugiej strony dekady starań nie rozwiązały podstawowych trudności teorii strun, przede wszystkim ograniczonych perspektyw na dowody doświadczalne. Te i inne problemy – a także rosnąca konkurencja ze strony innych modeli – nasiliły krytykę. Padała ona ze strony zróżnicowanych fizyków, reprezentujących różne specjalności, pokolenia, ośrodki i poglądy, a w gronie sceptyków znaleźli się też fizycy najwybitniejsi jak nobliści. Kontrowersje wokół strun przyczyniły się do dyskusji na temat problemu demarkacji w filozofii nauki – kwestionowano poprawność metodologiczną tego projektu badawczego i naukowość jego niektórych elementów jak Wieloświat , Frequently Asked Questions , blog Not Even Wrong, Uniwersytet Columbia, math.columbia.edu [dostęp 2026-03-24]..
Wstęp Teoria strun zakłada, że elektrony i kwarki wewnątrz atomu nie są 0-wymiarowymi obiektami, lecz 1-wymiarowymi strunami. Struny te mogą oscylować, nadając obserwowanym cząstkom ich zapach, ładunek, masę i spin. Pomiędzy trybami oscylacji strun istnieje bezmasowy stan o spinie 2 – grawiton. Istnienie stanu grawitonu oraz fakt, że równania opisujące teorię strun zawierają równania OTW Einsteina, oznacza, że teoria strun jest kwantową teorią grawitacji. Ponieważ TS (teoria strun) jest matematycznie spójna, to wielu uważa, że w pełni opisuje nasz wszechświat, co czyni ją teorią wszystkiego. TS zawiera konfiguracje, które opisują wszystkie obserwowane, fundamentalne siły, lecz ze stałą kosmologiczną równą 0 i z pewnymi nowymi polamiBurt A. Ovrut (2006). "A Heterotic Standard Model". Fortschritte der Physik 54-(2–3): 160–164.. Inne konfiguracje zawierają inne wartości stałej kosmologicznej oraz są metastabilne, lecz długowieczne. To prowadzi niektórych naukowców do założeń, że istnieje przynajmniej jedno metastabilne rozwiązanie jakościowo identyczne z modelem standardowym, z niezerową stałą kosmologiczną, zawierające ciemną materię oraz możliwy mechanizm dla istnienia kosmicznej inflacji. Nie jest obecnie wiadome, czy TS posiada takie rozwiązanie lub jak bardzo jest elastyczna, aby dopuścić odpowiedni dobór szczegółów.
TS zawiera także inne obiekty, tzw. brany. Słowo brana pochodzi od membrany i odnosi się do odmiany wewnętrznie powiązanych obiektów takich jak D-brany, czarne p-brany czy 5-brany Neveu-Schwarza. Są to rozszerzone obiekty będące źródłami dla uogólnień form różniczkowych wektora potencjału pola elektromagnetycznego. Obiekty te są ze sobą powiązane przez różne odmiany dualności. Czarne dziury jak p-brany są identyfikowane z D-branami, które są końcowymi punktami dla strun, oraz to utożsamienie nazywane jest dualnością cechowania i grawitacji. Badania nad tą zamiennością doprowadziły do nowego spojrzenia na kwantową chromodynamikę, podstawową teorię silnego oddziaływania jądrowegoH. Nastase, More on the RHIC fireball and dual black holes, BROWN-HET-1466, arXiv:hep-th/0603176, Marzec 2006.Liu, Hong; Rajagopal, Krishna; Wiedemann, Urs (2007). "Anti–de Sitter/Conformal-Field-Theory Calculation of Screening in a Hot Wind". Physical Review Letters 98 (18). arXiv:hep-ph/0607062.Liu, Hong; Rajagopal, Krishna; Wiedemann, Urs Achim (2006). "Calculating the Jet Quenching Parameter". Physical Review Letters 97 (18). arXiv:hep-ph/0605178H. Nastase, The RHIC fireball as a dual black hole, BROWN-HET-1439, arXiv:hep-th/0501068, Styczeń 2005.. Struny tworzą zamknięte pętle, chyba że napotkają D-brany, gdzie mogą być otwarte w postaci 1-wymiarowych linii. Punkty końcowe nie mogą przerwać D-bran, lecz mogą ślizgać się na nich.
Pełna teoria nie posiada satysfakcjonującej definicji we wszystkich okolicznościach, ponieważ rozpraszanie strun jest najbardziej bezpośrednio zdefiniowane przez teorię perturbacji. Kompletna mechanika kwantowa wysoko wymiarowych bran nie jest łatwo zdefiniowana, a zachowanie TS w kosmologii (czasowo zależnym środowisku) nie jest w pełni opracowane. Nie jest także jasne, czy istnieje jakaś zasada, dzięki której TS wybiera swoje stany próżniowe, konfiguracji czasoprzestrzeni, która określa właściwości naszego wszechświata.
Podstawowe właściwości Teorię strun (TS) można sformułować w terminologii zasady działania (akcji) albo Nambu-Goto, albo Polakowa, co opisuje, jak struny propagują przez przestrzeń i czas. W przypadku nieobecności zewnętrznych interakcji, dynamika strun jest rządzona przez napięcia oraz energię kinetyczną, które razem powodują oscylacje. Mechanika kwantowa strun pokazuje, że te oscylacje istnieją w dyskretnych wibracyjnych trybach, widma emisyjnego teorii.
W odległościach większych niż promień struny każdy tryb oscylacji zachowuje się jak inny gatunek cząstki z ich masą, spinem i ładunkiem określonym przez dynamikę struny. Podział oraz rekombinacja strun korespondujących do emisji cząstki oraz absorpcji daje podstawy do interakcji między cząstkami. Analogią dla trybów wibracji struny jest struna gitary odtwarzająca wiele różnych muzycznych nut. Jedyną różnicą jest fakt, że struna gitary istnieje w 3-wymiarowej przestrzeni, więc istnieją tylko dwa wymiary poprzeczne do struny. Struny podstawowe istnieją w przestrzeni 9-wymiarowej, dzięki czemu struny mogą wibrować w dowolnym kierunku, co oznacza, że spektrum trybów wibracji jest wiele bogatsze.
TS zawiera oba typy strun - otwarte, które mają dwa odległe punkty końcowe i zamknięte, tworzące pętlę. Te dwa typy strun zachowują się w nieco odmienny sposób. Dla przykładu we wszystkich TS dla grawitonu trybem struny jest struna zamknięta Piotr Sułkowski, W jaki sposób teoria grup łączy się z teorią strun?, zapytajfizyka.fuw.edu.pl, 24 stycznia 2021 [dostęp 2022-01-12]., lecz tylko struny otwarte mogą wibrować jak fotony. Ponieważ dwa końce otwartej struny mogą zawsze się spotkać i połączyć, formując zamkniętą strunę, nie istnieją teorie strun bez strun zamkniętych.
Najwcześniejszy model struny, struna bozonowa, zawierała tylko bozonowe stopnie swobody. Model ten opisuje, w wystarczająco niskich energiach, teorię kwantowej grawitacji, która także zawiera (jeżeli struny otwarte są rozważane) pola cechowania takie jak foton (lub ogólniej każdą teorię cechowania). Jednakże model ten ma problemy. Teoria ta posiada fundamentalną niestabilność będącą wynikiem rozpadu samej czasoprzestrzeni. W dodatku jak sama nazwa wskazuje, spektrum cząstek zawiera tylko bozony – cząstki, które jak fotony podlegają szczególnym zasadom zachowania. Bozony są składnikami promieniowania, lecz nie materii, która jest zbudowana z fermionów. Badanie, jak TS może zawierać fermiony, prowadzi do wprowadzenia supersymetrii, matematycznej relacji między bozonami i fermionami. TS, które zawierają fermionowe wibracje, są obecnie znane jako teorie superstrun; kilka rodzajów było opisanych, lecz wszystkie są uważane za granice M-teorii.