Fysikere er vant til å jobbe med partikler: teorien er utarbeidet, eksperimenter konvergerer. Atomreaktorer og atombomber beregnes ved hjelp av partikler. Med ett forbehold - tyngdekraften tas ikke med i alle beregninger.
Tyngdekraften er tiltrekningen av kropper. Når vi snakker om gravitasjon, forestiller vi oss gravitasjon. Telefonen faller fra hendene dine ned på asfalten under påvirkning av tyngdekraften. I verdensrommet er månen tiltrukket av jorden, jorden til solen. Alt i verden er tiltrukket av hverandre, men for å føle dette trenger du veldig tunge gjenstander. Vi kjenner jordens tyngdekraft, som er 7,5 × 10 22 ganger tyngre enn en person, og vi legger ikke merke til tyngdekraften til en skyskraper, som er 4 × 10 6 ganger tyngre.
7,5×10 22 = 75 000 000 000 000 000 000 000
4×10 6 = 4 000 000
Tyngdekraften er beskrevet av Einsteins generelle relativitetsteori. I teorien bøyer massive objekter rommet. For å forstå, gå til en barnepark og plasser en tung stein på trampolinen. Et krater vil dukke opp på gummien til trampolinen. Legger du en liten ball på trampolinen, vil den rulle nedover trakten mot steinen. Det er omtrent slik planetene danner en trakt i verdensrommet, og vi, som kuler, faller på dem.
Planeter så massive at de bøyer rommet
For å beskrive alt på nivå med elementærpartikler, er tyngdekraften ikke nødvendig. Sammenlignet med andre krefter er tyngdekraften så liten at den rett og slett ble kastet ut av kvanteberegninger. Jordens tyngdekraft er 10 38 ganger mindre enn kraften som holder partiklene i atomkjernen. Dette gjelder nesten hele universet.
10 38 = 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000
Det eneste stedet hvor tyngdekraften er like sterk som andre krefter er inne i et svart hull. Dette er en gigantisk trakt der tyngdekraften folder selve rommet og trekker inn alt i nærheten. Selv lys flyr inn i et svart hull og kommer aldri tilbake.
For å jobbe med tyngdekraften som med andre partikler, kom fysikere opp med et tyngdekvantum - gravitonen. Vi utførte beregninger, men de stemte ikke. Beregninger viste at gravitonenergien vokser til det uendelige. Men dette bør ikke skje.
Fysikere først oppfinner, så søker. Higgs-bosonet ble oppfunnet 50 år før det ble oppdaget.
Problemer med divergenser i beregninger forsvant da graviton ikke ble ansett som en partikkel, men som en streng. Strenger har en begrenset lengde og energi, så gravitonens energi kan bare vokse opp til en viss grense. Så forskere har et arbeidsverktøy som de studerer sorte hull med.
Fremskritt i studiet av sorte hull hjelper oss å forstå hvordan universet ble til. I følge Big Bang-teorien vokste verden fra et mikroskopisk punkt. I de første øyeblikkene av livet var universet veldig tett - alle moderne stjerner og planeter samlet i et lite volum. Tyngdekraften var like kraftig som andre krefter, så å kjenne effekten av tyngdekraften er viktig for å forstå det tidlige universet.
Suksess med å beskrive kvantetyngdekraften er et skritt mot å lage en teori som vil beskrive alt i verden. En slik teori vil forklare hvordan universet ble født, hva som skjer i det nå, og hva dets ende vil bli.
Strengteori er en tynn tråd som forbinder relativitetsteorien (eller generell relativitetsteori – GTR) og kvantefysikk. Begge disse feltene har dukket opp ganske nylig i vitenskapelig skala, så det er ennå ikke for mye vitenskapelig litteratur om disse feltene. Og hvis relativitetsteorien fortsatt har en slags tidstestet grunnlag, er fysikkens kvantegren fortsatt veldig ung i denne forbindelse. La oss først forstå disse to bransjene.
Mange av dere har sikkert hørt om relativitetsteorien, og er til og med litt kjent med noen av postulatene, men spørsmålet er: hvorfor kan det ikke kobles til kvantefysikk, som fungerer på mikronivå?
De skiller de generelle og spesielle relativitetsteoriene (forkortet som GTR og SRT; heretter vil de bli brukt som forkortelser). Kort sagt, GTR postulerer om verdensrommet og dets krumning, og STR om relativiteten til rom-tid fra menneskelig side. Når vi snakker om strengteori, snakker vi spesifikt om generell relativitet. Den generelle relativitetsteorien sier at i rommet, under påvirkning av massive objekter, bøyer rommet seg rundt det (og med det tid, fordi rom og tid er fullstendig uatskillelige begreper). Et eksempel fra vitenskapsmenns liv vil hjelpe deg å forstå hvordan dette skjer. Et lignende tilfelle ble nylig registrert, så alt fortalt kan betraktes som "basert på virkelige hendelser." En vitenskapsmann ser gjennom et teleskop og ser to stjerner: en foran henne og den andre bak henne. Hvordan klarte vi å forstå dette? Det er veldig enkelt, fordi stjernen hvis sentrum vi ikke ser, men bare kantene er synlige, er den største av disse to, og den andre stjernen, som er synlig i sin fulle form, er den minste. Men takket være generell relativitetsteori kan det være at stjernen foran er større enn den bak. Men er dette mulig?
Det viser seg ja. Hvis den fremre stjernen viser seg å være et supermassivt objekt som vil bøye rommet rundt det veldig sterkt, vil bildet av stjernen som er bak ganske enkelt gå rundt den supermassive stjernen i krumning og vi vil se bildet som ble nevnt ved helt i begynnelsen. Du kan se hva som ble sagt mer detaljert i fig. 1.
Kvantefysikk er mye vanskeligere for den gjennomsnittlige personen enn TIL. Hvis vi generaliserer alle dens bestemmelser, får vi følgende: mikroobjekter eksisterer bare når vi ser på dem. I tillegg sier kvantefysikken også at hvis en mikropartikkel brytes i to deler, så vil disse to delene fortsette å rotere langs sin akse i samme retning. Og eventuelle påvirkninger på den første partikkelen vil utvilsomt bli overført til den andre, umiddelbart og fullstendig uavhengig av avstanden til disse partiklene. 
Så hva er vanskeligheten med å kombinere konseptene til disse to teoriene? Faktum er at GTR vurderer objekter i makroverdenen, og når vi snakker om forvrengning/krumning av rommet, mener vi ideelt glatt rom, noe som er helt inkonsistent med bestemmelsene i mikroverdenen. I følge teorien om kvantefysikk er mikroverdenen fullstendig ujevn og har allestedsnærværende ruhet. Dette er å snakke i hverdagsspråket. Og matematikere og fysikere oversatte teoriene sine til formler. Og så, da de prøvde å kombinere formlene for kvantefysikk og generell relativitetsteori, viste svaret seg å være uendelig. Infinity i fysikk er det samme som å si at ligningen er konstruert feil. Den resulterende likheten ble kontrollert på nytt mange ganger, men svaret var fortsatt uendelig.
Strengteori har brakt grunnleggende endringer i vitenskapens hverdag. Det representerer et dekret om at alle mikropartikler ikke er sfæriske i form, men i form av langstrakte strenger som gjennomsyrer hele universet vårt. Slike mengder som masse, partikkelhastighet osv. etableres av vibrasjonene til disse strengene. Hver slik streng er teoretisk plassert i en Calabi-Yau-manifold. Disse manifoldene representerer svært buet plass. I følge teorien om mangfold er de ikke forbundet med noe i rommet og finnes separat i små kuler. Strengteori sletter bokstavelig talt de klare grensene for prosessen med å koble sammen to mikropartikler. Når mikropartikler er representert av kuler, kan vi tydelig spore grensen i rom-tid når de kobles sammen. Men hvis to strenger er koblet sammen, kan stedet der de "limes" sees fra forskjellige vinkler. Og i forskjellige vinkler vil vi få helt forskjellige resultater av grensen for forbindelsen deres, det vil si at det rett og slett ikke er noe eksakt konsept for en slik grense!
På det første studiestadiet virker strengteori, fortalt selv med enkle ord, mystisk, merkelig og til og med ganske enkelt fiktiv, men det er ikke ubegrunnede ord som taler for det, men forskning som ved hjelp av mange ligninger og parametere bekrefter sannsynligheten for eksistensen av strengpartikler.
Og til slutt, en annen video som forklarer strengteori på et enkelt språk fra internettmagasinet QWRT.
Ulike versjoner av strengteori anses nå for å være de ledende utfordrerne til tittelen på en omfattende, universell teori som forklarer naturen til alt. Og dette er en slags hellig gral av teoretiske fysikere involvert i teorien om elementærpartikler og kosmologi. Den universelle teorien (også teorien om alt som eksisterer) inneholder bare noen få ligninger som kombinerer hele kroppen av menneskelig kunnskap om naturen til interaksjoner og egenskapene til de grunnleggende elementene i materie som universet er bygget fra.
I dag har strengteori blitt kombinert med begrepet supersymmetri, noe som resulterer i fødselen av superstrengteori, og i dag er dette det maksimale som har blitt oppnådd når det gjelder å forene teorien om alle fire grunnleggende interaksjoner (krefter som virker i naturen). Teorien om supersymmetri i seg selv er allerede bygget på grunnlag av et a priori moderne konsept, ifølge hvilket enhver fjern (felt) interaksjon skyldes utveksling av interaksjonsbærerpartikler av tilsvarende type mellom interagerende partikler (se standardmodell). For klarhetens skyld kan samvirkende partikler betraktes som universets "murstein", og bærerpartikler kan betraktes som sement.
Strengteori er en gren av matematisk fysikk som studerer dynamikken ikke til punktpartikler, som de fleste grener av fysikk, men til endimensjonale utvidede objekter, dvs. strenger
Innenfor standardmodellen fungerer kvarker som byggeklosser, og målebosoner, som disse kvarkene utveksler med hverandre, fungerer som interaksjonsbærere. Teorien om supersymmetri går enda lenger og sier at kvarker og leptoner i seg selv ikke er grunnleggende: de består alle av enda tyngre og ikke eksperimentelt oppdagede strukturer (byggesteiner) av materie, holdt sammen av en enda sterkere "sement" av superenergipartikler -bærere av interaksjoner enn kvarker sammensatt av hadroner og bosoner.
Naturligvis har ingen av spådommene til teorien om supersymmetri ennå blitt testet i laboratorieforhold, men de hypotetiske skjulte komponentene i den materielle verden har allerede navn - for eksempel elektronet (elektronets supersymmetriske partner), squark, etc. Eksistensen av disse partiklene er imidlertid en teoretisert type spådd entydig.
Bildet av universet som tilbys av disse teoriene, er imidlertid ganske enkelt å visualisere. På en skala på omtrent 10E–35 m, det vil si 20 størrelsesordener mindre enn diameteren til det samme protonet, som inkluderer tre bundne kvarker, skiller strukturen til materie seg fra det vi er vant til selv på nivå med elementærpartikler . På så små avstander (og ved så høye interaksjonsenergier at det er utenkelig) blir materie til en serie feltstående bølger, lik de som begeistres i strengene til musikkinstrumenter. Som en gitarstreng, i en slik streng, i tillegg til grunntonen, kan mange overtoner eller harmoniske begeistres. Hver harmonisk har sin egen energitilstand. I henhold til relativitetsprinsippet (se relativitetsteori) er energi og masse ekvivalente, noe som betyr at jo høyere frekvensen av den harmoniske bølgevibrasjonen til strengen er, jo høyere er energien, og jo høyere masse har den observerte partikkelen.
Men hvis det er ganske enkelt å visualisere en stående bølge i en gitarstreng, er de stående bølgene foreslått av superstrengteorien vanskelige å visualisere - faktum er at vibrasjonene til superstrenger oppstår i et rom som har 11 dimensjoner. Vi er vant til firedimensjonalt rom, som inneholder tre romlige og en tidsdimensjon (venstre-høyre, opp-ned, forover-bakover, fortid-fremtid). I superstrengrom er ting mye mer komplisert (se boks). Teoretiske fysikere kommer rundt det glatte problemet med "ekstra" romlige dimensjoner ved å hevde at de er "skjulte" (eller, i vitenskapelige termer, "komprimerte") og derfor ikke observeres ved vanlige energier.
Nylig har strengteori blitt videreutviklet i form av teorien om flerdimensjonale membraner - i hovedsak er disse de samme strengene, men flate. Som en av forfatterne tilfeldig spøkte, skiller membraner seg fra strenger på omtrent samme måte som nudler skiller seg fra vermicelli.
Dette er kanskje alt som kort kan fortelles om en av teoriene som, ikke uten grunn, i dag hevder å være den universelle teorien om den store foreningen av alle kraftinteraksjoner. Akk, denne teorien er ikke uten synd. For det første har det ennå ikke blitt brakt til en streng matematisk form på grunn av det matematiske apparatets utilstrekkelighet til å bringe det inn i streng intern korrespondanse. 20 år har gått siden denne teorien ble født, og ingen har klart å konsekvent harmonisere noen av dens aspekter og versjoner med andre. Det som er enda mer ubehagelig er at ingen av teoretikere som foreslår strengteori (og spesielt superstrenger) ennå har foreslått et enkelt eksperiment der disse teoriene kan testes i laboratoriet. Akk, jeg er redd for at inntil de gjør dette, vil alt arbeidet deres forbli et bisarrt spill med fantasi og øvelser i å forstå esoterisk kunnskap utenfor hovedstrømmen av naturvitenskap.
Studerer egenskapene til sorte hull
I 1996 bygde strengteoretikere Andrew Strominger og Kumrun Vafa på tidligere resultater av Susskind og Sen for å publisere "The Microscopic Nature of Bekenstein and Hawking Entropy." I dette arbeidet var Strominger og Vafa i stand til å bruke strengteori for å finne de mikroskopiske komponentene til en viss klasse av sorte hull, og for nøyaktig å beregne entropibidragene til disse komponentene. Arbeidet var basert på en ny metode som delvis gikk utover forstyrrelsesteorien som ble brukt på 1980- og begynnelsen av 1990-tallet. Resultatet av arbeidet falt nøyaktig sammen med spådommene til Bekenstein og Hawking, laget mer enn tjue år tidligere.
Strominger og Vafa motarbeidet de virkelige prosessene med dannelse av svarte hull med en konstruktiv tilnærming. De endret synet på formasjon av sorte hull, og viste at de kan konstrueres ved å møysommelig sette sammen til én mekanisme det nøyaktige settet med braner som ble oppdaget under den andre superstrengrevolusjonen.
Med alle kontrollene på et sort hulls mikroskopiske struktur i hånden, var Strominger og Vafa i stand til å beregne antall permutasjoner av et svart hulls mikroskopiske komponenter som ville la de generelle observerbare egenskapene, som masse og ladning, være uendret. De sammenlignet deretter det resulterende tallet med arealet av det sorte hullets hendelseshorisont - entropien forutsagt av Bekenstein og Hawking - og fant perfekt samsvar. I det minste for klassen ekstreme sorte hull var Strominger og Vafa i stand til å finne en anvendelse av strengteori for å analysere mikroskopiske komponenter og nøyaktig beregne den tilsvarende entropien. Problemet som hadde konfrontert fysikere i et kvart århundre var løst.
For mange teoretikere var denne oppdagelsen et viktig og overbevisende argument til støtte for strengteori. Utviklingen av strengteori er fortsatt for grov til direkte og presis sammenligning med eksperimentelle resultater, for eksempel med målinger av massen til en kvark eller elektron. Strengteori gir imidlertid den første grunnleggende forklaringen på en lenge oppdaget egenskap ved sorte hull, umuligheten av å forklare noe som har stoppet forskningen til fysikere som har jobbet med tradisjonelle teorier i mange år. Selv Sheldon Glashow, en nobelprisvinner i fysikk og en sterk motstander av strengteori på 1980-tallet, innrømmet i et intervju i 1997 at "når strengteoretikere snakker om sorte hull, snakker de nesten om observerbare fenomener, og det er imponerende."
Strengekosmologi
Det er tre hovedmåter som strengteori modifiserer den standard kosmologiske modellen. For det første, i ånden til moderne forskning, som i økende grad avklarer situasjonen, følger det av strengteori at universet må ha en minimum akseptabel størrelse. Denne konklusjonen endrer forståelsen av universets struktur umiddelbart i øyeblikket av Big Bang, som standardmodellen gir en null størrelse på universet. For det andre er begrepet T-dualitet, det vil si dualiteten av små og store radier (i dens nære sammenheng med eksistensen av en minimumsstørrelse) i strengteori, også viktig i kosmologi. For det tredje er antallet rom-tidsdimensjoner i strengteori mer enn fire, så kosmologien må beskrive utviklingen av alle disse dimensjonene.
Brandenberg og Vafa modell
På slutten av 1980-tallet. Robert Brandenberger og Kumrun Vafa har tatt de første viktige skrittene mot å forstå hvordan strengteori vil endre implikasjonene av standardmodellen for kosmologi. De kom til to viktige konklusjoner. For det første, når vi beveger oss tilbake til Big Bang, fortsetter temperaturen å stige til størrelsen på universet i alle retninger blir lik Planck-lengden. På dette tidspunktet vil temperaturen nå sitt maksimum og begynne å synke. På et intuitivt nivå er det ikke vanskelig å forstå årsaken til dette fenomenet. La oss for enkelhets skyld anta (etter Brandenberger og Vafa) at alle romlige dimensjoner av universet er sykliske. Når vi beveger oss bakover i tid, krymper radiusen til hver sirkel og temperaturen i universet øker. Fra strengteori vet vi at å trekke sammen radiene først til og deretter under Planck-lengden er fysisk ekvivalent med å redusere radiene til Planck-lengden, etterfulgt av deres påfølgende økning. Siden temperaturen faller under utvidelsen av universet, vil mislykkede forsøk på å komprimere universet til størrelser som er mindre enn Planck-lengden føre til at temperaturveksten stopper og dens ytterligere reduksjon.
Som et resultat kom Brandenberger og Vafa frem til følgende kosmologiske bilde: For det første er alle romlige dimensjoner i strengteori tett foldet til en minimumsstørrelse i størrelsesorden Planck-lengden. Temperatur og energi er høy, men ikke uendelig: paradoksene til null-størrelse utgangspunktet i strengteori er løst. I det første øyeblikket av universets eksistens er alle romlige dimensjoner av strengteori helt like og fullstendig symmetriske: de er alle krøllet sammen til en flerdimensjonal klump av Planck-dimensjoner. Videre, ifølge Brandenberger og Vafa, går universet gjennom det første stadiet av symmetrireduksjon, når i Planck-tidspunktet velges tre romlige dimensjoner for påfølgende utvidelse, og resten beholder sin opprinnelige Planck-størrelse. Disse tre dimensjonene identifiseres deretter med dimensjonene i det inflasjonskosmologiske scenariet og, gjennom evolusjonsprosessen, ta den formen som nå er observert.
Veneziano og Gasperini modell
Siden arbeidet til Brandenberger og Vafa har fysikere gjort kontinuerlige fremskritt mot å forstå strengkosmologi. Blant de som leder denne forskningen er Gabriele Veneziano og hans kollega Maurizio Gasperini fra Universitetet i Torino. Disse forskerne presenterte sin egen versjon av strengkosmologi, som noen steder ligner scenariet beskrevet ovenfor, men andre steder er fundamentalt forskjellig fra det. I likhet med Brandenberger og Vafa, for å utelukke den uendelige temperaturen og energitettheten som oppstår i standard- og inflasjonsmodellene, stolte de på eksistensen av en minimumslengde i strengteori. Men i stedet for å konkludere med at universet på grunn av denne egenskapen er født fra en klump av Planck-dimensjoner, antydet Gasperini og Veneziano at det var et forhistorisk univers som oppsto lenge før øyeblikket kalt nullpunktet, og som fødte dette kosmisk "embryo" av Planck-dimensjoner.
Den opprinnelige tilstanden til universet i dette scenariet og i Big Bang-modellen er svært forskjellige. I følge Gasperini og Veneziano var ikke universet en varm og tett vridd ball av dimensjoner, men var kaldt og hadde en uendelig utstrekning. Så, som følger av likningene til strengteori, invaderte ustabilitet universet, og alle dets punkter begynte, som i inflasjonstiden ifølge Guth, raskt å spre seg til sidene.
Gasperini og Veneziano viste at på grunn av dette ble rommet stadig mer buet, og som et resultat ble det et kraftig hopp i temperatur og energitetthet. Det gikk litt tid, og det tredimensjonale området med millimeterdimensjoner inne i disse endeløse viddene ble forvandlet til et varmt og tett sted, identisk med flekken som dannes under inflasjonsekspansjonen ifølge Guth. Så gikk alt i henhold til standardscenarioet for Big Bang-kosmologi, og det ekspanderende punktet ble til det observerbare universet.
Siden pre-Big Bang-tiden gjennomgikk sin egen inflasjonsekspansjon, er Guths løsning på horisontparadokset automatisk innebygd i dette kosmologiske scenariet. Som Veneziano sa det (i et intervju fra 1998), "strengteori gir oss en versjon av inflasjonskosmologi på et sølvfat."
Studiet av strengkosmologi er raskt i ferd med å bli et område for aktiv og produktiv forskning. For eksempel har scenariet med evolusjon før Big Bang vært gjenstand for heftig debatt mer enn én gang, og dets plass i den fremtidige kosmologiske formuleringen er langt fra åpenbar. Det er imidlertid ingen tvil om at denne kosmologiske formuleringen vil være solid basert på fysikeres forståelse av resultatene som ble oppdaget under den andre superstrengrevolusjonen. For eksempel er de kosmologiske konsekvensene av eksistensen av flerdimensjonale membraner fortsatt uklare. Med andre ord, hvordan vil ideen om de første øyeblikkene av universets eksistens endres som et resultat av analysen av den fullførte M-teorien? Denne problemstillingen forskes intensivt.
Vitenskap er et enormt felt og en enorm mengde forskning og oppdagelser utføres hver dag, og det er verdt å merke seg at noen teorier ser ut til å være interessante, men samtidig har de ikke reell bekreftelse og ser ut til å "henge i luft."
Hva er strengteori?
Den fysiske teorien som representerer partikler i form av vibrasjon kalles strengteori. Disse bølgene har bare én parameter - lengdegrad, og ingen høyde eller bredde. For å finne ut hva strengteori er, må vi se på hovedhypotesene den beskriver.
- Det antas at alt rundt oss består av tråder som vibrerer og membraner av energi.
- Prøver å kombinere generell relativitetsteori og kvantefysikk.
- Strengteori gir en sjanse til å forene alle de grunnleggende kreftene i universet.
- Forutsier symmetrisk kobling mellom ulike typer partikler: bosoner og fermioner.
- Gir en sjanse til å beskrive og forestille seg dimensjoner av universet som ikke tidligere har blitt observert.
Strengteori – hvem oppdaget den?
- Kvantestrengteori ble først opprettet i 1960 for å forklare fenomener i hadronisk fysikk. På dette tidspunktet ble det utviklet av: G. Veneziano, L. Susskind, T. Goto og andre.
- Forskeren D. Schwartz, J. Scherk og T. Enet fortalte hva strengteori er, siden de utviklet den bosoniske strenghypotesen, og dette skjedde 10 år senere.
- I 1980 identifiserte to forskere: M. Green og D. Schwartz teorien om superstrenger, som hadde unike symmetrier.
- Forskning på den foreslåtte hypotesen pågår fortsatt, men den er ennå ikke bevist.
Strengteori - filosofi
Det er en filosofisk retning som har en sammenheng med strengteori, og den kalles monaden. Det innebærer bruk av symboler for å komprimere enhver mengde informasjon. Monaden og strengteorien benytter seg av motsetninger og dualiteter i filosofien. Det mest populære enkle monadsymbolet er Yin-Yang. Eksperter har foreslått å skildre strengteori på en volumetrisk, og ikke på en flat, monad, og da vil strenger være en realitet, selv om lengden deres vil være minimal.
Hvis en volumetrisk monad brukes, vil linjen som deler Yin-Yang være et plan, og når du bruker en flerdimensjonal monad, oppnås et volum krøllet til en spiral. Det er ennå ikke noe arbeid med filosofi knyttet til flerdimensjonale monader - dette er et område for fremtidig studie. Filosofer tror at erkjennelse er en endeløs prosess, og når man prøver å skape en enhetlig modell av universet, vil en person bli overrasket mer enn en gang og endre sine grunnleggende konsepter.
Ulemper med strengteori
Siden hypotesen foreslått av en rekke forskere er ubekreftet, er det ganske forståelig at det er en rekke problemer som indikerer behovet for foredling.
- Strengteorien har feil, for eksempel under beregninger ble en ny type partikkel oppdaget - tachyoner, men de kan ikke eksistere i naturen, siden kvadratet på massen deres er mindre enn null, og bevegelseshastigheten er større enn hastigheten til lys.
- Strengteori kan bare eksistere i ti-dimensjonalt rom, men da er det relevante spørsmålet: hvorfor oppfatter ikke en person andre dimensjoner?
Strengteori - bevis
De to viktigste fysiske konvensjonene som vitenskapelig bevis er basert på, er faktisk i motsetning til hverandre, siden de representerer universets struktur på mikronivå annerledes. For å prøve dem ble teorien om kosmiske strenger foreslått. I mange henseender ser det pålitelig ut, ikke bare i ord, men også i matematiske beregninger, men i dag har en person ikke mulighet til praktisk å bevise det. Hvis strenger eksisterer, er de på et mikroskopisk nivå, og det er ennå ingen teknisk evne til å gjenkjenne dem.
Strengteori og Gud
Den berømte teoretiske fysikeren M. Kaku foreslo en teori der han bruker strenghypotesen for å bevise Guds eksistens. Han kom til den konklusjon at alt i verden fungerer i henhold til visse lover og regler etablert av et enkelt sinn. I følge Kaku vil strengteori og de skjulte dimensjonene til universet bidra til å skape en ligning som forener alle naturkreftene og lar oss forstå Guds sinn. Han fokuserer sin hypotese på tachyon-partikler, som beveger seg raskere enn lys. Einstein sa også at dersom slike deler ble oppdaget, ville det være mulig å flytte tiden tilbake.
Etter å ha utført en rekke eksperimenter, konkluderte Kaku med at menneskeliv er styrt av stabile lover og ikke reagerer på kosmiske ulykker. Strengteorien om liv eksisterer og den er assosiert med en ukjent kraft som styrer livet og gjør det helt. Etter hans mening er dette hva det er. Kaku er sikker på at universet er vibrerende strenger som kommer fra den Allmektiges sinn.
Selvfølgelig er strengene i universet neppe lik de vi forestiller oss. I strengteori er de utrolig små vibrerende energitråder. Disse trådene er mer som små "gummibånd" som kan vri seg, strekke seg og komprimere på alle mulige måter. Alt dette betyr imidlertid ikke at det er umulig å "spille" universets symfoni på dem, fordi, ifølge strengteoretikere, består alt som eksisterer av disse "trådene".
Fysikk motsetning
I andre halvdel av 1800-tallet så det ut for fysikere at ingenting alvorlig kunne oppdages i vitenskapen deres lenger. Klassisk fysikk mente at det ikke var noen alvorlige problemer igjen i den, og hele verdens struktur så ut som en perfekt regulert og forutsigbar maskin. Problemet skjedde som vanlig på grunn av tull - en av de små "skyene" som fortsatt forble i vitenskapens klare, forståelige himmel. Nemlig når man beregner strålingsenergien til en absolutt svart kropp (en hypotetisk kropp som, ved enhver temperatur, fullstendig absorberer strålingen som faller inn på den, uavhengig av bølgelengden - NS).
Beregninger viste at den totale strålingsenergien til enhver absolutt svart kropp burde være uendelig stor. For å komme vekk fra en slik åpenbar absurditet foreslo den tyske forskeren Max Planck i 1900 at synlig lys, røntgenstråler og andre elektromagnetiske bølger bare kan sendes ut av visse diskrete deler av energien, som han kalte kvanta. Med deres hjelp var det mulig å løse det spesielle problemet med en absolutt svart kropp. Konsekvensene av kvantehypotesen for determinisme var imidlertid ennå ikke realisert. Inntil, i 1926, formulerte en annen tysk vitenskapsmann, Werner Heisenberg, det berømte usikkerhetsprinsippet.
Dens essens koker ned til det faktum at, i motsetning til alle tidligere dominerende utsagn, begrenser naturen vår evne til å forutsi fremtiden på grunnlag av fysiske lover. Vi snakker selvfølgelig om fremtiden og nåtiden til subatomære partikler. Det viste seg at de oppfører seg helt annerledes enn noen ting gjør i makrokosmos rundt oss. På det subatomære nivået blir verdensrommet ujevnt og kaotisk. Verden av bittesmå partikler er så turbulent og uforståelig at den trosser sunn fornuft. Rom og tid er så vridd og sammenvevd i det at det ikke er noen vanlige begreper om venstre og høyre, opp og ned, eller før og etter.
Det er ingen måte å si sikkert på hvilket punkt i rommet en bestemt partikkel befinner seg for øyeblikket, og hva er dens vinkelmomentum. Det er bare en viss sannsynlighet for å finne en partikkel i mange områder av rom-tid. Partikler på subatomært nivå ser ut til å være "utsmurt" i hele rommet. Ikke bare det, men selve "statusen" til partiklene er ikke definert: i noen tilfeller oppfører de seg som bølger, i andre viser de egenskapene til partikler. Dette er det fysikere kaller kvantemekanikkens bølge-partikkeldualitet.
Nivåer av verdens struktur: 1. Makroskopisk nivå - materie 2. Molekylært nivå 3. Atomnivå - protoner, nøytroner og elektroner 4. Subatomært nivå - elektron 5. Subatomært nivå - kvarker 6. Strengenivå /©Bruno P. Ramos
I den generelle relativitetsteorien, som i en stat med motsatte lover, er situasjonen fundamentalt annerledes. Plassen ser ut til å være som en trampoline - et glatt stoff som kan bøyes og strekkes av gjenstander med masse. De skaper skjevheter i rom-tid - det vi opplever som tyngdekraft. Unødvendig å si er den harmoniske, korrekte og forutsigbare generelle relativitetsteorien i en uløselig konflikt med den "eksentriske hooliganen" - kvantemekanikken, og som et resultat kan ikke makroverdenen "slutte fred" med mikroverdenen. Det er her strengteori kommer til unnsetning.
2D-univers. Polyedergraf E8 /©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project
Teori om alt
Strengteori legemliggjør drømmen til alle fysikere om å forene de to fundamentalt motstridende generelle relativitetsteoriene og kvantemekanikkene, en drøm som hjemsøkte den største "sigøyneren og trampet" Albert Einstein til slutten av hans dager.
Mange forskere tror at alt fra den utsøkte dansen av galakser til den gale dansen av subatomære partikler til slutt kan forklares med bare ett grunnleggende fysisk prinsipp. Kanskje til og med en enkelt lov som forener alle typer energi, partikler og interaksjoner i en elegant formel.
Generell relativitetsteori beskriver en av de mest kjente kreftene i universet - tyngdekraften. Kvantemekanikk beskriver tre andre krefter: den sterke kjernekraften, som limer protoner og nøytroner sammen i atomer, elektromagnetisme og den svake kraften, som er involvert i radioaktivt forfall. Enhver hendelse i universet, fra ioniseringen av et atom til fødselen av en stjerne, er beskrevet av vekselvirkningene mellom materie gjennom disse fire kreftene.
Ved hjelp av den mest komplekse matematikken var det mulig å vise at elektromagnetiske og svake interaksjoner har en felles natur, ved å kombinere dem til en enkelt elektrosvak interaksjon. Deretter ble sterk kjernefysisk interaksjon lagt til dem - men tyngdekraften slutter seg ikke til dem på noen måte. Strengteori er en av de mest seriøse kandidatene for å forbinde alle fire krefter, og derfor omfavne alle fenomener i universet - det er ikke for ingenting at det også kalles "Teorien om alt".
I begynnelsen var det en myte
Til nå er ikke alle fysikere fornøyd med strengteori. Og ved begynnelsen av dets utseende virket det uendelig langt fra virkeligheten. Selve fødselen hennes er en legende.
På slutten av 1960-tallet søkte en ung italiensk teoretisk fysiker, Gabriele Veneziano, etter ligninger som kunne forklare den sterke kjernekraften - det ekstremt kraftige "limet" som holder atomkjernene sammen, og binder protoner og nøytroner sammen. Ifølge legenden snublet han en dag ved et uhell over en støvete bok om matematikkens historie, der han fant en to hundre år gammel funksjon som først ble skrevet ned av den sveitsiske matematikeren Leonhard Euler. Se for deg Venezianos overraskelse da han oppdaget at Euler-funksjonen, lenge ansett som noe mer enn en matematisk nysgjerrighet, beskrev denne sterke interaksjonen.
Hvordan var det egentlig? Formelen var trolig et resultat av Venezianos mangeårige arbeid, og tilfeldighetene var bare med på å ta det første skrittet mot oppdagelsen av strengteori. Eulers funksjon, som mirakuløst forklarte den sterke kraften, har funnet nytt liv.
Til slutt fanget det øyet til den unge amerikanske teoretiske fysikeren Leonard Susskind, som så at først og fremst beskrev formelen partikler som ikke hadde noen indre struktur og kunne vibrere. Disse partiklene oppførte seg på en slik måte at de ikke bare kunne være punktpartikler. Susskind forsto - formelen beskriver en tråd som er som et strikk. Hun kunne ikke bare strekke seg og trekke seg sammen, men også svinge og vri seg. Etter å ha beskrevet oppdagelsen sin, introduserte Susskind den revolusjonerende ideen om strenger.
Dessverre hilste det overveldende flertallet av hans kolleger teorien veldig kjølig.
Standard modell
På den tiden representerte konvensjonell vitenskap partikler som punkter i stedet for som strenger. I årevis har fysikere studert oppførselen til subatomære partikler ved å kollidere dem i høye hastigheter og studere konsekvensene av disse kollisjonene. Det viste seg at universet er mye rikere enn man kunne forestille seg. Det var en ekte "befolkningseksplosjon" av elementærpartikler. Studenter i fysikk løp gjennom korridorene og ropte at de hadde oppdaget en ny partikkel - det var ikke engang nok bokstaver til å angi dem. Men dessverre, på "barselsykehuset" av nye partikler, klarte forskerne aldri å finne svaret på spørsmålet - hvorfor er det så mange av dem og hvor kommer de fra?
Dette fikk fysikerne til å komme med en uvanlig og oppsiktsvekkende spådom - de innså at kreftene som virket i naturen også kunne forklares i form av partikler. Det vil si at det er partikler av materie, og det er partikler som bærer interaksjoner. For eksempel er et foton en partikkel av lys. Jo flere av disse bærerpartiklene - de samme fotonene som materiepartiklene utveksler - jo sterkere lys. Forskere spådde at denne spesielle utvekslingen av bærerpartikler ikke er noe mer enn det vi oppfatter som kraft. Dette ble bekreftet av eksperimenter. Slik klarte fysikere å komme nærmere Einsteins drøm om å forene krefter.
Interaksjoner mellom ulike partikler i standardmodellen /
Forskere tror at hvis vi spoler frem til like etter Big Bang, da universet var billioner av grader varmere, vil partiklene som bærer elektromagnetisme og den svake kraften bli umulig å skille og kombinere til en enkelt kraft kalt den elektrosvake kraften. Og hvis vi går enda lenger tilbake i tid, vil den elektrosvake interaksjonen kombineres med den sterke til en total "superstyrke".
Selv om alt dette fortsatt venter på å bli bevist, forklarte kvantemekanikken plutselig hvordan tre av de fire kreftene samhandler på subatomært nivå. Og hun forklarte det vakkert og konsekvent. Dette sammenhengende bildet av interaksjoner ble til slutt kjent som standardmodellen. Men dessverre, denne perfekte teorien hadde ett stort problem - den inkluderte ikke den mest kjente kraften på makronivå - tyngdekraften.
Graviton
For strengteori, som ennå ikke hadde hatt tid til å "blomstre", har "høsten" kommet for mange problemer helt fra fødselen. For eksempel spådde teoriens beregninger eksistensen av partikler, som, som det snart ble fastslått, ikke eksisterer. Dette er den såkalte tachyon - en partikkel som beveger seg i et vakuum raskere enn lys. Blant annet viste det seg at teorien krever hele 10 dimensjoner. Det er ikke overraskende at dette har vært veldig forvirrende for fysikere, siden det åpenbart er større enn det vi ser.
I 1973 var det bare noen få unge fysikere som fortsatt kjempet med strengteoriens mysterier. En av dem var den amerikanske teoretiske fysikeren John Schwartz. I fire år prøvde Schwartz å temme de uregjerlige ligningene, men til ingen nytte. Blant andre problemer vedvarte en av disse ligningene i å beskrive en mystisk partikkel som ikke hadde masse og som ikke hadde blitt observert i naturen.
Vitenskapsmannen hadde allerede bestemt seg for å forlate sin katastrofale virksomhet, og da gikk det opp for ham - kanskje likningene til strengteori også beskriver tyngdekraften? Dette innebar imidlertid en revisjon av dimensjonene til de viktigste "heltene" i teorien - strenger. Ved å anta at strenger er milliarder og milliarder av ganger mindre enn et atom, snudde "stringers" teoriens ulempe til dens fordel. Den mystiske partikkelen som John Schwartz så iherdig hadde forsøkt å kvitte seg med, fungerte nå som en graviton – en partikkel som lenge hadde vært søkt og som ville tillate tyngdekraften å bli overført til kvantenivået. Slik fullførte strengteori puslespillet med gravitasjon, som manglet i standardmodellen. Men dessverre, selv på denne oppdagelsen reagerte ikke det vitenskapelige samfunnet på noen måte. Strengteori forble på randen av å overleve. Men det stoppet ikke Schwartz. Bare én vitenskapsmann ønsket å bli med i søket hans, klar til å risikere karrieren for mystiske strengers skyld - Michael Green.
Subatomiske hekkende dukker
Til tross for alt, på begynnelsen av 1980-tallet, hadde strengteori fortsatt uløselige motsetninger, kalt anomalier i vitenskapen. Schwartz og Green begynte å eliminere dem. Og deres innsats var ikke forgjeves: forskere var i stand til å eliminere noen av motsetningene i teorien. Se for deg forbauselsen til disse to, som allerede var vant til at teorien deres ble ignorert, da reaksjonen fra det vitenskapelige samfunnet sprengte den vitenskapelige verden. På mindre enn ett år har antallet strengteoretikere hoppet til hundrevis av mennesker. Det var da strengteori ble tildelt tittelen Theory of Everything. Den nye teorien så ut til å kunne beskrive alle komponentene i universet. Og dette er komponentene.
Hvert atom består som kjent av enda mindre partikler – elektroner, som virvler rundt en kjerne som består av protoner og nøytroner. Protoner og nøytroner består på sin side av enda mindre partikler – kvarker. Men strengteori sier at det ikke ender med kvarker. Kvarker er laget av bittesmå, slingrende energitråder som ligner strenger. Hver av disse strengene er ufattelig små.
Så liten at hvis et atom ble forstørret til størrelsen på solsystemet, ville strengen vært på størrelse med et tre. Akkurat som forskjellige vibrasjoner av en cellostreng skaper det vi hører, hvordan forskjellige musikknoter, forskjellige modi (modi) for vibrasjon av en streng gir partikler deres unike egenskaper - masse, ladning, etc. Vet du hvordan, relativt sett, protonene på spissen av neglen din skiller seg fra den ennå uoppdagede gravitonen? Bare av samlingen av bittesmå strenger som utgjør dem, og måten disse strengene vibrerer på.
Alt dette er selvfølgelig mer enn overraskende. Siden antikkens Hellas har fysikere blitt vant til det faktum at alt i denne verden består av noe som baller, små partikler. Og så, etter å ha ikke hatt tid til å venne seg til den ulogiske oppførselen til disse ballene, som følger av kvantemekanikken, blir de bedt om å helt forlate paradigmet og operere med en slags spaghetti-rester...
Femte dimensjon
Selv om mange forskere kaller strengteori en triumf av matematikk, gjenstår det fortsatt noen problemer med den - spesielt mangelen på noen mulighet for å teste den eksperimentelt i nær fremtid. Ikke et eneste instrument i verden, verken eksisterende eller i stand til å dukke opp i fremtiden, er i stand til å "se" strengene. Derfor stiller noen forskere forresten til og med spørsmålet: er strengteori en teori om fysikk eller filosofi?. Det er sant at det ikke er nødvendig å se strenger "med egne øyne". Å bevise strengteori krever snarere noe annet – det som høres ut som science fiction – bekreftelse på eksistensen av ekstra dimensjoner av rommet.
Hva handler det om? Vi er alle vant til tre dimensjoner av rom og én – tid. Men strengteori forutsier tilstedeværelsen av andre—ekstra—dimensjoner. Men la oss starte i rekkefølge.
Faktisk oppsto ideen om eksistensen av andre dimensjoner for nesten hundre år siden. Det kom til sinnet til den da ukjente tyske matematikeren Theodor Kaluza i 1919. Han foreslo muligheten for en annen dimensjon i universet vårt som vi ikke ser. Albert Einstein lærte om denne ideen, og først likte han den. Senere tvilte han imidlertid på riktigheten, og forsinket publiseringen av Kaluza i hele to år. Til slutt ble imidlertid artikkelen publisert, og tilleggsdimensjonen ble en slags hobby for fysikkgeniet.
Som du vet, viste Einstein at tyngdekraften ikke er noe mer enn en deformasjon av rom-tid-dimensjoner. Kaluza antydet at elektromagnetisme også kunne være krusninger. Hvorfor ser vi det ikke? Kaluza fant svaret på dette spørsmålet - krusningene av elektromagnetisme kan eksistere i en ekstra, skjult dimensjon. Men hvor er det?
Svaret på dette spørsmålet ble gitt av den svenske fysikeren Oskar Klein, som antydet at Kaluzas femte dimensjon er foldet milliarder av ganger sterkere enn størrelsen på et enkelt atom, og det er derfor vi ikke kan se det. Ideen om denne lille dimensjonen som er rundt oss er kjernen i strengteori.
En av de foreslåtte formene for ytterligere vridde dimensjoner. Inne i hver av disse formene vibrerer og beveger en streng - hovedkomponenten i universet. Hver form er seksdimensjonal - i henhold til antall seks ekstra dimensjoner /
Ti dimensjoner
Men faktisk krever likningene til strengteori ikke engang én, men seks ekstra dimensjoner (totalt, med de fire vi kjenner, er det nøyaktig 10 av dem). De har alle en veldig vridd og buet kompleks form. Og alt er ufattelig lite.
Hvordan kan disse små målingene påvirke vår store verden? I følge strengteorien er den avgjørende: for den bestemmer formen alt. Når du trykker på forskjellige taster på en saksofon får du forskjellige lyder. Dette skjer fordi når du trykker på en bestemt tast eller kombinasjon av taster, endrer du formen på rommet i musikkinstrumentet der luften sirkulerer. Takket være dette blir forskjellige lyder født.
Strengteori antyder at ytterligere buede og vridde dimensjoner av rommet manifesterer seg på lignende måte. Formene til disse ekstra dimensjonene er komplekse og varierte, og hver får strengen som ligger innenfor slike dimensjoner til å vibrere forskjellig nettopp på grunn av formene deres. Tross alt, hvis vi for eksempel antar at den ene strengen vibrerer inne i en kanne, og den andre inne i et buet stolpehorn, vil dette være helt andre vibrasjoner. Men hvis du tror på strengteori, ser formene for tilleggsdimensjoner i virkeligheten mye mer komplekse ut enn en kanne.
Hvordan verden fungerer
Vitenskapen i dag kjenner til et sett med tall som er universets grunnleggende konstanter. Det er de som bestemmer egenskapene og egenskapene til alt rundt oss. Blant slike konstanter er for eksempel ladningen til et elektron, gravitasjonskonstanten, lysets hastighet i et vakuum... Og hvis vi endrer disse tallene selv med et ubetydelig antall ganger, vil konsekvensene bli katastrofale. Anta at vi økte styrken til den elektromagnetiske interaksjonen. Hva skjedde? Vi kan plutselig oppleve at ionene begynner å frastøte hverandre sterkere, og kjernefysisk fusjon, som får stjerner til å skinne og avgi varme, svikter plutselig. Alle stjernene vil gå ut.
Men hva har strengteori med dens ekstra dimensjoner med det å gjøre? Faktum er at det ifølge den er tilleggsdimensjonene som bestemmer den nøyaktige verdien av de grunnleggende konstantene. Noen former for måling får en streng til å vibrere på en bestemt måte, og produserer det vi ser som et foton. I andre former vibrerer strengene annerledes og produserer et elektron. Sannelig, Gud er i de "små tingene" - det er disse små formene som bestemmer alle de grunnleggende konstantene i denne verden.
Superstrengteori
På midten av 1980-tallet fikk strengteorien et storslått og ryddig utseende, men inne i monumentet var det forvirring. På bare noen få år har så mange som fem versjoner av strengteori dukket opp. Og selv om hver av dem er bygget på strenger og ekstra dimensjoner (alle fem versjoner er kombinert i den generelle teorien om superstrenger - NS), divergerte disse versjonene betydelig i detaljer.
Så i noen versjoner hadde strengene åpne ender, i andre lignet de på ringer. Og i noen versjoner krevde teorien til og med ikke 10, men så mange som 26 dimensjoner. Det paradoksale er at alle fem versjonene i dag kan kalles like sanne. Men hvilken beskriver egentlig universet vårt? Dette er et annet mysterium innen strengteori. Det er derfor mange fysikere igjen ga opp den "gale" teorien.
Men hovedproblemet med strenger, som allerede nevnt, er umuligheten (i hvert fall foreløpig) av å bevise deres tilstedeværelse eksperimentelt.
Noen forskere sier imidlertid fortsatt at neste generasjon akseleratorer har en veldig minimal, men fortsatt mulighet til å teste hypotesen om ytterligere dimensjoner. Selv om flertallet selvfølgelig er sikre på at hvis dette er mulig, så vil det dessverre ikke skje veldig snart - i hvert fall om tiår, maksimalt - selv om hundre år.