Žinoma, visatos stygos vargu ar panašios į tas, kurias įsivaizduojame. Stygų teorijoje tai yra neįtikėtinai mažos vibruojančios energijos gijos. Šie siūlai labiau primena mažytes „gumytės“, kurios gali raitytis, ištempti ir susispausti įvairiais būdais. Tačiau visa tai nereiškia, kad ant jų neįmanoma „sugroti“ Visatos simfonijos, nes, anot styginių teoretikų, visa, kas egzistuoja, susideda iš šių „siūlų“.
Fizikos prieštaravimas
XIX amžiaus antroje pusėje fizikai atrodė, kad nieko rimto jų moksle nebegalima atrasti. Klasikinė fizika tikėjo, kad joje neliko rimtų problemų, o visa pasaulio sandara atrodė kaip tobulai reguliuojama ir nuspėjama mašina. Bėda, kaip įprasta, įvyko dėl nesąmonių - vieno iš mažų „debesų“, kurie vis dar liko giedroje, suprantamoje mokslo padangėje. Būtent, skaičiuojant absoliučiai juodo kūno (hipotetinio kūno, kuris esant bet kokiai temperatūrai visiškai sugeria į jį patenkančią spinduliuotę, nepriklausomai nuo bangos ilgio – NS) spinduliavimo energiją. Skaičiavimai parodė, kad bet kurio visiškai juodo kūno bendra spinduliuotės energija turėtų būti be galo didelė. Norėdamas išsisukti nuo tokio akivaizdaus absurdo, vokiečių mokslininkas Maxas Planckas 1900 m. pasiūlė, kad matomą šviesą, rentgeno spindulius ir kitas elektromagnetines bangas gali skleisti tik tam tikros atskiros energijos dalys, kurias jis pavadino kvantais. Su jų pagalba buvo galima išspręsti konkrečią visiškai juodo kūno problemą. Tačiau kvantinės hipotezės pasekmės determinizmui dar nebuvo suvoktos. Kol 1926 metais kitas vokiečių mokslininkas Werneris Heisenbergas suformulavo garsųjį neapibrėžtumo principą.
Jos esmė susiveda į tai, kad, priešingai nei visi anksčiau vyravo teiginiai, gamta riboja mūsų galimybes numatyti ateitį remdamasi fiziniais dėsniais. Žinoma, mes kalbame apie subatominių dalelių ateitį ir dabartį. Paaiškėjo, kad jie elgiasi visiškai kitaip nei bet kokie dalykai mus supančiame makrokosmose. Subatominiame lygmenyje erdvės audinys tampa nelygus ir chaotiškas. Mažų dalelių pasaulis yra toks neramus ir nesuprantamas, kad prieštarauja sveikam protui. Erdvė ir laikas joje taip susisukę ir susipynę, kad nėra įprastų sąvokų kairė ir dešinė, aukštyn ir žemyn ar net prieš ir po. Nėra jokio būdo tiksliai pasakyti, kuriame erdvės taške šiuo metu yra tam tikra dalelė ir koks yra jos kampinis momentas. Yra tik tam tikra tikimybė rasti dalelę daugelyje erdvės ir laiko regionų. Atrodo, kad dalelės subatominiame lygmenyje yra „išteptos“ visoje erdvėje. Maža to, neapibrėžiamas ir pats dalelių „statusas“: kai kuriais atvejais jos elgiasi kaip bangos, kitais – pasižymi dalelių savybėmis. Tai fizikai vadina kvantinės mechanikos bangų ir dalelių dvilypumu.
Pasaulio sandaros lygiai: 1. Makroskopinis lygis - materija 2. Molekulinis lygis 3. Atominis lygis - protonai, neutronai ir elektronai 4. Subatominis lygis - elektronas 5. Subatominis lygis - kvarkai 6. Styginių lygis / ©Bruno P. Ramos
Bendrojoje reliatyvumo teorijoje, tarsi valstybėje su priešingais dėsniais, situacija yra iš esmės kitokia. Erdvė atrodo kaip batutas – lygus audinys, kurį gali sulenkti ir ištempti masės turintys objektai. Jie sukuria deformacijas erdvėlaikyje – tai, ką mes patiriame kaip gravitaciją. Nereikia nė sakyti, kad harmoninga, teisinga ir nuspėjama Bendroji reliatyvumo teorija yra neišsprendžiamame konflikte su „ekscentrišku chuliganu“ – kvantine mechanika, ir dėl to makropasaulis negali „sudaryti taikos“ su mikropasauliu. Čia į pagalbą ateina stygų teorija.
2D Visata. Daugiakampis grafikas E8 / ©John Stembridge / Atlas of Mel Groups Project
Visko teorija
Stygų teorija įkūnija visų fizikų svajonę suvienyti dvi iš esmės prieštaraujančias bendrąją reliatyvumo teoriją ir kvantinę mechaniką – svajonę, kuri iki pat jo dienų pabaigos persekiojo didžiausią „čigoną ir valkatą“ Albertą Einšteiną.
Daugelis mokslininkų mano, kad viskas nuo išskirtinio galaktikų šokio iki beprotiško subatominių dalelių šokio galiausiai gali būti paaiškinta tik vienu esminiu fiziniu principu. Galbūt net vienas dėsnis, kuris sujungia visas energijos rūšis, daleles ir sąveikas kokioje nors elegantiškoje formulėje.
Bendroji reliatyvumo teorija apibūdina vieną garsiausių Visatos jėgų – gravitaciją. Kvantinė mechanika apibūdina dar tris jėgas: stiprią branduolinę jėgą, sujungiančią protonus ir neutronus į atomus, elektromagnetizmą ir silpnąją jėgą, susijusią su radioaktyviuoju skilimu. Bet koks įvykis visatoje – nuo atomo jonizacijos iki žvaigždės gimimo – aprašomas materijos sąveika per šias keturias jėgas. Sudėtingiausios matematikos pagalba buvo galima parodyti, kad elektromagnetinės ir silpnosios sąveikos turi bendrą pobūdį, jas sujungiant į vieną elektrosilpną sąveiką. Vėliau prie jų buvo pridėta stipri branduolinė sąveika – tačiau gravitacija jų niekaip nesusijungia. Stygų teorija yra viena rimčiausių kandidatų sujungti visas keturias jėgas, taigi ir apimanti visus Visatos reiškinius - ne veltui ji dar vadinama „Visko teorija“.
Pradžioje buvo mitas
Eulerio beta funkcijos grafikas su tikrais argumentais / ©Flickr
Iki šiol ne visi fizikai džiaugiasi stygų teorija. Ir savo pasirodymo aušroje atrodė, kad tai be galo toli nuo realybės. Pats jos gimimas yra legenda.
Septintojo dešimtmečio pabaigoje jaunas italų fizikas teorinis Gabriele Veneziano ieškojo lygčių, galinčių paaiškinti stiprią branduolinę jėgą – itin galingus „klijus“, laikančius atomų branduolius kartu, jungiančius protonus ir neutronus. Pasak legendos, vieną dieną jis atsitiktinai užkliuvo ant apdulkėjusios matematikos istorijos knygos, kurioje rado dviejų šimtų metų senumo funkciją, kurią pirmą kartą užrašė šveicarų matematikas Leonhardas Euleris. Įsivaizduokite Veneziano nuostabą, kai jis atrado, kad Eulerio funkcija, ilgai laikyta ne daugiau kaip matematiniu įdomumu, apibūdina šią stiprią sąveiką.
Kaip buvo iš tikrųjų? Formulė tikriausiai buvo daugelio metų Veneziano darbo rezultatas, o atsitiktinumas tik padėjo žengti pirmąjį žingsnį stygų teorijos atradimo link. Eulerio funkcija, kuri stebuklingai paaiškino stiprią jėgą, atrado naują gyvenimą.
Galiausiai tai patraukė jauno amerikiečių fiziko teorinio Leonardo Susskindo akį, kuris pamatė, kad visų pirma formulė apibūdina daleles, kurios neturi vidinės struktūros ir gali vibruoti. Šios dalelės elgėsi taip, kad negalėjo būti tik taškinės dalelės. Susskindas suprato – formulė apibūdina siūlą, kuris yra tarsi elastinė juosta. Ji galėjo ne tik išsitiesti ir susitraukti, bet ir svyruoti bei svirduliuoti. Aprašęs savo atradimą, Susskindas pristatė revoliucinę stygų idėją.
Deja, didžioji dauguma jo kolegų šią teoriją sutiko labai šaltai.
Standartinis modelis
Tuo metu tradicinis mokslas daleles vaizdavo kaip taškus, o ne kaip stygas. Ilgus metus fizikai tyrė subatominių dalelių elgesį, susidūrę su jas dideliu greičiu, ir tyrinėjo šių susidūrimų pasekmes. Paaiškėjo, kad Visata yra daug turtingesnė, nei galima įsivaizduoti. Tai buvo tikras elementariųjų dalelių „populiacijos sprogimas“. Fizikos magistrantūros studentai bėgiojo koridoriais šaukdami, kad atrado naują dalelę – net neužteko raidžių joms apibūdinti.
Tačiau, deja, naujų dalelių „gimdymo namuose“ mokslininkams taip ir nepavyko rasti atsakymo į klausimą – kodėl jų tiek daug ir iš kur jos?
Tai paskatino fizikus pateikti neįprastą ir stulbinančią prognozę – jie suprato, kad gamtoje veikiančias jėgas galima paaiškinti ir dalelėmis. Tai yra, yra medžiagos dalelių ir yra dalelių, kurios atlieka sąveiką. Pavyzdžiui, fotonas yra šviesos dalelė. Kuo daugiau šių dalelių – tų pačių fotonų, kuriais keičiasi medžiagos dalelės – tuo šviesesnė šviesa. Mokslininkai numatė, kad šis konkretus nešiklio dalelių mainai yra ne kas kita, kaip tai, ką mes suvokiame kaip jėgą. Tai patvirtino eksperimentai. Taip fizikams pavyko priartėti prie Einšteino svajonės suvienyti jėgas.
Sąveika tarp skirtingų dalelių standartiniame modelyje / ©Wikimedia Commons
Mokslininkai mano, kad jei paspartinsime po Didžiojo sprogimo, kai Visatoje buvo trilijonais laipsnių karštesnė, dalelės, nešančios elektromagnetizmą ir silpną jėgą, taps neatskiriamos ir susijungs į vieną jėgą, vadinamą elektrosilpne jėga. Ir jei grįžtume laiku atgal, elektrosilpna sąveika susijungtų su stipriąja į vieną bendrą „superjėgą“.
Nors visa tai vis dar laukia, kol bus įrodyta, kvantinė mechanika staiga paaiškino, kaip trys iš keturių jėgų sąveikauja subatominiame lygmenyje. Ir ji tai paaiškino gražiai ir nuosekliai. Šis nuoseklus sąveikos vaizdas galiausiai tapo žinomas kaip standartinis modelis. Bet, deja, ši tobula teorija turėjo vieną didelę problemą – ji neapėmė garsiausios makrolygmens jėgos – gravitacijos.
© Wikimedia Commons
Gravitonas
Stygų teorijai, kuri dar neturėjo laiko „žydėti“, atėjo „ruduo“, joje nuo pat gimimo buvo per daug problemų. Pavyzdžiui, teorijos skaičiavimai numatė dalelių egzistavimą, kurių, kaip netrukus buvo nustatyta, nėra. Tai vadinamasis tachionas – dalelė, kuri vakuume juda greičiau nei šviesa. Be kita ko, paaiškėjo, kad teorija reikalauja net 10 matmenų. Nenuostabu, kad tai labai supainiojo fizikus, nes jis akivaizdžiai didesnis nei matome.
Iki 1973 m. tik keli jauni fizikai vis dar kovojo su stygų teorijos paslaptimis. Vienas iš jų buvo amerikiečių fizikas teorinis Johnas Schwartzas. Ketverius metus Schwartzas bandė sutramdyti nepaklusnias lygtis, bet nesėkmingai. Be kitų problemų, viena iš šių lygčių išliko apibūdinant paslaptingą dalelę, kuri neturėjo masės ir nebuvo pastebėta gamtoje.
Mokslininkas jau buvo nusprendęs atsisakyti savo pragaištingo verslo, tada jam išaušo – gal stygų teorijos lygtys apibūdina ir gravitaciją? Tačiau tai reiškė pagrindinių teorijos „herojų“ – stygų – matmenų peržiūrą. Darydami prielaidą, kad stygos yra milijardus ir milijardus kartų mažesnės už atomą, „styginiai“ teorijos trūkumą pavertė jos pranašumu. Paslaptingoji dalelė, kurios Johnas Schwartzas taip atkakliai bandė atsikratyti, dabar veikė kaip gravitonas – dalelė, kurios buvo seniai ieškota ir kuri leistų gravitaciją perkelti į kvantinį lygmenį. Taip stygų teorija užbaigė galvosūkį su gravitacija, kurios trūko standartiniame modelyje. Bet, deja, net į šį atradimą mokslo bendruomenė niekaip nereagavo. Stygų teorija liko ant išlikimo slenksčio. Bet tai nesustabdė Schwartzo. Tik vienas mokslininkas norėjo prisijungti prie jo paieškų, pasiruošęs rizikuoti savo karjera dėl paslaptingų stygų – Michaelas Greenas.
Amerikos teorinis fizikas Johnas Schwartzas ir Michaelas Greenas
© Kalifornijos technologijos institutas / elementy.ru
Dėl kokių priežasčių galima manyti, kad gravitacija paklūsta kvantinės mechanikos dėsniams? Už šių „pamatų“ atradimą 2011 m. buvo įteikta Nobelio fizikos premija. Tai sudarė tai, kad Visatos plėtimasis ne lėtėja, kaip kadaise buvo manoma, o, priešingai, greitėja. Šis pagreitis paaiškinamas specialios „antigravitacijos“, kuri kažkaip būdinga tuščiai erdvės vakuumo erdvei, veikimu. Kita vertus, kvantiniame lygmenyje negali būti nieko absoliučiai „tuščio“ - vakuume subatominės dalelės nuolat atsiranda ir iškart išnyksta. Manoma, kad šis dalelių „mirksėjimas“ yra atsakingas už „antigravitacinės“ tamsiosios energijos, užpildančios tuščią erdvę, egzistavimą.
Vienu metu Albertas Einšteinas, kuris iki savo gyvenimo pabaigos niekada nepripažino paradoksalių kvantinės mechanikos principų (kuriuos pats numatė), pasiūlė šios energijos formos egzistavimą. Vadovaudamasis klasikinės graikų filosofijos tradicija, Aristotelis, tikėdamas pasaulio amžinybe, Einšteinas atsisakė tikėti tuo, ką numatė jo paties teorija, būtent, kad visata turi pradžią. Norėdamas „įamžinti“ visatą, Einšteinas netgi įtraukė į savo teoriją tam tikrą kosmologinę konstantą ir taip apibūdino tuščios erdvės energiją. Laimei, po kelerių metų paaiškėjo, kad Visata visai nėra sustingusi forma, kad ji plečiasi. Tada Einšteinas atsisakė kosmologinės konstantos ir pavadino ją „didžiausiu savo gyvenimo klaidingu skaičiavimu“.
Šiandien mokslas žino, kad tamsioji energija vis dar egzistuoja, nors jos tankis yra daug mažesnis nei Einšteinas (beje, tamsiosios energijos tankio problema yra viena didžiausių šiuolaikinės fizikos paslapčių). Bet kad ir kokia maža būtų kosmologinės konstantos reikšmė, jos visiškai pakanka patikrinti, ar egzistuoja kvantiniai gravitacijos efektai.
Subatominės lizdinės lėlės
Nepaisant visko, devintojo dešimtmečio pradžioje stygų teorija vis dar turėjo neišsprendžiamų prieštaravimų, vadinamų mokslo anomalijomis. Schwartzas ir Greenas nusprendė juos pašalinti. Ir jų pastangos nenuėjo veltui: mokslininkams pavyko pašalinti kai kuriuos teorijos prieštaravimus. Įsivaizduokite šių dviejų, jau pripratusių prie to, kad jų teorija buvo ignoruojama, nuostabą, kai mokslo bendruomenės reakcija susprogdino mokslo pasaulį. Mažiau nei per metus stygų teoretikų skaičius šoktelėjo iki šimtų žmonių. Būtent tada stygų teorijai buvo suteiktas visko teorijos vardas. Atrodė, kad naujoji teorija gali apibūdinti visus visatos komponentus. Ir tai yra komponentai.
Kiekvienas atomas, kaip žinome, susideda iš dar mažesnių dalelių – elektronų, kurie sukasi aplink iš protonų ir neutronų susidedantį branduolį. Protonai ir neutronai savo ruožtu susideda iš dar mažesnių dalelių – kvarkų. Tačiau stygų teorija teigia, kad ji nesibaigia kvarkais. Kvarkai sudaryti iš mažyčių, besisukančių energijos gijų, panašių į stygas. Kiekviena iš šių stygų yra neįsivaizduojamai maža. Toks mažas, kad jei atomas būtų padidintas iki saulės sistemos dydžio, styga būtų medžio dydžio. Kaip skirtingos violončelės stygos virpesiai sukuria tai, ką girdime, kaip ir skirtingos muzikos natos, skirtingi stygos virpėjimo būdai (režimai) suteikia dalelėms unikalių savybių – masę, krūvį ir kt. Ar žinote, kuo, palyginti, jūsų nago galiuko protonai skiriasi nuo dar neatrasto gravitono? Tik dėl mažyčių stygų, iš kurių jie susideda, rinkiniu ir tuo, kaip šios stygos vibruoja.
Žinoma, visa tai daugiau nei stebina. Nuo Senovės Graikijos laikų fizikai priprato prie to, kad viskas šiame pasaulyje susideda iš kažko panašaus į kamuoliukus, mažytes daleles. Taigi, nespėjus priprasti prie nelogiško šių kamuoliukų elgesio, išplaukiančio iš kvantinės mechanikos, jų prašoma visiškai atsisakyti paradigmos ir operuoti su kažkokiais spagečių likučiais...
Penktasis matmuo
Nors daugelis mokslininkų stygų teoriją vadina matematikos triumfu, kai kurios problemos vis dar išlieka su ja – ypač tai, kad artimiausiu metu nėra galimybės ją išbandyti eksperimentiškai. Nei vienas instrumentas pasaulyje, nei egzistuojantis, nei galintis atsirasti ateityje, negali „pamatyti“ stygų. Todėl kai kurie mokslininkai, beje, net užduoda klausimą: ar stygų teorija yra fizikos ar filosofijos teorija?.. Tiesa, pamatyti stygas „savo akimis“ visai nebūtina. Norint įrodyti stygų teoriją, greičiau reikia kažko kito – kas skamba kaip mokslinė fantastika – patvirtinti papildomų erdvės matmenų egzistavimą.
Apie ką tai? Visi esame pripratę prie trijų erdvės ir vieno – laiko matmenų. Tačiau stygų teorija numato kitų – papildomų – dimensijų buvimą. Bet pradėkime iš eilės.
Tiesą sakant, idėja apie kitų dimensijų egzistavimą kilo beveik prieš šimtą metų. Tai atėjo į galvą tada dar nežinomam vokiečių matematikui Theodorui Kaluzai 1919 m. Jis pasiūlė kitos dimensijos galimybę mūsų Visatoje, kurios mes nematome. Albertas Einšteinas sužinojo apie šią idėją ir iš pradžių jam labai patiko. Tačiau vėliau jis suabejojo jos teisingumu ir ištisus dvejus metus atidėjo Kalužos leidimą. Tačiau galiausiai straipsnis buvo paskelbtas, o papildoma dimensija tapo savotišku fizikos genijaus pomėgiu.
Kaip žinote, Einšteinas parodė, kad gravitacija yra ne kas kita, kaip erdvės ir laiko matmenų deformacija. Kaluza pasiūlė, kad elektromagnetizmas taip pat gali būti bangavimas. Kodėl mes to nematome? Kaluza rado atsakymą į šį klausimą – elektromagnetizmo bangos gali egzistuoti papildomoje, paslėptoje dimensijoje. Bet kur tai yra?
Atsakymą į šį klausimą pateikė švedų fizikas Oskaras Kleinas, teigdamas, kad Kaluzos penktoji dimensija yra sulankstyta milijardus kartų stipriau nei vieno atomo dydis, todėl mes jo nematome. Šios mažos dimensijos, esančios aplink mus, idėja yra stygų teorijos esmė.
Viena iš siūlomų papildomų susuktų matmenų formų. Kiekvienos iš šių formų viduje vibruoja ir juda styga – pagrindinis Visatos komponentas. Kiekviena forma yra šešiamatė – pagal šešių papildomų matmenų skaičių / ©Wikimedia Commons
Dešimt matmenų
Tačiau iš tikrųjų stygų teorijos lygtys reikalauja net ne vieno, o šešių papildomų dimensijų (iš viso su keturiais mums žinomais jų yra lygiai 10). Visi jie turi labai susuktą ir išlenktą sudėtingą formą. Ir visko neįsivaizduojamai maža.
Kaip šie maži matavimai gali paveikti mūsų didelį pasaulį? Pagal stygų teoriją ji yra lemiama: jai forma lemia viską. Kai paspausite skirtingus saksofono klavišus, girdite skirtingus garsus. Taip nutinka todėl, kad paspaudus tam tikrą klavišą ar klavišų kombinaciją, pakeičiama muzikos instrumento erdvės, kurioje cirkuliuoja oras, forma. Dėl to gimsta įvairūs garsai.
Stygų teorija teigia, kad papildomi išlenkti ir susukti erdvės matmenys pasireiškia panašiai. Šių papildomų matmenų formos yra sudėtingos ir įvairios, todėl kiekviena iš šių matmenų stygos vibruoja skirtingai būtent dėl savo formų. Juk jei, pavyzdžiui, manysime, kad viena styga vibruoja ąsočio viduje, o kita – lenkto stulpo rago viduje, tai bus visiškai skirtingi virpesiai. Tačiau, jei tikite stygų teorija, iš tikrųjų papildomų matmenų formos atrodo daug sudėtingesnės nei ąsotis.
Kaip veikia pasaulis
Šiandieninis mokslas žino skaičių rinkinį, kuris yra pagrindinės Visatos konstantos. Jie yra tie, kurie lemia visko, kas mus supa, savybes ir ypatybes. Tarp tokių konstantų yra, pavyzdžiui, elektrono krūvis, gravitacinė konstanta, šviesos greitis vakuume... O jei šiuos skaičius pakeisime nors ir nereikšmingą skaičių kartų, pasekmės bus katastrofiškos. Tarkime, padidinome elektromagnetinės sąveikos stiprumą. Kas nutiko? Galime staiga pastebėti, kad jonai pradeda stipriau atstumti vienas kitą, o branduolių sintezė, dėl kurios žvaigždės spindi ir skleidžia šilumą, staiga nepavyksta. Visos žvaigždės užges.
Bet ką bendro turi stygų teorija su jos papildomais matmenimis? Faktas yra tas, kad pagal jį papildomi matmenys lemia tikslią pagrindinių konstantų reikšmę. Kai kurios matavimo formos priverčia vieną stygą tam tikru būdu vibruoti ir sukuria tai, ką matome kaip fotoną. Kitomis formomis stygos vibruoja skirtingai ir sukuria elektroną. Iš tikrųjų Dievas yra „smulkmenose“ – būtent šios mažytės formos lemia visas pagrindines šio pasaulio konstantas.
Superstygų teorija
Devintojo dešimtmečio viduryje stygų teorija įgavo didingą ir tvarkingą išvaizdą, tačiau paminklo viduje kilo sumaištis. Vos per kelerius metus atsirado net penkios stygų teorijos versijos. Ir nors kiekvienas iš jų yra pastatytas ant stygų ir papildomų matmenų (visos penkios versijos yra sujungtos į bendrą superstygų teoriją - NS), šios versijos labai skyrėsi detalėmis.
Taigi, kai kuriose versijose stygos turėjo atvirus galus, kitose jos priminė žiedus. O kai kuriose versijose teorija reikalavo net ne 10, o net 26 matmenų. Paradoksas tas, kad visas penkias versijas šiandien galima vadinti vienodai teisingomis. Bet kuris iš jų iš tikrųjų apibūdina mūsų Visatą? Tai dar viena stygų teorijos paslaptis. Štai kodėl daugelis fizikų vėl atsisakė „beprotiškos“ teorijos.
Tačiau pagrindinė stygų problema, kaip jau minėta, yra neįmanoma (bent jau kol kas) eksperimentiškai įrodyti jų buvimo.
Tačiau kai kurie mokslininkai vis dar teigia, kad naujos kartos greitintuvai turi labai minimalią, bet vis tiek galimybę patikrinti papildomų matmenų hipotezę. Nors dauguma, žinoma, yra įsitikinę, kad jei tai įmanoma, tai, deja, neįvyks labai greitai - bent jau po dešimtmečių, daugiausiai - net po šimto metų.
Išsamiai tyrinėdami mūsų visatą, mokslininkai nustato daugybę dėsningumų ir faktų, kurie vėliau tampa dėsniais, patvirtintais hipotezėmis. Jomis paremti kiti tyrimai ir toliau prisideda prie visapusiško pasaulio skaičiais tyrimo.
Visatos stygų teorija yra būdas vaizduoti visatos erdvę, susidedančią iš tam tikrų gijų, kurios vadinamos stygomis ir branomis. Paprasčiau tariant (manekenams), pasaulio pagrindas yra ne dalelės (kaip žinome), o vibruojantys energijos elementai, vadinami stygomis ir branomis. Virvelės dydis labai labai mažas - maždaug 10 -33 cm.
Kam tai reikalinga ir ar tai naudinga? Teorija suteikė postūmį apibūdinti „gravitacijos“ sąvoką.
Stygų teorija yra matematinė, tai yra, fizinė prigimtis apibūdinama lygtimis. Jų yra daug, bet vieno ir tikro nėra. Paslėpti visatos matmenys eksperimentiškai dar nebuvo nustatyti.
Teorija remiasi 5 sąvokomis:
- Pasaulis susideda iš vibruojančios būsenos siūlų ir energetinių membranų.
- Teorija remiasi gravitacijos ir kvantinės fizikos teorijomis.
- Teorija sujungia visas pagrindines visatos jėgas.
- Dalelių bozonai ir fermionai turi naujo tipo ryšį – supersimetriją.
- Teorija apibūdina Visatos matmenis, kurių žmogaus akis nepastebi.
Palyginimas su gitara padės geriau suprasti stygų teoriją.
Pasaulis pirmą kartą apie šią teoriją išgirdo XX amžiaus aštuntajame dešimtmetyje. Mokslininkų vardai plėtojant šią hipotezę:
- Witten;
- Veneziano;
- Žalias;
- Bruto;
- Kaku;
- Maldacena;
- Poliakovas;
- Susskindas;
- Švarcas.
Energijos siūlai buvo laikomi vienmačiais – stygomis. Tai reiškia, kad styga turi 1 matmenį – ilgį (be aukščio). Yra 2 tipai:
- atviri, kurių galai neliečia vienas kito;
- uždara kilpa.
Nustatyta, kad jie gali sąveikauti 5 tokiais būdais.Tai pagrįsta galimybe sujungti ir atskirti galus. Žiedų stygų nebuvimas neįmanomas dėl galimybės sujungti atviras stygas.
Dėl to mokslininkai mano, kad teorija gali apibūdinti ne dalelių asociaciją, o gravitacijos elgesį. Branos arba lakštai laikomi elementais, prie kurių tvirtinamos stygos.
Galbūt jus domina
Kvantinė gravitacija
Fizikoje yra kvantinis dėsnis ir bendroji reliatyvumo teorija. Kvantinė fizika tiria daleles visatos mastu. Jame pateiktos hipotezės vadinamos kvantinės gravitacijos teorijomis, o styginė gravitacija laikoma svarbiausia.
Jame esantys uždari siūlai veikia pagal gravitacijos jėgas, turėdami gravitono – dalelės, pernešančios savybes tarp dalelių – savybes.
Suvienija jėgas. Teorija apima sujungtas jėgas į vieną – elektromagnetinę, branduolinę, gravitacinę. Mokslininkai mano, kad būtent taip buvo anksčiau, kol nebuvo padalintos pajėgos.
Supersimetrija. Pagal supersimetrijos sampratą yra ryšys tarp bozonų ir fermionų (visatos struktūrinių vienetų). Kiekvienam bozonui yra fermionas, ir atvirkščiai: fermionui yra bozonas. Tai buvo apskaičiuota remiantis lygtimis, bet nepatvirtinta eksperimentiškai. Supersimetrijos pranašumas yra galimybė pašalinti kai kuriuos kintamuosius (begalinius, įsivaizduojamus energijos lygius).
Anot fizikų, nesugebėjimo įrodyti supersimetrijos priežastis yra didelės energijos, susijusios su mase, priežastis. Jis egzistavo anksčiau, prieš temperatūros kritimo visatoje laikotarpį. Po Didžiojo sprogimo energija išsisklaidė ir dalelės perėjo į žemesnį energijos lygį.
Paprasčiau tariant, stygos, galinčios vibruoti su didelės energijos dalelių savybėmis, ją praradusios, tapo žemos vibracijos.
Kurdami dalelių greitintuvus, mokslininkai nori nustatyti itin simetriškus elementus, turinčius reikiamą energijos lygį.
Papildomi stygų teorijos matmenys
Stygų teorijos pasekmė yra matematinė samprata, kad turi būti daugiau nei 3 matmenys. Pirmasis to paaiškinimas yra tas, kad papildomi matmenys tapo kompaktiški ir maži, todėl jų negalima matyti ar suvokti.
Mes egzistuojame trimatėje branoje, atskirtoje nuo kitų dimensijų. Tik matematinio modeliavimo galimybė suteikė vilčių gauti jas jungiančias koordinates. Naujausi tyrimai šioje srityje leidžia daryti prielaidą, kad atsiranda naujų optimistinių duomenų.
Paprastas tikslo supratimas
Viso pasaulio mokslininkai, tyrinėdami super stygas, bando pagrįsti teoriją apie visą fizinę tikrovę. Viena hipotezė galėtų apibūdinti viską esminiu lygmeniu, paaiškindama planetos struktūrą.
Stygų teorija atsirado aprašant hadronus – daleles, turinčias aukštesnes stygos virpesių būsenas. Trumpai tariant, tai lengvai paaiškina perėjimą nuo ilgio prie masės.
Yra daug superstygų teorijų. Šiandien nėra tiksliai žinoma, ar įmanoma jį panaudoti aiškinant erdvėlaikio teoriją tiksliau nei Einšteinas. Atlikti matavimai nesuteikia tikslių duomenų. Kai kurios iš jų, susijusios su erdvėlaikiu, buvo stygų sąveikos pasekmė, tačiau galiausiai buvo kritikuojamos.
Gravitacijos teorija bus pagrindinė aprašytos teorijos pasekmė, jei ji bus patvirtinta.
Stygos ir branos tapo postūmiu atsirasti daugiau nei 10 tūkstančių sprendimų apie visatą variantų. Knygos apie stygų teoriją yra viešai prieinamos internete, išsamiai ir aiškiai aprašytos autorių:
- Yau Shintan;
- Steve Nadis „Stygų teorija ir paslėpti visatos matmenys“;
- Brianas Greene'as apie tai kalba „Elegantiškoje visatoje“.
Nuomonių, įrodymų, samprotavimų ir visų menkiausių smulkmenų galima rasti pažvelgus į vieną iš daugelio knygų, kuriose prieinama ir įdomi informacija apie pasaulį pateikiama. Fizikai esamą visatą aiškina mūsų buvimu, kitų visatų (net panašių į mūsų) egzistavimu. Pasak Einšteino, yra sulankstyta erdvės versija.
Superstygų teorijoje galima sujungti lygiagrečių pasaulių taškus. Fizikoje nusistovėję dėsniai suteikia vilčių dėl perėjimo tarp visatų galimybės. Tuo pat metu kvantinė gravitacijos teorija tai pašalina.
Fizikai kalba ir apie holografinį duomenų įrašymą, kai jie įrašomi ant paviršiaus. Ateityje tai suteiks impulsą suprasti sprendimą dėl energijos gijų. Yra nuomonių apie laiko dimensijų įvairovę ir judėjimo galimybę jame. Didžiojo sprogimo hipotezė dėl 2 branų susidūrimo rodo, kad ciklai kartosis.
Visata, visko atsiradimas ir laipsniškas visko transformavimas visada užėmė išskirtinius žmonijos protus. Buvo, yra ir bus naujų atradimų. Galutinė stygų teorijos interpretacija leis nustatyti materijos tankį, kosmologinę konstantą.
Dėl to jie nustatys visatos gebėjimą trauktis iki vėlesnio sprogimo momento ir naujos visko pradžios. Teorijos kuriamos, įrodinėjamos ir jos prie kažko veda. Taigi Einšteino lygtis, nusakanti energijos priklausomybę nuo masės ir šviesos greičio kvadratą E=mc^2, vėliau tapo postūmiu atsirasti branduoliniams ginklams. Po to buvo išrastas lazeris ir tranzistorius. Šiandien nežinome, ko tikėtis, bet tai tikrai ką nors lems.
Tai jau ketvirta tema. Savanoriai taip pat prašomi nepamiršti, kokias temas jie išreiškė norą aprėpti, o gal kas tik dabar išsirinko temą iš sąrašo. Esu atsakinga už pakartotinį paskelbimą ir reklamavimą socialiniuose tinkluose. O dabar mūsų tema: „stygų teorija“
Tikriausiai girdėjote, kad populiariausia mūsų laikų mokslinė teorija, stygų teorija, reiškia, kad egzistuoja daug daugiau dimensijų, nei sako sveikas protas.
Didžiausia teorinių fizikų problema – kaip sujungti visas pagrindines sąveikas (gravitacinę, elektromagnetinę, silpnąją ir stipriąją) į vieną teoriją. Superstygų teorija teigia esanti visko teorija.
Tačiau paaiškėjo, kad patogiausias matmenų skaičius, reikalingas, kad ši teorija veiktų, yra net dešimt (iš kurių devyni yra erdviniai, o vienas – laikinas)! Jei yra daugiau ar mažiau matmenų, matematinės lygtys duoda neracionalius rezultatus, kurie eina iki begalybės – singuliarumą.
Kitas superstygų teorijos vystymosi etapas – M teorija – jau suskaičiavo vienuolika dimensijų. Ir dar viena jos versija – F teorija – visi dvylika. Ir tai nėra jokia komplikacija. F teorija aprašo 12 dimensijų erdvę paprastesnėmis lygtimis nei M teorija aprašo 11 dimensijų erdvę.
Žinoma, teorinė fizika ne veltui vadinama teorine. Visi jos pasiekimai iki šiol egzistuoja tik popieriuje. Taigi, norėdami paaiškinti, kodėl galime judėti tik trimatėje erdvėje, mokslininkai pradėjo kalbėti apie tai, kaip nelaimingi likę matmenys kvantiniu lygmeniu turėjo susitraukti į kompaktiškas sferas. Tiksliau – ne į sferas, o į Calabi-Yau erdves. Tai trimatės figūros, kurių viduje yra savas pasaulis su savo dimensija. Tokio kolektoriaus dvimatė projekcija atrodo maždaug taip:
Tokių skaičių žinoma daugiau nei 470 mln. Kuris iš jų atitinka mūsų realybę, šiuo metu skaičiuojama. Nelengva būti fiziku teoretiku.
Taip, tai atrodo šiek tiek toli. Bet galbūt būtent tai paaiškina, kodėl kvantinis pasaulis taip skiriasi nuo to, kurį mes suvokiame.
Grįžkime šiek tiek į istoriją
1968 m. jaunas teorinis fizikas Gabriele Veneziano domėjosi daugybe eksperimentiškai pastebėtų stiprios branduolinės jėgos savybių. Veneziano, tuo metu dirbęs CERN, Europos greitintuvo laboratorijoje Ženevoje, Šveicarijoje, kelerius metus dirbo su šia problema, kol vieną dieną gavo puikią įžvalgą. Savo nuostabai jis suprato, kad egzotiška matematinė formulė, kurią maždaug prieš du šimtus metų išrado žymus šveicarų matematikas Leonhardas Euleris grynai matematiniais tikslais – vadinamoji Eulerio beta funkcija – atrodė galinti vienu ypu apibūdinti visus daugybę. stiprioje branduolinėje sąveikoje dalyvaujančių dalelių savybės. Veneziano pastebėta savybė suteikė galingą matematinį daugelio stiprios sąveikos bruožų aprašymą; tai paskatino darbų antplūdį, kai beta funkcija ir įvairūs jos apibendrinimai buvo naudojami apibūdinti didžiulius duomenų kiekius, sukauptus tiriant dalelių susidūrimus visame pasaulyje. Tačiau tam tikra prasme Veneziano pastebėjimas buvo neišsamus. Eulerio beta funkcija veikė kaip mokinio, nesuprantančio jos reikšmės ar prasmės, naudojama formulė, tačiau niekas nesuprato kodėl. Tai buvo formulė, kuriai reikėjo paaiškinimo.
Gabrielė Veneziano
Tai pasikeitė 1970 m., kai Yoichiro Nambu iš Čikagos universiteto, Holgeris Nielsenas iš Niels Bohr instituto ir Leonardas Susskindas iš Stanfordo universiteto sugebėjo atrasti fizikinę Eulerio formulės prasmę. Šie fizikai parodė, kad kai elementariosios dalelės vaizduojamos mažomis vibruojančiomis vienmatės stygomis, stiprią šių dalelių sąveiką tiksliai apibūdina Eulerio funkcija. Jei stygų segmentai būtų pakankamai maži, jie samprotavo, jie vis tiek atrodytų kaip taškinės dalelės, todėl neprieštarautų eksperimentiniams stebėjimams. Nors ši teorija buvo paprasta ir intuityviai patraukli, stiprios jėgos apibūdinimas greitai pasirodė esąs klaidingas. Aštuntojo dešimtmečio pradžioje. Didelės energijos fizikai sugebėjo giliau pažvelgti į subatominį pasaulį ir parodė, kad daugybė styginių modelių prognozių tiesiogiai prieštarauja stebėjimo rezultatams. Tuo pat metu lygiagrečiai vystėsi kvantinio lauko teorija – kvantinė chromodinamika – kuri naudojo taškinį dalelių modelį. Šios teorijos sėkmė apibūdinant stiprią sąveiką paskatino stygų teorijos atsisakymą.
Dauguma dalelių fizikų manė, kad stygų teorija visam laikui buvo išmesta į šiukšlių dėžę, tačiau nemažai tyrinėtojų liko jai ištikimi. Pavyzdžiui, Schwartzas manė, kad „stygų teorijos matematinė struktūra yra tokia graži ir turi tiek daug nuostabių savybių, kad ji tikrai turi nurodyti kažką gilesnio“ 2 ). Viena iš fizikų problemų, susijusių su stygų teorija, buvo ta, kad atrodė, kad ji suteikia per daug pasirinkimo, o tai kėlė painiavą. Kai kurios šios teorijos vibruojančių stygų konfigūracijos turėjo savybių, panašių į gliuonų savybes, o tai davė pagrindo tai tikrai laikyti stiprios sąveikos teorija. Tačiau, be to, jame buvo papildomų sąveikos nešiklio dalelių, kurios neturėjo nieko bendra su eksperimentinėmis stiprios sąveikos apraiškomis. 1974 m. Schwartzas ir Joelis Scherkas iš Prancūzijos École Technique Supérieure pateikė drąsų pasiūlymą, kuris šį akivaizdų trūkumą pavertė pranašumu. Ištyrę keistus stygų virpesius, primenančius nešiklio daleles, jie suprato, kad šios savybės stebėtinai glaudžiai sutampa su spėjamomis gravitacinės sąveikos dalelių nešėjo – gravitono – savybėmis. Nors šios „smulkios gravitacinės sąveikos dalelės“ dar neaptiktos, teoretikai gali užtikrintai nuspėti kai kurias esmines savybes, kurias turėtų turėti šios dalelės. Sherk ir Schwartz nustatė, kad šios charakteristikos yra tiksliai įgyvendintos kai kuriems vibracijos režimams. Remdamiesi tuo, jie teigė, kad pirmasis stygų teorijos atsiradimas nepavyko, nes fizikai pernelyg susiaurino jos taikymo sritį. Sherk ir Schwartz paskelbė, kad stygų teorija nėra tik stiprios jėgos teorija, tai kvantinė teorija, kuri, be kita ko, apima ir gravitaciją).
Fizikų bendruomenė į šį pasiūlymą reagavo labai rezervuotai. Tiesą sakant, pagal Schwartzo atsiminimus „mūsų darbą visi ignoravo“ 4). Pažangos keliai jau buvo visiškai užgriozdinti daugybe nesėkmingų bandymų sujungti gravitaciją ir kvantinę mechaniką. Stygų teorijai nepavyko iš pradžių bandyti apibūdinti stiprios jėgos, ir daugeliui atrodė beprasmiška bandyti ją panaudoti siekiant dar didesnių tikslų. Vėlesni, išsamesni tyrimai septintojo dešimtmečio pabaigoje ir devintojo dešimtmečio pradžioje. parodė, kad stygų teorija ir kvantinė mechanika turi savų, nors ir mažesnių, prieštaravimų. Atrodė, kad gravitacinė jėga vėl sugebėjo atsispirti bandymui integruoti ją į visatos aprašymą mikroskopiniu lygmeniu.
Tai buvo iki 1984 m. Svarbiame dokumente, kuriame apibendrinami daugiau nei dešimtmetį trukę intensyvūs tyrimai, kuriuos dauguma fizikų iš esmės ignoravo arba atmetė, Greenas ir Schwartzas nustatė, kad nedidelis neatitikimas kvantinei teorijai, kenkiantis stygų teorijai, gali būti leistinas. Be to, jie parodė, kad gauta teorija buvo pakankamai plati, kad apimtų visus keturis jėgų tipus ir visas materijos rūšis. Žinia apie šį rezultatą pasklido visoje fizikų bendruomenėje, šimtams dalelių fizikų sustabdžius savo projektų darbą, kad galėtų dalyvauti puolime, kuris atrodė kaip paskutinis teorinis mūšis šimtmečius trukusiame puolime prieš giliausius visatos pamatus.
Žodis apie Greeną ir Schwartzo sėkmę galiausiai pasiekė net pirmo kurso magistrantūros studentus, o ankstesnį niūrumą pakeitė jaudinantis dalyvavimo fizikos istorijos lūžio taške jausmas. Daugelis iš mūsų nemiegojome iki vėlumos, nagrinėdami didelius teorinės fizikos ir abstrakčiosios matematikos temas, kurios yra būtinos norint suprasti stygų teoriją.
Jei tikėti mokslininkais, tai mes patys ir viskas aplink susideda iš begalės tokių paslaptingų sulankstytų mikroobjektų.
Laikotarpis nuo 1984 iki 1986 m dabar žinoma kaip „pirmoji superstygų teorijos revoliucija“. Per šį laikotarpį viso pasaulio fizikai parašė daugiau nei tūkstantį darbų apie stygų teoriją. Šie darbai įtikinamai parodė, kad daugybė standartinio modelio savybių, atrastų per dešimtmečius trukusių kruopščių tyrimų, natūraliai kyla iš nuostabios stygų teorijos sistemos. Kaip pažymėjo Michaelas Greenas: „Akimirka, kai esi supažindintas su stygų teorija ir supranti, kad beveik visi pagrindiniai praėjusio šimtmečio fizikos pasiekimai išplaukė – ir tekėjo tokia elegancija – nuo tokio paprasto pradžios taško, aiškiai parodo neįtikėtiną ši teorija.“5 Be to, daugelis šių savybių, kaip matysime toliau, stygų teorija pateikia daug išsamesnį ir patenkinamesnį aprašymą nei standartinis modelis. Šie pasiekimai įtikino daugelį fizikų, kad stygų teorija gali ištesėti savo pažadus ir tapti pagrindine vienijančia teorija.
Trimačio Calabi-Yau kolektoriaus dvimatė projekcija. Ši projekcija leidžia suprasti, kokie sudėtingi yra papildomi matmenys.
Tačiau šiuo keliu fizikai, dirbantys su stygų teorija, vėl ir vėl susidūrė su rimtomis kliūtimis. Teorinėje fizikoje dažnai tenka susidurti su lygtimis, kurios yra per sudėtingos suprasti arba sunkiai išsprendžiamos. Paprastai tokioje situacijoje fizikai nepasiduoda ir bando gauti apytikslį šių lygčių sprendimą. Situacija stygų teorijoje yra daug sudėtingesnė. Netgi pats lygčių išvedimas pasirodė toks sudėtingas, kad iki šiol gauta tik apytikslė jų forma. Taigi fizikai, dirbantys stygų teorijoje, atsiduria situacijoje, kai tenka ieškoti apytikslių apytikslių lygčių sprendimų. Po kelerių metų nuostabios pažangos, padarytos per pirmąją superstygų revoliuciją, fizikai susidūrė su tuo, kad naudotos apytikslės lygtys negalėjo teisingai atsakyti į daugelį svarbių klausimų, o tai trukdė toliau plėtoti tyrimus. Neturėdami konkrečių idėjų, kaip peržengti šiuos apytikslius metodus, daugelis fizikų, dirbančių stygų teorijos srityje, patyrė vis didesnį nusivylimo jausmą ir grįžo prie ankstesnių tyrimų. Tiems, kurie liko, 1980-ųjų pabaiga ir 1990-ųjų pradžia. buvo bandomasis laikotarpis.
Stygų teorijos grožis ir potenciali galia viliojo tyrinėtojus kaip aukso lobis, saugiai užrakintas seife, matomas tik pro mažytį akutę, tačiau niekas neturėjo rakto, kuris išlaisvintų šias snaudžiančias jėgas. Ilgą „sausumo“ laikotarpį karts nuo karto pertraukdavo svarbūs atradimai, tačiau visiems buvo aišku, kad reikalingi nauji metodai, pranokstantys jau žinomus apytikslius sprendimus.
Aklavietė baigėsi kvapą gniaužiančia kalba, kurią 1995 m. Pietų Kalifornijos universitete vykusioje stygų teorijos konferencijoje pasakė Edwardas Wittenas – pokalbis, kuris pribloškė salę, pripildytą žymiausių pasaulio fizikų. Jame jis pristatė kito tyrimo etapo planą, taip pradėdamas „antrąją superstygų teorijos revoliuciją“. Styginių teoretikai dabar energingai kuria naujus metodus, kurie žada įveikti jiems iškilusias kliūtis.
Siekiant plačiai išpopuliarinti TS, žmonija turėtų pastatyti paminklą Kolumbijos universiteto profesoriui Brianui Greene'ui. Jo 1999 metais išleista knyga „Elegantiškoji visata. Superstygos, paslėpti matmenys ir galutinės teorijos ieškojimas“ tapo bestseleriu ir laimėjo Pulitzerio premiją. Mokslininko darbai sudarė pagrindą populiariam mokslo mini serialui, kurio šeimininkas buvo pats autorius – jo fragmentą galima pamatyti medžiagos pabaigoje (nuotrauka Amy Sussman / Kolumbijos universitetas).
spustelėjamas 1700 px
Dabar pabandykime bent šiek tiek suprasti šios teorijos esmę.
Pradėti iš naujo. Nulinis matmuo yra taškas. Ji neturi dydžio. Nėra kur judėti, nereikia koordinačių, kad būtų nurodyta vieta tokiame matmenyje.
Šalia pirmojo taško pastatykime antrą ir per juos nubrėžkime liniją. Štai pirmasis matmuo. Vienmatis objektas turi dydį – ilgį, bet neturi pločio ar gylio. Judėjimas vienmatėje erdvėje yra labai ribotas, nes negalima išvengti kliūties, kuri atsiranda kelyje. Norėdami nustatyti vietą šiame segmente, jums reikia tik vienos koordinatės.
Padėkime tašką šalia segmento. Kad tilptų abu šie objektai, mums reikės dvimatės erdvės su ilgiu ir pločiu, tai yra plotu, bet be gylio, tai yra tūrio. Bet kurio taško vieta šiame lauke nustatoma pagal dvi koordinates.
Trečiasis matmuo atsiranda, kai prie šios sistemos pridedame trečią koordinačių ašį. Mums, trimatės visatos gyventojams, labai lengva tai įsivaizduoti.
Pabandykime įsivaizduoti, kaip pasaulį mato dvimatės erdvės gyventojai. Pavyzdžiui, šie du žmonės:
Kiekvienas iš jų pamatys savo bendražygį taip:
Ir šioje situacijoje:
Mūsų herojai matys vienas kitą taip:
Būtent požiūrio pasikeitimas leidžia mūsų herojams vertinti vieni kitus kaip dvimačius objektus, o ne vienmačius segmentus.
Dabar įsivaizduokime, kad tam tikras tūrinis objektas juda trečiojoje dimensijoje, kuri kerta šį dvimatį pasaulį. Išoriniam stebėtojui šis judėjimas bus išreikštas dvimačių objekto projekcijų pasikeitimu plokštumoje, pavyzdžiui, brokolių MRT aparate:
Tačiau mūsų Plokštumos gyventojui toks vaizdas yra nesuprantamas! Jis net neįsivaizduoja jos. Jam kiekviena iš dvimačių projekcijų bus matoma kaip paslaptingai kintamo ilgio vienmatis segmentas, atsirandantis nenuspėjamoje vietoje ir taip pat nenuspėjamai išnykstantis. Bandymai apskaičiuoti tokių objektų ilgį ir atsiradimo vietą naudojant dvimatės erdvės fizikos dėsnius yra pasmerkti nesėkmei.
Mes, trimačio pasaulio gyventojai, viską matome kaip dvimatį. Tik objekto judėjimas erdvėje leidžia pajusti jo tūrį. Bet kurį daugiamatį objektą taip pat matysime kaip dvimatį, tačiau jis keisis stebėtinai, priklausomai nuo mūsų santykio su juo ar laiko.
Šiuo požiūriu įdomu galvoti, pavyzdžiui, apie gravitaciją. Turbūt visi yra matę tokias nuotraukas:
Paprastai jie vaizduoja, kaip gravitacija lenkia erdvėlaikį. Lenkia... kur? Tiksliai ne jokiu mums pažįstamu matmeniu. O kaip su kvantiniu tuneliu, tai yra, dalelės gebėjimu išnykti vienoje vietoje ir atsirasti visai kitoje, o už kliūties, pro kurią mūsų realybėje ji negalėtų prasiskverbti nepadariusi joje skylės? O juodosios skylės? O jeigu visos šios ir kitos šiuolaikinio mokslo paslaptys paaiškinamos tuo, kad erdvės geometrija visai ne tokia, kokia esame įpratę ją suvokti?
Laikrodis tiksi
Laikas mūsų Visatai prideda dar vieną koordinates. Kad vakarėlis įvyktų, reikia žinoti ne tik kuriame bare jis vyks, bet ir tikslų šio renginio laiką.
Remiantis mūsų suvokimu, laikas yra ne tiek tiesi linija, kiek spindulys. Tai yra, jis turi atspirties tašką, o judėjimas vykdomas tik viena kryptimi - iš praeities į ateitį. Be to, tikra yra tik dabartis. Neegzistuoja nei praeitis, nei ateitis, kaip biuro darbuotojo pietų pertraukos metu neegzistuoja pusryčiai ir vakarienės.
Tačiau reliatyvumo teorija su tuo nesutinka. Jos požiūriu, laikas yra visavertis matmuo. Visi įvykiai, kurie egzistavo, egzistuoja ir egzistuos, yra vienodai tikri, kaip ir jūros paplūdimys yra tikras, nepaisant to, kur tiksliai mus nustebino svajonės apie banglenčių garsą. Mūsų suvokimas tėra kažkas panašaus į prožektorių, kuris apšviečia tam tikrą segmentą tiesia laiko linija. Žmonija ketvirtoje dimensijoje atrodo maždaug taip:
Bet mes matome tik projekciją, šios dimensijos gabalėlį kiekvienu atskiru laiko momentu. Taip, taip, kaip brokoliai MRT aparate.
Iki šiol visos teorijos veikė su daugybe erdvinių matmenų, o laikinoji visada buvo vienintelė. Bet kodėl erdvė leidžia naudoti kelis erdvės matmenis, bet tik vieną kartą? Kol mokslininkai negalės atsakyti į šį klausimą, dviejų ar daugiau laiko erdvių hipotezė atrodys labai patraukli visiems filosofams ir mokslinės fantastikos rašytojams. Ir fizikai taip pat, o kas? Pavyzdžiui, amerikiečių astrofizikas Itzhakas Barsas visų bėdų, susijusių su visko teorija, šaknis mato kaip nepastebėtą antrąjį laiko aspektą. Kaip protinius pratimus, pabandykime įsivaizduoti pasaulį su dviem laikais.
Kiekvienas matmuo egzistuoja atskirai. Tai išreiškiama tuo, kad pakeitus objekto koordinates viename matmenyje, koordinatės kituose gali likti nepakitusios. Taigi, jei judate išilgai vienos laiko ašies, kuri stačiu kampu kerta kitą, tada susikirtimo taške laikas sustos. Praktiškai tai atrodys maždaug taip:
Viskas, ką Neo turėjo padaryti, tai pastatyti savo vienmatę laiko ašį statmenai kulkų laiko ašiai. Tik smulkmena, sutikite. Tiesą sakant, viskas yra daug sudėtingiau.
Tikslus laikas visatoje su dviem laiko matmenimis bus nustatomas pagal dvi vertes. Ar sunku įsivaizduoti dvimatį įvykį? Tai yra, tas, kuris vienu metu pratęsiamas išilgai dviejų laiko ašių? Tikėtina, kad tokiam pasauliui prireiktų laiko kartografavimo specialistų, lygiai taip pat, kaip kartografai kartoja dvimatį Žemės rutulio paviršių.
Kas dar skiria dvimatę erdvę nuo vienmatės erdvės? Pavyzdžiui, galimybė apeiti kliūtį. Tai visiškai už mūsų proto ribų. Vienmačio pasaulio gyventojas neįsivaizduoja, ką reiškia pasukti už kampo. O kas tai – kampas laike? Be to, dvimatėje erdvėje galite keliauti pirmyn, atgal ar net įstrižai. Neįsivaizduoju, ką reiškia leisti laiką įstrižai. Jau nekalbant apie tai, kad laikas yra daugelio fizikinių dėsnių pagrindas, ir neįmanoma įsivaizduoti, kaip Visatos fizika pasikeis atsiradus kitai laiko dimensijai. Bet taip įdomu apie tai galvoti!
Labai didelė enciklopedija
Kiti matmenys dar nebuvo atrasti ir egzistuoja tik matematiniuose modeliuose. Bet jūs galite pabandyti įsivaizduoti juos tokius.
Kaip sužinojome anksčiau, matome trimatę Visatos ketvirtosios (laiko) dimensijos projekciją. Kitaip tariant, kiekvienas mūsų pasaulio egzistavimo momentas yra taškas (panašus į nulinę dimensiją) laikotarpiu nuo Didžiojo sprogimo iki pasaulio pabaigos.
Tie, kurie skaitėte apie keliones laiku, žinote, kokį svarbų vaidmenį joje atlieka erdvės-laiko kontinuumo kreivumas. Tai yra penktoji dimensija – būtent jame keturmatis erdvėlaikis „lenkiasi“, siekdamas suartinti du šios linijos taškus. Be to kelionė tarp šių taškų būtų per ilga arba net neįmanoma. Grubiai tariant, penktasis matmuo yra panašus į antrąjį - jis perkelia „vienmatę“ erdvės laiko liniją į „dvimatę“ plokštumą su viskuo, ką reiškia gebėjimas pasukti kampą.
Kiek anksčiau ypač filosofiškai nusiteikę mūsų skaitytojai tikriausiai galvojo apie laisvos valios galimybę tokiomis sąlygomis, kai ateitis jau egzistuoja, bet dar nėra žinoma. Mokslas į šį klausimą atsako taip: tikimybės. Ateitis – ne lazda, o visa šluota galimų scenarijų. Kuris išsipildys, sužinosime, kai ten pateksime.
Kiekviena tikimybė egzistuoja kaip „vienmatis“ segmentas penktosios dimensijos „plokštumoje“. Koks yra greičiausias būdas pereiti iš vieno segmento į kitą? Teisingai – sulenkite šią plokštumą kaip popieriaus lapą. Kur turėčiau jį sulenkti? Ir vėl teisingai - šeštojoje dimensijoje, kuri suteikia visai šiai sudėtingai struktūrai „apimtį“. Ir taip padaro ją, kaip trimatę erdvę, „baigtą“ nauju tašku.
Septintasis matmuo yra nauja tiesi linija, kurią sudaro šešių matmenų „taškai“. Koks kitas taškas šioje linijoje? Visas begalinis įvykių raidos kitoje visatoje variantų rinkinys, susiformavęs ne Didžiojo sprogimo pasekoje, o kitomis sąlygomis ir veikiantis pagal kitus dėsnius. Tai yra, septintoji dimensija yra karoliukai iš paralelinių pasaulių. Aštuntasis matmuo surenka šias „tiesias linijas“ į vieną „plokštumą“. O devintąją galima palyginti su knyga, kurioje yra visi aštuntos dimensijos „lapai“. Tai yra visų visatų istorijų visuma su visais fizikos dėsniais ir visomis pradinėmis sąlygomis. Vėl laikotarpis.
Čia pasiekėme ribą. Norėdami įsivaizduoti dešimtąjį matmenį, mums reikia tiesios linijos. O koks kitas taškas gali būti šioje linijoje, jei devinta dimensija jau apima viską, ką galima įsivaizduoti, ir net tai, ko neįmanoma įsivaizduoti? Pasirodo, devinta dimensija yra ne tik dar vienas atspirties taškas, bet ir paskutinis – bent jau mūsų vaizduotei.
Stygų teorija teigia, kad stygos vibruoja dešimtoje dimensijoje – pagrindinės dalelės, sudarančios viską. Jei dešimtajame dimensijoje yra visos visatos ir visos galimybės, tai stygos egzistuoja visur ir visą laiką. Turiu omenyje, kad kiekviena eilutė egzistuoja ir mūsų visatoje, ir bet kurioje kitoje. Bet kada. Iškarto. Šaunu, a?
Fizikas, stygų teorijos specialistas. Jis žinomas dėl savo darbo veidrodžio simetrijos srityje, susijusio su atitinkamų Calabi-Yau kolektorių topologija. Plačiai publikai žinomas kaip mokslo populiarinimo knygų autorius. Jo elegantiška visata buvo nominuota Pulitzerio premijai.
2013 metų rugsėjį Brianas Greene'as atvyko į Maskvą Politechnikos muziejaus kvietimu. Garsus fizikas, stygų teoretikas ir Kolumbijos universiteto profesorius, plačiajai visuomenei žinomas pirmiausia kaip mokslo populiarintojas ir knygos „Elegantiškoji visata“ autorius. Lenta.ru kalbėjosi su Brianu Greene'u apie stygų teoriją ir naujausius sunkumus, su kuriais susidūrė teorija, taip pat kvantinę gravitaciją, amplituedrą ir socialinę kontrolę.
Literatūra rusų kalba: Kaku M., Thompsonas J.T. „Anapus Einšteino: superstygos ir paskutinės teorijos ieškojimas“ ir kas tai buvo Originalus straipsnis yra svetainėje InfoGlaz.rf Nuoroda į straipsnį, iš kurio buvo padaryta ši kopija -
Žinių ekologija: Didžiausia teorinių fizikų problema yra kaip sujungti visas pagrindines sąveikas (gravitacinę, elektromagnetinę, silpnąją ir stipriąją) į vieną teoriją. Superstygų teorija teigia esanti visko teorija
Skaičiuojant nuo trijų iki dešimties
Didžiausia teorinių fizikų problema – kaip sujungti visas pagrindines sąveikas (gravitacinę, elektromagnetinę, silpnąją ir stipriąją) į vieną teoriją. Superstygų teorija teigia esanti visko teorija.
Tačiau paaiškėjo, kad patogiausias matmenų skaičius, reikalingas, kad ši teorija veiktų, yra net dešimt (iš kurių devyni yra erdviniai, o vienas – laikinas)! Jei yra daugiau ar mažiau matmenų, matematinės lygtys duoda neracionalius rezultatus, kurie eina iki begalybės – singuliarumą.
Kitas superstygų teorijos vystymosi etapas – M teorija – jau suskaičiavo vienuolika dimensijų. Ir dar viena jos versija – F teorija – visi dvylika. Ir tai nėra jokia komplikacija. F teorija aprašo 12 dimensijų erdvę paprastesnėmis lygtimis nei M teorija aprašo 11 dimensijų erdvę.
Žinoma, teorinė fizika ne veltui vadinama teorine. Visi jos pasiekimai iki šiol egzistuoja tik popieriuje. Taigi, norėdami paaiškinti, kodėl galime judėti tik trimatėje erdvėje, mokslininkai pradėjo kalbėti apie tai, kaip nelaimingi likę matmenys kvantiniu lygmeniu turėjo susitraukti į kompaktiškas sferas. Tiksliau – ne į sferas, o į Calabi-Yau erdves. Tai trimatės figūros, kurių viduje yra savas pasaulis su savo dimensija. Tokio kolektoriaus dvimatė projekcija atrodo maždaug taip:
Tokių skaičių žinoma daugiau nei 470 mln. Kuris iš jų atitinka mūsų realybę, šiuo metu skaičiuojama. Nelengva būti fiziku teoretiku.
Taip, tai atrodo šiek tiek toli. Bet galbūt būtent tai paaiškina, kodėl kvantinis pasaulis taip skiriasi nuo to, kurį mes suvokiame.
Taškas, taškas, kablelis
Pradėti iš naujo. Nulinis matmuo yra taškas. Ji neturi dydžio. Nėra kur judėti, nereikia koordinačių, kad būtų nurodyta vieta tokiame matmenyje.
Šalia pirmojo taško pastatykime antrą ir per juos nubrėžkime liniją. Štai pirmasis matmuo. Vienmatis objektas turi dydį – ilgį, bet neturi pločio ar gylio. Judėjimas vienmatėje erdvėje yra labai ribotas, nes negalima išvengti kliūties, kuri atsiranda kelyje. Norėdami nustatyti vietą šiame segmente, jums reikia tik vienos koordinatės.
Padėkime tašką šalia segmento. Kad tilptų abu šie objektai, mums reikės dvimatės erdvės su ilgiu ir pločiu, tai yra plotu, bet be gylio, tai yra tūrio. Bet kurio taško vieta šiame lauke nustatoma pagal dvi koordinates.
Trečiasis matmuo atsiranda, kai prie šios sistemos pridedame trečią koordinačių ašį. Mums, trimatės visatos gyventojams, labai lengva tai įsivaizduoti.
Pabandykime įsivaizduoti, kaip pasaulį mato dvimatės erdvės gyventojai. Pavyzdžiui, šie du žmonės:
Kiekvienas iš jų pamatys savo bendražygį taip:
Ir šioje situacijoje:
Mūsų herojai matys vienas kitą taip:
Būtent požiūrio pasikeitimas leidžia mūsų herojams vertinti vieni kitus kaip dvimačius objektus, o ne vienmačius segmentus.
Dabar įsivaizduokime, kad tam tikras tūrinis objektas juda trečiojoje dimensijoje, kuri kerta šį dvimatį pasaulį. Išoriniam stebėtojui šis judėjimas bus išreikštas dvimačių objekto projekcijų pasikeitimu plokštumoje, pavyzdžiui, brokolių MRT aparate:
Tačiau mūsų Plokštumos gyventojui toks vaizdas yra nesuprantamas! Jis net neįsivaizduoja jos. Jam kiekviena iš dvimačių projekcijų bus matoma kaip paslaptingai kintamo ilgio vienmatis segmentas, atsirandantis nenuspėjamoje vietoje ir taip pat nenuspėjamai išnykstantis. Bandymai apskaičiuoti tokių objektų ilgį ir atsiradimo vietą naudojant dvimatės erdvės fizikos dėsnius yra pasmerkti nesėkmei.
Mes, trimačio pasaulio gyventojai, viską matome kaip dvimatį. Tik objekto judėjimas erdvėje leidžia pajusti jo tūrį. Bet kurį daugiamatį objektą taip pat matysime kaip dvimatį, tačiau jis keisis stebėtinai, priklausomai nuo mūsų santykio su juo ar laiko.
Šiuo požiūriu įdomu galvoti, pavyzdžiui, apie gravitaciją. Turbūt visi yra matę tokias nuotraukas:
Paprastai jie vaizduoja, kaip gravitacija lenkia erdvėlaikį. Lenkia... kur? Tiksliai ne jokiu mums pažįstamu matmeniu. O kaip su kvantiniu tuneliu, tai yra, dalelės gebėjimu išnykti vienoje vietoje ir atsirasti visai kitoje, o už kliūties, pro kurią mūsų realybėje ji negalėtų prasiskverbti nepadariusi joje skylės? O juodosios skylės? O jeigu visos šios ir kitos šiuolaikinio mokslo paslaptys paaiškinamos tuo, kad erdvės geometrija visai ne tokia, kokia esame įpratę ją suvokti?
Laikrodis tiksi
Laikas mūsų Visatai prideda dar vieną koordinates. Kad vakarėlis įvyktų, reikia žinoti ne tik kuriame bare jis vyks, bet ir tikslų šio renginio laiką.
Remiantis mūsų suvokimu, laikas yra ne tiek tiesi linija, kiek spindulys. Tai yra, jis turi atspirties tašką, o judėjimas vykdomas tik viena kryptimi - iš praeities į ateitį. Be to, tikra yra tik dabartis. Neegzistuoja nei praeitis, nei ateitis, kaip biuro darbuotojo pietų pertraukos metu neegzistuoja pusryčiai ir vakarienės.
Tačiau reliatyvumo teorija su tuo nesutinka. Jos požiūriu, laikas yra visavertis matmuo. Visi įvykiai, kurie egzistavo, egzistuoja ir egzistuos, yra vienodai tikri, kaip ir jūros paplūdimys yra tikras, nepaisant to, kur tiksliai mus nustebino svajonės apie banglenčių garsą. Mūsų suvokimas tėra kažkas panašaus į prožektorių, kuris apšviečia tam tikrą segmentą tiesia laiko linija. Žmonija ketvirtoje dimensijoje atrodo maždaug taip:
Bet mes matome tik projekciją, šios dimensijos gabalėlį kiekvienu atskiru laiko momentu. Taip, taip, kaip brokoliai MRT aparate.
Iki šiol visos teorijos veikė su daugybe erdvinių matmenų, o laikinoji visada buvo vienintelė. Bet kodėl erdvė leidžia naudoti kelis erdvės matmenis, bet tik vieną kartą? Kol mokslininkai negalės atsakyti į šį klausimą, dviejų ar daugiau laiko erdvių hipotezė atrodys labai patraukli visiems filosofams ir mokslinės fantastikos rašytojams. Ir fizikai taip pat, o kas? Pavyzdžiui, amerikiečių astrofizikas Itzhakas Barsas visų bėdų, susijusių su visko teorija, šaknis mato kaip nepastebėtą antrąjį laiko aspektą. Kaip protinius pratimus, pabandykime įsivaizduoti pasaulį su dviem laikais.
Kiekvienas matmuo egzistuoja atskirai. Tai išreiškiama tuo, kad pakeitus objekto koordinates viename matmenyje, koordinatės kituose gali likti nepakitusios. Taigi, jei judate išilgai vienos laiko ašies, kuri stačiu kampu kerta kitą, tada susikirtimo taške laikas sustos. Praktiškai tai atrodys maždaug taip:
Viskas, ką Neo turėjo padaryti, tai pastatyti savo vienmatę laiko ašį statmenai kulkų laiko ašiai. Tik smulkmena, sutikite. Tiesą sakant, viskas yra daug sudėtingiau.
Tikslus laikas visatoje su dviem laiko matmenimis bus nustatomas pagal dvi vertes. Ar sunku įsivaizduoti dvimatį įvykį? Tai yra, tas, kuris vienu metu pratęsiamas išilgai dviejų laiko ašių? Tikėtina, kad tokiam pasauliui prireiktų laiko kartografavimo specialistų, lygiai taip pat, kaip kartografai kartoja dvimatį Žemės rutulio paviršių.
Kas dar skiria dvimatę erdvę nuo vienmatės erdvės? Pavyzdžiui, galimybė apeiti kliūtį. Tai visiškai už mūsų proto ribų. Vienmačio pasaulio gyventojas neįsivaizduoja, ką reiškia pasukti už kampo. O kas tai – kampas laike? Be to, dvimatėje erdvėje galite keliauti pirmyn, atgal ar net įstrižai. Neįsivaizduoju, ką reiškia leisti laiką įstrižai. Jau nekalbant apie tai, kad laikas yra daugelio fizikinių dėsnių pagrindas, ir neįmanoma įsivaizduoti, kaip Visatos fizika pasikeis atsiradus kitai laiko dimensijai. Bet taip įdomu apie tai galvoti!
Labai didelė enciklopedija
Kiti matmenys dar nebuvo atrasti ir egzistuoja tik matematiniuose modeliuose. Bet jūs galite pabandyti įsivaizduoti juos tokius.
Kaip sužinojome anksčiau, matome trimatę Visatos ketvirtosios (laiko) dimensijos projekciją. Kitaip tariant, kiekvienas mūsų pasaulio egzistavimo momentas yra taškas (panašus į nulinę dimensiją) laikotarpiu nuo Didžiojo sprogimo iki pasaulio pabaigos.
Tie, kurie skaitėte apie keliones laiku, žinote, kokį svarbų vaidmenį joje atlieka erdvės-laiko kontinuumo kreivumas. Tai yra penktoji dimensija – būtent jame keturmatis erdvėlaikis „lenkiasi“, siekdamas suartinti du šios linijos taškus. Be to kelionė tarp šių taškų būtų per ilga arba net neįmanoma. Grubiai tariant, penktasis matmuo yra panašus į antrąjį - jis perkelia „vienmatę“ erdvės laiko liniją į „dvimatę“ plokštumą su viskuo, ką reiškia gebėjimas pasukti kampą.
Kiek anksčiau ypač filosofiškai nusiteikę mūsų skaitytojai tikriausiai galvojo apie laisvos valios galimybę tokiomis sąlygomis, kai ateitis jau egzistuoja, bet dar nėra žinoma. Mokslas į šį klausimą atsako taip: tikimybės. Ateitis – ne lazda, o visa šluota galimų scenarijų. Kuris išsipildys, sužinosime, kai ten pateksime.
Kiekviena tikimybė egzistuoja kaip „vienmatis“ segmentas penktosios dimensijos „plokštumoje“. Koks yra greičiausias būdas pereiti iš vieno segmento į kitą? Teisingai – sulenkite šią plokštumą kaip popieriaus lapą. Kur turėčiau jį sulenkti? Ir vėl teisingai - šeštojoje dimensijoje, kuri suteikia visai šiai sudėtingai struktūrai „apimtį“. Ir taip padaro ją, kaip trimatę erdvę, „baigtą“ nauju tašku.
Septintasis matmuo yra nauja tiesi linija, kurią sudaro šešių matmenų „taškai“. Koks kitas taškas šioje linijoje? Visas begalinis įvykių raidos kitoje visatoje variantų rinkinys, susiformavęs ne Didžiojo sprogimo pasekoje, o kitomis sąlygomis ir veikiantis pagal kitus dėsnius. Tai yra, septintoji dimensija yra karoliukai iš paralelinių pasaulių. Aštuntasis matmuo surenka šias „tiesias linijas“ į vieną „plokštumą“. O devintąją galima palyginti su knyga, kurioje yra visi aštuntos dimensijos „lapai“. Tai yra visų visatų istorijų visuma su visais fizikos dėsniais ir visomis pradinėmis sąlygomis. Vėl laikotarpis.
Čia pasiekėme ribą. Norėdami įsivaizduoti dešimtąjį matmenį, mums reikia tiesios linijos. O koks kitas taškas gali būti šioje linijoje, jei devinta dimensija jau apima viską, ką galima įsivaizduoti, ir net tai, ko neįmanoma įsivaizduoti? Pasirodo, devinta dimensija yra ne tik dar vienas atspirties taškas, bet ir paskutinis – bent jau mūsų vaizduotei.
Stygų teorija teigia, kad stygos vibruoja dešimtoje dimensijoje – pagrindinės dalelės, sudarančios viską. Jei dešimtajame dimensijoje yra visos visatos ir visos galimybės, tai stygos egzistuoja visur ir visą laiką. Turiu omenyje, kad kiekviena eilutė egzistuoja ir mūsų visatoje, ir bet kurioje kitoje. Bet kada. Iškarto. Puiku, taip? paskelbta
Ar kada pagalvojote, kad Visata yra kaip violončelė? Teisingai – ji neatėjo. Nes Visata nepanaši į violončelę. Bet tai nereiškia, kad jame nėra stygų. Šiandien pakalbėkime apie stygų teoriją.
Žinoma, visatos stygos vargu ar panašios į tas, kurias įsivaizduojame. Stygų teorijoje tai yra neįtikėtinai mažos vibruojančios energijos gijos. Šie siūlai labiau primena mažytes „gumytės“, kurios gali raitytis, ištempti ir susispausti įvairiais būdais. Tačiau visa tai nereiškia, kad ant jų neįmanoma „sugroti“ Visatos simfonijos, nes, anot styginių teoretikų, visa, kas egzistuoja, susideda iš šių „siūlų“.
Fizikos prieštaravimas
XIX amžiaus antroje pusėje fizikai atrodė, kad nieko rimto jų moksle nebegalima atrasti. Klasikinė fizika tikėjo, kad joje neliko rimtų problemų, o visa pasaulio sandara atrodė kaip tobulai reguliuojama ir nuspėjama mašina. Bėda, kaip įprasta, įvyko dėl nesąmonių - vieno iš mažų „debesų“, kurie vis dar liko giedroje, suprantamoje mokslo padangėje. Būtent, skaičiuojant absoliučiai juodo kūno (hipotetinio kūno, kuris esant bet kokiai temperatūrai visiškai sugeria į jį patenkančią spinduliuotę, nepriklausomai nuo bangos ilgio – NS) spinduliavimo energiją.
Skaičiavimai parodė, kad bet kurio visiškai juodo kūno bendra spinduliuotės energija turėtų būti be galo didelė. Norėdamas išsisukti nuo tokio akivaizdaus absurdo, vokiečių mokslininkas Maxas Planckas 1900 m. pasiūlė, kad matomą šviesą, rentgeno spindulius ir kitas elektromagnetines bangas gali skleisti tik tam tikros atskiros energijos dalys, kurias jis pavadino kvantais. Su jų pagalba buvo galima išspręsti konkrečią visiškai juodo kūno problemą. Tačiau kvantinės hipotezės pasekmės determinizmui dar nebuvo suvoktos. Kol 1926 metais kitas vokiečių mokslininkas Werneris Heisenbergas suformulavo garsųjį neapibrėžtumo principą.
Jos esmė susiveda į tai, kad, priešingai nei visi anksčiau vyravo teiginiai, gamta riboja mūsų galimybes numatyti ateitį remdamasi fiziniais dėsniais. Žinoma, mes kalbame apie subatominių dalelių ateitį ir dabartį. Paaiškėjo, kad jie elgiasi visiškai kitaip nei bet kokie dalykai mus supančiame makrokosmose. Subatominiame lygmenyje erdvės audinys tampa nelygus ir chaotiškas. Mažų dalelių pasaulis yra toks neramus ir nesuprantamas, kad prieštarauja sveikam protui. Erdvė ir laikas joje taip susisukę ir susipynę, kad nėra įprastų sąvokų kairė ir dešinė, aukštyn ir žemyn ar net prieš ir po.
Nėra jokio būdo tiksliai pasakyti, kuriame erdvės taške šiuo metu yra tam tikra dalelė ir koks yra jos kampinis momentas. Yra tik tam tikra tikimybė rasti dalelę daugelyje erdvės ir laiko regionų. Atrodo, kad dalelės subatominiame lygmenyje yra „išteptos“ visoje erdvėje. Maža to, neapibrėžiamas ir pats dalelių „statusas“: kai kuriais atvejais jos elgiasi kaip bangos, kitais – pasižymi dalelių savybėmis. Tai fizikai vadina kvantinės mechanikos bangų ir dalelių dvilypumu.
Pasaulio sandaros lygiai: 1. Makroskopinis lygis - materija 2. Molekulinis lygis 3. Atominis lygis - protonai, neutronai ir elektronai 4. Subatominis lygis - elektronas 5. Subatominis lygis - kvarkai 6. Stygų lygis
Bendrojoje reliatyvumo teorijoje, tarsi valstybėje su priešingais dėsniais, situacija yra iš esmės kitokia. Erdvė atrodo kaip batutas – lygus audinys, kurį gali sulenkti ir ištempti masės turintys objektai. Jie sukuria deformacijas erdvėlaikyje – tai, ką mes patiriame kaip gravitaciją. Nereikia nė sakyti, kad harmoninga, teisinga ir nuspėjama Bendroji reliatyvumo teorija yra neišsprendžiamame konflikte su „ekscentrišku chuliganu“ – kvantine mechanika, ir dėl to makropasaulis negali „sudaryti taikos“ su mikropasauliu. Čia į pagalbą ateina stygų teorija.
2D Visata. Daugiakampis grafikas E8 Visko teorija
Stygų teorija įkūnija visų fizikų svajonę suvienyti dvi iš esmės prieštaraujančias bendrąją reliatyvumo teoriją ir kvantinę mechaniką – svajonę, kuri iki pat jo dienų pabaigos persekiojo didžiausią „čigoną ir valkatą“ Albertą Einšteiną.
Daugelis mokslininkų mano, kad viskas nuo išskirtinio galaktikų šokio iki beprotiško subatominių dalelių šokio galiausiai gali būti paaiškinta tik vienu esminiu fiziniu principu. Galbūt net vienas dėsnis, kuris sujungia visas energijos rūšis, daleles ir sąveikas kokioje nors elegantiškoje formulėje.
Bendroji reliatyvumo teorija apibūdina vieną garsiausių Visatos jėgų – gravitaciją. Kvantinė mechanika apibūdina dar tris jėgas: stiprią branduolinę jėgą, sujungiančią protonus ir neutronus į atomus, elektromagnetizmą ir silpnąją jėgą, susijusią su radioaktyviuoju skilimu. Bet koks įvykis visatoje – nuo atomo jonizacijos iki žvaigždės gimimo – aprašomas materijos sąveika per šias keturias jėgas.
Sudėtingiausios matematikos pagalba buvo galima parodyti, kad elektromagnetinės ir silpnosios sąveikos turi bendrą pobūdį, jas sujungiant į vieną elektrosilpną sąveiką. Vėliau prie jų buvo pridėta stipri branduolinė sąveika – tačiau gravitacija jų niekaip nesusijungia. Stygų teorija yra viena rimčiausių kandidatų sujungti visas keturias jėgas, taigi ir apimanti visus Visatos reiškinius - ne veltui ji dar vadinama „Visko teorija“.
Pradžioje buvo mitas
Iki šiol ne visi fizikai džiaugiasi stygų teorija. Ir savo pasirodymo aušroje atrodė, kad tai be galo toli nuo realybės. Pats jos gimimas yra legenda.
Eulerio beta funkcijos grafikas su realiais argumentais
Septintojo dešimtmečio pabaigoje jaunas italų fizikas teorinis Gabriele Veneziano ieškojo lygčių, galinčių paaiškinti stiprią branduolinę jėgą – itin galingus „klijus“, laikančius atomų branduolius kartu, jungiančius protonus ir neutronus. Pasak legendos, vieną dieną jis atsitiktinai užkliuvo ant apdulkėjusios matematikos istorijos knygos, kurioje rado dviejų šimtų metų senumo funkciją, kurią pirmą kartą užrašė šveicarų matematikas Leonhardas Euleris. Įsivaizduokite Veneziano nuostabą, kai jis atrado, kad Eulerio funkcija, ilgai laikyta ne daugiau kaip matematiniu įdomumu, apibūdina šią stiprią sąveiką.
Kaip buvo iš tikrųjų? Formulė tikriausiai buvo daugelio metų Veneziano darbo rezultatas, o atsitiktinumas tik padėjo žengti pirmąjį žingsnį stygų teorijos atradimo link. Eulerio funkcija, kuri stebuklingai paaiškino stiprią jėgą, atrado naują gyvenimą.
Galiausiai tai patraukė jauno amerikiečių fiziko teorinio Leonardo Susskindo akį, kuris pamatė, kad visų pirma formulė apibūdina daleles, kurios neturi vidinės struktūros ir gali vibruoti. Šios dalelės elgėsi taip, kad negalėjo būti tik taškinės dalelės. Susskindas suprato – formulė apibūdina siūlą, kuris yra tarsi elastinė juosta. Ji galėjo ne tik išsitiesti ir susitraukti, bet ir svyruoti bei svirduliuoti. Aprašęs savo atradimą, Susskindas pristatė revoliucinę stygų idėją.
Deja, didžioji dauguma jo kolegų šią teoriją sutiko labai šaltai.
Standartinis modelis
Tuo metu tradicinis mokslas daleles vaizdavo kaip taškus, o ne kaip stygas. Ilgus metus fizikai tyrė subatominių dalelių elgesį, susidūrę su jas dideliu greičiu, ir tyrinėjo šių susidūrimų pasekmes. Paaiškėjo, kad Visata yra daug turtingesnė, nei galima įsivaizduoti. Tai buvo tikras elementariųjų dalelių „populiacijos sprogimas“. Fizikos magistrantūros studentai bėgiojo koridoriais šaukdami, kad atrado naują dalelę – net neužteko raidžių joms apibūdinti. Tačiau, deja, naujų dalelių „gimdymo namuose“ mokslininkams taip ir nepavyko rasti atsakymo į klausimą – kodėl jų tiek daug ir iš kur jos?
Tai paskatino fizikus pateikti neįprastą ir stulbinančią prognozę – jie suprato, kad gamtoje veikiančias jėgas galima paaiškinti ir dalelėmis. Tai yra, yra medžiagos dalelių ir yra dalelių, kurios atlieka sąveiką. Pavyzdžiui, fotonas yra šviesos dalelė. Kuo daugiau šių dalelių – tų pačių fotonų, kuriais keičiasi medžiagos dalelės – tuo šviesesnė šviesa. Mokslininkai numatė, kad šis konkretus nešiklio dalelių mainai yra ne kas kita, kaip tai, ką mes suvokiame kaip jėgą. Tai patvirtino eksperimentai. Taip fizikams pavyko priartėti prie Einšteino svajonės suvienyti jėgas.
Mokslininkai mano, kad jei paspartinsime po Didžiojo sprogimo, kai Visatoje buvo trilijonais laipsnių karštesnė, dalelės, nešančios elektromagnetizmą ir silpną jėgą, taps neatskiriamos ir susijungs į vieną jėgą, vadinamą elektrosilpne jėga. Ir jei grįžtume laiku atgal, elektrosilpna sąveika susijungtų su stipriąja į vieną bendrą „superjėgą“.
Nors visa tai vis dar laukia, kol bus įrodyta, kvantinė mechanika staiga paaiškino, kaip trys iš keturių jėgų sąveikauja subatominiame lygmenyje. Ir ji tai paaiškino gražiai ir nuosekliai. Šis nuoseklus sąveikos vaizdas galiausiai tapo žinomas kaip standartinis modelis. Bet, deja, ši tobula teorija turėjo vieną didelę problemą – ji neapėmė garsiausios makrolygmens jėgos – gravitacijos.
Sąveika tarp skirtingų dalelių standartiniame modelyje
Gravitonas
Stygų teorijai, kuri dar neturėjo laiko „žydėti“, atėjo „ruduo“, joje nuo pat gimimo buvo per daug problemų. Pavyzdžiui, teorijos skaičiavimai numatė dalelių egzistavimą, kurių, kaip netrukus buvo nustatyta, nėra. Tai vadinamasis tachionas – dalelė, kuri vakuume juda greičiau nei šviesa. Be kita ko, paaiškėjo, kad teorija reikalauja net 10 matmenų. Nenuostabu, kad tai labai supainiojo fizikus, nes jis akivaizdžiai didesnis nei matome.
Iki 1973 m. tik keli jauni fizikai vis dar kovojo su stygų teorijos paslaptimis. Vienas iš jų buvo amerikiečių fizikas teorinis Johnas Schwartzas. Ketverius metus Schwartzas bandė sutramdyti nepaklusnias lygtis, bet nesėkmingai. Be kitų problemų, viena iš šių lygčių išliko apibūdinant paslaptingą dalelę, kuri neturėjo masės ir nebuvo pastebėta gamtoje.
Mokslininkas jau buvo nusprendęs atsisakyti savo pragaištingo verslo, tada jam išaušo – gal stygų teorijos lygtys apibūdina ir gravitaciją? Tačiau tai reiškė pagrindinių teorijos „herojų“ – stygų – matmenų peržiūrą. Darydami prielaidą, kad stygos yra milijardus ir milijardus kartų mažesnės už atomą, „styginiai“ teorijos trūkumą pavertė jos pranašumu. Paslaptingoji dalelė, kurios Johnas Schwartzas taip atkakliai bandė atsikratyti, dabar veikė kaip gravitonas – dalelė, kurios buvo seniai ieškota ir kuri leistų gravitaciją perkelti į kvantinį lygmenį. Taip stygų teorija užbaigė galvosūkį su gravitacija, kurios trūko standartiniame modelyje. Bet, deja, net į šį atradimą mokslo bendruomenė niekaip nereagavo. Stygų teorija liko ant išlikimo slenksčio. Bet tai nesustabdė Schwartzo. Tik vienas mokslininkas norėjo prisijungti prie jo paieškų, pasiruošęs rizikuoti savo karjera dėl paslaptingų stygų – Michaelas Greenas.
Subatominės lizdinės lėlės
Nepaisant visko, devintojo dešimtmečio pradžioje stygų teorija vis dar turėjo neišsprendžiamų prieštaravimų, vadinamų mokslo anomalijomis. Schwartzas ir Greenas nusprendė juos pašalinti. Ir jų pastangos nenuėjo veltui: mokslininkams pavyko pašalinti kai kuriuos teorijos prieštaravimus. Įsivaizduokite šių dviejų, jau pripratusių prie to, kad jų teorija buvo ignoruojama, nuostabą, kai mokslo bendruomenės reakcija susprogdino mokslo pasaulį. Mažiau nei per metus stygų teoretikų skaičius šoktelėjo iki šimtų žmonių. Būtent tada stygų teorijai buvo suteiktas visko teorijos vardas. Atrodė, kad naujoji teorija gali apibūdinti visus visatos komponentus. Ir tai yra komponentai.
Kiekvienas atomas, kaip žinome, susideda iš dar mažesnių dalelių – elektronų, kurie sukasi aplink iš protonų ir neutronų susidedantį branduolį. Protonai ir neutronai savo ruožtu susideda iš dar mažesnių dalelių – kvarkų. Tačiau stygų teorija teigia, kad ji nesibaigia kvarkais. Kvarkai sudaryti iš mažyčių, besisukančių energijos gijų, panašių į stygas. Kiekviena iš šių stygų yra neįsivaizduojamai maža.
Toks mažas, kad jei atomas būtų padidintas iki saulės sistemos dydžio, styga būtų medžio dydžio. Kaip skirtingos violončelės stygos virpesiai sukuria tai, ką girdime, kaip ir skirtingos muzikos natos, skirtingi stygos virpėjimo būdai (režimai) suteikia dalelėms unikalių savybių – masę, krūvį ir kt. Ar žinote, kuo, palyginti, jūsų nago galiuko protonai skiriasi nuo dar neatrasto gravitono? Tik dėl mažyčių stygų, iš kurių jie susideda, rinkiniu ir tuo, kaip šios stygos vibruoja.
Žinoma, visa tai daugiau nei stebina. Nuo Senovės Graikijos laikų fizikai priprato prie to, kad viskas šiame pasaulyje susideda iš kažko panašaus į kamuoliukus, mažytes daleles. Taigi, nespėjus priprasti prie nelogiško šių kamuoliukų elgesio, išplaukiančio iš kvantinės mechanikos, jų prašoma visiškai atsisakyti paradigmos ir operuoti su kažkokiais spagečių likučiais...
Penktasis matmuo
Nors daugelis mokslininkų stygų teoriją vadina matematikos triumfu, kai kurios problemos vis dar išlieka su ja – ypač tai, kad artimiausiu metu nėra galimybės ją išbandyti eksperimentiškai. Nei vienas instrumentas pasaulyje, nei egzistuojantis, nei galintis atsirasti ateityje, negali „pamatyti“ stygų. Todėl kai kurie mokslininkai, beje, net užduoda klausimą: ar stygų teorija yra fizikos ar filosofijos teorija?.. Tiesa, pamatyti stygas „savo akimis“ visai nebūtina. Norint įrodyti stygų teoriją, greičiau reikia kažko kito – kas skamba kaip mokslinė fantastika – patvirtinti papildomų erdvės matmenų egzistavimą.
Apie ką tai? Visi esame pripratę prie trijų erdvės ir vieno – laiko matmenų. Tačiau stygų teorija numato kitų – papildomų – dimensijų buvimą. Bet pradėkime iš eilės.
Tiesą sakant, idėja apie kitų dimensijų egzistavimą kilo beveik prieš šimtą metų. Tai atėjo į galvą tada dar nežinomam vokiečių matematikui Theodorui Kaluzai 1919 m. Jis pasiūlė kitos dimensijos galimybę mūsų Visatoje, kurios mes nematome. Albertas Einšteinas sužinojo apie šią idėją ir iš pradžių jam labai patiko. Tačiau vėliau jis suabejojo jos teisingumu ir ištisus dvejus metus atidėjo Kalužos leidimą. Tačiau galiausiai straipsnis buvo paskelbtas, o papildoma dimensija tapo savotišku fizikos genijaus pomėgiu.
Kaip žinote, Einšteinas parodė, kad gravitacija yra ne kas kita, kaip erdvės ir laiko matmenų deformacija. Kaluza pasiūlė, kad elektromagnetizmas taip pat gali būti bangavimas. Kodėl mes to nematome? Kaluza rado atsakymą į šį klausimą – elektromagnetizmo bangos gali egzistuoti papildomoje, paslėptoje dimensijoje. Bet kur tai yra?
Atsakymą į šį klausimą pateikė švedų fizikas Oskaras Kleinas, teigdamas, kad Kaluzos penktoji dimensija yra sulankstyta milijardus kartų stipriau nei vieno atomo dydis, todėl mes jo nematome. Šios mažos dimensijos, esančios aplink mus, idėja yra stygų teorijos esmė.
Viena iš siūlomų papildomų susuktų matmenų formų. Kiekvienos iš šių formų viduje vibruoja ir juda styga – pagrindinis Visatos komponentas. Kiekviena forma yra šešiamatė – pagal šešių papildomų matmenų skaičių
Dešimt matmenų
Tačiau iš tikrųjų stygų teorijos lygtys reikalauja net ne vieno, o šešių papildomų dimensijų (iš viso su keturiais mums žinomais jų yra lygiai 10). Visi jie turi labai susuktą ir išlenktą sudėtingą formą. Ir visko neįsivaizduojamai maža.
Kaip šie maži matavimai gali paveikti mūsų didelį pasaulį? Pagal stygų teoriją ji yra lemiama: jai forma lemia viską. Kai paspausite skirtingus saksofono klavišus, girdite skirtingus garsus. Taip nutinka todėl, kad paspaudus tam tikrą klavišą ar klavišų kombinaciją, pakeičiama muzikos instrumento erdvės, kurioje cirkuliuoja oras, forma. Dėl to gimsta įvairūs garsai.
Stygų teorija teigia, kad papildomi išlenkti ir susukti erdvės matmenys pasireiškia panašiai. Šių papildomų matmenų formos yra sudėtingos ir įvairios, todėl kiekviena iš šių matmenų stygos vibruoja skirtingai būtent dėl savo formų. Juk jei, pavyzdžiui, manysime, kad viena styga vibruoja ąsočio viduje, o kita – lenkto stulpo rago viduje, tai bus visiškai skirtingi virpesiai. Tačiau, jei tikite stygų teorija, iš tikrųjų papildomų matmenų formos atrodo daug sudėtingesnės nei ąsotis.
Kaip veikia pasaulis
Šiandieninis mokslas žino skaičių rinkinį, kuris yra pagrindinės Visatos konstantos. Jie yra tie, kurie lemia visko, kas mus supa, savybes ir ypatybes. Tarp tokių konstantų yra, pavyzdžiui, elektrono krūvis, gravitacinė konstanta, šviesos greitis vakuume... O jei šiuos skaičius pakeisime nors ir nereikšmingą skaičių kartų, pasekmės bus katastrofiškos. Tarkime, padidinome elektromagnetinės sąveikos stiprumą. Kas nutiko? Galime staiga pastebėti, kad jonai pradeda stipriau atstumti vienas kitą, o branduolių sintezė, dėl kurios žvaigždės spindi ir skleidžia šilumą, staiga nepavyksta. Visos žvaigždės užges.
Bet ką bendro turi stygų teorija su jos papildomais matmenimis? Faktas yra tas, kad pagal jį papildomi matmenys lemia tikslią pagrindinių konstantų reikšmę. Kai kurios matavimo formos priverčia vieną stygą tam tikru būdu vibruoti ir sukuria tai, ką matome kaip fotoną. Kitomis formomis stygos vibruoja skirtingai ir sukuria elektroną. Iš tikrųjų Dievas yra „smulkmenose“ – būtent šios mažytės formos lemia visas pagrindines šio pasaulio konstantas.
Superstygų teorija
Devintojo dešimtmečio viduryje stygų teorija įgavo didingą ir tvarkingą išvaizdą, tačiau paminklo viduje kilo sumaištis. Vos per kelerius metus atsirado net penkios stygų teorijos versijos. Ir nors kiekvienas iš jų yra pastatytas ant stygų ir papildomų matmenų (visos penkios versijos yra sujungtos į bendrą superstygų teoriją - NS), šios versijos labai skyrėsi detalėmis.
Taigi, kai kuriose versijose stygos turėjo atvirus galus, kitose jos priminė žiedus. O kai kuriose versijose teorija reikalavo net ne 10, o net 26 matmenų. Paradoksas tas, kad visas penkias versijas šiandien galima vadinti vienodai teisingomis. Bet kuris iš jų iš tikrųjų apibūdina mūsų Visatą? Tai dar viena stygų teorijos paslaptis. Štai kodėl daugelis fizikų vėl atsisakė „beprotiškos“ teorijos.
Tačiau pagrindinė stygų problema, kaip jau minėta, yra neįmanoma (bent jau kol kas) eksperimentiškai įrodyti jų buvimo.
Tačiau kai kurie mokslininkai vis dar teigia, kad naujos kartos greitintuvai turi labai minimalią, bet vis tiek galimybę patikrinti papildomų matmenų hipotezę. Nors dauguma, žinoma, yra įsitikinę, kad jei tai įmanoma, tai, deja, neįvyks labai greitai - bent jau po dešimtmečių, daugiausiai - net po šimto metų.