Superstruny we wszechświecie. Co teoria strun mówi w prostych słowach?

Oczywiście struny wszechświata w niczym nie przypominają tych, które sobie wyobrażamy. W teorii strun są to niewiarygodnie małe, wibrujące nici energii. Nici te przypominają raczej maleńkie „gumki”, które mogą się wić, rozciągać i ściskać na różne sposoby. Wszystko to jednak nie oznacza, że nie da się na nich „zagrać” symfonii Wszechświata, gdyż według teoretyków strun wszystko, co istnieje, składa się z tych „nici”.

Sprzeczność fizyki

W drugiej połowie XIX wieku fizykom wydawało się, że w ich nauce nie można już odkryć nic poważnego. Fizyka klasyczna uważała, że nie ma już w niej poważniejszych problemów, a cała konstrukcja świata wyglądała jak doskonale regulowana i przewidywalna maszyna. Kłopoty, jak zwykle, wynikały z nonsensów - jednej z małych „chmur”, które wciąż pozostawały na czystym, zrozumiałym niebie nauki. Mianowicie przy obliczaniu energii promieniowania ciała absolutnie czarnego (hipotetycznego ciała, które w dowolnej temperaturze całkowicie pochłania padające na nie promieniowanie, niezależnie od długości fali - NS). Obliczenia wykazały, że całkowita energia promieniowania każdego absolutnie czarnego ciała powinna być nieskończenie duża. Aby uniknąć tak oczywistego absurdu, niemiecki naukowiec Max Planck w 1900 roku zaproponował, że światło widzialne, promieniowanie rentgenowskie i inne fale elektromagnetyczne mogą być emitowane jedynie przez pewne dyskretne porcje energii, które nazwał kwantami. Za ich pomocą udało się rozwiązać szczególny problem ciała absolutnie czarnego. Jednak konsekwencje hipotezy kwantowej dla determinizmu nie zostały jeszcze uświadomione. Aż do roku 1926, inny niemiecki naukowiec Werner Heisenberg sformułował słynną zasadę nieoznaczoności.

Jej istota sprowadza się do tego, że wbrew wszystkim dotychczas dominującym twierdzeniom, natura ogranicza naszą zdolność przewidywania przyszłości na podstawie praw fizycznych. Mówimy oczywiście o przyszłości i teraźniejszości cząstek subatomowych. Okazało się, że zachowują się one zupełnie inaczej niż wszelkie rzeczy w otaczającym nas makrokosmosie. Na poziomie subatomowym struktura przestrzeni staje się nierówna i chaotyczna. Świat drobnych cząstek jest tak burzliwy i niezrozumiały, że wymyka się zdrowemu rozsądkowi. Przestrzeń i czas są w nim tak skręcone i splecione, że nie ma zwykłych pojęć lewej i prawej, góry i dołu, a nawet przed i po. Nie można z całą pewnością stwierdzić, w którym punkcie przestrzeni aktualnie znajduje się dana cząstka i jaki jest jej moment pędu. Prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w wielu obszarach czasoprzestrzeni jest tylko pewne. Cząstki na poziomie subatomowym wydają się być „rozmazane” w przestrzeni. Co więcej, sam „status” cząstek nie jest określony: w niektórych przypadkach zachowują się one jak fale, w innych wykazują właściwości cząstek. To właśnie fizycy nazywają dualizmem korpuskularno-falowym w mechanice kwantowej.

Poziomy struktury świata: 1. Poziom makroskopowy - materia 2. Poziom molekularny 3. Poziom atomowy - protony, neutrony i elektrony 4. Poziom subatomowy - elektron 5. Poziom subatomowy - kwarki 6. Poziom strun / ©Bruno P. Ramos

W Ogólnej Teorii Względności, jak w państwie o przeciwnych prawach, sytuacja jest zasadniczo inna. Przestrzeń przypomina trampolinę – gładką tkaninę, którą obiekty posiadające masę mogą zginać i rozciągać. Tworzą zakrzywienia w czasoprzestrzeni – to, co odczuwamy jako grawitację. Nie trzeba dodawać, że harmonijna, poprawna i przewidywalna Ogólna Teoria Względności znajduje się w nierozwiązalnym konflikcie z „ekscentrycznym chuliganem” – mechaniką kwantową, w wyniku czego makroświat nie może „pogodzić się” z mikroświatem. I tu z pomocą przychodzi teoria strun.

Wszechświat 2D. Wykres wielościanowy E8 / ©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project

Teoria wszystkiego

Teoria strun ucieleśnia marzenie wszystkich fizyków o zjednoczeniu dwóch zasadniczo sprzecznych ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej, marzenie, które prześladowało największego „Cygana i włóczęgę” Alberta Einsteina do końca jego dni.

Wielu naukowców wierzy, że wszystko, od wspaniałego tańca galaktyk po szalony taniec cząstek subatomowych, można ostatecznie wyjaśnić tylko jedną podstawową zasadą fizyczną. Może nawet jedno prawo, które łączy wszystkie rodzaje energii, cząstek i interakcji w jakąś elegancką formułę.

Ogólna teoria względności opisuje jedną z najsłynniejszych sił Wszechświata – grawitację. Mechanika kwantowa opisuje trzy inne oddziaływania: silne oddziaływanie jądrowe, które skleja protony i neutrony w atomach, elektromagnetyzm oraz oddziaływanie słabe, które bierze udział w rozpadzie radioaktywnym. Każde wydarzenie we wszechświecie, od jonizacji atomu po narodziny gwiazdy, opisywane jest poprzez interakcję materii poprzez te cztery siły. Za pomocą najbardziej złożonej matematyki udało się wykazać, że oddziaływania elektromagnetyczne i słabe mają wspólną naturę, łącząc je w jedno oddziaływanie elektrosłabe. Następnie dodano do nich silne oddziaływanie jądrowe - ale grawitacja w żaden sposób ich nie łączy. Teoria strun jest jednym z najpoważniejszych kandydatów do połączenia wszystkich czterech sił, a zatem obejmujących wszystkie zjawiska we Wszechświecie - nie bez powodu nazywana jest także „Teorią Wszystkiego”.

Na początku był mit

Wykres funkcji beta Eulera z rzeczywistymi argumentami / ©Flickr

Jak dotąd nie wszyscy fizycy są zachwyceni teorią strun. A na początku jego pojawienia się wydawało się to nieskończenie odległe od rzeczywistości. Już samo jej narodziny są legendą.

Pod koniec lat sześćdziesiątych młody włoski fizyk teoretyczny Gabriele Veneziano poszukiwał równań, które mogłyby wyjaśnić silne oddziaływania jądrowe — niezwykle potężny „klej”, który utrzymuje razem jądra atomów, wiążąc razem protony i neutrony. Według legendy pewnego dnia przypadkowo natknął się na zakurzoną książkę o historii matematyki, w której znalazł funkcję sprzed dwustu lat, po raz pierwszy zapisaną przez szwajcarskiego matematyka Leonharda Eulera. Wyobraźcie sobie zdziwienie Veneziano, gdy odkrył, że funkcja Eulera, długo uważana za matematyczną ciekawostkę, opisuje tę silną interakcję.

Jak to było naprawdę? Formuła była prawdopodobnie wynikiem wielu lat pracy Veneziano, a przypadek tylko pomógł zrobić pierwszy krok w kierunku odkrycia teorii strun. Funkcja Eulera, która w cudowny sposób wyjaśniała siłę silną, znalazła nowe życie.

Ostatecznie przykuło to uwagę młodego amerykańskiego fizyka teoretycznego Leonarda Susskinda, który zauważył, że przede wszystkim wzór opisuje cząstki, które nie mają wewnętrznej struktury i mogą wibrować. Cząstki te zachowywały się w taki sposób, że nie mogły być cząstkami punktowymi. Susskind zrozumiał – formuła opisuje nić przypominającą gumkę. Potrafiła nie tylko rozciągać się i kurczyć, ale także oscylować i wić się. Po opisaniu swojego odkrycia Susskind przedstawił rewolucyjną ideę strun.

Niestety zdecydowana większość jego kolegów przyjęła tę teorię bardzo chłodno.

Model standardowy

W tamtym czasie nauka konwencjonalna przedstawiała cząstki jako punkty, a nie struny. Przez lata fizycy badali zachowanie cząstek subatomowych, zderzając je z dużymi prędkościami i badając konsekwencje tych zderzeń. Okazało się, że Wszechświat jest znacznie bogatszy niż można sobie wyobrazić. To była prawdziwa „eksplozja populacyjna” cząstek elementarnych. Absolwenci fizyki biegali po korytarzach, krzycząc, że odkryli nową cząstkę – nie było nawet wystarczającej liczby liter, aby je oznaczyć.

Ale, niestety, w „szpitale położniczym” nowych cząstek naukowcom nigdy nie udało się znaleźć odpowiedzi na pytanie - dlaczego jest ich tak dużo i skąd się biorą?

To skłoniło fizyków do dokonania niezwykłej i zaskakującej prognozy – zdali sobie sprawę, że siły działające w przyrodzie można również wyjaśnić w kategoriach cząstek. Oznacza to, że istnieją cząstki materii i cząstki przenoszące interakcje. Na przykład foton jest cząstką światła. Im więcej cząstek nośnika – tych samych fotonów, które wymieniają cząstki materii – tym jaśniejsze jest światło. Naukowcy przewidzieli, że ta szczególna wymiana cząstek nośnika to nic innego jak to, co postrzegamy jako siłę. Zostało to potwierdzone eksperymentami. W ten sposób fizykom udało się zbliżyć do marzenia Einsteina o zjednoczeniu sił.

Interakcje pomiędzy różnymi cząstkami w Modelu Standardowym / ©Wikimedia Commons

Naukowcy uważają, że jeśli cofniemy się do czasów tuż po Wielkim Wybuchu, kiedy Wszechświat był o biliony stopni cieplejszy, cząstki przenoszące elektromagnetyzm i oddziaływanie słabe staną się nie do odróżnienia i połączą się w jedną siłę zwaną siłą elektrosłabą. A jeśli cofniemy się jeszcze dalej w czasie, oddziaływanie elektrosłabe połączy się z oddziaływaniem silnym w jedną całkowitą „supermoc”.

Chociaż wszystko to wciąż czeka na udowodnienie, mechanika kwantowa nagle wyjaśniła, w jaki sposób trzy z czterech sił oddziałują na poziomie subatomowym. I pięknie i spójnie to wyjaśniła. Ten spójny obraz interakcji ostatecznie stał się znany jako Model Standardowy. Ale, niestety, ta doskonała teoria miała jeden duży problem - nie obejmowała najsłynniejszej siły na poziomie makro - grawitacji.

©Wikimedia Commons

Grawiton

Dla teorii strun, która nie miała jeszcze czasu „rozkwitnąć”, nadeszła „jesień”, która od samego początku zawierała zbyt wiele problemów. Na przykład obliczenia teorii przewidywały istnienie cząstek, które, jak wkrótce ustalono, nie istnieją. Jest to tak zwany tachion – cząstka poruszająca się w próżni szybciej niż światło. Okazało się między innymi, że teoria wymaga aż 10 wymiarów. Nic dziwnego, że było to bardzo mylące dla fizyków, ponieważ jest oczywiście większe niż to, co widzimy.

W roku 1973 tylko kilku młodych fizyków nadal zmagało się z tajemnicami teorii strun. Jednym z nich był amerykański fizyk teoretyczny John Schwartz. Przez cztery lata Schwartz próbował okiełznać niesforne równania, ale bezskutecznie. Między innymi jedno z tych równań nadal opisywało tajemniczą cząstkę, która nie miała masy i nie była obserwowana w naturze.

Naukowiec postanowił już porzucić swój fatalny biznes i wtedy dotarło do niego - może równania teorii strun opisują także grawitację? Oznaczało to jednak rewizję wymiarów głównych „bohaterów” teorii – strun. Zakładając, że struny są miliardy razy mniejsze od atomu, „podłużnicy” zamienili wadę teorii w zaletę. Tajemnicza cząstka, której tak uporczywie próbował się pozbyć John Schwartz, teraz zadziałała jak grawiton – cząstka, której od dawna szukano, a która umożliwiłaby przeniesienie grawitacji na poziom kwantowy. W ten sposób teoria strun uzupełniła zagadkę z grawitacją, której brakowało w Modelu Standardowym. Ale, niestety, nawet na to odkrycie społeczność naukowa nie zareagowała w żaden sposób. Teoria strun pozostawała na krawędzi przetrwania. Ale to nie powstrzymało Schwartza. Tylko jeden naukowiec chciał przyłączyć się do jego poszukiwań, gotowy zaryzykować karierę w imię tajemniczych sznurków – Michael Green.

Amerykański fizyk teoretyczny John Schwartz i Michael Green

©Kalifornijski Instytut Technologii/elementy.ru

Jakie są powody, by sądzić, że grawitacja podlega prawom mechaniki kwantowej? Za odkrycie tych „podstaw” w 2011 roku przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Polegało to na tym, że ekspansja Wszechświata nie spowalnia, jak kiedyś sądzono, ale wręcz przeciwnie, przyspiesza. Przyspieszenie to tłumaczy się działaniem specjalnej „antygrawitacji”, która jest w jakiś sposób charakterystyczna dla pustej przestrzeni próżni kosmicznej. Z drugiej strony na poziomie kwantowym nie może być nic absolutnie „pustego” - w próżni cząstki subatomowe nieustannie pojawiają się i natychmiast znikają. Uważa się, że to „migotanie” cząstek jest odpowiedzialne za istnienie „antygrawitacyjnej” ciemnej energii, która wypełnia pustą przestrzeń.

Swego czasu to Albert Einstein, który do końca życia nie akceptował paradoksalnych zasad mechaniki kwantowej (które sam przewidział), zasugerował istnienie tej formy energii. Podążając za tradycją klasycznej filozofii greckiej Arystotelesa, z jej wiarą w wieczność świata, Einstein nie chciał wierzyć w to, co przewidywała jego własna teoria, a mianowicie w to, że wszechświat miał początek. Aby „utrwalić” wszechświat, Einstein wprowadził nawet do swojej teorii pewną stałą kosmologiczną i w ten sposób opisał energię pustej przestrzeni. Na szczęście po kilku latach stało się jasne, że Wszechświat wcale nie jest formą zamrożoną, że się rozszerza. Następnie Einstein porzucił stałą kosmologiczną, nazywając ją „największym błędem w obliczeniach swojego życia”.

Dziś nauka wie, że ciemna energia nadal istnieje, chociaż jej gęstość jest znacznie mniejsza niż zakładał Einstein (swoją drogą problem gęstości ciemnej energii jest jedną z największych zagadek współczesnej fizyki). Ale niezależnie od tego, jak mała jest wartość stałej kosmologicznej, wystarczy sprawdzić, czy istnieją efekty kwantowe w grawitacji.

Subatomowe lalki gniazdujące

Mimo wszystko na początku lat 80. w teorii strun nadal występowały nierozwiązywalne sprzeczności, zwane w nauce anomaliami. Schwartz i Green przystąpili do ich eliminacji. A ich wysiłki nie poszły na marne: naukowcom udało się wyeliminować niektóre sprzeczności w teorii. Wyobraźcie sobie zdumienie tej dwójki, przyzwyczajonej już do faktu, że ich teoria została zignorowana, gdy reakcja społeczności naukowej wysadziła świat naukowy. W niecały rok liczba teoretyków strun wzrosła do setek osób. To właśnie wtedy teoria strun otrzymała tytuł Teorii Wszystkiego. Wydawało się, że nowa teoria jest w stanie opisać wszystkie składniki wszechświata. I to są komponenty.

Jak wiemy, każdy atom składa się z jeszcze mniejszych cząstek – elektronów, które wirują wokół jądra składającego się z protonów i neutronów. Z kolei protony i neutrony składają się z jeszcze mniejszych cząstek – kwarków. Ale teoria strun mówi, że to nie koniec kwarków. Kwarki składają się z maleńkich, wijących się pasm energii przypominających struny. Każdy z tych ciągów jest niewyobrażalnie mały. Tak małe, że gdyby atom powiększono do rozmiarów Układu Słonecznego, struna miałaby wielkość drzewa. Tak jak różne wibracje struny wiolonczeli tworzą to, co słyszymy, tak różne nuty, różne sposoby (tryby) drgań struny nadają cząsteczkom ich unikalne właściwości – masę, ładunek itp. Czy wiesz, czym, mówiąc relatywnie, protony na czubku paznokcia różnią się od nieodkrytego jeszcze grawitonu? Tylko dzięki zbiorowi maleńkich strun, które je tworzą, i sposobowi, w jaki te struny wibrują.

Oczywiście wszystko to jest więcej niż zaskakujące. Od czasów starożytnej Grecji fizycy przyzwyczaili się do tego, że wszystko na tym świecie składa się z czegoś w rodzaju kulek, drobnych cząstek. I tak, nie mając czasu przyzwyczaić się do nielogicznego zachowania tych kulek, jakie wynika z mechaniki kwantowej, proszone są o całkowite porzucenie paradygmatu i operowanie jakimiś skrawkami spaghetti…

Piąty wymiar

Chociaż wielu naukowców nazywa teorię strun triumfem matematyki, nadal pozostają z nią pewne problemy - przede wszystkim brak możliwości jej eksperymentalnego przetestowania w najbliższej przyszłości. Żaden instrument na świecie, ani istniejący, ani mogący pojawić się w przyszłości, nie jest w stanie „zobaczyć” strun. Dlatego, nawiasem mówiąc, niektórzy naukowcy zadają nawet pytanie: czy teoria strun jest teorią fizyki czy filozofii?.. To prawda, że oglądanie strun „na własne oczy” wcale nie jest konieczne. Udowodnienie teorii strun wymaga raczej czegoś innego – co brzmi jak science fiction – potwierdzenia istnienia dodatkowych wymiarów przestrzeni.

O czym to jest? Wszyscy jesteśmy przyzwyczajeni do trzech wymiarów przestrzeni i jednego – czasu. Jednak teoria strun przewiduje obecność innych – dodatkowych – wymiarów. Ale zacznijmy po kolei.

Tak naprawdę idea istnienia innych wymiarów pojawiła się prawie sto lat temu. Przyszło to na myśl nieznanemu wówczas niemieckiemu matematykowi Theodorowi Kaluzie w 1919 roku. Zasugerował możliwość istnienia innego wymiaru w naszym Wszechświecie, którego nie widzimy. Albert Einstein dowiedział się o tym pomyśle i początkowo bardzo mu się spodobał. Później jednak zwątpił w jej słuszność i zwlekał z publikacją Kaluzy o całe dwa lata. Ostatecznie jednak artykuł został opublikowany, a dodatkowy wymiar stał się swoistym hobby dla geniusza fizyki.

Jak wiadomo, Einstein wykazał, że grawitacja to nic innego jak deformacja wymiarów czasoprzestrzeni. Kaluza zasugerował, że elektromagnetyzm może być również zmarszczkami. Dlaczego tego nie widzimy? Kaluza znalazł odpowiedź na to pytanie - fale elektromagnetyczne mogą istnieć w dodatkowym, ukrytym wymiarze. Ale gdzie to jest?

Odpowiedzi na to pytanie udzielił szwedzki fizyk Oskar Klein, który zasugerował, że piąty wymiar Kaluzy jest złożony miliardy razy silniej niż rozmiar pojedynczego atomu i dlatego go nie widać. Idea tego maleńkiego wymiaru, który jest wokół nas, leży u podstaw teorii strun.

Jedna z proponowanych form dodatkowych wymiarów skręconych. Wewnątrz każdej z tych form wibruje i porusza się struna – główny składnik Wszechświata. Każda forma jest sześciowymiarowa - zgodnie z liczbą sześciu dodatkowych wymiarów / ©Wikimedia Commons

Dziesięć wymiarów

Ale tak naprawdę równania teorii strun wymagają nawet nie jednego, ale sześciu dodatkowych wymiarów (w sumie przy czterech, które znamy, jest ich dokładnie 10). Wszystkie mają bardzo skręcony i zakrzywiony, złożony kształt. A wszystko jest niewyobrażalnie małe.

W jaki sposób te drobne wymiary mogą wpłynąć na nasz wielki świat? Według teorii strun ma to decydujące znaczenie: dla niej kształt decyduje o wszystkim. Kiedy naciskasz różne klawisze na saksofonie, otrzymujesz różne dźwięki. Dzieje się tak, ponieważ naciśnięcie określonego klawisza lub kombinacji klawiszy powoduje zmianę kształtu przestrzeni w instrumencie muzycznym, w której krąży powietrze. Dzięki temu rodzą się różne dźwięki.

Teoria strun sugeruje, że dodatkowe zakrzywione i skręcone wymiary przestrzeni manifestują się w podobny sposób. Kształty tych dodatkowych wymiarów są złożone i różnorodne, a każdy z nich powoduje, że struna znajdująca się w tych wymiarach wibruje inaczej, właśnie ze względu na ich kształt. Przecież jeśli założymy np., że jedna struna wibruje wewnątrz dzbanka, a druga w zakrzywionym rogu słupkowym, to będą to zupełnie inne wibracje. Jeśli jednak wierzyć teorii strun, w rzeczywistości formy dodatkowych wymiarów wyglądają znacznie bardziej skomplikowanie niż dzbanek.

Jak działa świat

Dzisiejsza nauka zna zbiór liczb, które są podstawowymi stałymi Wszechświata. To oni określają właściwości i cechy wszystkiego, co nas otacza. Do takich stałych zalicza się np. ładunek elektronu, stała grawitacji, prędkość światła w próżni... A jeśli zmienimy te liczby choćby znikomą ilość razy, skutki będą katastrofalne. Załóżmy, że zwiększyliśmy siłę oddziaływania elektromagnetycznego. Co się stało? Możemy nagle odkryć, że jony zaczną się silniej odpychać, a synteza jądrowa, która powoduje, że gwiazdy świecą i emitują ciepło, nagle kończy się niepowodzeniem. Wszystkie gwiazdy zgasną.

Ale co ma z tym wspólnego teoria strun z jej dodatkowymi wymiarami? Faktem jest, że według niego to dodatkowe wymiary określają dokładną wartość stałych podstawowych. Niektóre formy pomiaru powodują, że jedna struna wibruje w określony sposób i wytwarza to, co widzimy jako foton. W innych formach struny wibrują inaczej i wytwarzają elektron. Zaprawdę, Bóg jest w „małych rzeczach” – to te maleńkie formy określają wszystkie podstawowe stałe tego świata.

Teoria superstrun

W połowie lat osiemdziesiątych teoria strun nabrała wspaniałego i uporządkowanego wyglądu, ale wewnątrz pomnika panowało zamieszanie. W ciągu zaledwie kilku lat powstało aż pięć wersji teorii strun. I choć każda z nich zbudowana jest na strunach i dodatkowych wymiarach (wszystkie pięć wersji łączy się w ogólną teorię superstrun – NS), to wersje te znacznie odbiegały od siebie w szczegółach.

Zatem w niektórych wersjach sznurki miały otwarte końce, w innych przypominały pierścienie. A w niektórych wersjach teoria wymagała nawet nie 10, ale aż 26 wymiarów. Paradoks polega na tym, że wszystkie pięć dzisiejszych wersji można nazwać równie prawdziwymi. Ale który z nich tak naprawdę opisuje nasz Wszechświat? To kolejna zagadka teorii strun. Dlatego wielu fizyków ponownie zrezygnowało z „szalonej” teorii.

Jednak głównym problemem strun, jak już wspomniano, jest niemożność (przynajmniej na razie) eksperymentalnego udowodnienia ich obecności.

Część naukowców nadal jednak twierdzi, że następna generacja akceleratorów ma bardzo minimalną, ale jednak szansę na przetestowanie hipotezy o dodatkowych wymiarach. Chociaż większość jest oczywiście pewna, że jeśli jest to możliwe, to niestety nie stanie się to szybko – przynajmniej za dekady, maksymalnie – nawet za sto lat.

Badając kompleksowo nasz wszechświat, naukowcy ustalają szereg wzorców i faktów, które następnie stają się prawami potwierdzonymi hipotezami. Na ich podstawie inne badania w dalszym ciągu przyczyniają się do wszechstronnego badania świata w liczbach.

Teoria strun wszechświata jest sposobem przedstawienia przestrzeni wszechświata, składającej się z pewnych nici, zwanych strunami i branami. Mówiąc najprościej (dla manekinów), podstawą świata nie są cząstki (jak wiemy), ale wibrujące elementy energetyczne zwane strunami i brami. Rozmiar sznurka jest bardzo, bardzo mały - około 10 -33 cm.

Do czego to służy i czy jest przydatne? Teoria ta dała impuls do opisu pojęcia „grawitacji”.

Teoria strun jest matematyczna, to znaczy, że naturę fizyczną opisują równania. Jest ich wiele, ale nie ma jednego i prawdziwego. Ukryte wymiary wszechświata nie zostały jeszcze ustalone eksperymentalnie.

Teoria opiera się na 5 koncepcjach:

Świat składa się z nici znajdujących się w stanie wibracyjnym oraz membran energetycznych.
Teoria opiera się na teorii grawitacji i fizyce kwantowej.
Teoria jednoczy wszystkie podstawowe siły wszechświata.
Cząstki bozonów i fermionów mają nowy rodzaj połączenia - supersymetrię.
Teoria opisuje wymiary we Wszechświecie, które są nieobserwowalne dla ludzkiego oka.

Porównanie z gitarą pomoże ci lepiej zrozumieć teorię strun.

Świat po raz pierwszy usłyszał o tej teorii w latach siedemdziesiątych XX wieku. Nazwiska naukowców biorących udział w opracowywaniu tej hipotezy:

Wittena;
Wenecjanin;
Zielony;
Brutto;
Kaku;
Maldacena;
Poliakow;
Susskinda;
Schwartza.

Nici energetyczne uznano za jednowymiarowe – struny. Oznacza to, że ciąg ma 1 wymiar - długość (bez wysokości). Istnieją 2 typy:

otwarte, w których końce nie stykają się ze sobą;
pętla zamknięta.

Stwierdzono, że mogą one wchodzić w interakcję na 5 takich sposobów, opiera się to na zdolności do łączenia i oddzielania końców. Brak sznurków pierścieniowych jest niemożliwy ze względu na możliwość łączenia sznurków otwartych.

W rezultacie naukowcy uważają, że teoria ta jest w stanie opisać nie asocjację cząstek, ale zachowanie grawitacji. Brany lub arkusze są uważane za elementy, do których przymocowane są sznurki.

Może Cię zainteresuje

Grawitacja kwantowa

W fizyce istnieje prawo kwantowe i ogólna teoria względności. Fizyka kwantowa bada cząstki w skali wszechświata. Zawarte w niej hipotezy nazywane są teoriami grawitacji kwantowej; za najważniejsze uważa się grawitację strunową.

Zamknięte w nim nici działają zgodnie z siłami grawitacji, mając właściwości grawitonu – cząstki przenoszącej właściwości pomiędzy cząsteczkami.

Łączenie sił. Teoria obejmuje połączone siły w jedną - elektromagnetyczną, jądrową, grawitacyjną. Naukowcy uważają, że dokładnie tak było wcześniej, zanim siły zostały podzielone.

Supersymetria. Zgodnie z koncepcją supersymetrii istnieje związek między bozonami i fermionami (jednostkami strukturalnymi wszechświata). Dla każdego bozonu istnieje fermion i odwrotnie: dla fermionu istnieje bozon. Zostało to obliczone na podstawie równań, ale nie zostało potwierdzone eksperymentalnie. Zaletą supersymetrii jest możliwość eliminacji niektórych zmiennych (nieskończonych, urojonych poziomów energii).

Według fizyków przyczyną niemożności udowodnienia supersymetrii jest przyczyna dużej energii związanej z masą. Istniał wcześniej, przed okresem spadku temperatury we wszechświecie. Po Wielkim Wybuchu energia uległa rozproszeniu, a cząstki przeniosły się na niższy poziom energii.

Mówiąc najprościej, struny, które mogły wibrować z właściwościami cząstek o dużej energii, utraciwszy ją, stały się wibracjami niskimi.

Tworząc akceleratory cząstek, naukowcy chcą zidentyfikować elementy supersymetryczne o wymaganym poziomie energii.

Dodatkowe wymiary teorii strun

Następstwem teorii strun jest matematyczna koncepcja mówiąca, że musi istnieć więcej niż 3 wymiary. Pierwszym wyjaśnieniem jest to, że dodatkowe wymiary stały się zwarte i małe, w wyniku czego nie można ich zobaczyć ani dostrzec.

Istniejemy w trójwymiarowej branie, odcięci od innych wymiarów. Dopiero umiejętność wykorzystania modelowania matematycznego dawała nadzieję na uzyskanie współrzędnych, które je połączą. Najnowsze badania w tym obszarze pozwalają przypuszczać, że pojawią się nowe optymistyczne dane.

Proste zrozumienie celu

Naukowcy na całym świecie badający superstruny starają się uzasadnić teorię dotyczącą całej rzeczywistości fizycznej. Pojedyncza hipoteza mogłaby scharakteryzować wszystko na poziomie podstawowym, wyjaśniając strukturę planety.

Teoria strun wyłoniła się z opisu hadronów, cząstek o wyższych stanach wibracyjnych struny. Krótko mówiąc, łatwo wyjaśnia przejście od długości do masy.

Istnieje wiele teorii superstrun. Dziś nie wiadomo na pewno, czy uda się za jej pomocą wyjaśnić teorię czasoprzestrzeni dokładniej niż Einstein. Dokonane pomiary nie dostarczają dokładnych danych. Część z nich, dotycząca czasoprzestrzeni, była konsekwencją oddziaływania strun, ostatecznie jednak została poddana krytyce.

Główną konsekwencją opisywanej teorii będzie teoria grawitacji, jeśli zostanie potwierdzona.

Struny i brany stały się impulsem do powstania ponad 10 tysięcy wariantów sądów o wszechświecie. Książki o teorii strun są ogólnodostępne w Internecie, szczegółowo i przejrzyście opisane przez autorów:

Yau Shintan;
Steve Nadis „Teoria strun i ukryte wymiary wszechświata”;
Brian Greene mówi o tym w The Elegant Universe.

Opinie, dowody, rozumowania i wszystkie najdrobniejsze szczegóły można odnaleźć przeglądając jedną z wielu książek, które w przystępny i ciekawy sposób dostarczają informacji o świecie. Fizycy wyjaśniają istniejący wszechświat naszą obecnością, istnieniem innych wszechświatów (nawet podobnych do naszego). Według Einsteina istnieje złożona wersja przestrzeni.

W teorii superstrun można łączyć punkty równoległych światów. Ustalone prawa fizyki dają nadzieję na możliwość przejścia między wszechświatami. Jednocześnie kwantowa teoria grawitacji eliminuje to.

Fizycy mówią także o holograficznym rejestrowaniu danych, gdy są one rejestrowane na powierzchni. Da to w przyszłości impuls do zrozumienia sądu na temat wątków energetycznych. Istnieją sądy o wielości wymiarów czasu i możliwości poruszania się w nim. Hipoteza Wielkiego Wybuchu na skutek zderzenia 2 bran sugeruje możliwość powtarzania się cykli.

Stworzenie wszechświata, pojawienie się wszystkiego i stopniowa transformacja wszystkiego zawsze zajmowały wybitne umysły ludzkości. Były, są i będą nowe odkrycia. Ostateczna interpretacja teorii strun umożliwi wyznaczenie gęstości materii, czyli stałej kosmologicznej.

Dzięki temu określą zdolność wszechświata do kurczenia się, aż do późniejszego momentu eksplozji i nowego początku wszystkiego. Teorie są rozwijane, sprawdzane i do czegoś prowadzą. Zatem równanie Einsteina, które opisuje zależność energii od masy i kwadratu prędkości światła E=mc^2, stało się później impulsem do pojawienia się broni nuklearnej. Następnie wynaleziono laser i tranzystor. Dziś nie wiemy, czego się spodziewać, ale z pewnością do czegoś to doprowadzi.

To już czwarty temat. Wolontariusze proszeni są także o to, aby nie zapominali, jakie tematy wyrazili chęć poruszenia, a może ktoś właśnie wybrał temat z listy. Odpowiadam za repostowanie i promocję w sieciach społecznościowych. A teraz nasz temat: „teoria strun”

Prawdopodobnie słyszałeś, że najpopularniejsza teoria naukowa naszych czasów, teoria strun, zakłada istnienie znacznie większej liczby wymiarów, niż sugerowałby zdrowy rozsądek.

Największym problemem fizyków teoretycznych jest połączenie wszystkich podstawowych oddziaływań (grawitacyjnych, elektromagnetycznych, słabych i silnych) w jedną teorię. Teoria superstrun twierdzi, że jest teorią wszystkiego.

Okazało się jednak, że najwygodniejsza liczba wymiarów wymagana do działania tej teorii wynosi aż dziesięć (z czego dziewięć ma charakter przestrzenny, a jeden czasowy)! Jeśli wymiarów jest mniej lub więcej, równania matematyczne dają irracjonalne wyniki sięgające nieskończoności – osobliwości.

Kolejny etap rozwoju teorii superstrun – M-teoria – liczy już jedenaście wymiarów. I inna jej wersja – teoria F – cała dwanaście. I nie jest to wcale komplikacja. Teoria F opisuje przestrzeń 12-wymiarową za pomocą prostszych równań niż teoria M opisuje przestrzeń 11-wymiarową.

Oczywiście fizyka teoretyczna nie na darmo nazywana jest teoretyczną. Wszystkie jej osiągnięcia istnieją dotychczas tylko na papierze. Aby więc wyjaśnić, dlaczego możemy poruszać się tylko w przestrzeni trójwymiarowej, naukowcy zaczęli mówić o tym, jak niefortunne pozostałe wymiary musiały skurczyć się do zwartych kul na poziomie kwantowym. Mówiąc ściślej, nie w sfery, ale w przestrzenie Calabi-Yau. Są to trójwymiarowe figury, wewnątrz których znajduje się ich własny świat, mający swój własny wymiar. Dwuwymiarowy rzut takiej rozmaitości wygląda mniej więcej tak:

Znanych jest ponad 470 milionów takich liczb. To, który z nich odpowiada naszej rzeczywistości, jest obecnie obliczane. Nie jest łatwo być fizykiem teoretykiem.

Tak, wydaje się to trochę naciągane. Ale może właśnie to wyjaśnia, dlaczego świat kwantowy tak bardzo różni się od tego, który postrzegamy.

Wróćmy trochę do historii

W 1968 roku młody fizyk teoretyczny Gabriele Veneziano zastanawiał się nad wieloma zaobserwowanymi eksperymentalnie cechami silnego oddziaływania jądrowego. Veneziano, który wówczas pracował w CERN, Europejskim Laboratorium Akceleratorów w Genewie w Szwajcarii, pracował nad tym problemem przez kilka lat, aż pewnego dnia uzyskał genialny wgląd. Ku swemu zdziwieniu zdał sobie sprawę, że egzotyczna formuła matematyczna, wymyślona około dwieście lat wcześniej przez słynnego szwajcarskiego matematyka Leonharda Eulera dla celów czysto matematycznych – tak zwana funkcja beta Eulera – wydawała się zdolna do opisania za jednym zamachem wszystkich licznych właściwości cząstek biorących udział w silnych oddziaływaniach jądrowych. Właściwość zauważona przez Veneziano zapewniła potężny matematyczny opis wielu cech oddziaływania silnego; wywołało to lawinę prac, w których wykorzystano funkcję beta i jej różne uogólnienia do opisania ogromnych ilości danych zgromadzonych w wyniku badań zderzeń cząstek na całym świecie. Jednak w pewnym sensie obserwacja Veneziano była niekompletna. Podobnie jak formuła na pamięć używana przez ucznia, który nie rozumie jej znaczenia ani znaczenia, funkcja beta Eulera działała, ale nikt nie rozumiał dlaczego. Była to formuła wymagająca wyjaśnienia.

Gabriela Veneziano

Zmieniło się to w 1970 roku, kiedy Yoichiro Nambu z Uniwersytetu w Chicago, Holger Nielsen z Instytutu Nielsa Bohra i Leonard Susskind z Uniwersytetu Stanforda odkryli fizyczne znaczenie wzoru Eulera. Fizycy ci wykazali, że gdy cząstki elementarne są reprezentowane przez małe, wibrujące jednowymiarowe struny, silne oddziaływanie tych cząstek dokładnie opisuje funkcja Eulera. Naukowcy argumentowali, że gdyby segmenty strun były wystarczająco małe, nadal wyglądałyby jak cząstki punktowe, a zatem nie zaprzeczałyby obserwacjom eksperymentalnym. Chociaż teoria ta była prosta i intuicyjnie atrakcyjna, wkrótce okazało się, że opis oddziaływania silnego za pomocą strun jest błędny. Na początku lat 70. Fizycy zajmujący się zagadnieniami wysokich energii byli w stanie zajrzeć głębiej w świat subatomowy i wykazali, że wiele przewidywań opartych na modelach strun jest bezpośrednio sprzecznych z wynikami obserwacji. W tym samym czasie nastąpił równoległy rozwój kwantowej teorii pola – chromodynamiki kwantowej – która wykorzystywała punktowy model cząstek. Sukces tej teorii w opisie silnego oddziaływania doprowadził do porzucenia teorii strun.
Większość fizyków cząstek elementarnych uważała, że teoria strun została na zawsze wyrzucona na śmietnik, lecz wielu badaczy pozostało jej wiernych. Schwartz na przykład uważał, że „struktura matematyczna teorii strun jest tak piękna i ma tak wiele niesamowitych właściwości, że z pewnością musi wskazywać na coś głębszego” 2 ). Jednym z problemów fizyków związanych z teorią strun było to, że zapewniała ona zbyt duży wybór, co było mylące. Niektóre konfiguracje wibrujących strun w tej teorii miały właściwości przypominające właściwości gluonów, co dawało powód, aby naprawdę uznać ją za teorię oddziaływania silnego. Jednak oprócz tego zawierał dodatkowe cząstki nośnika interakcji, które nie miały nic wspólnego z eksperymentalnymi przejawami oddziaływania silnego. W 1974 roku Schwartz i Joel Scherk z francuskiej École Technique Supérieure złożyli odważną propozycję, która zamieniła tę oczywistą wadę w zaletę. Po zbadaniu dziwnych trybów drgań strun, przypominających cząstki nośne, zdali sobie sprawę, że właściwości te zaskakująco ściśle pokrywają się z przypuszczalnymi właściwościami hipotetycznego nośnika cząstek oddziaływania grawitacyjnego – grawitonu. Chociaż te „maleńkie cząstki” oddziaływań grawitacyjnych nie zostały jeszcze wykryte, teoretycy mogą z pewnością przewidzieć niektóre z podstawowych właściwości, jakie powinny posiadać te cząstki. Sherk i Schwartz odkryli, że te cechy są dokładnie realizowane w przypadku niektórych trybów wibracji. Na tej podstawie zasugerowali, że pierwsze pojawienie się teorii strun nie powiodło się, ponieważ fizycy nadmiernie zawęzili jej zakres. Sherk i Schwartz ogłosili, że teoria strun to nie tylko teoria oddziaływania silnego, to teoria kwantowa, która uwzględnia między innymi grawitację).

Społeczność fizyków zareagowała na tę sugestię z dużą rezerwą. Faktycznie, jak wynika ze wspomnień Schwartza, „nasza praca była przez wszystkich ignorowana” 4). Ścieżki postępu były już całkowicie zaśmiecone licznymi nieudanymi próbami połączenia grawitacji i mechaniki kwantowej. Teoria strun nie powiodła się w swojej początkowej próbie opisania oddziaływania silnego i dla wielu próby wykorzystania jej do osiągnięcia jeszcze większych celów wydawały się bezcelowe. Późniejsze, bardziej szczegółowe badania przeprowadzono pod koniec lat 70. i na początku 80. XX wieku. pokazało, że teoria strun i mechanika kwantowa mają swoje własne, choć mniejsze, sprzeczności. Wydawało się, że siła grawitacji znów była w stanie oprzeć się próbie włączenia jej do opisu wszechświata na poziomie mikroskopowym.
Tak było do 1984 roku. W przełomowym artykule podsumowującym ponad dekadę intensywnych badań, które w dużej mierze ignorowano lub odrzucała większość fizyków, Green i Schwartz ustalili, że można dopuścić drobną niespójność z teorią kwantową, która nękała teorię strun. Co więcej, wykazali, że uzyskana teoria była wystarczająco szeroka, aby objąć wszystkie cztery rodzaje sił i wszystkie rodzaje materii. Wieść o tym wyniku rozeszła się po całej społeczności fizyków, a setki fizyków cząstek przerwało prace nad swoimi projektami, aby wziąć udział w ataku, który wydawał się ostatnią teoretyczną bitwą w trwającym od stuleci ataku na najgłębsze fundamenty wszechświata.
Wieść o sukcesie Greena i Schwartza dotarła w końcu nawet do studentów pierwszego roku, a poprzednią ponurość zastąpiło ekscytujące poczucie uczestnictwa w punkcie zwrotnym w historii fizyki. Wielu z nas nie spało do późna w nocy, studiując ciężkie tomy fizyki teoretycznej i matematyki abstrakcyjnej, które są niezbędne do zrozumienia teorii strun.

Jeśli wierzyć naukowcom, to my sami i wszystko wokół nas składamy się z nieskończonej liczby takich tajemniczych, złożonych mikroobiektów.
Okres od 1984 do 1986 obecnie znany jako „pierwsza rewolucja w teorii superstrun”. W tym okresie fizycy na całym świecie napisali ponad tysiąc artykułów na temat teorii strun. Prace te niezbicie wykazały, że wiele właściwości modelu standardowego, odkrytych w ciągu dziesięcioleci żmudnych badań, wynika w naturalny sposób ze wspaniałego systemu teorii strun. Jak zauważył Michael Green: „Moment, w którym zapoznasz się z teorią strun i zdasz sobie sprawę, że prawie wszystkie najważniejsze postępy w fizyce ostatniego stulecia wyszły – i to z taką elegancją – z tak prostego punktu wyjścia, wyraźnie pokazuje niesamowitą moc tę teorię.”5 Co więcej, dla wielu z tych właściwości, jak zobaczymy poniżej, teoria strun zapewnia znacznie pełniejszy i zadowalający opis niż model standardowy. Osiągnięcia te przekonały wielu fizyków, że teoria strun może spełnić swoje obietnice i stać się teorią ostateczną jednoczącą.

Dwuwymiarowy rzut trójwymiarowej rozmaitości Calabiego-Yau. Ta projekcja daje wyobrażenie o tym, jak złożone są dodatkowe wymiary.

Jednak na tej drodze fizycy pracujący nad teorią strun raz po raz napotykali poważne przeszkody. W fizyce teoretycznej często mamy do czynienia z równaniami, które są albo zbyt złożone, aby je zrozumieć, albo trudne do rozwiązania. Zwykle w takiej sytuacji fizycy nie poddają się i próbują uzyskać przybliżone rozwiązanie tych równań. Sytuacja w teorii strun jest znacznie bardziej skomplikowana. Nawet samo wyprowadzenie równań okazało się na tyle skomplikowane, że dotychczas uzyskano jedynie ich przybliżoną postać. Tym samym fizycy zajmujący się teorią strun znajdują się w sytuacji, w której muszą szukać przybliżonych rozwiązań przybliżonych równań. Po kilku latach niesamowitego postępu, jaki dokonał się podczas pierwszej rewolucji superstrun, fizycy stanęli przed faktem, że zastosowane równania przybliżone nie były w stanie poprawnie odpowiedzieć na szereg ważnych pytań, utrudniając w ten sposób dalszy rozwój badań. Bez konkretnych pomysłów na wyjście poza te przybliżone metody wielu fizyków zajmujących się teorią strun odczuwało rosnące poczucie frustracji i wracało do swoich wcześniejszych badań. Dla tych, którzy pozostali, koniec lat 80. i początek 90. były okresem testowym.

Piękno i potencjalna moc teorii strun przyciągały badaczy jak złoty skarb zamknięty w sejfie, widoczny tylko przez maleńki wizjer, ale nikt nie miał klucza, który uwolniłby te uśpione siły. Długi okres „suchy” przerywały co jakiś czas ważne odkrycia, ale dla wszystkich było jasne, że potrzebne są nowe metody, wykraczające poza znane już przybliżone rozwiązania.

Impas zakończył się zapierającym dech w piersiach przemówieniem wygłoszonym przez Edwarda Wittena w 1995 r. na konferencji poświęconej teorii strun na Uniwersytecie Południowej Kalifornii — przemówieniem, które zadziwiło wypełnioną po brzegi salę, w której uczestniczyli czołowi fizycy świata. Zaprezentował w nim plan kolejnego etapu badań, rozpoczynając tym samym „drugą rewolucję w teorii superstrun”. Teoretycy strun intensywnie pracują obecnie nad nowymi metodami, które pozwolą pokonać napotykane przeszkody.

W celu powszechnej popularyzacji ZT ludzkość powinna wznieść pomnik profesorowi Uniwersytetu Columbia Brianowi Greene’owi. Jego książka z 1999 r. „Elegancki wszechświat. Superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie ostatecznej teorii” stała się bestsellerem i zdobyła nagrodę Pulitzera. Praca naukowca stała się podstawą popularnonaukowego miniserialu, którego gospodarzem jest sam autor – jego fragment można zobaczyć na końcu materiału (fot. Amy Sussman/Columbia University).

klikalne 1700 px

Spróbujmy teraz choć trochę zrozumieć istotę tej teorii.

Zacząć od nowa. Wymiar zerowy jest punktem. Ona nie ma rozmiaru. Nie ma gdzie się ruszyć, nie potrzeba żadnych współrzędnych, żeby wskazać lokalizację w takim wymiarze.

Umieśćmy drugi obok pierwszego punktu i przeciągnijmy przez niego linię. Oto pierwszy wymiar. Obiekt jednowymiarowy ma rozmiar - długość, ale nie ma szerokości ani głębokości. Poruszanie się w przestrzeni jednowymiarowej jest bardzo ograniczone, gdyż nie da się ominąć przeszkody, która pojawia się na jej drodze. Aby określić lokalizację na tym segmencie, potrzebujesz tylko jednej współrzędnej.

Postawmy kropkę obok segmentu. Aby zmieścić oba te obiekty, będziemy potrzebować dwuwymiarowej przestrzeni o długości i szerokości, czyli powierzchni, ale bez głębi, czyli objętości. Położenie dowolnego punktu na tym polu wyznaczają dwie współrzędne.

Trzeci wymiar powstaje, gdy dodamy do tego układu trzecią oś współrzędnych. Nam, mieszkańcom trójwymiarowego wszechświata, bardzo łatwo to sobie wyobrazić.

Spróbujmy sobie wyobrazić, jak mieszkańcy dwuwymiarowej przestrzeni postrzegają świat. Na przykład ci dwaj mężczyźni:

Każdy z nich będzie widział swojego towarzysza w ten sposób:

I w tej sytuacji:

Nasi bohaterowie zobaczą się tak:

To właśnie zmiana punktu widzenia pozwala naszym bohaterom oceniać siebie nawzajem jako dwuwymiarowe obiekty, a nie jednowymiarowe segmenty.

Wyobraźmy sobie teraz, że pewien obiekt wolumetryczny porusza się w trzecim wymiarze, który przecina ten dwuwymiarowy świat. Dla zewnętrznego obserwatora ruch ten wyrazi się zmianą dwuwymiarowych rzutów obiektu na płaszczyznę, niczym brokuły w aparacie MRI:

Ale dla mieszkańca naszej Równiny taki obraz jest niezrozumiały! Nawet nie jest w stanie jej sobie wyobrazić. Dla niego każdy z dwuwymiarowych rzutów będzie postrzegany jako jednowymiarowy odcinek o tajemniczo zmiennej długości, pojawiający się w nieprzewidywalnym miejscu i nieprzewidywalnie znikający. Próby obliczenia długości i miejsca pochodzenia takich obiektów z wykorzystaniem praw fizyki przestrzeni dwuwymiarowej są skazane na niepowodzenie.

My, mieszkańcy trójwymiarowego świata, wszystko postrzegamy jako dwuwymiarowe. Dopiero poruszanie się obiektu w przestrzeni pozwala poczuć jego objętość. Każdy obiekt wielowymiarowy będziemy również postrzegać jako dwuwymiarowy, ale będzie on zmieniał się w niesamowity sposób w zależności od naszej relacji z nim lub czasu.

Z tego punktu widzenia interesujące jest myślenie na przykład o grawitacji. Zapewne każdy widział takie zdjęcia:

Zwykle przedstawiają, jak grawitacja zagina czasoprzestrzeń. Wygina się... gdzie? Dokładnie nie w żadnym ze znanych nam wymiarów. A co z tunelowaniem kwantowym, czyli zdolnością cząstki do znikania w jednym miejscu i pojawiania się w zupełnie innym oraz za przeszkodą, przez którą w naszej rzeczywistości nie mogłaby się przebić, nie robiąc w niej dziury? A co z czarnymi dziurami? A co, jeśli wszystkie te i inne tajemnice współczesnej nauki można wytłumaczyć faktem, że geometria przestrzeni wcale nie jest taka sama, jak jesteśmy przyzwyczajeni ją postrzegać?

Zegar tyka

Czas dodaje kolejną współrzędną do naszego Wszechświata. Aby impreza się odbyła trzeba wiedzieć nie tylko w którym barze się odbędzie, ale także dokładny czas tego wydarzenia.

Z naszego punktu widzenia czas jest nie tyle linią prostą, ile promieniem. Oznacza to, że ma punkt wyjścia, a ruch odbywa się tylko w jednym kierunku - od przeszłości do przyszłości. Co więcej, tylko teraźniejszość jest prawdziwa. Ani przeszłość, ani przyszłość nie istnieją, tak jak nie istnieją śniadania i obiady z punktu widzenia urzędnika w porze lunchu.

Ale teoria względności nie zgadza się z tym. Z jej punktu widzenia czas jest pełnoprawnym wymiarem. Wszystkie wydarzenia, które istniały, istnieją i będą istnieć, są tak samo realne, jak prawdziwa jest nadmorska plaża, niezależnie od tego, gdzie dokładnie zaskoczyły nas sny o szumie fal. Nasza percepcja jest czymś w rodzaju reflektora oświetlającego określony odcinek prostej linii czasu. Ludzkość w czwartym wymiarze wygląda mniej więcej tak:

Ale widzimy jedynie projekcję, wycinek tego wymiaru w każdym indywidualnym momencie. Tak, tak, jak brokuły w rezonansie magnetycznym.

Do tej pory wszystkie teorie działały z dużą liczbą wymiarów przestrzennych, a wymiar czasowy był zawsze jedynym. Ale dlaczego przestrzeń pozwala na wiele wymiarów przestrzeni, ale tylko jeden raz? Dopóki naukowcy nie będą w stanie odpowiedzieć na to pytanie, hipoteza dwóch lub więcej przestrzeni czasowych będzie wydawać się bardzo atrakcyjna dla wszystkich filozofów i pisarzy science fiction. Fizycy też, i co z tego? Na przykład amerykański astrofizyk Itzhak Bars widzi źródło wszystkich problemów związanych z Teorią Wszystkiego w przeoczanym drugim wymiarze czasu. W ramach ćwiczenia umysłowego spróbujmy wyobrazić sobie świat z dwoma czasami.

Każdy wymiar istnieje osobno. Wyraża się to tym, że jeśli zmienimy współrzędne obiektu w jednym wymiarze, współrzędne w innych mogą pozostać niezmienione. Tak więc, jeśli poruszasz się wzdłuż jednej osi czasu, która przecina inną pod kątem prostym, to w punkcie przecięcia czas się zatrzyma. W praktyce będzie to wyglądać mniej więcej tak:

Jedyne, co Neo musiał zrobić, to umieścić swoją jednowymiarową oś czasu prostopadle do osi czasu pocisków. Zgodzisz się, że to drobnostka. W rzeczywistości wszystko jest znacznie bardziej skomplikowane.

Dokładny czas we wszechświecie o dwóch wymiarach czasu będzie określony przez dwie wartości. Czy trudno wyobrazić sobie wydarzenie dwuwymiarowe? To znaczy rozciągającego się jednocześnie wzdłuż dwóch osi czasu? Jest prawdopodobne, że taki świat wymagałby specjalistów od mapowania czasu, tak jak kartografowie mapują dwuwymiarową powierzchnię globu.

Co jeszcze odróżnia przestrzeń dwuwymiarową od przestrzeni jednowymiarowej? Możliwość ominięcia przeszkody np. To całkowicie wykracza poza granice naszego umysłu. Mieszkaniec jednowymiarowego świata nie jest w stanie sobie wyobrazić, jak to jest skręcić za róg. A co to jest - kąt w czasie? Ponadto w przestrzeni dwuwymiarowej możesz podróżować do przodu, do tyłu, a nawet po przekątnej. Nie mam pojęcia, jak to jest przechodzić w czasie po przekątnej. Nie wspominając o tym, że czas leży u podstaw wielu praw fizycznych i nie można sobie wyobrazić, jak zmieni się fizyka Wszechświata wraz z nadejściem innego wymiaru czasu. Ale myślenie o tym jest niezwykle ekscytujące!

Bardzo obszerna encyklopedia

Inne wymiary nie zostały jeszcze odkryte i istnieją jedynie w modelach matematycznych. Ale możesz spróbować wyobrazić sobie je w ten sposób.

Jak dowiedzieliśmy się wcześniej, widzimy trójwymiarową projekcję czwartego (czasowego) wymiaru Wszechświata. Inaczej mówiąc, każdy moment istnienia naszego świata jest punktem (zbliżonym do wymiaru zerowego) w okresie od Wielkiego Wybuchu do Końca Świata.

Ci z Was, którzy czytali o podróżach w czasie, wiedzą, jak ważną rolę odgrywa w nich krzywizna kontinuum czasoprzestrzennego. To piąty wymiar - to w nim czterowymiarowa czasoprzestrzeń „zagina się”, aby zbliżyć do siebie dwa punkty na tej linii. Bez tego podróż pomiędzy tymi punktami byłaby zbyt długa lub wręcz niemożliwa. Z grubsza rzecz biorąc, piąty wymiar jest podobny do drugiego - przesuwa „jednowymiarową” linię czasoprzestrzeni na „dwuwymiarową” płaszczyznę ze wszystkim, co implikuje w postaci możliwości skręcenia zakrętu.

Nieco wcześniej nasi szczególnie filozoficznie nastawieni czytelnicy zapewne zastanawiali się nad możliwością wolnej woli w warunkach, w których przyszłość już istnieje, ale nie jest jeszcze znana. Nauka odpowiada na to pytanie w ten sposób: prawdopodobieństwa. Przyszłość to nie kij, ale cała miotła możliwych scenariuszy. Które z nich się spełni, przekonamy się na miejscu.

Każde z prawdopodobieństw istnieje w postaci „jednowymiarowego” odcinka na „płaszczyźnie” piątego wymiaru. Jaki jest najszybszy sposób przeskakiwania z jednego segmentu do drugiego? Zgadza się - zegnij ten samolot jak kartkę papieru. Gdzie mam to zgiąć? I znowu poprawnie - w szóstym wymiarze, który nadaje całej złożonej strukturze „objętość”. I w ten sposób czyni ją, podobnie jak przestrzeń trójwymiarową, „skończoną”, nowym punktem.

Siódmy wymiar to nowa linia prosta, która składa się z sześciowymiarowych „punktów”. Jaki jest inny punkt tej prostej? Cały nieskończony zestaw możliwości rozwoju wydarzeń w innym wszechświecie, powstałym nie w wyniku Wielkiego Wybuchu, ale w innych warunkach i działającym według innych praw. Oznacza to, że siódmy wymiar to koraliki z równoległych światów. Ósmy wymiar zbiera te „proste” w jedną „płaszczyznę”. A dziewiąty można porównać do książki zawierającej wszystkie „karty” ósmego wymiaru. Jest to całość historii wszystkich wszechświatów, ze wszystkimi prawami fizyki i wszystkimi warunkami początkowymi. Znowu okres.

Tutaj osiągnęliśmy limit. Aby wyobrazić sobie dziesiąty wymiar, potrzebujemy linii prostej. A jaki inny punkt mógłby być na tej linii, skoro dziewiąty wymiar obejmuje już wszystko, co można sobie wyobrazić, a nawet to, czego nie można sobie wyobrazić? Okazuje się, że dziewiąty wymiar to nie kolejny punkt wyjścia, ale ostatni – przynajmniej dla naszej wyobraźni.

Teoria strun głosi, że struny wibrują w dziesiątym wymiarze – podstawowych cząstkach, z których wszystko się składa. Jeśli dziesiąty wymiar zawiera wszystkie wszechświaty i wszystkie możliwości, to struny istnieją wszędzie i przez cały czas. Mam na myśli, że każda struna istnieje zarówno w naszym wszechświecie, jak i w każdym innym. Kiedykolwiek. Od razu. Fajne hę?

Fizyk, specjalista w dziedzinie teorii strun. Znany jest z prac nad symetrią lustrzaną, związaną z topologią odpowiednich rozmaitości Calabiego-Yau. Znany szerokiemu gronu odbiorców jako autor książek popularnonaukowych. Jego „Eleganckie uniwersum” było nominowane do nagrody Pulitzera.

We wrześniu 2013 roku Brian Greene przyjechał do Moskwy na zaproszenie Muzeum Politechnicznego. Słynny fizyk, teoretyk strun i profesor Uniwersytetu Columbia, znany opinii publicznej przede wszystkim jako popularyzator nauki i autor książki „Elegancki Wszechświat”. Lenta.ru rozmawiała z Brianem Greene'em o teorii strun i niedawnych trudnościach, przed którymi ta teoria stoi, a także o grawitacji kwantowej, amplituedrze i kontroli społecznej.

Literatura w języku rosyjskim: Kaku M., Thompson J.T. „Poza Einsteinem: superstruny i poszukiwanie ostatecznej teorii” i co to było Oryginał artykułu znajduje się na stronie internetowej InfoGlaz.rf Link do artykułu, z którego powstała ta kopia -

Ekologia wiedzy: Największym problemem fizyków teoretyków jest połączenie wszystkich podstawowych oddziaływań (grawitacyjnych, elektromagnetycznych, słabych i silnych) w jedną teorię. Teoria superstrun twierdzi, że jest teorią wszystkiego

Liczenie od trzech do dziesięciu

Znanych jest ponad 470 milionów takich liczb. To, który z nich odpowiada naszej rzeczywistości, jest obecnie obliczane. Nie jest łatwo być fizykiem teoretykiem.

Tak, wydaje się to trochę naciągane. Ale może właśnie to wyjaśnia, dlaczego świat kwantowy tak bardzo różni się od tego, który postrzegamy.

Kropka, kropka, przecinek

Zacząć od nowa. Wymiar zerowy jest punktem. Ona nie ma rozmiaru. Nie ma gdzie się ruszyć, nie potrzeba żadnych współrzędnych, żeby wskazać lokalizację w takim wymiarze.

Trzeci wymiar powstaje, gdy dodamy do tego układu trzecią oś współrzędnych. Nam, mieszkańcom trójwymiarowego wszechświata, bardzo łatwo to sobie wyobrazić.

Spróbujmy sobie wyobrazić, jak mieszkańcy dwuwymiarowej przestrzeni postrzegają świat. Na przykład ci dwaj mężczyźni:

Każdy z nich będzie widział swojego towarzysza w ten sposób:

I w tej sytuacji:

Nasi bohaterowie zobaczą się tak:

To właśnie zmiana punktu widzenia pozwala naszym bohaterom oceniać siebie nawzajem jako dwuwymiarowe obiekty, a nie jednowymiarowe segmenty.

Z tego punktu widzenia interesujące jest myślenie na przykład o grawitacji. Zapewne każdy widział takie zdjęcia:

Zegar tyka

Czas dodaje kolejną współrzędną do naszego Wszechświata. Aby impreza się odbyła trzeba wiedzieć nie tylko w którym barze się odbędzie, ale także dokładny czas tego wydarzenia.

Ale widzimy jedynie projekcję, wycinek tego wymiaru w każdym indywidualnym momencie. Tak, tak, jak brokuły w rezonansie magnetycznym.

Bardzo obszerna encyklopedia

Inne wymiary nie zostały jeszcze odkryte i istnieją jedynie w modelach matematycznych. Ale możesz spróbować wyobrazić sobie je w ten sposób.

Czy zastanawiałeś się kiedyś, że Wszechświat jest jak wiolonczela? Zgadza się – nie przyszła. Bo Wszechświat nie jest jak wiolonczela. Ale to nie znaczy, że nie ma sznurków. Porozmawiajmy dzisiaj o teorii strun.

Sprzeczność fizyki

Obliczenia wykazały, że całkowita energia promieniowania każdego absolutnie czarnego ciała powinna być nieskończenie duża. Aby uniknąć tak oczywistego absurdu, niemiecki naukowiec Max Planck w 1900 roku zaproponował, że światło widzialne, promieniowanie rentgenowskie i inne fale elektromagnetyczne mogą być emitowane jedynie przez pewne dyskretne porcje energii, które nazwał kwantami. Za ich pomocą udało się rozwiązać szczególny problem ciała absolutnie czarnego. Jednak konsekwencje hipotezy kwantowej dla determinizmu nie zostały jeszcze uświadomione. Aż do roku 1926, inny niemiecki naukowiec Werner Heisenberg sformułował słynną zasadę nieoznaczoności.

Nie można z całą pewnością stwierdzić, w którym punkcie przestrzeni aktualnie znajduje się dana cząstka i jaki jest jej moment pędu. Prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w wielu obszarach czasoprzestrzeni jest tylko pewne. Cząstki na poziomie subatomowym wydają się być „rozmazane” w przestrzeni. Co więcej, sam „status” cząstek nie jest określony: w niektórych przypadkach zachowują się one jak fale, w innych wykazują właściwości cząstek. To właśnie fizycy nazywają dualizmem korpuskularno-falowym w mechanice kwantowej.

Poziomy budowy świata: 1. Poziom makroskopowy - materia 2. Poziom molekularny 3. Poziom atomowy - protony, neutrony i elektrony 4. Poziom subatomowy - elektron 5. Poziom subatomowy - kwarki 6. Poziom strun

Wszechświat 2D. Wykres wielościanowy E8 Teoria wszystkiego

Za pomocą najbardziej złożonej matematyki udało się wykazać, że oddziaływania elektromagnetyczne i słabe mają wspólną naturę, łącząc je w jedno oddziaływanie elektrosłabe. Następnie dodano do nich silne oddziaływanie jądrowe - ale grawitacja w żaden sposób ich nie łączy. Teoria strun jest jednym z najpoważniejszych kandydatów do połączenia wszystkich czterech sił, a zatem obejmujących wszystkie zjawiska we Wszechświecie - nie bez powodu nazywana jest także „Teorią Wszystkiego”.

Na początku był mit

Jak dotąd nie wszyscy fizycy są zachwyceni teorią strun. A na początku jego pojawienia się wydawało się to nieskończenie odległe od rzeczywistości. Już samo jej narodziny są legendą.

Wykres funkcji beta Eulera z rzeczywistymi argumentami

Niestety zdecydowana większość jego kolegów przyjęła tę teorię bardzo chłodno.

Model standardowy

Interakcje pomiędzy różnymi cząstkami w Modelu Standardowym
Grawiton

Subatomowe lalki gniazdujące

Mimo wszystko na początku lat 80. teoria strun nadal zawierała nierozwiązywalne sprzeczności, zwane w nauce anomaliami. Schwartz i Green przystąpili do ich eliminacji. A ich wysiłki nie poszły na marne: naukowcom udało się wyeliminować niektóre sprzeczności w teorii. Wyobraźcie sobie zdumienie tej dwójki, przyzwyczajonej już do faktu, że ich teoria została zignorowana, gdy reakcja społeczności naukowej wysadziła świat naukowy. W niecały rok liczba teoretyków strun wzrosła do setek osób. To właśnie wtedy teoria strun otrzymała tytuł Teorii Wszystkiego. Wydawało się, że nowa teoria jest w stanie opisać wszystkie składniki wszechświata. I to są komponenty.

Tak małe, że gdyby atom powiększono do rozmiarów Układu Słonecznego, struna miałaby wielkość drzewa. Tak jak różne wibracje struny wiolonczeli tworzą to, co słyszymy, tak różne nuty, różne sposoby (tryby) drgań struny nadają cząsteczkom ich unikalne właściwości – masę, ładunek itp. Czy wiesz, czym, mówiąc relatywnie, protony na czubku paznokcia różnią się od nieodkrytego jeszcze grawitonu? Tylko dzięki zbiorowi maleńkich strun, które je tworzą, i sposobowi, w jaki te struny wibrują.

Piąty wymiar

Dziesięć wymiarów

Jak działa świat

Teoria superstrun

Jednak głównym problemem strun, jak już wspomniano, jest niemożność (przynajmniej na razie) eksperymentalnego udowodnienia ich obecności.

Superstruny we wszechświecie. Co teoria strun mówi w prostych słowach?

Grawitacja kwantowa

Dodatkowe wymiary teorii strun

Proste zrozumienie celu

Zegar tyka

Bardzo obszerna encyklopedia

Literatura w języku rosyjskim: Kaku M., Thompson J.T. „Poza Einsteinem: superstruny i poszukiwanie ostatecznej teorii” i co to było Oryginał artykułu znajduje się na stronie internetowej InfoGlaz.rf Link do artykułu, z którego powstała ta kopia -

Liczenie od trzech do dziesięciu

Kropka, kropka, przecinek

Zegar tyka

Bardzo obszerna encyklopedia

Jesteśmy w sieciach społecznościowych

Kategorie