Teorija struna svemira. Što je teorija struna - kratko i razumljivo za lutke

Znanost je golemo polje i svakodnevno se provodi ogromna količina istraživanja i otkrića, pri čemu je vrijedno napomenuti da se neke teorije čine zanimljivima, ali u isto vrijeme nemaju stvarne dokaze i čini se da „vise u zrak".

Što je teorija struna?

Fizička teorija koja predstavlja čestice u obliku vibracije naziva se teorija struna. Ovi valovi imaju samo jedan parametar - geografsku dužinu, a nedostaju visina i širina. Da biste shvatili da je ovo teorija struna, trebali biste razmotriti glavne hipoteze koje ona opisuje.

1. Pretpostavlja se da je sve okolo sastavljeno od niti koje vibriraju i energetskih membrana.
2. Pokušava sastaviti opća teorija relativnosti i kvantne fizike.
3. Teorija struna nudi priliku da se ujedine sve temeljne sile svemira.
4. Predviđa simetričan odnos između različiti tipovičestice: bozoni i fermioni.
5. Daje priliku opisati i predstaviti dimenzije svemira koje do sada nisu promatrane.

Teorija struna - tko ju je otkrio?

1. Prvi put 1960. godine stvorena je kvantna teorija struna kako bi se objasnio fenomen u adronskoj fizici. U to vrijeme razvili su ga G. Veneziano, L. Susskind, T. Goto i drugi.
2. Rekao je što je teorija struna, znanstvenik D. Schwartz, J. Sherk i T. Yene, budući da su razvili hipotezu o bozonskim strunama, a to se dogodilo 10 godina kasnije.
3. Godine 1980. dva znanstvenika: M. Green i D. Schwartz identificirali su teoriju superstruna, koje su imale jedinstvene simetrije.
4. Proučavanja predložene hipoteze provode se do danas, ali je do sada nije bilo moguće dokazati.

Teorija struna - Filozofija

Postoji filozofski smjer koji ima vezu s teorijom struna, a oni ga zovu monada. Uključuje upotrebu simbola kako bi se zbijena bilo koja količina informacija. Monade i teorija struna u filozofiji koriste suprotnosti i dualnosti. Najpopularniji jednostavni simbol monade je Yin-Yang. Stručnjaci su predložili da se teorija struna prikaže na trodimenzionalnoj, a ne na ravnoj monadi, i tada će strune biti stvarnost, iako su dugačke i oskudne.

Ako se koristi volumetrijska monada, tada će linija koja dijeli Yin-Yang biti ravnina, a korištenjem višedimenzionalne monade dobiva se spiralizirani volumen. Iako nema djela u filozofiji o multidimenzionalnim monadama - ovo je područje za proučavanje u budućnosti. Filozofi vjeruju da je spoznaja beskrajan proces i kada pokušava stvoriti jedinstveni model svemira, osoba će se više puta iznenaditi i promijeniti svoje osnovne koncepte.

Nedostaci teorije struna

Budući da je hipoteza koju su predložili brojni znanstvenici nepotvrđena, sasvim je razumljivo da postoji niz problema koji ukazuju na potrebu njezina usavršavanja.

1. Teorija struna ima zablude, na primjer, nova vrsta čestica, tahioni, otkrivena je tijekom proračuna, ali one ne mogu postojati u prirodi, budući da je kvadrat njihove mase manje od nule, a brzina kretanja je veća od brzine svjetlosti.
2. Teorija struna može postojati samo u deseterodimenzionalnom prostoru, ali tada je relevantno pitanje - zašto osoba ne percipira druge dimenzije?

Teorija struna - dokaz

Dvije glavne fizičke konvencije na kojima se temelje znanstveni dokazi zapravo su suprotstavljene jedna drugoj, jer na različite načine predstavljaju strukturu svemira na mikrorazini. Da bi ih isprobali, predložena je teorija kozmičkih struna. U mnogim aspektima izgleda pouzdano, i to ne samo riječima, već i matematičkim izračunima, ali danas osoba nema priliku to praktički dokazati. Ako žice postoje, da su na mikroskopskoj razini, a ne još tehničke mogućnosti da ih prepoznam.

Teorija struna i Bog

Poznati teorijski fizičar M. Kaku predložio je teoriju u kojoj on, koristeći hipotezu strune, dokazuje postojanje Gospodina. Došao je do zaključka da sve na svijetu funkcionira prema određenim zakonima i pravilima koje je uspostavio jedan Um. Prema Kakuu, teorija struna i skrivene dimenzije svemira pomoći će u stvaranju jednadžbe koja kombinira sve sile prirode i omogućuje vam razumijevanje Božjeg uma. Svoju hipotezu usmjerava na tahionske čestice koje se kreću brže od svjetlosti. Čak je i Einstein rekao da će, ako pronađete takve dijelove, biti moguće vratiti vrijeme unatrag.

Nakon što je proveo niz eksperimenata, Kaku je zaključio da ljudskim životom upravljaju stabilni zakoni, te da ne reagira na kozmičke nesreće. U životu postoji teorija struna, a povezana je s nepoznatom silom koja kontrolira život i čini ga cjelovitim. Prema njegovom mišljenju, to je ono što je. Kaku je siguran da svemir vibrira strune koje dolaze iz uma Svevišnjeg.

Fizičari su navikli raditi s česticama: teorija je razrađena, eksperimenti se spajaju. nuklearnih reaktora a atomske bombe se računaju pomoću čestica. Uz jedno upozorenje - gravitacija se ne uzima u obzir u svim izračunima.

Gravitacija je privlačnost tijela. Kada govorimo o gravitaciji, mi predstavljamo Zemljinu privlačnost. Telefon pada iz ruku na asfalt pod utjecajem gravitacije. U svemiru Mjesec privlači Zemlju, Zemlju Sunce. Sve na svijetu privlači jedno drugo, ali da biste to osjetili, potrebni su vam vrlo teški predmeti. Osjećamo privlačnost Zemlje koja je 7,5 × 10 22 puta teža od čovjeka, a ne primjećujemo privlačnost nebodera koji je 4 × 10 6 puta teži.

7,5×10 22 = 75.000.000.000.000.000.000.000

4×10 6 = 4.000.000

Gravitaciju opisuje Einsteinova opća teorija relativnosti. U teoriji, masivni objekti savijaju prostor. Da biste razumjeli, otiđite u dječji park i stavite težak kamen na trampolin. Na gumi trampolina pojavit će se lijevak. Ako stavite malu kuglicu na trampolin, ona će se otkotrljati niz lijevak do kamena. Ovako nešto, planeti tvore lijevak u svemiru, a mi, poput loptica, padamo na njih.

Planeti tako masivni da iskrivljuju prostor

Da bi se sve opisalo na razini elementarnih čestica, gravitacija nije potrebna. U usporedbi s drugim silama, gravitacija je toliko mala da je jednostavno izbačena iz kvantnih proračuna. Sila zemljine gravitacije manja je od sile koja drži čestice atomske jezgre, 10 38 puta. To vrijedi za gotovo cijeli svemir.

10 38 = 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

Jedino mjesto gdje je gravitacija jaka kao i druge sile je unutar crne rupe. Ovo je divovski lijevak u kojem gravitacija urušava sam prostor i uvlači sve što je u blizini. Čak i svjetlost ulazi u crnu rupu i nikad se ne vraća.

Za rad s gravitacijom kao i s drugim česticama, fizičari su smislili kvantum gravitacije - graviton. Napravili smo neke izračune, ali nisu se poklopili. Proračuni su pokazali da energija gravitona raste do beskonačnosti. A ovo ne bi trebalo biti.

Fizičari prvo izmišljaju, a onda traže. Higgsov bozon izumljen je 50 godina prije otkrića.

Problemi s divergencijama u proračunima nestali su kada se graviton smatra ne česticom, već nizom. Žice imaju konačnu duljinu i energiju, tako da energija gravitona može rasti samo do određene granice. Dakle, znanstvenici imaju radni alat s kojim proučavaju crne rupe.

Napredak u proučavanju crnih rupa pomaže razumjeti kako je nastao svemir. Prema teoriji Velikog praska, svijet je izrastao iz mikroskopske točke. U prvim trenucima života svemir je bio vrlo gust - sve moderne zvijezde i planeti okupljeni su u malom volumenu. Gravitacija je bila jaka kao i druge sile, pa je poznavanje učinaka gravitacije važno za razumijevanje ranog svemira.

Napredak u opisu kvantne gravitacije korak je prema stvaranju teorije koja će opisivati ​​sve na svijetu. Takva teorija će objasniti kako je nastao svemir, što se u njemu sada događa i kako će biti njegov kraj.

Teorija relativnosti predstavlja Svemir kao “ravni”, ali kvantna mehanika kaže da na mikro razini postoji beskonačno kretanje koje savija prostor. Teorija struna objedinjuje ove ideje i predstavlja mikročestice kao posljedicu spajanja najtanjih jednodimenzionalnih struna, koji će izgledati kao točkaste mikročestice, stoga se ne mogu eksperimentalno promatrati.

Ova hipoteza nam omogućuje da zamislimo elementarne čestice koje čine atom od ultramikroskopskih vlakana zvanih strune.

Sva svojstva elementarnih čestica objašnjavaju se rezonantnom vibracijom vlakana koja ih tvore. Ova vlakna mogu stvarati beskonačan broj vibracija. Ova teorija uključuje ujedinjenje ideja kvantne mehanike i teorije relativnosti. No, zbog prisutnosti brojnih problema u potvrđivanju misli koje su u njegovoj osnovi, većina modernih znanstvenika vjeruje da predložene ideje nisu ništa drugo do najobičnija vulgarnost, ili drugim riječima, teorija struna za lutke, odnosno za ljude koji su potpuno neznalica o znanosti i strukturi okoliša.

Svojstva ultramikroskopskih vlakana

Da biste razumjeli njihovu bit, možete zamisliti žice glazbenih instrumenata - oni mogu vibrirati, savijati se, savijati. Isto se događa i s tim nitima koje, emitirajući određene vibracije, međusobno djeluju, savijaju se u petlje i tvore veće čestice (elektrone, kvarkove), čija masa ovisi o frekvenciji vibracija vlakana i njihovoj napetosti - ovi pokazatelji odrediti energiju struna. Što je veća energija zračenja, to je veća masa elementarne čestice.

Teorija inflacije i žice

Prema inflatornoj hipotezi, Svemir je nastao zbog širenja mikroprostora, veličine niza (Planckova duljina). Kako je ova regija rasla, takozvana ultramikroskopska filamenta također su se rastegla, a sada je njihova duljina razmjerna veličini Svemira. Oni međusobno djeluju na isti način i proizvode iste vibracije i vibracije. Izgleda kao učinak gravitacijskih leća koje proizvode, izobličujući zrake svjetlosti iz udaljenih galaksija. ALI bacanje stvaraju gravitacijsko zračenje.

Matematički neuspjeh i drugi problemi

Jedan od problema je matematička nedosljednost teorije - fizičari koji je proučavaju nemaju dovoljno formula da je dovedu u potpuni oblik. A drugo je da ova teorija vjeruje da postoji 10 dimenzija, ali mi osjećamo samo 4 - visinu, širinu, duljinu i vrijeme. Znanstvenici sugeriraju da je preostalih 6 u uvrnutom stanju, čija se prisutnost ne osjeća u stvarnom vremenu. Također, problem nije mogućnost eksperimentalne potvrde ove teorije, ali je nitko ne može ni opovrgnuti.

Teorija struna je tanka nit koja povezuje teoriju relativnosti (ili Opću teoriju relativnosti - GR) i kvantnu fiziku. Obje ove grane pojavile su se sasvim nedavno na ljestvici znanosti, tako da o tim granama još nema ni previše znanstvene literature. I, ako teorija relativnosti još uvijek ima neku vrstu vremena provjerene baze, onda je kvantna grana fizike u tom pogledu još uvijek vrlo mlada. Pogledajmo prvo ove dvije industrije.

Sigurno su mnogi od vas čuli za teoriju relativnosti, čak i malo upoznati s nekim njezinim postulatima, no postavlja se pitanje: zašto se ona ne može povezati s kvantnom fizikom koja radi na mikrorazini?

Podijelite zajedničko i posebna teorija relativnosti (skraćeno GRT i SRT, dalje će se koristiti kao kratice). Ukratko, GR postulira o svemiru i njegovoj zakrivljenosti, a SRT o relativnosti prostor-vremena sa strane čovjeka. Kada govorimo o teoriji struna, konkretno govorimo o općoj relativnosti. Opća teorija relativnosti kaže da se u prostoru pod utjecajem masivnih objekata oko njega zakrivljuje prostor (a uz njega i vrijeme, jer su prostor i vrijeme potpuno nerazdvojni pojmovi). Da biste razumjeli kako se to događa, pomoći će vam primjer iz života znanstvenika. Nedavno je zabilježen sličan slučaj pa se sve ispričano može smatrati „na temelju stvarni događaji". Znanstvenik gleda kroz teleskop i vidi dvije zvijezde, jednu ispred i jednu iza sebe. Kako bismo ovo mogli razumjeti? Vrlo je jednostavno, jer je ta zvijezda, čije središte ne vidimo, ali se vide samo rubovi, najveća od ove dvije, a druga zvijezda, koja se vidi u svom punom obliku, je manja. Međutim, zahvaljujući općoj relativnosti, također može biti da je zvijezda ispred veća od one iza. Ali je li moguće?

Ispostavilo se da da. Ako se prednja zvijezda pokaže kao supermasivan objekt koji će snažno savijati prostor oko sebe, tada će slika zvijezde iza nje jednostavno zaobiti supermasivu zvijezdu u zakrivljenosti i vidjet ćemo sliku koja je spomenuta na samom početku . Detaljnije možete vidjeti što je rečeno na sl. jedan.

Kvantna fizika je mnogo teža obična osoba nego TO. Ako generaliziramo sve njegove odredbe, dobivamo sljedeće: mikro-objekti postoje samo kada ih gledamo. Osim toga, kvantna fizika također kaže da ako se mikročestica razbije na dva dijela, tada će se ta dva dijela nastaviti rotirati duž svoje osi u istom smjeru. A također će se svaki utjecaj na prvu česticu nesumnjivo prenijeti na drugu, i to trenutno i potpuno bez obzira na udaljenost tih čestica.

U čemu je onda poteškoća u kombiniranju koncepata ove dvije teorije? Činjenica je da GR razmatra objekte u makrokozmosu, a kada govorimo o distorziji/zakrivljenosti prostora, mislimo na savršeno glatki prostor, što je u potpunosti u suprotnosti s odredbama mikrosvijeta. Prema teoriji kvantne fizike, mikrokozmos je potpuno neravnomjeran, ima sveprisutnu hrapavost. Ovo je laički rečeno. A matematičari i fizičari su svoje teorije uvukli u formule. I tako, kada su pokušali spojiti formule kvantne fizike i opće relativnosti, ispostavilo se da je odgovor beskonačnost. Beskonačnost u fizici jednako je reći da je jednadžba pogrešna. Rezultirajuća je jednakost provjeravana mnogo puta, ali je odgovor i dalje bio beskonačan.

Teorija struna revolucionirala je svakodnevni svijet znanosti. Presuda je da sve mikročestice nisu sferne, već oblika izduženih struna koje prožimaju cijeli naš svemir. Količine kao što su masa, brzina čestica itd. se postavljaju vibracijama ovih struna. Svaki takav niz je teoretski u Calabi-Yau mnogostrukosti. Ovi razdjelnici predstavljaju vrlo zakrivljen prostor. Prema teoriji mnogostrukosti, oni nisu ničim povezani u prostoru i nalaze se odvojeno u malim kuglicama. Teorija struna doslovno briše jasne granice procesa povezivanja dviju mikročestica. Kada su mikročestice predstavljene kuglicama, možemo jasno pratiti granicu u prostor-vremenu kada se spajaju. Međutim, ako su dvije žice povezane, tada se mjesto njihovog "ljepljenja" može promatrati iz različitih kutova. I iz različitih kutova dobivamo potpuno različiti rezultati granice njihove povezanosti, odnosno jednostavno ne postoji točan koncept takve granice!

U prvoj fazi studija, teorija struna, ispričana čak jednostavnim riječima izgleda tajanstveno, čudno, pa čak i jednostavno izmišljeno, ali ne govore neutemeljene riječi, već studije koje po mnogim jednadžbama i parametrima potvrđuju vjerojatnost postojanja nizova čestica.

I za kraj, još jedan video koji objašnjava teoriju struna prostim jezikom iz internetskog časopisa QWRT.

Jeste li ikada pomislili da je svemir poput violončela? Tako je, nije došlo. Jer svemir nije poput violončela. Ali to ne znači da ona nema konce. Naravno, strune svemira jedva da su slične onima koje zamišljamo. U teoriji struna, oni su nevjerojatno male vibrirajuće niti energije. Ove niti su poput sićušnih "elastičnih traka" koje se mogu izvijati, rastezati i skupljati na sve načine. Sve to, međutim, ne znači da se na njima ne može “svirati” simfonija Svemira, jer se, prema teoretičarima struna, sve što postoji sastoji od tih “niti”.

©depositphotos.com

Kontroverza fizike

U drugoj polovici 19. stoljeća fizičarima se činilo da se u njihovoj znanosti više ništa ozbiljno ne može otkriti. Klasična je fizika vjerovala da u njoj nema ozbiljnih problema, a cijela struktura svijeta izgledala je kao savršeno podešen i predvidljiv stroj. Nevolja se, kao i obično, dogodila zbog gluposti - jednog od malih "oblačića" koji su još uvijek ostali na čistom, razumljivom nebu znanosti. Naime, pri proračunu energije zračenja potpuno crnog tijela (hipotetskog tijela koje pri bilo kojoj temperaturi potpuno apsorbira zračenje koje na njega upada, bez obzira na valnu duljinu). Proračuni su pokazali da bi ukupna energija zračenja bilo kojeg apsolutno crnog tijela trebala biti beskonačno velika. Kako bi izbjegao tako očiti apsurd, njemački znanstvenik Max Planck je 1900. godine sugerirao da vidljivu svjetlost, X-zrake i druge elektromagnetske valove mogu emitirati samo određeni diskretni dijelovi energije, koje je nazvao kvanti. Uz njihovu pomoć bilo je moguće riješiti poseban problem apsolutno crno tijelo. Međutim, posljedice kvantne hipoteze za determinizam tada još nisu bile spoznate. Sve dok 1926. drugi njemački znanstvenik, Werner Heisenberg, nije formulirao poznati princip nesigurnosti.

Njegova se suština svodi na činjenicu da, suprotno svim dosadašnjim tvrdnjama, priroda ograničava našu sposobnost predviđanja budućnosti na temelju fizikalnih zakona. Ovdje se, naravno, radi o budućnosti i sadašnjosti subatomskih čestica. Pokazalo se da se ponašaju potpuno drugačije od bilo koje druge stvari u makrokozmosu oko nas. Na subatomskoj razini, tkivo prostora postaje neravnomjerno i kaotično. Svijet sićušnih čestica toliko je buran i neshvatljiv da je u suprotnosti sa zdravim razumom. Prostor i vrijeme su u njemu toliko isprepleteni i isprepleteni da nema običnih pojmova lijevo i desno, gore i dolje, pa čak ni prije i poslije. Ne postoji način da se sa sigurnošću kaže u kojoj točki u prostoru ovaj trenutak ovu ili onu česticu, i koliki je moment njezine količine gibanja. Postoji samo određena vjerojatnost pronalaska čestice u mnogim područjima prostor-vremena. Čini se da su čestice na subatomskoj razini "razmazane" prostorom. I ne samo to, "status" samih čestica nije definiran: u nekim slučajevima one se ponašaju poput valova, u drugima pokazuju svojstva čestica. To je ono što fizičari nazivaju valno-čestičnom dualnošću kvantne mehanike.

Razine ustrojstva svijeta: 1. Makroskopska razina – supstancija
2. Molekularna razina 3. Atomska razina - protoni, neutroni i elektroni
4. Subatomska razina - elektron 5. Subatomska razina - kvarkovi 6. Razina strune
©Bruno P. Ramos

U Općoj teoriji relativnosti, kao u stanju s suprotnim zakonima, stvari su bitno drugačije. Čini se da je prostor poput trampolina - glatke tkanine koja se može savijati i rastezati predmetima koji imaju masu. Oni stvaraju deformacije prostor-vremena – ono što doživljavamo kao gravitaciju. Nepotrebno je reći da je koherentna, ispravna i predvidljiva Opća teorija relativnosti u nerazrješivom sukobu s "otkačenim huliganom" - kvantnom mehanikom, te se, kao rezultat toga, makrokozmos ne može "pomiriti" s mikrokozmosom. Tu na scenu stupa teorija struna.

©John Stembridge/Projekt Atlas grupa laži

Teorija svega

Teorija struna utjelovljuje san svih fizičara da ujedine dvije fundamentalno kontradiktorne opće teorije relativnosti i kvantne mehanike, san koji je proganjao najvećeg "cigana i skitnicu" Alberta Einsteina do kraja njegovih dana.

Mnogi znanstvenici vjeruju da se sve, od izvrsnog plesa galaksija do frenetičnog plesa subatomskih čestica, u konačnici može objasniti samo jednim temeljnim fizikalnim principom. Možda čak i jedan zakon koji kombinira sve vrste energije, čestice i interakcije u nekoj elegantnoj formuli.

Opća teorija relativnosti opisuje jednu od najpoznatijih sila u svemiru – gravitaciju. Kvantna mehanika opisuje još tri sile: snažnu nuklearnu silu koja spaja protone i neutrone u atome, elektromagnetizam i slabu silu koja je uključena u radioaktivni raspad. Svaki događaj u svemiru, od ionizacije atoma do rođenja zvijezde, opisuje se interakcijama tvari kroz ove četiri sile. Koristeći najsloženiju matematiku, bilo je moguće pokazati da elektromagnetska i slaba interakcija imaju zajednička priroda, kombinirajući ih u jedan elektroslab. Naknadno im je dodana snažna nuklearna interakcija - ali im se gravitacija ni na koji način ne pridružuje. Teorija struna jedan je od najozbiljnijih kandidata za povezivanje sve četiri sile, a samim tim i za prihvaćanje svih fenomena u Svemiru - nije bez razloga nazvana i “Teorijom svega”.

©Wikimedia Commons

U početku je postojao mit

Do sada nisu svi fizičari oduševljeni teorijom struna. I u zoru svoje pojave, činilo se beskrajno daleko od stvarnosti. Samo njezino rođenje je legenda.

Krajem 1960-ih, mladi talijanski teorijski fizičar Gabriele Veneziano tražio je jednadžbe koje bi mogle objasniti jake nuklearne sile, iznimno moćno "ljepilo" koje drži jezgre atoma na okupu vežući protone i neutrone zajedno. Prema legendi, jednom je naišao na prašnjavu knjigu o povijesti matematike, u kojoj je pronašao 200 godina staru jednadžbu koju je prvi napisao švicarski matematičar Leonhard Euler. Što je Veneziano iznenadio kada je otkrio da Eulerova jednadžba, koja se dugo vremena smatrala samo matematičkom kuriozitetom, opisuje ovu snažnu silu.

Kako je zapravo bilo? Jednadžba je vjerojatno rezultat godine djelo Veneziana, a slučaj je samo pomogao da se napravi prvi korak prema otkriću teorije struna. Eulerova jednadžba, čudesno objašnjavajući snažnu silu, pronašla je novi život.

Na kraju je zapela za oko mladom američkom teoretskom fizičaru, Leonardu Susskindu, koji je vidio da formula prvenstveno opisuje čestice koje nemaju unutarnju strukturu i mogu vibrirati. Te su se čestice ponašale na takav način da nisu mogle biti samo točkaste čestice. Susskind je razumio - formula opisuje nit koja je poput elastične trake. Mogla se ne samo rastezati i skupljati, nego i oscilirati, previjati se. Nakon što je opisao svoje otkriće, Susskind je predstavio revolucionarnu ideju žica.

Nažalost, velika većina njegovih kolega primila je teoriju prilično hladno.

standardni model

U to vrijeme, mainstream znanost predstavljala je čestice kao točke, a ne strune. Već godinama fizičari istražuju ponašanje subatomskih čestica, sudaraju ih velikim brzinama i proučavaju posljedice tih sudara. Pokazalo se da je svemir puno bogatiji nego što se moglo zamisliti. Bila je to prava "populacijska eksplozija" elementarnih čestica. Diplomirani studenti sveučilišta fizike trčali su hodnicima vičući da su otkrili novu česticu - nije bilo ni dovoljno slova da ih označi.

Ali, nažalost, u rodilište» novih čestica, znanstvenici nisu uspjeli pronaći odgovor na pitanje – zašto ih ima toliko i odakle dolaze?

To je fizičare potaknulo na neobično i zapanjujuće predviđanje – shvatili su da se sile koje djeluju u prirodi mogu objasniti i pomoću čestica. Odnosno, postoje čestice materije, a postoje i čestice-nosioci interakcija. Takav je, na primjer, foton – čestica svjetlosti. Što je više ovih čestica nosača - istih fotona koje čestice tvari razmjenjuju, to je svjetlost svjetlija. Znanstvenici su predvidjeli da ova konkretna izmjena čestica nosača nije ništa više od onoga što doživljavamo kao silu. To je potvrđeno eksperimentima. Tako su se fizičari uspjeli približiti Einsteinovom snu o udruživanju snaga.

©Wikimedia Commons

Znanstvenici vjeruju da ako brzo prijeđemo na trenutak nakon Velikog praska, kada je svemir bio trilijune stupnjeva topliji, čestice koje nose elektromagnetizam i slabu silu postale bi nerazlučive i spojile bi se u jednu silu zvanu elektroslaba. A ako se još više vratimo u prošlost, tada bi se elektroslaba interakcija spojila s jakom u jednu totalnu “supersilu”.

Unatoč činjenici da sve to još čeka na dokazivanje, kvantna mehanika je iznenada objasnila kako tri od četiri sile međusobno djeluju na subatomskoj razini. I to je lijepo i dosljedno objasnila. Ovaj skladni obrazac interakcija na kraju je nazvan standardni model. Ali, nažalost, čak i u ovoj savršenoj teoriji postojao je jedan veliki problem- nije uključivao najpoznatiju silu makrorazine - gravitaciju.

©Wikimedia Commons

gravitona

Za teoriju struna, koja nije imala vremena "procvjetati", došla je "jesen", sadržavala je previše problema od samog svog rođenja. Primjerice, proračuni teorije predviđali su postojanje čestica, koje, kako je ubrzo točno utvrđeno, nisu postojale. To je takozvani tahion – čestica koja se kreće brže od svjetlosti u vakuumu. Između ostalog, pokazalo se da je za teoriju potrebno čak 10 dimenzija. Nije iznenađujuće da je to bilo jako neugodno za fizičare, jer je očito više od onoga što vidimo.

Do 1973. samo se nekoliko mladih fizičara još uvijek borilo s misterijama teorije struna. Jedan od njih bio je američki teoretski fizičar John Schwartz. Četiri godine Schwartz je pokušavao ukrotiti nestašne jednadžbe, ali bezuspješno. Među ostalim problemima, jedna od tih jednadžbi tvrdoglavo je opisivala tajanstvenu česticu koja nije imala masu i nije opažena u prirodi.

Znanstvenik je već odlučio napustiti svoj katastrofalni posao, a onda mu je sinulo – možda jednadžbe teorije struna opisuju, između ostalog, i gravitaciju? No, to je podrazumijevalo reviziju dimenzija glavnih “junaka” teorije – struna. Pretpostavljajući da su strune milijarde i milijarde puta manje od atoma, "stringeri" su manu teorije pretvorili u njezinu vrlinu. Tajanstvena čestica koje se John Schwartz tako ustrajno pokušavao riješiti sada je djelovala kao graviton – čestica za kojom se dugo tragalo i koja bi omogućila prenošenje gravitacije na kvantnu razinu. Ovako je teorija struna dodala gravitaciju slagalici, koja nedostaje u Standardnom modelu. Ali, nažalost, ni znanstvena zajednica nije reagirala na ovo otkriće. Teorija struna ostala je na rubu opstanka. Ali to nije zaustavilo Schwartza. Njegovoj potrazi želio se pridružiti samo jedan znanstvenik koji je bio spreman riskirati svoju karijeru radi tajanstvenih konce - Michael Green.

Američki teorijski fizičar John Schwartz (gore) i Michael Green
©California Institute of Technology/elementy.ru

Koji razlog postoji da se misli da se gravitacija pokorava zakonima kvantne mehanike? Za otkriće ovih "temelja" 2011. nagrađen je Nobelova nagrada u fizici. Sastojao se u činjenici da se širenje Svemira ne usporava, kako se nekada mislilo, već se, naprotiv, ubrzava. Ovo ubrzanje objašnjava se djelovanjem posebne “antigravitacije”, koja je nekako karakteristična za prazan prostor kozmičkog vakuuma. S druge strane, na kvantnoj razini ne može biti ništa apsolutno "prazno" - subatomske čestice se stalno pojavljuju i odmah nestaju u vakuumu. Vjeruje se da je ovo “bljeskanje” čestica odgovorno za postojanje “antigravitacijske” tamne energije koja ispunjava prazan prostor.

Svojedobno je Albert Einstein, koji do kraja života nije prihvaćao paradoksalne principe kvantne mehanike (koju je i sam predvidio), sugerirao postojanje ovog oblika energije. Slijedeći tradiciju Aristotelove klasične grčke filozofije s vjerom u vječnost svijeta, Einstein je odbio vjerovati u ono što je predviđala njegova vlastita teorija, naime da svemir ima početak. Da bi "ovjekovječio" svemir, Einstein je čak u svoju teoriju uveo određenu kozmološku konstantu, te tako opisao energiju praznog prostora. Na sreću, nekoliko godina kasnije pokazalo se da Svemir uopće nije zamrznuti oblik, da se širi. Tada je Einstein napustio kozmološku konstantu, nazvavši je "najvećom pogrešnom proračunom u svom životu".

Danas znanost zna da tamna energija još uvijek postoji, iako je njezina gustoća mnogo manja od one koju je predložio Einstein (problem gustoće tamne energije, inače, jedan je od najveće misterije moderna fizika). No, koliko god bila mala vrijednost kozmološke konstante, ona je sasvim dovoljna da se osigura postojanje kvantnih efekata u gravitaciji.

Subatomske lutke za gniježđenje

Unatoč svemu, početkom osamdesetih godina prošlog stoljeća teorija struna je još uvijek imala nerazrješive proturječnosti, u znanosti poznate kao anomalije. Schwartz i Green krenuli su s njihovim eliminacijom. I njihovi napori nisu bili uzaludni: znanstvenici su uspjeli eliminirati neke od proturječnosti teorije. Zamislite čuđenje ove dvojice, već naviknutih na činjenicu da se njihova teorija ignorira, kada je reakcija znanstvene zajednice raznijela znanstveni svijet. U manje od godinu dana broj teoretičara struna skočio je na stotine. Tada je teorija struna nagrađena naslovom Teorija svega. Činilo se da je nova teorija sposobna opisati sve komponente svemira. A evo i sastojaka.

Svaki atom, kao što znamo, sastoji se od još manjih čestica - elektrona, koji kruže oko jezgre koja se sastoji od protona i neutrona. Protoni i neutroni se pak sastoje od još manjih čestica zvanih kvarkovi. Ali teorija struna kaže da ne završava s kvarkovima. Kvarkovi se sastoje od sitnih zmijastih vlakana energije koji nalikuju strunama. Svaka od ovih struna je nezamislivo mala. Toliko mali da kad bi se atom povećao na veličinu Sunčev sustav, niz bi bio veličine stabla. Baš kao što različite vibracije žice za violončelo stvaraju ono što čujemo kao različite glazbene note, razne načine(modi) vibracije strune daju česticama svoje jedinstvena svojstva masa, naboj itd. Znate li po čemu se, relativno govoreći, protoni na vrhu vašeg nokta razlikuju od gravitona koji još nije otkriven? Samo skup sićušnih žica koje ih čine i kako te žice vibriraju.

Naravno, sve je to više nego nevjerojatno. Još od vremena Drevna grčka fizičari su navikli na činjenicu da se sve na ovom svijetu sastoji od nečega poput kuglica, sitnih čestica. A sada, nemajući vremena da se naviknu na nelogično ponašanje ovih kuglica, koje proizlazi iz kvantne mehanike, pozvani su da potpuno napuste paradigmu i operiraju nekakvim ukrasima za špagete...

Peta Dimenzija

Iako mnogi znanstvenici teoriju struna nazivaju trijumfom matematike, neki problemi i dalje ostaju – prije svega nedostatak mogućnosti da se eksperimentalno testira u bliskoj budućnosti. Niti jedan instrument na svijetu, bilo postojeći ili sposoban da se pojavi u perspektivi, nije sposoban "vidjeti" žice. Stoga se neki znanstvenici, usput, čak i pitaju: je li teorija struna teorija fizike ili filozofije?.. Istina, uopće nije potrebno vidjeti strune "svojim očima". Ono što je potrebno za dokazivanje teorije struna prije je nešto drugo – što zvuči kao znanstvena fantastika – potvrda postojanja dodatnih dimenzija prostora.

o čemu se radi? Svi smo navikli na tri dimenzije prostora i jednu - vrijeme. Ali teorija struna predviđa prisutnost drugih - dodatnih - dimenzija. Ali krenimo redom.

Zapravo, ideja o postojanju drugih dimenzija nastala je prije gotovo stotinu godina. Došao je na čelo tada nepoznatog njemačkog matematičara Theodora Kalutza 1919. godine. On je sugerirao mogućnost prisutnosti u našem svemiru druge dimenzije koju mi ​​ne vidimo. Albert Einstein je čuo za ovu ideju i u početku mu se jako svidjela. Kasnije je, međutim, posumnjao u njegovu ispravnost, te je Kaluzino objavljivanje odgodio čak dvije godine. U konačnici je, međutim, članak ipak objavljen, a dodatna dimenzija postala je svojevrsna strast za genijem fizike.

Kao što znate, Einstein je pokazao da gravitacija nije ništa drugo nego deformacija prostorno-vremenskih mjerenja. Kaluza je sugerirao da bi elektromagnetizam također mogao biti valovitost. Zašto to ne vidimo? Kaluza je pronašao odgovor na ovo pitanje - talasanje elektromagnetizma može postojati u dodatnoj, skrivenoj dimenziji. Ali gdje je to?

Odgovor na to pitanje dao je švedski fizičar Oscar Klein, koji je sugerirao da je peta dimenzija Kaluze presavijena milijarde puta više od veličine jednog atoma, pa je ne možemo vidjeti. Ideja da ova sićušna dimenzija postoji svuda oko nas je u središtu teorije struna.

Unutar svakog od ovih oblika, struna vibrira i kreće se – glavna komponenta Svemira.
Svaki oblik je šestodimenzionalan – prema broju šest dodatnih dimenzija
©Wikimedia Commons

deset dimenzija

Ali zapravo, jednadžbe teorije struna ne zahtijevaju niti jednu, već šest dodatnih dimenzija (ukupno, s četiri nam poznate, ima ih točno 10). Svi oni imaju jako uvrnuto i uvrnuto složen oblik. A sve je nezamislivo malo.

Kako te male dimenzije mogu utjecati na naše Veliki svijet? Prema teoriji struna, odlučujuće: za nju je sve određeno formom. Kada svirate različite tipke na saksofonu, dobivate i različite zvukove. To je zato što kada pritisnete jednu ili drugu tipku ili njihovu kombinaciju, mijenjate oblik prostora glazbeni instrument gdje kruži zrak. Zbog toga se rađaju različiti zvukovi.

Teorija struna sugerira da se dodatne uvrnute i uvrnute dimenzije prostora pokazuju na sličan način. Oblici ovih dodatnih dimenzija su složeni i raznoliki, a svaki uzrokuje da struna unutar takvih dimenzija vibrira na drugačiji način upravo zbog svojih oblika. Uostalom, ako pretpostavimo, na primjer, da jedna struna vibrira unutar vrča, a druga unutar zakrivljenog stupa, to će biti potpuno različite vibracije. No, ako je vjerovati teoriji struna, u stvarnosti oblici dodatnih dimenzija izgledaju puno kompliciranije od vrča.

Kako svijet funkcionira

Znanost danas poznaje skup brojeva koji su temeljne konstante svemira. Oni određuju svojstva i karakteristike svega oko nas. Među takvim konstantama, na primjer, naboj elektrona, gravitacijska konstanta, brzina svjetlosti u vakuumu... A promijenimo li te brojke čak i za mali broj puta, posljedice će biti katastrofalne. Pretpostavimo da smo povećali snagu elektromagnetske interakcije. Što se dogodilo? Mogli bismo iznenada otkriti da su ioni postali odbojniji jedni od drugih, a termonuklearna fuzija, zbog koje zvijezde sjaje i zrače toplinu, iznenada je propala. Sve će zvijezde ugasiti.

Ali što je s teorijom struna s njenim dodatnim dimenzijama? Činjenica je da, prema njoj, dodatne dimenzije određuju točna vrijednost temeljne konstante. Neki oblici mjerenja uzrokuju da jedna struna vibrira na određeni način i dovode do onoga što vidimo kao fotona. U drugim oblicima, žice vibriraju drugačije i proizvode elektron. Uistinu Bog leži u “sitnicama” – upravo ti sićušni oblici određuju sve temeljne konstante ovoga svijeta.

teorija superstruna

Sredinom 1980-ih teorija struna poprimila je veličanstven i vitak izgled, ali unutar tog spomenika zavladala je zbrka. U samo nekoliko godina pojavilo se čak pet verzija teorije struna. I premda je svaki od njih izgrađen na strunama i dodatnim dimenzijama (svih pet verzija objedinjene su u općoj teoriji superstruna), u pojedinostima te su se verzije značajno razlikovale.

Dakle, u nekim verzijama žice su imale otvorene krajeve, u drugima su izgledale kao prstenovi. A u nekim verzijama teorija je čak zahtijevala ne 10, već čak 26 mjerenja. Paradoks je da se svih pet verzija danas može nazvati jednako istinitim. Ali koji od njih stvarno opisuje naš svemir? Ovo je još jedan misterij teorije struna. Zato su mnogi fizičari opet odmahnuli rukom na „ludu“ teoriju.

No, glavni je problem žica, kao što je već spomenuto, nemogućnost (barem za sada) eksperimentalno dokazati njihovu prisutnost.

Neki znanstvenici, međutim, još uvijek kažu da na sljedećoj generaciji akceleratora postoji vrlo minimalna, ali ipak, prilika za testiranje hipoteze o dodatnim dimenzijama. Iako je većina, naravno, sigurna da ako je to moguće, onda, nažalost, ne bi se trebalo dogoditi vrlo brzo - barem za desetljeća, maksimalno - čak ni za sto godina.