Teorija superstruna u popularnom jeziku. Što teorija struna govori jednostavnim riječima

Ključna pitanja:

Koje su temeljne komponente Svemira - "prve cigle materije"? Postoje li teorije koje mogu objasniti sve osnovne fizičke pojave?

Pitanje: je li stvarno?

Danas i u dogledno vrijeme izravno promatranje u tako malom razmjeru nije moguće. Fizika je u potrazi, a tekući eksperimenti, na primjer, za otkrivanje supersimetričnih čestica ili traženje dodatnih dimenzija u akceleratorima, mogu ukazivati ​​da je teorija struna na pravom putu.

Bez obzira na to je li teorija struna teorija svega, ona nam daje jedinstveni skup alata za zavirivanje u duboke strukture stvarnosti.

Teorija struna

Makro i mikro

Kada opisuje svemir, fizika ga dijeli na dvije naizgled nespojive polovice - kvantni mikrokozmos i makrokozmos, unutar kojih se opisuje gravitacija.

Teorija struna je kontroverzan pokušaj kombiniranja ovih polovica u "teoriju svega".

Čestice i interakcije

Svijet se sastoji od dvije vrste elementarnih čestica – fermiona i bozona. Fermioni su sve vidljive tvari, a bozoni su nositelji četiri poznate temeljne interakcije: slabe, elektromagnetske, jake i gravitacijske. U okviru teorije zvane "Standardni model", fizičari su uspjeli elegantno opisati i testirati tri temeljne interakcije, sve osim najslabije - gravitacijske. Do danas je standardni model najtočniji i eksperimentalno potvrđeni model našeg svijeta.

Zašto je potrebna teorija struna

Standardni model ne uključuje gravitaciju, ne može opisati središte crne rupe i Veliki prasak i ne objašnjava rezultate nekih eksperimenata. Teorija struna je pokušaj rješavanja ovih problema i objedinjavanja materije i interakcija zamjenom elementarnih čestica sitnim vibrirajućim strunama.

Teorija struna temelji se na ideji da se sve elementarne čestice mogu predstaviti kao jedna elementarna "prva cigla" - struna. Žice mogu vibrirati, a različiti načini takvih vibracija na velikoj udaljenosti izgledat će nam kao različite elementarne čestice. Jedan način vibracije učinit će da struna izgleda kao foton, a drugi će učiniti da izgleda kao elektron.

Postoji čak i mod koji opisuje nositelja gravitacijske interakcije - graviton! Verzije teorije struna opisuju strune dvije vrste: otvorene (1) i zatvorene (2). Otvorene žice imaju dva kraja (3) smještena na strukturama sličnim membrani zvanim D-brane, a njihova dinamika opisuje tri od četiri temeljne interakcije – sve osim gravitacijske.

Zatvorene žice podsjećaju na petlje, nisu vezane za D-brane - to su vibracijski modovi zatvorenih žica koji su predstavljeni gravitonom bez mase. Krajevi otvorenog niza mogu se spojiti, tvoreći zatvorenu strunu, koja se, zauzvrat, može prekinuti, pretvoriti u otvorenu, ili se spojiti i podijeliti u dvije zatvorene žice (5) - dakle, u teoriji struna, gravitacijska interakcija kombinira se sa svim ostalima

Žice su najmanji od svih objekata s kojima fizika djeluje. Raspon veličina V objekata prikazanih na gornjoj slici proteže se na 34 reda veličine - da je atom veličine Sunčevog sustava, tada bi veličina strune mogla biti nešto veća od atomske jezgre.

Dodatna mjerenja

Dosljedne teorije struna moguće su samo u prostoru viših dimenzija, gdje je uz poznate 4 prostorno-vremenske dimenzije potrebno 6 dodatnih dimenzija. Teoretičari vjeruju da su te dodatne dimenzije presavijene u neprimjetno male forme - Calabi-Yau prostore. Jedan od problema teorije struna je da postoji gotovo beskonačan broj varijanti Calabi-Yau konvolucije (kompaktifikacije) koje mogu opisati bilo koji svijet, a do sada ne postoji način da se pronađe varijanta Qi kompaktifikacije koja bi omogućila opisivanje da ono što vidimo okolo.

supersimetrija

Većina verzija teorije struna zahtijeva koncept supersimetrije, koji se temelji na ideji da su fermioni (materija) i bozoni (interakcije) manifestacije istog objekta i da se mogu pretvoriti jedni u druge.

Teorija svega?

Supersimetrija se može uključiti u teoriju struna 5 različiti putevi, što dovodi do 5 različitih vrsta teorije struna, što znači da sama teorija struna ne može tvrditi da je "teorija svega". Svih ovih pet vrsta međusobno su povezane matematičkim transformacijama koje se nazivaju dualnostima, a to je dovelo do shvaćanja da su sve te vrste aspekti nečeg općenitijeg. Ova općenitija teorija naziva se M-teorija.

Poznato je 5 različitih formulacija teorije struna, no pomnijim ispitivanjem ispada da su sve manifestacije općenitije teorije

teorija superstruna

Ukratko o teoriji superstruna

Ova teorija izgleda toliko divlja da je, vrlo vjerojatno, točna!

Razne verzije teorije struna danas se smatraju glavnim kandidatima za naslov sveobuhvatne univerzalne teorije koja objašnjava prirodu svih stvari. A ovo je svojevrsni Sveti gral teorijskih fizičara uključenih u teoriju elementarnih čestica i kozmologiju. Univerzalna teorija (tzv teorija svega) sadrži samo nekoliko jednadžbi koje objedinjuju ukupnost ljudskog znanja o prirodi interakcija i svojstvima temeljnih elemenata materije od kojih je izgrađen Svemir. Danas je teorija struna spojena s konceptom supersimetrija, što je rezultiralo rođenjem teorija superstruna, a danas je to maksimum koji je postignut u smislu objedinjavanja teorije o sve četiri glavne interakcije (sile koje djeluju u prirodi). Sama teorija supersimetrije već je izgrađena na temelju a priori moderni koncept, prema kojem je svaka daljinska (poljska) interakcija posljedica razmjene čestica-nositelja interakcije odgovarajuće vrste između čestica koje djeluju (Standardni model). Radi jasnoće, čestice koje djeluju u interakciji mogu se smatrati "ciglama" svemira, a čestice nosača - cementom.

U okviru standardnog modela, kvarkovi djeluju kao građevni blokovi, a nositelji interakcije mjerni bozoni, koje ti kvarkovi međusobno razmjenjuju. Teorija supersimetrije ide još dalje i navodi da sami kvarkovi i leptoni nisu fundamentalni: svi se sastoje od još težih i eksperimentalno neotkrivenih struktura (cigli) materije, koje zajedno drži još jači “cement” superenergetskih čestica-nosaca interakcije od kvarkova u hadronima i bozonima. Naravno, u laboratorijskim uvjetima nijedno od predviđanja teorije supersimetrije još nije potvrđeno, međutim, hipotetske skrivene komponente materijalnog svijeta već imaju imena - npr. seelektron(supersimetrični partner elektrona), squark itd. Postojanje ovih čestica, međutim, nedvosmisleno predviđaju teorije ove vrste.

Sliku svemira koju nude ove teorije, međutim, prilično je lako vizualizirati. Na mjerilima reda veličine 10-35 m, odnosno 20 redova veličine manjim od promjera istog protona, koji uključuje tri vezana kvarka, struktura materije se razlikuje od onoga na što smo navikli čak i na razini elementarnog čestice. Na tako malim udaljenostima (i pri tako visokim energijama interakcije da je to nezamislivo) materija se pretvara u niz polja stajaćih valova, slične teme koji su uzbuđeni u strunama glazbeni instrumenti. Poput žice gitare, u takvoj žici, osim temeljnog tona, mnogi prizvuci ili harmonike. Svaki harmonik ima svoje energetsko stanje. Prema princip relativnosti(Teorija relativnosti), energija i masa su ekvivalentne, što znači da što je viša frekvencija harmonijskog valnog titranja strune, to je njena energija veća, a masa promatrane čestice veća.

Međutim, ako se stajaći val u žici gitare vizualizira prilično jednostavno, stojne valove koje predlaže teorija superstruna teško je vizualizirati – činjenica je da superstrune vibriraju u prostoru koji ima 11 dimenzija. Navikli smo na četverodimenzionalni prostor, koji sadrži tri prostorne i jednu vremensku dimenziju (lijevo-desno, gore-dolje, naprijed-natrag, prošlost-budućnost). U prostoru superstruna stvari su puno kompliciranije (vidi umetak). Teoretski fizičari zaobilaze skliski problem "dodatnih" prostornih dimenzija tvrdeći da su one "skrivene" (ili, znanstveni jezik drugim riječima, "kompaktirati") i stoga se ne opažaju pri običnim energijama.

U novije vrijeme, teorija struna je dodatno razvijena u obliku teorija višedimenzionalnih membrana- zapravo, to su iste žice, ali ravne. Kako se jedan od njegovih autora slučajno našalio, membrane se razlikuju od žica na isti način na koji se rezanci razlikuju od vermikela.

To je, možda, sve što se može ukratko reći o jednoj od teorija, ne bez razloga da se danas zove univerzalna teorija Velikog ujedinjenja svih interakcija sila. Jao, ova teorija nije bez grijeha. Prije svega, još nije dovedena do rigorozne matematičke forme zbog nedostatnosti matematičkog aparata za dovođenje u strogu unutarnju korespondenciju. Prošlo je 20 godina otkako je ova teorija rođena, a nitko nije uspio dosljedno uskladiti neke njezine aspekte i verzije s drugima. Još je neugodnija činjenica da nitko od teoretičara koji predlažu teoriju struna (a posebno superstruna) do sada nije predložio niti jedan eksperiment na kojem bi se te teorije mogle laboratorijski testirati. Jao, bojim se da će sve dok to ne učine sav njihov rad ostati bizarna igra fantazije i vježba shvaćanja ezoterijskog znanja izvan mainstreama prirodnih znanosti.

Uvod u superstrune

prijevod Sergej Pavljučenko

Teorija struna jedna je od najuzbudljivijih i najdubljih teorija moderne teorijske fizike. Nažalost, to je još uvijek prilično teško razumjeti, što se može razumjeti samo sa stajališta kvantne teorije polja. Poznavanje matematike kao što je teorija grupa, diferencijalna geometrija itd. neće naštetiti razumijevanju. Tako za većinu ostaje "stvar za sebe".

Ovaj uvod je zamišljen kao "čitljiv" kratki uvod u osnovne pojmove teorije struna za one koji su zainteresirani. Nažalost, morat ćemo platiti strogošću i potpunošću dostupnost izlaganja. Nadamo se da će vam dati odgovore na najjednostavnija pitanja o teoriji struna, a vi ćete osjetiti ljepotu ovog područja znanosti.

Teorija struna je područje znanja koje se dinamički razvija do danas; svaki dan donosi nešto novo o njoj. Zasad ne znamo točno opisuje li teorija struna naš Svemir i u kojoj mjeri. Ali ona bi to mogla i opisati, kao što se vidi iz ove recenzije.

Izvorna verzija je na http://www.sukidog.com/jpierre/strings/index.html.

Zašto baš teorija struna?

Iako Standardni model opisuje većinu fenomena koje možemo promatrati koristeći moderne akceleratore, još uvijek mnoga pitanja o prirodi ostaju bez odgovora. Cilj moderne teorijske fizike je upravo objediniti opise svemira. Povijesno gledano, ovaj put je prilično uspješan. Na primjer, Einsteinova posebna teorija relativnosti kombinirala je elektricitet i magnetizam u elektromagnetsku silu. Rad Glashowa, Weinberga i Salama koji je dobio Nobelovu nagradu 1979. pokazuje da se elektromagnetske i slabe sile mogu kombinirati u elektroslabe. Nadalje, postoji svaki razlog vjerovati da će se sve sile unutar Standardnog modela na kraju spojiti. Ako počnemo uspoređivati ​​jaku i elektroslabu interakciju, tada ćemo morati ići u područja sve viših energija dok ne postanu jednake po snazi ​​u području GeV. Gravitacija će se pridružiti pri energijama reda .

Cilj teorije struna je upravo objasniti znak " ? " u gornjem dijagramu.

Karakteristična energetska skala za kvantnu gravitaciju naziva se Planckova masa i izražava se u smislu Planckove konstante, brzine svjetlosti i gravitacijske konstante kako slijedi:

Može se pretpostaviti da će, u svom konačnom obliku, teorija struna dati odgovore na sljedeća pitanja:

• Koje nam je poznato podrijetlo 4 sile prirode?
• Zašto su mase i naboji čestica upravo onakvi kakvi jesu?
• Zašto živimo u prostoru s 4 prostorne dimenzije?
• Kakva je priroda prostor-vremena i gravitacije?

  Osnove teorije struna

  Navikli smo misliti o elementarnim česticama (kao što je elektron) kao o točkastim 0-dimenzionalnim objektima. Nešto je općenitiji pojam temeljne žice kao 1-dimenzionalni objekti. Beskonačno su tanki, a duljina im je reda veličine . Ali to je jednostavno zanemarivo u usporedbi s duljinama s kojima se inače bavimo, pa možemo pretpostaviti da su gotovo točkaste. No, kao što ćemo vidjeti, njihova struna priroda je vrlo važna.

  Žice su otvoren i zatvoreno. Dok se kreću kroz prostor-vrijeme, pokrivaju površinu tzv svjetski list.

  

  Ove žice imaju određene vibracijske modove koji određuju kvantne brojeve svojstvene čestici, kao što su masa, spin, itd. Osnovna ideja je da svaki mod nosi skup kvantnih brojeva koji odgovaraju određenoj vrsti čestice. Ovo je konačno ujedinjenje – sve se čestice mogu opisati kroz jedan objekt – niz!

  Kao primjer, razmotrite zatvoreni niz koji izgleda ovako:

  Takav niz odgovara bezmasenom gravitona sa spinom 2 - na česticu koja nosi gravitacijsku interakciju. Inače, to je jedna od značajki teorije struna AI – ona prirodno i neizbježno uključuje gravitaciju kao jednu od temeljnih interakcija.

  Nizovi međusobno djeluju dijeljenjem i spajanjem. Na primjer, poništavanje dva zatvorena niza u jedan zatvoreni niz izgleda ovako:

  
  

  Imajte na umu da je površina svjetske ploče glatka površina. Iz ovoga slijedi još jedno "dobro" svojstvo teorije struna - ne sadrži niz divergencija svojstvenih kvantnoj teoriji polja s točkastim česticama. Feynmanov dijagram za isti proces

  

  sadrži topološki singularitet u točki interakcije.

  Ako "zalijepimo" dvije najjednostavnije interakcije nizova zajedno, dobivamo proces u kojem dva zatvorena niza međusobno djeluju udruživanjem u srednji zatvoreni niz, koji se zatim opet dijeli na dva:
  

  Ovaj glavni doprinos procesu interakcije naziva se aproksimacija stabla. Kako bi se izračunale kvantnomehaničke amplitude procesa korištenjem teorija perturbacije, dodati doprinose iz kvantnih procesa viših redova. Teorija perturbacije daje dobre rezultate jer doprinosi postaju sve manji i manji kako koristimo sve više i više redove. Čak i ako izračunate samo prvih nekoliko dijagrama, možete dobiti prilično točne rezultate. U teoriji struna, viši redovi odgovaraju većem broju rupa (ili "ručica") na svjetskim listovima.
  
  

  Dobra stvar kod ovog pristupa je što svaki red teorije perturbacije odgovara samo jednom dijagramu (na primjer, u teoriji polja s točkastim česticama, broj dijagrama raste eksponencijalno u višim redovima). Loša vijest je da su točni izračuni dijagrama s više od dvije rupe vrlo teški zbog složenosti matematičkog aparata koji se koristi pri radu s takvim površinama. Teorija perturbacija vrlo je korisna u proučavanju procesa sa slabom spregom, a uz nju je povezana većina otkrića u području fizike elementarnih čestica i teorije struna. Međutim, sve je to još daleko od kraja. Odgovori na najdublja pitanja teorije mogu se dobiti tek nakon što se dovrši točan opis ove teorije.

  D-brane

  Stringovi mogu imati potpuno proizvoljne granične uvjete. Na primjer, zatvoreni niz ima periodične granične uvjete (niz "ide u sebe"). Otvoreni nizovi mogu imati dvije vrste graničnih uvjeta - uvjete Neumann i uvjeti Dirichlet. U prvom slučaju, kraj strune se može slobodno pomicati, međutim, bez oduzimanja zamaha. U drugom slučaju, kraj strune može se kretati duž nekog razdjelnika. Ova sorta se zove D-brane ili Dp-brane(kada se koristi drugi zapis, "p" je cijeli broj koji karakterizira broj prostornih dimenzija mnogostrukosti). Primjer su dvije žice s jednim ili oba kraja pričvršćene na 2-dimenzionalnu D-branu ili D2-branu:

  

  D-brane mogu imati brojne prostorne dimenzije od -1 do broja prostornih dimenzija našeg prostor-vremena. Na primjer, u teoriji superstruna postoji 10 dimenzija - 9 prostornih i jedna vremenska. Dakle, u superstrunama, maksimum koji može postojati je D9-brana. Imajte na umu da su u ovom slučaju krajevi struna učvršćeni na razdjelnik koji pokriva sav prostor, tako da se mogu kretati posvuda, pa je Neumannov uvjet zapravo nametnut! U slučaju p=-1, sve prostorne i vremenske koordinate su fiksne, a takva se konfiguracija naziva instanton ili D-instanton. Ako je p=0, tada su sve prostorne koordinate fiksne, a kraj niza može postojati samo u jednoj točki u prostoru, pa se D0-brane često nazivaju D-čestice. Sasvim slično, D1-brane se nazivaju D-žice. Inače, sama riječ "brane" dolazi od riječi "membrana", koja se zove 2-dimenzionalne brane, odnosno 2-brane.

  U stvarnosti, D-brane su dinamične, mogu fluktuirati i kretati se. Na primjer, oni međusobno djeluju gravitacijsko. Na donjem dijagramu možete vidjeti kako jedan zatvoreni niz (u našem slučaju, graviton) stupa u interakciju s D2-branom. Posebno treba istaknuti činjenicu da, nakon interakcije, zatvorena struna postaje otvorena s oba kraja na D-brani.
  
  
  Dakle, teorija struna je više od teorije struna!

  Dodatna mjerenja

  Superstrune postoje u 10-dimenzionalnom prostor-vremenu, dok mi živimo u 4-dimenzionalnom. A ako superstrune opisuju naš Svemir, moramo nekako povezati ta dva prostora. Da bismo to učinili, smanjujemo 6 dimenzija na vrlo mala veličina. Ako se u ovom slučaju pokaže da je veličina kompaktne dimenzije reda veličine nizova (), tada je zbog malenosti ove dimenzije jednostavno ne možemo vidjeti izravno ni na koji način. U konačnici ćemo dobiti naš (3 + 1)-dimenzionalni prostor, u kojem svaka točka našeg 4-dimenzionalnog svemira odgovara malenom 6-dimenzionalnom prostoru. To je vrlo shematski prikazano na donjoj slici:

  

  Ovo je zapravo prilično stara ideja koja seže u rad Kaluze i Kleina iz 1920-ih. Gore opisani mehanizam naziva se Kaluza-Klein teorija ili kompaktifikacija. Sam Kaluzin rad pokazuje da ako uzmemo relativnost u 5-dimenzionalni prostor-vrijeme, a zatim zamotamo jednu dimenziju u krug, dobivamo 4-dimenzionalno prostor-vrijeme s relativnošću plus elektromagnetizam! A to se događa zbog činjenice da je elektromagnetizam U(1) teorija mjerila. U(1) je skupina rotacija oko točke u ravnini. Kaluza-Klein mehanizam daje jednostavnu geometrijsku interpretaciju ovog kruga - ovo je ista presavijena peta dimenzija. Iako su presavijene mjere male za izravnu detekciju, one ipak mogu imati duboko fizičko značenje. [Potpuno slučajno procurilo u tisak, rad Kaluze i Kleina izazvao je mnogo govora o petoj dimenziji.]

  Kako možemo znati postoje li doista dodatne dimenzije i kako ih možemo "osjetiti" imajući akceleratore s dovoljno visokim energijama? Iz kvantne mehanike je poznato da ako je prostor periodičan, tada je zamah kvantiziran: , dok ako je prostor neograničen, tada je spektar vrijednosti zamaha kontinuiran. Ako se radijus zbijanja (veličina dodatnih dimenzija) smanji, tada će se povećati raspon dopuštenih vrijednosti zamaha. Tako se dobiva toranj stanja zamaha - toranj Kaluze Kleina.

  

  A ako se radijus kruga uzme vrlo velik ("dekompaktiramo" mjerenje), tada će raspon mogućih vrijednosti zamaha biti prilično uzak, ali će biti "gotovo kontinuiran". Takav će spektar biti sličan spektru mase svijeta bez kompaktifikacije. Na primjer, stanja koja su bez mase u većem broju dimenzija u manjem broju dimenzija izgledat će točno kao gore opisani toranj stanja. Zatim treba promatrati "skup" čestica s masama koje su jedna od druge jednako udaljene. Istina, da bismo "vidjeli" najmasivnije čestice, potrebni su akceleratori koji su puno bolji od onih koje trenutno imamo.

  Žice imaju još jedno izvanredno svojstvo - mogu se "namotati" oko kompaktirane dimenzije, što dovodi do izgleda okretni modovi u spektru mase. Zatvoreni niz može se omotati oko zbijene dimenzije cijeli broj puta. Slično kao u slučaju Kaluza-Klein, oni doprinose zamahu kao . Bitna razlika je upravo u još jednoj vezi s radijusom kompaktifikacije. U ovom slučaju, za male dodatne dimenzije, načini preokretanja postaju vrlo jednostavni!
  
  

  Sada moramo prijeći na naš 4-dimenzionalni prostor. Za to nam je potrebna 10-dimenzionalna teorija superstruna na 6-dimenzionalnoj kompaktnoj mnogostrukosti. Naravno, u ovom slučaju, gore opisana slika postaje složenija. Najlakši način je pretpostaviti da su svih ovih 6 dimenzija 6 kružnica, dakle sve su 6-dimenzionalni torus. Štoviše, takva shema omogućuje očuvanje supersimetrije. Vjeruje se da u našem 4-dimenzionalnom prostoru postoji i neka supersimetrija na energetskim ljestvicama reda od 1 TeV (upravo na tim energijama supersimetrija se nedavno tražila u modernim akceleratorima). Da bi se očuvala minimalna supersimetrija, N=1 u 4 dimenzije, potrebno je kompaktirati na posebnoj 6-raznomjernici tzv. Calabi-Yau mnogostrukost.

  Svojstva Calabi-Yo mnogostrukosti mogu imati važnu primjenu u fizici niskih energija - na čestice koje promatramo, njihove mase i kvantne brojeve, te na broj generacija čestica. Ovdje je problem što, općenito govoreći, postoji ogromna raznolikost sorti Calabi-Yo, a mi ne znamo koju bismo upotrijebili. U tom smislu, imajući u stvari jednu 10-dimenzionalnu teoriju struna, dobivamo da 4-dimenzionalna teorija nikako ne postaje jedina moguća, barem na našoj (još nepotpunoj) razini razumijevanja. "Ljudi struna" (znanstvenici koji rade na području teorija struna) se nadaju da s potpunom neperturbativnom teorijom struna (teorijom koja se NE temelji na perturbacijama malo gore opisanim) možemo objasniti kako je svemir otišao od 10. dimenzionalnu fiziku, koja se mogla dogoditi tijekom razdoblja visokih energija neposredno nakon Velikog praska, do 4-dimenzionalne fizike, kojom se sada bavimo. [Drugim riječima, pronaći ćemo jednu Calabi-Yo mnogostrukost.] Andrew Strominger je pokazao da Calabi-Yo mnogostrukosti mogu biti kontinuirano povezane jedna s drugom pomoću konifold prijelazi te je tako moguće kretati se između različitih Calabi-Yo mnogostrukosti promjenom parametara teorije. Ali to sugerira mogućnost da su različite 4D teorije koje proizlaze iz različitih Calabi-Yo mnogostrukosti različite faze iste teorije.

  Dualnost

  Pokazalo se da su pet gore opisanih teorija superstruna vrlo različite s gledišta slabo spregnute perturbativne teorije (gore razvijena teorija perturbacije). No, zapravo, kako se pokazalo posljednjih godina, sve ih povezuju razne dvojnosti žica. Nazovimo teoriju dual ako opisuju ista fizika.

  Prva vrsta dualnosti o kojoj ćemo ovdje raspravljati je T-dvojnost. Ova vrsta dualnosti povezuje teoriju zbijenu na kružnicu polumjera s teorijom zbijenom na krugu polumjera. Dakle, ako se u jednoj teoriji prostor presavije u krug malog polumjera, onda će u drugoj biti presavijen u krug velikog polumjera, ali će oba opisivati ​​istu fiziku! Teorije superstruna tipa IIA i tipa IIB povezane su preko T-dualiteta, preko njega su povezane i SO(32) i E8 x E8 heterotične teorije.

  Još jedna dvojnost koju ćemo razmotriti - S-dvojnost. Jednostavno rečeno, ova dualnost povezuje granicu jake sprege jedne teorije sa granicom slabe sprege druge teorije. (Imajte na umu da labavo povezani opisi dviju teorija tada mogu biti vrlo različiti.) Na primjer, SO(32) Heterotička teorija struna i teorija tipa I su S-dualne u 10 dimenzija. To znači da se u granici jakog spajanja SO(32) heterotička teorija pretvara u teoriju tipa I u granici slabe sprege i obrnuto. Pronalaženje dokaza dualnosti između jakih i slabih granica može se postići uspoređivanjem spektra svjetlosnih stanja u svakom od uzoraka i utvrđivanjem da se oni međusobno slažu. Na primjer, teorija struna tipa I ima D-žicu koja je teška kada je slabo vezana i lagana kada je jaka. Ova D-žica nosi ista svjetlosna polja kao svjetska tablica SO(32) Heterotic String, tako da kada je teorija tipa I vrlo čvrsto povezana, D-žica postaje vrlo lagana i jednostavno ćemo vidjeti da opis postaje jednako dobar kroz slabo spregnutu heterotičku strunu. Još jedna S-dualnost u 10 dimenzija je samodualnost IIB nizova: jako spojena granica niza IIB jednostavno je još jedna IIB teorija, ali slabo povezana. Teorija IIB također ima D-žicu (iako više supersimetričnu od D-struna tipa I, tako da je ovdje fizika drugačija) koja postaje lagana kada je snažno spojena, ali ova D-žica je također drugi temeljni niz teorije. i tip IIB.

  

  Dualnosti između različitih teorija struna dokaz su da su sve one jednostavno različite granice iste teorije. Svako od ograničenja ima svoju primjenjivost, a različita ograničenja različitih opisa se preklapaju. Što je to M-teorija prikazano na slici? Nastavi čitati!

  M-teorija

  Kod niskih energija, M-teorija se opisuje teorijom tzv 11-dimenzionalna supergravitacija. Ova teorija ima membranu i pet-branu kao solitone, ali nema strune. Kako ovdje možemo nabaviti žice koje već volimo? Moguće je kompaktificirati 11-dimenzionalnu M-teoriju na kružnici malog radijusa kako bi se dobila 10-dimenzionalna teorija. Zatim, ako je naša membrana imala topologiju torusa, onda presavijanjem jednog od ovih krugova dobivamo zatvoreni niz! U granici gdje je polumjer vrlo mali, dobivamo superstring tipa IIA.

  

  Ali kako znamo da će M-teorija na kružnici proizvesti superstring tipa IIA, a ne IIB ili heterotične superstrune? Odgovor na ovo pitanje može se dobiti nakon temeljite analize bezmasenih polja koja dobivamo kao rezultat kompaktifikacije 11-dimenzionalne supergravitacije na kružnici. Još jedan jednostavan test mogao bi biti otkriti da je D-brana iz M-teorije jedinstvena za IIA teoriju. Podsjetimo da IIA teorija sadrži D0, D2, D4, D6, D8-brane i NS pet brane. Sljedeća tablica sažima sve gore navedeno:
  

  D6 i D8-brane su ovdje izostavljene. D6-brana se može protumačiti kao "Kaluza-Klein monopol", što je posebno rješenje za 11-dimenzionalnu supergravitaciju kada se zbije u krug. D8-brana nema jasnu interpretaciju u smislu M-teorije, a to je još uvijek otvoreno pitanje.

  Drugi način za dobivanje dosljedne 10-dimenzionalne teorije u je kompaktifikacija M-teorije u u mali segment. To znači da pretpostavljamo da jedna od dimenzija (11.) ima konačnu duljinu. U ovom slučaju krajevi segmenta definiraju granice 9 prostornih dimenzija. Na tim granicama moguće je konstruirati otvorenu membranu. Budući da je presjek membrane s granicom niz, može se vidjeti da (9+1)-dimenzionalni "svjetski volumen" (worldvolume) može sadržavati nizove "koji strše" iz membrane. Nakon svega toga, kako bi se izbjegle anomalije, potrebno je da svaka od granica nosi E8 mjernu skupinu. Stoga, ako prostor između granica učinimo vrlo malim, dobivamo 10-dimenzionalnu teoriju sa strunama i mjernom grupom E8 x E8. A ovo je heterotični niz E8 x E8!

  

  Dakle, s obzirom na različite uvjete i različite dualnosti između teorija struna, doći ćemo do činjenice da je osnova svega jedna teorija - M-teorija. U isto vrijeme, pet teorija superstruna i 11-dimenzionalna supergravitacija su njezine klasične granice. U početku smo pokušali dobiti odgovarajuće kvantne teorije "proširivanjem" klasičnih granica korištenjem perturbativne teorije (teorije perturbacije). Međutim, perturbativna teorija ima svoje granice primjenjivosti, pa proučavanjem neperturbativnih aspekata ovih teorija, koristeći dualnosti, supersimetriju, itd. dolazimo do zaključka da ih sve ujedinjuje jedna jedina kvantna teorija. Ova posebnost je vrlo atraktivna, tako da je rad na izgradnji cjelovite kvantne M-teorije u punom jeku.
  
  

  Crne rupe

  Klasični opis gravitacije - Opća teorija relativnosti (GR) - sadrži rješenja koja se nazivaju "crne rupe" (BHs). Postoji dosta vrsta crnih rupa, ali sve pokazuju slična opća svojstva. Horizont događaja je površina u prostor-vremenu koja, jednostavno rečeno, odvaja područje unutar crne rupe od područja izvan nje. Gravitacijska privlačnost crnih rupa toliko je jaka da ništa, čak ni svjetlost, koja je prodrla ispod horizonta, ne može pobjeći natrag. Stoga se klasične crne rupe mogu opisati samo pomoću parametara kao što su masa, naboj i kutni moment.

  (objašnjenje Penroseovog dijagrama a)

  Crne rupe su dobri laboratoriji za proučavanje teorija struna, budući da su učinci kvantne gravitacije važni čak i za prilično velike crne rupe. Crne rupe zapravo nisu "crne" jer zrače! Koristeći poluklasične argumente, Stephen Hawking je pokazao da crne rupe zrače toplinsko zračenje iz svog horizonta. Budući da je teorija struna, između ostalog, i teorija kvantne gravitacije, u stanju je dosljedno opisati crne rupe. A tu su i crne rupe koje zadovoljavaju jednadžbu gibanja struna. Ove su jednadžbe slične onima iz GR, ali imaju neka dodatna polja koja su tamo došla iz nizova. U teorijama superstruna postoje posebna rješenja tipa BH, koja su i sama po sebi supersimetrična.

  Jedan od najdramatičnijih rezultata u teoriji struna bilo je izvođenje formule za bekenstein-hawkingova entropija Crna rupa izvedena iz razmatranja stanja mikroskopskog niza koja tvore crnu rupu. Bekenstein je primijetio da crne rupe poštuju "zakon o površini", dM = K dA, gdje je "A" površina horizonta, a "K" konstanta proporcionalnosti. Budući da je ukupna masa crne rupe njezina energija mirovanja, situacija je vrlo slična termodinamici: dE = T dS, što je pokazao Bekenstein. Hawking je kasnije pokazao u poluklasičnoj aproksimaciji da je temperatura crne rupe T = 4k, gdje je "k" konstanta nazvana "površinska gravitacija". Dakle, entropija crne rupe može se prepisati kao . Štoviše, Strominger i Vafa nedavno su pokazali da se ova formula za entropiju može dobiti mikroskopski (do faktora 1/4) korištenjem degeneracije kvantnih stanja struna i D-brana koje odgovaraju određenim supersimetričnim BH u teoriji struna ii. Inače, D-brane daju opis na malim udaljenostima kao u slučaju slabe veze. Na primjer, BH-ovi koje su razmatrali Strominger i Vafa opisuju se s 5-branama, 1-branama i otvorenim žicama koje "žive" na 1-brani, a sve su presavijene u 5-dimenzionalni torus, efektivno dajući 1-dimenzionalni objekt, crna rupa.

  

  U ovom slučaju, Hawkingovo zračenje se može opisati u okviru iste strukture, ali ako otvorene žice mogu "putovati" u oba smjera. Otvorene žice međusobno djeluju i zračenje se emitira u obliku zatvorenih žica.

  

  Precizni izračuni pokazuju da za iste vrste crnih rupa teorija struna daje ista predviđanja kao i poluklasična supergravitacija, uključujući netrivijalnu korekciju ovisno o frekvenciji zvanu "parametar sivila" ( faktor sivog tijela).

  Otkrivena kvantna gravitacija na Zemlji?
  

  << Вчера

  Sutra >>

  
  Obrazloženje: Postoje li odvojeni dijelovi gravitacije? Teorija poznata kao kvantna mehanika opisuje zakone koji upravljaju svemirom na malim udaljenostima, dok Einsteinova opća teorija relativnosti objašnjava prirodu gravitacije i svemira na velikim razmjerima. Do sada nije stvorena teorija koja ih može kombinirati. Istraživanje nedavno provedeno u Francuskoj možda je pokazalo da je gravitacija kvantno polje. Tvrdi se da Zemljino gravitacijsko polje pokazao svoju kvantnu prirodu. U eksperimentu koji su proveli Valery Nezvizhevsky i suradnici u , pokazalo se da se superhladni neutroni koji se kreću u gravitacijskom polju detektiraju samo na diskretnim visinama. Znanstvenici diljem svijeta čekaju neovisnu potvrdu ovih rezultata. Slika prikazuje, lažnim bojama, površinu koja može nastati tijekom evolucije jednodimenzionalnog niza. Opisujući elementarne čestice kao sićušne žice, mnogi fizičari rade na istinskoj kvantnoj teoriji gravitacije.

  (Napomena urednice: Eksperimenti francuskih i ruskih fizičara opisani u ovoj bilješci, objavljenoj u priroda, 415 , 297 (2002) nemati dodirnih točaka sa kvantna gravitacija. Njihovo objašnjenje(oboje su dali autori eksperimenata, kao i objavljeno u New Scientist i Physicsweb.org) potpuno drukčije.

  Eksperimentatori traže nove sile predviđene teorijama superstruna

  Istraživači sa Sveučilišta Colorado u Boulderu uspjeli su izvesti najosjetljiviji eksperiment do sada, procjenjujući gravitacijsku interakciju između masa razdvojenih samo dvostrukom debljinom od ljudske vlasi, ali nisu primijetili nijednu od predviđenih novih sila.

  Dobiveni rezultati omogućuju isključenje nekih varijanti teorije superstruna, u kojima je odgovarajući parametar djelovanja novih sila iz "presavijenih" mjerenja u rasponu od 0,1 do 0,01 mm.

  U teoriji struna ili superstruna, teorija struna, koja se smatra najperspektivnijim pristupom dugoočekivanom velikom ujedinjenju - jedinstven opis svih poznatih sila i materije, pretpostavlja se da je sve u svemiru sastavljeno od sićušnih petlji vibrirajućih struna. Prema različite opcije U teoriji superstruna mora postojati najmanje šest ili sedam dodatnih prostornih dimenzija uz tri koje su nam dostupne, a teoretičari smatraju da su te dodatne dimenzije presavijene u male prostore. Ova "kompaktifikacija" dovodi do takozvanih polja modula, koja opisuju veličinu i oblik presavijenih dimenzija u svakoj točki prostor-vremena.

  Područja modula imaju učinke usporedive po snazi ​​s običnom gravitacijom, a prema nedavnim predviđanjima, mogu se detektirati već na udaljenostima od 0,1 mm. Granica osjetljivosti postignuta u prethodnim eksperimentima omogućila je ispitivanje sile privlačenja između dviju masa razmaknutih samo 0,2 mm, pa je pitanje ostalo otvoreno. Međutim, otvoren je do danas.

  "Ako te sile stvarno postoje, sada znamo da bi se trebale manifestirati na manjim udaljenostima nego što smo testirali", objašnjava voditelj laboratorija, profesor John Price sa Sveučilišta Colorado (John Price). "Međutim, to rezultira sami ne pobijaju teoriju ii. Potrebno je samo imati na umu da će se učinak morati tražiti na manjim udaljenostima i koristiti postavke s većom osjetljivošću." Osim toga, istraživači tvrde da takvi eksperimenti sami po sebi nemaju namjeru potvrditi ili opovrgnuti teoriju superstruna. "Ideje koje testiramo samo su neki od mogućih scenarija inspiriranih strunama, a ne točna predviđanja same teorije", rekao je John Price za Space.com. "Još ne postoji način da teorija struna napravi točna predviđanja ove vrste, i rekao bih da nitko ne zna hoće li teorija struna to ikada moći." Međutim, pokusi na manjim udaljenostima ipak bi mogli "dodati još zakrpa u poplun fizike", te je stoga vrlo važno nastaviti ovakvu vrstu istraživanja jer bi se "moglo otkriti nešto novo i 'vrlo temeljno'".

  Eksperimentalna postava istraživača sa Sveučilišta Colorado, nazvana visokofrekventni rezonator (visokofrekventni rezonator), sastojala se od dvije tanke volframove ploče (20 mm duge i 0,3 mm debljine). Jedan od tih zapisa napravljen je da oscilira na frekvenciji od 1000 Hz. Pokrete druge ploče, uzrokovane udarom prve, mjerila je vrlo osjetljiva elektronika. Riječ je o silama mjerenim u femtonjutonima (10–15 N), odnosno oko milijuntog dijela težine zrna pijeska. Ispostavilo se da je sila gravitacije koja djeluje na tako malim udaljenostima prilično tradicionalna, opisana Newtonovim dobro poznatim zakonom.

  Profesor Price predlaže nastavak pokusa kako bi pokušao izmjeriti sile na još manjim udaljenostima. Kako bi napravili korak dalje, eksperimentatori iz Colorada uklanjaju pozlaćeni safirni štit između volframovih traka koje su blokirale elektromagnetske sile i zamjenjuju ga tanjom berilij-bakrenom folijom, omogućujući masama da se približe. Također planiraju ohladiti eksperimentalnu postavu kako bi smanjili smetnje od toplinskih fluktuacija.

  Bez obzira na sudbinu teorije superstruna, ideje ekstradimenzija, uvedene prije gotovo stotinu godina (u to vrijeme su im se mnogi fizičari smijali), postaju iznimno popularne zbog krize standardnih fizikalnih modela koji nisu u stanju objasniti nova opažanja. . Među najneverovatnijim činjenicama je ubrzano širenje Svemira, što ima mnogo potvrda. Tajanstvena nova sila, do sada nazvana tamna energija, rastavlja naš kozmos, djelujući kao neka vrsta antigravitacije. Nitko ne zna što fizički fenomen leži u osnovi ovoga. Ono što kozmolozi znaju jest da dok gravitacija drži galaksije zajedno na "lokalnoj" razini, misteriozne sile ih rastavljaju. oko većeg razmjera.

  Tamna energija se može objasniti interakcijama između dimenzija, onih koje vidimo i onih koje su nam još uvijek skrivene, smatraju neki teoretičari. Na godišnjem sastanku AAAS-a (American Association for the Advancement of Science) održanom u Denveru ranije ovog mjeseca, najcjenjeniji kozmolozi i fizičari izrazili su oprezan optimizam u vezi s tim.

  "Postoji nejasna nada da će novi pristup riješiti cijeli niz problema odjednom", kaže fizičar Sean Carroll, docent na Sveučilištu u Chicagu.

  Svi su ti problemi neizbježno grupirani oko gravitacije, čiju je silu Newton izračunao prije više od tri stoljeća. Gravitacija je bila prva od temeljnih sila koja je matematički opisana, ali je još uvijek najslabije shvaćena. Kvantna mehanika, razvijena 1920-ih, dobro opisuje ponašanje objekata na atomskoj razini, ali nije baš prijateljska s gravitacijom. Činjenica je da iako gravitacija djeluje na velikim udaljenostima, ona je još uvijek vrlo slaba u usporedbi s ostale tri temeljne sile (elektromagnetske, jake i slabe interakcije koje dominiraju mikrokozmosom). Očekuje se da će razumijevanje gravitacije na kvantnoj razini povezati kvantnu mehaniku s potpunim opisom drugih sila.

  Konkretno, znanstvenici dugo nisu mogli utvrditi vrijedi li Newtonov zakon (obrnuta proporcionalnost sile i kvadrata udaljenosti) na vrlo malim udaljenostima, u takozvanom kvantnom svijetu. Newton je razvio svoju teoriju za astronomske udaljenosti, kao što su interakcije Sunca s planetima, no sada se ispostavilo da ona vrijedi i u mikrokozmosu.

  "Ono što se trenutno događa u fizici čestica, gravitacijskoj fizici i kozmologiji vrlo podsjeća na vrijeme kada se kvantna mehanika počela ujedinjavati", kaže Maria Spiropulu, istraživačica sa Sveučilišta u Chicagu, organizatorica AAAS radionice o ekstradimenzionalnoj fizici (fizika dodatnih dimenzija).

  Po prvi put bilo je moguće izmjeriti brzinu gravitacije

  

  Ruski fizičar Sergej Kopeikin, koji radi na Sveučilištu Missouri u Columbiji, i Amerikanac Edward Fomalont iz Nacionalnog radioastronomskog opservatorija u Charlottesvilleu u Virginiji, rekli su da su po prvi put uspjeli izmjeriti brzinu gravitacije s prihvatljivom točnošću. Njihov eksperiment potvrđuje mišljenje većine fizičara: brzina gravitacije jednaka je brzini svjetlosti. Ova ideja leži u osnovi modernih teorija, uključujući Einsteinovu Opću teoriju relativnosti, ali do sada nitko nije uspio izmjeriti ovu veličinu izravno u eksperimentu. Studija je objavljena u utorak na 201. sastanku Američkog astronomskog društva u Seattleu. Rezultati su prethodno bili dostavljeni za objavu u znanstvenom časopisu, ali su ih neki stručnjaci kritizirali. Sam Kopeikin kritiku smatra neutemeljenim.

  Newtonova teorija gravitacije pretpostavlja da se sila gravitacije prenosi trenutno, ali Einstein je sugerirao da gravitacija putuje brzinom svjetlosti. Ovaj postulat postao je jedan od temelja njegove Teorije relativnosti 1915. godine.

  Jednakost brzine gravitacije i brzine svjetlosti znači da ako Sunce iznenada nestane iz središta Sunčev sustav, Zemlja bi ostala u svojoj orbiti još oko 8,3 minute - vrijeme koje je potrebno svjetlosti da putuje od Sunca do Zemlje. Nakon tih nekoliko minuta, Zemlja bi, osjećajući se oslobođena Sunčeve gravitacije, napustila svoju orbitu i pravocrtno odletjela u svemir.

  Kako možete izmjeriti "brzinu gravitacije"? Jedan od načina rješavanja ovog problema je pokušaj detektiranja gravitacijskih valova - malih "mreškanja" u prostorno-vremenskom kontinuumu, koje odstupaju od bilo koje ubrzane mase. U mnogima su već izgrađene razne instalacije za hvatanje gravitacijskih valova, ali niti jedna od njih do sada nije uspjela registrirati takav učinak zbog svoje iznimne slabosti.

  Kopeikin je otišao drugim putem. Prepisao je jednadžbe Opće relativnosti na način da izrazi gravitacijsko polje tijela koje se kreće kroz njegovu masu, brzinu i brzinu gravitacije. Odlučeno je koristiti Jupiter kao masivno tijelo. Prilično rijedak slučaj pojavio se u rujnu 2002. godine, kada je Jupiter prošao ispred kvazara (takvi se događaji događaju otprilike svakih 10 godina), koji emitira intenzivne radio valove. Kopeikin i Fomalont kombinirali su promatranja s desetak radioteleskopa u različitim dijelovima svijeta, od Havaja do Njemačke (koristeći i 25-metarske radioteleskope Nacionalnog radioastronomskog opservatorija i 100-metarski njemački instrument u Effelsbergu) kako bi izmjerili najmanji prividna promjena položaja kvazara uzrokovana savijanjem radio valova iz ovog izvora u Jupiterovu gravitacijskom polju. Istražujući prirodu utjecaja Jupiterovog gravitacijskog polja na prolazne radio valove, znajući njegovu masu i brzinu, može se izračunati brzina gravitacije.

  Zajednički rad zemaljskih radioteleskopa omogućio je postizanje točnosti 100 puta veće od one koja se može postići korištenjem svemirskog teleskopa Hubble. Pomaci izmjereni u eksperimentu bili su vrlo maleni – promjene položaja kvazara (izmjerena je kutna udaljenost između njega i referentnog kvazara) bile su unutar 50 milijuntih dionica lučne sekunde. Ekvivalent takvim mjerenjima mogla bi biti veličina srebrnog dolara na Mjesecu ili debljina ljudske dlake s udaljenosti od 250 milja, kažu astronomi (zapadni izvori, očito, nisu mislili obratiti pažnju na značenje ruskog prezime jednog od autora studija, inače ne bi uspoređivali veličine s dolarom, već s našom novčanom jedinicom...).

  Dobiveni rezultat: gravitacija se prenosi od 0,95 brzine svjetlosti, moguća pogreška eksperimenta je plus-minus 0,25. "Sada znamo da je brzina gravitacije vjerojatno jednaka brzini svjetlosti", rekao je Fomalont. "I možemo sa sigurnošću isključiti svaki rezultat koji je dvostruko veći."

  Steven Carlip, profesor fizike na Kalifornijskom sveučilištu, kaže da je eksperiment "dobra demonstracija" Einsteinovog principa. Kaže da su eksperimentu prethodila mjerenja otklona svjetlosti od sunca, ali su bila mnogo manje točna. Štoviše, nova mjerenja gravitacijske brzine u vrlo bliskoj budućnosti morat će razjasniti i ovu vrijednost. Posljednjih mjeseci pušteno je u rad mnogo interferometara gravitacijskih valova, jedan od njih bi konačno trebao izravno detektirati gravitacijske valove i tako izmjeriti njihovu brzinu – važnu temeljnu konstantu našeg Svemira.

  No, treba napomenuti da sam pokus nije jednoznačna potvrda Einsteinove teorije gravitacije. S istim uspjehom može se smatrati potvrdom postojećih alternativnih teorija. Primjerice, relativistička teorija gravitacije akademika Logunova (RTG), koja je široj javnosti postala poznata prije deset godina, u tom pogledu ne odstupa od GR. U RTG-u postoje i gravitacijski valovi, iako, kao što je poznato, nema crnih rupa. I još jedno "pobijanje" Newtonove teorije gravitacije nema posebnu vrijednost. Ipak, rezultat je važan u smislu "zatvaranja" nekih varijanti modernih teorija i podržavanja drugih - povezan je s kozmološkim teorijama više svemira i takozvanom teorijom struna ili superstruna, ali prerano je donositi konačne zaključke, kažu istraživači. U najnovijoj takozvanoj unificiranoj M-teoriji, koja je razvoj teorije superstruna, osim "strings" ("strings" - strings) pojavili su se i novi višedimenzionalni objekti - brane (brane). Teorije superstruna inherentno uključuju gravitaciju jer njihovi izračuni uvijek predviđaju postojanje gravitona, bestežinske hipotetske čestice sa spinom 2. Pretpostavlja se da postoje dodatne prostorne dimenzije, samo "smotane". A gravitacija bi mogla djelovati "prečac" kroz te dodatne dimenzije, naizgled putujući brže od brzine svjetlosti, ali bez kršenja jednadžbi opće relativnosti.

  Dva relativistička fizičara iznose svoje poglede na svemir,
  njezinu evoluciju i ulogu kvantne teorije

  NA Znanstveni američki ova predavanja su objavljena sa skraćenicama, odgovarajuća mjesta u tekstu označena su točkama

  Uvod

  Godine 1994. Stephen Hawking i Roger Penrose održali su niz javnih predavanja o općoj relativnosti na Institutu za matematičke znanosti Isaac Newton na Sveučilištu Cambridge. Naš časopis vam predstavlja ulomke iz ovih predavanja koje je ove godine objavio Sveučilište Princeton Tisak pod nazivom "Priroda prostora i vremena", koji vam omogućuje da usporedite stavove ova dva znanstvenika. Iako obojica pripadaju istoj školi fizike (Penrose je pomogao Hawkingovu doktorsku disertaciju na Cambridgeu), njihovi pogledi na ulogu kvantne mehanike u evoluciji svemira međusobno se jako razlikuju. Konkretno, Hawking i Penrose imaju različite ideje o tome što se događa s informacijama pohranjenim u crnoj rupi i zašto se početak svemira razlikuje od njegovog kraja.

  Jedno od najvećih Hawkingovih otkrića, napravljeno 1973. godine, bilo je predviđanje da bi crne rupe mogle emitirati čestice zbog kvantnih učinaka. Kao rezultat takvog procesa, crna rupa isparava, a u konačnici je moguće da od njezine izvorne mase neće ostati ništa. Ali tijekom svog formiranja, crne rupe apsorbiraju puno čestica koje padaju na nju s različitim vrstama, svojstvima i konfiguracijama. Iako kvantna teorija zahtijeva da se takve informacije pohranjuju, detalji o tome što se s njima dalje događa ostaju tema žestoke rasprave. I Hawking i Penrose vjeruju da, tijekom zračenja, crna rupa gubi informacije koje je sadržavala u sebi. Ali Hawking inzistira da je taj gubitak nezamjenjiv, dok Penrose tvrdi da je uravnotežen spontanim mjerenjima kvantnih stanja koja vraćaju informacije natrag u crnu rupu.

  Oba znanstvenika slažu se da je buduća teorija kvantne gravitacije potrebna za opisivanje prirode. Ali njihova se gledišta razlikuju o nekim aspektima ove teorije. Penrose vjeruje da čak i ako su temeljne interakcije elementarnih čestica simetrične s obzirom na preokret vremena, tada kvantna gravitacija mora prekinuti takvu simetriju. Vremenska asimetrija bi tada trebala objasniti zašto je svemir bio tako homogen na početku (kao što pokazuje mikrovalno pozadinsko zračenje proizvedeno velikim praskom), dok na kraju svemir mora biti heterogen.

  Penrose pokušava uključiti takvu asimetriju u svoju Weylovu hipotezu zakrivljenosti. Prostor-vrijeme, prema Albertu Einsteinu, zakrivljeno je prisutnošću materije. Ali prostor-vrijeme također može imati neku inherentnu deformaciju, nazvanu Weylova zakrivljenost. Gravitacijski valovi i crne rupe, na primjer, dopuštaju da se prostor-vrijeme zakrivi čak i u područjima koja su prazna. U ranom svemiru Weylova zakrivljenost je vjerojatno bila nula, ali u svemiru koji umire, kako tvrdi Penrose, veliki broj crnih rupa dovest će do povećanja Weylove zakrivljenosti. To će biti razlika između početka i kraja svemira.

  Hawking se slaže da će veliki prasak i konačni kolaps ("Big crunch") biti drugačiji, ali ne smatra asimetriju vremena zakonom prirode. Glavni razlog ove razlike, smatra on, je način na koji je programiran razvoj svemira. On postulira svojevrsnu demokraciju, navodeći da ne može postojati niti jedna prostorna točka u svemiru; i stoga, svemir ne može imati granicu. To je prijedlog bez granica za koji Hawking tvrdi da objašnjava homogenost pozadinskog mikrovalnog zračenja.

  Stavovi oba fizičara o tumačenju kvantne mehanike također su radikalno različiti. Hawking vjeruje da je jedina svrha teorije umjetne inteligencije napraviti predviđanja koja su u skladu s eksperimentalnim podacima. Penrose, s druge strane, smatra da jednostavna usporedba predviđanja s eksperimentima nije dovoljna za objašnjenje stvarnosti. Ističe da je kvantna teorija koja zahtijeva superpoziciju valnih funkcija koncept koji može dovesti do apsurda. Ovi znanstvenici tako dobro poznatu raspravu između Einsteina i Bohra o bizarnim posljedicama kvantne teorije podižu na novu razinu.

  Stephen Hawking o kvantnim crnim rupama:

  Kvantna teorija crnih rupa... čini se da vodi do nove razine nepredvidljivosti u fizici izvan uobičajene kvantno mehaničke nesigurnosti. To je zato što se čini da crne rupe imaju unutarnju entropiju i gube informacije iz našeg područja svemira. Moram reći da su te tvrdnje vrlo kontroverzne: mnogi znanstvenici koji rade na području kvantne gravitacije, uključujući gotovo sve one koji su do toga došli iz fizike čestica, instinktivno odbacuju ideju da se informacije o stanju kvantnog sustava mogu izgubiti. Međutim, ovaj pogled nije doveo do velikog uspjeha u objašnjavanju kako informacije mogu ostaviti crnu rupu. U konačnici, vjerujem da će oni biti prisiljeni prihvatiti moju sugestiju da su informacije nepovratno izgubljene, kao što su bili prisiljeni prihvatiti da crne rupe zrače, što se kosi sa svim njihovim predrasudama...

  Činjenica da je gravitacija privlačna znači da postoji tendencija u svemiru da se materija spoji na jednom mjestu, težnja da se objekti poput zvijezda i galaksija formiraju. Daljnje skupljanje ovih objekata može se neko vrijeme zadržati zbog toplinskog tlaka, u slučaju zvijezda, ili rotacije i unutarnjih gibanja, u slučaju galaksija. Međutim, na kraju će se toplina ili kutni moment odnijeti i objekt će se ponovno početi skupljati. Ako je masa manja od otprilike jedne i pol solarne mase, kontrakcija se može zaustaviti pritiskom degeneriranog plina elektrona ili neutrona. Objekt se stabilizira i postaje bijeli patuljak, odnosno neutronska zvijezda. Međutim, ako je masa veća od ove granice, onda ništa ne može zaustaviti postojanu kontrakciju. Čim se kontrakcija objekta približi određenoj kritičnoj veličini, gravitacijsko polje na njegovoj površini bit će toliko snažno da će svjetlosni stošci biti nagnuti prema unutra... Vidimo da su čak i izlazne svjetlosne zrake savijene jedna prema drugoj, pa se prije približavaju nego razilaze. To znači da postoji neka zatvorena površina...

  Dakle, mora postojati područje prostor-vremena iz koje je nemoguće pobjeći na beskonačnu udaljenost. Ovo područje se zove crna rupa. Njegova granica se zove horizont događaja, to je površina koju čine svjetlosne zrake koje ne mogu pobjeći u beskonačnost....

  Velika količina informacija se gubi kada se svemirsko tijelo sruši i formira crnu rupu. Objekt koji se urušava opisuje se vrlo velikim brojem parametara. Njegovo stanje određuju vrste materije i višepolni momenti raspodjele njihovih masa. Unatoč tome, crna rupa u nastajanju potpuno je neovisna o vrsti materije i brzo gubi sve multipolne momente osim prva dva: monopol, što je masa, i dipol, što je kutni moment.

  Ovaj gubitak informacija zapravo nije bio važan u klasičnoj teoriji. Možemo reći da se sve informacije o objektu koji se urušava nalaze unutar crne rupe. Za promatrača izvan crne rupe bilo bi vrlo teško odrediti kako izgleda objekt koji se urušava. Međutim, u klasičnoj teoriji to je u načelu još uvijek bilo moguće. Promatrač zapravo nikada ne bi izgubio iz vida objekt koji se urušava. Umjesto toga, činilo bi mu se da objekt usporava u svojoj kontrakciji i postaje sve tamniji kako se približava horizontu događaja. Ovaj je promatrač još uvijek mogao vidjeti od čega je napravljen urušavajući objekt i kako je u njemu raspoređena masa.

  Međutim, sa stajališta kvantne teorije, sve se potpuno mijenja. Tijekom kolapsa, objekt bi emitirao samo ograničen broj fotona prije nego što pređe horizont događaja. Ti fotoni ne bi bili apsolutno dovoljni da nam daju sve informacije o objektu koji se urušava. To znači da u kvantnoj teoriji ne postoji način na koji bi vanjski promatrač mogao odrediti stanje takvog objekta. Čovjek bi pomislio da i to nije bitno od velike važnosti, jer će informacije i dalje biti unutar crne rupe, čak i ako se ne mogu izmjeriti izvana. Ali upravo je to slučaj gdje se očituje drugi učinak kvantne teorije crnih rupa...

  Kvantna teorija čini da crne rupe zrače i gube masu. I očito na kraju potpuno nestanu - zajedno s informacijama u njima. Želim argumentirati da su ti podaci doista izgubljeni i da se ne vraćaju ni u kojem obliku. Kao što ću kasnije pokazati, s ovim gubitkom informacija u fiziku ulazi viša razina nesigurnosti od uobičajene nesigurnosti povezane s kvantnom teorijom. Nažalost, za razliku od Heisenbergove relacije nesigurnosti, ovu novu razinu nesigurnosti bit će prilično teško eksperimentalno potvrditi u slučaju crnih rupa.

  Roger Penrose o kvantnoj teoriji i prostor-vremenu:

  Kvantna teorija, specijalna teorija relativnosti, opća teorija relativnosti i kvantna teorija polja najveće su fizikalne teorije 20. stoljeća. Ove teorije nisu neovisne jedna o drugoj: opća teorija relativnosti izgrađena je na vrhu posebne teorije relativnosti, a kvantna teorija polja ima specijalnu relativnost i kvantnu teoriju kao temelj.

  Obično se govori da je kvantna teorija polja najtočnija od svih fizikalnih teorija koje su ikada postojale, dajući točnost do 11 decimalnih mjesta. Međutim, želio bih istaknuti da je opća teorija relativnosti sada testirana na 14 decimalnih mjesta (a ta je točnost očito ograničena samo točnošću satova koji rade na Zemlji). Mislim na binarni pulsar Hulse-Taylor PSR 1913+16, par neutronske zvijezde koji se međusobno rotiraju, od kojih je jedan pulsar. Opća teorija relativnosti predviđa da se takva orbita polako skuplja (i njezin period se smanjuje) jer se energija gubi zbog emisije gravitacijskih valova. Ovaj je proces doista eksperimentalno zabilježen, a potpuni opis njegova gibanja promatranog 20 godina... u skladu je s općom teorijom relativnosti (koja uključuje Newtonovu teoriju) s izvanrednom točnošću navedenom gore. Istraživači ovog zvjezdanog sustava s pravom su dobili Nobelove nagrade za svoj rad. Kvantni teoretičari uvijek su tvrdili, pozivajući se na točnost svoje teorije, da bi opća relativnost trebala uzeti svoj znak od nje, ali sada mislim da bi kvantna teorija polja trebala uzeti svoj znak.

  Iako su ove četiri teorije postigle veliki uspjeh, nisu slobodne od problema... Opća teorija relativnosti predviđa postojanje prostorno-vremenskih singulariteta. U kvantnoj teoriji postoji "problem mjerenja", koji ću kasnije opisati. Može se pokazati da rješenje problema ovih teorija leži u prepoznavanju činjenice da su one nepotpune teorije. Na primjer, mnogi ljudi predviđaju da bi kvantna teorija polja mogla nekako "zamazati" singularnosti opće relativnosti...

  A sada bih želio reći nekoliko riječi o gubitku informacija u crnim rupama, što vjerujem da je relevantno za posljednju izjavu. Slažem se s gotovo svime što je Stephen rekao o ovome. Ali dok Steven gubitak informacija u crnim rupama smatra novom nesigurnošću u fizici, višom razinom od kvantnomehaničke nesigurnosti, ja to vidim samo kao "dodatnu" nesigurnost... Moguće je da je mala količina informacija izgubljen u vremenu isparavanja crne rupe... ali ovaj će učinak biti mnogo manji od gubitka informacija tijekom kolapsa (za što prihvaćam svaku razumnu sliku konačnog nestanka crne rupe).

  Kao misaoni eksperiment, razmotrite zatvoreni sustav u velikoj kutiji i razmotrite kretanje materije unutar kutije u faznom prostoru. U područjima faznog prostora koji odgovaraju lokacijama crnih rupa, putanje koje opisuju fizičku evoluciju sustava će se konvergirati, a fazni volumeni ispunjeni tim putanjama će se smanjiti. To se događa kao rezultat gubitka informacija u singularnosti crne rupe. Ova redukcija je u izravnom sukobu sa zakonom klasične mehanike poznatim kao Liouvilleov teorem, koji kaže da fazni volumeni nošeni faznim putanjama ostaju konstantni... Dakle, prostor-vrijeme crne rupe narušava očuvanje takvih volumena. Međutim, na mojoj slici, ovaj gubitak volumena faznog prostora uravnotežen je procesom spontanih kvantnih mjerenja koji rezultira povratom informacija i povećanjem volumena faznog prostora. Koliko ja razumijem, to se događa jer je nesigurnost povezana s gubitkom informacija u crnim rupama, takoreći, "dodatna" kvantnomehaničkoj nesigurnosti: svaka od njih je samo jedna strana istog novčića...

  Sada razmotrimo misaoni eksperiment sa Schrödingerovom mačkom. Opisuje nezavidan položaj mačke u kutiji, u kojoj emitirani foton pada na poluprozirno zrcalo, a odaslani dio njegove valne funkcije registruje senzor. Ako senzor detektira foton, pištolj se opali, ubijajući mačku. Ako senzor ne detektira foton, mačka ostaje živa i zdrava. (Znam da Steven ne odobrava maltretiranje mačaka, čak ni u misaonim eksperimentima!) Valna funkcija takvog sustava je superpozicija ove dvije mogućnosti... Ali zašto smo u stanju percipirati samo makroskopske alternative "mačka mrtva" i " mačka živa"? nego makroskopske superpozicije takvih stanja? ...

  Pretpostavljam da se, uz uključenost opće relativnosti, korištenje superpozicija alternativnih prostorno-vremenskih geometrija suočava s ozbiljnim poteškoćama. Moguće je da je superpozicija dviju različitih geometrija nestabilna i da se raspada na jednu od ove dvije alternative. Takve geometrije mogu biti npr. prostor i vrijeme živog ili mrtva mačka. Kako bih se osvrnuo na ovaj kolaps superpozicije u jedno od alternativnih stanja, koristim izraz objektivna redukcija, koji mi se sviđa jer ima dobar akronim (OR). Kakve veze s tim ima Planckova duljina od 10-33 centimetra? Ova duljina je prirodni kriterij za određivanje jesu li geometrije doista različiti svjetovi. Planckova ljestvica također određuje vremensku skalu u kojoj se odvija redukcija na različite alternative.

  Hawking o kvantnoj kozmologiji:

  Završavam ovo predavanje raspravom o točki o kojoj Roger i ja imamo različite poglede – strijelu vremena. Postoji vrlo jasna razlika između naprijed i obrnutog smjera vremena u našem dijelu svemira. Dovoljno je pomaknuti se unatrag na bilo koji film da vidite ovu razliku. Umjesto da šalice padaju sa stola i razbijaju se u male komadiće, vidjeli bismo kako se ti komadi vraćaju zajedno i odbijaju na stol. Je stvaran život ne izgleda ništa slično?.

  Lokalni zakoni fizičkih polja zadovoljavaju zahtjev simetrije u vremenu, ili točnije, CPT invarijantnosti (Charge-Parity-Time - Charge-Parity-Time). Dakle, uočena razlika između prošlosti i budućnosti dolazi iz graničnih uvjeta svemira. Razmotrimo model u kojem se prostorno zatvoreni svemir širi do svoje maksimalne veličine, nakon čega se ponovno urušava. Kao što je Roger naglasio, svemir će na kraju ove priče biti vrlo drugačiji. Na svom početku, svemir će, kako sada mislimo, biti prilično gladak i pravilan. Međutim, kada se ponovno počne urušavati, očekujemo da će biti izrazito nestalan i nepravilan. Budući da je neuređenih konfiguracija mnogo više nego uređenih, to znači da se početni uvjeti moraju odabrati iznimno precizno.

  Kao rezultat toga, granični uvjeti moraju biti različiti u tim trenucima vremena. Rogerov prijedlog je da bi Weyl tenzor trebao nestati samo na jednom od krajeva vremena. Weyl tenzor je onaj dio zakrivljenosti prostor-vremena koji nije određen lokalnom raspodjelom materije kroz Einsteinove jednadžbe. Ova zakrivljenost je izuzetno mala u poredanom ranoj fazi, i vrlo je velik u svemiru koji se urušava. Stoga bi nam ovaj prijedlog omogućio da razlikujemo oba kraja vremena jedan od drugog i objasnimo postojanje strijele vremena.

  Mislim da je Rogerov prijedlog Weylov u dva smisla te riječi. Prvo, nije CPT-invarijantan. Roger ovo svojstvo vidi kao vrlinu, ali smatram da se simetrije ne bi trebale napuštati bez dovoljno dobrog razloga. Drugo, da je Weyl tenzor bio točno nula u ranom stadiju svemira, tada bi ostao homogen i izotropan tijekom daljnjeg vremena. Weylova hipoteza Rogera ne može objasniti ni fluktuacije u mikrovalnoj pozadini niti poremećaje uzrokovane galaksijama i tijelima poput nas.

  Unatoč svemu tome, mislim da je Roger istaknuo vrlo važnu razliku između ova dva vremenska ograničenja. Ali činjenicu da malenost Weylovog tenzora u jednoj od granica ne bismo trebali prihvatiti ad hoc, već bismo je trebali izvesti iz temeljnijeg principa "bez granica"...

  Kako dva vremenska ograničenja mogu biti različita? Zašto bi perturbacije u jednom od njih trebale biti male, a u drugom ne? Razlog tome je što jednadžbe polja imaju dvije moguće složena rješenja.... Očito, jedno rješenje odgovara jednoj granici vremena, a drugo drugoj.... Na jednom kraju vremena, svemir je bio vrlo gladak, a Weyl tenzor je bio mali. Međutim, ona sigurno ne bi mogla biti jednaka nuli, jer to dovodi do narušavanja relacije nesigurnosti. Umjesto toga, trebale bi se dogoditi male fluktuacije, koje se kasnije mogu pretvoriti u galaksije i tijela, poput nas samih. Za razliku od početka, krajnji svemir trebao bi biti vrlo nepravilan i kaotičan, a Weyl tenzor bi trebao biti vrlo velik. To bi objasnilo zašto postoji strijela vremena i zašto šalice padaju sa stola i lome se mnogo lakše nego što se oporavljaju i skaču natrag.

  Penrose o kvantnoj kozmologiji:

  Iz onoga što sam shvatio u Stevenovom konceptu, zaključujem da je naše neslaganje po ovom pitanju (Weylova hipoteza zakrivljenost) iznimno veliko... Za početnu singularnost, Weylova zakrivljenost je približno nula... Stephen je tvrdio da je u početnoj mora postojati male kvantne fluktuacije, te je stoga hipoteza a nulte Weylove zakrivljenosti klasična i neprihvatljiva. Ali mislim da postoji određena sloboda što se tiče precizne formulacije ove hipoteze. Male perturbacije su svakako prihvatljive s moje točke gledišta u kvantnom modusu. Samo trebamo značajno ograničiti ove fluktuacije oko nule....

  Moguće je da je James-Hartley-Hawkingov princip "bez granica" dobar kandidat za opisivanje strukture početnog stanja. Međutim, čini mi se da je potrebno još nešto da se objasni konačno stanje. Konkretno, teorija koja objašnjava strukturu singulariteta morala bi uključivati ​​kršenje CPT-a i drugih simetrija kako bi bila kompatibilna s hipotezom Weylove zakrivljenosti. Takvo kršenje vremenske simetrije moglo bi biti vrlo malo; i mogao bi biti implicitno sadržan u novoj teoriji koja nadilazi kvantnu mehaniku.

  Hawking o fizičkoj stvarnosti:

  Ova su predavanja učinila razliku između Rogera i mene vrlo jasnom. On je platonist, a ja sam pozitivac. Ozbiljno je zabrinut što je Schrödingerova mačka u kvantnom stanju u kojem je napola živ, a napola mrtav. On predviđa tu neusklađenost sa stvarnošću. Ali te stvari me ne smetaju. Ne zahtijevam da teorija bude u skladu sa stvarnošću, jer ne znam što je stvarnost. Stvarnost nije kvaliteta koju možete testirati lakmus papir. Sve što me zanima je da teorija predviđa rezultate mjerenja. Kvantna teorija to radi vrlo dobro...

  Roger smatra da... kolaps valne funkcije uvodi CPT simetriju narušavanje fizike. On vidi takve poremećaje u najmanje dva područja fizike: kozmologiji i crnim rupama. Slažem se da možemo koristiti vremensku asimetriju kada postavljamo pitanja o opažanjima. Ali potpuno odbacujem ideju da postoje neki fizikalni procesi koji dovode do smanjenja valne funkcije, ili da to ima ikakve veze s kvantnom gravitacijom ili sviješću. Sve se to odnosi na magiju i mađioničare i, ali ne i na znanost.

  Penrose o fizičkoj stvarnosti:

  Kvantna mehanika postoji tek 75 godina. To nije puno, pogotovo kad se usporedi, na primjer, s Newtonovom teorijom gravitacije. Stoga me ne bi iznenadilo da se kvantna mehanika modificira za vrlo velike objekte.

  Na početku ove rasprave, Stephen je sugerirao da je on pozitivac, a da sam ja platonist. Drago mi je što je on pozitivac, ali za sebe mogu reći da sam prije realist. Također, ako usporedite ovu raspravu s poznatom debatom Bohr-Einstein, prije nekih 70 godina, mislim da Steven glumi Bohra, a ja sam Einstein! Einsteinu je trebalo nešto slično stvarnom svijetu, što nije nužno opisano valnim funkcijama, dok je Bohr naglasio da valna funkcija ne opisuje stvarni svijet, već samo znanje potrebno za predviđanje rezultata eksperimenta.

  Danas se vjeruje da su se Bohrovi argumenti pokazali težim i da je Einstein (prema njegovoj biografiji koju je napisao Abraham Pais) mogao loviti ribu od 1925. godine. Doista, nije dao mnogo doprinosa kvantnoj mehanici, iako je njegova pronicljiva kritika bila vrlo korisna za potonju. Vjerujem da je razlog tome što su u kvantnoj teoriji nedostajale neke važne komponente. Jedna takva komponenta bilo je zračenje crnih rupa koje je Stephen otkrio 50 godina kasnije. Curenje informacija povezano sa zračenjem crne rupe je fenomen koji će možda podići kvantnu teoriju na novu razinu.

  Stephen Hawking vjeruje da konačna teorija svemira možda i ne postoji

  Održano od strane poznatog fizičara Stephena Hawkinga iz Engleske nekolicini publike na Massachusetts Institute of Technology (MIT), televizijsko predavanje opisalo je tekuću potragu znanstvenika za cjelovitom teorijom svemira. Konačno, autor znanstvenih bestselera Kratka povijest vremena i The Theory of Everything, profesor matematike na Sveučilištu Cambridge, sugerirao je da "možda [takva teorija] nije moguća".

  "Neki će ljudi biti jako razočarani kada saznaju da ne postoji konačna teorija", rekao je Hawking. "I ja sam pripadao ovom kampu, ali sada sam se predomislio. Uvijek ćemo se nositi s izazovom novih znanstvenih otkrića. Bez toga , civilizacija će stagnirati." . Potraga se može nastaviti jako dugo."

  TV emisija, tijekom koje je bilo tehničkih poteškoća sa slikom i zvukom, emitirana je i putem interneta. Organizirao ga je Cambridge-MIT Institute (CMI) - trogodišnji strateški savez između Sveučilište u Cambridgeu u Engleskoj i Massachusetts Institute of Technology).

  Hawking je u suštini sažeo povijest fizike čestica, usredotočujući se na ključne figure i teorije na tom području, od Aristotela do Stephena Weinberga (nobelovca rođenog 1933.).

  Maxwellove i Diracove jednadžbe, na primjer, "upravljaju gotovo cijelom fizikom i cijelom kemijom i biologijom", zaključio je Hawking. "Dakle, poznavajući ove jednadžbe, mogli bismo, u principu, predvidjeti ljudsko ponašanje, iako ne mogu tvrditi da sam i sam imao u tome slučaj veliki uspjeh", zaključio je uz smijeh publike.

  Ljudski mozak sadrži previše čestica da bi riješio sve jednadžbe potrebne za predviđanje nečijeg ponašanja. Tek ćemo u doglednoj budućnosti naučiti predvidjeti ponašanje nematode.

  Sve teorije koje su se do sada razvile za objašnjenje svemira "ili su nedosljedne ili nepotpune", rekao je Hawking. I sugerirao je, zbog kojih je okolnosti u načelu nemoguće razviti jednu cjelovitu teoriju svemira. Svoje razmišljanje temeljio je na djelu Kurta Gödela, češkog matematičara, autora poznatog teorema, prema kojem se u bilo kojem području matematike određene tvrdnje ne mogu dokazati niti opovrgnuti.

  U školi smo učili da se materija sastoji od atoma, a atomi su napravljeni od jezgri oko kojih se vrte elektroni. Otprilike na isti način se planeti okreću oko sunca, pa nam je to lako zamisliti. Tada se atom podijelio na elementarne čestice i postalo je teže zamisliti strukturu svemira. Na ljestvici čestica vrijede drugi zakoni i nije uvijek moguće pronaći analogiju iz života. Fizika je postala apstraktna i zbunjujuća.

  Ali sljedeći korak u teorijskoj fizici vratio je osjećaj stvarnosti. Teorija struna opisala je svijet terminima koji se mogu ponovno zamisliti, te stoga lakše razumjeti i zapamtiti.

  Tema je još teška pa idemo redom. Prvo ćemo analizirati što je teorija, a zatim ćemo pokušati razumjeti zašto je izmišljena. I za desert – malo povijesti, teorija struna ima kratku povijest, ali s dvije revolucije.

  Svemir se sastoji od vibrirajućih niti energije

  Prije teorije struna, elementarne čestice su se smatrale točkama, bezdimenzijskim oblicima s određenim svojstvima. Teorija struna ih opisuje kao filamente energije, koji još uvijek imaju jednu veličinu - duljinu. Te se jednodimenzionalne niti nazivaju kvantne žice.

  Teorijska fizika
  

  Teorijska fizika
  opisuje svijet kroz matematiku, za razliku od eksperimentalne fizike. Prvi teorijski fizičar bio je Isaac Newton (1642-1727)

  Jezgra atoma s elektronima, elementarnim česticama i kvantnim strunama očima umjetnika. Fragment dokumentarni film"Elegantan svemir"

  Kvantne žice su vrlo male, duge oko 10 -33 cm, što je sto milijuna milijardi puta manje od protona koji se sudaraju na Velikom hadronskom sudaraču. Za takve eksperimente sa strunama trebalo bi izgraditi akcelerator veličine galaksije. Još nismo pronašli način da otkrijemo nizove, ali zahvaljujući matematici možemo pogoditi neka njihova svojstva.

  Kvantne žice su otvorene i zatvorene. Otvoreni krajevi su slobodni, zatvoreni su blizu jedan drugome, tvoreći petlje. Žice se neprestano "otvaraju" i "zatvaraju", spajaju se s drugim žicama i raspadaju na manje.

  
  

  Kvantne žice su zategnute. Napetost u prostoru nastaje zbog razlike u energiji: za zatvorene žice između zatvorenih krajeva, za otvorene žice - između krajeva žica i praznine. Fizičari ovu prazninu nazivaju dvodimenzionalnim rubovima ili branama od riječi membrana.

  centimetara - minimum moguća veličina objekt u svemiru. Zove se Planckova duljina.

  Mi smo napravljeni od kvantnih struna

  Kvantne žice vibriraju. To su vibracije slične vibracijama žica balalaje, s ujednačenim valovima i cijelim brojem minimuma i maksimuma. Kada vibrira, kvantna struna ne emitira zvuk; na ljestvici elementarnih čestica nema ničega što bi prenosilo zvučne vibracije. Sama postaje čestica: jednom frekvencijom vibrira - kvark, drugom - gluon, s trećom - foton. Stoga je kvantni niz jedan jedini građevinski element, "cigla" svemira.

  Uobičajeno je da se svemir prikazuje kao svemir i zvijezde, ali to je i naš planet, a mi smo s vama, i tekst na ekranu, i bobice u šumi.

  

  Shema vibracija struna. Na bilo kojoj frekvenciji, svi valovi su isti, njihov broj je cijeli broj: jedan, dva i tri

  
  

  Moskovska regija, 2016. Jagoda ima puno – samo komaraca više. Također su napravljeni od žica.

  
  

  Prostor je tamo negdje. Povratak u svemir

  Dakle, u srcu svemira su kvantne žice, jednodimenzionalne niti energije koje vibriraju, mijenjaju veličinu i oblik i razmjenjuju energiju s drugim strunama. Ali to nije sve.

  Kvantne žice se kreću u prostoru. A prostor u skali nizova najzanimljiviji je dio teorije.

  Kvantne žice kreću se u 11 dimenzija

  

  Teodor Kaluza
  (1885-1954)

  Sve je počelo s Albertom Einsteinom. Njegova su otkrića pokazala da je vrijeme relativno i ujedinila ga s prostorom u jedan prostorno-vremenski kontinuum. Einsteinov rad objasnio je gravitaciju, kretanje planeta i porijeklo crnih rupa. Osim toga, inspirirali su suvremenike na nova otkrića.

  Einstein je objavio jednadžbe opće teorije relativnosti 1915-16, a već 1919. poljski matematičar Theodor Kaluza pokušao je primijeniti svoje izračune na teoriju elektromagnetsko polje. Ali postavilo se pitanje: ako Einsteinova gravitacija savija četiri dimenzije prostor-vremena, što savija elektromagnetska sila? Vjera u Einsteina bila je jaka, a Kaluza nije sumnjao da će njegove jednadžbe opisati elektromagnetizam. Umjesto toga, on je sugerirao da elektromagnetske sile iskrivljuju dodatnu, petu dimenziju. Einsteinu se svidjela ideja, ali teorija nije prošla test eksperimenata i bila je zaboravljena sve do 1960-ih.

  

  Albert Einstein (1879.-1955.)

  

  Teodor Kaluza
  (1885-1954)

  Teodor Kaluza
  (1885-1954)

  Albert Einstein
  (1879-1955)

  Prve jednadžbe teorije struna dale su čudne rezultate. U njima su se pojavili tahioni – čestice negativne mase koje su se kretale brže od brzine svjetlosti. Tu je dobro došla Kaluzina ideja o višedimenzionalnosti svemira. Istina, pet dimenzija nije bilo dovoljno, kao što nije bilo dovoljno ni šest, sedam ili deset. Matematika prve teorije struna imala je smisla samo ako je naš svemir imao 26 dimenzija! Kasnijih teorija bilo je dovoljno za deset, a u suvremenoj ih je jedanaest - deset prostornih i vremenskih.

  Ali ako je tako, zašto ne vidimo dodatnih sedam dimenzija? Odgovor je jednostavan – premali su. Iz daljine, trodimenzionalni objekt će izgledati ravan: cijev za vodu pojavit će se kao vrpca, a balon kao krug. Čak i kada bismo mogli vidjeti objekte u drugim dimenzijama, ne bismo razmatrali njihovu višedimenzionalnost. Znanstvenici to nazivaju efektom kompaktifikacija.

  
  

  Dodatne dimenzije su presavijene u neprimjetno male oblike prostor-vremena – nazivaju se Calabi-Yau prostori. Iz daljine izgleda ravno.

  Sedam dodatnih dimenzija možemo predstaviti samo u obliku matematičkih modela. To su fantazije koje su izgrađene na nama poznatim svojstvima prostora i vremena. Kada se doda treća dimenzija, svijet postaje trodimenzionalan, a mi možemo zaobići prepreku. Možda je, prema istom principu, ispravno dodati preostalih sedam dimenzija - i tada možete obilaziti prostor-vrijeme duž njih i doći do bilo koje točke bilo kojeg svemira u bilo koje vrijeme.

  mjerenja u svemiru prema prvoj verziji teorije struna – bosonskoj. Sada se smatra nevažnim

  
  

  Linija ima samo jednu dimenziju, svoju duljinu.

  
  

  Balon je voluminozan, ima treću dimenziju – visinu. Ali za dvodimenzionalnog muškarca to izgleda kao crta

  
  

  Kao što dvodimenzionalni čovjek ne može predstavljati višedimenzionalnost, tako ni mi ne možemo predstavljati sve dimenzije svemira.

  Prema ovom modelu, kvantni nizovi putuju uvijek i posvuda, što znači da isti nizovi kodiraju svojstva svih mogućih svemira od njihova rođenja do kraja vremena. Nažalost, naš balon je ravan. Naš svijet je samo četverodimenzionalna projekcija jedanaestodimenzionalnog svemira na vidljive skale prostor-vremena i ne možemo slijediti niti.

  Jednog dana ćemo vidjeti Veliki prasak

  Jednog ćemo dana izračunati frekvenciju vibracija struna i organizaciju dodatnih dimenzija u našem svemiru. Tada ćemo naučiti apsolutno sve o tome i moći ćemo vidjeti Veliki prasak ili letjeti do Alpha Centauri. Ali zasad je to nemoguće - nema naznaka na što se osloniti u izračunima, a brojke koje su vam potrebne možete pronaći samo grubom silom. Matematičari su izračunali da će se morati riješiti 10.500 opcija. Teorija je u ćorsokaku.

  Ipak, teorija struna još uvijek može objasniti prirodu svemira. Da bi to učinio, mora vezati sve druge teorije, postati teorija svega.

  Teorija struna postat će teorija svega. Može biti

  U drugoj polovici 20. stoljeća fizičari su potvrdili niz temeljnih teorija o prirodi svemira. Činilo se još malo - i sve ćemo razumjeti. Međutim, glavni problem još nije riješen: teorije dobro funkcioniraju odvojeno, ali ne daju opću sliku.

  Dvije su glavne teorije: teorija relativnosti i kvantna teorija polja.

  mogućnosti organiziranja 11 dimenzija u Calabi-Yau prostorima - dovoljno za sve moguće svemire. Za usporedbu, broj atoma u vidljivom dijelu svemira je oko 10 80

  mogućnosti organiziranja Calabi-Yau prostora - dovoljno za sve moguće svemire. Za usporedbu, broj atoma u vidljivom svemiru je oko 10 80

  Teorija relativnosti
  opisao je gravitacijsku interakciju između planeta i zvijezda i objasnio fenomen crnih rupa. Ovo je fizika vizualnog i logičkog svijeta.

  
  

  Model gravitacijske interakcije Zemlje i Mjeseca u Einsteinovom prostor-vremenu

  kvantna teorija polja
  odredio vrste elementarnih čestica i opisao 3 vrste interakcije između njih: jaku, slabu i elektromagnetsku. Ovo je fizika kaosa.

  
  

  Kvantni svijet očima umjetnika. Video s web stranice MiShorts

  Kvantna teorija polja s dodatkom mase za neutrine naziva se standardni model. Ovo je osnovna teorija strukture svemira na kvantnoj razini. Većina predviđanja teorije potvrđena je u eksperimentima.

  Standardni model dijeli sve čestice na fermione i bozone. Fermioni tvore materiju – ova skupina uključuje sve čestice koje se mogu promatrati, kao što su kvark i elektron. Bozoni su sile koje su odgovorne za interakciju fermiona, kao što su foton i gluon. Dva desetaka čestica već je poznato, a znanstvenici nastavljaju otkrivati ​​nove.

  Logično je pretpostaviti da se gravitacijska interakcija prenosi i njegovim bozonom. Još nije pronađeno, međutim, opisali su nekretnine i smislili ime - gravitona.

  Ali ujedinjenje teorija ne uspijeva. Po standardni model, elementarne čestice su bezdimenzionalne točke koje međusobno djeluju na nultim udaljenostima. Ako se ovo pravilo primijeni na graviton, jednadžbe daju beskonačne rezultate, što ih čini besmislenim. Ovo je samo jedna od kontradikcija, ali dobro ilustrira koliko je jedna fizika udaljena od druge.

  Stoga znanstvenici traže alternativnu teoriju koja može spojiti sve teorije u jednu. Takva teorija naziva se unificirana teorija polja, ili teorija svega.

  Fermioni
  tvore sve vrste materije osim tamne

  bozoni
  prijenos energije između fermija

  Teorija struna može ujediniti znanstveni svijet

  Teorija struna u ovoj ulozi izgleda privlačnije od ostalih, jer odmah rješava glavnu kontradikciju. Kvantne žice vibriraju, tako da je udaljenost između njih veća od nule, a izbjegavaju se nemogući rezultati izračuna za graviton. I sam graviton se dobro uklapa u koncept struna.

  Ali teorija struna nije dokazana eksperimentima, njezina postignuća ostaju na papiru. Još više iznenađuje činjenica da već 40 godina nije napuštena - njezin je potencijal tako velik. Da bismo razumjeli zašto je to tako, osvrnimo se i vidimo kako se to razvilo.

  Teorija struna doživjela je dvije revolucije

  

  Gabriele Veneziano
  (rođen 1942.)

  Isprva se teorija struna uopće nije smatrala kandidatom za ujedinjenje fizike. Otkriveno je slučajno. Godine 1968. mladi teoretski fizičar Gabriele Veneziano proučavao je snažne interakcije unutar atomske jezgre. Odjednom je otkrio da ih dobro opisuje Eulerova beta funkcija, skup jednadžbi koje je 200 godina ranije sastavio švicarski matematičar Leonhard Euler. Bilo je to čudno: u to vrijeme atom se smatrao nedjeljivim, a Eulerov rad rješavao je samo matematičke probleme. Nitko nije razumio zašto su jednadžbe funkcionirale, ali su se aktivno koristile.

  Fizičko značenje Eulerove beta funkcije razjašnjeno je dvije godine kasnije. Tri fizičara, Yochiro Nambu, Holger Nielsen i Leonard Susskind, sugerirali su da elementarne čestice možda nisu točke, već jednodimenzionalne vibrirajuće strune. Snažna interakcija za takve objekte idealno je opisana Eulerovim jednadžbama. Prva verzija teorije struna nazvana je bosonska, budući da je opisivala prirodu struna bozona odgovornih za interakcije tvari, a nije doticala fermione koji su tvarni.

  Teorija je bila gruba. U njemu su se pojavili tahioni, a glavna su predviđanja bila u suprotnosti s rezultatima eksperimenata. I premda se Kaluzina višedimenzionalnost uspjela riješiti tahiona, teorija struna nije zaživjela.

  • Gabriele Veneziano
  • Yoichiro Nambu
  • Holger Nielsen
  • Leonard Susskind
  • John Schwartz
  • Michael Green
  • Edward Witten
  • Gabriele Veneziano
  • Yoichiro Nambu
  • Holger Nielsen
  • Leonard Susskind
  • John Schwartz
  • Michael Green
  • Edward Witten

  Ali istinski pobornici teorije ostali su. Godine 1971. Pierre Ramon je dodao fermione teoriji struna, smanjivši broj dimenzija sa 26 na deset. Počelo je teorija supersimetrije.

  Rečeno je da svaki fermion ima svoj bozon, što znači da su materija i energija simetrične. Nije važno što svemir koji se može promatrati nije simetričan, rekao je Ramon, postoje uvjeti pod kojima se simetrija još uvijek promatra. A ako su, prema teoriji struna, fermioni i bozoni kodirani istim objektima, onda se pod tim uvjetima materija može pretvoriti u energiju, i obrnuto. Ovo svojstvo struna nazvano je supersimetrija, a sama teorija struna nazvana je teorija superstruna.

  Godine 1974. John Schwartz i Joel Sherk otkrili su da se neka svojstva struna nevjerojatno dobro podudaraju s onima navodnog nositelja gravitacije, gravitona. Od tog trenutka teorija je počela ozbiljno tvrditi da je generalizirajuća.

  dimenzije prostor-vremena bile su u prvoj teoriji superstruna

  
  

  “Matematička struktura teorije struna toliko je lijepa i ima toliko nevjerojatnih svojstava da sigurno mora upućivati ​​na nešto dublje.”

  Prva revolucija superstruna dogodilo se 1984. John Schwartz i Michael Green predstavili su matematički model koji je pokazao da se mnoga proturječja između teorije struna i Standardnog modela mogu riješiti. Nove jednadžbe također su povezale teoriju sa svim vrstama materije i energije. Znanstveni svijet je bio u groznici – fizičari su napustili svoja istraživanja i prešli na proučavanje struna.

  Od 1984. do 1986. napisano je više od tisuću radova iz teorije struna. Pokazali su da mnoge odredbe Standardnog modela i teorije gravitacije, koje su godinama prikupljane malo po malo, prirodno slijede iz fizike struna. Istraživanja su uvjerila znanstvenike da je teorija ujedinjenja odmah iza ugla.

  
  

  “Trenutak kada se upoznate s teorijom struna i shvatite da gotovo sav veliki napredak u fizici u prošlom stoljeću slijede – i slijede s takvom elegancijom – s tako jednostavne početne točke, jasno vam pokazuje nevjerojatnu snagu ove teorije.”

  Ali teorija struna nije žurila otkrivati ​​svoje tajne. Umjesto riješenih problema, pojavili su se novi. Znanstvenici su otkrili da ne postoji jedna, već pet teorija superstruna. U njima su žice imale različiti tipovi supersimetrija, i nije bilo načina da se zna koja je teorija točna.

  Matematičke metode su imale svoju granicu. Fizičari su navikli na složene jednadžbe koje ne daju točne rezultate, ali za teoriju struna bilo je nemoguće napisati čak ni točne jednadžbe. A približni rezultati približnih jednadžbi nisu dali odgovore. Postalo je jasno da je za proučavanje teorije potrebna nova matematika, ali nitko nije znao koja. Žar znanstvenika je splasnuo.

  Druga revolucija superstruna grmio 1995. godine. Stagnaciju je okončao izvješće Edwarda Wittena na konferenciji o teoriji struna u južnoj Kaliforniji. Witten je pokazao da su svih pet teorija posebni slučajevi jedne, općenitije teorije superstruna, u kojoj nije deset dimenzija, već jedanaest. Witten je teoriju ujedinjenja nazvao M-teorijom, ili Majkom svih teorija, iz engleska riječ majka.

  Ali nešto drugo je bilo važnije. Wittenova M-teorija je tako dobro opisala učinak gravitacije u teoriji superstruna da je nazvana supersimetrična teorija gravitacije, ili teorija supergravitacije. To je nadahnulo znanstvenike, a znanstveni časopisi ponovno puni publikacija o fizici struna.

  mjerenja prostor-vremena u moderna teorija superstrune

  
  

  “Teorija struna je dio fizike 21. stoljeća koji je slučajno ušao u 20. stoljeće. Možda će proći desetljeća, ili čak stoljeća, prije nego što se u potpunosti razvije i shvati.

  Odjeci ove revolucije čuju se i danas. No, unatoč najboljim naporima znanstvenika, u teoriji struna ima više pitanja nego odgovora. Moderna znanost pokušava izgraditi modele višedimenzionalnog svemira i proučava dimenzije kao membrane prostora. Zovu se brane - sjećate se praznine, na kojoj su nategnute otvorene žice? Pretpostavlja se da se sami nizovi mogu pokazati dvo- ili trodimenzionalnim. Čak govore i o novoj 12-dimenzionalnoj temeljnoj teoriji – F-teoriji, ocu svih teorija, od riječi Otac. Povijest teorije struna daleko je od kraja.

  Teorija struna još nije dokazana, ali nije ni opovrgnuta.

  Glavni problem teorije je nedostatak izravnih dokaza. Da, iz toga slijede druge teorije, znanstvenici zbrajaju 2 i 2, a ispada 4. Ali to ne znači da se četvorka sastoji od dvojki. Eksperimenti na Velikom hadronskom sudaraču još nisu otkrili ni supersimetriju, što bi potvrdilo jedinstvenu strukturni okvir svemira i igrao bi na ruku pristašama fizike struna. Ali nema ni pobijanja. Zato elegantna matematika teorije struna i dalje uzbuđuje umove znanstvenika, obećavajući da će razotkriti sve misterije svemira.

  Govoreći o teoriji struna, ne može se ne spomenuti Brian Greene, profesor na Sveučilištu Columbia i neumorni popularizator teorije. Green drži predavanja i pojavljuje se na televiziji. Godine 2000. njegova knjiga Elegantni svemir. Superstrune, skrivene dimenzije i potraga za konačnom teorijom" postao je finalist Pulitzerove nagrade. Godine 2011. glumio je samog sebe u 83. epizodi Teorije velikog praska. Godine 2013. posjetio je Moskovski politehnički institut i dao intervju za Lenta-ru

  Ako ne želite postati stručnjak za teoriju struna, ali želite razumjeti u kojem svijetu živite, sjetite se cheat sheet-a:

  1. Svemir se sastoji od niti energije - kvantnih žica - koje vibriraju poput žica glazbenih instrumenata. Različita frekvencija vibracija pretvara žice u različite čestice.
  2. Krajevi žica mogu biti slobodni, ili se mogu zatvoriti jedni prema drugima, tvoreći petlje. Žice se neprestano zatvaraju, otvaraju i razmjenjuju energiju s drugim žicama.
  3. Kvantne žice postoje u 11-dimenzionalnom svemiru. Dodatnih 7 dimenzija presavijeno je u neprimjetno male oblike prostor-vremena tako da ih ne možemo vidjeti. To se zove kompaktifikacija dimenzija.
  4. Kad bismo točno znali kako su dimenzije u našem svemiru presavijene, možda bismo mogli putovati kroz vrijeme do drugih zvijezda. No, iako to nije moguće - potrebno je riješiti previše opcija. Bili bi dovoljni za sve moguće svemire.
  5. Teorija struna može objediniti sve fizikalne teorije i otkriti nam tajne svemira – za to postoje svi preduvjeti. Ali dokaza još nema.
  6. Druga otkrića logično slijede iz teorije struna moderna znanost. Nažalost, ovo ništa ne dokazuje.
  7. Teorija struna preživjela je dvije revolucije superstruna i mnogo godina zanemarivanja. Neki znanstvenici to smatraju znanstvenom fantastikom, drugi vjeruju da će nove tehnologije pomoći u dokazivanju.
  8. Ono što je najvažnije, planirate li prijateljima pričati o teoriji struna, pazite da među njima nema fizičara – uštedjet ćete vrijeme i živce. I izgledat ćete kao Brian Green na Politehničkom institutu:

  Sveobuhvatno proučavajući naš svemir, znanstvenici određuju niz obrazaca, činjenica, koje kasnije postaju zakoni, dokazane hipoteze. Na temelju njih, druge studije nastavljaju pridonositi sveobuhvatnom proučavanju svijeta u brojkama.

  Teorija struna svemira je način predstavljanja prostora svemira, koji se sastoji od određenih niti, koje se nazivaju strune i brane. Pojednostavljeno rečeno (za lutke), osnova svijeta nisu čestice (kao što znamo), već vibrirajući energetski elementi koji se nazivaju strune i brane. Veličina žice je vrlo, vrlo mala - oko 10 -33 cm.

  Čemu služi i je li korisno? Teorija je poslužila kao poticaj za opis koncepta "gravitacije".

  Teorija struna je matematička, odnosno fizička je priroda opisana jednadžbama. Ima ih mnogo, ali nijednoga i istinitog nema. Eksperimentalno skrivene dimenzije svemira još nisu određene.

  Teorija se temelji na 5 koncepata:

  1. Svijet se sastoji od niti koje su u vibrirajućem stanju i energetskih membrana.
  2. U teoriji, osnova je teorija gravitacije i kvantna fizika.
  3. Teorija ujedinjuje sve glavne sile svemira.
  4. Bozonske čestice i fermioni imaju nova vrsta veze – supersimetrija.
  5. Teorija opisuje dimenzije u svemiru koje nisu vidljive ljudskim okom.

  

  Usporedba s gitarom pomoći će vam da bolje razumijete teoriju žica.

  Za ovu teoriju svijet je prvi put čuo sedamdesetih godina dvadesetog stoljeća. Imena znanstvenika u razvoju ove hipoteze:

  • Witten;
  • Veneziano;
  • Zelena;
  • Bruto;
  • Kaku;
  • Maldacena;
  • Polyakov;
  • Susskind;
  • Schwartz.

  Energetske niti su se smatrale jednodimenzionalnim – strunama. To znači da niz ima 1 dimenziju - dužinu (bez visine). Postoje 2 vrste:

  • otvoren, u kojem se krajevi ne dodiruju;
  • zatvorena - petlja.

  Utvrđeno je da mogu komunicirati i postoji 5 takvih opcija. To se temelji na sposobnosti povezivanja, odvajanja krajeva. Odsutnost prstenastih žica je nemoguća, zbog mogućnosti kombiniranja otvorenih žica.

  Kao rezultat toga, znanstvenici vjeruju da teorija može opisati ne povezanost čestica, već ponašanje, silu gravitacije. Brane ili plahte smatraju se elementima na koje se pričvršćuju uzice.

  Zainteresirani za

  

  kvantna gravitacija

  U fizici postoji kvantni zakon i opća teorija relativnosti. Kvantna fizika proučava čestice na razini svemira. Hipoteze u njemu nazivaju se teorijama kvantne gravitacije među najvažnijim su struna.

  Zatvorene niti u njemu rade prema silama gravitacije, imajući svojstva gravitona - čestice koja prenosi svojstva između čestica.

  Udruživanje snaga. Teorija uključuje kombinirane sile u jednu - elektromagnetske, nuklearne, gravitacijske. Znanstvenici vjeruju da se upravo to dogodilo prije, prije nego što su snage bile podijeljene.

  supersimetrija. Prema konceptu supersimetrije postoji veza između bozona i fermiona (strukturnih jedinica svemira). Za svaki od bozona postoji fermion, a točno je suprotno: za fermion postoji bozon. To se izračunava na temelju jednadžbi, ali nije eksperimentalno potvrđeno. Prednost supersimetrije je mogućnost eliminacije nekih varijabli (beskonačne, imaginarne razine energije).

  Prema fizičarima, razlog nemogućnosti dokazivanja supersimetrije je razlog potrebe za velikom energijom povezanom s masom. Bilo je to ranije, prije razdoblja pada temperature u svemiru. Nakon Velikog praska došlo je do rasipanja energije i prijelaza čestica na niže energetske razine.

  Pojednostavljeno rečeno, žice koje su mogle vibrirati sa svojstvima čestica s visokom energijom, nakon što su je izgubile, postale su niske vibracije.

  Stvaranjem akceleratora čestica znanstvenici žele identificirati super simetrične elemente s potrebnom razinom energije.

  Dodatne dimenzije teorije struna

  Posljedica teorije struna je matematički prikaz da mora postojati više od 3 dimenzije. Prvo objašnjenje za to je da su dodatne dimenzije postale kompaktne, male, zbog čega se ne mogu vidjeti ili percipirati.

  Postojimo u 3D brani, odsječeni od drugih dimenzija. Samo je sposobnost korištenja matematičkog modeliranja dala nadu za dobivanje koordinata koje bi ih povezale. Nedavna istraživanja u ovom području omogućuju pretpostavku pojave novih optimističnih podataka.

  Jednostavno razumijevanje svrhe

  Znanstvenici diljem svijeta, istražujući superstrune, pokušavaju potkrijepiti teoriju o cjelokupnoj fizičkoj stvarnosti. Jedna hipoteza mogla bi sve okarakterizirati na temeljnoj razini, objašnjavajući probleme strukture planeta.

  Teorija struna pojavila se u opisu hadrona, čestica s višim vibracijskim stanjima strune. Ukratko, lako objašnjava prijelaz duljine u masu.

  Postoje mnoge teorije superstruna. Danas se sa sigurnošću ne zna je li moguće uz pomoć njega točnije objasniti teoriju prostor-vremena nego Einstein. Provedena mjerenja ne daju točne podatke. Neki od njih, koji se tiču ​​prostor-vremena, bili su posljedica interakcija žica, ali su u konačnici bili podvrgnuti kritici.

  Teorija gravitacije postat će glavna posljedica opisane teorije ako se potvrdi.

  Žice i brane potaknule su više od 10 000 načina razmišljanja o svemiru. Postoje knjige o teoriji struna javni pristup na internetu je detaljno i jasno opisan od strane autora:

  • Yau Shintan;
  • Steve Nadis "Teorija struna i skrivene dimenzije svemira";
  • Brian Green također govori o tome u Elegantnom svemiru.

  
  Mišljenja, dokaze, obrazloženja i sve najsitnije pojedinosti možete pronaći ako pogledate jednu od brojnih knjiga koje informacije o svijetu čine dostupnim i zanimljivim. Fizičari postojeći svemir objašnjavaju našom prisutnošću, postojanjem drugih svemira (čak i onih sličnih našem). Prema Einsteinu, postoji presavijena verzija prostora.

  Točke se mogu povezati u teoriji superstruna paralelnih svjetova. Utemeljeni zakoni u fizici daju nadu u mogućnost prijelaza među svemirima. U isto vrijeme, kvantna teorija gravitacije to eliminira.

  Fizičari govore i o holografskoj fiksaciji podataka kada su snimljeni na površini. U budućnosti će to dati poticaj za razumijevanje suda o energetskim nitima. Postoje sudovi o mnogostrukosti dimenzija vremena i mogućnosti kretanja u njemu. Hipoteza velikog praska zbog sudara 2 brane sugerira mogućnost ponavljanja ciklusa.

  Svemir, nastanak svega i postupna transformacija svega oduvijek su zaokupljali izvanredne umove čovječanstva. Nova otkrića su bila, jesu i bit će. Konačna interpretacija teorije struna omogućit će određivanje gustoće materije, kozmološke konstante.

  Zahvaljujući tome, bit će određena sposobnost svemira da se smanji do sljedećeg trenutka eksplozije i novog početka svega. Teorije se razvijaju, dokazuju i do nečega vode. Tako je Einsteinova jednadžba, koja opisuje ovisnost energije o masi i kvadratu brzine svjetlosti E = mc ^ 2, naknadno postala poticaj za nastanak nuklearnog oružja. Nakon toga izumljeni su i laser i tranzistor. Danas se ne zna što očekivati, ali će sigurno dovesti do nečega.

  Ekologija znanja: Najveći problem za teorijske fizičare je kako spojiti sve temeljne interakcije (gravitacijske, elektromagnetske, slabe i jake) u jednu teoriju. Teorija superstruna samo tvrdi da je Teorija svega

  Brojeći od tri do deset

  Najveći problem za teorijske fizičare je kako spojiti sve temeljne interakcije (gravitacijske, elektromagnetske, slabe i jake) u jednu teoriju. Teorija superstruna samo tvrdi da je Teorija svega.

  No pokazalo se da je najpogodniji broj dimenzija potrebnih za rad ove teorije čak deset (od kojih je devet prostornih, a jedna vremenska)! Ako ima više ili manje dimenzija, matematičke jednadžbe daju iracionalne rezultate koji idu u beskonačnost – singularnost.

  Sljedeća faza u razvoju teorije superstruna - M-teorija - već je brojala jedanaest dimenzija. I još jedna njena verzija - F-teorija - svih dvanaest. I to uopće nije komplikacija. F-teorija opisuje 12-dimenzionalni prostor jednostavnijim jednadžbama nego što M-teorija opisuje 11-dimenzionalni prostor.

  Naravno, teorijska fizika se s razlogom naziva teorijskom. Sva njezina dosadašnja postignuća postoje samo na papiru. Dakle, kako bi objasnili zašto se možemo kretati samo u trodimenzionalnom prostoru, znanstvenici su počeli govoriti o tome kako su se nesretne druge dimenzije morale skupiti u kompaktne sfere na kvantnoj razini. Točnije, ne u sfere, nego u Calabi-Yau prostore. To su takve trodimenzionalne figure, unutar kojih postoji svoj svijet sa svojom dimenzijom. Dvodimenzionalna projekcija sličnih mnogostrukosti izgleda otprilike ovako:

  Poznato je više od 470 milijuna takvih figurica. Koja od njih odgovara našoj stvarnosti, trenutno se izračunava. Nije lako biti teoretski fizičar.

  Da, čini se pomalo nategnutim. Ali možda to objašnjava zašto je kvantni svijet toliko drugačiji od onoga što opažamo.

  Točka, točka, zarez

  Početi ispočetka. Nulta dimenzija je točka. Ona nema veličinu. Nema se kamo kretati, nisu potrebne koordinate za označavanje mjesta u takvoj dimenziji.

  Stavimo drugu točku pored prve i kroz njih povučemo liniju. Ovdje je prva dimenzija. Jednodimenzionalni objekt ima veličinu - duljinu, ali nema širinu ili dubinu. Kretanje u okviru jednodimenzionalnog prostora vrlo je ograničeno, jer se prepreka koja se pojavila na putu ne može zaobići. Da biste odredili lokaciju na ovom segmentu, potrebna vam je samo jedna koordinata.

  Stavimo točku pored segmenta. Da bismo uklopili oba ova objekta, već nam je potreban dvodimenzionalni prostor, koji ima duljinu i širinu, odnosno površinu, ali bez dubine, odnosno volumena. Položaj bilo koje točke na ovom polju određen je s dvije koordinate.

  Treća dimenzija nastaje kada ovom sustavu dodamo treću koordinatnu os. Nama, stanovnicima trodimenzionalnog svemira, vrlo je lako to zamisliti.

  Pokušajmo zamisliti kako stanovnici dvodimenzionalnog prostora vide svijet. Na primjer, evo ove dvije osobe:

  Svaki od njih vidjet će svog prijatelja ovako:

  I s ovim rasporedom:

  

  Naši će se heroji vidjeti ovako:

  
  

  Upravo promjena gledišta omogućuje našim junacima da prosuđuju jedni druge kao dvodimenzionalne objekte, a ne kao jednodimenzionalne segmente.

  A sada zamislimo da se određeni trodimenzionalni objekt kreće u trećoj dimenziji, koja prelazi ovaj dvodimenzionalni svijet. Za vanjskog promatrača, ovo kretanje će se izraziti u promjeni dvodimenzionalnih projekcija objekta na ravninu, poput brokule u MRI stroju:

  Ali za stanovnika naše ravnice takva je slika neshvatljiva! Ne može je ni zamisliti. Za njega će se svaka od dvodimenzionalnih projekcija vidjeti kao jednodimenzionalni segment misteriozno promjenjive duljine, koji se pojavljuje na nepredvidivom mjestu i također nepredvidivo nestaje. Pokušaji izračunavanja duljine i mjesta pojavljivanja takvih objekata korištenjem zakona fizike dvodimenzionalnog prostora osuđeni su na neuspjeh.

  Mi, stanovnici trodimenzionalnog svijeta, sve vidimo u dvije dimenzije. Samo kretanje predmeta u prostoru omogućuje nam da osjetimo njegov volumen. Također ćemo vidjeti bilo koji višedimenzionalni objekt kao dvodimenzionalni, ali će se promijeniti na nevjerojatan način ovisno o našem relativnom položaju ili vremenu s njim.

  S ove točke gledišta zanimljivo je razmišljati, na primjer, o gravitaciji. Svatko je vjerojatno vidio ovakve slike:

  
  

  Uobičajeno je prikazati kako gravitacija savija prostor-vrijeme. Obline... gdje? Točno ni u jednoj od nama poznatih dimenzija. A što je s kvantnim tuneliranjem, odnosno sposobnošću čestice da nestane na jednom mjestu i pojavi se na sasvim drugom, štoviše, iza prepreke kroz koju, u našim stvarnostima, ne bi mogla prodrijeti a da u njoj ne napravi rupu? Što je s crnim rupama? Ali što ako se sve ove i druge misterije moderne znanosti objašnjavaju činjenicom da geometrija prostora uopće nije ista onakva kakvu smo je navikli percipirati?

  Sat otkucava

  Vrijeme dodaje još jednu koordinatu našem Svemiru. Da bi se zabava održala, morate znati ne samo u kojem će se lokalu održati, već i točno vrijeme ovog događaja.

  Na temelju naše percepcije, vrijeme nije toliko ravna crta koliko zraka. Odnosno, ima početnu točku, a kretanje se odvija samo u jednom smjeru - od prošlosti prema budućnosti. A stvarna je samo sadašnjost. Ne postoje ni prošlost ni budućnost, kao što ne postoje doručci i večere sa stanovišta uredskog službenika u vrijeme ručka.

  No, teorija relativnosti se s tim ne slaže. S njezine točke gledišta, vrijeme je vrijedna dimenzija. Svi događaji koji su postojali, postoje i postojat će jednako su stvarni, stvarni kao što je morska plaža, ma gdje nas točno iznenadili snovi o zvuku daska. Naša percepcija je samo nešto poput reflektora koji osvjetljava određeni segment na vremenskoj liniji. Čovječanstvo u svojoj četvrtoj dimenziji izgleda otprilike ovako:

  
  

  Ali vidimo samo projekciju, djelić ove dimenzije u svakom pojedinom trenutku vremena. Da, da, kao brokula u aparatu za magnetsku rezonancu.

  Do sada su sve teorije radile s velikim brojem prostornih dimenzija, a vrijeme je uvijek bilo jedino. Ali zašto prostor dopušta više dimenzija za prostor, ali samo jednom? Dok znanstvenici ne mogu odgovoriti na ovo pitanje, hipoteza o dva ili više privremenih prostora činit će se vrlo privlačnom svim filozofima i piscima znanstvene fantastike. Da, i fizičari, što je već tu. Primjerice, američki astrofizičar Itzhak Bars korijen svih nevolja s Teorijom svega vidi kao drugu vremensku dimenziju, koja je zanemarena. Kao mentalnu vježbu, pokušajmo zamisliti svijet s dva vremena.

  Svaka dimenzija postoji zasebno. To se izražava u činjenici da ako promijenimo koordinate objekta u jednoj dimenziji, koordinate u drugim mogu ostati nepromijenjene. Dakle, ako se krećete duž jedne vremenske osi koja siječe drugu pod pravim kutom, tada će se u točki sjecišta vrijeme zaustaviti. U praksi će to izgledati otprilike ovako:

  
  

  Sve što je Neo trebao učiniti bilo je postaviti svoju jednodimenzionalnu vremensku os okomito na vremensku os metaka. Prava sitnica, slažete se. Zapravo, sve je puno kompliciranije.

  Točno vrijeme u svemiru s dvije vremenske dimenzije odredit će dvije vrijednosti. Je li teško zamisliti dvodimenzionalni događaj? Odnosno onaj koji se istovremeno proteže duž dvije vremenske osi? Vjerojatno bi takav svijet zahtijevao stručnjake za vremensko mapiranje, baš kao što kartografi mapiraju dvodimenzionalnu površinu globusa.

  Što još razlikuje dvodimenzionalni prostor od jednodimenzionalnog? Sposobnost zaobilaženja prepreke, na primjer. Ovo je potpuno izvan granica našeg uma. Stanovnik jednodimenzionalnog svijeta ne može zamisliti kako je skrenuti za ugao. A što je ovo - kut u vremenu? Osim toga, u dvodimenzionalnom prostoru možete putovati naprijed, natrag ili čak dijagonalno. Nemam pojma kako je ići dijagonalno kroz vrijeme. Ne govorim o tome da vrijeme leži u temelju mnogih fizikalnih zakona i nemoguće je zamisliti kako će se fizika Svemira promijeniti dolaskom druge vremenske dimenzije. Ali tako je uzbudljivo razmišljati o tome!

  Vrlo velika enciklopedija

  Druge dimenzije još nisu otkrivene i postoje samo u matematičkim modelima. Ali možete ih pokušati zamisliti ovako.

  Kao što smo ranije saznali, vidimo trodimenzionalnu projekciju četvrte (vremenske) dimenzije Svemira. Drugim riječima, svaki trenutak postojanja našeg svijeta je točka (slična nultoj dimenziji) u vremenskom intervalu od Velikog praska do Smaka svijeta.

  Oni od vas koji ste čitali o putovanju kroz vrijeme znaju koliko je važna zakrivljenost prostorno-vremenskog kontinuuma. Ovo je peta dimenzija - u njoj se četverodimenzionalni prostor-vrijeme "savija" kako bi se dvije točke na ovoj pravoj liniji približile jedna drugoj. Bez toga bi putovanje između ovih točaka bilo predugo, ili čak nemoguće. Ugrubo govoreći, peta dimenzija je slična drugoj – pomiče “jednodimenzionalnu” liniju prostor-vremena u “dvodimenzionalnu” ravninu sa svim posljedicama u vidu sposobnosti zaokreta.

  Nešto ranije naši posebno filozofski nastrojeni čitatelji vjerojatno su razmišljali o mogućnosti slobodne volje u uvjetima u kojima budućnost već postoji, ali još nije poznata. Znanost na ovo pitanje odgovara ovako: vjerojatnosti. Budućnost nije štap, već cijela metla mogućih scenarija. Koja će se od njih ostvariti – doznat ćemo kad stignemo.

  Svaka od vjerojatnosti postoji kao "jednodimenzionalni" segment na "ravnini" pete dimenzije. Koji je najbrži način za skok s jednog segmenta na drugi? Tako je - savijte ovu ravninu kao list papira. Gdje se savijati? I opet, ispravno - u šestoj dimenziji, koja cijeloj složenoj strukturi daje "volumen". I, na taj način, čini ga, poput trodimenzionalnog prostora, "gotovim", novom točkom.

  Sedma dimenzija je nova ravna linija, koja se sastoji od šestodimenzionalnih "točaka". Koja je druga točka na ovoj liniji? Cijeli beskonačan skup opcija za razvoj događaja u drugom svemiru, nastao ne kao rezultat Velikog praska, već u drugim uvjetima, koji djeluje prema drugim zakonima. Odnosno, sedma dimenzija su perle iz paralelnih svjetova. Osma dimenzija skuplja ove "ravne linije" u jednu "ravninu". A deveti se može usporediti s knjigom koja sadrži sve "listove" osme dimenzije. To je ukupnost svih povijesti svih svemira sa svim zakonima fizike i svime početni uvjeti. Ponovo pokažite.

  Ovdje smo dosegli granicu. Da bismo zamislili desetu dimenziju, potrebna nam je ravna linija. A koja druga točka na ovoj pravoj liniji može biti ako deveta dimenzija već pokriva sve što se može zamisliti, pa čak i ono što se ne može zamisliti? Ispada da deveta dimenzija nije još jedno polazište, već konačna – za našu maštu, u svakom slučaju.

  Teorija struna tvrdi da u desetoj dimenziji strune, osnovne čestice koje čine sve, čine svoje vibracije. Ako deseta dimenzija sadrži sve svemire i sve mogućnosti, onda strune postoje posvuda i cijelo vrijeme. Mislim, svaki niz postoji u našem svemiru, i svaki drugi. U bilo kojem trenutku. Odmah. Kul, je li? Objavljeno