Teória strún je teória všetkého. Teória strún v jednoduchom jazyku

Teoretická fyzika je pre mnohých nejasná, no zároveň má prvoradý význam pri skúmaní sveta okolo nás. Úlohou každého teoretického fyzika je zostaviť matematický model, teóriu schopnú vysvetliť určité procesy v prírode.

Potreba

Ako viete, fyzikálne zákony makrokozmu, teda sveta, v ktorom existujeme, sa výrazne líšia od zákonov prírody v mikrokozme, v ktorom žijú atómy, molekuly a elementárne častice. Príkladom môže byť ťažko pochopiteľný princíp nazývaný dualizmus karpuskulárnych vĺn, podľa ktorého mikroobjekty (elektrón, protón a iné) môžu byť častice aj vlny.

Tak ako my, aj teoretickí fyzici chcú opísať svet stručným a zrozumiteľným spôsobom, čo je hlavným povolaním teórie strún. S jeho pomocou je možné vysvetliť niektoré fyzikálne procesy ako na úrovni makrokozmu, tak aj na úrovni mikrokozmu, čím sa stáva univerzálnym, spája ďalšie dovtedy nesúvisiace teórie (všeobecná teória relativity a kvantová mechanika).

esencia

Podľa teórie strún je celý svet postavený nie z častíc, ako sa dnes verí, ale z nekonečne tenkých predmetov dlhých 10–35 m, ktoré majú schopnosť oscilovať, čo nám umožňuje nakresliť analógiu so strunami. Pomocou zložitého matematického mechanizmu môžu byť tieto vibrácie spojené s energiou, a teda s hmotnosťou, inými slovami, akákoľvek častica vzniká ako výsledok toho či onoho typu vibrácií kvantovej struny.

Problémy a vlastnosti

Ako každá nepotvrdená teória, aj teória strún má množstvo problémov, ktoré naznačujú, že je potrebné ju zlepšiť. Medzi tieto problémy patria napríklad tieto - v dôsledku výpočtov sa matematicky vyskytol nový typ častíc, ktoré v prírode nemôžu existovať - ​​tachyóny, ktorých druhá mocnina hmotnosti je menšia ako nula a rýchlosť pohybu presahuje rýchlosť svetla.

Ďalším dôležitým problémom, či skôr črtou, je existencia teórie strún len v 10-rozmernom priestore. Prečo vnímame iné dimenzie? „Vedci prišli k záveru, že vo veľmi malých mierkach sa tieto priestory zrútia a uzavrú samy, v dôsledku čoho ich nedokážeme určiť.

rozvoj

Existujú dva typy častíc: fermióny - častice hmoty a bozóny - nosiče interakcie. Napríklad fotón je bozón, ktorý nesie elektromagnetickú interakciu, gravitón je gravitačný alebo rovnaký Higgsov bozón, ktorý šíri interakciu s Higgsovým poľom. Ak teda teória strún brala do úvahy iba bozóny, tak teória superstrun brala do úvahy aj fermióny, ktoré umožnili zbaviť sa tachyónov.

Konečná verzia princípu superstrun vyvinutá Edwardom Wittenom sa nazýva „m-teória“, podľa ktorej musí byť zavedená 11. dimenzia, aby sa zjednotili všetky rôzne verzie teórie superstrun.

Týmto by sme snáď mohli skončiť. Práce na riešení problémov a zlepšovaní existujúceho matematického modelu usilovne vykonávajú teoretickí fyzici z celého sveta. Snáď čoskoro konečne pochopíme štruktúru sveta okolo nás, no pri spätnom pohľade na objem a zložitosť vyššie uvedeného je zrejmé, že výsledný popis sveta nebude zrozumiteľný bez určitej vedomostnej bázy v oblasť fyziky a matematiky.

teória superstrun

Stručne o teórii superstrun

Táto teória vyzerá tak divoko, že je dosť možné, že je správna!

Rôzne verzie teórie strún sa dnes považujú za hlavných uchádzačov o titul komplexnej univerzálnej teórie, ktorá vysvetľuje podstatu všetkých vecí. A to je akýsi svätý grál teoretických fyzikov zapojených do teórie elementárnych častíc a kozmológie. Univerzálna teória (aka teória všetkého) obsahuje len niekoľko rovníc, ktoré kombinujú súhrn ľudských vedomostí o povahe interakcií a vlastnostiach základných prvkov hmoty, z ktorej je vesmír vybudovaný. Dnes sa teória strún spojila s konceptom supersymetria, čo má za následok pôrod teória superstrun, a to je dnes maximum, čo sa dosiahlo z hľadiska zjednotenia teórie všetkých štyroch hlavných interakcií (síl pôsobiacich v prírode). Samotná teória supersymetrie už bola postavená na apriórnom základe moderný koncept, podľa ktorého akákoľvek vzdialená (poľná) interakcia je spôsobená výmenou častíc-nosičov interakcie zodpovedajúceho druhu medzi interagujúcimi časticami (Štandardný model). Pre prehľadnosť možno interagujúce častice považovať za "tehly" vesmíru a nosné častice - cement.

V rámci štandardného modelu fungujú kvarky ako stavebné kamene a nosiče interakcie kalibračné bozóny, ktoré si tieto kvarky medzi sebou vymieňajú. Teória supersymetrie ide ešte ďalej a tvrdí, že kvarky a leptóny samotné nie sú fundamentálne: všetky pozostávajú z ešte ťažších a experimentálne neobjavených štruktúr (tehál) hmoty, držaných pohromade ešte silnejším „tmelom“ superenergetických častíc-nosičov interakcie ako kvarky v hadrónoch a bozónoch. Prirodzene, v laboratórnych podmienkach zatiaľ žiadna z predpovedí teórie supersymetrie nebola overená, no hypotetické skryté zložky hmotného sveta už majú svoje mená – napr. seelectron(supersymetrický partner elektrónu), squark atď. Existenciu týchto častíc však teórie tohto druhu jednoznačne predpovedajú.

Obraz vesmíru, ktorý ponúkajú tieto teórie, je však celkom ľahko vizualizovateľný. Na mierkach rádovo 10–35 m, teda o 20 rádov menších ako je priemer toho istého protónu, ktorý obsahuje tri viazané kvarky, sa štruktúra hmoty líši od toho, na čo sme zvyknutí už na úrovni elementárnych. častice. V tak malých vzdialenostiach (a pri takých vysokých interakčných energiách, že je to nemysliteľné) sa hmota mení na sériu stojatých vĺn, podobné témy ktoré sú vzrušené v strunách hudobných nástrojov. Ako struna na gitare, v takejto strune okrem základného tónu veľa podtóny alebo harmonické. Každá harmonická má svoj vlastný energetický stav. Podľa princíp relativity(Teória relativity), energia a hmotnosť sú ekvivalentné, čo znamená, že čím vyššia je frekvencia kmitania harmonickej struny, tým vyššia je jej energia a tým vyššia je hmotnosť pozorovanej častice.

Ak je však stojaté vlnenie v gitarovej strune vizualizované celkom jednoducho, stojaté vlny navrhované teóriou superstrun sú ťažko vizualizovateľné – faktom je, že superstruny vibrujú v priestore, ktorý má 11 rozmerov. Sme zvyknutí na štvorrozmerný priestor, ktorý obsahuje tri priestorové a jednu časovú dimenziu (vľavo-vpravo, hore-dole, dopredu-dozadu, minulosť-budúcnosť). V priestore superstrun sú veci oveľa komplikovanejšie (pozri prílohu). Teoretickí fyzici obchádzajú klzký problém „extra“ priestorových rozmerov argumentom, že sú „skryté“ (resp. vedecký jazyk inými slovami „zhutniť“), a preto nie sú pozorované pri bežných energiách.

Nedávno sa teória strún ďalej rozvíjala vo forme teória viacrozmerných membrán- v skutočnosti sú to tie isté struny, ale ploché. Ako jeden z jej autorov nenútene zavtipkoval, blany sa líšia od šnúrok v podstate rovnakým spôsobom, ako sa líšia rezance od rezancov.

To je snáď všetko, čo možno stručne povedať o jednej z teórií, ktorá si dnes nie bezdôvodne nárokuje titul univerzálnej teórie Veľkého zjednotenia všetkých silových interakcií. Bohužiaľ, táto teória nie je bez hriechu. Predovšetkým to ešte nebolo dovedené do rigoróznej matematickej formy z dôvodu nedostatočnosti matematického aparátu na to, aby sa dostal do striktnej vnútornej korešpondencie. Od zrodu tejto teórie ubehlo už 20 rokov a nikto nedokázal dôsledne zladiť niektoré jej aspekty a verzie s inými. Ešte nepríjemnejšia je skutočnosť, že žiaden z teoretikov navrhujúcich teóriu strún (a najmä superstrun) doteraz nenavrhol jediný experiment, na ktorom by sa tieto teórie dali v laboratóriu otestovať. Bohužiaľ, obávam sa, že kým to neurobia, všetka ich práca zostane bizarnou fantasy hrou a cvičením v chápaní ezoterických vedomostí mimo hlavného prúdu prírodných vied.

Úvod do superstrun

preklad Sergeja Pavljučenka

Teória strún je jednou z najvzrušujúcejších a najhlbších teórií v modernej teoretickej fyzike. Bohužiaľ je to stále dosť ťažko pochopiteľná vec, ktorá sa dá pochopiť iba z hľadiska kvantovej teórie poľa. Porozumeniu nezaškodí ani znalosť matematiky ako teória grúp, diferenciálna geometria atď. Pre väčšinu teda zostáva „vecou samou o sebe“.

Tento úvod je určený ako „čitateľný“ krátky úvod do základných pojmov teórie strún pre tých, ktorí majú záujem. Bohužiaľ, za dostupnosť expozície budeme musieť dôsledne a úplne zaplatiť. Dúfame, že vám poskytne odpovede na najjednoduchšie otázky o teórii strún a pocítite krásu tejto oblasti vedy.

Teória strún je dodnes dynamicky sa rozvíjajúcou oblasťou poznania; každý deň o nej prináša niečo nové. Zatiaľ presne nevieme, či teória strún opisuje náš Vesmír a do akej miery. Ale môže to dobre opísať, ako je zrejmé z tejto recenzie.

Pôvodná verzia je na http://www.sukidog.com/jpierre/strings/index.html.

Prečo práve teória strún?

Hoci Štandardný model popisuje väčšinu javov, ktoré môžeme pozorovať pomocou moderných urýchľovačov, stále zostáva veľa otázok týkajúcich sa prírody nezodpovedaných. Cieľom modernej teoretickej fyziky je práve zjednotiť opisy vesmíru. Historicky je táto cesta celkom úspešná. Napríklad Einsteinova špeciálna teória relativity spojila elektrinu a magnetizmus do elektromagnetickej sily. Práca Glashowa, Weinberga a Salama, ocenená Nobelovou cenou z roku 1979, ukazuje, že elektromagnetické a slabé sily možno spojiť do elektroslabých síl. Okrem toho existuje dôvod domnievať sa, že všetky sily v rámci štandardného modelu sa nakoniec spoja. Ak začneme porovnávať silné a elektroslabé interakcie, potom budeme musieť ísť do oblastí stále vyšších energií, kým sa nezrovnajú v sile v oblasti GeV. Gravitácia sa spojí pri energiách rádu .

Cieľom teórie strún je presne vysvetliť znak " ? “ na obrázku vyššie.

Charakteristická energetická škála pre kvantovú gravitáciu je tzv Planckova hmota a je vyjadrená ako Planckova konštanta, rýchlosť svetla a gravitačná konštanta takto:

Dá sa predpokladať, že teória strún vo svojej konečnej podobe poskytne odpovede na nasledujúce otázky:

• Aký je pôvod 4 nám známych prírodných síl?
• Prečo sú hmotnosti a náboje častíc presne také, aké sú?
• Prečo žijeme v priestore so 4 priestorovými dimenziami?
• Aká je povaha časopriestoru a gravitácie?

  Základy teórie strún

  Sme zvyknutí považovať elementárne častice (napríklad elektrón) za bodové 0-rozmerné objekty. Pojem je o niečo všeobecnejší základné struny ako 1-rozmerné objekty. Sú nekonečne tenké a ich dĺžka je rádovo . To je ale v porovnaní s dĺžkami, s ktorými sa bežne zaoberáme, jednoducho zanedbateľné, takže môžeme predpokladať, že sú prakticky bodové. Ale ako uvidíme, ich strunová povaha je dosť dôležitá.

  Struny sú OTVORENÉ a ZATVORENÉ. Pri pohybe časopriestorom pokrývajú povrch tzv svetový list.

  

  Tieto struny majú určité vibračné režimy, ktoré určujú kvantové čísla obsiahnuté v častici, ako je hmotnosť, rotácia atď. Základnou myšlienkou je, že každý režim nesie súbor kvantových čísel zodpovedajúcich určitému typu častice. Toto je konečné zjednotenie - všetky častice sa dajú opísať cez jeden objekt - strunu!

  Ako príklad si predstavte uzavretý reťazec, ktorý vyzerá takto:

  Takáto struna zodpovedá bezhmotnosti gravitón so spinom 2 - k častici nesúcej gravitačnú interakciu. Mimochodom, toto je jedna z čŕt teórie strún – prirodzene a nevyhnutne zahŕňa gravitáciu ako jednu zo základných interakcií.

  Reťazce interagujú delením a zlučovaním. Napríklad zničenie dvoch uzavretých reťazcov do jedného uzavretého reťazca vyzerá takto:

  
  

  Všimnite si, že povrch svetového listu je hladký povrch. Z toho vyplýva ešte jedna „dobrá“ vlastnosť teórie strún – neobsahuje sériu divergencií, ktoré sú vlastné kvantovej teórii poľa s bodovými časticami. Feynmanov diagram pre rovnaký proces

  

  obsahuje topologickú singularitu v bode interakcie.

  Ak „zlepíme“ dve najjednoduchšie reťazcové interakcie, dostaneme proces, v ktorom dva uzavreté reťazce interagujú prostredníctvom spojenia do medziľahlého uzavretého reťazca, ktorý sa potom opäť rozdelí na dva:
  

  Tento hlavný príspevok k procesu interakcie je tzv stromová aproximácia. Aby bolo možné vypočítať kvantovo-mechanické amplitúdy procesov pomocou poruchová teória, pridajte príspevky z kvantových procesov vyšších rádov. Perturbačná teória poskytuje dobré výsledky, pretože príspevky sa zmenšujú a zmenšujú, keď používame vyššie a vyššie rády. Aj keď vypočítate len prvých pár diagramov, môžete získať pomerne presné výsledky. V teórii strún vyššie rády zodpovedajú väčšiemu počtu otvorov (alebo „rukovätí“) na svetových listoch.
  
  

  Dobré na tomto prístupe je, že každému rádu poruchovej teórie zodpovedá iba jeden diagram (napríklad v teórii poľa s bodovými časticami počet diagramov rastie exponenciálne vo vyšších rádoch). Zlou správou je, že presné výpočty diagramov s viac ako dvoma dierami sú veľmi náročné kvôli zložitosti matematického aparátu používaného pri práci s takýmito povrchmi. Porucha teória je veľmi užitočná pri štúdiu procesov so slabou väzbou a súvisí s ňou väčšina objavov v oblasti fyziky elementárnych častíc a teórie strún. Tomu všetkému však ešte zďaleka nie je koniec. Odpovede na najhlbšie otázky teórie možno získať až po dokončení presného popisu tejto teórie.

  D-brány

  Reťazce môžu mať úplne ľubovoľné okrajové podmienky. Napríklad uzavretý reťazec má periodické okrajové podmienky (reťazec „ide do seba“). Otvorené reťazce môžu mať dva typy okrajových podmienok – podmienky Neumann a podmienky Dirichlet. V prvom prípade sa koniec struny môže voľne pohybovať, avšak bez uberania hybnosti. V druhom prípade sa koniec struny môže pohybovať pozdĺž nejakého potrubia. Táto odroda je tzv D-brána alebo Dp-brane(pri použití druhého zápisu je „p“ celé číslo charakterizujúce počet priestorových rozmerov variety). Príkladom sú dve struny s jedným alebo oboma koncami pripojenými k 2-rozmernej D-bráne alebo D2-bráne:

  

  D-brány môžu mať množstvo priestorových rozmerov od -1 do počtu priestorových rozmerov nášho časopriestoru. Napríklad v teórii superstrun je 10 dimenzií – 9 priestorových a jedna časová. V superstrunách je teda maximum, čo môže existovať, D9-brane. Všimnite si, že v tomto prípade sú konce strún upevnené na potrubí, ktoré pokrýva celý priestor, takže sa môžu pohybovať všade, takže je vlastne uložená Neumannova podmienka! V prípade p=-1 sú všetky priestorové a časové súradnice pevné a takáto konfigurácia sa nazýva Okamžité zapnutie alebo D-instanton. Ak p=0, potom sú všetky priestorové súradnice pevné a koniec reťazca môže existovať iba v jednom bode v priestore, takže D0-brány sa často nazývajú D-častice. Celkom podobne sa D1-brány nazývajú D-struny. Mimochodom, samotné slovo "brána" pochádza zo slova "membrána", ktoré sa nazýva 2-rozmerné brány alebo 2-brány.

  V skutočnosti sú D-brány dynamické, môžu kolísať a pohybovať sa. Napríklad interagujú gravitačne. Na obrázku nižšie môžete vidieť, ako jedna uzavretá struna (v našom prípade gravitón) interaguje s D2-bránou. Zvlášť pozoruhodná je skutočnosť, že po interakcii sa uzavretý reťazec otvorí s oboma koncami na D-bráne.
  
  
  Takže teória strún je viac než len teória strún!

  Dodatočné merania

  Superstruny existujú v 10-rozmernom časopriestore, zatiaľ čo my žijeme v 4-rozmernom. A ak superstruny opisujú náš vesmír, musíme tieto dva priestory nejako prepojiť. Aby sme to dosiahli, zbalíme 6 meraní na veľmi malú veľkosť. Ak sa v tomto prípade ukáže veľkosť kompaktného rozmeru rádovo ako veľkosť strún (), tak pre malosť tohto rozmeru ho jednoducho žiadnym spôsobom priamo nevidíme. Nakoniec dostaneme náš (3 + 1)-rozmerný priestor, v ktorom každý bod nášho 4-rozmerného Vesmíru zodpovedá malému 6-rozmernému priestoru. Toto je veľmi schematicky znázornené na obrázku nižšie:

  

  V skutočnosti je to celkom starý nápad, ktorý sa vracia k tvorbe Kalužu a Kleina v 20. rokoch 20. storočia. Vyššie opísaný mechanizmus sa nazýva tzv Kaluza-Klein teória alebo zhutňovanie. Samotná Kalužova práca ukazuje, že ak zoberieme relativitu v 5-rozmernom časopriestore, potom jednu dimenziu zabalíme do kruhu, dostaneme 4-rozmerný priestoročas s relativitou plus elektromagnetizmus! A to sa deje v dôsledku skutočnosti, že elektromagnetizmus je Teória mierky U(1).. U(1) je skupina rotácií okolo bodu v rovine. Mechanizmus Kaluza-Klein dáva jednoduchú geometrickú interpretáciu tohto kruhu - ide o rovnaký zložený piaty rozmer. Hoci sú zložené merania malé na priamu detekciu, napriek tomu môžu mať hlboký fyzikálny význam. [Úplne náhodou uniklo do tlače, dielo Kalužu a Kleina vyvolalo veľa rečí o piatej dimenzii.]

  Ako môžeme vedieť, či skutočne existujú ďalšie dimenzie a ako ich môžeme „cítiť“, ak máme urýchľovače s dostatočne vysokými energiami? Z kvantovej mechaniky je známe, že ak je priestor periodický, potom je hybnosť kvantovaná: , zatiaľ čo ak je priestor neohraničený, potom je rozsah hodnôt hybnosti spojitý. Ak sa polomer zhutnenia (veľkosť dodatočných rozmerov) zníži, rozsah povolených hodnôt hybnosti sa zvýši. Takto získate vežu momentálnych stavov - vežu Kalužu Kleina.

  

  A ak je polomer kruhu veľmi veľký ("dekompaktujeme" meranie), potom rozsah možných hodnôt hybnosti bude dosť úzky, ale bude "takmer súvislý". Takéto spektrum bude podobné hmotnostnému spektru sveta bez kompaktifikácií. Napríklad stavy, ktoré sú nehmotné vo väčšom počte rozmerov v menšom počte rozmerov, budú vyzerať presne ako veža stavov opísaná vyššie. Potom by sa mal pozorovať "súbor" častíc s hmotnosťami rovnako vzdialenými od seba. Je pravda, že na „videnie“ najhmotnejších častíc sú potrebné urýchľovače, ktoré sú oveľa lepšie ako tie, ktoré máme v súčasnosti.

  Struny majú ešte jednu pozoruhodnú vlastnosť – dokážu sa „namotať“ okolo zhutneného rozmeru, čo vedie k vzhľadu otočné mody v hmotnostnom spektre. Uzavretý reťazec sa môže omotať okolo zhutnenej dimenzie viackrát ako celé číslo. Podobne ako v prípade Kaluza-Klein prispievajú k hybnosti as . Podstatný rozdiel spočíva práve v inom spojení s polomerom zhutňovania. V tomto prípade pre malé extra rozmery sú reverzné režimy veľmi jednoduché!
  
  

  Teraz musíme prejsť do nášho 4-rozmerného priestoru. Na to potrebujeme 10-rozmernú teóriu superstrún na 6-rozmernom kompaktnom potrubí. Prirodzene, v tomto prípade sa vyššie opísaný obrázok stáva zložitejším. Najjednoduchším spôsobom je predpokladať, že všetkých týchto 6 dimenzií je 6 kruhov, takže všetky sú 6-rozmerným torusom. Okrem toho takáto schéma umožňuje zachovať supersymetriu. Predpokladá sa, že určitá supersymetria existuje aj v našom 4-rozmernom priestore v energetických mierkach rádovo 1 TeV (práve v týchto energiách sa supersymetria nedávno hľadala na moderných urýchľovačoch). Aby sa zachovala minimálna supersymetria, N=1 v 4 rozmeroch, treba kompaktovať na špeciálnom 6-rozdeľovači tzv. Calabi-Yauov rozvod.

  Vlastnosti Calabi-Yo manifoldov môžu mať dôležité aplikácie vo fyzike nízkych energií – na častice, ktoré pozorujeme, ich hmotnosti a kvantové čísla a na počet generácií častíc. Problémom je, že vo všeobecnosti existuje veľké množstvo odrôd Calabi-Yo a my nevieme, ktorý z nich použiť. V tomto zmysle, ak máme v skutočnosti jednu 10-rozmernú teóriu strún, dostaneme, že 4-rozmerná teória sa v žiadnom prípade nestane jedinou možnou, prinajmenšom na našej (ešte stále neúplnej) úrovni chápania. „Strunní ľudia“ (vedci pracujúci v oblasti teórií strún) dúfajú, že s úplnou neporuchovou teóriou strún (teória, ktorá nie je založená na poruchách opísaných trochu vyššie), môžeme vysvetliť, ako vesmír prešiel z 10-rozmernej fyziky. , ktorá sa mohla odohrať počas vysokoenergetického obdobia bezprostredne po Veľkom tresku, až po 4-rozmernú fyziku, ktorou sa teraz zaoberáme. [Inými slovami, nájdeme jednu Calabi-Yo varietu.] Andrew Strominger ukázal, že Calabi-Yo variety môžu byť navzájom súvisle spojené kužeľovité prechody a teda je možné sa pohybovať medzi rôznymi Calabi-Yo varietami zmenou parametrov teórie. To však naznačuje možnosť, že rôzne 4D teórie vznikajúce z rôznych Calabi-Yo varietov sú rôznymi fázami tej istej teórie.

  Dualita

  Ukázalo sa, že päť teórií superstrún opísaných vyššie je veľmi odlišných z hľadiska slabo viazanej poruchovej teórie (porušenie teórie rozvinutej vyššie). Ale v skutočnosti, ako sa ukázalo v posledných rokoch, sú všetky spojené rôznymi strunovými dualitami. Nazvime to teória dvojaký ak opisujú rovnaká fyzika.

  Prvý typ duality, o ktorom tu budeme diskutovať, je T-dualita. Tento typ duality spája teóriu zhutnenú na kruhu s polomerom s teóriou zhutnenou na kruhu s polomerom. Ak je teda v jednej teórii priestor poskladaný do kruhu s malým polomerom, potom v inej bude poskladaný do kruhu s veľkým polomerom, ale oba budú opisovať rovnakú fyziku! Cez T-dualitu sú prepojené superstrunové teórie typu IIA a typu IIB, cez ňu sú prepojené aj heterotické teórie SO(32) a E8 x E8.

  Ďalšia dualita, ktorú zvážime - S-dualita. Jednoducho povedané, táto dualita dáva do súvisu limit silnej väzby jednej teórie k limitu slabého spojenia inej teórie. (Všimnite si, že voľne spojené opisy týchto dvoch teórií sa potom môžu veľmi líšiť.) Napríklad SO(32) Heterotická teória strún a teória typu I sú S-duálne v 10 rozmeroch. To znamená, že v limite silnej väzby SO(32) sa heterotická teória transformuje na teóriu typu I v limite slabej väzby a naopak. Nájdenie dôkazov o dualite medzi silnými a slabými limitmi sa dá dosiahnuť porovnaním spektier svetelných stavov v každom zo vzorov a zistením, že sa navzájom zhodujú. Napríklad teória strún typu I má D-strunu, ktorá je ťažká, keď je slabo viazaná, a ľahká, keď je silná. Táto D-struna nesie rovnaké svetelné polia ako svetová stránka SO(32) Heterotic String, takže keď je teória typu I veľmi silne prepojená, D-struna sa stáva veľmi ľahkou a my jednoducho uvidíme, že popis bude taký cez slabo spojený heterotický reťazec. Ďalšia S-dualita v 10 dimenziách je autodualita IIB strún: silne viazaný limit IIB strún je jednoducho ďalšou teóriou IIB, ale voľne spojený. Teória IIB má tiež D-strunu (hoci viac supersymetrickú ako D-struny typu I, takže fyzika je tu iná), ktorá sa stáva svetlou, keď je silne spojená, ale táto D-struna je tiež ďalšou základnou strunou teórie. a typ IIB.

  

  Dualita medzi rôznymi teóriami strún je dôkazom toho, že všetky sú jednoducho rozdielnymi limitmi tej istej teórie. Každý z limitov má svoju použiteľnosť a iné limity rôzne popisy pretínajú. Čo to je M-teória zobrazené na obrázku? Pokračuj v čítaní!

  M-teória

  Pri nízkych energiách je M-teória opísaná teóriou tzv 11-rozmerná supergravitácia. Táto teória má membránu a päťbranu ako solitóny, ale žiadne struny. Ako tu môžeme dostať struny, ktoré už milujeme? Je možné zhutniť 11-rozmernú M-teóriu na kružnici s malým polomerom, aby sme získali 10-rozmernú teóriu. Ak by potom naša membrána mala topológiu torusu, tak skladaním jedného z týchto kruhov dostaneme uzavretý reťazec! V hranici, kde je polomer veľmi malý, dostaneme superstrunu typu IIA.

  

  Ale ako vieme, že M-teória na kruhu vytvorí superstrunu typu IIA a nie IIB alebo heterotické superstruny? Odpoveď na túto otázku možno získať po dôkladnej analýze bezhmotných polí, ktoré získame ako výsledok zhutnenia 11-rozmernej supergravitácie na kružnici. Ďalším jednoduchým testom môže byť zistenie, že D-brána z M-teórie je jedinečná pre teóriu IIA. Pripomeňme, že teória IIA obsahuje D0, D2, D4, D6, D8-brány a NS päťbrany. Nasledujúca tabuľka sumarizuje všetky vyššie uvedené skutočnosti:
  

  D6 a D8-brány sú tu vynechané. D6-brane možno interpretovať ako "Kaluza-Kleinov monopól", čo je špeciálne riešenie 11-rozmernej supergravitácie pri zhutnení do kruhu. D8-brane nemá jasnú interpretáciu z hľadiska M-teórie a to je stále otvorená otázka.

  Ďalším spôsobom, ako získať konzistentnú 10-rozmernú teóriu u, je zhutnenie M-teórie u na malý segment. To znamená, že predpokladáme, že jeden z rozmerov (11.) má konečnú dĺžku. V tomto prípade konce segmentu vymedzujú hranice 9 priestorových rozmerov. Na týchto hraniciach je možné vytvoriť otvorenú membránu. Keďže priesečník membrány s hranicou je struna, je možné vidieť, že (9+1)-rozmerný „svetový objem“ (svetový objem) môže obsahovať struny „vyčnievajúce“ z membrány. Po tomto všetkom, aby sa predišlo anomáliám, je potrebné, aby každá z hraníc niesla skupinu meradiel E8. Preto, ak urobíme veľmi malý priestor medzi hranicami, dostaneme 10-rozmernú teóriu so strunami a meracou skupinou E8 x E8. A toto je heterotická struna E8 x E8!

  

  Teda vzhľadom na rozdielne podmienky a rôznych dualít medzi teóriami strún, prídeme k záveru, že základom toho všetkého je jedna teória - M-teória. Zároveň sú jeho klasickými limitmi päť teórií superstrun a 11-rozmerná supergravitácia. Spočiatku sme sa pokúšali získať zodpovedajúce kvantové teórie „rozšírením“ klasických limitov pomocou poruchovej teórie (poruchovej teórie). Poruchová teória má však svoje hranice použiteľnosti, takže štúdiom neporuchových aspektov týchto teórií pomocou dualít, supersymetrie atď. dospejeme k záveru, že všetky spája jedna jediná kvantová teória. Táto jedinečnosť je veľmi atraktívna, preto prebiehajú práce na konštrukcii kompletnej kvantovej M-teórie. naplno.
  
  

  Čierne diery

  Klasický popis gravitácie – Všeobecná teória relativity (GR) – obsahuje riešenia nazývané „čierne diery“ (BHs). Existuje pomerne veľa typov čiernych dier, ale všetky vykazujú podobné všeobecné vlastnosti. Horizont udalostí je povrch v časopriestore, ktorý, zjednodušene povedané, oddeľuje oblasť vo vnútri čiernej diery od oblasti mimo nej. Gravitačná príťažlivosť čiernych dier je taká silná, že nič, dokonca ani svetlo, ktoré preniklo pod horizont, nemôže uniknúť späť. Klasické čierne diery teda možno opísať iba pomocou parametrov, ako je hmotnosť, náboj a moment hybnosti.

  (vysvetlenie Penrosovho diagramu a)

  Čierne diery sú dobré laboratóriá na štúdium teórií strún, pretože účinky kvantovej gravitácie sú dôležité aj pre pomerne veľké čierne diery. Čierne diery v skutočnosti nie sú „čierne“, pretože vyžarujú! Použitím poloklasických argumentov Stephen Hawking ukázal, že čierne diery vyžarujú tepelné žiarenie zo svojho horizontu. Keďže teória strún je okrem iného aj teóriou kvantovej gravitácie, dokáže dôsledne opísať čierne diery. A potom sú tu čierne diery, ktoré spĺňajú pohybovú rovnicu strún. Tieto rovnice sú podobné tým z GR, ale majú nejaké ďalšie polia, ktoré tam prišli z reťazcov. V superstrunových teóriách existujú špeciálne riešenia typu BH, ktoré sú tiež samy o sebe supersymetrické.

  Jedným z najdramatickejších výsledkov v teórii strún bolo odvodenie vzorca pre bekenstein-hawking entropiaČierna diera odvodená z mikroskopických reťazcov, ktoré tvoria čiernu dieru. Bekenstein poznamenal, že čierne diery sa riadia „zákonom oblasti“, dM = K dA, kde „A“ je plocha horizontu a „K“ je konštanta proporcionality. Keďže celková hmotnosť čiernej diery je jej pokojová energia, situácia je veľmi podobná termodynamike: dE = T dS, ktorú ukázal Bekenstein. Hawking neskôr v semiklasickej aproximácii ukázal, že teplota čiernej diery je T = 4k, kde „k“ je konštanta nazývaná „povrchová gravitácia“. Entropiu čiernej diery možno teda prepísať ako . Okrem toho Strominger a Vafa nedávno ukázali, že tento vzorec pre entropiu možno získať mikroskopicky (až do faktora 1/4) pomocou degenerácie kvantových stavov strún a D-brán zodpovedajúcich určitým supersymetrickým BH v teórii strún ii. Mimochodom, D-brány dávajú popis na malé vzdialenosti ako v prípade slabého spojenia. Napríklad BH, ktoré uvažovali Strominger a Vafa, sú opísané 5-bránami, 1-branami a otvorenými strunami „žijúcimi“ na 1-bráne, pričom všetky sú poskladané do 5-rozmerného torusu, čím efektívne vzniká 1-rozmerný objekt, čierna diera.

  

  V tomto prípade možno Hawkingovo žiarenie opísať v rámci rovnakej štruktúry, ale ak otvorené struny môžu „cestovať“ oboma smermi. Otvorené struny na seba vzájomne pôsobia a žiarenie je vyžarované vo forme uzavretých strún.

  

  Presné výpočty ukazujú, že pre rovnaké typy čiernych dier poskytuje teória strún rovnaké predpovede ako poloklasická supergravitácia, vrátane netriviálnej korekcie závislej od frekvencie nazývanej „parameter šedej“ ( faktor sivej farby).

  Objavená kvantová gravitácia na Zemi?
  

  << Вчера

  Zajtra >>

  
  vysvetlenie: Existujú oddelené časti gravitácie? Teória známa ako kvantová mechanika popisuje zákony, ktoré riadia vesmír na malých vzdialenostiach, zatiaľ čo Einsteinova všeobecná teória relativity vysvetľuje povahu gravitácie a vesmíru vo veľkých mierkach. Doteraz nebola vytvorená teória, ktorá by ich dokázala spojiť. Nedávny výskum vo Francúzsku mohol ukázať, že gravitácia je kvantové pole. Tvrdí sa, že Gravitačné pole Zeme ukázal svoju kvantovú povahu. V experimente, ktorý uskutočnil Valery Nezvizhevsky a kolegovia v , sa ukázalo, že superchladné neutróny pohybujúce sa v gravitačnom poli sú detekované iba v diskrétnych výškach. Vedci na celom svete čakajú na nezávislé potvrdenie týchto výsledkov. Obrázok ukazuje vo falošných farbách povrch, ktorý sa môže vytvoriť počas vývoja jednorozmernej struny. Mnoho fyzikov, ktorí popisujú elementárne častice ako malé struny, pracuje na skutočne kvantovej teórii gravitácie.

  (pozn. red.: Experimenty francúzskych a ruských fyzikov opísané v tejto poznámke, publikovanej v r príroda, 415 , 297 (2002) nemať nič spoločné kvantová gravitácia. Ich vysvetlenie(obidve uvedené autormi experimentov, ako aj publikované v New Scientist a Physicsweb.org) kompletne odlišný.

  Experimentátori hľadajú nové sily predpovedané teóriami superstrun

  Výskumníkom z Coloradskej univerzity v Boulderi sa podarilo uskutočniť doteraz najcitlivejší experiment, keď vyhodnotili gravitačnú interakciu medzi hmotami oddelenými iba dvojnásobkom hrúbky ľudského vlasu, no nezaznamenali žiadnu z predpovedaných nových síl.

  Získané výsledky umožňujú vylúčiť niektoré verzie teórie superstrún, v ktorých je zodpovedajúci parameter pôsobenia nových síl zo „zložených“ meraní v rozsahu od 0,1 do 0,01 mm.

  V teórii strún alebo superstrun, teórii strún, považovanej za najsľubnejší prístup k dlho očakávanému veľkému zjednoteniu – jedinému popisu všetkých známych síl a hmoty, sa predpokladá, že všetko vo vesmíre tvoria maličké slučky vibrujúcich strún. Podľa rôznych verzií teórie superstrun musí existovať aspoň šesť alebo sedem ďalších priestorových dimenzií okrem troch, ktoré máme k dispozícii, a teoretici sa domnievajú, že tieto ďalšie dimenzie sú poskladané do malých priestorov. Toto „zhutnenie“ vedie k tomu, čo sa nazýva modulové polia, ktoré opisujú veľkosť a tvar zložených rozmerov v každom bode časopriestoru.

  Oblasti modulov majú účinky porovnateľné v sile s obyčajnou gravitáciou a podľa najnovších predpovedí ich možno detegovať už vo vzdialenostiach rádovo 0,1 mm. Hranica citlivosti dosiahnutá v predchádzajúcich experimentoch umožnila testovať silu príťažlivosti medzi dvoma hmotami vzdialenými len 0,2 mm, takže otázka zostala otvorená. Otvorená však zostáva dodnes.

  „Ak tieto sily skutočne existujú, potom už vieme, že by sa mali prejaviť na menšie vzdialenosti, ako sme testovali,“ vysvetľuje vedúci laboratória, profesor John Price z Coloradskej univerzity (John Price) „Tieto výsledky však v samy osebe nevyvracajú teóriu ii. Treba mať len na pamäti, že efekt bude treba hľadať na kratšie vzdialenosti a použiť nastavenia s vyššou citlivosťou.“ Vedci navyše tvrdia, že takéto experimenty samy osebe nemajú za cieľ potvrdiť alebo vyvrátiť teóriu superstrun. „Myšlienky, ktoré testujeme, sú len niektoré z možných scenárov inšpirovaných strunami, nie presné predpovede samotnej teórie,“ povedal John Price Space.com. a povedal by som, že nikto nevie, či to teória strún niekedy dokáže.“ Experimenty na kratšie vzdialenosti však stále môžu „pridať ďalšie záplaty do prikrývky fyziky“, a preto je veľmi dôležité pokračovať v tomto druhu výskumu, pretože „môže byť objavené niečo nové a „veľmi zásadné“.

  Experimentálne usporiadanie výskumníkov z University of Colorado, nazývané vysokofrekvenčný rezonátor (vysokofrekvenčný rezonátor), pozostávalo z dvoch tenkých volfrámových platní (20 mm dlhé a 0,3 mm hrubé). Jeden z týchto záznamov bol vyrobený tak, aby osciloval pri frekvencii 1000 Hz. Pohyby druhej dosky, spôsobené nárazom prvej, merala veľmi citlivá elektronika. Hovoríme o silách meraných vo femtonewtonoch (10–15 N), alebo približne jednej milióntine hmotnosti zrnka piesku. Gravitačná sila pôsobiaca na tak malé vzdialenosti sa ukázala ako celkom tradičná, opísaná známym Newtonovým zákonom.

  Profesor Price navrhuje pokračovať v experimentoch s cieľom pokúsiť sa merať sily na ešte kratšie vzdialenosti. Aby urobili ďalší krok, experimentátori z Colorada odstránia pozlátené zafírové plátno medzi volfrámovými pásikmi, ktoré blokovali elektromagnetické sily a nahraďte ju tenšou berýliovo-medenou fóliou, ktorá umožní masám priblížiť sa k sebe. Plánujú tiež ochladiť experimentálne nastavenie, aby sa znížilo rušenie spôsobené tepelnými výkyvmi.

  Bez ohľadu na osud teórie superstrún sa myšlienky extradimenzií zavedené pred takmer sto rokmi (vtedy sa im veľa fyzikov smialo) stávajú mimoriadne populárnymi v dôsledku krízy štandardných fyzikálnych modelov, ktoré nie sú schopné vysvetliť nové pozorovania. . Medzi najkrikľavejšie fakty patrí zrýchlená expanzia vesmíru, ktorá má mnoho potvrdení. Záhadná nová sila, doteraz nazývaná temná energia, posúva náš vesmír od seba a pôsobí ako nejaký druh antigravitácie. Nikto nevie, aký fyzikálny jav je za tým. Čo kozmológovia vedia je, že zatiaľ čo gravitácia drží galaxie pohromade na „lokálnej“ úrovni, záhadné sily ich od seba oddeľujú. o väčšieho rozsahu.

  Temnú energiu možno vysvetliť interakciami medzi dimenziami, tými, ktoré vidíme, a tými, ktoré sú nám stále skryté, domnievajú sa niektorí teoretici. Na výročnom stretnutí AAAS (American Association for the Advancement of Science), ktoré sa konalo začiatkom tohto mesiaca v Denveri, vyjadrili najuznávanejší kozmológovia a fyzici opatrný optimizmus.

  "Existuje nejasná nádej, že nový prístup vyrieši celý súbor problémov naraz," hovorí fyzik Sean Carroll, odborný asistent na University of Chicago.

  Všetky tieto problémy sú nevyhnutne zoskupené okolo gravitácie, ktorej silu vypočítal Newton pred viac ako tromi storočiami. Gravitácia bola prvou zo základných síl, ktorá bola popísaná matematicky, ale stále je najmenej pochopená. Kvantová mechanika, vyvinutá v 20. rokoch minulého storočia, dobre popisuje správanie objektov na atómovej úrovni, ale nie je veľmi priateľská k gravitácii. Faktom je, že hoci gravitácia pôsobí na veľké vzdialenosti, stále je veľmi slabá v porovnaní s ostatnými tromi základnými silami (elektromagnetické, silné a slabé interakcie, ktoré dominujú v mikrokozme). Očakáva sa, že pochopenie gravitácie na kvantovej úrovni prepojí kvantovú mechaniku s úplným popisom iných síl.

  Vedci najmä dlho nevedeli určiť, či Newtonov zákon (nepriame úmernosť sily k štvorcu vzdialenosti) platí na veľmi malé vzdialenosti, v takzvanom kvantovom svete. Newton rozvinul svoju teóriu pre astronomické vzdialenosti, ako sú interakcie Slnka s planétami, no teraz sa ukazuje, že platí aj v mikrokozme.

  „To, čo sa práve deje v časticovej fyzike, gravitačnej fyzike a kozmológii, veľmi pripomína čas, keď sa kvantová mechanika začala zjednocovať,“ hovorí Maria Spiropulu, výskumníčka z Chicagskej univerzity, organizátorka workshopu AAAS o extradimenzionálnej fyzike (fyzika nadbytočných rozmerov).

  Prvýkrát bolo možné merať rýchlosť gravitácie

  

  Ruský fyzik Sergej Kopeikin, ktorý pôsobí na University of Missouri v Kolumbii, a Američan Edward Fomalont z Národného rádioastronomického observatória v Charlottesville vo Virgínii uviedli, že po prvý raz dokázali zmerať rýchlosť gravitácie s prijateľnou presnosťou. Ich experiment potvrdzuje názor väčšiny fyzikov: rýchlosť gravitácie sa rovná rýchlosti svetla. Táto myšlienka je základom moderných teórií, vrátane Einsteinovej Všeobecnej teórie relativity, ale doteraz nikto nedokázal túto veličinu priamo zmerať v experimente. Štúdia bola zverejnená v utorok na 201. stretnutí Americkej astronomickej spoločnosti v Seattli. Výsledky boli predtým predložené na publikovanie vo vedeckom časopise, no niektorí odborníci ich kritizovali. Samotný Kopeikin považuje kritiku za neopodstatnenú.

  Newtonova teória gravitácie predpokladá, že sila gravitácie sa prenáša okamžite, ale Einstein navrhol, že gravitácia sa pohybuje rýchlosťou svetla. Tento postulát sa stal jedným zo základov jeho teórie relativity v roku 1915.

  Rovnosť rýchlosti gravitácie a rýchlosti svetla znamená, že ak Slnko náhle zmizlo zo stredu slnečná sústava, Zem by zostala na svojej obežnej dráhe ešte asi 8,3 minúty – čas, ktorý potrebuje svetlo na cestu zo Slnka na Zem. Po týchto niekoľkých minútach by Zem, ktorá sa cítila oslobodená od gravitácie Slnka, opustila svoju obežnú dráhu a odletela priamo do vesmíru.

  Ako môžete merať „rýchlosť gravitácie“? Jedným zo spôsobov, ako vyriešiť tento problém, je pokúsiť sa odhaliť gravitačné vlny – malé „vlnky“ v časopriestorovom kontinuu, ktoré sa odchyľujú od akýchkoľvek zrýchlených hmôt. V mnohých už boli vybudované rôzne inštalácie na zachytávanie gravitačných vĺn, no ani u jednej sa doteraz nepodarilo zaregistrovať takýto efekt pre svoju výnimočnú slabosť.

  Kopeikin išiel inou cestou. Prepísal rovnice všeobecnej teórie relativity tak, aby vyjadrovali gravitačné pole pohybujúceho sa telesa pomocou jeho hmotnosti, rýchlosti a rýchlosti gravitácie. Bolo rozhodnuté použiť Jupiter ako masívne teleso. Pomerne zriedkavý prípad sa ukázal v septembri 2002, keď Jupiter prešiel popred kvazar (takéto udalosti sa vyskytujú približne raz za 10 rokov), ktorý vysiela intenzívne rádiové vlny. Kopeikin a Fomalont spojili výsledky pozorovaní z tucta rádioteleskopov v rôznych častiach glóbus z Havaja do Nemecka (pomocou 25-metrových rádioteleskopov Národného rádioastronomického observatória a 100-metrového nemeckého prístroja v Effelsbergu) na meranie najmenšej zdanlivej zmeny polohy kvazaru spôsobenej ohybom rádiových vĺn z r. tento zdroj v gravitačnom poli Jupitera. Skúmaním povahy vplyvu gravitačného poľa Jupitera na prechádzajúce rádiové vlny, poznaním jeho hmotnosti a rýchlosti, je možné vypočítať rýchlosť gravitácie.

  Spoločná práca pozemských rádioteleskopov umožnila dosiahnuť 100-krát väčšiu presnosť, než je možné dosiahnuť pomocou Hubbleovho vesmírneho teleskopu. Posuny namerané v experimente boli veľmi malé - zmeny v polohe kvazaru (meraná bola uhlová vzdialenosť medzi ním a štandardným kvazarom) boli v rozmedzí 50 milióntín oblúkovej sekundy. Ekvivalentom takýchto meraní by mohla byť veľkosť strieborného dolára na Mesiaci alebo hrúbka ľudského vlasu zo vzdialenosti 250 míľ, hovoria astronómovia (západné zdroje zrejme nenapadlo venovať pozornosť významu ruského priezvisko jedného z autorov štúdií, inak by neporovnávali veľkosti s dolárom, ale s našou peňažnou jednotkou...).

  Získaný výsledok: gravitácia sa prenáša od 0,95 rýchlosti svetla, možná chyba experimentu je plus mínus 0,25. „Teraz už vieme, že rýchlosť gravitácie sa pravdepodobne rovná rýchlosti svetla," povedal Fomalont. „A môžeme bezpečne vylúčiť akýkoľvek výsledok, ktorý má dvojnásobok tejto hodnoty."

  Steven Carlip, profesor fyziky na Kalifornskej univerzite, hovorí, že experiment je „dobrou demonštráciou“ Einsteinovho princípu. Hovorí, že experimentu predchádzali merania odklonu svetla od slnka, tie však boli oveľa menej presné. Navyše, nové merania gravitačnej rýchlosti vo veľmi blízkej budúcnosti budú musieť objasniť aj túto hodnotu. V posledných mesiacoch bolo uvedených do prevádzky mnoho interferometrov gravitačných vĺn, jeden z nich by mal konečne gravitačné vlny priamo detegovať a merať tak ich rýchlosť – dôležitú základnú konštantu nášho Vesmíru.

  Treba si však uvedomiť, že samotný experiment nie je jednoznačným potvrdením Einsteinovej teórie gravitácie. S rovnakým úspechom ho možno považovať za potvrdenie existujúcich alternatívnych teórií. Napríklad relativistická teória gravitácie akademika Logunova (RTG), ktorá sa do povedomia širokej verejnosti dostala asi pred desiatimi rokmi, sa v tomto smere od všeobecnej relativity nevymyká. V RTG existujú aj gravitačné vlny, aj keď, ako je známe, neexistujú žiadne čierne diery. A ďalšie „vyvrátenie“ Newtonovej teórie gravitácie nemá žiadnu zvláštnu hodnotu. Napriek tomu je výsledok dôležitý z hľadiska „uzatvárania“ niektorých variantov moderných teórií a podpory iných – spája sa s kozmologickými teóriami viacerých vesmírov a takzvanou teóriou strún či superstrun, no na konečné závery je ešte priskoro, hovoria výskumníci. V najnovšej takzvanej zjednotenej M-teórii, čo je rozvoj teórie superstrun, sa popri „strunách“ („strings“ – struny) objavili nové viacrozmerné objekty – branes (brane). Teórie superstrun neodmysliteľne zahŕňajú gravitáciu, pretože ich výpočty vždy predpovedajú existenciu gravitónu, beztiažovej hypotetickej častice so spinom 2. Predpokladá sa, že existujú ďalšie priestorové dimenzie, iba „zrolované“. A gravitácia by mohla pôsobiť „skrátene“ cez tieto extra dimenzie, zdanlivo cestovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla, ale bez porušenia rovníc všeobecnej relativity.

  Dvaja relativistickí fyzici prezentujú svoje názory na vesmír,
  jej vývoj a úloha kvantovej teórie

  AT Scientific American tieto prednášky boli publikované so skratkami, príslušné miesta v texte sú označené bodkami

  Úvod

  V roku 1994 Stephen Hawking a Roger Penrose predniesli sériu verejných prednášok o všeobecnej teórii relativity na Inštitúte matematických vied Isaaca Newtona na University of Cambridge. Náš časopis vám prináša úryvky z týchto prednášok, ktoré tento rok vydal Princetonská univerzita Tlač s názvom „Povaha priestoru a času“, ktorá vám umožní porovnať názory týchto dvoch vedcov. Hoci obaja patria do rovnakej fyzikálnej školy (Penrose asistoval pri Hawkingovej doktorandskej práci v Cambridge), ich názory na úlohu kvantovej mechaniky vo vývoji vesmíru sa navzájom veľmi líšia. Najmä Hawking a Penrose majú rozdielne predstavy o tom, čo sa stane s informáciami uloženými v čiernej diere a prečo je začiatok vesmíru iný ako jeho koniec.

  Jedným z najväčších Hawkingových objavov z roku 1973 bola predpoveď, že v dôsledku kvantových efektov môžu čierne diery vyžarovať častice. V dôsledku takéhoto procesu sa čierna diera vyparí a v konečnom dôsledku je možné, že z jej pôvodnej hmoty nezostane nič. Počas svojho vzniku však čierne diery absorbujú veľa častíc, ktoré na ne dopadajú, s rôznymi typmi, vlastnosťami a konfiguráciami. Hoci kvantová teória vyžaduje, aby sa takéto informácie uchovávali, podrobnosti o tom, čo sa s nimi stane ďalej, zostávajú témou búrlivých diskusií. Hawking aj Penrose veria, že počas žiarenia čierna diera stráca informácie, ktoré v sebe obsahovala. Hawking však trvá na tom, že táto strata je nenahraditeľná, zatiaľ čo Penrose tvrdí, že je vyvážená spontánnymi meraniami kvantových stavov, ktoré dodávajú informácie späť do čiernej diery.

  Obaja vedci sa zhodujú, že na opis prírody je potrebná budúca teória kvantovej gravitácie. Ich názory sa však v niektorých aspektoch tejto teórie líšia. Penrose verí, že aj keď sú základné interakcie elementárnych častíc symetrické vzhľadom na obrátenie času, potom kvantová gravitácia musí takúto symetriu narušiť. Časová asymetria by potom mala vysvetľovať, prečo bol vesmír na začiatku taký homogénny (ako ukazuje mikrovlnné žiarenie pozadia vytvoreného veľkým treskom), zatiaľ čo na konci musí byť vesmír heterogénny.

  Penrose sa pokúša zahrnúť takúto asymetriu do svojej hypotézy o Weylovom zakrivení. Časopriestor je podľa Alberta Einsteina zakrivený prítomnosťou hmoty. Ale časopriestor môže mať aj určitú inherentnú deformáciu, označovanú ako Weylovo zakrivenie. Gravitačné vlny a čierne diery napríklad umožňujú zakrivenie časopriestoru aj v oblastiach, ktoré sú prázdne. V ranom vesmíre bolo Weylovo zakrivenie pravdepodobne nulové, ale v miznúcom vesmíre, ako tvrdí Penrose, veľký početčierne diery povedú k zvýšeniu Weylovho zakrivenia. Toto bude rozdiel medzi začiatkom a koncom vesmíru.

  Hawking súhlasí s tým, že veľký tresk a konečný kolaps („Big crunch“) budú iné, no asymetriu času nepovažuje za zákon prírody. Hlavným dôvodom tohto rozdielu je podľa neho spôsob, akým je naprogramovaný vývoj vesmíru. Postuluje istý druh demokracie a tvrdí, že vo vesmíre nemôže existovať jediný priestorový bod; a preto vesmír nemôže mať hranicu. Hawking tvrdí, že tento návrh bez hraníc vysvetľuje homogenitu žiarenia mikrovlnného pozadia.

  Názory oboch fyzikov na interpretáciu kvantovej mechaniky sú tiež radikálne odlišné. Hawking verí, že jediným účelom teórie AI je robiť predpovede, ktoré sú v súlade s experimentálnymi údajmi. Penrose sa naopak domnieva, že jednoduché porovnanie predpovedí s experimentmi na vysvetlenie reality nestačí. Poukazuje na to, že kvantová teória vyžadujúca superpozíciu vlnových funkcií je koncept, ktorý môže viesť k absurdnostiam. Títo vedci tak posúvajú známu diskusiu medzi Einsteinom a Bohrom o bizarných dôsledkoch kvantovej teórie na novú úroveň.

  Stephen Hawking o kvantových čiernych dierach:

  Zdá sa, že kvantová teória čiernych dier... vedie k novej úrovni nepredvídateľnosti vo fyzike nad rámec obvyklej kvantovo-mechanickej neistoty. Je to preto, lebo sa zdá, že čierne diery majú vnútornú entropiu a strácajú informácie z našej oblasti vesmíru. Musím povedať, že tieto tvrdenia sú veľmi kontroverzné: mnohí vedci pracujúci v oblasti kvantovej gravitácie, vrátane takmer všetkých, ktorí k nej prišli z časticovej fyziky, inštinktívne odmietajú myšlienku, že informácie o stave kvantového systému sa môžu stratiť. Tento názor však neviedol k veľkému úspechu pri vysvetľovaní toho, ako môžu informácie opustiť čiernu dieru. V konečnom dôsledku verím, že budú nútení prijať môj návrh, že informácie sú nenávratne stratené, rovnako ako boli nútení akceptovať, že čierne diery vyžarujú, čo je v rozpore so všetkými ich predsudkami...

  Skutočnosť, že gravitácia je atraktívna, znamená, že vo vesmíre existuje tendencia, aby sa hmota sťahovala na jednom mieste, tendencia vytvárať objekty ako hviezdy a galaxie. Ďalšie zmršťovanie týchto objektov môže byť nejaký čas zadržané tepelným tlakom v prípade hviezd alebo rotáciou a vnútornými pohybmi v prípade galaxií. Nakoniec sa však teplo alebo moment hybnosti odnesú a objekt sa začne opäť sťahovať. Ak je hmotnosť menšia ako asi jeden a pol hmotnosti Slnka, kontrakciu možno zastaviť tlakom degenerovaného plynu elektrónov alebo neutrónov. Objekt sa stabilizuje, aby sa stal bielym trpaslíkom alebo neutrónovou hviezdou. Ak je však hmotnosť väčšia ako tento limit, potom už nič nebráni stabilnej kontrakcii. Akonáhle sa kontrakcia objektu priblíži k určitej kritickej veľkosti, gravitačné pole na jeho povrchu bude také silné, že svetelné kužele sa naklonia dovnútra... Vidíme, že aj vychádzajúce svetelné lúče sú ohnuté k sebe, takže sa skôr približujú ako rozchádzajú. To znamená, že existuje nejaký uzavretý povrch....

  Musí teda existovať oblasť časopriestoru, z ktorej nie je možné uniknúť do nekonečnej vzdialenosti. Táto oblasť sa nazýva čierna diera. Jeho hranica sa nazýva horizont udalostí, je to plocha tvorená svetelnými lúčmi, ktoré nemôžu unikať do nekonečna....

  Veľké množstvo informácií sa stratí, keď sa vesmírne teleso zrúti a vytvorí sa čierna diera. Zrútený objekt je opísaný veľmi veľkým počtom parametrov. Jeho stav je určený typmi látok a viacpólovými momentmi rozloženia ich hmotností. Napriek tomu je vznikajúca čierna diera úplne nezávislá od typu hmoty a rýchlo stráca všetky multipólové momenty okrem prvých dvoch: monopól, čo je hmotnosť, a dipól, čo je moment hybnosti.

  Na tejto strate informácií v klasickej teórii naozaj nezáležalo. Dá sa povedať, že všetky informácie o kolabujúcom objekte sú vo vnútri čiernej diery. Pre pozorovateľa mimo čiernej diery by bolo veľmi ťažké určiť, ako kolabujúci objekt vyzerá. V klasickej teórii to však v princípe stále bolo možné. Pozorovateľ by v skutočnosti nikdy nestratil z dohľadu rúcajúci sa objekt. Namiesto toho by sa mu zdalo, že objekt sa v kontrakcii spomaľuje a s približovaním sa k horizontu udalostí sa stáva čoraz tmavším. Tento pozorovateľ mohol stále vidieť, z čoho bol zrútený objekt vyrobený a ako je v ňom rozložená hmota.

  Z pohľadu kvantovej teórie sa však všetko úplne mení. Počas kolapsu by objekt pred prekročením horizontu udalostí emitoval len obmedzený počet fotónov. Tieto fotóny by absolútne nestačili na to, aby nám poskytli všetky informácie o kolabujúcom objekte. To znamená, že v kvantovej teórii neexistuje spôsob, akým by vonkajší pozorovateľ mohol určiť stav takéhoto objektu. Niekto by si mohol myslieť, že na tom príliš nezáleží, pretože informácie by boli stále vo vnútri čiernej diery, aj keď by sa zvonku nedali merať. Ale to je práve ten prípad, kde sa prejavuje druhý efekt kvantovej teórie čiernych dier....

  Kvantová teória spôsobuje, že čierne diery vyžarujú a strácajú hmotnosť. A zrejme nakoniec úplne zmiznú – spolu s informáciami v ich vnútri. Chcem argumentovať, že tieto informácie sú skutočne stratené a nie sú vrátené v žiadnej forme. Ako ukážem neskôr, s touto stratou informácií vstupuje do fyziky vyššia miera neistoty, než je bežná neistota spojená s kvantovou teóriou. Nanešťastie, na rozdiel od Heisenbergovho vzťahu neurčitosti, túto novú úroveň neistoty bude pomerne ťažké experimentálne potvrdiť v prípade čiernych dier.

  Roger Penrose o kvantovej teórii a časopriestore:

  Kvantová teória, špeciálna relativita, všeobecná relativita a kvantová teória poľa sú najväčšie fyzikálne teórie 20. storočia. Tieto teórie nie sú na sebe nezávislé: všeobecná relativita bola postavená na špeciálnej teórii relativity a kvantová teória poľa má ako základ špeciálnu teóriu relativity a kvantovú teóriu.

  Bežne sa hovorí, že kvantová teória poľa je najpresnejšia zo všetkých fyzikálnych teórií, ktoré kedy existovali, pričom udáva presnosť až 11 desatinných miest. Chcel by som však zdôrazniť, že všeobecná relativita bola teraz testovaná s presnosťou na 14 desatinných miest (a táto presnosť je zjavne obmedzená iba presnosťou hodín bežiacich na Zemi). Mám na mysli binárny pulzar Hulse-Taylor PSR 1913+16, dvojicu vzájomne rotujúcich neutrónových hviezd, z ktorých jedna je pulzar. Všeobecná teória relativity predpovedá, že takáto dráha sa pomaly sťahuje (a jej perióda klesá), pretože energia sa stráca v dôsledku vyžarovania gravitačných vĺn. Tento proces bol skutočne experimentálne zaznamenaný a úplný popis jeho pohybu pozorovaného 20 rokov ... je v súlade so všeobecnou teóriou relativity (ktorá zahŕňa Newtonovu teóriu) s pozoruhodnou presnosťou uvedenou vyššie. Výskumníci tohto hviezdneho systému právom dostali Nobelove ceny pre vašu prácu. Kvantoví teoretici vždy tvrdili, odvolávajúc sa na presnosť svojej teórie, že všeobecná teória relativity by si z nej mala brať príklad, ale teraz si myslím, že kvantová teória poľa by si to mala vziať.

  Hoci tieto štyri teórie dosiahli veľký úspech, nie sú bez problémov.... Všeobecná teória relativity predpovedá existenciu časopriestorových singularít. V kvantovej teórii existuje „problém merania“, ktorý popíšem neskôr. Môže sa ukázať, že riešenie problémov týchto teórií spočíva v uznaní skutočnosti, že ide o neúplné teórie. Veľa ľudí napríklad predpokladá, že kvantová teória poľa by mohla nejakým spôsobom „rozmazať“ singularity všeobecnej teórie relativity....

  A teraz by som chcel povedať pár slov o strate informácií v čiernych dierach, o ktorých sa domnievam, že sú relevantné pre posledné vyhlásenie. Súhlasím takmer so všetkým, čo o tom Stephen povedal. Ale zatiaľ čo Steven považuje stratu informácií v čiernych dierach za novú neistotu vo fyzike, vyššiu úroveň ako kvantová mechanická neistota, ja to vnímam len ako „dodatočnú“ neistotu.... Je možné, že malé množstvo informácií je stratená v čase vyparovania čiernej diery... ale tento efekt bude oveľa menší ako strata informácií počas kolapsu (pre ktorý akceptujem akýkoľvek rozumný obraz o konečnom zmiznutí čiernej diery).

  Ako myšlienkový experiment zvážte uzavretý systém vo veľkej krabici a zvážte pohyb hmoty vo vnútri krabice vo fázovom priestore. V oblastiach fázového priestoru, ktoré zodpovedajú umiestneniu čiernych dier, sa trajektórie popisujúce fyzický vývoj systému budú zbližovať a fázové objemy vyplnené týmito trajektóriami sa budú zmenšovať. K tomu dochádza v dôsledku straty informácií v singularite čiernej diery. Toto zmenšenie je v priamom rozpore so zákonom klasickej mechaniky známym ako Liouvilleova veta, ktorá hovorí, že fázové objemy prenášané fázovými trajektóriami zostávajú konštantné... Časopriestor čiernej diery teda porušuje zachovanie takýchto objemov. V mojom obrázku je však táto strata objemu fázového priestoru vyvážená procesom spontánnych kvantových meraní, ktorých výsledkom je obnovenie informácií a zvýšenie objemu fázového priestoru. Ak tomu dobre rozumiem, deje sa to preto, lebo neistota spojená so stratou informácií v čiernych dierach je akoby „doplnková“ ku kvantovej mechanickej neistote: každá z nich je len jednou stranou tej istej mince....

  Teraz sa pozrime na myšlienkový experiment so Schrödingerovou mačkou. Opisuje nezávideniahodnú polohu mačky v krabici, v ktorej vyžarovaný fotón dopadá na polopriepustné zrkadlo a prenášanú časť jeho vlnovej funkcie zaznamená senzor. Ak senzor deteguje fotón, pištoľ vybuchne a zabije mačku. Ak senzor nezaznamená fotón, mačka zostane nažive a zdravá. (Viem, že Steven nesúhlasí so zlým zaobchádzaním s mačkami, dokonca aj pri myšlienkových experimentoch!) Vlnová funkcia takéhoto systému je superpozíciou týchto dvoch možností... Prečo sme však schopní vnímať len makroskopické alternatívy „mačka mŕtva“ a „ než makroskopické superpozície takýchto stavov? ...

  Predpokladám, že so zapojením všeobecnej teórie relativity naráža použitie superpozícií alternatívnych časopriestorových geometrií na vážne ťažkosti. Je možné, že superpozícia dvoch rôznych geometrií je nestabilná a rozpadne sa na jednu z týchto dvoch alternatív. Takýmito geometriami by mohol byť napríklad priestor a čas živého resp mŕtva mačka. Na označenie tohto kolapsu superpozície do jedného z alternatívnych stavov používam termín objektívna redukcia, ktorý sa mi páči, pretože má dobrú skratku (OR). Čo s tým má spoločné Planckova dĺžka 10-33 centimetrov? Táto dĺžka je prirodzeným kritériom na určenie, či sú geometrie skutočne rozdielne svety. Planckova stupnica tiež určuje časový rozsah, v ktorom sa uskutoční redukcia na rôzne alternatívy.

  Hawking o kvantovej kozmológii:

  Túto prednášku končím diskusiou o bode, na ktorý máme s Rogerom rozdielne názory – šíp času. V našej časti vesmíru existuje veľmi jasný rozdiel medzi smerom dopredu a dozadu. Ak chcete vidieť tento rozdiel, stačí posunúť ľubovoľný film späť. Namiesto toho, aby šálky padali zo stola a rozbíjali sa na malé kúsky, videli by sme, ako sa tieto kúsky opäť spoja a odrazia sa späť na stôl. Nie je niečo také v reálnom živote?.

  Miestne zákony fyzikálnych polí spĺňajú požiadavku symetrie v čase, presnejšie povedané, invariantnosti CPT (Charge-Parity-Time - Charge-Parity-Time). Pozorovaný rozdiel medzi minulosťou a budúcnosťou teda pochádza z okrajových podmienok vesmíru. Uvažujme o modeli, v ktorom sa priestorovo uzavretý vesmír roztiahne do svojej maximálnej veľkosti, po ktorej sa opäť zrúti. Ako zdôraznil Roger, vesmír bude na konci tohto príbehu veľmi odlišný. Na svojom začiatku bude vesmír, ako si teraz myslíme, pomerne hladký a pravidelný. Keď sa však opäť začne zrútiť, očakávame, že bude extrémne nestály a nepravidelný. Pretože existuje oveľa viac neusporiadaných konfigurácií ako usporiadaných, znamená to, že počiatočné podmienky musia byť zvolené mimoriadne presne.

  V dôsledku toho musia byť okrajové podmienky v týchto časových okamihoch odlišné. Rogerov návrh je, že Weylov tenzor by mal zmiznúť len na jednom z koncov času. Weylov tenzor je tá časť zakrivenia časopriestoru, ktorá nie je určená lokálnym rozložením hmoty prostredníctvom Einsteinových rovníc. Toto zakrivenie je extrémne malé v usporiadanom ranom štádiu a veľmi veľké v kolabujúcom vesmíre. Tento návrh by nám teda umožnil odlíšiť oba konce času od seba a vysvetliť existenciu šípky času.

  Myslím si, že Rogerov návrh je Weylovým v dvoch významoch tohto slova. Po prvé, nie je invariantná CPT. Roger považuje túto vlastnosť za cnosť, ale mám pocit, že symetrie by sa nemali opúšťať bez dostatočného dôvodu. Po druhé, ak by bol Weylov tenzor v ranom štádiu vesmíru presne nulový, potom by zostal homogénny a izotropný počas nasledujúceho času. Weylova hypotéza Rogera nedokáže vysvetliť ani kolísanie mikrovlnného pozadia, ani poruchy spôsobené galaxiami a telesami, ako sme my.

  Napriek tomu všetkému si myslím, že Roger poukázal na veľmi dôležitý rozdiel medzi týmito dvoma časovými limitmi. Ale to, že malosť Weylovho tenzora v niektorej z hraníc by sme nemali akceptovať ad hoc, ale mali by sme vychádzať z toho zásadnejšieho princípu „bez hraníc“ ....

  Ako sa môžu dva časové limity líšiť? Prečo by mali byť poruchy v jednom z nich malé, ale v druhom nie? Dôvodom je, že rovnice poľa majú dve možné komplexné riešenia... Je zrejmé, že jedno riešenie zodpovedá jednej časovej hranici a druhé druhej.... Na jednom konci času bol vesmír veľmi hladký a Weylov tenzor je malý. Určite sa však nemôže rovnať nule, pretože to vedie k porušeniu vzťahu neurčitosti. Namiesto toho by malo dochádzať k malým výkyvom, ktoré sa neskôr môžu zmeniť na galaxie a telesá, ako sme my. Na rozdiel od začiatku by mal byť koncový vesmír veľmi nepravidelný a chaotický a Weylov tenzor by mal byť veľmi veľký. To by vysvetľovalo, prečo existuje šípka času a prečo poháre padajú zo stola a rozbijú sa oveľa rýchlejšie, než sa spamätajú a vyskočia späť.

  Penrose o kvantovej kozmológii:

  Z toho, čo som pochopil v Stevenovom koncepte, usudzujem, že naše nezhody na táto záležitosť(hypotézy Weylovej krivosti) sú extrémne veľké... Pre počiatočnú singularitu je Weylova krivosť približne nulová.... Steven tvrdil, že v počiatočnom stave musia nastať malé kvantové fluktuácie, a preto hypotéza nulovej Weylovej krivosti a je klasická a neprijateľné. Ale myslím si, že existuje určitá sloboda, pokiaľ ide o presnú formuláciu tejto hypotézy. Malé poruchy sú z môjho pohľadu v kvantovom režime určite prijateľné. Treba len výrazne obmedziť tieto výkyvy okolo nuly ....

  Je možné, že James-Hartley-Hawkingov princíp „bez hraníc“ je dobrým kandidátom na opísanie štruktúry počiatočného stavu. Zdá sa mi však, že na vysvetlenie konečného stavu je potrebné niečo iné. Najmä teória vysvetľujúca štruktúru singularít by musela zahŕňať porušenie CPT a iných symetrií, aby bola kompatibilná s hypotézou Weylovej zakrivenia. Takéto narušenie časovej symetrie môže byť dosť malé; a mohol by byť implicitne obsiahnutý v novej teórii, ktorá presahuje kvantovú mechaniku.

  Hawking o fyzickej realite:

  Tieto prednášky veľmi jasne ukázali rozdiel medzi Rogerom a mnou. On je platonista a ja pozitivista. Je vážne znepokojený tým, že Schrödingerova mačka je v kvantovom stave, v ktorom je napoly živý a napoly mŕtvy. Predvída tento nesúlad s realitou. Ale tieto veci ma netrápia. Nepožadujem, aby teória bola v súlade s realitou, pretože neviem, čo je realita. Realita nie je vlastnosť, ktorú môžete otestovať lakmusovým papierikom. Ide mi len o to, aby teória predpovedala výsledky meraní. Kvantová teória to robí veľmi dobre....

  Roger má pocit, že... kolaps vlnovej funkcie zavádza CPT symetriu do fyziky. Takéto narušenia vidí najmenej v dvoch oblastiach fyziky: kozmológii a čiernych dierach. Súhlasím s tým, že pri kladení otázok o pozorovaniach môžeme využiť časovú asymetriu. Ale úplne odmietam myšlienku, že existujú nejaké fyzikálne procesy vedúce k zníženiu vlnovej funkcie, alebo že to má niečo spoločné s kvantovou gravitáciou alebo vedomím. To všetko súvisí s mágiou a kúzelníkmi a nie s vedou.

  Penrose o fyzickej realite:

  Kvantová mechanika existuje len 75 rokov. To nie je veľa, najmä keď sa to porovná napríklad s Newtonovou teóriou gravitácie. Preto by som sa nečudoval, keby bola kvantová mechanika upravená pre veľmi veľké objekty.

  Na začiatku tejto debaty Stephen navrhol, že on je pozitivista a ja som platonista. Som rád, že je pozitivista, ale o sebe môžem povedať, že som skôr realista. Tiež, ak porovnáte túto debatu so slávnou debatou o Bohr-Einsteinovi pred 70 rokmi, myslím, že Steven hrá Bohra a ja som Einstein! Pre Einsteina bolo potrebné, aby existovalo niečo podobné skutočnému svetu, popísanému nie nevyhnutne vlnovou funkciou, zatiaľ čo Bohr zdôrazňoval, že vlnová funkcia neopisuje skutočný svet, ale iba znalosti potrebné na predpovedanie výsledkov experimentovať.

  Teraz sa verí, že Bohrove argumenty sa ukázali byť závažnejšie a že Einstein (podľa jeho biografie napísanej Abrahamom Paisom) mohol rybárčiť už od roku 1925. V skutočnosti neprispel ku kvantovej mechanike, hoci jeho bystrá kritika bola pre ňu veľmi užitočná. Domnievam sa, že dôvodom bolo to, že v kvantovej teórii chýbali niektoré dôležité komponenty. Jednou z takýchto zložiek bolo žiarenie z čiernych dier, ktoré objavil Stephen o 50 rokov neskôr. Únik informácií spojených so žiarením čiernej diery je jav, ktorý možno posunie kvantovú teóriu na novú úroveň.

  Stephen Hawking verí, že konečná teória vesmíru nemusí existovať

  Televízna prednáška, ktorú predniesol renomovaný fyzik Stephen Hawking z Anglicka niekoľkým divákom na Massachusettskom technologickom inštitúte (MIT), opísala prebiehajúce hľadanie vedcov po úplnej teórii vesmíru. Napokon autor vedeckých bestsellerov Stručná história času a Teória všetkého, profesor matematiky na univerzite v Cambridge, naznačil, že „možno [takáto teória] nie je možná“.

  "Niektorí ľudia budú veľmi sklamaní, keď sa dozvedia, že neexistuje žiadna definitívna teória," povedal Hawking. "Tiež som patril do tohto tábora, ale teraz som zmenil názor. Vždy sa budeme zaoberať výzvou nových vedeckých objavov. Bez toho , civilizácia bude stagnovať.“ . V pátraní sa dá pokračovať veľmi dlho.“

  Televízna relácia, počas ktorej sa vyskytli technické problémy s obrazom a zvukom, sa vysielala aj cez internet. Organizoval ho Cambridge-MIT Institute (CMI) – trojročná strategická aliancia medzi University of Cambridge v Anglicku a Massachusetts Institute of Technology.

  Hawking v podstate zhrnul históriu časticovej fyziky, pričom sa zameral na kľúčové postavy a teórie v tejto oblasti, od Aristotela po Stephena Weinberga (laureát Nobelovej ceny narodený v roku 1933).

  Napríklad Maxwellove a Diracove rovnice „ovládajú takmer celú fyziku a celú chémiu a biológiu,“ uvažoval Hawking. „Poznajúc tieto rovnice, by sme teda v zásade mohli predpovedať ľudské správanie, aj keď nemôžem tvrdiť, že ja sám som v tomto prípade veľký úspech,“ uzavrel za smiechu divákov.

  Ľudský mozog obsahuje príliš veľa častíc na vyriešenie všetkých rovníc potrebných na predpovedanie niečieho správania. Predpovedať správanie červa nematóda sa naučíme len v dohľadnej budúcnosti.

  Všetky teórie vyvinuté na vysvetlenie vesmíru „sú buď nekonzistentné, alebo neúplné,“ povedal Hawking. A navrhol, kvôli akým okolnostiam je v zásade nemožné vyvinúť jednu úplnú teóriu vesmíru. Svoje úvahy založil na práci Kurta Gödela, českého matematika, autora známej vety, podľa ktorej v žiadnej oblasti matematiky nemožno niektoré tvrdenia dokázať ani vyvrátiť.

  Ekológia poznania: Najviac veľký problém teoretickí fyzici – ako spojiť všetky základné interakcie (gravitačné, elektromagnetické, slabé a silné) do jedinej teórie. Teória superstrun len tvrdí, že je teóriou všetkého

  Počítanie od troch do desať

  Najväčší problém pre teoretických fyzikov je, ako spojiť všetky základné interakcie (gravitačné, elektromagnetické, slabé a silné) do jedinej teórie. Teória superstrun len tvrdí, že je teóriou všetkého.

  Ukázalo sa však, že najvhodnejší počet rozmerov potrebných na to, aby táto teória fungovala, je až desať (z ktorých deväť je priestorových a jedna je časová)! Ak existuje viac alebo menej rozmerov, matematické rovnice dávajú iracionálne výsledky, ktoré idú do nekonečna - singularitu.

  Ďalšia etapa vývoja teórie superstrun – M-teória – už počítala s jedenástimi dimenziami. A ďalšia jej verzia – F-teória – všetkých dvanásť. A nie je to vôbec žiadna komplikácia. F-teória popisuje 12-rozmerný priestor s jednoduchšími rovnicami ako M-teória popisuje 11-rozmerný priestor.

  Samozrejme, teoretická fyzika sa z nejakého dôvodu nazýva teoretická. Všetky jej doterajšie úspechy existujú len na papieri. Aby sme vysvetlili, prečo sa môžeme pohybovať iba v trojrozmernom priestore, vedci začali hovoriť o tom, ako sa nešťastné ostatné dimenzie museli zmenšiť do kompaktných sfér na kvantovej úrovni. Presnejšie, nie do sfér, ale do Calabi-Yauových priestorov. Sú to také trojrozmerné postavy, vo vnútri ktorých je vlastný svet s vlastnou dimenziou. Dvojrozmerná projekcia podobných potrubí vyzerá asi takto:

  Je známych viac ako 470 miliónov takýchto figúrok. Ktorý z nich zodpovedá našej realite, v tento moment sa vypočítava. Nie je ľahké byť teoretickým fyzikom.

  Áno, zdá sa to trochu pritiahnuté za vlasy. Ale možno to vysvetľuje, prečo je kvantový svet taký odlišný od toho, čo vnímame.

  Bodka, bodka, čiarka

  Začať odznova. Nulový rozmer je bod. Nemá veľkosť. Nie je sa kam posunúť, na označenie polohy v takejto dimenzii nie sú potrebné žiadne súradnice.

  Položme druhý bod vedľa prvého a nakreslíme cez ne čiaru. Tu je prvý rozmer. Jednorozmerný objekt má veľkosť - dĺžku, ale nemá šírku ani hĺbku. Pohyb v rámci jednorozmerného priestoru je veľmi obmedzený, pretože prekážku, ktorá sa na ceste vyskytla, nemožno obísť. Na určenie polohy v tomto segmente potrebujete iba jednu súradnicu.

  Umiestnime bod vedľa segmentu. Aby sme obidva tieto objekty zapadli, potrebujeme už dvojrozmerný priestor, ktorý má dĺžku a šírku, teda plochu, ale bez hĺbky, teda objemu. Umiestnenie akéhokoľvek bodu na tomto poli je určené dvoma súradnicami.

  Tretí rozmer vzniká, keď do tohto systému pridáme tretiu súradnicovú os. Pre nás, obyvateľov trojrozmerného vesmíru, je veľmi ľahké si to predstaviť.

  Skúsme si predstaviť, ako vidia svet obyvatelia dvojrozmerného priestoru. Tu sú napríklad títo dvaja ľudia:

  Každý z nich uvidí svojho priateľa takto:

  A s týmto rozložením:

  

  Naši hrdinovia sa navzájom uvidia takto:

  
  

  Práve zmena uhla pohľadu umožňuje našim hrdinom posudzovať sa navzájom ako dvojrozmerné objekty, a nie ako jednorozmerné segmenty.

  A teraz si predstavme, že v tretej dimenzii sa pohybuje určitý trojrozmerný objekt, ktorý pretína tento dvojrozmerný svet. Pre vonkajšieho pozorovateľa bude tento pohyb vyjadrený zmenou v dvojrozmernej projekcii objektu v rovine, ako je brokolica v prístroji MRI:

  Ale pre obyvateľa našej roviny je takýto obraz nepochopiteľný! Ani si ju nevie predstaviť. Pre neho bude každá z dvojrozmerných projekcií vnímaná ako jednorozmerný segment so záhadne premenlivou dĺžkou, objavujúci sa na nepredvídateľnom mieste a tiež nepredvídateľne miznúci. Pokusy vypočítať dĺžku a miesto výskytu takýchto objektov pomocou fyzikálnych zákonov dvojrozmerného priestoru sú odsúdené na neúspech.

  My, obyvatelia trojrozmerného sveta, vidíme všetko dvojrozmerne. Iba pohyb objektu v priestore nám umožňuje cítiť jeho objem. Akýkoľvek viacrozmerný objekt tiež uvidíme ako dvojrozmerný, ale bude sa úžasným spôsobom meniť v závislosti od našej relatívnej polohy alebo času s ním.

  Z tohto pohľadu je zaujímavé uvažovať napríklad o gravitácii. Každý pravdepodobne videl takéto obrázky:

  
  

  Je zvykom zobrazovať, ako gravitácia ohýba časopriestor. Krivky... kde? Presne nie v žiadnej z nám známych dimenzií. A čo kvantové tunelovanie, teda schopnosť častice zmiznúť na jednom mieste a objaviť sa na úplne inom, navyše za prekážkou, cez ktorú by v našich realitách nemohla preniknúť bez toho, aby do nej urobila dieru? A čo čierne diery? Ale čo ak sú všetky tieto a ďalšie záhady modernej vedy vysvetlené tým, že geometria priestoru vôbec nie je taká, ako sme ju zvyknutí vnímať?

  Hodiny tikajú

  Čas pridáva do nášho vesmíru ešte jednu súradnicu. Aby sa párty mohla konať, musíte vedieť nielen v akom bare sa bude konať, ale aj presný čas táto udalosť.

  Na základe nášho vnímania čas nie je ani tak priamka ako lúč. To znamená, že má východiskový bod a pohyb sa uskutočňuje iba jedným smerom - z minulosti do budúcnosti. A iba súčasnosť je skutočná. Ani minulosť, ani budúcnosť neexistuje, rovnako ako neexistujú raňajky a večere z pohľadu úradníka v čase obeda.

  Ale teória relativity s tým nesúhlasí. Čas je z jej pohľadu cenným rozmerom. Všetky udalosti, ktoré existovali, existujú a budú existovať aj naďalej, sú rovnako skutočné, ako je skutočná morská pláž, bez ohľadu na to, kde presne nás sny o zvuku príboja prekvapili. Naše vnímanie je len niečo ako reflektor, ktorý osvetľuje určitý úsek na časovej osi. Ľudstvo vo svojej štvrtej dimenzii vyzerá asi takto:

  
  

  Ale vidíme len projekciu, výsek tejto dimenzie v každom jednotlivom okamihu času. Áno, áno, ako brokolica v prístroji na magnetickú rezonanciu.

  Všetky teórie doteraz pracovali s veľkým množstvom priestorových dimenzií a čas bol vždy jediný. Prečo však priestor umožňuje viac dimenzií priestoru, ale iba jedenkrát? Kým vedci nebudú vedieť odpovedať na túto otázku, hypotéza dvoch alebo viacerých časopriestorov sa bude zdať veľmi atraktívna pre všetkých filozofov a autorov sci-fi. Áno, a fyzici, čo už tam je. Napríklad americký astrofyzik Itzhak Bars vidí koreň všetkých problémov s teóriou všetkého v druhej časovej dimenzii, ktorá bola prehliadaná. Ako duševné cvičenie si skúsme predstaviť svet s dvoma časmi.

  Každá dimenzia existuje samostatne. To je vyjadrené tým, že ak zmeníme súradnice objektu v jednej dimenzii, súradnice v iných môžu zostať nezmenené. Ak sa teda pohybujete pozdĺž jednej časovej osi, ktorá pretína inú v pravom uhle, potom sa v bode priesečníka čas okolo zastaví. V praxi to bude vyzerať asi takto:

  
  

  Jediné, čo Neo musel urobiť, bolo umiestniť svoju jednorozmernú časovú os kolmo na časovú os guliek. Skutočná maličkosť, súhlasím. V skutočnosti je všetko oveľa komplikovanejšie.

  Presný čas vo vesmíre s dvoma časovými dimenziami bude určený dvoma hodnotami. Je ťažké predstaviť si dvojrozmernú udalosť? Teda taký, ktorý je predĺžený súčasne pozdĺž dvoch časových osí? Je pravdepodobné, že takýto svet by si vyžadoval špecialistov na časové mapovanie, rovnako ako kartografi mapujú dvojrozmerný povrch zemegule.

  Čo ešte odlišuje dvojrozmerný priestor od jednorozmerného? Schopnosť obísť prekážku napr. Toto je úplne za hranicami našej mysle. Obyvateľ jednorozmerného sveta si nevie predstaviť, aké to je zahnúť za roh. A čo je toto - uhol v čase? Navyše v dvojrozmernom priestore môžete cestovať dopredu, dozadu alebo aj diagonálne. Netuším, aké to je ísť diagonálne v čase. Nehovorím o tom, že čas je základom mnohých fyzikálnych zákonov a je nemožné si predstaviť, ako sa zmení fyzika vesmíru s príchodom inej časovej dimenzie. Ale je také vzrušujúce o tom premýšľať!

  Veľmi veľká encyklopédia

  Iné dimenzie ešte neboli objavené a existujú iba v matematických modeloch. Ale môžete si ich skúsiť predstaviť takto.

  Ako sme už skôr zistili, vidíme trojrozmernú projekciu štvrtej (časovej) dimenzie vesmíru. Inými slovami, každý okamih existencie nášho sveta je bodom (podobne ako nulová dimenzia) v časovom intervale od Veľkého tresku po Koniec sveta.

  Tí z vás, ktorí čítali o cestovaní v čase, vedia, aká dôležitá je deformácia časopriestorového kontinua. Toto je piata dimenzia – práve v nej sa štvorrozmerný časopriestor „ohýba“, aby zblížil dva body na tejto priamke. Bez toho by bola cesta medzi týmito bodmi príliš dlhá alebo dokonca nemožná. Zhruba povedané, piata dimenzia je podobná druhej – posúva „jednorozmernú“ líniu časopriestoru do „dvojrozmernej“ roviny so všetkými dôsledkami v podobe schopnosti zahnúť za roh.

  O niečo skôr naši najmä filozoficky založení čitatelia zrejme uvažovali o možnosti slobodnej vôle v podmienkach, kde budúcnosť už existuje, no ešte nie je známa. Veda na túto otázku odpovedá takto: pravdepodobnosti. Budúcnosť nie je palica, ale celá metla možných scenárov. Ktorá z nich sa splní - zistíme, keď sa tam dostaneme.

  Každá z pravdepodobností existuje ako „jednorozmerný“ segment v „rovine“ piatej dimenzie. Aký je najrýchlejší spôsob, ako preskočiť z jedného segmentu do druhého? To je pravda - ohnite túto rovinu ako list papiera. Kde sa zohnúť? A opäť správne – v šiestej dimenzii, ktorá dáva celej zložitej štruktúre „objem“. A tým to robí ako trojrozmerný priestor, „dokončené“, nový bod.

  Siedmy rozmer je nová priamka, ktorá pozostáva zo šesťrozmerných „bodov“. Aký je ďalší bod na tomto riadku? Celý nekonečný súbor možností pre vývoj udalostí v inom vesmíre, ktorý nevznikol v dôsledku Veľkého tresku, ale v iných podmienkach a konajúc podľa iných zákonov. To znamená, že siedma dimenzia sú korálky z paralelných svetov. Ôsma dimenzia zhromažďuje tieto "priame čiary" do jednej "roviny". A deviata sa dá prirovnať ku knihe, ktorá obsahuje všetky „listy“ ôsmej dimenzie. Je to súhrn všetkých dejín všetkých vesmírov so všetkými fyzikálnymi zákonmi a všetkým počiatočné podmienky. Bod znova.

  Tu sme narazili na limit. Aby sme si predstavili desiaty rozmer, potrebujeme priamku. A aký ďalší bod na tejto priamke môže byť, ak deviata dimenzia už pokrýva všetko, čo si možno predstaviť, a dokonca aj to, čo si nemožno predstaviť? Ukazuje sa, že deviata dimenzia nie je ďalším východiskovým bodom, ale konečným – pre našu predstavivosť v každom prípade.

  Teória strún tvrdí, že práve v desiatej dimenzii vytvárajú struny, základné častice, ktoré všetko tvoria, svoje vibrácie. Ak desiata dimenzia obsahuje všetky vesmíry a všetky možnosti, potom reťazce existujú všade a stále. Myslím tým, že každý reťazec existuje v našom vesmíre a každý iný. Kedykoľvek. Hneď. Skvelé, áno? publikovaný

  Teória superstrun v ľudovom jazyku predstavuje vesmír ako súbor vibrujúcich vlákien energie – strún. Sú základom prírody. Hypotéza popisuje aj ďalšie prvky – brany. Všetka hmota v našom svete je tvorená vibráciami strún a brán. Prirodzeným dôsledkom teórie je popis gravitácie. Vedci sa preto domnievajú, že je kľúčom k zjednoteniu gravitácie s inými silami.

  Koncept sa vyvíja

  Teória zjednoteného poľa, teória superstrun, je čisto matematická. Rovnako ako všetky fyzikálne koncepty je založený na rovniciach, ktoré možno určitým spôsobom interpretovať.

  Dnes nikto presne nevie, aká bude konečná verzia tejto teórie. Vedci majú dosť hmlistú predstavu o jej všeobecných prvkoch, ale nikto zatiaľ neprišiel s definitívnou rovnicou, ktorá by pokrývala všetky teórie superstrun, a experimentálne sa to ešte nepodarilo potvrdiť (hoci ani vyvrátiť) . Fyzici vytvorili zjednodušené verzie rovnice, no zatiaľ celkom nepopisuje náš vesmír.

  Teória superstrun pre začiatočníkov

  Hypotéza je založená na piatich kľúčových myšlienkach.

  1. Teória superstrun predpovedá, že všetky predmety v našom svete sú tvorené vibrujúcimi vláknami a energetickými membránami.
  2. Snaží sa spojiť všeobecnú teóriu relativity (gravitácie) s kvantovou fyzikou.
  3. Teória superstrun zjednotí všetky základné sily vesmíru.
  4. Táto hypotéza predpovedá nové spojenie, supersymetriu, medzi dvoma zásadne rôzne druhyčastice, bozóny a fermióny.
  5. Tento koncept popisuje množstvo dodatočných, zvyčajne nepozorovateľných dimenzií vesmíru.

  Struny a brány

  Keď teória v 70. rokoch minulého storočia vznikla, vlákna energie v nej boli považované za 1-rozmerné objekty – struny. Slovo „jednorozmerný“ hovorí, že šnúrka má len 1 rozmer, dĺžku, na rozdiel napríklad od štvorca, ktorý má dĺžku aj výšku.

  Teória rozdeľuje tieto superstruny na dva typy – uzavreté a otvorené. Otvorená šnúrka má konce, ktoré sa navzájom nedotýkajú, zatiaľ čo uzavretá šnúrka je slučka bez otvorených koncov. Výsledkom bolo zistenie, že tieto reťazce, nazývané reťazce prvého typu, podliehajú 5 hlavným typom interakcií.

  Interakcie sú založené na schopnosti reťazca spájať a oddeľovať jeho konce. Keďže konce otvorených strún sa môžu spájať a vytvárať uzavreté struny, nie je možné skonštruovať teóriu superstrun, ktorá by nezahŕňala slučkové struny.

  To sa ukázalo ako dôležité, keďže podľa fyzikov majú uzavreté struny vlastnosti, ktoré by mohli opísať gravitáciu. Inými slovami, vedci si uvedomili, že namiesto vysvetľovania častíc hmoty môže teória superstrun opísať ich správanie a gravitáciu.

  O mnoho rokov neskôr sa zistilo, že okrem strún sú pre teóriu potrebné aj ďalšie prvky. Možno si ich predstaviť ako plachty alebo brány. Šnúrky môžu byť pripevnené na jednu alebo obe strany.

  

  kvantová gravitácia

  Moderná fyzika má dva hlavné vedecké zákony: všeobecnú teóriu relativity (GR) a kvantový. Predstavujú úplne odlišné oblasti vedy. Kvantová fyzika študuje najmenšie prírodné častice, zatiaľ čo všeobecná relativita spravidla opisuje prírodu v mierke planét, galaxií a vesmíru ako celku. Hypotézy, ktoré sa ich pokúšajú zjednotiť, sa nazývajú teórie kvantovej gravitácie. Najsľubnejšou z nich je dnes struna.

  Uzavreté vlákna zodpovedajú správaniu gravitácie. Predovšetkým majú vlastnosti gravitónu, častice, ktorá prenáša gravitáciu medzi objektmi.

  Spájanie síl

  Teória strún sa pokúša spojiť štyri sily – elektromagnetické, silné a slabé jadrové sily a gravitáciu – do jednej. V našom svete sa prejavujú ako štyri rôzne javy, ale teoretici strún veria, že v ranom vesmíre, keď boli neuveriteľne vysoké úrovne energie, všetky tieto sily sú opísané strunami, ktoré sa navzájom ovplyvňujú.

  

  supersymetria

  Všetky častice vo vesmíre možno rozdeliť do dvoch typov: bozóny a fermióny. Teória strún predpovedá, že medzi nimi existuje vzťah nazývaný supersymetria. V supersymetrii musí pre každý bozón existovať fermión a pre každý fermión bozón. Žiaľ, existencia takýchto častíc nebola experimentálne potvrdená.

  Supersymetria je matematický vzťah medzi prvkami fyzikálnych rovníc. Bola objavená v inej oblasti fyziky a jej aplikácia viedla v polovici 70. rokov 20. storočia k premenovaniu supersymetrickej teórie strún (alebo teórie superstrun, ľudovo povedané).

  Jednou z výhod supersymetrie je, že výrazne zjednodušuje rovnice tým, že umožňuje eliminovať niektoré premenné. Bez supersymetrie vedú rovnice k fyzickým rozporom, ako sú nekonečné hodnoty a imaginárne

  Keďže vedci nepozorovali častice predpovedané supersymetriou, stále ide o hypotézu. Mnohí fyzici sa domnievajú, že dôvodom je potreba značného množstva energie, ktorá súvisí s hmotnosťou podľa známej Einsteinovej rovnice E = mc 2 . Tieto častice mohli existovať v ranom vesmíre, ale keď sa po Veľkom tresku ochladzoval a energia expandovala, tieto častice sa presunuli na nízke energetické úrovne.

  Inými slovami, struny, ktoré vibrovali ako vysokoenergetické častice, stratili svoju energiu, čím sa zmenili na prvky s nižšou vibráciou.

  Vedci dúfajú, že astronomické pozorovania alebo experimenty s urýchľovačmi častíc potvrdia teóriu odhalením niektorých supersymetrických prvkov s vyššou energiou.

  

  Dodatočné merania

  Ďalším matematickým dôsledkom teórie strún je, že má zmysel vo svete s viac ako tromi dimenziami. V súčasnosti sú na to dve vysvetlenia:

  1. Extra dimenzie (šesť z nich) sa zrútili, alebo, v terminológii teórie strún, sa zhutnili na neuveriteľne malú veľkosť, ktorú nikdy neuvidíme.
  2. Uviazli sme v 3D bráne a ďalšie dimenzie presahujú a sú pre nás nedostupné.

  Dôležitou líniou výskumu medzi teoretikmi je matematické modelovanie toho, ako môžu tieto dodatočné súradnice súvisieť s našimi. Najnovšie výsledky predpovedajú, že vedci budú čoskoro schopní odhaliť tieto dodatočné rozmery (ak existujú) v nadchádzajúcich experimentoch, pretože môžu byť väčšie, ako sa pôvodne očakávalo.

  Porozumenie účelu

  Cieľom, o ktorý sa vedci pri skúmaní superstrun snažia, je „teória všetkého“, teda jediná fyzikálna hypotéza, ktorá na základnej úrovni popisuje celú fyzikálnu realitu. Ak bude úspešný, mohol by objasniť mnohé otázky o štruktúre nášho vesmíru.

  Vysvetlenie hmoty a hmotnosti

  Jedna z hlavných úloh súčasný výskum- hľadanie riešení pre skutočné častice.

  Teória strún začala ako koncept opisujúci častice, ako sú hadróny v rôznych vyšších vibračných stavoch struny. Vo väčšine moderných formulácií je hmota pozorovaná v našom vesmíre výsledkom vibrácií strún a brán s najnižšou energiou. Vibrácie s väčším množstvom vytvárajú vysokoenergetické častice, ktoré v súčasnosti v našom svete neexistujú.

  Ich hmotnosť je prejavom toho, ako sú struny a otruby zabalené do kompaktných extra rozmerov. Napríklad v zjednodušenom prípade, keď sú poskladané do tvaru šišky, ktorý matematici a fyzici nazývajú torus, môže šnúrka zabaliť tento tvar dvoma spôsobmi:

  • krátka slučka cez stred torusu;
  • dlhá slučka po celom vonkajšom obvode torusu.

  Krátka slučka bude ľahká častica a veľká slučka bude ťažká. Keď sú struny ovinuté okolo toroidných zhutnených rozmerov, vytvárajú sa nové prvky s rôznymi hmotnosťami.

  

  Teória superstrun stručne a jasne, jednoducho a elegantne vysvetľuje prechod dĺžky do hmoty. Zložené rozmery sú tu oveľa komplikovanejšie ako torus, ale v princípe fungujú rovnako.

  Je dokonca možné, aj keď je to ťažko predstaviteľné, že struna sa ovinie okolo torusu v dvoch smeroch súčasne, výsledkom čoho je odlišná častica s inou hmotnosťou. Brány môžu tiež obopínať ďalšie rozmery, čím vytvárajú ešte viac možností.

  Definícia priestoru a času

  V mnohých verziách teórie superstrún sa rozmery zrútia, čím sa stanú nepozorovateľnými moderná úroveň vývoj technológií.

  V súčasnosti nie je jasné, či teória strún dokáže vysvetliť základnú povahu priestoru a času viac ako Einstein. V ňom sú merania podkladom pre interakciu strún a nemajú žiadny nezávislý skutočný význam.

  Boli ponúknuté, nie úplne rozvinuté, vysvetlenia týkajúce sa reprezentácie časopriestoru ako derivátu celkového súčtu všetkých interakcií strún.

  Tento prístup nespĺňa predstavy niektorých fyzikov, čo viedlo ku kritike hypotézy. Konkurenčná teória využíva ako východiskový bod kvantovanie priestoru a času. Niektorí veria, že sa to nakoniec ukáže len ako iný prístup k tej istej základnej hypotéze.

  Gravitačné kvantovanie

  Hlavným úspechom tejto hypotézy, ak sa potvrdí, bude kvantová teória gravitácie. Súčasný popis vo všeobecnej teórii relativity nie je v súlade s kvantovou fyzikou. Ten druhý, zavedením obmedzení na správanie malých častíc, vedie k rozporom pri pokuse preskúmať vesmír v extrémne malom rozsahu.

  Zjednotenie síl

  V súčasnosti fyzici poznajú štyri základné sily: gravitáciu, elektromagnetické, slabé a silné jadrové interakcie. Z teórie strún vyplýva, že všetky boli kedysi prejavom jedného.

  Podľa tejto hypotézy, keď sa raný vesmír po veľkom tresku ochladil, táto jediná interakcia sa začala rozpadať na rôzne, ktoré sú dnes aktívne.

  Vysokoenergetické experimenty nám jedného dňa umožnia objaviť zjednotenie týchto síl, hoci takéto experimenty sú ďaleko za súčasným vývojom techniky.

  Päť možností

  Od superstrunovej revolúcie v roku 1984 vývoj napredoval horúčkovitým tempom. Výsledkom bolo, že namiesto jedného konceptu sme dostali päť pomenovaných typov I, IIA, IIB, HO, HE, z ktorých každý takmer úplne popisoval náš svet, ale nie úplne.

  Fyzici, ktorí triedili verzie teórie strún v nádeji, že nájdu univerzálny pravdivý vzorec, vytvorili 5 rôznych sebestačných verzií. Niektoré ich vlastnosti odrážali fyzikálnu realitu sveta, iné realite nezodpovedali.

  

  M-teória

  Na konferencii v roku 1995 fyzik Edward Witten navrhol odvážne riešenie problému piatich hypotéz. Na základe novoobjavenej duality sa všetky stali špeciálnymi prípadmi jediného zastrešujúceho konceptu, nazývaného Wittenova M-teória superstrun. Jedným z jeho kľúčových konceptov boli brány (skratka pre membránu), základné objekty s viac ako 1 rozmerom. Hoci autor neponúkol kompletnú verziu, ktorá ešte nie je dostupná, M-teória superstrun stručne pozostáva z nasledujúcich funkcií:

  • 11 dimenzií (10 priestorových plus 1 časová dimenzia);
  • duality, ktoré vedú k piatim teóriám vysvetľujúcim rovnakú fyzikálnu realitu;
  • branes sú struny s viac ako 1 rozmerom.

  Dôsledky

  Výsledkom bolo, že namiesto jedného bolo 10 500 riešení. Niektorým fyzikom to spôsobilo krízu, iní prijali antropický princíp, ktorý vysvetľuje vlastnosti vesmíru našou prítomnosťou v ňom. Uvidí sa, kedy teoretici nájdu iný spôsob, ako sa zorientovať v teórii superstrun.

  Niektoré interpretácie naznačujú, že náš svet nie je jediný. Najradikálnejšie verzie umožňujú existenciu nekonečného množstva vesmírov, z ktorých niektoré obsahujú presné kópie našich vlastných.

  Einsteinova teória predpovedá existenciu stočeného priestoru, ktorý sa nazýva červia diera alebo Einstein-Rosenov most. V tomto prípade sú dve vzdialené lokality spojené krátkym priechodom. Teória superstrun umožňuje nielen toto, ale aj prepojenie vzdialených bodov paralelných svetov. Dokonca je možné prechádzať medzi vesmírmi s rôznymi fyzikálnymi zákonmi. Je však pravdepodobné, že kvantová teória gravitácie znemožní ich existenciu.

  

  Mnohí fyzici sa domnievajú, že holografický princíp, keď všetky informácie obsiahnuté v objeme priestoru zodpovedajú informáciám zaznamenaným na jeho povrchu, umožní hlbšie pochopenie pojmu energetické vlákna.

  Niektorí veria, že teória superstrun umožňuje viacero dimenzií času, čo by mohlo viesť k cestovaniu cez ne.

  Okrem toho existuje alternatíva k modelu veľkého tresku v hypotéze, podľa ktorej sa náš vesmír objavil v dôsledku zrážky dvoch brán a prechádza opakovanými cyklami stvorenia a zničenia.

  Konečný osud vesmíru vždy zamestnával fyzikov a konečná verzia teórie strún pomôže určiť hustotu hmoty a kozmologickú konštantu. So znalosťou týchto hodnôt budú kozmológovia schopní určiť, či sa vesmír bude zmenšovať, až kým nevybuchne, takže všetko začne odznova.

  Nikto nevie, k čomu to môže viesť, kým to nebude vyvinuté a otestované. Einstein, keď si zapísal rovnicu E=mc 2 , nepredpokladal, že to povedie k objaveniu sa jadrových zbraní. Tvorcovia kvantovej fyziky nevedeli, že sa stane základom pre vytvorenie lasera a tranzistora. A hoci sa ešte nevie, k čomu takýto čisto teoretický koncept povedie, história ukazuje, že sa určite podarí niečo výnimočné.

  Viac o tejto hypotéze si môžete prečítať v teórii superstrún pre figuríny Andrewa Zimmermana.

  Podobná otázka tu už bola položená:

  Ale pokúsim sa o tom povedať v mojom firemnom štýle;)

  Vedieme veľmi dlhý rozhovor, ale dúfam, že ťa to bude zaujímať, brácho. Vo všeobecnosti počúvajte, o čo tu ide. Hlavná myšlienka možno vidieť už v samotnom názve: namiesto bodových elementárnych častíc (ako sú elektróny, fotóny atď.) táto teória ponúka struny - akési mikroskopické vibrujúce jednorozmerné vlákna energie, ktoré sú také malé, že nie sú moderné vybavenie nedajú sa zistiť (konkrétne sú na Planckovej dĺžke, ale o to tu nejde). Nehovorte častice pozostávať zo strún, oni a jesť struny, práve kvôli nedokonalosti nášho vybavenia ich vidíme ako častice. A ak je naše zariadenie schopné dosiahnuť Planckovu dĺžku, potom by sme tam mali nájsť struny. A rovnako ako husľová struna vibruje a vytvára rôzne tóny, kvantová struna vibruje a vytvára rôzne vlastnosti častíc (ako sú náboje alebo hmoty). Toto je vo všeobecnosti hlavná myšlienka.

  Tu je však dôležité poznamenať, že teória strún má veľmi veľké ambície a nenárokuje si nič menšie ako status „teórie všetkého“, ktorá kombinuje gravitáciu (teóriu relativity) a kvantovú mechaniku (teda makrokozmos – tzv. svet veľkých objektov, ktoré poznáme, a mikrokozmos - svet elementárnych častíc). Gravitácia v teórii strún sa elegantne objavuje sama o sebe a tu je dôvod. Spočiatku bola teória strún všeobecne vnímaná iba ako teória silnej jadrovej sily (interakcia, ktorou sú protóny a neutróny držané pohromade v jadre atómu), už nie, pretože niektoré typy vibrujúcich strún pripomínali vlastnosti gluónov ( nosné častice so silnou silou). V ňom však okrem gluónov existovali aj iné druhy vibrácií strún, pripomínajúce iné častice-nosiče akejsi interakcie, ktoré s gluónmi nemali nič spoločné. Po preštudovaní vlastností týchto častíc vedci zistili, že tieto vibrácie sa presne zhodujú s vlastnosťami hypotetickej častice - gravitónu - častice-nosiča gravitačnej interakcie. Takto sa gravitácia objavila v teórii strún.

  Ale opäť tu (čo narobíš!) je problém zvaný „kvantové fluktuácie“. Áno, nebojte sa, tento výraz je hrozný len na pohľad. Kvantové fluktuácie sú teda spojené s neustálym zrodom a deštrukciou virtuálnych (takých, ktoré nie je možné priamo vidieť, pretože sa neustále objavujú a miznú) častíc. Najvýraznejším procesom v tomto zmysle je anihilácia – zrážka častice a antičastice so vznikom fotónu (častice svetla), ktorý následne generuje ďalšiu časticu a antičasticu. A gravitácia je v podstate čo? Je to hladko zakrivená geometrická tkanina časopriestoru. Kľúčové slovo je tu hladké. A v kvantovom svete práve kvôli týmto výkyvom priestor nie je hladký a hladký, je tam taký chaos, že je dokonca desivé si to predstaviť. Ako ste už pravdepodobne pochopili, hladká geometria priestoru teórie relativity je úplne nezlučiteľná s kvantovými fluktuáciami. Rozpaky však fyzici našli riešenie s tým, že interakcia strún tieto výkyvy vyhladzuje. Ako, pýtate sa? Predstavte si však dve uzavreté šnúrky (pretože existujú aj otvorené, ktoré sú akousi malou niťou s dvoma otvorenými koncami; uzavreté šnúrky sú teda akési slučky). Tieto dve uzavreté struny sú na kolíznom kurze a v určitom bode sa zrazia a premenia sa na jednu väčšiu strunu. Táto struna sa ešte nejaký čas pohybuje, potom sa rozdelí na dve menšie struny. Teraz ďalší krok. Predstavme si celý tento proces v zábere filmu: uvidíme, že tento proces nadobudol určitý trojrozmerný objem. Tento objem sa nazýva „svetový povrch“. Teraz si predstavme, že sa vy a ja pozeráme na celý tento proces z rôznych uhlov: ja sa pozerám priamo pred seba a vy sa pozeráte z mierneho uhla. Uvidíme, že z vášho a z môjho pohľadu budú struny narážať na rôznych miestach, keďže u vás sa tieto očká struny (nazvime ich tak) budú pohybovať mierne pod uhlom, no mne rovno. Je to však rovnaký proces, narážajú na seba tie isté struny, rozdiel je len v dvoch uhloch pohľadu. To znamená, že dochádza k akémusi „rozmazávaniu“ interakcie strún: z pozície rôznych pozorovateľov interagujú na rôznych miestach. Avšak aj napriek týmto rôzne body z pohľadu, proces je však jeden a bod interakcie je jeden. Rôzni pozorovatelia teda zafixujú rovnaké miesto interakcie dvoch bodových častíc. To je všetko! chápeš čo sa deje? Vyhladili sme kvantové fluktuácie a tak sme spojili gravitáciu a kvantový mech! Pozri!

  Dobre, poďme ďalej. Ešte nie si unavený? No počúvaj. Teraz budem hovoriť o tom, čo sa mi osobne na teórii strún nepáči. A tomu sa hovorí „matematizácia“. Teoretici sa nejako nechali príliš uniesť matematikou... ale pointa je jednoduchá: koľko dimenzií priestoru poznáte? Správne, tri: dĺžka, šírka a výška (čas je štvrtý rozmer). Matematika teórie strún sa s týmito štyrmi dimenziami nehodí. A tiež päť. A desať. Ale s jedenástkou to vychádza dobre. A teoretici sa rozhodli: dobre, keďže matematika vyžaduje, nech existuje jedenásť dimenzií. Vidíte, matematika vyžaduje! Matematika, nie realita! (Výkričník na stranu: ak sa mýlim, niekto ma presvedčte! Chcem si to rozmyslieť!) Nuž, kam sa podel, až sa človek čuduje, že zmizlo ostatných sedem dimenzií? Na túto otázku nám teória odpovedá, že sú „zhutnené“, poskladané do mikroskopických útvarov v Planckovej dĺžke (teda v mierke, ktorú nie sme schopní pozorovať). Tieto útvary sa nazývajú „Calabi-Yauova varieta“ (podľa mien dvoch významných fyzikov).

  Je tiež zaujímavé, že teória strún nás privádza k Multivesmíru, teda k myšlienke existencie nekonečného množstva paralelných vesmírov. Ide o to, že v teórii strún nie sú len struny, ale aj brány (od slova „membrána“). Brány môžu mať rôzne rozmery, až deväť. Predpokladá sa, že žijeme na 3-bráne, ale v blízkosti tejto brány môžu byť ďalšie a môžu sa pravidelne zrážať. A my ich nevidíme, pretože otvorené šnúrky sú na oboch koncoch pevne pripevnené k bráne. Tieto struny sa môžu svojimi koncami pohybovať pozdĺž brány, ale nemôžu ju opustiť (vyvesiť). A ak máme veriť teórii strún, potom všetka hmota a my všetci pozostávame z častíc, ktoré vyzerajú ako struny s Planckovou dĺžkou. Preto, keďže otvorené reťazce nemôžu opustiť bránu, potom nemôžeme žiadnym spôsobom interagovať s inou bránou (čítaj: paralelný vesmír), ani ju nejako vidieť. Jediná častica, ktorá sa o toto obmedzenie naozaj nestará a dokáže to, je hypotetický gravitón, čo je uzavretá struna. Gravitónu sa však zatiaľ nikomu nepodarilo odhaliť. Takýto multivesmír sa označuje ako „brane multiverse“ alebo „scenár braneworld“.

  Mimochodom, vzhľadom na to, že v teórii strún sa našli nielen struny, ale aj brány, teoretici to začali nazývať „M-teória“, ale nikto vlastne nevie, čo to „M“ znamená;)

  To je všetko. Taký je príbeh. Dúfam, že si si to užil braček. Ak je niečo nejasné, opýtajte sa v komentároch - vysvetlím.