Teória strún vesmíru. Čo je teória strún - stručne a zrozumiteľne pre figuríny

Veda je obrovská oblasť a denne sa vykonáva obrovské množstvo výskumov a objavov, pričom stojí za zmienku, že niektoré teórie sa zdajú byť zaujímavé, no zároveň nemajú skutočné dôkazy a akoby „visia vo vzduchu“. “.

Čo je teória strún?

Fyzikálna teória, ktorá predstavuje častice vo forme vibrácií, sa nazýva teória strún. Tieto vlny majú len jeden parameter - zemepisnú dĺžku a chýba výška a šírka. Pri zisťovaní, že ide o teóriu strún, by ste mali zvážiť hlavné hypotézy, ktoré popisuje.

Predpokladá sa, že všetko okolo je tvorené vláknami, ktoré vibrujú a membránami energie.
Snaží sa dať dokopy všeobecná teória relativity a kvantovej fyziky.
Teória strún ponúka šancu zjednotiť všetky základné sily vesmíru.
Predpovedá symetrický vzťah medzi odlišné typyčastice: bozóny a fermióny.
Dáva šancu popísať a predstaviť doteraz nepozorované dimenzie vesmíru.

Teória strún – kto ju objavil?

Prvýkrát v roku 1960 bola vytvorená kvantová teória strún, aby vysvetlila jav v hadrónovej fyzike. V tom čase ju vyvinuli G. Veneziano, L. Susskind, T. Goto a ďalší.
Vedci D. Schwartz, J. Sherk a T. Yene povedal, čo je teória strún, keďže vyvinuli hypotézu bosonických strún, a to sa stalo o 10 rokov neskôr.
V roku 1980 dvaja vedci: M. Green a D. Schwartz identifikovali teóriu superstrun, ktoré mali jedinečné symetrie.
Štúdie navrhovanej hypotézy sa vykonávajú dodnes, no zatiaľ sa ju nepodarilo dokázať.

Teória strún - Filozofia

Existuje filozofický smer, ktorý má spojitosť s teóriou strún a nazývajú ho monáda. Zahŕňa použitie symbolov na zhutnenie akéhokoľvek množstva informácií. Monáda a teória strún vo filozofii využívajú protiklady a duality. Najpopulárnejším jednoduchým symbolom monády je Yin-Yang. Odborníci navrhli zobraziť teóriu strún na trojrozmernej, a nie na plochej monade, a potom sa struny stanú realitou, aj keď sú dlhé a obmedzené.

Ak sa použije volumetrická monáda, potom čiara rozdeľujúca Yin-Yang bude rovinou a pomocou multidimenzionálnej monády sa získa špirálovitý objem. Zatiaľ čo vo filozofii neexistuje žiadna práca týkajúca sa multidimenzionálnych monád - toto je oblasť pre štúdium v budúcnosti. Filozofi veria, že poznanie je nekonečný proces a pri pokuse o vytvorenie jediného modelu vesmíru bude človek viackrát prekvapený a zmení svoje základné pojmy.

Nevýhody teórie strún

Keďže hypotéza navrhnutá množstvom vedcov nie je potvrdená, je celkom pochopiteľné, že existuje množstvo problémov, ktoré naznačujú potrebu jej spresnenia.

Teória strún má mylné predstavy, napríklad pri výpočtoch bol objavený nový typ častíc, tachyóny, ktoré však v prírode nemôžu existovať, pretože druhá mocnina ich hmotnosti menej ako nula a rýchlosť pohybu je väčšia ako rýchlosť svetla.
Teória strún môže existovať len v desaťrozmernom priestore, no potom je na mieste otázka – prečo človek nevníma iné dimenzie?

Teória strún – dôkaz

Dve hlavné fyzikálne konvencie, na ktorých sú postavené vedecké dôkazy, sú v skutočnosti protikladné, pretože predstavujú štruktúru vesmíru na mikroúrovni rôznymi spôsobmi. Na ich vyskúšanie bola navrhnutá teória kozmických strún. V mnohých ohľadoch to vyzerá spoľahlivo a nielen slovami, ale aj matematickými výpočtami, ale dnes to človek nemá možnosť prakticky dokázať. Ak reťazce existujú, sú na mikroskopickej úrovni a ešte nie technické možnosti rozpoznať ich.

Teória strún a Boh

Slávny teoretický fyzik M. Kaku navrhol teóriu, v ktorej pomocou strunové hypotézy dokazuje existenciu Pána. Dospel k záveru, že všetko na svete funguje podľa určitých zákonov a pravidiel stanovených jedinou Mysľou. Podľa Kakua teória strún a skryté dimenzie vesmíru pomôžu vytvoriť rovnicu, ktorá spája všetky sily prírody a umožňuje vám pochopiť myseľ Boha. Svoju hypotézu zameriava na tachyónové častice, ktoré sa pohybujú rýchlejšie ako svetlo. Dokonca aj Einstein povedal, že ak nájdete takéto časti, bude možné posunúť čas späť.

Po vykonaní série experimentov Kaku dospel k záveru, že ľudský život sa riadi stabilnými zákonmi a nereaguje na kozmické nehody. V živote existuje teória strún a súvisí s neznámou silou, ktorá ovláda život a robí ho celistvým. Podľa jeho názoru to tak je. Kaku si je istý, že vesmír sú vibrujúce struny, ktoré pochádzajú z mysle Najvyššieho.

Fyzici sú zvyknutí pracovať s časticami: teória bola vypracovaná, experimenty sa zbiehajú. jadrové reaktory a atómové bomby sa počítajú pomocou častíc. S jednou výhradou – gravitácia sa neberie do úvahy pri všetkých výpočtoch.

Gravitácia je príťažlivosť tiel. Keď hovoríme o gravitácii, predstavujeme príťažlivosť Zeme. Telefón padá z rúk na asfalt pod vplyvom gravitácie. Vo vesmíre je Mesiac priťahovaný k Zemi, Zem k Slnku. Všetko na svete sa k sebe priťahuje, ale aby ste to cítili, potrebujete veľmi ťažké predmety. Cítime príťažlivosť Zeme, ktorá je 7,5 × 10 22-krát ťažšia ako človek a nevnímame príťažlivosť mrakodrapu, ktorý je 4 × 10 6-krát ťažší.

7,5 × 1022 = 75 000 000 000 000 000 000 000

4×106 = 4 000 000

Gravitáciu popisuje Einsteinova všeobecná teória relativity. Teoreticky masívne objekty ohýbajú priestor. Aby ste pochopili, choďte do detského parku a položte na trampolínu ťažký kameň. Na gume trampolíny sa objaví lievik. Ak položíte malú loptičku na trampolínu, skotúľa sa po lieviku na kameň. Niečo také, planéty tvoria vo vesmíre lievik a my na ne padáme ako lopty.

Planéty sú také obrovské, že deformujú priestor

Na to, aby sme všetko opísali na úrovni elementárnych častíc, nie je potrebná gravitácia. V porovnaní s inými silami je gravitácia taká malá, že ju jednoducho vyhodili z kvantových výpočtov. Sila zemskej gravitácie je menšia ako sila, ktorá drží častice atómového jadra, 10 38 krát. To platí takmer pre celý vesmír.

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

Jediné miesto, kde je gravitácia taká silná ako iné sily, je vnútri čiernej diery. Toto je obrovský lievik, v ktorom gravitácia zrúti samotný priestor a vtiahne všetko, čo je nablízku. Aj svetlo vstúpi do čiernej diery a už sa nevráti.

Na prácu s gravitáciou ako s inými časticami prišli fyzici s kvantom gravitácie – gravitónom. Urobili sme nejaké výpočty, ale nezhodovali sa. Výpočty ukázali, že energia gravitónu rastie do nekonečna. A toto by nemalo byť.

Fyzici najskôr vymýšľajú, potom hľadajú. Higgsov bozón bol vynájdený 50 rokov pred objavom.

Problémy s odchýlkami vo výpočtoch zmizli, keď sa gravitón nepovažoval za časticu, ale za strunu. Struny majú konečnú dĺžku a energiu, takže energia gravitónu môže narásť len do určitej hranice. Vedci teda majú pracovný nástroj, pomocou ktorého študujú čierne diery.

Pokroky v štúdiu čiernych dier pomáhajú pochopiť, ako vznikol vesmír. Podľa teórie veľkého tresku svet vyrástol z mikroskopického bodu. V prvých okamihoch života bol vesmír veľmi hustý - všetky moderné hviezdy a planéty sa zhromaždili v malom objeme. Gravitácia bola rovnako silná ako iné sily, takže poznať účinky gravitácie je dôležité pre pochopenie raného vesmíru.

Pokroky v popise kvantovej gravitácie sú krokom k vytvoreniu teórie, ktorá popíše všetko na svete. Takáto teória vysvetlí, ako sa vesmír zrodil, čo sa v ňom teraz deje a aký bude jeho koniec.

Teória relativity predstavuje vesmír ako „plochý“, ale kvantová mechanika hovorí, že na mikroúrovni existuje nekonečný pohyb, ktorý ohýba priestor. Teória strún kombinuje tieto myšlienky a prezentuje mikročastice ako dôsledok spojenia najtenších jednorozmerných strún, ktoré budú vyzerať ako bodové mikročastice, preto ich nemožno experimentálne pozorovať.

Táto hypotéza nám umožňuje predstaviť si elementárne častice, ktoré tvoria atóm z ultramikroskopických vlákien nazývaných struny.

Všetky vlastnosti elementárnych častíc sú vysvetlené rezonančnou vibráciou vlákien, ktoré ich tvoria. Tieto vlákna môžu vytvárať nekonečné množstvo vibrácií. Táto teória zahŕňa zjednotenie myšlienok kvantovej mechaniky a teórie relativity. Ale kvôli prítomnosti mnohých problémov pri potvrdzovaní myšlienok, na ktorých je založený, väčšina moderných vedcov verí, že navrhované myšlienky nie sú ničím iným ako najbežnejšou vulgárnosťou, alebo inými slovami, teóriou strún pre figuríny, teda pre ľudí, ktorí sú úplne neznalý vedy a štruktúry životného prostredia.

Vlastnosti ultramikroskopických vlákien

Aby ste pochopili ich podstatu, môžete si predstaviť struny hudobných nástrojov – môžu vibrovať, ohýbať sa, skladať. To isté sa deje s týmito vláknami, ktoré emitujúc určité vibrácie, interagujú navzájom, skladajú sa do slučiek a vytvárajú väčšie častice (elektróny, kvarky), ktorých hmotnosť závisí od frekvencie vibrácií vlákien a ich napätia - tieto indikátory určiť energiu strún. Čím väčšia je vyžiarená energia, tým vyššia je hmotnosť elementárnej častice.

Inflačná teória a struny

Podľa inflačnej hypotézy bol vesmír vytvorený v dôsledku expanzie mikropriestoru, veľkosti struny (Planckova dĺžka). Ako táto oblasť rástla, natiahli sa aj takzvané ultramikroskopické vlákna, ktorých dĺžka je teraz úmerná veľkosti vesmíru. Navzájom na seba pôsobia rovnakým spôsobom a vytvárajú rovnaké vibrácie a oscilácie. Vyzerá to ako efekt nimi produkovaných gravitačných šošoviek, ktoré skresľujú lúče svetla zo vzdialených galaxií. ALE pitching generovať gravitačné žiarenie.

Matematické zlyhanie a iné problémy

Jedným z problémov je matematická nejednotnosť teórie – fyzici, ktorí ju študujú, nemajú dostatok vzorcov, aby ju doviedli do ucelenej podoby. A druhá je, že táto teória verí, že existuje 10 dimenzií, no my cítime len 4 – výška, šírka, dĺžka a čas. Vedci naznačujú, že zvyšných 6 je v skrútenom stave, ktorého prítomnosť nie je cítiť v reálnom čase. Problémom tiež nie je možnosť experimentálneho potvrdenia tejto teórie, no ani ju nikto nemôže vyvrátiť.

Teória strún je tenká niť, ktorá spája teóriu relativity (alebo Všeobecnú teóriu relativity – GR) a kvantovú fyziku. Obe tieto odvetvia sa na vedeckom meradle objavili pomerne nedávno, takže o týchto odvetviach ešte nie je ani príliš veľa vedeckej literatúry. A ak má teória relativity ešte nejaký čas overený základ, potom je kvantové odvetvie fyziky v tomto ohľade stále veľmi mladé. Poďme sa najskôr pozrieť na tieto dve odvetvia.

Určite mnohí z vás počuli o teórii relativity, čo i len trochu poznajú niektoré jej postuláty, no otázka znie: prečo sa to nedá prepojiť s kvantovou fyzikou, ktorá funguje na mikroúrovni?

Zdieľajte spoločné a špeciálna teória relativity (skrátene GRT a SRT, ďalej sa budú používať ako skratky). Stručne povedané, GR postuluje o vesmíre a jeho zakrivení a SRT o relativite časopriestoru zo strany človeka. Keď hovoríme o teórii strún, hovoríme konkrétne o všeobecnej teórii relativity. Všeobecná teória relativity hovorí, že vo vesmíre sa vplyvom masívnych objektov okolo neho zakriví priestor (a spolu s ním aj čas, pretože priestor a čas sú úplne neoddeliteľné pojmy). Aby sme pochopili, ako sa to deje, pomôže príklad zo života vedcov. Podobný prípad bol nedávno zaznamenaný, takže všetko povedané možno považovať „na základe skutočné udalosti". Vedec sa pozerá cez ďalekohľad a vidí dve hviezdy, jednu pred sebou a jednu za ňou. Ako tomu môžeme rozumieť? Je to veľmi jednoduché, pretože tá hviezda, ktorej stred nevidíme, ale vidno len jej okraje, je najväčšia z týchto dvoch a druhá hviezda, ktorá je viditeľná v celej svojej podobe, je tá menšia. Vďaka všeobecnej teórii relativity sa však môže stať, že hviezda vpredu je väčšia ako hviezda vzadu. Ale je to možné?

Ukazuje sa, že áno. Ak sa ukáže, že predná hviezda je supermasívny objekt, ktorý silne ohne priestor okolo seba, potom obraz hviezdy za ním jednoducho obíde supermasívnu hviezdu v zakrivení a uvidíme obrázok, ktorý bol spomenutý na samom začiatku . Podrobnejšie môžete vidieť, čo je povedané na obr. jeden.

S kvantovou fyzikou je to oveľa ťažšie obyčajný človek než TO. Ak zovšeobecníme všetky jeho ustanovenia, dostaneme nasledovné: mikroobjekty existujú len vtedy, keď sa na ne pozrieme. Okrem toho, kvantová fyzika tiež hovorí, že ak sa mikročastica rozbije na dve časti, tieto dve časti budú pokračovať v rotácii pozdĺž svojej osi v rovnakom smere. A tiež akýkoľvek dopad na prvú časticu sa nepochybne prenesie na druhú, a to okamžite a úplne bez ohľadu na vzdialenosť týchto častíc.

Aký je teda problém spojiť koncepty týchto dvoch teórií? Faktom je, že GR uvažuje o objektoch v makrokozme a keď hovoríme o skreslení/zakrivení priestoru, máme na mysli dokonale hladký priestor, ktorý je úplne v rozpore s ustanoveniami mikrosveta. Podľa teórie kvantovej fyziky je mikrokozmos úplne nerovnomerný, má všadeprítomnú drsnosť. To je laicky povedané. A matematici a fyzici nakreslili svoje teórie do vzorcov. A tak, keď sa pokúsili spojiť vzorce kvantovej fyziky a všeobecnej teórie relativity, odpoveď sa ukázala ako nekonečno. Nekonečno sa vo fyzike rovná tvrdeniu, že rovnica je nesprávna. Výsledná rovnosť bola mnohokrát prekontrolovaná, ale odpoveďou bolo stále nekonečno.

Teória strún spôsobila revolúciu v každodennom svete vedy. Je pravidlom, že všetky mikročastice nie sú guľovité, ale majú tvar pretiahnutých šnúrok, ktoré prestupujú celým naším vesmírom. Veličiny ako hmotnosť, rýchlosť častíc atď. sú nastavené vibráciami týchto strún. Každá takáto struna je teoreticky v Calabi-Yauovom potrubí. Tieto rozvody predstavujú veľmi zakrivený priestor. Podľa teórie rozdeľovačov nie sú v priestore ničím spojené a nachádzajú sa oddelene v malých guličkách. Teória strún doslova stiera jasné hranice procesu spájania dvoch mikročastíc. Keď sú mikročastice reprezentované guľôčkami, môžeme jasne sledovať hranicu v časopriestore, keď sa spoja. Ak sú však dve šnúrky spojené, miesto ich „lepenia“ je možné vidieť z rôznych uhlov. A z rôznych uhlov sa dostaneme úplne rozdielne výsledky hranice ich spojenia, to znamená, že presná koncepcia takejto hranice jednoducho neexistuje!

V prvej fáze štúdia, teória strún, povedal dokonca jednoduchými slovami Zdá sa to záhadné, zvláštne a dokonca jednoducho vymyslené, ale nie nepodložené slová hovoria za to, ale štúdie, ktoré mnohými rovnicami a parametrami potvrdzujú pravdepodobnosť existencie reťazcov častíc.

A na záver ďalšie video vysvetľujúce teóriu strún jednoduchý jazyk z online magazínu QWRT.

Mysleli ste si niekedy, že vesmír je ako violončelo? Presne tak, neprišlo. Pretože vesmír nie je ako violončelo. To však neznamená, že nemá struny. Samozrejme, struny vesmíru sa sotva podobajú tým, ktoré si predstavujeme. V teórii strún sú to neuveriteľne malé vibrujúce vlákna energie. Tieto vlákna sú skôr ako malé "elastické pásy", ktoré sa môžu krútiť, naťahovať a zmenšovať všetkými spôsobmi. To všetko však neznamená, že sa na nich nedá „zahrať“ symfónia Vesmíru, pretože podľa strunových teoretikov sa z týchto „nití“ skladá všetko, čo existuje.

©depositphotos.com

Fyzikálna kontroverzia

V druhej polovici 19. storočia sa fyzikom zdalo, že v ich vede sa už nedá nič vážne objaviť. Klasická fyzika verila, že v nej nezostali žiadne vážne problémy a celá štruktúra sveta vyzerala ako dokonale vyladený a predvídateľný stroj. Problém, ako zvyčajne, sa stal kvôli nezmyslom - jednému z malých "oblakov", ktoré ešte zostali na jasnom, pochopiteľnom nebi vedy. Totiž pri výpočte energie žiarenia úplne čierneho telesa (hypotetického telesa, ktoré pri akejkoľvek teplote úplne pohltí žiarenie naň dopadajúce, bez ohľadu na vlnovú dĺžku). Výpočty ukázali, že celková energia žiarenia akéhokoľvek absolútne čierneho telesa by mala byť nekonečne veľká. Aby sa zabránilo takejto zjavnej absurdite, nemecký vedec Max Planck v roku 1900 navrhol, že viditeľné svetlo, röntgenové lúče a iné elektromagnetické vlny môžu byť vyžarované iba určitými diskrétnymi časťami energie, ktoré nazval kvantá. S ich pomocou sa to dalo vyriešiť konkrétny problémúplne čierne telo. Dôsledky kvantovej hypotézy pre determinizmus však v tom čase ešte neboli realizované. Až kým v roku 1926 ďalší nemecký vedec Werner Heisenberg nesformuloval slávny princíp neurčitosti.

Jeho podstata spočíva v tom, že na rozdiel od všetkých predtým prevládajúcich tvrdení, príroda obmedzuje našu schopnosť predpovedať budúcnosť na základe fyzikálnych zákonov. Ide, samozrejme, o budúcnosť a súčasnosť subatomárnych častíc. Ukázalo sa, že sa správajú úplne inak ako akékoľvek iné veci v makrokozme okolo nás. Na subatomárnej úrovni sa štruktúra priestoru stáva nerovnomernou a chaotickou. Svet drobných čiastočiek je taký turbulentný a nepochopiteľný, že je v rozpore so zdravým rozumom. Priestor a čas sú v ňom tak pokrútené a prepletené, že neexistujú žiadne bežné pojmy vľavo a vpravo, hore a dole a dokonca ani predtým a potom. Neexistuje spôsob, ako s istotou povedať, v ktorom bode vo vesmíre je tento moment tej či onej častice a aký je moment jej hybnosti. Existuje len určitá pravdepodobnosť nájdenia častice v mnohých oblastiach časopriestoru. Zdá sa, že častice na subatomárnej úrovni sú „rozmazané“ priestorom. Nielen to, samotný „stav“ častíc nie je definovaný: v niektorých prípadoch sa správajú ako vlny, v iných vykazujú vlastnosti častíc. To je to, čo fyzici nazývajú vlnovo-časticová dualita kvantovej mechaniky.

Úrovne štruktúry sveta: 1. Makroskopická úroveň - látka
2. Molekulárna úroveň 3. Atómová úroveň - protóny, neutróny a elektróny
4. Subatomárna úroveň - elektrón 5. Subatomárna úroveň - kvarky 6. Úroveň strún
©Bruno P. Ramos

Vo Všeobecnej teórii relativity, akoby v štáte s opačnými zákonmi, sú veci zásadne odlišné. Priestor sa javí ako trampolína – hladká tkanina, ktorú možno ohýbať a naťahovať hmotnými predmetmi. Vytvárajú deformácie časopriestoru – to, čo zažívame ako gravitáciu. Netreba dodávať, že koherentná, správna a predvídateľná Všeobecná teória relativity je v neriešiteľnom konflikte s „šialeným chuligánom“ – kvantovou mechanikou, a v dôsledku toho sa makrokozmos nedokáže „zladiť“ s mikrokozmom. Tu prichádza na rad teória strún.

©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project

Teória všetkého

Teória strún stelesňuje sen všetkých fyzikov spojiť dve zásadne protichodné všeobecné teórie relativity a kvantovej mechaniky, sen, ktorý až do konca jeho dní prenasledoval najväčšieho „cigána a vagabunda“ Alberta Einsteina.

Mnoho vedcov verí, že všetko od nádherného tanca galaxií až po šialený tanec subatomárnych častíc možno v konečnom dôsledku vysvetliť iba jedným základným fyzikálnym princípom. Možno dokonca jediný zákon, ktorý spája všetky druhy energie, častíc a interakcií do nejakého elegantného vzorca.

Všeobecná relativita popisuje jednu z najznámejších síl vo vesmíre – gravitáciu. Kvantová mechanika popisuje tri ďalšie sily: silnú jadrovú silu, ktorá spája protóny a neutróny dohromady v atómoch, elektromagnetizmus a slabú silu, ktorá sa podieľa na rádioaktívnom rozpade. Akákoľvek udalosť vo vesmíre, od ionizácie atómu až po zrod hviezdy, je opísaná interakciami hmoty prostredníctvom týchto štyroch síl. Pomocou najkomplexnejšej matematiky bolo možné ukázať, že elektromagnetické a slabé interakcie majú spoločná povaha, spájajúc ich do jedného elektroslabého. Následne sa k nim pridala aj silná jadrová interakcia – gravitácia sa však k nim nijako nepripája. Teória strún je jedným z najvážnejších kandidátov na spojenie všetkých štyroch síl, a preto zahŕňa všetky javy vo vesmíre - nie bez dôvodu sa nazýva aj „teória všetkého“.

© Wikimedia Commons

Na začiatku bol mýtus

Až doteraz nie všetci fyzici sú nadšení z teórie strún. A na úsvite jeho vzhľadu sa to zdalo nekonečne ďaleko od reality. Jej samotné narodenie je legendou.

Koncom 60. rokov minulého storočia hľadal mladý taliansky teoretický fyzik Gabriele Veneziano rovnice, ktoré by mohli vysvetliť silné jadrové sily, mimoriadne silné „lepidlo“, ktoré drží jadrá atómov pohromade väzbou protónov a neutrónov. Podľa legendy raz narazil na zaprášenú knihu o dejinách matematiky, v ktorej našiel 200 rokov starú rovnicu, ktorú ako prvý napísal švajčiarsky matematik Leonhard Euler. Aké bolo Venezianovo prekvapenie, keď zistil, že Eulerova rovnica, ktorá sa dlho nepovažovala za nič iné ako matematickú kuriozitu, opisuje túto silnú silu.

ako to bolo naozaj? Rovnica je pravdepodobne výsledkom rokov dielo Veneziana a prípad len pomohol urobiť prvý krok k objavu teórie strún. Eulerova rovnica, zázračne vysvetľujúca silnú silu, našla nový život.

Nakoniec to zaujalo mladého amerického teoretického fyzika Leonarda Susskinda, ktorý videl, že vzorec primárne opisuje častice, ktoré nemajú žiadnu vnútornú štruktúru a môžu vibrovať. Tieto častice sa správali tak, že nemohli byť len bodovými časticami. Susskind pochopil - vzorec popisuje vlákno, ktoré je ako elastický pás. Vedela sa nielen naťahovať a zmenšovať, ale aj oscilovať, zvíjať sa. Po opísaní svojho objavu Susskind predstavil revolučnú myšlienku strún.

Bohužiaľ, drvivá väčšina jeho kolegov prijala teóriu dosť chladne.

štandardný model

V tom čase mainstreamová veda predstavovala častice ako body, nie struny. Fyzici už roky skúmajú správanie subatomárnych častíc, zrážajú ich pri vysokej rýchlosti a študujú následky týchto zrážok. Ukázalo sa, že vesmír je oveľa bohatší, než si človek dokáže predstaviť. Bola to skutočná „populačná explózia“ elementárnych častíc. Po chodbách pobehovali absolventi fyzikálnych univerzít a kričali, že objavili novú časticu – nebolo ani dosť písmen na ich označenie.

Ale, bohužiaľ, v pôrodnice» nových častíc vedci nedokázali nájsť odpoveď na otázku – prečo ich je tak veľa a odkiaľ pochádzajú?

To podnietilo fyzikov k nezvyčajnej a prekvapivej predpovedi – uvedomili si, že sily pôsobiace v prírode možno vysvetliť aj pomocou častíc. To znamená, že existujú častice hmoty a existujú častice - nosiče interakcií. Takým je napríklad fotón – častica svetla. Čím viac týchto nosných častíc - rovnakých fotónov, ktoré si vymieňajú častice hmoty, tým je svetlo jasnejšie. Vedci predpovedali, že táto konkrétna výmena nosných častíc nie je nič iné ako to, čo vnímame ako silu. Potvrdili to experimenty. Fyzikom sa teda podarilo priblížiť Einsteinovmu snu o spojení síl.

Vedci sa domnievajú, že ak sa rýchlo posunieme do obdobia tesne po veľkom tresku, keď bol vesmír o bilióny stupňov teplejší, častice, ktoré nesú elektromagnetizmus a slabú silu, by sa stali nerozoznateľnými a spojili by sa do jedinej sily nazývanej elektroslabé. A ak sa vrátime v čase ešte ďalej, potom by sa elektroslabá interakcia spojila so silnou do jednej celkovej „supersily“.

Napriek tomu, že toto všetko ešte len čaká na preukázanie, kvantová mechanika zrazu vysvetlila, ako tri zo štyroch síl interagujú na subatomárnej úrovni. A krásne a dôsledne to vysvetlila. Tento harmonický vzorec interakcií bol nakoniec nazvaný štandardný model. Ale, bohužiaľ, aj v tejto dokonalej teórii bola jedna veľký problém- nezahŕňala najznámejšiu silu makroúrovne - gravitáciu.

gravitón

Pre teóriu strún, ktorá nestihla „rozkvitnúť“, prišla „jeseň“, obsahovala priveľa problémov už od svojho zrodu. Napríklad výpočty teórie predpovedali existenciu častíc, ktoré, ako sa čoskoro presne zistilo, neexistovali. Ide o takzvaný tachyón – časticu, ktorá sa vo vákuu pohybuje rýchlejšie ako svetlo. Okrem iného sa ukázalo, že teória vyžaduje až 10 dimenzií. Nie je prekvapujúce, že to bolo pre fyzikov veľmi zahanbujúce, pretože je to zjavne viac ako to, čo vidíme.

V roku 1973 len niekoľko mladých fyzikov stále zápasilo so záhadami teórie strún. Jedným z nich bol americký teoretický fyzik John Schwartz. Štyri roky sa Schwartz snažil skrotiť nezbedné rovnice, no neúspešne. Jedna z týchto rovníc okrem iných problémov tvrdohlavo popisovala záhadnú časticu, ktorá nemala žiadnu hmotnosť a nebola pozorovaná v prírode.

Vedec sa už rozhodol zanechať svoj katastrofálny biznis a potom mu to došlo – možno rovnice teórie strún opisujú okrem iného aj gravitáciu? To však znamenalo revíziu rozmerov hlavných „hrdinov“ teórie – strún. Predpokladom, že struny sú miliardy a miliardy krát menšie ako atóm, „struny“ premenili chybu teórie na jej cnosť. Záhadná častica, ktorej sa John Schwartz tak vytrvalo snažil zbaviť, teraz pôsobila ako gravitón – dlho hľadaná častica, ktorá by umožnila preniesť gravitáciu na kvantovú úroveň. Takto teória strún pridala do skladačky gravitáciu, ktorá v Štandardnom modeli chýba. Ale, žiaľ, ani vedecká komunita na tento objav nereagovala. Teória strún zostala na hrane prežitia. To však Schwartza nezastavilo. K jeho pátraniu sa chcel pripojiť iba jeden vedec, ktorý bol ochotný riskovať svoju kariéru pre záhadné struny – Michael Green.

Aký je dôvod domnievať sa, že gravitácia dodržiava zákony kvantovej mechaniky? Za objav týchto „revírov“ v roku 2011 bol ocenený nobelová cena vo fyzike. Spočíval v tom, že rozpínanie Vesmíru sa nespomaľuje, ako sa kedysi myslelo, ale naopak, zrýchľuje sa. Toto zrýchlenie sa vysvetľuje pôsobením špeciálnej „antigravitácie“, ktorá je nejakým spôsobom charakteristická pre prázdny priestor kozmického vákua. Na druhej strane na kvantovej úrovni nemôže byť nič absolútne „prázdne“ – subatomárne častice sa neustále objavujú a okamžite miznú vo vákuu. Predpokladá sa, že toto „blikanie“ častíc je zodpovedné za existenciu „antigravitačnej“ temnej energie, ktorá vypĺňa prázdny priestor.

Svojho času to bol Albert Einstein, ktorý až do konca svojho života neakceptoval paradoxné princípy kvantovej mechaniky (ktoré sám predpovedal), navrhol existenciu tejto formy energie. Podľa tradície Aristotelovej klasickej gréckej filozofie s vierou vo večnosť sveta Einstein odmietol uveriť tomu, čo predpovedala jeho vlastná teória, totiž že vesmír má počiatok. Na „zvečnenie“ vesmíru Einstein dokonca zaviedol do svojej teórie istú kozmologickú konštantu a opísal tak energiu prázdneho priestoru. Našťastie sa o pár rokov neskôr ukázalo, že Vesmír vôbec nie je zamrznutá forma, že sa rozpína. Potom Einstein opustil kozmologickú konštantu a nazval ju „najväčším prepočtom svojho života“.

Dnes veda vie, že tmavá energia stále existuje, hoci jej hustota je oveľa menšia ako tá, ktorú navrhol Einstein (problém hustoty tmavej energie, mimochodom, je jedným z najväčšie záhady moderná fyzika). Ale bez ohľadu na to, aká malá je hodnota kozmologickej konštanty, úplne stačí na to, aby sme sa uistili, že existujú kvantové efekty v gravitácii.

Subatomárne hniezdiace bábiky

Napriek všetkému mala teória strún na začiatku 80. rokov stále neriešiteľné rozpory, vo vede známe ako anomálie. Schwartz a Green sa pustili do ich likvidácie. A ich úsilie nebolo márne: vedcom sa podarilo odstrániť niektoré rozpory teórie. Predstavte si údiv týchto dvoch, už zvyknutých na to, že ich teória je ignorovaná, keď reakcia vedeckej komunity vyhodila do vzduchu vedecký svet. Za necelý rok sa počet strunových teoretikov vyšplhal na stovky. Práve vtedy bola teória strún ocenená titulom Teória všetkého. Zdalo sa, že nová teória dokáže opísať všetky zložky vesmíru. A tu sú ingrediencie.

Každý atóm, ako vieme, pozostáva z ešte menších častíc – elektrónov, ktoré krúžia okolo jadra, ktoré pozostáva z protónov a neutrónov. Protóny a neutróny sa zase skladajú z ešte menších častíc nazývaných kvarky. Ale teória strún hovorí, že kvarkom to nekončí. Kvarky sú tvorené malými hadovitými vláknami energie, ktoré pripomínajú struny. Každá z týchto šnúrok je nepredstaviteľne malá. Tak malé, že keby sa atóm zväčšil na veľkosť slnečná sústava, reťazec by mal veľkosť stromu. Rovnako ako rôzne vibrácie struny violončela vytvárajú to, čo počujeme ako rôzne hudobné tóny, rôznymi spôsobmi(režimy) vibrácie struny dávajú časticiam ich jedinečné vlastnosti hmotnosť, náboj atď. Viete, ako sa relatívne vzaté líšia protóny v špičke vášho nechtu od gravitónu, ktorý ešte nebol objavený? Len sada malých strún, ktoré ich tvoria a ako tieto struny vibrujú.

Samozrejme, toto všetko je viac než úžasné. Od tej doby Staroveké Grécko fyzici sú zvyknutí na to, že všetko na tomto svete pozostáva z niečoho ako guľôčky, maličké častice. A teraz, keď nemajú čas zvykať si na nelogické správanie týchto loptičiek, ktoré vyplýva z kvantovej mechaniky, sú vyzvaní, aby úplne opustili paradigmu a operovali s nejakými odrezkami špagiet...

Piata dimenzia

Hoci mnohí vedci nazývajú teóriu strún triumfom matematiky, niektoré problémy stále pretrvávajú - najmä nedostatok akejkoľvek príležitosti na jej experimentálne testovanie v blízkej budúcnosti. Ani jeden nástroj na svete, či už existujúci alebo schopný sa objaviť v perspektíve, nie je schopný „vidieť“ struny. Preto si niektorí vedci, mimochodom, dokonca kladú otázku: je teória strún teóriou fyziky alebo filozofie?... Pravdaže, vidieť struny „na vlastné oči“ vôbec nie je potrebné. Na preukázanie teórie strún je potrebné skôr niečo iné – to, čo znie ako sci-fi – potvrdenie existencie ďalších dimenzií vesmíru.

O čom to je? Všetci sme zvyknutí na tri rozmery priestoru a jeden - čas. Ale teória strún predpovedá prítomnosť iných – dodatočných – dimenzií. Ale začnime pekne po poriadku.

V skutočnosti myšlienka existencie iných dimenzií vznikla takmer pred sto rokmi. Do hlavy vtedy neznámeho nemeckého matematika Theodora Kalutza prišiel v roku 1919. Navrhol možnosť prítomnosti v našom vesmíre inej dimenzie, ktorú nevidíme. Albert Einstein počul o tomto nápade a spočiatku sa mu veľmi páčil. Neskôr však zapochyboval o jej správnosti a Kalužovo vydanie oddialil až o dva roky. Nakoniec však bol článok aj tak publikovaný a extra rozmer sa stal akousi vášňou pre génia fyziky.

Ako viete, Einstein ukázal, že gravitácia nie je nič iné ako deformácia meraní časopriestoru. Kaluža naznačil, že elektromagnetizmom by mohli byť aj vlnky. Prečo to nevidíme? Kaluza našiel odpoveď na túto otázku - vlnenie elektromagnetizmu môže existovať v dodatočnej, skrytej dimenzii. ale kde to je?

Odpoveď na túto otázku dal švédsky fyzik Oscar Klein, ktorý navrhol, že piaty rozmer Kalužy je zložený miliardkrát viac, než je veľkosť jedného atómu, takže ho nevidíme. Myšlienka, že táto malá dimenzia existuje všade okolo nás, je jadrom teórie strún.

Vo vnútri každej z týchto foriem vibruje a pohybuje sa struna – hlavná zložka Vesmíru.
Každý tvar je šesťrozmerný - podľa počtu šiestich dodatočných rozmerov
© Wikimedia Commons

desať rozmerov

Ale v skutočnosti rovnice teórie strún nevyžadujú ani jednu, ale šesť dodatočných dimenzií (celkovo, so štyrmi, ktoré poznáme, je ich presne 10). Všetky z nich majú veľmi skrútené a skrútené zložitý tvar. A všetko je nepredstaviteľne malé.

Ako môžu tieto drobné rozmery ovplyvniť naše Veľký svet? Podľa teórie strún rozhodujúce: pre ňu je všetko určené formou. Keď hráte na rôznych klávesoch na saxofóne, dostanete a rôzne zvuky. Je to preto, že keď stlačíte jedno alebo druhé tlačidlo alebo ich kombináciu, zmeníte tvar priestoru hudobný nástroj kde cirkuluje vzduch. Z tohto dôvodu sa rodia rôzne zvuky.

Teória strún naznačuje, že extra skrútené a skrútené rozmery priestoru sa prejavujú podobným spôsobom. Formy týchto dodatočných dimenzií sú zložité a rozmanité a každá spôsobuje, že struna vo vnútri takýchto dimenzií vibruje iným spôsobom práve kvôli jej formám. Ak totiž predpokladáme, že napríklad jedna struna vibruje vo vnútri džbánu a druhá vo vnútri zakriveného stĺpového rohu, budú to úplne iné vibrácie. Ak však máme veriť teórii strún, v skutočnosti vyzerajú tvary extra dimenzií oveľa komplikovanejšie ako nádoba.

Ako funguje svet

Veda dnes pozná súbor čísel, ktoré sú základnými konštantami vesmíru. Určujú vlastnosti a charakteristiky všetkého okolo nás. Medzi takéto konštanty patrí napríklad náboj elektrónu, gravitačná konštanta, rýchlosť svetla vo vákuu... A ak tieto čísla čo i len málokrát zmeníme, následky budú katastrofálne. Predpokladajme, že sme zvýšili silu elektromagnetickej interakcie. Čo sa stalo? Zrazu môžeme zistiť, že ióny sa od seba viac odpudzovali a termonukleárna fúzia, vďaka ktorej hviezdy svietia a vyžarujú teplo, zrazu zlyhala. Všetky hviezdy zhasnú.

Ale čo teória strún s jej extra dimenziami? Faktom je, že podľa nej určujú práve dodatočné rozmery presná hodnota základné konštanty. Niektoré formy merania spôsobujú, že jedna struna vibruje určitým spôsobom a dáva vznik tomu, čo vidíme ako fotón. V iných formách struny vibrujú inak a produkujú elektrón. Skutočne Boh spočíva v „maličkostiach“ – práve tieto drobné formy určujú všetky základné konštanty tohto sveta.

teória superstrun

V polovici osemdesiatych rokov nadobudla teória strún majestátny a štíhly nádych, no v rámci tohto monumentu vládol zmätok. Len za pár rokov vzniklo až päť verzií teórie strún. A hoci je každá z nich postavená na strunách a extra rozmeroch (všetkých päť verzií je zjednotených vo všeobecnej teórii superstrun), v detailoch sa tieto verzie výrazne rozchádzali.

Takže v niektorých verziách mali šnúrky otvorené konce, v iných vyzerali ako prstene. A v niektorých verziách si teória dokonca vyžadovala nie 10, ale až 26 meraní. Paradoxom je, že všetkých päť verzií dnes možno nazvať rovnako pravdivými. Ale ktorý z nich skutočne popisuje náš vesmír? Toto je ďalšia záhada teórie strún. Mnohí fyzici preto nad „bláznivou“ teóriou opäť mávli rukou.

No hlavným problémom strún, ako už bolo spomenuté, je nemožnosť (aspoň zatiaľ) experimentálne dokázať ich prítomnosť.

Niektorí vedci však stále tvrdia, že na ďalšej generácii urýchľovačov je veľmi minimálna, no predsa len možnosť otestovať hypotézu extra dimenzií. Aj keď si väčšina, samozrejme, je istá, že ak je to možné, tak by sa to, žiaľ, nemalo stať veľmi skoro – minimálne o desaťročia, maximálne – ani o sto rokov.