Teória superstrun v populárnom jazyku. Čo jednoducho hovorí teória strún

Kľúčové otázky:

Aké sú základné zložky vesmíru – „prvé tehly hmoty“? Existujú teórie, ktoré dokážu vysvetliť všetky základné fyzikálne javy?

Otázka: je to skutočné?

Dnes a v dohľadnej dobe priame pozorovanie v takom malom rozsahu nie je možné. Fyzika sa hľadá a prebiehajúce experimenty, napríklad na detekciu supersymetrických častíc alebo hľadanie extra dimenzií v urýchľovačoch, môžu naznačovať, že teória strún je na správnej ceste.

Či už je teória strún teóriou všetkého alebo nie, poskytuje nám jedinečný súbor nástrojov na nahliadnutie do hlbokých štruktúr reality.

Teória strún

Makro a mikro

Pri opise vesmíru ho fyzika rozdeľuje na dve zdanlivo nezlučiteľné polovice – kvantový mikrokozmos a makrokozmos, v rámci ktorého je opísaná gravitácia.

Teória strún je kontroverzným pokusom spojiť tieto polovice do „Teórie všetkého“.

Častice a interakcie

Svet sa skladá z dvoch typov elementárnych častíc – fermiónov a bozónov. Všetky fermióny sú pozorovateľnou hmotou a bozóny sú nositeľmi štyroch známych základných interakcií: slabej, elektromagnetickej, silnej a gravitačnej. V rámci teórie nazvanej Štandardný model sa fyzikom podarilo elegantne opísať a otestovať tri základné interakcie, všetky až na tie najslabšie, gravitačné. K dnešnému dňu je Štandardný model najpresnejším a experimentálne potvrdeným modelom nášho sveta.

Prečo je potrebná teória strún

Štandardný model nezahŕňa gravitáciu, nedokáže opísať stred čiernej diery a Veľký tresk a nevysvetľuje výsledky niektorých experimentov. Teória strún je pokusom vyriešiť tieto problémy a zjednotiť hmotu a interakcie nahradením elementárnych častíc drobnými vibrujúcimi strunami.

Teória strún je založená na myšlienke, že všetky elementárne častice môžu byť reprezentované ako jedna elementárna "prvá tehla" - struna. Struny môžu vibrovať a rôzne režimy takýchto kmitov na veľkú vzdialenosť sa nám budú zdať ako rôzne elementárne častice. Jeden spôsob vibrácie spôsobí, že struna bude vyzerať ako fotón, druhý spôsobí, že bude vyzerať ako elektrón.

Existuje dokonca mod, ktorý popisuje nositeľa gravitačnej interakcie - gravitón! Verzie teórie strún opisujú struny dvoch typov: otvorené (1) a uzavreté (2). Otvorené struny majú dva konce (3) umiestnené na membránových štruktúrach nazývaných D-brány a ich dynamika opisuje tri zo štyroch základných interakcií – všetky okrem gravitačnej.

Uzavreté struny pripomínajú slučky, nie sú viazané na D-brány - práve vibračné režimy uzavretých strún reprezentuje bezhmotný gravitón. Konce otvorenej struny sa môžu spojiť a vytvoriť uzavretú strunu, ktorá sa zase môže zlomiť, premeniť sa na otvorenú strunu, alebo sa spojiť a rozdeliť na dve uzavreté struny (5) – teda v teórii strún ide o gravitačné interakcie. je kombinovaný so všetkými ostatnými

Struny sú najmenšie zo všetkých objektov, s ktorými fyzika pracuje. Rozsah veľkostí V objektov zobrazených na obrázku vyššie presahuje 34 rádov - ak by mal atóm veľkosť slnečnej sústavy, potom by veľkosť struny mohla byť o niečo väčšia ako atómové jadro.

Dodatočné merania

Konzistentné strunové teórie sú možné len vo vyšších dimenziách, kde je okrem známych 4 časopriestorových dimenzií potrebných 6 ďalších dimenzií. Teoretici veria, že tieto extra dimenzie sú poskladané do nebadateľne malých foriem - Calabi-Yauových priestorov. Jedným z problémov teórie strún je, že existuje takmer nekonečné množstvo verzií Calabi-Yauovej konvolúcie (kompaktifikácia), ktorá umožňuje popísať akýkoľvek svet, a zatiaľ neexistuje spôsob, ako nájsť verziu zhutnenia čchi, ktorá by vám umožní opísať to, čo vidíme okolo seba.

supersymetria

Väčšina verzií teórie strún vyžaduje koncept supersymetrie, ktorý je založený na myšlienke, že fermióny (hmota) a bozóny (interakcie) sú prejavmi toho istého objektu a môžu sa navzájom premieňať.

Teória všetkého?

Supersymetria môže byť zahrnutá do teórie strún 5 rôzne cesty, čo vedie k 5 rôznym druhom teórie strún, čo znamená, že samotná teória strún nemôže tvrdiť, že je „teóriou všetkého“. Všetkých týchto päť druhov je vzájomne prepojených matematickými transformáciami nazývanými duality, a to viedlo k pochopeniu, že všetky tieto druhy sú aspektmi niečoho všeobecnejšieho. Táto všeobecnejšia teória sa nazýva M-teória.

Je známych 5 rôznych formulácií teórie strún, ale pri bližšom skúmaní sa ukazuje, že všetky sú prejavmi všeobecnejšej teórie

teória superstrun

Stručne o teórii superstrun

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

Rôzne verzie teórie strún sa teraz 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 iba niekoľko rovníc, ktoré kombinujú celý súbor ľudských vedomostí o povahe interakcií a vlastnostiach základných prvkov hmoty, z ktorej je vesmír vybudovaný. Dnes sa teória strún spojila s konceptom supersymetria, čoho výsledkom je 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 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. Pri 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 hudobné nástroje. 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 struny harmonickej vlny, 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 „kompaktovať“), 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 sa dá 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 pre nedostatočný matematický aparát 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 nikto z teoretikov, ktorí navrhujú teóriu strún (a najmä superstrun), doteraz neponúkol jediný experiment, na ktorom by sa tieto teórie dali v laboratóriu otestovať. Bohužiaľ, obávam sa, že kým to neurobia, všetka ich práca zostane bizarnou hrou fantázie 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. Nanešťastie je to stále dosť ťažko pochopiteľná vec, ktorá sa dá pochopiť iba z hľadiska kvantovej teórie poľa. Znalosti matematiky ako teória grúp, diferenciálna geometria atď. neuškodia porozumeniu. 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 dá 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 . Ale to je jednoducho zanedbateľné v porovnaní s dĺžkami, ktoré bežne riešime, takže môžeme predpokladať, že sú takmer 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 inherentné kvantové čísla častice, 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 kvantovomechanické 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 otvormi sú veľmi náročné kvôli zložitosti matematického aparátu používaného pri práci s takýmito povrchmi. Perturbačná teória je veľmi užitočná pri štúdiu procesov so slabou väzbou a súvisí s ňou väčšina objavov v oblasti fyziky elementárnych častíc a teórie strún. Tým 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 rozdeľovači, ktorý 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 jedinom 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, zredukujeme 6 rozmerov na veľmi malá 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:

  

  To je vlastne dosť stará myšlienka, ktorá siaha až do tvorby Kalužu a Kleina z 20. rokov minulého storočia. Vyššie opísaný mechanizmus sa nazýva tzv Kaluza-Kleinova teória alebo zhutňovanie. Samotná Kalužova práca ukazuje, že ak zoberieme relativitu v 5D priestoročase, potom zabalíme jednu dimenziu do kruhu, dostaneme 4D 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 zmenšíme polomer zhutnenia (veľkosť dodatočných rozmerov), 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 mala 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 Kaluža-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 superstrun na 6-rozmernom kompaktnom variči. 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 nízkej energie – na častice, ktoré pozorujeme, ich hmotnosti a kvantové čísla a na počet generácií častíc. Problém je v tom, 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 (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 superstrun 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 teóriu 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 svetový list SO(32) Heterotic String, takže keď je teória typu I veľmi silne prepojená, D-struna sa stáva veľmi ľahkou a jednoducho uvidíme, že popis sa stane rovnako ako cez slabo spojený heterotický reťazec. Ďalšia S-dualita v 10 dimenziách je autodualita IIB strún: silne spojený 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 rôznymi limitmi tej istej teórie. Každý z limitov má svoju použiteľnosť a rôzne limity rôznych popisov sa prekrývajú. 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. Potom, ak by naša membrána mala topológiu torusu, potom 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 monopol“, 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 interval. 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 priestor medzi hranicami veľmi malý, dostaneme 10-rozmernú teóriu so strunami a meracou skupinou E8 x E8. A toto je heterotická struna E8 x E8!

  

  Ak teda vezmeme do úvahy rôzne podmienky a rôzne duality medzi teóriami strún, dôjdeme k tomu, že základom toho všetkého je jedna teória – M-teória. Zároveň je 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. prichádzame k záveru, že ich všetky spája jedna jediná kvantová teória. Táto jedinečnosť je veľmi atraktívna, takže práce na konštrukcii kompletnej kvantovej M-teórie sú v plnom prúde.
  
  

  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 strunových teórií, 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 od 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, všetky sú poskladané do 5-rozmerného torusu, čo v skutočnosti dáva 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).

  Kvantová gravitácia objavená 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 drobné 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 University of Colorado 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 varianty 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, ktorá sa považuje za najsľubnejší prístup k dlho očakávanému veľkému zjednoteniu - jedinému popisu všetkých známych síl a hmoty, sa predpokladá, že všetko vo vesmíre tvoria drobné slučky vibrujúcich strún. Podľa rôzne možnosti V teórii superstrun musí existovať aspoň šesť alebo sedem ďalších priestorových dimenzií okrem troch, ktoré máme k dispozícii, a teoretici sa domnievajú, že tieto dodatočné 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 vzdialenosti 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. Tá však zostáva otvorená dodnes.

  „Ak tieto sily skutočne existujú, potom už vieme, že by sa mali prejaviť na menšie vzdialenosti, ako sme testovali,“ vysvetľuje vedúci laboratória John Price, profesor na University of Colorado. nevyvrátiť teóriu ii. Je len potrebné mať na pamäti, že účinok bude potrebné 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 a 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 viac záplat 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), čiže o 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 pozlátený zafírový štít medzi volfrámovými pásikmi, ktoré blokovali elektromagnetické sily, a nahradili ho tenšou berýliovo-medenou fóliou, ktorá umožňuje 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 čo fyzikálny jav toto je základom. 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 pred nami stále skryté, domnievajú sa niektorí teoretici. Na výročnom stretnutí AAAS (American Association for the Advancement of Science), ktoré sa konalo v Denveri začiatkom tohto mesiaca, vyjadrili najuznávanejší kozmológovia a fyzici v tejto súvislosti 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 spájať,“ hovorí Maria Spiropulu, výskumníčka z Chicagskej univerzity, organizátorka workshopu AAAS o fyzike extra dimenzií ( fyzika extra dimenzií).

  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, no zatiaľ sa nikomu nepodarilo zmerať túto veličinu priamo 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 do vesmíru po priamke.

  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 jedna z nich doteraz nedokázala 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 gravitačnej rýchlosti. 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 skombinovali pozorovania z tucta rádioteleskopov v rôznych častiach zemegule, od Havaja po Nemecko (pomocou 25-metrových rádioteleskopov Národného rádioastronomického observatória a 100-metrového nemeckého prístroja v Effelsbergu) na meranie najmenších zjavná zmena polohy kvazaru spôsobená ohybom rádiových vĺn z tohto zdroja 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 alebo 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 detekovať a merať tak ich rýchlosť - dôležitú fundamentálnu 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 privádzajú 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 to ukazuje mikrovlnné žiarenie pozadia vytvorené 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 umierajúcom vesmíre, ako tvrdí Penrose, veľký počet čiernych dier povedie 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 čiernu dieru. 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 je čoraz tmavší. Tento pozorovateľ ešte mohol 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. Človek by si myslel, že na tom tiež nezáleží veľký význam, pretože informácie budú stále vo vnútri čiernej diery, aj keď sa zvonku nedajú 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 tým, 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 v prípade čiernych dier pomerne ťažké experimentálne potvrdiť.

  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 dáva 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, pár neutrónové hviezdy rotujúce voči sebe navzájom, z ktorých jeden je pulzar. Všeobecná relativita predpovedá, že takáto dráha sa pomaly sťahuje (a jej perióda sa skracuje), 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 za svoju prácu právom dostali Nobelove ceny. Kvantoví teoretici vždy tvrdili, s odvolaním sa na presnosť svojej teórie, že všeobecná teória relativity by sa mala odvíjať od nej, ale ja si teraz 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. Mnoho ľudí napríklad predpokladá, že kvantová teória poľa by mohla nejakým spôsobom „rozmazať“ singularity všeobecnej teórie relativity....

  A teraz by som rád povedal 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 stratené 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 opisujúce 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 nesené 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 vysielaná časť jeho vlnovej funkcie je registrovaná senzorom. Ak senzor deteguje fotón, potom zbraň zhasne 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.... Ale prečo sme schopní vnímať iba makroskopické alternatívy „mačka je mŕtva "a "mačka je nažive"? 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. Je skutočný život nevyzera nic take?.

  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 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 však opäť začne kolabovať, 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 iba 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 v usporiadaní extrémne malé skoré štádium a je veľmi veľký v kolabujúcom vesmíre. Tento návrh by nám teda umožnil odlíšiť od seba oba konce času 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 zo 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 hranici času a druhé druhej... Na jednom konci času bol vesmír veľmi hladký a Weylov tenzor bol 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, som dospel k záveru, že náš nesúhlas v tejto otázke (Weylova hypotéza a zakrivenie) je extrémne veľký... Pre počiatočnú singularitu je Weylovo zakrivenie približne nulové... Stephen tvrdil, že v počiatočnom stavu musia existovať malé kvantové fluktuácie, a preto je hypotéza a o nulovom Weylovom zakrivení klasická a neprijateľná. 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. Potrebujeme 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 kvalita, ktorú môžete testovať lakmusový papierik. 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: kozmológia a čierne diery. 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 ma neprekvapilo, 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! Einstein niečo také potreboval reálny svet, ktorá nemusí byť nevyhnutne opísaná vlnovou funkciou, zatiaľ čo Bohr zdôraznil, že vlnová funkcia neopisuje skutočný svet, ale iba poznatky potrebné na predpovedanie výsledkov experimentu.

  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 nimi 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 princípe mohli predpovedať ľudské správanie, hoci nemôžem tvrdiť, že ja sám som v tomto prípade mal 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. Svoju argumentáciu založil na práci Kurta Gödela, českého matematika, ktorý vyvinul slávnu vetu, že v žiadnej oblasti matematiky nemožno niektoré tvrdenia dokázať ani vyvrátiť.

  V škole sme učili, že hmota sa skladá z atómov a atómy sa skladajú z jadier, okolo ktorých sa točia elektróny. Približne rovnakým spôsobom sa planéty otáčajú okolo Slnka, takže je pre nás ľahké si to predstaviť. Potom bol atóm rozdelený na elementárne častice a bolo ťažšie predstaviť si štruktúru vesmíru. Na časticovej škále platia iné zákony a nie vždy je možné nájsť analógiu zo života. Fyzika sa stala abstraktnou a mätúcou.

  Ale ďalší krok v teoretickej fyzike priniesol späť zmysel pre realitu. Teória strún opísala svet pojmami, ktoré si možno znova predstaviť, a teda ľahšie pochopiť a zapamätať si.

  Téma je stále ťažká, tak poďme pekne po poriadku. Najprv analyzujeme, čo je teória, potom sa pokúsime pochopiť, prečo bola vynájdená. A ako dezert - trochu histórie, teória strún má krátku históriu, ale s dvoma revolúciami.

  Vesmír sa skladá z vibrujúcich prameňov energie

  Pred teóriou strún boli elementárne častice považované za body, bezrozmerné útvary s určitými vlastnosťami. Teória strún ich opisuje ako vlákna energie, ktoré majú stále jednu veľkosť – dĺžku. Tieto jednorozmerné vlákna sa nazývajú kvantové struny.

  Teoretická fyzika
  

  Teoretická fyzika
  opisuje svet prostredníctvom matematiky, na rozdiel od experimentálnej fyziky. Prvý teoretický fyzik bol Isaac Newton (1642-1727)

  Jadro atómu s elektrónmi, elementárnymi časticami a kvantovými strunami očami umelca. Fragment dokumentárny film"Elegantný vesmír"

  Kvantové struny sú veľmi malé, dlhé asi 10 - 33 cm, čo je sto miliónov miliárd krát menšie ako protóny, ktoré sa zrazili vo Veľkom hadrónovom urýchľovači. Na takéto experimenty s strunami by bolo treba postaviť urýchľovač veľkosti galaxie. Zatiaľ sme nenašli spôsob, ako reťazce odhaliť, no vďaka matematike vieme niektoré ich vlastnosti uhádnuť.

  Kvantové struny sú otvorené a zatvorené. Otvorené konce sú voľné, uzavreté konce sú blízko seba a tvoria slučky. Struny sa neustále "otvárajú" a "zatvárajú", spájajú sa s inými strunami a rozpadajú sa na menšie.

  
  

  Kvantové struny sú napnuté. Napätie v priestore vzniká v dôsledku rozdielu v energii: pre uzavreté struny medzi uzavretými koncami, pre otvorené struny - medzi koncami strún a prázdnotou. Fyzici nazývajú túto prázdnotu dvojrozmernými okrajmi alebo bránami zo slova membrána.

  centimetre - minimum možná veľkosť objekt vo vesmíre. Nazýva sa to Planckova dĺžka.

  Sme z kvantových strún

  Kvantové struny vibrujú. Sú to vibrácie podobné vibráciám strún balalajky, s rovnomernými vlnami a celočíselným počtom miním a maxím. Kvantová struna pri vibrovaní nevydáva zvuk, na stupnici elementárnych častíc nemá čo prenášať zvukové vibrácie. Sám sa stáva časticou: vibruje s jednou frekvenciou - kvarkom, s inou - gluónom, s treťou - fotónom. Preto je kvantová struna jediným stavebným prvkom, „tehlou“ vesmíru.

  Je zvykom zobrazovať vesmír ako priestor a hviezdy, ale je to aj naša planéta a my sme s vami, text na obrazovke a bobule v lese.

  

  Schéma vibrácií strún. Pri akejkoľvek frekvencii sú všetky vlny rovnaké, ich počet je celé číslo: jedna, dve a tri

  
  

  Moskovský región, 2016. Jahôd je veľa – len komárov je viac. Sú tiež vyrobené zo šnúrok.

  
  

  Niekde tam je priestor. Späť do vesmíru

  Takže v srdci vesmíru sú kvantové struny, jednorozmerné vlákna energie, ktoré vibrujú, menia veľkosť a tvar a vymieňajú si energiu s inými strunami. To však nie je všetko.

  Kvantové struny sa pohybujú v priestore. A strunový priestor je najkurióznejšou časťou teórie.

  Kvantové struny sa pohybujú v 11 rozmeroch

  

  Theodor Kaluza
  (1885-1954)

  Všetko to začalo Albertom Einsteinom. Jeho objavy ukázali, že čas je relatívny a spojil ho s priestorom do jedného časopriestorového kontinua. Einsteinova práca vysvetlila gravitáciu, pohyb planét a pôvod čiernych dier. Okrem toho inšpirovali súčasníkov k novým objavom.

  Einstein publikoval rovnice všeobecnej teórie relativity v rokoch 1915-16 a už v roku 1919 sa poľský matematik Theodor Kaluza pokúsil aplikovať svoje výpočty na teóriu elektromagnetického poľa. Ale vyvstala otázka: ak Einsteinova gravitácia ohýba štyri dimenzie časopriestoru, čo ohýba elektromagnetická sila? Viera v Einsteina bola silná a Kaluža nepochyboval, že jeho rovnice popisujú elektromagnetizmus. Namiesto toho navrhol, že elektromagnetické sily skresľujú ďalší, piaty rozmer. Einsteinovi sa nápad páčil, ale teória neprešla testom experimentov a bola zabudnutá až do 60. rokov minulého storočia.

  

  Albert Einstein (1879-1955)

  

  Theodor Kaluza
  (1885-1954)

  Theodor Kaluza
  (1885-1954)

  Albert Einstein
  (1879-1955)

  Prvé rovnice teórie strún priniesli zvláštne výsledky. Objavili sa v nich tachyóny – častice s negatívnou hmotnosťou, ktoré sa pohybovali rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Tu prišla vhod Kalužova myšlienka o mnohorozmernosti vesmíru. Pravda, päť rozmerov nestačilo, rovnako ako nestačilo šesť, sedem či desať. Matematika prvej teórie strún dávala zmysel len vtedy, ak by náš vesmír mal 26 rozmerov! Neskorších teórií stačilo desať a v tej modernej je ich jedenásť – desať priestorových a časových.

  Ale ak áno, prečo nevidíme ďalších sedem dimenzií? Odpoveď je jednoduchá – sú príliš malé. Z diaľky sa trojrozmerný objekt javí ako plochý: vodná fajka sa zobrazí ako stuha a balón sa zobrazí ako kruh. Aj keby sme mohli vidieť predmety v iných dimenziách, nezohľadnili by sme ich viacrozmernosť. Vedci tento efekt nazývajú zhutňovanie.

  
  

  Extra dimenzie sú poskladané do nebadateľne malých foriem časopriestoru – nazývajú sa Calabi-Yauove priestory. Z diaľky pôsobí plocho.

  Sedem dodatočných dimenzií môžeme reprezentovať iba vo forme matematických modelov. Sú to fantázie, ktoré sú postavené na nám známych vlastnostiach priestoru a času. Pridaním tretej dimenzie sa svet stáva trojrozmerným a prekážku môžeme obísť. Možno je podľa toho istého princípu správne pridať zvyšných sedem dimenzií – a potom po nich môžete obísť časopriestor a dostať sa kedykoľvek do akéhokoľvek bodu akéhokoľvek vesmíru.

  merania vo vesmíre podľa prvej verzie teórie strún – bosonic. Teraz považované za irelevantné

  
  

  Čiara má len jeden rozmer, svoju dĺžku.

  
  

  Balónik je objemný, má tretí rozmer - výšku. Ale pre dvojrozmerného muža to vyzerá ako čiara

  
  

  Tak ako dvojrozmerný človek nemôže reprezentovať multidimenzionálnosť, tak ani my nemôžeme reprezentovať všetky dimenzie vesmíru.

  Podľa tohto modelu putujú kvantové struny vždy a všade, čo znamená, že tie isté struny kódujú vlastnosti všetkých možných vesmírov od ich zrodu až po koniec času. Bohužiaľ, náš balón je plochý. Náš svet je len štvorrozmernou projekciou jedenásťrozmerného vesmíru do viditeľných mierok časopriestoru a my nemôžeme nasledovať struny.

  Jedného dňa uvidíme Veľký tresk

  Jedného dňa vypočítame frekvenciu vibrácií strún a organizáciu extra dimenzií v našom vesmíre. Potom sa o tom dozvieme úplne všetko a budeme môcť vidieť Veľký tresk alebo letieť do Alpha Centauri. Zatiaľ je to však nemožné - neexistujú žiadne rady, na čo sa pri výpočtoch spoľahnúť, a čísla, ktoré potrebujete, nájdete iba hrubou silou. Matematici vypočítali, že by bolo potrebné vytriediť 10 500 možností. Teória uviazla na mŕtvom bode.

  Teória strún je však stále schopná vysvetliť povahu vesmíru. Aby to bolo možné, musí zviazať všetky ostatné teórie, stať sa teóriou všetkého.

  Teória strún sa stane teóriou všetkého. Možno

  V druhej polovici 20. storočia fyzici potvrdili množstvo základných teórií o povahe vesmíru. Zdalo sa to trochu viac - a všetko pochopíme. Hlavný problém však ešte nebol vyriešený: teórie fungujú dobre samostatne, ale nedávajú všeobecný obraz.

  Existujú dve hlavné teórie: teória relativity a kvantová teória poľa.

  možnosti usporiadania 11 dimenzií v priestoroch Calabi-Yau - dosť pre všetky možné vesmíry. Pre porovnanie, počet atómov v pozorovateľnej časti vesmíru je asi 10 80

  možnosti usporiadania priestorov Calabi-Yau - dosť pre všetky možné vesmíry. Pre porovnanie, počet atómov v pozorovateľnom vesmíre je asi 10 80

  Teória relativity
  opísal gravitačnú interakciu medzi planétami a hviezdami a vysvetlil fenomén čiernych dier. Toto je fyzika vizuálneho a logického sveta.

  
  

  Model gravitačnej interakcie Zeme a Mesiaca v Einsteinovom časopriestore

  kvantová teória poľa
  určil typy elementárnych častíc a opísal 3 typy interakcií medzi nimi: silnú, slabú a elektromagnetickú. Toto je fyzika chaosu.

  
  

  Kvantový svet očami umelca. Video z webu MiShorts

  Kvantová teória poľa s pridaním hmotnosti pre neutrína je tzv štandardný model. Toto je základná teória štruktúry vesmíru na kvantovej úrovni. Väčšina predpovedí teórie je potvrdená v experimentoch.

  Štandardný model rozdeľuje všetky častice na fermióny a bozóny. Fermióny tvoria hmotu – do tejto skupiny patria všetky pozorovateľné častice, ako je kvark a elektrón. Bosóny sú sily, ktoré sú zodpovedné za interakciu fermiónov, ako je fotón a gluón. Známe sú už dve desiatky častíc a vedci pokračujú v objavovaní nových.

  Je logické predpokladať, že gravitačnú interakciu prenáša aj jej bozón. Zatiaľ sa to nenašlo, opísali však vlastnosti a vymysleli názov - gravitón.

  Zjednotenie teórií však zlyháva. Autor: štandardný model, elementárne častice sú bezrozmerné body, ktoré interagujú v nulových vzdialenostiach. Ak sa toto pravidlo aplikuje na gravitón, rovnice dávajú nekonečné výsledky, čo ich zbavuje významu. Toto je len jeden z rozporov, ale dobre ilustruje, ako ďaleko je jedna fyzika od druhej.

  Vedci preto hľadajú alternatívnu teóriu, ktorá dokáže spojiť všetky teórie do jednej. Takáto teória sa nazýva jednotná teória poľa, príp teória všetkého.

  Fermióny
  tvoria všetky druhy hmoty okrem tmavej

  bozóny
  prenos energie medzi fermiónmi

  Teória strún by mohla zjednotiť vedecký svet

  Teória strún v tejto úlohe vyzerá atraktívnejšie ako ostatné, pretože okamžite rieši hlavný rozpor. Kvantové struny vibrujú, takže vzdialenosť medzi nimi je väčšia ako nula a nedochádza k nemožným výpočtom pre gravitón. A samotný gravitón dobre zapadá do konceptu strún.

  Ale teória strún nie je dokázaná experimentmi, jej úspechy zostávajú na papieri. O to prekvapivejší je fakt, že už 40 rokov nie je opustený – jeho potenciál je taký veľký. Aby sme pochopili, prečo je to tak, pozrime sa späť a uvidíme, ako sa to vyvinulo.

  Teória strún zažila dve revolúcie

  

  Gabriele Veneziano
  (nar. 1942)

  Teória strún sa spočiatku vôbec nepovažovala za kandidáta na zjednotenie fyziky. Bolo objavené náhodou. V roku 1968 študoval mladý teoretický fyzik Gabriele Veneziano silné interakcie v rámci atómového jadra. Zrazu zistil, že sú dobre opísané Eulerovou beta funkciou, súborom rovníc, ktoré pred 200 rokmi zostavil švajčiarsky matematik Leonhard Euler. Bolo to zvláštne: v tých časoch bol atóm považovaný za nedeliteľný a Eulerova práca riešila iba matematické problémy. Nikto nechápal, prečo rovnice fungujú, ale aktívne sa používali.

  Fyzikálny význam Eulerovej beta funkcie bol objasnený o dva roky neskôr. Traja fyzici Yochiro Nambu, Holger Nielsen a Leonard Susskind navrhli, že elementárne častice nemusia byť body, ale jednorozmerné vibrujúce struny. Silná interakcia pre takéto objekty bola ideálne opísaná Eulerovými rovnicami. Prvá verzia teórie strún sa nazývala bosonická, pretože opisovala strunový charakter bozónov zodpovedných za interakcie hmoty a nedotýkala sa fermiónov, na ktorých záleží.

  Teória bola hrubá. Objavili sa v nej tachyóny a hlavné predpovede boli v rozpore s výsledkami experimentov. A hoci sa Kalužovej multidimenzionalite podarilo zbaviť tachyónov, teória strún sa neujala.

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

  Skutoční zástancovia teórie však zostali. V roku 1971 Pierre Ramon pridal k teórii strún fermióny, čím znížil počet dimenzií z 26 na desať. Začalo to teória supersymetrie.

  Hovorilo sa, že každý fermión má svoj vlastný bozón, čo znamená, že hmota a energia sú symetrické. Nezáleží na tom, že pozorovateľný vesmír nie je symetrický, povedal Ramon, existujú podmienky, za ktorých je symetria stále pozorovaná. A ak sú podľa teórie strún fermióny a bozóny zakódované rovnakými objektmi, potom sa za týchto podmienok hmota môže zmeniť na energiu a naopak. Táto vlastnosť strún sa nazývala supersymetria a samotná teória strún sa nazývala teória superstrun.

  V roku 1974 John Schwartz a Joel Sherk zistili, že niektoré vlastnosti strún sa pozoruhodne zhodujú s vlastnosťami predpokladaného nositeľa gravitácie, gravitónu. Od tej chvíle začala teória vážne tvrdiť, že zovšeobecňuje.

  dimenzie časopriestoru boli v prvej teórii superstrun

  
  

  "Matematická štruktúra teórie strún je taká krásna a má toľko úžasných vlastností, že určite musí poukazovať na niečo hlbšie."

  Prvá superstrunová revolúcia stalo v roku 1984. John Schwartz a Michael Green predstavili matematický model, ktorý ukázal, že mnohé rozpory medzi teóriou strún a štandardným modelom možno vyriešiť. Nové rovnice tiež spojili teóriu so všetkými druhmi hmoty a energie. Vedecký svet bol v horúčke - fyzici opustili svoj výskum a prešli na štúdium strún.

  Od roku 1984 do roku 1986 bolo napísaných viac ako tisíc prác o teórii strún. Ukázali, že mnohé ustanovenia štandardného modelu a teórie gravitácie, ktoré sa zbierali kúsok po kúsku roky, prirodzene vyplývajú z fyziky strún. Výskum presvedčil vedcov, že zjednocujúca teória je hneď za rohom.

  
  

  „Okamžik, keď sa zoznámite s teóriou strún a uvedomíte si, že takmer všetky hlavné pokroky vo fyzike minulého storočia nasledujú – a nasledujú s takou eleganciou – z takého jednoduchého východiskového bodu, vám jasne demonštruje neuveriteľnú silu tejto teórie. “

  Ale teória strún sa neponáhľala odhaliť svoje tajomstvá. Namiesto vyriešených problémov vznikli nové. Vedci zistili, že neexistuje jedna, ale päť teórií superstrun. V nich mali struny odlišné typy supersymetria a neexistoval spôsob, ako zistiť, ktorá teória je správna.

  Matematické metódy mali svoje hranice. Fyzici sú zvyknutí na zložité rovnice, ktoré nedávajú presné výsledky, ale pre teóriu strún nebolo možné napísať ani presné rovnice. A približné výsledky približných rovníc nedávali odpovede. Bolo jasné, že na štúdium teórie je potrebná nová matematika, ale nikto nevedel, ktorá. Horlivosť vedcov opadla.

  Druhá superstrunová revolúcia zahrmelo v roku 1995. Stagnáciu ukončila prezentácia Edwarda Wittena na konferencii o teórii strún v južnej Kalifornii. Witten ukázal, že všetkých päť teórií sú špeciálnymi prípadmi jednej, všeobecnejšej teórie superstrun, ktorá má jedenásť rozmerov namiesto desiatich. Witten nazval zjednocujúcu teóriu M-teória, alebo Matka všetkých teórií, od r anglické slovo matka.

  Dôležitejšie však bolo niečo iné. Wittenova M-teória opísala účinok gravitácie v teórii superstrun tak dobre, že sa nazývala supersymetrická teória gravitácie, resp. teória supergravitácie. To inšpirovalo vedcov a vedecké časopisy sa opäť zaplnili publikáciami o fyzike strún.

  merania časopriestoru v moderná teória superstruny

  
  

  „Teória strún je kus fyziky 21. storočia, ktorý náhodou spadol do 20. storočia. Môže trvať desaťročia alebo dokonca storočia, kým sa úplne rozvinie a pochopí.

  Ozveny tejto revolúcie znejú dodnes. Ale napriek maximálnemu úsiliu vedcov je v teórii strún viac otázok ako odpovedí. Moderná veda sa snaží vytvárať modely multidimenzionálneho vesmíru a študuje dimenzie ako membrány priestoru. Nazývajú sa brane - pamätáte sa na prázdnotu, na ktorej sú natiahnuté otvorené struny? Predpokladá sa, že samotné struny sa môžu ukázať ako dvoj- alebo trojrozmerné. Dokonca hovoria o novej 12-rozmernej fundamentálnej teórii – F-teórii, Otcovi všetkých teórií, od slova Otec. História teórie strún ani zďaleka nekončí.

  Teória strún zatiaľ nebola dokázaná, ale ani vyvrátená.

  Hlavným problémom teórie je nedostatok priamych dôkazov. Áno, vyplývajú z toho ďalšie teórie, vedci spočítajú 2 a 2 a vyjde im 4. To ale neznamená, že štvorka pozostáva z dvojiek. Experimenty na Veľkom hadrónovom urýchľovači zatiaľ neobjavili ani supersymetriu, ktorá by potvrdila jednotu štrukturálny rámec vesmír a hral by do karát priaznivcom strunovej fyziky. Neexistujú však ani vyvrátenia. To je dôvod, prečo elegantná matematika teórie strún naďalej vzrušuje mysle vedcov a sľubuje, že odhalí všetky záhady vesmíru.

  Keď už hovoríme o teórii strún, nemožno nespomenúť Briana Greena, profesora na Kolumbijskej univerzite a neúnavného popularizátora teórie. Green prednáša a vystupuje v televízii. V roku 2000 jeho kniha Elegantný vesmír. Superstrings, Hidden Dimensions a Search for the Ultimate Theory“ sa stali finalistami Pulitzerovej ceny. V roku 2011 hral sám seba v epizóde 83 Teórie veľkého tresku. V roku 2013 navštívil Moskovský polytechnický inštitút a poskytol rozhovor Lenta-ru

  Ak sa nechcete stať odborníkom na teóriu strún, ale chcete pochopiť, v akom svete žijete, spomeňte si na cheat sheet:

  1. Vesmír sa skladá z prameňov energie – kvantových strún – ktoré vibrujú ako struny hudobných nástrojov. Rôzna frekvencia vibrácií mení struny na rôzne častice.
  2. Konce šnúrok môžu byť voľné, alebo môžu byť navzájom uzavreté, čím tvoria slučky. Struny sa neustále zatvárajú, otvárajú a vymieňajú si energiu s inými strunami.
  3. Kvantové struny existujú v 11-rozmernom vesmíre. Ďalších 7 dimenzií je poskladaných do nebadateľne malých foriem časopriestoru, takže ich nevidíme. Toto sa nazýva zhutňovanie rozmerov.
  4. Keby sme presne vedeli, ako sú dimenzie v našom vesmíre zložené, možno by sme mohli cestovať časom k iným hviezdam. Ale aj keď to nie je možné, je potrebné vyriešiť príliš veľa možností. Stačili by na všetky možné vesmíry.
  5. Teória strún dokáže spojiť všetky fyzikálne teórie a odhaliť nám tajomstvá vesmíru – sú na to všetky predpoklady. Zatiaľ však neexistujú žiadne dôkazy.
  6. Ďalšie objavy logicky vyplývajú z teórie strún moderná veda. Žiaľ, toto nič nedokazuje.
  7. Teória strún prežila dve superstrunové revolúcie a mnoho rokov zanedbávania. Niektorí vedci to považujú za sci-fi, iní veria, že nové technológie to pomôžu dokázať.
  8. A čo je najdôležitejšie, ak plánujete povedať svojim priateľom o teórii strún, uistite sa, že medzi nimi nie je fyzik - ušetríte si čas a nervy. A budete vyzerať ako Brian Green na Polytechnickom inštitúte:

  Vedci komplexne študujú náš vesmír a určujú množstvo vzorcov, faktov, ktoré sa neskôr stávajú zákonmi, overenými hypotézami. Na ich základe ďalšie štúdie naďalej prispievajú ku komplexnému štúdiu sveta v číslach.

  Strunová teória vesmíru je spôsob znázornenia priestoru vesmíru pozostávajúceho z určitých vlákien, ktoré sa nazývajú struny a brány. Zjednodušene povedané (pre figuríny), základom sveta nie sú častice (ako vieme), ale vibrujúce energetické prvky nazývané struny a brány. Veľkosť šnúrky je veľmi, veľmi malá - asi 10 - 33 cm.

  Na čo slúži a je užitočný? Teória poslúžila ako impulz pre popis pojmu „gravitácia“.

  Teória strún je matematická, to znamená, že fyzikálna podstata je opísaná rovnicami. Je ich veľa, no jediný a pravdivý neexistuje. Experimentálne skryté rozmery vesmíru ešte neboli určené.

  Teória je založená na 5 konceptoch:

  1. Svet sa skladá z vlákien, ktoré sú vo vibrujúcom stave a energetických membrán.
  2. Teoreticky je základom teória gravitácie a kvantová fyzika.
  3. Teória zjednocuje všetky hlavné sily vesmíru.
  4. Častice bozónu a fermióny majú nový druh väzby - supersymetria.
  5. Teória popisuje rozmery vo vesmíre, ktoré nie sú pozorovateľné ľudským okom.

  

  Porovnanie s gitarou vám pomôže lepšie pochopiť teóriu strún.

  Prvýkrát svet počul o tejto teórii v sedemdesiatych rokoch dvadsiateho storočia. Mená vedcov vo vývoji tejto hypotézy:

  • Witten;
  • Veneziano;
  • Zelená;
  • Hrubý;
  • Kaku;
  • Maldacena;
  • Polyakov;
  • Susskind;
  • Schwartz.

  Energetické vlákna boli považované za jednorozmerné - struny. To znamená, že šnúrka má 1 rozmer – dĺžku (bez výšky). Existujú 2 typy:

  • otvorené, v ktorých sa konce navzájom nedotýkajú;
  • uzavretá - slučka.

  Zistilo sa, že môžu interagovať a takýchto možností je 5. To je založené na schopnosti spájať, odpájať konce. Absencia prstencových šnúrok je nemožná, kvôli možnosti kombinácie otvorených šnúrok.

  V dôsledku toho sa vedci domnievajú, že teória je schopná opísať nie asociáciu častíc, ale správanie, silu gravitácie. Brány alebo plachty sa považujú za prvky, ku ktorým sú pripevnené šnúrky.

  Zaujímam sa o

  

  kvantová gravitácia

  Vo fyzike existuje kvantový zákon a všeobecná teória relativity. Kvantová fyzika študuje častice v rozsahu vesmíru. Hypotézy v nej sa nazývajú teórie kvantovej gravitácie medzi najvýznamnejšie patrí struna.

  Uzavreté vlákna v ňom fungujú podľa gravitačných síl, pričom majú vlastnosti gravitónu – častice, ktorá prenáša vlastnosti medzi časticami.

  Spájanie síl. Teória zahŕňa spojené sily do jednej - elektromagnetické, jadrové, gravitačné. Vedci sa domnievajú, že presne toto sa stalo predtým, ešte predtým, ako sa rozdelili sily.

  supersymetria. Podľa konceptu supersymetrie existuje spojenie medzi bozónmi a fermiónmi (štrukturálne jednotky vesmíru). Pre každý z bozónov existuje fermión a opak je pravdou: pre fermión existuje bozón. Toto je vypočítané na základe rovníc, ale nie je potvrdené experimentálne. Výhodou supersymetrie je možnosť eliminácie niektorých premenných (nekonečné, imaginárne hladiny energie).

  Dôvodom neschopnosti dokázať supersymetriu je podľa fyzikov dôvod potreby veľkej energie spojenej s hmotnosťou. Bolo to skôr, pred obdobím poklesu teploty vo vesmíre. Po veľkom tresku došlo k disipácii energie a prechodu častíc na nižšie energetické hladiny.

  Zjednodušene povedané, struny, ktoré mohli vibrovať s vlastnosťami častíc s vysokou energiou, keď ju stratili, sa stali nízkou vibráciou.

  Vytvorením urýchľovačov častíc chcú vedci identifikovať super symetrické prvky s požadovanou úrovňou energie.

  Ďalšie dimenzie teórie strún

  Dôsledkom teórie strún je matematické vyjadrenie, že musí existovať viac ako 3 dimenzie. Prvým vysvetlením je, že dodatočné rozmery sa stali kompaktnými, malými, v dôsledku čoho ich nemožno vidieť ani vnímať.

  Existujeme v 3D bráne, odrezaní od iných dimenzií. Iba schopnosť používať matematické modelovanie dávala nádej na získanie súradníc, ktoré by ich spájali. Nedávne štúdie v tejto oblasti umožňujú predpokladať vznik nových optimistických údajov.

  Jednoduché pochopenie účelu

  Vedci z celého sveta, ktorí skúmajú superstruny, sa snažia podložiť teóriu o celej fyzikálnej realite. Jediná hypotéza by mohla charakterizovať všetko na základnej úrovni, vysvetľujúca otázky štruktúry planéty.

  Teória strún sa objavila v popise hadrónov, častíc s vyššími vibračnými stavmi struny. Stručne povedané, ľahko vysvetľuje prechod dĺžky do hmoty.

  Existuje mnoho teórií o superstrunách. Dnes nie je s určitosťou známe, či je možné pomocou neho vysvetliť teóriu časopriestoru presnejšie ako Einstein. Vykonané merania neposkytujú presné údaje. Niektoré z nich, týkajúce sa časopriestoru, boli dôsledkom interakcií strún, ale nakoniec boli predmetom kritiky.

  Teória gravitácie sa stane hlavným dôsledkom opísanej teórie, ak sa potvrdí.

  Struny a brány umožnili vznik viac ako 10 000 spôsobov uvažovania o vesmíre. Existujú knihy o teórii strún verejný prístup na internete je podrobne a zrozumiteľne popísaná autormi:

  • Yau Shintan;
  • Steve Nadis „Teória strún a skryté dimenzie vesmíru“;
  • Aj o tom hovorí Brian Green v The Elegant Universe.

  
  Názory, dôkazy, úvahy a všetky tie najmenšie detaily nájdete pri pohľade do jednej z mnohých kníh, ktoré poskytujú informácie o svete prístupným a zaujímavým spôsobom. Fyzici vysvetľujú existujúci vesmír našou prítomnosťou, existenciou iných vesmírov (aj podobných, ako je náš). Podľa Einsteina existuje zložená verzia vesmíru.

  V teórii superstrun sa bodky môžu spájať paralelné svety. Zavedené zákony fyziky dávajú nádej na možnosť prechodu medzi vesmírmi. Kvantová teória gravitácie to zároveň eliminuje.

  Fyzici hovoria aj o holografickej fixácii údajov, keď sú zaznamenané na povrchu. V budúcnosti to dá impulz na pochopenie úsudku o energetických vláknach. Existujú úsudky o mnohosti rozmerov času a možnosti pohybovať sa v ňom. Hypotéza veľkého tresku v dôsledku kolízie 2 brán naznačuje možnosť opakovania cyklov.

  Vesmír, vznik všetkého a postupná premena všetkého vždy zamestnávali vynikajúce mysle ľudstva. Nové objavy boli, sú a budú. Konečný výklad teórie strún umožní určiť hustotu hmoty, kozmologickú konštantu.

  Vďaka tomu sa určí schopnosť vesmíru zmenšovať sa až do ďalšieho okamihu výbuchu a nového začiatku všetkého. Teórie sú rozvinuté, overené a k niečomu vedú. Podnetom pre vznik jadrových zbraní sa teda následne stala Einsteinova rovnica, ktorá popisuje závislosť energie od hmotnosti a druhej mocniny rýchlosti svetla E = mc ^ 2. Potom bol vynájdený aj laser a tranzistor. Dnes sa nevie, čo očakávať, ale určite to k niečomu povedie.

  Ekológia poznania: Najväčším problémom 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

  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 dimenzií 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 iné 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. Ktorá z nich zodpovedá našej realite, sa momentálne počíta. 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 k prvému 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 na ceste vznikla, nemožno obísť. Na určenie polohy v tomto segmente potrebujete iba jednu súradnicu.

  Položme 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. 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 dvojrozmerných projekciách objektu v rovine, ako je brokolica v prístroji MRI:

  Ale pre obyvateľa našej roviny je takýto obraz nepochopiteľný! Nevie si ju ani 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. Len 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 našej realite 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 ktorom bare sa bude konať, ale aj presný čas tejto udalosti.

  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, kúsok tejto dimenzie v každom jednom okamihu v čase. Áno, áno, ako brokolica v prístroji na magnetickú rezonanciu.

  Všetky teórie doteraz pracovali s veľkým množstvom priestorových dimenzií a čas bol vždy jediný. Ale prečo priestor umožňuje viac dimenzií priestoru, ale iba jeden čas? 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 mentálne cvičenie si skúsme predstaviť svet s dvoma časmi.

  Každá dimenzia existuje samostatne. To je vyjadrené v tom, 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, aké dôležité je zakrivenie 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? Správne - ohnite túto rovinu ako list papiera. Kde sa zohnúť? A opäť správne – v šiestej dimenzii, ktorá dáva celej zložitej štruktúre „objem“. A tak z neho robí, podobne ako z trojrozmerného priestoru, „dokončený“, nový bod.

  Siedma dimenzia 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. Opäť bod.

  Tu sme narazili na limit. Aby sme si predstavili desiaty rozmer, potrebujeme priamku. A čo by mohlo byť ďalším bodom na tejto priamke, 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 tvoria všetko, 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? uverejnený