Stygų teorija apie visatos sandarą. Ar stygų teorija yra vieninga visko teorija? Papildomi stygų teorijos matmenys

Mokykloje sužinojome, kad materija susideda iš atomų, o atomai – iš branduolių, aplink kuriuos sukasi elektronai. Planetos sukasi aplink saulę beveik taip pat, todėl mums lengva tai įsivaizduoti. Tada atomas buvo suskaidytas į elementarias daleles ir tapo sunkiau įsivaizduoti visatos struktūrą. Dalelių skalėje galioja skirtingi dėsniai, ir ne visada pavyksta rasti analogiją iš gyvenimo. Fizika tapo abstrakti ir paini.

Tačiau kitas teorinės fizikos žingsnis grąžino realybės jausmą. Stygų teorija apibūdino pasaulį terminais, kurie vėlgi yra įsivaizduojami, todėl lengviau suprantami ir įsimenami.

Tema vis dar nelengva, tad eikime eilės tvarka. Pirmiausia išsiaiškinkime, kas yra teorija, tada pabandykime suprasti, kodėl ji buvo išrasta. Desertui – šiek tiek istorijos styginių teorija turi trumpą istoriją, bet su dviem revoliucijomis.

Visata sudaryta iš vibruojančių energijos gijų

Iki stygų teorijos elementarios dalelės buvo laikomos taškais – bematėmis formomis, turinčiomis tam tikras savybes. Stygų teorija apibūdina jas kaip energijos gijas, kurios turi vieną matmenį – ilgį. Šie vienmačiai siūlai vadinami kvantinės stygos.

Teorinė fizika

Teorinė fizika
aprašo pasaulį naudodamas matematiką, o ne eksperimentinę fiziką. Pirmasis teorinis fizikas buvo Izaokas Niutonas (1642-1727).

Atomo branduolys su elektronais, elementariosiomis dalelėmis ir kvantinėmis stygomis menininko akimis. Dokumentinio filmo „Elegantiška visata“ fragmentas

Kvantinės stygos yra labai mažos, jų ilgis yra apie 10–33 cm Tai yra šimtą milijonų kartų mažesnis už protonus, kurie susiduria su Didžiuoju hadronų greitintuvu. Tokiems eksperimentams su stygomis reikėtų sukurti galaktikos dydžio greitintuvą. Dar neradome būdo aptikti stygas, tačiau matematikos dėka galime atspėti kai kurias jų savybes.

Kvantinės stygos yra atviros ir uždaros. Atviri galai yra laisvi, o uždari galai užsidaro vienas prie kito, sudarydami kilpas. Stygos nuolat „atsidaro“ ir „užsidaro“, jungiasi su kitomis stygomis ir skyla į mažesnes.

Kvantinės stygos ištemptos. Įtampa erdvėje atsiranda dėl energijos skirtumo: uždaroms stygoms tarp uždarų galų, atviroms stygoms - tarp stygų galų ir tuštumos. Fizikai šią tuštumą vadina dvimačiais matmenimis arba branomis – nuo ​​žodžio membrana.

centimetrų – mažiausias įmanomas objekto dydis visatoje. Jis vadinamas Plancko ilgiu

Esame pagaminti iš kvantinių stygų

Kvantinės stygos vibruoja. Tai vibracijos, panašios į balalaikos stygų virpesius, vienodomis bangomis ir daugybe minimumų bei maksimumų. Vibruodama kvantinė styga nesukuria garso elementariųjų dalelių skalėje, nėra kam perduoti garso virpesių. Ji pati tampa dalele: vibruoja vienu dažniu – kvarku, kitu – gliuonu, trečiu – fotonu. Todėl kvantinė eilutė yra vienas pastato elementas, visatos „plyta“.

Visata dažniausiai vaizduojama kaip erdvė ir žvaigždės, bet tai ir mūsų planeta, ir tu ir aš, ir tekstas ekrane, ir uogos miške.

Stygų virpesių diagrama. Bet kuriuo dažniu visos bangos yra vienodos, jų skaičius yra sveikasis skaičius: vienas, du ir trys

Maskvos sritis, 2016 m. Braškių daug – tik uodų daugiau. Jie taip pat pagaminti iš stygų.

Ir erdvės kažkur yra. Grįžkime į kosmosą

Taigi, visatos šerdyje yra kvantinės stygos, vienmatės energijos gijos, kurios vibruoja, keičia dydį ir formą bei keičiasi energija su kitomis stygomis. Bet tai dar ne viskas.

Kvantinės stygos juda erdvėje. O erdvės stygų skalėje – daugiausia įdomi dalis teorijos.

Kvantinės stygos juda 11 dimensijų

Teodoras Kaluza
(1885-1954)

Viskas prasidėjo nuo Alberto Einšteino. Jo atradimai parodė, kad laikas yra santykinis ir sujungė jį su erdve į vieną erdvės-laiko kontinuumą. Einšteino darbai paaiškino gravitaciją, planetų judėjimą ir juodųjų skylių susidarymą. Be to, jie įkvėpė savo amžininkus naujiems atradimams.

Einšteinas paskelbė Bendrosios reliatyvumo teorijos lygtis 1915–1916 m., o jau 1919 m. lenkų matematikas Theodoras Kaluza bandė pritaikyti savo skaičiavimus teorijai. elektromagnetinis laukas. Tačiau iškilo klausimas: jei Einšteino gravitacija sulenkia keturis erdvėlaikio matmenis, ką sulenkia elektromagnetinės jėgos? Tikėjimas Einšteinu buvo stiprus, ir Kaluza neabejojo, kad jo lygtys apibūdins elektromagnetizmą. Vietoj to jis pasiūlė, kad elektromagnetinės jėgos išlenktų papildomą penktąją dimensiją. Einšteinui ši idėja patiko, tačiau teorija nebuvo patikrinta eksperimentais ir buvo pamiršta iki septintojo dešimtmečio.

Albertas Einšteinas (1879-1955)

Teodoras Kaluza
(1885-1954)

Teodoras Kaluza
(1885-1954)

Albertas Einšteinas
(1879-1955)

Pirmosios stygų teorijos lygtys davė keistų rezultatų. Juose atsirado tachionai – neigiamos masės dalelės, judančios greičiau nei šviesos greitis. Čia pravertė Kaluzos idėja apie visatos daugiamatiškumą. Tiesa, penkių matmenų nepakako, kaip ir šešių, septynių ar dešimties. Pirmosios stygų teorijos matematika turėjo prasmę tik tuo atveju, jei mūsų visata turėjo 26 matmenis! Vėlesnėms teorijoms užteko dešimties, o šiuolaikinėje jų yra vienuolika – dešimt erdvinių ir laiko.

Bet jei taip, kodėl nematome papildomų septynių dimensijų? Atsakymas paprastas – jie per maži. Iš tolo trimatis objektas atrodys plokščias: vandens vamzdis atrodys kaip kaspinas ir balionas- aplinkui. Net jei galėtume matyti kitų dimensijų objektus, neatsižvelgtume į jų daugiamatiškumą. Mokslininkai tai vadina efektu sutankinimas.

Papildomos dimensijos yra sulankstytos į nepastebimai mažas erdvės laiko formas – jos vadinamos Calabi-Yau erdvėmis. Iš tolo atrodo plokščia.

Septynias papildomas dimensijas galime pavaizduoti tik matematinių modelių pavidalu. Tai fantazijos, sukurtos remiantis mums žinomomis erdvės ir laiko savybėmis. Pridėjus trečią dimensiją, pasaulis tampa trimatis ir galime apeiti kliūtį. Galbūt, naudojant tą patį principą, teisinga pridėti likusias septynias dimensijas - tada jas naudodami galite apeiti erdvėlaikį ir bet kuriuo metu patekti į bet kurį bet kurios visatos tašką.

matavimai visatoje pagal pirmąją stygų teorijos versiją – bozoninę. Dabar tai laikoma nereikšminga

Linija turi tik vieną matmenį – ilgį

Balionas yra trimatis ir turi trečią matmenį – aukštį. Tačiau dvimačiam žmogui tai atrodo kaip linija

Kaip dvimatis žmogus neįsivaizduoja daugiamatiškumo, taip ir mes neįsivaizduojame visų visatos matmenų.

Pagal šį modelį kvantinės stygos keliauja visada ir visur, o tai reiškia, kad tos pačios eilutės užkoduoja visų įmanomų visatų savybes nuo jų gimimo iki laikų pabaigos. Deja, mūsų balionas plokščias. Mūsų pasaulis yra tik keturmatė vienuolikos dimensijos visatos projekcija ant matomų erdvės laiko skalių, ir mes negalime sekti stygų.

Kada nors pamatysime Didįjį sprogimą

Kada nors mes apskaičiuosime stygų virpesių dažnį ir papildomų matmenų organizavimą mūsų visatoje. Tada apie tai sužinosime absoliučiai viską ir galėsime pamatyti Didįjį sprogimą arba skristi į Alfa Kentaurį. Tačiau kol kas tai neįmanoma – užuominų, kuo remtis atliekant skaičiavimus, nėra, o reikiamus skaičius galima rasti tik žiauria jėga. Matematikai apskaičiavo, kad bus galima rūšiuoti 10 500 variantų. Teorija pateko į aklavietę.

Ir vis dėlto stygų teorija vis dar gali paaiškinti visatos prigimtį. Kad tai padarytų, ji turi sujungti visas kitas teorijas, tapti visa ko teorija.

Stygų teorija taps visko teorija. Gali būti

XX amžiaus antroje pusėje fizikai patvirtino keletą pagrindinių teorijų apie visatos prigimtį. Atrodė, kad dar truputį ir viską suprasime. Tačiau pagrindinė problema dar neišspręsta: teorijos puikiai veikia atskirai, tačiau nepateikia bendro vaizdo.

Yra dvi pagrindinės teorijos: reliatyvumo teorija ir kvantinė teorija laukus.

galimybės organizuoti 11 dimensijų Calabi-Yau erdvėse – užtenka visoms įmanomoms visatoms. Palyginimui, atomų skaičius stebimoje visatos dalyje yra apie 10 80

Yra pakankamai galimybių organizuoti Calabi-Yau erdves visoms įmanomoms visatoms. Palyginimui, stebimoje visatoje atomų skaičius yra apie 10 80

Reliatyvumo teorija
aprašė gravitacinę planetų ir žvaigždžių sąveiką ir paaiškino juodųjų skylių fenomeną. Tai vaizdinio ir loginio pasaulio fizika.

Modelis gravitacinė sąveikaŽemė ir Mėnulis Einšteino erdvėlaikyje

Kvantinio lauko teorija
nustatė elementariųjų dalelių tipus ir aprašė 3 tarpusavio sąveikos tipus: stipriąją, silpnąją ir elektromagnetinę. Tai yra chaoso fizika.

Kvantinis pasaulis menininko akimis. Vaizdo įrašas iš MiShorts svetainės

Vadinama kvantinio lauko teorija su pridėtine neutrinų mase Standartinis modelis. Tai yra pagrindinė visatos sandaros kvantiniu lygmeniu teorija. Dauguma teorijos prognozių pasitvirtina eksperimentais.

Standartinis modelis padalija visas daleles į fermionus ir bozonus. Fermionai sudaro materiją – ši grupė apima visas stebimas daleles, tokias kaip kvarkas ir elektronas. Bozonai yra jėgos, atsakingos už fermionų, tokių kaip fotonas ir gliuonas, sąveiką. Jau žinomos dvi dešimtys dalelių, o mokslininkai ir toliau atranda naujų.

Logiška manyti, kad gravitacinę sąveiką taip pat perduoda jo bozonas. Jie dar nerado, bet apibūdino jo savybes ir sugalvojo pavadinimą - gravitonas.

Tačiau teorijų sujungti neįmanoma. Pagal standartinį modelį elementariosios dalelės yra bedimensiniai taškai, kurie sąveikauja nuliniais atstumais. Jei ši taisyklė taikoma gravitonui, lygtys duoda begalinius rezultatus, todėl jos netenka prasmės. Tai tik vienas iš prieštaravimų, tačiau jis gerai parodo, kaip toli viena fizika yra nuo kitos.

Todėl mokslininkai ieško alternatyvioji teorija, galintis sujungti visas teorijas į vieną. Ši teorija buvo vadinama vieningo lauko teorija arba teorija apie viską.

Fermionai
sudaro visų rūšių medžiagas, išskyrus tamsiąją medžiagą

Bozonai
perduoti energiją tarp fermionų

Stygų teorija galėtų suvienyti mokslo pasaulį

Stygų teorija šiame vaidmenyje atrodo patrauklesnė nei kitos, nes ji iš karto išsprendžia pagrindinį prieštaravimą. Kvantinės stygos vibruoja, todėl atstumas tarp jų didesnis už nulį, ir galima išvengti neįmanomų gravitono skaičiavimo rezultatų. Ir pats gravitonas puikiai tinka stygų sampratai.

Tačiau stygų teorija nebuvo įrodyta eksperimentais, jos pasiekimai lieka ant popieriaus. Juo labiau stebina tai, kad jis nebuvo apleistas jau 40 metų – jo potencialas toks didelis. Norėdami suprasti, kodėl taip nutinka, pažiūrėkime atgal ir pažiūrėkime, kaip tai vystėsi.

Stygų teorija išgyveno dvi revoliucijas

Gabriele Veneziano
(gimė 1942 m.)

Iš pradžių stygų teorija visai nebuvo laikoma pretendente į fizikos suvienodinimą. Jis buvo atrastas atsitiktinai. 1968 m. jaunasis teorinis fizikas Gabriele Veneziano ištyrė stiprią sąveiką atomo branduolys. Netikėtai jis atrado, kad jas gerai apibūdino Eulerio beta funkcija – lygčių rinkinys, kurį šveicarų matematikas Leonhardas Euleris sudarė prieš 200 metų. Tai buvo keista: tais laikais atomas buvo laikomas nedalijus, o Eulerio darbas sprendė išimtinai matematines problemas. Niekas nesuprato, kodėl lygtys veikė, bet jos buvo aktyviai naudojamos.

Fizinė Eulerio beta funkcijos reikšmė buvo išaiškinta po dvejų metų. Trys fizikai Yoichiro Nambu, Holgeris Nielsenas ir Leonardas Susskindas teigė, kad elementarios dalelės gali būti ne taškai, o vienmatės vibruojančios stygos. Stiprią tokių objektų sąveiką idealiai apibūdino Eulerio lygtys. Pirmoji stygų teorijos versija buvo vadinama bozonine, nes ji apibūdino bozonų, atsakingų už materijos sąveiką, styginį pobūdį ir nebuvo susijusi su fermionais, iš kurių susideda materija.

Teorija buvo grubi. Tai apėmė tachionus, o pagrindinės prognozės prieštaravo eksperimento rezultatams. Ir nors tachionų buvo galima atsikratyti naudojant Kaluzos daugiamatiškumą, stygų teorija neįsitvirtino.

• Gabriele Veneziano
• Yoichiro Nambu
• Holgeris Nielsenas
• Leonardas Susskindas
• Jonas Švarcas
• Michaelas Greenas
• Edvardas Vitenas

• Gabriele Veneziano
• Yoichiro Nambu
• Holgeris Nielsenas
• Leonardas Susskindas
• Jonas Švarcas
• Michaelas Greenas
• Edvardas Vitenas

Tačiau teorija vis dar turi ištikimų šalininkų. 1971 m. Pierre'as Ramonas į stygų teoriją įtraukė fermionus, sumažindamas matmenų skaičių nuo 26 iki dešimties. Tai pažymėjo pradžią supersimetrijos teorija.

Jame teigiama, kad kiekvienas fermionas turi savo bozoną, o tai reiškia, kad materija ir energija yra simetriškos. Nesvarbu, kad stebima visata yra asimetriška, sakė Ramonas, yra sąlygų, kuriomis simetrija vis dar stebima. Ir jei pagal stygų teoriją fermionai ir bozonai yra užkoduoti tų pačių objektų, tai tokiomis sąlygomis materiją galima paversti energija ir atvirkščiai. Ši stygų savybė buvo vadinama supersimetrija, o pati stygų teorija – superstygų teorija.

1974 m. Johnas Schwartzas ir Joelis Sherkas išsiaiškino, kad kai kurios stygų savybės nepaprastai gerai sutampa su tariamo gravitacijos nešiklio, gravitono, savybėmis. Nuo to momento teorija pradėjo rimtai pretenduoti į apibendrinimą.

erdvės-laiko matmenys buvo pirmoje superstygų teorijoje

"Matematinė stygų teorijos struktūra yra tokia graži ir turi tiek daug nuostabių savybių, kad ji tikrai turi nurodyti kažką gilesnio."

Pirmoji superstygų revoliucijaįvyko 1984 m. Johnas Schwartzas ir Michaelas Greenas pristatė matematinį modelį, kuris parodė, kad daugelis stygų teorijos ir standartinio modelio prieštaravimų gali būti išspręsti. Naujosios lygtys taip pat susiejo teoriją su visų rūšių medžiaga ir energija. Mokslo pasaulis Užklupo karščiavimas – fizikai atsisakė tyrimų ir perėjo prie stygų tyrimo.

1984–1986 metais buvo parašyta daugiau nei tūkstantis stygų teorijos darbų. Jie parodė, kad daugelis standartinio modelio ir gravitacijos teorijos nuostatų, kurios buvo sujungtos per daugelį metų, natūraliai išplaukia iš stygų fizikos. Tyrimas įtikino mokslininkus, kad vienijanti teorija yra visai šalia.

„Akimirka, kai esi supažindintas su stygų teorija ir supranti, kad beveik visi pagrindiniai praėjusio šimtmečio fizikos laimėjimai plaukė – ir tekėjo tokia elegancija – nuo ​​tokio paprasto pradžios taško, aiškiai parodo neįtikėtiną šios teorijos galią.

Tačiau stygų teorija neskubėjo atskleisti savo paslapčių. Vietoj išspręstų problemų atsirado naujų. Mokslininkai išsiaiškino, kad yra ne viena, o penkios superstygų teorijos. Jose esančios stygos turėjo skirtingus supersimetrijos tipus ir nebuvo jokio būdo suprasti, kuri teorija yra teisinga.

Matematiniai metodai turėjo savo ribas. Fizikai yra įpratę prie sudėtingų lygčių, kurios neduoda tikslių rezultatų, tačiau stygų teorijai nebuvo įmanoma parašyti net tikslių lygčių. O apytiksliai apytikslių lygčių rezultatai atsakymų nepateikė. Tapo aišku, kad teorijai studijuoti reikia naujos matematikos, tačiau niekas nežinojo, kokia tai bus matematika. Mokslininkų užsidegimas atslūgo.

Antroji superstygų revoliucija griaudėjo 1995 m. Aklavietę užbaigė Edwardo Witteno kalba Styginių teorijos konferencijoje Pietų Kalifornijoje. Wittenas parodė, kad visos penkios teorijos yra ypatingi vienos, bendresnės superstygų teorijos atvejai, kurioje yra ne dešimt dimensijų, o vienuolika. Wittenas vienijančią teoriją pavadino M-teorija, arba visų teorijų Motina Angliškas žodis Motina.

Tačiau svarbiau buvo kažkas kita. Witteno M teorija taip gerai apibūdino gravitacijos poveikį superstygų teorijoje, kad ji buvo pavadinta supersimetrine gravitacijos teorija arba supergravitacijos teorija. Tai paskatino mokslininkus, o moksliniai žurnalai vėl prisipildė publikacijų apie stygų fiziką.

erdvės ir laiko matavimai šiuolaikinėje superstygų teorijoje

„Stygų teorija yra dvidešimt pirmojo amžiaus fizikos dalis, kuri atsitiktinai pateko į dvidešimtąjį amžių. Gali praeiti dešimtmečiai ar net šimtmečiai, kol jis bus visiškai išvystytas ir suprastas.

Šios revoliucijos atgarsiai girdimi ir šiandien. Tačiau nepaisant visų mokslininkų pastangų, stygų teorija turi daugiau klausimų nei atsakymų. Šiuolaikinis mokslas bando sukurti daugiamatės visatos modelius ir tiria matmenis kaip erdvės membranas. Jie vadinami branomis – pamenate tuštumą su atviromis stygomis, ištemptomis per jas? Daroma prielaida, kad pačios stygos gali pasirodyti dvimatės arba trimatės. Jie netgi kalba apie naują 12 dimensijų pagrindinę teoriją – F teoriją, visų teorijų tėvą, nuo žodžio Tėvas. Stygų teorijos istorija toli gražu nesibaigė.

Stygų teorija dar neįrodyta, bet nepaneigta ir.

Pagrindinė teorijos problema yra tiesioginių įrodymų trūkumas. Taip, iš to seka kitos teorijos, mokslininkai prideda 2 ir 2, o pasirodo 4. Bet tai nereiškia, kad ketvertas susideda iš dvejetų. Eksperimentai su didžiuoju hadronų greitintuvu dar neatrado supersimetrijos, kuri patvirtintų vieną struktūrinis pagrindas visatos ir atsidurtų stygų fizikos šalininkų rankose. Tačiau neigimų taip pat nėra. Todėl elegantiška stygų teorijos matematika ir toliau jaudina mokslininkų protus, žada visų visatos paslapčių sprendimus.

Kalbant apie stygų teoriją, negalima nepaminėti Briano Greene'o, Kolumbijos universiteto profesoriaus ir nenuilstamo teorijos populiarintojo. Greenas skaito paskaitas ir pasirodo per televiziją. 2000 metais jo knyga „Elegantiška visata. Superstygos, paslėpti matmenys ir galutinės teorijos paieška“ buvo Pulitzerio premijos finalininkas. 2011 m. jis suvaidino save 83-ioje „Didžiojo sprogimo teorijos“ serijoje. 2013 metais jis lankėsi Maskvos politechnikos institute ir davė interviu „Lenta-ru“.

Jei nenorite tapti stygų teorijos ekspertu, bet norite suprasti, kokiame pasaulyje gyvenate, atsiminkite šį „cheat sheet“:

1. Visata sudaryta iš energijos gijų – kvantinių stygų, kurios vibruoja kaip stygos muzikos instrumentai. Skirtingi vibracijos dažniai paverčia stygas skirtingomis dalelėmis.
2. Stygų galai gali būti laisvi arba užsidaryti vienas ant kito, sudarydami kilpas. Stygos nuolat užsidaro, atsidaro ir keičiasi energija su kitomis stygomis.
3. Kvantinės stygos egzistuoja 11 matmenų visatoje. Papildomos 7 dimensijos yra sulankstytos į nepastebimai mažas erdvės laiko formas, todėl mes jų nematome. Tai vadinama matmenų sutankinimu.
4. Jei tiksliai žinotume, kaip mūsų visatos matmenys yra sulenkti, galėtume keliauti laiku ir į kitas žvaigždes. Tačiau tai kol kas neįmanoma – yra per daug galimybių. Jų užtektų visoms įmanomoms visatoms.
5. Stygų teorija gali sujungti visas fizikines teorijas ir atskleisti mums visatos paslaptis – tam yra visos prielaidos. Tačiau įrodymų kol kas nėra.
6. Kiti atradimai logiškai išplaukia iš stygų teorijos šiuolaikinis mokslas. Deja, tai nieko neįrodo.
7. Stygų teorija išgyveno dvi superstygų revoliucijas ir ilgus užmaršties metus. Vieni mokslininkai tai laiko moksline fantastika, kiti mano, kad naujosios technologijos padės tai įrodyti.
8. Svarbiausia: jei planuojate draugams pasakoti apie stygų teoriją, įsitikinkite, kad tarp jų nėra fiziko – sutaupysite laiko ir nervų. Ir jūs atrodysite kaip Brianas Greene'as politechnikume:

Superstygų teorija

Trumpai apie superstygų teoriją

Ši teorija atrodo tokia beprotiška, kad visai įmanoma, kad ji teisinga!

Įvairios versijos Stygų teorijos dabar laikomos pagrindinėmis pretendentėmis į visapusiškos universalios teorijos, paaiškinančios visko, kas egzistuoja, titulą. Ir tai yra savotiškas teorinių fizikų, susijusių su elementariųjų dalelių teorija ir kosmologija, Šventasis Gralis. Visuotinė teorija (dar žinoma teorija apie viską) yra tik kelios lygtys, sujungiančios visą rinkinį žmogaus žinios apie sąveikos prigimtį ir pagrindinių materijos elementų, iš kurių sukurta Visata, savybes. Šiandien stygų teorija buvo derinama su koncepcija supersimetrija, ko pasekoje gimė superstygų teorija, ir iki šiol tai yra maksimumas, kuris buvo pasiektas suvienodinant visų keturių pagrindinių sąveikų (gamtoje veikiančių jėgų) teoriją. Pati supersimetrijos teorija jau sukurta remiantis a priori moderni koncepcija, pagal kurią bet kokią nuotolinę (lauko) sąveiką sąlygoja atitinkamos rūšies sąveikos dalelių-nešėjų mainai tarp sąveikaujančių dalelių (Standartinis modelis). Siekiant aiškumo, sąveikaujančios dalelės gali būti laikomos visatos „plytose“, o nešiklio dalelės – cementu.

Standartiniame modelyje kvarkai veikia kaip statybiniai blokai, o sąveikos nešėjai – kaip matuoklio bozonai, kuriais šie kvarkai keičiasi tarpusavyje. Supersimetrijos teorija eina dar toliau ir teigia, kad patys kvarkai ir leptonai nėra esminiai: jie visi susideda iš dar sunkesnių ir neeksperimentiškai atrastų materijos struktūrų (statybinių blokų), kurias kartu laiko dar stipresnis superenergijos dalelių „cementas“. -sąveikos nešėjai nei kvarkai hadronų ir bozonų sudėtyje. Natūralu, kad laboratorinėmis sąlygomis Nė viena iš supersimetrijos teorijos prognozių dar nebuvo patikrinta, tačiau hipotetiniai paslėpti materialaus pasaulio komponentai jau turi pavadinimus – pavyzdžiui, selekcininkas (supersimetrinis elektrono partneris), skvarkas

Tačiau šių teorijų siūlomas Visatos vaizdas yra gana lengvas. Maždaug 10–35 m skalėje, tai yra 20 dydžių mažesnių už to paties protono, apimančio tris surištus kvarkus, skersmenį, materijos struktūra skiriasi nuo mums įpratusios net elementariųjų dalelių lygyje. . Tokiais mažais atstumais (ir esant tokioms didelėms sąveikos energijoms, kad tai neįsivaizduojama) materija virsta lauke stovinčiomis bangomis, panašiomis į tas, kurias sužadina muzikos instrumentų stygos. Kaip ir gitaros styga, tokia styga gali sujaudinti, be pagrindinio tono, daugelį obertonai arba harmonikų Kiekviena harmonika turi savo energetinę būseną. Pagal

reliatyvumo principas (Reliatyvumo teorija), energija ir masė yra lygiavertės, o tai reiškia, kad kuo didesnis stygos harmoninės bangos virpesių dažnis, tuo didesnė jos energija ir didesnė stebimos dalelės masė. Tačiau jei gitaros stygoje gana lengva vizualizuoti stovinčią bangą, tai superstygų teorijos siūlomos stovinčios bangos yra sunkiai vizualizuojamos – faktas yra tas, kad superstygų vibracijos atsiranda erdvėje, kuri turi 11 dimensijų. Mes įpratę keturmatė erdvė, kuriame yra trys erdviniai ir vienas laiko matmenys (kairė-dešinė, aukštyn-žemyn, pirmyn-atgal, praeitis-ateitis). Superstyginėje erdvėje viskas yra daug sudėtingiau (žr. langelį).

Teoriniai fizikai apeina slidžią „papildomų“ erdvinių matmenų problemą teigdami, kad jie yra „paslėpti“ (arba moksline kalba„suglaudintas“) ir todėl nėra stebimas esant įprastoms energijoms.

Visai neseniai stygų teorija buvo toliau plėtojama formoje daugiamačių membranų teorija dėl matematinio aparato nepakankamumo įvesti jį į griežtą vidinę korespondenciją. Nuo šios teorijos gimimo praėjo 20 metų ir niekam nepavyko nuosekliai suderinti kai kurių jos aspektų ir versijų su kitais. Dar nemaloniau yra tai, kad nė vienas iš stygų teoriją (ir ypač superstygas) siūlančių teoretikų iki šiol nepasiūlė nė vieno eksperimento, kurio metu šias teorijas būtų galima išbandyti laboratorijoje. Deja, bijau, kad kol jie to nepadarys, visas jų darbas liks keistu fantazijos žaidimu ir pratimais suvokti ezoterines žinias, nepriklausančias prie pagrindinės gamtos mokslų krypties.

Superstrings įvadas

vertė Sergejus Pavliučenko

Stygų teorija yra viena įdomiausių ir giliausių šiuolaikinės teorinės fizikos teorijų. Deja, tai vis dar gana sunkiai suprantamas dalykas, kurį galima suprasti tik iš kvantinio lauko teorijos pozicijų. Matematikos žinios, tokios kaip grupių teorija, diferencialinė geometrija ir kt., nepakenks supratimui. Taigi daugumai tai lieka „dalykas savaime“.

Šis įvadas skirtas kaip „perskaitomas“ glaustas įvadas į pagrindines stygų teorijos sąvokas besidomintiems. Deja, už pristatymo prieinamumą turėsime mokėti griežtai ir išsamiai. Tikimės, kad tai suteiks jums atsakymus į pačius paprasčiausius klausimus apie stygų teoriją ir būsite persmelkti šios mokslo srities grožio.

Stygų teorija yra iki šiol dinamiškai besivystanti žinių sritis; kiekviena diena atneša apie ją ką nors naujo. Mes dar tiksliai nežinome, ar stygų teorija apibūdina mūsų Visatą ir kokiu mastu. Tačiau ji gali tai gerai apibūdinti, kaip matyti iš šios apžvalgos.

Originali versija yra adresu http://www.sukidog.com/jpierre/strings/index.html.

Kodėl stygų teorija?

Kvantinei gravitacijai būdinga energijos skalė vadinama Planko masė ir išreiškiamas Planko konstanta, šviesos greičiu ir gravitacijos konstanta taip:

Galima daryti prielaidą, kad galutinėje formoje stygų teorija pateiks atsakymus į šiuos klausimus:

• Kokia yra 4 mums žinomų gamtos jėgų kilmė?
• Kodėl dalelių masės ir krūviai yra tokie, kokie yra?
• Kodėl gyvename erdvėje su 4 erdviniais matmenimis?
• Kokia yra erdvėlaikio ir gravitacijos prigimtis?

  Stygų teorijos pagrindai

  Esame įpratę galvoti apie elementarias daleles (pvz., elektronus) kaip apie taškinius 0 matmenų objektus. Šiek tiek bendresnė sąvoka yra pagrindinės stygos kaip 1 dimensijos objektai. Jie yra be galo ploni, o jų ilgis yra maždaug . Tačiau tai yra tiesiog nereikšminga, palyginti su ilgiais, su kuriais paprastai susiduriame, todėl galime juos laikyti praktiškai taškiniais. Tačiau, kaip matysime, jų styginių pobūdis yra gana svarbus.

  Yra stygos atviras Ir uždaryta. Judėdami erdvėlaikiu, jie dengia paviršių, vadinamą pasaulio lapas.

  

  Šios stygos turi specifinius vibracijos režimus, kurie nustato dalelei būdingus kvantinius skaičius, pvz., masę, sukimąsi ir kt. Pagrindinė idėja yra ta, kad kiekvienas režimas turi kvantinių skaičių rinkinį, atitinkantį tam tikrą dalelių tipą. Tai yra galutinis suvienijimas – visas daleles galima apibūdinti per vieną objektą – eilutę!

  Kaip pavyzdį apsvarstykite uždarą eilutę, kuri atrodo taip:

  Tokia eilutė atitinka bemasę gravitonas su sukiniu 2 – dalelė, kuri perduoda gravitacinę sąveiką. Beje, tai yra vienas iš stygų teorijos bruožų – ji natūraliai ir neišvengiamai apima gravitaciją kaip vieną iš esminių sąveikų.

  Stygos sąveikauja skilimo ir sintezės būdu. Pavyzdžiui, dviejų uždarų eilučių sunaikinimas į vieną uždarą eilutę atrodo taip:

  
  

  Atkreipkite dėmesį, kad pasaulio lapo paviršius yra lygus. Tai reiškia dar vieną „gerą“ stygų teorijos savybę – ji neturi daugybės nukrypimų, būdingų kvantinio lauko teorijai su taškinėmis dalelėmis. Feynmano diagrama tam pačiam procesui

  

  sąveikos taške yra topologinis singuliarumas.

  Jei „suklijuojame“ dvi paprastas stygų sąveikas, gauname procesą, kurio metu dvi uždaros eilutės sąveikauja per jungtį į tarpinę uždarą eilutę, kuri vėl suskaidoma į dvi dalis:
  

  Šis didelis indėlis į sąveikos procesą vadinamas arborealinis požiūris. Norint apskaičiuoti procesų kvantines mechanines amplitudes, naudojant perturbacijos teorija, pridėkite aukštesnės eilės kvantinių procesų indėlį. Perturbacijos teorija suteikia gerų rezultatų, nes įnašai vis mažėja, nes naudojame vis didesnius užsakymus. Net jei apskaičiuosite tik kelias pirmąsias diagramas, galite gauti gana tikslius rezultatus. Stygų teorijoje aukštesnės eilės atitinka didesnį skylių (arba „rankenų“) skaičių pasaulio lapuose.
  
  

  Šio metodo pranašumas yra tas, kad kiekviena perturbacijos teorijos tvarka atitinka tik vieną diagramą (pavyzdžiui, lauko teorijoje su taškinėmis dalelėmis diagramų skaičius auga eksponentiškai aukštesnėmis eilėmis). Blogos žinios yra tai, kad tiksliai apskaičiuoti diagramas su daugiau nei dviem skylėmis yra labai sunku dėl matematinio aparato, naudojamo dirbant su tokiais paviršiais, sudėtingumo. Perturbacijos teorija labai praverčia tiriant procesus su silpna jungtimi, su ja siejami ir dauguma dalelių fizikos bei stygų teorijos atradimų. Tačiau visa tai dar toli gražu nesibaigė. Atsakymus į giliausius teorijos klausimus galima gauti tik tiksliai apibūdinus šią teoriją.

  D-branai

  Stygos gali turėti visiškai savavališkas ribines sąlygas. Pavyzdžiui, uždara eilutė turi periodines ribines sąlygas (eilutė „virsta į save“). Atviros eilutės gali turėti dviejų tipų ribines sąlygas – sąlygas Neumannas ir sąlygas Dirichlet. Pirmuoju atveju stygos galas gali laisvai judėti, nors ir neatima jokio impulso. Antruoju atveju eilutės galas gali judėti išilgai tam tikro kolektoriaus. Ši veislė vadinama D-branas arba Dp-branas(naudojant antrąjį žymėjimą, „p“ yra sveikasis skaičius, apibūdinantis kolektoriaus erdvinių matmenų skaičių). Pavyzdys yra dvi stygos, kurių vienas arba abu galai pritvirtinti prie dvimačio D arba D2 branos:

  

  D-branos gali turėti daugybę erdvinių matmenų nuo -1 iki mūsų erdvėlaikio erdvinių matmenų skaičiaus. Pavyzdžiui, superstygų teorijoje yra 10 dimensijų – 9 erdvinės ir viena laiko. Taigi, superstygose daugiausia gali egzistuoti D9 brana. Atkreipkite dėmesį, kad šiuo atveju stygų galai yra pritvirtinti prie visą erdvę apimančio kolektoriaus, todėl jie gali judėti visur, todėl iš tikrųjų taikoma Neumann sąlyga! Tuo atveju p=-1 visos erdvinės ir laiko koordinatės yra fiksuotos ir tokia konfigūracija vadinama akimirksniu obertonai D-instanton. Jei p=0, tai visos erdvinės koordinatės yra fiksuotos, o eilutės galas gali egzistuoti tik viename erdvės taške, todėl D0 branos dažnai vadinamos D dalelės. Lygiai taip pat D1-branos vadinamos D-stygomis. Beje, pats žodis „brana“ kilęs iš žodžio „membrana“, kuris reiškia 2 dimensijas branas arba 2 branas.

  Iš tikrųjų D-branos yra dinamiškos, jos gali svyruoti ir judėti. Pavyzdžiui, jie sąveikauja gravitaciniu būdu. Žemiau esančioje diagramoje galite pamatyti, kaip viena uždara styga (mūsų atveju gravitonas) sąveikauja su D2-brana. Ypač atkreiptinas dėmesys į tai, kad sąveikos metu uždara eilutė tampa atvira abiem D-branos galais.
  
  
  Taigi, stygų teorija yra daugiau nei tik stygų teorija!

  Papildomi matmenys

  Superstygos egzistuoja 10 dimensijų erdvėlaikyje, o mes gyvename 4 dimensijų erdvėlaikyje. Ir jei superstygos apibūdina mūsų Visatą, turime kažkaip sujungti šias dvi erdves. Norėdami tai padaryti, sutraukime 6 matmenis iki labai mažo dydžio. Jei pasirodys, kad kompaktiško matmens dydis atitinka eilučių dydį (), tada dėl šio matmens mažumo mes tiesiog negalėsime jo matyti. Galiausiai gausime savo (3+1) matmenų erdvę, kurioje kiekvienas mūsų 4 dimensijos Visatos taškas atitinka mažytę 6 matmenų erdvę. Tai labai schematiškai parodyta žemiau esančiame paveikslėlyje:

  

  Tai iš tikrųjų gana sena idėja, kilusi iš Kaluzos ir Kleino 1920-ųjų darbų. Šiuo atveju vadinamas aukščiau aprašytas mechanizmas Kaluzos-Kleino teorija obertonai sutankinimas. Pats Kaluzos darbas rodo, kad jei imtume reliatyvumą 5 dimensijos erdvėlaikyje, tada vieną dimensiją sulenktume į apskritimą, gautume 4 matmenų erdvėlaikį su reliatyvumu ir elektromagnetizmu! Ir tai atsitinka todėl, kad elektromagnetizmas yra U(1) matuoklio teorija. U(1) yra sukimosi aplink plokštumos tašką grupė. Kaluza-Klein mechanizmas suteikia paprastą geometrinė interpretacijašis ratas yra labai susilenkęs penktasis matmuo. Nors sulankstyti matavimai yra maži tiesioginiam aptikimui, jie vis tiek gali turėti gilią fizinę reikšmę. [Netyčia pateko į spaudą, Kaluzos ir Kleino darbai sukėlė daug spėlionių apie penktąją dimensiją.]

  Kaip mes galime sužinoti, ar tikrai yra papildomų dimensijų ir kaip galime jas „pajusti“, jei turime pakankamai didelės energijos greitintuvus? Iš kvantinės mechanikos žinoma, kad jei erdvė yra periodinė, tada impulsas yra kvantuojamas: o jei erdvė yra neribota, tada impulsų reikšmių spektras yra nuolatinis. Jei sumažinsite tankinimo spindulį (papildomų matmenų dydį), padidės leistinų impulsų verčių diapazonas. Taip gaunamas impulsų būsenų bokštas - Kalužos Kleino bokštas.

  

  Ir jei manoma, kad apskritimo spindulys yra labai didelis (mes „išardome“ matavimą), tada galimų impulso verčių diapazonas bus gana siauras, bet bus „beveik nuolatinis“. Toks spektras bus panašus į pasaulio masių spektrą be sutankinimų. Pavyzdžiui, be masės daugiau mažesnio skaičiaus būsenų matmenys atrodys lygiai taip pat, kaip aukščiau aprašytas būsenų bokštas. Tada reikia stebėti dalelių „rinkinį“, kurių masės yra vienodai nutolusios viena nuo kitos. Tiesa, norint „pamatyti“ masyviausias daleles, reikia daug geresnių greitintuvų nei šiuo metu turime.

  Stygos turi dar vieną nepaprastą savybę – jos gali „vingiuoti“ aplink sutankintą matmenį, o tai lemia išvaizdą derinami modifikacijos masių spektre. Uždara eilutė gali apvynioti sutankintą matmenį sveiką skaičių kartų. Panašiai kaip Kaluza-Klein byloje, jie prisideda prie pagreitio kaip . Reikšmingas skirtumas slypi būtent skirtingame ryšyje su tankinimo spinduliu. Šiuo atveju, esant mažiems dydžiams ir papildomų matmenų, atbulinės eigos režimai tampa labai paprasti!
  
  

  Dabar turime pereiti į savo 4-matę erdvę. Norėdami tai padaryti, mums reikia 10 dimensijų superstygų teorijos 6 dimensijų kompaktiškame kolektorius. Natūralu, kad aukščiau aprašytas vaizdas tampa sudėtingesnis. Paprasčiausias būdas yra manyti, kad visi šie 6 matmenys yra 6 apskritimai, taigi jie visi reiškia 6 dimensijų torą. Be to, ši schema leidžia išsaugoti supersimetriją. Manoma, kad tam tikra supersimetrija egzistuoja ir mūsų 4-matėje erdvėje 1 TeV dydžio energijos skalėse (būtent prie šių energijų pastaruoju metu supersimetrijos buvo ieškoma šiuolaikiniuose greitintuvuose). Norint išsaugoti minimalią supersimetriją, N=1 4 matme, reikia sutankinti ant specialaus 6 dimensijų kolektoriaus, vadinamo Calabi-Yau kolektorius.

  Calabi-Yo kolektorių savybės gali būti svarbios mažos energijos fizikoje - mūsų stebimoms dalelėms, jų masėms ir kvantiniams skaičiams bei dalelių kartų skaičiui. Problema ta, kad paprastai kalbant, yra daugybė Calabi-Yo veislių, ir mes nežinome, kurią iš jų naudoti. Tai yra prasmė, iš tikrųjų turėdami vieną 10 dimensijų stygų teoriją, gauname, kad 4 dimensijų teorija tampa ne vienintele įmanoma, bent jau mūsų (vis dar nepilno) supratimo lygmenyje. „Stygų žmonės“ (mokslininkai, dirbantys stygų teorijų srityje) tikisi, kad turėdami visišką neperturbacinę stygų teoriją (teorija, kuri NĖRA paremta šiek tiek aukščiau aprašytais trikdžiais), galėsime paaiškinti, kaip Visata nuo 10 dimensijų fizikos, kuri galėjo vykti didelės energijos laikotarpiu iškart po Didžiojo sprogimo, perėjo prie 4 dimensijos fizikos, su kuria susiduriame dabar. [Kitaip tariant, rasime unikalų Calabi-Yo kolektorių.] Andrew Stromingeris parodė, kad Calabi-Yo kolektoriai gali būti nuolat susieti vienas su kitu. kūginės transformacijos ir taip galima judėti tarp skirtingų Calabi-Yo kolektorių keičiant teorijos parametrus. Tačiau tai rodo galimybę, kad skirtingos 4 dimensijos teorijos, kylančios iš skirtingų Calabi-Yo kolektorių, yra skirtingos tos pačios teorijos fazės.

  Dvilypumas

  Pasirodo, kad penkios aukščiau aprašytos superstygų teorijos labai skiriasi silpnai susietos perturbacinės teorijos (anksčiau išplėtotos perturbacijos teorijos) požiūriu. Tačiau iš tikrųjų, kaip paaiškėjo per pastaruosius kelerius metus, juos visus sieja įvairūs styginiai dvilypumai. Pavadinkime teoriją dvilypis jei jie aprašo ta pati fizika.

  Pirmasis dvilypumo tipas, kurį čia aptarsime, yra T-dvilypumas. Šis dvilypumas sujungia teoriją, sutankintą spindulio apskritimu, su teorija, sutankinta spindulio apskritimu. Taigi, jei vienoje teorijoje erdvė sulankstyta į mažo spindulio apskritimą, tai kitoje ji bus susukta į didelio spindulio apskritimą, tačiau abu jie apibūdins tą pačią fiziką! IIA ir IIB tipo superstygų teorijos yra sujungtos per T-dualumą, SO(32) ir E8 x E8 heterotinės teorijos taip pat yra sujungtos per ją.

  Kitas dvilypumas, į kurį pažvelgsime, yra S dvilypumas. Paprasčiau tariant, šis dvilypumas susieja vienos teorijos stiprios sąsajos ribą su riba silpnas ryšys kita teorija. (Atkreipkite dėmesį, kad laisvai susieti abiejų teorijų aprašymai gali būti labai skirtingi.) Pavyzdžiui, SO(32) Heterotinių stygų teorija ir I tipo teorija yra S-dvi 10 matmenų. Tai reiškia, kad esant stiprios sujungimo ribai SO(32), heterotinė teorija tampa I tipo teorija esant silpnai sujungimo ribai ir atvirkščiai. Galite rasti dvilypumo tarp stipriosios ir silpnosios ribos įrodymų, lygindami kiekvienos nuotraukos šviesos būsenų spektrus ir nustatydami, kad jie atitinka vienas kitą. Pavyzdžiui, I tipo stygų teorijoje yra D-styga, kuri yra sunki, kai susieta silpnai, ir lengva, kai susieta stipriai. Ši D eilutė turi tuos pačius šviesos laukus kaip ir SO(32) Heterotinės stygos pasaulio lapas, todėl kai I tipo teorija yra labai stipriai susieta, D eilutė tampa labai lengva, ir mes tiesiog pamatysime, kad aprašymas taps toks pat, kaip. taip pat per laisvai susietą Heterotinę eilutę. Kitas S-dualumas 10-oje dimensijoje yra IIB stygų savaiminis dvilypumas: stipriai susieta IIB eilutės riba yra tiesiog kita IIB teorija, bet silpnai susieta. IIB teorija taip pat turi D eilutę (nors ji yra supersimetriškesnė nei I tipo teorijos D eilutės, todėl fizika skiriasi), kuri tampa šviesi, kai stipriai susieta, tačiau ši D eilutė taip pat yra kita pagrindinė eilutė. ii teorijos IIB tipas.

  

  Skirtingų stygų teorijų dvilypumas įrodo, kad jos visos yra tiesiog skirtingos tos pačios teorijos ribos. Kiekviena riba turi savo pritaikomumą, o skirtingos skirtingų aprašymų ribos sutampa. Kas tai yra M teorija parodyta nuotraukoje? Skaitykite toliau!

  M teorija

  Esant mažoms energijoms, M teorija aprašoma teorija, vadinama 11 matmenų supergravitacija. Ši teorija turi membraną ir penkias branas kaip solitonus, bet be stygų. Kaip čia galime gauti stygų, kurias jau mėgstame? Galima sutankinti 11 dimensijų M teoriją mažo spindulio apskritime, kad gautume 10 dimensijų teoriją. Tada, jei mūsų membrana turėtų toro topologiją, tada sulankstydami vieną iš šių apskritimų gausime uždarą eilutę! Riboje, kur spindulys yra labai mažas, gauname IIA tipo superstygą.

  

  Bet kaip mes žinome, kad M teorija apskritime sukurs IIA tipo superstygą, o ne IIB ar heterotines superstygas? Atsakymą į šį klausimą galima gauti atidžiai išanalizavus bemasius laukus, kuriuos gauname sutankinus 11 dimensijų supergravitaciją ant apskritimo. Kitas paprastas testas būtų išsiaiškinti, kad M-teorijos D-brana yra unikali IIA teorijai. Prisiminkite, kad IIA teorijoje yra D0, D2, D4, D6, D8 branos ir NS penkių branų. Toliau pateiktoje lentelėje apibendrinta aukščiau pateikta informacija:
  

  Čia D6 ir D8 branos yra praleistos. D6-brana gali būti interpretuojama kaip "Kalutza-Klein monopolis", kuris yra specialus 11 dimensijų supergravitacijos sprendimas, sutankintas į apskritimą. D8 branas neturi aiškios interpretacijos M teorijos požiūriu, tai vis dar yra atviras klausimas.

  Kitas būdas gauti nuoseklią 10 dimensijų teoriją yra sutankinti M teoriją į mažą segmentą. Tai reiškia, kad darome prielaidą, kad vienas iš matmenų (11-asis) turi baigtinį ilgį. Šiuo atveju atkarpos galai nustato 9 erdvinių matmenų ribas. Šiose ribose galima pastatyti atvirą membraną. Kadangi membranos susikirtimo taškas su riba yra eilutė, matome, kad (9+1) matmenų „pasaulio tūryje“ gali būti iš membranos „išlipusių“ stygų. Po viso to, kad būtų išvengta anomalijų, būtina, kad kiekvienoje iš ribos būtų E8 matuoklių grupė. Todėl, jei tarpą tarp ribų padarysime labai mažą, gausime 10 dimensijų teoriją su stygomis ir E8 x E8 matuoklių grupę. Ir tai yra E8 x E8 heterotinė eilutė!

  

  Taigi, atsižvelgdami į skirtingas sąlygas ir skirtingus stygų teorijų dualumus, padarysime išvadą, kad viso to pagrindas yra viena teorija - M teorija. Be to, penkios superstygų teorijos ir 11 dimensijų supergravitacija yra jos klasikinės ribos. Iš pradžių mes bandėme gauti atitinkamas kvantines teorijas „išplėsdami“ klasikines ribas, naudodami perturbacinę teoriją (perturbacijos teoriją). Tačiau perturbacinė teorija turi savo pritaikomumo ribas, todėl tiriant neperturbatyvius šių teorijų aspektus, pasitelkiant dualumus, supersimetriją ir kt. darome išvadą, kad juos visus vienija viena kvantinė teorija. Šis unikalumas yra labai patrauklus, todėl vyksta pilnos kvantinės M teorijos kūrimo darbas. pačiame įkarštyje.
  
  

  Juodosios skylės

  Klasikiniame gravitacijos aprašyme – Bendrojoje reliatyvumo teorijoje (GTR) – yra sprendimų, vadinamų „juodosiomis skylėmis“ (BH). Yra nemažai juodųjų skylių tipų, tačiau jos visos pasižymi panašiomis bendromis savybėmis. Įvykių horizontas yra erdvėlaikio paviršius, kuris, paprasčiau tariant, atskiria regioną juodojoje skylėje nuo regiono už jos ribų. Gravitacinė trauka Juodoji skylė tokia didelė, kad niekas, net šviesa, prasiskverbusi po horizontu, negali pabėgti atgal. Taigi klasikines juodąsias skyles galima apibūdinti tik naudojant tokius parametrus kaip masė, krūvis ir kampinis momentas.

  (Penrose diagramos a paaiškinimas)

  Juodosios skylės yra geros laboratorijos stygų teorijoms tirti, nes kvantinės gravitacijos poveikis yra svarbus net ir gana didelėms juodosioms skylėms. Juodosios skylės tikrai nėra „juodos“, nes jos spinduliuoja! Pasitelkęs pusiau klasikinius argumentus, Stephenas Hawkingas parodė, kad juodosios skylės iš savo horizonto skleidžia šiluminę spinduliuotę. Kadangi stygų teorija, be kita ko, yra ir kvantinės gravitacijos teorija, ji gali nuosekliai apibūdinti juodąsias skyles. Ir tada yra juodosios skylės, kurios atitinka stygų judėjimo lygtį. Šios lygtys yra panašios į Bendrosios reliatyvumo teorijos lygtis, tačiau jose yra keletas papildomų laukų, gautų iš eilučių. Superstygų teorijose yra specialių sprendimų, tokių kaip juodosios skylės, kurios pačios taip pat yra supersimetriškos.

  Vienas iš dramatiškiausių stygų teorijos rezultatų buvo formulės išvedimas Bekensteino-Hawkingo entropija Juodoji skylė, gauta įvertinus mikroskopines stygos būsenas, kurios sudaro juodąją skylę. Bekensteinas pažymėjo, kad juodosios skylės paklūsta „plotų dėsniui“, dM = K dA, kur „A“ yra horizonto plotas, o „K“ yra proporcingumo konstanta. Nes bruto svoris Juodoji skylė yra jos ramybės energija, tada situacija labai panaši į termodinamiką: dE = T dS, kaip parodė Bekenšteinas. Vėliau Hokingas pusiau klasikiniu aproksimavimu parodė, kad juodosios skylės temperatūra yra T = 4k, kur "k" yra konstanta, vadinama "paviršinės gravitacijos". Taigi juodosios skylės entropija gali būti perrašyta kaip . Be to, neseniai Stromingeris ir Vafa parodė, kad šią entropijos formulę galima gauti mikroskopiškai (iki 1/4 koeficiento), naudojant stygų ir D-branų kvantinių būsenų degeneraciją, atitinkančią tam tikrus supersimetrinius BH stygų teorijoje. Beje, D-branos pateikia aprašymą nedideliais atstumais, tarsi būtų silpnai sujungtos. Pavyzdžiui, juodosios skylės, kurias svarstė Stromingeris ir Vafa, apibūdinamos 5 branos, 1 branos ir atviromis stygomis, „gyvenančiomis“ ant 1 branos, kurios visos yra sulankstytos į 5 dimensijų torą, todėl iš tikrųjų gaunamas 1 dimensijos objektas. - juodoji skylė.

  

  Šiuo atveju Hawkingo spinduliuotę galima apibūdinti tos pačios struktūros rėmuose, tačiau jei atviros stygos gali „keliauti“ abiem kryptimis. Atviros stygos sąveikauja viena su kita ir spinduliuotė skleidžiama uždarų stygų pavidalu.

  

  Tikslūs skaičiavimai rodo, kad tų pačių tipų juodosioms skylėms stygų teorija daro tas pačias prognozes kaip ir pusiau klasikinė supergravitacija, įskaitant netrivialią nuo dažnio priklausomą pataisą, vadinamą „pilkuoju parametru“ ( pilkojo kūno faktorius).

  Žemėje aptikta kvantinė gravitacija?
  

  << Вчера

  Rytoj >>

  
  Paaiškinimas: Ar yra atskiros gravitacijos dalys? Teorija, žinoma kaip kvantinė mechanika, aprašo dėsnius, valdančius visatą nedideliais atstumais, o Einšteino bendroji reliatyvumo teorija paaiškina gravitacijos prigimtį ir visatą dideliais masteliais. Iki šiol nebuvo sukurta teorija, galinti juos sujungti. Neseniai Prancūzijoje atlikti tyrimai galėjo parodyti, kad gravitacija yra kvantinis laukas. Teigiama, kad Žemės gravitacinis laukas parodė savo kvantinę prigimtį. Eksperimentu, kurį atliko Valerijus Nezviževskis ir jo kolegos, buvo įrodyta, kad itin šalti neutronai, judantys gravitaciniame lauke, aptinkami tik atskirame aukštyje. Viso pasaulio mokslininkai laukia nepriklausomo šių rezultatų patvirtinimo. Paveikslėlyje klaidinga spalva pavaizduotas paviršius, kuris gali susidaryti vystantis vienmačiai stygai. Apibūdindami elementarias daleles kaip mažas stygas, daugelis fizikų stengiasi sukurti tikrai kvantinę gravitacijos teoriją.

  (Redaktoriaus pastaba: Šioje pastaboje aprašyti prancūzų ir rusų fizikų eksperimentai, paskelbti m Gamta 415 , 297 (2002) neturi nieko bendro su kvantinė gravitacija. Jų paaiškinimas(tiek pateikti eksperimentų autorių, tiek žurnale „New Scientist“ ir „Physicsweb.org“ svetainėje) visiškai kitoks.

  Eksperimentuotojai ieško naujų jėgų, numatytų superstygų teorijomis

  Kolorado universiteto Boulderio tyrėjai sugebėjo atlikti iki šiol jautriausią eksperimentą, siekdami išmatuoti gravitacinę sąveiką tarp masių, atskirtų tik du kartus didesniu už žmogaus plauko storį, tačiau jie nepastebėjo jokių numatytų naujų jėgų. .

  Gauti rezultatai leidžia atmesti kai kuriuos superstygų teorijos variantus, kuriuose atitinkamas naujų jėgų įtakos parametras iš „sugriuvusių“ matavimų yra nuo 0,1 iki 0,01 mm.

  Stygų teorija, laikoma perspektyviausiu požiūriu į ilgai lauktą didįjį susivienijimą – vieną visų žinomų jėgų ir materijos aprašymą – mano, kad visatoje viskas susideda iš mažyčių vibruojančių stygų kilpelių. Remiantis įvairiomis superstygų teorijos versijomis, turi būti bent šeši ar septyni papildomi erdviniai matmenys, viršijantys tris mums prieinamus matmenis, o teoretikai mano, kad šie papildomi matmenys yra sugriauti į mažas erdves. Dėl šio „sutankinimo“ atsiranda vadinamieji modulių laukai, apibūdinantys sulankstytų matmenų dydį ir formą kiekviename erdvės laiko taške.

  Modulio sritys veikia jėgomis, panašiomis į normalią gravitaciją, ir, remiantis naujausiomis prognozėmis, jas galima aptikti net 0,1 mm atstumu. Ankstesniais eksperimentais pasiekta jautrumo riba leido patikrinti traukos jėgą tarp dviejų masių, atskirtų tik 0,2 mm, todėl klausimas liko atviras. Tačiau dabar ji lieka atvira.

  „Jei šios jėgos tikrai egzistuoja, tai dabar žinome, kad jos turėtų pasireikšti mažesniais atstumais, nei išbandėme“, – aiškina laboratorijos vadovas, Kolorado universiteto profesorius Johnas Price’as teorija ii. Tiesiog reikia nepamiršti, kad efekto teks ieškoti mažesniais atstumais ir naudojant didesnio jautrumo nustatymus. Be to, mokslininkai tvirtina, kad panašių eksperimentų patys ir nėra skirti patvirtinti ar paneigti superstygų teoriją. „Idėjos, kurias išbandome, yra tik kelios galimus scenarijus, įkvėptas stygų, o ne tikslių pačios teorijos prognozių, interviu Space.com sakė Johnas Price'as. „Kol kas stygų teorija negali pateikti tikslių prognozių, ir aš sakyčiau, kad niekas nežino, ar stygų teorija kada nors galės tai padaryti fizikos antklodės pleistrai“, todėl labai svarbu tęsti tokio pobūdžio tyrimus, nes „gali būti atrasta kažkas naujo ir „labai esminio“.

  Kolorado universiteto mokslininkų eksperimentinė sąranka, vadinama aukšto dažnio rezonatoriumi, susideda iš dviejų plonų volframo plokščių (20 mm ilgio ir 0,3 mm storio). Viena iš šių plokščių buvo priversta vibruoti 1000 Hz dažniu. Antrosios plokštės judesiai, atsiradę dėl pirmosios įtakos, buvo matuojami labai jautria elektronika. Tai apie apie jėgas, matuojamas femtoniutonais (10–15 n), arba maždaug viena milijonine smėlio grūdelio svorio. Tokiais nedideliais atstumais veikianti gravitacijos jėga pasirodė gana tradicinė, aprašyta garsiuoju Niutono dėsniu.

  Profesorius Price'as tikisi tęsti eksperimentus, bandydamas išmatuoti jėgas dar mažesniais atstumais. Norėdami žengti kitą žingsnį, Kolorado eksperimentuotojai pašalina paauksuotą safyro skydą tarp volframo juostelių, blokuojančių elektromagnetines jėgas, ir pakeičia jį plonesne vario-berilio folija, leidžiančia masėms priartėti. Jie taip pat planuoja atvėsti eksperimentinė sąranka sumažinti trukdžius dėl šiluminių svyravimų.

  Nepriklausomai nuo superstygų teorijos likimo, prieš beveik šimtą metų pristatytos papildomų dimensijų idėjos (tuo metu daugelis fizikų iš jų šaipėsi) tampa neįprastai populiarios dėl standartinių fizinių modelių krizės, kurios negali paaiškinti. naujų pastebėjimų. Tarp ryškiausių faktų yra pagreitėjęs Visatos plėtimasis, kuris turi daug patvirtinimų. Paslaptinga nauja jėga, kol kas vadinama tamsiąja energija, stumia mūsų erdvę, veikdama kaip kokia nors antigravitacija. Niekas nežino, koks fizinis reiškinys slypi už to. Kosmologai žino, kad nors gravitacija laiko galaktikas kartu „vietiniame“ lygyje, paslaptingos jėgos jas atstumia. O didesniu mastu.

  Tamsioji energija gali būti paaiškinta sąveika tarp dimensijų, tų, kurias matome, ir tų, kurios vis dar nuo mūsų paslėptos, mano kai kurie teoretikai. Metiniame AAAS (American Association for the Advancement of Science) susitikime, kuris įvyko Denveryje anksčiau šį mėnesį, geriausi kosmologai ir fizikai išreiškė atsargų optimizmą šiuo klausimu.

  „Yra vilties, kad šis naujas požiūris išspręs visas problemas vienu metu“, – sako fizikas Seanas Carrollas, Čikagos universiteto docentas.

  Visos šios problemos neišvengiamai susitelkia aplink gravitaciją, kurios jėgą Niutonas apskaičiavo daugiau nei prieš tris šimtmečius. Gravitacija buvo pirmoji iš pagrindinių jėgų, aprašyta matematiškai, tačiau ji vis dar yra prasčiausiai suprantama. Kvantinė mechanika, sukurta praėjusio amžiaus 20-aisiais, gerai apibūdina objektų elgesį atominiu lygmeniu, tačiau nėra labai „draugiška“ su gravitacija. Faktas yra tas, kad nors gravitacija veikia dideliais atstumais, ji vis tiek yra labai silpna, palyginti su kitomis trimis pagrindinėmis jėgomis (elektromagnetine, stipria ir silpna sąveika, kuri dominuoja mikrokosmose). Tikimasi, kad gravitacijos supratimas kvantiniu lygmeniu susies kvantinę mechaniką su išsamiu kitų jėgų aprašymu.

  Visų pirma, mokslininkai ilgą laiką negalėjo nustatyti, ar Niutono dėsnis (atvirkštinis jėgos proporcingumas atstumo kvadratui) galioja labai mažais atstumais, vadinamajame kvantiniame pasaulyje. Niutonas sukūrė savo teoriją apie astronominius atstumus, pavyzdžiui, Saulės sąveiką su planetomis, tačiau dabar paaiškėjo, kad ji galioja ir mikrokosmose.

  „Tai, kas šiuo metu vyksta dalelių fizikoje, gravitacinėje fizikoje ir kosmologijoje, labai primena kvantinės mechanikos pradžią“, – sako Maria Spiropulu, Čikagos universiteto mokslininkė ir AAAS Ekstradimensinės fizikos seminaro organizatorė papildomų matmenų).

  Pirmą kartą pavyko išmatuoti gravitacijos greitį

  

  Rusų fizikas Sergejus Kopeikinas, dirbantis Misūrio universitete Kolumbijoje, ir amerikietis Edwardas Fomalontas iš Nacionalinės radijo astronomijos observatorijos Šarlotsvilyje, Virdžinijoje, teigė, kad jie pirmieji išmatavo gravitacijos greitį priimtinu tikslumu. Jų atliktas eksperimentas patvirtina daugumos fizikų nuomonę: gravitacijos greitis lygus šviesos greičiui. Ši idėja remiasi šiuolaikinėmis teorijomis, įskaitant Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją, tačiau iki šiol niekas negalėjo išmatuoti šio kiekio tiesiogiai eksperimento metu. Tyrimas buvo paskelbtas antradienį 201-ajame Amerikos astronomų draugijos susitikime Sietle. Rezultatai anksčiau buvo pateikti publikavimui moksliniame žurnale, tačiau kai kurie ekspertai juos kritikavo. Pats Kopeikinas kritiką laiko nepagrįsta.

  Niutono gravitacijos teorija daro prielaidą, kad gravitacijos poveikis yra momentinis, tačiau Einšteinas pasiūlė, kad gravitacija sklinda šviesos greičiu. Šis postulatas tapo vienu iš jo reliatyvumo teorijos pamatų 1915 m.

  Gravitacijos greičio ir šviesos greičio lygybė reiškia, kad jei Saulė staiga išnyktų iš Saulės sistemos centro, Žemė savo orbitoje išliktų maždaug 8,3 minutės – tiek, kiek reikia, kad šviesa nukeliautų iš Saulės sistemos centro. Saulė Žemei. Po šių kelių minučių Žemė, pasijutusi išlaisvinta saulės gravitacija, paliktų savo orbitą ir tiesia linija skristų į kosmosą.

  Kaip išmatuoti „gravitacijos greitį“? Vienas iš būdų išspręsti šią problemą – pabandyti aptikti gravitacines bangas – mažus erdvės ir laiko kontinuumo „raibuliukus“, kurie skiriasi nuo bet kokių greitėjančių masių. Įvairių gravitacinių bangų fiksavimo instaliacijų jau buvo pastatyta nemažai, tačiau nė vienai iki šiol nepavyko užregistruoti tokio efekto dėl savo išskirtinio silpnumo.

  Kopeikinas nuėjo kitu keliu. Jis perrašė Bendrosios reliatyvumo teorijos lygtis, kad judančio kūno gravitacinį lauką išreikštų jo masę, greitį ir gravitacinį greitį. Buvo nuspręsta Jupiterį panaudoti kaip masyvų kūną. Gana reta proga pasitaikė 2002-ųjų rugsėjį, kai Jupiteris pralėkė prieš kvazarą (tokie įvykiai nutinka maždaug kartą per 10 metų), intensyviai skleidžiantį radijo bangas. Kopeikinas ir Fomalontas sujungė keliolikos radijo teleskopų stebėjimų rezultatus įvairiose dalyse gaublys, nuo Havajų iki Vokietijos (naudojant Nacionalinės radijo astronomijos observatorijos 25 metrų radijo teleskopus ir 100 metrų vokišką instrumentą Efelsberge), kad būtų galima išmatuoti trumpalaikį matomą kvazaro padėties pokytį, kurį sukelia radijo bangų lenkimas iš to šaltinio Jupiterio zonoje. gravitacinis laukas. Ištyrus Jupiterio gravitacinio lauko įtakos praeinančioms radijo bangoms pobūdį, žinant jo masę ir judėjimo greitį, galima apskaičiuoti gravitacijos greitį.

  Bendras antžeminių radijo teleskopų darbas leido pasiekti 100 kartų didesnį tikslumą nei tas, kurį galima pasiekti naudojant Hablo kosminį teleskopą. Eksperimento metu išmatuoti poslinkiai buvo labai maži – pakito kvazaro padėtis (išmatuota kampinis atstumas tarp jo ir etaloninio kvazaro) buvo per 50 milijonųjų lanko sekundės dalių. Tokių matavimų atitikmuo galėtų būti sidabrinio dolerio dydis Mėnulyje arba žmogaus plauko storis iš 250 mylių atstumo, teigia astronomai (vakarietiški šaltiniai, matyt, nemanė kreipti dėmesio į rusiško žodžio reikšmę. vieno iš tyrimų autorių pavardė, kitaip jie nelygintų dydžių su doleriu, o su mūsų piniginiu vienetu...).

  Gautas rezultatas: gravitacijos jėga perduodama 0,95 šviesos greičiu, galima eksperimento paklaida plius minus 0,25. „Dabar žinome, kad gravitacijos greitis tikriausiai yra lygus šviesos greičiui, – sakė Fomalontas, – ir galime drąsiai atmesti bet kokį rezultatą, kuris yra dvigubai didesnis.

  Kalifornijos universiteto fizikos profesorius Stevenas Carlipas teigė, kad eksperimentas buvo „geras Einšteino principo demonstravimas“. Jis sako, kad prieš eksperimentą buvo atlikti Saulės šviesos nukreipimo matavimai, tačiau jie buvo daug ne tokie tikslūs. Be to, artimiausioje ateityje nauji gravitacinio greičio matavimai turės paaiškinti šią vertę. Pastaraisiais mėnesiais buvo pradėti eksploatuoti keli gravitacinių bangų interferometrai, vienas iš kurių pagaliau turėtų tiesiogiai aptikti gravitacines bangas ir taip išmatuoti jų greitį – svarbią pagrindinę mūsų Visatos konstantą.

  Tačiau reikia pažymėti, kad pats eksperimentas nėra vienareikšmis Einšteino gravitacijos teorijos patvirtinimas. Su tokia pačia sėkme jis gali būti laikomas esamų alternatyvių teorijų patvirtinimu. Pavyzdžiui, akademiko Logunovo reliatyvistinė gravitacijos teorija (RTG), kuri plačiajai visuomenei tapo žinoma maždaug prieš dešimt metų, šiuo atžvilgiu nesiskiria nuo bendrojo reliatyvumo. RTG taip pat yra gravitacinių bangų, nors, kaip žinoma, juodųjų skylių nėra. Ir dar vienas Niutono gravitacijos teorijos „paneigimas“ neturi ypatingos vertės. Nepaisant to, rezultatas yra svarbus kai kurių šiuolaikinių teorijų versijų „uždarymo“ ir kitų palaikymo požiūriu – jis siejamas su kosmologinėmis kelių visatų teorijomis ir vadinamąja stygų teorija arba superstygomis, tačiau dar per anksti piešti. galutinės išvados, teigia mokslininkai. Naujausioje vadinamojoje unifikuotoje M teorijoje, kuri yra superstygų teorijos plėtra, be „stygų“ atsirado naujų daugiamačių objektų - branos. Superstygų teorijos pagal savo pobūdį apima gravitaciją, nes jomis pagrįsti skaičiavimai visada numato gravitono egzistavimą – nesvarią hipotetinę dalelę, kurios sukinys yra 2. Daroma prielaida, kad yra papildomų erdvinių matmenų, tik „sugriuvusių“. Ir gravitacija gali „sujungti“ per šiuos papildomus matmenis, atrodytų, keliauja greičiau nei šviesos greitis, bet nepažeisdama bendrosios reliatyvumo teorijos lygčių.

  Du reliatyvistiniai fizikai pristato savo požiūrį į Visatą,
  jos raida ir kvantinės teorijos vaidmuo

  IN Mokslinis amerikietisšios paskaitos buvo publikuotos su santrumpos, atitinkamos vietos tekste pažymėtos elipsėmis

  Įvadas

  1994 m. Stephenas Hawkingas ir Rogeris Penrose'as institute skaitė viešų paskaitų apie bendrąjį reliatyvumą. Matematikos mokslai Kembridžo universitete pavadintas Izaoko Niutono vardu. Mūsų žurnalas pristato jums ištraukas iš šių paskaitų, kurias šiemet išleido Prinstonas universiteto leidykla pavadinimu „Erdvės ir laiko prigimtis“, leidžiančius palyginti šių dviejų mokslininkų nuomones. Nors jie abu priklauso tai pačiai fizikos mokyklai (Penrose'as padėjo Hawkingo daktaro disertacijai Kembridže), jų požiūriai į kvantinės mechanikos vaidmenį visatos evoliucijoje labai skiriasi vienas nuo kito. Visų pirma, Hawkingas ir Penrose'as turi skirtingas idėjas apie tai, kas atsitinka su informacija, saugoma juodojoje skylėje ir kodėl visatos pradžia skiriasi nuo jos pabaigos.

  Vienas iš pagrindinių Hawkingo atradimų, padarytų 1973 m., buvo prognozė, kad dėl kvantinių efektų juodosios skylės gali skleisti daleles. Dėl šio proceso juodoji skylė išgaruoja, ir galiausiai gali būti, kad iš pradinės masės nieko neliks. Tačiau formavimosi metu juodosios skylės sugeria daug ant jos krentančių dalelių, turinčių skirtingų tipų, savybių ir konfigūracijų. Nors kvantinė teorija reikalauja, kad tokia informacija būtų saugoma, smulkmenos apie tai, kas jai nutiks toliau, išlieka intensyvių diskusijų tema. Abu Hawkingas ir Penrose'as mano, kad kai juodoji skylė išspinduliuoja, ji praranda joje esančią informaciją. Tačiau Hawkingas tvirtina, kad šis praradimas yra nepakeičiamas, o Penrose'as teigia, kad jį subalansuoja spontaniški kvantinių būsenų matavimai, kurie informaciją grąžina į juodąją skylę.

  Abu mokslininkai sutinka, kad gamtai apibūdinti reikalinga ateities kvantinės gravitacijos teorija. Tačiau jų požiūriai skiriasi kai kuriais šios teorijos aspektais. Penrose'as mano, kad net jei pagrindinės elementariųjų dalelių sąveikos yra simetriškos laiko apsisukimo atžvilgiu, kvantinė gravitacija turėtų sulaužyti tokią simetriją. Laiko asimetrija paaiškintų, kodėl Visata atsirado taip vienodai (kaip rodo Didžiojo sprogimo sukurta mikrobangų foninė spinduliuotė), o galiausiai visata turi būti nevienalytė.

  Penrose'as bando įtraukti panašią asimetriją į savo hipotezę apie Weylio kreivumą. Erdvė-laikas, pasak Alberto Einšteino, yra išlenktas dėl materijos buvimo. Tačiau erdvėlaikis taip pat gali turėti tam tikrą deformaciją, vadinamą Weylio kreivumu. Pavyzdžiui, gravitacinės bangos ir juodosios skylės leidžia erdvėlaikiui sulenkti net ir tuščiose srityse. Ankstyvojoje visatoje Weylio kreivumas tikriausiai buvo lygus nuliui, tačiau mirštančioje visatoje, kaip teigia Penrose'as, daug juodųjų skylių padidins Weylio kreivumą. Tai bus skirtumas tarp visatos pradžios ir pabaigos.

  Hokingas sutinka, kad didysis sprogimas ir galutinis žlugimas („Big crunch“) bus skirtingi, tačiau laiko asimetrijos jis nelaiko gamtos dėsniu. Pagrindinė šio skirtumo priežastis, jo nuomone, yra kelias, kuriuo užprogramuotas visatos vystymasis. Jis postuluoja savotišką demokratiją, skelbdamas, kad visatoje negali būti nei vieno erdvės taško; ir todėl visata negali turėti ribos. Būtent šis beribis pasiūlymas, teigia Hawkingas, paaiškina mikrobangų foninės spinduliuotės homogeniškumą.

  Dviejų fizikų požiūriai į kvantinės mechanikos aiškinimą taip pat skiriasi iš esmės. Hawkingas mano, kad vienintelis teorijos tikslas yra daryti prognozes, atitinkančias eksperimentinius duomenis. Penrose'as mano, kad tikrovei paaiškinti neužtenka paprasto prognozių palyginimo su eksperimentais. Jis atkreipia dėmesį į tai, kad kvantinė teorija, kuriai reikalinga banginių funkcijų superpozicija, yra sąvoka, galinti sukelti absurdų. Taigi šie mokslininkai remiasi naujas turas garsioji Einšteino ir Bohro diskusija apie keistus kvantinės teorijos padarinius.

  Stephenas Hawkingas apie kvantines juodąsias skyles:

  Atrodo, kad juodųjų skylių kvantinė teorija suteikia fizikoje naują nenuspėjamumo lygį, viršijantį įprastą kvantinį mechaninį neapibrėžtumą. Taip yra todėl, kad juodosios skylės turi vidinę entropiją ir praranda informaciją iš mūsų visatos regiono. Turiu pasakyti, kad šie teiginiai yra labai prieštaringi: daugelis mokslininkų, dirbančių kvantinės gravitacijos srityje, įskaitant beveik visus tuos, kurie į ją atėjo iš dalelių fizikos, instinktyviai atmeta mintį, kad informacija apie kvantinės sistemos būseną gali būti prarasta. Tačiau šis požiūris nebuvo sėkmingas aiškinant, kaip informacija gali ištrūkti iš juodosios skylės. Galiausiai tikiu, kad jie bus priversti sutikti su mano pasiūlymu, kad informacija negrįžtamai prarasta, lygiai taip pat, kaip buvo priversti susitaikyti su tuo, kad juodosios skylės spinduliuoja, o tai prieštarauja visoms jų išankstinėms nuostatoms...

  Tai, kad gravitacija yra patraukli, reiškia, kad visatoje yra tendencija, kad materija telkiasi vienoje vietoje, tendencija formuotis tokiems objektams kaip žvaigždės ir galaktikos. Tolesnį šių objektų suspaudimą kurį laiką gali sulaikyti terminis slėgis (žvaigždžių atveju), arba sukimasis ir vidiniai judesiai (galaktikų atveju). Tačiau ilgainiui šiluma arba kampinis impulsas bus nuneštas ir objektas vėl pradės trauktis. Jei masė mažesnė nei maždaug pusantros saulės masės, suspaudimą gali sustabdyti išsigimusių elektronų arba neutronų dujų slėgis. Objektas stabilizuosis ir taps atitinkamai balta nykštuke arba neutronine žvaigžde. Tačiau jei masė yra didesnė už šią ribą, niekas negali sustabdyti pastovaus suspaudimo. Objekto suspaudimui priartėjus prie tam tikro kritinio dydžio, gravitacinis laukas ant jo paviršiaus bus toks stiprus, kad šviesos kūgiai bus pakrypę į vidų... Matome, kad net į išorę einantys šviesos spinduliai yra išlinkę vienas į kitą, kad jie suartėtų, o ne vienas nuo kito. Tai reiškia, kad yra uždaras paviršius....

  Taigi turi būti erdvė-laiko sritis, iš kurios neįmanoma pabėgti į begalinį atstumą. Ši sritis vadinama juodąja skyle. Jo riba vadinama įvykių horizontu, tai paviršius, suformuotas šviesos spindulių, kurie negali ištrūkti į begalybę....

  Didelė dalis informacijos prarandama, kai kosminis kūnas griūva ir susidaro juodoji skylė. Griūvantis objektas apibūdinamas labai daugybe parametrų. Jo būseną lemia medžiagų rūšys ir jų masės pasiskirstymo daugiapoliai momentai. Nepaisant to, besiformuojanti juodoji skylė visiškai nepriklauso nuo materijos tipo ir greitai praranda visus daugiapolius momentus, išskyrus pirmuosius du: monopolį, kuris yra masė, ir dipolį, kuris yra kampinis impulsas.

  Šis informacijos praradimas klasikinėje teorijoje tikrai neturėjo reikšmės. Galima sakyti, kad visa informacija apie griūvantį objektą patenka į juodąją skylę. Stebėtojui, esančiam už juodosios skylės ribų, būtų labai sunku nustatyti, kaip atrodo griūvantis objektas. Tačiau klasikinėje teorijoje tai iš principo vis tiek buvo įmanoma. Stebėtojas niekada neprarastų iš akių griūvančio objekto. Atvirkščiai, jam atrodytų, kad objektas lėtėjo traukdamasis ir vis labiau silpnėjo artėdamas prie įvykių horizonto. Šis stebėtojas dar galėjo matyti, iš ko pagamintas griūvantis objektas ir kaip pasiskirstė jo masė.

  Tačiau kvantinės teorijos požiūriu viskas visiškai pasikeičia. Žlugimo metu objektas išspinduliuotų tik ribotą skaičių fotonų prieš kirsdamas įvykių horizontą. Šių fotonų visiškai nepakaktų, kad perduotų mums visą informaciją apie griūvantį objektą. Tai reiškia, kad kvantinėje teorijoje nėra būdo, kuriuo išorinis stebėtojas galėtų nustatyti tokio objekto būseną. Galima manyti, kad tai neturėtų per daug reikšmės, nes informacija vis tiek būtų juodosios skylės viduje, net jei jos nebūtų galima išmatuoti iš išorės. Bet tai yra būtent tas atvejis, kai pasireiškia antrasis juodųjų skylių kvantinės teorijos efektas...

  Kvantinė teorija verčia juodąsias skyles skleisti ir prarasti masę. Ir, matyt, jie ilgainiui visiškai išnyksta – kartu su jų viduje esančia informacija. Noriu įtikinti, kad ši informacija tikrai prarasta ir jokia forma negrąžinta. Kaip parodysiu vėliau, dėl šio informacijos praradimo neapibrėžtumas į fiziką patenka aukštesniu lygiu nei įprastas neapibrėžtumas, susijęs su kvantine teorija. Deja, skirtingai nei Heisenbergo neapibrėžtumo santykis, šį naują neapibrėžtumo lygį bus gana sunku patvirtinti eksperimentiškai juodųjų skylių atveju.

  Rogeris Penrose'as apie kvantinę teoriją ir erdvėlaikį:

  Kvantinė teorija, specialioji reliatyvumo teorija, bendroji reliatyvumo teorija ir kvantinio lauko teorija yra didžiausios XX amžiaus fizikinės teorijos. Šios teorijos nėra nepriklausomos viena nuo kitos: bendroji reliatyvumo teorija buvo sukurta specialiosios reliatyvumo teorijos pagrindu, o kvantinės lauko teorijos pagrindu yra specialioji reliatyvumo ir kvantinė teorija.

  Paprastai buvo sakoma, kad kvantinio lauko teorija buvo pati tiksliausia kada nors egzistavusi fizikinė teorija, kurios tikslumas yra 11 ženklų po kablelio. Tačiau norėčiau atkreipti dėmesį, kad dabar bendrasis reliatyvumas buvo patikrintas 14 ženklų po kablelio tikslumu (ir šį tikslumą akivaizdžiai riboja tik Žemėje veikiančių laikrodžių tikslumas). Turiu omenyje dvejetainį pulsarą Hulse-Taylor PSR 1913+16, porą neutroninių žvaigždžių besisukantys vienas kito atžvilgiu, vienas iš jų yra pulsaras. Bendroji reliatyvumo teorija numato, kad tokia orbita lėtai susitraukia (ir jos periodas mažėja), nes dėl gravitacinių bangų spinduliavimo prarandama energija. Šis procesas iš tiesų buvo stebimas eksperimentiškai, o visas jo judėjimo, stebėto 20 metų, aprašymas... atitinka bendrąją reliatyvumo teoriją (įskaitant Niutono teoriją) su nepaprastu aukščiau nurodytu tikslumu. Tyrėjai to žvaigždžių sistema teisėtai gautas Nobelio premijos už tavo darbą. Kvantiniai teoretikai, remdamiesi savo teorijos tikslumu, visada tvirtino, kad bendroji reliatyvumo teorija turėtų imti pavyzdį, bet dabar manau, kad kvantinio lauko teorija turėtų imti pavyzdį.

  Nors šios keturios teorijos sulaukė didžiulio pasisekimo, jos nėra laisvos nuo problemų... Bendroji reliatyvumo teorija numato singuliarumų egzistavimą erdvėlaikyje. Kvantinėje teorijoje yra „matavimo problema“, kurią aprašysiu vėliau. Gali pasirodyti, kad šių teorijų problemų sprendimas yra pripažinti faktą, kad jos yra neišsamios teorijos. Pavyzdžiui, daugelis tikisi, kad kvantinio lauko teorija gali kažkaip „ištepti“ bendrosios reliatyvumo teorijos ypatumus...

  Dabar norėčiau pasakyti keletą žodžių apie informacijos praradimą juodosiose skylėse, o tai, mano nuomone, susiję su paskutiniu teiginiu. Sutinku su beveik viskuo, ką apie tai pasakė Steponas. Bet nors Stephenas informacijos praradimą juodosiose skylėse laiko nauju fizikos neapibrėžtumu, aukštesniu nei kvantinis mechaninis neapibrėžtumas, aš matau tai tik „papildomu“ neapibrėžtumu... Gali būti, kad mažas informacijos kiekis yra prarastas juodosios skylės išgaravimo metu... bet šis efektas bus daug mažesnis nei informacijos praradimas žlugimo metu (kuriam apibūdinti priimu bet kokį pagrįstą galutinį juodosios skylės išnykimo vaizdą).

  Kaip minties eksperimentą apsvarstykite uždarą sistemą didelėje dėžutėje ir apsvarstykite medžiagos judėjimą dėžutės viduje fazinėje erdvėje. Fazinės erdvės srityse, atitinkančiose juodosios skylės vietas, trajektorijos, apibūdinančios fizinę sistemos evoliuciją, susilies, o šių trajektorijų užpildyti fazių tūriai susitrauks. Tai atsitinka dėl informacijos praradimo juodosios skylės singuliarumo metu. Šis redukcija tiesiogiai prieštarauja klasikinės mechanikos dėsniui, žinomam kaip Liouville'io teorema, kuri teigia, kad fazių tūriai, nešami fazių trajektorijomis, išlieka pastovūs... Taigi juodosios skylės erdvė-laikas pažeidžia tokių tūrių išsaugojimą. . Tačiau mano paveikslėlyje šį fazinės erdvės tūrio praradimą subalansuoja spontaniškų kvantinių matavimų procesas, dėl kurio atkuriama informacija ir padidėja fazinės erdvės tūris. Kaip suprantu, taip nutinka todėl, kad neapibrėžtumas, susijęs su informacijos praradimu juodosiose skylėse, yra tarsi „papildomas“ kvantiniam mechaniniam neapibrėžtumui: kiekviena iš jų yra tik viena tos pačios monetos pusė.

  Dabar pažiūrėkime į Schrödingerio katės minties eksperimentą. Jis aprašo nepavydėtiną katės padėtį dėžėje, kurioje išspinduliuotas fotonas krenta ant permatomo veidrodžio, o perduodama jo banginės funkcijos dalis fiksuojama jutikliu. Jei jutiklis aptinka fotoną, pistoletas išsijungia ir užmuša katę. Jei jutiklis neaptinka fotono, tada katė lieka gyva ir sveika. (Žinau, kad Steponas nepritaria netinkamam elgesiui su katėmis, net ir minties eksperimentuose!) Tokios sistemos banginė funkcija yra šių dviejų galimybių superpozicija... Bet kodėl tik makroskopinės alternatyvos yra „katės mirusios“ ir „katė gyva“ prieinama mūsų suvokimui, o ne makroskopinės tokių būsenų superpozicijos? ...

  Aš siūlau, kad naudojant bendrąjį reliatyvumą, alternatyvių erdvės ir laiko geometrijų superpozicijų naudojimas susiduria su rimtais sunkumais. Gali būti, kad dviejų skirtingų geometrijų superpozicija yra nestabili ir suyra į vieną iš šių dviejų alternatyvų. Tokios geometrijos galėtų būti, pavyzdžiui, gyvos ar negyvos katės erdvė ir laikas. Norėdamas paminėti šį superpozicijos skilimą į vieną iš alternatyvių būsenų, naudoju terminą objektyvus sumažinimas, kuris man patinka, nes turi gerą akronimą (OR). Ką su tuo turi 10–33 centimetrų Plancko ilgis? Šis ilgis yra natūralus kriterijus, leidžiantis nustatyti, ar geometrijos iš tikrųjų yra skirtingi pasauliai. Plancko skalė taip pat nustato laiko skalę, per kurią įvyksta redukcija į įvairias alternatyvas.

  Hawkingas apie kvantinę kosmologiją:

  Šią paskaitą užbaigiu aptardamas klausimą, kurį mes su Rogeriu turime skirtingi požiūriai- tai laiko strėlė. Mūsų visatos dalyje yra labai aiškus skirtumas tarp laiko krypčių pirmyn ir atgal. Jums tereikia atsukti bet kurį filmą, kad pamatytumėte šį skirtumą. Vietoj to, kad puodeliai nukristų nuo stalo ir subyrėtų į mažus gabalėlius, pamatytume, kad šie fragmentai vėl susilieja ir šokinėja atgal ant stalo. Ar ne taip tikras gyvenimas panašus ne nieko panašaus?.

  Vietiniai fizikinių laukų dėsniai tenkina simetrijos laike reikalavimą arba, tiksliau, CPT nekintamumą (Charge-Parity-Time). Taigi pastebėtas skirtumas tarp praeities ir ateities kyla iš visatos kraštinių sąlygų. Panagrinėkime modelį, kuriame erdviškai uždara visata išsiplečia iki didžiausio dydžio, o po to vėl žlunga. Kaip pažymėjo Rogeris, šios istorijos pabaigoje visata bus labai skirtinga. Iš pradžių visata, dabar manome, bus gana lygi ir taisyklinga. Tačiau kai jis vėl pradės žlugti, tikimės, kad jis bus itin netvarkingas ir netaisyklingas. Kadangi netvarkingų konfigūracijų yra daug daugiau nei užsakytų, tai reiškia, kad pradines sąlygas reikia parinkti itin tiksliai.

  Dėl to ribinės sąlygos šiais laikais turi būti skirtingos. Rogerio prielaida yra ta, kad Weyl tenzorius turėtų išnykti tik vienoje laiko pabaigoje. Weylio tenzoras yra ta erdvės-laiko kreivės dalis, kuri nėra nulemta vietinio materijos pasiskirstymo pagal Einšteino lygtis. Šis kreivumas yra labai mažas tvarkingoje ankstyvoje stadijoje ir labai didelis griūvančioje visatoje. Taigi šis pasiūlymas leistų atskirti abi laiko galus vieną nuo kito ir paaiškinti laiko rodyklės egzistavimą.

  Manau, kad Rogerio pasiūlymas yra Weylianas dviem šio žodžio prasmėmis. Pirma, tai nėra CPT nekintama. Roger mano, kad šis turtas yra pranašumas, bet manau, kad simetrijos neturėtų būti atsisakyta be rimtų priežasčių. Antra, jei Weylio tenzorius ankstyvoje visatos stadijoje būtų tiksliai lygus nuliui, tada jis išliktų vienalytis ir izotropinis visą tolesnį laiką. Rogerio Weylio hipotezė negali paaiškinti nei mikrobangų fono svyravimų, nei trikdžių, sukeliančių tokias galaktikas ir kūnus kaip mes.

  Nepaisant viso to, manau, Rogeris atkreipė dėmesį į labai svarbų šių dviejų laiko ribų skirtumą. Tačiau faktas, kad Weylio tenzoriaus mažumą vienoje iš ribų neturėtume priimti ad hoc, o išplaukti iš pagrindinio principo „be ribų“.

  Kaip gali skirtis dvi laiko ribos? Kodėl viename iš jų trikdžiai turėtų būti nedideli, o kitame – ne? Taip yra todėl, kad lauko lygtys turi du galimus sudėtingus sprendimus... Akivaizdu, kad vienas sprendinys atitinka vieną laiko pabaigą, o kitas – kitą... Vienoje laiko pabaigoje visata buvo labai lygi. , o Veilio tenzoras buvo mažas . Tačiau jis negali būti tiksliai lygus nuliui, nes tai sukelia neapibrėžtumo santykio pažeidimą. Vietoj to turi būti nedideli svyravimai, kurie vėliau gali išsivystyti į tokias galaktikas ir kūnus, kaip mes. Priešingai nei pradžioje, visatos pabaiga turėtų būti labai netaisyklinga ir chaotiška, o Weylio tenzoras labai didelis. Tai paaiškintų, kodėl vyksta laiko rodyklė ir kodėl puodeliai nukrenta nuo stalo ir lūžta daug lengviau, nei atkuriami ir atšoka atgal.

  Penrose'as apie kvantinę kosmologiją:

  Iš to, ką suprantu apie Stepono koncepciją, darau išvadą, kad mūsų nesutarimai dėl šį klausimą(Weylio kreivumo hipotezė a) yra labai dideli... Pradiniam singuliarumui Weilio kreivė yra maždaug nulis... Stephenas teigė, kad pradinėje būsenoje turėtų būti nedideli kvantiniai svyravimai, todėl nulinio Weilio kreivio hipotezė a yra klasikinis ir nepriimtinas. Tačiau manau, kad yra tam tikra laisvė tiksliai suformuluoti šią hipotezę. Mano požiūriu, kvantiniame režime, žinoma, priimtini nedideli trikdžiai. Mums tereikia gerokai apriboti šiuos svyravimus apie nulį....

  Gali būti, kad Jameso-Hartley-Hawkingo „be ribų“ principas yra geras kandidatas apibūdinti pradinės būsenos struktūrą. Tačiau man atrodo, kad galutinei būsenai paaiškinti reikia dar kažko. Konkrečiai, teorija, paaiškinanti singuliarumo struktūrą, turėtų apimti CPT ir kitų simetrijų nutraukimą, kad būtų suderinama su Weyl kreivumo hipoteze. Toks laiko simetrijos pažeidimas gali būti gana mažas; ir gali būti netiesiogiai įtrauktas į naują teoriją, kuri peržengia kvantinės mechanikos ribas.

  Hawkingas apie fizinę realybę:

  Šios paskaitos labai aiškiai parodė skirtumą tarp Rogerio ir manęs. Jis yra platonistas, o aš – pozityvistas. Jis yra rimtai susirūpinęs, kad Schrödingerio katė yra kvantinėje būsenoje, kurioje jis yra pusiau gyvas ir pusiau negyvas. Jis čia jaučia neatitikimą tikrovei. Bet tokie dalykai manęs nejaudina. Nereikalauju, kad teorija atitiktų tikrovę, nes nežinau, kas yra tikrovė. Realybė nėra ta kokybė, kurią galėtum patikrinti lakmuso popieriumi. Man rūpi tik tai, kad teorija numato matavimų rezultatus. Kvantinė teorija tai daro labai sėkmingai....

  Rogeris mano, kad... bangos funkcijos žlugimas įveda CPT simetriją, prasiskverbiantį į fiziką. Jis mato tokius sutrikimus bent dviejose fizikos srityse: kosmologijoje ir juodosiose skylėse. Sutinku, kad užduodami klausimus apie stebėjimus galime naudoti laiko asimetriją. Bet aš visiškai atmetu mintį, kad tokių yra fiziniai procesai, dėl ko sumažėja bangos funkcija arba tai turi ką nors bendro su kvantine gravitacija ar sąmone. Visa tai susiję su magija ir magija, bet ne su mokslu.

  Penrose'as apie fizinę realybę:

  Kvantinė mechanika egzistuoja tik 75 metus. Tai nėra labai daug, ypač lyginant, pavyzdžiui, su Niutono gravitacijos teorija. Taigi nenustebčiau, jei kvantinė mechanika būtų modifikuota labai dideliems objektams.

  Šių diskusijų pradžioje Stephenas užsiminė, kad jis yra pozityvistas, o aš – platonistas. Džiaugiuosi, kad jis pozityvistas, bet apie save galiu pasakyti, kad esu veikiau realistė. Be to, jei palyginsite šią diskusiją su garsiomis Boro ir Einšteino diskusijomis prieš maždaug 70 metų, manau, kad Stephenas vaidina Borą, o aš – Einšteiną! Einšteinui reikėjo, kad būtų kažkas panašaus į realus pasaulis, apibūdinamas nebūtinai bangine funkcija, tuo tarpu Bohras pabrėžė, kad bangų funkcija neapibūdina realaus pasaulio, o tik žinias, būtinas eksperimento rezultatams numatyti.

  Dabar manoma, kad Bohro argumentai buvo galingesni, o Einšteinas (pagal jo biografiją, kurią parašė Abrahamas Paisas) galėjo žvejoti nuo 1925 m. Iš tiesų, jis nedaug prisidėjo prie kvantinės mechanikos, nors jo įžvalgi kritika pastarajai buvo labai naudinga. Manau, kad to priežastis buvo ta, kad kvantinei teorijai trūko kai kurių svarbius komponentus. Vienas iš šių komponentų buvo juodųjų skylių spinduliavimas, kurį Stephenas atrado po 50 metų. Informacijos nutekėjimas, susijęs su juodosios skylės spinduliuote, yra reiškinys, galintis perkelti kvantinę teoriją į naują lygmenį.

  Stephenas Hawkingas mano, kad galutinės visatos teorijos gali nebūti

  Televizijos paskaitoje, kurią skaitė garsus fizikas Stephenas Hawkingas iš Anglijos kelių auditorijų klausytojams Masačusetso valstijoje. Technologijos institutas(Massachusetts Institute of Technology – MIT) aprašė mokslininkų paieškas, ieškodamas visos Visatos teorijos. Ir pabaigai, perkamiausių mokslinių knygų „Trumpa laiko istorija“ ir „The Theory of Everything“ autorius, Kembridžo universiteto matematikos profesorius, teigė, kad „įmanoma [tokia teorija] neįmanoma“.

  "Kai kurie žmonės bus labai nusivylę sužinoję, kad nėra galutinės teorijos", - sakė Hawkingas. "Aš taip pat buvau toje stovykloje, bet dabar persigalvojau. Mums visada bus iššūkis naujiems moksliniams atradimams. Be jos civilizacija sustabarės.“ „Paieškos gali tęstis labai ilgai“.

  Televizijos programa, kurios metu iškilo techninių vaizdo ir garso problemų, buvo transliuojama ir internetu. Jį organizavo Kembridžo-MIT institutas (CMI) – trejų metų strateginis aljansas tarp Kembridžo universitetas Anglijoje ir Masačusetso technologijos institute).

  Hawkingas iš esmės apibendrino dalelių fizikos istoriją, sutelkdamas dėmesį į pagrindinės figūros ir šios srities teorijas, pradedant Aristoteliu ir baigiant Stephenu Weinbergu (Stephen Weinberg, Nobelio premijos laureatas, g. 1933 m.).

  Pavyzdžiui, Maksvelo ir Dirako lygtys „valdo beveik visą fiziką, visą chemiją ir biologiją“, – samprotavo Hawkingas: „Taigi, žinodami šias lygtis, iš esmės galėtume numatyti žmogaus elgesį, nors aš pats negaliu teigti, kad taip yra šiuo klausimu didelė sėkmė“, - baigė jis juokdamasis iš publikos.

  Žmogaus smegenyse yra per daug dalelių, kad būtų galima išspręsti visas lygtis, reikalingas kažkieno elgesiui numatyti. Galbūt kada nors artimiausioje ateityje išmoksime nuspėti nematodo kirmino elgesį.

  Visos iki šiol sukurtos teorijos, paaiškinančios visatą, „yra arba prieštaringos, arba neišsamios“, sakė S. Hawkingas. Ir jis pasiūlė, kodėl iš principo neįmanoma sukurti vienos visos Visatos teorijos. Savo argumentus jis grindė čekų matematiko Kurto Gödelio darbu, kuris buvo garsiosios teoremos autorius, pagal kurį bet kurioje matematikos šakoje tam tikrų teiginių negalima įrodyti ar paneigti.

  Fizikai įpratę dirbti su dalelėmis: teorija išdirbta, eksperimentai susilieja. Branduoliniai reaktoriai ir atominės bombos apskaičiuojamas naudojant daleles.

  Su vienu įspėjimu – atliekant visus skaičiavimus neatsižvelgiama į gravitaciją.

  Gravitacija yra kūnų trauka. Kai kalbame apie gravitaciją, įsivaizduojame gravitaciją. Veikiamas gravitacijos telefonas nukrenta iš rankų ant asfalto. Kosmose Mėnulį traukia Žemė, Žemę – Saulę. Viskas pasaulyje traukia vienas kitą, tačiau norint tai pajusti, reikia labai sunkių daiktų. Jaučiame Žemės trauką, sunkesnę už žmogų 7,5 × 10 22 kartus, o dangoraižio, kuris yra 4 × 10 6 kartus sunkesnis, gravitacijos nepastebime.

  7,5 × 10 22 = 75 000 000 000 000 000 000 000

  4 × 10 6 = 4 000 000 Gravitaciją apibūdina Einšteino bendroji reliatyvumo teorija. Teoriškai masyvūs objektai sulenkia erdvę. Norėdami suprasti, eikite į vaikų parką ir padėkite sunkų akmenį ant batuto. Ant batuto gumos atsiras krateris. Jei pastatysite jį ant batuto

  mažas kamuoliukas

  , tada jis riedės piltuvu link akmens. Maždaug taip planetos sudaro piltuvėlį erdvėje, o mes, kaip kamuoliukai, krentame ant jų.

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

  Planetos tokios masyvios, kad išlenkia erdvę

  Norint viską apibūdinti elementariųjų dalelių lygmeniu, gravitacija nereikalinga. Palyginti su kitomis jėgomis, gravitacija yra tokia maža, kad ji buvo tiesiog išmesta iš kvantinių skaičiavimų. Žemės gravitacijos jėga yra 10 38 kartus mažesnė už jėgą, laikančią atomo branduolio daleles.

  Fizikai pirmiausia sugalvoja, tada ieško. Higso bozonas buvo išrastas likus 50 metų iki jo atradimo.

  Skaičiavimų skirtumų problemos išnyko, kai gravitonas buvo laikomas ne dalele, o styga. Stygos turi ribotą ilgį ir energiją, todėl gravitono energija gali augti tik iki tam tikros ribos. Taigi mokslininkai turi darbo įrankį, kuriuo tiria juodąsias skyles.

  Juodųjų skylių tyrimo pažanga padeda suprasti, kaip atsirado visata. Pagal Didžiojo sprogimo teoriją pasaulis išaugo iš mikroskopinio taško. Pirmosiomis gyvenimo akimirkomis visata buvo labai tanki – visos šiuolaikinės žvaigždės ir planetos susirinko nedideliame tūryje. Gravitacija buvo tokia pat galinga kaip ir kitos jėgos, todėl norint suprasti ankstyvąją visatą svarbu žinoti gravitacijos poveikį.

  Sėkmė apibūdinant kvantinę gravitaciją yra žingsnis kuriant teoriją, kuri apibūdins viską pasaulyje.

  Tokia teorija paaiškins, kaip gimė visata, kas joje dabar vyksta ir kokia bus jos pabaiga.

  Tai jau ketvirta tema. Savanoriai taip pat prašomi nepamiršti, kokias temas jie išreiškė norą aprėpti, o gal kas tik dabar išsirinko temą iš sąrašo. Esu atsakinga už pakartotinį paskelbimą ir reklamavimą socialiniuose tinkluose. O dabar mūsų tema: „stygų teorija“

  Tikriausiai girdėjote, kad populiariausia mūsų laikų mokslinė teorija, stygų teorija, reiškia, kad egzistuoja daug daugiau dimensijų, nei sako sveikas protas. Labiausiai didelė problema

  teoriniams fizikai – kaip sujungti visas pagrindines sąveikas (gravitacinę, elektromagnetinę, silpnąją ir stipriąją) į vieną teoriją. Superstygų teorija teigia esanti visko teorija. Tačiau paaiškėjo, kad patogiausias matmenų skaičius, reikalingas šiai teorijai veikti, yra net dešimt (iš kurių devyni yra erdviniai, o vienas – laikinas)! Jei yra daugiau ar mažiau matavimų, matematines lygtis

  duoti neracionalius rezultatus, kurie eina į begalybę – singuliarumą.

  Žinoma, teorinė fizika ne veltui vadinama teorine. Visi jos pasiekimai iki šiol egzistuoja tik popieriuje. Taigi, norėdami paaiškinti, kodėl galime judėti tik trimatėje erdvėje, mokslininkai pradėjo kalbėti apie tai, kaip nelaimingi likę matmenys kvantiniu lygmeniu turėjo susitraukti į kompaktiškas sferas. Tiksliau, ne į sferas, o į Calabi-Yau erdves. Tai trimatės figūros, kurių viduje yra a savas pasaulis su savo dimensija. Tokio kolektoriaus dvimatė projekcija atrodo maždaug taip:

  
  Tokių skaičių žinoma daugiau nei 470 mln. Kuris iš jų atitinka mūsų tikrovę, in šiuo metu yra apskaičiuojamas. Nelengva būti fiziku teoretiku.

  Taip, tai atrodo šiek tiek toli. Bet galbūt būtent tai paaiškina, kodėl kvantinis pasaulis taip skiriasi nuo to, kurį mes suvokiame.

  Grįžkime šiek tiek į istoriją

  1968 m. jaunas teorinis fizikas Gabriele Veneziano domėjosi daugybe eksperimentiškai pastebėtų stiprios branduolinės jėgos savybių. Veneziano, kuris tuo metu dirbo CERN, Europos greitintuvo laboratorijoje Ženevoje, Šveicarijoje, keletą metų dirbo su šia problema, kol vieną dieną gavo puikią įžvalgą. Savo didžiulei nuostabai jis suprato, kad egzotiška matematinė formulė, kurią maždaug prieš du šimtus metų išrado garsus šveicarų matematikas Leonhardas Euleris, buvo grynai matematiniais tikslais- vadinamoji Eulerio beta funkcija - atrodo, kad ji gali vienu ypu apibūdinti visas daugybę dalelių, dalyvaujančių stiprioje branduolinėje sąveikoje, savybių. Veneziano pastebėta savybė suteikė galingą matematinį daugelio stiprios sąveikos bruožų aprašymą; tai paskatino darbų antplūdį, kai beta funkcija ir įvairūs jos apibendrinimai buvo naudojami apibūdinti didžiulius duomenų kiekius, sukauptus tiriant dalelių susidūrimus visame pasaulyje. Tačiau tam tikra prasme Veneziano pastebėjimas buvo neišsamus. Eulerio beta funkcija veikė kaip mokinio, nesuprantančio jos reikšmės ar prasmės, naudojama formulė, tačiau niekas nesuprato kodėl. Tai buvo formulė, kuriai reikėjo paaiškinimo.

  Gabrielė Veneziano

  Tai pasikeitė 1970 m., kai Yoichiro Nambu iš Čikagos universiteto, Holgeris Nielsenas iš Niels Bohr instituto ir Leonardas Susskindas iš Stanfordo universiteto sugebėjo atrasti fizikinę Eulerio formulės prasmę. Šie fizikai parodė, kad kai elementariosios dalelės vaizduojamos mažomis vibruojančiomis vienmatės stygomis, stiprią šių dalelių sąveiką tiksliai apibūdina Eulerio funkcija. Jei stygų segmentai būtų pakankamai maži, jie samprotavo, jie vis tiek atrodytų kaip taškinės dalelės, todėl neprieštarautų eksperimentiniams stebėjimams. Nors ši teorija buvo paprasta ir intuityviai patraukli, stiprios jėgos apibūdinimas greitai pasirodė esąs klaidingas. Aštuntojo dešimtmečio pradžioje. Didelės energijos fizikai sugebėjo giliau pažvelgti į subatominį pasaulį ir parodė, kad daugybė styginių modelių prognozių tiesiogiai prieštarauja stebėjimo rezultatams. Tuo pat metu lygiagrečiai vystėsi kvantinio lauko teorija – kvantinė chromodinamika – kuri naudojo taškinį dalelių modelį. Šios teorijos sėkmė apibūdinant stiprią sąveiką paskatino stygų teorijos atsisakymą.
  Dauguma dalelių fizikų manė, kad stygų teorija visam laikui buvo išmesta į šiukšlių dėžę, tačiau nemažai tyrinėtojų liko jai ištikimi. Pavyzdžiui, Schwartzas manė, kad „stygų teorijos matematinė struktūra yra tokia graži ir turi tiek daug nuostabių savybių, kad ji tikrai turi nurodyti kažką gilesnio“ 2 ). Viena iš fizikų problemų, susijusių su stygų teorija, buvo ta, kad atrodė, kad ji suteikia per daug pasirinkimo, o tai kėlė painiavą. Kai kurios šios teorijos vibruojančių stygų konfigūracijos turėjo savybių, panašių į gliuonų savybes, o tai leido iš tikrųjų laikyti tai stiprios sąveikos teorija. Tačiau, be to, jame buvo papildomų sąveikos nešiklio dalelių, kurios neturėjo nieko bendra su eksperimentinėmis stiprios sąveikos apraiškomis. 1974 m. Schwartz ir Joel Sherk iš Prancūzijos aukštojo mokslo technikos mokykla padarė drąsią prielaidą, kuri šį akivaizdų trūkumą pavertė pranašumu. Ištyrę keistus stygų, primenančių nešiklio daleles, vibracijos režimus, jie suprato, kad šios savybės stebėtinai glaudžiai sutampa su spėjamomis gravitacinės sąveikos dalelių nešėjo – gravitono – savybėmis. Nors šios „smulkios gravitacinės sąveikos dalelės“ iki šiol nebuvo aptiktos, teoretikai gali užtikrintai numatyti kai kurias pagrindinės savybės, kurią turi turėti šios dalelės. Sherk ir Schwartz nustatė, kad šios charakteristikos yra tiksliai įgyvendintos kai kuriems vibracijos režimams. Remdamiesi tuo, jie teigė, kad pirmasis stygų teorijos atsiradimas nepavyko, nes fizikai pernelyg susiaurino jos taikymo sritį. Sherk ir Schwartz paskelbė, kad stygų teorija nėra tik stiprios jėgos teorija, tai kvantinė teorija, kuri, be kita ko, apima ir gravitaciją).

  Fizikų bendruomenė į šį pasiūlymą reagavo labai rezervuotai. Tiesą sakant, pagal Schwartzo atsiminimus „mūsų darbą visi ignoravo“ 4). Pažangos keliai jau buvo visiškai užgriozdinti daugybe nesėkmingų bandymų sujungti gravitaciją ir kvantinę mechaniką. Stygų teorijai nepavyko iš pradžių bandyti apibūdinti stiprios jėgos, ir daugeliui atrodė beprasmiška bandyti ją panaudoti siekiant dar didesnių tikslų. Vėlesni, išsamesni tyrimai septintojo dešimtmečio pabaigoje ir devintojo dešimtmečio pradžioje. parodė, kad stygų teorija ir kvantinė mechanika turi savų, nors ir mažesnių, prieštaravimų. Atrodė, kad gravitacinė jėga vėl sugebėjo atsispirti bandymui integruoti jį į visatos aprašymą mikroskopiniu lygmeniu.
  Tai buvo iki 1984 m. Svarbiame dokumente, kuriame apibendrinami daugiau nei dešimtmetį trukę intensyvūs tyrimai, kuriuos dauguma fizikų iš esmės ignoravo arba atmetė, Greenas ir Schwartzas nustatė, kad nedidelis neatitikimas kvantinei teorijai, kenkiantis stygų teorijai, gali būti leistinas. Be to, jie parodė, kad gauta teorija buvo pakankamai plati, kad apimtų visus keturis jėgų tipus ir visas materijos rūšis. Žinia apie šį rezultatą pasklido visoje fizikų bendruomenėje, šimtams dalelių fizikų sustabdžius savo projektų darbą, kad galėtų dalyvauti puolime, kuris atrodė kaip paskutinis teorinis mūšis šimtmečius trukusiame puolime prieš giliausius visatos pamatus.
  Žodis apie Greeną ir Schwartzo sėkmę ilgainiui pasiekė net pirmo kurso magistrantus, o ankstesnį niūrumą pakeitė jaudinantis dalyvavimo fizikos istorijos lūžio taške jausmas. Daugelis iš mūsų nemiegojo iki vėlyvo vakaro, žiūrėdami į didelius dalykus teorinė fizika ir abstrakčiąją matematiką, kurios žinios būtinos norint suprasti stygų teoriją.

  Pasak mokslininkų, mes patys ir viskas aplink susideda iš begalinis skaičius tokie paslaptingi sulankstyti mikroobjektai.
  Laikotarpis nuo 1984 iki 1986 m dabar žinoma kaip „pirmoji superstygų teorijos revoliucija“. Per šį laikotarpį viso pasaulio fizikai parašė daugiau nei tūkstantį darbų apie stygų teoriją. Šie darbai įtikinamai parodė, kad daugybė standartinio modelio savybių, atrastų per dešimtmečius trukusių kruopščių tyrimų, natūraliai kyla iš nuostabios stygų teorijos sistemos. Kaip pažymėjo Michaelas Greenas: „Akimirka, kai esi supažindintas su stygų teorija ir supranti, kad beveik visi pagrindiniai praėjusio šimtmečio fizikos pasiekimai išplaukė – ir tekėjo tokia elegancija – nuo ​​tokio paprasto pradžios taško, aiškiai parodo neįtikėtiną ši teorija.“5 Be to, daugelis šių savybių, kaip matysime toliau, stygų teorija pateikia daug išsamesnį ir patenkinamesnį aprašymą nei standartinis modelis. Šie pasiekimai įtikino daugelį fizikų, kad stygų teorija gali ištesėti savo pažadus ir tapti pagrindine vienijančia teorija.
  

  Trimačio Calabi-Yau kolektoriaus dvimatė projekcija. Ši projekcija leidžia suprasti, kokie sudėtingi yra papildomi matmenys.

  Tačiau šiuo keliu fizikai, dirbantys su stygų teorija, vėl ir vėl susidūrė su rimtomis kliūtimis. Teorinėje fizikoje dažnai tenka susidurti su lygtimis, kurios yra per sudėtingos suprasti arba sunkiai išsprendžiamos. Paprastai tokioje situacijoje fizikai nepasiduoda ir bando gauti apytikslį šių lygčių sprendimą. Situacija stygų teorijoje yra daug sudėtingesnė. Netgi pats lygčių išvedimas pasirodė toks sudėtingas, kad iki šiol gauta tik apytikslė jų forma. Taigi fizikai, dirbantys stygų teorijoje, atsiduria situacijoje, kai tenka ieškoti apytikslių apytikslių lygčių sprendimų. Po kelerių metų nuostabios pažangos, padarytos per pirmąją superstygų revoliuciją, fizikai susidūrė su faktu, kad jų naudotos apytikslės lygtys negalėjo teisingai atsakyti į seriją. svarbius klausimus o tai trukdo tolesnei mokslinių tyrimų plėtrai. Neturėdami konkrečių idėjų, kaip peržengti šiuos apytikslius metodus, daugelis fizikų, dirbančių stygų teorijos srityje, patyrė vis didesnį nusivylimo jausmą ir grįžo prie ankstesnių tyrimų. Tiems, kurie liko, 1980-ųjų pabaiga ir 1990-ųjų pradžia. buvo bandomasis laikotarpis.

  Stygų teorijos grožis ir potenciali galia viliojo tyrinėtojus kaip aukso lobis, saugiai užrakintas seife, matomas tik pro mažytį akutę, tačiau niekas neturėjo rakto, kuris išlaisvintų šias snaudžiančias jėgas. Ilgas „sausros“ laikotarpis karts nuo karto nutrūkdavo svarbių atradimų, tačiau visiems buvo aišku, kad reikalingi nauji metodai, kurie leistų peržengti jau žinomus apytikslius sprendimus.

  Aklavietė baigėsi kvapą gniaužiančia kalba, kurią 1995 m. Pietų Kalifornijos universitete vykusioje stygų teorijos konferencijoje pasakė Edwardas Wittenas – pokalbis, kuris pribloškė salę, pripildytą žymiausių pasaulio fizikų. Jame jis pristatė kito tyrimo etapo planą, taip pradėdamas „antrąją superstygų teorijos revoliuciją“. Styginių teoretikai dabar energingai kuria naujus metodus, kurie žada įveikti jiems iškilusias kliūtis.
  

  Siekiant plačiai išpopuliarinti TS, žmonija turėtų pastatyti paminklą Kolumbijos universiteto profesoriui Brianui Greene'ui. Jo 1999 metais išleista knyga „Elegantiškoji visata. Superstygos, paslėpti matmenys ir galutinės teorijos ieškojimas“ tapo bestseleriu ir laimėjo Pulitzerio premiją. Mokslininko darbai sudarė pagrindą populiariam mokslo mini serialui, kurio šeimininkas buvo pats autorius – jo fragmentą galima pamatyti medžiagos pabaigoje (nuotrauka Amy Sussman / Kolumbijos universitetas).

  

  spustelėjamas 1700 px

  Dabar pabandykime bent šiek tiek suprasti šios teorijos esmę.

  Pradėkime nuo pradžių. Nulinis matmuo yra taškas. Ji neturi dydžio. Nėra kur judėti, nereikia koordinačių, kad būtų nurodyta vieta tokiame matmenyje.

  Šalia pirmojo taško pastatykime antrą ir per juos nubrėžkime liniją. Štai pirmasis matmuo. Vienmatis objektas turi dydį – ilgį, bet neturi pločio ar gylio. Judėjimas vienmatėje erdvėje yra labai ribotas, nes negalima išvengti kliūties, kuri atsiranda kelyje. Norėdami nustatyti vietą šiame segmente, jums reikia tik vienos koordinatės.

  Padėkime tašką šalia segmento. Kad tilptų abu šie objektai, mums reikės dvimatės erdvės su ilgiu ir pločiu, tai yra plotu, bet be gylio, ty tūrio. Bet kurio taško vieta šiame lauke nustatoma pagal dvi koordinates.

  Trečiasis matmuo atsiranda, kai prie šios sistemos pridedame trečią koordinačių ašį. Mums, trimatės visatos gyventojams, tai labai lengva įsivaizduoti.

  Pabandykime įsivaizduoti, kaip pasaulį mato dvimatės erdvės gyventojai. Pavyzdžiui, šie du žmonės:

  Kiekvienas iš jų pamatys savo bendražygį taip:

  Ir šioje situacijoje:

  Mūsų herojai matys vienas kitą taip:

  Būtent požiūrio pasikeitimas leidžia mūsų herojams vertinti vieni kitus kaip dvimačius objektus, o ne vienmačius segmentus.

  Dabar įsivaizduokime, kad tam tikras tūrinis objektas juda trečiojoje dimensijoje, kuri kerta šį dvimatį pasaulį. Išoriniam stebėtojui šis judėjimas bus išreikštas dvimačių objekto projekcijų pasikeitimu plokštumoje, pavyzdžiui, brokolių MRT aparate:

  Tačiau mūsų Plokštumos gyventojui toks vaizdas yra nesuprantamas! Jis net neįsivaizduoja jos. Jam kiekviena iš dvimačių projekcijų bus matoma kaip paslaptingai kintamo ilgio vienmatis segmentas, atsirandantis nenuspėjamoje vietoje ir taip pat nenuspėjamai išnykstantis. Bandymai apskaičiuoti tokių objektų ilgį ir atsiradimo vietą naudojant dvimatės erdvės fizikos dėsnius yra pasmerkti nesėkmei.

  Mes, trimačio pasaulio gyventojai, viską matome kaip dvimatį. Tik objekto judėjimas erdvėje leidžia pajusti jo tūrį. Bet kurį daugiamatį objektą taip pat matysime kaip dvimatį, tačiau jis keisis nuostabiais būdais, priklausomai nuo mūsų santykio su juo ar laiko.

  Šiuo požiūriu įdomu galvoti, pavyzdžiui, apie gravitaciją. Turbūt visi yra matę tokias nuotraukas:

  Paprastai jie vaizduoja, kaip gravitacija lenkia erdvėlaikį. Lenkia... kur? Tiksliai ne jokiu mums pažįstamu matmeniu. A kvantinis tunelis, tai yra dalelės gebėjimas išnykti vienoje vietoje ir atsirasti visai kitoje vietoje, o už kliūties, pro kurią mūsų realybėse ji negalėtų prasiskverbti nepadariusi joje skylės? O juodosios skylės? O jeigu visos šios ir kitos šiuolaikinio mokslo paslaptys paaiškinamos tuo, kad erdvės geometrija visai ne tokia, kokia esame įpratę ją suvokti?

  Laikrodis tiksi

  Laikas mūsų Visatai prideda dar vieną koordinates. Kad vakarėlis įvyktų, reikia žinoti ne tik kuriame bare jis vyks, bet ir tikslus laikasšį įvykį.

  Remiantis mūsų suvokimu, laikas yra ne tiek tiesi linija, kiek spindulys. Tai yra, jis turi atspirties tašką, o judėjimas vykdomas tik viena kryptimi - iš praeities į ateitį. Be to, tikra yra tik dabartis. Neegzistuoja nei praeitis, nei ateitis, kaip biuro darbuotojo pietų pertraukos metu neegzistuoja pusryčiai ir vakarienė.

  Tačiau reliatyvumo teorija su tuo nesutinka. Jos požiūriu, laikas yra visavertis matmuo. Visi įvykiai, kurie egzistavo, egzistuoja ir egzistuos, yra vienodai tikri, kaip ir jūros paplūdimys yra tikras, nepaisant to, kur tiksliai mus nustebino svajonės apie banglenčių garsą. Mūsų suvokimas tėra kažkas panašaus į prožektorių, kuris apšviečia tam tikrą segmentą tiesia laiko linija. Žmonija ketvirtoje dimensijoje atrodo maždaug taip:

  Bet mes matome tik projekciją, šios dimensijos gabalėlį kiekvienu atskiru laiko momentu. Taip, taip, kaip brokoliai MRT aparate.

  Iki šiol visos teorijos veikė su daugybe erdvinių matmenų, o laikinoji visada buvo vienintelė. Bet kodėl erdvė leidžia naudoti kelis erdvės matmenis, bet tik vieną kartą? Kol mokslininkai negalės atsakyti į šį klausimą, dviejų ar daugiau laiko erdvių hipotezė atrodys labai patraukli visiems filosofams ir mokslinės fantastikos rašytojams. Ir fizikai taip pat, o kas? Pavyzdžiui, amerikiečių astrofizikas Itzhakas Barsas visų bėdų, susijusių su visko teorija, šaknis mato kaip nepastebėtą antrąjį laiko aspektą. Kaip protinius pratimus, pabandykime įsivaizduoti pasaulį su dviem laikais.

  Kiekvienas matmuo egzistuoja atskirai. Tai išreiškiama tuo, kad pakeitus objekto koordinates viename matmenyje, koordinatės kituose gali likti nepakitusios. Taigi, jei judate išilgai vienos laiko ašies, kuri stačiu kampu kerta kitą, tada susikirtimo taške laikas sustos. Praktiškai tai atrodys maždaug taip:

  Viskas, ką Neo turėjo padaryti, tai pastatyti savo vienmatę laiko ašį statmenai kulkų laiko ašiai. Tik smulkmena, sutikite. Tiesą sakant, viskas yra daug sudėtingiau.

  Tikslus laikas visatoje su dviem laiko matmenimis bus nustatomas pagal dvi vertes. Ar sunku įsivaizduoti dvimatį įvykį? Tai yra, tas, kuris vienu metu pratęsiamas išilgai dviejų laiko ašių? Tikėtina, kad tokiam pasauliui prireiks laiko kartografavimo specialistų, lygiai taip pat, kaip kartografai kartoja dvimatį Žemės rutulio paviršių.

  Kas dar skiria dvimatę erdvę nuo vienmatės erdvės? Pavyzdžiui, gebėjimas apeiti kliūtį. Tai visiškai už mūsų proto ribų. Vienmačio pasaulio gyventojas neįsivaizduoja, ką reiškia pasukti už kampo. O kas tai – kampas laike? Be to, dvimatėje erdvėje galite keliauti pirmyn, atgal ar net įstrižai. Neįsivaizduoju, ką reiškia leisti laiką įstrižai. Jau nekalbant apie tai, kad laikas yra daugelio fizinių dėsnių pagrindas, ir neįmanoma įsivaizduoti, kaip Visatos fizika pasikeis atsiradus kitai laiko dimensijai. Bet taip įdomu apie tai galvoti!

  Labai didelė enciklopedija

  Kiti matmenys dar nebuvo atrasti ir egzistuoja tik matematiniuose modeliuose. Bet jūs galite pabandyti įsivaizduoti juos tokius.

  Kaip sužinojome anksčiau, matome trimatę Visatos ketvirtosios (laiko) dimensijos projekciją. Kitaip tariant, kiekvienas mūsų pasaulio egzistavimo momentas yra taškas (panašus į nulinę dimensiją) laikotarpiu nuo Didžiojo sprogimo iki pasaulio pabaigos.

  Tie, kurie skaitėte apie keliones laiku, žinote, kokį svarbų vaidmenį joje atlieka erdvės-laiko kontinuumo kreivumas. Tai yra penktoji dimensija – būtent jame keturmatis erdvėlaikis „lenkiasi“, siekdamas suartinti du šios linijos taškus. Be to kelionė tarp šių taškų būtų per ilga arba net neįmanoma. Grubiai tariant, penktasis matmuo yra panašus į antrąjį - jis perkelia „vienmatę“ erdvės laiko liniją į „dvimatę“ plokštumą su viskuo, ką reiškia gebėjimas pasukti kampą.

  Mūsų ypač filosofiškai nusiteikę skaitytojai kiek anksčiau tikriausiai pagalvojo apie tokią galimybę laisva valia tokiomis sąlygomis, kai ateitis jau egzistuoja, bet dar nėra žinoma. Mokslas į šį klausimą atsako taip: tikimybės. Ateitis – ne lazda, o visa šluota galimų scenarijų. Kuris išsipildys, sužinosime, kai pasieksime.

  Kiekviena tikimybė egzistuoja kaip „vienmatis“ segmentas penktosios dimensijos „plokštumoje“. Koks yra greičiausias būdas pereiti iš vieno segmento į kitą? Teisingai – sulenkite šią plokštumą kaip popieriaus lapą. Kur turėčiau jį sulenkti? Ir vėl teisingai – šeštoje dimensijoje, kuri visa tai suteikia sudėtinga struktūra"tūris". Ir taip daro tai patinka trimatė erdvė, „baigta“, naujas taškas.

  Septintasis matmuo yra nauja tiesi linija, kurią sudaro šešių matmenų „taškai“. Koks kitas taškas šioje linijoje? Visas begalinis įvykių raidos kitoje visatoje variantų rinkinys, susiformavęs ne Didžiojo sprogimo pasekoje, o kitomis sąlygomis ir veikiantis pagal kitus dėsnius. Tai yra, septintoji dimensija yra karoliukai iš paralelinių pasaulių. Aštuntasis matmuo surenka šias „tiesias linijas“ į vieną „plokštumą“. O devintąją galima palyginti su knyga, kurioje yra visi aštuntos dimensijos „lapai“. Tai yra visų visatų istorijų visuma su visais fizikos dėsniais ir visomis pradinėmis sąlygomis. Vėl laikotarpis.

  Čia pasiekėme ribą. Norėdami įsivaizduoti dešimtąjį matmenį, mums reikia tiesios linijos. O koks dar taškas gali būti šioje linijoje, jei devinta dimensija jau apima viską, ką galima įsivaizduoti, ir net tai, ko neįmanoma įsivaizduoti? Pasirodo, devinta dimensija yra ne tik dar vienas atspirties taškas, bet ir paskutinis – bent jau mūsų vaizduotei.

  Stygų teorija teigia, kad stygos vibruoja dešimtoje dimensijoje – pagrindinės dalelės, sudarančios viską. Jei dešimtajame dimensijoje yra visos visatos ir visos galimybės, tai stygos egzistuoja visur ir visą laiką. Turiu omenyje, kad kiekviena eilutė egzistuoja ir mūsų visatoje, ir bet kurioje kitoje. Bet kuriuo metu. Iš karto. Šaunu, a?

  Fizikas, stygų teorijos specialistas. Jis žinomas dėl savo darbo veidrodžio simetrijos srityje, susijusio su atitinkamų Calabi-Yau kolektorių topologija. Plačiai publikai žinomas kaip mokslo populiarinimo knygų autorius. Jo elegantiška visata buvo nominuota Pulitzerio premijai.

  2013 metų rugsėjį Brianas Greene'as atvyko į Maskvą Politechnikos muziejaus kvietimu. Garsus fizikas, stygų teoretikas ir Kolumbijos universiteto profesorius, plačiajai visuomenei žinomas pirmiausia kaip mokslo populiarintojas ir knygos „Elegantiškoji visata“ autorius. Lenta.ru kalbėjosi su Brianu Greene'u apie stygų teoriją ir naujausius sunkumus, su kuriais susidūrė teorija, taip pat kvantinę gravitaciją, amplituedrą ir socialinę kontrolę.

  Literatūra rusų kalba: Kaku M., Thompsonas J.T. „Anapus Einšteino: superstygos ir paskutinės teorijos ieškojimas“ ir kas tai buvo Originalus straipsnis yra svetainėje InfoGlaz.rf Nuoroda į straipsnį, iš kurio buvo padaryta ši kopija -

  Superstygų teorija, populiariai kalbant, visatą įsivaizduoja kaip vibruojančių energijos gijų – stygų – rinkinį. Jie yra gamtos pagrindas. Hipotezė apibūdina ir kitus elementus – branas. Visa mūsų pasaulio materija susideda iš stygų ir branų virpesių. Natūrali teorijos pasekmė yra gravitacijos aprašymas. Štai kodėl mokslininkai mano, kad tai yra raktas į gravitacijos suvienijimą su kitomis jėgomis.

  Sąvoka tobulėja

  teorija vienas laukas, superstygų teorija, yra grynai matematinė. Kaip ir visos fizikos sąvokos, ji pagrįsta lygtimis, kurias galima interpretuoti tam tikrais būdais.

  Šiandien niekas tiksliai nežino, kokia bus galutinė šios teorijos versija. Mokslininkai apie tai turi gana miglotą supratimą bendri elementai, tačiau galutinės lygties, kuri apimtų visas superstygų teorijas, dar niekas nepateikė, o eksperimentiškai jos patvirtinti dar nepavyko (nors ji taip pat buvo paneigta). Fizikai sukūrė supaprastintas lygties versijas, tačiau iki šiol ji nevisiškai apibūdina mūsų visatą.

  Superstygų teorija pradedantiesiems

  Hipotezė grindžiama penkiomis pagrindinėmis idėjomis.

  1. Superstygų teorija numato, kad visi mūsų pasaulio objektai yra sudaryti iš vibruojančių gijų ir energijos membranų.
  2. Jis bando derinti bendrąjį reliatyvumą (gravitaciją) su kvantinė fizika.
  3. Superstygų teorija leis mums suvienyti visas pagrindines visatos jėgas.
  4. Ši hipotezė numato naują ryšį, supersimetriją, tarp dviejų iš esmės skirtingų dalelių tipų – bozonų ir fermionų.
  5. Sąvoka apibūdina daugybę papildomų, dažniausiai nepastebimų Visatos matmenų.

  Stygos ir branai

  Kai teorija atsirado aštuntajame dešimtmetyje, joje esančios energijos gijos buvo laikomos 1 dimensijos objektais – stygomis. Žodis „vienmatis“ reiškia, kad eilutė turi tik 1 matmenį, ilgį, skirtingai nei, pavyzdžiui, kvadratas, turintis ilgį ir aukštį.

  Teorija šias superstygas skirsto į du tipus – uždaras ir atviras. Atvira eilutė turi galus, kurie nesiliečia vienas su kitu, o uždara eilutė yra kilpa be atvirų galų. Dėl to buvo nustatyta, kad šios eilutės, vadinamos 1 tipo eilutėmis, yra veikiamos 5 pagrindinių sąveikų tipų.

  Sąveika grindžiama stygos gebėjimu sujungti ir atskirti jos galus. Kadangi atvirų stygų galai gali susijungti ir sudaryti uždaras eilutes, neįmanoma sukurti superstygų teorijos, kuri neapimtų kilpinių stygų.

  Tai pasirodė svarbu, nes uždaros stygos turi savybių, kurios, fizikų nuomone, gali apibūdinti gravitaciją. Kitaip tariant, mokslininkai suprato, kad užuot aiškinusi materijos daleles, superstygų teorija gali apibūdinti jų elgesį ir gravitacijos jėgą.

  Bėgant metams buvo išsiaiškinta, kad teorijai, be stygų, reikia ir kitų elementų. Jie gali būti laikomi lakštais arba branomis. Stygos gali būti tvirtinamos iš vienos arba abiejų pusių.

  

  Kvantinė gravitacija

  Šiuolaikinė fizika turi du pagrindinius mokslinius dėsnius: bendrąjį reliatyvumą (GTR) ir kvantinį. Jie atstovauja visiškai skirtingoms mokslo sritims. Kvantinė fizika tiria mažiausias natūralias daleles, o bendroji reliatyvumo teorija, kaip taisyklė, apibūdina gamtą planetų, galaktikų ir visos visatos mastu. Hipotezės, kuriomis bandoma jas suvienodinti, vadinamos kvantinės gravitacijos teorijomis. Perspektyviausias iš jų šiandien yra styginis instrumentas.

  Uždaryti siūlai atitinka gravitacijos elgesį. Visų pirma, jie turi gravitono, dalelės, perduodančios gravitaciją tarp objektų, savybes.

  Suvienija jėgas

  Stygų teorija bando sujungti keturias jėgas – elektromagnetinę jėgą, stipriąsias ir silpnąsias branduolines jėgas bei gravitaciją – į vieną. Mūsų pasaulyje jie pasireiškia kaip keturi įvairūs reiškiniai, tačiau stygų teoretikai mano, kad ankstyvojoje Visatoje, kai buvo neįtikėtinai aukštus lygius energijos, visos šios jėgos apibūdinamos viena su kita sąveikaujančiomis stygomis.

  

  Supersimetrija

  Visas visatos daleles galima suskirstyti į du tipus: bozonus ir fermionus. Stygų teorija numato, kad tarp jų yra ryšys, vadinamas supersimetrija. Pagal supersimetriją kiekvienam bozonui turi būti fermionas, o kiekvienam fermionui – bozonas. Deja, tokių dalelių egzistavimas nebuvo eksperimentiškai patvirtintas.

  Supersimetrija yra matematinis ryšys tarp elementų fizikines lygtis. Jis buvo atrastas kitoje fizikos šakoje, o jo taikymas lėmė, kad aštuntojo dešimtmečio viduryje ji buvo pervadinta į supersimetrinę stygų teoriją (arba superstygų teoriją, populiariai kalbant).

  Vienas iš supersimetrijos privalumų yra tai, kad ji labai supaprastina lygtis, pašalindama kai kuriuos kintamuosius. Be supersimetrijos lygtys sukelia fizinius prieštaravimus, tokius kaip begalinės vertės ir įsivaizduojamos

  Kadangi mokslininkai nepastebėjo supersimetrijos numatytų dalelių, tai vis dar yra hipotezė. Daugelis fizikų mano, kad to priežastis yra didelio energijos kiekio poreikis, susijęs su mase žinoma lygtis Einšteinas E = mc2. Šios dalelės galėjo egzistuoti ankstyvojoje visatoje, tačiau jai atvėsus ir energijai pasklidus po Didžiojo sprogimo, šios dalelės perėjo į žemesnius energijos lygius.

  Kitaip tariant, stygos, kurios vibravo kaip didelės energijos dalelės, prarado energiją, paversdamos jas mažiau vibruojančiais elementais.

  Mokslininkai tikisi, kad astronominiai stebėjimai ar dalelių greitintuvo eksperimentai patvirtins teoriją, nustatydami kai kuriuos didesnės energijos supersimetrinius elementus.

  

  Papildomi matmenys

  Kitas matematinis stygų teorijos potekstė yra ta, kad ji yra prasminga pasaulyje, turinčiame daugiau nei tris dimensijas. Šiuo metu tam yra du paaiškinimai:

  1. Papildomi matmenys (šeši iš jų) žlugo arba, kalbant stygų teorijos terminologijoje, suspausti į neįtikėtinai mažus dydžius, kurie niekada nebus suvokiami.
  2. Esame įstrigę 3 dimensijoje branoje, o kitos dimensijos tęsiasi už jos ribų ir yra mums nepasiekiamos.

  Svarbi teoretikų tyrimų sritis yra matematinis modeliavimas kaip šios papildomos koordinatės gali būti susijusios su mūsų. Naujausi rezultatai prognozuoja, kad mokslininkai netrukus galės aptikti šiuos papildomus matmenis (jei tokių yra) būsimuose eksperimentuose, nes jie gali būti didesni, nei tikėtasi anksčiau.

  Tikslo supratimas

  Tikslas, kurio mokslininkai siekia tyrinėdami superstygas, yra „visko teorija“, t. y. vieninga fizinė hipotezė, kad pamatinis lygis aprašo viską fizinė tikrovė. Jei pasiseks, tai galėtų išsiaiškinti daugelį klausimų apie mūsų visatos struktūrą.

  Materijos ir masės aiškinimas

  Vienas iš pagrindinių šiuolaikinių tyrimų uždavinių – rasti sprendimus tikroms dalelėms.

  Stygų teorija prasidėjo kaip sąvoka, apibūdinanti tokias daleles kaip hadronai pagal įvairias aukštesnes stygos virpesių būsenas. Daugumoje šiuolaikinių formuluočių mūsų visatoje stebima materija yra žemiausios energijos virpesių stygų ir branų rezultatas. Didesnės vibracijos sukuria didelės energijos daleles, kurių šiuo metu mūsų pasaulyje nėra.

  Jų masė yra apraiška, kaip stygos ir branos yra suvyniotos į sutankintus papildomus matmenis. Pavyzdžiui, supaprastintu atveju, kai ji sulankstyta į spurgos formą, kurią matematikai ir fizikai vadina toru, styga gali apsivynioti aplink šią formą dviem būdais:

  • trumpa kilpa per toro vidurį;
  • ilga kilpa aplink visą išorinį toro perimetrą.

  Trumpa kilpa bus lengva dalelė, o ilga kilpa bus sunki. Apvyniojus stygas aplink toro formos sutankintus matmenis, susidaro nauji skirtingos masės elementai.

  

  Superstygų teorija trumpai ir aiškiai, paprastai ir elegantiškai paaiškina ilgio perėjimą prie masės. Sulenkti matmenys čia yra daug sudėtingesni nei toras, tačiau iš esmės jie veikia taip pat.

  Netgi įmanoma, nors ir sunkiai įsivaizduojama, kad styga tuo pačiu metu apsivijo aplink torą dviem kryptimis, todėl susidaro kitokia dalelė su skirtinga mase. Branes taip pat gali apimti papildomus matmenis, sukurdamos dar daugiau galimybių.

  Erdvės ir laiko apibrėžimas

  Daugelyje superstygų teorijos versijų matavimai žlunga, todėl dabartiniu technologijų lygiu jų neįmanoma stebėti.

  Šiuo metu neaišku, ar stygų teorija gali paaiškinti pagrindinę erdvės ir laiko prigimtį labiau nei Einšteinas. Jame matavimai yra stygų sąveikos fonas ir nepriklausomas tikroji prasmė neturiu.

  Buvo pasiūlyti ne iki galo išplėtoti paaiškinimai, susiję su erdvės laiko vaizdavimu kaip visos stygų sąveikų sumos išvestiniu.

  Šis požiūris neatitinka kai kurių fizikų idėjų, dėl kurių hipotezė buvo kritikuojama. Konkurencinga teorija kaip pradinį tašką naudoja erdvės ir laiko kvantavimą. Kai kurie mano, kad galiausiai tai bus tik kitoks požiūris į tą pačią pagrindinę hipotezę.

  Gravitacijos kvantavimas

  Pagrindinis šios hipotezės pasiekimas, jei pasitvirtins, bus kvantinė gravitacijos teorija. Dabartinis Bendrosios reliatyvumo teorijos aprašymas nesutampa su kvantine fizika. Pastaroji, nustatydama mažų dalelių elgesio apribojimus, sukelia prieštaravimų bandant tyrinėti Visatą itin mažais masteliais.

  Jėgų suvienijimas

  Šiuo metu fizikai žino keturias pagrindines jėgas: gravitaciją, elektromagnetinę, silpnąją ir stipriąją branduolinę sąveiką. Iš stygų teorijos išplaukia, kad jos visos kažkada buvo vienos apraiškos.

  Remiantis šia hipoteze, nuo ankstyvoji visata po to atvėso didysis sprogimas, ši vienintelė sąveika pradėjo skaidytis į skirtingas šiandien veikiančias.

  Didelės energijos eksperimentai kada nors leis mums atrasti šių jėgų susivienijimą, nors tokie eksperimentai gerokai pranoksta dabartinę technologijų raidą.

  Penki variantai

  Nuo 1984 m. superstyginių revoliucijos plėtra vyko karštligišku tempu. Dėl to vietoj vienos sąvokos buvo penkios, vadinamos I tipo, IIA, IIB, HO, HE, kurių kiekviena beveik visiškai apibūdino mūsų pasaulį, bet ne iki galo.

  Fizikai, nagrinėdami stygų teorijos versijas, tikėdamiesi rasti universalią tikrąją formulę, sukūrė 5 skirtingas savarankiškas versijas. Kai kurios jų savybės atspindėjo fizinę pasaulio tikrovę, kitos neatitiko tikrovės.

  

  M teorija

  1995 m. vykusioje konferencijoje fizikas Edwardas Wittenas pasiūlė drąsų penkių hipotezių problemos sprendimą. Remiantis naujai atrastu dvilypumu, jie visi tapo ypatingais vienos visa apimančios koncepcijos, Witteno vadinamos M-teorijos superstyginiais, atvejais. Viena iš pagrindinių jos sąvokų buvo branos (sutrumpinimas iš membranos), pagrindiniai objektai, turintys daugiau nei 1 matmenį. Nors autorius nepasiūlė pilnos versijos, kuri vis dar neegzistuoja, superstygų M teorija trumpai susideda iš šių bruožų:

  • 11 matmenų (10 erdvinių ir 1 laiko matmuo);
  • dvilypumai, vedantys į penkias teorijas, paaiškinančias tą pačią fizinę tikrovę;
  • Branos yra stygos, turinčios daugiau nei 1 matmenį.

  Pasekmės

  Dėl to vietoj vieno atsirado 10 500 sprendimų. Kai kuriems fizikams tai sukėlė krizę, o kiti priėmė antropinį principą, kuris visatos savybes paaiškina mūsų buvimu joje. Belieka tikėtis, kad teoretikai ras kitą būdą naršyti superstygų teorijoje.

  Kai kurios interpretacijos rodo, kad mūsų pasaulis nėra vienintelis. Radikaliausios versijos leidžia egzistuoti be galo daug visatų, kai kuriose iš jų yra tikslios mūsų kopijos.

  Einšteino teorija numato sugriuvusios erdvės, vadinamos kirmgrauža arba Einšteino-Roseno tiltu, egzistavimą. Šiuo atveju dvi nutolusios sritys yra sujungtos trumpu praėjimu. Superstygų teorija leidžia ne tik tai, bet ir jungti tolimus paralelinių pasaulių taškus. Netgi įmanoma pereiti tarp visatų su skirtingais fizikos dėsniais. Tačiau tikėtina, kad kvantinė gravitacijos teorija padarys jų egzistavimą neįmanomą.

  

  Daugelis fizikų mano, kad holografinis principas, kai visa erdvės tūryje esanti informacija atitinka informaciją, įrašytą jos paviršiuje, leis giliau suprasti energijos gijų sampratą.

  Kai kurie mano, kad superstygų teorija leidžia naudoti kelias laiko dimensijas, dėl kurių gali keliauti per juos.

  Be to, hipotezė siūlo alternatyvą didžiojo sprogimo modeliui, kuriame mūsų visata buvo sukurta susidūrus dviems branams ir išgyvena pasikartojančius kūrimo ir naikinimo ciklus.

  Galutinis visatos likimas visada užėmė fizikus, o galutinė stygų teorijos versija padės nustatyti materijos tankį ir kosmologinę konstantą. Žinodami šias vertybes, kosmologai galės nustatyti, ar visata susitrauks iki sprogimo, kad viskas prasidėtų iš naujo.

  Niekas nežino, ką tai gali sukelti, kol jis nebus sukurtas ir išbandytas. Einšteinas, parašęs lygtį E=mc 2, nemanė, kad tai sukels branduolinių ginklų atsiradimą. Kūrėjai kvantinė fizika Jie nežinojo, kad tai taps pagrindu kuriant lazerį ir tranzistorių. Ir nors dar nežinoma, prie ko tokia grynai teorinė koncepcija prives, istorija rodo, kad tikrai atsiras kažkas išskirtinio.

  Daugiau apie šią hipotezę galite perskaityti Andrew Zimmermano knygoje „Superstring Theory for Dummies“.