Teoria e fijeve në një prezantim popullor. Çfarë është teoria e fijeve

Në fillim të shekullit të 20-të, u formuan dy shtylla mbështetëse të njohurive moderne shkencore. Një prej tyre është teoria e përgjithshme e relativitetit të Ajnshtajnit, e cila shpjegon fenomenin e gravitetit dhe strukturën e hapësirë-kohës. Tjetra është mekanika kuantike, e cila përshkruan proceset fizike përmes prizmit të probabilitetit. Teoria e fijeve synon të kombinojë këto dy qasje. Mund të shpjegohet shkurt dhe qartë duke përdorur analogji në jetën e përditshme.

Teoria e fijeve në terma të thjeshtë

Dispozitat kryesore të një prej "teorive më të famshme të gjithçkaje" përfundojnë në sa vijon:

Baza e universit përbëhet nga objekte të zgjatura që kanë formë si vargje;
Këto objekte priren t'i nënshtrohen dridhjeve të ndryshme, sikur në instrument muzikor;
Si rezultat i këtyre dridhjeve formohen grimca të ndryshme elementare (kuarke, elektrone etj.).
Masa e objektit që rezulton është drejtpërdrejt proporcionale me amplituda e dridhjes së përsosur;
Teoria ndihmon në sigurimin e një pasqyre të re mbi vrimat e zeza;
Gjithashtu, me ndihmën e mësimit të ri, u bë e mundur të zbulohej forca e gravitetit në ndërveprimet midis grimcave themelore;
Në ndryshim nga idetë mbizotëruese për botën katërdimensionale, teoria e re prezanton dimensione shtesë;
Aktualisht, koncepti ende nuk është pranuar zyrtarisht nga komuniteti i gjerë shkencor. Nuk dihet asnjë eksperiment i vetëm që do të konfirmonte këtë teori harmonike dhe të verifikuar në letër.

Sfondi historik

Historia e kësaj paradigme përfshin disa dekada kërkimesh intensive. Falë përpjekjeve të përbashkëta të fizikantëve në mbarë botën, u zhvillua një teori koherente që përfshinte konceptet e materies së kondensuar, kozmologjisë dhe matematikës teorike.

Fazat kryesore të zhvillimit të tij:

1943-1959 U shfaq doktrina e Werner Heisenberg për matricën s, brenda së cilës u propozua të hidheshin poshtë konceptet e hapësirës dhe kohës për fenomenet kuantike. Heisenberg ishte i pari që zbuloi se pjesëmarrësit në ndërveprime të forta janë objekte të zgjeruara, jo pika;
1959-1968 U zbuluan grimca me rrotullime të larta (momente rrotullimi). Fizikani italian Tullio Regge do të propozojë grupimin e gjendjeve kuantike në trajektore (të cilat u emëruan sipas tij);
1968-1974 Garibral Veneziano propozoi një model rezonance të dyfishtë për të përshkruar ndërveprime të forta. Yoshiro Nambu zhvilloi këtë ide dhe i përshkroi forcat bërthamore si vargje njëdimensionale vibruese;
1974-1994 Zbulimi i superstrings, kryesisht falë punës së shkencëtarit rus Alexander Polyakov;
1994-2003 Shfaqja e teorisë M lejoi më shumë se 11 dimensione;
2003 - sot V. Michael Douglas zhvilloi teorinë e vargut të peizazhit me konceptin vakum i rremë.

Teoria kuantike e fijeve

Objektet kryesore në paradigmën e re shkencore janë objektet më të bukura, të cilat janë të tyre lëvizjet osciluese i japin masë dhe ngarkesë çdo grimce elementare.

Karakteristikat kryesore të vargjeve sipas ideve moderne:

Gjatësia e tyre është jashtëzakonisht e vogël - rreth 10 -35 metra. Në këtë shkallë, ndërveprimet kuantike bëhen të dallueshme;
Megjithatë, në të zakonshme kushtet laboratorike, të cilat nuk kanë të bëjnë me objekte kaq të vogla, një varg është absolutisht i padallueshëm nga një objekt me pikë pa dimension;
Një karakteristikë e rëndësishme e një objekti të vargut është orientimi. Vargjet që e posedojnë janë çiftuar me të drejtim të kundërt. Ka edhe raste të padrejtuara.

Vargjet mund të ekzistojnë ose në formën e një segmenti të kufizuar në të dy skajet, ose në formën e një laku të mbyllur. Për më tepër, transformimet e mëposhtme janë të mundshme:

Një segment ose lak mund të "shumohet" për të krijuar një palë objektesh përkatëse;
Një segment krijon një lak nëse një pjesë e tij "lakohet";
Lakja prishet dhe bëhet një varg i hapur;
Dy segmente shkëmbejnë segmente.

Objekte të tjera themelore

Në vitin 1995, doli se jo vetëm objektet njëdimensionale janë blloqet ndërtuese të universit tonë. Parashikohej ekzistenca e formacioneve të pazakonta - branes- në formën e një cilindri ose unaze vëllimore, të cilat kanë këto karakteristika:

Ato janë disa miliarda herë më të vogla se atomet;
Mund të përhapet në hapësirë dhe kohë, të ketë masë dhe ngarkesë;
Në Universin tonë ata përfaqësojnë objekte tredimensionale. Megjithatë, sugjerohet se forma e tyre është shumë më misterioze, pasi një pjesë e konsiderueshme e tyre mund të shtrihet në dimensione të tjera;
Hapësira shumëdimensionale që shtrihet poshtë branes është hiperhapësirë;
Këto struktura lidhen me ekzistencën e grimcave që bartin gravitetin - gravitone. Ato ndahen lirisht nga branes dhe rrjedhin pa probleme në dimensione të tjera;
Ndërveprimet elektromagnetike, bërthamore dhe të dobëta janë gjithashtu të lokalizuara në brane;
Shumica shumëllojshmëri e rëndësishme janë D-brane. Ata janë ngjitur në sipërfaqet e tyre pikat fundore vargu i hapur në momentin kur kalon nëpër hapësirë.

Kritikat

Ashtu si çdo revolucion shkencor, edhe ky kalon nëpër gjembat e keqkuptimeve dhe kritikave nga ithtarët e pikëpamjeve tradicionale.

Ndër komentet e shprehura më shpesh:

Futja e dimensioneve shtesë të hapësirë-kohës krijon mundësinë hipotetike të ekzistencës sasi e madhe universet. Sipas matematikanit Peter Volt, kjo çon në pamundësinë e parashikimit të ndonjë procesi apo fenomeni. Çdo eksperiment shkakton një numër të madh skenarësh të ndryshëm që mund të interpretohen në mënyra të ndryshme;
Nuk ka asnjë opsion konfirmimi. Niveli modern zhvillimet teknologjike nuk lejojnë që hulumtimi në tavolinë të konfirmohet ose të përgënjeshtrohet eksperimentalisht;
Vëzhgimet e fundit të objekteve astronomike nuk i përshtaten teorisë, e cila i detyron shkencëtarët të rishqyrtojnë disa nga përfundimet e tyre;
Një numër fizikantësh shprehin mendimin se koncepti është spekulativ dhe pengon zhvillimin e koncepteve të tjera themelore.

Ndoshta është më e lehtë të vërtetohet teorema e Fermatit sesa me fjalë të thjeshta të shpjegojë dispozitat e teorisë së fijeve. Aparati i tij matematikor është aq i gjerë sa që vetëm shkencëtarët me përvojë nga institutet më të mëdha kërkimore mund ta kuptojnë atë.

Ende nuk është e qartë nëse zbulimet e bëra në majë të stilolapsit gjatë dekadave të fundit do të gjejnë zbatim real. Nëse po, atëherë një botë e re e guximshme na pret me antigravitet, universe të shumta dhe të dhëna për natyrën e vrimave të zeza.

Video: teoria e vargut e shkurtër dhe e arritshme

Në këtë video, fizikani Stanislav Efremov do t'ju tregojë me fjalë të thjeshta se çfarë është teoria e fijeve:

Një pyetje e ngjashme është bërë tashmë këtu:

Por unë do të përpiqem t'ju tregoj për këtë në stilin tim të nënshkrimit;)

Ne kemi një bisedë shumë të gjatë përpara, por shpresoj se do t'ju duket interesante o vëlla. Në përgjithësi, dëgjoni se çfarë është thelbi këtu. Ideja kryesoreështë tashmë e dukshme në vetë emrin: në vend të grimcave elementare të ngjashme me pikë (të tilla si elektronet, fotonet, etj.), kjo teori propozon vargje - një lloj fije energjie njëdimensionale vibruese mikroskopike që janë aq të vogla sa nuk ka pajisje moderne ato nuk mund të zbulohen (konkretisht, ato janë të vendosura në gjatësinë e Planck, por kjo nuk është pika). Për të mos thënë se grimcat përbëhet të bëra me vargje, ato dhe ka vargjet, thjesht për shkak të papërsosmërisë së pajisjeve tona, ne i shohim ato si grimca. Dhe nëse pajisjet tona janë në gjendje të arrijnë gjatësinë e Planck, atëherë, siç pritej, ne do të gjejmë vargje atje. Dhe ashtu si një varg violine vibron, duke prodhuar nota të ndryshme, varg kuantik vibron, duke prodhuar veti të ndryshme të grimcave (të tilla si ngarkesa ose masa). Kjo, në përgjithësi, është ideja kryesore.

Megjithatë, është e rëndësishme të theksohet këtu se teoria e fijeve ka ambicie shumë të mëdha dhe nuk pretendon asgjë më pak se statusin e një "teorie të gjithçkaje", duke kombinuar gravitetin (teorinë e relativitetit) dhe mekanikën kuantike (d.m.th., makrobotën - bota e objekteve të mëdha të njohura për ne, dhe mikrobota - bota e grimcave elementare). Graviteti shfaqet në mënyrë elegante më vete në teorinë e fijeve, dhe ja pse. Fillimisht, teoria e fijeve u perceptua në përgjithësi vetëm si një teori e forcës së fortë bërthamore (ndërveprimi për shkak të të cilit protonet dhe neutronet mbahen së bashku në bërthamën e një atomi), asgjë më shumë, pasi disa lloje të vargjeve vibruese u ngjanin vetive të gluoneve. (grimca që bartin forcën e fortë). Megjithatë, përveç gluoneve, në të kishte edhe lloje të tjera lëkundjesh të vargut, që të kujtonin grimcat e tjera që mbanin një lloj ndërveprimi, i cili nuk kishte asnjë lidhje me gluonet. Pasi studiuan vetitë e këtyre grimcave, shkencëtarët zbuluan se këto dridhje përkojnë saktësisht me vetitë e një grimce hipotetike - një graviton - një grimcë bartës ndërveprimi gravitacional. Kështu u shfaq graviteti në teorinë e fijeve.

Por këtu përsëri (çfarë do të bëni!) lind një problem i quajtur "luhatje kuantike". Mos kini frikë, ky term është i frikshëm vetëm në pamje. Pra, luhatjet kuantike shoqërohen me lindjen dhe shkatërrimin e vazhdueshëm të grimcave virtuale (ato që nuk mund të shihen drejtpërdrejt për shkak të shfaqjes dhe zhdukjes së tyre të vazhdueshme). Procesi më domethënës në këtë kuptim është asgjësimi - përplasja e një grimce dhe një antigrimcë me formimin e një fotoni (grimcë drite), i cili më pas gjeneron një grimcë dhe antigrimcë tjetër. Çfarë është graviteti, në thelb? Është një pëlhurë gjeometrike e lakuar lehtësisht e hapësirë-kohës. Fjala kyçe këtu është pa probleme. Dhe në bota kuantike Për shkak të këtyre luhatjeve, hapësira nuk është aspak e qetë dhe e qetë, ka një kaos të tillë që po ndodh atje sa që është edhe e frikshme të imagjinohet. Siç e keni kuptuar tashmë, gjeometria e qetë e hapësirës së teorisë së relativitetit është plotësisht e papajtueshme me luhatjet kuantike. Të hutuar, por fizikanët kanë gjetur një zgjidhje, duke thënë se bashkëveprimi i vargjeve zbut këto luhatje. Si, ju pyesni? Por imagjinoni dy vargje të mbyllura (sepse ka edhe të hapura, të cilat janë një lloj fije e vogël me dy skaje të hapura; vargjet e mbyllura, në përputhje me rrethanat, janë një lloj sythe). Këto dy vargje të mbyllura janë në një kurs përplasjeje dhe në një moment përplasen, duke u kthyer në një madhësi më të madhe varg. Ky varg vazhdon të lëvizë për ca kohë, pas së cilës ndahet në dy vargje më të vogla. Tani hapi tjetër. Le ta imagjinojmë të gjithë këtë proces në pamjet e filmuara: do të shohim që ky proces ka marrë një vëllim të caktuar tredimensional. Ky vëllim quhet "sipërfaqja e botës". Tani le të imagjinojmë që ju dhe unë po e shikojmë të gjithë këtë proces poshtë kënde të ndryshme: Unë po shikoj drejt, dhe ju po shikoni në një kënd të lehtë. Ne do të shohim që nga këndvështrimi juaj dhe nga këndvështrimi im, vargjet do të përplasen në vende të ndryshme, pasi për ju këto "laqe" (le t'i quajmë kështu) do të lëvizin pak në një kënd, por për mua ato do të lëviz drejt. Megjithatë, është i njëjti proces, të njëjtat dy vargje përplasëse, ndryshimi qëndron vetëm në dy këndvështrime. Kjo do të thotë se ekziston një "njollosje" e caktuar e ndërveprimit të vargjeve: nga pozicioni i vëzhguesve të ndryshëm, ato ndërveprojnë në vende të ndryshme. Megjithatë, pavarësisht këtyre pika të ndryshme Nga një këndvështrim, procesi është megjithatë një, dhe pika e ndërveprimit është një. Kështu, vëzhgues të ndryshëm do të regjistrojnë të njëjtin vend të bashkëveprimit të dy grimcave pika. Pikërisht ashtu! E kuptoni se çfarë po ndodh? Ne kemi zbutur luhatjet kuantike dhe kështu kemi bashkuar gravitetin dhe mekanikën kuantike! Shikoni!

Mirë, le të vazhdojmë. Jeni lodhur akoma? Epo, dëgjo. Tani do të flas për diçka që personalisht nuk më pëlqen shumë në teorinë e fijeve. Dhe ky quhet "matematizim". Disi teoricienët u tërhoqën shumë me matematikën... por çështja këtu është e thjeshtë: sa dimensione të hapësirës dini? Është e drejtë, tre: gjatësia, gjerësia dhe lartësia (koha është dimensioni i katërt). Pra, matematika e teorisë së fijeve shkon shumë keq me këto katër dimensione. Dhe gjithashtu me pesë. Dhe me dhjetë. Por ai shkon mirë me njëmbëdhjetë. Dhe teoricienët vendosën: mirë, meqë matematika e kërkon atë, le të ketë njëmbëdhjetë dimensione. E shihni, matematika kërkon! Matematikë, jo realitet! (Thirrje mënjanë: nëse e kam gabim, dikush të më bindë! Dua të ndryshoj mendje!) Epo, ku, mund të pyesë dikush, shkuan shtatë dimensionet e tjera? Teoria i përgjigjet kësaj pyetjeje duke thënë se ato janë "të ngjeshur", të mbështjellë në formacione mikroskopike në gjatësinë e Plankut (d.m.th., në një shkallë që ne nuk jemi në gjendje të vëzhgojmë). Këto formacione quhen "Calabi-Yau manifold" (sipas emrave të dy fizikanëve të shquar).

Është gjithashtu interesante që teoria e fijeve na çon në Multiverse, domethënë në idenë e ekzistencës së një numri të pafund Universesh paralele. E gjithë çështja këtu është se në teorinë e fijeve nuk ka vetëm vargje, por edhe brane (nga fjala "membranë"). Branes mund të jenë madhësive të ndryshme, deri në nëntë. Ne supozohet të jetojmë në një brane 3, por mund të ketë të tjerë pranë kësaj brane dhe ato mund të përplasen periodikisht. Por ne nuk i shohim ato, sepse vargjet e hapura janë të lidhura fort me branë në të dy skajet. Këto vargje me skajet e tyre mund të lëvizin përgjatë branës, por nuk mund ta lënë atë (të shkëputen). Dhe nëse besoni teorinë e fijeve, atëherë e gjithë materia dhe të gjithë ne përbëhen nga grimca që në gjatësinë e Plankut duken si vargje. Rrjedhimisht, duke qenë se vargjet e hapura nuk mund të largohen nga brane, atëherë ne nuk mund të ndërveprojmë në asnjë mënyrë me një branë tjetër (lexo: univers paralel) ose ta shohësh disi. E vetmja grimcë që, në parim, nuk kujdeset për këtë kufizim dhe mund ta bëjë këtë është gravitoni hipotetik, i cili është një varg i mbyllur. Megjithatë, askush nuk ka qenë ende në gjendje të zbulojë një graviton. Një Multiverse i tillë quhet "Multiverse i Brane" ose "Skenar i Botës Brane".

Nga rruga, për shkak të faktit se jo vetëm vargjet, por edhe branat u zbuluan në teorinë e fijeve, teoricienët filluan ta quajnë atë "teori M", por askush nuk e di se çfarë do të thotë kjo "M";)

Pikërisht ashtu. Kjo është historia. Shpresoj t'ju duket interesante, vëlla. Nëse diçka mbetet e paqartë, pyesni në komente dhe unë do t'ju shpjegoj.

Ky blog përmban një fragment nga një artikull i një prej ekspertëve kryesorë në fushën e unifikimit të të gjitha ndërveprimeve fizike brenda teori e unifikuar, laureati i çmimit Nobel Steven Weinberg, ku ai përshkruan në formë popullore problemet themelore fizika moderne energjitë e larta. Shënimet jepen me shkronja të pjerrëta. Është e mundur që prania e formulave të ngatërrojë dikë nëse lind një dëshirë e tillë, thjesht mos u thelloni në to, por lexoni tekstin.

Nivelet e strukturës së botës: 1. Niveli makroskopik - materia 2. Niveli molekular 3. Niveli atomik - protonet, neutronet dhe elektronet 4. Niveli nënatomik - elektroni 5. Niveli nënatomik - kuarkët 6. Niveli i vargut

Shumica e fizikanëve teorikë tani kanë arritur në përfundimin se versionet e forcës së fortë, elektromagnetike dhe të dobët të teorisë së fushës kuantike janë vetëm përafrime me energji të ulët për një teori më të thellë dhe më të avancuar. Ka dy indikacione se thjeshtësia e ligjeve të natyrës mund të zbulohet vetëm në energji të pamatshme të larta në intervalin 10 15 – 10 19 GeV. Një prej tyre është si më poshtë. Nëse shikojmë se çfarë ndodh me konstantet e bashkimit të ndërveprimeve të dobëta dhe të forta në energji shumë më të larta se ato me të cilat maten sot, do të zbulojmë se vlerat e tyre konvergojnë dhe bëhen të barabarta me njëra-tjetrën në energji rreth pesëmbëdhjetë rend magnitudë më e madhe se masa e protonit (10 15 GeV). Përveç kësaj, vlera e konstantës gravitacionale, e cila është përgjegjëse për shfaqjen e divergjencave në teorinë e gravitetit, në njësitë fizikeështë (10 19 GeV) –2. E gjithë kjo sugjeron që nëse do të ishim në gjendje të kryenim eksperimente me energji shumë të larta, do të mund të zbulonim një pamje vërtet të thjeshtë të botës në të cilën të gjitha teoritë bashkohen së bashku dhe që mund të na japë edhe një ndjenjë të pashmangshmërisë fatale, të cilën ne përpiqemi ta bëjmë. arritur.

Unifikimi i gravitetit me forcat e tjera paraqet ende një sërë vështirësish. Arsyeja është se çdo teori kuantike që vepron në objekte pikësore përmban divergjenca në energjitë mbi shkallën Planck. Shkalla ose masa e Planck përfaqëson energjinë në të cilën lind nevoja për një teori kuantike të gravitetit. Kjo ndodh kur rrezja e Schwarzschild është:

R= 2Gm/c 2, (1.12a)

ku m është pesha e trupit;

G – konstanta gravitacionale dhe gjatësia e valës Compton

l=h/(mc)(1.12b)

bëhen sasi të të njëjtit rend. Kjo do të thotë, kur një densitet masiv shumë i lartë përqendrohet në një vëllim shumë të vogël. Një përshkrim i arsyeshëm në shkallë të tilla mund të merret duke përdorur relativitetin e përgjithshëm dhe teorinë kuantike. Duke barazuar l me R nga (1.12a) dhe (1.12b), marrim

m Р l =(hc /G) ? ? 1.2 ?10 19 GeV,

që korrespondon me gjatësinë dhe kohën e Planck:

l Р l = =(h G/ c 3) ? ? 1,6?10 – 33 cm; t Р l ? 5.4? 10 – 44 s.

Duke parë përpara, vërejmë se Algjebra e nënshkrimit është ndërtuar mbi parime fillestare paksa të ndryshme dhe nuk ndan shqetësimet e teorive moderne kuantike. Nga pikëpamja e Algjebrës së Nënshkrimit, gjeometria diferenciale që qëndron në themel të relativitetit të përgjithshëm është e zbatueshme jo vetëm për objektet hapësinore dhe për proceset që ndodhin në shkallët e gjatësisë Planck, por edhe në shumë nivele të tjera të organizimit të Natyrës, duke marrë parasysh modifikimet e ndryshme të gjeometrive diferenciale absolute, të përshtatura me tiparet karakteristike të shkallës së gjatësisë së përshkruar. Në kontrast me doktrinën aktuale mbizotëruese të kuantizimit të GTR dhe përafrimin e tij me skemat e provuara të fushës kuantike, Alsigna i përmbahet pikëpamjeve të atyre shkencëtarëve të rrallë sot që nuk heqin dorë nga përpjekjet për të përshtatur fizikën kantiane në kuadrin e GTR të modifikuar. Në këtë pikë, ne jemi të shqetësuar vetëm për të paraqitur mendimin e një specialisti kryesor për gjendjen aktuale të punëve në ballë të fizikës zyrtare.

Oriz. 1.17. Diagrami që përshkruan një nga kontributet në procesin e kthimit të dy grimcave në tre grimca

Ne nuk kemi ende mundësi të ngrihemi në energji të tilla. Përkundër kësaj, gjatë viteve të fundit, fizikanët teorikë kanë qenë jashtëzakonisht të ngazëllyer nga ideja se përbërësit themelorë të natyrës në energjitë prej 10 15 - 10 19 GeV nuk janë fusha ose grimca, por vargje. Për të thjeshtuar shqyrtimin e kësaj çështjeje, këtu do të përmendim vetëm një lloj vargjesh. Ky lloj vargu është një lak i vogël që thyen vazhdimësinë e hapësirë-kohës, një defekt i vogël në hapësirë-kohë i mbështjellë në një unazë. Vargu ka tension dhe mund të dridhet si një varg i rregullt. Dridhjet e vargut formojnë një sekuencë të pafund të mënyrave normale, secila prej të cilave korrespondon me një lloj specifik grimce. Grimca më e lehtë korrespondon me modalitetin më të ulët të vargut, grimca më e rëndë korrespondon me modalitetin tjetër, etj. Ndërveprimi midis grimcave duket sikur këto unaza bashkohen dhe pastaj ndryshojnë përsëri. Ky proces mund të përshkruhet duke përdorur një sipërfaqe, pasi kur lëviz në hapësirë-kohë, vargu fshin një sipërfaqe dydimensionale të botës (tub). Ndërveprimi midis grimcave përfaqësohet si një sipërfaqe dydimensionale botërore, e cila mund të ndahet dhe të ribashkohet, duke thithur "unazat" e pranishme në gjendjen fillestare dhe duke lëshuar "unaza" që korrespondojnë me gjendjen përfundimtare. Për shembull, një proces shpërndarjeje në të cilin kishte dy grimca në gjendjen fillestare dhe tre në gjendjen përfundimtare do të përshkruhet nga një sipërfaqe në të cilën hyjnë dy tuba të gjatë (që përshkruan grimcat në gjendjen fillestare) dhe nga e cila dalin tre tuba të gjatë. (duke përshkruar grimcat në gjendjen përfundimtare). Vetë kjo sipërfaqe mund të ketë një topologji mjaft komplekse (Fig. 1.17).

Një sipërfaqe mund të përshkruhet duke përcaktuar një rrjet koordinativ në të. Meqenëse sipërfaqja është dy-dimensionale, pozicioni i një pike arbitrare në të përcaktohet nga dy koordinata, të cilat mund të shënohen si? 1 dhe? 2 . Tani duhet të tregojmë disi se ku ndodhet një pikë e zgjedhur në mënyrë arbitrare në varg në çdo moment të caktuar në kohë. Për ta bërë këtë, ju duhet të vendosni një rregull që përputhet me secilën pikë? = (? 1 , ? 2) një pikë në sipërfaqe Xm në hapësirë-kohë. Matematikisht, ky rregull shkruhet si Xm = xm (? 1 ,? 2). Gjeometria e sipërfaqes përcaktohet nga metrika e specifikuar në të. Ashtu si në rastin e relativitetit të përgjithshëm, metrika specifikohet duke përdorur tensorin metrikë qab(?), elementet e të cilave varen nga koordinatat; meqenëse kemi të bëjmë me një sipërfaqe dydimensionale, atëherë indekset a dhe b mund të marrë vlerat e barabartë me një ose dy. Metrika përcakton se si llogaritet distanca midis dy pikave pafundësisht të afërta? dhe?+d? në sipërfaqe:

d? = [qab(?) d? ad? b] ? . (1.13)

Sipas parimeve mekanika kuantike në interpretimin e Feynman-it, për të llogaritur amplitudën e probabilitetit (kjo është e njëjta vlerë që duhet të vihet në katror për të marrë probabilitetin e procesit), duhet të përmbledhësh amplitudat për të gjitha mënyrat e mundshme kalimi nga gjendja fillestare në gjendjen përfundimtare. Në teorinë e vargjeve, ju duhet të përmblidhni të gjitha sipërfaqet dy-dimensionale që përshkruajnë një proces të caktuar. Çdo sipërfaqe përcaktohet nga dy funksione Xm = xm (? ) Dhe qab(?), të cilat u përcaktuan më sipër. Gjithçka që mbetet për të bërë për të llogaritur probabilitetin është gjetja e vlerës së sasisë për secilën sipërfaqe I [X,q], dhe pastaj shuma e –I[x,q ], mbi të gjitha sipërfaqet. Funksionale I[X, q] quhet veprim, funksionalisht varet nga Xm = xm (?) Dhe qab(?) dhe përkufizohet me shprehjen:

Në fakt, këtu duhet të ekzistojë edhe një term, i cili nevojitet për të specifikuar shkallën relative të rendeve të ndryshme të teorisë së shqetësimeve.

Interesi i gjallë për telat është për faktin se për herë të parë ata bënë të mundur ndërtimin e një teorie të gravitetit pa divergjencat që u shfaqën në kohët e fundit. teoritë e hershme. Themelet e kësaj teorie u hodhën në fund të viteve '60 dhe '70, dhe shfaqja e saj shoqërohet me përpjekje për të shpjeguar natyrën e ndërveprimit të fortë në bërthamë.

Figura 1.18. Kryqëzimi i vargjeve me emetimin dhe thithjen e një grimce pa masë me rrotullim 2.

Shpejt u bë e qartë se sipërfaqet me tuba të gjatë të hollë (Fig. 1.18) korrespondojnë me një grimcë pa masë me spin 2, të emetuar si një kuant rrezatimi në hendekun që ndan gjendjet fillestare dhe përfundimtare të grimcave. (Grimcat pa masë janë thjesht grimca që lëvizin me shpejtësinë e dritës, dhe spin-i i tyre matet në të njëjtat njësi kur spin-i i elektronit është gjysma.) Shfaqja e kësaj grimce shkaktoi konfuzion të tmerrshëm në atë kohë. Në atë kohë dihej tashmë se kuanti duhet të kishte të njëjtat veti fushë gravitacionale- graviton. Por pavarësisht kësaj, në fund të viteve '60 dhe '70, përpjekjet kryesore kishin për qëllim studimin e ndërveprimeve të forta, dhe aspak mbi gravitetin. Këto rrethana shkaktuan humbjen e interesit për teorinë e fijeve në fillim të viteve '70.

Në 1974, Sherk dhe Schwartz hipotezuan këtë teoria e fijeve duhet konsideruar si një teori e gravitetit, por askush nuk e mori seriozisht në atë kohë. Vetëm falë punës së Green, Gross, Polyakov, Schwartz, Witten dhe kolegëve të tyre, fizikanët filluan gradualisht të bien dakord se teoria e fijeve ishte e përshtatshme për rolin e teorisë fizike të unifikuar përfundimtare me një shkallë energjie të rendit 10 15 - 10. 19 GeV.

Teoria e fijeve ka mjaft shpjegim racional për sa i përket simetrive të përdorura në të. Ka disa simetri të lidhura me veprimin (1.14). Ashtu si në rastin e relativitetit të përgjithshëm, specifikimi i një metrike gjeneron simetri në lidhje me transformimet e koordinatave . Ekziston edhe një simetri tjetër, më pak e dukshme, e vlefshme vetëm në rastin dydimensional. Kjo simetri shoqërohet me një ndryshim lokal në shkallën e distancës - i ashtuquajturi transformim Weyl, në të cilin tensori metrik shumëzohet me një funksion koordinativ arbitrar qab(?) ? f(?) qab(?). Dhe së fundi, ekziston një tjetër simetri mjaft e dukshme në lidhje me transformimet e Lorencit:

x m ? L m n x n + a m .

Këto dy simetri duken absolutisht të nevojshme. Pa këto simetri, përpjekjet për të llogaritur shumën mbi të gjitha sipërfaqet do të çonin në rezultate të pakuptimta. Pa këto dy simetri, merrni ose probabilitete negative ose probabiliteti total nuk do të jetë e barabartë me një. Në fakt, ka efekte mekanike kuantike shumë delikate që mund të thyejnë këto simetri. Anomalitë kuantike do t'i "korruptojnë" këto simetri derisa të fillojnë të përdorin një kombinim të përshtatshëm të koordinatave të zakonshme dhe të rrotullimit.

Një teori që përshkruan vetitë e sipërfaqeve dydimensionale që janë të pandryshueshme nën transformimet koordinative dhe transformimi Weyl u krijua nga Bernhard Riemann në fillimi i XIX shekuj. Shumica e rezultateve të tij doli të ishin absolutisht të nevojshme për të kuptuar fizikën e fijeve. Për shembull, gjithçka që kërkohet për të përshkruar topologjinë e një sipërfaqe dydimensionale arbitrare (më saktë, një sipërfaqe të mbyllur të orientuar në mënyrë arbitrare) është të tregojë numrin e "dorezave" të saj. Nëse jepet numri i "dorezave", atëherë për të përshkruar gjeometrinë mjafton të specifikoni numri përfundimtar parametrave. Kur përmbledhni mbi sipërfaqe, do t'ju duhet të integroni mbi këto parametra. Numri i këtyre parametrave është zero nëse nuk ka "doreza", dy nëse ka një "dorezë" dhe 6 h– 6, nëse numri i dorezave h > 2.

Janë këto teorema të vjetra që lejojnë përmbledhjen mbi të gjitha sipërfaqet. Nëse nuk do të kishte simetri, do të ishte e pamundur të bëheshin llogaritjet e nevojshme, madje edhe nëse diçka do të ndodhte, rezultati ka shumë të ngjarë të ishte i pakuptimtë. Kjo është arsyeja pse simetritë duken absolutisht të nevojshme. Ne i jemi afruar gjësë më të rëndësishme: struktura e veprimit funksional (1.14) dhe, rrjedhimisht, vetë dinamika e vargut përcaktohen në mënyrë unike nga këto simetri.

Ka disa teori të ndryshme vargje që janë të pajtueshme me të gjitha simetritë e mësipërme dhe ndryshojnë në numrin e koordinatave hapësirë-kohë x* dhe variablave spin. Fatkeqësisht, në të gjitha këto teori, numri i dimensioneve hapësirë-kohë është më shumë se katër. Një mënyrë për të kapërcyer këtë vështirësi bazohet në supozimin se dimensionet shtesë hapësinore janë "të ngjeshura", domethënë "mbështjellë" në distanca shumë të vogla. Sidoqoftë, kjo qasje nuk shteron të gjitha mundësitë. Teoritë më konsistente bazohen në supozimin se mund të ketë një numër të variablave shtesë të hapësirës dhe rrotullimit, dhe pandryshueshmëria e Lorencit zbatohet vetëm për katër dimensionet e zakonshme hapësirë-kohë. Veprimi dhe numri i variablave më pas përcaktohen nga kërkesa që simetritë e mbetura (nën transformimet koordinative dhe transformimet Weyl) të ruhen pavarësisht luhatjeve kuantike. Kërkimet në këtë drejtim sapo kanë filluar.

Teoria e fijeve u përdor në vitet 1960 për të shpjeguar fizikën hadronike, por për shkak të suksesit të modelit standard, ajo u harrua kryesisht. Një ringjallje e interesit për vargjet ndodhi kur Green dhe Schwartz treguan se një teori e superstringut pa matës, pa anomali gravitacionale mund të përshkruhet në dhjetë dimensione nga grupi i simetrisë së brendshme SO(32) ose E8? E8. Dihej nga teoritë e mëparshme se arritja e unitaritetit dhe pandryshueshmërisë së Lorencit për teoritë e superstringut është e mundur vetëm në hapësira me dimensione më të larta.

Nuk ka terma shtesë që janë në përputhje me këto simetri. ME teori dinamike Kjo ndodhi për herë të parë kur specifikimi i simetrisë përcakton plotësisht natyrën e dinamikës, d.m.th., përcakton plotësisht ndryshimin në vektorin e gjendjes me kalimin e kohës. Kjo është një nga arsyet e entuziazmit të përjetuar nga fizikanët modernë. Kjo teori duket fatalisht e pashmangshme. Nuk mund të bësh asnjë ndryshim në të pa e prishur, për të mos përmendur aftësinë e teorisë së fijeve për të përshkruar fenomenet gravitacionale.

Në vitet 20 të shekullit të njëzetë, Kaluza dhe Klein përdorën idenë e interpretimit të forcave si një manifestim i lakimit të hapësirave me dimensione më të larta për të përshkruar elektromagnetizmin dhe gravitetin në terma thjesht gjeometrikë. bazë uniforme(Teoritë Kalutz-Klein). Teoritë e reja që përfshijnë supersimetrinë quhen teoritë e superstringut. Brenda kuadrit të këtyre teorive, disa ngacmime mekanike kuantike të vargjeve (mënyra të zakonshme) interpretohen si grimca elementare të vëzhguara eksperimentalisht. Ngacmimet përfaqësojnë rrotullime, dridhje ose ngacmime të shkallëve të brendshme të lirisë. Kështu, i gjithë spektri i grimcave elementare përftohet në bazë të një vargu të vetëm themelor. Numri i gjendjeve me masa më të vogla se masa e Plankut korrespondon me numrin e grimcave të vëzhguara. Ekziston gjithashtu numër i pafund ngacmime me masa më të larta se masa e Plankut. Zakonisht këto moda nuk janë të qëndrueshme dhe shiten për ato më të lehta. Megjithatë, në kuadrin e teorive të superstringut, ekzistojnë zgjidhje të qëndrueshme me karakteristika ekzotike, si p.sh ngarkesë magnetike, kuptime ekzotike ngarkesë elektrike. Vlen të përmendet se në të gjithë spektrin e grimcave që korrespondojnë me zgjidhje klasike teoritë e superstringut, shfaqet saktësisht një graviton pa masë me rrotullim 2.

Vargjet lindin në dy topologji të ndryshme: në formën e vargjeve të hapura me skaje të lira dhe në formën e sytheve të mbyllura (rreth të cilave po flasim për në artikullin e cituar këtu). Përveç kësaj, ata mund të kenë një orientim të brendshëm. Numrat kuantikë të vargjeve të hapura ndodhen në skajet e tyre, ndërsa në sythe të mbyllura numrat kuantikë lyhet përgjatë vargut.

Teoria e fijeve pretendon të jetë teoria përfundimtare që bashkon tërësinë e ideve tona rreth bota materiale. Është për këto arsye që shumë fizikanë modernë janë të ngazëllyer. Mendjet më të mira fizike dhe matematikore në planet tani po sulmojnë këtë bastion në dukje të fundit të vetëdijes shkencore për natyrën materiale.

Në këtë fazë, sfida kryesore është të zbulohet nëse teoritë e fijeve mund të çojnë në një model standard që përshkruan forcat e dobëta, elektromagnetike dhe të forta. Nëse po, atëherë lind pyetja e dytë: çfarë mund të thotë teoria e fijeve për shtatëmbëdhjetë parametrat që përmban modeli standard? A do të jemi në gjendje ta përdorim atë për të llogaritur drejtpërdrejt masën e një elektroni, kuarkesh etj.? Nëse po, atëherë problemi do të zgjidhet.

Sipas shumë shkencëtarëve, teoria e fijeve është aq elegante sa që do të bëhet patjetër një nga ligjet përfundimtare, themelore të fizikës, dhe kjo është gjëja më e rëndësishme që ne kemi. për momentin.

Shënimi optimist mbi të cilin përfundon fragmenti nga artikulli i S. Weinberg nuk ndahet aspak nga Algjebra e Nënshkrimeve. Dominuese tani paradigmë shkencore kufizoi mundësitë për të zhvilluar idetë tona për realitetin përreth. Parimet që qëndrojnë në themel të mekanikës kuantike ende nuk lejojnë mundësinë e studimit të strukturës së grimcave elementare dhe themelore. Gjithçka që fizika kuantike moderne është e aftë është të llogaritë probabilitetet e rezultateve të proceseve të caktuara dhe të marrë karakteristikat mesatare dinamike të objekteve kuantike. Një person i papërvojë i interesuar për bazat e universit, duke marrë ndonjë libër serioz mbi teorinë kuantike të fushës ose teorinë e fijeve, mund të mendojë se ai përmban një depo të mençurisë njerëzore në lidhje me natyrën e materialitetit në gjuhën marsiane. Në fakt, tehu i fundit i Shkencës është larguar nga rruga e vërtetë e dijes. Në vend që të ndriçojë lëndën me njohuri, Shkenca është ngatërruar në rrjetën e ndërlikimeve të veta matematikore, nga e cila errësira bëhet edhe më e errët. Teoritë kuantike e zhysin vetëdijen në errësirën e një mjegull matematikore, pas së cilës nuk është i dukshëm jo vetëm KRIJUESI Themeltar, por edhe vetë materia. Vetëdija endet verbërisht hapësirë e kufizuar paradigmë pa shpirt, duke u përpjekur të kapet pas ishujve të përshtatshmërisë në formën e ligjeve të ruajtjes, parimet variacionale dhe koincidenca e rezultateve të llogaritjes me të dhënat eksperimentale. Nëse idetë e qarta për thelbin e përhapjes së Dritës (një nga Parimet Hyjnore) e lejuan njerëzimin të zhvillonte industrinë teknologjia e informacionit, atëherë idetë e turbullta rreth fenomeneve atomike dhe bërthamore nuk i kanë dhënë njerëzimit asgjë përveç mbajtjes së armëve vdekje e tmerrshme, dhe energjinë ogurzi bërthamore. Kjo është kriza e modernes shkenca kuantike- ajo nuk është më në gjendje t'i japë botës asgjë përveç shkatërrimit dhe vdekjes. I vetmi ngushëllim është se Shkenca është e re, dhe vetëm në fillim të rrugëtimit të saj.

Marrë nga libri i Gauchman "Algjebra e nënshkrimeve" (Alsigna)

Një version më i plotë mund të gjendet në http://ru.wikipedia.org/wiki/String_Theory

Si dhe videot në seksionin - Media - Video ose përmes lidhjes

A keni menduar ndonjëherë se Universi është si një violonçel? Kjo është e drejtë - ajo nuk erdhi. Sepse Universi nuk është si një violonçel. Por kjo nuk do të thotë se nuk ka vargje. Natyrisht, vargjet e universit nuk janë të ngjashme me ato që ne imagjinojmë. Në teorinë e fijeve, ato janë fije tepër të vogla vibruese të energjisë. Këto fije janë më shumë si "shirita gome" të vogla që mund të tunden, shtrihen dhe ngjeshen në të gjitha mënyrat. E gjithë kjo, megjithatë, nuk do të thotë se është e pamundur të "luhet" simfonia e Universit mbi to, sepse, sipas teoricienëve të fijeve, gjithçka që ekziston përbëhet nga këto "fije".

©depositphotos.com

Kontradikta fizike

Në gjysmën e dytë të shekullit të 19-të, fizikantëve iu duk se asgjë serioze nuk mund të zbulohej më në shkencën e tyre. Fizika klasike besonte se probleme serioze nuk kishte mbetur asgjë në të dhe e gjithë struktura e botës dukej si një makinë e rregulluar në mënyrë të përsosur dhe e parashikueshme. Problemi, si zakonisht, ndodhi për shkak të marrëzive - një nga "retë" e vogla që mbeti ende në qiellin e qartë dhe të kuptueshëm të shkencës. Domethënë, kur llogaritet energjia e rrezatimit të një trupi absolutisht të zi (një trup hipotetik që, në çdo temperaturë, thith plotësisht rrezatimin që bie mbi të, pavarësisht nga gjatësia e valës). Llogaritjet treguan se energji totale Rrezatimi i çdo trupi absolutisht të zi duhet të jetë pafundësisht i madh. Për t'u larguar nga një absurditet kaq i dukshëm, shkencëtari gjerman Max Planck në vitin 1900 sugjeroi që dritë e dukshme, rrezet x dhe të tjerë valët elektromagnetike mund të emetohet vetëm nga pjesë të caktuara diskrete të energjisë, të cilat ai i quajti kuantë. Me ndihmën e tyre, ishte e mundur të zgjidhej problemi i veçantë i një trupi absolutisht të zi. Megjithatë, pasojat hipoteza kuantike për determinizmin nuk ishin realizuar ende në atë kohë. Derisa, në vitin 1926, një tjetër shkencëtar gjerman, Werner Heisenberg, formuloi parimin e famshëm të pasigurisë.

Thelbi i saj qëndron në faktin se, në kundërshtim me të gjitha deklaratat mbizotëruese më parë, natyra kufizon aftësinë tonë për të parashikuar të ardhmen bazuar në ligjet fizike. Ne, natyrisht, po flasim për të ardhmen dhe të tashmen e grimcave nënatomike. Doli se ata sillen krejtësisht ndryshe nga mënyra se si bëjnë gjërat në makrokozmosin rreth nesh. Në nivelin subatomik, struktura e hapësirës bëhet e pabarabartë dhe kaotike. Bota e grimcave të vogla është aq e trazuar dhe e pakuptueshme saqë sfidon sensin e përbashkët. Hapësira dhe koha janë aq të përdredhura dhe të ndërthurura në të sa nuk ka koncepte të zakonshme të majta dhe djathtas, lart e poshtë, madje as para dhe pas. Nuk ka asnjë mënyrë për të thënë me siguri se në cilën pikë të hapësirës ndodhet një grimcë e caktuar në një moment të caktuar dhe cili është momenti i saj këndor. Ekziston vetëm një probabilitet i caktuar për të gjetur një grimcë në shumë rajone të hapësirë-kohës. Grimcat në nivelin nënatomik duket se janë "të lyer" në të gjithë hapësirën. Jo vetëm kaq, por vetë "statusi" i grimcave nuk është i përcaktuar: në disa raste ato sillen si valë, në të tjera ato shfaqin vetitë e grimcave. Kjo është ajo që fizikanët e quajnë dualiteti valë-grimcë e mekanikës kuantike.

Nivelet e strukturës së botës: 1. Niveli makroskopik - materia
2. Niveli molekular 3. Niveli atomik - protonet, neutronet dhe elektronet
4. Niveli nënatomik – elektron 5. Niveli nënatomik – kuarket 6. Niveli i vargut
©Bruno P. Ramos

Në Teorinë e Përgjithshme të Relativitetit, sikur në një gjendje me ligje të kundërta, situata është thelbësisht e ndryshme. Hapësira duket të jetë si një trampolinë - një pëlhurë e lëmuar që mund të përkulet dhe shtrihet nga objektet me masë. Ata krijojnë deformime në hapësirë-kohë - atë që ne e përjetojmë si gravitet. Eshtë e panevojshme të thuhet, Teoria e Përgjithshme e Relativitetit harmonike, korrekte dhe e parashikueshme është në një konflikt të pazgjidhshëm me "huliganin ekscentrik" - mekanika kuantike, dhe, si pasojë, makrobota nuk mund të "bëjë paqe" me mikrobotën. Këtu vjen në shpëtim teoria e fijeve.

©John Stembridge/Projekti i Atlasit të Grupeve të Gënjeshtrës

Teoria e gjithçkaje

Teoria e fijeve mishëron ëndrrën e të gjithë fizikantëve për të bashkuar dy relativitetin e përgjithshëm dhe mekanikën kuantike thelbësisht kontradiktore, një ëndërr që përndiqte "ciganin dhe endacakin" më të madh Albert Einstein deri në fund të ditëve të tij.

Shumë shkencëtarë besojnë se gjithçka, nga vallëzimi i mrekullueshëm i galaktikave deri te vallëzimi i çmendur i grimcave nënatomike, në fund të fundit mund të shpjegohet vetëm me një themel. parimi fizik. Ndoshta edhe një ligj i vetëm që bashkon të gjitha llojet e energjisë, grimcave dhe ndërveprimeve në një formulë elegante.

Relativiteti i përgjithshëm përshkruan një nga forcat më të famshme të Universit - gravitetin. Mekanika kuantike përshkruan tre forca të tjera: forcën e fortë bërthamore, e cila ngjit protonet dhe neutronet së bashku në atome, elektromagnetizmin dhe forcën e dobët, e cila është e përfshirë në zbërthimin radioaktiv. Çdo ngjarje në univers, nga jonizimi i një atomi deri në lindjen e një ylli, përshkruhet nga ndërveprimet e materies përmes këtyre katër forcave. Duke përdorur matematika më komplekse Ishte e mundur të tregohej se ndërveprimet elektromagnetike dhe të dobëta kanë një natyrë të përbashkët, duke i kombinuar ato në një ndërveprim të vetëm elektro-të dobët. Më pas, atyre iu shtua ndërveprim i fortë bërthamor - por graviteti nuk i bashkon në asnjë mënyrë. Teoria e fijeve është një nga kandidatët më seriozë për lidhjen e të katër forcave, dhe, për rrjedhojë, duke përqafuar të gjitha fenomenet në Univers - nuk është më kot që quhet edhe "Teoria e gjithçkaje".

©Wikimedia Commons

Në fillim kishte një mit

Deri më tani, jo të gjithë fizikantët janë të kënaqur me teorinë e fijeve. Dhe në agimin e shfaqjes së saj, dukej pafundësisht larg realitetit. Vetë lindja e saj është një legjendë.

Në fund të viteve 1960, një fizikan i ri teorik italian, Gabriele Veneziano, po kërkonte ekuacione që mund të shpjegonin forcën e fortë bërthamore - "ngjitësin" jashtëzakonisht të fuqishëm që mban së bashku bërthamat e atomeve, duke lidhur protonet dhe neutronet së bashku. Sipas legjendës, një herë ai rastësisht u përplas me një libër me pluhur mbi historinë e matematikës, në të cilin gjeti një ekuacion dyqind-vjeçar të shkruar fillimisht nga matematikani zviceran Leonhard Euler. Imagjinoni habinë e Venezianos kur zbuloi se ekuacioni i Euler-it, i cili prej kohësh konsiderohej asgjë më shumë se një kuriozitet matematikor, e përshkruante këtë. ndërveprim i fortë.

Si ishte në të vërtetë? Ekuacioni ishte ndoshta rezultati shumë vite Puna dhe rastësia e Venezianos ndihmuan vetëm në hedhjen e hapit të parë drejt zbulimit të teorisë së fijeve. Ekuacioni i Euler-it, i cili shpjegoi mrekullisht forcën e fortë, mori jetë të re.

Përfundimisht, ajo ra në sy të fizikanit të ri teorik amerikan Leonard Susskind, i cili pa se, para së gjithash, formula përshkruante grimcat që nuk kishin strukturë të brendshme dhe mund të vibronin. Këto grimca silleshin në atë mënyrë që nuk mund të ishin vetëm grimca pika. Susskind e kuptoi - formula përshkruan një fije që është si një brez elastik. Ajo jo vetëm që mund të shtrihej dhe kontraktohej, por edhe të lëkundet dhe të përpëlitej. Pasi përshkroi zbulimin e tij, Susskind prezantoi idenë revolucionare të vargjeve.

Fatkeqësisht, shumica dërrmuese e kolegëve të tij e përshëndetën teorinë shumë ftohtë.

Modeli standard

Në atë kohë, shkenca konvencionale përfaqësonte grimcat si pika dhe jo si vargje. Për vite me radhë, fizikantët kanë studiuar sjelljen e grimcave nënatomike duke i copëtuar ato së bashku. shpejtësi të lartë dhe studimi i pasojave të këtyre përplasjeve. Doli se Universi është shumë më i pasur nga sa mund të imagjinohej. Ishte një "shpërthim i popullatës" i vërtetë i grimcave elementare. Studentët e diplomuar universitetet e fizikës ata vrapuan nëpër korridore duke bërtitur se kishin zbuluar një grimcë të re - nuk kishte as shkronja të mjaftueshme për t'i përcaktuar ato.

Por, mjerisht, në "maternitetin" e grimcave të reja, shkencëtarët nuk ishin në gjendje të gjenin kurrë përgjigjen e pyetjes - pse ka kaq shumë prej tyre dhe nga vijnë?

Kjo i shtyu fizikanët të bënin një parashikim të pazakontë dhe befasues - ata kuptuan se forcat në natyrë mund të shpjegohen edhe në terma të grimcave. Kjo do të thotë, ka grimca të materies, dhe ka grimca që mbartin ndërveprime. Për shembull, një foton është një grimcë drite. Sa më shumë nga këto grimca bartëse - të njëjtat fotone që shkëmbejnë grimcat e materies, aq më shumë dritë më e ndritshme. Shkencëtarët parashikuan se ky shkëmbim i veçantë i grimcave bartëse nuk është asgjë më shumë se ajo që ne e perceptojmë si forcë. Kjo u vërtetua nga eksperimentet. Kjo është mënyra se si fizikanët arritën t'i afroheshin ëndrrës së Ajnshtajnit për bashkimin e forcave.

©Wikimedia Commons

Shkencëtarët besojnë se nëse ne ecim përpara menjëherë pas Big Bengut, kur Universi ishte triliona gradë më i nxehtë, grimcat që mbartin elektromagnetizmin dhe forcën e dobët do të bëhen të padallueshme dhe do të kombinohen në një forcë të vetme të quajtur forca elektrodobët. Dhe nëse kthehemi edhe më tej në kohë, ndërveprimi elektro i dobët do të kombinohej me atë të fortë në një "superfuqi" totale.

Edhe pse e gjithë kjo është ende në pritje për t'u provuar, mekanika kuantike shpjegoi papritur se si tre nga katër forcat ndërveprojnë në nivelin nënatomik. Dhe ajo e shpjegoi bukur dhe vazhdimisht. Kjo pamje harmonike e ndërveprimeve më në fund mori emrin Modeli standard. Por, mjerisht, edhe në këtë teori të përsosur kishte një të tillë problem i madh- nuk përfshinte forcën më të famshme të nivelit makro - gravitetin.

Graviton

Për teorinë e fijeve, e cila ende nuk kishte pasur kohë të "lulëzonte", "vjeshta" përmbante shumë probleme që nga lindja e saj. Për shembull, llogaritjet e teorisë parashikuan ekzistencën e grimcave, të cilat, siç u vërtetua shpejt, nuk ekzistojnë. Ky është i ashtuquajturi tachyon - një grimcë që lëviz në vakum më shpejt se drita. Ndër të tjera, rezultoi se teoria kërkon deri në 10 dimensione. Nuk është çudi që kjo ka qenë shumë konfuze për fizikantët, pasi është padyshim më e madhe se ajo që shohim.

Deri në vitin 1973, vetëm disa fizikantë të rinj ende po luftonin me misteret e teorisë së fijeve. Njëri prej tyre ishte fizikani teorik amerikan John Schwartz. Për katër vjet, Schwartz u përpoq të zbuste ekuacionet e padisiplinuara, por pa dobi. Ndër problemet e tjera, një nga këto ekuacione vazhdoi të përshkruante një grimcë misterioze që nuk kishte masë dhe nuk ishte vëzhguar në natyrë.

Shkencëtari kishte vendosur tashmë të braktiste biznesin e tij katastrofik, dhe më pas i erdhi në mendje - ndoshta ekuacionet e teorisë së fijeve përshkruajnë gjithashtu gravitetin? Sidoqoftë, kjo nënkuptonte një rishikim të dimensioneve të "heronjve" kryesorë të teorisë - vargjeve. Duke supozuar se vargjet janë miliarda e miliarda herë më të vogla se një atom, "stringers" e kthyen disavantazhin e teorisë në avantazhin e saj. Grimca misterioze nga e cila John Schwartz ishte përpjekur me kaq këmbëngulje të hiqte, tani veproi si një graviton - një grimcë që ishte kërkuar prej kohësh dhe që do të lejonte gravitetin të transferohej në nivelin kuantik. Kështu e plotësoi teoria e fijeve enigmën me gravitetin, i cili mungonte në Modelin Standard. Por, mjerisht, edhe ndaj këtij zbulimi komuniteti shkencor nuk reagoi në asnjë mënyrë. Teoria e fijeve mbeti në prag të mbijetesës. Por kjo nuk e ndaloi Schwartz-in. Vetëm një shkencëtar donte t'i bashkohej kërkimit të tij, i gatshëm të rrezikonte karrierën e tij për hir të vargjeve misterioze - Michael Green.

Çfarë arsyesh ka për të menduar se graviteti u bindet ligjeve të mekanikës kuantike? Për zbulimin e këtyre “themeleve” në vitin 2011, ajo u shpërblye Çmimin Nobel në fizikë. Ai konsistonte në faktin se zgjerimi i Universit nuk po ngadalësohet, siç mendohej dikur, por, përkundrazi, po përshpejtohet. Ky përshpejtim shpjegohet me veprimin e një "antigraviteti" të veçantë, i cili është disi karakteristik për hapësirën boshe të vakumit të hapësirës. Nga ana tjetër, në nivelin kuantik asgjë absolutisht "bosh" nuk mund të ekzistojë - në një vakum ato shfaqen vazhdimisht dhe zhduken menjëherë. grimcat nënatomike. Një "dridhje" e tillë e grimcave besohet se është përgjegjëse për ekzistencën e "antigravitetit". energji e errët, e cila mbush hapësirën boshe.

Në një kohë, ishte Albert Ajnshtajni, i cili deri në fund të jetës së tij nuk pranoi kurrë parimet paradoksale të mekanikës kuantike (të cilat ai vetë i parashikoi), sugjeroi ekzistencën e kësaj forme energjie. Duke ndjekur traditën e filozofisë klasike greke të Aristotelit me besimin e saj në përjetësinë e botës, Ajnshtajni refuzoi të besonte atë që ai parashikoi. teoria e vet, domethënë se Universi ka një fillim. Për të "përjetësuar" universin, Ajnshtajni madje futi një konstante të caktuar kozmologjike në teorinë e tij, dhe kështu përshkroi energjinë hapësirë boshe. Për fat të mirë, disa vite më vonë u bë e qartë se Universi nuk është aspak një formë e ngrirë, se ai po zgjerohet. Pastaj Ajnshtajni braktisi konstantën kozmologjike, duke e quajtur atë "llogaritjen e gabuar më të madhe të jetës së tij".

Sot shkenca e di se energjia e errët ekziston ende, megjithëse dendësia e saj është shumë më e vogël se sa supozoi Ajnshtajni (problemi i densitetit të energjisë së errët, meqë ra fjala, është një nga misteret më të mëdha fizika moderne). Por sado e vogël të jetë vlera e konstantës kozmologjike, është mjaft e mjaftueshme për ta siguruar këtë efektet kuantike ekzistojnë në gravitet.

Kukulla me fole nënatomike

Pavarësisht gjithçkaje, në fillim të viteve 1980, teoria e fijeve kishte ende kontradikta të pazgjidhshme, të quajtura anomali në shkencë. Schwartz dhe Green u përpoqën t'i eliminonin ato. Dhe përpjekjet e tyre nuk ishin të kota: shkencëtarët ishin në gjendje të eliminonin disa nga kontradiktat në teori. Imagjinoni habinë e këtyre të dyve, tashmë të mësuar me faktin se teoria e tyre u shpërfill, kur shpërtheu reagimi i komunitetit shkencor. botën shkencore. Në më pak se një vit, numri i teoricienëve të fijeve është rritur në qindra njerëz. Pikërisht atëherë teorisë së fijeve iu dha titulli Teoria e gjithçkaje. Teoria e re dukej e aftë për të përshkruar të gjithë përbërësit e universit. Dhe këta janë komponentët.

Çdo atom, siç e dimë, përbëhet nga grimca edhe më të vogla - elektrone, të cilat rrotullohen rreth një bërthame të përbërë nga protone dhe neutrone. Protonet dhe neutronet, nga ana tjetër, përbëhen nga grimca edhe më të vogla - kuarke. Por teoria e fijeve thotë se nuk përfundon me kuarkë. Kuarkët përbëhen nga fije të vogla energjie që tunden që i ngjajnë fijeve. Secila prej këtyre vargjeve është e paimagjinueshme e vogël. Aq i vogël sa nëse atomi do të zmadhohej në madhësi sistemi diellor, vargu do të kishte madhësinë e një peme. Ashtu si dridhjet e ndryshme të një vargu violonçeli krijojnë atë që ne dëgjojmë si nota të ndryshme muzikore, mënyra të ndryshme(modalitetet) dridhjet e vargut u japin grimcave vetitë e tyre unike - masën, ngarkesën, etj. A e dini se si, duke folur relativisht, protonet në majë të thoit tuaj ndryshojnë nga gravitoni ende i pazbuluar? Vetëm nga koleksioni i vargjeve të vogla që i përbëjnë ato dhe nga mënyra se si ato vargje dridhen.

Sigurisht, e gjithë kjo është më se befasuese. Që atëherë Greqia e lashtë fizikanët janë mësuar me faktin se gjithçka në këtë botë përbëhet nga diçka si topa, grimca të vogla. Dhe kështu, duke mos pasur kohë të mësohen me sjelljen e palogjikshme të këtyre topave, që rrjedhin nga mekanika kuantike, atyre u kërkohet të braktisin plotësisht paradigmën dhe të veprojnë me një lloj copëz spageti...

Dimensioni i pestë

Megjithëse shumë shkencëtarë e quajnë teorinë e fijeve një triumf të matematikës, disa probleme mbeten ende me të - më e rëndësishmja, mungesa e çdo mundësie për ta testuar atë eksperimentalisht në të ardhmen e afërt. Asnjë instrument i vetëm në botë, as ekzistues dhe as i aftë për t'u shfaqur në të ardhmen, nuk është i aftë të "shohë" telat. Prandaj, disa shkencëtarë, meqë ra fjala, shtrojnë edhe pyetjen: a është teoria e fijeve një teori e fizikës apo e filozofisë?.. Vërtetë, të shohësh vargjet "me sytë e tu" nuk është aspak e nevojshme. Provimi i teorisë së fijeve kërkon, më tepër, diçka tjetër - diçka që tingëllon si Fantashkencë– konfirmimi i ekzistencës së dimensioneve shtesë të hapësirës.

Për çfarë po flasim? Të gjithë jemi mësuar me tre dimensione të hapësirës dhe një kohë. Por teoria e fijeve parashikon praninë e dimensioneve të tjera - ekstra. Por le të fillojmë me radhë.

Në fakt, ideja e ekzistencës së dimensioneve të tjera lindi pothuajse njëqind vjet më parë. I erdhi në mendje matematikani gjerman i panjohur në atë kohë Theodor Kaluza në vitin 1919. Ai sugjeroi mundësinë e një dimensioni tjetër në Universin tonë që ne nuk e shohim. Albert Einstein mësoi për këtë ide dhe në fillim i pëlqeu shumë. Më vonë, megjithatë, ai dyshoi në korrektësinë e tij dhe vonoi botimin e Kaluza për dy vjet të tërë. Megjithatë, në fund të fundit, artikulli u botua dhe dimensioni shtesë u bë një lloj hobi për gjeniun e fizikës.

Siç e dini, Ajnshtajni tregoi se graviteti nuk është gjë tjetër veçse një deformim i dimensioneve të hapësirë-kohës. Kaluza sugjeroi që elektromagnetizmi mund të jetë gjithashtu valëzime. Pse nuk e shohim? Kaluza gjeti përgjigjen për këtë pyetje - valët e elektromagnetizmit mund të ekzistojnë në një shtesë, dimension i fshehur. Por ku është?

Përgjigja për këtë pyetje u dha nga fizikani suedez Oskar Klein, i cili sugjeroi se dimensioni i pestë i Kaluzës është palosur miliarda herë më i fortë se madhësia e një atomi të vetëm, prandaj ne nuk mund ta shohim atë. Ideja e këtij dimensioni të vogël që është rreth nesh është në qendër të teorisë së fijeve.

Brenda secilës prej këtyre formave, një varg vibron dhe lëviz - përbërësi kryesor i Universit.
Çdo formë është gjashtë-dimensionale - sipas numrit të gjashtë dimensioneve shtesë
©Wikimedia Commons

Dhjetë dimensione

Por në fakt, ekuacionet e teorisë së fijeve nuk kërkojnë as një, por gjashtë dimensione shtesë (në total, me katër që njohim, janë saktësisht 10 të tilla). Ata të gjithë kanë një shumë të përdredhur dhe të përdredhur formë komplekse. Dhe gjithçka është e paimagjinueshme e vogël.

Si mund të ndikojnë këto matje të vogla në botën tonë të madhe? Sipas teorisë së fijeve, është vendimtare: për të, forma përcakton gjithçka. Kur shtypni butona të ndryshëm në një saksofon, merrni tinguj të ndryshëm. Kjo ndodh sepse kur shtypni një tast të caktuar ose kombinim tastesh, ndryshoni formën e hapësirës në instrumentin muzikor ku qarkullon ajri. Falë kësaj, lindin tinguj të ndryshëm.

Teoria e fijeve sugjeron që dimensionet shtesë të lakuara dhe të përdredhura të hapësirës shfaqen në mënyrë të ngjashme. Format e këtyre dimensioneve shtesë janë komplekse dhe të larmishme, dhe secila bën që vargu i vendosur brenda dimensioneve të tilla të lëkundet ndryshe pikërisht për shkak të formave të tyre. Në fund të fundit, nëse supozojmë, për shembull, se një varg dridhet brenda një ene, dhe tjetri brenda një borie të lakuar, këto do të jenë dridhje krejtësisht të ndryshme. Sidoqoftë, nëse besoni në teorinë e fijeve, në realitet format e dimensioneve shtesë duken shumë më komplekse se një enë.

Si funksionon bota

Shkenca sot njeh një grup numrash që janë konstantet themelore të Universit. Janë ata që përcaktojnë vetitë dhe karakteristikat e gjithçkaje që na rrethon. Ndër konstante të tilla janë, për shembull, ngarkesa e një elektroni, konstanta gravitacionale, shpejtësia e dritës në vakum... Dhe nëse këto numra i ndryshojmë edhe me një numër të parëndësishëm herë, pasojat do të jenë katastrofike. Supozoni se kemi rritur forcën ndërveprimi elektromagnetik. Çfarë ndodhi? Mund të zbulojmë papritur se jonet fillojnë të zmbrapsin njëri-tjetrin më fort, dhe shkrirja termonukleare, që i bën yjet të shkëlqejnë dhe të lëshojnë nxehtësi, papritmas keqfunksionoi. Të gjithë yjet do të fiken.

Por çfarë lidhje ka teoria e fijeve me dimensionet e saj shtesë? Fakti është se, sipas saj, janë dimensionet shtesë ato që përcaktojnë vlerën e saktë konstante themelore. Disa forma matjeje bëjnë që një varg të lëkundet në një mënyrë të caktuar dhe të prodhojë atë që ne e shohim si foton. Në forma të tjera, vargjet dridhen ndryshe dhe prodhojnë një elektron. Me të vërtetë, Zoti është në "gjërat e vogla" - janë këto forma të vogla që përcaktojnë të gjitha konstantet themelore të kësaj bote.

Teoria e superstringut

Në mesin e viteve 1980, teoria e fijeve mori një pamje madhështore dhe pamje e hollë, por brenda këtij monumenti kishte konfuzion. Në vetëm pak vite, janë shfaqur deri në pesë versione të teorisë së fijeve. Dhe megjithëse secila prej tyre është ndërtuar mbi vargje dhe dimensione shtesë (të pesë versionet janë të bashkuara në teorinë e përgjithshme të superstrings), këto versione ndryshuan ndjeshëm në detaje.

Pra, në disa versione vargjet kishin skajet e hapura, në të tjera ato ngjanin me unaza. Dhe në disa versione, teoria madje kërkonte jo 10, por deri në 26 dimensione. Paradoksi është se të pesë versionet sot mund të quhen po aq të vërteta. Por cili e përshkruan vërtet Universin tonë? Kjo një tjetër mister teoria e fijeve. Kjo është arsyeja pse shumë fizikantë kanë hequr dorë përsëri nga teoria e "çmendur".

Por problemi kryesor i vargjeve, siç është përmendur tashmë, është pamundësia (të paktën tani për tani) për të provuar praninë e tyre në mënyrë eksperimentale.

Megjithatë, disa shkencëtarë ende thonë se gjenerata e ardhshme e përshpejtuesve ka një mundësi shumë minimale, por gjithsesi për të testuar hipotezën e dimensioneve shtesë. Edhe pse shumica, natyrisht, janë të sigurt se nëse kjo është e mundur, atëherë, mjerisht, nuk do të ndodhë shumë shpejt - të paktën në dekada, në maksimum - edhe në njëqind vjet.

Teoria e fijeve është një fije e hollë që lidh teorinë e relativitetit (ose Teoria e Përgjithshme e Relativitetit - GTR) dhe fizikën kuantike. Të dyja këto fusha janë shfaqur së fundmi në shkallë shkencore, pra madje literaturë shkencore nuk ka ende shumë në këto industri. Dhe, nëse teoria e relativitetit ka ende një lloj baze të testuar me kohë, atëherë dega kuantike e fizikës në këtë drejtim është ende shumë e re. Le të kuptojmë së pari këto dy industri.

Me siguri shumë prej jush kanë dëgjuar për teorinë e relativitetit, madje janë pak të njohur me disa prej postulateve të saj, por pyetja është: pse nuk mund të lidhet me fizikën kuantike, e cila funksionon në nivel mikro?

Ata ndajnë të Përbashkët dhe Teori speciale relativiteti (shkurtuar si GTR dhe SRT; tani e tutje ato do të përdoren si shkurtesa). Shkurtimisht, GTR postulon për hapësirën e jashtme dhe lakimin e saj, dhe STR për relativitetin e hapësirë-kohës nga ana e njeriut. Kur flasim për teorinë e fijeve, ne po flasim veçanërisht për relativitetin e përgjithshëm. Teoria e Përgjithshme Relativiteti thotë se në hapësirë, nën ndikimin e objekteve masive, hapësira përkulet rreth saj (dhe bashkë me të edhe koha, sepse hapësira dhe koha janë koncepte krejtësisht të pandashme). Një shembull nga jeta e shkencëtarëve do t'ju ndihmojë të kuptoni se si ndodh kjo. Është regjistruar së fundmi rast i ngjashëm, prandaj gjithçka e thënë mund të konsiderohet “bazuar në ngjarje reale" Një shkencëtar shikon përmes një teleskopi dhe sheh dy yje: një para saj dhe tjetri pas saj. Si arritëm ta kuptonim këtë? Është shumë e thjeshtë, sepse ylli, qendrën e të cilit nuk e shohim, por janë të dukshme vetëm skajet, është më i madhi nga këta të dy, dhe ylli tjetër, i cili është i dukshëm në formën e tij të plotë, është më i vogli. Megjithatë, falë relativitetit të përgjithshëm, mund të ndodhë që ylli përpara është më i madh se ai pas. Por a është e mundur kjo?

Rezulton se po. Nëse ylli i përparmë rezulton të jetë një objekt supermasiv që do të përkulë fort hapësirën rreth tij, atëherë imazhi i yllit që ndodhet prapa thjesht do të rrotullohet rreth yllit supermasiv në lakim dhe ne do të shohim foton që u përmend në shumë fillim. Ju mund të shihni atë që u tha më në detaje në Fig. 1.

Fizika kuantike është shumë më e vështirë për njeri i zakonshëm, në vend të AJO. Nëse i përgjithësojmë të gjitha dispozitat e tij, marrim si vijon: mikro-objektet ekzistojnë vetëm kur i shikojmë. Përveç kësaj, fizika kuantike thotë gjithashtu se nëse një mikrogrimcë ndahet në dy pjesë, atëherë këto dy pjesë do të vazhdojnë të rrotullohen përgjatë boshtit të tyre në të njëjtin drejtim. Dhe çdo ndikim në grimcën e parë padyshim që do të transmetohet tek e dyta, dhe menjëherë dhe plotësisht, pavarësisht nga largësia e këtyre grimcave.

Pra, cila është vështirësia në kombinimin e koncepteve të këtyre dy teorive? Fakti është se GTR i konsideron objektet në botën makro, dhe kur flasim për shtrembërimin/lakimin e hapësirës, nënkuptojmë hapësirë idealisht të lëmuar, e cila është plotësisht në kundërshtim me dispozitat e mikrobotës. Sipas teorisë së fizikës kuantike, mikrobota është plotësisht e pabarabartë dhe ka vrazhdësi të gjithëpranishme. Kjo është të folurit në gjuhën e përditshme. Dhe matematikanët dhe fizikantët i përkthyen teoritë e tyre në formula. Dhe kështu, kur ata u përpoqën të kombinonin formulat e fizikës kuantike dhe relativitetit të përgjithshëm, përgjigja doli të ishte pafundësi. Pafundësia në fizikë është e barabartë me të thënë se ekuacioni është ndërtuar gabimisht. Barazia që rezultoi u rishikua shumë herë, por përgjigja ishte ende pafundësi.

Teoria e fijeve ka sjellë ndryshime thelbësore në botën e përditshme të shkencës. Ai përfaqëson një dekret që të gjitha mikrogrimcat nuk janë sferike, por format e vargjeve të zgjatura që përshkojnë gjithë universin tonë. Sasi të tilla si masa, shpejtësia e grimcave etj. përcaktohen nga dridhjet e këtyre vargjeve. Çdo varg i tillë është teorikisht i vendosur në një manifold Calabi-Yau. Këto shumëfishe përfaqësojnë hapësirë shumë të lakuar. Sipas teorisë së diversitetit, ato nuk lidhen me asgjë në hapësirë dhe gjenden veçmas në topa të vegjël. Teoria e fijeve fjalë për fjalë fshin kufijtë e qartë të procesit të lidhjes së dy mikrogrimcave. Kur mikrogrimcat përfaqësohen nga topa, atëherë ne mund të gjurmojmë qartë kufirin në hapësirë-kohë kur ato lidhen. Sidoqoftë, nëse dy vargje janë të lidhura, atëherë vendi ku ata "ngjiten" mund të shikohet nga kënde të ndryshme. Dhe në kënde të ndryshme do të marrim rezultate krejtësisht të ndryshme të kufirit të lidhjes së tyre, domethënë thjesht nuk ka një koncept të saktë të një kufiri të tillë!

Në fazën e parë të studimit, teoria e fijeve, e thënë qoftë edhe me fjalë të thjeshta, duket misterioze, e çuditshme dhe madje thjesht fiktive, por nuk janë fjalë të pabaza që flasin për të, por kërkime që, duke përdorur shumë ekuacione dhe parametra, konfirmojnë probabilitetin e ekzistenca e grimcave të vargut.

Dhe së fundi, një video tjetër që shpjegon teorinë e fijeve në gjuhë të thjeshtë nga revista e internetit QWRT.