Teorija superstrun: ali vse stvari obstajajo v 11 dimenzijah?

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Verjetno ste že slišali, da najbolj priljubljena znanstvena teorija našega časa, teorija strun, vključuje veliko več razsežnosti, kot namiguje zdrav razum.

Največji problem za teoretične fizike je, kako združiti vse temeljne interakcije (gravitacijske, elektromagnetne, šibke in močne) v eno samo teorijo. Teorija superstrun trdi, da je teorija vsega.

Toda izkazalo se je, da je najprimernejše število dimenzij, potrebnih za delovanje te teorije, deset (od tega je devet prostorskih, ena pa začasna)! Če je meritev več ali manj, matematične enačbe dajejo iracionalne rezultate, ki gredo v neskončnost – singularnost.

Naslednja stopnja v razvoju teorije superstrun - M-teorija - je štela že enajst dimenzij. In še ena različica tega - F-teorija - vseh dvanajst. In to sploh ni zaplet. F-teorija opisuje 12-dimenzionalni prostor z enostavnejšimi enačbami kot M-teorija - 11-dimenzionalni.

Seveda se teoretična fizika ne zaman imenuje teoretična. Vsi njeni dosedanji dosežki obstajajo le na papirju. Da bi razložili, zakaj se lahko gibljemo samo v tridimenzionalnem prostoru, so znanstveniki začeli govoriti o tem, kako so se morale nesrečne druge dimenzije skrčiti v kompaktne krogle na kvantni ravni. Natančneje, ne v krogle, ampak v prostore Calabi-Yau. To so takšne tridimenzionalne figure, znotraj katerih je svoj svet s svojo dimenzijo. Dvodimenzionalna projekcija takšnih kolektorjev izgleda nekako takole:

Znanih je več kot 470 milijonov takšnih figuric. Kateri od njih ustreza naši realnosti, se trenutno izračunava. Teoretični fizik ni lahko.

Ja, zdi se malo premišljeno. Morda pa je ravno to tisto, kar pojasnjuje, zakaj je kvantni svet tako drugačen od tega, kar zaznavamo.

Potopimo se malo v zgodovino

Leta 1968 se je mladi teoretični fizik Gabriele Veneziano pozanimal o razumevanju številnih eksperimentalno opazovanih značilnosti močne jedrske interakcije. Veneziano, ki je takrat delal v CERN-u, Evropskem laboratoriju za pospeševanje v Ženevi (Švica), se je s tem problemom ukvarjal več let, dokler ga nekega dne ni zadelo briljantno ugibanje. Na veliko presenečenje je spoznal, da se zdi, da je eksotična matematična formula, ki jo je približno dvesto let prej izumil slavni švicarski matematik Leonard Euler za povsem matematične namene - tako imenovana Eulerjeva beta funkcija - sposobna v enem zamahu opisati vse številne lastnosti delcev, ki sodelujejo pri močni jedrski sili. Lastnost, ki jo je opazil Veneziano, je zagotovila močan matematični opis številnih značilnosti močne interakcije; sprožila je naval dela, v katerem so bile beta funkcija in njene različne posplošitve uporabljene za opis ogromnih količin podatkov, zbranih pri preučevanju trkov delcev po vsem svetu. Vendar pa je bilo Venezianovo opazovanje v nekem smislu nepopolno. Kot naučena formula, ki jo uporablja študent, ki ne razume njenega pomena ali pomena, je Eulerjeva beta funkcija delovala, a nihče ni razumel, zakaj. To je bila formula, ki je zahtevala razlago.

Gabriele Veneziano

To se je spremenilo leta 1970, ko so Yohiro Nambu z Univerze v Chicagu, Holger Nielsen z Inštituta Niels Bohr in Leonard Susskind z univerze Stanford uspeli odkriti fizični pomen Eulerjeve formule. Ti fiziki so pokazali, da ko so elementarni delci predstavljeni z majhnimi vibrirajočimi enodimenzionalnimi strunami, je močna interakcija teh delcev natančno opisana z Eulerjevo funkcijo. Če so segmenti strune dovolj majhni, so razmišljali ti raziskovalci, bodo še vedno videti kot točkovni delci in zato ne bodo v nasprotju z rezultati eksperimentalnih opazovanj. Čeprav je bila ta teorija preprosta in intuitivno privlačna, se je kmalu pokazalo, da je opis močnih interakcij z uporabo nizov napačen. V zgodnjih sedemdesetih letih. fiziki visokih energij so lahko pogledali globlje v subatomski svet in pokazali, da so nekatere napovedi modela strun v neposrednem nasprotju z opazovanji. Hkrati je vzporedno potekal razvoj kvantne teorije polja - kvantne kromodinamike - v kateri je bil uporabljen točkovni model delcev. Uspehi te teorije pri opisovanju močne interakcije so privedli do opustitve teorije strun.

Večina fizikov delcev je verjela, da je teorija strun za vedno v košu za smeti, vendar so številni raziskovalci ji ostali zvesti. Schwartz je na primer menil, da je "matematična struktura teorije strun tako lepa in ima toliko presenetljivih lastnosti, da bi morala nedvomno kazati na nekaj globljega."²). Ena od težav, s katerimi so se fiziki soočili s teorijo strun, je bila, da se je zdelo, da ponuja preveč izbire, kar je zmedlo.

Nekatere od konfiguracij vibrirajočih strun v tej teoriji so imele lastnosti, ki so bile podobne tistim gluonov, kar je dalo razlog, da ga res štejemo za teorijo močnih interakcij. Vendar je poleg tega vseboval dodatne delce-nosilce interakcije, ki niso imeli nič opraviti z eksperimentalnimi manifestacijami močne interakcije. Leta 1974 sta Schwartz in Joel Scherk s francoske podiplomske tehnološke šole naredila drzno domnevo, ki je to zaznano napako spremenila v vrlino. Ko so preučili čudne načine nihanja strun, ki spominjajo na nosilne delce, so ugotovili, da te lastnosti presenetljivo natančno sovpadajo z domnevnimi lastnostmi hipotetičnega nosilnega delca gravitacijske interakcije - gravitona. Čeprav ti "drobni delci" gravitacijske interakcije še niso bili odkriti, lahko teoretiki z gotovostjo napovejo nekatere temeljne lastnosti, ki bi jih morali imeti ti delci. Scherk in Schwartz sta ugotovila, da so te lastnosti natančno realizirane za nekatere načine vibracij. Na podlagi tega so domnevali, da se je prvi pojav teorije strun končal z neuspehom, ker so fiziki pretirano zožili njen obseg. Sherk in Schwartz sta objavila, da teorija strun ni le teorija močne sile, je kvantna teorija, ki med drugim vključuje gravitacijo).

Fizična skupnost se je na to domnevo odzvala zelo zadržano. Pravzaprav, kot se je spomnil Schwartz, so "naše delo vsi prezrli."⁴). Poti napredka so že temeljito posejane s številnimi neuspelimi poskusi združitve gravitacije in kvantne mehanike. Teorija strun ni uspela v svojem začetnem poskusu opisovanja močnih interakcij in mnogi so menili, da je nesmiselno poskušati jo uporabiti za doseganje še večjih ciljev. Naknadne, podrobnejše študije poznih sedemdesetih in zgodnjih osemdesetih let prejšnjega stoletja. pokazala, da med teorijo strun in kvantno mehaniko nastajajo lastna, čeprav manjšega obsega, protislovja. Vtis je bil, da se je gravitacijska sila spet sposobna upreti poskusu, da bi jo vgradili v opis vesolja na mikroskopski ravni.

Tako je bilo do leta 1984. Green in Schwartz sta v svojem pomembnem dokumentu, ki je povzemal več kot desetletje intenzivnih raziskav, ki jih je večina fizikov v veliki meri prezrla ali zavrnila, ugotovila, da je mogoče rešiti manjše protislovje s kvantno teorijo, ki je pestila teorijo strun. Poleg tega so pokazali, da je nastala teorija dovolj široka, da zajema vse štiri vrste interakcij in vse vrste snovi. Novica o tem rezultatu se je razširila po celotni fizični skupnosti: na stotine fizikov delcev je prenehalo delati na svojih projektih, da bi sodelovali v, kot se je zdelo, zadnji teoretični bitki v stoletnem napadu na najgloblje temelje vesolja.

Novica o uspehu Greena in Schwartza je sčasoma dosegla celo podiplomske študente prvega letnika študija, nekdanjo malodušje pa je zamenjal vznemirljiv občutek vpletenosti v prelomnico v zgodovini fizike. Mnogi od nas so sedeli globoko po polnoči in preučevali tehtne knjige o teoretični fiziki in abstraktni matematiki, katerih znanje je potrebno za razumevanje teorije strun.

Vendar pa so fiziki teorije strun na poti vedno znova naleteli na resne ovire. V teoretični fiziki se morate pogosto ukvarjati z enačbami, ki so preveč zapletene za razumevanje ali pa jih je težko rešiti. Običajno v takšni situaciji fiziki ne obupajo in poskušajo dobiti približno rešitev teh enačb. Stanje v teoriji strun je veliko bolj zapleteno. Tudi izvedba enačb se je izkazala za tako zapleteno, da je bilo doslej mogoče dobiti le njihovo približno obliko. Tako se fiziki, ki se ukvarjajo s teorijo strun, znajdejo v situaciji, ko morajo iskati približne rešitve približnih enačb. Po več letih osupljivega napredka med prvo revolucijo v teoriji superstrun so se fiziki soočili z dejstvom, da uporabljene približne enačbe niso mogle zagotoviti pravilnega odgovora na številna pomembna vprašanja, kar je zaviralo nadaljnji razvoj raziskav. Ker niso imeli konkretnih idej za preseganje teh približnih metod, so številni fiziki strun izkusili vedno večjo frustracijo in se vrnili k svojim prejšnjim raziskavam. Za tiste, ki so ostali, konec osemdesetih in začetek devetdesetih let prejšnjega stoletja. je bilo testno obdobje.

Lepota in potencialna moč teorije strun sta raziskovalce vabila kot zlati zaklad, varno zaklenjen v sefu, viden le skozi drobno kukalo, a nihče ni imel ključa, da bi sprostil te mirujoče sile. Dolgo obdobje »suše« je bilo občasno prekinjeno s pomembnimi odkritji, vendar je bilo vsem jasno, da so potrebne nove metode, ki bodo omogočile preseganje že znanih približnih rešitev.

Konec stagnacije je prišel z dih jemajočim govorom Edwarda Wittena na konferenci o teoriji strun na Univerzi v južni Kaliforniji leta 1995 – govor, ki je osupnil občinstvo, polno vodilnih svetovnih fizikov. V njem je razkril načrt za naslednjo fazo raziskovanja in s tem sprožil "drugo revolucijo v teoriji superstrun". Zdaj teoretiki strun energično delajo na novih metodah, ki obljubljajo premagovanje ovir, s katerimi se srečujejo.

Za široko popularizacijo TS bi človeštvo moralo postaviti spomenik profesorju univerze Columbia Brianu Greenu. Njegova knjiga iz leta 1999 Elegantno vesolje. Superstrune, skrite dimenzije in iskanje končne teorije je postal prodajna uspešnica in prejel Pulitzerjevo nagrado. Znanstvenikovo delo je tvorilo osnovo poljudnoznanstvene mini serije z avtorjem samim v vlogi gostitelja - delček tega je viden na koncu gradiva (fotografija Amy Sussman / Univerza Columbia).

klikni 1700 px

Zdaj pa poskusimo vsaj malo razumeti bistvo te teorije

Začeti znova. Ničelna dimenzija je točka. Nima dimenzij. Ni se kam premakniti, za označevanje lokacije v takšni dimenziji niso potrebne koordinate.

Drugo postavimo ob prvo točko in potegnimo črto skozi njih. Tukaj je prva dimenzija. Enodimenzionalni predmet ima velikost - dolžino - vendar nima širine ali globine. Gibanje v okviru enodimenzionalnega prostora je zelo omejeno, saj se oviri, ki je nastala na poti, ni mogoče izogniti. Za lociranje na tej črti je potrebna samo ena koordinata.

Ob segmentu postavimo točko. Za prileganje obeh predmetov potrebujemo dvodimenzionalni prostor, ki ima dolžino in širino, torej površino, vendar brez globine, torej volumna. Lokacija katere koli točke na tem polju je določena z dvema koordinatama.

Tretja dimenzija nastane, ko temu sistemu dodamo še tretjo koordinatno os. Za nas, prebivalce tridimenzionalnega vesolja, si je to zelo enostavno predstavljati.

Poskusimo si predstavljati, kako prebivalci dvodimenzionalnega prostora vidijo svet. Tu sta na primer ti dve osebi:

Vsak od njih bo svojega prijatelja videl takole:

Toda v tej situaciji:

Naši junaki se bodo videli takole:

Prav sprememba stališča omogoča našim junakom, da sodijo drug o drugem kot o dvodimenzionalnih objektih in ne kot enodimenzionalnih segmentih.

Zdaj pa si predstavljajmo, da se določen volumetrični objekt premika v tretji dimenziji, ki prečka ta dvodimenzionalni svet. Za zunanjega opazovalca bo to gibanje izraženo v spremembi dvodimenzionalnih projekcij predmeta na ravnino, kot je brokoli v napravi za magnetno resonanco:

Toda za prebivalca naše Ravnine je takšna slika nerazumljiva! Ne more si je niti predstavljati. Zanj bo vsaka od dvodimenzionalnih projekcij videti kot enodimenzionalni segment s skrivnostno spremenljivo dolžino, ki nastaja na nepredvidljivem mestu in tudi nepredvidljivo izginja. Poskusi izračuna dolžine in kraja nastanka takšnih predmetov z uporabo zakonov fizike dvodimenzionalnega prostora so obsojeni na neuspeh.

Mi, prebivalci tridimenzionalnega sveta, vse vidimo kot dvodimenzionalno. Le gibanje predmeta v prostoru nam omogoča, da začutimo njegovo prostornino. Vsak večdimenzionalni predmet bomo videli tudi kot dvodimenzionalni, vendar se bo presenetljivo spremenil glede na naš odnos z njim ali čas.

S tega vidika je zanimivo razmišljati na primer o gravitaciji. Verjetno so vsi videli podobne slike:

Na njih je običajno upodobiti, kako gravitacija upogiba prostor-čas. Zavoji … kje? Ravno v nobeni od dimenzij, ki jih poznamo. Kaj pa kvantno tuneliranje, torej sposobnost delca, da izgine na enem mestu in se pojavi na povsem drugem mestu, poleg tega za oviro, skozi katero v naših realnostih ne bi mogel prodreti, ne da bi v njej naredil luknjo? Kaj pa črne luknje? Kaj pa, če vse te in druge skrivnosti sodobne znanosti razlagamo z dejstvom, da geometrija prostora sploh ni enaka, kot smo jo včasih zaznavali?

Ura tiktaka

Čas dodaja še eno koordinato našemu vesolju. Da bi zabava potekala, morate vedeti ne le, v katerem lokalu bo potekala, ampak tudi točen čas tega dogodka.

Glede na naše zaznavanje čas ni toliko ravna črta kot žarek. To pomeni, da ima izhodišče, gibanje pa se izvaja samo v eni smeri - od preteklosti v prihodnost. In samo sedanjost je resnična. Niti preteklost niti prihodnost ne obstajata, tako kot ni zajtrkov in večerij z vidika pisarne ob kosilu.

Toda relativnostna teorija se s tem ne strinja. Z njenega vidika je čas polna dimenzija. Vsi dogodki, ki so obstajali, obstajajo in bodo obstajali, so tako resnični, kot je resnična morska plaža, ne glede na to, kje so nas presenetile sanje o zvoku surfa. Naše zaznavanje je le nekaj podobnega reflektorju, ki osvetli nek segment na ravni črti časa. Človeštvo v svoji četrti dimenziji izgleda takole:

Toda vidimo le projekcijo, rezino te dimenzije v vsakem posameznem trenutku. Da, kot brokoli na napravi za magnetno resonanco.

Do sedaj so vse teorije delovale z velikim številom prostorskih dimenzij, časovna pa je bila vedno edina. Toda zakaj prostor omogoča pojav več dimenzij za prostor, vendar le enkrat? Dokler znanstveniki ne bodo mogli odgovoriti na to vprašanje, se bo hipoteza o dveh ali več časovnih prostorih zdela zelo privlačna vsem filozofom in piscem znanstvene fantastike. Ja, in fiziki, kaj je v resnici tam. Na primer, ameriški astrofizik Yitzhak Bars vidi drugo časovno dimenzijo kot koren vseh težav s teorijo vsega. Kot miselno vajo si poskusimo predstavljati svet z dvema časoma.

Vsaka dimenzija obstaja ločeno. To se izraža v tem, da če spremenimo koordinate predmeta v eni dimenziji, lahko koordinate v drugih ostanejo nespremenjene. Torej, če se premikate vzdolž ene časovne osi, ki seka drugo pod pravim kotom, se bo na točki presečišča čas naokrog ustavil. V praksi bo izgledalo nekako takole:

Vse, kar je moral Neo narediti, je bilo postaviti svojo enodimenzionalno časovno os pravokotno na časovno os nabojev. Čista malenkost, strinjam se. Pravzaprav je vse veliko bolj zapleteno.

Točen čas v vesolju z dvema časovnima dimenzijama bosta določena z dvema vrednostma. Si je težko predstavljati dvodimenzionalni dogodek? Se pravi tisti, ki se razteza hkrati vzdolž dveh časovnih osi? Verjetno bo takšen svet zahteval strokovnjake za časovno kartiranje, saj kartografi preslikavajo dvodimenzionalno površino zemeljske oble.

Kaj še razlikuje dvodimenzionalni prostor od enodimenzionalnega prostora? Sposobnost obiti oviro, na primer. To je že povsem onkraj meja našega uma. Prebivalec enodimenzionalnega sveta si ne more predstavljati, kako je zaviti za vogalom. In kaj je to - kotiček v času? Poleg tega lahko v dvodimenzionalnem prostoru potujete naprej, nazaj, vendar vsaj diagonalno. Pojma nimam, kako je hoditi diagonalno skozi čas. Sploh ne govorim o tem, da je čas osnova številnih fizikalnih zakonov in si je nemogoče predstavljati, kako se bo fizika vesolja spremenila s pojavom druge časovne dimenzije. Toda razmišljati o tem je tako vznemirljivo!

Zelo velika enciklopedija

Druge dimenzije še niso odkrite in obstajajo le v matematičnih modelih. Lahko pa si jih poskusite predstavljati takole.

Kot smo ugotovili prej, vidimo tridimenzionalno projekcijo četrte (časovne) dimenzije Vesolja. Z drugimi besedami, vsak trenutek obstoja našega sveta je točka (podobna ničelni dimenziji) v časovnem intervalu od Velikega poka do konca sveta.

Tisti, ki ste brali o potovanju v času, veste, kako pomembno je pri njih ukrivljenost prostorsko-časovnega kontinuuma. To je peta dimenzija - v njej je štiridimenzionalni prostor-čas "upognjen", da bi združil dve točki na tej ravni črti. Brez tega bi bila pot med temi točkami predolga ali celo nemogoča. Grobo rečeno, peta dimenzija je podobna drugi - premika "enodimenzionalno" črto prostor-čas v "dvodimenzionalno" ravnino z vsemi posledičnimi možnostmi, da se zavije za vogalom.

Naši posebej filozofsko naravnani bralci so verjetno malo prej razmišljali o možnosti svobodne volje v razmerah, ko prihodnost že obstaja, a še ni znana. Znanost na to vprašanje odgovarja takole: verjetnosti. Prihodnost ni palica, ampak cela metla možnih scenarijev. Katera se bo uresničila – izvedeli bomo, ko pridemo tja.

Vsaka od verjetnosti obstaja kot "enodimenzionalni" segment na "ravnini" pete dimenzije. Kateri je najhitrejši način za skok z enega segmenta na drugega? Tako je - upognite to ravnino kot list papirja. Kam se upogniti? In spet je pravilno - v šesti dimenziji, ki daje "volumen" celotni tej kompleksni strukturi. In ga tako kot tridimenzionalni prostor naredi "končano", novo točko.

Sedma dimenzija je nova ravna črta, ki jo sestavljajo šestdimenzionalne "točke". Kaj je še kakšna točka na tej črti? Celoten neskončen nabor možnosti za razvoj dogodkov v drugem vesolju, ki ni nastal kot posledica velikega poka, ampak v različnih pogojih in deluje po različnih zakonih. To pomeni, da so sedma dimenzija kroglice iz vzporednih svetov. Osma dimenzija te "črte" zbere v eno "ravnino". In deveto lahko primerjamo s knjigo, ki ustreza vsem »listom« osme dimenzije. Je zbirka vseh zgodovin vseh vesolj z vsemi zakoni fizike in vsemi začetnimi pogoji. Ponovno pokažite.

Tukaj naletimo na mejo. Da si predstavljamo deseto dimenzijo, potrebujemo ravno črto. In kakšna je druga točka na tej črti, če že deveta dimenzija pokriva vse, kar si je mogoče zamisliti, in celo tisto, kar si je nemogoče predstavljati? Izkazalo se je, da deveta dimenzija ni še eno izhodišče, ampak končna – za našo domišljijo v vsakem primeru.

Teorija strun pravi, da strune vibrirajo v deseti dimenziji – osnovni delci, ki sestavljajo vse. Če deseta dimenzija vsebuje vsa vesolja in vse možnosti, potem strune obstajajo povsod in ves čas. Mislim, vsak niz obstaja v našem vesolju in vsak drug. V vsakem trenutku. Takoj. Kul, kaj?

Septembra 2013 je Brian Green na povabilo Politehničnega muzeja prispel v Moskvo. Slavni fizik, teoretik strun, profesor na univerzi Columbia, je širši javnosti znan predvsem kot popularizator znanosti in avtor knjige "Elegantno vesolje". Lenta.ru se je z Brianom Greenom pogovarjal o teoriji strun in nedavnih izzivih, s katerimi se sooča, pa tudi o kvantni gravitaciji, amplitudi in družbenem nadzoru.