Superstygų teorija: ar viskas egzistuoja 11 dimensijų?

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Tikriausiai girdėjote, kad populiariausia mūsų laikų mokslinė teorija – stygų teorija – apima daug daugiau dimensijų, nei rodo sveikas protas.

Didžiausia teorinių fizikų problema – 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 dešimt (iš kurių devyni yra erdviniai, o vienas yra laikinas)! Jei yra daugiau ar mažiau matavimų, matematinės lygtys duoda neracionalius rezultatus, kurie eina iki begalybės – singuliarumą.

Kitas superstygų teorijos vystymosi etapas – M teorija – jau suskaičiavo vienuolika dimensijų. Ir dar viena jos versija – F teorija – visos dvylika. Ir tai nėra jokia komplikacija. F teorija aprašo 12 matmenų erdvę paprastesnėmis lygtimis nei M teorija – 11 matmenų.

Žinoma, ne veltui teorinė fizika 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 kiti nelaimingi matmenys kvantiniu lygmeniu turėjo susitraukti į kompaktiškas sferas. Tiksliau – ne į sferas, o į Calabi-Yau erdves. Tai tokios trimatės figūros, kurių viduje savas pasaulis su savo dimensija. Tokių kolektorių dvimatė projekcija atrodo maždaug taip:

Tokių figūrėlių žinoma daugiau nei 470 mln. Kuris iš jų atitinka mūsų realybę, šiuo metu skaičiuojama. Nelengva būti fiziku teoretiku.

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

Šiek tiek pasinerkime į istoriją

1968 m. jaunasis teorinis fizikas Gabriele Veneziano bandė suprasti daugybę eksperimentiškai pastebėtų stiprios branduolinės sąveikos ypatybių. Veneziano, tuo metu dirbęs CERN, Europos greitintuvo laboratorijoje Ženevoje (Šveicarija), kelerius metus dirbo su šia problema, kol vieną dieną jį nustebino puikus spėjimas. Savo nuostabai jis suprato, kad egzotiška matematinė formulė, kurią maždaug prieš du šimtus metų išrado žymus šveicarų matematikas Leonardas Euleris grynai matematiniais tikslais – vadinamoji Eulerio beta funkcija – atrodo, gali vienu ypu aprašyti viską. daug dalelių, dalyvaujančių stiprioje branduolinėje jėgoje, savybių. Veneziano pastebėta savybė suteikė galingą matematinį daugelio stiprios sąveikos bruožų aprašymą; jis sukėlė 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. Kaip įsiminta formulė, kurią naudoja studentas, kuris nesupranta jos reikšmės ar reikšmės, Eulerio beta funkcija veikė, bet niekas nesuprato kodėl. Tai buvo formulė, kurią reikėjo paaiškinti.

Gabrielė Veneziano

Tai pasikeitė 1970 m., kai Yohiro Nambu iš Čikagos universiteto, Holgeris Nielsenas iš Nielso Bohro instituto ir Leonardas Susskindas iš Stanfordo universiteto sugebėjo atskleisti Eulerio formulės fizinę prasmę. Šie fizikai parodė, kad kai elementariosios dalelės vaizduojamos mažomis vibruojančiomis vienmatės stygomis, stipri šių dalelių sąveika tiksliai apibūdinama naudojant Eulerio funkciją. Jei stygų segmentai yra pakankamai maži, samprotavo šie tyrėjai, jie vis tiek atrodys kaip taškinės dalelės, todėl neprieštaraus eksperimentinių stebėjimų rezultatams. Nors ši teorija buvo paprasta ir intuityviai patraukli, netrukus paaiškėjo, kad stiprios sąveikos, naudojant stygas, aprašymas buvo ydingas. Aštuntojo dešimtmečio pradžioje. didelės energijos fizikai sugebėjo pažvelgti giliau į subatominį pasaulį ir parodė, kad kai kurios stygų modelio prognozės tiesiogiai prieštarauja stebėjimams. Tuo pat metu lygiagrečiai vyko ir kvantinės lauko teorijos – kvantinės chromodinamikos, kurioje buvo naudojamas taškinis dalelių modelis, kūrimas. Šios teorijos sėkmė apibūdinant stiprią sąveiką paskatino stygų teorijos atsisakymą.

Dauguma dalelių fizikų manė, kad stygų teorija amžinai buvo šiukšlių dėžėje, tačiau nemažai tyrinėtojų liko jai ištikimi. Pavyzdžiui, Schwartzas manė, kad „stygų teorijos matematinė struktūra yra tokia graži ir turi tiek daug įspūdingų savybių, kad ji neabejotinai turėtų nurodyti kažką gilesnio“.²). Viena iš problemų, su kuriomis fizikai susidūrė styginių teorija, buvo ta, kad atrodė, kad ji siūlo per daug pasirinkimų, o tai buvo painu.

Kai kurios šios teorijos vibruojančių stygų konfigūracijos turėjo savybių, panašių į gliuonų savybes, o tai davė pagrindo tai iš tikrųjų laikyti stiprios sąveikos teorija. Tačiau, be to, jame buvo papildomų dalelių-sąveikos nešėjų, kurios neturėjo nieko bendra su eksperimentinėmis stiprios sąveikos apraiškomis. 1974 m. Schwartz ir Joel Scherk iš Prancūzijos aukštosios technologijos mokyklos padarė drąsią prielaidą, kuri pavertė šį suvoktą trūkumą dorybe. Ištyrę keistus stygų virpesius, primenančius nešiklio daleles, jie suprato, kad šios savybės stebėtinai tiksliai sutampa su tariamomis gravitacinės sąveikos hipotetinės nešančiosios dalelės – gravitono savybėmis. Nors šios gravitacinės sąveikos „smulkios dalelės“dar nebuvo atrastos, teoretikai gali užtikrintai nuspėti kai kurias esmines savybes, kurias turėtų turėti šios dalelės. Scherk ir Schwartz nustatė, kad šios charakteristikos yra tiksliai įgyvendintos kai kuriems vibracijos režimams. Remdamiesi tuo, jie iškėlė hipotezę, kad pirmasis stygų teorijos atsiradimas baigėsi nesėkme, 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.

Fizinė bendruomenė į šią prielaidą reagavo labai santūriai. Iš tikrųjų, kaip prisiminė Schwartzas, „mūsų darbą visi ignoravo“.⁴). Pažangos keliai jau buvo nusėti daugybe nesėkmingų bandymų sujungti gravitaciją ir kvantinę mechaniką. Stygų teorijai nepavyko iš pradžių bandyti apibūdinti stiprios sąveikos, ir daugelis manė, kad beprasmiška bandyti ją naudoti siekiant dar didesnių tikslų. Vėlesni, išsamesni aštuntojo dešimtmečio pabaigos ir devintojo dešimtmečio pradžios tyrimai. parodė, kad tarp stygų teorijos ir kvantinės mechanikos kyla savų, nors ir mažesnio masto, prieštaravimų. Susidarė įspūdis, kad gravitacinė jėga vėl sugebėjo atsispirti bandymui įtraukti ją į visatos aprašymą mikroskopiniu lygmeniu.

Taip buvo iki 1984 m. Savo svarbiame dokumente, kuriame apibendrinami daugiau nei dešimtmetį trukę intensyvūs tyrimai, kuriuos dauguma fizikų iš esmės ignoravo arba atmetė, Greenas ir Schwartzas nustatė, kad nedidelį prieštaravimą kvantinei teorijai, kamavusią stygų teoriją, galima išspręsti. Be to, jie parodė, kad gauta teorija yra pakankamai plati, kad apimtų visus keturis sąveikos tipus ir visas materijos rūšis. Žinia apie šį rezultatą pasklido po visą fizikų bendruomenę: šimtai dalelių fizikų nustojo dirbti su savo projektais, kad dalyvautų tarsi paskutiniame teoriniame mūšyje šimtmečius trukusiame puolime prieš giliausius visatos pamatus.

Žinia apie Greeno ir Schwartzo sėkmę galiausiai pasiekė net pirmųjų studijų metų abiturientus, o buvusį atkalbinėjimą pakeitė jaudinantis įsitraukimo į fizikos istorijos lūžio tašką jausmas. Daugelis iš mūsų sėdėjome giliai po vidurnakčio ir studijavome svarbius teorinės fizikos ir abstrakčiosios matematikos darbus, kurių žinios būtinos norint suprasti stygų teoriją.

Tačiau stygų teorijos fizikai savo kelyje 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. Stygų teorijos padėtis yra daug sudėtingesnė. Netgi lygčių išvedimas pasirodė toks sudėtingas, kad iki šiol buvo galima gauti tik apytikslę jų formą. Taigi fizikai, dirbantys stygų teorijoje, atsiduria situacijoje, kai tenka ieškoti apytikslių apytikslių lygčių sprendinių. Po kelerių metų stulbinamos pažangos per pirmąją superstygų teorijos revoliuciją, fizikai susidūrė su tuo, kad naudotos apytikslės lygtys negalėjo pateikti teisingo atsakymo į daugelį svarbių klausimų, o tai stabdo tolesnę tyrimų plėtrą. Neturėdami konkrečių idėjų, kaip peržengti šiuos apytikslius metodus, daugelis styginių fizikų patyrė vis didesnį nusivylimą 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 saugiai seife užrakintas aukso lobis, matomas tik pro mažytį akutę, tačiau niekas neturėjo rakto, kuris išlaisvintų šias snaudžiančias jėgas. Ilgą „sausros“laikotarpį karts nuo karto pertraukdavo svarbūs atradimai, tačiau visiems buvo aišku, kad reikalingi nauji metodai, kurie leistų peržengti jau žinomus apytikslius sprendimus.

Sustingimo pabaigą atnešė kvapą gniaužiantis Edwardas Wittenas, pasakytas 1995 m. Pietų Kalifornijos universiteto stygų teorijos konferencijoje – pokalbis, kuris pribloškė publiką, kupiną žymiausių pasaulio fizikų. Jame jis atskleidė kito tyrimų etapo planą, taip inicijuodamas „antrąją superstygų teorijos revoliuciją“. Dabar stygų teoretikai energingai kuria naujus metodus, kurie žada įveikti jiems iškilusias kliūtis.

Siekdama plačiai išpopuliarinti TS, žmonija turėtų pastatyti paminklą Kolumbijos universiteto profesoriui Brianui Greene'ui. Jo 1999 m. knyga „Elegantiška visata“. „Superstygos“, „Paslėpti matmenys“ir „The Quest for the Ultimate Theory“tapo bestseleriu ir gavo Pulitzerio premiją. Mokslininko darbai sudarė pagrindą mokslo populiarinimo mini serialui, kurio šeimininko vaidmenį atliko pats autorius – jo fragmentą galima pamatyti medžiagos pabaigoje (Amy Sussman / Kolumbijos universiteto nuotrauka).

spustelėjamas 1700 px

Dabar pabandykime bent šiek tiek suprasti šios teorijos esmę

Pradėti iš naujo. Nulinis matmuo yra taškas. Ji neturi matmenų. Nėra kur judėti, nereikia jokių koordinačių, kad būtų nurodyta vieta tokiame matmenyje.

Šalia pirmojo taško pastatykime antrąjį ir per juos nubrėžkime liniją. Čia yra pirmasis matmuo. Vienmatis objektas turi dydį – ilgį – bet neturi pločio ar gylio. Judėjimas vienmatės erdvės rėmuose yra labai ribotas, nes nepavyks išvengti kelyje atsiradusios kliūties. Norint nustatyti vietą šioje linijoje, reikia tik vienos koordinatės.

Padėkime tašką šalia segmento. Kad tilptų abu šie objektai, mums reikia dvimatės erdvės, kurios ilgis ir plotis, tai yra plotas, bet be gylio, tai yra 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 draugą taip:

Bet 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 nuostabiai keisis priklausomai nuo mūsų santykio su juo ar laiko.

Šiuo požiūriu įdomu pagalvoti, pavyzdžiui, apie gravitaciją. Tikriausiai visi yra matę panašias nuotraukas:

Ant jų įprasta pavaizduoti, kaip gravitacija lenkia erdvėlaikį. Posūkiai… kur? Tiksliai nė viename iš mums pažįstamų matmenų. O kaip su kvantiniu tuneliu, tai yra, dalelės gebėjimu išnykti vienoje vietoje ir atsirasti visai kitoje vietoje, be to, už kliūties, pro kurią mūsų realybėse ji negalėtų prasiskverbti nepadariusi joje skylės? O juodosios skylės? Bet ką daryti, jei visos šios ir kitos šiuolaikinio mokslo paslaptys paaiškinamos tuo, kad erdvės geometrija visiškai nėra tokia, kokią mes ją suvokėme?

Laikrodis tiksi

Laikas mūsų Visatai prideda dar vieną koordinates. Kad vakarėlis įvyktų, reikia žinoti ne tik kuriame bare jis vyks, bet ir tikslų šio renginio laiką.

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. Ir tik dabartis yra tikra. Neegzistuoja nei praeitis, nei ateitis, kaip ir pietų metu biuro darbuotojo požiūriu nėra pusryčių ir vakarienės.

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

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

Iki šiol visos teorijos veikė su daugybe erdvinių matmenų, o laikinas visada buvo vienintelis. Bet kodėl erdvė leidžia pamatyti 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. Taip, ir fizikai, kas iš tikrųjų yra. Pavyzdžiui, amerikiečių astrofizikas Yitzhak Bars mano, kad antroji laiko dimensija yra visų bėdų, susijusių su visko teorija, šaknis. Kaip proto pratimą, pabandykime įsivaizduoti pasaulį, kuriame yra du laikai.

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:

Neo tereikėjo padėti savo vienmatę laiko ašį statmenai kulkų laiko ašiai. 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 tęsiasi vienu metu išilgai dviejų laiko ašių? Tikėtina, kad tokiam pasauliui prireiks laiko kartografavimo specialistų, nes kartografai kartoja dvimatį Žemės rutulio paviršių.

Kas dar skiria dvimatę erdvę nuo vienmatės erdvės? Pavyzdžiui, galimybė apeiti kliūtį. Tai jau visiškai už mūsų proto ribų. Vienmačio pasaulio gyventojas neįsivaizduoja, ką reiškia pasukti už kampo. O kas tai – kampelis laike? Be to, dvimatėje erdvėje galima keliauti pirmyn, atgal, bet bent jau įstrižai. Neįsivaizduoju, ką reiškia vaikščioti įstrižai per laiką. Jau net nekalbu apie tai, kad laikas yra daugelio fizikinių dėsnių pagrindas ir neįmanoma įsivaizduoti, kaip pasikeis Visatos fizika, atsiradus dar vienai laikinajai dimensijai. Tačiau galvoti apie tai labai įdomu!

Labai didelė enciklopedija

Kiti matmenys dar nėra 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, kiekviena mūsų pasaulio egzistavimo akimirka yra taškas (panašus į nulinę dimensiją) laiko intervale nuo Didžiojo sprogimo iki pasaulio pabaigos.

Tie, kurie skaitėte apie keliones laiku, žino, koks svarbus jose vaidina erdvės ir laiko kontinuumo kreivumas. Tai yra penktoji dimensija – būtent joje keturmatė erdvėlaikis yra „išlenktas“, kad šioje tiesėje sujungtų kokius nors du taškus. Be to kelionė tarp šių taškų būtų per ilga arba net neįmanoma. Grubiai tariant, penktoji dimensija yra panaši į antrąją – ji perkelia „vienmatę“erdvės laiko liniją į „dvimatę“plokštumą su visomis iš to sekančiomis galimybėmis apsivynioti už kampo.

Mūsų ypač filosofiškai nusiteikę skaitytojai kiek anksčiau tikriausiai galvojo apie laisvos valios galimybę 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 pateksime.

Kiekviena iš tikimybių egzistuoja kaip „vienmatė“atkarpa penktojo dimensijos „plokštumoje“. Koks yra greičiausias būdas pereiti iš vieno segmento į kitą? Teisingai – sulenkite šią plokštumą kaip popieriaus lapą. Kur pasilenkti? Ir vėl tai teisinga – šeštoje dimensijoje, kuri suteikia „apimtį“visai šiai sudėtingai struktūrai. Ir taip padaro ją, kaip trimatę erdvę, „baigtą“nauju tašku.

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

Čia mes patenkame į 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, devintoji dimensija yra ne dar vienas atspirties taškas, o galutinis – bet kokiu atveju mūsų vaizduotei.

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

2013 metų rugsėjį Brianas Greenas atvyko į Maskvą Politechnikos muziejaus kvietimu. Garsus fizikas, stygų teoretikas, Kolumbijos universiteto profesorius, plačiajai visuomenei žinomas pirmiausia kaip mokslo populiarintojas ir knygos „Elegantiška visata“autorius. Lenta.ru kalbėjosi su Brianu Greenu apie stygų teoriją ir naujausius iššūkius, su kuriais ji susidūrė, taip pat apie kvantinę gravitaciją, amplitudę ir socialinę kontrolę.