Teori string fisika kuantum. teori string

Ini adalah edisi keempat berturut-turut. Relawan juga diminta untuk tidak melupakan topik mana yang ingin mereka liput, atau mungkin seseorang baru saja memilih topik dari daftar. Dari saya repost dan promosi di jejaring sosial. Dan sekarang topik kita: "teori string"

Anda mungkin pernah mendengar bahwa teori ilmiah paling populer di zaman kita - teori string - menyiratkan keberadaan lebih banyak dimensi daripada yang dikatakan akal sehat.

Masalah terbesar bagi fisikawan teoretis adalah bagaimana menggabungkan semua interaksi fundamental (gravitasi, elektromagnetik, lemah dan kuat) menjadi satu teori. Teori superstring hanya mengklaim sebagai Teori Segalanya.

Tetapi ternyata jumlah dimensi yang paling nyaman yang diperlukan agar teori ini dapat bekerja adalah sebanyak sepuluh (sembilan di antaranya spasial, dan satu temporal)! Jika ada lebih banyak atau lebih sedikit dimensi, persamaan matematika memberikan hasil irasional yang menuju tak terhingga - singularitas.

Tahap selanjutnya dalam pengembangan teori superstring - teori-M - telah menghitung sebelas dimensi. Dan versi lain - teori-F - semuanya dua belas. Dan itu sama sekali bukan komplikasi. Teori-F menjelaskan ruang 12 dimensi dengan persamaan yang lebih sederhana daripada teori-M menjelaskan ruang 11 dimensi.

Tentu saja, fisika teoretis disebut teoretis karena suatu alasan. Semua pencapaiannya selama ini hanya ada di atas kertas. Jadi, untuk menjelaskan mengapa kita hanya bisa bergerak di ruang tiga dimensi, para ilmuwan mulai berbicara tentang bagaimana dimensi lain yang malang harus menyusut menjadi bola kompak pada tingkat kuantum. Tepatnya, bukan ke dalam bola, tetapi ke dalam ruang Calabi-Yau. Ini adalah sosok tiga dimensi, di dalamnya ada dunianya sendiri dengan dimensinya sendiri. Proyeksi dua dimensi dari manifold serupa terlihat seperti ini:

Lebih dari 470 juta patung seperti itu diketahui. Manakah dari mereka yang sesuai dengan realitas kita saat ini sedang dihitung. Tidak mudah menjadi fisikawan teoretis.

Ya, tampaknya agak terlalu mengada-ada. Tapi mungkin ini menjelaskan mengapa dunia kuantum sangat berbeda dari apa yang kita rasakan.

Mari selami sedikit sejarah

Pada tahun 1968, fisikawan teoretis muda Gabriele Veneziano meneliti banyak karakteristik gaya nuklir kuat yang diamati secara eksperimental. Veneziano, yang pada saat itu berada di CERN, Laboratorium Akselerator Eropa di Jenewa, Swiss, telah mengerjakan masalah ini selama beberapa tahun sampai suatu hari dia memiliki ide cemerlang. Sangat mengejutkan, ia menyadari bahwa rumus matematika yang eksotis, ditemukan sekitar dua ratus tahun sebelumnya oleh ahli matematika Swiss terkenal Leonhard Euler untuk tujuan matematika murni - yang disebut fungsi beta Euler - tampaknya dapat menjelaskan dalam satu gerakan. banyak sifat partikel yang terlibat dalam gaya nuklir kuat. Properti yang diperhatikan oleh Veneziano memberikan deskripsi matematis yang kuat tentang banyak fitur dari interaksi yang kuat; itu telah memicu kesibukan pekerjaan di mana fungsi beta dan berbagai generalisasi telah digunakan untuk menggambarkan sejumlah besar data yang terakumulasi dalam studi tumbukan partikel di seluruh dunia. Namun, dalam arti tertentu, pengamatan Veneziano tidak lengkap. Seperti rumus hafalan yang digunakan oleh seorang siswa yang tidak mengerti arti atau maknanya, fungsi beta Euler bekerja, tetapi tidak ada yang mengerti mengapa. Itu adalah formula yang membutuhkan penjelasan.

Gabriele Veneziano

Segalanya berubah pada tahun 1970 ketika Yochiro Nambu dari Universitas Chicago, Holger Nielsen dari Institut Niels Bohr, dan Leonard Susskind dari Universitas Stanford dapat menemukan makna fisik di balik rumus Euler. Fisikawan ini menunjukkan bahwa ketika partikel elementer diwakili oleh string satu dimensi yang berosilasi kecil, interaksi kuat partikel-partikel ini dijelaskan dengan tepat menggunakan fungsi Euler. Jika segmen string cukup kecil, para peneliti ini beralasan, mereka akan tetap terlihat seperti partikel titik, dan karena itu tidak akan bertentangan dengan hasil pengamatan eksperimental. Meskipun teori ini sederhana dan menarik secara intuitif, deskripsi string tentang gaya kuat segera terbukti cacat. Pada awal 1970-an Fisikawan energi tinggi telah mampu melihat lebih dalam ke dunia subatom dan telah menunjukkan bahwa beberapa prediksi model berbasis string bertentangan langsung dengan pengamatan. Pada saat yang sama, perkembangan teori medan kuantum - kromodinamika kuantum - sedang berlangsung secara paralel, di mana model titik partikel digunakan. Keberhasilan teori ini dalam menggambarkan interaksi yang kuat menyebabkan ditinggalkannya teori string.
Sebagian besar fisikawan partikel percaya bahwa teori string selamanya dibuang ke tempat sampah, tetapi sejumlah peneliti tetap setia padanya. Schwartz, misalnya, merasa bahwa "struktur matematis teori string begitu indah dan memiliki begitu banyak sifat menakjubkan yang pasti mengarah ke sesuatu yang lebih dalam" 2 ). Salah satu masalah yang dihadapi fisikawan dengan teori string adalah bahwa teori itu tampaknya memberikan terlalu banyak pilihan, yang membingungkan. Beberapa konfigurasi getar string dalam teori ini memiliki sifat yang mirip dengan gluon, yang memberikan alasan untuk benar-benar menganggapnya sebagai teori interaksi kuat. Namun, selain itu, ia mengandung partikel pembawa interaksi tambahan yang tidak ada hubungannya dengan manifestasi eksperimental dari interaksi yang kuat. Pada tahun 1974, Schwartz dan Joel Sherk dari ETH Prancis membuat saran berani yang mengubah cacat yang tampak ini menjadi suatu kebajikan. Setelah mempelajari mode aneh getaran string, yang mengingatkan pada partikel pembawa, mereka menyadari bahwa sifat-sifat ini secara mengejutkan bertepatan persis dengan sifat yang diusulkan dari partikel pembawa gravitasi hipotetis - graviton. Meskipun "partikel kecil" dari interaksi gravitasi ini belum ditemukan, para ahli teori dapat dengan yakin memprediksi beberapa sifat dasar yang seharusnya dimiliki partikel-partikel ini. Sherk dan Schwartz menemukan bahwa karakteristik ini diwujudkan dengan tepat untuk beberapa mode getaran. Berdasarkan ini, mereka menyarankan bahwa kemunculan pertama teori string berakhir dengan kegagalan karena fakta bahwa fisikawan terlalu mempersempit ruang lingkup penerapannya. Sherk dan Schwartz mengumumkan bahwa teori string bukan hanya teori gaya kuat, ini adalah teori kuantum yang, antara lain, mencakup gravitasi).

Komunitas fisika telah bereaksi terhadap saran ini dengan sangat menahan diri. Bahkan, menurut Schwartz, "pekerjaan kami diabaikan oleh semua orang" 4 ). Jalur kemajuan telah sepenuhnya dipenuhi dengan berbagai upaya gagal untuk menyatukan gravitasi dan mekanika kuantum. Teori string gagal dalam upaya awalnya untuk menggambarkan kekuatan yang kuat, dan tampaknya tidak ada gunanya bagi banyak orang untuk mencoba menggunakannya untuk mencapai tujuan yang lebih besar. Selanjutnya, studi yang lebih rinci pada akhir 1970-an dan awal 1980-an. menunjukkan bahwa teori string dan mekanika kuantum memiliki kontradiksinya sendiri, meskipun lebih kecil. Tampaknya gaya gravitasi kembali mampu menahan upaya untuk memasukkannya ke dalam deskripsi alam semesta pada tingkat mikroskopis.
Hal ini terjadi sampai tahun 1984. Dalam makalah penting yang merangkum lebih dari satu dekade penelitian intensif yang sebagian besar diabaikan atau diabaikan oleh sebagian besar fisikawan, Green dan Schwartz menemukan bahwa sedikit kontradiksi dengan teori kuantum yang diderita teori string dapat dibiarkan. Selain itu, mereka menunjukkan bahwa teori yang dihasilkan cukup luas untuk mencakup keempat jenis gaya dan semua jenis materi. Berita tentang hasil ini menyebar ke seluruh komunitas fisika, ketika ratusan fisikawan partikel berhenti mengerjakan proyek mereka untuk mengambil bagian dalam serangan yang tampak seperti pertempuran teoretis terakhir dalam serangan berabad-abad terhadap fondasi terdalam alam semesta.
Keberhasilan Word of Green dan Schwartz akhirnya mencapai bahkan mahasiswa pascasarjana tahun pertama, dan kesuraman sebelumnya digantikan oleh rasa memiliki yang menggembirakan pada titik balik dalam sejarah fisika. Banyak dari kita yang begadang hingga larut malam, mempelajari sejumlah besar fisika teoretis dan matematika abstrak, yang pengetahuannya diperlukan untuk memahami teori string.

Menurut para ilmuwan, kita sendiri dan segala sesuatu di sekitar kita terdiri dari objek mikro terlipat yang misterius dalam jumlah tak terbatas.
Periode 1984 hingga 1986 sekarang dikenal sebagai "revolusi pertama dalam teori superstring". Selama periode ini, lebih dari seribu makalah tentang teori string ditulis oleh fisikawan di seluruh dunia. Makalah ini akhirnya menunjukkan bahwa banyak sifat Model Standar, yang ditemukan selama beberapa dekade penelitian yang melelahkan, mengalir secara alami dari sistem teori string yang megah. Seperti yang dikatakan Michael Green, “Saat Anda diperkenalkan dengan teori string dan menyadari bahwa hampir semua kemajuan besar dalam fisika abad terakhir mengikuti—dan mengikuti dengan keanggunan seperti itu—dari titik awal yang begitu sederhana, dengan jelas menunjukkan kepada Anda hal yang luar biasa. kekuatan teori ini” 5 . Selain itu, untuk banyak sifat ini, seperti yang akan kita lihat di bawah, teori string memberikan deskripsi yang jauh lebih lengkap dan memuaskan daripada model standar. Kemajuan ini meyakinkan banyak fisikawan bahwa teori string dapat memenuhi janjinya dan menjadi teori pemersatu tertinggi.

Proyeksi 2D dari manifold Calabi-Yau 3D. Proyeksi ini memberikan gambaran betapa rumitnya dimensi ekstra tersebut.

Namun, dalam perjalanannya, fisikawan yang terlibat dalam teori string berulang kali mengalami hambatan serius. Dalam fisika teoretis, seseorang sering kali harus berurusan dengan persamaan yang terlalu rumit untuk dipahami atau sulit untuk dipecahkan. Biasanya, dalam situasi seperti itu, fisikawan tidak menyerah dan mencoba untuk mendapatkan solusi perkiraan dari persamaan ini. Situasi dalam teori string jauh lebih rumit. Bahkan turunan dari persamaan itu sendiri ternyata begitu rumit sehingga sejauh ini hanya diperoleh bentuk perkiraannya. Dengan demikian, fisikawan yang bekerja dalam teori string menemukan diri mereka dalam situasi di mana mereka harus mencari solusi perkiraan untuk persamaan perkiraan. Setelah beberapa tahun kemajuan yang menakjubkan selama revolusi pertama teori superstring, fisikawan menemukan bahwa persamaan perkiraan yang digunakan tidak dapat menjawab dengan benar sejumlah pertanyaan penting, sehingga menghambat pengembangan penelitian lebih lanjut. Kurangnya ide-ide konkret tentang bagaimana melampaui metode perkiraan ini, banyak fisikawan yang bekerja di bidang teori string mengalami rasa frustrasi yang semakin besar dan kembali ke studi mereka sebelumnya. Bagi mereka yang tinggal, akhir 1980-an dan awal 1990-an adalah periode pengujian.

Keindahan dan potensi kekuatan teori string memberi isyarat kepada para peneliti seperti harta emas, terkunci dengan aman di brankas, hanya terlihat melalui lubang intip kecil, tetapi tidak ada yang memiliki kunci untuk melepaskan kekuatan yang tidak aktif ini. Periode panjang "kekeringan" terputus dari waktu ke waktu oleh penemuan-penemuan penting, tetapi jelas bagi semua orang bahwa diperlukan metode baru yang akan memungkinkan melampaui solusi perkiraan yang sudah diketahui.

Stagnasi itu diakhiri dengan ceramah menakjubkan yang diberikan oleh Edward Witten pada tahun 1995 pada konferensi teori dawai di University of Southern California - sebuah ceramah yang mengejutkan hadirin yang penuh sesak dengan fisikawan terkemuka dunia. Di dalamnya, ia mengungkapkan rencana untuk tahap penelitian berikutnya, sehingga memulai "revolusi kedua dalam teori superstring." Ahli teori string sekarang bekerja keras pada metode baru yang menjanjikan untuk mengatasi rintangan yang dihadapi.

Untuk mempopulerkan TS secara luas, umat manusia harus mendirikan monumen untuk profesor Universitas Columbia Brian Greene. Bukunya tahun 1999 The Elegant Universe. Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory" menjadi buku terlaris dan memenangkan Hadiah Pulitzer. Karya ilmuwan menjadi dasar dari mini-seri sains populer dengan penulis sendiri sebagai pembawa acara - sebuah fragmen dapat dilihat di akhir materi (foto oleh Amy Sussman / Universitas Columbia).

dapat diklik 1700 px

Sekarang mari kita coba memahami esensi dari teori ini setidaknya sedikit.

Mulai lagi. Dimensi nol adalah sebuah titik. Dia tidak memiliki ukuran. Tidak ada tempat untuk bergerak, tidak ada koordinat yang diperlukan untuk menunjukkan lokasi dalam dimensi seperti itu.

Mari kita letakkan titik kedua di sebelah yang pertama dan buat garis melaluinya. Berikut adalah dimensi pertama. Objek satu dimensi memiliki ukuran - panjang, tetapi tidak memiliki lebar atau kedalaman. Pergerakan dalam kerangka ruang satu dimensi sangat terbatas, karena rintangan yang muncul di jalan tidak dapat dilewati. Untuk menentukan lokasi pada segmen ini, Anda hanya membutuhkan satu koordinat.

Mari kita beri titik di sebelah segmen. Agar sesuai dengan kedua objek ini, kita sudah membutuhkan ruang dua dimensi yang memiliki panjang dan lebar, yaitu luas, tetapi tanpa kedalaman, yaitu volume. Lokasi setiap titik di bidang ini ditentukan oleh dua koordinat.

Dimensi ketiga muncul ketika kita menambahkan sumbu koordinat ketiga ke sistem ini. Sangat mudah bagi kita, penghuni alam semesta tiga dimensi, untuk membayangkan hal ini.

Mari kita coba bayangkan bagaimana penghuni ruang dua dimensi melihat dunia. Misalnya, inilah dua orang ini:

Masing-masing dari mereka akan melihat temannya seperti ini:

Dan dengan tata letak ini:

Pahlawan kita akan melihat satu sama lain seperti ini:

Ini adalah perubahan sudut pandang yang memungkinkan pahlawan kita untuk menilai satu sama lain sebagai objek dua dimensi, bukan segmen satu dimensi.

Dan sekarang mari kita bayangkan bahwa objek tiga dimensi tertentu bergerak di dimensi ketiga, yang melintasi dunia dua dimensi ini. Untuk pengamat luar, gerakan ini akan dinyatakan dalam perubahan proyeksi dua dimensi objek di pesawat, seperti brokoli di mesin MRI:

Tetapi bagi penduduk Flatland kami, gambaran seperti itu tidak dapat dipahami! Dia bahkan tidak bisa membayangkannya. Baginya, setiap proyeksi dua dimensi akan terlihat sebagai segmen satu dimensi dengan panjang yang bervariasi secara misterius, muncul di tempat yang tidak terduga dan juga menghilang secara tidak terduga. Upaya untuk menghitung panjang dan tempat kemunculan benda-benda tersebut menggunakan hukum fisika ruang dua dimensi pasti akan gagal.

Kami, penghuni dunia tiga dimensi, melihat segala sesuatu dalam dua dimensi. Hanya pergerakan suatu benda di ruang angkasa yang memungkinkan kita merasakan volumenya. Kita juga akan melihat objek multidimensi sebagai dua dimensi, tetapi itu akan berubah dengan cara yang menakjubkan tergantung pada posisi relatif kita atau waktu dengannya.

Dari sudut pandang ini, menarik untuk dipikirkan, misalnya, tentang gravitasi. Semua orang mungkin pernah melihat gambar seperti ini:

Merupakan kebiasaan untuk menggambarkan bagaimana gravitasi membengkokkan ruang-waktu. Kurva... dimana? Persis tidak di salah satu dimensi yang kita kenal. Dan bagaimana dengan terowongan kuantum, yaitu, kemampuan partikel untuk menghilang di satu tempat dan muncul di tempat yang sama sekali berbeda, apalagi, di balik rintangan yang, dalam realitas kita, tidak dapat menembusnya tanpa membuat lubang di dalamnya? Bagaimana dengan lubang hitam? Tetapi bagaimana jika semua ini dan misteri ilmu pengetahuan modern lainnya dijelaskan oleh fakta bahwa geometri ruang sama sekali tidak sama seperti yang biasa kita pahami?

Jam terus berdetak

Waktu menambahkan satu koordinat lagi ke Alam Semesta kita. Agar pesta berlangsung, Anda perlu tahu tidak hanya di bar mana itu akan berlangsung, tetapi juga waktu yang tepat dari acara ini.

Berdasarkan persepsi kita, waktu bukanlah garis lurus seperti sinar. Artinya, ia memiliki titik awal, dan gerakan itu dilakukan hanya dalam satu arah - dari masa lalu ke masa depan. Dan hanya saat ini yang nyata. Baik masa lalu maupun masa depan tidak ada, sama seperti sarapan dan makan malam tidak ada dari sudut pandang petugas kantor saat makan siang.

Tapi teori relativitas tidak setuju dengan ini. Dari sudut pandangnya, waktu adalah dimensi yang berharga. Semua kejadian yang pernah ada, ada dan akan terus ada sama nyatanya, senyata pantai lautnya, entah kemana tepatnya mimpi suara ombak itu mengejutkan kita. Persepsi kita hanyalah sesuatu seperti lampu sorot yang menerangi segmen tertentu pada garis waktu. Kemanusiaan dalam dimensi keempatnya terlihat seperti ini:

Tapi kita hanya melihat proyeksi, sepotong dimensi ini pada setiap momen waktu. Ya, ya, seperti brokoli di mesin MRI.

Sampai sekarang, semua teori telah bekerja dengan sejumlah besar dimensi spasial, dan waktu selalu menjadi satu-satunya. Tetapi mengapa ruang memungkinkan banyak dimensi untuk ruang, tetapi hanya satu kali? Sampai para ilmuwan dapat menjawab pertanyaan ini, hipotesis dua atau lebih ruang waktu akan tampak sangat menarik bagi semua filsuf dan penulis fiksi ilmiah. Ya, dan fisikawan, apa yang sudah ada. Misalnya, astrofisikawan Amerika Itzhak Bars melihat akar dari semua masalah dengan Teori Segalanya sebagai dimensi waktu kedua, yang telah diabaikan. Sebagai latihan mental, mari kita coba membayangkan dunia dengan dua kali.

Setiap dimensi ada secara terpisah. Ini dinyatakan dalam fakta bahwa jika kita mengubah koordinat suatu objek dalam satu dimensi, koordinat di dimensi lain dapat tetap tidak berubah. Jadi, jika Anda bergerak sepanjang satu sumbu waktu yang memotong yang lain dengan sudut siku-siku, maka pada titik persimpangan, waktu akan berhenti. Dalam praktiknya, itu akan terlihat seperti ini:

Yang harus dilakukan Neo hanyalah menempatkan sumbu waktu satu dimensinya tegak lurus dengan sumbu waktu peluru. Benar-benar sepele, setuju. Faktanya, semuanya jauh lebih rumit.

Waktu yang tepat di alam semesta dengan dua dimensi waktu akan ditentukan oleh dua nilai. Apakah sulit membayangkan peristiwa dua dimensi? Artinya, yang diperpanjang secara bersamaan di sepanjang dua sumbu waktu? Sangat mungkin bahwa dunia seperti itu akan membutuhkan spesialis pemetaan waktu, seperti halnya para kartografer memetakan permukaan dunia dua dimensi.

Apa lagi yang membedakan ruang dua dimensi dari ruang satu dimensi? Kemampuan untuk melewati rintangan, misalnya. Ini benar-benar di luar batas pikiran kita. Penghuni dunia satu dimensi tidak dapat membayangkan bagaimana berbelok di tikungan. Dan apa ini - sudut waktu? Selain itu, dalam ruang dua dimensi, Anda dapat melakukan perjalanan ke depan, ke belakang, atau bahkan secara diagonal. Saya tidak tahu bagaimana rasanya melewati waktu secara diagonal. Saya tidak berbicara tentang fakta bahwa waktu mendasari banyak hukum fisika, dan tidak mungkin membayangkan bagaimana fisika Semesta akan berubah dengan munculnya dimensi waktu lain. Tapi itu sangat menarik untuk dipikirkan!

Ensiklopedia yang sangat besar

Dimensi lain belum ditemukan, dan hanya ada dalam model matematika. Tapi Anda bisa mencoba membayangkan mereka seperti ini.

Seperti yang kita ketahui sebelumnya, kita melihat proyeksi tiga dimensi dari dimensi keempat (temporal) Semesta. Dengan kata lain, setiap momen keberadaan dunia kita adalah sebuah titik (mirip dengan dimensi nol) dalam interval waktu dari Big Bang hingga Akhir Dunia.

Anda yang telah membaca tentang perjalanan waktu tahu betapa pentingnya kelengkungan kontinum ruang-waktu. Ini adalah dimensi kelima - di dalamnya ruang-waktu empat dimensi "membungkuk" untuk mendekatkan dua titik pada garis lurus ini. Tanpa ini, perjalanan antara titik-titik ini akan terlalu lama, atau bahkan tidak mungkin. Secara kasar, dimensi kelima mirip dengan yang kedua - ia memindahkan garis ruang-waktu "satu dimensi" ke bidang "dua dimensi" dengan segala konsekuensinya dalam bentuk kemampuan untuk berbelok di tikungan.

Sedikit lebih awal, pembaca kami yang berpikiran filosofis mungkin berpikir tentang kemungkinan kehendak bebas dalam kondisi di mana masa depan sudah ada, tetapi belum diketahui. Sains menjawab pertanyaan ini seperti ini: probabilitas. Masa depan bukanlah tongkat, tetapi sapu seluruh skenario yang mungkin. Manakah dari mereka yang akan menjadi kenyataan - kita akan mengetahuinya ketika kita sampai di sana.

Setiap probabilitas ada sebagai segmen "satu dimensi" pada "bidang" dimensi kelima. Apa cara tercepat untuk melompat dari satu segmen ke segmen lainnya? Itu benar - tekuk bidang ini seperti selembar kertas. Di mana harus membungkuk? Dan lagi, benar - di dimensi keenam, yang memberikan "volume" pada seluruh struktur kompleks. Dan, dengan demikian, menjadikannya, seperti ruang tiga dimensi, "selesai", sebuah titik baru.

Dimensi ketujuh adalah garis lurus baru, yang terdiri dari "titik" enam dimensi. Apa titik lain di baris ini? Seluruh rangkaian pilihan tak terbatas untuk perkembangan peristiwa di alam semesta lain, terbentuk bukan sebagai akibat Ledakan Besar, tetapi dalam kondisi lain, dan bertindak menurut hukum lain. Artinya, dimensi ketujuh adalah manik-manik dari dunia paralel. Dimensi kedelapan mengumpulkan "garis lurus" ini menjadi satu "bidang". Dan yang kesembilan dapat dibandingkan dengan sebuah buku yang berisi semua "lembaran" dari dimensi kedelapan. Ini adalah totalitas dari semua sejarah semua alam semesta dengan semua hukum fisika dan semua kondisi awal. Titik lagi.

Di sini kita mencapai batas. Untuk membayangkan dimensi kesepuluh, kita membutuhkan garis lurus. Dan apa yang bisa menjadi titik lain pada garis lurus ini, jika dimensi kesembilan sudah mencakup segala sesuatu yang dapat dibayangkan, dan bahkan apa yang tidak dapat dibayangkan? Ternyata dimensi kesembilan bukanlah titik awal yang lain, tetapi yang terakhir - untuk imajinasi kita, dalam hal apa pun.

Teori string mengklaim bahwa di dimensi kesepuluh string, partikel dasar yang membentuk segalanya, membuat getarannya. Jika dimensi kesepuluh berisi semua alam semesta dan semua kemungkinan, maka string ada di mana-mana dan sepanjang waktu. Maksud saya, setiap string ada di alam semesta kita, dan setiap string lainnya. Kapan saja. Langsung. Keren, ya?

Fisikawan, spesialis dalam teori string. Dikenal karena karyanya tentang simetri cermin yang terkait dengan topologi manifold Calabi-Yau yang sesuai. Ia dikenal khalayak luas sebagai penulis buku-buku sains populer. Alam Semestanya yang Elegan dinominasikan untuk Penghargaan Pulitzer.

Pada September 2013, Brian Green datang ke Moskow atas undangan Museum Politeknik. Seorang fisikawan terkenal, ahli teori string, profesor di Universitas Columbia, ia dikenal masyarakat umum terutama sebagai pempopuler sains dan penulis buku The Elegant Universe. Lenta.ru berbicara dengan Brian Green tentang teori string dan kesulitan baru-baru ini yang dihadapi teori ini, serta gravitasi kuantum, hedron amplitudo, dan kontrol sosial.

Sastra dalam bahasa Rusia: Kaku M., Thompson J.T. "Di luar Einstein: Superstring dan pencarian teori terakhir" dan apa itu Artikel asli ada di website InfoGlaz.rf Tautan ke artikel dari mana salinan ini dibuat -

Teori string adalah benang tipis yang menghubungkan teori relativitas (atau General Theory of Relativity - GR) dan fisika kuantum. Kedua cabang ini muncul baru-baru ini dalam skala sains, sehingga belum terlalu banyak literatur ilmiah tentang cabang-cabang ini. Dan, jika teori relativitas masih memiliki semacam dasar yang telah teruji waktu, maka cabang fisika kuantum dalam hal ini masih sangat muda. Mari kita lihat kedua industri ini terlebih dahulu.

Pasti banyak dari Anda yang pernah mendengar tentang teori relativitas, bahkan sedikit familiar dengan beberapa postulatnya, tapi pertanyaannya adalah: mengapa tidak bisa dihubungkan dengan fisika kuantum, yang bekerja pada tingkat mikro?

Pisahkan teori relativitas Umum dan Khusus (disingkat GRT dan SRT, akan digunakan sebagai singkatan di bawah). Singkatnya, GR mendalilkan tentang luar angkasa dan kelengkungannya, dan SRT tentang relativitas ruang-waktu dari sisi manusia. Ketika kita berbicara tentang teori string, kita secara khusus berbicara tentang relativitas umum. Teori Relativitas Umum mengatakan bahwa di ruang angkasa, di bawah pengaruh benda-benda masif, ruang dilengkungkan di sekitarnya (dan seiring dengan itu, waktu, karena ruang dan waktu adalah konsep yang sama sekali tidak terpisahkan). Untuk memahami bagaimana ini terjadi, sebuah contoh dari kehidupan para ilmuwan akan membantu. Kasus serupa baru-baru ini direkam, jadi semua yang diceritakan dapat dianggap "berdasarkan peristiwa nyata." Seorang ilmuwan melihat melalui teleskop dan melihat dua bintang, satu di depan dan satu di belakangnya. Bagaimana kita bisa memahami ini? Ini sangat sederhana, karena bintang itu, yang pusatnya tidak kita lihat, tetapi hanya ujung-ujungnya yang terlihat, adalah yang terbesar dari keduanya, dan bintang lainnya, yang terlihat dalam bentuk penuhnya, adalah yang lebih kecil. Namun, berkat relativitas umum, bisa juga bintang di depan lebih besar daripada yang di belakang. Tapi apakah mungkin?

Ternyata ya. Jika bintang depan ternyata adalah benda supermasif yang akan membengkokkan ruang di sekitarnya dengan kuat, maka bayangan bintang di belakangnya akan mengitari bintang supermasif itu secara melengkung dan kita akan melihat gambar yang disebutkan di awal. . Anda dapat melihat lebih detail apa yang dikatakan pada Gambar. satu.

Fisika kuantum jauh lebih sulit bagi orang biasa daripada TO. Jika kita menggeneralisasi semua ketentuannya, kita mendapatkan yang berikut: benda-benda mikro hanya ada ketika kita melihatnya. Selain itu, fisika kuantum juga mengatakan bahwa jika sebuah mikropartikel dipecah menjadi dua bagian, maka kedua bagian ini akan terus berputar sepanjang sumbunya dengan arah yang sama. Dan juga setiap dampak pada partikel pertama pasti akan ditransmisikan ke partikel kedua, dan secara instan dan sepenuhnya terlepas dari jarak partikel-partikel ini.

Lantas apa kesulitan dalam menggabungkan konsep dari kedua teori tersebut? Faktanya adalah bahwa GR mempertimbangkan objek dalam makrokosmos, dan ketika kita berbicara tentang distorsi/kelengkungan ruang, yang kami maksud adalah ruang yang sangat halus, yang sama sekali tidak sesuai dengan ketentuan mikrokosmos. Menurut teori fisika kuantum, mikrokosmos benar-benar tidak merata, memiliki kekasaran di mana-mana. Ini dalam istilah awam. Dan matematikawan dan fisikawan telah menarik teori mereka ke dalam rumus. Jadi, ketika mereka mencoba menggabungkan rumus fisika kuantum dan relativitas umum, jawabannya ternyata tak terhingga. Tak terhingga dalam fisika sama saja dengan mengatakan bahwa persamaan itu salah. Kesetaraan yang dihasilkan diperiksa ulang berkali-kali, tetapi jawabannya masih tak terhingga.

Teori string telah merevolusi dunia sains sehari-hari. Ini adalah aturan bahwa semua mikropartikel tidak bulat, tetapi bentuk string memanjang yang menembus seluruh alam semesta kita. Besaran seperti massa, kecepatan partikel, dll. ditentukan oleh vibrasi dawai ini. Setiap string tersebut secara teoritis dalam manifold Calabi-Yau. Manifold ini mewakili ruang yang sangat melengkung. Menurut teori manifold, mereka tidak terhubung dalam ruang oleh apa pun dan terletak secara terpisah dalam bola-bola kecil. Teori string secara harfiah menghapus batas yang jelas dari proses menghubungkan dua mikropartikel. Ketika mikropartikel diwakili oleh bola, kita dapat dengan jelas melacak batas dalam ruang-waktu ketika mereka terhubung. Namun, jika dua senar dihubungkan, maka tempat "perekatan" mereka dapat dilihat dari sudut yang berbeda. Dan pada sudut yang berbeda, kita akan mendapatkan hasil yang sama sekali berbeda dari batas koneksi mereka, yaitu, tidak ada konsep pasti tentang batas seperti itu!

Pada tahap pertama studi, teori string, yang diceritakan bahkan dengan kata-kata sederhana, tampak misterius, aneh, dan bahkan hanya fiksi, tetapi bukan kata-kata yang tidak berdasar yang berbicara untuk itu, tetapi studi yang, dengan banyak persamaan dan parameter, mengkonfirmasi kemungkinan keberadaan partikel string.

Dan terakhir, video lain yang menjelaskan teori string secara sederhana dari majalah online QWRT.

Pada awal abad ke-20, dua pilar pendukung pengetahuan ilmiah modern terbentuk. Salah satunya adalah teori relativitas umum Einstein, yang menjelaskan fenomena gravitasi dan struktur ruang-waktu. Yang lainnya adalah mekanika kuantum, yang menggambarkan proses fisik melalui prisma probabilitas. Teori string dipanggil untuk menggabungkan kedua pendekatan ini. Dapat dijelaskan secara singkat dan jelas dengan menggunakan analogi dalam kehidupan sehari-hari.

Teori string dalam bahasa sederhana

Ketentuan utama dari salah satu "teori segalanya" yang paling terkenal adalah sebagai berikut:

Dasar alam semesta adalah objek-objek yang diperluas yang bentuknya menyerupai string;
Benda-benda ini cenderung membuat berbagai getaran, seolah-olah pada alat musik;
Sebagai hasil dari getaran ini, berbagai partikel elementer (quark, elektron, dll.) terbentuk.
Massa benda yang dihasilkan berbanding lurus dengan amplitudo osilasi sempurna;
Teori ini membantu untuk melihat lubang hitam secara segar;
Juga, dengan bantuan ajaran baru, adalah mungkin untuk mengungkapkan gaya gravitasi dalam interaksi antara partikel-partikel fundamental;
Berbeda dengan ide-ide yang berlaku saat ini tentang dunia empat dimensi, dimensi tambahan diperkenalkan dalam teori baru;
Saat ini, konsep tersebut belum diterima secara resmi oleh komunitas ilmiah luas. Tidak ada satu eksperimen pun yang diketahui yang akan mengkonfirmasi teori yang harmonis dan terverifikasi ini di atas kertas.

Referensi sejarah

Sejarah paradigma ini mencakup beberapa dekade penelitian intensif. Berkat upaya bersama fisikawan di seluruh dunia, teori yang koheren dikembangkan, termasuk konsep materi terkondensasi, kosmologi, dan matematika teoretis.

Tahapan utama perkembangannya:

1943-1959 Doktrin Werner Heisenberg tentang s-matriks muncul, dalam kerangka yang diusulkan untuk membuang konsep ruang dan waktu untuk fenomena kuantum. Heisenberg pertama kali menemukan bahwa partisipan dalam interaksi kuat adalah objek yang diperluas, bukan titik;
1959-1968 Partikel dengan putaran tinggi (torsi) telah ditemukan. Fisikawan Italia Tullio Regge mengusulkan untuk mengelompokkan keadaan kuantum ke dalam lintasan (yang dinamai menurut namanya);
1968-1974 Garibrele Veneziano mengusulkan model resonansi ganda untuk menggambarkan interaksi yang kuat. Yoshiro Nambu mengembangkan ide ini dan menggambarkan gaya nuklir sebagai dawai satu dimensi yang bergetar;
1974-1994 Penemuan superstring, sebagian besar karena karya ilmuwan Rusia Alexander Polyakov;
1994-2003 Munculnya teori-M memungkinkan lebih dari 11 dimensi;
2003 - sekarang di. Michael Douglas mengembangkan teori string lanskap dengan gagasan vakum palsu.

Teori string kuantum

Objek kunci dalam paradigma ilmiah baru adalah benda tertipis, yang, dengan gerakan osilasinya, memberikan massa dan muatan ke setiap partikel elementer.

Properti utama string menurut konsep modern:

Panjangnya sangat kecil - sekitar 10 -35 meter. Pada skala seperti itu, interaksi kuantum menjadi terlihat;
Namun, di bawah kondisi laboratorium biasa, yang tidak berurusan dengan objek kecil seperti itu, string benar-benar tidak dapat dibedakan dari objek titik tak berdimensi;
Orientasi adalah karakteristik penting dari objek string. Senar yang memilikinya memiliki pasangan dengan arah yang berlawanan. Ada juga contoh yang tidak diarahkan.

String bisa eksis baik dalam bentuk segmen yang dibatasi di kedua ujungnya, dan dalam bentuk loop tertutup. Selain itu, transformasi berikut dimungkinkan:

Segmen atau loop dapat "berlipat ganda" dengan memunculkan sepasang objek yang sesuai;
Segmen menimbulkan loop jika bagian dari itu "loop";
Loop putus dan menjadi string terbuka;
Kedua segmen bertukar segmen.

Objek fundamental lainnya

Pada tahun 1995, ternyata tidak hanya objek satu dimensi yang menjadi blok bangunan alam semesta kita. Keberadaan formasi yang tidak biasa diprediksi - bran- berbentuk silinder atau cincin tiga dimensi, yang memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

Mereka beberapa miliar kali lebih kecil dari atom;
Mereka dapat merambat melalui ruang dan waktu, memiliki massa dan muatan;
Di alam semesta kita, mereka adalah objek tiga dimensi. Namun, disarankan bahwa bentuknya jauh lebih misterius, karena sebagian besar dari mereka dapat meluas ke dimensi lain;
Ruang dimensi tinggi yang terletak di bawah bran adalah hyperspace;
Struktur ini dikaitkan dengan keberadaan partikel yang merupakan pembawa gravitasi – graviton. Mereka bebas untuk berpisah dari bran dan mengalir dengan lancar ke dimensi lain;
Pada bran terlokalisasi ada juga interaksi elektromagnetik, nuklir, dan lemah;
Varietas yang paling penting adalah bran-D. Ujung-ujung tali terbuka melekat pada permukaannya pada saat melewati ruang.

Kritik

Seperti revolusi ilmiah lainnya, revolusi ini menerobos duri kesalahpahaman dan kritik dari para penganut pandangan tradisional.

Di antara komentar yang paling sering diungkapkan:

Pengenalan dimensi tambahan ruang-waktu menciptakan kemungkinan hipotetis keberadaan sejumlah besar alam semesta. Menurut ahli matematika Peter Volt, ini mengarah pada ketidakmungkinan memprediksi proses atau fenomena apa pun. Eksperimen apa pun menjalankan sejumlah besar skenario yang berbeda, yang dapat ditafsirkan dengan cara yang berbeda;
Tidak ada opsi konfirmasi. Tingkat perkembangan teknologi saat ini tidak memungkinkan konfirmasi eksperimental atau sanggahan penelitian meja;
Pengamatan terbaru objek astronomi tidak sesuai dengan teori, yang memaksa para ilmuwan untuk mempertimbangkan kembali beberapa kesimpulan mereka;
Sejumlah fisikawan berpendapat bahwa konsep tersebut bersifat spekulatif dan menghambat perkembangan gagasan fundamental lainnya.

Mungkin lebih mudah untuk membuktikan Teorema Fermat daripada menjelaskan teori string secara sederhana. Peralatan matematikanya sangat luas sehingga hanya ilmuwan terhormat dari lembaga penelitian terbesar yang dapat memahaminya.

Masih belum jelas apakah penemuan yang dibuat selama beberapa dekade terakhir di ujung pena akan menemukan aplikasi nyata. Jika demikian, maka kita berada di dunia baru yang berani dengan anti-gravitasi, banyak alam semesta, dan petunjuk tentang sifat lubang hitam.

Video: teori string secara singkat dan mudah diakses

Dalam video ini, fisikawan Stanislav Efremov akan memberi tahu Anda secara sederhana apa itu teori string:

Tentu saja, untaian alam semesta hampir tidak mirip dengan yang kita bayangkan. Dalam teori string, mereka adalah filamen energi bergetar yang sangat kecil. Benang-benang ini agak seperti "pita elastis" kecil yang dapat menggeliat, meregang, dan menyusut dalam segala hal. Semua ini, bagaimanapun, tidak berarti bahwa simfoni Semesta tidak dapat "dimainkan" pada mereka, karena, menurut ahli teori string, segala sesuatu yang ada terdiri dari "utas" ini.

Kontroversi fisika

Pada paruh kedua abad ke-19, bagi fisikawan tampaknya tidak ada lagi hal serius yang dapat ditemukan dalam sains mereka. Fisika klasik percaya bahwa tidak ada masalah serius yang tersisa di dalamnya, dan seluruh struktur dunia tampak seperti mesin yang disetel dengan sempurna dan dapat diprediksi. Masalahnya, seperti biasa, terjadi karena omong kosong - salah satu "awan" kecil yang masih tersisa di langit sains yang jernih dan dapat dipahami. Yaitu, ketika menghitung energi radiasi dari benda yang sepenuhnya hitam (benda hipotetis yang pada suhu berapa pun sepenuhnya menyerap insiden radiasi di atasnya, terlepas dari panjang gelombang - NS). Perhitungan menunjukkan bahwa energi radiasi total dari setiap benda yang benar-benar hitam harus sangat besar. Untuk menghindari absurditas yang jelas seperti itu, ilmuwan Jerman Max Planck menyarankan pada tahun 1900 bahwa cahaya tampak, sinar-X, dan gelombang elektromagnetik lainnya hanya dapat dipancarkan oleh bagian energi tertentu yang terpisah, yang ia sebut kuanta. Dengan bantuan mereka, adalah mungkin untuk memecahkan masalah khusus dari tubuh yang benar-benar hitam. Namun, konsekuensi dari hipotesis kuantum untuk determinisme belum direalisasikan pada saat itu. Sampai, pada tahun 1926, ilmuwan Jerman lainnya, Werner Heisenberg, merumuskan prinsip ketidakpastian yang terkenal.

Esensinya bermuara pada fakta bahwa, bertentangan dengan semua pernyataan yang berlaku sebelumnya, alam membatasi kemampuan kita untuk memprediksi masa depan berdasarkan hukum fisika. Ini, tentu saja, tentang masa depan dan masa kini partikel subatom. Ternyata mereka berperilaku sangat berbeda dari hal-hal lain di makrokosmos di sekitar kita. Pada tingkat subatomik, struktur ruang menjadi tidak rata dan kacau. Dunia partikel kecil begitu bergejolak dan tidak dapat dipahami sehingga bertentangan dengan akal sehat. Ruang dan waktu begitu melilit dan terjalin di dalamnya sehingga tidak ada konsep biasa kiri dan kanan, atas dan bawah, dan bahkan sebelum dan sesudah. Tidak ada cara untuk mengatakan dengan pasti di titik tertentu di ruang mana partikel ini atau itu berada pada saat tertentu, dan di mana momen momentumnya. Hanya ada kemungkinan tertentu untuk menemukan partikel di banyak wilayah ruang-waktu. Partikel pada tingkat subatomik tampaknya "diolesi" di luar angkasa. Tidak hanya itu, "status" partikel itu sendiri tidak ditentukan: dalam beberapa kasus mereka berperilaku seperti gelombang, di lain mereka menunjukkan sifat-sifat partikel. Inilah yang oleh fisikawan disebut dualitas gelombang-partikel mekanika kuantum.

Tingkat struktur dunia: 1. Tingkat makroskopik - materi 2. Tingkat molekuler 3. Tingkat atom - proton, neutron dan elektron 4. Tingkat subatom - elektron 5. Tingkat subatom - quark 6. Tingkat string / © Bruno P. Ramos

Dalam Teori Relativitas Umum, seolah-olah dalam keadaan dengan hukum yang berlawanan, hal-hal pada dasarnya berbeda. Ruang tampak seperti trampolin - kain halus yang dapat ditekuk dan diregangkan oleh benda-benda yang memiliki massa. Mereka menciptakan deformasi ruang-waktu - apa yang kita alami sebagai gravitasi. Tak perlu dikatakan, Teori Relativitas Umum yang koheren, benar, dan dapat diprediksi berada dalam konflik yang tak terpecahkan dengan "penjahat aneh" - mekanika kuantum, dan, sebagai akibatnya, makrokosmos tidak dapat "berdamai" dengan mikrokosmos. Di sinilah teori string masuk.

alam semesta 2D. Grafik polihedron E8 / ©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project

Teori Segalanya

Teori string mewujudkan impian semua fisikawan untuk menyatukan dua relativitas umum dan mekanika kuantum yang secara fundamental bertentangan, sebuah mimpi yang menghantui "gipsi dan gelandangan" terbesar Albert Einstein hingga akhir hayatnya.

Banyak ilmuwan percaya bahwa segala sesuatu mulai dari tarian galaksi yang indah hingga tarian partikel subatomik yang hiruk pikuk pada akhirnya dapat dijelaskan hanya dengan satu prinsip fisik dasar. Bahkan mungkin hukum tunggal yang menggabungkan semua jenis energi, partikel dan interaksi dalam beberapa formula yang elegan.

Relativitas umum menggambarkan salah satu kekuatan paling terkenal di alam semesta - gravitasi. Mekanika kuantum menjelaskan tiga gaya lain: gaya nuklir kuat, yang menyatukan proton dan neutron dalam atom, elektromagnetisme, dan gaya lemah, yang terlibat dalam peluruhan radioaktif. Setiap peristiwa di alam semesta, dari ionisasi atom hingga kelahiran bintang, dijelaskan oleh interaksi materi melalui empat gaya ini. Dengan bantuan matematika kompleks, dimungkinkan untuk menunjukkan bahwa interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah memiliki sifat yang sama, menggabungkannya menjadi satu elektrolemah tunggal. Selanjutnya, interaksi nuklir yang kuat ditambahkan ke mereka - tetapi gravitasi tidak bergabung dengan mereka dengan cara apa pun. Teori string adalah salah satu kandidat paling serius untuk menghubungkan keempat kekuatan, dan, oleh karena itu, merangkul semua fenomena di Semesta - bukan tanpa alasan bahwa itu juga disebut "Teori Segalanya".

Awalnya ada mitos

Grafik fungsi beta Euler untuk argumen nyata / ©Flickr

Sampai saat ini, tidak semua fisikawan antusias dengan teori string. Dan pada awal kemunculannya, itu memang tampak jauh dari kenyataan. Kelahirannya adalah sebuah legenda.

Pada akhir 1960-an, fisikawan teoretis Italia muda, Gabriele Veneziano, sedang mencari persamaan yang dapat menjelaskan gaya nuklir kuat, "lem" yang sangat kuat yang menyatukan inti atom dengan mengikat proton dan neutron bersama-sama. Menurut legenda, ia pernah menemukan sebuah buku berdebu tentang sejarah matematika, di mana ia menemukan fungsi berusia 200 tahun yang pertama kali dicatat oleh ahli matematika Swiss Leonhard Euler. Bayangkan keterkejutan Veneziano ketika dia menemukan bahwa fungsi Euler, yang untuk waktu yang lama dianggap tidak lebih dari keingintahuan matematis, menggambarkan interaksi yang kuat ini.

Bagaimana itu benar-benar? Rumus itu mungkin merupakan hasil kerja keras Veneziano selama bertahun-tahun, dan kasus ini hanya membantu mengambil langkah pertama menuju penemuan teori string. Fungsi Euler, yang secara ajaib menjelaskan gaya kuat, telah menemukan kehidupan baru.

Akhirnya, ia menarik perhatian seorang fisikawan teoretis muda Amerika, Leonard Susskind, yang melihat bahwa rumus tersebut terutama menggambarkan partikel yang tidak memiliki struktur internal dan dapat bergetar. Partikel-partikel ini berperilaku sedemikian rupa sehingga mereka tidak bisa hanya menjadi partikel titik. Susskind mengerti - rumusnya menggambarkan benang yang seperti karet gelang. Dia tidak hanya bisa meregangkan dan menyusut, tetapi juga terombang-ambing, menggeliat. Setelah menjelaskan penemuannya, Susskind memperkenalkan ide revolusioner string.

Sayangnya, sebagian besar rekan-rekannya menerima teori dengan agak dingin.

model standar

Pada saat itu, sains arus utama merepresentasikan partikel sebagai titik, bukan string. Selama bertahun-tahun, fisikawan telah menyelidiki perilaku partikel subatom, bertabrakan dengan kecepatan tinggi, dan mempelajari konsekuensi dari tumbukan ini. Ternyata alam semesta jauh lebih kaya daripada yang bisa dibayangkan. Itu adalah "ledakan populasi" yang nyata dari partikel-partikel elementer. Mahasiswa pascasarjana universitas fisika berlari melalui koridor berteriak bahwa mereka telah menemukan partikel baru - bahkan tidak ada cukup huruf untuk menunjuk mereka.

Tetapi, sayangnya, di "rumah sakit bersalin" partikel baru, para ilmuwan tidak dapat menemukan jawaban atas pertanyaan - mengapa ada begitu banyak dan dari mana asalnya?

Hal ini mendorong fisikawan untuk membuat prediksi yang tidak biasa dan mengejutkan - mereka menyadari bahwa gaya yang bekerja di alam juga dapat dijelaskan dengan menggunakan partikel. Artinya, ada partikel materi, dan ada partikel pembawa interaksi. Seperti, misalnya, adalah foton - partikel cahaya. Semakin banyak partikel pembawa ini - foton yang sama yang bertukar partikel materi, semakin terang cahayanya. Para ilmuwan telah meramalkan bahwa pertukaran partikel pembawa ini tidak lebih dari apa yang kita anggap sebagai kekuatan. Ini dikonfirmasi oleh eksperimen. Jadi fisikawan berhasil mendekati impian Einstein untuk bergabung.

Interaksi antara partikel yang berbeda dalam Model Standar / ©Wikimedia Commons

Para ilmuwan percaya bahwa jika kita maju cepat ke tepat setelah Big Bang, ketika alam semesta triliunan derajat lebih panas, partikel yang membawa elektromagnetisme dan gaya lemah akan menjadi tidak dapat dibedakan dan menyatu menjadi satu gaya yang disebut elektrolemah. Dan jika kita kembali ke masa lalu lebih jauh, maka interaksi elektro-lemah akan bergabung dengan yang kuat menjadi satu "kekuatan super" total.

Terlepas dari kenyataan bahwa semua ini masih menunggu untuk dibuktikan, mekanika kuantum tiba-tiba menjelaskan bagaimana tiga dari empat gaya berinteraksi di tingkat subatomik. Dan dia menjelaskannya dengan indah dan konsisten. Gambaran interaksi yang harmonis ini pada akhirnya disebut Model Standar. Tapi, sayangnya, bahkan dalam teori yang sempurna ini ada satu masalah besar - itu tidak termasuk gaya paling terkenal dari tingkat makro - gravitasi.

©Wikimedia Commons

gravitasi

Untuk teori string, yang tidak sempat "mekar", "musim gugur" datang, ia mengandung terlalu banyak masalah sejak kelahirannya. Misalnya, kalkulasi teori meramalkan keberadaan partikel, yang, seperti yang segera ditetapkan dengan tepat, tidak ada. Inilah yang disebut tachyon - partikel yang bergerak lebih cepat dari cahaya dalam ruang hampa. Antara lain, ternyata teori membutuhkan sebanyak 10 dimensi. Tidak mengherankan bahwa ini sangat memalukan bagi fisikawan, karena ini jelas lebih dari apa yang kita lihat.

Pada tahun 1973, hanya beberapa fisikawan muda yang masih berjuang dengan misteri teori string. Salah satunya adalah fisikawan teoretis Amerika John Schwartz. Selama empat tahun, Schwartz mencoba menjinakkan persamaan nakal, tetapi tidak berhasil. Di antara masalah lain, salah satu persamaan ini dengan keras kepala menggambarkan partikel misterius yang tidak memiliki massa dan tidak diamati di alam.

Ilmuwan itu telah memutuskan untuk meninggalkan bisnisnya yang membawa malapetaka, dan kemudian dia sadar - mungkin persamaan teori string menggambarkan, antara lain, gravitasi? Namun, ini menyiratkan revisi dimensi "pahlawan" utama teori - string. Dengan mengasumsikan bahwa string bermiliar-miliar kali lebih kecil dari sebuah atom, "stringer" mengubah kekurangan teori menjadi kebaikannya. Partikel misterius yang John Schwartz coba singkirkan dengan gigih sekarang bertindak sebagai graviton - partikel yang telah lama dicari dan memungkinkan gravitasi dipindahkan ke tingkat kuantum. Ini adalah bagaimana teori string telah menambahkan gravitasi ke teka-teki, yang hilang dari Model Standar. Tapi, sayangnya, bahkan komunitas ilmiah tidak bereaksi terhadap penemuan ini. Teori string tetap berada di ambang kelangsungan hidup. Tapi ini tidak menghentikan Schwartz. Hanya satu ilmuwan yang bersedia mempertaruhkan karirnya demi string misterius yang ingin bergabung dengan pencariannya - Michael Green.

Fisikawan teoretis Amerika John Schwartz dan Michael Green

Apa alasan untuk berpikir bahwa gravitasi mematuhi hukum mekanika kuantum? Untuk penemuan "fondasi" ini pada tahun 2011, Hadiah Nobel Fisika diberikan. Ini terdiri dari fakta bahwa perluasan Semesta tidak melambat, seperti yang pernah diperkirakan, tetapi, sebaliknya, semakin cepat. Percepatan ini dijelaskan oleh aksi "anti-gravitasi" khusus, yang entah bagaimana merupakan karakteristik dari ruang hampa vakum kosmik. Di sisi lain, pada tingkat kuantum, tidak ada yang benar-benar “kosong” – partikel subatomik terus-menerus muncul dan segera menghilang dalam ruang hampa. Partikel yang “berkedip” ini diyakini bertanggung jawab atas keberadaan energi gelap “anti-gravitasi” yang mengisi ruang kosong.

Pada suatu waktu, Albert Einstein, yang sampai akhir hayatnya tidak menerima prinsip paradoks mekanika kuantum (yang dia prediksi sendiri), menyarankan keberadaan bentuk energi ini. Mengikuti tradisi filsafat Yunani klasik Aristoteles dengan kepercayaannya pada keabadian dunia, Einstein menolak untuk mempercayai apa yang diprediksi oleh teorinya sendiri, yaitu bahwa alam semesta memiliki permulaan. Untuk "mengabadikan" alam semesta, Einstein bahkan memperkenalkan konstanta kosmologis tertentu ke dalam teorinya, dan dengan demikian menggambarkan energi ruang kosong. Untungnya, beberapa tahun kemudian ternyata Alam Semesta bukanlah bentuk beku sama sekali, melainkan mengembang. Kemudian Einstein meninggalkan konstanta kosmologis, menyebutnya "salah perhitungan terbesar dalam hidupnya."

Saat ini, sains mengetahui bahwa energi gelap memang ada, meskipun kerapatannya jauh lebih kecil daripada yang disarankan oleh Einstein (masalah kerapatan energi gelap, omong-omong, adalah salah satu misteri terbesar fisika modern). Tetapi tidak peduli seberapa kecil nilai konstanta kosmologis, itu cukup untuk memastikan bahwa efek kuantum dalam gravitasi ada.

Boneka bersarang subatomik

Terlepas dari segalanya, pada awal 1980-an, teori string masih memiliki kontradiksi yang tak terpecahkan, yang dikenal dalam sains sebagai anomali. Schwartz dan Green mulai melenyapkan mereka. Dan upaya mereka tidak sia-sia: para ilmuwan berhasil menghilangkan beberapa kontradiksi dari teori tersebut. Bayangkan keheranan keduanya, yang sudah terbiasa dengan kenyataan bahwa teori mereka diabaikan, ketika reaksi komunitas ilmiah meledakkan dunia ilmiah. Dalam waktu kurang dari setahun, jumlah ahli teori string melonjak menjadi ratusan. Saat itulah teori string dianugerahi gelar The Theory of Everything. Teori baru tampaknya mampu menjelaskan semua komponen alam semesta. Dan berikut adalah bahan-bahannya.

Setiap atom, seperti yang kita ketahui, terdiri dari partikel yang lebih kecil - elektron, yang mengelilingi inti, yang terdiri dari proton dan neutron. Proton dan neutron, pada gilirannya, terdiri dari partikel yang lebih kecil yang disebut quark. Tapi teori string mengatakan itu tidak berakhir dengan quark. Quark terdiri dari filamen energi meliuk-liuk kecil yang menyerupai string. Masing-masing string ini sangat kecil. Begitu kecilnya sehingga jika atom itu diperbesar seukuran tata surya, talinya akan seukuran pohon. Sama seperti getaran yang berbeda dari senar cello menciptakan apa yang kita dengar, sebagai not musik yang berbeda, cara (mode) yang berbeda dari menggetarkan senar memberikan partikel sifat unik mereka—massa, muatan, dan seterusnya. Tahukah Anda bagaimana, secara relatif, proton di ujung kuku Anda berbeda dari graviton yang belum ditemukan? Hanya kumpulan senar kecil yang membentuknya dan bagaimana senar itu bergetar.

Tentu saja, semua ini lebih dari luar biasa. Sejak zaman Yunani Kuno, fisikawan telah terbiasa dengan kenyataan bahwa segala sesuatu di dunia ini terdiri dari sesuatu seperti bola, partikel kecil. Dan sekarang, karena tidak punya waktu untuk membiasakan diri dengan perilaku tidak logis dari bola-bola ini, yang mengikuti dari mekanika kuantum, mereka diundang untuk meninggalkan paradigma sama sekali dan beroperasi dengan semacam hiasan spageti...

Dimensi Kelima

Meskipun banyak ilmuwan menyebut teori string sebagai kemenangan matematika, beberapa masalah masih tetap ada - terutama, kurangnya kesempatan untuk mengujinya secara eksperimental dalam waktu dekat. Tidak ada satu pun instrumen di dunia ini, baik yang ada maupun yang mampu tampil dalam perspektif, yang tidak mampu "melihat" senar. Oleh karena itu, beberapa ilmuwan, omong-omong, bahkan bertanya pada diri sendiri pertanyaan: apakah teori string merupakan teori fisika atau filsafat?.. Benar, sama sekali tidak perlu melihat string "dengan mata kepala sendiri". Yang diperlukan untuk membuktikan teori string adalah sesuatu yang lain—yang terdengar seperti fiksi ilmiah—konfirmasi keberadaan dimensi ekstra ruang.

Tentang apakah ini? Kita semua terbiasa dengan tiga dimensi ruang dan satu - waktu. Tapi teori string memprediksi keberadaan dimensi lain - tambahan -. Tapi mari kita mulai secara berurutan.

Faktanya, gagasan tentang keberadaan dimensi lain muncul hampir seratus tahun yang lalu. Itu datang ke kepala ahli matematika Jerman yang saat itu tidak dikenal Theodor Kalutz pada tahun 1919. Dia menyarankan kemungkinan kehadiran di alam semesta kita dari dimensi lain yang tidak kita lihat. Albert Einstein mendengar tentang ide ini, dan pada awalnya dia sangat menyukainya. Namun, kemudian, dia meragukan kebenarannya, dan menunda penerbitan Kaluza hingga dua tahun. Namun, akhirnya, artikel itu tetap diterbitkan, dan dimensi ekstra menjadi semacam gairah bagi kejeniusan fisika.

Seperti yang Anda ketahui, Einstein menunjukkan bahwa gravitasi tidak lain adalah deformasi pengukuran ruang-waktu. Kaluza menyarankan bahwa elektromagnetisme juga bisa menjadi riak. Mengapa kita tidak melihatnya? Kaluza menemukan jawaban atas pertanyaan ini - riak elektromagnetisme bisa ada di dimensi tambahan yang tersembunyi. Tapi di mana itu?

Jawaban atas pertanyaan ini diberikan oleh fisikawan Swedia Oscar Klein, yang menyarankan bahwa dimensi kelima Kaluza terlipat miliaran kali lebih besar dari ukuran atom tunggal, sehingga kita tidak dapat melihatnya. Gagasan bahwa dimensi kecil ini ada di sekitar kita adalah inti dari teori string.

Salah satu bentuk yang diusulkan dari dimensi berputar ekstra. Di dalam masing-masing bentuk ini, seutas tali bergetar dan bergerak - komponen utama Semesta. Setiap bentuk enam dimensi - sesuai dengan jumlah enam dimensi tambahan / © Wikimedia Commons

sepuluh dimensi

Tetapi pada kenyataannya, persamaan teori string tidak membutuhkan satu, tetapi enam dimensi tambahan (total, dengan empat yang kita ketahui, ada tepat 10 dimensi). Semuanya memiliki bentuk kompleks yang sangat bengkok dan bengkok. Dan semuanya sangat kecil.

Bagaimana dimensi kecil ini dapat memengaruhi dunia besar kita? Menurut teori string, hal yang menentukan adalah bahwa untuk itu segala sesuatu ditentukan oleh bentuk. Saat Anda memainkan kunci yang berbeda pada saksofon, Anda mendapatkan suara yang berbeda. Ini karena ketika Anda menekan tombol atau kombinasi tombol tertentu, Anda mengubah bentuk ruang di alat musik tempat udara bersirkulasi. Karena itu, suara yang berbeda lahir.

Teori string menunjukkan bahwa dimensi ruang yang ekstra bengkok dan bengkok muncul dengan cara yang sama. Bentuk dimensi tambahan ini rumit dan bervariasi, dan masing-masing menyebabkan string di dalam dimensi tersebut bergetar dengan cara yang berbeda justru karena bentuknya. Lagi pula, jika kita berasumsi, misalnya, bahwa satu senar bergetar di dalam kendi, dan yang lainnya di dalam tiang tiang yang melengkung, ini akan menjadi getaran yang sama sekali berbeda. Namun, jika teori string dapat dipercaya, pada kenyataannya, bentuk dimensi ekstra terlihat jauh lebih rumit daripada toples.

Bagaimana dunia bekerja?

Sains saat ini mengetahui sekumpulan angka yang merupakan konstanta dasar alam semesta. Mereka menentukan sifat dan karakteristik segala sesuatu di sekitar kita. Di antara konstanta seperti itu, misalnya, muatan elektron, konstanta gravitasi, kecepatan cahaya dalam ruang hampa ... Dan jika kita mengubah angka-angka ini bahkan dengan beberapa kali, konsekuensinya akan menjadi bencana besar. Misalkan kita telah meningkatkan kekuatan interaksi elektromagnetik. Apa yang terjadi? Kita mungkin tiba-tiba menemukan bahwa ion-ion menjadi lebih tolak-menolak satu sama lain, dan fusi termonuklir, yang membuat bintang bersinar dan memancarkan panas, tiba-tiba gagal. Semua bintang akan padam.

Tapi bagaimana dengan teori string dengan dimensi ekstranya? Faktanya adalah, menurutnya, dimensi ekstralah yang menentukan nilai pasti dari konstanta fundamental. Beberapa bentuk pengukuran menyebabkan satu string bergetar dengan cara tertentu, dan menimbulkan apa yang kita lihat sebagai foton. Dalam bentuk lain, senar bergetar secara berbeda dan menghasilkan elektron. Sesungguhnya Tuhan terletak pada "hal-hal kecil" - bentuk-bentuk kecil inilah yang menentukan semua konstanta fundamental dunia ini.

Teori superstring

Pada pertengahan 1980-an, teori string menjadi megah dan ramping, tetapi di dalam monumen itu, kebingungan merajalela. Hanya dalam beberapa tahun, sebanyak lima versi teori string telah muncul. Dan meskipun masing-masing dibangun di atas string dan dimensi ekstra (kelima versi disatukan dalam teori umum superstring - NS), secara rinci versi ini berbeda secara signifikan.

Jadi, dalam beberapa versi, senar memiliki ujung yang terbuka, di versi lain mereka tampak seperti cincin. Dan dalam beberapa versi, teori itu bahkan tidak membutuhkan 10, tetapi sebanyak 26 pengukuran. Paradoksnya adalah bahwa kelima versi saat ini dapat disebut sama-sama benar. Tapi mana yang benar-benar menggambarkan alam semesta kita? Ini adalah misteri lain dari teori string. Itulah sebabnya banyak fisikawan kembali melambaikan tangan pada teori "gila".

Tetapi masalah utama string, seperti yang telah disebutkan, adalah ketidakmungkinan (setidaknya untuk saat ini) untuk membuktikan kehadirannya secara eksperimental.

Beberapa ilmuwan, bagaimanapun, masih mengatakan bahwa pada generasi akselerator berikutnya ada sangat minim, tapi masih, kesempatan untuk menguji hipotesis dimensi ekstra. Meskipun mayoritas, tentu saja, yakin bahwa jika ini mungkin, maka, sayangnya, itu tidak boleh terjadi segera - setidaknya dalam beberapa dekade, maksimum - bahkan dalam seratus tahun.

Pernahkah Anda berpikir bahwa alam semesta itu seperti cello? Itu benar - tidak datang. Karena alam semesta tidak seperti cello. Tapi bukan berarti dia tidak punya tali.

Tentu saja, untaian alam semesta hampir tidak mirip dengan yang kita bayangkan. Dalam teori string, mereka adalah filamen energi bergetar yang sangat kecil. Benang-benang ini agak seperti "pita elastis" kecil yang dapat menggeliat, meregang, dan menyusut dalam segala hal.
. Semua ini, bagaimanapun, tidak berarti bahwa tidak mungkin untuk "Memainkan" simfoni alam semesta pada mereka, karena, menurut ahli teori string, segala sesuatu yang ada terdiri dari "utas" ini.

Kontradiksi fisika.
Pada paruh kedua abad ke-19, bagi fisikawan tampaknya tidak ada lagi hal serius yang dapat ditemukan dalam sains mereka. Fisika klasik percaya bahwa tidak ada masalah serius yang tersisa di dalamnya, dan seluruh struktur dunia tampak seperti mesin yang disetel dengan sempurna dan dapat diprediksi. Masalahnya, seperti biasa, terjadi karena omong kosong - salah satu "Awan" kecil yang masih tersisa di langit sains yang jernih dan dapat dipahami. Yaitu, ketika menghitung energi radiasi benda hitam (benda hipotetis yang pada suhu berapa pun sepenuhnya menyerap insiden radiasi di atasnya, terlepas dari panjang gelombang - NS. Perhitungan menunjukkan bahwa energi radiasi total benda hitam mana pun harus sangat besar. Untuk melarikan diri Dari absurditas yang begitu jelas, ilmuwan Jerman Max Planck pada tahun 1900 menyarankan bahwa cahaya tampak, sinar-X, dan gelombang elektromagnetik lainnya hanya dapat dipancarkan oleh bagian-bagian energi yang terpisah, yang ia sebut kuanta. Dengan bantuan mereka, dimungkinkan untuk memecahkan masalah khusus dari benda yang benar-benar hitam Hipotesis kuantum untuk determinisme belum direalisasikan sampai tahun 1926, ketika ilmuwan Jerman lainnya, Werner Heisenberg, merumuskan prinsip ketidakpastian yang terkenal.

Esensinya bermuara pada fakta bahwa, bertentangan dengan semua pernyataan yang berlaku sebelumnya, alam membatasi kemampuan kita untuk memprediksi masa depan berdasarkan hukum fisika. Ini, tentu saja, tentang masa depan dan masa kini partikel subatom. Ternyata mereka berperilaku sangat berbeda dari hal-hal lain di makrokosmos di sekitar kita. Pada tingkat subatomik, struktur ruang menjadi tidak rata dan kacau. Dunia partikel kecil begitu bergejolak dan tidak dapat dipahami sehingga bertentangan dengan akal sehat. Ruang dan waktu begitu melilit dan terjalin di dalamnya sehingga tidak ada konsep biasa kiri dan kanan, atas dan bawah, dan bahkan sebelum dan sesudah. Tidak ada cara untuk mengatakan dengan pasti di titik tertentu di ruang mana partikel ini atau itu berada pada saat tertentu, dan di mana momen momentumnya. Hanya ada kemungkinan tertentu untuk menemukan partikel di banyak wilayah ruang - waktu. Partikel-partikel pada tingkat subatomik tampaknya "terolesi" di atas ruang angkasa. Tidak hanya itu, "Status" partikel itu sendiri tidak ditentukan: dalam beberapa kasus mereka berperilaku seperti gelombang, di lain mereka menunjukkan sifat-sifat partikel. Inilah yang oleh fisikawan disebut dualitas gelombang-partikel mekanika kuantum.

Dalam teori relativitas umum, seolah-olah dalam keadaan dengan hukum yang berlawanan, hal-hal pada dasarnya berbeda. Ruang tampak seperti trampolin - kain halus yang dapat ditekuk dan diregangkan oleh benda-benda yang memiliki massa. Mereka menciptakan deformasi ruang - waktu - apa yang kita alami sebagai gravitasi. Tak perlu dikatakan, teori relativitas umum yang koheren, benar dan dapat diprediksi berada dalam konflik yang tak terpecahkan dengan "Hooligan Eksentrik" - mekanika kuantum, dan, sebagai akibatnya, makrokosmos tidak dapat "berdamai" dengan mikrokosmos. Di sinilah teori string masuk.

Teori segalanya.
Teori string mewujudkan impian semua fisikawan untuk menyatukan dua mekanika oto dan kuantum yang secara fundamental bertentangan, sebuah mimpi yang menghantui "Gipsi dan Gelandangan" terbesar Albert Einstein hingga akhir hayatnya.

Otho menggambarkan salah satu kekuatan paling terkenal di alam semesta - gravitasi. Mekanika kuantum menjelaskan tiga gaya lain: gaya nuklir kuat, yang menyatukan proton dan neutron dalam atom, elektromagnetisme, dan gaya lemah, yang terlibat dalam peluruhan radioaktif. Setiap peristiwa di alam semesta, dari ionisasi atom hingga kelahiran bintang, dijelaskan oleh interaksi materi melalui empat gaya ini. Dengan bantuan matematika kompleks, dimungkinkan untuk menunjukkan bahwa interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah memiliki sifat yang sama, menggabungkannya menjadi satu elektrolemah tunggal. Selanjutnya, interaksi nuklir yang kuat ditambahkan ke mereka - tetapi gravitasi tidak bergabung dengan mereka dengan cara apa pun. Teori string adalah salah satu kandidat paling serius untuk menghubungkan keempat gaya, dan, oleh karena itu, mencakup semua fenomena di alam semesta - bukan tanpa alasan ia juga disebut "Teori Segalanya".

Awalnya ada mitos.
Sampai saat ini, tidak semua fisikawan antusias dengan teori string. Dan pada awal kemunculannya, itu memang tampak jauh dari kenyataan. Kelahirannya adalah sebuah legenda.

Pada akhir 1960-an, fisikawan teoritis muda Italia Gabriele Veneziano sedang mencari persamaan yang dapat menjelaskan gaya nuklir kuat - "Lem" yang sangat kuat yang menyatukan inti atom dengan mengikat proton dan neutron bersama-sama. Menurut legenda, ia pernah menemukan sebuah buku berdebu tentang sejarah matematika, di mana ia menemukan persamaan berusia 200 tahun yang pertama kali ditulis oleh ahli matematika Swiss Leonhard Euler. Apa yang mengejutkan dari Venesia ketika ia menemukan bahwa persamaan Euler, yang untuk waktu yang lama dianggap tidak lebih dari keingintahuan matematis, menggambarkan interaksi yang kuat ini.

Bagaimana itu benar-benar? Persamaan tersebut mungkin merupakan hasil kerja bertahun-tahun oleh Venesia, dan kasus ini hanya membantu untuk mengambil langkah pertama menuju penemuan teori string. Persamaan Euler, yang secara ajaib menjelaskan gaya kuat, telah menemukan kehidupan baru.

Pada akhirnya, ia menarik perhatian seorang fisikawan teoretis muda Amerika, Leonard Susskind, yang melihat bahwa, pertama-tama, rumus tersebut menggambarkan partikel yang tidak memiliki struktur internal dan dapat bergetar. Partikel-partikel ini berperilaku sedemikian rupa sehingga mereka tidak bisa hanya menjadi partikel titik. Susskind mengerti - rumusnya menggambarkan benang yang seperti karet gelang. Dia tidak hanya bisa meregangkan dan menyusut, tetapi juga terombang-ambing, menggeliat. Setelah menjelaskan penemuannya, Susskind memperkenalkan ide revolusioner string.

Sayangnya, sebagian besar rekan-rekannya menerima teori dengan agak dingin.

model standar.
Pada saat itu, sains arus utama merepresentasikan partikel sebagai titik, bukan string. Selama bertahun-tahun, fisikawan telah menyelidiki perilaku partikel subatom, bertabrakan dengan kecepatan tinggi, dan mempelajari konsekuensi dari tumbukan ini. Ternyata alam semesta jauh lebih kaya daripada yang bisa dibayangkan. Itu adalah "Ledakan Populasi" nyata dari partikel elementer. Mahasiswa pascasarjana universitas fisika berlari melalui koridor berteriak bahwa mereka telah menemukan partikel baru - bahkan tidak ada cukup huruf untuk menunjuk mereka.

Tetapi, sayangnya, di "Rumah Sakit Bersalin" partikel baru, para ilmuwan tidak dapat menemukan jawaban atas pertanyaan - mengapa ada begitu banyak dan dari mana asalnya?

Hal ini mendorong fisikawan untuk membuat prediksi yang tidak biasa dan mengejutkan - mereka menyadari bahwa gaya yang bekerja di alam juga dapat dijelaskan dengan menggunakan partikel. Artinya, ada partikel materi, dan ada partikel - pembawa interaksi. Seperti, misalnya, adalah foton - partikel cahaya. Semakin banyak partikel ini - pembawa - foton yang sama yang bertukar partikel materi, semakin terang cahayanya. Para ilmuwan telah meramalkan bahwa pertukaran partikel tertentu - pembawa - tidak lain adalah apa yang kita anggap sebagai kekuatan. Ini dikonfirmasi oleh eksperimen. Jadi fisikawan berhasil mendekati impian Einstein untuk bergabung.

Para ilmuwan percaya bahwa jika kita maju cepat ke tepat setelah big bang, ketika alam semesta triliunan derajat lebih panas, partikel yang membawa elektromagnetisme dan gaya lemah akan menjadi tidak dapat dibedakan dan bergabung menjadi satu gaya tunggal yang disebut elektrolemah. Dan jika kita kembali ke masa lalu lebih jauh, maka interaksi elektrolemah akan bergabung dengan yang kuat menjadi satu "Superforce" total.

Terlepas dari kenyataan bahwa semua ini masih menunggu untuk dibuktikan, mekanika kuantum tiba-tiba menjelaskan bagaimana tiga dari empat gaya berinteraksi di tingkat subatomik. Dan dia menjelaskannya dengan indah dan konsisten. Pola interaksi yang harmonis ini akhirnya dikenal sebagai Model Standar. Tapi, sayangnya, ada satu masalah besar dalam teori sempurna ini - itu tidak termasuk gaya paling terkenal dari tingkat makro - gravitasi.

Graviton.
Untuk teori string, yang tidak punya waktu untuk "mekar", "musim gugur" datang, itu mengandung terlalu banyak masalah sejak kelahirannya. Misalnya, kalkulasi teori meramalkan keberadaan partikel, yang, seperti yang segera ditetapkan dengan tepat, tidak ada. Inilah yang disebut tachyon - partikel yang bergerak lebih cepat dari cahaya dalam ruang hampa. Antara lain, ternyata teori membutuhkan sebanyak 10 dimensi. Tidak mengherankan bahwa ini sangat memalukan bagi fisikawan, karena ini jelas lebih dari apa yang kita lihat.

Ilmuwan itu telah memutuskan untuk meninggalkan bisnisnya yang membawa malapetaka, dan kemudian dia sadar - mungkin persamaan teori string menggambarkan, antara lain, gravitasi? Namun, ini menyiratkan revisi dimensi "Pahlawan" utama teori - string. Dengan mengasumsikan bahwa string adalah miliaran dan miliaran kali lebih kecil dari atom, "Stringer" mengubah kelemahan teori menjadi kebajikannya. Partikel misterius yang John Schwartz coba singkirkan dengan gigih sekarang bertindak sebagai graviton - partikel yang telah lama dicari dan memungkinkan gravitasi dipindahkan ke tingkat kuantum. Ini adalah bagaimana teori string telah menambahkan gravitasi ke teka-teki, yang hilang dari Model Standar. Tapi, sayangnya, bahkan komunitas ilmiah tidak bereaksi terhadap penemuan ini. Teori string tetap berada di ambang kelangsungan hidup. Tapi ini tidak menghentikan Schwartz. Hanya satu ilmuwan yang bersedia mempertaruhkan karirnya demi string misterius yang ingin bergabung dengan pencariannya - Michael Green.

Boneka bersarang subatomik.
Terlepas dari segalanya, pada awal 1980-an, teori string masih memiliki kontradiksi yang tak terpecahkan, yang disebut anomali dalam sains. Schwartz dan Green mulai melenyapkan mereka. Dan upaya mereka tidak sia-sia: para ilmuwan berhasil menghilangkan beberapa kontradiksi dari teori tersebut. Bayangkan keheranan keduanya, yang sudah terbiasa dengan kenyataan bahwa teori mereka diabaikan, ketika reaksi komunitas ilmiah meledakkan dunia ilmiah. Dalam waktu kurang dari setahun, jumlah ahli teori string melonjak menjadi ratusan. Saat itulah teori string dianugerahi gelar the theory of everything. Teori baru tampaknya mampu menjelaskan semua komponen alam semesta. Dan berikut adalah bahan-bahannya.

Setiap atom, seperti yang kita ketahui, terdiri dari partikel yang lebih kecil - elektron, yang mengelilingi inti, yang terdiri dari proton dan neutron. Proton dan neutron, pada gilirannya, terdiri dari partikel yang lebih kecil yang disebut quark. Tapi teori string mengatakan itu tidak berakhir dengan quark. Quark terdiri dari filamen energi meliuk-liuk kecil yang menyerupai string. Masing-masing string ini sangat kecil. Begitu kecilnya sehingga jika atom itu diperbesar seukuran tata surya, talinya akan seukuran pohon. Sama seperti getaran yang berbeda dari senar cello yang menciptakan apa yang kita dengar, seperti nada musik yang berbeda, cara (mode) yang berbeda dari menggetarkan senar memberikan partikel sifat unik mereka - massa, muatan, dan seterusnya. Tahukah Anda bagaimana, secara relatif, proton di ujung kuku Anda berbeda dari graviton yang belum ditemukan? Hanya kumpulan senar kecil yang membentuknya dan bagaimana senar itu bergetar.

Tentu saja, semua ini lebih dari luar biasa. Sejak Yunani kuno, fisikawan telah terbiasa dengan fakta bahwa segala sesuatu di dunia ini terdiri dari sesuatu seperti bola, partikel kecil. Dan sekarang, karena tidak punya waktu untuk membiasakan diri dengan perilaku tidak logis dari bola-bola ini, yang mengikuti mekanika kuantum, mereka diundang untuk meninggalkan paradigma sama sekali dan beroperasi dengan beberapa potongan spageti.

Bagaimana dunia bekerja.
Sains saat ini mengetahui sekumpulan angka yang merupakan konstanta dasar alam semesta. Merekalah yang menentukan sifat dan karakteristik segala sesuatu di sekitar kita. Di antara konstanta tersebut, misalnya, muatan elektron, konstanta gravitasi, kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Dan jika kita mengubah angka-angka ini bahkan beberapa kali, konsekuensinya akan menjadi bencana besar. Misalkan kita telah meningkatkan kekuatan interaksi elektromagnetik. Apa yang terjadi? Kita mungkin tiba-tiba menemukan bahwa ion-ion menjadi lebih tolak-menolak satu sama lain, dan fusi termonuklir, yang membuat bintang bersinar dan memancarkan panas, tiba-tiba gagal. Semua bintang akan padam.

Teori superstring.
Pada pertengahan 1980-an, teori string menjadi megah dan ramping, tetapi di dalam monumen itu, kebingungan merajalela. Hanya dalam beberapa tahun, sebanyak lima versi teori string telah muncul. Dan meskipun masing-masing dibangun di atas string dan dimensi ekstra (kelima versi disatukan dalam teori umum superstring - NS), secara rinci versi ini berbeda secara signifikan.

Jadi, dalam beberapa versi senar memiliki ujung terbuka, di versi lain mereka tampak seperti cincin. Dan dalam beberapa versi, teori itu bahkan tidak membutuhkan 10, tetapi sebanyak 26 pengukuran. Paradoksnya adalah bahwa kelima versi saat ini dapat disebut sama-sama benar. Tapi mana yang benar-benar menggambarkan alam semesta kita? Ini adalah misteri lain dari teori string. Itulah sebabnya banyak fisikawan kembali melambaikan tangan pada teori "Gila".