Alam semesta tali. Teori string dan dimensi tersembunyi alam semesta - bukti keberadaan

Ungkapan puitis yang indah "teori string" adalah salah satu arah dalam fisika teoretis, yang menggabungkan ide-ide teori relativitas dan mekanika kuantum. Bidang fisika ini berkaitan dengan studi string kuantum - yaitu, objek satu dimensi yang diperluas. Ini adalah perbedaan utamanya dari banyak cabang fisika lain di mana dinamika partikel titik dipelajari.

Pada intinya, String Theory menyangkal dan menegaskan bahwa alam semesta selalu ada. Artinya, Alam Semesta bukanlah titik yang sangat kecil, tetapi sebuah string dengan panjang yang sangat kecil, sedangkan teori string mengatakan bahwa kita hidup di ruang sepuluh dimensi, meskipun kita hanya merasakan 3-4. Sisanya ada dalam keadaan runtuh, dan jika Anda memutuskan untuk mengajukan pertanyaan: "Kapan mereka akan terungkap, dan apakah itu akan terjadi sama sekali?", Maka Anda tidak akan menerima jawaban.

Matematika sama sekali tidak menemukannya - teori string tidak dapat dibuktikan secara empiris. Benar, telah ada upaya untuk mengembangkan teori universal sehingga dapat diuji secara praktis. Tetapi agar ini terjadi, itu harus disederhanakan sehingga mencapai tingkat persepsi kita tentang realitas. Kemudian gagasan untuk memeriksa benar-benar kehilangan maknanya.

Kriteria Dasar dan Konsep Teori String

Teori relativitas mengatakan bahwa Alam Semesta kita adalah sebuah bidang, dan mekanika kuantum mengatakan bahwa pada tingkat mikro ada gerakan tak terbatas, yang menyebabkan ruang melengkung. Dan teori string mencoba menggabungkan dua asumsi ini, dan sesuai dengannya, partikel elementer direpresentasikan sebagai komponen khusus dalam komposisi setiap atom - string asli, yang merupakan sejenis serat ultramikroskopik. Pada saat yang sama, partikel elementer memiliki sifat yang menjelaskan getaran resonansi serat yang membentuk partikel ini. Jenis serat seperti itu melakukan getaran dalam jumlah tak terbatas.

Untuk pemahaman yang lebih akurat tentang esensi, orang awam sederhana dapat membayangkan senar alat musik biasa yang dapat diregangkan pada waktu yang berbeda, berhasil dilipat, dan terus-menerus bergetar. Benang yang berinteraksi satu sama lain pada getaran tertentu memiliki sifat yang sama.

Bergulir menjadi loop standar, utas membentuk jenis partikel yang lebih besar - quark, elektron, yang massanya akan secara langsung bergantung pada tingkat tegangan dan frekuensi getaran serat. Jadi energi string berkorelasi dengan kriteria ini. Massa partikel elementer akan lebih tinggi dengan jumlah energi radiasi yang lebih besar.

Masalah Saat Ini dalam Teori String

Ketika mempelajari teori string, para ilmuwan dari berbagai negara secara berkala menghadapi sejumlah masalah dan masalah yang belum terselesaikan. Poin terpenting dapat dianggap kurangnya rumus matematika, sehingga spesialis belum berhasil memberikan teori bentuk yang lengkap.

Masalah signifikan kedua adalah konfirmasi dengan esensi teori kehadiran 10 dimensi, padahal sebenarnya kita hanya bisa merasakan 4 di antaranya. Agaknya 6 sisanya ada dalam keadaan terpelintir, dan tidak mungkin untuk merasakannya secara real time. Oleh karena itu, meskipun sanggahan teori pada dasarnya tidak mungkin, konfirmasi eksperimental tampaknya masih agak sulit.

Pada saat yang sama, studi teori string menjadi pendorong yang jelas untuk pengembangan konstruksi matematika asli, serta topologi. Fisika dengan arah teoretisnya cukup berakar kuat dalam matematika juga dengan bantuan teori yang dipelajari. Selain itu, esensi gravitasi dan materi kuantum modern dapat dipahami secara menyeluruh, mulai mempelajari lebih dalam daripada yang mungkin dilakukan sebelumnya.

Oleh karena itu, penelitian teori string terus berlanjut tanpa gangguan, dan hasil dari berbagai eksperimen, termasuk pengujian di Large Hadron Collider, mungkin merupakan konsep dan elemen yang hilang. Dalam hal ini, teori fisika akan benar-benar terbukti dan fenomena yang diterima secara umum.

Pertanyaan kunci:

Apa komponen dasar Alam Semesta - "batu bata pertama materi"? Apakah ada teori yang dapat menjelaskan semua fenomena fisika dasar?

Pertanyaan: apakah itu nyata?

Saat ini dan di masa mendatang, pengamatan langsung dalam skala kecil seperti itu tidak mungkin dilakukan. Fisika sedang dalam pencarian, dan eksperimen yang sedang berlangsung, misalnya, untuk mendeteksi partikel supersimetris atau mencari dimensi tambahan dalam akselerator, dapat menunjukkan bahwa teori string berada di jalur yang benar.

Apakah teori string adalah teori segalanya atau tidak, teori ini memberi kita seperangkat alat unik untuk mengintip ke dalam struktur realitas yang dalam.

teori string

Makro dan mikro

Ketika menggambarkan Semesta, fisika membaginya menjadi dua bagian yang tampaknya tidak cocok - mikrokosmos kuantum, dan makrokosmos, di mana gravitasi dijelaskan.

Teori string adalah upaya kontroversial untuk menggabungkan bagian-bagian ini menjadi "Teori Segalanya".

Partikel dan interaksi

Dunia terbuat dari dua jenis partikel dasar - fermion dan boson. Semua fermion adalah materi yang dapat diamati, dan boson adalah pembawa dari empat interaksi fundamental yang diketahui: lemah, elektromagnetik, kuat, dan gravitasi. Dalam kerangka teori yang disebut "Model Standar", fisikawan berhasil menggambarkan dan menguji tiga interaksi mendasar, kecuali yang terlemah - gravitasi. Sampai saat ini, Model Standar adalah model dunia kita yang paling akurat dan dikonfirmasi secara eksperimental.

Mengapa teori string diperlukan

Model Standar tidak mencakup gravitasi, tidak dapat menggambarkan pusat lubang hitam dan Big Bang, dan tidak menjelaskan hasil beberapa eksperimen. Teori string adalah upaya untuk memecahkan masalah ini dan menyatukan materi dan interaksi dengan mengganti partikel elementer dengan string bergetar kecil.

Teori string didasarkan pada gagasan bahwa semua partikel elementer dapat direpresentasikan sebagai satu "bata pertama" elementer - sebuah string. Senar dapat bergetar, dan mode getaran yang berbeda pada jarak yang jauh akan terlihat seperti partikel elementer yang berbeda. Salah satu mode getaran akan membuat string terlihat seperti foton, yang lain akan membuatnya terlihat seperti elektron.

Bahkan ada mod yang menggambarkan pembawa interaksi gravitasi - graviton! Versi teori string menjelaskan string dari dua jenis: terbuka (1) dan tertutup (2). Senar terbuka memiliki dua ujung (3) terletak pada struktur mirip membran yang disebut bran-D, dan dinamikanya menggambarkan tiga dari empat interaksi fundamental - semuanya kecuali gravitasi.

String tertutup menyerupai loop, mereka tidak terikat pada bran-D - ini adalah mode vibrasi dari string tertutup yang diwakili oleh graviton tak bermassa. Ujung-ujung string terbuka dapat terhubung, membentuk string tertutup, yang, pada gilirannya, dapat putus, berubah menjadi string terbuka, atau bersatu dan terbelah menjadi dua string tertutup (5) - dengan demikian, dalam teori string, interaksi gravitasi digabungkan dengan yang lainnya

String adalah yang terkecil dari semua objek yang fisika beroperasi. Rentang ukuran V objek yang ditunjukkan pada gambar di atas meluas lebih dari 34 kali lipat - jika sebuah atom seukuran tata surya, maka ukuran string bisa sedikit lebih besar dari inti atom.

Pengukuran tambahan

Teori string yang konsisten hanya mungkin dalam ruang dimensi yang lebih tinggi, di mana selain 4 dimensi ruang-waktu yang sudah dikenal, diperlukan 6 dimensi tambahan. Para ahli teori percaya bahwa dimensi ekstra ini terlipat menjadi bentuk yang sangat kecil - ruang Calabi-Yau. Salah satu masalah teori string adalah bahwa ada jumlah varian yang hampir tak terbatas dari konvolusi (pemadatan) Calabi-Yau yang dapat menggambarkan dunia mana pun, dan sejauh ini tidak ada cara untuk menemukan varian pemadatan Qi yang memungkinkan penggambaran bahwa apa yang kita lihat di sekitar.

supersimetri

Sebagian besar versi teori string memerlukan konsep supersimetri, yang didasarkan pada gagasan bahwa fermion (materi) dan boson (interaksi) adalah manifestasi dari objek yang sama, dan dapat berubah menjadi satu sama lain.

Teori segalanya?

Supersimetri dapat dimasukkan ke dalam teori string dalam 5 cara berbeda, menghasilkan 5 jenis teori string yang berbeda, yang berarti bahwa teori string itu sendiri tidak dapat mengklaim sebagai "teori segalanya". Kelima jenis ini saling berhubungan melalui transformasi matematis yang disebut dualitas, dan ini telah membawa pada pemahaman bahwa semua jenis ini adalah aspek dari sesuatu yang lebih umum. Teori yang lebih umum ini disebut Teori-M.

5 formulasi teori string yang berbeda diketahui, tetapi setelah diperiksa lebih dekat, ternyata semuanya adalah manifestasi dari teori yang lebih umum

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.

Teori relativitas menyajikan Semesta sebagai "datar", tetapi mekanika kuantum mengatakan bahwa pada tingkat mikro ada gerakan tak terbatas yang membengkokkan ruang. Teori string menggabungkan ide-ide ini dan menyajikan mikropartikel sebagai konsekuensi dari penyatuan string satu dimensi tertipis, yang akan terlihat seperti mikropartikel titik, oleh karena itu, tidak dapat diamati secara eksperimental.

Hipotesis ini memungkinkan kita untuk membayangkan partikel elementer yang membentuk atom dari serat ultramikroskopik yang disebut string.

Semua sifat partikel elementer dijelaskan oleh getaran resonansi serat yang membentuknya. Serat ini dapat membuat jumlah getaran yang tak terbatas. Teori ini melibatkan penyatuan ide-ide mekanika kuantum dan teori relativitas. Tetapi karena adanya banyak masalah dalam mengkonfirmasi pemikiran yang mendasarinya, sebagian besar ilmuwan modern percaya bahwa gagasan yang diusulkan tidak lebih dari kata-kata kotor yang paling umum, atau dengan kata lain, teori string untuk boneka, yaitu untuk orang yang benar-benar mengabaikan ilmu pengetahuan dan struktur lingkungan.

Sifat serat ultramikroskopik

Untuk memahami esensinya, Anda dapat membayangkan senar alat musik - mereka dapat bergetar, menekuk, melipat. Hal yang sama terjadi dengan utas ini, yang, memancarkan getaran tertentu, berinteraksi satu sama lain, melipat menjadi loop dan membentuk partikel yang lebih besar (elektron, quark), yang massanya tergantung pada frekuensi getaran serat dan tegangannya - indikator ini tentukan energi dawai tersebut. Semakin besar energi radiasi, semakin tinggi massa partikel elementer.

Teori dan string inflasi

Menurut hipotesis inflasi, Semesta diciptakan karena perluasan ruang mikro, seukuran string (panjang Planck). Saat wilayah ini tumbuh, apa yang disebut filamen ultramikroskopik juga meregang, sekarang panjangnya sepadan dengan ukuran Alam Semesta. Mereka berinteraksi satu sama lain dengan cara yang sama dan menghasilkan getaran dan getaran yang sama. Sepertinya efek lensa gravitasi yang dihasilkan oleh mereka, mendistorsi sinar cahaya dari galaksi jauh. Dan getaran longitudinal menghasilkan radiasi gravitasi.

Kegagalan matematika dan masalah lainnya

Salah satu masalahnya adalah ketidakkonsistenan matematis dari teori tersebut - fisikawan yang mempelajarinya tidak memiliki cukup rumus untuk membuatnya menjadi bentuk yang lengkap. Dan yang kedua adalah teori ini percaya bahwa ada 10 dimensi, tetapi kita hanya merasakan 4 - tinggi, lebar, panjang dan waktu. Para ilmuwan menyarankan bahwa 6 sisanya dalam keadaan bengkok, yang keberadaannya tidak dirasakan secara real time. Juga, masalahnya bukanlah kemungkinan konfirmasi eksperimental teori ini, tetapi tidak ada yang bisa menyangkalnya juga.

Pernahkah Anda berpikir bahwa alam semesta itu seperti cello? Itu benar, itu tidak datang. Karena alam semesta tidak seperti cello. Tapi bukan berarti dia tidak punya tali. Mari kita bicara tentang Teori String hari ini.

Kontroversi fisika

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.

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

alam semesta 2D. E8 grafik polihedron Teori Segalanya

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

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

Grafik fungsi beta Euler dengan argumen nyata

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

model standar

Interaksi antara partikel yang berbeda dalam Model Standar
gravitasi

Boneka bersarang subatomik

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.

Dimensi Kelima

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.

sepuluh dimensi

Bagaimana dunia bekerja?

Teori superstring