Ekologi pengetahuan: Yang paling masalah besar fisikawan teoretis - bagaimana menggabungkan semua interaksi fundamental (gravitasi, elektromagnetik, lemah dan kuat) menjadi teori terpadu. Teori superstring hanya mengklaim sebagai Teori Segalanya

Menghitung dari tiga sampai sepuluh

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 menggambarkan ruang 12 dimensi lebih banyak persamaan sederhana dari M-teori - 11-dimensi.

Tentu, 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, di saat ini 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.

Titik, titik, koma

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 diekspresikan 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 variabel yang 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 menjadi secara ajaib berubah tergantung lokasi kita dengan dia atau waktu.

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. TETAPI 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? Bagaimana jika semua ini dan misteri lainnya? ilmu pengetahuan modern dijelaskan oleh fakta bahwa geometri ruang sama sekali tidak sama seperti yang biasa kita rasakan?

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 tepatnya 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-sama nyata, senyata pantai laut, tak peduli di mana tepatnya mimpi suara ombak 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.

Sejauh ini, semua teori telah bekerja dengan jumlah besar dimensi spasial, dan temporal 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, ahli astrofisika 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, di ruang dua dimensi Anda dapat melakukan perjalanan maju, mundur, 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 di 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.

Kalian yang pernah membaca tentang perjalanan waktu pasti tahu kan? peran penting kelengkungan kontinum ruang-waktu bermain di dalamnya. 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 sebatang tongkat, tapi seluruh sapu pilihan perkembangan acara. 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 semua ini struktur kompleks"volume". Dan dengan demikian membuatnya seperti ruang tiga dimensi, "selesai", poin 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 dari 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? diterbitkan

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, itu memberi kita set unik alat yang memungkinkan Anda untuk melihat 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 ini 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 teori yang disebut Model Standar, fisikawan telah berhasil menggambarkan dan menguji tiga gaya fundamental, 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. Senarnya bisa bergetar dan mode yang berbeda fluktuasi seperti itu pada jarak yang sangat jauh akan terlihat bagi kita seperti berbagai partikel elementer. 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 seperti membran yang disebut bran-D, dan dinamikanya menggambarkan tiga dari empat interaksi mendasar- 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 dihubungkan untuk membentuk string tertutup, yang, pada gilirannya, dapat putus, menjadi string terbuka, atau bersatu dan terbelah menjadi dua string tertutup (5) - demikian dalam teori string interaksi gravitasi bergabung dengan orang lain

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. Ini lagi teori umum disebut M-Teori.

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

Teori relativitas menyatakan 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 osilasi resonansi serat yang membentuknya. Serat ini dapat membuat set tak terbatas pilihan getaran. Teori ini melibatkan penyatuan ide mekanika kuantum dan teori relativitas. Tetapi karena adanya banyak masalah dalam mengkonfirmasi pemikiran yang mendasarinya kebanyakan ilmuwan modern percaya bahwa ide-ide yang diusulkan tidak lebih dari pencemaran yang paling biasa, atau dengan kata lain, teori string untuk boneka, yaitu, untuk orang-orang yang sama sekali tidak menyadari ilmu pengetahuan dan struktur dunia di sekitar mereka.

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 yang mereka hasilkan lensa gravitasi yang mendistorsi sinar cahaya dari galaksi jauh. TETAPI anggukan 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 itu teori ini percaya bahwa ada 10 dimensi, tetapi kami 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 masalah adalah ketidakmampuan konfirmasi eksperimental teori ini, tetapi tidak ada yang bisa menyangkalnya.

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 sangat ramping 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 begitu nyata, ilmuwan Jerman Max Planck menyarankan pada tahun 1900 bahwa cahaya tampak, rontgen dan lain-lain gelombang elektromagnetik hanya dapat dipancarkan oleh bagian-bagian tertentu dari energi, yang disebut kuanta. Dengan bantuan mereka, adalah mungkin untuk memecahkan masalah khusus dari tubuh yang benar-benar hitam. Namun, konsekuensinya hipotesis kuantum untuk determinisme belum terwujud. 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. Tentu saja, kita berbicara tentang masa depan dan masa kini. partikel sub atom. 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 kewajaran. Ruang dan waktu di dalamnya begitu melilit dan terjalin 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.

Tingkatan struktur dunia : 1. Tingkat makroskopik – substansi 2. tingkat molekul 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 "pengganggu 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 keduanya, secara fundamental kontradiktif teman relativitas umum dan mekanika kuantum, mimpi yang menghantui "gipsi dan gelandangan" terbesar Albert Einstein sampai akhir hayatnya.

Banyak ilmuwan percaya bahwa segala sesuatu mulai dari tarian galaksi yang indah hingga tarian ingar-bingar partikel subatom pada akhirnya dapat dijelaskan hanya dengan satu prinsip dasar. prinsip fisik. 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.

Melalui matematika yang paling kompleks berhasil menunjukkan bahwa interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah memiliki sifat umum, menggabungkan mereka menjadi satu elektrolemah. 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.

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 lama dianggap tidak lebih dari keingintahuan matematis, menggambarkan interaksi yang kuat ini.

Bagaimana itu benar-benar? Rumusnya mungkin adalah hasilnya bertahun-tahun karya Veneziano, dan kasus ini hanya membantu untuk mengambil langkah pertama menuju penemuan teori string. fungsi Euler, secara ajaib menjelaskan interaksi yang kuat, telah menemukan kehidupan baru.

Pada akhirnya, ia menarik perhatian fisikawan teoretis muda Amerika, Leonard Susskind, yang melihat bahwa pertama-tama rumus tersebut menggambarkan partikel yang tidak memiliki struktur internal dan bisa 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 nyata ledakan populasi» partikel dasar. mahasiswa PhD universitas fisik berlari melalui koridor berteriak bahwa mereka telah dibuka partikel baru, - bahkan tidak ada cukup surat 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 pembawa partikel ini - foton yang sama yang dipertukarkan oleh partikel materi, semakin cahaya lebih terang. 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 /

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 interaksi lemah menjadi tidak bisa dibedakan dan bersatu menjadi satu kekuatan 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.

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 dalam ruang hampa lebih cepat dari cahaya. 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 asumsi bahwa string adalah miliaran dan miliaran kali kurang dari atom, "stringer" mengubah kekurangan teori menjadi martabatnya. Partikel misterius yang John Schwartz coba singkirkan sekarang bertindak sebagai graviton - partikel yang telah lama dicari dan memungkinkan gravitasi ditransfer ke tingkat kuantum. Ini adalah bagaimana teori string telah menambahkan gravitasi ke teka-teki, yang hilang dari Model Standar. Tapi, sayangnya, bahkan untuk penemuan ini komunitas sains tidak bereaksi sama sekali. 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 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 kedua orang ini, yang sudah terbiasa dengan kenyataan bahwa teori mereka diabaikan, ketika reaksi komunitas ilmiah meledak. 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.

Sangat kecil sehingga jika atom diperbesar ukurannya tata surya, string akan menjadi ukuran pohon. Sama seperti getaran yang berbeda dari senar cello menciptakan apa yang kita dengar sebagai not musik yang berbeda, berbagai cara(modus) getaran tali memberikan partikel mereka properti unik massa, muatan, dll. 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 saat itu Yunani kuno fisikawan terbiasa dengan kenyataan bahwa segala sesuatu di dunia ini terdiri dari sesuatu seperti bola, partikel kecil. Dan sekarang, 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". Untuk membuktikan teori string, sebaliknya, diperlukan sesuatu yang lain - sesuatu yang terdengar seperti fiksi ilmiah- konfirmasi keberadaan dimensi ruang tambahan.

Tentang apa dalam pertanyaan? 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 untuk pertanyaan ini - riak elektromagnetisme bisa ada di tambahan, dimensi tersembunyi. Tapi di mana itu?

Jawaban atas pertanyaan ini diberikan oleh fisikawan Swedia Oscar Klein, yang menyarankan bahwa dimensi kelima Kaluza meringkuk miliaran kali lebih banyak daripada 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 /

sepuluh dimensi

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

Bagaimana dimensi kecil ini dapat memengaruhi dunia besar? Menurut teori string, menentukan: untuk itu, semuanya ditentukan oleh bentuk. Saat Anda memainkan kunci yang berbeda pada saksofon, Anda mendapatkan dan suara yang berbeda. Ini karena ketika Anda menekan satu atau beberapa tombol atau kombinasinya, Anda mengubah bentuk spasi di alat musik dimana 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 kendi.

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 meningkatkan kekuatan interaksi elektromagnetik. Apa yang terjadi? Kami tiba-tiba dapat menemukan bahwa ion-ion yang menjadi lebih kuat saling tolak, dan fusi termonuklir, yang membuat bintang bersinar dan memancarkan panas, tiba-tiba tidak berfungsi. Semua bintang akan padam.

Tapi bagaimana dengan teori string dengan dimensi ekstranya? Faktanya adalah, menurutnya, itu adalah dimensi tambahan yang menentukan nilai yang tepat konstanta dasar. 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 memperoleh kemajuan yang luar biasa dan terlihat ramping, tetapi di dalam monumen ini 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".

Tapi yang paling masalah utama string, sebagaimana telah disebutkan, dalam ketidakmungkinan (menurut paling sedikit, while) untuk membuktikan keberadaannya 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 superstring, dalam bahasa populer, menggambarkan alam semesta sebagai kumpulan filamen energi yang bergetar - string. Mereka adalah dasar dari alam. Hipotesis juga menjelaskan elemen lain - bran. Semua materi di dunia kita terdiri dari getaran string dan bran. Konsekuensi alami dari teori ini adalah deskripsi gravitasi. Itulah mengapa para ilmuwan percaya bahwa itu memegang kunci untuk menyatukan gravitasi dengan kekuatan lain.

Konsepnya berkembang

Teori bidang terpadu, teori superstring, adalah murni matematika. Seperti semua konsep fisik, ini didasarkan pada persamaan yang dapat ditafsirkan dengan cara tertentu.

Saat ini, tidak ada yang tahu persis seperti apa versi terakhir dari teori ini. Para sarjana memiliki gagasan yang agak kabur tentangnya elemen umum, tetapi belum ada yang menemukan persamaan akhir yang akan mencakup semua teori superstring, dan sejauh ini belum mungkin untuk mengkonfirmasinya secara eksperimental (walaupun tidak untuk menyangkalnya juga). Fisikawan telah membuat versi persamaan yang disederhanakan, tetapi sejauh ini tidak cukup menggambarkan alam semesta kita.

Teori Superstring untuk Pemula

Hipotesis didasarkan pada lima ide kunci.

1. Teori superstring memprediksi bahwa semua benda di dunia kita terdiri dari filamen bergetar dan membran energi.
2. Ia mencoba menggabungkan teori relativitas umum (gravitasi) dengan fisika kuantum.
3. Teori superstring akan menyatukan segalanya kekuatan fundamental semesta.
4. Hipotesis ini memprediksi koneksi baru, supersimetri, antara dua secara fundamental berbagai jenis partikel, boson dan fermion.
5. Konsep ini menggambarkan sejumlah dimensi alam semesta tambahan yang biasanya tidak dapat diamati.

String dan bran

Ketika teori itu muncul pada 1970-an, utas energi di dalamnya dianggap sebagai objek 1 dimensi - string. Kata "satu dimensi" mengatakan bahwa string hanya memiliki 1 dimensi, panjangnya, tidak seperti, misalnya, persegi, yang memiliki panjang dan tinggi.

Teorinya membagi superstring ini menjadi dua jenis - tertutup dan terbuka. Tali terbuka memiliki ujung yang tidak saling bersentuhan, sedangkan tali tertutup adalah lingkaran tanpa ujung terbuka. Hasilnya, ditemukan bahwa string ini, yang disebut string tipe pertama, tunduk pada 5 tipe interaksi utama.

Interaksi didasarkan pada kemampuan string untuk menghubungkan dan memisahkan ujungnya. Karena ujungnya string terbuka dapat bergabung untuk membentuk string tertutup, Anda tidak dapat membangun teori superstring yang tidak menyertakan string melingkar.

Ini ternyata penting, karena string tertutup memiliki sifat, fisikawan percaya, yang bisa menggambarkan gravitasi. Dengan kata lain, para ilmuwan menyadari bahwa alih-alih menjelaskan partikel materi, teori superstring dapat menggambarkan perilaku dan gravitasi mereka.

Bertahun-tahun kemudian, ditemukan bahwa, selain string, elemen lain diperlukan untuk teori tersebut. Mereka dapat dianggap sebagai lembaran, atau bran. Senar dapat dilampirkan ke salah satu atau kedua sisinya.

gravitasi kuantum

Fisika modern memiliki dua utama hukum ilmiah: teori relativitas umum (GR) dan kuantum. Mereka benar-benar mewakili daerah yang berbeda Ilmu. Fisika kuantum mempelajari partikel alam terkecil, sedangkan relativitas umum, sebagai aturan, menggambarkan alam pada skala planet, galaksi, dan alam semesta secara keseluruhan. Hipotesis yang mencoba menyatukannya disebut teori. gravitasi kuantum. Yang paling menjanjikan dari mereka saat ini adalah string.

Utas tertutup sesuai dengan perilaku gravitasi. Secara khusus, mereka memiliki sifat graviton, partikel yang membawa gravitasi antar objek.

Bergabung dengan Pasukan

Teori string mencoba menggabungkan empat gaya - elektromagnetik, gaya nuklir kuat dan lemah, dan gravitasi - menjadi satu. Di dunia kita, mereka memanifestasikan diri mereka sebagai empat fenomena yang berbeda, tetapi ahli teori string percaya bahwa di alam semesta awal, ketika mereka sangat level tinggi energi, semua kekuatan ini dijelaskan oleh string berinteraksi satu sama lain.

supersimetri

Semua partikel di alam semesta dapat dibagi menjadi dua jenis: boson dan fermion. Teori string memprediksi bahwa ada hubungan antara keduanya yang disebut supersimetri. Dalam supersimetri, untuk setiap boson harus ada fermion, dan untuk setiap fermion, ada boson. Sayangnya, keberadaan partikel semacam itu belum dikonfirmasi secara eksperimental.

Supersimetri adalah ketergantungan matematika antar elemen persamaan fisika. Itu ditemukan di bidang fisika lain, dan penerapannya menyebabkan penggantian nama teori string supersimetris (atau teori superstring, dalam bahasa populer) pada pertengahan 1970-an.

Salah satu keuntungan supersimetri adalah sangat menyederhanakan persamaan dengan membiarkan beberapa variabel dihilangkan. Tanpa supersimetri, persamaan menyebabkan kontradiksi fisik seperti nilai tak terbatas dan imajiner

Karena para ilmuwan belum mengamati partikel yang diprediksi oleh supersimetri, itu masih merupakan hipotesis. Banyak fisikawan percaya bahwa alasannya adalah kebutuhan akan sejumlah besar energi, yang terkait dengan massa dengan persamaan Einstein yang terkenal E = mc 2 . Partikel-partikel ini bisa saja ada di alam semesta awal, tetapi saat mendingin dan energi berkembang setelah Big Bang, partikel-partikel ini pindah ke tingkat energi yang rendah.

Dengan kata lain, senar yang bergetar sebagai partikel berenergi tinggi kehilangan energinya, yang mengubahnya menjadi elemen dengan getaran yang lebih rendah.

Para ilmuwan berharap bahwa pengamatan astronomi atau eksperimen dengan akselerator partikel akan mengkonfirmasi teori tersebut dengan mengungkapkan beberapa elemen supersimetris berenergi lebih tinggi.

Pengukuran tambahan

Konsekuensi matematis lain dari teori string adalah masuk akal di dunia dengan lebih dari tiga dimensi. Saat ini ada dua penjelasan untuk ini:

1. Dimensi ekstra (enam di antaranya) runtuh, atau, dalam terminologi teori string, dipadatkan menjadi ukuran yang sangat kecil yang tidak akan pernah dirasakan.
2. Kami terjebak dalam bran 3D, dan dimensi lain melampaui itu dan tidak dapat diakses oleh kami.

Bidang penelitian yang penting di antara para ahli teori adalah pemodelan matematika bagaimana koordinat tambahan ini dapat dikaitkan dengan koordinat kita. Hasil Terbaru memprediksi bahwa para ilmuwan akan segera dapat mendeteksi dimensi tambahan ini (jika ada) dalam eksperimen mendatang, karena mungkin lebih besar dari yang diperkirakan sebelumnya.

Pemahaman Tujuan

Tujuan yang diperjuangkan para ilmuwan ketika menjelajahi superstring adalah "teori segalanya", yaitu, hipotesis fisik tunggal yang tingkat dasar menggambarkan keseluruhan realitas fisik. Jika berhasil, itu bisa menjelaskan banyak pertanyaan tentang struktur alam semesta kita.

Penjelasan materi dan massa

Salah satu tugas utama penelitian kontemporer- mencari solusi untuk partikel nyata.

Teori string dimulai sebagai konsep yang menjelaskan partikel seperti hadron dalam berbagai keadaan vibrasi string yang lebih tinggi. Paling formulasi modern, materi yang diamati di alam semesta kita adalah hasil dari vibrasi dawai dan bran berenergi terendah. Getaran dengan lebih banyak menghasilkan partikel berenergi tinggi yang saat ini tidak ada di dunia kita.

Massa ini adalah manifestasi dari bagaimana string dan bran dibungkus dalam dimensi ekstra yang dipadatkan. Misalnya, dalam kasus sederhana di mana mereka dilipat menjadi bentuk donat, yang disebut torus oleh matematikawan dan fisikawan, sebuah string dapat membungkus bentuk ini dengan dua cara:

• lingkaran pendek melalui tengah torus;
• lingkaran panjang di sekitar seluruh lingkar luar torus.

Lingkaran pendek akan menjadi partikel ringan, dan lingkaran besar akan menjadi partikel berat. Ketika string melilit dimensi kompaksi toroidal, elemen baru dengan massa yang berbeda terbentuk.

Teori superstring secara singkat dan jelas, sederhana dan elegan menjelaskan transisi panjang menjadi massa. Dimensi terlipat di sini jauh lebih rumit daripada torus, tetapi pada prinsipnya mereka bekerja dengan cara yang sama.

Bahkan mungkin, meskipun sulit untuk dibayangkan, bahwa tali melilit torus dalam dua arah pada saat yang sama, menghasilkan partikel yang berbeda dengan massa yang berbeda. Branes juga dapat membungkus dimensi ekstra, menciptakan lebih banyak kemungkinan.

Pengertian ruang dan waktu

Dalam banyak versi teori superstring, dimensi runtuh, membuatnya tidak dapat diamati pada tingkat modern pengembangan teknologi.

Saat ini tidak jelas apakah teori string dapat menjelaskan sifat dasar ruang dan waktu lebih dari yang Einstein lakukan. Di dalamnya, pengukuran adalah latar belakang interaksi string dan tidak memiliki makna nyata yang independen.

Penjelasan telah ditawarkan, tidak sepenuhnya dikembangkan, mengenai representasi ruang-waktu sebagai turunan jumlah total semua interaksi string.

Pendekatan ini tidak memenuhi ide-ide dari beberapa fisikawan, yang menyebabkan kritik terhadap hipotesis. Teori kompetitif sebagai titik pangkal menggunakan kuantisasi ruang dan waktu. Beberapa percaya bahwa pada akhirnya itu hanya akan menjadi pendekatan yang berbeda untuk hipotesis dasar yang sama.

Kuantisasi gravitasi

Pencapaian utama hipotesis ini, jika dikonfirmasi, adalah teori kuantum gravitasi. Deskripsi saat ini dalam relativitas umum tidak konsisten dengan fisika kuantum. Yang terakhir, dengan memberlakukan pembatasan pada perilaku partikel kecil, mengarah pada kontradiksi ketika mencoba menjelajahi Semesta dalam skala yang sangat kecil.

Penyatuan kekuatan

Saat ini, fisikawan mengetahui empat gaya fundamental: gravitasi, elektromagnetik, interaksi nuklir lemah dan kuat. Ini mengikuti dari teori string bahwa semuanya pernah menjadi manifestasi dari satu.

Menurut hipotesis ini, karena alam semesta awal didinginkan setelah dentuman Besar, interaksi tunggal ini mulai hancur menjadi berbeda, bertindak hari ini.

Eksperimen energi tinggi suatu hari nanti akan memungkinkan kita untuk menemukan penyatuan kekuatan-kekuatan ini, meskipun eksperimen semacam itu jauh melampaui perkembangan teknologi saat ini.

Lima pilihan

Sejak revolusi superstring tahun 1984, pembangunan telah berkembang dengan pesat. Akibatnya, alih-alih satu konsep, kami mendapat lima, bernama tipe I, IIA, IIB, HO, HE, yang masing-masing hampir sepenuhnya menggambarkan dunia kita, tetapi tidak sepenuhnya.

Fisikawan, memilah-milah versi teori string dengan harapan menemukan formula universal yang benar, menciptakan 5 versi mandiri yang berbeda. Beberapa sifat mereka mencerminkan realitas fisik dunia, yang lain tidak sesuai dengan kenyataan.

M-teori

Pada sebuah konferensi pada tahun 1995, fisikawan Edward Witten mengusulkan solusi berani untuk masalah lima hipotesis. Berdasarkan dualitas yang baru ditemukan, mereka semua menjadi kasus khusus dari konsep tunggal yang menyeluruh, yang disebut teori-M Witten tentang superstring. Salah satu konsep kuncinya adalah bran (singkatan dari membran), objek fundamental dengan lebih dari 1 dimensi. Meskipun penulis tidak menawarkan versi lengkap, yang belum tersedia, teori-M superstring secara singkat terdiri dari beberapa fitur berikut:

• 11 dimensi (10 spasial ditambah 1 dimensi waktu);
• dualitas yang mengarah pada lima teori yang menjelaskan realitas fisik yang sama;
• bran adalah string dengan lebih dari 1 dimensi.

Konsekuensi

Akibatnya, alih-alih satu, ada 10.500 solusi. Untuk beberapa fisikawan, ini menyebabkan krisis, sementara yang lain menerima prinsip antropik, yang menjelaskan sifat-sifat alam semesta dengan kehadiran kita di dalamnya. Masih harus dilihat kapan para ahli teori akan menemukan cara lain untuk mengorientasikan diri mereka dalam teori superstring.

Beberapa interpretasi menunjukkan bahwa dunia kita bukan satu-satunya. Versi paling radikal memungkinkan keberadaan bilangan tak terhingga alam semesta, beberapa di antaranya mengandung salinan yang tepat milik kita.

Teori Einstein memprediksi keberadaan ruang melingkar, yang disebut lubang cacing atau jembatan Einstein-Rosen. Dalam hal ini, dua situs yang jauh dihubungkan oleh jalan pendek. Teori superstring memungkinkan tidak hanya ini, tetapi juga koneksi titik-titik jauh dari dunia paralel. Bahkan dimungkinkan untuk berpindah antar alam semesta dengan hukum yang berbeda fisika. Namun, kemungkinan besar teori gravitasi kuantum akan membuat keberadaan mereka menjadi tidak mungkin.

Banyak fisikawan percaya bahwa prinsip holografik, ketika semua informasi yang terkandung dalam volume ruang sesuai dengan informasi yang direkam di permukaannya, akan memungkinkan pemahaman yang lebih dalam tentang konsep benang energi.

Beberapa percaya bahwa teori superstring memungkinkan untuk beberapa dimensi waktu, yang dapat mengakibatkan perjalanan melalui mereka.

Selain itu, ada alternatif model big bang dalam hipotesis, yang menurutnya alam semesta kita muncul sebagai hasil tumbukan dua bran dan melalui siklus berulang penciptaan dan penghancuran.

Nasib akhir alam semesta selalu menyibukkan fisikawan, dan versi terakhir teori string akan membantu menentukan kerapatan materi dan konstanta kosmologis. Mengetahui nilai-nilai ini, kosmolog akan dapat menentukan apakah alam semesta akan menyusut sampai meledak, sehingga semuanya dimulai lagi.

Tidak ada yang tahu apa yang dapat menyebabkan sampai dikembangkan dan diuji. Einstein, menuliskan persamaan E=mc 2 , tidak berasumsi bahwa itu akan mengarah pada penampilan senjata nuklir. Pencipta fisika kuantum tidak tahu bahwa itu akan menjadi dasar untuk membuat laser dan transistor. Dan meskipun belum diketahui seperti apa murni konsep teoritis, sejarah menunjukkan bahwa sesuatu yang luar biasa pasti akan berubah.

Anda dapat membaca lebih lanjut tentang hipotesis ini di Teori Superstring untuk Dummies Andrew Zimmerman.