Universo de cordas. Teoria das cordas e as dimensões ocultas do universo - prova de existência

Uma bela frase poética "teoria das cordas" é uma das áreas da física teórica que combina as ideias da teoria da relatividade e da mecânica quântica. Este ramo da física lida com o estudo de cordas quânticas - isto é, objetos estendidos unidimensionais. Esta é a sua principal diferença de muitos outros ramos da física em que a dinâmica das partículas pontuais é estudada.

Em sua essência, a Teoria das Cordas nega e afirma que o universo sempre existiu. Ou seja, o Universo não era um ponto infinitamente pequeno, mas uma corda com um comprimento infinitesimal, enquanto a teoria das cordas diz que vivemos em um espaço de dez dimensões, embora sintamos apenas 3-4. O resto existe em um estado de colapso, e se você decidir fazer a pergunta: “Quando eles se desdobrarão e isso acontecerá?”, então você não receberá uma resposta.

A matemática simplesmente não a encontrou - a teoria das cordas não pode ser provada empiricamente. É verdade que tem havido tentativas de desenvolver uma teoria universal para que possa ser testada na prática. Mas para que isso aconteça, deve ser simplificado de forma que alcance nosso nível de percepção da realidade. Então a ideia de checar perde completamente o significado.

Critérios e Conceitos Básicos da Teoria das Cordas

A teoria da relatividade diz que nosso universo é um plano, e a mecânica quântica diz que no nível micro há um movimento infinito, devido ao qual o espaço é curvo. E a teoria das cordas tenta combinar essas duas suposições e, de acordo com ela, as partículas elementares são representadas como componentes especiais na composição de cada átomo - as cordas originais, que são uma espécie de fibras ultramicroscópicas. Ao mesmo tempo, as partículas elementares possuem propriedades que explicam a vibração ressonante das fibras que as formam. Esses tipos de fibras realizam vibrações em um número infinito.

Para uma compreensão mais precisa da essência, um simples leigo pode imaginar as cordas de instrumentos musicais comuns que podem ser esticadas em momentos diferentes, dobradas com sucesso e vibrar constantemente. As roscas que interagem umas com as outras em determinadas vibrações têm as mesmas propriedades.

Rolando em laços padrão, os fios formam tipos maiores de partículas - quarks, elétrons, cuja massa já dependerá diretamente do nível de tensão e frequência de vibração das fibras. Portanto, a energia da corda está correlacionada com esses critérios. A massa das partículas elementares será maior com mais energia irradiada.

Problemas Atuais na Teoria das Cordas

Ao estudar a teoria das cordas, cientistas de muitos países encontraram periodicamente vários problemas e questões não resolvidas. O ponto mais importante pode ser considerado a falta de fórmulas matemáticas, portanto, os especialistas ainda não conseguiram dar à teoria uma forma completa.

O segundo problema significativo é a confirmação pela essência da teoria da presença de 10 dimensões, quando na verdade podemos sentir apenas 4 delas. Presumivelmente, os 6 restantes existem em um estado torcido, e não é possível senti-los em tempo real. Portanto, embora a refutação da teoria seja fundamentalmente impossível, a confirmação experimental ainda parece bastante difícil.

Ao mesmo tempo, o estudo da teoria das cordas tornou-se um claro impulso para o desenvolvimento de construções matemáticas originais, bem como da topologia. A física com suas direções teóricas está firmemente enraizada na matemática também com a ajuda da teoria em estudo. Além disso, a essência da gravidade quântica moderna e da matéria poderia ser completamente compreendida, começando a estudar muito mais profundamente do que era possível antes.

Portanto, a pesquisa da teoria das cordas continua ininterrupta, e o resultado de vários experimentos, incluindo testes no Grande Colisor de Hádrons, podem ser os conceitos e elementos que faltam. Neste caso, a teoria física será um fenômeno absolutamente comprovado e geralmente aceito.

Principais perguntas:

Quais são os componentes fundamentais do Universo - os "primeiros tijolos de matéria"? Existem teorias que podem explicar todos os fenômenos físicos básicos?

Pergunta: é real?

Hoje e no futuro previsível, a observação direta em uma escala tão pequena não é possível. A física está em busca, e experimentos em andamento, por exemplo, para detectar partículas supersimétricas ou buscar dimensões extras em aceleradores, podem indicar que a teoria das cordas está no caminho certo.

Seja ou não a teoria das cordas a teoria de tudo, ela nos dá um conjunto único de ferramentas para perscrutar as estruturas profundas da realidade.

Teoria das cordas

Macro e micro

Ao descrever o Universo, a física o divide em duas metades aparentemente incompatíveis - o microcosmo quântico e o macrocosmo, dentro do qual a gravidade é descrita.

A teoria das cordas é uma tentativa controversa de combinar essas metades em uma "Teoria de Tudo".

Partículas e interações

O mundo é feito de dois tipos de partículas elementares - férmions e bósons. Os férmions são todos matéria observável, e os bósons são portadores das quatro interações fundamentais conhecidas: fraca, eletromagnética, forte e gravitacional. Dentro de uma teoria chamada Modelo Padrão, os físicos conseguiram descrever e testar elegantemente as três forças fundamentais, todas menos a mais fraca, a gravitacional. Até o momento, o Modelo Padrão é o modelo mais preciso e confirmado experimentalmente do nosso mundo.

Por que a teoria das cordas é necessária

O Modelo Padrão não inclui a gravidade, não pode descrever o centro de um buraco negro e o Big Bang, e não explica os resultados de alguns experimentos. A teoria das cordas é uma tentativa de resolver esses problemas e unificar a matéria e as interações substituindo partículas elementares por minúsculas cordas vibrantes.

A teoria das cordas baseia-se na ideia de que todas as partículas elementares podem ser representadas como um "primeiro tijolo" elementar - uma corda. As cordas podem vibrar, e diferentes modos de tais oscilações a uma grande distância nos parecerão diferentes partículas elementares. Um modo de vibração fará com que a corda pareça um fóton, o outro fará com que pareça um elétron.

Existe até um mod que descreve o portador da interação gravitacional - o gráviton! Versões da teoria das cordas descrevem cordas de dois tipos: abertas (1) e fechadas (2). As cordas abertas têm duas extremidades (3) localizadas em estruturas semelhantes a membranas chamadas D-branas, e sua dinâmica descreve três das quatro interações fundamentais - todas exceto gravitacional.

As cordas fechadas se assemelham a laços, não estão ligadas a D-branas - são os modos vibracionais de cordas fechadas que são representados por um gráviton sem massa. As extremidades de uma corda aberta podem se conectar, formando uma corda fechada, que, por sua vez, pode quebrar, transformando-se em uma corda aberta, ou se unir e se dividir em duas cordas fechadas (5) - assim, na teoria das cordas, a interação gravitacional é combinado com todos os outros

As cordas são o menor de todos os objetos sobre os quais a física opera. A faixa de tamanho V dos objetos mostrados na imagem acima se estende por 34 ordens de magnitude - se um átomo fosse do tamanho do sistema solar, então o tamanho de uma corda poderia ser ligeiramente maior que um núcleo atômico.

Medições adicionais

Teorias de cordas consistentes só são possíveis no espaço de dimensão superior, onde, além das conhecidas 4 dimensões do espaço-tempo, são necessárias 6 dimensões adicionais. Os teóricos acreditam que essas dimensões extras são dobradas em formas imperceptivelmente pequenas - espaços de Calabi-Yau. Um dos problemas da teoria das cordas é que há um número quase infinito de variantes da convolução de Calabi-Yau (compactação) que podem descrever qualquer mundo, e até agora não há como encontrar a variante da compactação Qi que permitiria descrever isso que vemos por aí.

supersimetria

A maioria das versões da teoria das cordas requer o conceito de supersimetria, que se baseia na ideia de que férmions (matéria) e bósons (interações) são manifestações do mesmo objeto e podem se transformar um no outro.

Teoria de tudo?

A supersimetria pode ser incorporada à teoria das cordas de 5 maneiras diferentes, resultando em 5 tipos diferentes de teoria das cordas, o que significa que a própria teoria das cordas não pode reivindicar ser uma "teoria de tudo". Todos esses cinco tipos estão interconectados por transformações matemáticas chamadas dualidades, e isso levou ao entendimento de que todos esses tipos são aspectos de algo mais geral. Essa teoria mais geral é chamada de Teoria-M.

5 formulações diferentes da teoria das cordas são conhecidas, mas após um exame mais detalhado, verifica-se que todas são manifestações de uma teoria mais geral

É claro que as cordas do universo dificilmente são semelhantes às que imaginamos. Na teoria das cordas, eles são filamentos vibrantes de energia incrivelmente pequenos. Esses fios são como pequenas "faixas elásticas" que podem se contorcer, esticar e encolher de todas as maneiras. Tudo isso, porém, não significa que a sinfonia do Universo não possa ser “tocada” neles, pois, segundo os teóricos das cordas, tudo o que existe consiste nesses “fios”.

Controvérsia física

Na segunda metade do século 19, parecia aos físicos que nada mais sério poderia ser descoberto em sua ciência. A física clássica acreditava que não havia problemas sérios nele, e toda a estrutura do mundo parecia uma máquina perfeitamente sintonizada e previsível. O problema, como sempre, aconteceu por causa do absurdo - uma das pequenas "nuvens" que ainda permaneciam no céu claro e compreensível da ciência. Ou seja, ao calcular a energia de radiação de um corpo completamente negro (um corpo hipotético que a qualquer temperatura absorve completamente a radiação incidente sobre ele, independentemente do comprimento de onda - NS). Os cálculos mostraram que a energia total de radiação de qualquer corpo absolutamente negro deveria ser infinitamente grande. Para evitar tal absurdo óbvio, o cientista alemão Max Planck sugeriu em 1900 que a luz visível, os raios X e outras ondas eletromagnéticas só poderiam ser emitidas por certas porções discretas de energia, que ele chamou de quanta. Com a ajuda deles, foi possível resolver o problema específico de um corpo completamente negro. No entanto, as consequências da hipótese quântica para o determinismo ainda não foram percebidas naquela época. Até que, em 1926, outro cientista alemão, Werner Heisenberg, formulou o famoso princípio da incerteza.

Sua essência se resume ao fato de que, contrariamente a todas as afirmações anteriores, a natureza limita nossa capacidade de prever o futuro com base em leis físicas. Isso, é claro, é sobre o futuro e o presente das partículas subatômicas. Acontece que eles se comportam de maneira completamente diferente de qualquer outra coisa no macrocosmo ao nosso redor. No nível subatômico, o tecido do espaço torna-se irregular e caótico. O mundo das minúsculas partículas é tão turbulento e incompreensível que contraria o senso comum. O espaço e o tempo estão tão distorcidos e entrelaçados que não há conceitos comuns de esquerda e direita, para cima e para baixo, e mesmo antes e depois. Não há como dizer com certeza em que ponto particular do espaço esta ou aquela partícula está localizada em um determinado momento, e qual é o momento de seu momento. Há apenas uma certa probabilidade de encontrar uma partícula em muitas regiões do espaço-tempo. Partículas no nível subatômico parecem estar "manchadas" no espaço. Além disso, o próprio “status” das partículas não é definido: em alguns casos elas se comportam como ondas, em outros exibem propriedades de partículas. Isso é o que os físicos chamam de dualidade onda-partícula da mecânica quântica.

Níveis de estrutura do mundo: 1. Nível macroscópico - matéria 2. Nível molecular 3. Nível atômico - prótons, nêutrons e elétrons 4. Nível subatômico - elétron 5. Nível subatômico - quarks 6. Nível de cordas / © Bruno P. Ramos

Na Teoria Geral da Relatividade, como se estivesse em um estado com leis opostas, as coisas são fundamentalmente diferentes. O espaço parece um trampolim - um tecido liso que pode ser dobrado e esticado por objetos que possuem massa. Eles criam deformações do espaço-tempo - o que experimentamos como gravidade. Escusado será dizer que a Teoria Geral da Relatividade coerente, correta e previsível está em conflito insolúvel com o "hooligan maluco" - mecânica quântica e, como resultado, o macrocosmo não pode "reconciliar" com o microcosmo. É aí que entra a teoria das cordas.

Universo 2D. Gráfico poliedro E8 / ©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project

Teoria de tudo

A teoria das cordas encarna o sonho de todos os físicos de unir duas relatividade geral e mecânica quântica fundamentalmente contraditórias, um sonho que assombrou o maior "cigano e vagabundo" Albert Einstein até o fim de seus dias.

Muitos cientistas acreditam que tudo, desde a dança requintada das galáxias até a dança frenética das partículas subatômicas, pode ser explicado por apenas um princípio físico fundamental. Talvez até uma única lei que combine todos os tipos de energia, partículas e interações em alguma fórmula elegante.

A relatividade geral descreve uma das forças mais famosas do universo - a gravidade. A mecânica quântica descreve três outras forças: a força nuclear forte, que une prótons e nêutrons em átomos, o eletromagnetismo e a força fraca, que está envolvida no decaimento radioativo. Qualquer evento no universo, desde a ionização de um átomo até o nascimento de uma estrela, é descrito pelas interações da matéria através dessas quatro forças. Com a ajuda de matemática complexa, foi possível mostrar que as interações eletromagnética e fraca têm uma natureza comum, combinando-as em uma única eletrofraca. Posteriormente, a interação nuclear forte foi adicionada a eles - mas a gravidade não os une de forma alguma. A teoria das cordas é uma das candidatas mais sérias para conectar todas as quatro forças e, portanto, abranger todos os fenômenos do Universo - não é sem razão que também é chamada de “Teoria de Tudo”.

No início havia um mito

Gráfico da função beta de Euler para argumentos reais / ©Flickr

Até agora, nem todos os físicos estão entusiasmados com a teoria das cordas. E no início de sua aparição, parecia infinitamente longe da realidade. Seu próprio nascimento é uma lenda.

No final da década de 1960, um jovem físico teórico italiano, Gabriele Veneziano, procurava equações que pudessem explicar as forças nucleares fortes, a "cola" extremamente poderosa que mantém os núcleos dos átomos unidos ligando prótons e nêutrons. Segundo a lenda, certa vez ele se deparou com um livro empoeirado sobre a história da matemática, no qual encontrou uma função de 200 anos registrada pela primeira vez pelo matemático suíço Leonhard Euler. Imagine a surpresa de Veneziano ao descobrir que a função de Euler, que por muito tempo foi considerada nada mais que uma curiosidade matemática, descreve essa forte interação.

Como foi realmente? A fórmula foi provavelmente o resultado de longos anos de trabalho de Veneziano, e o caso só ajudou a dar o primeiro passo para a descoberta da teoria das cordas. A função de Euler, que milagrosamente explicava a força forte, encontrou uma nova vida.

Eventualmente, chamou a atenção de um jovem físico teórico americano, Leonard Susskind, que viu que a fórmula descrevia principalmente partículas que não tinham estrutura interna e podiam vibrar. Essas partículas se comportavam de tal maneira que não podiam ser apenas partículas pontuais. Susskind entendeu - a fórmula descreve um fio que é como um elástico. Ela não só podia esticar e encolher, mas também oscilar, se contorcer. Depois de descrever sua descoberta, Susskind introduziu a ideia revolucionária das cordas.

Infelizmente, a esmagadora maioria de seus colegas recebeu a teoria com bastante frieza.

modelo padrão

Na época, a ciência dominante representava partículas como pontos, não como cordas. Há anos, os físicos vêm investigando o comportamento de partículas subatômicas, colidindo-as em altas velocidades e estudando as consequências dessas colisões. Descobriu-se que o universo é muito mais rico do que se poderia imaginar. Foi uma verdadeira "explosão populacional" de partículas elementares. Estudantes de pós-graduação de universidades de física corriam pelos corredores gritando que haviam descoberto uma nova partícula - não havia nem letras suficientes para designá-las.

Mas, infelizmente, no "hospital-maternidade" de novas partículas, os cientistas não conseguiram encontrar a resposta para a pergunta - por que existem tantos deles e de onde eles vêm?

Isso levou os físicos a fazer uma previsão incomum e surpreendente - eles perceberam que as forças que atuam na natureza também podem ser explicadas usando partículas. Ou seja, existem partículas de matéria e existem partículas-portadoras de interações. Tal, por exemplo, é um fóton - uma partícula de luz. Quanto mais dessas partículas transportadoras - os mesmos fótons que as partículas de matéria trocam, mais brilhante é a luz. Os cientistas previram que essa troca particular de partículas transportadoras nada mais é do que o que percebemos como força. Isso foi confirmado por experimentos. Assim, os físicos conseguiram se aproximar do sonho de Einstein de unir forças.

Interações entre diferentes partículas no Modelo Padrão / ©Wikimedia Commons

Os cientistas acreditam que, se avançarmos rapidamente para logo após o Big Bang, quando o universo estava trilhões de graus mais quente, as partículas que carregam o eletromagnetismo e a força fraca se tornariam indistinguíveis e se fundiriam em uma única força chamada eletrofraca. E se voltarmos ainda mais no tempo, a interação eletrofraca se combinaria com a forte em uma “superforça” total.

Apesar de tudo isso ainda estar esperando para ser comprovado, a mecânica quântica de repente explicou como três das quatro forças interagem no nível subatômico. E ela explicou isso lindamente e consistentemente. Esse quadro harmonioso de interações, ao final, foi chamado de Modelo Padrão. Mas, infelizmente, mesmo nessa teoria perfeita havia um grande problema - ela não incluía a força mais famosa do nível macro - a gravidade.

©Wikimedia Commons

gráviton

Para a teoria das cordas, que não teve tempo de "florescer", veio o "outono", que continha muitos problemas desde o seu nascimento. Por exemplo, os cálculos da teoria previam a existência de partículas, que, como logo se estabeleceu com precisão, não existiam. Este é o chamado táquion - uma partícula que se move mais rápido que a luz no vácuo. Entre outras coisas, descobriu-se que a teoria requer até 10 dimensões. Não é de surpreender que isso tenha sido muito embaraçoso para os físicos, porque obviamente é mais do que vemos.

Em 1973, apenas alguns jovens físicos ainda lutavam com os mistérios da teoria das cordas. Um deles foi o físico teórico americano John Schwartz. Por quatro anos, Schwartz tentou domar as equações impertinentes, mas sem sucesso. Entre outros problemas, uma dessas equações teimosamente descrevia uma misteriosa partícula que não tinha massa e não era observada na natureza.

O cientista já havia decidido abandonar seu negócio desastroso, e então ocorreu-lhe - talvez as equações da teoria das cordas descrevam, entre outras coisas, a gravidade? No entanto, isso implicou uma revisão das dimensões dos principais “heróis” da teoria – as cordas. Ao assumir que as cordas são bilhões e bilhões de vezes menores do que um átomo, os "enroladores" transformaram a falha da teoria em sua virtude. A misteriosa partícula da qual John Schwartz tentara tão persistentemente se livrar agora atuava como um gráviton - uma partícula que havia sido procurada por muito tempo e que permitiria que a gravidade fosse transferida para o nível quântico. Foi assim que a teoria das cordas adicionou gravidade ao quebra-cabeça, que está faltando no Modelo Padrão. Mas, infelizmente, nem mesmo a comunidade científica reagiu a essa descoberta. A teoria das cordas permaneceu à beira da sobrevivência. Mas isso não impediu Schwartz. Apenas um cientista que estava disposto a arriscar sua carreira por causa de cordas misteriosas queria participar de sua busca - Michael Green.

O físico teórico americano John Schwartz e Michael Green

©California Institute of Technology/elementy.ru

Que razão há para pensar que a gravidade obedece às leis da mecânica quântica? Pela descoberta dessas "fundações" em 2011, foi concedido o Prêmio Nobel de Física. Consistia no fato de que a expansão do Universo não está desacelerando, como se pensava, mas, ao contrário, está acelerando. Essa aceleração é explicada pela ação de uma “antigravidade” especial, que é de certa forma característica do espaço vazio do vácuo cósmico. Por outro lado, no nível quântico, não pode haver nada absolutamente “vazio” – partículas subatômicas aparecem constantemente e desaparecem imediatamente no vácuo. Acredita-se que esse “piscar” de partículas seja responsável pela existência de energia escura “antigravidade” que preenche o espaço vazio.

Ao mesmo tempo, foi Albert Einstein, que até o final de sua vida não aceitou os princípios paradoxais da mecânica quântica (que ele mesmo previu), sugeriu a existência dessa forma de energia. Seguindo a tradição da filosofia grega clássica de Aristóteles com sua crença na eternidade do mundo, Einstein recusou-se a acreditar no que sua própria teoria previa, ou seja, que o universo teve um começo. Para "perpetuar" o universo, Einstein até introduziu uma certa constante cosmológica em sua teoria, e assim descreveu a energia do espaço vazio. Felizmente, alguns anos depois, descobriu-se que o Universo não é uma forma congelada, que está se expandindo. Então Einstein abandonou a constante cosmológica, chamando-a de "o maior erro de cálculo de sua vida".

Hoje, a ciência sabe que a energia escura existe, embora sua densidade seja muito menor do que a sugerida por Einstein (o problema da densidade da energia escura, aliás, é um dos maiores mistérios da física moderna). Mas não importa quão pequeno seja o valor da constante cosmológica, é suficiente para garantir que existam efeitos quânticos na gravidade.

bonecas de ninho subatômicas

Apesar de tudo, no início dos anos 1980, a teoria das cordas ainda apresentava contradições insolúveis, conhecidas na ciência como anomalias. Schwartz e Green começaram a eliminá-los. E seus esforços não foram em vão: os cientistas conseguiram eliminar algumas das contradições da teoria. Imagine o espanto desses dois, já acostumados ao fato de sua teoria ser ignorada, quando a reação da comunidade científica explodiu o mundo científico. Em menos de um ano, o número de teóricos das cordas saltou para centenas. Foi então que a teoria das cordas recebeu o título de The Theory of Everything. A nova teoria parecia capaz de descrever todos os componentes do universo. E aqui estão os ingredientes.

Cada átomo, como sabemos, consiste em partículas ainda menores - elétrons, que circulam ao redor do núcleo, que consiste em prótons e nêutrons. Prótons e nêutrons, por sua vez, são compostos de partículas ainda menores chamadas quarks. Mas a teoria das cordas diz que não termina com os quarks. Quarks são compostos de minúsculos filamentos serpenteantes de energia que se assemelham a cordas. Cada uma dessas cordas é inimaginavelmente pequena. Tão pequeno que se o átomo fosse ampliado para o tamanho do sistema solar, a corda seria do tamanho de uma árvore. Assim como as diferentes vibrações de uma corda de violoncelo criam o que ouvimos, assim como diferentes notas musicais, as diferentes formas (modos) de vibrar uma corda conferem às partículas suas propriedades únicas – massa, carga e assim por diante. Você sabe como, relativamente falando, os prótons na ponta da sua unha diferem do gráviton que ainda não foi descoberto? Apenas o conjunto de pequenas cordas que as compõem e como essas cordas vibram.

Claro, tudo isso é mais do que incrível. Desde os tempos da Grécia Antiga, os físicos se acostumaram com o fato de que tudo neste mundo consiste em algo como bolas, partículas minúsculas. E agora, não tendo tempo para se acostumar com o comportamento ilógico dessas bolas, que decorre da mecânica quântica, eles são convidados a deixar o paradigma por completo e operar com algum tipo de guarnição de espaguete...

Quinta Dimensão

Embora muitos cientistas chamem a teoria das cordas de triunfo da matemática, alguns problemas ainda permanecem - mais notavelmente, a falta de qualquer oportunidade de testá-la experimentalmente em um futuro próximo. Nem um único instrumento no mundo, existente ou capaz de aparecer em perspectiva, é incapaz de "ver" as cordas. Portanto, alguns cientistas, aliás, chegam a fazer a pergunta: a teoria das cordas é uma teoria da física ou da filosofia?. É verdade que não é necessário ver as cordas “com seus próprios olhos”. O que é necessário para provar a teoria das cordas é antes outra coisa - o que soa como ficção científica - a confirmação da existência de dimensões extras do espaço.

Do que se trata? Estamos todos acostumados a três dimensões de espaço e um - tempo. Mas a teoria das cordas prevê a presença de outras dimensões adicionais. Mas vamos começar em ordem.

De fato, a ideia da existência de outras dimensões surgiu há quase cem anos. Chegou à cabeça do então desconhecido matemático alemão Theodor Kalutz em 1919. Ele sugeriu a possibilidade da presença em nosso universo de outra dimensão que não vemos. Albert Einstein ouviu falar dessa ideia e, a princípio, gostou muito. Mais tarde, porém, ele duvidou de sua exatidão e atrasou a publicação de Kaluza em até dois anos. Em última análise, no entanto, o artigo foi publicado, e a dimensão extra tornou-se uma espécie de paixão pelo gênio da física.

Como você sabe, Einstein mostrou que a gravidade nada mais é do que uma deformação das medidas do espaço-tempo. Kaluza sugeriu que o eletromagnetismo também poderia ser ondulações. Por que não vemos? Kaluza encontrou a resposta para essa pergunta - as ondulações do eletromagnetismo podem existir em uma dimensão oculta adicional. Mas onde está?

A resposta a esta pergunta foi dada pelo físico sueco Oscar Klein, que sugeriu que a quinta dimensão de Kaluza é enrolada bilhões de vezes mais do que o tamanho de um único átomo, então não podemos vê-la. A ideia de que essa pequena dimensão existe ao nosso redor está no cerne da teoria das cordas.

Uma das formas propostas de dimensões extras de turbilhão. Dentro de cada uma dessas formas, uma corda vibra e se move - o principal componente do Universo. Cada forma é de seis dimensões - de acordo com o número de seis dimensões adicionais / © Wikimedia Commons

dez dimensões

Mas, na verdade, as equações da teoria das cordas não exigem nem uma, mas seis dimensões adicionais (no total, com quatro conhecidas por nós, existem exatamente 10 delas). Todos eles têm uma forma complexa muito torcida e torcida. E tudo é inimaginavelmente pequeno.

Como essas pequenas dimensões podem influenciar nosso grande mundo? Segundo a teoria das cordas, decisiva: para ela, tudo é determinado pela forma. Quando você toca teclas diferentes no saxofone, você obtém sons diferentes. Isso ocorre porque quando você pressiona uma determinada tecla ou combinação de teclas, você altera a forma do espaço no instrumento musical onde o ar circula. Devido a isso, diferentes sons nascem.

A teoria das cordas sugere que as dimensões extras torcidas e torcidas do espaço aparecem de maneira semelhante. As formas dessas dimensões adicionais são complexas e variadas, e cada uma faz com que a corda dentro dessas dimensões vibre de uma maneira diferente precisamente por causa de suas formas. Afinal, se assumirmos, por exemplo, que uma corda vibra dentro de um jarro e a outra dentro de uma corneta curvada, serão vibrações completamente diferentes. No entanto, se acreditarmos na teoria das cordas, na realidade, as formas das dimensões extras parecem muito mais complicadas do que um jarro.

Como o mundo funciona

A ciência hoje conhece um conjunto de números que são as constantes fundamentais do universo. Eles determinam as propriedades e características de tudo ao nosso redor. Entre essas constantes, por exemplo, a carga do elétron, a constante gravitacional, a velocidade da luz no vácuo... E se mudarmos esses números mesmo que um pequeno número de vezes, as consequências serão catastróficas. Suponha que aumentamos a força da interação eletromagnética. O que aconteceu? De repente, podemos descobrir que os íons se tornaram mais repulsivos uns dos outros, e a fusão termonuclear, que faz as estrelas brilharem e irradiarem calor, de repente falhou. Todas as estrelas se apagarão.

Mas e a teoria das cordas com suas dimensões extras? O fato é que, segundo ele, são as dimensões extras que determinam o valor exato das constantes fundamentais. Algumas formas de medição fazem com que uma corda vibre de uma certa maneira e dá origem ao que vemos como um fóton. Em outras formas, as cordas vibram de forma diferente e produzem um elétron. Verdadeiramente Deus está nas "pequenas coisas" - são essas pequenas formas que determinam todas as constantes fundamentais deste mundo.

teoria das supercordas

Em meados da década de 1980, a teoria das cordas assumiu um ar majestoso e esguio, mas dentro desse monumento reinava a confusão. Em apenas alguns anos, surgiram cinco versões da teoria das cordas. E embora cada uma delas seja construída sobre cordas e dimensões extras (todas as cinco versões estão unidas na teoria geral das supercordas - NS), nos detalhes essas versões divergiram significativamente.

Então, em algumas versões, as cordas tinham pontas abertas, em outras pareciam anéis. E em algumas versões, a teoria ainda exigia não 10, mas até 26 medições. O paradoxo é que todas as cinco versões atuais podem ser consideradas igualmente verdadeiras. Mas qual realmente descreve nosso universo? Este é outro mistério da teoria das cordas. É por isso que muitos físicos novamente acenaram com a mão para a teoria "louca".

Mas o principal problema das cordas, como já mencionado, é a impossibilidade (pelo menos por enquanto) de provar sua presença experimentalmente.

Alguns cientistas, no entanto, ainda dizem que na próxima geração de aceleradores há uma oportunidade muito mínima, mas ainda assim, de testar a hipótese de dimensões extras. Embora a maioria, é claro, tenha certeza de que, se isso for possível, então, infelizmente, não deve acontecer muito em breve - pelo menos em décadas, no máximo - mesmo em cem anos.

A teoria da relatividade apresenta o Universo como “plano”, mas a mecânica quântica diz que no nível micro há um movimento infinito que dobra o espaço. A teoria das cordas combina essas ideias e apresenta micropartículas como consequência da união das cordas unidimensionais mais finas, que se parecerão com micropartículas pontuais, portanto, não podem ser observadas experimentalmente.

Essa hipótese nos permite imaginar as partículas elementares que compõem o átomo a partir de fibras ultramicroscópicas chamadas cordas.

Todas as propriedades das partículas elementares são explicadas pela vibração ressonante das fibras que as formam. Essas fibras podem fazer um número infinito de vibrações. Esta teoria envolve a unificação das ideias da mecânica quântica e da teoria da relatividade. Mas devido à presença de muitos problemas na confirmação dos pensamentos subjacentes, a maioria dos cientistas modernos acredita que as ideias propostas nada mais são do que a profanação mais comum, ou seja, a teoria das cordas para manequins, ou seja, para pessoas completamente ignorantes da ciência e da estrutura do meio ambiente.

Propriedades das fibras ultramicroscópicas

Para entender sua essência, você pode imaginar as cordas dos instrumentos musicais - elas podem vibrar, dobrar, dobrar. O mesmo acontece com esses fios, que, emitindo certas vibrações, interagem entre si, dobram-se em laços e formam partículas maiores (elétrons, quarks), cuja massa depende da frequência de vibração das fibras e de sua tensão - esses indicadores determine a energia das cordas. Quanto maior a energia irradiada, maior a massa da partícula elementar.

Teoria da inflação e cordas

De acordo com a hipótese inflacionária, o Universo foi criado devido à expansão do microespaço, do tamanho de uma corda (comprimento de Planck). À medida que essa região crescia, os chamados filamentos ultramicroscópicos também se esticavam, agora seu comprimento é compatível com o tamanho do Universo. Eles interagem entre si da mesma maneira e produzem as mesmas vibrações e vibrações. Parece o efeito das lentes gravitacionais produzidas por eles, distorcendo os raios de luz de galáxias distantes. E vibrações longitudinais geram radiação gravitacional.

Falha matemática e outros problemas

Um dos problemas é a inconsistência matemática da teoria - os físicos que a estudam não têm fórmulas suficientes para trazê-la a uma forma completa. E a segunda é que essa teoria acredita que existem 10 dimensões, mas sentimos apenas 4 - altura, largura, comprimento e tempo. Os cientistas sugerem que os 6 restantes estão em um estado torcido, cuja presença não é sentida em tempo real. Além disso, o problema não é a possibilidade de confirmação experimental dessa teoria, mas também ninguém pode refutá-la.

Você já pensou que o universo é como um violoncelo? Isso mesmo, não veio. Porque o universo não é como um violoncelo. Mas isso não significa que ela não tenha cordas. Vamos falar sobre a Teoria das Cordas hoje.

Controvérsia física

Os cálculos mostraram que a energia total de radiação de qualquer corpo absolutamente negro deveria ser infinitamente grande. Para evitar tal absurdo óbvio, o cientista alemão Max Planck sugeriu em 1900 que a luz visível, os raios X e outras ondas eletromagnéticas só poderiam ser emitidas por certas porções discretas de energia, que ele chamou de quanta. Com a ajuda deles, foi possível resolver o problema específico de um corpo completamente negro. No entanto, as consequências da hipótese quântica para o determinismo ainda não foram percebidas naquela época. Até que, em 1926, outro cientista alemão, Werner Heisenberg, formulou o famoso princípio da incerteza.

Não há como dizer com certeza em que ponto particular do espaço esta ou aquela partícula está localizada em um determinado momento, e qual é o momento de seu momento. Há apenas uma certa probabilidade de encontrar uma partícula em muitas regiões do espaço-tempo. Partículas no nível subatômico parecem estar "manchadas" no espaço. Além disso, o próprio “status” das partículas não é definido: em alguns casos elas se comportam como ondas, em outros exibem propriedades de partículas. Isso é o que os físicos chamam de dualidade onda-partícula da mecânica quântica.

Universo 2D. Gráfico do poliedro E8 Teoria de Tudo

Com a ajuda de matemática complexa, foi possível mostrar que as interações eletromagnética e fraca têm uma natureza comum, combinando-as em uma única eletrofraca. Posteriormente, a interação nuclear forte foi adicionada a eles - mas a gravidade não os une de forma alguma. A teoria das cordas é uma das candidatas mais sérias para conectar todas as quatro forças e, portanto, abranger todos os fenômenos do Universo - não é sem razão que também é chamada de “Teoria de Tudo”.

No início havia um mito

Até agora, nem todos os físicos estão entusiasmados com a teoria das cordas. E no início de sua aparição, parecia infinitamente longe da realidade. Seu próprio nascimento é uma lenda.

Gráfico da função beta de Euler com argumentos reais

Infelizmente, a esmagadora maioria de seus colegas recebeu a teoria com bastante frieza.

modelo padrão

Interações entre diferentes partículas no Modelo Padrão
gráviton

bonecas de ninho subatômicas

Tão pequeno que se o átomo fosse ampliado para o tamanho do sistema solar, a corda seria do tamanho de uma árvore. Assim como as diferentes vibrações de uma corda de violoncelo criam o que ouvimos, assim como diferentes notas musicais, as diferentes formas (modos) de vibrar uma corda conferem às partículas suas propriedades únicas – massa, carga e assim por diante. Você sabe como, relativamente falando, os prótons na ponta da sua unha diferem do gráviton que ainda não foi descoberto? Apenas o conjunto de pequenas cordas que as compõem e como essas cordas vibram.

Quinta Dimensão

Do que se trata? Estamos todos acostumados a três dimensões de espaço e um - tempo. Mas a teoria das cordas prevê a presença de outras dimensões adicionais. Mas vamos começar em ordem.

dez dimensões

Como o mundo funciona

teoria das supercordas