Teoria das supercordas na linguagem popular. A teoria das cordas é a teoria unificada de tudo? A teoria das cordas experimentou duas revoluções

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. física clássica acreditava que problemas sérios não havia mais nada 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 luz visível, raios-x e outros ondas eletromagnéticas só pode ser emitida 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. É claro que estamos falando do futuro e do presente. 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 contradiz senso comum. Espaço e tempo estão tão distorcidos e entrelaçados nele 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 do espaço o este momento esta ou aquela partícula, 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. mecânica quântica.

Níveis da estrutura do mundo: 1. Nível macroscópico - substância 2. Nivel molecular 3. Nível atômico - prótons, nêutrons e elétrons 4. Nível subatômico - elétron 5. Nível subatômico - quarks 6. Nível da corda /© 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 consequência, o macrocosmo não pode se "reconciliar" com o microcosmo. É aí que entra a teoria das cordas.

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

Teoria de tudo

A teoria das cordas incorpora o sonho de todos os físicos de unificar os dois, fundamentalmente contraditório amigo da relatividade geral e da mecânica quântica, 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 fator fundamental. princípio físico. 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 na 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.

Usando a matemática mais complexa conseguiu mostrar que as interações eletromagnéticas e fracas natureza comum, combinando-os em um único eletrofraco. 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.

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 considerado nada mais do que uma curiosidade matemática, descreve essa forte interação.

Como foi realmente? A fórmula é provavelmente o resultado anos obra de Veneziano, e o caso só ajudou a dar o primeiro passo para a descoberta da teoria das cordas. função Euler, milagrosamente explicando a forte interação, 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" partículas elementares. Estudantes de pós-graduação de universidades de física corriam pelos corredores gritando que haviam aberto nova partícula, - não havia sequer letras suficientes para designá-los. 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 partículas-portadoras - os mesmos fótons que são trocados por partículas de matéria, mais luz mais brilhante. 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 /

Os cientistas acreditam que se avançarmos rapidamente para o momento imediatamente após Big Bang, quando o universo era trilhões de graus mais quente, partículas que carregam eletromagnetismo e interação fraca tornam-se indistinguíveis e unem-se 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.

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 no vácuo mais rápido que a luz. 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 físico americano O teórico 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 insistentemente 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 nível quântico. Foi assim que a teoria das cordas adicionou gravidade ao quebra-cabeça, que está faltando no Modelo Padrão. Mas, infelizmente, mesmo para esta descoberta comunidade científica não reagiu de jeito nenhum. 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.

bonecas de ninho subatômicas

Apesar de tudo, no início dos anos 1980, a teoria das cordas ainda tinha 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. Nova teoria parecia capaz de descrever todos os componentes do universo. E aqui estão os ingredientes.

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 como notas musicais diferentes, várias maneiras(modos) as vibrações da corda dão às partículas sua propriedades únicas massa, carga, etc. 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 se perguntar: 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”. Para provar a teoria das cordas, em vez disso, algo mais é necessário - algo que soa como Ficção científica- confirmação da existência de dimensões adicionais do espaço.

Sobre o que em questão? 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 esta pergunta - as ondulações do eletromagnetismo podem existir em um dimensão oculta. 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 /

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 um muito torcido e torcido forma complexa. 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 e 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 tais constantes, por exemplo, a carga de um elétron, a constante gravitacional, a velocidade da luz no vácuo... E se alterarmos esses números mesmo que um pequeno número de vezes, as consequências serão catastróficas. Suponha que aumentamos a força interação eletromagnética. O que aconteceu? De repente, podemos descobrir que os íons se tornaram mais fortes se repelem, e fusão termonuclear, que faz as estrelas brilharem e irradiarem calor, de repente teve um mau funcionamento. Todas as estrelas se apagarão.

Mas e a teoria das cordas com suas dimensões extras? O fato é que, segundo ele, são as dimensões adicionais que determinam o valor exato 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 ganhou um aparência esbelta, mas dentro deste monumento reinou a confusão. Em apenas alguns anos, surgiram cinco versões da teoria das cordas. E embora cada um deles seja construído em cordas e dimensões extras (todas as cinco versões são combinadas em teoria geral superstrings - NS), essas versões divergiram significativamente em detalhes.

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 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.

teoria das supercordas, linguagem popular, representa o universo como um conjunto de fios vibrantes de energia - cordas. Eles são a base da natureza. A hipótese também descreve outros elementos - branas. Toda a matéria em nosso mundo é composta de vibrações de cordas e branas. Uma consequência natural da teoria é a descrição da gravidade. É por isso que os cientistas acreditam que ela contém a chave para unificar a gravidade com outras forças.

O conceito está evoluindo

A teoria do campo unificado, a teoria das supercordas, é puramente matemática. Como todos os conceitos físicos, é baseado em equações que podem ser interpretadas de uma certa maneira.

Hoje, ninguém sabe exatamente qual será a versão final dessa teoria. Os estudiosos têm uma ideia bastante vaga de sua elementos comuns, mas ninguém ainda chegou a uma equação final que abranja todas as teorias das supercordas, e até agora não foi possível confirmá-la experimentalmente (embora também não refutá-la). Os físicos criaram versões simplificadas da equação, mas até agora ela não descreve bem o nosso universo.

Teoria das supercordas para iniciantes

A hipótese é baseada em cinco ideias-chave.

A teoria das supercordas prevê que todos os objetos em nosso mundo são compostos de filamentos vibrantes e membranas de energia.
Tenta combinar a teoria geral da relatividade (gravidade) com física quântica.
A teoria das supercordas unificará tudo forças fundamentais universo.
Essa hipótese prevê nova conexão, supersimetria, entre dois fundamentalmente Vários tipos partículas, bósons e férmions.
O conceito descreve uma série de dimensões adicionais, geralmente não observáveis do Universo.

Cordas e branas

Quando a teoria surgiu na década de 1970, os fios de energia nela eram considerados objetos unidimensionais - cordas. A palavra "unidimensional" diz que a corda tem apenas 1 dimensão, o comprimento, ao contrário, por exemplo, de um quadrado, que tem comprimento e altura.

A teoria divide essas supercordas em dois tipos - fechadas e abertas. Uma corda aberta tem extremidades que não se tocam, enquanto uma corda fechada é um laço sem extremidades abertas. Como resultado, verificou-se que essas strings, denominadas strings do primeiro tipo, estão sujeitas a 5 tipos principais de interações.

As interações são baseadas na capacidade de uma string de conectar e separar suas extremidades. Porque as extremidades cordas abertas pode combinar para formar cordas fechadas, você não pode construir uma teoria de supercordas que não inclua cordas em loop.

Isso acabou sendo importante, pois cordas fechadas têm propriedades, acreditam os físicos, que podem descrever a gravidade. Em outras palavras, os cientistas perceberam que, em vez de explicar as partículas da matéria, a teoria das supercordas poderia descrever seu comportamento e gravidade.

Muitos anos depois, descobriu-se que, além das cordas, outros elementos são necessários para a teoria. Eles podem ser pensados como folhas ou branas. As cordas podem ser anexadas a um ou ambos os lados deles.

gravidade quântica

A física moderna tem duas leis científicas principais: a relatividade geral (GR) e a quântica. Eles representam absolutamente Áreas diferentes Ciência. A física quântica estuda as menores partículas naturais, enquanto a relatividade geral, como regra, descreve a natureza na escala de planetas, galáxias e o universo como um todo. As hipóteses que tentam unificá-las são chamadas de teorias. gravidade quântica. O mais promissor deles hoje é o barbante.

As roscas fechadas correspondem ao comportamento da gravidade. Em particular, eles têm as propriedades de um gráviton, uma partícula que transporta a gravidade entre os objetos.

Unindo forças

A teoria das cordas tenta combinar as quatro forças - eletromagnética, forças nucleares fortes e fracas e gravidade - em uma. Em nosso mundo, eles se manifestam como quatro fenômenos diferentes, mas os teóricos das cordas acreditam que no início do Universo, quando eram incrivelmente níveis altos energia, todas essas forças são descritas por cordas interagindo umas com as outras.

supersimetria

Todas as partículas do universo podem ser divididas em dois tipos: bósons e férmions. A teoria das cordas prevê que existe uma relação entre os dois chamada supersimetria. Na supersimetria, para cada bóson deve haver um férmion, e para cada férmion, um bóson. Infelizmente, a existência de tais partículas não foi confirmada experimentalmente.

A supersimetria é dependência matemática entre elementos equações físicas. Foi descoberto em outra área da física, e sua aplicação levou à renomeação da teoria das cordas supersimétricas (ou teoria das supercordas, no jargão popular) em meados da década de 1970.

Uma vantagem da supersimetria é que ela simplifica bastante as equações, permitindo que algumas variáveis sejam eliminadas. Sem supersimetria, as equações levam a contradições físicas como valores infinitos e imaginários

Como os cientistas não observaram as partículas previstas pela supersimetria, ainda é uma hipótese. Muitos físicos acreditam que a razão para isso é a necessidade de uma quantidade significativa de energia, que está relacionada à massa pela famosa equação de Einstein E = mc 2 . Essas partículas poderiam ter existido no início do universo, mas à medida que esfriou e a energia se expandiu após o Big Bang, essas partículas se moveram para níveis de baixa energia.

Em outras palavras, as cordas que vibravam como partículas de alta energia perderam sua energia, o que as transformou em elementos com menor vibração.

Os cientistas esperam que observações astronômicas ou experimentos com aceleradores de partículas confirmarão a teoria, revelando alguns dos elementos supersimétricos de energia mais alta.

Medições adicionais

Outra consequência matemática da teoria das cordas é que ela faz sentido em um mundo com mais de três dimensões. Atualmente, existem duas explicações para isso:

As dimensões extras (seis delas) entraram em colapso, ou, na terminologia da teoria das cordas, compactadas em um tamanho incrivelmente pequeno que nunca será percebido.
Estamos presos em uma brana 3D, e outras dimensões se estendem além dela e são inacessíveis para nós.

Uma importante área de pesquisa entre os teóricos é modelagem matemática como essas coordenadas adicionais podem ser relacionadas às nossas. Últimos resultados preveem que os cientistas em breve poderão detectar essas dimensões adicionais (se existirem) em experimentos futuros, pois podem ser maiores do que o esperado anteriormente.

Compreensão do propósito

O objetivo pelo qual os cientistas estão se esforçando ao explorar as supercordas é a "teoria de tudo", ou seja, uma única hipótese física que é nível fundamental descreve todo o realidade física. Se for bem-sucedido, poderá esclarecer muitas questões sobre a estrutura do nosso universo.

Explicação da matéria e da massa

Uma das principais tarefas da pesquisa moderna é encontrar uma solução para partículas reais.

A teoria das cordas começou como um conceito que descreve partículas como os hádrons em vários estados vibracionais mais elevados de uma corda. A maioria formulações modernas, a matéria observada em nosso universo é o resultado das vibrações de cordas e branas de menor energia. Vibrações com mais geram partículas de alta energia que atualmente não existem em nosso mundo.

A massa destes é uma manifestação de como cordas e branas são envolvidas em dimensões extras compactadas. Por exemplo, em um caso simplificado em que eles são dobrados em forma de rosquinha, chamados de toro por matemáticos e físicos, uma corda pode envolver essa forma de duas maneiras:

um loop curto no meio do toro;
uma longa volta ao redor de toda a circunferência externa do toro.

Um loop curto será uma partícula leve e um loop grande será pesado. Quando as cordas são enroladas em dimensões toroidais compactadas, novos elementos com massas diferentes são formados.

A teoria das supercordas explica de forma breve e clara, simples e elegante a transição do comprimento para a massa. As dimensões dobradas aqui são muito mais complicadas do que o toro, mas em princípio funcionam da mesma maneira.

É até possível, embora seja difícil imaginar, que a corda enrole o toro em duas direções ao mesmo tempo, resultando em uma partícula diferente com uma massa diferente. As branas também podem envolver dimensões extras, criando ainda mais possibilidades.

Definição de espaço e tempo

Em muitas versões da teoria das supercordas, as dimensões colapsam, tornando-as inobserváveis em nível moderno desenvolvimento de tecnologia.

Atualmente, não está claro se a teoria das cordas pode explicar natureza fundamental mais espaço e tempo do que Einstein. Nela, as medições são o pano de fundo para a interação das cordas e não têm significado real independente.

Explicações têm sido oferecidas, não totalmente desenvolvidas, sobre a representação do espaço-tempo como uma derivação valor total todas as interações de string.

Essa abordagem não vai ao encontro das ideias de alguns físicos, o que levou a críticas à hipótese. Teoria competitiva como ponto de partida usa quantização de espaço e tempo. Alguns acreditam que no final será apenas uma abordagem diferente para a mesma hipótese básica.

Quantização por gravidade

A principal conquista dessa hipótese, se confirmada, será a teoria quântica da gravidade. A descrição atual na relatividade geral é inconsistente com a física quântica. Este último, ao impor restrições ao comportamento de pequenas partículas, leva a contradições ao tentar explorar o Universo em escala extremamente pequena.

Unificação de forças

Atualmente, os físicos conhecem quatro forças fundamentais: interação gravitacional, eletromagnética, nuclear fraca e forte. Segue-se da teoria das cordas que todos eles já foram manifestações de um.

De acordo com essa hipótese, uma vez que universo primitivo esfriada após o big bang, essa interação única começou a se desintegrar em diferentes que operam hoje.

Experimentos de alta energia um dia nos permitirão descobrir a unificação dessas forças, embora tais experimentos estejam muito além do desenvolvimento atual da tecnologia.

Cinco opções

Desde a revolução das supercordas de 1984, o desenvolvimento progrediu em um ritmo febril. Como resultado, em vez de um conceito, obtivemos cinco, denominados tipos I, IIA, IIB, HO, HE, cada um dos quais descrevendo quase completamente nosso mundo, mas não completamente.

Os físicos, selecionando versões da teoria das cordas na esperança de encontrar uma fórmula universal verdadeira, criaram 5 versões autossuficientes diferentes. Algumas de suas propriedades refletiam a realidade física do mundo, outras não correspondiam à realidade.

Teoria M

Em uma conferência em 1995, o físico Edward Witten propôs uma solução ousada para o problema de cinco hipóteses. Com base na dualidade recém-descoberta, todos eles se tornaram casos especiais de um único conceito abrangente, chamado de teoria M das supercordas de Witten. Um de seus conceitos-chave foi branas (abreviação de membrana), objetos fundamentais com mais de 1 dimensão. Embora o autor não tenha sugerido versão completa, que não existe até agora, a teoria M das supercordas consiste brevemente nos seguintes recursos:

11 dimensões (10 espaciais mais 1 dimensão temporal);
dualidades que levam a cinco teorias explicando a mesma realidade física;
branas são strings com mais de 1 dimensão.

Consequências

Como resultado, em vez de uma, havia 10.500 soluções. Para alguns físicos, isso causou uma crise, enquanto outros aceitavam o princípio antrópico, que explica as propriedades do universo pela nossa presença nele. Resta saber quando os teóricos encontrarão outra maneira de se orientar na teoria das supercordas.

Algumas interpretações sugerem que nosso mundo não é o único. As versões mais radicais permitem a existência um número infinito universos, alguns dos quais contêm cópias exatas nosso.

A teoria de Einstein prevê a existência de um espaço espiralado, que é chamado de buraco de minhoca ou ponte Einstein-Rosen. Nesse caso, dois locais distantes são conectados por uma curta passagem. A teoria das supercordas permite não apenas isso, mas também a conexão de pontos distantes mundos paralelos. É até possível fazer a transição entre universos com diferentes leis da física. No entanto, é provável que a teoria quântica da gravidade torne sua existência impossível.

Muitos físicos acreditam que o princípio holográfico, quando todas as informações contidas no volume do espaço correspondem às informações registradas em sua superfície, permitirá uma compreensão mais profunda do conceito de fios de energia.

Alguns acreditam que a teoria das supercordas permite múltiplas dimensões de tempo, o que pode resultar em viagens através delas.

Além disso, há uma alternativa ao modelo do big bang na hipótese, segundo a qual nosso universo surgiu como resultado da colisão de duas branas e passa por repetidos ciclos de criação e destruição.

O destino final do universo sempre preocupou os físicos, e a versão final da teoria das cordas ajudará a determinar a densidade da matéria e a constante cosmológica. Conhecendo esses valores, os cosmólogos poderão determinar se o universo encolherá até explodir, para que tudo recomece.

Ninguém sabe o que pode levar até que seja desenvolvido e testado. Einstein, escrevendo a equação E=mc 2 , não assumiu que isso levaria ao aparecimento armas nucleares. Criadores física quântica não sabia que se tornaria a base para a criação de um laser e um transistor. E embora ainda não se saiba o que é tão puramente conceito teórico, a história mostra que algo excepcional certamente acontecerá.

Você pode ler mais sobre essa hipótese na Teoria das Supercordas para Leigos, de Andrew Zimmerman.

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.

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 seja impossível “tocar” a sinfonia do universo sobre eles, pois, segundo os teóricos das cordas, tudo o que existe consiste nesses “fios”.

Contradição 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 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 negro deve ser infinitamente grande. Para escapar A partir de um absurdo tão óbvio, o cientista alemão Max Planck em 1900 sugeriu que a luz visível, os raios X e outras ondas eletromagnéticas só podem ser emitidas por certas porções discretas de energia, que ele chamou de quanta. o problema particular de um corpo completamente negro A hipótese quântica para o determinismo ainda não foi realizada até 1926, quando 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. Espaço e tempo estão tão distorcidos e entrelaçados nele 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. Existe apenas uma certa probabilidade de encontrar uma partícula em um conjunto de regiões do espaço - tempo. Partículas no nível subatômico parecem ser "manchadas" sobre o espaço. Além disso, o "Status" das partículas em si não é definido: em alguns casos elas se comportam como ondas, em outros exibem as propriedades das partículas. Isso é o que os físicos chamam de dualidade onda-partícula da mecânica quântica.

Na teoria da relatividade geral, 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 Excêntrico" - mecânica quântica e, como resultado, o macrocosmo não pode "reconciliar" com o microcosmo. É aí que entra a teoria das cordas.

Teoria de tudo.
A teoria das cordas encarna o sonho de todos os físicos de unir as duas mecânicas oto e quântica fundamentalmente contraditórias, um sonho que assombrou o maior "Cigano e o 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.

Otho 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, uma forte interação nuclear 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 à toa 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.

No final dos anos 1960, um jovem físico teórico italiano Gabriele Veneziano estava procurando por equações que pudessem explicar as forças nucleares fortes - uma "cola" extremamente poderosa que mantém os núcleos dos átomos juntos 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 equação de 200 anos escrita pela primeira vez pelo matemático suíço Leonhard Euler. Qual foi a surpresa do veneziano quando descobriu que a equação de Euler, que por muito tempo foi considerada nada mais que uma curiosidade matemática, descreve essa forte interação.

Como foi realmente? A equação foi provavelmente o resultado de muitos anos de trabalho do veneziano, e o caso só ajudou a dar o primeiro passo para a descoberta da teoria das cordas. A equação de Euler, explicando milagrosamente a força forte, encontrou uma nova vida.

No final, chamou a atenção de um jovem físico teórico americano, Leonard Susskind, que viu que, em primeiro lugar, a fórmula descrevia 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 verdadeiro" Explosão populacional Partículas elementares Estudantes de pós-graduação de universidades de física corriam pelos corredores gritando que haviam descoberto uma nova partícula - não havia nem letras 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 - portadoras - 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.

Os cientistas acreditam que, se avançarmos rapidamente para logo após o big bang, quando o universo era trilhões de graus mais quente, as partículas que carregam o eletromagnetismo e a força fraca se tornarão indistinguíveis e se combinarão 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 padrão harmonioso de interações acabou sendo chamado de modelo padrão. Mas, infelizmente, havia um grande problema nessa teoria perfeita - ela não incluía a força mais famosa do nível macro - a gravidade.

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 que um átomo, os "Stringers" 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 disposto a arriscar sua carreira por causa das misteriosas cordas queria participar de sua busca - Michael Green.

Bonecas de aninhamento subatômicas.
Apesar de tudo, no início dos anos 1980, a teoria das cordas ainda tinha contradições insolúveis, chamadas de anomalias na ciência. 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 teoria de tudo. 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 sistema solar, a string seria do tamanho de uma árvore. Assim como diferentes vibrações de uma corda de violoncelo criam o que ouvimos, como diferentes notas musicais, diferentes maneiras (modos) de vibrar uma corda dão 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 o tempo Grécia antiga os físicos estão acostumados ao fato de que tudo neste mundo consiste em algo como bolas, partículas minúsculas. E agora, não tendo tempo de se acostumar com o comportamento ilógico dessas bolas, que decorre da mecânica quântica, eles são convidados a sair completamente do paradigma e operar com algum tipo de restos de espaguete.

Como o mundo funciona.
A ciência hoje conhece um conjunto de números que são as constantes fundamentais do universo. São eles que 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 um deles seja construído em cordas e dimensões extras (todas as cinco versões são combinadas na teoria geral das supercordas - NS), essas versões diferiram significativamente em detalhes.

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

Em última análise, todas as partículas elementares podem ser representadas como cordas multidimensionais microscópicas nas quais são excitadas vibrações de vários harmônicos.

Atenção, apertem mais os cintos - e tentarei descrever para vocês uma das teorias mais estranhas entre os círculos científicos seriamente discutidos hoje, que pode finalmente dar a pista final sobre a estrutura do Universo. Esta teoria parece tão selvagem que, muito possivelmente, está correta!

Várias versões da teoria das cordas são hoje consideradas as principais candidatas ao título de uma teoria universal abrangente que explica a natureza de tudo o que existe. E esta é uma espécie de Santo Graal dos físicos teóricos envolvidos na teoria das partículas elementares e na cosmologia. Teoria Universal (aka. teoria de tudo) contém apenas algumas equações que combinam a totalidade do conhecimento humano sobre a natureza das interações e propriedades dos elementos fundamentais da matéria a partir dos quais o Universo é construído. Hoje, a teoria das cordas foi combinada com o conceito supersimetria, resultando no nascimento teoria das supercordas, e hoje este é o máximo que foi alcançado em termos de unificação da teoria das quatro principais interações (forças que atuam na natureza). A própria teoria da supersimetria já é construída a priori conceito moderno, segundo o qual qualquer interação remota (de campo) é devido à troca de partículas-portadoras de interação do tipo correspondente entre as partículas que interagem ( cm. modelo padrão). Para maior clareza, as partículas que interagem podem ser consideradas os "tijolos" do universo e as partículas-portadoras - cimento.

Dentro da estrutura do modelo padrão, os quarks atuam como blocos de construção e os portadores de interação são bósons de calibre, que esses quarks trocam entre si. A teoria da supersimetria vai ainda mais longe e afirma que os próprios quarks e léptons não são fundamentais: todos eles consistem em estruturas ainda mais pesadas e experimentalmente desconhecidas (tijolos) de matéria, mantidas juntas por um “cimento” ainda mais forte de partículas superenergéticas – portadores de interações do que quarks em hádrons e bósons. Naturalmente, em condições de laboratório, nenhuma das previsões da teoria da supersimetria ainda foi verificada, no entanto, os componentes ocultos hipotéticos do mundo material já têm nomes - por exemplo, seeelectron(parceiro supersimétrico de um elétron), squark etc. A existência dessas partículas, no entanto, é inequivocamente prevista por teorias desse tipo.

A imagem do universo oferecida por essas teorias, no entanto, é bastante fácil de visualizar. Em uma escala de cerca de 10 a 35 m, ou seja, 20 ordens de grandeza menor que o diâmetro do mesmo próton, que inclui três quarks ligados, a estrutura da matéria difere do que estamos acostumados, mesmo no nível das partículas elementares. . A distâncias tão pequenas (e com energias de interação tão altas que é impensável) a matéria se transforma em uma série de ondas estacionárias de campo, semelhantes às excitadas em cordas instrumentos musicais. Como uma corda de violão, em tal corda, além do tom fundamental, muitos conotações ou harmônicos. Cada harmônico tem seu próprio estado de energia. De acordo com princípio da relatividade (cm. A teoria da relatividade), energia e massa são equivalentes, o que significa que quanto maior a frequência da vibração da onda harmônica da corda, maior sua energia e maior a massa da partícula observada.

No entanto, se uma onda estacionária em uma corda de violão é visualizada de forma bastante simples, ondas estacionárias, oferecidos pela teoria das supercordas, são difíceis de visualizar - o fato é que as vibrações das supercordas ocorrem em um espaço que possui 11 dimensões. Estamos acostumados a um espaço quadridimensional, que contém três dimensões espaciais e uma temporal (esquerda-direita, cima-baixo, frente-trás, passado-futuro). No espaço das supercordas, as coisas são muito mais complicadas (veja a inserção). Os físicos teóricos contornam o problema escorregadio das dimensões espaciais "extra" argumentando que elas estão "escondidas" (ou, linguagem científica expresso, "compactar") e, portanto, não são observados em energias comuns.

Mais recentemente, a teoria das cordas foi desenvolvida na forma teoria das membranas multidimensionais- na verdade, são as mesmas cordas, mas planas. Como um de seus autores brincou casualmente, as membranas diferem das cordas da mesma maneira que o macarrão difere da aletria.

Isso, talvez, seja tudo o que pode ser dito brevemente sobre uma das teorias, não sem razão alegando hoje ser a teoria universal da Grande Unificação de todas as interações de força. Infelizmente, esta teoria não é sem pecado. Em primeiro lugar, ainda não foi levado a um estrito forma matemática devido à insuficiência do aparato matemático para trazê-lo em estrita correspondência interna. Já se passaram 20 anos desde que essa teoria nasceu e ninguém conseguiu harmonizar consistentemente alguns de seus aspectos e versões com outros. Ainda mais desagradável é o fato de que nenhum dos teóricos que propõem a teoria das cordas (e, especialmente, das supercordas) ainda não propôs um único experimento no qual essas teorias pudessem ser testadas em laboratório. Infelizmente, temo que até que façam isso, todo o seu trabalho continuará sendo um jogo bizarro de fantasia e um exercício de compreensão do conhecimento esotérico fora do mainstream da ciência natural.

Veja também:

1972	cromodinâmica quântica

Quantas dimensões existem?

Nós, pessoas comuns, três dimensões eram sempre suficientes. Desde tempos imemoriais estamos acostumados a descrever mundo físico dentro de uma estrutura tão modesta (um tigre dente de sabre 40 metros à frente, 11 metros à direita e 4 metros acima de mim - um paralelepípedo para a batalha!). A teoria da relatividade ensinou à maioria de nós que o tempo é a essência da quarta dimensão (o tigre dente de sabre não está apenas aqui - ele nos ameaça aqui e agora!). E assim, a partir de meados do século 20, os teóricos começaram a falar sobre o fato de que existem ainda mais dimensões - ou 10, ou 11, ou até 26. Claro, sem explicar por que nós, pessoas normais, nós não os observamos, não poderia fazer aqui. E então surgiu o conceito de "compactação" - a adesão ou colapso das dimensões.

Imagine uma mangueira de rega de jardim. De perto, é percebido como um objeto tridimensional normal. É necessário, no entanto, afastar-se da mangueira a uma distância suficiente - e ela nos parecerá um objeto linear unidimensional: simplesmente deixamos de perceber sua espessura. É este efeito que é comumente referido como a compactação de uma dimensão: este caso A espessura da mangueira acabou "compactada" - a escala da escala de medição é muito pequena.

É exatamente assim que, segundo os teóricos, as dimensões adicionais realmente existentes desaparecem do campo de nossa percepção experimental, que são necessárias para uma explicação adequada das propriedades da matéria no nível subatômico: tornam-se compactas, a partir de uma escala de cerca de 10-35 m, métodos modernos observação e medindo instrumentos simplesmente incapaz de detectar estruturas em uma escala tão pequena. Talvez seja exatamente assim, ou talvez as coisas sejam completamente diferentes. Embora não existam tais dispositivos e métodos de observação, todos os argumentos e contra-argumentos acima permanecerão no nível de especulação ociosa.

Hoje, a teoria das cordas foi combinada com o conceito de supersimetria, resultando no nascimento da teoria das supercordas, e hoje este é o máximo que foi alcançado em termos de unificação da teoria das quatro principais interações (forças que atuam na natureza). A própria teoria da supersimetria já foi construída com base em um conceito moderno a priori, segundo o qual qualquer interação remota (de campo) é devido à troca de partículas-portadoras de uma interação do tipo apropriado entre partículas em interação (ver o Modelo Padrão). Para maior clareza, as partículas que interagem podem ser consideradas os "tijolos" do universo e as partículas transportadoras - cimento.

Teoria das cordas - direção física matemática, que estuda a dinâmica não de partículas pontuais, como a maioria dos ramos da física, mas de objetos estendidos unidimensionais, ou seja, cordas.
Dentro da estrutura do Modelo Padrão, os quarks atuam como blocos de construção e os bósons de calibre, que esses quarks trocam entre si, atuam como portadores de interação. A teoria da supersimetria vai ainda mais longe e afirma que os próprios quarks e léptons não são fundamentais: todos eles consistem em estruturas ainda mais pesadas e experimentalmente desconhecidas (tijolos) de matéria, mantidas juntas por um “cimento” ainda mais forte de partículas superenergéticas – portadores de interações do que quarks em hádrons e bósons.

Naturalmente, em condições de laboratório, nenhuma das previsões da teoria da supersimetria ainda foi verificada, no entanto, os hipotéticos componentes ocultos do mundo material já têm nomes - por exemplo, o elétron (o parceiro supersimétrico do elétron), o squark , etc. A existência dessas partículas, no entanto, teorias desse tipo são inequivocamente previstas.

A imagem do universo oferecida por essas teorias, no entanto, é bastante fácil de visualizar. Em escalas da ordem de 10E-35 m, ou seja, 20 ordens de grandeza menores que o diâmetro do mesmo próton, que inclui três quarks ligados, a estrutura da matéria difere do que estamos acostumados mesmo no nível de elementar. partículas. A distâncias tão pequenas (e com energias de interação tão altas que é impensável), a matéria se transforma em uma série de ondas estacionárias de campo, semelhantes às que são excitadas nas cordas dos instrumentos musicais. Como uma corda de violão, além do tom fundamental, muitos harmônicos ou harmônicos podem ser excitados em tal corda. Cada harmônico tem seu próprio estado de energia. De acordo com o princípio da relatividade (ver Teoria da Relatividade), energia e massa são equivalentes, o que significa que quanto maior a frequência da vibração da onda harmônica de uma corda, maior sua energia e maior a massa da partícula observada.

No entanto, se uma onda estacionária em uma corda de violão é visualizada de forma bastante simples, as ondas estacionárias propostas pela teoria das supercordas são difíceis de visualizar - o fato é que as supercordas vibram em um espaço que tem 11 dimensões. Estamos acostumados a um espaço quadridimensional, que contém três dimensões espaciais e uma temporal (esquerda-direita, cima-baixo, frente-trás, passado-futuro). No espaço das supercordas, as coisas são muito mais complicadas (veja a inserção). Os físicos teóricos contornam o problema escorregadio das dimensões espaciais "extra" argumentando que elas estão "ocultas" (ou, em termos científicos, "compactadas") e, portanto, não são observadas em energias comuns.

Mais recentemente, a teoria das cordas foi desenvolvida na forma da teoria das membranas multidimensionais - na verdade, são as mesmas cordas, mas planas. Como um de seus autores brincou casualmente, as membranas diferem das cordas da mesma maneira que o macarrão difere da aletria.

Isso, talvez, seja tudo o que pode ser dito brevemente sobre uma das teorias, não sem razão alegando hoje ser a teoria universal da Grande Unificação de todas as interações de força. Infelizmente, esta teoria não é sem pecado. Em primeiro lugar, ainda não foi levado a uma forma matemática rigorosa devido à insuficiência do aparato matemático para trazê-lo para uma correspondência interna estrita. Já se passaram 20 anos desde que essa teoria nasceu e ninguém conseguiu harmonizar consistentemente alguns de seus aspectos e versões com outros. Ainda mais desagradável é o fato de que nenhum dos teóricos que propõem a teoria das cordas (e, especialmente, das supercordas) ainda não propôs um único experimento no qual essas teorias pudessem ser testadas em laboratório. Infelizmente, temo que até que eles façam isso, todo o seu trabalho continuará sendo um jogo bizarro de fantasia e um exercício de compreensão do conhecimento esotérico fora do mainstream da ciência natural.

Estudando as propriedades dos buracos negros

Em 1996, os teóricos das cordas Andrew Strominger e Cumrun Wafa, contando com mais primeiros resultados Susskind e Sen, publicaram "A Natureza Microscópica de Bekenstein e a Entropia de Hawking". Neste trabalho, Strominger e Wafa foram capazes de usar a teoria das cordas para encontrar os componentes microscópicos de uma determinada classe de buracos negros, bem como calcular com precisão as contribuições desses componentes para a entropia. O trabalho baseou-se na aplicação de um novo método, em parte fora do âmbito da teoria das perturbações, que foi utilizado nos anos 1980 e início dos anos 1990. O resultado do trabalho coincidiu exatamente com as previsões de Bekenstein e Hawking, feitas mais de vinte anos antes.

Strominger e Vafa contrapuseram os processos reais de formação de buracos negros com uma abordagem construtiva. Eles mudaram a visão da formação de buracos negros, mostrando que eles podem ser construídos montando meticulosamente em um mecanismo o conjunto exato de branas descobertas durante a segunda revolução das supercordas.

Tendo em mãos todos os controles de um design microscópico buraco negro, Strominger e Wafa foram capazes de calcular o número de permutações dos componentes microscópicos de um buraco negro que deixam inalteradas características comuns observáveis, como massa e carga. Depois disso, eles compararam o número resultante com a área do horizonte de eventos do buraco negro - a entropia prevista por Bekenstein e Hawking - e encontraram uma concordância perfeita. Pelo menos para a classe dos buracos negros extremos, Strominger e Vafa conseguiram encontrar uma aplicação da teoria das cordas à análise de componentes microscópicos e ao cálculo exato da entropia correspondente. O problema que havia enfrentado os físicos por um quarto de século foi resolvido.

Para muitos teóricos, essa descoberta foi importante e argumento convincente em apoio à teoria das cordas. O desenvolvimento da teoria das cordas ainda é muito rudimentar para uma comparação direta e precisa com resultados experimentais, por exemplo, com os resultados das medições das massas de um quark ou de um elétron. A teoria das cordas, no entanto, fornece a primeira justificativa fundamental há muito tempo. propriedade pública buracos negros, impossibilidade de explicação que por muitos anos dificultou a pesquisa dos físicos que trabalhavam com as teorias tradicionais. Até Sheldon Glashow Prêmio Nobel em física e um ferrenho oponente da teoria das cordas na década de 1980, admitiu em uma entrevista em 1997 que "quando os teóricos das cordas falam sobre buracos negros, eles estão falando quase sobre fenômenos observáveis, e isso é impressionante".

Cosmologia de cordas

Existem três pontos principais nos quais a teoria das cordas modifica o modelo cosmológico padrão. Em primeiro lugar, no espírito da pesquisa moderna, que cada vez mais esclarece a situação, decorre da teoria das cordas que o Universo deveria ter um mínimo de tamanho permitido. Esta conclusão muda a ideia da estrutura do Universo imediatamente no momento do Big Bang, para o qual o modelo padrão dá o tamanho zero do Universo. Em segundo lugar, o conceito de T-dualidade, isto é, a dualidade de pequenos e grandes raios(No dele conexão próxima com a existência de um tamanho mínimo) na teoria das cordas também é importante na cosmologia. Em terceiro lugar, o número de dimensões espaço-temporais na teoria das cordas é superior a quatro, então a cosmologia deve descrever a evolução de todas essas dimensões.

Modelo de Brandenberg e Wafa

No final dos anos 1980 Robert Brandenberger e Kumrun Wafa fizeram o primeiro passos importantes para entender o que muda nas consequências do padrão modelo cosmológico usará a teoria das cordas. Eles chegaram a duas conclusões importantes. Primeiro, à medida que voltamos ao tempo do Big Bang, a temperatura continua a subir até o momento em que o tamanho do universo em todas as direções é igual ao comprimento de Planck. Neste ponto, a temperatura atingirá um máximo e começará a diminuir. Em um nível intuitivo, não é difícil entender a razão desse fenômeno. Suponha por simplicidade (seguindo Brandenberger e Wafa) que todas as dimensões espaciais do universo são cíclicas. À medida que retrocedemos no tempo, o raio de cada círculo diminui e a temperatura do universo aumenta. Sabemos pela teoria das cordas que reduzir os raios primeiro para e depois abaixo do comprimento de Planck é fisicamente equivalente a diminuir os raios para o comprimento de Planck, seguido de seu aumento subsequente. Como a temperatura cai durante a expansão do Universo, tentativas malsucedidas de comprimir o Universo para tamanhos menores que o comprimento de Planck levarão à cessação do crescimento da temperatura e sua diminuição adicional.

Como resultado, Brandenberger e Vafa chegaram ao seguinte quadro cosmológico: primeiro, todas as dimensões espaciais na teoria das cordas estão firmemente enroladas até uma dimensão mínima da ordem do comprimento de Planck. A temperatura e a energia são altas, mas não infinitas: os paradoxos do ponto de partida do tamanho zero na teoria das cordas são resolvidos. NO momento inicial a existência do Universo, todas as dimensões espaciais da teoria das cordas são completamente iguais e completamente simétricas: todas elas são enroladas em uma massa multidimensional de dimensões de Planck. Além disso, de acordo com Brandenberger e Wafa, o Universo passa pelo primeiro estágio de redução de simetria, quando no tempo de Planck três dimensões espaciais são selecionadas para expansão subsequente, enquanto o restante mantém seu tamanho original de Planck. Essas três dimensões são então identificadas com as dimensões no cenário cosmologia inflacionária e no processo de evolução assumem a forma agora observável.

Modelo Veneziano e Gasperini

Desde o trabalho de Brandenberger e Wafa, os físicos fizeram progressos contínuos na compreensão da cosmologia das cordas. Entre aqueles que lideram esses estudos estão Gabriele Veneziano e seu colega Maurizio Gasperini, da Universidade de Turim. Esses cientistas apresentaram sua versão da cosmologia das cordas, que em vários lugares está em contato com o cenário descrito acima, mas em outros lugares é fundamentalmente diferente dele. Como Brandenberger e Wafa, para excluir a temperatura infinita e a densidade de energia que surgem no padrão e modelo inflacionário, eles contavam com a existência de um comprimento mínimo na teoria das cordas. No entanto, em vez de concluir que, devido a essa propriedade, o universo nasce de um pedaço do tamanho de Planck, Gasperini e Veneziano sugeriram que havia um universo pré-histórico que surgiu muito antes do momento chamado Zero pontos, e deu origem a este “embrião” cósmico de dimensões de Planck.

O estado inicial do Universo em tal cenário e no modelo do Big Bang é muito diferente. Segundo Gasperini e Veneziano, o Universo não era uma bola de dimensões quente e retorcida, mas era frio e tinha uma extensão infinita. Então, como decorre das equações da teoria das cordas, a instabilidade invadiu o Universo, e todos os seus pontos começaram, como na era da inflação segundo Guth, a se espalhar rapidamente para os lados.

Gasperini e Veneziano mostraram que, por causa disso, o espaço tornou-se cada vez mais curvo e, como resultado, houve um salto acentuado na temperatura e na densidade de energia. Um pouco de tempo se passou, e uma área tridimensional do tamanho de um milímetro dentro desses extensões sem fim transformada em uma mancha incandescente e densa, idêntica à mancha que se forma durante a expansão inflacionária segundo Guth. Então tudo correu de acordo com o cenário padrão da cosmologia do Big Bang, e o ponto em expansão tornou-se o Universo observável.

Como a era pré-Big Bang viu sua própria expansão inflacionária, a solução de Guth para o paradoxo do horizonte é automaticamente incorporada a esse cenário cosmológico. Nas palavras de Veneziano (em uma entrevista de 1998), "a teoria das cordas nos apresenta uma variante da cosmologia inflacionária em uma bandeja de prata".

O estudo da cosmologia das cordas está rapidamente se tornando uma área de pesquisa ativa e produtiva. Por exemplo, o cenário da evolução antes do Big Bang foi objeto de acalorado debate mais de uma vez, e seu lugar na futura formulação cosmológica está longe de ser óbvio. No entanto, não há dúvida de que essa formulação cosmológica será firmemente baseada na compreensão dos físicos dos resultados descobertos durante a segunda revolução das supercordas. Por exemplo, as consequências cosmológicas da existência de membranas multidimensionais ainda não são claras. Em outras palavras, como a ideia dos primeiros momentos da existência do Universo mudará como resultado da análise da teoria M concluída? Esta questão está sendo intensamente pesquisada.

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