Desigur, șirurile universului nu sunt asemănătoare cu cele pe care ni le imaginăm. În teoria corzilor, ele sunt niște filamente vibrante incredibil de mici de energie. Aceste fire sunt mai degrabă ca niște „benzi elastice” minuscule care se pot răsuci, întinde și micșora în orice fel. Toate acestea, însă, nu înseamnă că simfonia Universului nu poate fi „redată” pe ele, deoarece, potrivit teoreticienilor corzilor, tot ce există constă din aceste „fire”.

Controversa de fizică

În a doua jumătate a secolului al XIX-lea, fizicienilor li s-a părut că nimic serios nu mai poate fi descoperit în știința lor. fizica clasica credea că probleme serioase nu mai era nimic în el și întreaga structură a lumii arăta ca o mașinărie perfect reglată și previzibilă. Necazul, ca de obicei, s-a întâmplat din cauza prostiilor - unul dintre micii „nori” care au rămas încă pe cerul senin, de înțeles al științei. Și anume, atunci când se calculează energia de radiație a unui corp complet negru (un corp ipotetic care la orice temperatură absoarbe complet radiația incidentă asupra acestuia, indiferent de lungimea de undă - NS).

Calculele au arătat că energia totală de radiație a oricărui corp absolut negru ar trebui să fie infinit de mare. Pentru a evita o asemenea absurditate evidentă, omul de știință german Max Planck a sugerat în 1900 că lumina vizibila, raze X și altele undele electromagnetice poate fi emisă doar de anumite porțiuni discrete de energie, pe care le-a numit cuante. Cu ajutorul lor, a fost posibil să se rezolve problema particulară a unui corp complet negru. Cu toate acestea, consecințele ipotezei cuantice asupra determinismului nu erau încă realizate la acel moment. Până când, în 1926, un alt om de știință german, Werner Heisenberg, a formulat faimosul principiu al incertitudinii.

Esența sa se rezumă la faptul că, spre deosebire de toate afirmațiile care predominau înainte, natura ne limitează capacitatea de a prezice viitorul pe baza legi fizice. Desigur, vorbim despre viitor și prezent. particule subatomice. S-a dovedit că se comportă complet diferit decât orice alte lucruri din macrocosmosul din jurul nostru. La nivel subatomic, țesătura spațiului devine inegală și haotică. Lumea particulelor minuscule este atât de turbulentă și de neînțeles încât o contrazice bun simț. Spațiul și timpul sunt atât de răsucite și împletite în el, încât nu există concepte obișnuite de stânga și dreapta, sus și jos și chiar înainte și după.

Nu există nicio modalitate de a spune cu siguranță în ce punct al spațiului acest moment cutare sau cutare particulă și care este momentul impulsului său. Există doar o anumită probabilitate de a găsi o particulă în multe regiuni din spațiu-timp. Particulele de la nivel subatomic par a fi „unse” în spațiu. Nu numai că, „staturea” particulelor în sine nu este definită: în unele cazuri se comportă ca undele, în altele prezintă proprietățile particulelor. Aceasta este ceea ce fizicienii numesc dualitate val-particulă. mecanica cuantică.

Niveluri ale structurii lumii: 1. Nivel macroscopic - substanță 2. Nivelul molecular 3. Nivel atomic - protoni, neutroni și electroni 4. Nivel subatomic - electron 5. Nivel subatomic - cuarcuri 6. Nivel șir /©Bruno P. Ramos

În Teoria Generală a Relativității, parcă într-un stat cu legi opuse, lucrurile stau fundamental diferit. Spațiul pare a fi ca o trambulină - o țesătură netedă care poate fi îndoită și întinsă de obiecte care au masă. Ele creează deformații ale spațiului-timp - ceea ce experimentăm ca gravitație. Inutil să spun că Teoria Generală a Relativității, coerentă, corectă și previzibilă, se află în conflict de nerezolvat cu „huliganul nebunesc” - mecanica cuanticăși, în consecință, macrocosmosul nu se poate „împaca” cu microcosmosul. Aici intervine teoria corzilor.

Univers 2D. Graficul poliedric E8 /©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project

Teoria Totului

Teoria corzilor întruchipează visul tuturor fizicienilor de a le unifica pe cele două, în mod fundamental contradictoriu prieten al relativității generale și al mecanicii cuantice, un vis care l-a bântuit pe cel mai mare „țigan și vagabond” Albert Einstein până la sfârșitul zilelor sale.

Mulți oameni de știință cred că totul, de la dansul rafinat al galaxiilor până la dansul frenetic al particulelor subatomice poate fi explicat în cele din urmă printr-un singur element fundamental. principiul fizic. Poate chiar o singură lege care combină toate tipurile de energie, particule și interacțiuni într-o formulă elegantă.

Relativitatea generală descrie una dintre cele mai faimoase forțe din univers - gravitația. Mecanica cuantică descrie alte trei forțe: forța nucleară puternică, care lipește protonii și neutronii împreună în atomi, electromagnetismul și forța slabă, care este implicată în dezintegrare radioactivă. Orice eveniment din univers, de la ionizarea unui atom până la nașterea unei stele, este descris de interacțiunile materiei prin aceste patru forțe.

Prin intermediul cea mai complexă matematică a reusit sa arate ca interactiunile electromagnetice si slabe au natură comună, combinându-le într-un singur electroslab. Ulterior, li s-a adăugat interacțiunea nucleară puternică - dar gravitația nu li se alătură în niciun fel. Teoria corzilor este unul dintre cei mai serioși candidați pentru conectarea tuturor celor patru forțe și, prin urmare, îmbrățișând toate fenomenele din Univers - nu este fără motiv că este numită și „Teoria totul”.

La început a existat un mit

Până acum, nu toți fizicienii sunt entuziasmați de teoria corzilor. Și în zorii apariției sale, părea infinit departe de realitate. Chiar nașterea ei este o legendă.

La sfârșitul anilor 1960, un tânăr fizician teoretician italian, Gabriele Veneziano, căuta ecuații care ar putea explica forțele nucleare puternice, „cleiul” extrem de puternic care ține împreună nucleele atomilor prin legarea protonii și neutronilor. Potrivit legendei, el a dat odată peste o carte prăfuită despre istoria matematicii, în care a găsit o funcție veche de 200 de ani, înregistrată pentru prima dată de matematicianul elvețian Leonhard Euler. Imaginează-ți surpriza lui Veneziano când a descoperit că funcția Euler, care perioadă lungă de timp considerată nimic mai mult decât o curiozitate matematică, descrie această interacțiune puternică.

Cum a fost cu adevărat? Formula este probabil rezultatul ani lucrarea lui Veneziano, iar cazul nu a făcut decât să se facă primul pas către descoperirea teoriei corzilor. funcția Euler, miraculos explicând interacțiunea puternică, și-a găsit o viață nouă.

În cele din urmă, a atras atenția unui tânăr fizician teoretician american, Leonard Susskind, care a văzut că formula descria în primul rând particule care nu aveau structură internă și puteau vibra. Aceste particule s-au comportat în așa fel încât nu puteau fi doar particule punctiforme. Susskind a înțeles - formula descrie un fir care este ca o bandă elastică. Nu numai că putea să se întindă și să se micșoreze, ci și să oscileze, să se zvârcoli. După ce și-a descris descoperirea, Susskind a introdus ideea revoluționară a corzilor.

Din păcate, majoritatea covârșitoare a colegilor săi au primit teoria destul de rece.

model standard

La acea vreme, știința curentă reprezenta particulele ca puncte, nu șiruri. De ani de zile, fizicienii au investigat comportamentul particulelor subatomice, ciocnindu-le cu viteze mari și studiind consecințele acestor ciocniri. S-a dovedit că universul este mult mai bogat decât s-ar putea imagina. A fost o adevărată „explozie a populației” particule elementare. Studenții absolvenți ai universităților de fizică alergau pe coridoare strigând că au deschis particulă nouă, - nici măcar nu erau suficiente litere pentru a le desemna. Dar, din păcate, în „spitalul de maternitate” de noi particule, oamenii de știință nu au putut găsi răspunsul la întrebarea - de ce sunt atât de multe și de unde provin?

Acest lucru i-a determinat pe fizicieni să facă o predicție neobișnuită și surprinzătoare - au realizat că forțele care acționează în natură pot fi explicate și prin intermediul particulelor. Adică, există particule de materie și există particule-purtători de interacțiuni. Astfel, de exemplu, este un foton - o particulă de lumină. Cu cât mai mulți dintre aceste particule-purtători - aceiași fotoni care sunt schimbați de particule de materie, cu atât lumină mai strălucitoare. Oamenii de știință au prezis că acest schimb special de particule purtătoare nu este altceva decât ceea ce percepem ca forță. Acest lucru a fost confirmat de experimente. Așa că fizicienii au reușit să se apropie de visul lui Einstein de a-și uni forțele.

Interacțiuni între diferite particule în modelul standard /

Oamenii de știință cred că dacă avansăm rapid până la momentul imediat după Marea explozie, când universul era mai fierbinte de trilioane de grade, particule care poartă electromagnetism și interacțiune slabă devin indistinguibili și se unesc într-o singură forță numită electroslab. Și dacă ne întoarcem în timp și mai departe, atunci interacțiunea electroslabă s-ar combina cu cea puternică într-o „superforță” totală.

În ciuda faptului că toate acestea încă așteaptă să fie dovedite, mecanica cuantică a explicat brusc modul în care trei dintre cele patru forțe interacționează la nivel subatomic. Și ea a explicat-o frumos și consecvent. Această imagine armonioasă a interacțiunilor, în cele din urmă, a fost numită Modelul Standard. Dar, din păcate, chiar și în această teorie perfectă a existat o mare problemă - nu includea cea mai faimoasă forță a nivelului macro - gravitația.

graviton

Pentru teoria corzilor, care nu a avut timp să „înflorească”, a venit „toamna”, a cuprins prea multe probleme încă de la naștere. De exemplu, calculele teoriei au prezis existența particulelor, care, așa cum s-a stabilit în curând cu precizie, nu existau. Acesta este așa-numitul tahion - o particulă care se mișcă în vid mai rapid decat lumina. Printre altele, s-a dovedit că teoria necesită până la 10 dimensiuni. Nu este surprinzător că acest lucru a fost foarte jenant pentru fizicieni, deoarece este evident mai mult decât ceea ce vedem.

Până în 1973, doar câțiva tineri fizicieni se luptau încă cu misterele teoriei corzilor. Unul dintre ei a fost fizician american Teoreticianul John Schwartz. Timp de patru ani, Schwartz a încercat să îmblânzească ecuațiile obraznice, dar fără rezultat. Printre alte probleme, una dintre aceste ecuații a descris cu încăpățânare o particulă misterioasă care nu avea masă și nu a fost observată în natură.

Omul de știință se hotărâse deja să-și abandoneze afacerea dezastruoasă și apoi i-a dat seama - poate că ecuațiile teoriei corzilor descriu, printre altele, gravitația? Totuși, aceasta a implicat o revizuire a dimensiunilor principalelor „eroi” ai teoriei - șirurile. Presupunând că șirurile sunt miliarde și miliarde de ori mai mici decât un atom, „stringers” au transformat defectul teoriei în virtutea ei. Particula misterioasă de care John Schwartz încercase atât de insistent să scape acționa acum ca un graviton - o particulă care a fost căutată de mult timp și care ar permite gravitației să fie transferată către nivel cuantic. Acesta este modul în care teoria corzilor a adăugat gravitație puzzle-ului, care lipsește din modelul standard. Dar, vai, chiar și pentru această descoperire comunitatea științifică nu a reactionat deloc. Teoria corzilor a rămas în pragul supraviețuirii. Dar asta nu l-a oprit pe Schwartz. Doar un om de știință care era dispus să-și riște cariera de dragul corzilor misterioase a vrut să se alăture căutării sale - Michael Green.

Păpuși de cuibărit subatomic

Cu toate acestea, la începutul anilor 1980, teoria corzilor avea încă contradicții de nerezolvat, cunoscute în știință ca anomalii. Schwartz și Green s-au apucat să-i elimine. Și eforturile lor nu au fost în zadar: oamenii de știință au reușit să elimine unele dintre contradicțiile teoriei. Imaginează-ți uimirea acestor doi, deja obișnuiți cu faptul că teoria lor este ignorată, când reacția comunității științifice a aruncat în aer lumea științifică. În mai puțin de un an, numărul teoreticienilor corzilor a sărit la sute. Atunci teoriei corzilor a primit titlul de Teoria totul. Noua teorie părea capabil să descrie toate componentele universului. Și aici sunt ingredientele.

Fiecare atom, după cum știm, este format din particule și mai mici - electroni, care se rotesc în jurul nucleului, care este format din protoni și neutroni. La rândul lor, protonii și neutronii sunt formați din particule și mai mici numite quarci. Dar teoria corzilor spune că nu se termină cu quarci. Quarcii sunt alcătuiți din mici filamente de energie care seamănă cu corzile. Fiecare dintre aceste șiruri este inimaginabil de mic.

Atât de mic încât dacă atomul ar fi mărit la dimensiunea sistemului solar, sfoara ar fi de dimensiunea unui copac. Așa cum vibrațiile diferite ale unei coarde de violoncel creează ceea ce auzim ca note muzicale diferite, diferite căi(modurile) vibrațiile corzii dau particulelor lor proprietăți unice masa, sarcina etc. Știi cum, relativ vorbind, protonii din vârful unghiei tale diferă de gravitonul care nu a fost încă descoperit? Doar setul de corzi minuscule care le alcătuiesc și cum vibrează acele corzi.

Desigur, toate acestea sunt mai mult decât uimitoare. Încă din vremea Greciei Antice, fizicienii s-au obișnuit cu faptul că totul în această lume constă din ceva ca bile, particule minuscule. Și acum, neavând timp să se obișnuiască cu comportamentul ilogic al acestor bile, care decurge din mecanica cuantică, sunt invitați să părăsească paradigma cu totul și să opereze cu un fel de tunsoare de spaghete...

A cincea dimensiune

Deși mulți oameni de știință numesc teoria corzilor triumful matematicii, mai rămân unele probleme - mai ales, lipsa oricărei oportunități de a o testa experimental în viitorul apropiat. Nici un singur instrument din lume, existent sau capabil să apară în perspectivă, nu este incapabil să „vadă” corzile. Prin urmare, unii oameni de știință, apropo, chiar își pun întrebarea: este teoria corzilor o teorie a fizicii sau a filozofiei?... Adevărat, nu este deloc necesar să vezi șirurile „cu ochii tăi”. Pentru a demonstra teoria corzilor, mai degrabă, este nevoie de altceva - ceva care sună operă științifico-fantastică- confirmarea existenței unor dimensiuni suplimentare de spațiu.

Despre ce în cauză? Cu toții suntem obișnuiți cu trei dimensiuni ale spațiului și un timp. Dar teoria corzilor prezice prezența altor dimensiuni - suplimentare. Dar să începem în ordine.

De fapt, ideea existenței altor dimensiuni a apărut acum aproape o sută de ani. A ajuns în fruntea necunoscutului matematician german de atunci Theodor Kalutz în 1919. El a sugerat posibilitatea prezenței în universul nostru a unei alte dimensiuni pe care noi nu o vedem. Albert Einstein a auzit despre această idee și la început i-a plăcut foarte mult. Mai târziu, însă, s-a îndoit de corectitudinea acesteia și a întârziat publicarea lui Kaluza cu până la doi ani. În cele din urmă, totuși, articolul a fost totuși publicat, iar dimensiunea suplimentară a devenit un fel de pasiune pentru geniul fizicii.

După cum știți, Einstein a arătat că gravitația nu este altceva decât o deformare a măsurătorilor spațiu-timp. Kaluza a sugerat că electromagnetismul ar putea fi, de asemenea, ondulații. De ce nu-l vedem? Kaluza a găsit răspunsul la această întrebare - ondulațiile electromagnetismului pot exista într-un mod suplimentar, dimensiune ascunsă. Dar unde este?

Răspunsul la această întrebare a fost dat de fizicianul suedez Oscar Klein, care a sugerat că a cincea dimensiune a lui Kaluza este pliată de miliarde de ori mai mult decât dimensiunea unui singur atom, așa că nu o putem vedea. Ideea că această dimensiune mică există peste tot în jurul nostru se află în centrul teoriei corzilor.

Una dintre formele propuse de dimensiuni suplimentare turbionare. În interiorul fiecăreia dintre aceste forme, un șir vibrează și se mișcă - componenta principală a Universului. Fiecare formă este în șase dimensiuni - în funcție de numărul de șase dimensiuni suplimentare /

zece dimensiuni

Dar, de fapt, ecuațiile teoriei corzilor necesită nici măcar una, ci șase dimensiuni suplimentare (în total, cu patru cunoscute nouă, sunt exact 10). Toate au un foarte răsucit și răsucit formă complexă. Și totul este inimaginabil de mic.

Cum pot aceste dimensiuni mici să influențeze lumea noastră mare? Conform teoriei corzilor, decisiv: pentru ea, totul este determinat de formă. Când cânți diferite taste la saxofon, primești și sunete diferite. Acest lucru se datorează faptului că atunci când apăsați o anumită tastă sau o combinație de taste, schimbați forma spațiului din instrumentul muzical în care circulă aerul. Din această cauză, se nasc sunete diferite.

Teoria corzilor sugerează că dimensiunile suplimentare răsucite și răsucite ale spațiului apar într-un mod similar. Formele acestor dimensiuni suplimentare sunt complexe și variate și fiecare face ca șirul din interiorul acestor dimensiuni să vibreze într-un mod diferit tocmai datorită formelor sale. La urma urmei, dacă presupunem, de exemplu, că o coardă vibrează în interiorul unui ulcior, iar cealaltă în interiorul unui corn curbat, acestea vor fi vibrații complet diferite. Cu toate acestea, dacă este de crezut teoria corzilor, în realitate, formele de dimensiuni suplimentare par mult mai complicate decât un ulcior.

Cum funcționează lumea

Știința de astăzi cunoaște un set de numere care sunt constantele fundamentale ale universului. Ele determină proprietățile și caracteristicile a tot ceea ce ne înconjoară. Printre astfel de constante, de exemplu, sarcina unui electron, constanta gravitațională, viteza luminii în vid... Și dacă schimbăm aceste numere chiar și de un număr mic de ori, consecințele vor fi catastrofale. Să presupunem că am crescut puterea interacțiune electromagnetică. Ce s-a întâmplat? Putem descoperi brusc că ionii au devenit mai puternici se resping reciproc și fuziunea termonucleara, care face ca stelele să strălucească și să radieze căldură, s-a defectat brusc. Toate stelele se vor stinge.

Dar cum rămâne cu teoria corzilor cu dimensiunile sale suplimentare? Cert este că, potrivit acesteia, dimensiunile suplimentare determină valoarea exactă constante fundamentale. Unele forme de măsurare fac ca o coardă să vibreze într-un anumit mod și dau naștere a ceea ce vedem ca un foton. În alte forme, corzile vibrează diferit și produc un electron. Cu adevărat Dumnezeu stă în „lucrurile mărunte” – aceste forme minuscule determină toate constantele fundamentale ale acestei lumi.

teoria superstringurilor

La mijlocul anilor 1980, teoria corzilor a căpătat un caracter maiestuos și aspect zvelt, dar în cadrul acestui monument domnea confuzia. În doar câțiva ani, au apărut până la cinci versiuni ale teoriei corzilor. Și, deși fiecare dintre ele este construită pe șiruri și dimensiuni suplimentare (toate cele cinci versiuni sunt combinate în teorie generală superstrings - NS), aceste versiuni divergeau semnificativ în detalii.

Deci, în unele versiuni, șirurile aveau capete deschise, în altele arătau ca inele. Și în unele versiuni, teoria chiar a necesitat nu 10, ci până la 26 de măsurători. Paradoxul este că toate cele cinci versiuni de astăzi pot fi numite la fel de adevărate. Dar care dintre ele descrie cu adevărat universul nostru? Acesta este un alt mister al teoriei corzilor. De aceea mulți fizicieni și-au făcut din nou mâna la teoria „nebunilor”.

Dar principala problemă a corzilor, așa cum am menționat deja, este imposibilitatea (cel puțin deocamdată) de a-și dovedi prezența experimental.

Unii oameni de știință, totuși, mai spun că pe următoarea generație de acceleratoare există o oportunitate foarte minimă, dar totuși, de a testa ipoteza dimensiunilor suplimentare. Deși majoritatea, desigur, este sigură că, dacă acest lucru este posibil, atunci, din păcate, nu ar trebui să se întâmple foarte curând - cel puțin peste zeci de ani, la maximum - nici peste o sută de ani.

teoria superstringurilor, limbaj popular, reprezintă universul ca un set de fire vibrante de energie - șiruri. Ele sunt temelia naturii. Ipoteza descrie și alte elemente - brane. Toată materia din lumea noastră este alcătuită din vibrații ale corzilor și branelor. O consecință naturală a teoriei este descrierea gravitației. De aceea oamenii de știință cred că deține cheia unificării gravitației cu alte forțe.

Conceptul evoluează

Teoria câmpului unificat, teoria superstringurilor, este pur matematică. Ca toate conceptele fizice, se bazează pe ecuații care pot fi interpretate într-un anumit mod.

Astăzi, nimeni nu știe exact care va fi versiunea finală a acestei teorii. Savanții au o idee destul de vagă despre ea elemente comune, dar nimeni nu a venit încă cu o ecuație finală care să acopere toate teoriile superstringurilor și, până acum, nu a fost posibil să o confirme experimental (deși să nu o infirme nici). Fizicienii au creat versiuni simplificate ale ecuației, dar până acum nu descrie prea bine universul nostru.

Teoria superstringurilor pentru începători

Ipoteza se bazează pe cinci idei cheie.

1. Teoria superstringurilor prezice că toate obiectele din lumea noastră sunt formate din filamente vibrante și membrane de energie.
2. Încearcă să combine teoria generală a relativității (gravitația) cu fizică cuantică.
3. Teoria superstringurilor va unifica totul forte fundamentale univers.
4. Această ipoteză prezice conexiune nouă, supersimetrie, între două fundamental tipuri variate particule, bozoni și fermioni.
5. Conceptul descrie o serie de dimensiuni suplimentare ale Universului, de obicei neobservabile.

Corzi și brane

Când teoria a apărut în anii 1970, firele de energie din ea erau considerate obiecte unidimensionale - șiruri. Cuvântul „unidimensional” spune că șirul are o singură dimensiune, lungimea, spre deosebire, de exemplu, de un pătrat, care are atât o lungime, cât și o înălțime.

Teoria împarte aceste superstringuri în două tipuri - închise și deschise. Un șir deschis are capete care nu se ating, în timp ce un șir închis este o buclă fără capete deschise. Ca urmare, s-a constatat că aceste șiruri, numite șiruri de primul tip, sunt supuse a 5 tipuri principale de interacțiuni.

Interacțiunile se bazează pe capacitatea unui șir de a-și conecta și separa capetele. Pentru că se termină corzi deschise se poate combina pentru a forma șiruri închise, nu puteți construi o teorie a superstringurilor care să nu includă șiruri în buclă.

Acest lucru s-a dovedit a fi important, deoarece corzile închise au proprietăți, cred fizicienii, care ar putea descrie gravitația. Cu alte cuvinte, oamenii de știință și-au dat seama că, în loc să explice particulele de materie, teoria superstringurilor le-ar putea descrie comportamentul și gravitația.

Mulți ani mai târziu, s-a descoperit că, pe lângă coarde, sunt necesare și alte elemente pentru teorie. Ele pot fi gândite ca foi, sau brane. Sforile pot fi atașate de una sau de ambele părți ale acestora.

gravitația cuantică

Fizica modernă are două legi științifice principale: relativitatea generală (GR) și cuantică. Ele reprezintă absolut zone diferiteȘtiințe. Fizica cuantică studiază cele mai mici particule naturale, în timp ce relativitatea generală, de regulă, descrie natura la scara planetelor, galaxiilor și a universului în ansamblu. Ipotezele care încearcă să le unifice se numesc teorii. gravitația cuantică. Cel mai promițător dintre ele astăzi este șirul.

Firele închise corespund comportamentului gravitației. În special, au proprietățile unui graviton, o particulă care poartă gravitația între obiecte.

Unirea Forțelor

Teoria corzilor încearcă să combine cele patru forțe - electromagnetice, forțe nucleare puternice și slabe și gravitația - într-una singură. În lumea noastră, ele se manifestă ca patru fenomene diferite, dar teoreticienii corzilor cred că la începutul Universului, când erau incredibil de niveluri înalte energie, toate aceste forțe sunt descrise de șiruri care interacționează între ele.

supersimetrie

Toate particulele din univers pot fi împărțite în două tipuri: bosoni și fermioni. Teoria corzilor prezice că există o relație între cele două numită supersimetrie. În supersimetrie, pentru fiecare boson trebuie să existe un fermion, iar pentru fiecare fermion, un boson. Din păcate, existența unor astfel de particule nu a fost confirmată experimental.

Supersimetria este dependenta matematicaîntre elemente ecuații fizice. A fost descoperit într-o altă zonă a fizicii, iar aplicarea sa a dus la redenumirea teoriei corzilor supersimetrice (sau a teoriei superstringurilor, în limbajul popular) la mijlocul anilor 1970.

Un avantaj al supersimetriei este că simplifică foarte mult ecuațiile, permițând eliminarea unor variabile. Fără supersimetrie, ecuațiile duc la contradicții fizice, cum ar fi valori infinite și imaginare

Deoarece oamenii de știință nu au observat particulele prezise de supersimetrie, este încă o ipoteză. Mulți fizicieni cred că motivul pentru aceasta este necesitatea unei cantități semnificative de energie, care este legată de masă prin celebra ecuație Einstein E = mc 2 . Aceste particule ar fi putut exista în universul timpuriu, dar pe măsură ce s-a răcit și energia sa extins după Big Bang, aceste particule s-au mutat la niveluri scăzute de energie.

Cu alte cuvinte, corzile care vibrau ca particule de înaltă energie și-au pierdut energia, ceea ce le-a transformat în elemente cu o vibrație mai mică.

Oamenii de știință speră asta observatii astronomice sau experimentele cu acceleratori de particule vor confirma teoria prin dezvăluirea unora dintre elementele supersimetrice de energie mai mare.

Măsurători suplimentare

O altă consecință matematică a teoriei corzilor este că are sens într-o lume cu mai mult de trei dimensiuni. Există în prezent două explicații pentru aceasta:

1. Dimensiunile suplimentare (șase dintre ele) s-au prăbușit sau, în terminologia teoriei corzilor, s-au compactat la o dimensiune incredibil de mică, care nu va fi niciodată percepută.
2. Suntem blocați într-o brană 3D, iar alte dimensiuni se extind dincolo de ea și ne sunt inaccesibile.

Un domeniu important de cercetare în rândul teoreticienilor este modelare matematică modul în care aceste coordonate suplimentare pot fi legate de ale noastre. Ultimele rezultate prezice că oamenii de știință vor putea în curând să detecteze aceste dimensiuni suplimentare (dacă există) în experimentele viitoare, deoarece ar putea fi mai mari decât se aștepta anterior.

Înțelegerea scopului

Scopul pentru care se străduiesc oamenii de știință atunci când explorează superstringurile este „teoria tuturor”, adică o singură ipoteză fizică care este nivel fundamental descrie întregul realitatea fizică. Dacă are succes, ar putea clarifica multe întrebări despre structura universului nostru.

Explicația materiei și a masei

Una dintre principalele sarcini ale cercetării moderne este de a găsi o soluție pentru particulele reale.

Teoria corzilor a început ca un concept care descrie particule precum hadronii în diferite stări de vibrație superioară ale unei corzi. Cel mai formulări moderne, materia observată în universul nostru este rezultatul vibrațiilor corzilor și branelor cu cea mai mică energie. Vibrațiile cu mai multe generează particule de înaltă energie care în prezent nu există în lumea noastră.

Masa acestora este o manifestare a modului în care corzile și branele sunt înfășurate în dimensiuni suplimentare compactate. De exemplu, într-un caz simplificat în care sunt pliate într-o formă de gogoașă, numită tor de către matematicieni și fizicieni, un șir poate înfășura această formă în două moduri:

• o buclă scurtă prin mijlocul torusului;
• o buclă lungă în jurul întregii circumferințe exterioare a torului.

O buclă scurtă va fi o particulă ușoară, iar o buclă mare va fi una grea. Când șirurile sunt înfășurate în jurul dimensiunilor compactate toroidale, se formează noi elemente cu mase diferite.

Teoria superstringurilor explică pe scurt și clar, simplu și elegant trecerea lungimii în masă. Dimensiunile pliate aici sunt mult mai complicate decât torul, dar în principiu funcționează la fel.

Este chiar posibil, deși este dificil de imaginat, ca șirul să se înfășoare în jurul torusului în două direcții în același timp, rezultând o particulă diferită cu o masă diferită. De asemenea, Branes se poate înfășura în jurul dimensiunilor suplimentare, creând și mai multe posibilități.

Definiția spațiului și timpului

În multe versiuni ale teoriei superstringurilor, dimensiunile se prăbușesc, făcându-le inobservabile nivel modern dezvoltarea tehnologiei.

În prezent, nu este clar dacă teoria corzilor poate explica natura fundamentala mai mult spațiu și timp decât a făcut Einstein. În ea, măsurătorile sunt fundalul interacțiunii șirurilor și nu au o semnificație reală independentă.

Au fost oferite explicații, nu pe deplin dezvoltate, cu privire la reprezentarea spațiu-timpului ca derivat valoare totală toate interacțiunile cu șiruri.

Această abordare nu corespunde ideilor unor fizicieni, ceea ce a condus la critica ipotezei. Teoria competitivă ca punct de start folosește cuantizarea spațiului și timpului. Unii cred că în cele din urmă se va dovedi a fi doar o abordare diferită a aceleiași ipoteze de bază.

Cuantificare gravitațională

Principala realizare a acestei ipoteze, dacă se va confirma, va fi teoria cuantică a gravitației. Descrierea actuală în relativitatea generală este incompatibilă cu fizica cuantică. Acesta din urmă, prin impunerea de restricții asupra comportamentului particulelor mici, duce la contradicții atunci când se încearcă explorarea Universului la scară extrem de mică.

Unificarea forțelor

În prezent, fizicienii cunosc patru forțe fundamentale: gravitația, electromagnetice, interacțiuni nucleare slabe și puternice. Din teoria corzilor rezultă că toate au fost cândva manifestări ale unuia.

Conform acestei ipoteze, din moment ce universul timpuriu răcit după Big Bang, această singură interacțiune a început să se dezintegreze în altele diferite care funcționează astăzi.

Experimentele de înaltă energie ne vor permite cândva să descoperim unificarea acestor forțe, deși astfel de experimente depășesc cu mult dezvoltarea actuală a tehnologiei.

Cinci opțiuni

De la revoluția superstring din 1984, dezvoltarea a progresat într-un ritm febril. Drept urmare, în loc de un singur concept, am primit cinci, numite tipuri I, IIA, IIB, HO, HE, fiecare dintre ele descriind aproape complet lumea noastră, dar nu complet.

Fizicienii, sortând prin versiuni ale teoriei corzilor în speranța de a găsi o formulă universală adevărată, au creat 5 versiuni diferite autosuficiente. Unele dintre proprietățile lor reflectau realitatea fizică a lumii, altele nu corespundeau realității.

Teoria M

La o conferință din 1995, fizicianul Edward Witten a propus o soluție îndrăzneață la problema celor cinci ipoteze. Pe baza dualității recent descoperite, toate au devenit cazuri speciale ale unui singur concept general, numit teoria M a superstringurilor a lui Witten. Unul dintre conceptele sale cheie a fost branele (prescurtare de la membrană), obiecte fundamentale cu mai mult de o dimensiune. Deși autorul nu a sugerat versiunea completa, care nu există până acum, teoria M a superstringurilor constă pe scurt din următoarele caracteristici:

• 11 dimensiuni (10 dimensiuni spațiale plus 1 dimensiune temporală);
• dualități care duc la cinci teorii care explică aceeași realitate fizică;
• branele sunt șiruri cu mai mult de 1 dimensiune.

Consecințe

Drept urmare, în loc de una, au fost 10.500 de soluții. Pentru unii fizicieni, acest lucru a provocat o criză, în timp ce alții au acceptat principiul antropic, care explică proprietățile universului prin prezența noastră în el. Rămâne de văzut când teoreticienii vor găsi o altă modalitate de a se orienta în teoria superstringurilor.

Unele interpretări sugerează că lumea noastră nu este singura. Cele mai radicale versiuni permit existența un număr infinit universuri, dintre care unele conțin copii exacte a noastra.

Teoria lui Einstein prezice existența unui spațiu încolăcit, care se numește o gaură de vierme sau un pod Einstein-Rosen. În acest caz, două locuri îndepărtate sunt conectate printr-un pasaj scurt. Teoria superstringurilor permite nu numai acest lucru, ci și conectarea punctelor îndepărtate lumi paralele. Este chiar posibilă tranziția între universuri cu legi diferite ale fizicii. Cu toate acestea, este probabil ca teoria cuantică a gravitației să facă imposibilă existența lor.

Mulți fizicieni consideră că principiul holografic, atunci când toată informația conținută în volumul spațiului corespunde informațiilor înregistrate pe suprafața acestuia, va permite o înțelegere mai profundă a conceptului de fire energetice.

Unii cred că teoria superstringurilor permite dimensiuni multiple de timp, ceea ce ar putea duce la călătoria prin ele.

În plus, există o alternativă la modelul big bang în ipoteză, conform căreia universul nostru a apărut ca urmare a ciocnirii a două brane și trece prin cicluri repetate de creație și distrugere.

Soarta finală a universului i-a preocupat întotdeauna pe fizicieni, iar versiunea finală a teoriei corzilor va ajuta la determinarea densității materiei și a constantei cosmologice. Cunoscând aceste valori, cosmologii vor putea determina dacă universul se va micșora până când va exploda, astfel încât totul să înceapă din nou.

Nimeni nu știe la ce poate duce până nu este dezvoltat și testat. Einstein, notând ecuația E=mc 2 , nu a presupus că aceasta ar duce la apariția arme nucleare. Creatori fizică cuantică nu știa că va deveni baza pentru crearea unui laser și a unui tranzistor. Și deși nu se știe încă ce anume este pur concept teoretic, istoria arată că ceva remarcabil se va dovedi cu siguranță.

Puteți citi mai multe despre această ipoteză în Teoria superstringurilor pentru manechin a lui Andrew Zimmerman.

Te-ai gândit vreodată că universul este ca un violoncel? Așa este - nu a venit. Pentru că universul nu este ca un violoncel. Dar asta nu înseamnă că nu are sfori.

Desigur, șirurile universului nu sunt asemănătoare cu cele pe care ni le imaginăm. În teoria corzilor, ele sunt niște filamente vibrante incredibil de mici de energie. Aceste fire sunt mai degrabă ca niște „benzi elastice” minuscule care se pot răsuci, întinde și micșora în orice fel.
. Toate acestea, însă, nu înseamnă că este imposibil să „Redați” simfonia universului asupra lor, deoarece, potrivit teoreticienilor corzilor, tot ceea ce există constă din aceste „fire”.

Contradicția fizică.
În a doua jumătate a secolului al XIX-lea, fizicienilor li s-a părut că nimic serios nu mai poate fi descoperit în știința lor. Fizica clasică credea că nu mai erau probleme serioase în ea, iar întreaga structură a lumii arăta ca o mașină perfect reglată și previzibilă. Necazul, ca de obicei, s-a întâmplat din cauza prostiilor - unul dintre micii „Nori” care au rămas încă pe cerul senin, de înțeles al științei. Și anume, atunci când se calculează energia de radiație a unui corp negru (un corp ipotetic care la orice temperatură absoarbe complet radiația incidentă pe acesta, indiferent de lungimea de undă - NS. Calculele au arătat că energia totală de radiație a oricărui corp negru trebuie să fie infinit de mare. Pentru a scăpa Dintr-o absurditate atât de evidentă, omul de știință german Max Planck în 1900 a sugerat că lumina vizibilă, razele X și alte unde electromagnetice pot fi emise doar de anumite porțiuni discrete de energie, pe care le-a numit cuante. Cu ajutorul lor, a fost posibil să se rezolve problema particulară a unui corp complet negru.Ipoteza cuantică pentru determinism nu a fost încă realizată decât în ​​1926, când un alt om de știință german, Werner Heisenberg, a formulat faimosul principiu al incertitudinii.

Esența sa se rezumă la faptul că, spre deosebire de toate afirmațiile care predominau înainte, natura limitează capacitatea noastră de a prezice viitorul pe baza legilor fizice. Acesta, desigur, este despre viitorul și prezentul particulelor subatomice. S-a dovedit că se comportă complet diferit decât orice alte lucruri din macrocosmosul din jurul nostru. La nivel subatomic, țesătura spațiului devine inegală și haotică. Lumea particulelor minuscule este atât de agitată și de neînțeles încât este contrară bunului simț. Spațiul și timpul sunt atât de răsucite și împletite în el, încât nu există concepte obișnuite de stânga și dreapta, sus și jos și chiar înainte și după. Nu există nicio modalitate de a spune cu siguranță în ce punct anume al spațiului aceasta sau acea particulă este situată la un moment dat și care este momentul impulsului său. Există doar o anumită probabilitate de a găsi o particulă într-un set de regiuni ale spațiului - timp. Particulele de la nivel subatomic par a fi „untate” în spațiu. Nu numai că, „Starea” particulelor în sine nu este definită: în unele cazuri se comportă ca undele, în altele prezintă proprietățile particulelor. Aceasta este ceea ce fizicienii numesc dualitatea undă-particulă a mecanicii cuantice.

În teoria generală a relativității, parcă într-un stat cu legi opuse, lucrurile stau fundamental diferit. Spațiul pare a fi ca o trambulină - o țesătură netedă care poate fi îndoită și întinsă de obiecte care au masă. Ele creează deformații ale spațiului - timpului - ceea ce experimentăm ca gravitație. Inutil să spun că teoria generală coerentă, corectă și previzibilă a relativității se află în conflict de nerezolvat cu „Huliganul excentric” – mecanica cuantică și, ca urmare, macrocosmosul nu se poate „împaca” cu microcosmosul. Aici intervine teoria corzilor.

Teoria tuturor.
Teoria corzilor întruchipează visul tuturor fizicienilor de a uni cele două oto și mecanica cuantică fundamental contradictorii, un vis care până la sfârșitul zilelor sale l-a bântuit pe cel mai mare „țigan și vagabond” Albert Einstein.

Mulți oameni de știință cred că totul, de la dansul rafinat al galaxiilor până la dansul frenetic al particulelor subatomice, poate fi explicat în cele din urmă printr-un singur principiu fizic fundamental. Poate chiar o singură lege care combină toate tipurile de energie, particule și interacțiuni într-o formulă elegantă.

Otho descrie una dintre cele mai faimoase forțe din univers - gravitația. Mecanica cuantică descrie alte trei forțe: forța nucleară puternică, care lipește protonii și neutronii împreună în atomi, electromagnetismul și forța slabă, care este implicată în dezintegrarea radioactivă. Orice eveniment din univers, de la ionizarea unui atom până la nașterea unei stele, este descris de interacțiunile materiei prin aceste patru forțe. Folosind cea mai complexă matematică, s-a putut arăta că interacțiunile electromagnetice și slabe au o natură comună, combinându-le într-o singură electroslăbire. Ulterior, li s-a adăugat interacțiune nucleară puternică - dar gravitația nu li se alătură în niciun fel. Teoria corzilor este unul dintre cei mai serioși candidați pentru conectarea tuturor celor patru forțe și, prin urmare, îmbrățișând toate fenomenele din univers - nu degeaba este numită și „Teoria Totului”.

La început a existat un mit.
Până acum, nu toți fizicienii sunt entuziasmați de teoria corzilor. Și în zorii apariției sale, părea infinit departe de realitate. Chiar nașterea ei este o legendă.

La sfârșitul anilor 1960, un tânăr fizician teoretician italian Gabriele Veneziano căuta ecuații care ar putea explica forțele nucleare puternice - un „clei” extrem de puternic care ține nucleele atomilor împreună prin legarea protonii și neutronilor. Potrivit legendei, el a dat odată peste o carte prăfuită despre istoria matematicii, în care a găsit o ecuație veche de 200 de ani, scrisă pentru prima dată de matematicianul elvețian Leonhard Euler. Care a fost surpriza venețianului când a descoperit că ecuația lui Euler, care multă vreme nu a fost considerată altceva decât o curiozitate matematică, descrie această interacțiune puternică.

Cum a fost cu adevărat? Ecuația a fost probabil rezultatul multor ani de muncă a venețianului, iar cazul a ajutat doar la realizarea primului pas către descoperirea teoriei corzilor. Ecuația lui Euler, explicând în mod miraculos forța puternică, și-a găsit o nouă viață.

În cele din urmă, a atras atenția unui tânăr fizician teoretician american, Leonard Susskind, care a văzut că, în primul rând, formula descrie particule care nu aveau structură internă și puteau vibra. Aceste particule s-au comportat în așa fel încât nu puteau fi doar particule punctiforme. Susskind a înțeles - formula descrie un fir care este ca o bandă elastică. Nu numai că putea să se întindă și să se micșoreze, ci și să oscileze, să se zvârcoli. După ce și-a descris descoperirea, Susskind a introdus ideea revoluționară a corzilor.

Din păcate, majoritatea covârșitoare a colegilor săi au primit teoria destul de rece.

model standard.
La acea vreme, știința curentă reprezenta particulele ca puncte, nu șiruri. De ani de zile, fizicienii au investigat comportamentul particulelor subatomice, ciocnindu-le cu viteze mari și studiind consecințele acestor ciocniri. S-a dovedit că universul este mult mai bogat decât s-ar putea imagina. a fost real" Explozie de populație particule elementare. Studenții absolvenți ai universităților de fizică alergau pe coridoare strigând că au descoperit o nouă particulă - nu existau nici măcar litere care să le desemneze.

Dar, din păcate, în „Spitalul de Maternitate” de noi particule, oamenii de știință nu au putut găsi răspunsul la întrebarea - de ce sunt atât de multe și de unde provin?

Acest lucru i-a determinat pe fizicieni să facă o predicție neobișnuită și surprinzătoare - au realizat că forțele care acționează în natură pot fi explicate și prin intermediul particulelor. Adică, există particule de materie și există particule - purtători de interacțiuni. Astfel, de exemplu, este un foton - o particulă de lumină. Cu cât mai multe dintre aceste particule - purtători - aceiași fotoni care fac schimb de particule de materie, cu atât lumina este mai strălucitoare. Oamenii de știință au prezis că acest schimb special de particule - purtători - nu este altceva decât ceea ce percepem ca forță. Acest lucru a fost confirmat de experimente. Așa că fizicienii au reușit să se apropie de visul lui Einstein de a-și uni forțele.

Oamenii de știință cred că, dacă avansăm imediat după Big Bang, când universul era mai fierbinte cu trilioane de grade, particulele care poartă electromagnetismul și forța slabă vor deveni indistinse și se vor combina într-o singură forță numită electroslabă. Și dacă ne întoarcem în timp și mai departe, atunci interacțiunea electroslabă s-ar combina cu cea puternică într-o „Superforță” totală.

În ciuda faptului că toate acestea încă așteaptă să fie dovedite, mecanica cuantică a explicat brusc modul în care trei dintre cele patru forțe interacționează la nivel subatomic. Și ea a explicat-o frumos și consecvent. Acest model armonios de interacțiuni a fost numit în cele din urmă model standard. Dar, din păcate, a existat o mare problemă în această teorie perfectă - nu includea cea mai faimoasă forță a nivelului macro - gravitația.

Graviton.
Pentru teoria corzilor, care nu a avut timp să „înflorească”, a venit „toamna”, a cuprins prea multe probleme încă de la naștere. De exemplu, calculele teoriei au prezis existența particulelor, care, așa cum s-a stabilit în curând cu precizie, nu existau. Acesta este așa-numitul tahion - o particulă care se mișcă mai repede decât lumina în vid. Printre altele, s-a dovedit că teoria necesită până la 10 dimensiuni. Nu este surprinzător că acest lucru a fost foarte jenant pentru fizicieni, deoarece este evident mai mult decât ceea ce vedem.

Până în 1973, doar câțiva tineri fizicieni se luptau încă cu misterele teoriei corzilor. Unul dintre ei a fost fizicianul teoretician american John Schwartz. Timp de patru ani, Schwartz a încercat să îmblânzească ecuațiile obraznice, dar fără rezultat. Printre alte probleme, una dintre aceste ecuații a descris cu încăpățânare o particulă misterioasă care nu avea masă și nu a fost observată în natură.

Omul de știință se hotărâse deja să-și abandoneze afacerea dezastruoasă și apoi i-a dat seama - poate că ecuațiile teoriei corzilor descriu, printre altele, gravitația? Totuși, aceasta a implicat o revizuire a dimensiunilor principalelor „eroi” ai teoriei - șirurile. Presupunând că șirurile sunt miliarde și miliarde de ori mai mici decât un atom, „Stringerii” au transformat defectul teoriei în virtutea sa. Particula misterioasă de care John Schwartz încercase cu atâta insistență să scape acționa acum ca un graviton - o particulă care a fost căutată de mult timp și care ar permite gravitației să fie transferată la nivel cuantic. Acesta este modul în care teoria corzilor a adăugat gravitație puzzle-ului, care lipsește din modelul standard. Dar, din păcate, nici măcar comunitatea științifică nu a reacționat la această descoperire. Teoria corzilor a rămas în pragul supraviețuirii. Dar asta nu l-a oprit pe Schwartz. Doar un om de știință dornic să-și riște cariera de dragul corzilor misterioase a vrut să se alăture căutării sale - Michael Green.

Păpuși de cuibărit subatomice.
Cu toate acestea, la începutul anilor 1980, teoria corzilor avea încă contradicții de nerezolvat, numite anomalii în știință. Schwartz și Green s-au apucat să-i elimine. Și eforturile lor nu au fost în zadar: oamenii de știință au reușit să elimine unele dintre contradicțiile teoriei. Imaginează-ți uimirea acestor doi, deja obișnuiți cu faptul că teoria lor este ignorată, când reacția comunității științifice a aruncat în aer lumea științifică. În mai puțin de un an, numărul teoreticienilor corzilor a sărit la sute. Atunci teoriei corzilor i s-a acordat titlul de teoria tuturor lucrurilor. Noua teorie părea capabilă să descrie toate componentele universului. Și aici sunt ingredientele.

Fiecare atom, după cum știm, este format din particule și mai mici - electroni, care se rotesc în jurul nucleului, care este format din protoni și neutroni. La rândul lor, protonii și neutronii sunt formați din particule și mai mici numite quarci. Dar teoria corzilor spune că nu se termină cu quarci. Quarcii sunt alcătuiți din mici filamente de energie care seamănă cu corzile. Fiecare dintre aceste șiruri este inimaginabil de mic. Atât de mic încât dacă atomul ar fi mărit la dimensiune sistem solar, sfoara ar fi de dimensiunea unui copac. Așa cum diferitele vibrații ale unei coarde de violoncel creează ceea ce auzim, ca note muzicale diferite, diferitele moduri (moduri) de vibrare a unei coarde conferă particulelor proprietățile lor unice - masă, încărcare și așa mai departe. Știi cum, relativ vorbind, protonii din vârful unghiei tale diferă de gravitonul care nu a fost încă descoperit? Doar setul de corzi minuscule care le alcătuiesc și cum vibrează acele corzi.

Desigur, toate acestea sunt mai mult decât uimitoare. Încă de atunci Grecia antică fizicienii sunt obișnuiți cu faptul că totul în această lume constă în ceva ca bile, particule minuscule. Și acum, neavând timp să se obișnuiască cu comportamentul ilogic al acestor bile, care decurge din mecanica cuantică, sunt invitați să părăsească paradigma cu totul și să opereze cu niște resturi de spaghete.

Cum funcționează lumea.
Știința de astăzi cunoaște un set de numere care sunt constantele fundamentale ale universului. Ei sunt cei care determină proprietățile și caracteristicile a tot ceea ce ne înconjoară. Printre astfel de constante, de exemplu, sarcina electronului, constanta gravitațională, viteza luminii în vid. Și dacă schimbăm aceste cifre chiar și de un număr mic de ori, consecințele vor fi catastrofale. Să presupunem că am crescut puterea interacțiunii electromagnetice. Ce s-a întâmplat? Putem descoperi brusc că ionii au devenit mai repulsivi unul față de celălalt, iar fuziunea termonucleară, care face ca stelele să strălucească și să radieze căldură, a eșuat brusc. Toate stelele se vor stinge.

Dar cum rămâne cu teoria corzilor cu dimensiunile sale suplimentare? Cert este că, potrivit acesteia, dimensiunile suplimentare determină valoarea exactă a constantelor fundamentale. Unele forme de măsurare fac ca o coardă să vibreze într-un anumit mod și dau naștere a ceea ce vedem ca un foton. În alte forme, corzile vibrează diferit și produc un electron. Cu adevărat Dumnezeu stă în „lucrurile mărunte” – aceste forme minuscule determină toate constantele fundamentale ale acestei lumi.

Teoria superstringurilor.
La mijlocul anilor 1980, teoria corzilor a căpătat un aer maiestuos și zvelt, dar în cadrul acelui monument domnea confuzia. În doar câțiva ani, au apărut până la cinci versiuni ale teoriei corzilor. Și deși fiecare dintre ele este construită pe șiruri și dimensiuni suplimentare (toate cele cinci versiuni sunt unite în teoria generală a superstringurilor - NS), în detalii aceste versiuni au diverjat semnificativ.

Deci, în unele versiuni, șirurile aveau capete deschise, în altele arătau ca inele. Și în unele versiuni, teoria chiar a necesitat nu 10, ci până la 26 de măsurători. Paradoxul este că toate cele cinci versiuni de astăzi pot fi numite la fel de adevărate. Dar care dintre ele descrie de fapt universul nostru? Acesta este un alt mister al teoriei corzilor. De aceea mulți fizicieni și-au făcut din nou mâna la teoria „Nebunului”.

Dar principala problemă a corzilor, așa cum am menționat deja, este imposibilitatea (cel puțin deocamdată) de a-și dovedi prezența experimental.

Unii oameni de știință, totuși, mai spun că pe următoarea generație de acceleratoare există o oportunitate foarte minimă, dar totuși, de a testa ipoteza dimensiunilor suplimentare. Deși majoritatea, desigur, este sigură că, dacă acest lucru este posibil, atunci, din păcate, nu ar trebui să se întâmple foarte curând - cel puțin peste zeci de ani, la maximum - nici peste o sută de ani.

În cele din urmă, toate particulele elementare pot fi reprezentate ca șiruri multidimensionale microscopice în care sunt excitate vibrații ale diferitelor armonici.

Atenție, strângeți-vă centurile de siguranță - și voi încerca să vă descriu una dintre cele mai ciudate teorii din cercurile științifice serios discutate astăzi, care poate oferi în sfârșit indiciu final asupra structurii Universului. Această teorie pare atât de sălbatică încât, foarte posibil, este corectă!

Diverse versiuni ale teoriei corzilor sunt astăzi considerate drept principalii concurenți pentru titlul unei teorii universale cuprinzătoare care explică natura a tot ceea ce există. Și acesta este un fel de Sfântul Graal al fizicienilor teoreticieni implicați în teoria particulelor elementare și cosmologie. Teoria universală (alias. teoria totul) conține doar câteva ecuații care combină totalitatea cunoștințelor umane despre natura interacțiunilor și proprietățile elementelor fundamentale ale materiei din care este construit Universul. Astăzi, teoria corzilor a fost combinată cu conceptul supersimetrie, rezultând nașterea teoria superstringurilor, iar astăzi acesta este maximul care a fost atins în ceea ce privește unificarea teoriei tuturor celor patru interacțiuni principale (forțe care acționează în natură). Teoria supersimetriei în sine este deja construită pe baza a priori concept modern, conform căreia orice interacțiune la distanță (de câmp) se datorează schimbului de particule-purtători de interacțiune de tipul corespunzător între particulele care interacționează ( cm. model standard). Pentru claritate, particulele care interacționează pot fi considerate „cărămizi” universului, iar particulele-purtători - ciment.

În cadrul modelului standard, quarkurile acționează ca blocuri de construcție, iar purtătorii de interacțiune sunt bozoni de măsurare, pe care acești quarci le schimbă între ei. Teoria supersimetriei merge și mai departe și afirmă că quarcurile și leptonii înșiși nu sunt fundamentale: toți constau din structuri (cărămizi) de materie chiar mai grele și nedescoperite experimental, ținute împreună de un „ciment” și mai puternic de particule superenergetice - purtători de interacţiuni decât quarci.în hadroni şi bozoni. Desigur, în condiții de laborator, niciuna dintre predicțiile teoriei supersimetriei nu a fost încă verificată, cu toate acestea, componentele ipotetice ascunse ale lumii materiale au deja nume - de exemplu, seelectron(partenerul supersimetric al unui electron), squark etc. Existența acestor particule, totuși, este prezisă fără ambiguitate de teorii de acest fel.

Imaginea universului oferită de aceste teorii este însă destul de ușor de vizualizat. Pe o scară de aproximativ 10 -35 m, adică cu 20 de ordine de mărime mai mică decât diametrul aceluiași proton, care include trei quarci legați, structura materiei diferă de ceea ce suntem obișnuiți chiar și la nivelul particulelor elementare. . La distanțe atât de mici (și la energii atât de mari de interacțiune încât este de neconceput) materia se transformă într-o serie de unde staționare de câmp, similare cu cele excitate în șiruri. instrumente muzicale. Ca o coardă de chitară, într-o astfel de coardă, pe lângă tonul fundamental, multe acorduri sau armonici. Fiecare armonică are propria sa stare de energie. Conform principiul relativității (cm. Teoria relativității), energia și masa sunt echivalente, ceea ce înseamnă că cu cât frecvența vibrației undei armonice a coardei este mai mare, cu atât energia acesteia este mai mare și cu atât masa particulei observate este mai mare.

Cu toate acestea, dacă un val staționar dintr-o coardă de chitară este vizualizat destul de simplu, valuri stătătoare, oferite de teoria supercordurilor, sunt greu de vizualizat – adevărul este că vibrațiile superstringurilor apar într-un spațiu care are 11 dimensiuni. Suntem obișnuiți cu un spațiu cu patru dimensiuni, care conține trei dimensiuni spațiale și una temporală (stânga-dreapta, sus-jos, înainte-înapoi, trecut-viitor). În spațiul superstringurilor, lucrurile sunt mult mai complicate (vezi insertul). Fizicienii teoreticieni rezolvă problema alunecoasă a dimensiunilor spațiale „extra” susținând că acestea sunt „ascunse” (sau, limbaj științific exprimate, „compactivitate”) și, prin urmare, nu sunt observate la energiile obișnuite.

Mai recent, teoria corzilor a fost dezvoltată în continuare sub formă teoria membranelor multidimensionale- de fapt, acestea sunt aceleași șiruri, dar plate. Așa cum unul dintre autorii săi a glumit cu dezinvoltură, membranele diferă de șiruri în același mod în care tăițeii diferă de vermicelli.

Asta, poate, este tot ceea ce se poate spune pe scurt despre una dintre teorii, nu fără motiv care pretind astăzi că este teoria universală a Marii Unificări a tuturor interacțiunilor de forță. Din păcate, această teorie nu este lipsită de păcat. În primul rând, nu a fost încă dus la strictețe forma matematica din cauza insuficienţei aparatului matematic de aducere în strictă corespondenţă internă. Au trecut 20 de ani de când această teorie a apărut și nimeni nu a reușit să armonizeze în mod constant unele dintre aspectele și versiunile sale cu altele. Și mai neplăcut este faptul că niciunul dintre teoreticienii care propun teoria corzilor (și, mai ales, a supercordurilor) nu a propus încă un singur experiment pe baza căruia aceste teorii să poată fi testate în laborator. Din păcate, mă tem că până nu vor face acest lucru, toată munca lor va rămâne un joc bizar de fantezie și un exercițiu de înțelegere a cunoștințelor ezoterice în afara curentului principal al științelor naturale.

Vezi si:

1972	cromodinamica cuantică

Câte dimensiuni sunt?

Ne, oameni normali, trei dimensiuni au fost întotdeauna suficiente. Din timpuri imemoriale ne-am obișnuit să descriem lume fizicăîntr-un cadru atât de modest (un tigru cu dinți de sabie la 40 de metri în față, 11 metri în dreapta și 4 metri deasupra mea - un pietruit pentru luptă!). Teoria relativității ne-a învățat pe cei mai mulți dintre noi că timpul este esența celei de-a patra dimensiuni (tigrul cu dinți de sabie nu este doar aici - ne amenință aici și acum!). Și așa, începând de la jumătatea secolului al XX-lea, teoreticienii au început să vorbească despre faptul că de fapt există și mai multe dimensiuni - fie 10, fie 11, fie chiar 26. Desigur, fără a explica de ce noi, oameni normali, nu le observăm, nu s-a putut face aici. Și atunci a apărut conceptul de „compactare” - aderența sau prăbușirea dimensiunilor.

Imaginați-vă un furtun de udare a grădinii. De aproape, este perceput ca un obiect tridimensional normal. Este necesar, totuși, să ne îndepărtăm de furtun la o distanță suficientă - și ne va apărea ca un obiect liniar unidimensional: pur și simplu încetăm să-i mai percepem grosimea. Acest efect este denumit în mod obișnuit compactarea unei dimensiuni: acest caz Grosimea furtunului s-a dovedit a fi „compact” - scara scalei de măsurare este prea mică.

Exact așa, după teoreticieni, dispar din câmpul percepției noastre experimentale dimensiunile suplimentare existente cu adevărat, necesare pentru o explicație adecvată a proprietăților materiei la nivel subatomic: devin compacte, plecând de la o scară de aproximativ 10 -35 m, metode moderne observatie si instrumente de masura pur și simplu incapabil să detecteze structuri la o scară atât de mică. Poate că așa stau lucrurile, sau poate lucrurile sunt complet diferite. Deși nu există astfel de dispozitive și metode de observație, toate argumentele și contraargumentele de mai sus vor rămâne la nivelul speculațiilor inactive.

Diverse versiuni ale teoriei corzilor sunt astăzi considerate drept principalii concurenți pentru titlul unei teorii universale cuprinzătoare care explică natura a tot ceea ce există. Și acesta este un fel de Sfântul Graal al fizicienilor teoreticieni implicați în teoria particulelor elementare și cosmologie. Teoria universală (alias teoria a tot) conține doar câteva ecuații care combină totalitatea cunoștințelor umane despre natura interacțiunilor și proprietățile elementelor fundamentale ale materiei din care este construit Universul.

Astăzi, teoria corzilor a fost combinată cu conceptul de supersimetrie, rezultând nașterea teoriei superstringurilor, iar astăzi acesta este maximul care s-a atins în ceea ce privește unificarea teoriei tuturor celor patru interacțiuni principale (forțe care acționează în natură). Teoria supersimetriei în sine a fost deja construită pe baza unui concept modern a priori, conform căruia orice interacțiune la distanță (de câmp) se datorează schimbului de particule-purtători ai unei interacțiuni de tipul adecvat între particulele care interacționează (vezi Model standard). Pentru claritate, particulele care interacționează pot fi considerate „cărămizi” universului, iar particulele purtătoare - ciment.

Teoria corzilor - direcție fizica matematica, care studiază dinamica particulelor nu punctuale, ca majoritatea ramurilor fizicii, ci a obiectelor extinse unidimensionale, de exemplu. siruri de caractere.
În cadrul Modelului Standard, quarcii acționează ca blocuri de construcție, iar bosonii gauge, pe care acești quarci îi schimbă între ei, acționează ca purtători de interacțiune. Teoria supersimetriei merge și mai departe și afirmă că quarcurile și leptonii înșiși nu sunt fundamentale: toți constau din structuri (cărămizi) de materie chiar mai grele și nedescoperite experimental, ținute împreună de un „ciment” și mai puternic de particule superenergetice - purtători de interacţiuni decât quarci.în hadroni şi bozoni.

Desigur, în condiții de laborator, niciuna dintre predicțiile teoriei supersimetriei nu a fost încă verificată, cu toate acestea, componentele ascunse ipotetice ale lumii materiale au deja nume - de exemplu, electronul (partenerul supersimetric al electronului), squark. , etc. Existența acestor particule, totuși, teorii de acest fel sunt prezise fără ambiguitate.

Imaginea universului oferită de aceste teorii este însă destul de ușor de vizualizat. La scări de ordinul 10E–35 m, adică cu 20 de ordine de mărime mai mici decât diametrul aceluiași proton, care include trei quarci legați, structura materiei diferă de ceea ce suntem obișnuiți chiar și la nivelul elementare. particule. La distanțe atât de mici (și la energii de interacțiune atât de mari încât este de neconceput), materia se transformă într-o serie de unde staționare de câmp, asemănătoare cu cele care sunt excitate în corzile instrumentelor muzicale. La fel ca o coardă de chitară, pe lângă tonul fundamental, într-o astfel de coardă pot fi excitate multe harmonice sau armonice. Fiecare armonică are propria sa stare de energie. Conform principiului relativității (vezi Teoria relativității), energia și masa sunt echivalente, ceea ce înseamnă că cu cât frecvența vibrației undei armonice a unei coarde este mai mare, cu atât energia acesteia este mai mare și cu atât masa particulei observate este mai mare.

Totuși, dacă o undă staționară dintr-o coardă de chitară este vizualizată destul de simplu, undele staționare propuse de teoria superstringurilor sunt greu de vizualizat - adevărul este că supercordurile vibrează într-un spațiu care are 11 dimensiuni. Suntem obișnuiți cu un spațiu cu patru dimensiuni, care conține trei dimensiuni spațiale și una temporală (stânga-dreapta, sus-jos, înainte-înapoi, trecut-viitor). În spațiul superstringurilor, lucrurile sunt mult mai complicate (vezi insertul). Fizicienii teoreticieni ocolesc problema alunecoasă a dimensiunilor spațiale „extra” susținând că acestea sunt „ascunse” (sau, în termeni științifici, „compactivizate”) și, prin urmare, nu sunt observate la energiile obișnuite.

Mai recent, teoria corzilor a fost dezvoltată în continuare sub forma teoriei membranelor multidimensionale - de fapt, acestea sunt aceleași șiruri, dar plate. Așa cum unul dintre autorii săi a glumit cu dezinvoltură, membranele diferă de șiruri în același mod în care tăițeii diferă de vermicelli.

Asta, poate, este tot ceea ce se poate spune pe scurt despre una dintre teorii, nu fără motiv care pretind astăzi că este teoria universală a Marii Unificări a tuturor interacțiunilor de forță. Din păcate, această teorie nu este lipsită de păcat. În primul rând, ea nu a fost încă adusă la o formă matematică riguroasă din cauza insuficienței aparatului matematic pentru a-l aduce în strictă corespondență internă. Au trecut 20 de ani de când această teorie a apărut și nimeni nu a reușit să armonizeze în mod constant unele dintre aspectele și versiunile sale cu altele. Și mai neplăcut este faptul că niciunul dintre teoreticienii care propun teoria corzilor (și, mai ales, a supercordurilor) nu a propus încă un singur experiment pe baza căruia aceste teorii să poată fi testate în laborator. Din păcate, mă tem că până nu vor face acest lucru, toată munca lor va rămâne un joc bizar de fantezie și un exercițiu de înțelegere a cunoștințelor ezoterice în afara curentului principal al științelor naturale.

Studierea proprietăților găurilor negre

În 1996, teoreticienii corzilor Andrew Strominger și Cumrun Wafa, bazându-se pe mai multe rezultate timpurii Susskind și Sen, au publicat „The Microscopic Nature of Bekenstein and Hawking's Entropy”. În această lucrare, Strominger și Wafa au fost capabili să folosească teoria corzilor pentru a găsi componentele microscopice ale unei anumite clase de găuri negre, precum și pentru a calcula cu exactitate contribuțiile acestor componente la entropie. Lucrarea sa bazat pe aplicarea unei noi metode, parțial dincolo de sfera teoriei perturbațiilor, care a fost folosită în anii 1980 și începutul anilor 1990. Rezultatul lucrării a coincis exact cu predicțiile lui Bekenstein și Hawking, făcute cu peste douăzeci de ani în urmă.

Strominger și Vafa au contracarat procesele reale de formare a găurilor negre cu o abordare constructivă. Ei au schimbat viziunea asupra formării găurilor negre, arătând că acestea pot fi construite prin asamblarea minuțioasă într-un singur mecanism a setului exact de brane descoperit în timpul celei de-a doua revoluții a superstringurilor.

Având în mână toate comenzile unui design microscopic gaură neagră, Strominger și Wafa au reușit să calculeze numărul de permutări ale componentelor microscopice ale unei găuri negre care lasă neschimbate caracteristici observabile comune, cum ar fi masa și sarcina. După aceea, au comparat numărul rezultat cu aria orizontului de evenimente al găurii negre - entropia prezisă de Bekenstein și Hawking - și au găsit acordul perfect. Cel puțin pentru clasa găurilor negre extreme, Strominger și Vafa au reușit să găsească o aplicație a teoriei corzilor la analiza componentelor microscopice și la calculul exact al entropiei corespunzătoare. Problema cu care se confruntase fizicienii timp de un sfert de secol a fost rezolvată.

Pentru mulți teoreticieni, această descoperire a fost importantă și argument convingătorîn sprijinul teoriei corzilor. Dezvoltarea teoriei corzilor este încă prea brută pentru o comparație directă și precisă cu rezultatele experimentale, de exemplu, cu rezultatele măsurătorilor maselor unui quarc sau unui electron. Teoria corzilor, însă, oferă prima justificare fundamentală cu mult timp în urmă. proprietate publică găuri negre, imposibilitatea de a explica care a împiedicat mulți ani cercetările fizicienilor care lucrau cu teoriile tradiționale. Chiar și Sheldon Glashow Laureat Nobelîn fizică și un oponent ferm al teoriei corzilor în anii 1980, a recunoscut într-un interviu din 1997 că „atunci când teoreticienii corzilor vorbesc despre găurile negre, ei vorbesc aproape despre fenomene observabile, iar acest lucru este impresionant”.

Cosmologia șirurilor

Există trei puncte principale în care teoria corzilor modifică modelul cosmologic standard. În primul rând, în spiritul cercetării moderne, care clarifică tot mai mult situația, din teoria corzilor rezultă că Universul ar trebui să aibă un minim dimensiunea admisă. Această concluzie schimbă ideea structurii Universului imediat în momentul Big Bang-ului, pentru care modelul standard dă dimensiunea zero a Universului. În al doilea rând, conceptul de dualitate T, adică dualitatea de mic și raze mari(în a lui legătură strânsă cu existenţa unei dimensiuni minime) în teoria corzilor este importantă şi în cosmologie. În al treilea rând, numărul de dimensiuni spațiu-timp în teoria corzilor este mai mare de patru, așa că cosmologia trebuie să descrie evoluția tuturor acestor dimensiuni.

Modelul lui Brandenberg și Wafa

La sfârșitul anilor 1980 Robert Brandenberger și Kumrun Wafa au făcut primul pași importanți pentru a înțelege ce schimbări în consecințele standardului model cosmologic va folosi teoria corzilor. Au ajuns la două concluzii importante. În primul rând, pe măsură ce ne întoarcem la timpul Big Bang, temperatura continuă să crească până în momentul în care dimensiunea universului în toate direcțiile este egală cu lungimea lui Planck. În acest moment, temperatura va atinge un maxim și va începe să scadă. La nivel intuitiv, nu este greu de înțeles motivul acestui fenomen. Presupuneți pentru simplitate (urmând Brandenberger și Wafa) că toate dimensiunile spațiale ale universului sunt ciclice. Pe măsură ce ne întoarcem în timp, raza fiecărui cerc se micșorează și temperatura universului crește. Din teoria corzilor știm că reducerea razelor mai întâi la și apoi sub lungimea Planck este echivalent fizic cu scăderea razelor la lungimea Planck, urmată de creșterea lor ulterioară. Deoarece temperatura scade în timpul expansiunii Universului, încercările nereușite de a comprima Universul la dimensiuni mai mici decât lungimea Planck vor duce la încetarea creșterii temperaturii și la scăderea acesteia în continuare.

Drept urmare, Brandenberger și Vafa au ajuns la următoarea imagine cosmologică: în primul rând, toate dimensiunile spațiale din teoria corzilor sunt strâns înfăşurate până la o dimensiune minimă de ordinul lungimii Planck. Temperatura și energia sunt ridicate, dar nu infinite: paradoxurile punctului de plecare al mărimii zero în teoria corzilor sunt rezolvate. LA momentul initial existența Universului, toate dimensiunile spațiale ale teoriei corzilor sunt complet egale și complet simetrice: toate sunt înfășurate într-o bucată multidimensională de dimensiuni Planck. În plus, conform lui Brandenberger și Wafa, Universul trece prin prima etapă de reducere a simetriei, când la momentul Planck sunt selectate trei dimensiuni spațiale pentru expansiunea ulterioară, în timp ce restul își păstrează dimensiunea Planck inițială. Aceste trei dimensiuni sunt apoi identificate cu dimensiunile din scenariu cosmologie inflaționistă iar în procesul evoluţiei iau forma acum observabilă.

Modelul Veneziano și Gasperini

De la lucrările lui Brandenberger și Wafa, fizicienii au făcut progrese continue spre înțelegerea cosmologiei corzilor. Printre cei care conduc aceste studii se numără Gabriele Veneziano și colegul său Maurizio Gasperini de la Universitatea din Torino. Acești oameni de știință au prezentat versiunea lor de cosmologie a corzilor, care în mai multe locuri este în contact cu scenariul descris mai sus, dar în alte locuri este fundamental diferită de acesta. La fel ca Brandenberger și Wafa, pentru a exclude temperatura infinită și densitatea de energie care apar în standardul și model inflaționist, s-au bazat pe existența unei lungimi minime în teoria corzilor. Cu toate acestea, în loc să concluzioneze că, datorită acestei proprietăți, universul se naște dintr-un bulgăre de dimensiunea lui Planck, Gasperini și Veneziano au sugerat că a existat un univers preistoric care a apărut cu mult înainte de momentul numit zero puncteși a dat naștere acestui „embrion” cosmic de dimensiuni Planck.

Starea inițială a Universului într-un astfel de scenariu și în modelul Big Bang este foarte diferită. Potrivit lui Gasperini și Veneziano, Universul nu era o minge de dimensiuni fierbinți și strâns răsucite, ci era rece și avea o întindere infinită. Apoi, după cum reiese din ecuațiile teoriei corzilor, instabilitatea a invadat Universul și toate punctele sale au început, ca în epoca inflației, potrivit lui Guth, să se împrăștie rapid în lateral.

Gasperini și Veneziano au arătat că, din această cauză, spațiul a devenit din ce în ce mai curbat și ca urmare a avut loc o creștere bruscă a temperaturii și a densității de energie. A trecut puțin timp și o zonă tridimensională de dimensiuni milimetrice în interiorul acestora întinderi nesfârșite transformat într-o pată roșie și densă, identică cu pata care se formează în timpul expansiunii inflaționiste după Guth. Apoi totul a mers conform scenariului standard al cosmologiei Big Bang, iar locul în expansiune a devenit Universul observabil.

Deoarece epoca pre-Big Bang și-a cunoscut propria expansiune inflaționistă, soluția lui Guth la paradoxul orizontului este integrată automat în acest scenariu cosmologic. În cuvintele lui Veneziano (într-un interviu din 1998), „teoria corzilor ne prezintă o variantă a cosmologiei inflaționiste pe un platou de argint”.

Studiul cosmologiei corzilor devine rapid o zonă de cercetare activă și productivă. De exemplu, scenariul evoluției dinainte de Big Bang a fost subiectul unor dezbateri aprinse de mai multe ori, iar locul său în formularea cosmologică viitoare este departe de a fi evident. Cu toate acestea, nu există nicio îndoială că această formulare cosmologică se va baza ferm pe înțelegerea de către fizicieni a rezultatelor descoperite în timpul celei de-a doua revoluții a superstringurilor. De exemplu, consecințele cosmologice ale existenței membranelor multidimensionale nu sunt încă clare. Cu alte cuvinte, cum se va schimba ideea primelor momente ale existenței Universului ca urmare a analizei teoriei M finalizate? Această problemă este cercetată intens.