Te-ai gândit vreodată că universul este ca un violoncel? Așa e, 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 simfonia Universului nu poate fi „redată” pe ele, deoarece, potrivit teoreticienilor corzilor, tot ce există constă din aceste „fire”.

©depositphotos.com

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, la calcularea energiei 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). 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, 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. Cu toate acestea, consecințele ipoteza cuantică căci determinismul nu s-a realizat încă. 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 - quarci 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.

©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 unește protonii și neutronii din 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”.

©Wikimedia Commons

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 ecuație veche de 200 de ani, scrisă pentru prima dată de matematicianul elvețian Leonhard Euler. Imaginează-ți surpriza lui Veneziano când a descoperit că ecuația lui Euler, care perioadă lungă de timp considerată nimic mai mult decât o curiozitate matematică, descrie această interacțiune puternică.

Cum a fost cu adevărat? Ecuația este probabil rezultatul ani lucrarea lui Veneziano, iar cazul nu a făcut decât să se facă primul pas către descoperirea teoriei corzilor. ecuația lui Euler, miraculos explicând interacțiunea puternică a căpătat 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 descria particule care nu aveau structura internași ar putea vibre. 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 un real explozie de populație» particule elementare. doctoranzi universități fizice a alergat prin coridoare strigând că s-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.

©Wikimedia Commons

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, vai, chiar și în această teorie perfectă a existat una o problema mare- nu a inclus cel mai mult forță cunoscută nivel macro - gravitație.

©Wikimedia Commons

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 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 de miliarde și miliarde de ori mai putin de un atom, „stringers” au transformat lipsa teoriei în demnitatea ei. 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, 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.

Fizicianul teoretic american John Schwartz (sus) și Michael Green
©California Institute of Technology/elementy.ru

Ce motiv există să credem că gravitația respectă legile mecanicii cuantice? Pentru descoperirea acestor „terenuri” în 2011 a fost premiat Premiul Nobelîn fizică. Ea a constat în faptul că expansiunea Universului nu încetinește, așa cum se credea cândva, ci, dimpotrivă, se accelerează. Această accelerare se explică prin acțiunea unei „antigravitații” speciale, care este cumva caracteristică spațiului gol al vidului cosmic. Pe de altă parte, la nivel cuantic, nu poate exista nimic absolut „gol” – particulele subatomice apar în mod constant și dispar imediat în vid. Se crede că o astfel de „pâlpâire” a particulelor este responsabilă pentru existența „antigravitației” energie întunecată, care umple spațiul gol.

La un moment dat, Albert Einstein a fost cel care până la sfârșitul vieții nu a acceptat principiile paradoxale ale mecanicii cuantice (pe care el însuși le-a prezis), a sugerat existența acestei forme de energie. Urmând tradiția filozofiei clasice grecești a lui Aristotel cu credința sa în eternitatea lumii, Einstein a refuzat să creadă ceea ce a prezis propria sa teorie, și anume că universul a avut un început. Pentru a „perpetua” universul, Einstein a introdus chiar o anumită constantă cosmologică în teoria sa și a descris astfel energia spațiu gol. Din fericire, câțiva ani mai târziu a devenit clar că Universul nu este deloc o formă înghețată, că se extinde. Apoi Einstein a abandonat constanta cosmologică, numind-o „cea mai mare greșeală de calcul a vieții sale”.

Astăzi, știința știe că energia întunecată încă există, deși densitatea ei este mult mai mică decât cea sugerată de Einstein (problema densității energiei întunecate, de altfel, este una dintre cele mai mari mistere fizica modernă). Dar oricât de mică ar fi valoarea constantei cosmologice, este suficient să ne asigurăm că efecte cuantice există în gravitație.

Păpuși de cuibărit subatomice

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 explodat 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 iată 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 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 de atunci Grecia antică fizicienii sunt obișnuiți 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-o dimensiune suplimentară, 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.

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
©Wikimedia Commons

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 ne pot afecta aceste dimensiuni mici Lumea 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 borcan.

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 sunt cele care determină valoare exacta 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), aceste versiuni divergeau considerabil 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? Aceasta este o altă ghicitoare teoria corzilor. De aceea mulți fizicieni și-au făcut din nou mâna la teoria „nebunilor”.

Dar cel mai mult problema principalașiruri, după cum sa menționat deja, în imposibilitatea (conform macar, în timp ce) să-și demonstreze experimental prezența.

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 ai interacțiunii de tipul corespunzător dintre particulele care interacționează ( cm. model standard). Pentru claritate, particulele care interacționează pot fi considerate „cărămizi” universului, iar particulele-purtători - ciment.

Ca parte din model standard quarcii 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, nici una dintre predicțiile teoriei supersimetriei nu a fost încă verificată în laborator, dar componentele ipotetice ascunse Lumea materială 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. La 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 energetică. Conform principiul relativității (cm. 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.

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 ocolesc 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 primit dezvoltare ulterioară la fel de 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 s-a născut această teorie și nimeni nu a reușit să armonizeze în mod constant unele dintre aspectele și versiunile ei 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?

Noi, oamenii obișnuiți, ne-am săturat întotdeauna de trei dimensiuni. 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 mijlocul 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.

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 clasică credea că nu mai erau probleme serioase în ea, iar 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 vizibilă, razele X și alte unde electromagnetice ar putea 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. 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 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 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 dualitatea undă-particulă a mecanicii cuantice.

Nivele de structură mondială: 1. Nivel macroscopic - materie 2. Nivel molecular 3. Nivel atomic - protoni, neutroni și electroni 4. Nivel subatomic - electron 5. Nivel subatomic - cuarci 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 iresolubil cu „huliganul nebun” - mecanica cuantică și, ca urmare, 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 uni două relativitate generală și mecanică cuantică fundamental contradictorii, 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 principiu fizic fundamental. 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 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.

Cu ajutorul matematicii complexe, s-a putut arăta că interacțiunile electromagnetice și slabe au o natură comună, combinându-le într-o singură electroslăbire. 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 multă vreme nu a fost considerată altceva decât o curiozitate matematică, descrie această interacțiune puternică.

Cum a fost cu adevărat? Formula a fost probabil rezultatul anilor lungi de muncă ai lui Veneziano, iar cazul nu a făcut decât să facă primul pas către descoperirea teoriei corzilor. Funcția Euler, care a explicat 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 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” de particule elementare. Studenții absolvenți ai universităților de fizică alergau pe coridoare strigând că au descoperit o nouă particulă - nici măcar nu erau suficiente litere pentru a-i 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 multe dintre aceste particule purtătoare - aceiași fotoni care schimbă particulele de materie, cu atât lumina este 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 imediat după Big Bang, când universul era mai fierbinte cu trilioane de grade, particulele care poartă electromagnetismul și forța slabă ar deveni indistincte și s-ar uni 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, 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 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, „stringers” 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 care era dispus 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, 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 capabilă să descrie toate componentele universului. Și iată 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 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 din timpul Greciei Antice, fizicienii s-au obișnuit cu faptul că totul în această lume este alcătuit 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”. Ceea ce este necesar pentru a demonstra teoria corzilor este mai degrabă altceva - ceea ce sună a science fiction - confirmarea existenței unor dimensiuni suplimentare ale spațiului.

Despre ce este vorba? 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-o dimensiune suplimentară, 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 o formă complexă foarte răsucite și răsucite. 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 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 borcan.

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 electronului, 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 interacțiunii electromagnetice. Ce s-a întâmplat? Putem descoperi dintr-o dată 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 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.

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.

Cu toate acestea, 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 s-a născut această teorie și nimeni nu a reușit să armonizeze în mod constant unele dintre aspectele și versiunile ei 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 s-au opus proceselor reale de formare a găurilor negre 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 Vafa 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 pentru a analiza componentele microscopice și a calcula exact entropia 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 cuarc sau a unui electron. Teoria corzilor oferă însă prima justificare fundamentală cu mult timp în urmă. proprietate publică găuri negre, imposibilitatea de a explica care a împiedicat mulți ani cercetările fizicienilor care lucrează cu teorii 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 spirit cercetare contemporană, clarificând 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 venit la doi constatări importante. În primul rând, pe măsură ce ne întoarcem la timpul Big Bang, temperatura continuă să crească până când 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 ale existenței 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 dimensiuni 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.

Știința este un domeniu vast și o cantitate mare cercetările și descoperirile se desfășoară zilnic, deși este de remarcat faptul că unele teorii par a fi interesante, dar în același timp nu au dovezi reale și, parcă, „atârnă în aer”.

Ce este teoria corzilor?

Teoria fizică care reprezintă particulele sub formă de vibrație se numește teoria corzilor. Aceste valuri au un singur parametru - longitudinea, iar înălțimea și lățimea lipsesc. Pentru a vă da seama că aceasta este teoria corzilor, ar trebui să luați în considerare principalele ipoteze pe care le descrie.

1. Se presupune că totul în jur este format din filamente care vibrează și membrane de energie.
2. Încearcă să combine relativitatea generală și fizica cuantică.
3. Teoria corzilor oferă o șansă de a uni totul forte fundamentale Univers.
4. Prezice o relație simetrică între tipuri diferite particule: bozoni și fermioni.
5. Oferă șansa de a descrie și prezenta dimensiuni ale Universului care nu au fost observate înainte.

Teoria corzilor - cine a descoperit-o?

1. Prima dată în 1960 teoria cuantica strings a fost creat pentru a explica fenomenul din fizica hadronilor. La acel moment, a fost dezvoltat de G. Veneziano, L. Susskind, T. Goto și alții.
2. El a spus ce este teoria corzilor, omul de știință D. Schwartz, J. Sherk și T. Yene, din moment ce au dezvoltat ipoteza corzilor bosonice, iar acest lucru s-a întâmplat 10 ani mai târziu.
3. În 1980, doi oameni de știință: M. Green și D. Schwartz au identificat teoria superstringurilor, care aveau simetrii unice.
4. Studiile ipotezei propuse sunt în curs de desfășurare până în prezent, dar până acum nu a fost posibilă demonstrarea acesteia.

Teoria Corzilor - Filosofie

Există o direcție filozofică care are o legătură cu teoria corzilor și ei o numesc monada. Implică utilizarea simbolurilor pentru a compacta orice cantitate de informații. Monada și teoria corzilor în filozofie folosesc contrarii și dualități. Cel mai popular simbol monad simplu este Yin-Yang. Experții au sugerat ca teoria corzilor să fie descrisă mai degrabă pe o monadă tridimensională decât pe o monadă plată, iar apoi șirurile vor deveni o realitate, deși sunt lungi și puține.

Dacă se folosește o monada volumetrică, atunci linia care împarte Yin-Yang va fi un plan, iar folosind o monada multidimensională se obține un volum spiralizat. Deși nu există nicio lucrare în filozofie cu privire la monadele multidimensionale - acesta este un domeniu de studiu în viitor. Filosofii cred că cunoașterea este un proces fără sfârșit și atunci când încearcă să creeze un singur model al universului, o persoană va fi surprinsă de mai multe ori și își va schimba conceptele de bază.

Dezavantajele teoriei corzilor

Deoarece ipoteza propusă de un număr de oameni de știință este neconfirmată, este destul de de înțeles că există o serie de probleme care indică necesitatea rafinării acesteia.

1. Are concepții greșite în teoria corzilor, de exemplu, atunci când calculul a fost descoperit tip nou particulele sunt tahioni, dar nu pot exista în natură, deoarece pătratul masei lor mai putin de zero, și viteza de mișcare mai multa viteza Sveta.
2. Teoria corzilor poate exista doar într-un spațiu zece-dimensional, dar atunci întrebarea este relevantă - de ce o persoană nu percepe alte dimensiuni?

Teoria corzilor - dovada

Cele două convenții fizice principale pe baza cărora dovada stiintifica, de fapt, se opun unul altuia, întrucât reprezintă structura universului la nivel micro în moduri diferite. Pentru a le încerca, s-a propus o teorie corzi cosmice. În multe privințe, pare fiabil și nu numai în cuvinte, ci și în calcule matematice, dar astăzi o persoană nu are ocazia să o demonstreze practic. Dacă există șiruri, acestea sunt la nivel microscopic și nu există încă posibilități tehnice de a le recunoaște.

Teoria Corzilor și Dumnezeu

Celebrul fizician teoretician M. Kaku a propus o teorie în care el, folosind ipoteza șirului, dovedește existența Domnului. A ajuns la concluzia că totul în lume funcționează după anumite legi și reguli stabilite de o singură Minte. Potrivit lui Kaku, teoria corzilor și dimensiuni ascunse Universul va fi ajutat să creeze o ecuație care să unească toate forțele naturii și să vă permită să înțelegeți mintea lui Dumnezeu. El își concentrează ipoteza pe particulele tahionice care se mișcă mai repede decât lumina. Chiar și Einstein a spus că dacă găsești astfel de părți, va fi posibil să muți timpul înapoi.

După ce a efectuat o serie de experimente, Kaku a concluzionat că viața umană este guvernată de legi stabile și nu răspunde la accidentele cosmice. Există o teorie a corzilor în viață și este legată de o forță necunoscută care controlează viața și o completează. În opinia lui, asta este. Kaku este sigur că universul vibrează șiruri care vin din mintea Supremului.