String universe. Teorya ng string at ang mga nakatagong sukat ng uniberso - patunay ng pagkakaroon

Ang isang magandang patula na pariralang "teoryang string" ay isa sa mga direksyon sa teoretikal na pisika, na pinagsasama ang mga ideya ng teorya ng relativity at quantum mechanics. Ang sangay ng pisika na ito ay tumatalakay sa pag-aaral ng mga quantum string - iyon ay, isang-dimensional na pinalawak na mga bagay. Ito ang pangunahing pagkakaiba nito mula sa maraming iba pang sangay ng pisika kung saan pinag-aaralan ang dinamika ng mga particle ng punto.

Sa kaibuturan nito, itinatanggi at iginiit ng String Theory na ang uniberso ay palaging umiiral. Iyon ay, ang Uniberso ay hindi isang walang katapusang maliit na punto, ngunit isang string na may isang infinitesimal na haba, habang ang teorya ng string ay nagsasabi na tayo ay nakatira sa isang sampung-dimensional na espasyo, bagama't 3-4 lamang ang ating nararamdaman. Ang natitira ay umiiral sa isang gumuhong estado, at kung magpasya kang itanong ang tanong: "Kailan sila magbubukas, at mangyayari ba ito?", Kung gayon hindi ka makakatanggap ng sagot.

Hindi ito natagpuan ng matematika - ang teorya ng string ay hindi mapapatunayan sa empirically. Totoo, may mga pagtatangka na bumuo ng isang unibersal na teorya upang maaari itong masuri nang praktikal. Ngunit para mangyari ito, dapat itong gawing simple na umabot sa antas ng ating pang-unawa sa katotohanan. Pagkatapos ang ideya ng pagsuri ay ganap na nawawala ang kahulugan nito.

Pangunahing Pamantayan at Konsepto ng String Theory

Ang teorya ng relativity ay nagsasabi na ang ating uniberso ay isang eroplano, at ang quantum mechanics ay nagsasabi na sa micro level mayroong isang walang katapusang kilusan, dahil sa kung saan ang espasyo ay hubog. At sinusubukan ng teorya ng string na pagsamahin ang dalawang pagpapalagay na ito, at alinsunod dito, ang mga elementarya na particle ay kinakatawan bilang mga espesyal na sangkap sa komposisyon ng bawat atom - ang orihinal na mga string, na isang uri ng ultramicroscopic fibers. Kasabay nito, ang mga elementarya na particle ay may mga katangian na nagpapaliwanag sa resonant vibration ng mga fibers na bumubuo sa mga particle na ito. Ang ganitong mga uri ng mga hibla ay nagsasagawa ng mga panginginig ng boses sa isang walang katapusang bilang.

Para sa isang mas tumpak na pag-unawa sa kakanyahan, maaaring isipin ng isang simpleng layko ang mga string ng ordinaryong mga instrumentong pangmusika na maaaring iunat sa iba't ibang oras, matagumpay na nakatiklop, at patuloy na manginig. Ang mga thread na nakikipag-ugnayan sa isa't isa sa ilang partikular na vibrations ay may parehong mga katangian.

Lumiligid sa karaniwang mga loop, ang mga thread ay bumubuo ng mas malalaking uri ng mga particle - mga quark, mga electron, na ang masa ay direktang nakasalalay sa antas ng pag-igting at dalas ng panginginig ng boses ng mga hibla. Kaya't ang enerhiya ng string ay nauugnay sa mga pamantayang ito. Ang mass ng elementarya na mga particle ay magiging mas mataas na may mas malaking halaga ng radiated energy.

Mga Kasalukuyang Isyu sa String Theory

Kapag nag-aaral ng teorya ng string, ang mga siyentipiko mula sa maraming bansa ay pana-panahong nakakaranas ng ilang mga problema at hindi nalutas na mga isyu. Ang pinakamahalagang punto ay maaaring isaalang-alang ang kakulangan ng mga pormula sa matematika, kaya ang mga espesyalista ay hindi pa nagtagumpay sa pagbibigay ng teorya ng kumpletong anyo.

Ang pangalawang makabuluhang problema ay ang kumpirmasyon ng kakanyahan ng teorya ng pagkakaroon ng 10 dimensyon, kung sa katunayan maaari nating maramdaman ang 4 lamang sa kanila. Malamang na ang natitirang 6 sa kanila ay umiiral sa isang baluktot na estado, at hindi posible na maramdaman ang mga ito sa real time. Samakatuwid, kahit na ang pagpapabulaanan ng teorya ay sa panimula imposible, ang eksperimentong kumpirmasyon ay tila mahirap pa rin.

Kasabay nito, ang pag-aaral ng teorya ng string ay naging isang malinaw na impetus para sa pagbuo ng orihinal na mga konstruksyon ng matematika, pati na rin ang topology. Ang pisika na may mga teoretikal na direksyon ay medyo matatag na nakaugat sa matematika sa tulong din ng teoryang pinag-aaralan. Bukod dito, ang kakanyahan ng modernong quantum gravity at matter ay maaaring lubusang maunawaan, simula sa pag-aaral ng mas malalim kaysa sa posible noon.

Samakatuwid, ang pagsasaliksik ng string theory ay patuloy na walang patid, at ang resulta ng maraming eksperimento, kabilang ang mga pagsubok sa Large Hadron Collider, ay maaaring ang mga nawawalang konsepto at elemento. Sa kasong ito, ang pisikal na teorya ay ganap na mapapatunayan at pangkalahatang tinatanggap na kababalaghan.

Mga pangunahing tanong:

Ano ang mga pangunahing bahagi ng Uniberso - ang "unang mga brick ng matter"? Mayroon bang mga teorya na maaaring ipaliwanag ang lahat ng mga pangunahing pisikal na phenomena?

Tanong: totoo ba?

Ngayon at sa nakikinita na hinaharap, ang direktang pagmamasid sa ganoong kaliit na sukat ay hindi posible. Ang pisika ay nasa paghahanap, at ang mga patuloy na eksperimento, halimbawa, upang matukoy ang mga supersymmetric na particle o maghanap ng mga karagdagang dimensyon sa mga accelerator, ay maaaring magpahiwatig na ang teorya ng string ay nasa tamang landas.

Kung ang teorya ng string ay ang teorya ng lahat ng bagay, nagbibigay ito sa atin ng isang natatanging hanay ng mga tool upang masilip ang malalalim na istruktura ng realidad.

Teorya ng string


Macro at micro


Kapag inilalarawan ang Uniberso, hinahati ito ng pisika sa dalawang tila hindi magkatugma na mga kalahati - ang quantum microcosm, at ang macrocosm, kung saan inilalarawan ang gravity.


Ang teorya ng string ay isang kontrobersyal na pagtatangka na pagsamahin ang mga halves na ito sa isang "Teorya ng Lahat".


Mga particle at pakikipag-ugnayan


Ang mundo ay binubuo ng dalawang uri ng elementarya na mga particle - fermion at boson. Ang mga fermion ay lahat ng napapansing bagay, at ang mga boson ay mga tagadala ng apat na kilalang pangunahing pakikipag-ugnayan: mahina, electromagnetic, malakas, at gravitational. Sa loob ng isang teorya na tinatawag na Standard Model, ang mga physicist ay pinamamahalaang eleganteng ilarawan at subukan ang tatlong pangunahing pwersa, lahat maliban sa pinakamahina, gravitational. Sa ngayon, ang Standard Model ay ang pinakatumpak at eksperimento na nakumpirmang modelo ng ating mundo.


Bakit kailangan ang teorya ng string


Ang Standard Model ay hindi kasama ang gravity, hindi maaaring ilarawan ang gitna ng isang black hole at ang Big Bang, at hindi ipinapaliwanag ang mga resulta ng ilang mga eksperimento. Ang teorya ng string ay isang pagtatangka na lutasin ang mga problemang ito at pag-isahin ang bagay at mga pakikipag-ugnayan sa pamamagitan ng pagpapalit ng mga elementarya na particle ng maliliit na vibrating string.



Ang teorya ng string ay batay sa ideya na ang lahat ng elementarya na particle ay maaaring katawanin bilang isang elementarya na "unang brick" - isang string. Maaaring mag-vibrate ang mga string, at ang iba't ibang mga mode ng naturang mga vibrations sa isang malaking distansya ay magmumukha sa amin tulad ng iba't ibang mga elementarya na particle. Ang isang mode ng vibration ay gagawing parang photon ang string, ang isa naman ay gagawing parang electron.


Mayroong kahit isang mod na naglalarawan sa carrier ng gravitational interaction - ang graviton! Ang mga bersyon ng teorya ng string ay naglalarawan ng mga string ng dalawang uri: bukas (1) at sarado (2). Ang mga bukas na string ay may dalawang dulo (3) na matatagpuan sa mga istrukturang tulad ng lamad na tinatawag na D-branes, at ang kanilang dynamics ay naglalarawan ng tatlo sa apat na pangunahing pakikipag-ugnayan - lahat maliban sa gravitational.


Ang mga saradong string ay kahawig ng mga loop, hindi sila nakatali sa D-branes - ito ang mga vibrational mode ng closed string na kinakatawan ng isang massless graviton. Ang mga dulo ng isang bukas na string ay maaaring kumonekta, na bumubuo ng isang saradong string, na, sa turn, ay maaaring masira, maging isang bukas, o magsama-sama at mahati sa dalawang saradong mga string (5) - kaya, sa string theory, ang gravitational interaction ay pinagsama sa lahat ng iba pa



Ang mga string ay ang pinakamaliit sa lahat ng bagay kung saan gumagana ang pisika. Ang laki ng hanay ng V ng mga bagay na ipinapakita sa larawan sa itaas ay umaabot ng higit sa 34 na mga order ng magnitude - kung ang isang atom ay kasing laki ng solar system, kung gayon ang laki ng isang string ay maaaring bahagyang mas malaki kaysa sa isang atomic nucleus.



Mga karagdagang sukat


Ang mga pare-parehong teorya ng string ay posible lamang sa mas mataas na dimensyon na espasyo, kung saan bilang karagdagan sa pamilyar na 4 na dimensyon ng space-time, 6 na karagdagang dimensyon ang kinakailangan. Naniniwala ang mga teorista na ang mga karagdagang sukat na ito ay nakatiklop sa hindi mahahalata na maliliit na anyo - mga puwang ng Calabi-Yau. Ang isa sa mga problema ng teorya ng string ay mayroong halos walang katapusang bilang ng mga bersyon ng Calabi-Yau convolution (compactification) na nagpapahintulot sa amin na ilarawan ang anumang mundo, at sa ngayon ay walang paraan upang mahanap ang bersyon ng qi compactification na gagawin. hayaan mo kaming ilarawan iyon kung ano ang nakikita namin sa paligid.


supersymmetry


Karamihan sa mga bersyon ng string theory ay nangangailangan ng konsepto ng supersymmetry, na batay sa ideya na ang mga fermion (materya) at boson (mga interaksyon) ay mga pagpapakita ng parehong bagay, at maaaring maging isa't isa.


Teorya ng lahat?


Ang supersymmetry ay maaaring isama sa string theory sa 5 iba't ibang paraan, na nagreresulta sa 5 iba't ibang uri ng string theory, na nangangahulugan na ang string theory mismo ay hindi maaaring mag-claim bilang isang "theory of everything". Ang lahat ng limang uri na ito ay magkakaugnay sa pamamagitan ng mga pagbabagong matematikal na tinatawag na dualities, at ito ay humantong sa pag-unawa na ang lahat ng mga uri na ito ay mga aspeto ng isang bagay na mas pangkalahatan. Ang mas pangkalahatang teoryang ito ay tinatawag na M-Theory.



5 iba't ibang pormulasyon ng teorya ng string ay kilala, ngunit sa mas malapit na pagsusuri, lumalabas na ang lahat ng ito ay mga pagpapakita ng isang mas pangkalahatang teorya.

Siyempre, ang mga string ng uniberso ay halos hindi katulad sa mga naiisip natin. Sa teorya ng string, ang mga ito ay hindi kapani-paniwalang maliit na vibrating filament ng enerhiya. Ang mga sinulid na ito ay parang maliliit na "nababanat na mga banda" na maaaring pumipihit, mag-inat at lumiit sa lahat ng paraan. Ang lahat ng ito, gayunpaman, ay hindi nangangahulugan na ang symphony ng Uniberso ay hindi maaaring "i-play" sa kanila, dahil, ayon sa mga string theorists, lahat ng bagay na umiiral ay binubuo ng mga "threads" na ito.

Kontrobersya sa pisika

Sa ikalawang kalahati ng ika-19 na siglo, tila sa mga pisiko na wala nang madidiskubreng seryoso sa kanilang agham. Naniniwala ang klasikal na pisika na walang mga seryosong problema ang natitira dito, at ang buong istraktura ng mundo ay mukhang isang perpektong nakatutok at predictable na makina. Ang kaguluhan, gaya ng dati, ay nangyari dahil sa katarantaduhan - isa sa maliliit na "ulap" na nananatili pa rin sa malinaw, naiintindihan na kalangitan ng agham. Lalo na, kapag kinakalkula ang enerhiya ng radiation ng isang ganap na itim na katawan (isang hypothetical na katawan na sa anumang temperatura ay ganap na sumisipsip ng insidente ng radiation dito, anuman ang haba ng daluyong - NS). Ipinakita ng mga kalkulasyon na ang kabuuang enerhiya ng radiation ng anumang ganap na itim na katawan ay dapat na walang hanggan malaki. Upang maiwasan ang gayong halatang kahangalan, iminungkahi ng German scientist na si Max Planck noong 1900 na ang nakikitang liwanag, X-ray, at iba pang electromagnetic wave ay maaari lamang ilabas ng ilang mga discrete na bahagi ng enerhiya, na tinawag niyang quanta. Sa kanilang tulong, posible na malutas ang partikular na problema ng isang ganap na itim na katawan. Gayunpaman, ang mga kahihinatnan ng quantum hypothesis para sa determinismo ay hindi pa natanto sa oras na iyon. Hanggang, noong 1926, isa pang Aleman na siyentipiko, si Werner Heisenberg, ang nagbalangkas ng tanyag na prinsipyo ng kawalan ng katiyakan.

Ang kakanyahan nito ay nagmumula sa katotohanan na, salungat sa lahat ng mga pahayag na umiiral noon, nililimitahan ng kalikasan ang ating kakayahang mahulaan ang hinaharap batay sa mga pisikal na batas. Ito, siyempre, ay tungkol sa hinaharap at kasalukuyan ng mga subatomic na particle. Ito ay naging ganap na naiiba ang kanilang pag-uugali kaysa sa iba pang mga bagay sa macrocosm sa paligid natin. Sa antas ng subatomic, ang tela ng espasyo ay nagiging hindi pantay at magulo. Ang mundo ng maliliit na particle ay napakagulo at hindi maintindihan na ito ay salungat sa sentido komun. Ang espasyo at oras ay sobrang baluktot at magkakaugnay sa loob nito na walang mga ordinaryong konsepto ng kaliwa at kanan, pataas at pababa, at maging bago at pagkatapos. Walang paraan upang tiyakin kung saang partikular na punto sa espasyo ito o ang particle na iyon ay matatagpuan sa isang naibigay na sandali, at kung ano ang sandali ng momentum nito. Mayroon lamang isang tiyak na posibilidad na makahanap ng isang particle sa maraming mga rehiyon ng space-time. Ang mga particle sa antas ng subatomic ay tila "napahid" sa kalawakan. Hindi lamang iyon, ang "katayuan" ng mga particle mismo ay hindi tinukoy: sa ilang mga kaso sila ay kumikilos tulad ng mga alon, sa iba ay nagpapakita sila ng mga katangian ng mga particle. Ito ang tinatawag ng mga physicist na wave-particle duality ng quantum mechanics.

Mga antas ng istruktura ng mundo: 1. Antas ng macroscopic - matter 2. Antas ng molekular 3. Antas ng atom - proton, neutron at electron 4. Antas ng subatomic - electron 5. Antas ng subatomic - quark 6. Antas ng string / ©Bruno P. Ramos

Sa Pangkalahatang Teorya ng Relativity, na parang nasa isang estado na may magkasalungat na batas, ang mga bagay ay sa panimula ay naiiba. Ang espasyo ay tila isang trampolin - isang makinis na tela na maaaring ibaluktot at maiunat ng mga bagay na may masa. Lumilikha sila ng mga deformation ng space-time - kung ano ang nararanasan natin bilang gravity. Hindi na kailangang sabihin, ang magkakaugnay, tama at mahuhulaan na Pangkalahatang Teorya ng Relativity ay nasa hindi malulutas na salungatan sa "wacky hooligan" - quantum mechanics, at, bilang isang resulta, ang macrocosm ay hindi maaaring "makipagkasundo" sa microcosm. Dito pumapasok ang string theory.


2D na Uniberso. E8 polyhedron graph / ©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project

Teorya ng Lahat

Nilalaman ng string theory ang pangarap ng lahat ng physicist na pag-isahin ang dalawang pangunahing magkasalungat na pangkalahatang relativity at quantum mechanics, isang panaginip na pinagmumultuhan ang pinakadakilang "gypsy at vagabond" na si Albert Einstein hanggang sa katapusan ng kanyang mga araw.

Maraming mga siyentipiko ang naniniwala na ang lahat mula sa katangi-tanging sayaw ng mga kalawakan hanggang sa frenetic na sayaw ng mga subatomic particle ay maaaring ipaliwanag sa huli sa pamamagitan lamang ng isang pangunahing pisikal na prinsipyo. Marahil kahit isang batas na pinagsasama ang lahat ng uri ng enerhiya, mga particle at pakikipag-ugnayan sa ilang eleganteng formula.

Inilalarawan ng pangkalahatang relativity ang isa sa pinakatanyag na puwersa sa uniberso - ang gravity. Inilalarawan ng quantum mechanics ang tatlong iba pang pwersa: ang malakas na puwersang nuklear, na nagdidikit ng mga proton at neutron sa mga atomo, electromagnetism, at ang mahinang puwersa, na kasangkot sa radioactive decay. Anumang kaganapan sa uniberso, mula sa ionization ng isang atom hanggang sa pagsilang ng isang bituin, ay inilalarawan ng mga interaksyon ng bagay sa pamamagitan ng apat na puwersang ito. Sa tulong ng kumplikadong matematika, posible na ipakita na ang electromagnetic at mahina na mga pakikipag-ugnayan ay may isang pangkaraniwang kalikasan, na pinagsasama ang mga ito sa isang solong electroweak. Kasunod nito, ang malakas na pakikipag-ugnayang nuklear ay idinagdag sa kanila - ngunit ang gravity ay hindi sumasali sa kanila sa anumang paraan. Ang teorya ng string ay isa sa mga pinakaseryosong kandidato para sa pagkonekta sa lahat ng apat na pwersa, at, samakatuwid, tinatanggap ang lahat ng mga phenomena sa Uniberso - ito ay hindi walang dahilan na ito ay tinatawag ding "Teorya ng Lahat".

Sa simula ay may mito


Graph ng Euler beta function para sa mga totoong argumento / ©Flickr

Hanggang ngayon, hindi lahat ng physicist ay masigasig tungkol sa string theory. At sa bukang-liwayway ng hitsura nito, tila napakalayo nito sa realidad. Ang kanyang kapanganakan ay isang alamat.

Noong huling bahagi ng 1960s, isang batang Italyano na theoretical physicist, si Gabriele Veneziano, ay naghahanap ng mga equation na maaaring ipaliwanag ang malakas na pwersang nuklear, ang napakalakas na "glue" na humahawak sa nuclei ng mga atomo sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga proton at neutron. Ayon sa alamat, minsan siyang natitisod sa isang maalikabok na libro sa kasaysayan ng matematika, kung saan natagpuan niya ang isang 200 taong gulang na function, na unang naitala ng Swiss mathematician na si Leonhard Euler. Isipin ang sorpresa ni Veneziano nang matuklasan niya na ang Euler function, na sa mahabang panahon ay itinuturing na walang iba kundi isang mathematical curiosity, ay naglalarawan ng malakas na pakikipag-ugnayan na ito.

Paano ba talaga? Ang formula ay marahil ang resulta ng mahabang taon ng trabaho ni Veneziano, at ang kaso ay nakatulong lamang upang gawin ang unang hakbang patungo sa pagtuklas ng string theory. Ang Euler function, na mahimalang ipinaliwanag ang malakas na puwersa, ay nakahanap ng bagong buhay.

Sa kalaunan, nakuha nito ang mata ng isang batang Amerikanong theoretical physicist, si Leonard Susskind, na nakita na ang formula ay pangunahing naglalarawan ng mga particle na walang panloob na istraktura at maaaring mag-vibrate. Ang mga particle na ito ay kumilos sa paraang hindi sila maaaring maging point particle lamang. Naunawaan ni Susskind - inilalarawan ng formula ang isang thread na parang nababanat na banda. Hindi lamang siya maaaring mag-inat at lumiit, ngunit din mag-oscillate, namimilipit. Matapos ilarawan ang kanyang pagtuklas, ipinakilala ni Susskind ang rebolusyonaryong ideya ng mga string.

Sa kasamaang palad, ang karamihan sa kanyang mga kasamahan ay nakatanggap ng teorya sa halip na cool.

karaniwang modelo

Noong panahong iyon, kinakatawan ng pangunahing agham ang mga particle bilang mga puntos, hindi mga string. Sa loob ng maraming taon, sinisiyasat ng mga physicist ang pag-uugali ng mga subatomic particle, binabangga ang mga ito sa napakabilis na bilis at pinag-aaralan ang mga kahihinatnan ng mga banggaan na ito. Ito ay lumabas na ang uniberso ay mas mayaman kaysa sa maiisip ng isa. Ito ay isang tunay na "pagsabog ng populasyon" ng mga elementarya na particle. Ang mga nagtapos na estudyante ng mga unibersidad sa pisika ay tumakbo sa mga koridor na sumisigaw na may natuklasan silang bagong butil - wala man lang sapat na mga titik upang italaga ang mga ito.

Ngunit, sayang, sa "maternity hospital" ng mga bagong particle, hindi mahanap ng mga siyentipiko ang sagot sa tanong - bakit napakarami sa kanila at saan sila nanggaling?

Nag-udyok ito sa mga pisiko na gumawa ng hindi pangkaraniwang at nakagugulat na hula - napagtanto nila na ang mga puwersang kumikilos sa kalikasan ay maaari ding ipaliwanag gamit ang mga particle. Ibig sabihin, may mga particle ng matter, at may mga particle-carrier ng interaksyon. Ang nasabing, halimbawa, ay isang photon - isang particle ng liwanag. Ang higit pa sa mga carrier particle na ito - ang parehong mga photon na mahalaga sa pagpapalitan ng mga particle, mas maliwanag ang liwanag. Hinulaan ng mga siyentipiko na ang partikular na pagpapalitan ng mga particle ng carrier ay hindi hihigit sa kung ano ang nakikita natin bilang puwersa. Kinumpirma ito ng mga eksperimento. Kaya't nagawa ng mga physicist na mapalapit sa pangarap ni Einstein na magsanib-puwersa.


Mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng iba't ibang mga particle sa Standard Model / ©Wikimedia Commons

Naniniwala ang mga siyentipiko na kung magfa-fast-forward tayo hanggang pagkatapos lamang ng Big Bang, kapag ang uniberso ay trilyon-degree na mas mainit, ang mga particle na nagdadala ng electromagnetism at ang mahinang puwersa ay magiging hindi makilala at magsasama-sama sa isang puwersa na tinatawag na electroweak. At kung babalik pa tayo sa nakaraan, ang pakikipag-ugnayan ng electroweak ay magsasama sa malakas sa isang kabuuang "superforce".

Sa kabila ng katotohanan na ang lahat ng ito ay naghihintay pa upang mapatunayan, ang quantum mechanics ay biglang ipinaliwanag kung paano nakikipag-ugnayan ang tatlo sa apat na pwersa sa antas ng subatomic. At ipinaliwanag niya ito nang maganda at tuloy-tuloy. Ang maayos na larawan ng mga pakikipag-ugnayan, sa huli, ay tinawag na Standard Model. Ngunit, sayang, kahit na sa perpektong teoryang ito ay may isang malaking problema - hindi nito kasama ang pinakatanyag na puwersa ng antas ng macro - gravity.


©Wikimedia Commons

graviton

Para sa teorya ng string, na walang oras upang "mamulaklak", dumating ang "taglagas", naglalaman ito ng napakaraming problema mula sa mismong pagsilang nito. Halimbawa, ang mga kalkulasyon ng teorya ay hinulaang ang pagkakaroon ng mga particle, na, sa lalong madaling panahon ay naitatag nang tumpak, ay hindi umiiral. Ito ang tinatawag na tachyon - isang particle na gumagalaw nang mas mabilis kaysa sa liwanag sa vacuum. Sa iba pang mga bagay, lumabas na ang teorya ay nangangailangan ng kasing dami ng 10 dimensyon. Ito ay hindi nakakagulat na ito ay lubhang nakakahiya para sa mga physicist, dahil ito ay malinaw na higit pa sa kung ano ang nakikita natin.

Noong 1973, iilan lamang sa mga batang pisiko ang nakikibaka pa rin sa mga misteryo ng teorya ng string. Ang isa sa kanila ay ang American theoretical physicist na si John Schwartz. Sa loob ng apat na taon, sinubukan ni Schwartz na paamuin ang mga malikot na equation, ngunit hindi ito nagtagumpay. Sa iba pang mga problema, ang isa sa mga equation na ito ay matigas ang ulo na inilarawan ang isang misteryosong butil na walang masa at hindi naobserbahan sa kalikasan.

Napagpasyahan na ng siyentipiko na talikuran ang kanyang mapaminsalang negosyo, at pagkatapos ay naisip niya - marahil ang mga equation ng string theory ay naglalarawan, bukod sa iba pang mga bagay, gravity? Gayunpaman, ito ay nagpapahiwatig ng isang rebisyon ng mga sukat ng mga pangunahing "bayani" ng teorya - ang mga string. Sa pag-aakalang ang mga string ay bilyun-bilyon at bilyun-bilyong beses na mas maliit kaysa sa isang atom, ginawa ng "mga stringer" ang kapintasan ng teorya sa kabutihan nito. Ang mahiwagang butil na patuloy na sinubukang alisin ni John Schwartz ay kumilos na ngayon bilang isang graviton - isang butil na matagal nang hinanap at magpapahintulot sa gravity na ilipat sa antas ng quantum. Ito ay kung paano nagdagdag ng gravity ang string theory sa puzzle, na nawawala sa Standard Model. Ngunit, sayang, kahit na ang siyentipikong komunidad ay hindi tumugon sa pagtuklas na ito. Ang teorya ng string ay nanatili sa bingit ng kaligtasan. Ngunit hindi nito napigilan si Schwartz. Isang siyentipiko lamang na handang ipagsapalaran ang kanyang karera para sa mga mahiwagang string ang gustong sumali sa kanyang paghahanap - si Michael Green.


American theoretical physicist na si John Schwartz at Michael Green

©California Institute of Technology/elementy.ru

Ano ang dahilan upang isipin na ang gravity ay sumusunod sa mga batas ng quantum mechanics? Para sa pagtuklas ng mga "pundasyon" na ito noong 2011, iginawad ang Nobel Prize sa Physics. Binubuo ito sa katotohanan na ang pagpapalawak ng Uniberso ay hindi bumabagal, tulad ng dating naisip, ngunit, sa kabaligtaran, ay bumibilis. Ang acceleration na ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng pagkilos ng isang espesyal na "anti-gravity", na sa paanuman ay katangian ng walang laman na espasyo ng cosmic vacuum. Sa kabilang banda, sa antas ng quantum, maaaring walang ganap na "walang laman" - ang mga subatomic na particle ay patuloy na lumilitaw at agad na nawawala sa vacuum. Ang "flashing" na ito ng mga particle ay pinaniniwalaang responsable para sa pagkakaroon ng "anti-gravity" dark energy na pumupuno sa walang laman na espasyo.

Sa isang pagkakataon, si Albert Einstein, na hanggang sa katapusan ng kanyang buhay ay hindi tinanggap ang mga paradoxical na prinsipyo ng quantum mechanics (na siya mismo ang hinulaang), iminungkahi ang pagkakaroon ng ganitong uri ng enerhiya. Kasunod ng tradisyon ng klasikal na pilosopiyang Griyego ni Aristotle kasama ang paniniwala nito sa kawalang-hanggan ng mundo, tumanggi si Einstein na paniwalaan ang hinulaan ng kanyang sariling teorya, na ang uniberso ay may simula. Upang "ipagpatuloy" ang uniberso, ipinakilala pa ni Einstein ang isang tiyak na pare-parehong kosmolohiya sa kanyang teorya, at sa gayon ay inilarawan ang enerhiya ng walang laman na espasyo. Sa kabutihang palad, pagkalipas ng ilang taon ay lumabas na ang Uniberso ay hindi isang frozen na anyo, na ito ay lumalawak. Pagkatapos ay inabandona ni Einstein ang cosmological constant, na tinawag itong "ang pinakamalaking maling pagkalkula ng kanyang buhay."

Ngayon, alam ng agham na ang madilim na enerhiya ay umiiral, kahit na ang density nito ay mas mababa kaysa sa iminungkahi ni Einstein (ang problema ng dark energy density, sa pamamagitan ng paraan, ay isa sa mga pinakadakilang misteryo ng modernong pisika). Ngunit gaano man kaliit ang halaga ng cosmological constant, ito ay sapat na upang matiyak na umiiral ang quantum effect sa gravity.

Subatomic nesting doll

Sa kabila ng lahat, noong unang bahagi ng dekada 1980, ang teorya ng string ay mayroon pa ring hindi malulutas na mga kontradiksyon, na kilala sa agham bilang mga anomalya. Nagtakda sina Schwartz at Green na alisin ang mga ito. At ang kanilang mga pagsisikap ay hindi walang kabuluhan: pinamamahalaan ng mga siyentipiko na alisin ang ilan sa mga kontradiksyon ng teorya. Isipin ang pagkamangha ng dalawang ito, na sanay na sa katotohanan na ang kanilang teorya ay hindi pinapansin, nang ang reaksyon ng komunidad ng siyensya ay sumabog sa mundo ng siyensya. Sa wala pang isang taon, ang bilang ng mga string theorists ay tumalon sa daan-daan. Noon ang string theory ay ginawaran ng pamagat ng The Theory of Everything. Ang bagong teorya ay tila may kakayahang ilarawan ang lahat ng mga bahagi ng uniberso. At narito ang mga sangkap.

Ang bawat atom, tulad ng alam natin, ay binubuo ng mas maliliit na particle - mga electron, na umiikot sa paligid ng nucleus, na binubuo ng mga proton at neutron. Ang mga proton at neutron, naman, ay binubuo ng mas maliliit na particle na tinatawag na quark. Ngunit sinasabi ng teorya ng string na hindi ito nagtatapos sa mga quark. Ang mga quark ay binubuo ng maliliit na snaking filament ng enerhiya na kahawig ng mga string. Ang bawat isa sa mga string na ito ay hindi maisip na maliit. Napakaliit na kung ang atom ay pinalaki sa laki ng solar system, ang string ay magiging kasing laki ng isang puno. Kung paanong ang iba't ibang vibrations ng isang cello string ay lumilikha ng kung ano ang naririnig natin, tulad ng iba't ibang mga musikal na nota, ang iba't ibang paraan (modes) ng pag-vibrate ng isang string ay nagbibigay sa mga particle ng kanilang mga natatanging katangian-mass, charge, at iba pa. Alam mo ba kung paano, medyo nagsasalita, ang mga proton sa dulo ng iyong kuko ay naiiba sa graviton na hindi pa natuklasan? Ang hanay lang ng maliliit na string na bumubuo sa kanila at kung paano nag-vibrate ang mga string na iyon.

Siyempre, ang lahat ng ito ay higit pa sa kamangha-manghang. Mula noong panahon ng Sinaunang Greece, nasanay na ang mga pisiko sa katotohanan na ang lahat ng bagay sa mundong ito ay binubuo ng isang bagay tulad ng mga bola, maliliit na particle. At ngayon, hindi nagkakaroon ng panahon upang masanay sa hindi makatwirang pag-uugali ng mga bolang ito, na sumusunod mula sa quantum mechanics, sila ay inaanyayahan na iwanan ang paradigm nang buo at gumana gamit ang ilang uri ng spaghetti trimmings...

Ikalimang Dimensyon

Bagama't tinatawag ng maraming siyentipiko ang string theory na tagumpay ng matematika, nananatili pa rin ang ilang mga problema - higit sa lahat, ang kawalan ng anumang pagkakataon na subukan ito nang eksperimental sa malapit na hinaharap. Walang isang instrumento sa mundo, umiiral man o may kakayahang lumitaw sa pananaw, ang walang kakayahang "makita" ang mga string. Samakatuwid, ang ilang mga siyentipiko, sa pamamagitan ng paraan, ay nagtatanong pa nga: ang teorya ng string ay isang teorya ng pisika o pilosopiya? Ang kinakailangan upang patunayan ang teorya ng string ay ibang bagay - kung ano ang tunog tulad ng science fiction - kumpirmasyon ng pagkakaroon ng mga karagdagang sukat ng espasyo.

Tungkol saan ito? Nasanay tayong lahat sa tatlong dimensyon ng espasyo at isang beses. Ngunit hinuhulaan ng teorya ng string ang pagkakaroon ng iba pang - karagdagang - dimensyon. Ngunit magsimula tayo sa pagkakasunud-sunod.

Sa katunayan, ang ideya ng pagkakaroon ng iba pang mga sukat ay lumitaw halos isang daang taon na ang nakalilipas. Dumating ito sa pinuno ng hindi kilalang Aleman na matematiko na si Theodor Kalutz noong 1919. Iminungkahi niya ang posibilidad ng pagkakaroon sa ating uniberso ng isa pang dimensyon na hindi natin nakikita. Narinig ni Albert Einstein ang tungkol sa ideyang ito, at noong una ay nagustuhan niya ito nang husto. Nang maglaon, gayunpaman, nag-alinlangan siya sa kawastuhan nito, at naantala ang paglalathala ni Kaluza ng hanggang dalawang taon. Sa huli, gayunpaman, ang artikulo ay gayunpaman ay nai-publish, at ang sobrang dimensyon ay naging isang uri ng pagkahilig para sa henyo ng pisika.

Tulad ng alam mo, ipinakita ni Einstein na ang gravity ay walang iba kundi isang pagpapapangit ng mga sukat ng space-time. Iminungkahi ni Kaluza na ang electromagnetism ay maaari ding maging ripples. Bakit hindi natin ito nakikita? Natagpuan ni Kaluza ang sagot sa tanong na ito - ang mga ripples ng electromagnetism ay maaaring umiral sa isang karagdagang, nakatagong dimensyon. Ngunit nasaan ito?

Ang sagot sa tanong na ito ay ibinigay ng Swedish physicist na si Oscar Klein, na nagmungkahi na ang ikalimang dimensyon ng Kaluza ay bilyun-bilyong beses na mas malaki kaysa sa laki ng isang atom, kaya hindi natin ito nakikita. Ang ideya na ang maliit na sukat na ito ay umiiral sa paligid natin ay nasa puso ng teorya ng string.


Isa sa mga iminungkahing anyo ng dagdag na umiikot na sukat. Sa loob ng bawat isa sa mga form na ito, isang string ang nagvibrate at gumagalaw - ang pangunahing bahagi ng Uniberso. Ang bawat hugis ay anim na dimensyon - ayon sa bilang ng anim na karagdagang dimensyon / © Wikimedia Commons

sampung sukat

Ngunit sa katunayan, ang mga equation ng string theory ay nangangailangan ng hindi kahit isa, ngunit anim na karagdagang dimensyon (sa kabuuan, na may apat na kilala sa amin, mayroong eksaktong 10 sa kanila). Ang lahat ng mga ito ay may isang napakabaluktot at baluktot na kumplikadong hugis. At ang lahat ay hindi maisip na maliit.

Paano maiimpluwensyahan ng maliliit na sukat na ito ang ating malaking mundo? Ayon sa teorya ng string, mapagpasyahan: para dito, ang lahat ay tinutukoy ng anyo. Kapag nag-play ka ng iba't ibang mga key sa saxophone, nakakakuha ka ng iba't ibang mga tunog. Ito ay dahil kapag pinindot mo ang isang partikular na key o kumbinasyon ng mga key, binabago mo ang hugis ng espasyo sa instrumentong pangmusika kung saan umiikot ang hangin. Dahil dito, isinilang ang iba't ibang tunog.

Iminumungkahi ng teorya ng string na ang sobrang baluktot at baluktot na mga sukat ng espasyo ay lumalabas sa katulad na paraan. Ang mga anyo ng mga karagdagang dimensyong ito ay masalimuot at iba-iba, at ang bawat isa ay nagiging sanhi ng pag-vibrate ng string sa loob ng naturang mga dimensyon sa ibang paraan dahil mismo sa mga anyo nito. Pagkatapos ng lahat, kung ipagpalagay natin, halimbawa, na ang isang string ay nag-vibrate sa loob ng isang pitsel, at ang isa pa sa loob ng isang curved post horn, ang mga ito ay magiging ganap na magkakaibang mga vibrations. Gayunpaman, kung paniniwalaan ang teorya ng string, sa katotohanan, ang mga hugis ng mga dagdag na sukat ay mukhang mas kumplikado kaysa sa isang garapon.

Paano gumagana ang mundo

Alam ng agham ngayon ang isang hanay ng mga numero na pangunahing mga constant ng uniberso. Tinutukoy nila ang mga katangian at katangian ng lahat ng bagay sa paligid natin. Sa mga ganoong constants, halimbawa, ang electron charge, ang gravitational constant, ang bilis ng liwanag sa vacuum... At kung babaguhin natin ang mga numerong ito kahit na sa maliit na bilang ng beses, ang mga kahihinatnan ay magiging sakuna. Ipagpalagay na nadagdagan natin ang lakas ng pakikipag-ugnayan ng electromagnetic. Anong nangyari? Maaaring bigla nating makita na ang mga ion ay naging mas nakakasuklam sa isa't isa, at ang thermonuclear fusion, na nagpapakinang at nagpapainit ng mga bituin, ay biglang nabigo. Lalabas ang lahat ng bituin.

Ngunit ano ang tungkol sa teorya ng string na may mga dagdag na sukat nito? Ang katotohanan ay, ayon dito, ito ay ang mga dagdag na sukat na tumutukoy sa eksaktong halaga ng mga pangunahing constants. Ang ilang mga paraan ng pagsukat ay nagdudulot ng pag-vibrate ng isang string sa isang tiyak na paraan, at nagiging sanhi ng kung ano ang nakikita natin bilang isang photon. Sa ibang mga anyo, iba ang vibrate ng mga string at gumagawa ng electron. Tunay na ang Diyos ay namamalagi sa "maliit na bagay" - ang maliliit na anyo na ito ang nagtatakda ng lahat ng mga pangunahing pagbabago sa mundong ito.

teorya ng superstring

Noong kalagitnaan ng dekada 1980, ang teorya ng string ay nagkaroon ng isang marilag at payat na hangin, ngunit sa loob ng monumento na iyon, naghari ang kalituhan. Sa loob lamang ng ilang taon, aabot sa limang bersyon ng string theory ang lumabas. At bagaman ang bawat isa sa kanila ay itinayo sa mga string at dagdag na sukat (lahat ng limang bersyon ay nagkakaisa sa pangkalahatang teorya ng superstrings - NS), sa mga detalye ang mga bersyon na ito ay makabuluhang nagkakaiba.

Kaya, sa ilang mga bersyon, ang mga string ay may bukas na mga dulo, sa iba ay mukhang mga singsing. At sa ilang mga bersyon, ang teorya ay nangangailangan ng hindi 10, ngunit kasing dami ng 26 na sukat. Ang kabalintunaan ay ang lahat ng limang bersyon ngayon ay matatawag na pantay na totoo. Ngunit alin nga ba ang naglalarawan sa ating uniberso? Ito ay isa pang misteryo ng string theory. Kaya naman maraming physicist ang muling nagwagayway ng kanilang kamay sa "baliw" na teorya.

Ngunit ang pangunahing problema ng mga string, tulad ng nabanggit na, ay ang imposibilidad (hindi bababa sa ngayon) upang patunayan ang kanilang presensya sa eksperimento.

Ang ilang mga siyentipiko, gayunpaman, ay nagsasabi pa rin na sa susunod na henerasyon ng mga accelerators mayroong isang napakaliit, ngunit gayon pa man, pagkakataon upang subukan ang hypothesis ng mga dagdag na sukat. Bagaman ang karamihan, siyempre, ay sigurado na kung ito ay posible, kung gayon, sayang, hindi ito dapat mangyari sa lalong madaling panahon - hindi bababa sa mga dekada, bilang isang maximum - kahit na sa isang daang taon.

Ang teorya ng relativity ay kumakatawan sa Uniberso bilang "flat", ngunit ang quantum mechanics ay nagsasabi na sa micro level mayroong isang walang katapusang kilusan na yumuko sa espasyo. Pinagsasama ng teorya ng string ang mga ideyang ito at ipinakita ang mga microparticle bilang resulta ng pagsasama ng pinakamanipis na isang-dimensional na mga string, na magmumukhang mga point microparticle, samakatuwid, ay hindi maaaring obserbahan sa eksperimentong paraan.

Ang hypothesis na ito ay nagpapahintulot sa amin na isipin ang mga elementarya na particle na bumubuo sa atom mula sa ultramicroscopic fibers na tinatawag na mga string.

Ang lahat ng mga katangian ng elementarya na mga particle ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng resonant vibration ng mga fibers na bumubuo sa kanila. Ang mga hibla na ito ay maaaring gumawa ng walang katapusang bilang ng mga panginginig ng boses. Ang teoryang ito ay nagsasangkot ng pag-iisa ng mga ideya ng quantum mechanics at ang teorya ng relativity. Ngunit dahil sa pagkakaroon ng maraming mga problema sa pagkumpirma ng mga kaisipang pinagbabatayan nito, karamihan sa mga modernong siyentipiko ay naniniwala na ang mga iminungkahing ideya ay walang iba kundi ang pinakakaraniwang kabastusan, o sa madaling salita, string theory para sa mga dummies, iyon ay, para sa mga taong ganap. ignorante sa agham at istruktura ng kapaligiran.

Mga katangian ng ultramicroscopic fibers

Upang maunawaan ang kanilang kakanyahan, maaari mong isipin ang mga string ng mga instrumentong pangmusika - maaari silang mag-vibrate, yumuko, tiklop. Ang parehong bagay ay nangyayari sa mga thread na ito, na naglalabas ng ilang mga vibrations, nakikipag-ugnayan sa isa't isa, tiklop sa mga loop at bumubuo ng mas malaking mga particle (mga electron, quark), ang masa nito ay nakasalalay sa dalas ng panginginig ng boses ng mga hibla at ang kanilang pag-igting - tinutukoy ng mga tagapagpahiwatig na ito. ang enerhiya ng mga string. Kung mas malaki ang radiated energy, mas mataas ang mass ng elementary particle.

Teorya at mga string ng inflation

Ayon sa inflationary hypothesis, ang Uniberso ay nilikha dahil sa pagpapalawak ng micro space, ang laki ng isang string (haba ng Planck). Habang lumalaki ang rehiyong ito, ang tinatawag na ultramicroscopic filament ay nakaunat din, ngayon ang kanilang haba ay katapat sa laki ng Uniberso. Nakikipag-ugnayan sila sa isa't isa sa parehong paraan at gumagawa ng parehong mga vibrations at oscillations. Tila ang epekto ng mga gravitational lens na ginawa ng mga ito, na nakakasira sa mga sinag ng liwanag mula sa malalayong galaxy. At ang mga longitudinal vibrations ay bumubuo ng gravitational radiation.

Kabiguan sa matematika at iba pang mga problema

Isa sa mga problema ay ang mathematical inconsistency ng theory - ang mga physicist na nag-aaral nito ay walang sapat na formula para dalhin ito sa kumpletong anyo. At ang pangalawa ay naniniwala ang teoryang ito na mayroong 10 dimensyon, ngunit 4 lamang ang nararamdaman natin - taas, lapad, haba at oras. Iminumungkahi ng mga siyentipiko na ang natitirang 6 ay nasa isang baluktot na estado, ang pagkakaroon nito ay hindi nararamdaman sa totoong oras. Gayundin, ang problema ay hindi ang posibilidad ng pang-eksperimentong kumpirmasyon ng teoryang ito, ngunit walang sinuman ang maaaring pabulaanan ito.

Naisip mo na ba na ang uniberso ay parang cello? Tama, hindi dumating. Dahil ang uniberso ay hindi tulad ng cello. Pero hindi ibig sabihin na wala siyang string. Pag-usapan natin ang String Theory ngayon.

Siyempre, ang mga string ng uniberso ay halos hindi katulad sa mga naiisip natin. Sa teorya ng string, ang mga ito ay hindi kapani-paniwalang maliit na vibrating filament ng enerhiya. Ang mga sinulid na ito ay parang maliliit na "nababanat na mga banda" na maaaring pumipihit, mag-inat at lumiit sa lahat ng paraan. Ang lahat ng ito, gayunpaman, ay hindi nangangahulugan na ang symphony ng Uniberso ay hindi maaaring "i-play" sa kanila, dahil, ayon sa mga string theorists, lahat ng bagay na umiiral ay binubuo ng mga "threads" na ito.

Kontrobersya sa pisika

Sa ikalawang kalahati ng ika-19 na siglo, tila sa mga pisiko na wala nang madidiskubreng seryoso sa kanilang agham. Naniniwala ang klasikal na pisika na walang mga seryosong problema ang natitira dito, at ang buong istraktura ng mundo ay mukhang isang perpektong nakatutok at predictable na makina. Ang kaguluhan, gaya ng dati, ay nangyari dahil sa katarantaduhan - isa sa maliliit na "ulap" na nananatili pa rin sa malinaw, naiintindihan na kalangitan ng agham. Lalo na, kapag kinakalkula ang enerhiya ng radiation ng isang ganap na itim na katawan (isang hypothetical na katawan na sa anumang temperatura ay ganap na sumisipsip ng insidente ng radiation dito, anuman ang haba ng daluyong - NS).

Ipinakita ng mga kalkulasyon na ang kabuuang enerhiya ng radiation ng anumang ganap na itim na katawan ay dapat na walang hanggan malaki. Upang maiwasan ang gayong halatang kahangalan, iminungkahi ng German scientist na si Max Planck noong 1900 na ang nakikitang liwanag, X-ray, at iba pang electromagnetic wave ay maaari lamang ilabas ng ilang mga discrete na bahagi ng enerhiya, na tinawag niyang quanta. Sa kanilang tulong, posible na malutas ang partikular na problema ng isang ganap na itim na katawan. Gayunpaman, ang mga kahihinatnan ng quantum hypothesis para sa determinismo ay hindi pa natanto sa oras na iyon. Hanggang, noong 1926, isa pang Aleman na siyentipiko, si Werner Heisenberg, ang nagbalangkas ng tanyag na prinsipyo ng kawalan ng katiyakan.

Ang kakanyahan nito ay nagmumula sa katotohanan na, salungat sa lahat ng mga pahayag na umiiral noon, nililimitahan ng kalikasan ang ating kakayahang mahulaan ang hinaharap batay sa mga pisikal na batas. Ito, siyempre, ay tungkol sa hinaharap at kasalukuyan ng mga subatomic na particle. Ito ay naging ganap na naiiba ang kanilang pag-uugali kaysa sa iba pang mga bagay sa macrocosm sa paligid natin. Sa antas ng subatomic, ang tela ng espasyo ay nagiging hindi pantay at magulo. Ang mundo ng maliliit na particle ay napakagulo at hindi maintindihan na ito ay salungat sa sentido komun. Ang espasyo at oras ay sobrang baluktot at magkakaugnay sa loob nito na walang mga ordinaryong konsepto ng kaliwa at kanan, pataas at pababa, at maging bago at pagkatapos.

Walang paraan upang tiyakin kung saang partikular na punto sa espasyo ito o ang particle na iyon ay matatagpuan sa isang naibigay na sandali, at kung ano ang sandali ng momentum nito. Mayroon lamang isang tiyak na posibilidad na makahanap ng isang particle sa maraming mga rehiyon ng space-time. Ang mga particle sa antas ng subatomic ay tila "napahid" sa kalawakan. Hindi lamang iyon, ang "katayuan" ng mga particle mismo ay hindi tinukoy: sa ilang mga kaso sila ay kumikilos tulad ng mga alon, sa iba ay nagpapakita sila ng mga katangian ng mga particle. Ito ang tinatawag ng mga physicist na wave-particle duality ng quantum mechanics.

Mga antas ng istruktura ng mundo: 1. Antas ng macroscopic - matter 2. Antas ng molekular 3. Antas ng atom - proton, neutron at electron 4. Antas ng subatomic - electron 5. Antas ng subatomic - quark 6. Antas ng string

Sa Pangkalahatang Teorya ng Relativity, na parang nasa isang estado na may magkasalungat na batas, ang mga bagay ay sa panimula ay naiiba. Ang espasyo ay tila isang trampolin - isang makinis na tela na maaaring ibaluktot at maiunat ng mga bagay na may masa. Lumilikha sila ng mga deformation ng space-time - kung ano ang nararanasan natin bilang gravity. Hindi na kailangang sabihin, ang magkakaugnay, tama at mahuhulaan na Pangkalahatang Teorya ng Relativity ay nasa hindi malulutas na salungatan sa "wacky hooligan" - quantum mechanics, at, bilang isang resulta, ang macrocosm ay hindi maaaring "makipagkasundo" sa microcosm. Dito pumapasok ang string theory.

2D na Uniberso. E8 polyhedron graph Teorya ng Lahat

Nilalaman ng string theory ang pangarap ng lahat ng physicist na pag-isahin ang dalawang pangunahing magkasalungat na pangkalahatang relativity at quantum mechanics, isang panaginip na pinagmumultuhan ang pinakadakilang "gypsy at vagabond" na si Albert Einstein hanggang sa katapusan ng kanyang mga araw.

Maraming mga siyentipiko ang naniniwala na ang lahat mula sa katangi-tanging sayaw ng mga kalawakan hanggang sa frenetic na sayaw ng mga subatomic particle ay maaaring ipaliwanag sa huli sa pamamagitan lamang ng isang pangunahing pisikal na prinsipyo. Marahil kahit isang batas na pinagsasama ang lahat ng uri ng enerhiya, mga particle at pakikipag-ugnayan sa ilang eleganteng formula.

Inilalarawan ng pangkalahatang relativity ang isa sa pinakatanyag na puwersa sa uniberso - ang gravity. Inilalarawan ng quantum mechanics ang tatlong iba pang pwersa: ang malakas na puwersang nuklear, na nagdidikit ng mga proton at neutron sa mga atomo, electromagnetism, at ang mahinang puwersa, na kasangkot sa radioactive decay. Anumang kaganapan sa uniberso, mula sa ionization ng isang atom hanggang sa pagsilang ng isang bituin, ay inilalarawan ng mga interaksyon ng bagay sa pamamagitan ng apat na puwersang ito.

Sa tulong ng kumplikadong matematika, posible na ipakita na ang electromagnetic at mahina na mga pakikipag-ugnayan ay may isang pangkaraniwang kalikasan, na pinagsasama ang mga ito sa isang solong electroweak. Kasunod nito, ang malakas na pakikipag-ugnayang nuklear ay idinagdag sa kanila - ngunit ang gravity ay hindi sumasali sa kanila sa anumang paraan. Ang teorya ng string ay isa sa mga pinakaseryosong kandidato para sa pagkonekta sa lahat ng apat na pwersa, at, samakatuwid, tinatanggap ang lahat ng mga phenomena sa Uniberso - ito ay hindi walang dahilan na ito ay tinatawag ding "Teorya ng Lahat".

Sa simula ay may mito

Hanggang ngayon, hindi lahat ng physicist ay masigasig tungkol sa string theory. At sa bukang-liwayway ng hitsura nito, tila napakalayo nito sa realidad. Ang kanyang kapanganakan ay isang alamat.

Graph ng Euler beta function na may mga totoong argumento

Noong huling bahagi ng 1960s, isang batang Italyano na theoretical physicist, si Gabriele Veneziano, ay naghahanap ng mga equation na maaaring ipaliwanag ang malakas na pwersang nuklear, ang napakalakas na "glue" na humahawak sa nuclei ng mga atomo sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga proton at neutron. Ayon sa alamat, minsan siyang natitisod sa isang maalikabok na libro sa kasaysayan ng matematika, kung saan natagpuan niya ang isang 200 taong gulang na function, na unang naitala ng Swiss mathematician na si Leonhard Euler. Isipin ang sorpresa ni Veneziano nang matuklasan niya na ang Euler function, na sa mahabang panahon ay itinuturing na walang iba kundi isang mathematical curiosity, ay naglalarawan ng malakas na pakikipag-ugnayan na ito.

Paano ba talaga? Ang formula ay marahil ang resulta ng mahabang taon ng trabaho ni Veneziano, at ang kaso ay nakatulong lamang upang gawin ang unang hakbang patungo sa pagtuklas ng string theory. Ang Euler function, na mahimalang ipinaliwanag ang malakas na puwersa, ay nakahanap ng bagong buhay.

Sa kalaunan, nakuha nito ang mata ng isang batang Amerikanong theoretical physicist, si Leonard Susskind, na nakita na ang formula ay pangunahing naglalarawan ng mga particle na walang panloob na istraktura at maaaring mag-vibrate. Ang mga particle na ito ay kumilos sa paraang hindi sila maaaring maging point particle lamang. Naunawaan ni Susskind - inilalarawan ng formula ang isang thread na parang nababanat na banda. Hindi lamang siya maaaring mag-inat at lumiit, ngunit din mag-oscillate, namimilipit. Matapos ilarawan ang kanyang pagtuklas, ipinakilala ni Susskind ang rebolusyonaryong ideya ng mga string.

Sa kasamaang palad, ang karamihan sa kanyang mga kasamahan ay nakatanggap ng teorya sa halip na cool.

karaniwang modelo

Noong panahong iyon, kinakatawan ng pangunahing agham ang mga particle bilang mga puntos, hindi mga string. Sa loob ng maraming taon, sinisiyasat ng mga physicist ang pag-uugali ng mga subatomic particle, binabangga ang mga ito sa napakabilis na bilis at pinag-aaralan ang mga kahihinatnan ng mga banggaan na ito. Ito ay lumabas na ang uniberso ay mas mayaman kaysa sa maiisip ng isa. Ito ay isang tunay na "pagsabog ng populasyon" ng mga elementarya na particle. Ang mga nagtapos na estudyante ng mga unibersidad sa pisika ay tumakbo sa mga koridor na sumisigaw na may natuklasan silang bagong butil - wala man lang sapat na mga titik upang italaga ang mga ito. Ngunit, sayang, sa "maternity hospital" ng mga bagong particle, hindi mahanap ng mga siyentipiko ang sagot sa tanong - bakit napakarami sa kanila at saan sila nanggaling?

Nag-udyok ito sa mga pisiko na gumawa ng hindi pangkaraniwang at nakagugulat na hula - napagtanto nila na ang mga puwersang kumikilos sa kalikasan ay maaari ding ipaliwanag gamit ang mga particle. Ibig sabihin, may mga particle ng matter, at may mga particle-carrier ng interaksyon. Ang nasabing, halimbawa, ay isang photon - isang particle ng liwanag. Ang higit pa sa mga carrier particle na ito - ang parehong mga photon na mahalaga sa pagpapalitan ng mga particle, mas maliwanag ang liwanag. Hinulaan ng mga siyentipiko na ang partikular na pagpapalitan ng mga particle ng carrier ay hindi hihigit sa kung ano ang nakikita natin bilang puwersa. Kinumpirma ito ng mga eksperimento. Kaya't nagawa ng mga physicist na mapalapit sa pangarap ni Einstein na magsanib-puwersa.

Naniniwala ang mga siyentipiko na kung magfa-fast-forward tayo hanggang pagkatapos lamang ng Big Bang, kapag ang uniberso ay trilyon-degree na mas mainit, ang mga particle na nagdadala ng electromagnetism at ang mahinang puwersa ay magiging hindi makilala at magsasama-sama sa isang puwersa na tinatawag na electroweak. At kung babalik pa tayo sa nakaraan, ang pakikipag-ugnayan ng electroweak ay magsasama sa malakas sa isang kabuuang "superforce".

Sa kabila ng katotohanan na ang lahat ng ito ay naghihintay pa upang mapatunayan, ang quantum mechanics ay biglang ipinaliwanag kung paano nakikipag-ugnayan ang tatlo sa apat na pwersa sa antas ng subatomic. At ipinaliwanag niya ito nang maganda at tuloy-tuloy. Ang maayos na larawan ng mga pakikipag-ugnayan, sa huli, ay tinawag na Standard Model. Ngunit, sayang, kahit na sa perpektong teoryang ito ay may isang malaking problema - hindi nito kasama ang pinakatanyag na puwersa ng antas ng macro - gravity.

Mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng iba't ibang particle sa Standard Model
graviton

Para sa teorya ng string, na walang oras upang "mamulaklak", dumating ang "taglagas", naglalaman ito ng napakaraming problema mula sa mismong pagsilang nito. Halimbawa, ang mga kalkulasyon ng teorya ay hinulaang ang pagkakaroon ng mga particle, na, sa lalong madaling panahon ay naitatag nang tumpak, ay hindi umiiral. Ito ang tinatawag na tachyon - isang particle na gumagalaw nang mas mabilis kaysa sa liwanag sa vacuum. Sa iba pang mga bagay, lumabas na ang teorya ay nangangailangan ng kasing dami ng 10 dimensyon. Ito ay hindi nakakagulat na ito ay lubhang nakakahiya para sa mga physicist, dahil ito ay malinaw na higit pa sa kung ano ang nakikita natin.

Noong 1973, iilan lamang sa mga batang pisiko ang nakikibaka pa rin sa mga misteryo ng teorya ng string. Ang isa sa kanila ay ang American theoretical physicist na si John Schwartz. Sa loob ng apat na taon, sinubukan ni Schwartz na paamuin ang mga malikot na equation, ngunit hindi ito nagtagumpay. Sa iba pang mga problema, ang isa sa mga equation na ito ay matigas ang ulo na inilarawan ang isang misteryosong butil na walang masa at hindi naobserbahan sa kalikasan.

Napagpasyahan na ng siyentipiko na talikuran ang kanyang mapaminsalang negosyo, at pagkatapos ay naisip niya - marahil ang mga equation ng string theory ay naglalarawan, bukod sa iba pang mga bagay, gravity? Gayunpaman, ito ay nagpapahiwatig ng isang rebisyon ng mga sukat ng mga pangunahing "bayani" ng teorya - ang mga string. Sa pag-aakalang ang mga string ay bilyun-bilyon at bilyun-bilyong beses na mas maliit kaysa sa isang atom, ginawa ng "mga stringer" ang kapintasan ng teorya sa kabutihan nito. Ang mahiwagang butil na patuloy na sinubukang alisin ni John Schwartz ay kumilos na ngayon bilang isang graviton - isang butil na matagal nang hinanap at magpapahintulot sa gravity na ilipat sa antas ng quantum. Ito ay kung paano nagdagdag ng gravity ang string theory sa puzzle, na nawawala sa Standard Model. Ngunit, sayang, kahit na ang siyentipikong komunidad ay hindi tumugon sa pagtuklas na ito. Ang teorya ng string ay nanatili sa bingit ng kaligtasan. Ngunit hindi nito napigilan si Schwartz. Isang siyentipiko lamang na handang ipagsapalaran ang kanyang karera para sa mga mahiwagang string ang gustong sumali sa kanyang paghahanap - si Michael Green.

Subatomic nesting doll

Sa kabila ng lahat, noong unang bahagi ng dekada 1980, ang teorya ng string ay mayroon pa ring hindi malulutas na mga kontradiksyon, na kilala sa agham bilang mga anomalya. Nagtakda sina Schwartz at Green na alisin ang mga ito. At ang kanilang mga pagsisikap ay hindi walang kabuluhan: pinamamahalaan ng mga siyentipiko na alisin ang ilan sa mga kontradiksyon ng teorya. Isipin ang pagkamangha ng dalawang ito, na sanay na sa katotohanan na ang kanilang teorya ay hindi pinapansin, nang ang reaksyon ng komunidad ng siyensya ay sumabog sa mundo ng siyensya. Sa wala pang isang taon, ang bilang ng mga string theorists ay tumalon sa daan-daan. Noon ang string theory ay ginawaran ng pamagat ng The Theory of Everything. Ang bagong teorya ay tila may kakayahang ilarawan ang lahat ng mga bahagi ng uniberso. At narito ang mga sangkap.

Ang bawat atom, tulad ng alam natin, ay binubuo ng mas maliliit na particle - mga electron, na umiikot sa paligid ng nucleus, na binubuo ng mga proton at neutron. Ang mga proton at neutron, naman, ay binubuo ng mas maliliit na particle na tinatawag na quark. Ngunit sinasabi ng teorya ng string na hindi ito nagtatapos sa mga quark. Ang mga quark ay binubuo ng maliliit na snaking filament ng enerhiya na kahawig ng mga string. Ang bawat isa sa mga string na ito ay hindi maisip na maliit.

Napakaliit na kung ang atom ay pinalaki sa laki ng solar system, ang string ay magiging kasing laki ng isang puno. Kung paanong ang iba't ibang vibrations ng isang cello string ay lumilikha ng kung ano ang naririnig natin, tulad ng iba't ibang mga musikal na nota, ang iba't ibang paraan (modes) ng pag-vibrate ng isang string ay nagbibigay sa mga particle ng kanilang mga natatanging katangian-mass, charge, at iba pa. Alam mo ba kung paano, medyo nagsasalita, ang mga proton sa dulo ng iyong kuko ay naiiba sa graviton na hindi pa natuklasan? Ang hanay lang ng maliliit na string na bumubuo sa kanila at kung paano nag-vibrate ang mga string na iyon.

Siyempre, ang lahat ng ito ay higit pa sa kamangha-manghang. Mula noong panahon ng Sinaunang Greece, nasanay na ang mga pisiko sa katotohanan na ang lahat ng bagay sa mundong ito ay binubuo ng isang bagay tulad ng mga bola, maliliit na particle. At ngayon, hindi nagkakaroon ng panahon upang masanay sa hindi makatwirang pag-uugali ng mga bolang ito, na sumusunod mula sa quantum mechanics, sila ay inaanyayahan na iwanan ang paradigm nang buo at gumana gamit ang ilang uri ng spaghetti trimmings...

Ikalimang Dimensyon

Bagama't tinatawag ng maraming siyentipiko ang string theory na tagumpay ng matematika, nananatili pa rin ang ilang mga problema - higit sa lahat, ang kawalan ng anumang pagkakataon na subukan ito nang eksperimental sa malapit na hinaharap. Walang isang instrumento sa mundo, umiiral man o may kakayahang lumitaw sa pananaw, ang walang kakayahang "makita" ang mga string. Samakatuwid, ang ilang mga siyentipiko, sa pamamagitan ng paraan, ay nagtatanong pa nga: ang string theory ba ay isang teorya ng pisika o pilosopiya?.. Totoo, hindi naman kailangang makita ang mga string "sa iyong sariling mga mata". Ang kinakailangan upang patunayan ang teorya ng string ay sa halip ay ibang bagay - kung ano ang tunog tulad ng science fiction - kumpirmasyon ng pagkakaroon ng mga karagdagang sukat ng espasyo.

Tungkol saan ito? Nasanay tayong lahat sa tatlong dimensyon ng espasyo at isang beses. Ngunit hinuhulaan ng teorya ng string ang pagkakaroon ng iba pang - karagdagang - dimensyon. Ngunit magsimula tayo sa pagkakasunud-sunod.

Sa katunayan, ang ideya ng pagkakaroon ng iba pang mga sukat ay lumitaw halos isang daang taon na ang nakalilipas. Dumating ito sa pinuno ng hindi kilalang Aleman na matematiko na si Theodor Kalutz noong 1919. Iminungkahi niya ang posibilidad ng pagkakaroon sa ating uniberso ng isa pang dimensyon na hindi natin nakikita. Narinig ni Albert Einstein ang tungkol sa ideyang ito, at noong una ay nagustuhan niya ito nang husto. Nang maglaon, gayunpaman, nag-alinlangan siya sa kawastuhan nito, at naantala ang paglalathala ni Kaluza ng hanggang dalawang taon. Sa huli, gayunpaman, ang artikulo ay gayunpaman ay nai-publish, at ang sobrang dimensyon ay naging isang uri ng pagkahilig para sa henyo ng pisika.

Tulad ng alam mo, ipinakita ni Einstein na ang gravity ay walang iba kundi isang pagpapapangit ng mga sukat ng space-time. Iminungkahi ni Kaluza na ang electromagnetism ay maaari ding maging ripples. Bakit hindi natin ito nakikita? Natagpuan ni Kaluza ang sagot sa tanong na ito - ang mga ripples ng electromagnetism ay maaaring umiral sa isang karagdagang, nakatagong dimensyon. Ngunit nasaan ito?

Ang sagot sa tanong na ito ay ibinigay ng Swedish physicist na si Oscar Klein, na nagmungkahi na ang ikalimang dimensyon ng Kaluza ay bilyun-bilyong beses na mas malaki kaysa sa sukat ng isang atom, kaya hindi natin ito nakikita. Ang ideya na ang maliit na sukat na ito ay umiiral sa paligid natin ay nasa puso ng teorya ng string.

Isa sa mga iminungkahing anyo ng dagdag na umiikot na sukat. Sa loob ng bawat isa sa mga form na ito, isang string ang nagvibrate at gumagalaw - ang pangunahing bahagi ng Uniberso. Ang bawat hugis ay anim na dimensyon - ayon sa bilang ng anim na karagdagang dimensyon

sampung sukat

Ngunit sa katunayan, ang mga equation ng string theory ay nangangailangan ng hindi kahit isa, ngunit anim na karagdagang dimensyon (sa kabuuan, na may apat na kilala sa amin, mayroong eksaktong 10 sa kanila). Ang lahat ng mga ito ay may isang napakabaluktot at baluktot na kumplikadong hugis. At ang lahat ay hindi maisip na maliit.

Paano maiimpluwensyahan ng maliliit na sukat na ito ang ating malaking mundo? Ayon sa teorya ng string, mapagpasyahan: para dito, ang lahat ay tinutukoy ng anyo. Kapag nag-play ka ng iba't ibang mga key sa saxophone, nakakakuha ka ng iba't ibang mga tunog. Ito ay dahil kapag pinindot mo ang isang partikular na key o kumbinasyon ng mga key, binabago mo ang hugis ng espasyo sa instrumentong pangmusika kung saan umiikot ang hangin. Dahil dito, isinilang ang iba't ibang tunog.

Iminumungkahi ng teorya ng string na ang sobrang baluktot at baluktot na mga sukat ng espasyo ay lumalabas sa katulad na paraan. Ang mga anyo ng mga karagdagang dimensyong ito ay masalimuot at iba-iba, at ang bawat isa ay nagiging sanhi ng pag-vibrate ng string sa loob ng naturang mga dimensyon sa ibang paraan dahil mismo sa mga anyo nito. Pagkatapos ng lahat, kung ipagpalagay natin, halimbawa, na ang isang string ay nag-vibrate sa loob ng isang pitsel, at ang isa pa sa loob ng isang curved post horn, ang mga ito ay magiging ganap na magkakaibang mga vibrations. Gayunpaman, kung paniniwalaan ang teorya ng string, sa katotohanan, ang mga hugis ng mga dagdag na sukat ay mukhang mas kumplikado kaysa sa isang garapon.

Paano gumagana ang mundo

Alam ng agham ngayon ang isang hanay ng mga numero na pangunahing mga constant ng uniberso. Tinutukoy nila ang mga katangian at katangian ng lahat ng bagay sa paligid natin. Sa mga ganoong constants, halimbawa, ang electron charge, ang gravitational constant, ang bilis ng liwanag sa vacuum... At kung babaguhin natin ang mga numerong ito kahit na sa maliit na bilang ng beses, ang mga kahihinatnan ay magiging sakuna. Ipagpalagay na nadagdagan natin ang lakas ng pakikipag-ugnayan ng electromagnetic. Anong nangyari? Maaaring bigla nating makita na ang mga ion ay naging mas nakakasuklam sa isa't isa, at ang thermonuclear fusion, na nagpapakinang at nagpapainit ng mga bituin, ay biglang nabigo. Lalabas ang lahat ng bituin.

Ngunit ano ang tungkol sa teorya ng string na may mga dagdag na sukat nito? Ang katotohanan ay, ayon dito, ito ay ang mga dagdag na sukat na tumutukoy sa eksaktong halaga ng mga pangunahing constants. Ang ilang mga paraan ng pagsukat ay nagdudulot ng pag-vibrate ng isang string sa isang tiyak na paraan, at nagiging sanhi ng kung ano ang nakikita natin bilang isang photon. Sa ibang mga anyo, iba ang vibrate ng mga string at gumagawa ng electron. Tunay na ang Diyos ay namamalagi sa "maliit na bagay" - ang maliliit na anyo na ito ang nagtatakda ng lahat ng mga pangunahing pagbabago sa mundong ito.

teorya ng superstring

Noong kalagitnaan ng dekada 1980, ang teorya ng string ay nagkaroon ng isang marilag at payat na hangin, ngunit sa loob ng monumento na iyon, naghari ang kalituhan. Sa loob lamang ng ilang taon, aabot sa limang bersyon ng string theory ang lumabas. At bagaman ang bawat isa sa kanila ay itinayo sa mga string at dagdag na sukat (lahat ng limang bersyon ay nagkakaisa sa pangkalahatang teorya ng superstrings - NS), sa mga detalye ang mga bersyon na ito ay makabuluhang nagkakaiba.

Kaya, sa ilang mga bersyon, ang mga string ay may bukas na mga dulo, sa iba ay mukhang mga singsing. At sa ilang mga bersyon, ang teorya ay nangangailangan ng hindi 10, ngunit kasing dami ng 26 na sukat. Ang kabalintunaan ay ang lahat ng limang bersyon ngayon ay matatawag na pantay na totoo. Ngunit alin nga ba ang naglalarawan sa ating uniberso? Ito ay isa pang misteryo ng string theory. Kaya naman maraming physicist ang muling nagwagayway ng kanilang kamay sa "baliw" na teorya.

Ngunit ang pangunahing problema ng mga string, tulad ng nabanggit na, ay ang imposibilidad (hindi bababa sa ngayon) upang patunayan ang kanilang presensya sa eksperimento.

Ang ilang mga siyentipiko, gayunpaman, ay nagsasabi pa rin na sa susunod na henerasyon ng mga accelerators mayroong isang napakaliit, ngunit gayon pa man, pagkakataon upang subukan ang hypothesis ng mga dagdag na sukat. Bagaman ang karamihan, siyempre, ay sigurado na kung ito ay posible, kung gayon, sayang, hindi ito dapat mangyari sa lalong madaling panahon - hindi bababa sa mga dekada, bilang isang maximum - kahit na sa isang daang taon.