Ekolohiya ng kaalaman: Ang pinaka malaking problema theoretical physicists - kung paano pagsamahin ang lahat ng mga pangunahing pakikipag-ugnayan (gravitational, electromagnetic, mahina at malakas) sa pinag-isang teorya. Ang teorya ng Superstring ay sinasabi lamang na ang Teorya ng Lahat

Nagbibilang mula tatlo hanggang sampu

Ang pinakamalaking problema para sa mga teoretikal na pisiko ay kung paano pagsamahin ang lahat ng mga pangunahing pakikipag-ugnayan (gravitational, electromagnetic, mahina at malakas) sa isang teorya. Ang teorya ng Superstring ay sinasabi lamang na ang Teorya ng Lahat.

Ngunit ito ay lumabas na ang pinaka-maginhawang bilang ng mga dimensyon na kailangan para sa teoryang ito ay gumana ay kasing dami ng sampu (siyam sa mga ito ay spatial, at ang isa ay temporal)! Kung mayroong higit o mas kaunting mga dimensyon, ang mga mathematical equation ay nagbibigay ng hindi makatwiran na mga resulta na napupunta sa infinity - isang singularity.

Ang susunod na yugto sa pagbuo ng superstring theory - M-theory - ay nagbilang na ng labing-isang dimensyon. At isa pang bersyon nito - F-theory - lahat ng labindalawa. At ito ay hindi isang komplikasyon sa lahat. Ang F-theory ay higit na naglalarawan sa 12-dimensional na espasyo simpleng equation kaysa sa M-teorya - 11-dimensional.

tiyak, teoretikal na pisika Ito ay tinatawag na teoretikal para sa isang dahilan. Ang lahat ng kanyang mga nagawa sa ngayon ay umiiral lamang sa papel. Kaya, upang ipaliwanag kung bakit maaari lamang tayong lumipat sa tatlong-dimensional na espasyo, sinimulan ng mga siyentipiko na pag-usapan kung paano ang mga kapus-palad na iba pang mga dimensyon ay kailangang lumiit sa mga compact sphere sa antas ng quantum. Upang maging tumpak, hindi sa mga sphere, ngunit sa mga espasyo ng Calabi-Yau. Ang mga ito ay tulad ng tatlong-dimensional na mga pigura, sa loob nito ay may sariling mundo na may sariling dimensyon. Ang isang two-dimensional na projection ng mga katulad na manifold ay mukhang ganito:

Mahigit sa 470 milyon ang mga naturang figurine ang kilala. Alin sa kanila ang tumutugma sa ating realidad, sa sa sandaling ito ay kalkulado. Hindi madaling maging isang theoretical physicist.

Oo, ito ay tila medyo malayo. Ngunit marahil ito ang nagpapaliwanag kung bakit ang mundo ng quantum ay ibang-iba sa kung ano ang nakikita natin.

Panahon, tuldok, kuwit

Magsimula muli. Ang zero na dimensyon ay isang punto. Wala siyang sukat. Walang kahit saan upang ilipat, walang mga coordinate ang kailangan upang ipahiwatig ang lokasyon sa naturang dimensyon.

Maglagay tayo ng pangalawang punto sa tabi ng una at gumuhit ng linya sa kanila. Narito ang unang dimensyon. Ang isang isang-dimensional na bagay ay may sukat - haba, ngunit walang lapad o lalim. Ang paggalaw sa loob ng balangkas ng isang-dimensional na espasyo ay napakalimitado, dahil ang balakid na lumitaw sa daan ay hindi maaaring lampasan. Upang matukoy ang lokasyon sa segment na ito, kailangan mo lamang ng isang coordinate.

Maglagay tayo ng punto sa tabi ng segment. Upang magkasya ang parehong mga bagay na ito, kailangan na natin ng dalawang-dimensional na espasyo na may haba at lapad, iyon ay, lugar, ngunit walang lalim, iyon ay, dami. Ang lokasyon ng anumang punto sa field na ito ay tinutukoy ng dalawang coordinate.

Lumilitaw ang ikatlong dimensyon kapag nagdagdag tayo ng ikatlong coordinate axis sa system na ito. Napakadali para sa atin, ang mga naninirahan sa tatlong-dimensional na uniberso, na isipin ito.

Subukan nating isipin kung paano nakikita ng mga naninirahan sa dalawang-dimensional na espasyo ang mundo. Halimbawa, narito ang dalawang taong ito:

Makikita ng bawat isa sa kanila ang kanyang kaibigan na ganito:

At sa ganitong layout:

Magkikita ang ating mga bida tulad nito:

Ang pagbabago sa pananaw na nagbibigay-daan sa ating mga bayani na hatulan ang isa't isa bilang dalawang-dimensional na bagay, sa halip na isang-dimensional na mga segment.

At ngayon isipin natin na ang isang tiyak na three-dimensional na bagay ay gumagalaw sa ikatlong dimensyon, na tumatawid sa dalawang-dimensional na mundong ito. Para sa isang tagamasid sa labas, ang paggalaw na ito ay ipahahayag sa isang pagbabago sa dalawang-dimensional na projection ng bagay sa isang eroplano, tulad ng broccoli sa isang MRI machine:

Ngunit para sa naninirahan sa aming Flatland, ang gayong larawan ay hindi maintindihan! Ni hindi niya maisip siya. Para sa kanya, ang bawat isa sa mga two-dimensional na projection ay makikita bilang isang one-dimensional na segment na may misteryosong variable na haba, na lumilitaw sa isang hindi inaasahang lugar at hindi rin nahuhulaang nawawala. Ang mga pagtatangka na kalkulahin ang haba at lugar ng paglitaw ng mga naturang bagay gamit ang mga batas ng pisika ng dalawang-dimensional na espasyo ay tiyak na mabibigo.

Kami, ang mga naninirahan sa tatlong-dimensional na mundo, ay nakikita ang lahat sa dalawang dimensyon. Ang paggalaw lamang ng isang bagay sa kalawakan ang nagpapahintulot sa atin na maramdaman ang dami nito. Makikita rin natin ang anumang multidimensional na bagay bilang dalawang-dimensional, ngunit ito ay magiging himala pagbabago depende sa lokasyon natin sa kanya o oras.

Mula sa puntong ito, nakakatuwang isipin, halimbawa, ang tungkol sa gravity. Marahil ang lahat ay nakakita ng mga larawang tulad nito:

Nakaugalian na ilarawan kung paano yumuko ang gravity sa space-time. Curves... saan? Eksaktong wala sa alinman sa mga sukat na pamilyar sa amin. PERO quantum tunneling, iyon ay, ang kakayahan ng isang butil na mawala sa isang lugar at lumitaw sa isang ganap na naiiba, bukod pa, sa likod ng isang balakid na kung saan, sa ating mga katotohanan, hindi ito maaaring tumagos nang hindi gumagawa ng butas dito? Paano naman ang black holes? Paano kung lahat ng ito at iba pang misteryo modernong agham ipinaliwanag sa pamamagitan ng ang katunayan na ang geometry ng espasyo ay hindi sa lahat ng parehong bilang namin nakasanayan upang malasahan ito?

Ang orasan ay tumatatak

Ang oras ay nagdaragdag ng isa pang coordinate sa ating Uniberso. Upang maganap ang partido, kailangan mong malaman hindi lamang kung saang bar ito magaganap, kundi pati na rin eksaktong oras ang kaganapang ito.

Batay sa aming pang-unawa, ang oras ay hindi isang tuwid na linya bilang isang sinag. Iyon ay, mayroon itong panimulang punto, at ang paggalaw ay isinasagawa lamang sa isang direksyon - mula sa nakaraan hanggang sa hinaharap. At ang kasalukuyan lamang ang totoo. Wala alinman sa nakaraan o hinaharap, tulad ng mga almusal at hapunan ay hindi umiiral mula sa punto ng view ng isang klerk sa opisina sa oras ng tanghalian.

Ngunit ang teorya ng relativity ay hindi sumasang-ayon dito. Mula sa kanyang pananaw, ang oras ay isang mahalagang sukat. Ang lahat ng mga kaganapan na umiral, umiiral at patuloy na umiiral ay pare-parehong totoo, kasing totoo ng isang dalampasigan sa dagat, saanman eksaktong dinala tayo ng mga panaginip ng tunog ng surf. Ang aming perception ay parang isang searchlight lang na nagbibigay-liwanag sa isang partikular na segment sa time line. Ang sangkatauhan sa ikaapat na dimensyon nito ay mukhang ganito:

Ngunit nakikita lamang natin ang isang projection, isang hiwa ng dimensyong ito sa bawat indibidwal na sandali ng oras. Oo, oo, tulad ng broccoli sa isang MRI machine.

Sa ngayon, lahat ng mga teorya ay nagtrabaho kasama malaking dami spatial na sukat, at ang temporal ay palaging isa lamang. Ngunit bakit pinapayagan ng espasyo ang maraming dimensyon para sa espasyo, ngunit isang beses lang? Hangga't hindi masasagot ng mga siyentipiko ang tanong na ito, ang hypothesis ng dalawa o higit pang mga puwang ng oras ay magiging kaakit-akit sa lahat ng mga pilosopo at manunulat ng science fiction. Oo, at mga pisiko, kung ano ang mayroon na. Halimbawa, nakikita ng American astrophysicist na si Itzhak Bars ang ugat ng lahat ng kaguluhan sa Teorya ng Lahat bilang pangalawang dimensyon, na hindi napapansin. Bilang ehersisyo sa pag-iisip Subukan nating isipin ang isang mundo na may dalawang beses.

Ang bawat dimensyon ay umiiral nang hiwalay. Ito ay ipinahayag sa katotohanan na kung babaguhin natin ang mga coordinate ng isang bagay sa isang dimensyon, ang mga coordinate sa iba ay maaaring manatiling hindi nagbabago. Kaya, kung lilipat ka sa isang oras na axis na nagsa-intersect sa isa pa sa isang tamang anggulo, pagkatapos ay sa punto ng intersection, ang oras sa paligid ay titigil. Sa pagsasagawa, magiging ganito ang hitsura:

Ang kailangan lang gawin ni Neo ay ilagay ang kanyang one-dimensional time axis patayo sa time axis ng mga bala. Isang tunay na bagay, sumang-ayon. Sa katunayan, ang lahat ay mas kumplikado.

Ang eksaktong oras sa isang uniberso na may dalawang sukat ng oras ay tutukuyin ng dalawang halaga. Mahirap bang isipin ang isang two-dimensional na kaganapan? Iyon ay, isa na pinalawak nang sabay-sabay kasama ang dalawang oras na palakol? Malamang na ang ganitong mundo ay mangangailangan ng mga eksperto sa pagmamapa ng oras, tulad ng pagmamapa ng mga cartographer sa dalawang-dimensional na ibabaw ng mundo.

Ano pa ang pinagkaiba ng dalawang-dimensional na espasyo sa isang-dimensional na espasyo? Ang kakayahang i-bypass ang isang balakid, halimbawa. Ito ay ganap na lampas sa mga hangganan ng ating isip. Ang isang naninirahan sa isang isang-dimensional na mundo ay hindi maisip kung paano ito lumiko sa isang sulok. At ano ito - isang anggulo sa oras? Bukod, sa dalawang-dimensional na espasyo Maaari kang maglakbay pasulong, paatras, o kahit pahilis. Wala akong ideya kung paano pumunta sa pahilis sa paglipas ng panahon. Hindi ko pinag-uusapan ang katotohanang pinagbabatayan ng oras ang maraming pisikal na batas, at imposibleng isipin kung paano magbabago ang pisika ng Uniberso sa pagdating ng isa pang dimensyon ng oras. Pero nakakatuwang isipin!

Napakalaking encyclopedia

Ang iba pang mga dimensyon ay hindi pa natuklasan, at umiiral lamang sa mga modelo ng matematika. Ngunit maaari mong subukang isipin ang mga ito nang ganito.

Gaya ng nalaman natin kanina, nakikita natin ang isang three-dimensional na projection ng ikaapat (temporal) na dimensyon ng Uniberso. Sa madaling salita, ang bawat sandali ng pagkakaroon ng ating mundo ay isang punto (katulad ng zero dimension) sa pagitan ng oras mula sa Big Bang hanggang sa Dulo ng Mundo.

Yung mga nakabasa na tungkol sa time travel alam nyo na mahalagang papel ang kurbada ng space-time continuum ay naglalaro sa kanila. Ito ang ikalimang dimensyon - nasa loob nito na ang apat na dimensyon na espasyo-oras ay "baluktot" upang paglapitin ang dalawang punto sa tuwid na linyang ito. Kung wala ito, ang paglalakbay sa pagitan ng mga puntong ito ay magiging masyadong mahaba, o kahit imposible. Sa halos pagsasalita, ang ikalimang dimensyon ay katulad ng pangalawa - inililipat nito ang "one-dimensional" na linya ng space-time sa "two-dimensional" na eroplano na may lahat ng mga kahihinatnan sa anyo ng kakayahang lumiko sa sulok.

Maaga pa lang, malamang na naisip ng aming mga mambabasa na may pag-iisip lalo na sa pilosopiko ang posibilidad ng malayang pagpapasya sa mga kondisyon kung saan umiiral na ang hinaharap, ngunit hindi pa alam. Sinasagot ng agham ang tanong na ito tulad nito: probabilities. Ang hinaharap ay hindi isang stick, ngunit isang buong walis ng mga pagpipilian pag-unlad ng mga kaganapan. Alin sa kanila ang magkakatotoo - malalaman natin pagdating natin doon.

Ang bawat isa sa mga probabilidad ay umiiral bilang isang "one-dimensional" na segment sa "eroplano" ng ikalimang dimensyon. Ano ang pinakamabilis na paraan upang tumalon mula sa isang segment patungo sa isa pa? Iyan ay tama - ibaluktot ang eroplanong ito tulad ng isang sheet ng papel. Saan ba yumuko? At muli, tama - sa ikaanim na sukat, na nagbibigay ng lahat ng ito kumplikadong istraktura"volume". At sa gayon ay ginagawa itong tulad tatlong-dimensional na espasyo, "tapos", isang bagong punto.

Ang ikapitong dimensyon ay isang bagong tuwid na linya, na binubuo ng anim na dimensyon na "mga puntos". Ano ang iba pang punto sa linyang ito? Ang buong walang katapusang hanay ng mga pagpipilian para sa pagbuo ng mga kaganapan sa ibang uniberso, nabuo hindi bilang isang resulta ng Big Bang, ngunit sa iba pang mga kondisyon, at kumikilos ayon sa iba pang mga batas. Iyon ay, ang ikapitong dimensyon ay mula sa mga kuwintas mga parallel na mundo. Kinokolekta ng ikawalong dimensyon ang "mga tuwid na linya" na ito sa isang "eroplano". At ang ikasiyam ay maihahalintulad sa isang aklat na naglalaman ng lahat ng "mga sheet" ng ikawalong dimensyon. Ito ang kabuuan ng lahat ng kasaysayan ng lahat ng sansinukob na may lahat ng batas ng pisika at lahat ng mga paunang kondisyon. Point ulit.

Dito natin naabot ang limitasyon. Upang isipin ang ikasampung dimensyon, kailangan natin ng isang tuwid na linya. At ano ang maaaring isa pang punto sa tuwid na linyang ito, kung ang ikasiyam na dimensyon ay sumasaklaw na sa lahat ng bagay na maiisip, at maging ang hindi maisip? Ito ay lumiliko na ang ikasiyam na dimensyon ay hindi isa pang panimulang punto, ngunit ang pangwakas - para sa ating imahinasyon, sa anumang kaso.

Sinasabi ng teorya ng string na nasa ikasampung dimensyon na ang mga string, ang mga pangunahing particle na bumubuo sa lahat, ay gumagawa ng kanilang mga vibrations. Kung ang ikasampung dimensyon ay naglalaman ng lahat ng mga uniberso at lahat ng mga posibilidad, kung gayon ang mga string ay umiiral sa lahat ng dako at sa lahat ng oras. Ibig kong sabihin, ang bawat string ay umiiral sa ating uniberso, at bawat isa. Sa anumang punto ng oras. Agad-agad. Astig, oo? inilathala

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 physics 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 o hindi, binibigyan tayo nito natatanging set mga tool na nagbibigay-daan sa iyong tingnan 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 upang pagsamahin ang mga kalahating ito sa isang "Teorya ng Lahat".

Mga particle at pakikipag-ugnayan

Ang mundo ay binubuo ng dalawang uri elementarya na mga particle- fermion at boson. Ang mga fermion ay lahat ng nakikitang 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. Ang mga string ay maaaring mag-vibrate at iba't ibang fashion ang gayong mga pagbabago 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 isang 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. pangunahing pakikipag-ugnayan- lahat maliban sa gravity.

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 ikonekta upang bumuo ng isang closed string, na, sa turn, ay maaaring masira, maging isang bukas na string, o magsama-sama at hatiin sa dalawang closed string (5) - kaya sa string theory pakikipag-ugnayan ng gravitational sumasama sa iba

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 kasinglaki ng solar system, 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 dagdag na 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 variant ng Calabi-Yau convolution (compactification) na maaaring ilarawan ang anumang mundo, at sa ngayon ay walang paraan upang mahanap ang variant ng Qi compactification na magbibigay-daan sa paglalarawan yung nakikita natin sa paligid.

supersymmetry

Karamihan sa mga bersyon ng teorya ng string ay nangangailangan ng konsepto ng supersymmetry, na batay sa ideya na ang mga fermion (matter) 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 na 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. Ito pa pangkalahatang teorya tinatawag na M-Theory.

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

Ang teorya ng relativity ay nagpapakita ng 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 matunog na oscillation ang mga hibla na bumubuo sa kanila. Ang mga hibla na ito ay maaaring gumawa walang katapusang set mga pagpipilian sa panginginig ng boses. Ang teoryang ito ay nagsasangkot ng pagkakaisa ng mga ideya quantum mechanics at ang teorya ng relativity. Ngunit dahil sa pagkakaroon ng maraming problema sa pagkumpirma ng mga kaisipang pinagbabatayan nito karamihan ng Ang mga modernong siyentipiko ay naniniwala na ang mga iminungkahing ideya ay walang iba kundi ang pinaka-ordinaryong kabastusan, o sa madaling salita, string theory para sa mga dummies, iyon ay, para sa mga taong ganap na walang kamalayan sa agham at sa istraktura ng mundo sa kanilang paligid.

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, na nagpapalabas ng ilang mga panginginig ng boses, 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 - ang mga tagapagpahiwatig na ito matukoy ang enerhiya ng mga string. Kung mas malaki ang radiated energy, mas mataas ang masa 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 haba ng mga ito ay naaayon sa laki ng Uniberso. Nakikipag-ugnayan sila sa isa't isa sa parehong paraan at gumagawa ng parehong mga vibrations at vibrations. Mukhang ang epekto ng mga ito gravitational lens na binabaluktot ang mga sinag ng liwanag mula sa malalayong mga kalawakan. PERO pagtatayo makabuo ng gravitational radiation.

Kabiguan sa matematika at iba pang mga problema

Ang isa sa mga problema ay ang hindi pagkakatugma sa matematika ng teorya - ang mga physicist na nag-aaral nito ay walang sapat na mga formula upang dalhin ito sa isang kumpletong anyo. At ang pangalawa ay iyon teoryang ito naniniwala na mayroong 10 dimensyon, ngunit 4 lang 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. Ang problema rin ay ang kawalan ng kakayahan pang-eksperimentong kumpirmasyon teoryang ito, ngunit walang sinuman ang maaaring pabulaanan ito.

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 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. klasikal na pisika ay naniniwala na walang malubhang problema na natitira dito, at ang buong istraktura ng mundo ay mukhang isang perpektong naka-streamline at predictable na makina. Ang kaguluhan, gaya ng dati, ay nangyari dahil sa katarantaduhan - isa sa maliliit na "ulap" na nanatili 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 Aleman na siyentipiko na si Max Planck noong 1900 na nakikitang liwanag, x-ray at iba pa mga electromagnetic wave 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 quantum hypothesis para sa determinismo ay hindi pa natanto. 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 hulaan ang hinaharap batay sa mga pisikal na batas. Siyempre, pinag-uusapan natin ang hinaharap at ang kasalukuyan. mga subatomic na particle. Ito ay naging ganap na naiiba ang kanilang pag-uugali kaysa sa anumang iba pang 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 sumasalungat bait. 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 subatomic level 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. Macroscopic level - substance 2. Antas ng molekular 3. Antas ng atom - proton, neutron at electron 4. Antas ng subatomiko - 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 baluktot at iunat 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 kinahinatnan, ang macrocosm ay hindi maaaring "magkasundo" sa microcosm. Dito pumapasok ang string theory.

2D Universe. E8 polyhedron graph /©John Stembridge/Atlas ng Lie Groups Project

Teorya ng Lahat

String theory embodies ang pangarap ng lahat ng physicist na pag-isahin ang dalawa, sa panimula magkasalungat kaibigan ng 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 mabaliw na sayaw ng mga subatomic na 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.

Ang pangkalahatang relativity ay naglalarawan ng isa sa mga pinakatanyag na puwersa sa uniberso - gravity. Inilalarawan ng quantum mechanics ang tatlong iba pang pwersa: ang malakas na puwersang nuklear, na nagsasama-sama 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 pamamagitan ng ang pinaka kumplikadong matematika nagtagumpay sa pagpapakita na mayroon ang electromagnetic at mahinang pakikipag-ugnayan karaniwang kalikasan, 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 isang alamat

Hanggang ngayon, hindi lahat ng physicist ay masigasig sa teorya ng string. 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 nang magkasama 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 ay gumagana, na matagal na panahon itinuturing na walang iba kundi isang mathematical curiosity, inilalarawan ang malakas na pakikipag-ugnayan na ito.

Paano ba talaga? Ang formula ay marahil ang resulta taon gawa ni Veneziano, at ang kaso ay nakatulong lamang upang gawin ang unang hakbang patungo sa pagtuklas ng string theory. Euler function, himala nagpapaliwanag ng malakas na pakikipag-ugnayan, nakahanap ng bagong buhay.

Sa huli, nakuha nito ang mata ng isang batang American theoretical physicist, si Leonard Susskind, na nakita na sa unang lugar ang formula ay 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 isang elastic band. 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 punto, hindi mga string. Sa loob ng maraming taon, sinisiyasat ng mga physicist ang pag-uugali ng mga subatomic na particle, binabangga ang mga ito sa napakabilis na bilis at pinag-aaralan ang mga kahihinatnan ng mga banggaan na ito. Lumalabas na ang uniberso ay mas mayaman kaysa maisip ng isa. Ito ay isang tunay pagsabog ng populasyon» elementarya na mga particle. Mga mag-aaral ng PhD pisikal na unibersidad tumakbo sa corridors sumisigaw na binuksan nila bagong butil, - kahit na walang 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 physicist 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 particle-carrier na ito - ang parehong mga photon na ipinagpapalit ng mga particle ng bagay, ang mas maliwanag na 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.

Pakikipag-ugnayan sa pagitan ng iba't ibang mga particle sa karaniwang modelo /

Naniniwala ang mga siyentipiko na kung magfa-fast-forward tayo hanggang pagkatapos lamang ng Big Bang, kung kailan ang uniberso ay trilyon-degree na mas mainit, ang mga particle na nagdadala ng electromagnetism at mahinang interaksyon nagiging hindi nakikilala at nagkakaisa sa iisang 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 magkatugmang larawan ng mga pakikipag-ugnayan, sa huli, ay tinawag na Standard Model. Ngunit, sayang, sa perpektong teoryang ito ay mayroong isang malaking problema - hindi nito kasama ang pinakatanyag na puwersa ng antas ng macro - ang gravity.

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 sa isang vacuum mas mabilis kaysa sa liwanag. Sa iba pang mga bagay, lumabas na ang teorya ay nangangailangan ng kasing dami ng 10 dimensyon. 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 ito - 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. Ipagpalagay na ang mga string ay bilyun-bilyon at bilyun-bilyong beses mas mababa sa isang atom, ginawang dignidad ng "mga stringer" ang kakulangan ng teorya. Ang mahiwagang butil na pilit na sinubukang alisin ni John Schwartz ay nagsilbing graviton - isang butil na matagal nang hinanap at magpapahintulot sa gravity na ilipat sa antas ng dami. Ito ay kung paano nagdagdag ng gravity ang string theory sa puzzle, na nawawala sa Standard Model. Ngunit, sayang, kahit para sa pagtuklas na ito komunidad ng agham hindi man lang nag-react. 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 mahiwagang mga 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: ang mga siyentipiko ay pinamamahalaang alisin ang ilan sa mga kontradiksyon ng teorya. Isipin ang pagkamangha nitong dalawang ito, na sanay na sa katotohanan na ang kanilang teorya ay hindi pinapansin, nang ang reaksyon ng komunidad ng siyensya ay sumabog. siyentipikong mundo. 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 isang 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 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 bilang iba't ibang mga musikal na nota, iba't-ibang paraan(modes) ang mga vibrations ng string ay nagbibigay sa mga particle ng kanilang natatanging katangian masa, singil, atbp. 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 lamang 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. Noon pa man Sinaunang Greece Ang mga physicist ay nakasanayan na 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 oras upang masanay sa hindi makatwirang pag-uugali ng mga bolang ito, na sumusunod mula sa quantum mechanics, sila ay iniimbitahan 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 sa kanilang sarili ng tanong: ang teorya ng string ay isang teorya ng pisika o pilosopiya?.. Totoo, hindi kinakailangan na makita ang mga string "sa iyong sariling mga mata". Upang patunayan ang teorya ng string, sa halip, may iba pang kailangan - isang bagay na parang science fiction- kumpirmasyon ng pagkakaroon ng mga karagdagang sukat ng espasyo.

Tungkol Saan sa tanong? 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 sukat. 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 nakatiklop ng bilyun-bilyong beses na higit sa laki ng isang atom, kaya hindi natin ito nakikita. Ang ideya na ang maliit na sukat na ito ay umiiral sa ating paligid 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 anyo 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 napaka-baluktot at baluktot kumplikadong hugis. At ang lahat ay hindi maisip na maliit.

Paano makakaapekto ang maliliit na sukat na ito sa ating Malaking mundo? Ayon sa teorya ng string, mapagpasyahan: para dito, ang lahat ay tinutukoy ng anyo. Kapag naglaro ka ng iba't ibang mga key sa saxophone, makakakuha ka ng at iba't ibang tunog. Ito ay dahil kapag pinindot mo ang isa o isa pang key o kumbinasyon ng mga ito, babaguhin mo ang hugis ng espasyo instrumentong pangmusika kung saan umiikot ang hangin. Dahil dito, iba't ibang mga tunog ang ipinanganak.

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 pitsel.

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 singil ng isang electron, 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. Kumbaga dinagdagan namin ang lakas pakikipag-ugnayan ng electromagnetic. Anong nangyari? Maaari naming biglang makita na ang mga ion ay naging mas malakas na pagtataboy sa isa't isa, at thermonuclear fusion, na nagpapakinang at nagpapainit ng mga bituin, biglang nag-malfunction. 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 karagdagang sukat na tumutukoy eksaktong halaga pangunahing mga pare-pareho. 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 iba pang mga anyo, ang mga string ay nag-vibrate nang iba at gumagawa ng isang elektron. Tunay na ang Diyos ay namamalagi sa "maliit na bagay" - ang maliliit na anyo na ito ang tumutukoy sa lahat ng mga pangunahing pagbabago sa mundong ito.

teorya ng superstring

Noong kalagitnaan ng dekada 1980, ang teorya ng string ay nakakuha ng isang marilag at slim tingnan, ngunit sa loob ng monumento na ito naghari ang pagkalito. Sa loob lamang ng ilang taon, aabot sa limang bersyon ng string theory ang lumabas. At kahit na ang bawat isa sa kanila ay binuo sa mga string at dagdag na mga 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 mga bukas na 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.

Pero ang pinaka ang pangunahing problema mga string, tulad ng nabanggit na, sa imposibilidad (ayon sa kahit na, habang) upang patunayan ang kanilang presensya sa eksperimentong paraan.

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 superstring, sa tanyag na wika, ay kumakatawan sa uniberso bilang isang koleksyon ng mga nanginginig na filament ng enerhiya - mga string. Sila ang pundasyon ng kalikasan. Ang hypothesis ay naglalarawan din ng iba pang mga elemento - branes. Ang lahat ng bagay sa ating mundo ay binubuo ng mga vibrations ng mga string at branes. Ang isang natural na kahihinatnan ng teorya ay ang paglalarawan ng grabidad. Iyon ang dahilan kung bakit naniniwala ang mga siyentipiko na ito ang may hawak ng susi sa pagkakaisa ng gravity sa iba pang pwersa.

Ang konsepto ay umuunlad

Teorya pinag-isang larangan, superstring theory, ay puro mathematical. Tulad ng lahat ng mga pisikal na konsepto, ito ay batay sa mga equation na maaaring bigyang-kahulugan sa isang tiyak na paraan.

Ngayon, walang nakakaalam nang eksakto kung ano ang magiging huling bersyon ng teoryang ito. Ang mga iskolar ay may medyo malabo na ideya nito karaniwang mga elemento, ngunit wala pang nakabuo ng panghuling equation na sasakupin ang lahat ng superstring theories, at sa ngayon ay hindi pa posible na kumpirmahin ito sa eksperimentong paraan (bagaman hindi rin ito pabulaanan). Gumawa ang mga physicist ng mga pinasimpleng bersyon ng equation, ngunit sa ngayon ay hindi pa nito lubos na inilalarawan ang ating uniberso.

Teorya ng Superstring para sa mga Nagsisimula

Ang hypothesis ay batay sa limang pangunahing ideya.

1. Ang teorya ng superstring ay hinuhulaan na ang lahat ng mga bagay sa ating mundo ay binubuo ng mga nanginginig na filament at mga lamad ng enerhiya.
2. Sinusubukan nitong pagsamahin ang pangkalahatang teorya ng relativity (gravity) sa quantum physics.
3. Ang teorya ng superstring ay pag-isahin ang lahat pangunahing pwersa sansinukob.
4. Ang hypothesis na ito ay hinuhulaan bagong koneksyon, supersymmetry, sa pagitan ng dalawang pangunahin iba't ibang uri mga particle, boson at fermion.
5. Ang konsepto ay naglalarawan ng isang bilang ng mga karagdagang, kadalasang hindi nakikitang mga sukat ng Uniberso.

Mga string at branes

Nang lumitaw ang teorya noong 1970s, ang mga thread ng enerhiya sa loob nito ay itinuturing na 1-dimensional na mga bagay - mga string. Ang salitang "one-dimensional" ay nagsasabi na ang string ay may 1 dimensyon lamang, ang haba, hindi katulad, halimbawa, isang parisukat, na may parehong haba at taas.

Hinahati ng teorya ang mga superstring na ito sa dalawang uri - sarado at bukas. Ang isang bukas na string ay may mga dulo na hindi magkadikit, habang ang isang saradong string ay isang loop na walang bukas na mga dulo. Bilang resulta, napag-alaman na ang mga string na ito, na tinatawag na mga string ng unang uri, ay napapailalim sa 5 pangunahing uri ng mga pakikipag-ugnayan.

Ang mga pakikipag-ugnayan ay batay sa kakayahan ng isang string na kumonekta at paghiwalayin ang mga dulo nito. Dahil ang mga dulo bukas na mga string maaaring pagsamahin upang bumuo ng mga closed string, hindi ka makakagawa ng superstring theory na hindi kasama ang mga naka-loop na string.

Ito ay naging mahalaga, dahil ang mga saradong string ay may mga katangian, naniniwala ang mga physicist, na maaaring maglarawan ng gravity. Sa madaling salita, napagtanto ng mga siyentipiko na sa halip na ipaliwanag ang mga particle ng bagay, maaaring ilarawan ng superstring theory ang kanilang pag-uugali at gravity.

Pagkalipas ng maraming taon, natuklasan na, bilang karagdagan sa mga string, ang iba pang mga elemento ay kinakailangan para sa teorya. Maaari silang isipin bilang mga sheet, o branes. Ang mga string ay maaaring ikabit sa isa o magkabilang panig ng mga ito.

quantum gravity

Ang modernong pisika ay may dalawang pangunahing batas pang-agham: ang pangkalahatang teorya ng relativity (GR) at quantum. Sila ay ganap na kumakatawan iba't ibang lugar Mga agham. Pinag-aaralan ng quantum physics ang pinakamaliit na natural na particle, habang ang pangkalahatang relativity, bilang panuntunan, ay naglalarawan ng kalikasan sa sukat ng mga planeta, galaxy, at uniberso sa kabuuan. Ang mga hypotheses na nagsisikap na pag-isahin ang mga ito ay tinatawag na mga teorya. quantum gravity. Ang pinaka-promising sa kanila ngayon ay ang string.

Ang mga saradong thread ay tumutugma sa pag-uugali ng gravity. Sa partikular, mayroon silang mga katangian ng isang graviton, isang particle na nagdadala ng gravity sa pagitan ng mga bagay.

Pagsanib-puwersa

Sinusubukan ng teorya ng string na pagsamahin ang apat na puwersa - electromagnetic, malakas at mahinang puwersang nuklear, at gravity - sa isa. Sa ating mundo, ipinakikita nila ang kanilang sarili bilang apat na magkakaibang phenomena, ngunit naniniwala ang mga string theorists na sa unang bahagi ng Uniberso, noong sila ay hindi kapani-paniwala. mataas na antas enerhiya, ang lahat ng pwersang ito ay inilalarawan ng mga kuwerdas na nakikipag-ugnayan sa isa't isa.

supersymmetry

Ang lahat ng mga particle sa uniberso ay maaaring nahahati sa dalawang uri: boson at fermion. Ang teorya ng string ay hinuhulaan na mayroong relasyon sa pagitan ng dalawang tinatawag na supersymmetry. Sa supersymmetry, para sa bawat boson ay dapat mayroong isang fermion, at para sa bawat fermion, isang boson. Sa kasamaang palad, ang pagkakaroon ng naturang mga particle ay hindi pa nakumpirma sa eksperimento.

Ang supersymmetry ay pag-asa sa matematika sa pagitan ng mga elemento mga pisikal na equation. Natuklasan ito sa ibang larangan ng pisika, at ang aplikasyon nito ay humantong sa pagpapalit ng pangalan ng supersymmetric string theory (o superstring theory, sa sikat na parlance) noong kalagitnaan ng 1970s.

Ang isang bentahe ng supersymmetry ay na lubos nitong pinapasimple ang mga equation sa pamamagitan ng pagpayag na alisin ang ilang mga variable. Kung walang supersymmetry, ang mga equation ay humahantong sa mga pisikal na kontradiksyon tulad ng mga walang katapusang halaga at haka-haka.

Dahil hindi naobserbahan ng mga siyentipiko ang mga particle na hinulaan ng supersymmetry, isa pa rin itong hypothesis. Maraming physicist ang naniniwala na ang dahilan nito ay ang pangangailangan para sa isang malaking halaga ng enerhiya, na nauugnay sa masa ng sikat na Einstein equation E = mc 2 . Maaaring umiral ang mga particle na ito sa unang bahagi ng uniberso, ngunit habang lumalamig ito at lumawak ang enerhiya pagkatapos ng Big Bang, ang mga particle na ito ay lumipat sa mababang antas ng enerhiya.

Sa madaling salita, ang mga string na nag-vibrate bilang mga high-energy na particle ay nawalan ng enerhiya, na naging mga elemento na may mas mababang vibration.

Inaasahan ng mga siyentipiko na ang mga astronomical na obserbasyon o mga eksperimento na may mga particle accelerator ay magpapatunay sa teorya sa pamamagitan ng pagsisiwalat ng ilan sa mga elementong supersymmetric na mas mataas ang enerhiya.

Mga karagdagang sukat

Ang isa pang mathematical na kinahinatnan ng string theory ay ang pagkakaroon ng kahulugan sa isang mundong may higit sa tatlong dimensyon. Kasalukuyang mayroong dalawang paliwanag para dito:

1. Ang mga dagdag na dimensyon (anim sa mga ito) ay bumagsak, o, sa terminolohiya ng string theory, pinagsama sa isang hindi kapani-paniwalang maliit na sukat na hindi kailanman makikita.
2. Kami ay natigil sa isang 3D brane, at ang iba pang mga dimensyon ay lumalampas dito at hindi naa-access sa amin.

Ang isang mahalagang lugar ng pananaliksik sa mga theorists ay pagmomodelo ng matematika kung paano maiuugnay ang mga karagdagang coordinate na ito sa atin. Pinakabagong Resulta hulaan na malapit nang ma-detect ng mga siyentipiko ang mga karagdagang dimensyong ito (kung mayroon sila) sa paparating na mga eksperimento, dahil maaaring mas malaki ang mga ito kaysa sa naunang inaasahan.

Pag-unawa sa Layunin

Ang layunin na sinisikap ng mga siyentipiko kapag nag-explore ng mga superstring ay ang "teorya ng lahat", iyon ay, isang pisikal na hypothesis na pangunahing antas inilalarawan ang kabuuan pisikal na katotohanan. Kung matagumpay, maaari nitong linawin ang maraming tanong tungkol sa istruktura ng ating uniberso.

Pagpapaliwanag ng bagay at masa

Isa sa mga pangunahing gawain kontemporaryong pananaliksik- maghanap ng mga solusyon para sa mga tunay na particle.

Ang teorya ng string ay nagsimula bilang isang konsepto na naglalarawan ng mga particle tulad ng mga hadron sa iba't ibang mas mataas na vibrational state ng isang string. Karamihan modernong mga pormulasyon, ang bagay na naobserbahan sa ating uniberso ay resulta ng mga vibrations ng mga string at pinakamababang-enerhiya na branes. Ang mga panginginig ng boses na may higit pa ay bumubuo ng mga particle na may mataas na enerhiya na kasalukuyang hindi umiiral sa ating mundo.

Ang masa ng mga ito ay isang manipestasyon ng kung paano ang mga string at branes ay nakabalot sa mga siksik na dagdag na sukat. Halimbawa, sa isang pinasimpleng kaso kung saan nakatiklop ang mga ito sa hugis ng donut, na tinatawag na torus ng mga mathematician at physicist, maaaring balutin ng string ang hugis na ito sa dalawang paraan:

• isang maikling loop sa gitna ng torus;
• isang mahabang loop sa paligid ng buong panlabas na circumference ng torus.

Ang isang maikling loop ay magiging isang magaan na butil, at ang isang malaking loop ay magiging isang mabigat. Kapag ang mga string ay nakabalot sa mga toroidal compactified na sukat, ang mga bagong elemento na may iba't ibang masa ay nabuo.

Ang teorya ng superstring ay maikli at malinaw, simple at eleganteng ipinapaliwanag ang paglipat ng haba sa masa. Ang mga nakatiklop na sukat dito ay mas kumplikado kaysa sa torus, ngunit sa prinsipyo gumagana ang mga ito sa parehong paraan.

Posible pa nga, bagaman mahirap isipin, na ang string ay bumabalot sa torus sa dalawang direksyon nang sabay, na nagreresulta sa ibang particle na may ibang masa. Ang mga branes ay maaari ding balutin ang mga karagdagang sukat, na lumilikha ng higit pang mga posibilidad.

Kahulugan ng espasyo at oras

Sa maraming bersyon ng superstring theory, bumabagsak ang mga dimensyon, na ginagawang hindi napapansin ang mga ito modernong antas pag-unlad ng teknolohiya.

Kasalukuyang hindi malinaw kung ang teorya ng string ay maaaring ipaliwanag ang pangunahing katangian ng espasyo at oras nang higit pa kaysa kay Einstein. Sa loob nito, ang mga sukat ay ang background para sa pakikipag-ugnayan ng mga string at walang independiyenteng tunay na kahulugan.

Ang mga paliwanag ay iniaalok, hindi ganap na binuo, tungkol sa representasyon ng space-time bilang isang derivative kabuuang halaga lahat ng mga pakikipag-ugnayan ng string.

Ang diskarte na ito ay hindi nakakatugon sa mga ideya ng ilang mga physicist, na humantong sa pagpuna sa hypothesis. Competitive theory bilang panimulang punto gumagamit ng quantization ng espasyo at oras. Ang ilan ay naniniwala na sa huli ito ay magiging isang kakaibang diskarte sa parehong pangunahing hypothesis.

gravity quantization

Ang pangunahing tagumpay ng hypothesis na ito, kung ito ay nakumpirma, ay magiging kabuuan teorya grabidad. Ang kasalukuyang paglalarawan sa pangkalahatang relativity ay hindi naaayon sa quantum physics. Ang huli, sa pamamagitan ng pagpapataw ng mga paghihigpit sa pag-uugali ng maliliit na particle, ay humahantong sa mga kontradiksyon kapag sinusubukang galugarin ang Uniberso sa napakaliit na sukat.

Pagsasama-sama ng pwersa

Sa kasalukuyan, alam ng mga pisiko ang apat na pangunahing puwersa: gravity, electromagnetic, mahina at malakas na pakikipag-ugnayang nuklear. Ito ay sumusunod mula sa string theory na ang lahat ng mga ito ay minsang pagpapakita ng isa.

Ayon sa hypothesis na ito, dahil maagang uniberso lumamig pagkatapos Big Bang, ang nag-iisang pakikipag-ugnayan na ito ay nagsimulang maghiwa-hiwalay sa iba't ibang, kumikilos ngayon.

Ang mga eksperimento na may mataas na enerhiya ay magbibigay-daan sa atin balang-araw na matuklasan ang pag-iisa ng mga puwersang ito, bagama't ang mga naturang eksperimento ay higit pa sa kasalukuyang pag-unlad ng teknolohiya.

Limang pagpipilian

Mula noong superstring na rebolusyon noong 1984, ang pag-unlad ay umunlad sa isang nilalagnat na bilis. Bilang resulta, sa halip na isang konsepto, nakakuha kami ng lima, na pinangalanang mga uri I, IIA, IIB, HO, HE, bawat isa ay halos ganap na inilarawan ang ating mundo, ngunit hindi ganap.

Ang mga physicist, na nag-uuri sa mga bersyon ng string theory sa pag-asang makahanap ng isang unibersal na totoong formula, ay lumikha ng 5 iba't ibang mga bersyon na sapat sa sarili. Ang ilan sa kanilang mga pag-aari ay sumasalamin sa pisikal na katotohanan ng mundo, ang iba ay hindi tumutugma sa katotohanan.

M-teorya

Sa isang kumperensya noong 1995, iminungkahi ng physicist na si Edward Witten ang isang matapang na solusyon sa problema ng limang hypotheses. Batay sa bagong natuklasang duality, lahat sila ay naging mga espesyal na kaso ng isang pangkalahatang konsepto, na tinatawag na Witten's M-theory of superstrings. Ang isa sa mga pangunahing konsepto nito ay branes (maikli para sa lamad), mga pangunahing bagay na may higit sa 1 dimensyon. Bagama't hindi nag-aalok ang may-akda ng kumpletong bersyon, na hindi pa magagamit, ang M-theory ng superstrings sa madaling sabi ay binubuo ng mga sumusunod na tampok:

• 11 dimensyon (10 spatial plus 1 time dimensyon);
• dualities na humahantong sa limang teorya na nagpapaliwanag ng parehong pisikal na katotohanan;
• Ang branes ay mga string na may higit sa 1 dimensyon.

Mga kahihinatnan

Bilang resulta, sa halip na isa, mayroong 10,500 solusyon. Para sa ilang mga physicist, nagdulot ito ng isang krisis, habang ang iba ay tinanggap ang anthropic na prinsipyo, na nagpapaliwanag ng mga katangian ng uniberso sa pamamagitan ng ating presensya dito. Ito ay nananatiling makikita kapag ang mga teorista ay makakahanap ng ibang paraan upang i-orient ang kanilang mga sarili sa superstring theory.

Ang ilang mga interpretasyon ay nagmumungkahi na ang ating mundo ay hindi lamang isa. Ang pinaka-radikal na mga bersyon ay nagpapahintulot sa pagkakaroon isang walang katapusang bilang uniberso, ang ilan ay naglalaman ng eksaktong mga kopya atin.

Ang teorya ni Einstein ay hinuhulaan ang pagkakaroon ng isang coiled space, na tinatawag na wormhole o isang Einstein-Rosen bridge. Sa kasong ito, ang dalawang malalayong site ay konektado sa pamamagitan ng isang maikling daanan. Pinapayagan ng teorya ng Superstring hindi lamang ito, kundi pati na rin ang koneksyon ng malalayong mga punto ng magkatulad na mundo. Posible kahit na lumipat sa pagitan ng mga uniberso na may iba't ibang batas pisika. Gayunpaman, malamang na ang quantum theory ng gravity ay gagawing imposible ang kanilang pag-iral.

Maraming mga physicist ang naniniwala na ang holographic na prinsipyo, kapag ang lahat ng impormasyon na nakapaloob sa dami ng espasyo ay tumutugma sa impormasyong naitala sa ibabaw nito, ay magbibigay-daan sa isang mas malalim na pag-unawa sa konsepto ng mga thread ng enerhiya.

Naniniwala ang ilan na ang teorya ng superstring ay nagbibigay-daan sa maraming dimensyon ng oras, na maaaring magresulta sa paglalakbay sa kanila.

Bilang karagdagan, mayroong isang kahalili sa modelo ng big bang sa hypothesis, ayon sa kung saan lumitaw ang ating uniberso bilang resulta ng banggaan ng dalawang branes at dumaan sa paulit-ulit na mga siklo ng paglikha at pagkawasak.

Ang pinakahuling kapalaran ng sansinukob ay palaging abala sa mga physicist, at ang huling bersyon ng string theory ay makakatulong na matukoy ang density ng matter at ang cosmological constant. Sa pag-alam sa mga halagang ito, matutukoy ng mga kosmologist kung ang uniberso ay liliit hanggang sa ito ay sumabog, upang ang lahat ay magsimulang muli.

Walang nakakaalam kung ano ang maaaring humantong hanggang sa ito ay binuo at nasubok. Si Einstein, na nagsusulat ng equation na E=mc 2 , ay hindi inakala na hahantong ito sa paglitaw mga sandatang nuklear. Ang mga tagalikha ng quantum physics ay hindi alam na ito ang magiging batayan para sa paglikha ng isang laser at isang transistor. At kahit na ito ay hindi pa alam kung ano ang isang pulos teoretikal na konsepto, ipinapakita ng kasaysayan na tiyak na may mangyayaring kakaiba.

Maaari kang magbasa nang higit pa tungkol sa hypothesis na ito sa Superstring Theory for Dummies ni Andrew Zimmerman.