Superstringteorie: bestaan alle dinge in 11 dimensies?

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

Jy het seker al gehoor dat die gewildste wetenskaplike teorie van ons tyd, snaarteorie, baie meer dimensies behels as wat gesonde verstand suggereer.

Die grootste probleem vir teoretiese fisici is hoe om alle fundamentele interaksies (gravitasie, elektromagneties, swak en sterk) in 'n enkele teorie te kombineer. Superstringteorie beweer dat dit die teorie van alles is.

Maar dit het geblyk dat die gerieflikste aantal dimensies wat nodig is vir hierdie teorie om te werk tien is (waarvan nege ruimtelik is, en een is tydelik)! As daar min of meer metings is, gee wiskundige vergelykings irrasionele resultate wat tot oneindig gaan - 'n singulariteit.

Die volgende fase in die ontwikkeling van superstringteorie - M-teorie - het reeds elf dimensies getel. En nog een weergawe daarvan - F-teorie - al twaalf. En dit is glad nie 'n komplikasie nie. F-teorie beskryf 12-dimensionele ruimte deur eenvoudiger vergelykings as M-teorie - 11-dimensioneel.

Dit is natuurlik nie verniet dat teoretiese fisika teoreties genoem word nie. Al haar prestasies tot dusver bestaan net op papier. Dus, om te verduidelik hoekom ons net in driedimensionele ruimte kan beweeg, het wetenskaplikes begin praat oor hoe die ongelukkige ander dimensies op die kwantumvlak in kompakte sfere moes inkrimp. Om presies te wees, nie in sfere nie, maar in Calabi-Yau-ruimtes. Dit is sulke driedimensionele figure, waarbinne hul eie wêreld met sy eie dimensie.’n Tweedimensionele projeksie van sulke spruitstukke lyk iets soos volg:

Meer as 470 miljoen van sulke beeldjies is bekend. Watter van hulle ooreenstem met ons werklikheid, word tans bereken. Dit is nie maklik om 'n teoretiese fisikus te wees nie.

Ja, dit lyk 'n bietjie vergesog. Maar miskien is dit presies wat verduidelik hoekom die kwantumwêreld so anders is as wat ons waarneem.

Kom ons duik 'n bietjie in die geskiedenis

In 1968 het die jong teoretiese fisikus Gabriele Veneziano ondersoek ingestel na die begrip van die talle eksperimenteel waargenome kenmerke van die sterk kerninteraksie. Veneziano, wat destyds by CERN, die European Accelerator Laboratory in Genève (Switserland) gewerk het, het etlike jare aan hierdie probleem gewerk, totdat hy eendag deur 'n briljante raaiskoot getref is. Tot sy verbasing het hy besef dat 'n eksotiese wiskundige formule, wat sowat tweehonderd jaar vroeër deur die beroemde Switserse wiskundige Leonard Euler vir suiwer wiskundige doeleindes uitgevind is - die sogenaamde Euler beta-funksie - blykbaar in een klap alles kan beskryf die talle eienskappe van deeltjies betrokke by sterk kernkrag. Die eiendom wat deur Veneziano opgemerk is, het 'n kragtige wiskundige beskrywing van baie kenmerke van sterk interaksie verskaf; dit het 'n vlaag van werk ontketen waarin die beta-funksie en sy verskillende veralgemenings gebruik is om die groot hoeveelhede data te beskryf wat opgehoop is in die studie van deeltjiebotsings regoor die wêreld. In 'n sekere sin was Veneziano se waarneming egter onvolledig. Soos 'n gememoriseerde formule wat gebruik word deur 'n student wat nie die betekenis of betekenis daarvan verstaan nie, het Euler se beta-funksie gewerk, maar niemand het verstaan hoekom nie. Dit was 'n formule wat 'n verduideliking nodig gehad het.

Gabriele Veneziano

Dit het in 1970 verander toe Yohiro Nambu van die Universiteit van Chicago, Holger Nielsen van die Niels Bohr Instituut en Leonard Susskind van Stanford Universiteit die fisiese betekenis agter Euler se formule kon ontbloot. Hierdie fisici het getoon dat wanneer elementêre deeltjies deur klein vibrerende eendimensionele stringe voorgestel word, die sterk interaksie van hierdie deeltjies presies beskryf word deur die Euler-funksie te gebruik. As die snaarsegmente klein genoeg is, het hierdie navorsers geredeneer, sal dit steeds soos puntdeeltjies lyk en sal dus nie die resultate van eksperimentele waarnemings weerspreek nie. Alhoewel hierdie teorie eenvoudig en intuïtief aantreklik was, is daar gou gewys dat die beskrywing van sterk interaksies met behulp van snare gebrekkig was. In die vroeë 1970's. hoë-energie fisici kon dieper in die subatomiese wêreld kyk en het gewys dat sommige van die voorspellings van die snaarmodel in direkte stryd is met waarnemings. Terselfdertyd was die ontwikkeling van kwantumveldteorie – kwantumchromodinamika – waarin die puntmodel van deeltjies gebruik is, parallel aan die gang. Die suksesse van hierdie teorie in die beskrywing van die sterk interaksie het gelei tot die verlating van snaarteorie.

Die meeste partikelfisici het geglo dat snaarteorie vir ewig in die asblik is, maar 'n aantal navorsers het getrou daaraan gebly. Schwartz het byvoorbeeld gevoel dat "die wiskundige struktuur van snaarteorie so pragtig is en soveel treffende eienskappe het dat dit ongetwyfeld na iets dieper behoort te wys."²). Een van die probleme wat fisici met snaarteorie in die gesig gestaar het, was dat dit gelyk het of dit te veel keuses bied, wat verwarrend was.

Sommige van die vibrerende snaarkonfigurasies in hierdie teorie het eienskappe gehad wat soos dié van gluone gelyk het, wat rede gegee het om dit werklik as 'n teorie van sterk interaksies te beskou. Benewens dit het dit egter bykomende deeltjies-draers van interaksie bevat, wat niks te doen gehad het met die eksperimentele manifestasies van sterk interaksie nie. In 1974 het Schwartz en Joel Scherk van die Franse Nagraadse Skool vir Tegnologie 'n gewaagde aanname gemaak wat hierdie waargenome gebrek in 'n deug verander het. Nadat hulle die vreemde vibrasiemodusse van snare bestudeer het, wat aan draerdeeltjies herinner, het hulle besef dat hierdie eienskappe verbasend presies saamval met die beweerde eienskappe van’n hipotetiese draerdeeltjie van gravitasie-interaksie – die graviton. Alhoewel hierdie "klein deeltjies" van gravitasie-interaksie nog nie ontdek is nie, kan teoretici met vertroue sommige van die fundamentele eienskappe voorspel wat hierdie deeltjies behoort te hê. Scherk en Schwartz het gevind dat hierdie eienskappe presies gerealiseer word vir sommige vibrasiemodusse. Op grond hiervan het hulle veronderstel dat die eerste koms van snaarteorie op mislukking geëindig het as gevolg van fisici wat die omvang daarvan te beperk het. Sherk en Schwartz het aangekondig dat snaarteorie nie net 'n teorie van die sterk krag is nie, dit is 'n kwantumteorie wat onder meer swaartekrag insluit).

Die fisiese gemeenskap het met 'n baie terughoudende houding op hierdie aanname gereageer. Trouens, soos Schwartz onthou het, "is ons werk deur almal geïgnoreer."⁴). Die paaie van vooruitgang is reeds deeglik besaai met talle mislukte pogings om swaartekrag en kwantummeganika te kombineer. Snaarteorie het misluk in sy aanvanklike poging om sterk interaksies te beskryf, en baie het gevoel dat dit sinloos was om dit te probeer gebruik om selfs groter doelwitte te bereik. Daaropvolgende, meer gedetailleerde studies van die laat 1970's en vroeë 1980's. het getoon dat tussen snaarteorie en kwantummeganika hul eie, alhoewel kleiner in skaal, teenstrydighede ontstaan. Die indruk was dat die gravitasiekrag weer die poging kon weerstaan om dit op mikroskopiese vlak in die beskrywing van die heelal in te bou.

Dit was die geval tot 1984. In hul landmerk-artikel wat meer as 'n dekade van intense navorsing opgesom het wat grootliks deur die meeste fisici geïgnoreer of verwerp is, het Green en Schwartz gevind dat die geringe teenstrydigheid met die kwantumteorie wat die snaarteorie geteister het, opgelos kan word. Boonop het hulle getoon dat die gevolglike teorie wyd genoeg is om al vier tipes interaksies en alle soorte materie te dek. Nuus van hierdie resultaat het deur die fisika-gemeenskap versprei: honderde deeltjie-fisici het opgehou werk aan hul projekte om deel te neem aan wat gelyk het na die laaste teoretiese stryd in 'n eeue-oue aanslag op die diepste fondamente van die heelal.

Die nuus van die sukses van Green en Schwartz het uiteindelik selfs die gegradueerde studente van hul eerste studiejaar bereik, en die voormalige moedeloosheid is vervang deur 'n opwindende gevoel van betrokkenheid by 'n keerpunt in die geskiedenis van fisika. Baie van ons het diep na middernag gesit en gewigtige boeke oor teoretiese fisika en abstrakte wiskunde bestudeer, waarvan kennis nodig is om snaarteorie te verstaan.

Snaarteorie-fisici het egter oor en oor ernstige struikelblokke langs die pad teëgekom. In teoretiese fisika het jy dikwels te doen met vergelykings wat óf te kompleks is om te verstaan óf moeilik om op te los. Gewoonlik in so 'n situasie gee fisici nie moed op nie en probeer om 'n benaderde oplossing van hierdie vergelykings te kry. Die stand van sake in snaarteorie is baie meer ingewikkeld. Selfs die afleiding van die vergelykings was so ingewikkeld dat dit tot dusver moontlik was om slegs hul benaderde vorm te verkry. Fisici wat in snaarteorie werk, bevind hulle dus in 'n situasie waar hulle na benaderde oplossings vir benaderde vergelykings moet soek. Na etlike jare van verstommende vordering tydens die eerste omwenteling in supersnaarteorie, is fisici gekonfronteer met die feit dat die benaderde vergelykings wat gebruik is nie in staat was om die korrekte antwoord op 'n aantal belangrike vrae te verskaf nie, en sodoende die verdere ontwikkeling van navorsing belemmer het. By gebrek aan konkrete idees om verder as hierdie benaderde metodes te gaan, het baie snaarfisici toenemende frustrasie ervaar en teruggekeer na hul vorige navorsing. Vir diegene wat gebly het, die laat 1980's en vroeë 1990's. was die toetsperiode.

Die skoonheid en potensiële krag van snaarteorie het vir navorsers gewink soos 'n goue skat wat veilig in 'n kluis toegesluit is, slegs sigbaar deur 'n piepklein loergaatjie, maar niemand het 'n sleutel gehad om hierdie sluimerende kragte te ontketen nie. 'n Lang tydperk van "droogte" van tyd tot tyd is onderbreek deur belangrike ontdekkings, maar dit was vir almal duidelik dat nuwe metodes nodig was wat 'n mens sou toelaat om verder te gaan as die reeds bekende benaderde oplossings.

Die einde van die stagnasie het gekom met 'n asemrowende toespraak wat Edward Witten by die 1995 String Theory Conference by die Universiteit van Suid-Kalifornië gelewer het - 'n toespraak wat 'n gehoor verstom het propvol die wêreld se voorste fisici. Daarin het hy die plan vir die volgende fase van navorsing onthul en sodoende die "tweede revolusie in supersnaarteorie" begin. Nou werk snaarteoretici energiek aan nuwe metodes wat beloof om die struikelblokke wat hulle teëkom, te oorkom.

Vir die wydverspreide popularisering van die TS, moet die mensdom 'n monument oprig vir Columbia Universiteit professor Brian Greene. Sy 1999 boek Elegant Universe. Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory”het 'n topverkoper geword en 'n Pulitzer-prys ontvang. Die wetenskaplike se werk het die basis gevorm van 'n gewildwetenskaplike minireeks met die skrywer self in die rol van die gasheer - 'n fragment daarvan kan aan die einde van die materiaal gesien word (foto deur Amy Sussman / Columbia Universiteit).

klikbaar 1700 px

Kom ons probeer om die kern van hierdie teorie ten minste 'n bietjie te verstaan

Oorbegin. Die nul-dimensie is 'n punt. Sy het geen afmetings nie. Daar is nêrens om te beweeg nie, geen koördinate is nodig om 'n ligging in so 'n dimensie aan te dui nie.

Kom ons plaas die tweede langs die eerste punt en trek 'n lyn daardeur. Hier is die eerste dimensie. 'n Eendimensionele voorwerp het 'n grootte - 'n lengte - maar geen breedte of diepte nie. Beweging binne die raamwerk van eendimensionele ruimte is baie beperk, want die struikelblok wat op die pad ontstaan het, kan nie vermy word nie. Dit neem net een koördinaat om op hierdie lyn op te spoor.

Kom ons plaas 'n punt langs die segment. Om albei hierdie voorwerpe te pas, benodig ons 'n tweedimensionele ruimte wat lengte en breedte het, dit wil sê 'n area, maar sonder diepte, dit wil sê volume. Die ligging van enige punt op hierdie veld word deur twee koördinate bepaal.

Die derde dimensie ontstaan wanneer ons 'n derde koördinaat-as by hierdie stelsel voeg. Vir ons, die inwoners van die driedimensionele heelal, is dit baie maklik om ons dit voor te stel.

Kom ons probeer ons voorstel hoe die inwoners van tweedimensionele ruimte die wêreld sien. Hier is byvoorbeeld hierdie twee mense:

Elkeen van hulle sal hul vriend so sien:

Maar in hierdie situasie:

Ons helde sal mekaar so sien:

Dit is die verandering van standpunt wat ons helde toelaat om mekaar as tweedimensionele objekte te beoordeel, en nie eendimensionele segmente nie.

Kom ons stel ons nou voor dat 'n sekere volumetriese voorwerp in die derde dimensie beweeg, wat hierdie tweedimensionele wêreld deurkruis. Vir 'n buite-waarnemer sal hierdie beweging uitgedruk word in 'n verandering in tweedimensionele projeksies van 'n voorwerp op 'n vliegtuig, soos broccoli in 'n MRI-masjien:

Maar vir 'n inwoner van ons Platteland is so 'n prentjie onverstaanbaar! Hy kan haar nie eers voorstel nie. Vir hom sal elkeen van die tweedimensionele projeksies gesien word as 'n eendimensionele segment met 'n geheimsinnig veranderlike lengte, wat op 'n onvoorspelbare plek ontstaan en ook onvoorspelbaar verdwyn. Pogings om die lengte en plek van oorsprong van sulke voorwerpe te bereken deur die wette van fisika van tweedimensionele ruimte te gebruik, is tot mislukking gedoem.

Ons, die inwoners van die driedimensionele wêreld, sien alles as tweedimensioneel. Slegs die beweging van 'n voorwerp in die ruimte laat ons die volume daarvan voel. Ons sal ook enige multidimensionele voorwerp as tweedimensioneel sien, maar dit sal ongelooflik verander na gelang van ons verhouding daarmee of tyd.

Vanuit hierdie oogpunt is dit interessant om byvoorbeeld oor swaartekrag na te dink. Almal het waarskynlik soortgelyke foto's gesien:

Dit is gebruiklik om op hulle uit te beeld hoe swaartekrag ruimte-tyd buig. Buig … waar? Juis in geen van die dimensies waarmee ons vertroud is nie. En wat van kwantumtonneling, dit wil sê die vermoë van’n deeltjie om op een plek te verdwyn en boonop op’n heel ander plek te verskyn agter’n hindernis waardeur dit in ons werklikhede nie kon dring sonder om’n gat daarin te maak nie? Wat van swart gate? Maar wat as al hierdie en ander geheimenisse van die moderne wetenskap verklaar word deur die feit dat die geometrie van die ruimte glad nie dieselfde is as wat ons dit voorheen waargeneem het nie?

Die horlosie tik

Tyd voeg nog 'n koördinaat by ons Heelal. Om 'n partytjie te laat plaasvind, moet jy nie net weet in watter kroeg dit sal plaasvind nie, maar ook die presiese tyd van hierdie gebeurtenis.

Gebaseer op ons persepsie, is tyd nie soseer 'n reguit lyn as 'n straal nie. Dit wil sê, dit het 'n beginpunt, en die beweging word slegs in een rigting uitgevoer - van die verlede na die toekoms. En net die hede is werklik. Nóg die verlede nóg die toekoms bestaan, net soos daar nie ontbyte en aandetes uit die oogpunt van 'n kantoorklerk tydens middagete is nie.

Maar die relatiwiteitsteorie stem nie hiermee saam nie. Uit haar oogpunt is tyd’n volwaardige dimensie. Alle gebeurtenisse wat bestaan, bestaan en sal bestaan, is so werklik soos die seestrand werklik is, maak nie saak waar die drome van die geluid van die branders ons verras het nie. Ons persepsie is net iets soos 'n soeklig wat een of ander segment op 'n reguit lyn van tyd verlig. Die mensdom in sy vierde dimensie lyk soos volg:

Maar ons sien net 'n projeksie, 'n stukkie van hierdie dimensie op elke afsonderlike oomblik in tyd. Ja, soos broccoli op 'n MRI-masjien.

Tot nou toe het alle teorieë met 'n groot aantal ruimtelike dimensies gewerk, en tydelik was nog altyd die enigste een. Maar hoekom laat ruimte die verskyning van veelvuldige dimensies vir ruimte toe, maar net een keer? Totdat wetenskaplikes hierdie vraag kan beantwoord, sal die hipotese van twee of meer tydruimtes vir alle filosowe en wetenskapfiksieskrywers baie aantreklik lyk. Ja, en fisici, wat is regtig daar. Byvoorbeeld, die Amerikaanse astrofisikus Yitzhak Bars sien die tweede tyddimensie as die wortel van alle probleme met die Theory of Everything. As 'n verstandelike oefening, kom ons probeer 'n wêreld voorstel met twee keer.

Elke dimensie bestaan afsonderlik. Dit word uitgedruk in die feit dat as ons die koördinate van 'n voorwerp in een dimensie verander, die koördinate in ander onveranderd kan bly. Dus, as jy langs een tydas beweeg wat 'n ander teen 'n regte hoek sny, dan sal die tyd by die snypunt stop. In die praktyk sal dit iets soos volg lyk:

Al wat Neo moes doen, was om sy eendimensionele tyd-as loodreg op die tyd-as van die koeëls te plaas. Pure kleinigheid, stem saam. Trouens, alles is baie meer ingewikkeld.

Die presiese tyd in 'n heelal met twee tyddimensies sal deur twee waardes bepaal word. Is dit moeilik om 'n tweedimensionele gebeurtenis voor te stel? Dit wil sê, een wat gelyktydig langs twee tyd-asse strek? Dit is waarskynlik dat so 'n wêreld spesialiste in tydkartering sal vereis, aangesien kartograwe die tweedimensionele oppervlak van die aardbol karteer.

Wat anders onderskei tweedimensionele ruimte van eendimensionele ruimte? Die vermoë om byvoorbeeld 'n hindernis te omseil. Dit is reeds heeltemal buite die grense van ons verstand.’n Inwoner van’n eendimensionele wêreld kan hom nie indink hoe dit is om’n draai te draai nie. En wat is dit - 'n hoek in tyd? Daarbenewens kan jy in tweedimensionele ruimte vorentoe, agtertoe, maar ten minste diagonaal reis. Ek het geen idee hoe dit is om skuins deur tyd te stap nie. Ek praat nie eers van die feit dat tyd die basis is van baie fisiese wette nie, en dit is onmoontlik om te dink hoe die fisika van die Heelal sal verander met die verskyning van 'n ander tydelike dimensie. Maar om daaraan te dink is so opwindend!

'n Baie groot ensiklopedie

Ander dimensies is nog nie ontdek nie en bestaan slegs in wiskundige modelle. Maar jy kan hulle so probeer voorstel.

Soos ons vroeër uitgevind het, sien ons 'n driedimensionele projeksie van die vierde (tyd) dimensie van die Heelal. Met ander woorde, elke oomblik van die bestaan van ons wêreld is 'n punt (soortgelyk aan die nul-dimensie) in die tydinterval vanaf die Oerknal tot die Einde van die Wêreld.

Diegene van julle wat oor tydreise gelees het, weet hoe belangrik die kromming van die ruimte-tyd-kontinuum in hulle speel. Dit is die vyfde dimensie - dit is daarin dat die vierdimensionele ruimte-tyd "gebuig" word om so twee punte op hierdie reguit lyn bymekaar te bring. Daarsonder sou die reis tussen hierdie punte te lank, of selfs onmoontlik wees. Rofweg gesproke is die vyfde dimensie soortgelyk aan die tweede – dit skuif die "eendimensionele" lyn van ruimte-tyd in die "tweedimensionele" vlak in met al die moontlikhede wat daaruit voortspruit om om 'n hoek te draai.

Ons veral filosofies-gesinde lesers het 'n bietjie vroeër waarskynlik gedink aan die moontlikheid van vrye wil in toestande waar die toekoms reeds bestaan, maar nog nie bekend is nie. Die wetenskap beantwoord hierdie vraag soos volg: waarskynlikhede. Die toekoms is nie 'n stok nie, maar 'n hele besem van moontlike scenario's. Watter een sal waar word – ons sal uitvind wanneer ons daar aankom.

Elkeen van die waarskynlikhede bestaan as 'n "eendimensionele" segment op die "vlak" van die vyfde dimensie. Wat is die vinnigste manier om van een segment na 'n ander te spring? Dis reg – buig hierdie vliegtuig soos 'n vel papier. Waar om te buig? En weer is dit korrek – in die sesde dimensie, wat “volume” gee aan hierdie hele komplekse struktuur. En dus maak dit, soos 'n driedimensionele ruimte, "klaar", 'n nuwe punt.

Die sewende dimensie is 'n nuwe reguit lyn, wat uit sesdimensionele "punte" bestaan. Wat is enige ander punt op hierdie lyn? Die hele oneindige stel opsies vir die ontwikkeling van gebeure in 'n ander heelal, het nie gevorm as gevolg van die Oerknal nie, maar in verskillende toestande, en wat volgens verskillende wette optree. Dit wil sê, die sewende dimensie is krale uit parallelle wêrelde. Die agtste dimensie versamel hierdie "lyne" in een "vlak". En die negende kan vergelyk word met 'n boek wat pas by al die "blaaie" van die agtste dimensie. Dit is 'n versameling van al die geskiedenisse van alle heelalle met al die wette van fisika en al die aanvanklike toestande. Wys weer.

Hier loop ons die limiet in. Om die tiende dimensie voor te stel, het ons 'n reguit lyn nodig. En watter ander punt kan daar op hierdie lyn wees, as die negende dimensie alreeds alles dek wat verbeeld kan word, en selfs dit wat onmoontlik is om voor te stel? Dit blyk dat die negende dimensie nie nog 'n beginpunt is nie, maar die finale een - vir ons verbeelding in elk geval.

Snaarteorie sê dat dit in die tiende dimensie is wat snare vibreer – die basiese deeltjies waaruit alles bestaan. As die tiende dimensie alle heelalle en alle moontlikhede bevat, dan bestaan stringe oral en heeltyd. Ek bedoel, elke string bestaan in ons heelal, en enige ander. Op enige gegewe tydstip. Dadelik. Cool, nè?

In September 2013 het Brian Green op uitnodiging van die Polytechnic Museum in Moskou aangekom. Die beroemde fisikus, snaarteoretikus, professor aan die Columbia-universiteit, hy is bekend aan die algemene publiek hoofsaaklik as 'n popularizer van die wetenskap en die skrywer van die boek "Elegant Universe". Lenta.ru het met Brian Green gesels oor snaarteorie en die onlangse uitdagings wat dit in die gesig gestaar het, sowel as kwantumswaartekrag, amplitude en sosiale beheer.