1. del
Edina težava je, da sprejmemo to teorijo kot fizično, je preveč matematična. Zakaj?
Ker svoj videz dolguje eni preprosti funkciji - Eulerjeva beta funkcija pravzaprav ni tako zapletena, kot se zdi na prvi pogled. Ta funkcija se preučuje med matematično analizo.
Zakaj je bila ravno ta funkcija začetek tako velike in zmedene teorije?
Eulerjeva beta funkcija (graf funkcije beta z resničnimi argumenti).
Leta 1968 je mladi italijanski teoretični fizik Gabriele Veneziano poskušal opisati, kako medsebojno delujejo delci atomskega jedra: protoni in nevtroni. Znanstvenik je imel briljantno ugibanje. Spoznal je, da lahko vse številne lastnosti delcev v atomu opišemo z eno matematično formulo (Eulerjeva beta funkcija). Pred dvesto leti jo je izumil švicarski matematik Leonard Euler in opisal integrale v matematični analizi.
Veneziano je to uporabil pri svojih izračunih, vendar ni razumel, zakaj deluje na tem področju fizike. Fizični pomen formule so leta 1970 odkrili ameriški znanstveniki Yoichiro Nambu, Leonard Susskind, pa tudi njihov danski kolega Holger Nielsen. Predlagali so, da so osnovni delci majhni vibrirajoči enodimenzionalni nizi, mikroskopske verige energije. Če so ti struni tako drobni, so prepričali raziskovalci, bodo še vedno videti kot točkovni delci in zato ne bodo vplivali na rezultate eksperimentov. Tako je nastala teorija strun.
Dolgo časa so se filozofi prepirali, ali ima vesolje določen izvor ali je že od nekdaj obstajalo. Splošna relativnost pomeni končnost "življenja" Vesolja - širjenje Vesolja bi moralo nastati kot posledica velikega poka.
Promocijski video:
Vendar na samem začetku velikega poka teorija relativnosti ni delovala, saj so bili vsi procesi, ki so se odvijali v tistem trenutku, kvantne narave. V teoriji strun, ki trdi, da je kvantna teorija gravitacije, je uvedena nova temeljna fizikalna konstanta - najmanjši kvant dolžine (tj. Najkrajša dolžina v bistvu). Posledično stari scenarij vesolja, rojenega v velikem udaru, postane nevzdržen.
Prostor na kvantni ravni.
Strune so najmanjši predmeti v vesolju, velikost strun pa je primerljiva z Planckovo dolžino (10 ^ –33 cm). Po teoriji strun je to najmanjša dolžina, ki jo lahko ima predmet v vesolju.
Še vedno je prišlo do velikega poka, vendar gostota snovi v tistem trenutku ni bila neskončna in vesolje je morda obstajalo pred njo. Simetrija teorije strun kaže na to, da čas nima začetka ali konca. Vesolje bi lahko nastalo skoraj prazno in nastalo v času velikega poka, ali pa bi šlo skozi več ciklov smrti in ponovnega rojstva. Vsekakor je imela doba pred velikim praskom ogromen vpliv na sodobni prostor.
V našem razširjajočem se vesolju se galaksije širijo kot razpršena množica. Med seboj se oddaljujejo s hitrostjo, sorazmerno razdalji med njimi: galaksije, ločene s 500 milijoni svetlobnih let, se raztresejo dvakrat hitreje kot galaksije, ločene z 250 milijoni svetlobnih let. Tako bi se morale vse galaksije, ki jih opazimo, istočasno začeti z istega kraja v času velikega poka. To velja tudi, če gre za kozmično širitev skozi obdobja pospeševanja in zaviranja. V diagramih prostora in časa galaksije potujejo po vijugastih poteh do in iz opazovanega dela prostora (rumeni klin). Vendar še ni znano, kaj se je točno zgodilo v trenutku, ko so galaksije (ali njihovi predhodniki) začele leteti narazen.
Zgodovina vesolja.
V standardnem modelu Big Bang (na sliki na levi), ki temelji na splošni relativnosti, je bila razdalja med dvema galaksijama na neki točki v naši preteklosti enaka nič. Do takrat je čas nesmiseln.
In v modelih, ki upoštevajo kvantne učinke (na sliki na desni), sta bili v trenutku izstrelitve katere koli dve galaksiji ločeni z določeno minimalno razdaljo. Takšni scenariji ne izključujejo možnosti obstoja Vesolja pred velikim praskom.
2. del
Zdaj pa vam bom poskušal povedati, zakaj obstaja toliko teh teorij: teorija strun, superstrings, M-teorija.
Več podrobnosti o vsaki od teorij:
Teorija strun:
Kot vi in že vemo, je teorija strun izključno matematična teorija, ki pravi, da je vse v našem svetu (in tudi ne v našem) posledica "vibracij" mikroskopskih predmetov vrstnega reda Planckove dolžine.
Morda je vsa zadeva sestavljena iz strun.
Lastnosti strune spominjajo na violinsko vrvico. Vsak niz lahko ustvari ogromno (pravzaprav neskončno) število različnih vibracij, znanih kot resonančne vibracije. To so vibracije, pri katerih je razdalja med maksimama in minimama enaka, natančno celo število maksimumov in minima pa se prilega med pritrjene konce vrvice. Na primer, človeško uho zaznava resonančne vibracije kot različne glasbene note. Strune imajo podobne lastnosti v teoriji strun. Izvedejo lahko resonančna nihanja, pri katerih se natančno celo število števila enakomerno razporejenih maksimuma in minima pod dolžino strun. Tako kot različni načini (nabor vrst harmoničnih vibracij, značilnih za nihajni sistem) resonančnih vibracij strun violine povzročajo različne glasbene note,različni načini vibracij osnovnih strun povzročajo različne mase in konstantne sklopke.
Po posebni teoriji relativnosti sta energija in masa (E enaka velikosti kvadrata:) dve strani istega kovanca: več energije, več mase in obratno. In po teoriji strun je masa osnovnega delca določena z energijo vibracij notranje vrvice tega delca. Notranje strune težjih delcev vibrirajo bolj intenzivno, medtem ko struni lahkih delcev vibrirajo manj intenzivno.
Najpomembneje je, da so značilnosti enega od načinov strun popolnoma enake lastnostim gravitona, saj je gravitacija sestavni del teorije strun.
Za zdaj se ne želim spuščati v podrobnosti o "geometriji" strun, samo rekel bom, da množični delci, ki so lahko fotoni, prihajajo iz vibracij ali odprtih ali zaprtih strun. Gravitoni prihajajo samo iz vibracij zaprtih strun ali zank. Strune med seboj delujejo in tvorijo zanke. Iz teh zank nastanejo večji delci (kvarki, elektroni). Masa teh delcev je odvisna od energije, ki jo zanka sprosti, ko vibrira.
V teoriji strun sta lahko samo dve temeljni konstanti (v drugih teorijah je veliko več konstant, tudi najbolj temeljnih. Na primer, standardni model zahteva 26 konstanc). Ena, imenovana napetost niza, opisuje, koliko energije vsebuje na enoto dolžine niza. Druga, imenovana konstanta sklopitve nizov, je številka, ki kaže na verjetnost, da se niz razbije v dva niza, kar povzroča sile; ker gre za verjetnost, je le število, brez dimenzijskih enot.
Teorija superstringov:
Iz te fraze je treba vedeti in razumeti, da je ta teorija posplošena teorija strun. V tej teoriji je vse obravnavano s stališča supersimetrije - … VEDNO!
Preden se lotimo razprave o super-simetriji, se spomnimo koncepta spin. Spin je intrinzični kotni zagon, ki je inherenten vsakemu delcu. Izmerimo ga v enotah Planckove konstante in je lahko celo ali polovično. Spin je izključno kvantna mehanska lastnost, ki je ni mogoče predstavljati s klasičnega vidika. Naiven poskus razlagati elementarne delce kot majhne "kroglice" in vrtenja - kot njihovo vrtenje nasprotuje posebni teoriji relativnosti, saj se morajo točke na površini kroglic premikati hitreje kot svetloba. Elektroni imajo spin 1/2, fotoni pa spin 1.
Supersimetrija je simetrija med delci s celoštevilnim in polovičnim številom.
Skratka, sestoji iz konstruiranja teorij, katerih enačbe se ne bi spremenile, če se polja s celoštevilnim spinom pretvorijo v polja s polceličnim vrtenjem in obratno. Od takrat je bilo napisanih na tisoče člankov, vsi modeli kvantne teorije polja so bili podvrženi supersimetrizaciji in razvit je bil nov matematični aparat, ki omogoča gradnjo super-simetričnih teorij.
Delci, ki so v naravi znani, se glede na svoj spin razdelijo na bozone (celoten spin) in fermione (pol-celi spin). Prvi delci so nosilci interakcij, na primer foton, ki izvaja elektromagnetne interakcije, gluon, ki nosi močno jedrsko silo, in graviton, ki nosi gravitacijske sile. Drugo je sestavljeno iz snovi, iz katere smo narejeni, na primer elektrona ali kvarka.
Fermioni (delci, ki upoštevajo Fermi-Dirac-ove statistike) in bozoni (delci, ki ubogajo Bose-Einsteinovo statistiko) lahko obstajajo v istem fizičnem sistemu. Tak sistem bo imel posebno vrsto simetrije - tako imenovano supersimetrijo, ki bozone preslika v fermione in obratno. To seveda zahteva enako število bozonov in fermionov, vendar pogoji za obstoj supersimetrije niso omejeni na to. Supersimetrični sistemi živijo v nadprostoru. Nadprostor je pridobljen iz navadnega vesoljskega časa, ko so vanj dodane fermionske koordinate. V formulaciji za nadprostor je videti, da so super-simetrične transformacije videti kot vrtenja in prevodi v običajni prostor. In delci in polja, ki živijo v njej, so predstavljeni z nizom delcev ali polj v običajnem prostoru in takšen sklop oz.v katerem je količinsko razmerje bozonov in fermionov strogo določeno, pa tudi nekatere njihove značilnosti (predvsem vrti). Delci-polja, ki so vključeni v tak nabor, se imenujejo superpartnerji.
Tako je običajna teorija strun opisovala le delce, ki so bili bozoni, zato se je imenovala teorija bozonskih vrvic. Toda fermions ni opisala. Zato na primer kvarki in elektroni niso bili vključeni v teorijo bozonskih vrvic.
Toda z dodajanjem supersimetrije v teorijo bozonskih strun smo dobili novo teorijo, ki opisuje tako sile kot snov, ki sestavlja vesolje. Imenuje se teorija superstringov.
Obstajajo tri različne teorije superstringov, ki imajo smisel, tj. brez matematičnih neskladnosti. V dveh od njih je temeljni objekt zaprt niz, v tretjem pa je odprti niz gradnik. Poleg tega smo z mešanjem najboljših vidikov teorije bozonskih strun in teorije superstrov dobili dosledne teorije strun - heterotične teorije strun.
Tako je superstring superpersimetrična vrvica, torej je še vedno niz, vendar ne živi v našem običajnem prostoru, temveč v nadprostoru.
M-TEORIJA:
Sredi osemdesetih let so teoretiki prišli do zaključka, da je mogoče superpersimetrijo, ki je osrednja za teorijo strun, vključiti vanjo ne na en, ampak na pet različnih načinov, kar vodi do petih različnih teorij: tipa I, vrste IIA in IIB ter dve heterotični teorije strun. Zaradi zdrave pameti (dve različici istega fizičnega zakona ne moreta delovati hkrati), je veljalo, da lahko le ena izmed njih uveljavlja vlogo "teorije vsega", in sicer tiste, ki je pri nizki energiji in strnjena (t.j. velikosti Planck dolžin.
Izkazalo se je, da samo opazujemo naše 4-dimenzionalno vesolje brez teh 6 dimenzij, ki jih preprosto ne vidimo) šest dodatnih dimenzij bi bilo skladno z resničnimi opazovanji. Ostala so vprašanja o tem, katera teorija je bila bolj primerna in kaj storiti z ostalimi štirimi teorijami.
Bistvo:
Če se v tem primeru velikost kompaktne dimenzije izkaže za velikost strun (10 do -33 stopinj centimetra), potem zaradi majhnosti te dimenzije preprosto ne moremo videti neposredno. Na koncu bomo dobili svoj (3 + 1) -dimenzionalni prostor, v katerem majhen 6-dimenzionalni prostor ustreza vsaki točki našega 4-dimenzionalnega vesolja.
Raziskave so pokazale, da je to naivno stališče napačno. Sredi devetdesetih let prejšnjega stoletja so Edward Witten in drugi teoretični fiziki našli močne dokaze, da je vseh pet superstring teorij med seboj tesno povezano, saj so različni omejujoči primeri enotne 11-dimenzijske temeljne teorije. Ta teorija se imenuje M-teorija.
Ko je Witten dal ime M-teorija, ni določil, za kaj stoji M, predvidoma zato, ker ni čutil pravice imenovati teorije, ki je ne bi mogel v celoti opisati. Predpostavke o tem, za kaj se M lahko zavzema, so postale igra med teoretičnimi fiziki. Nekateri pravijo, da M pomeni "mistično", "čarobno" ali "mati". Resnejše predpostavke so "Matrica" in "Membrana". Nekdo je opazil, da je M lahko obrnjena W - prva črka imena Witten (Witten). Drugi predlagajo, da bi moral M v teoriji M pomeniti Manjkajočega ali celo Murkyja.
Razvoj 11-dimenzijske M-teorije je fizikom omogočil, da pogledajo dlje od časa, pred katerim je prišlo do velikega poka.
Žlebci v 10-11 dimenzijskem prostoru trčijo in ustvarijo velik udarec na * površini * branov …
Izdelana je bila teorija, po kateri je naše vesolje posledica trka objektov v drugem vesolju, ki pa je posledično lahko nešteto. Tako je razkritje enega vprašanja povzročilo še več vprašanj.
M-teorijo so znanstveniki vzeli za teorijo vsega. Se pravi, ta teorija je primerna za razlago vsega: kako se je Vesolje rodilo, kaj je bilo pred rojstvom našega Vesolja, odgovarja na vprašanje obstoja časa pred rojstvom Vesolja (čas je obstajal še pred rojstvom Vesolja), razkriva prihodnost Vesolja.
3. del
Luknje za vrvice:
Zdaj splošno sprejeta teorija o črnih luknjah, ki jo je pred štiridesetimi leti predstavil fizik John Wheeler, pravi, da se po tem, ko zvezdo "izgoreva", njeni ostanki stisnejo s tako silo, da sila privlačnosti preseže silo odganjanja, in kot posledica tega ostane posebnost: točka v prostoru, kjer se nahaja materija v stanju "neskončne gostote". Singularnost je obdana s tako imenovanim "horizontom dogodkov", hipotetično mejo, ki ni sposobna premagati snovi in energije v njej. Vlečejo jih v črno luknjo in ostanejo v notranjosti za vedno.
Upodobitev črne luknje.
Prav to "za vedno" sproža vprašanja.
Leta 1975 je največji teoretik o črni luknji Stephen Hawking z univerze v Cambridgeu ugotovil (čeprav le teoretično), da črne luknje počasi, a neizogibno izhlapevajo. V skladu z zakoni kvantne mehanike par "virtualnih" delcev in anti delcev nenehno vre v praznem prostoru. Hawking je pokazal, da se gravitacijska energija črnih lukenj lahko na samem horizontu dogodkov prenese na "virtualne" delce. V tem primeru postanejo "virtualni" delci resnični in gredo onkraj obzorja skupaj s pozitivno energijo v obliki Hawkingovega sevanja. Tako sčasoma črna luknja izhlapi.
Temperatura Hawkingovega sevanja (sevanje v bližini obzorja dogodka črne luknje s termičnim spektrom):
Temperatura sevanja črne luknje
kjer je Planckova konstanta, c je hitrost svetlobe v vakuumu, k je Boltzmannova konstanta, G je gravitacijska konstanta in končno je M masa črne luknje. Na primer, enostavno je izračunati, da bo imela črna luknja z maso 2 * 10 ^ 30 kg (masa Sonca) temperaturo sevanja, enako 6.135 * 10 ^ (- 8) Kelvin. To je zelo nizka temperatura, tudi če jo primerjamo s sevanjem ozadja vesolja s temperaturo 2,7 Kelvina.
Toda temperature črnih lukenj, ki jih astronomi poznajo, so prenizke, da bi od njih zaznali sevanje - mase lukenj so prevelike. Zato učinek še ni bil potrjen z opažanji.
Vendar to stališče vodi do "informacijskega paradoksa". Izkazalo se je, da se po teoriji relativnosti izgubljajo informacije o materi, ki pade v črno luknjo, medtem ko kvantna mehanika trdi, da lahko informacije sčasoma uidejo navzven.
Hawking je opozoril, da kaotičnost Hawkingovega sevanja pomeni, da energija izbruhne, informacije pa ne. Vendar se je leta 2004 premislil - in to je le ena od točk sodobne znanosti, ki je pregledala vse svoje poglede na črne luknje.
Dejstvo je, da zdaj teoretiki poskušajo "preizkusiti" črne luknje (in vsa teoretična odstopanja, povezana z njimi) teorijo strun. Teorija strun je zdaj najboljši poskus združitve splošne relativnosti in kvantne mehanike, saj strune same nosijo gravitacijsko silo, njihova vibracija pa je naključna, kot napoveduje kvantna mehanika.
Leta 1996 sta se Andrew Strominger in Kamran Wafa z univerze Harvard odločila, da se lotita problema paradoksa informacij z opredelitvijo, kako se lahko od znotraj zgradi črna luknja.
Izkazalo se je, da teorija strun omogoča gradnjo izredno gostih in majhnih struktur iz samih strun in drugih predmetov, ki jih opisuje teorija, nekateri pa imajo več kot tri dimenzije. In te strukture so se obnašale tako kot črne luknje: njihov gravitacijski poteg ne sprošča svetlobe.
Število načinov, kako organizirati strune znotraj črnih lukenj, je ogromno. In kar je še posebej zanimivo, ta vrednost popolnoma sovpada z vrednostjo entropije črne luknje, ki sta jo Hawking in njegov kolega Bekenstein izračunala v sedemdesetih letih.
Vendar določanje števila možnih kombinacij nizov ni vse. Leta 2004 je ekipa univerze Ohio State Samir Matura nameravala razjasniti možno postavitev strun znotraj črne luknje. Izkazalo se je, da so skoraj vedno strune povezane tako, da tvorijo en sam - velik in zelo prilagodljiv - niz, vendar veliko večji od točnosti singularnosti.
Matura je izračunala fizične dimenzije več "vrvicnih" črnih lukenj (ki jih člani skupine raje imenujejo fuzzballs - "puhaste kroglice" ali stroge zvezde - "string stars"). Presenečeni so ugotovili, da se velikost teh nizalnih formacij ujema z velikostjo "obzorja dogodkov" v tradicionalni teoriji.
V zvezi s tem je Mathur predlagal, da bi t.i. "Obzorje dogodkov" je pravzaprav "penasta masa strun", ne pa togo razmejena meja.
In da črna luknja dejansko ne uničuje informacij iz razloga, na primer, da v črnih luknjah preprosto ni posebnosti. Masa strun je razporejena po celotnem volumnu do obzorja dogodka, informacije pa se lahko shranijo v strune in vtisnejo v izhodno Hawkingovo sevanje (in zato presežejo prag dogajanja).
Vendar tako Wafa kot Mathur priznavata, da je ta slika zelo predhodna. Matura še ni preizkusila, kako se njegov model prilega v velike črne luknje, ali razume, kako se razvijajo črne luknje.
Drugo možnost sta predlagala Gary Horowitz z kalifornijske univerze v Santa Barbari in Juan Maldasena iz Princetonskega inštituta za napredni študij. Po mnenju teh raziskovalcev singularnost v središču črne luknje še vedno obstaja, toda informacije preprosto ne pridejo vanjo: materija gre v singularnost, informacije - s pomočjo kvantne teleportacije - pa se vtisnejo na Hawkingovo sevanje. Številni fiziki izpodbijajo to stališče in zavračajo možnost takojšnjega prenosa informacij.
Ekstremne črne luknje:
Raznolikost (evklidski prostor je najpreprostejši primer raznolikosti. Kompleksnejši primer je površina Zemlje. Možno je narediti zemljevid katerega koli območja zemeljskega površja, na primer zemljevid poloble, vendar je nemogoče narisati en (brez prelomov) zemljevid njegove celotne površine), po katerem se lahko premika niz se imenuje D-brane ali Dp-brane (pri uporabi drugega zapisa je 'p' celo število, ki označuje število prostorskih dimenzij razdelilnika). Primer sta dve struni, ki imata en ali oba konca pritrjena na dvodimenzionalni D-brani ali D2-brani:
D-brani imajo lahko številne prostorske dimenzije od -1 do števila prostorskih dimenzij našega vesoljskega časa. Sama beseda "brane" izvira iz besede "membrana", ki je dvodimenzionalna površina.
Zakaj sem pisal o tem tukaj, ampak tukaj:
Branes je omogočil opis nekaterih posebnih črnih lukenj v teoriji strun. (To odkritje sta leta 1996 napisala Andrew Strominger in Kumrun Wafa.)
Razmerje med modrčki in črnimi luknjami je posredno, a prepričljivo. Takole deluje: Začnete z izklopom gravitacijske sile (to storite tako, da nastavite konstanto sklopitve nizov (število, ki predstavlja verjetnost, da se niz razbije na dva niza - ena od dveh temeljnih konstant v teoriji strun. Prva je "napetost" niza) na nič). Mogoče se zdi čudno opisovati črne luknje, ki niso nič drugega kot gravitacija, pa poglejmo, kaj se bo zgodilo naprej. Z izklopljeno gravitacijo si lahko ogledamo geometrije, v katerih je veliko modrcev ovitih okoli dodatnih dimenzij. Zdaj uporabljamo dejstvo, da nosilci nosijo električni in magnetni naboj. Izkazalo se je, da obstaja omejitev, koliko polnjenja lahko ima žreb, ta meja pa je povezana z maso brane. Konfiguracije največjega polnjenja so zelo specifične in jih imenujemo skrajne. Vključujejo eno od situacij, ko obstajajo dodatne simetrije, ki omogočajo natančnejše izračune. Zlasti za takšne situacije je značilna prisotnost več različnih super-simetrij, ki povezujejo fermione in bozone.
Obstaja tudi največja količina električnega ali magnetnega naboja, ki jo ima lahko črna luknja in je še vedno stabilna. Imenujejo se skrajne črne luknje in jih že vrsto let preučujejo specialisti splošne relativnosti.
Kljub temu, da je bila gravitacijska sila izključena, ima ekstremni sistem brane nekatere lastnosti z ekstremnimi črnimi luknjami. Zlasti so termodinamične lastnosti obeh sistemov identične. Tako lahko s preučevanjem termodinamike ekstremnih modrčkov, ovitih okoli dodatnih dimenzij, reproduciramo termodinamične lastnosti ekstremnih črnih lukenj.
Ena izmed težav v fiziki črnih lukenj je bila razlaga, ko sta Jacob Bekenstein in Stephen Hawking odkrila, da imata črne luknje entropijo in temperaturo. Nova ideja teorije strun je (v primeru ekstremnih črnih lukenj), da lahko napredujete pri raziskovanju podobnih sistemov skrajnih modrčkov, ovitih okoli dodatnih dimenzij. Pravzaprav so številne lastnosti obeh sistemov popolnoma enake. To skoraj nadnaravno naključje nastane, ker v obeh primerih obstaja več različnih super-simetričnih transformacij, ki povezujejo fermione in bozone. Izkazalo se je, da nam omogočajo, da zgradimo prepričljivo matematično analogijo, zaradi katere je termodinamika * dveh sistemov enaka.
***
* Termodinamika črne luknje (lastnosti):
- Sila gravitacije je enaka na celotni površini obzorja dogodka
- Območje črne luknje dogodka se s časom ne more zmanjšati v nobenem klasičnem postopku.
- Pri vseh neravnovesjih procesih, ki vključujejo črne luknje (na primer, ko se trčijo), se površina površine poveča.