Verjetno ste že slišali, da najpopularnejša znanstvena teorija našega časa - teorija strun - vključuje veliko več razsežnosti, kot kaže zdrav razum.
Največji problem teoretičnih fizikov je, kako združiti vse temeljne interakcije (gravitacijske, elektromagnetne, šibke in močne) v eno samo teorijo. Teorija superstringov trdi, da je teorija vsega.
A izkazalo se je, da je najbolj priročno število dimenzij, potrebnih za to teorijo, deset (od tega je devet prostorskih, ena pa začasna)! Če obstaja več ali manj dimenzij, matematične enačbe dajo iracionalne rezultate, ki segajo v neskončnost - singularnost.
Naslednja stopnja v razvoju teorije superstrov - M-teorija - je štela že enajst razsežnosti. In še ena njegova različica - F-teorija - vseh dvanajst. In to sploh ni zaplet. F-teorija opisuje 12-dimenzionalni prostor s preprostejšimi enačbami kot M-teorija - 11-dimenzionalni.
Teoretične fizike seveda ne imenujemo teoretična za nič. Vsi njeni dosežki doslej obstajajo samo na papirju. Tako so znanstveniki, da bi razložili, zakaj se lahko premikamo le v tridimenzionalnem prostoru, govorili o tem, kako so se nesrečni drugi razsežnosti morali na kvantni ravni skrčiti v kompaktne sfere. Natančneje, ne v sfere, ampak v prostore Calabi-Yau.
To so takšne tridimenzionalne figure, znotraj katerih je njihov lasten svet s svojo dimenzijo. Dvodimenzionalna projekcija takšnih razdelilnikov izgleda tako:
Promocijski video:
Znanih je več kot 470 milijonov takih figuric. Kateri od njih ustreza naši resničnosti, se trenutno izračunava. Teoretični fizik ni enostavno.
Da, zdi se, da je malo navidezno. Mogoče pa je prav to tisto, kar pojasnjuje, zakaj je kvantni svet tako drugačen od tistega, kar zaznavamo.
Malo se potopimo v zgodovino
Leta 1968 je mlada teoretična fizičarka Gabriele Veneziano primerjala številne eksperimentalno opažene značilnosti močne jedrske interakcije. Veneziano, ki je takrat delal v CERN-u, evropskem laboratoriju za pospeševanje v Ženevi v Švici, se je ukvarjal s to težavo več let, dokler se nekega dne nanj ni zasukalo briljantno ugibanje. Na veliko presenečenje je spoznal, da se zdi, da eksotična matematična formula, ki jo je približno dvesto let prej izumil slavni švicarski matematik Leonard Euler za povsem matematične namene - tako imenovana Eulerjeva beta funkcija - lahko naenkrat opiše vse številne lastnosti delcev, vključenih v močna jedrska sila.
Lastnost, ki jo je zapisal Veneziano, je nudila močan matematični opis številnih značilnosti močne interakcije; sprožila je muco dela, v kateri je bila funkcija beta in različne posplošitve uporabljena za opisovanje ogromnih količin podatkov, nabranih pri preučevanju trkov delcev po vsem svetu. Vendar je bilo v določenem primeru opažanje Veneziano nepopolno. Kot memorirana formula, ki jo je uporabil učenec, ki ne razume njegovega pomena ali pomena, je tudi Eulerjeva beta funkcija delovala, vendar nihče ni razumel, zakaj. To je bila formula, ki je potrebovala razlago.
Gabriele Veneziano.
To se je spremenilo leta 1970, ko so Yohiro Nambu z univerze v Chicagu, Holger Nielsen z inštituta Niels Bohr in Leonard Susskind z univerze Stanford razkrili fizični pomen, ki stoji za Eulerjevo formulo. Ti fiziki so pokazali, da kadar so osnovni delci predstavljeni z majhnimi vibrirajočimi enodimenzionalnimi strunami, je močna interakcija teh delcev natančno opisana z uporabo Eulerjeve funkcije. Če so segmenti strun dovolj majhni, so razložili ti raziskovalci, bodo še vedno videti kot točkovni delci in zato ne bodo nasprotovali rezultatom eksperimentalnih opazovanj. Čeprav je bila teorija preprosta in intuitivno privlačna, se je kmalu pokazalo, da je opis močnih interakcij z nizi napačen. V začetku sedemdesetih let prejšnjega stoletja.visokoenergični fiziki so lahko pogledali globlje v subatomski svet in pokazali, da so številna predvidevanja strunčnega modela v neposrednem nasprotju z opazovanji. Hkrati se je vzporedno nadaljeval razvoj kvantne teorije polja - kvantna kromodinamika - v kateri je bil uporabljen točkovni model delcev. Uspehi te teorije pri opisovanju močne interakcije so privedli do opustitve teorije strun.
Večina fizikov delcev je verjela, da je teorija strun za vedno v košu za smeti, vendar so ji ostali številni raziskovalci zvesti. Schwartz je na primer menil, da je "matematična struktura teorije strun tako lepa in ima toliko presenetljivih lastnosti, da bi nedvomno morala kazati na nekaj globljega" 2). Eden od težav, s katerimi se soočajo fiziki s teorijo strun, je bil ta, da se zdi, da ponuja preveč izbire, kar je bilo zmedeno.
Nekatere konfiguracije vibrirajočih vrvic v tej teoriji so imele lastnosti, ki so bile podobne tistim iz gluonov, kar je dalo razlog, da to resnično štejemo za teorijo močnih interakcij. Vendar pa je poleg tega vseboval dodatne delce-nosilce interakcije, ki niso imeli nič skupnega z eksperimentalnimi manifestacijami močne interakcije. Leta 1974 sta Schwartz in Joel Scherk s francoske višje tehnične šole sprejela drzno domnevo, ki je to zaznano pomanjkljivost spremenila v vrlino. Ko so preučili čudne vibracijske načine strun, ki spominjajo na nosilne delce, so ugotovili, da te lastnosti presenetljivo natančno sovpadajo s predpostavljenimi lastnostmi hipotetičnega nosilnega delca gravitacijske interakcije - gravitona. Čeprav teh "drobnih delcev" gravitacijske interakcije še niso odkrili, teoretiki lahko zanesljivo napovedo nekatere temeljne lastnosti, ki bi jih morali imeti ti delci. Scherk in Schwartz sta ugotovila, da so te lastnosti natančno realizirane za nekatere načine vibracij. Na podlagi tega so domnevali, da se je prvi pristop teorije strun končal z neuspehom, ker so fiziki preveč zožili njeno področje uporabe. Sherk in Schwartz sta sporočila, da teorija strun ni le teorija močne sile, temveč kvantna teorija, ki med drugim vključuje gravitacijo). Na podlagi tega so domnevali, da se je prvi pristop teorije strun končal z neuspehom, ker so fiziki preveč zožili njeno področje uporabe. Sherk in Schwartz sta sporočila, da teorija strun ni le teorija močne sile, temveč kvantna teorija, ki med drugim vključuje gravitacijo). Na podlagi tega so domnevali, da se je prvi pristop teorije strun končal z neuspehom, ker so fiziki preveč zožili njeno področje uporabe. Sherk in Schwartz sta sporočila, da teorija strun ni le teorija močne sile, temveč kvantna teorija, ki med drugim vključuje gravitacijo).
Fizična skupnost je na to domnevo reagirala z zelo zadržanim odnosom. Dejansko so po Schwartzovih spominih "naše delo vsi prezrli" 4). Poti napredka so bile že temeljito zasute s številnimi neuspešnimi poskusi združitve gravitacijske in kvantne mehanike. Teorija strun ni uspela v svojem prvotnem poskusu opisovanja močnih interakcij in mnogi so menili, da je nesmiselno, da bi jo skušali uporabiti za doseganje še večjih ciljev. Kasnejše podrobnejše študije poznih sedemdesetih in začetka osemdesetih let prejšnjega stoletja. pokazali, da med teorijo strun in kvantno mehaniko nastajajo njihova, čeprav manjša po obsegu, protislovja. Vtis je bil, da se je gravitacijski sili spet uspelo upreti poskusu, da bi jo v mikroskopski ravni vgradili v opis vesolja.
To je bilo vse do leta 1984. V pomembnem prispevku, ki je povzel več kot desetletje intenzivnih raziskav, ki jih je večina fizikov večinoma ignorirala ali zavrnila, sta Green in Schwartz ugotovila, da bi lahko manjše nasprotje s kvantno teorijo, ki je zastavljalo teorijo strun, lahko biti dovoljen. Poleg tega so pokazali, da je nastala teorija dovolj široka, da je lahko zajela vse štiri vrste interakcij in vse vrste snovi. Novice o tem rezultatu so se razširile po vsej fizični skupnosti: na stotine fizikov delcev je nehalo delati na svojih projektih, da bi sodelovali v nečem, kar se je zdelo kot zadnji teoretični boj v večstoletnem napadu na najgloblje temelje vesolja.
Novica o uspehu Green-a in Schwartza je na koncu prišla celo do podiplomskega študenta prvega letnika študija, nekdanjega odvračanja pa je nadomestil vznemirljiv občutek vpletenosti v prelomnico v zgodovini fizike. Mnogi od nas so sedeli globoko po polnoči in preučevali težke tematike na teoretični fiziki in abstraktni matematiki, katere znanje je potrebno za razumevanje teorije strun.
Po mnenju znanstvenikov smo sami in vse okoli nas sestavljeno iz neskončnega števila takšnih skrivnostnih zloženih mikropredmetov.
Obdobje od leta 1984 do 1986 zdaj znana kot "prva revolucija v teoriji superstring". V tem obdobju so fiziki po vsem svetu napisali več kot tisoč člankov o teoriji strun. Ti dokumenti so dokončno pokazali, da številne lastnosti standardnega modela, odkrite skozi desetletja mukotrpnih raziskav, naravno izvirajo iz veličastnega sistema teorije strun. Kot je opazil Michael Green, "trenutek, ko se seznanite s teorijo strun in spoznate, da skoraj vsi pomembni napredki fizike prejšnjega stoletja sledijo - in sledite s tako eleganco - s tako preprostega izhodišča, vam jasno kaže neverjetno moč te teorije." 5 Še več, za številne od teh lastnosti, kot bomo videli spodaj, teorija strun zagotavlja veliko bolj popoln in zadovoljiv opis kot standardni model. Ta napredek je mnoge fizike prepričal, da lahko teorija strun izpolni svoje obljube in postane končna poenotenja teorija.
Dvodimenzionalna projekcija 3-razdelilnika Calabi-Yau. Ta projekcija daje predstavo o zapletenosti dodatnih dimenzij.
Vendar so fiziki teorije strun vedno znova naleteli na resne ovire. V teoretični fiziki se morate pogosto spoprijeti z enačbami, ki so bodisi preveč zapletene, da bi jih razumeli ali jih je težko rešiti. Ponavadi v takšnih razmerah fiziki ne obupajo in poskušajo dobiti približno rešitev teh enačb. Stanje v teoriji strun je veliko bolj zapleteno. Tudi izpeljava enačb se je izkazala za tako zapleteno, da je bilo doslej mogoče dobiti le njihovo približno obliko. Tako se fiziki, ki delujejo v teoriji strun, znajdejo v situaciji, ko morajo iskati približne rešitve približnih enačb. Po dolgih letih osupljivega napredka med prvo superstring revolucijo se soočajo fizikida je bilo ugotovljeno, da približne enačbe ne morejo dati pravilnega odgovora na številna pomembna vprašanja in s tem ovirajo nadaljnji razvoj raziskav. Ker niso imeli konkretnih idej za preseganje teh približnih metod, so mnogi fiziki, ki delujejo na področju teorije strun, občutili vse večjo frustracijo in se vrnili k prejšnjim raziskavam. Za tiste, ki so ostali, konec osemdesetih in začetek devetdesetih. so bile obdobje testiranja.
Lepota in potencialna moč teorije vrvic je raziskovalce privlačila kot zlati zaklad, ki je varno zaprt v sefu, ki ga je mogoče videti le skozi drobceno luknjo, vendar nihče ni imel ključa, da bi sprostil te mirujoče sile. Dolgo obdobje "suše" so občasno prekinjale pomembna odkritja, toda vsem je bilo jasno, da so potrebne nove metode, ki bi omogočile, da bi kdo presegel že znane približne rešitve.
Konec stagnacije je prišel z dih jemajočim Edwardom Wittenom na konferenci strukturnih teorij leta 1995 na Univerzi v Južni Kaliforniji - pogovoru, ki je osupnil občinstvo, napolnjeno z vodilnimi svetovnimi fiziki. V njem je razkril načrt za naslednjo fazo raziskav in tako sprožil "drugo revolucijo v teoriji superstringov." Zdaj teoretiki strun energično delajo na novih metodah, ki obljubljajo, da bodo premagale nastale ovire.
Za široko popularizacijo TC naj bi človeštvo postavilo spomenik profesorju univerze Columbia Brianu Greenu. Njegova knjiga iz leta 1999 Elegantno vesolje. Superzvezde, Skrite dimenzije in prizadevanje za teorijo končnega”je postal uspešnica in prejel Pulitzerovo nagrado. Znanstveno delo je bilo osnova popularne znanstvene mini serije z avtorjem samim gostiteljem - njen delček je razviden na koncu gradiva (foto Amy Sussman z univerze Columbia).
Zdaj pa poskusimo vsaj nekoliko razumeti bistvo te teorije
Začeti znova. Ničelna dimenzija je točka. Nima dimenzij. Nikjer se ne premika, nobene koordinate niso potrebne za prikaz lokacije v takšni dimenziji.
Drugo postavimo poleg prve točke in potegnemo črto skozi njih. Tu je prva dimenzija. Enodimenzionalni predmet ima velikost - dolžino - ne pa širine ali globine. Gibanje znotraj enodimenzionalnega prostora je zelo omejeno, saj se oviri, ki je nastala na poti, ni mogoče izogniti. Za to linijo je potrebna le ena koordinata.
Postavimo točko zraven segmenta. Za namestitev obeh teh objektov potrebujemo dvodimenzionalni prostor, ki ima dolžino in širino, torej območje, vendar brez globine, torej prostornine. Lokacija katere koli točke na tem polju je določena z dvema koordinatama.
Tretja dimenzija se pojavi, ko temu sistemu dodamo še tretjo koordinatno os. Za nas, prebivalce tridimenzionalnega vesolja, si to zelo enostavno predstavljamo.
Poskusimo si predstavljati, kako prebivalci dvodimenzionalnega prostora vidijo svet. Tu sta na primer ti dve osebi:
Vsak od njih bo videl svojega prijatelja takole:
Toda v tej situaciji:
Naši junaki se bodo videli takole:
Sprememba vidika našim junakom omogoča, da se presojajo med seboj kot dvodimenzionalni predmeti in ne enodimenzionalni segmenti.
Zdaj pa si predstavljajmo, da se določen volumetrični objekt premika v tretji dimenziji, ki prečka ta dvodimenzionalni svet. Za zunanjega opazovalca se bo to gibanje izrazilo v spremembi dvodimenzionalnih projekcij predmeta na ravnino, kot je brokoli v napravi MRI:
Toda za prebivalca naše ravnice je taka slika nerazumljiva! Ne more si je niti predstavljati. Zanj bo vsaka od dvodimenzionalnih projekcij videti kot enodimenzionalni segment s skrivnostno spremenljivo dolžino, ki nastane na nepredvidljivem mestu in tudi nepredvidljivo izgine. Poskusi izračunavanja dolžine in kraja nastanka takih predmetov z uporabo zakonov fizike dvodimenzionalnega prostora so obsojeni na neuspeh.
Mi, prebivalci tridimenzionalnega sveta, vse vidimo kot dvodimenzionalno. Samo gibanje predmeta v prostoru nam omogoča, da začutimo njegovo prostornino. Tudi vsak večdimenzionalni predmet bomo videli kot dvodimenzionalnega, vendar se bo na neverjeten način spremenil, odvisno od našega relativnega položaja ali časa.
S tega vidika je zanimivo razmišljati na primer o gravitaciji. Verjetno so vsi videli podobne slike:
Na njih je običajno prikazati, kako gravitacija upogiba prostor-čas. Ovinki … kam? Natančno v nobeni dimenziji, ki jo poznamo. In kaj je s kvantnim tuneliranjem, torej s sposobnostjo delca, da izgine na enem mestu in se pojavi na povsem drugem mestu, poleg tega za oviro, skozi katero v naše resničnosti ne bi mogel prodreti, ne da bi v njem naredil luknjo? Kaj pa črne luknje? Kaj pa, če vse te in druge skrivnosti sodobne znanosti razložimo z dejstvom, da geometrija vesolja sploh ni takšna, kot smo jo zaznavali?
Ura tiči
Čas doda še eno koordinato v naše vesolje. Da se zabava odvija, morate vedeti ne le v katerem lokalu bo potekal, ampak tudi točen čas tega dogodka.
Glede na naše dojemanje čas ni toliko ravna črta kot žarek. Se pravi, da ima izhodišče, gibanje pa poteka le v eni smeri - iz preteklosti v prihodnost. In samo sedanjost je resnična. Niti preteklost niti prihodnost ne obstajata, tako kot ni zajtrka in večerje s stališča uradnika v času kosila.
Toda teorija relativnosti se s tem ne strinja. Čas je z njenega stališča popolna razsežnost. Vsi dogodki, ki so obstajali, obstajajo in bodo obstajali, so resnični, kot je morska plaža resnična, ne glede na to, kje so nas sanje o zvoku surfa presenetile. Naša percepcija je le nekaj takega kot iskalna svetilka, ki osvetli nek odsek časa na ravni črti. Človeštvo v svoji četrti dimenziji izgleda nekako takole:
Ampak vidimo samo projekcijo, rezino te dimenzije v vsakem ločenem trenutku. Da, kot brokoli na MRI aparatu.
Vse teorije so do zdaj delale z velikim številom prostorskih dimenzij, časovne pa so bile vedno edine. Toda zakaj prostor dopušča več dimenzij prostora, vendar le enkrat? Dokler znanstveniki ne bodo mogli odgovoriti na to vprašanje, se zdi hipoteza o dveh ali več časovnih presledkih zelo privlačna za vse filozofe in pisce znanstvene fantastike. Ja, in fiziki, kaj je v resnici tam. Ameriški astrofizik Yitzhak Bars na primer vidi drugo časovno dimenzijo kot korenino vseh težav s Teorijo vsega. Kot miselno vajo si poskusimo zamisliti svet z dvakrat.
Vsaka dimenzija obstaja ločeno. To je izraženo v dejstvu, da če spremenimo koordinate predmeta v eno dimenzijo, lahko koordinate v drugih ostanejo nespremenjene. Če se torej premikate po eni časovni osi, ki seka drugo pod pravim kotom, se bo na mestu presečišča čas okrog ustavil. V praksi bo videti nekako takole:
Vse, kar je moral Neo, je bilo postaviti svojo enodimenzionalno časovno os pravokotno na časovno os nabojev. Odlična malenkost, se strinjam. Pravzaprav je vse veliko bolj zapleteno.
Natančen čas v vesolju z dvema časovnima dimenzijama bo določen z dvema vrednostima. Si je težko predstavljati dvodimenzionalni dogodek? Se pravi tista, ki se razteza hkrati vzdolž dveh časovnih osi? Verjetno bo tak svet potreboval strokovnjake za časovno preslikavo, saj kartografi preslikajo dvodimenzionalno površino sveta.
Kaj še razlikuje dvodimenzionalni prostor od enodimenzionalnega prostora? Na primer sposobnost zaobiti oviro. To je že povsem zunaj meja našega uma. Prebivalec enodimenzionalnega sveta si ne more predstavljati, kako bi bilo zaviti za vogalom. In kaj je to - kotiček v času? Poleg tega lahko v dvodimenzionalnem prostoru potujete naprej, nazaj in celo diagonalno. Pojma nimam, kako je iti diagonalno skozi čas. Sploh ne govorim o tem, da je čas osnova mnogih fizikalnih zakonov in si je nemogoče predstavljati, kako se bo fizika Vesolja spreminjala s pojavom druge časovne dimenzije. Toda razmišljanje o tem je tako vznemirljivo!
Zelo velika enciklopedija
Druge dimenzije še niso odkrite in obstajajo le v matematičnih modelih. Lahko pa si jih poskusite tako predstavljati.
Kot smo ugotovili prej, vidimo tridimenzionalno projekcijo četrte (časovne) dimenzije Vesolja. Z drugimi besedami, vsak trenutek obstoja našega sveta je točka (podobna ničelni dimenziji) v časovnem intervalu od Velikega poka do konca sveta.
Tisti od vas, ki ste prebrali potovanje po času, veste, kako pomembna je ukrivljenost vesoljsko-časovnega kontinuuma v njih. To je peta dimenzija - prav v tem je štiridimenzionalni prostor-čas "upognjen", da bi na tej ravni združili kakšni dve točki. Brez tega bi bilo potovanje med temi točkami predolgo ali celo nemogoče. V grobem je peta dimenzija podobna drugi - premakne "enodimenzionalno" linijo prostora-časa v "dvodimenzionalno" ravnino z vsemi možnostmi, da se ovije za vogal.
Naši posebej filozofsko nastrojeni bralci so malo prej verjetno razmišljali o možnosti svobodne volje v razmerah, kjer prihodnost že obstaja, a še ni znana. Znanost na to vprašanje odgovori: verjetnosti. Prihodnost ni palica, ampak cela metla možnih scenarijev. Katera se bo uresničila - izvedeli bomo, ko bomo prišli tja.
Vsaka od verjetnosti obstaja kot "enodimenzionalni" segment na "ravnini" pete dimenzije. Kateri je najhitrejši način za skok iz enega segmenta v drugega? Tako je - upognite to ravnino kot list papirja. Kam se upogniti? In spet je pravilno - v šesti dimenziji, ki daje celotni kompleksni strukturi "volumen". In tako daje, kot tridimenzionalni prostor, "končano" novo točko.
Sedma dimenzija je nova ravna črta, ki jo sestavljajo šestdimenzionalne "točke". Kakšna je še točka v tej vrstici? Celoten neskončen nabor možnosti za razvoj dogodkov v drugem vesolju, ki nastane ne kot rezultat velikega poka, temveč v različnih pogojih, in deluje v skladu z različnimi zakoni. Se pravi, sedma dimenzija je kroglice iz vzporednih svetov. Osma dimenzija zbira te "črte" v eno "ravnino". In deveto lahko primerjamo s knjigo, ki ustreza vsem "listom" osme dimenzije. Gre za zbirko vseh zgodovin vseh vesoljev z vsemi fizikalnimi zakoni in vsemi začetnimi pogoji. Ponovno pokažite.
Tu naletimo na omejitev. Da si predstavljamo deseto dimenzijo, potrebujemo ravno črto. In kakšna druga točka je lahko na tej črti, če deveta dimenzija že zajema vse, kar si lahko predstavljamo, in celo tisto, kar si je nemogoče predstavljati? Izkaže se, da deveta dimenzija ni le še eno izhodišče, ampak končno - za našo domišljijo vsekakor.
Teorija strun trdi, da strune vibrirajo v deseti dimenziji - osnovni delci, ki vse sestavljajo. Če deseta dimenzija vsebuje vse vesolje in vse možnosti, potem strune obstajajo povsod in ves čas. V nekem smislu vsaka struna obstaja v našem vesolju in katera koli druga. V vsakem trenutku. Takoj. Kul, kaj?
Fizik, poznavalec teorije strun. Znano po svojem delu na zrcalni simetriji, ki je povezano s topologijo ustreznih Calabi-Yaujevih mnogovrstnikov. Širokemu občinstvu je znan kot avtor poljudnoznanstvenih knjig. Njegovo Elegantno vesolje je bilo nominirano za Pulitzerovo nagrado.
Brian Greene je septembra 2013 na povabilo Politehničnega muzeja prispel v Moskvo. Znani fizik, teoretik strun, profesor na univerzi Columbia, je širši javnosti znan predvsem kot popularizator znanosti in avtor knjige "Elegantno vesolje". Lenta.ru je z Brianom Greenom govoril o teoriji strun in nedavnih izzivih, s katerimi se je spopadel, pa tudi kvantni gravitaciji, amplitudi in družbenemu nadzoru.