Del 1
Det eneste problemet er å akseptere denne teorien som fysisk, den er for matematisk. Hvorfor?
Fordi den skylder utseendet til en enkel funksjon - Eulers betafunksjon er faktisk ikke så kompleks som den ser ut ved første øyekast. Denne funksjonen studeres i løpet av matematisk analyse.
Så hvorfor nøyaktig denne funksjonen var begynnelsen på en så stor og forvirrende teori?
Eulers betafunksjon (Graf over betafunksjonen med reelle argumenter).
I 1968 prøvde en ung italiensk teoretisk fysiker Gabriele Veneziano å beskrive hvordan partikler av en atomkjern samvirker: protoner og nøytroner. Forskeren hadde en strålende gjetning. Han innså at alle de mange egenskapene til partikler i et atom kan beskrives med en matematisk formel (Eulers betafunksjon). Det ble oppfunnet for to hundre år siden av den sveitsiske matematikeren Leonard Euler og beskrev integraler i matematisk analyse.
Veneziano brukte det i sine beregninger, men forsto ikke hvorfor hun jobbet innen dette fysikkområdet. Den fysiske betydningen av formelen ble oppdaget i 1970 av amerikanske forskere Yoichiro Nambu, Leonard Susskind, samt deres danske kollega Holger Nielsen. De antydet at elementære partikler er små vibrerende endimensjonale strenger, mikroskopiske energistrenger. Hvis disse strengene er så bittesmå, resonnerte forskerne, vil de fortsatt se ut som punktpartikler og vil derfor ikke påvirke resultatene fra eksperimentene. Slik oppstod strengteori.
I lang tid har filosofer kranglet om hvorvidt universet har et visst opphav eller om det alltid har eksistert. Generell relativitet innebærer endeligheten til universets "liv" - det ekspanderende universet burde ha oppstått som et resultat av Big Bang.
Salgsfremmende video:
Helt fra begynnelsen av Big Bang fungerte imidlertid ikke relativitetsteorien, siden alle prosesser som fant sted i det øyeblikket var av en kvante karakter. I strengteori, som hevder å være kvanteteorien om tyngdekraft, introduseres en ny grunnleggende fysisk konstant - minimumskvantumet for lengde (dvs. den korteste lengden i essensen). Som et resultat blir det gamle scenariet av universet født i Big Bang uholdbart.
Plass på kvantenivå.
Strenger er de minste gjenstandene i universet. Størrelsen på strengene er sammenlignbar med Planck-lengden (10 ^ –33 cm). I følge strengteori er dette minstelengden som en gjenstand i universet kan ha.
Big Bang fant fortsatt sted, men tettheten av materie i det øyeblikket var ikke uendelig, og universet kan ha eksistert før det. Strengteoriens symmetri antyder at tid ikke har begynnelse eller slutt. Universet kunne ha oppstått nesten tomt og dannet ved Big Bang-tiden, eller gått gjennom flere sykluser av død og gjenfødelse. I alle fall hadde epoken før Big Bang en enorm innvirkning på det moderne rommet.
I vårt ekspanderende univers sprer galakser seg som en spredt mengde. De beveger seg vekk fra hverandre med en hastighet proporsjonal med avstanden mellom dem: galakser atskilt med 500 millioner lysår sprer seg dobbelt så raskt som galakser, atskilt med 250 millioner lysår. Dermed burde alle galaksene vi observerer ha startet samtidig fra samme sted på tidspunktet for Big Bang. Dette gjelder selv om den kosmiske ekspansjonen går gjennom perioder med akselerasjon og retardasjon. I rom- og tidsskjemaer reiser galakser langs svingete stier til og fra den observerbare delen av rommet (gul kil). Imidlertid er det foreløpig ikke kjent nøyaktig hva som skjedde i øyeblikket da galakser (eller deres forgjengere) begynte å fly fra hverandre.
Universitetets historie.
I standard Big Bang-modell (bildet til venstre), basert på generell relativitet, var avstanden mellom to galakser på et tidspunkt i vår fortid null. Inntil da er tiden meningsløs.
Og i modeller som tar hensyn til kvanteeffekter (i figuren til høyre), i lanseringsøyeblikket, ble alle to galakser separert med en viss avstand. Slike scenarier utelukker ikke muligheten for at universet eksisterer før Big Bang.
Del 2
Og nå skal jeg prøve å fortelle deg hvorfor det er så mange av disse teoriene: strengteori, superstringer, M-teori.
Flere detaljer om hver av teoriene:
Strengteori:
Som du og jeg allerede vet, er strengteori en rent matematisk teori, som sier at alt i vår verden (og ikke i vår også) er en konsekvens av "vibrasjonene" av mikroskopiske objekter i størrelsesorden Planck-lengden.
Kanskje er all materie laget av strenger.
Egenskapene til strengen ligner en fiolinstreng. Hver streng kan lage et enormt (faktisk uendelig) antall forskjellige vibrasjoner, kjent som resonansvibrasjoner. Dette er vibrasjoner der avstanden mellom maksima og minima er den samme, og nøyaktig et heltall antall maksima og minima passer mellom de faste endene av strengen. For eksempel oppfatter det menneskelige øret resonansvibrasjoner som forskjellige musikalske noter. Strenger har lignende egenskaper i strengteori. De kan utføre resonanssvingninger, der nøyaktig et helt tall antall jevnt fordelt maksima og minima passer langs strengene. På samme måte som forskjellige moduser (et sett med typer harmoniske vibrasjoner som er typiske for et svingende system) av resonansvibrasjoner av fiolinstrenger gir forskjellige musikalske noter,forskjellige vibrasjonsmåter for de grunnleggende strengene gir opphav til forskjellige masser og koblingskonstanter.
I henhold til den spesielle relativitetsteorien er energi og masse (E er lik em tse square:) to sider av den samme mynten: jo mer energi, jo mer masse og omvendt. Og i følge strengteori bestemmes massen til en elementær partikkel av vibrasjonsenergien til den indre strengen i denne partikkelen. De indre strengene til tyngre partikler vibrerer mer intenst, mens strengene av lette partikler vibrerer mindre intenst.
Viktigst er egenskapene til en av strengmodusene nøyaktig de samme som egenskapene til graviton, noe som sikrer at tyngdekraften er en integrert del av strengteorien.
Jeg vil ikke gå inn på detaljer om "geometri" av strengene for nå, jeg vil bare si at masseløse partikler, som kan være fotoner, kommer fra vibrasjoner eller åpne eller lukkede strenger. Gravitoner kommer bare fra vibrasjonene fra lukkede strenger eller løkker. Strengene samhandler med hverandre for å danne løkker. Større partikler (kvarker, elektroner) oppstår fra disse løkkene. Massen til disse partiklene avhenger av energien som frigjøres av løkken når den vibrerer.
I strengteori kan det bare være to grunnleggende konstanter (i andre teorier er det mange flere konstanter, også de mest grunnleggende. For eksempel krever standardmodellen 26 konstanter). En, kalt strengespenning, beskriver hvor mye energi som er per lengdeenhet på strengen. Den andre, kalt strengkoblingskonstanten, er et tall som indikerer sannsynligheten for at en streng bryter i to strenger, henholdsvis forårsaker krefter; siden det er en sannsynlighet, er det bare et tall, ingen dimensjonale enheter.
Superstring teori:
Alt som er å vite og forstå fra denne frasen er at denne teorien er en generalisert strengteori. I denne teorien blir alt vurdert fra supersymmetri synspunkt - … MEN!
La oss huske konseptet spinn før vi går videre til diskusjon av supersymmetri. Spin er det indre vinkelmomentet som ligger i hver partikkel. Det måles i enheter av Plancks konstante og kan være hele eller halvhelte. Spin er en utelukkende kvantemekanisk egenskap, den kan ikke representeres fra klassisk synspunkt. Et naivt forsøk på å tolke elementære partikler som små "baller", og snurre - som deres rotasjon, er i strid med den spesielle relativitetsteorien, siden punkter på overflaten til ballene da må bevege seg raskere enn lys. Elektroner har spinn 1/2, fotoner har spinn 1.
Supersymmetry er symmetrien mellom partikler med heltall og halvtalls helt spinn.
Kort fortalt består den i å konstruere teorier hvis ligninger ikke ville endres når felt med heltallsspinn blir transformert til felt med halvtallspinn og omvendt. Siden har tusenvis av artikler blitt skrevet, alle modeller av kvantefeltteori har blitt utsatt for supersymmetrizering, og et nytt matematisk apparat er utviklet som gjør det mulig å bygge supersymmetriske teorier.
Partikler kjent i naturen, i henhold til deres spinn, blir delt inn i bosoner (hele spinn) og fermioner (halvtallssnurr). De første partiklene er bærere av interaksjoner, for eksempel et foton, som bærer elektromagnetiske interaksjoner, en gluon, som bærer sterke kjernekrefter, og en graviton, som bærer gravitasjonskrefter. Den andre består av saken vi er laget av, for eksempel et elektron eller en kvark.
Fermions (partikler som overholder Fermi-Dirac-statistikk) og bosoner (partikler som overholder Bose-Einstein-statistikk) kan eksistere sameksistent i det samme fysiske systemet. Et slikt system vil ha en spesiell type symmetri - den såkalte supersymmetrien, som kartlegger bosoner til fermioner og omvendt. Dette krever selvfølgelig et like stort antall bosoner og fermioner, men betingelsene for eksistensen av supersymmetri er ikke begrenset til dette. Supersymmetriske systemer lever i superspace. Superspace oppnås fra vanlig romtid når fermioniske koordinater legges til den. I en superspace-formulering ser supersymmetri-transformasjoner ut som rotasjoner og oversettelser i vanlig rom. Og partiklene og åkrene som bor i den er representert av et sett med partikler eller felt i vanlig rom, og et slikt sett,hvor det kvantitative forholdet mellom bosoner og fermioner er strengt fastlagt, så vel som noen av deres egenskaper (først og fremst spinn). Partikkelfelt inkludert i et slikt sett kalles superpartnere.
Så konvensjonell strengteori beskrev bare partikler som var bosoner, så den ble kalt bosonic strengteori. Men hun beskrev ikke fermioner. Derfor var for eksempel kvarker og elektron ikke inkludert i bosonisk strengteori.
Men ved å legge supersymmetri til bosonisk strengteori, fikk vi en ny teori som beskriver både kreftene og saken som utgjør universet. Det kalles superstring theory.
Det er tre forskjellige superstringsteorier som gir mening, d.v.s. uten matematiske uoverensstemmelser. I to av disse er det grunnleggende objektet den lukkede strengen, mens i den tredje er den åpne strengen byggesteinen. Ved å blande de beste aspektene ved bosonisk strengteori og superstringsteori har vi dessuten fått konsistente strengsteorier - heterotiske strengteorier.
Dermed er en superstring en supersymmetrisk streng, det vil si at den fortsatt er en streng, men den lever ikke i vårt vanlige rom, men i superspace.
M-teori:
På midten av 1980-tallet kom teoretikere til den konklusjon at supersymmetri, som er sentral i strengteorien, kan innlemmes i den ikke på én, men på fem forskjellige måter, noe som fører til fem forskjellige teorier: type I, type IIA og IIB, og to heterotiske strengteorier. Av grunner av sunn fornuft (2 versjoner av den samme fysiske loven kan ikke fungere samtidig), ble det antatt at bare en av dem kunne kreve rollen som en "teori om alt", dessuten den som ved lave energier og komprimeres (d.v.s. størrelser på Planck-lengder.
Det viser seg at vi bare observerer vårt 4-dimensjonale univers uten disse 6 dimensjonene, som vi ganske enkelt ikke ser) seks ekstra dimensjoner ville være i samsvar med reelle observasjoner. Det gjensto spørsmål om hvilken teori som var mer adekvat og hva jeg skulle gjøre med de fire andre teoriene.
Essensen:
Hvis størrelsen på den kompakte dimensjonen i dette tilfellet viser seg å være i størrelsesorden størrelsen på strengene (10 til -33 grader av en centimeter), kan vi ganske enkelt ikke se den direkte på grunn av denne dimensjonen. Til syvende og sist vil vi få vårt (3 + 1) -dimensjonale rom, der et bittelitt 6-dimensjonalt rom tilsvarer hvert punkt i vårt 4-dimensjonale univers.
Forskning har vist at dette naive synet er feil. På midten av 1990-tallet fant Edward Witten og andre teoretiske fysikere sterke bevis på at alle de fem overtredende teoriene er nært knyttet til hverandre, og er forskjellige begrensende tilfeller av en enkelt 11-dimensjonal grunnleggende teori. Denne teorien kalles M-teori.
Da Witten ga navnet M-teori, spesifiserte han ikke hva M sto for, antagelig fordi han ikke følte rett til å navngi en teori som han ikke helt kunne beskrive. Antagelser om hva M kan stå for har blitt et spill blant teoretiske fysikere. Noen sier at M betyr "Mystisk", "Magisk" eller "Mor". Mer alvorlige forutsetninger er "Matrix" og "Membrane". Noen la merke til at M kan være en omvendt W - den første bokstaven med navnet Witten (Witten). Andre antyder at M i M-teori burde bety savnet eller til og med grumsete.
Utviklingen av 11-dimensjonal M-teori lot fysikere se lenger enn tiden før Big Bang skjedde.
Braner i 10-11 dimensjonalt rom kolliderer og skaper en Big Bang på * overflaten * av klossene …
Det ble laget en teori der vårt univers er en konsekvens av kollisjonen av objekter i et annet univers, som igjen kan være utallige. Dermed førte avsløringen av ett spørsmål til at det kom enda flere spørsmål.
M-teori ble tatt av forskere som teorien om alt. Det vil si at denne teorien er egnet til å forklare alt: hvordan universet ble født, hva som var før universets fødsel, svarer på spørsmålet om tidens eksistens før universets fødsel (tiden eksisterte allerede før universets fødsel), avslører universets fremtid.
Del 3
Strenge hull:
Den nå allment aksepterte teorien om sorte hull, lagt frem for førti år siden av fysikeren John Wheeler, sier at etter at en stjerne "brenner ut", blir dens rester komprimert med en slik kraft at tiltrekningskraften overstiger repulsjonenes kraft, og som et resultat gjenstår en singularitet: punktet i rommet der materien befinner seg i en tilstand av "uendelig tetthet". Singulariteten er omgitt av den såkalte "hendelseshorisonten", en hypotetisk grense som ikke er i stand til å overvinne saken og energien i den. De blir "trukket" inn i det sorte hullet og forblir inni for alltid.
Representasjon av et svart hull.
Det er denne "for alltid" som reiser spørsmål.
I 1975 etablerte den største svart hullteoretikeren Stephen Hawking ved University of Cambridge (om enn bare teoretisk) at sorte hull sakte men uunngåelig fordamper. I samsvar med kvantemekanikkens lover koker stadig par "virtuelle" partikler og antipartikler i tomt rom. Hawking viste at tyngdenergien til svarte hull kan overføres til "virtuelle" partikler helt i løpet av hendelseshorisonten. I dette tilfellet blir de "virtuelle" partiklene virkelige og går utover horisonten sammen med positiv energi i form av Hawking-stråling. Dermed fordamper det over tid over tid.
Hawking strålingstemperatur (stråling nær begivenhetshorisonten for svart hull med et termisk spektrum):
Svart hulls strålingstemperatur
hvor er Plancks konstante, c er lysets hastighet i vakuum, k er Boltzmanns konstante, G er gravitasjonskonstanten, og til slutt, M er massen til det sorte hullet. For eksempel er det lett å beregne at et svart hull med en masse på 2 * 10 ^ 30 kg (solens masse) vil ha en strålingstemperatur lik 6,35 * 10 ^ (- 8) Kelvin. Dette er en veldig lav temperatur, selv sammenlignet med bakgrunnsstrålingen fra universet med en temperatur på 2,7 Kelvin.
Men temperaturene i de sorte hullene som er kjent for astronomene, er for lave til å oppdage stråling fra dem - massene på hullene er for store. Derfor er effekten ennå ikke bekreftet av observasjoner.
Imidlertid fører dette synspunktet til et "informasjonsparadoks". Det viser seg at i følge relativitetsteorien går informasjon om materie som faller ned i et svart hull tapt, mens kvantemekanikk hevder at informasjon til slutt kan flykte utover.
Hawking bemerket at den kaotiske karakteren av Hawkings stråling betyr at energi sprenger ut, men informasjon er det ikke. I 2004 ombestemte han seg imidlertid - og dette er bare et av poengene med moderne vitenskap som revurderer alle synene på sorte hull.
Faktum er at nå prøver teoretikere å "prøve" på sorte hull (og alle teoretiske avvik knyttet til dem) strengteori. Stringteori er nå det beste forsøket på å kombinere generell relativitet og kvantemekanikk, siden strengene i seg selv bærer en gravitasjonskraft, og deres vibrasjon er tilfeldig, som forutsagt av kvantemekanikken.
I 1996 bestemte Andrew Strominger og Kamran Wafa fra Harvard University seg for å nærme seg informasjonsparadoksproblemet ved å definere hvordan et svart hull kunne bygges fra innsiden.
Det viste seg at strengteori tillater konstruksjon av ekstremt tette og småskala strukturer fra strengene selv og andre objekter beskrevet av teorien, hvorav noen har mer enn tre dimensjoner. Og disse strukturene oppførte seg akkurat som sorte hull: gravitasjonstrekket deres slipper ikke lys ut.
Antall måter å organisere strenger i sorte hull er overveldende. Og det som er spesielt interessant, sammenfaller denne verdien med verdien av svart hulls entropi, som Hawking og hans kollega Bekenstein beregnet tilbake på syttitallet.
Å bestemme antall mulige strengkombinasjoner er imidlertid ikke alt. I 2004 startet Ohio State Universitys team Samir Matura for å avklare det mulige arrangementet av strenger inne i et svart hull. Det viste seg at strengene alltid er koblet slik at de danner en enkelt - stor og veldig fleksibel - streng, men mye større enn en enkel singularitet.
Matura-gruppen har beregnet de fysiske dimensjonene til flere "streng" sorte hull (som gruppemedlemmene foretrekker å kalle fuzzballs - "fluff baller", eller stringy stars - "string stars"). De ble overrasket over å finne at størrelsen på disse strengformasjonene falt sammen med størrelsen på "hendelseshorisonten" i den tradisjonelle teorien.
I denne forbindelse antydet Mathur at den såkalte. "Hendelseshorisonten" er faktisk en "skummende masse av strenger", ikke en stivt avgrenset grense.
Og at et svart hull faktisk ikke ødelegger informasjon av grunnen, for eksempel at det rett og slett ikke er noen entydighet i svarte hull. Massen på strengene er fordelt over hele volumet opp til hendelseshorisonten, og informasjon kan lagres i strenger og innprentes på den utgående Hawking-strålingen (og går derfor utenfor terskel for hendelser).
Både Wafa og Mathur innrømmer imidlertid at dette bildet er veldig foreløpig. Matura har ennå til å teste hvordan modellen hans passer inn i store sorte hull, eller forstå hvordan sorte hull utvikler seg.
Et annet alternativ ble foreslått av Gary Horowitz ved University of California i Santa Barbara og Juan Maldasena fra Princeton Institute for Advanced Study. I følge disse forskerne eksisterer fortsatt singulariteten i midten av det sorte hullet, men informasjon kommer rett og slett ikke inn i det: materie går inn i singulariteten, og informasjon - gjennom kvanteteleportering - er preget av Hawking-stråling. Mange fysikere bestrider dette synspunktet og avviser muligheten for øyeblikkelig overføring av informasjon.
Ekstreme sorte hull:
Mangfold (Euklidisk rom er det enkleste eksemplet på mangfold. Et mer komplekst eksempel er jordoverflaten. Det er mulig å lage et kart over ethvert område av jordoverflaten, for eksempel et kart over halvkule, men det er umulig å tegne et enkelt (uten pauser) kart over hele overflaten) langs hvilken en streng kan bevege seg kalles en D-brane eller Dp-brane (når du bruker den andre notasjonen, er 'p' et heltall som karakteriserer antall romlige dimensjoner på manifolden). Et eksempel er to strenger som har en eller begge ender festet til en todimensjonal D-brane eller D2-brane:
D-braner kan ha et antall romlige dimensjoner fra -1 til antall romlige dimensjoner i vår romtid. Selve ordet 'kli' kommer fra ordet 'membran', som er en todimensjonal overflate.
Hvorfor jeg skrev om det her, men her:
Branes gjorde det mulig å beskrive noen spesielle sorte hull i strengteori. (Denne oppdagelsen ble gjort av Andrew Strominger og Kumrun Wafa i 1996 ovenfor.)
Forholdet mellom braner og sorte hull er indirekte, men overbevisende. Slik fungerer det: Du starter med å slå av tyngdekraften (du gjør dette ved å stille strengkoblingen konstant (tallet som representerer sannsynligheten for at en streng bryter i to strenger er en av de to grunnleggende konstantene i strengteori. Den første er "spenningen" til strengen) på null). Det kan virke rart å beskrive sorte hull, som ikke er mer enn tyngdekraften, la oss se hva som skjer videre. Når tyngdekraften er slått av, kan vi se på geometrier der mange braner er pakket rundt ekstra dimensjoner. Vi bruker nå det faktum at braner har elektriske og magnetiske ladninger. Det viser seg at det er en grense for hvor mye ladning en kloss kan ha, denne grensen er relatert til massen til klossen. Maksimale ladekonfigurasjoner er veldig spesifikke og kalles ekstreme. De inkluderer en av situasjonene der det er flere symmetrier som tillater mer nøyaktige beregninger. Spesielt er slike situasjoner preget av tilstedeværelsen av flere forskjellige supersymmetrier som forbinder fermioner og bosoner.
Det er også den maksimale mengden elektrisk eller magnetisk ladning et svart hull kan ha og fremdeles være stabilt. De kalles ekstreme sorte hull og har blitt studert av spesialister i generell relativitet i mange år.
Til tross for at gravitasjonskraften er slått av, deler ekstreme kloakksystemet noen egenskaper med ekstreme sorte hull. Spesielt er de termodynamiske egenskapene til de to systemene identiske. Gjennom å studere termodynamikken til ekstreme kliner som er viklet rundt ekstra dimensjoner, kan man gjengi de termodynamiske egenskapene til ekstreme sorte hull.
Et av problemene i fysikk av sorte hull var forklaringen på funnet av Jacob Bekenstein og Stephen Hawking om at sorte hull har entropi og temperatur. Den nye ideen fra strengteori er (når det gjelder ekstreme sorte hull) at du kan ta deg fremover i å utforske lignende systemer med ekstreme kliner som er pakket rundt ekstra dimensjoner. Faktisk er mange av egenskapene til de to systemene nøyaktig de samme. Denne nesten overnaturlige tilfeldigheten oppstår fordi det i begge tilfeller er flere forskjellige supersymmetriske transformasjoner som forbinder fermioner og bosoner. Det viser seg at de lar oss konstruere en overbevisende matematisk analogi som gjør at termodynamikken * i to systemer er identiske.
***
* Termodynamikk av et svart hull (egenskaper):
- Tyngdekraften er den samme over hele overflaten av hendelseshorisonten
- Området for begivenhetshorisonten til et svart hull kan ikke avta med tiden i noen klassisk prosess.
- I alle ikke-likevektsprosesser som involverer sorte hull (for eksempel når de kolliderer), øker overflatearealet.
