Du har sikkert hørt at den mest populære vitenskapelige teorien i vår tid - strengteori - involverer mange flere dimensjoner enn sunn fornuft antyder.
Det største problemet for teoretiske fysikere er hvordan man kan kombinere alle grunnleggende interaksjoner (gravitasjons, elektromagnetisk, svak og sterk) til en enkelt teori. Superstring Theory hevder å være teorien om alt.
Men det viste seg at det mest praktiske antallet dimensjoner som kreves for at denne teorien skal fungere, er ti (hvorav ni er romlige, og en er midlertidig)! Hvis det er mer eller mindre dimensjoner, gir matematiske ligninger irrasjonelle resultater som går til uendelig - en singularitet.
Det neste trinnet i utviklingen av superstringsteori - M-teori - har allerede talt elleve dimensjoner. Og en versjon til av det - F-teori - alle tolv. Og dette er ikke en komplikasjon i det hele tatt. F-teori beskriver 12-dimensjonalt rom ved enklere ligninger enn M-teori - 11-dimensjonalt.
Teoretisk fysikk kalles selvfølgelig ikke teoretisk for ingenting. Alle prestasjonene hennes hittil eksisterer bare på papiret. Så for å forklare hvorfor vi bare kan bevege oss i tredimensjonalt rom, begynte forskere å snakke om hvordan de uheldige andre dimensjonene måtte krympe til kompakte sfærer på kvantnivå. For å være presis, ikke i sfærer, men i Calabi-Yau-rom.
Dette er slike tredimensjonale figurer, hvorav deres egen verden med sin egen dimensjon. En todimensjonal projeksjon av slike manifolder ser slik ut:
Salgsfremmende video:
Mer enn 470 millioner av slike figurer er kjent. Hvilken av dem som tilsvarer vår virkelighet, blir for tiden beregnet. Det er ikke lett å være en teoretisk fysiker.
Ja, det virker litt langsiktig. Men kanskje det er nettopp dette som forklarer hvorfor kvanteverdenen er så forskjellig fra det vi oppfatter.
La oss dykke litt inn i historien
I 1968 porer den unge teoretiske fysikeren Gabriele Veneziano over de mange eksperimentelt observerte egenskapene til det sterke kjernefysiske samspillet. Veneziano, som den gang jobbet ved CERN, det europeiske akseleratorlaboratoriet i Genève, Sveits, arbeidet med dette problemet i flere år, inntil en dag oppdaget en strålende gjetning om ham. Mye til sin overraskelse innså han at en eksotisk matematisk formel, oppfunnet rundt to hundre år tidligere av den berømte sveitsiske matematikeren Leonard Euler for rent matematiske formål - den såkalte Euler beta-funksjonen - ser ut til å være i stand til å beskrive i ett fall alle de mange egenskapene til partikler involvert i sterk kjernefysisk styrke.
Eiendommen notert av Veneziano ga en kraftig matematisk beskrivelse av mange funksjoner i det sterke samspillet; det utløste en mengde arbeid der betafunksjonen og dens forskjellige generaliseringer ble brukt for å beskrive de store datamengdene som ble samlet i studiet av partikkelkollisjoner rundt om i verden. På en måte var imidlertid Venezianos observasjon ufullstendig. Som en memorert formel som ble brukt av en student som ikke forstår betydningen eller betydningen, fungerte Eulers beta-funksjon, men ingen forsto hvorfor. Det var en formel som trengte en forklaring.
Gabriele Veneziano.
Dette endret seg i 1970 da Yohiro Nambu fra University of Chicago, Holger Nielsen fra Niels Bohr Institute, og Leonard Susskind fra Stanford University kunne avsløre den fysiske betydningen bak Eulers formel. Disse fysikerne viste at når elementære partikler er representert av små vibrerende endimensjonale strenger, er den sterke interaksjonen mellom disse partiklene nøyaktig beskrevet ved bruk av Euler-funksjonen. Hvis strengsegmentene er små nok, resonnerte disse forskerne, vil de fremdeles se ut som punktpartikler og vil derfor ikke motsi resultatene fra eksperimentelle observasjoner. Selv om teorien var enkel og intuitivt tiltalende, ble det snart vist at beskrivelsen av sterke interaksjoner ved bruk av strenger var feil. På begynnelsen av 1970-tallet. Fysikere med høy energi har vært i stand til å se dypere inn i den subatomære verdenen og har vist at en rekke spådommer om den strengbaserte modellen er i direkte konflikt med observasjoner. Samtidig foregikk utviklingen av kvantefeltteori - kvante kromodynamikk - der punktmodellen for partikler ble brukt, parallelt. Suksessene med denne teorien i beskrivelsen av det sterke samspillet førte til at strengeorien ble forlatt.
De fleste partikkelfysikere mente at strengteori for alltid var i søppelbøtta, men en rekke forskere forble tro mot den. Schwartz følte for eksempel at “den matematiske strukturen i strengteorien er så vakker og har så mange slående egenskaper at den utvilsomt burde peke på noe dypere” 2). Et av problemene fysikere møtte med strengteori var at det så ut til å tilby for mange valg, noe som var forvirrende.
Noen av de vibrerende strengkonfigurasjonene i denne teorien hadde egenskaper som lignet på gluoner, noe som ga grunn til å virkelig betrakte det som en teori om sterke interaksjoner. I tillegg til dette inneholdt den ytterligere partikler-bærere av interaksjon som ikke hadde noe å gjøre med de eksperimentelle manifestasjonene av sterk interaksjon. I 1974 gjorde Schwartz og Joel Scherk fra den franske høyere teknisk skole en dristig antagelse som gjorde denne oppfattede feilen til en dyd. Etter å ha studert de merkelige vibrasjonsmåtene for strenger, som minner om bærepartikler, innså de at disse egenskapene sammenfaller overraskende nøyaktig med de antatte egenskapene til en hypotetisk bærepartikkel av gravitasjonsinteraksjon - graviton. Selv om disse "bittesmå partiklene" av gravitasjonsinteraksjon ennå ikke er oppdaget, kan teoretikere med sikkerhet forutse noen av de grunnleggende egenskapene som disse partiklene skal ha. Scherk og Schwartz fant ut at disse egenskapene er nøyaktig realisert for noen vibrasjonsmodus. På bakgrunn av dette antok de at den første tilførselen av strengteori endte i fiasko på grunn av at fysikere overdrevent snevret omfanget. Sherk og Schwartz kunngjorde at strengteori ikke bare er en teori om den sterke kraften, det er en kvanteteori som inkluderer gravitasjon, blant annet). På bakgrunn av dette antok de at den første tilførselen av strengteori endte i fiasko på grunn av at fysikere overdrevent snevret omfanget. Sherk og Schwartz kunngjorde at strengteori ikke bare er en teori om den sterke kraften, det er en kvanteteori som inkluderer gravitasjon, blant annet). På bakgrunn av dette antok de at den første tilførselen av strengteori endte i fiasko på grunn av at fysikere overdrevent snevret omfanget. Sherk og Schwartz kunngjorde at strengteori ikke bare er en teori om den sterke kraften, det er en kvanteteori som inkluderer gravitasjon, blant annet).
Det fysiske samfunnet reagerte på denne antagelsen med en veldig behersket holdning. I henhold til memoarene fra Schwartz, “ble arbeidet vårt ignorert av alle” 4). Fremgangsveiene var allerede grundig strødd med mange mislykkede forsøk på å kombinere tyngdekraft og kvantemekanikk. Strengteori mislyktes i det opprinnelige forsøket på å beskrive sterke interaksjoner, og mange mente det var meningsløst å prøve å bruke den for å oppnå enda større mål. Påfølgende, mer detaljerte studier fra slutten av 1970-tallet og begynnelsen av 1980-tallet. viste at mellom strengteori og kvantemekanikk, deres egen, om enn mindre i skala, oppstår motsetninger. Inntrykket var at gravitasjonskraften igjen var i stand til å motstå forsøket på å bygge det inn i beskrivelsen av universet på mikroskopisk nivå.
Dette var fram til 1984. I et landemerkeoppgave som oppsummerte mer enn et tiår med intens forskning som stort sett ble ignorert eller avvist av de fleste fysikere, fant Green og Schwartz at den mindre motsetningen med kvanteteori som plaget strengteori kunne tillates. Videre viste de at den resulterende teorien var bred nok til å dekke alle fire typer interaksjoner og alle typer materie. Nyheter om dette resultatet spredte seg utover i fysikalsamfunnet: hundrevis av partikkelfysikere sluttet å jobbe med prosjektene sine for å ta del i det som virket som det siste teoretiske slaget i et hundre år gammelt angrep på universets dypeste grunnleggelser.
Nyheten om suksessen til Green og Schwartz nådde etter hvert til og med kandidatstudentene i deres første studieår, og det tidligere motløshet ble erstattet av en spennende følelse av engasjement i et vendepunkt i fysikkens historie. Mange av oss satt dypt etter midnatt og studerte de tungtveiende tomene om teoretisk fysikk og abstrakt matematikk, og kunnskap om dette er nødvendig for å forstå strengteori.
I følge forskere består vi oss selv og alt rundt oss av et uendelig antall slike mystiske brettede mikroobjekter.
Tiden fra 1984 til 1986 nå kjent som den "første revolusjonen i superstring teori." I løpet av denne perioden skrev fysikere over hele verden over tusen artikler om strengteori. Disse papirene demonstrerte helt klart at standardmodellens mange egenskaper, oppdaget gjennom flere tiår med møysommelig forskning, flyter naturlig fra det majestetiske systemet med strengteori. Som Michael Green observerte, "i det øyeblikket du blir kjent med strengteori og innser at nesten alle de store fremskrittene innen fysikk fra forrige århundre følger - og følger med slik eleganse - fra et så enkelt utgangspunkt, viser deg tydelig denne teoriens utrolige kraft." 5 For mange av disse egenskapene, som vi vil se nedenfor, gir strengteori dessuten en mye mer fullstendig og tilfredsstillende beskrivelse enn standardmodellen. Disse fremskrittene har overbevist mange fysikere om at strengteori kan levere sine løfter og bli den endelige samlende teorien.
En todimensjonal projeksjon av en Calabi-Yau 3-manifold. Denne projeksjonen gir en ide om hvor komplekse de ekstra dimensjonene er.
Imidlertid har fysikere fra strengteori kommet over alvorlige hindringer igjen og igjen underveis. I teoretisk fysikk må du ofte takle ligninger som enten er for komplekse til å forstå eller vanskelig å løse. Vanligvis gir fysikere seg i en slik situasjon ikke og prøver å få en tilnærmet løsning av disse ligningene. Situasjonen i strengteori er mye mer komplisert. Til og med avledningen av ligningene viste seg å være så komplisert at det hittil har vært mulig å få kun deres omtrentlige form. Dermed befinner fysikere som arbeider i strengteori seg i en situasjon hvor de må se etter omtrentlige løsninger for omtrentlige ligninger. Etter mange års forbløffende fremgang under den første superstrengende revolusjonen, blir fysikere møtt medat de omtrentlige ligningene som ble brukt, ble funnet å være ute av stand til å gi riktig svar på en rekke viktige spørsmål, og dermed hindre den videre utviklingen av forskning. Manglende konkrete ideer for å gå utover disse omtrentlige metodene, opplevde mange fysikere som arbeider innen strengteori en voksende følelse av frustrasjon og kom tilbake til sin tidligere forskning. For de som ble, sent på 1980-tallet og begynnelsen av 1990-tallet. var testperioden.
Strengteoriens skjønnhet og potensielle kraft vinket til forskere som en gullskatt som låst sikkert i en safe som bare kan sees gjennom et ørlite kikkhull, men ingen hadde en nøkkel til å frigjøre de sovende kreftene. En lang periode med "tørke" ble avbrutt fra tid til annen av viktige funn, men det var tydelig for alle at det var påkrevd nye metoder som ville tillate en å gå utover de allerede kjente omtrentlige løsningene.
Slutten av stagnasjonen kom med en fantastisk foredrag holdt av Edward Witten på String Theory Conference i 1995 ved University of South California - en foredrag som lamslet et publikum spekket med verdens ledende fysikere. I den avduket han en plan for den neste fasen av forskningen, og startet dermed den "andre revolusjonen i superstringsteorien." Nå jobber strengsteoretikere energisk med nye metoder som lover å overvinne hindringene.
For den utbredte populariseringen av TC bør menneskeheten oppføre et monument til Columbia University-professor Brian Greene. Hans bok fra 1999 Elegant Universe. Superstrings, Hidden Dimensions og Quest for the Ultimate Theory”ble en bestselger og fikk en Pulitzer-pris. Forskerens arbeid dannet grunnlaget for en populærvitenskapelig miniserie med forfatteren selv som vert - et fragment av den kan sees på slutten av materialet (foto av Amy Sussman / Columbia University).
La oss prøve å forstå essensen i denne teorien i det minste litt
Begynne på nytt. Nulldimensjonen er et poeng. Hun har ingen dimensjoner. Det er ingen steder å bevege seg, ingen koordinater er nødvendig for å indikere et sted i en slik dimensjon.
La oss legge det andre ved siden av det første punktet og trekke en strek gjennom dem. Her er den første dimensjonen. Et endimensjonalt objekt har en størrelse - en lengde - men ingen bredde eller dybde. Bevegelse i endimensjonalt rom er svært begrenset, fordi hindringen som har oppstått underveis ikke kan unngås. Det tar bare en koordinat å finne på denne linjen.
La oss sette et poeng ved siden av segmentet. For å imøtekomme begge disse objektene trenger vi et todimensjonalt rom som har lengde og bredde, det vil si areal, men uten dybde, det vil si volum. Plasseringen av et hvilket som helst punkt på dette feltet bestemmes av to koordinater.
Den tredje dimensjonen oppstår når vi legger til en tredje koordinatakse til dette systemet. For oss, innbyggerne i det tredimensjonale universet, er det veldig enkelt å forestille seg dette.
La oss prøve å forestille oss hvordan innbyggerne i todimensjonalt rom ser verden. Her er for eksempel disse to personene:
Hver av dem vil se vennen sin slik:
Men i denne situasjonen:
Heltene våre vil se hverandre slik:
Det er endringen i synspunkt som gjør at heltene våre kan dømme hverandre som todimensjonale objekter, og ikke endimensjonale segmenter.
La oss nå forestille oss at et visst volumetrisk objekt beveger seg i den tredje dimensjonen, som krysser denne todimensjonale verden. For en utenforstående observatør vil denne bevegelsen komme til uttrykk i en endring i todimensjonale projeksjoner av et objekt på et plan, som brokkoli i en MR-maskin:
Men for en innbygger i Flatland vårt er et slikt bilde uforståelig! Han kan ikke en gang forestille henne. For ham vil hvert av de todimensjonale anslagene bli sett på som et endimensjonalt segment med en mystisk variabel lengde, oppstått på et uforutsigbart sted og også forsvinne uforutsigbart. Forsøk på å beregne lengden og opprinnelsesstedet for slike objekter ved bruk av fysikkens lover i todimensjonalt rom er dømt til å mislykkes.
Vi, innbyggerne i den tredimensjonale verden, ser alt som todimensjonalt. Bare bevegelsen av et objekt i rommet lar oss føle volumet. Vi vil også se ethvert flerdimensjonalt objekt som todimensjonalt, men det vil endre seg på en fantastisk måte avhengig av vår relative posisjon eller tid.
Fra dette synspunktet er det interessant å tenke på for eksempel tyngdekraften. Alle har nok sett lignende bilder:
På dem er det vanlig å skildre hvordan tyngdekraften bøyer rom-tid. Bøyer … hvor? Nettopp i ingen av dimensjonene vi er kjent med. Og hva med kvantetunneling, det vil si evnen til en partikkel til å forsvinne på ett sted og vises på et helt annet sted, dessuten bak et hinder som i vår virkelighet ikke kunne trenge gjennom uten å lage et hull i det? Hva med sorte hull? Men hva hvis alle disse og andre mysterier fra moderne vitenskap blir forklart av det faktum at romets geometri slett ikke er den samme som vi pleide å oppfatte den?
Klokka tikker
Tid legger til en ny koordinat til universet vårt. For at en fest skal finne sted, må du ikke bare vite i hvilken bar den vil finne sted, men også nøyaktig tidspunktet for denne hendelsen.
Basert på vår oppfatning, er tiden ikke så mye en rett linje som en stråle. Det vil si at den har et utgangspunkt, og bevegelsen gjennomføres bare i en retning - fra fortiden til fremtiden. Og bare nåtiden er ekte. Verken fortiden eller fremtiden eksisterer, akkurat som det ikke er frokost og middag fra synspunktet til en kontorist ved lunsjtid.
Men relativitetsteorien stemmer ikke med dette. Fra hennes synspunkt er tid en komplett dimensjon. Alle hendelser som eksisterte, eksisterer og vil eksistere, er like ekte som strandpromenaden er ekte, uansett hvor drømmene om lyden til brettet overrasket oss. Oppfatningen vår er bare noe som et søkelys som lyser opp et segment av tid på en rett linje. Menneskeheten i sin fjerde dimensjon ser noe slik ut:
Men vi ser bare en projeksjon, en skive av denne dimensjonen i hvert separate øyeblikk i tid. Ja, som brokkoli på en MR-maskin.
Til nå har alle teorier fungert med et stort antall romlige dimensjoner, og tidsmessige har alltid vært den eneste. Men hvorfor tillater plass flere dimensjoner for plass, men bare en gang? Inntil forskere kan svare på dette spørsmålet, vil hypotesen om to eller flere tidsrom virke veldig attraktiv for alle filosofer og science fiction forfattere. Ja, og fysikere, hva er egentlig der. Den amerikanske astrofysikeren Yitzhak Bars ser for eksempel den andre gangsdimensjonen som roten til alle problemer med teorien om alt. La oss prøve å forestille oss en verden med to ganger som en mental øvelse.
Hver dimensjon eksisterer hver for seg. Dette kommer til uttrykk i det faktum at hvis vi endrer koordinatene til et objekt i en dimensjon, kan koordinatene i andre forbli uendret. Så hvis du beveger deg langs en tidsakse som krysser en annen i rett vinkel, vil punktet for krysset stoppe rundt. I praksis vil det se slik ut:
Alt Neo måtte gjøre var å plassere sin endimensjonale tidsakse vinkelrett på kulingens tidsakse. Ren bagatell, enig. Faktisk er alt mye mer komplisert.
Den nøyaktige tiden i et univers med to tidsdimensjoner vil bli bestemt av to verdier. Er det vanskelig å forestille seg en todimensjonal hendelse? Det vil si en som strekker seg samtidig langs to tidsakser? Det er sannsynlig at en slik verden vil kreve spesialister i tidskartlegging, ettersom kartografer kartlegger den todimensjonale overflaten av kloden.
Hva skiller ellers todimensjonalt rom fra endimensjonalt rom? Evnen til å omgå et hinder, for eksempel. Dette er allerede helt utenfor grensene for vårt sinn. En innbygger i en endimensjonal verden kan ikke forestille seg hvordan det er å snu et hjørne. Og hva er dette - et hjørne i tid? I tillegg, i todimensjonalt rom, kan du reise fremover, bakover og til og med diagonalt. Jeg aner ikke hvordan det er å gå diagonalt gjennom tiden. Jeg snakker ikke engang om at tid er grunnlaget for mange fysiske lover, og det er umulig å forestille seg hvordan universets fysikk vil endre seg med utseendet til en annen tidsdimensjon. Men å tenke på det er så spennende!
Et veldig stort leksikon
Andre dimensjoner er ennå ikke oppdaget og eksisterer bare i matematiske modeller. Men du kan prøve å forestille deg dem slik.
Som vi fant ut tidligere, ser vi en tredimensjonal projeksjon av den fjerde (tid) dimensjonen av universet. Med andre ord, hvert øyeblikk av vår verdens eksistens er et punkt (lik nulldimensjonen) i tidsintervallet fra Big Bang til verdens ende.
De av dere som har lest om tidsreiser vet hvor viktig krumningen av rom-tid kontinuum spiller i dem. Dette er den femte dimensjonen - det er i den at den fire-dimensjonale romtiden er "bøyd" for å samle noen to punkter på denne rette linjen. Uten dette ville reisen mellom disse punktene være for lang, eller til og med umulig. Grovt sett er den femte dimensjonen lik den andre - den flytter den "endimensjonale" romtidens linje inn i det "todimensjonale" planet med alle påfølgende muligheter til å vikle seg rundt et hjørne.
Våre spesielt filosofisk tenkende lesere tenkte litt tidligere på muligheten for fri vilje i forhold der fremtiden allerede eksisterer, men ennå ikke er kjent. Vitenskapen svarer på dette spørsmålet slik: sannsynligheter. Fremtiden er ikke en pinne, men en hel kost med mulige scenarier. Hvilken som vil gå i oppfyllelse - vi finner ut når vi kommer dit.
Hver av sannsynlighetene eksisterer som et "endimensjonalt" segment på "planet" i den femte dimensjonen. Hva er den raskeste måten å hoppe fra et segment til et annet? Det er riktig - bøy dette planet som et ark. Hvor skal man bøye seg? Og igjen er det riktig - i den sjette dimensjonen, som gir hele den kompliserte strukturen "volum". Og dermed gjør det, som et tredimensjonalt rom, "ferdig", til et nytt poeng.
Den syvende dimensjonen er en ny rett linje, som består av seksdimensjonale "punkter". Hva er noe annet poeng på denne linjen? Hele det uendelige settet med alternativer for utvikling av hendelser i et annet univers, dannet ikke som et resultat av Big Bang, men under forskjellige forhold, og handler i henhold til forskjellige lover. Det vil si at den syvende dimensjonen er perler fra parallelle verdener. Den åttende dimensjonen samler disse "linjene" i ett "plan". Og den niende kan sammenlignes med en bok som passer til alle "arkene" i den åttende dimensjonen. Det er en samling av alle historiene til alle universer med alle fysikkens lover og alle de første betingelsene. Pek på nytt.
Her løper vi inn i grensen. For å forestille oss den tiende dimensjonen trenger vi en rett linje. Og hvilket annet poeng kan det være på denne rette linjen hvis den niende dimensjonen allerede dekker alt som kan tenkes, og til og med det som er umulig å forestille seg? Det viser seg at den niende dimensjonen ikke bare er et annet utgangspunkt, men den endelige - for vår fantasi, i alle fall.
Stringteori hevder at det er i den tiende dimensjonen at strengene vibrerer - de grunnleggende partiklene som utgjør alt. Hvis den tiende dimensjonen inneholder alle universer og alle muligheter, så finnes strengene overalt og hele tiden. På en måte eksisterer hver streng i vårt univers, og alle andre. Til enhver tid. Med en gang. Kult, ikke sant?
Fysiker, ekspert på strengteori. Kjent for sitt arbeid med speilsymmetri relatert til topologien til de tilsvarende Calabi-Yau-manifolder. Han er kjent for et bredt publikum som forfatter av populærvitenskapelige bøker. Hans elegante univers ble nominert til en Pulitzer-pris.
I september 2013 ankom Brian Greene til Moskva på invitasjon av det polytekniske museet. Den berømte fysikeren, strengteoretikeren, professor ved Columbia University. Han er kjent for allmennheten først og fremst som en populariserer av vitenskap og forfatteren av boken "Elegant Universe". Lenta.ru snakket med Brian Greene om strengteori og de siste utfordringene den har møtt, så vel som kvantetyngdekraft, amplitudehedron og sosial kontroll.
