Superstrengteori: eksisterer alle ting i 11 dimensioner?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Du har sikkert hørt, at vor tids mest populære videnskabelige teori, strengteori, involverer mange flere dimensioner, end sund fornuft antyder.

Det største problem for teoretiske fysikere er, hvordan man kombinerer alle grundlæggende interaktioner (tyngdekraft, elektromagnetisk, svag og stærk) i en enkelt teori. Superstrengteori hævder at være teorien om alting.

Men det viste sig, at det mest bekvemme antal dimensioner, der kræves for at denne teori kan fungere, er ti (hvoraf ni er rumlige, og en er midlertidig)! Hvis der er flere eller færre målinger, giver matematiske ligninger irrationelle resultater, der går til det uendelige – en singularitet.

Det næste trin i udviklingen af superstrengteori - M-teori - har allerede talt elleve dimensioner. Og endnu en version af det - F-teori - alle tolv. Og dette er slet ikke en komplikation. F-teori beskriver 12-dimensionelt rum ved simplere ligninger end M-teori - 11-dimensionelt.

Selvfølgelig er det ikke for ingenting, at teoretisk fysik kaldes teoretisk. Alle hendes præstationer hidtil eksisterer kun på papiret. Så for at forklare, hvorfor vi kun kan bevæge os i tredimensionelt rum, begyndte videnskabsmænd at tale om, hvordan de uheldige andre dimensioner måtte krympe til kompakte sfærer på kvanteniveau. For at være præcis, ikke i sfærer, men i Calabi-Yau rum. Disse er sådanne tredimensionelle figurer, indeni hvilke deres egen verden med sin egen dimension. En todimensionel projektion af sådanne manifolds ser sådan ud:

Mere end 470 millioner af sådanne figurer er kendt. Hvilken af dem, der svarer til vores virkelighed, er ved at blive beregnet. Det er ikke let at være teoretisk fysiker.

Ja, det virker lidt langt ude. Men måske er det netop det, der forklarer, hvorfor kvanteverdenen er så forskellig fra, hvad vi opfatter.

Lad os dykke lidt ned i historien

I 1968 undersøgte den unge teoretiske fysiker Gabriele Veneziano forståelsen af de talrige eksperimentelt observerede karakteristika ved den stærke nukleare interaktion. Veneziano, som på det tidspunkt arbejdede på CERN, European Accelerator Laboratory i Genève (Schweiz), arbejdede med dette problem i flere år, indtil han en dag blev ramt af et strålende gæt. Til sin store overraskelse indså han, at en eksotisk matematisk formel, opfundet omkring to hundrede år tidligere af den berømte schweiziske matematiker Leonard Euler til rent matematiske formål - den såkaldte Euler beta-funktion - ser ud til at kunne beskrive med ét hug alle de talrige egenskaber ved partikler involveret i stærk kernekraft. Egenskaben noteret af Veneziano gav en kraftfuld matematisk beskrivelse af mange træk ved stærk interaktion; det udløste en byge af arbejde, hvor beta-funktionen og dens forskellige generaliseringer blev brugt til at beskrive de enorme mængder data, der blev akkumuleret i studiet af partikelkollisioner rundt om i verden. Men på en måde var Venezianos observation ufuldstændig. Som en memoreret formel brugt af en elev, der ikke forstår dens betydning eller betydning, virkede Eulers betafunktion, men ingen forstod hvorfor. Det var en formel, der trængte til en forklaring.

Gabriele Veneziano

Dette ændrede sig i 1970, da Yohiro Nambu fra University of Chicago, Holger Nielsen fra Niels Bohr Institute og Leonard Susskind fra Stanford University var i stand til at afdække den fysiske betydning bag Eulers formel. Disse fysikere viste, at når elementarpartikler er repræsenteret af små vibrerende endimensionelle strenge, er den stærke interaktion mellem disse partikler nøjagtigt beskrevet ved hjælp af Euler-funktionen. Hvis strengsegmenterne er små nok, ræsonnerede disse forskere, vil de stadig ligne punktpartikler og vil derfor ikke modsige resultaterne af eksperimentelle observationer. Selvom denne teori var enkel og intuitivt tiltalende, blev det hurtigt vist, at beskrivelsen af stærke interaktioner ved hjælp af strenge var mangelfuld. I begyndelsen af 1970'erne. højenergifysikere har været i stand til at se dybere ind i den subatomære verden og har vist, at nogle af strengmodellens forudsigelser er i direkte modstrid med observationer. Samtidig foregik udviklingen af kvantefeltteori - kvantekromodynamik - hvori punktmodellen af partikler blev brugt, sideløbende. Denne teoris succes med at beskrive den stærke interaktion førte til opgivelsen af strengteori.

De fleste partikelfysikere troede, at strengteori var for evigt i skraldespanden, men en række forskere forblev tro mod det. Schwartz mente for eksempel, at "strengteoriens matematiske struktur er så smuk og har så mange slående egenskaber, at den utvivlsomt burde pege på noget dybere."²). Et af de problemer, fysikere stod over for med strengteori, var, at den så ud til at tilbyde for mange valgmuligheder, hvilket var forvirrende.

Nogle af de vibrerende strengkonfigurationer i denne teori havde egenskaber, der lignede gluonernes, hvilket gav grund til virkelig at betragte det som en teori om stærke interaktioner. Men udover dette indeholdt den yderligere partikler-bærere af interaktion, som ikke havde noget at gøre med de eksperimentelle manifestationer af stærk interaktion. I 1974 lavede Schwartz og Joel Scherk fra den franske Graduate School of Technology en dristig antagelse, der gjorde denne opfattede fejl til en dyd. Efter at have studeret strengenes mærkelige vibrationstilstande, der minder om bærerpartikler, indså de, at disse egenskaber falder overraskende nøjagtigt sammen med de påståede egenskaber af en hypotetisk bærerpartikel af tyngdekraftsinteraktion - gravitonen. Selvom disse "små partikler" af gravitationsinteraktion endnu ikke er blevet opdaget, kan teoretikere med sikkerhed forudsige nogle af de grundlæggende egenskaber, som disse partikler burde have. Scherk og Schwartz fandt ud af, at disse egenskaber er nøjagtigt realiseret for nogle vibrationstilstande. Baseret på dette antog de, at den første fremkomst af strengteori endte i fiasko på grund af, at fysikere for meget indsnævrede dens omfang. Sherk og Schwartz meddelte, at strengteori ikke kun er en teori om den stærke kraft, det er en kvanteteori, der blandt andet inkluderer tyngdekraften).

Det fysiske samfund reagerede på denne antagelse med en meget tilbageholden holdning. Faktisk, som Schwartz huskede, "vores arbejde blev ignoreret af alle."⁴). Fremskridtsvejene er allerede blevet grundigt fyldt med talrige mislykkede forsøg på at kombinere tyngdekraft og kvantemekanik. Strengteori mislykkedes i sit indledende forsøg på at beskrive stærke interaktioner, og mange følte, at det var meningsløst at forsøge at bruge den til at nå endnu større mål. Efterfølgende mere detaljerede undersøgelser af slutningen af 1970'erne og begyndelsen af 1980'erne. viste, at mellem strengteori og kvantemekanik opstår deres egne, omend mindre i skala, modsætninger. Indtrykket var, at gravitationskraften igen var i stand til at modstå forsøget på at bygge den ind i beskrivelsen af universet på mikroskopisk niveau.

Sådan var det indtil 1984. I deres skelsættende papir, der opsummerede mere end et årti med intens forskning, der stort set blev ignoreret eller afvist af de fleste fysikere, fandt Green og Schwartz, at den mindre modsigelse med kvanteteorien, der plagede strengteorien, kunne løses. Desuden viste de, at den resulterende teori er bred nok til at dække alle fire typer af interaktioner og alle typer stof. Nyheden om dette resultat spredte sig i hele fysiksamfundet: hundredvis af partikelfysikere holdt op med at arbejde på deres projekter for at deltage i, hvad der så ud som det sidste teoretiske slag i et århundreder gammelt angreb på universets dybeste grundlag.

Nyheden om Green og Schwartz' succes nåede til sidst selv kandidatstuderende på deres første studieår, og den tidligere modløshed blev erstattet af en spændende følelse af involvering i et vendepunkt i fysikkens historie. Mange af os sad dybt efter midnat og studerede vægtige tekster om teoretisk fysik og abstrakt matematik, hvis viden er nødvendig for at forstå strengteori.

Strengteori-fysikere er dog stødt på alvorlige forhindringer igen og igen undervejs. I teoretisk fysik skal man ofte forholde sig til ligninger, der enten er for komplekse at forstå eller svære at løse. Normalt i en sådan situation giver fysikere ikke op og forsøger at få en omtrentlig løsning af disse ligninger. Tilstanden i strengteori er meget mere kompliceret. Selv udledningen af ligningerne viste sig at være så kompliceret, at det hidtil kun har været muligt at få deres omtrentlige form. Fysikere, der arbejder med strengteori, befinder sig således i en situation, hvor de skal lede efter omtrentlige løsninger på tilnærmede ligninger. Efter flere år med forbløffende fremskridt under den første revolution inden for superstrengteori, stod fysikerne over for, at de omtrentlige ligninger, der blev brugt, ikke var i stand til at give det rigtige svar på en række vigtige spørgsmål, og derved hæmmede den videre udvikling af forskning. Mange strengfysikere, der manglede konkrete ideer til at gå ud over disse omtrentlige metoder, oplevede voksende frustration og vendte tilbage til deres tidligere forskning. For dem, der blev, slutningen af 1980'erne og begyndelsen af 1990'erne. var testperioden.

Strengteoriens skønhed og potentielle kraft vinkede forskerne som en guldskat låst sikkert i et pengeskab, kun synligt gennem et lille kighul, men ingen havde en nøgle til at udløse disse slumrende kræfter. En lang periode med "tørke" fra tid til anden blev afbrudt af vigtige opdagelser, men det stod klart for enhver, at der var behov for nye metoder, som ville gøre det muligt at gå ud over de allerede kendte omtrentlige løsninger.

Afslutningen på stagnationen kom med en betagende tale holdt af Edward Witten ved String Theory Conference i 1995 på University of Southern California – en tale, der forbløffede et publikum spækket med verdens førende fysikere. Heri løftede han sløret for planen for den næste fase af forskningen og indledte dermed den "anden revolution inden for superstrengteori." Nu arbejder strengteoretikere energisk på nye metoder, der lover at overvinde de forhindringer, de møder.

For den udbredte popularisering af TS bør menneskeheden opføre et monument til Columbia University professor Brian Greene. Hans bog fra 1999 Elegant Universe. Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory”blev en bestseller og modtog en Pulitzer-pris. Videnskabsmandens arbejde dannede grundlaget for en populærvidenskabelig miniserie med forfatteren selv i rollen som vært - et fragment af det kan ses i slutningen af materialet (foto af Amy Sussman / Columbia University).

klikbar 1700 px

Lad os nu prøve at forstå essensen af denne teori i det mindste lidt

Start forfra. Nuldimensionen er et punkt. Hun har ingen dimensioner. Der er ingen steder at bevæge sig, ingen koordinater er nødvendige for at angive en placering i en sådan dimension.

Lad os sætte det andet ved siden af det første punkt og trække en linje gennem dem. Her er den første dimension. Et endimensionelt objekt har en størrelse - en længde - men ingen bredde eller dybde. Bevægelse inden for rammerne af et-dimensionelt rum er meget begrænset, fordi den forhindring, der er opstået på vejen, ikke kan undgås. Det kræver kun én koordinat at finde på denne linje.

Lad os sætte et punkt ved siden af segmentet. For at passe til begge disse objekter har vi brug for et todimensionelt rum, der har længde og bredde, det vil sige et areal, men uden dybde, det vil sige volumen. Placeringen af ethvert punkt på dette felt bestemmes af to koordinater.

Den tredje dimension opstår, når vi tilføjer en tredje koordinatakse til dette system. For os, indbyggerne i det tredimensionelle univers, er det meget let at forestille sig dette.

Lad os prøve at forestille os, hvordan indbyggerne i det todimensionelle rum ser verden. For eksempel, her er disse to personer:

Hver af dem vil se deres ven sådan her:

Men i denne situation:

Vores helte vil se hinanden sådan her:

Det er ændringen af synspunkter, der gør det muligt for vores helte at bedømme hinanden som todimensionelle objekter, og ikke endimensionelle segmenter.

Lad os nu forestille os, at et bestemt volumetrisk objekt bevæger sig i den tredje dimension, som krydser denne todimensionelle verden. For en udefrakommende observatør vil denne bevægelse komme til udtryk i en ændring i todimensionelle projektioner af et objekt på et plan, som broccoli i en MR-maskine:

Men for en indbygger i vores Flatland er sådan et billede uforståeligt! Han er slet ikke i stand til at forestille sig hende. For ham vil hver af de todimensionelle projektioner blive set som et endimensionelt segment med en mystisk variabel længde, der opstår på et uforudsigeligt sted og også uforudsigeligt forsvinder. Forsøg på at beregne længden og oprindelsesstedet for sådanne objekter ved hjælp af fysikkens love i det todimensionale rum er dømt til at mislykkes.

Vi, indbyggerne i den tredimensionelle verden, ser alt som todimensionelt. Kun bevægelsen af et objekt i rummet tillader os at mærke dets volumen. Vi vil også se ethvert multidimensionelt objekt som todimensionelt, men det vil forbløffende ændre sig afhængigt af vores forhold til det eller tid.

Ud fra dette synspunkt er det interessant at tænke på tyngdekraften f.eks. Alle har sikkert set lignende billeder:

Det er sædvanligt at skildre på dem, hvordan tyngdekraften bøjer rum-tid. Bøjninger … hvor? Netop i ingen af de dimensioner, vi kender til. Og hvad med kvantetunnelering, det vil sige en partikels evne til at forsvinde ét sted og optræde et helt andet sted, desuden bag en forhindring, som den i vores virkelighed ikke kunne trænge igennem uden at lave et hul i den? Hvad med sorte huller? Men hvad nu hvis alle disse og andre mysterier i moderne videnskab forklares med, at rummets geometri slet ikke er den samme, som vi plejede at opfatte det?

Uret tikker

Tid tilføjer endnu en koordinat til vores univers. For at en fest kan finde sted, skal du ikke kun vide, i hvilken bar det finder sted, men også det nøjagtige tidspunkt for denne begivenhed.

Baseret på vores opfattelse er tid ikke så meget en lige linje som en stråle. Det vil sige, at den har et udgangspunkt, og bevægelsen udføres kun i én retning – fra fortiden til fremtiden. Og kun nuet er virkeligt. Hverken fortid eller fremtid eksisterer, ligesom der ikke er morgenmad og middage set fra en kontorassistents synspunkt ved frokosttid.

Men relativitetsteorien er ikke enig heri. Fra hendes synspunkt er tid en fuldgyldig dimension. Alle begivenheder, der eksisterede, eksisterer og vil eksistere, er lige så virkelige, som havets strand er virkelig, uanset hvor drømmene om brændingens lyd overraskede os. Vores opfattelse er bare noget som et søgelys, der oplyser et eller andet segment på en lige linje af tiden. Menneskeheden i sin fjerde dimension ser sådan ud:

Men vi ser kun en projektion, et udsnit af denne dimension på hvert separat tidspunkt i tiden. Ja, ligesom broccoli på en MR-maskine.

Indtil nu har alle teorier arbejdet med en lang række rumlige dimensioner, og tidsmæssigt har altid været den eneste. Men hvorfor tillader rummet fremkomsten af flere dimensioner for rummet, men kun én gang? Indtil videnskabsmænd kan besvare dette spørgsmål, vil hypotesen om to eller flere tidsrum virke meget attraktiv for alle filosoffer og science fiction-forfattere. Ja, og fysikere, hvad er der egentlig. For eksempel ser den amerikanske astrofysiker Yitzhak Bars den anden tidsdimension som roden til alle problemer med Theory of Everything. Lad os som en mental øvelse prøve at forestille os en verden med to tider.

Hver dimension eksisterer separat. Dette kommer til udtryk ved, at hvis vi ændrer koordinaterne for et objekt i én dimension, kan koordinaterne i andre forblive uændrede. Så hvis du bevæger dig langs en tidsakse, der skærer en anden i en ret vinkel, stopper tiden omkring ved skæringspunktet. I praksis vil det se sådan ud:

Alt Neo skulle gøre var at placere sin endimensionelle tidsakse vinkelret på kuglernes tidsakse. Ren bagatel, enig. Faktisk er alt meget mere kompliceret.

Den nøjagtige tid i et univers med to tidsdimensioner vil blive bestemt af to værdier. Er det svært at forestille sig en todimensionel begivenhed? Det vil sige en, der strækker sig samtidigt langs to tidsakser? Det er sandsynligt, at en sådan verden vil kræve specialister i tidskortlægning, da kartografer kortlægger klodens todimensionelle overflade.

Hvad ellers adskiller todimensionelt rum fra etdimensionelt rum? Evnen til at omgå en forhindring, f.eks. Dette er allerede fuldstændig ud over vores sinds grænser. En indbygger i en endimensionel verden kan ikke forestille sig, hvordan det er at dreje et hjørne. Og hvad er det her - et hjørne i tiden? Derudover kan du i todimensionelt rum rejse frem, tilbage, men i det mindste diagonalt. Jeg aner ikke, hvordan det er at gå diagonalt gennem tiden. Jeg taler ikke engang om det faktum, at tid er grundlaget for mange fysiske love, og det er umuligt at forestille sig, hvordan universets fysik vil ændre sig med fremkomsten af en anden tidsmæssig dimension. Men at tænke over det er så spændende!

Et meget stort leksikon

Andre dimensioner er endnu ikke opdaget og eksisterer kun i matematiske modeller. Men du kan prøve at forestille dig dem sådan her.

Som vi fandt ud af tidligere, ser vi en tredimensionel projektion af universets fjerde (tids)dimension. Med andre ord er hvert øjeblik af vores verdens eksistens et punkt (svarende til nuldimensionen) i tidsintervallet fra Big Bang til Verdens Ende.

De af jer, der har læst om tidsrejser, ved, hvor vigtig krumningen af rum-tidskontinuummet spiller i dem. Dette er den femte dimension - det er i den, at den firedimensionelle rumtid "bøjes" for at samle nogle to punkter på denne lige linje. Uden dette ville rejsen mellem disse punkter være for lang eller endda umulig. Groft sagt ligner den femte dimension den anden - den flytter den "en-dimensionelle" linje af rum-tid ind i det "to-dimensionelle" plan med alle de efterfølgende muligheder for at vikle sig rundt om et hjørne.

Vores særligt filosofisk indstillede læsere har nok lidt tidligere tænkt over muligheden for fri vilje under forhold, hvor fremtiden allerede eksisterer, men endnu ikke er kendt. Videnskaben besvarer dette spørgsmål sådan her: sandsynligheder. Fremtiden er ikke en pind, men en hel kost af mulige scenarier. Hvilken vil gå i opfyldelse – det finder vi ud af, når vi når dertil.

Hver af sandsynligheden eksisterer som et "endimensionelt" segment på "planet" af den femte dimension. Hvad er den hurtigste måde at springe fra et segment til et andet? Det er rigtigt - bøj dette fly som et ark papir. Hvor skal man bøje? Og igen er det korrekt - i den sjette dimension, som giver "volumen" til hele denne komplekse struktur. Og dermed gør det, som et tredimensionelt rum, "færdigt", til et nyt punkt.

Den syvende dimension er en ny lige linje, som består af seksdimensionelle "punkter". Hvad er et andet punkt på denne linje? Hele det uendelige sæt af muligheder for udvikling af begivenheder i et andet univers, dannet ikke som et resultat af Big Bang, men under forskellige forhold, og handler i overensstemmelse med forskellige love. Det vil sige, at den syvende dimension er perler fra parallelle verdener. Den ottende dimension samler disse "linjer" i ét "plan". Og den niende kan sammenlignes med en bog, der passer til alle "arkene" i den ottende dimension. Det er en samling af alle historier fra alle universer med alle fysikkens love og alle begyndelsesbetingelser. Peg igen.

Her løber vi ind i grænsen. For at forestille os den tiende dimension har vi brug for en lige linje. Og hvilken anden pointe kan der være på denne linje, hvis den niende dimension allerede dækker alt, hvad der kan forestilles, og endda det, der er umuligt at forestille sig? Det viser sig, at den niende dimension ikke er endnu et udgangspunkt, men det sidste - for vores fantasi i hvert fald.

Strengteorien siger, at det er i den tiende dimension, at strenge vibrerer – de grundlæggende partikler, der udgør alt. Hvis den tiende dimension indeholder alle universer og alle muligheder, så eksisterer strenge overalt og hele tiden. Jeg mener, enhver streng eksisterer i vores univers og enhver anden. Til enhver tid. Med det samme. Fedt, hva'?

I september 2013 ankom Brian Green til Moskva på invitation fra Polytechnic Museum. Den berømte fysiker, strengteoretiker, professor ved Columbia University, han er kendt af den brede offentlighed primært som en popularizer af videnskab og forfatter til bogen "Elegant Universe". Lenta.ru talte med Brian Green om strengteori og de seneste udfordringer, den har stået over for, såvel som kvantetyngdekraft, amplitude og social kontrol.