Vai stīgu teorija ir vienota teorija par visu? Stīgu teorija vienkāršā izteiksmē

Visaptveroši pētot mūsu Visumu, zinātnieki nosaka vairākas likumsakarības, faktus, kas vēlāk kļūst par hipotēžu pierādītiem likumiem. Pamatojoties uz tiem, citi pētījumi turpina sniegt ieguldījumu visaptverošā pasaules skaitļu izpētē.

Visuma stīgu teorija ir veids, kā attēlot Visuma telpu, kas sastāv no noteiktiem pavedieniem, kurus sauc par stīgām un branām. Vienkārši sakot (manekeniem), pasaules pamatā ir nevis daļiņas (kā mēs zinām), bet gan vibrējoši enerģijas elementi, ko sauc par stīgām un branām. Auklas izmērs ir ļoti, ļoti mazs - apmēram 10 -33 cm.

Kam tas paredzēts un vai noderēja? Teorija kalpoja par stimulu jēdziena "gravitācija" aprakstam.

Stīgu teorija ir matemātiska, tas ir, fizisko dabu apraksta ar vienādojumiem. Viņu ir daudz, bet nav neviena un patiesa. Eksperimentāli slēptās Visuma dimensijas vēl nav identificētas.

Teorija balstās uz 5 jēdzieniem:

1. Pasaule sastāv no vibrējošiem pavedieniem un enerģijas membrānām.
2. Teorija balstās uz gravitācijas un kvantu fizikas teoriju.
3. Teorija apvieno visus galvenos Visuma spēkus.
4. Daļiņām bozoniem un fermioniem ir jauna veida savienojums - supersimetrija.
5. Teorija apraksta mērījumus Visumā, kas nav novērojami ar cilvēka aci.

Salīdzinājums ar ģitāru var palīdzēt labāk izprast stīgu teoriju.

Pirmo reizi pasaule par šo teoriju dzirdēja divdesmitā gadsimta septiņdesmitajos gados. Zinātnieku vārdi šīs hipotēzes izstrādē:

• Witten;
• Veneziano;
• Zaļš;
• Bruto;
• Kaku;
• Maldacena;
• Poļakovs;
• Susskind;
• Švarcs.

Enerģijas pavedieni tika uzskatīti par viendimensionāliem - stīgām. Tas nozīmē, ka auklai ir 1 dimensija – garums (augstuma nav). Ir 2 veidi:

• atvērts, kurā gali nesaskaras viens ar otru;
• slēgts - cilpa.

Tika konstatēts, ka viņi var mijiedarboties un šādas iespējas 5. Tas ir balstīts uz spēju savienot, atdalīt galus. Zvanu virkņu neesamība nav iespējama, jo ir iespēja apvienot atvērtās stīgas.

Rezultātā zinātnieki uzskata, ka teorija spēj aprakstīt nevis daļiņu savienību, bet gan uzvedību, gravitācijas spēku. Zari vai loksnes tiek uzskatītas par elementiem, pie kuriem ir piestiprinātas auklas.

Jums būs interesanti

Kvantu gravitācija

Fizikā ir kvantu likums un vispārējā relativitāte. Kvantu fizika pēta daļiņas Visuma mērogā. Hipotēzes tajā sauc par kvantu gravitācijas teorijām, starp svarīgākajām ir stīgu hipotēzes.

Slēgtie pavedieni tajā darbojas saskaņā ar gravitācijas spēkiem, kam piemīt gravitona īpašības - daļiņa, kas pārnes īpašības starp daļiņām.

Apvienojot spēkus... Teorija ietver apvienotos spēkus vienā - elektromagnētiskos, kodolos, gravitācijas. Zinātnieki uzskata, ka tā tas bija agrāk, pirms spēku sadalīšanas.

Supersimetrija... Saskaņā ar supersimetrijas jēdzienu pastāv saikne starp bozoniem un fermioniem (Visuma struktūras vienībām). Katram no bozoniem ir fermions, un ir otrādi: fermionam ir bozons. Tas ir aprēķināts, pamatojoties uz vienādojumiem, bet nav eksperimentāli apstiprināts. Supersimetrijas priekšrocība ir iespēja izslēgt noteiktus mainīgos (bezgalīgos, iedomātos enerģijas līmeņus).

Pēc fiziķu domām, iemesls nespējai pierādīt supersimetriju ir iemesls nepieciešamībai pēc lielas enerģijas, kas saistīta ar masu. Tas bija agrāk, pirms temperatūras pazemināšanās perioda Visumā. Pēc Lielā sprādziena notika enerģijas izkliede un daļiņu pāreja uz zemākiem enerģijas līmeņiem.

Vienkārši sakot, stīgas, kas varēja vibrēt ar augstas enerģijas daļiņu īpašībām, to zaudējot, kļuva par zemu vibrāciju.

Radot daļiņu paātrinātājus, zinātnieki vēlas identificēt supersimetriskus elementus ar nepieciešamo enerģijas līmeni.

Stīgu teorijas papildu dimensijas

Stīgu teorijas sekas ir matemātiskais attēlojums, ka jābūt vairāk nekā 3 dimensijām. Pirmais skaidrojums tam ir tāds, ka papildu izmēri ir kļuvuši kompakti, kā rezultātā tos nevar redzēt, uztvert.

Mēs eksistējam 3D brānā, nošķirti no citām dimensijām. Vienīgi spēja izmantot matemātisko modelēšanu deva cerību iegūt koordinātas, kas tās savienotu. Jaunākie pētījumi šajā jomā liecina par jaunu optimistisku datu parādīšanos.

Vienkārša mērķa izpratne

Zinātnieki visā pasaulē, pētot superstīgas, mēģina pamatot teoriju par visu fizisko realitāti. Viena hipotēze varētu raksturot visu fundamentālā līmenī, izskaidrojot planētas uzbūves jautājumus.

Stīgu teorija radās, aprakstot hadronus, daļiņas ar augstākiem virknes vibrācijas stāvokļiem. Īsāk sakot, viņa viegli izskaidro pāreju no garuma uz masu.

Ir daudz superstīgu teoriju. Mūsdienās nav droši zināms, vai ar tās palīdzību iespējams izskaidrot telpas-laika teoriju precīzāk nekā Einšteins. Veiktie mērījumi nesniedz precīzus datus. Daži no tiem, kas nodarbojas ar telpu-laiku, bija stīgu mijiedarbības sekas, taču galu galā tika kritizēti.

Gravitācijas teorija kļūs par aprakstītās teorijas galvenajām sekām, ja tā tiks apstiprināta.

Stīgas un branas ir kļuvušas par stimulu vairāk nekā 10 tūkstošu iespēju rašanās iespējai Visuma vērtēšanai. Internetā ir publiski pieejamas grāmatas par stīgu teoriju, kuras autori sīki un skaidri aprakstījuši:

• Yau Shintan;
• Stīvs Nadiss, Stīgu teorija un Visuma slēptās dimensijas;
• Braiens Grīns par to runā "Elegantajā Visumā".

Viedokļus, pierādījumus, argumentāciju un visas mazākās detaļas var atrast, apskatot kādu no daudzajām grāmatām, kas ir pieejamas un interesantas, lai izprastu informāciju par pasauli. Fiziķi izskaidro esošo Visumu ar mūsu atklājumu, citu Visumu esamību (pat līdzīgu mūsējam). Pēc Einšteina domām, pastāv sabrukusi kosmosa versija.

Superstīgu teorijā paralēlo pasauļu punkti var savienoties. Iedibinātie likumi fizikā ļauj cerēt uz pārejas iespēju starp Visumiem. Tajā pašā laikā gravitācijas kvantu teorija to neitralizē.

Fiziķi runā arī par hologrāfisko datu fiksāciju, kad tie tiek ierakstīti uz virsmas. Tas dos stimulu nākotnē izprast spriedumus par enerģijas pavedieniem. Ir spriedumi par laika dimensiju daudzveidību un kustības iespējamību tajā. Lielā sprādziena hipotēze 2 branu sadursmes dēļ runā par ciklu atkārtošanās iespēju.

Visums, visa rašanās un visa pakāpeniska pārveide vienmēr ir nodarbinājuši izcilos cilvēces prātus. Jauni atklājumi bija, ir un būs. Stīgu teorijas galīgā interpretācija ļaus noteikt matērijas blīvumu, kosmoloģisko konstanti.

Pateicoties tam, tie noteiks Visuma spēju sarauties līdz nākamajam sprādziena brīdim un visa jaunam sākumam. Teorijas tiek izstrādātas, pierādītas, un tās pie kaut kā noved. Tātad Einšteina vienādojums, kas apraksta enerģijas atkarību no masas un gaismas ātruma kvadrātu E = mc ^ 2, vēlāk kļuva par stimulu kodolieroču parādīšanās. Pēc tam tika izgudrots arī lāzers un tranzistors. Šodien nav zināms, ko sagaidīt, bet tas noteikti pie kaut kā novedīs.

20. gadsimta sākumā izveidojās divi mūsdienu zinātnes atziņu balsti. Viena no tām ir Einšteina vispārējā relativitātes teorija, kas izskaidro gravitācijas fenomenu un telpas-laika struktūru. Otra ir kvantu mehānika, kas apraksta fiziskos procesus caur varbūtības prizmu. Stīgu teorija ir izstrādāta, lai apvienotu šīs divas pieejas. To var īsi un skaidri izskaidrot, izmantojot analoģijas ikdienas dzīvē.

Stīgu teorija vienkāršā izteiksmē

Vienas no slavenākajām "visa teorijām" galvenie noteikumi ir šādi:

1. Visuma pamatu veido paplašināti objekti, kas pēc formas atgādina stīgas;
2. Šie priekšmeti mēdz veikt dažādas vibrācijas, it kā uz mūzikas instrumenta;
3. Šo vibrāciju rezultātā veidojas dažādas elementārdaļiņas (kvarki, elektroni utt.).
4. Iegūtā objekta masa ir tieši proporcionāla ideālās vibrācijas amplitūdai;
5. Teorija palīdz paskatīties uz melnajiem caurumiem jaunā veidā;
6. Tāpat ar jaunās doktrīnas palīdzību bija iespējams atklāt gravitācijas spēku mijiedarbībā starp fundamentālajām daļiņām;
7. Atšķirībā no šobrīd valdošajiem četrdimensiju pasaules jēdzieniem jaunajā teorijā tiek ieviestas papildu dimensijas;
8. Pašlaik šī koncepcija vēl nav oficiāli pieņemta plašākā zinātnieku aprindās. Nav zināms neviens eksperiments, kas apstiprinātu šo harmonisko un pārbaudīto teoriju uz papīra.

Vēsturiska atsauce

Šīs paradigmas vēsture aptver vairākus gadu desmitus ilgus intensīvus pētījumus. Pateicoties kopējiem fiziķu pūliņiem visā pasaulē, tika izstrādāta saskaņota teorija, kas ietver kondensētās vielas, kosmoloģijas un teorētiskās matemātikas jēdzienus.

Tās attīstības galvenie posmi:

1. 1943-1959 Parādījās Vernera Heizenberga doktrīna par s-matricu, kuras ietvaros tika ierosināts kvantu parādībām atmest telpas un laika jēdzienus. Heizenbergs vispirms atklāja, ka spēcīgas mijiedarbības dalībnieki ir paplašināti objekti, nevis punkti;
2. 1959-1968 Ir atrastas daļiņas ar lieliem spiniem (leņķiskais moments). Itāļu fiziķis Tullio Regge ierosinās grupēt kvantu stāvokļus trajektorijās (kas tika nosauktas viņa vārdā);
3. 1968-1974 Garibrele Veneziano ierosināja dubultās rezonanses modeli, lai aprakstītu spēcīgu mijiedarbību. Joširo Nambu virzīja šo ideju tālāk un raksturoja kodolspēkus kā vibrācijas viendimensijas stīgas;
4. 1974-1994 Superstīgu atklāšana, lielā mērā pateicoties krievu zinātnieka Aleksandra Poļakova darbam;
5. 1994-2003 M-teorijas rašanās, atļauts vairāk nekā 11, izmēru skaits;
6. 2003. gads - tagad v. Maikls Duglass izstrādāja ainavas stīgu teoriju ar šo koncepciju viltus vakuums.

Kvantu stīgu teorija

Jaunās zinātniskās paradigmas galvenie objekti ir izcilākie priekšmeti, kas ar savām svārstību kustībām piešķir masu un lādiņu jebkurai elementārdaļiņai.

Stīgu galvenās īpašības saskaņā ar mūsdienu koncepcijām:

• To garums ir ārkārtīgi mazs - apmēram 10 -35 metri. Līdzīgā mērogā kvantu mijiedarbība kļūst pamanāma;
• Tomēr parastos laboratorijas apstākļos, kas netiek galā ar tik maziem objektiem, virkne ir absolūti neatšķirama no bezizmēra punktveida objekta;
• Svarīga virknes objekta īpašība ir orientācija. Stīgas, kurām tas ir, ir savienotas pārī ar pretējo virzienu. Ir arī neparedzēti gadījumi.

Virknes var pastāvēt gan kā līnijas segments, ierobežots abos galos, gan slēgtas cilpas formā. Turklāt ir iespējamas šādas transformācijas:

• Līnija vai cilpa var "reizināties", radot atbilstošu objektu pāri;
• Segments rada cilpu, ja daļa no tā "cilpas";
• Cilpa pārtrūkst un kļūst par atvērtu virkni;
• Abi segmenti tiek apmainīti segmentos.

Citi fundamentālie objekti

1995. gadā izrādījās, ka ne tikai viendimensijas objekti ir mūsu Visuma celtniecības bloki. Tika prognozēta neparastu veidojumu esamība - branes- cilindra vai tilpuma gredzena formā, kam ir šādas īpašības:

• Tie ir vairākus miljardus reižu mazāki par atomiem;
• Tie var izplatīties telpā un laikā, tiem ir masa un lādiņš;
• Mūsu Visumā tie ir trīsdimensiju objekti. Tomēr tiek pieņemts, ka to forma ir daudz noslēpumaināka, jo ievērojama daļa no tiem var izvērsties citās dimensijās;
• Daudzdimensionālā telpa, ko slēpj branas, ir hipertelpa;
• Šīs struktūras ir saistītas ar daļiņu esamību, kas ir gravitācijas spēka nesēji - gravitoniem. Tās brīvi atdalās no branām un vienmērīgi ieplūst citās dimensijās;
• Uz branām lokalizēta arī elektromagnētiskā, kodolenerģijas un vājā mijiedarbība;
• Vissvarīgākā šķirne ir D-brāna. Atvērtās auklas gala punkti ir piestiprināti pie to virsmas brīdī, kad tā iet cauri telpai.

Kritiskas piezīmes

Kā jebkura zinātniska revolūcija, arī šī izlaužas cauri tradicionālo uzskatu piekritēju pārpratumiem un kritikas ērkšķiem.

Daži no visbiežāk sastopamajiem komentāriem ir:

• Telpas-laika papildu dimensiju ieviešana rada hipotētisku iespēju, ka pastāv liels skaits visumu. Pēc matemātiķa Pētera Volta domām, tas noved pie neiespējamības paredzēt jebkādus procesus vai parādības. Katrs eksperiments aktivizē lielu skaitu dažādu scenāriju, kurus var interpretēt dažādi;
• Nav apstiprinājuma iespējas. Mūsdienu tehnoloģiju attīstības līmenis neļauj eksperimentāli apstiprināt vai atspēkot rakstāmgalda pētījumus;
• Nesenie astronomisko objektu novērojumi labi nesaskan ar teoriju, kas liek zinātniekiem pārskatīt dažus savus secinājumus;
• Vairāki fiziķi uzskata, ka šis jēdziens ir spekulatīvs un kavē citu fundamentālu jēdzienu attīstību.

Iespējams, ir vieglāk pierādīt Fermā teorēmu, nekā vienkāršā veidā izskaidrot stīgu teorijas noteikumus. Tās matemātiskais aparāts ir tik plašs, ka to var saprast tikai cienījami zinātnieki no lielākajiem pētniecības institūtiem.

Joprojām nav skaidrs, vai pēdējo desmitgažu laikā veiktie atklājumi atradīs reālu pielietojumu pildspalvas galā. Ja tā, tad mūs sagaida drosmīga jauna pasaule ar antigravitāciju, daudziem Visumiem un risinājumu melno caurumu dabai.

Video: stīgu teorija ir kodolīga un pieejama

Šajā video fiziķis Staņislavs Efremovs vienkāršiem vārdiem pastāstīs, kas ir stīgu teorija:

Izziņas ekoloģija: Teorētisko fiziķu lielākā problēma ir apvienot visas fundamentālās mijiedarbības (gravitācijas, elektromagnētiskās, vājās un stiprās) vienā teorijā. Superstīgu teorija apgalvo, ka tā ir visa teorija

Skaitām no trīs līdz desmit

Teorētisko fiziķu lielākā problēma ir apvienot visas fundamentālās mijiedarbības (gravitācijas, elektromagnētiskās, vājās un stiprās) vienā teorijā. Superstīgu teorija apgalvo, ka tā ir visa teorija.

Bet izrādījās, ka ērtākais dimensiju skaits, kas nepieciešams, lai šī teorija darbotos, ir desmit (no kuriem deviņi ir telpiski, bet viens ir īslaicīgs)! Ja ir vairāk vai mazāk mērījumu, matemātiskie vienādojumi dod iracionālus rezultātus, kas iet līdz bezgalībai – singularitātei.

Nākamais superstīgu teorijas attīstības posms - M-teorija - jau ir saskaitījis vienpadsmit dimensijas. Un vēl viena tā versija - F-teorija - visas divpadsmit. Un tas nav nekāds sarežģījums. F-teorija apraksta 12-dimensiju telpu ar vienkāršākiem vienādojumiem nekā M-teorija - 11-dimensiju.

Protams, ne velti teorētisko fiziku sauc par teorētisko. Visi viņas sasniegumi līdz šim pastāv tikai uz papīra. Tātad, lai izskaidrotu, kāpēc mēs varam pārvietoties tikai trīsdimensiju telpā, zinātnieki sāka runāt par to, kā nelaimīgajām citām dimensijām kvantu līmenī bija jāsaraujas kompaktās sfērās. Precīzāk sakot, nevis sfērās, bet Calabi-Yu telpās. Tās ir tādas trīsdimensiju figūras, kurās iekšā sava pasaule ar savu dimensiju. Šādu kolektoru divdimensiju projekcija izskatās apmēram šādi:

Ir zināmi vairāk nekā 470 miljoni šādu figūriņu. Kurš no tiem atbilst mūsu realitātei, šobrīd tiek aprēķināts. Nav viegli būt teorētiskajam fiziķim.

Jā, tas šķiet nedaudz tālsirdīgi. Bet varbūt tieši tas izskaidro, kāpēc kvantu pasaule tik ļoti atšķiras no tā, ko mēs uztveram.

Punkts, punkts, komats

Sāciet no jauna. Nulles dimensija ir punkts. Viņai nav izmēru. Nav kur pārvietoties, nav vajadzīgas koordinātes, lai norādītu vietu šādā dimensijā.

Noliksim otro blakus pirmajam punktam un caur tiem novelkam līniju. Šeit ir pirmā dimensija. Viendimensijas objektam ir izmērs — garums —, bet nav platuma vai dziļuma. Kustība viendimensionālās telpas ietvaros ir ļoti ierobežota, jo ceļā radušos šķērsli nevar izvairīties. Lai atrastu atrašanās vietu šajā līnijā, nepieciešama tikai viena koordināta.

Noliksim punktu blakus segmentam. Lai ietilptu abiem šiem objektiem, mums ir nepieciešama divdimensiju telpa, kurai ir garums un platums, tas ir, laukums, bet bez dziļuma, tas ir, apjoms. Jebkura punkta atrašanās vietu šajā laukā nosaka divas koordinātas.

Trešā dimensija rodas, kad šai sistēmai pievienojam trešo koordinātu asi. Mums, trīsdimensiju Visuma iemītniekiem, to ir ļoti viegli iedomāties.

Mēģināsim iztēloties, kā pasauli redz divdimensiju telpas iemītnieki. Piemēram, šeit ir šie divi cilvēki:

Katrs no viņiem redzēs savu draugu šādi:

Bet šajā situācijā:

Mūsu varoņi redzēs viens otru šādi:

Tieši skata punkta maiņa ļauj mūsu varoņiem vērtēt vienam otru kā divdimensiju objektus, nevis viendimensionālus segmentus.

Tagad iedomāsimies, ka noteikts tilpuma objekts pārvietojas trešajā dimensijā, kas šķērso šo divdimensiju pasauli. Ārējam novērotājam šī kustība tiks izteikta kā objekta divdimensiju projekciju izmaiņas plaknē, piemēram, brokoļi MRI aparātā:

Bet mūsu Flatlandes iedzīvotājam tāda aina ir nesaprotama! Viņš pat nespēj viņu iedomāties. Viņam katra no divdimensiju projekcijām tiks uztverta kā viendimensionāls segments ar mistiski mainīgu garumu, kas rodas neparedzamā vietā un arī neprognozējami izzūd. Mēģinājumi aprēķināt šādu objektu garumu un izcelsmes vietu, izmantojot divdimensiju telpas fizikas likumus, ir lemti neveiksmei.

Mēs, trīsdimensiju pasaules iedzīvotāji, visu redzam kā divdimensionālu. Tikai objekta kustība telpā ļauj sajust tā apjomu. Mēs redzēsim arī jebkuru daudzdimensionālu objektu kā divdimensionālu, taču tas apbrīnojami mainīsies atkarībā no mūsu attiecībām ar to vai laika.

No šī viedokļa ir interesanti padomāt, piemēram, par gravitāciju. Ikviens droši vien ir redzējis līdzīgus attēlus:

Uz tiem ir ierasts attēlot, kā gravitācija izliecas telpas-laikā. Līknes... kur? Tieši nevienā no mums pazīstamajām dimensijām. Un kā ar kvantu tunelēšanu, tas ir, daļiņas spēju pazust vienā vietā un parādīties pavisam citā vietā, turklāt aiz šķēršļa, caur kuru mūsu realitātē tā nevarētu izkļūt, neietaisot tajā caurumu? Kā ar melnajiem caurumiem? Bet ja nu visi šie un citi mūsdienu zinātnes noslēpumi tiek skaidroti ar to, ka telpas ģeometrija nebūt nav tāda pati, kā mēs to uztvērām?

Pulkstenis tikšķ

Laiks mūsu Visumam pievieno vēl vienu koordinātu. Lai ballīte varētu notikt, jāzina ne tikai kurā bārā tā notiks, bet arī precīzs šī pasākuma norises laiks.

Pamatojoties uz mūsu uztveri, laiks ir ne tik daudz taisna līnija, cik stars. Tas ir, tam ir sākuma punkts, un kustība tiek veikta tikai vienā virzienā - no pagātnes uz nākotni. Un tikai tagadne ir īsta. Nav ne pagātnes, ne nākotnes, tāpat kā pusdienlaikā nav brokastu un vakariņu no biroja darbinieka viedokļa.

Bet relativitātes teorija tam nepiekrīt. No viņas viedokļa laiks ir pilnvērtīga dimensija. Visi notikumi, kas bija, eksistē un pastāvēs, ir tik reāli, cik patiesa ir jūras pludmale, lai kur sērfa skaņas sapņi mūs būtu pārsteiguši. Mūsu uztvere ir tikai kaut kas līdzīgs prožektoram, kas apgaismo kādu segmentu taisnā laika līnijā. Cilvēce savā ceturtajā dimensijā izskatās šādi:

Bet mēs redzam tikai projekciju, šīs dimensijas šķēli katrā atsevišķā laika brīdī. Jā, kā brokoļi MRI aparātā.

Līdz šim visas teorijas ir strādājušas ar lielu skaitu telpisko dimensiju, un temporālais vienmēr ir bijis vienīgais. Bet kāpēc telpa ļauj telpai parādīties vairākas dimensijas, bet tikai vienu reizi? Kamēr zinātnieki nevarēs atbildēt uz šo jautājumu, hipotēze par divām vai vairākām laiktelpām visiem filozofiem un zinātniskās fantastikas rakstniekiem šķitīs ļoti pievilcīga. Jā, un fiziķi, kas tur īsti ir. Piemēram, amerikāņu astrofiziķis Yitzhak Bars uzskata, ka otrā laika dimensija ir visu problēmu sakne ar Visa teoriju. Kā prāta vingrinājumu mēģināsim iedomāties pasauli ar divām reizēm.

Katra dimensija pastāv atsevišķi. Tas izpaužas faktā, ka, mainot objekta koordinātas vienā dimensijā, koordinātas citās var palikt nemainīgas. Tātad, ja pārvietojaties pa vienu laika asi, kas krusto citu taisnā leņķī, tad krustošanās punktā laiks apstāsies. Praksē tas izskatīsies apmēram šādi:

Viss, kas Neo bija jādara, bija novietot savu viendimensionālo laika asi perpendikulāri ložu laika asij. Pilnīgs sīkums, piekrītu. Patiesībā viss ir daudz sarežģītāk.

Precīzu laiku Visumā ar divām laika dimensijām noteiks divas vērtības. Vai ir grūti iedomāties divdimensiju notikumu? Tas ir, tāds, kas vienlaikus stiepjas pa divām laika asīm? Visticamāk, ka šādai pasaulei būs nepieciešami laika kartēšanas speciālisti, jo kartogrāfi kartē zemeslodes divdimensiju virsmu.

Kas vēl atšķir divdimensiju telpu no viendimensijas telpas? Piemēram, spēja apiet šķērsli. Tas jau ir pilnīgi ārpus mūsu prāta robežām. Viendimensionālas pasaules iedzīvotājs nevar iedomāties, kā tas ir, pagriezt stūri. Un kas tas ir – stūrītis laikā? Turklāt divdimensiju telpā var ceļot uz priekšu, atpakaļ, bet vismaz pa diagonāli. Man nav ne jausmas, kā ir staigāt pa diagonāli laikā. Es pat nerunāju par to, ka laiks ir daudzu fizikālu likumu pamatā un nav iespējams iedomāties, kā Visuma fizika mainīsies līdz ar vēl vienas laika dimensijas parādīšanos. Bet domāt par to ir tik aizraujoši!

Ļoti liela enciklopēdija

Citas dimensijas vēl nav atklātas un pastāv tikai matemātiskajos modeļos. Bet jūs varat mēģināt tos iedomāties šādi.

Kā mēs noskaidrojām iepriekš, mēs redzam Visuma ceturtās (laika) dimensijas trīsdimensiju projekciju. Citiem vārdiem sakot, katrs mūsu pasaules pastāvēšanas brīdis ir punkts (līdzīgi kā nulles dimensijai) laika intervālā no Lielā sprādziena līdz pasaules galam.

Tie, kas lasījuši par ceļošanu laikā, zina, cik liela nozīme tajos ir telpas-laika kontinuuma izliekumam. Šī ir piektā dimensija – tieši tajā četrdimensiju telpa-laiks ir "saliekts", lai uz šīs taisnes apvienotu kādus divus punktus. Bez tā ceļojums starp šiem punktiem būtu pārāk garš vai pat neiespējams. Aptuveni runājot, piektā dimensija ir līdzīga otrajai - tā pārvieto "viendimensionālo" telpas-laika līniju "divdimensiju" plaknē ar visām no tā izrietošajām iespējām aptīties ap stūri.

Mūsu īpaši filozofiski noskaņotie lasītāji nedaudz agrāk, iespējams, domāja par brīvas gribas iespējamību apstākļos, kad nākotne jau pastāv, bet vēl nav zināma. Zinātne uz šo jautājumu atbild šādi: varbūtības. Nākotne nav nūja, bet vesela slota iespējamo scenāriju. Kurš piepildīsies – uzzināsim, kad tiksim.

Katra no varbūtībām eksistē kā "viendimensionāls" segments piektās dimensijas "plaknē". Kāds ir ātrākais veids, kā pāriet no viena segmenta uz otru? Tieši tā – saliec šo plakni kā papīra lapu. Kur noliekties? Un atkal pareizi - sestajā dimensijā, kas piešķir "apjomu" visai šai sarežģītajai struktūrai. Un tādējādi padara to kā trīsdimensiju telpu "pabeigtu" par jaunu punktu.

Septītā dimensija ir jauna taisne, kas sastāv no sešdimensiju "punktiem". Kāds ir vēl kāds punkts šajā līnijā? Viss bezgalīgais iespēju kopums notikumu attīstībai citā visumā, kas veidojas nevis Lielā sprādziena rezultātā, bet dažādos apstākļos un darbojas saskaņā ar dažādiem likumiem. Tas ir, septītā dimensija ir krelles no paralēlajām pasaulēm. Astotā dimensija apkopo šīs "līnijas" vienā "plaknē". Un devīto var salīdzināt ar grāmatu, kas atbilst visām astotās dimensijas "loksnēm". Tā ir visu visumu vēstures kolekcija ar visiem fizikas likumiem un visiem sākotnējiem nosacījumiem. Atkal punkts.

Šeit mēs saskaramies ar robežu. Lai iedomāties desmito dimensiju, mums ir vajadzīga taisna līnija. Un kāds vēl punkts var būt uz šīs līnijas, ja jau devītā dimensija aptver visu, ko var iedomāties, un pat to, ko nav iespējams iedomāties? Izrādās, ka devītā dimensija ir nevis vēl viens sākumpunkts, bet gan gala – mūsu iztēlei katrā ziņā.

Stīgu teorija apgalvo, ka tieši desmitajā dimensijā vibrē stīgas – pamata daļiņas, kas veido visu. Ja desmitā dimensija satur visus Visumus un visas iespējas, tad virknes eksistē visur un visu laiku. Es domāju, katra virkne pastāv mūsu Visumā un jebkurā citā. Jebkurā laikā. Tūlīt. Forši, jā? publicēja

Superstīgu teorija, tautas valodā runājot, pārstāv Visumu kā vibrējošu enerģijas virzienu kopumu - stīgas. Tie ir dabas pamats. Hipotēze apraksta arī citus elementus - branas. Visas vielas mūsu pasaulē sastāv no stīgu un branu vibrācijām. Dabiskas teorijas sekas ir gravitācijas apraksts. Tāpēc zinātnieki uzskata, ka tam ir atslēga gravitācijas apvienošanai ar citām mijiedarbībām.

Koncepcija attīstās

Vienotā lauka teorija, superstīgu teorija, ir tīri matemātiska. Tāpat kā visi fiziskie jēdzieni, tas ir balstīts uz vienādojumiem, kurus var interpretēt noteiktā veidā.

Šodien neviens precīzi nezina, kāda būs šīs teorijas galīgā versija. Zinātniekiem ir diezgan neskaidrs priekšstats par tā kopīgajiem elementiem, taču neviens vēl nav nācis klajā ar galīgo vienādojumu, kas aptvertu visas superstīgu teorijas, un tas vēl nav eksperimentāli apstiprināts (lai gan arī nav atspēkots). Fiziķi ir radījuši vienkāršotas vienādojuma versijas, taču līdz šim tas ne visai apraksta mūsu Visumu.

Superstīgu teorija iesācējiem

Hipotēze balstās uz piecām galvenajām idejām.

1. Superstīgu teorija paredz, ka visi objekti mūsu pasaulē sastāv no vibrējošām enerģijas virknēm un membrānām.
2. Viņa mēģina apvienot vispārējo relativitāti (gravitāciju) ar kvantu fiziku.
3. Superstīgu teorija apvienos visus Visuma pamatspēkus.
4. Šī hipotēze paredz jaunu savienojumu, supersimetriju, starp diviem būtiski atšķirīgiem daļiņu veidiem, bozoniem un fermioniem.
5. Jēdziens apraksta vairākas papildu, parasti nenovērojamas Visuma dimensijas.

Stīgas un branes

Kad teorija radās 1970. gados, enerģijas pavedieni tajā tika uzskatīti par 1-dimensijas objektiem - stīgām. Vārds "viendimensionāls" nozīmē, ka virknei ir tikai 1 dimensija, garums, pretstatā, piemēram, kvadrātam, kuram ir garums un augstums.

Teorija iedala šīs superstīgas divos veidos – slēgtās un atvērtās. Atvērtai virknei ir gali, kas nepieskaras viens otram, savukārt slēgta virkne ir cilpa bez atvērtiem galiem. Rezultātā tika konstatēts, ka šīs virknes, ko sauc par 1. tipa virknēm, ir pakļautas 5 galvenajiem mijiedarbības veidiem.

Mijiedarbība ir balstīta uz stīgu spēju savienot un atdalīt to galus. Tā kā atvērto virkņu gali var savienoties kopā, veidojot slēgtas virknes, jūs nevarat izveidot superstring teoriju, kas neietver cilpas virknes.

Tas izrādījās svarīgi, jo slēgtām virknēm, kā uzskata fiziķi, ir īpašības, kas varētu raksturot gravitāciju. Citiem vārdiem sakot, zinātnieki saprata, ka superstīgu teorija tā vietā, lai izskaidrotu matērijas daļiņas, varētu aprakstīt to uzvedību un gravitāciju.

Gadu gaitā tika atklāts, ka teorijai ir nepieciešami citi elementi, izņemot stīgas. Tos var uzskatīt par loksnēm vai branām. Stīgas var piestiprināt pie vienas vai abām auklu pusēm.

Kvantu gravitācija

Mūsdienu fizikā ir divi galvenie zinātniskie likumi: vispārējā relativitātes teorija (GR) un kvantu teorija. Viņi pārstāv pilnīgi dažādas zinātnes jomas. Kvantu fizika pēta mazākās dabiskās daļiņas, un vispārējā relativitāte, kā likums, apraksta dabu planētu, galaktiku un visuma mērogā. Hipotēzes, kas mēģina tās apvienot, sauc par kvantu gravitācijas teorijām. Visdaudzsološākā no tām šodien ir stīga.

Slēgtie pavedieni atbilst gravitācijas uzvedībai. Jo īpaši tiem ir gravitona īpašības, daļiņas, kas pārnes gravitāciju starp objektiem.

Apvienojot spēkus

Stīgu teorija mēģina apvienot četrus spēkus – elektromagnētiskos, stipros un vājos kodolspēkus un gravitāciju – vienā. Mūsu pasaulē tās izpaužas kā četras dažādas parādības, taču stīgu teorētiķi uzskata, ka agrīnajā Visumā, kad bija neticami augsts enerģijas līmenis, visus šos spēkus apraksta stīgas, kas savstarpēji mijiedarbojas.

Supersimetrija

Visas Visuma daļiņas var iedalīt divos veidos: bozonos un fermionos. Stīgu teorija paredz, ka starp abiem pastāv saistība, ko sauc par supersimetriju. Ar supersimetriju katram bozonam ir jābūt fermionam un katram fermionam bozonam. Diemžēl šādu daļiņu esamība nav eksperimentāli apstiprināta.

Supersimetrija ir matemātiska sakarība starp fizisko vienādojumu elementiem. Tas tika atklāts citā fizikas jomā, un tā pielietojums noveda pie tā pārdēvēšanas par supersimetrisko stīgu teoriju (vai superstīgu teoriju, populārā valodā) 1970. gadu vidū.

Viena no supersimetrijas priekšrocībām ir tā, ka tā ievērojami vienkāršo vienādojumus, ļaujot novērst noteiktus mainīgos. Bez supersimetrijas vienādojumi rada fiziskas pretrunas, piemēram, bezgalīgas vērtības un iedomātas

Tā kā zinātnieki nav novērojuši supersimetrijas paredzētās daļiņas, tā joprojām ir hipotēze. Daudzi fiziķi uzskata, ka iemesls tam ir nepieciešamība pēc ievērojama enerģijas daudzuma, ko ar masu saista ar slaveno Einšteina vienādojumu E = mc 2. Šīs daļiņas varēja pastāvēt agrīnajā Visumā, bet, atdziestot un enerģijai izplatoties pēc Lielā sprādziena, šīs daļiņas pārcēlās uz zemu enerģijas līmeni.

Citiem vārdiem sakot, stīgas, kas vibrēja kā augstas enerģijas daļiņas, zaudēja enerģiju, kas pārvērta tās par elementiem ar zemāku vibrāciju.

Zinātnieki cer, ka astronomiskie novērojumi vai eksperimenti ar daļiņu paātrinātājiem apstiprinās teoriju, identificējot dažus augstākas enerģijas supersimetriskos elementus.

Papildus mērījumi

Vēl viena stīgu teorijas matemātiska nozīme ir tāda, ka tai ir jēga pasaulē, kurā ir vairāk nekā trīs dimensijas. Pašlaik tam ir divi skaidrojumi:

1. Papildu izmēri (seši no tiem) ir sabrukuši vai, stīgu teorijas terminoloģijā, saspiesti līdz neticami maziem izmēriem, kurus nekad nevar uztvert.
2. Mēs esam iestrēguši 3-D brānā, un citas dimensijas sniedzas ārpus tās un mums nav pieejamas.

Svarīga teorētiķu pētījumu joma ir matemātiskā modelēšana, kā šīs papildu koordinātas var saistīt ar mūsu. Jaunākie rezultāti paredz, ka zinātnieki drīzumā varēs atklāt šīs papildu dimensijas (ja tādas pastāv) gaidāmajos eksperimentos, jo tās var būt lielākas nekā iepriekš gaidīts.

Mērķa izpratne

Mērķis, uz kuru zinātnieki tiecas, pētot superstīgas, ir "teorija par visu", tas ir, vienota fiziskā hipotēze, kas apraksta visu fizisko realitāti fundamentālā līmenī. Ja tas izdosies, tas varētu noskaidrot daudzus jautājumus par mūsu Visuma uzbūvi.

Matērijas un masas skaidrošana

Viens no mūsdienu pētījumu galvenajiem uzdevumiem ir risinājumu meklēšana reālām daļiņām.

Stīgu teorija sākās kā jēdziens, kas apraksta daļiņas, piemēram, hadronus ar dažādiem augstākas virknes vibrācijas stāvokļiem. Lielākajā daļā mūsdienu formulējumu matērija, kas redzama mūsu Visumā, ir vismazāk enerģētisko stīgu un branu vibrāciju rezultāts. Vibrācijas, visticamāk, radīs augstas enerģijas daļiņas, kuras mūsu pasaulē pašlaik nav.

To masa ir izpausme tam, kā stīgas un branas tiek ietītas sablīvētos papildu izmēros. Piemēram, vienkāršotā gadījumā, ja tie ir salocīti virtuļa formā, ko matemātiķi un fiziķi sauc par toru, aukla var apvilkt šo formu divos veidos:

• īsa cilpa caur tora vidu;
• gara cilpa ap visu tora ārējo apkārtmēru.

Īsa cilpa būs viegla daļiņa, un liela cilpa būs smaga. Aptinot stīgas ap toroidāli sablīvētiem izmēriem, veidojas jauni elementi ar dažādu masu.

Superstīgu teorija īsi un skaidri, vienkārši un eleganti izskaidro pāreju no garuma uz masu. Krokotie izmēri šeit ir daudz sarežģītāki nekā tors, taču principā tie darbojas tāpat.

Ir pat iespējams, lai gan to ir grūti iedomāties, ka virkne vienlaikus apvijas ap toru divos virzienos, kā rezultātā rodas cita daļiņa ar atšķirīgu masu. Branes var arī ietīt papildu izmērus, radot vēl vairāk iespēju.

Telpas un laika definīcija

Daudzās superstīgu teorijas versijās izmēri sabrūk, padarot tos nepamanāmus pašreizējā tehnoloģiju stāvoklī.

Pašlaik nav skaidrs, vai stīgu teorija var izskaidrot telpas un laika fundamentālo būtību vairāk nekā Einšteins. Tajā mērījumi ir stīgu mijiedarbības fons, un tiem nav neatkarīgas reālas nozīmes.

Tika piedāvāti skaidrojumi, kas nav pilnībā pabeigti, par telpas-laika attēlojumu kā visu virkņu mijiedarbības kopējās summas atvasinājumu.

Šī pieeja neatbilst dažu fiziķu idejām, kas izraisīja hipotēzes kritiku. Konkurences teorija kā sākumpunktu izmanto telpas un laika kvantēšanu. Daži uzskata, ka galu galā tā izrādīsies tikai atšķirīga pieeja tai pašai pamathipotēzei.

Gravitācijas kvantēšana

Šīs hipotēzes galvenais sasniegums, ja tā apstiprināsies, būs gravitācijas kvantu teorija. Pašreizējais vispārīgās relativitātes teorijas apraksts neatbilst kvantu fizikai. Pēdējais, uzliekot ierobežojumus mazo daļiņu uzvedībai, mēģinot izpētīt Visumu ārkārtīgi mazā mērogā, noved pie pretrunām.

Spēku apvienošana

Pašlaik fiziķi zina četrus pamatspēkus: gravitāciju, elektromagnētisko, vājo un spēcīgu kodola mijiedarbību. No stīgu teorijas izriet, ka tās visas kādā brīdī bija viena izpausmes.

Saskaņā ar šo hipotēzi, kopš agrīnais Visums pēc lielā sprādziena atdzisa, šī vienīgā mijiedarbība sāka sadalīties dažādās mijiedarbībās, kas ir spēkā šodien.

Eksperimenti ar lielām enerģijām kādreiz ļaus mums atklāt šo spēku apvienošanos, lai gan šādi eksperimenti ir daudz tālāk par pašreizējo tehnoloģiju attīstību.

Piecas iespējas

Pēc 1984. gada superstīgu revolūcijas attīstība turpinājās drudžainā tempā. Rezultātā viena jēdziena vietā izrādījās pieci, ko sauc par I, IIA, IIB, HO, HE, no kuriem katrs gandrīz pilnībā aprakstīja mūsu pasauli, bet ne pilnībā.

Fiziķi, šķirojot stīgu teorijas versijas, cerot atrast universālu patieso formulu, ir radījuši 5 dažādas pašpietiekamas versijas. Dažas to īpašības atspoguļoja pasaules fizisko realitāti, citas neatbilda realitātei.

M-teorija

1995. gada konferencē fiziķis Edvards Vitens piedāvāja drosmīgu risinājumu piecu hipotēžu problēmai. Balstoties uz nesen atklāto dualitāti, tie visi kļuva par īpašiem gadījumiem vienai visaptverošai koncepcijai, ko Vitens sauca par M-superstring teoriju. Branes (saīsinājums no membrānas), fundamentāli objekti ar vairāk nekā 1 dimensiju, kļuva par vienu no tās galvenajiem jēdzieniem. Lai gan autors nepiedāvāja pilnīgu versiju, kas joprojām neeksistē, superstring M teorija apkopo šādas funkcijas:

• 11 dimensiju (10 telpiskā un 1 laika dimensija);
• dualitāte, kas noved pie piecām teorijām, kas izskaidro vienu un to pašu fizisko realitāti;
• branes ir virknes ar vairāk nekā 1 dimensiju.

Sekas

Rezultātā viena vietā parādījās 10 500 risinājumu. Dažiem fiziķiem tas kļuva par krīzes cēloni, savukārt citi pieņēma antropisko principu, izskaidrojot Visuma īpašības ar mūsu klātbūtni tajā. Atliek gaidīt, kad teorētiķi atradīs citu veidu, kā orientēties superstīgu teorijā.

Dažas interpretācijas liecina, ka mūsu pasaule nav vienīgā. Radikālākās versijas ļauj pastāvēt bezgalīgi daudz Visumu, no kuriem daži satur precīzas mūsu kopijas.

Einšteina teorija paredz, ka pastāv sabrukusi telpa, ko sauc par tārpa caurumu vai Einšteina-Rozena tiltu. Šajā gadījumā abas attālās zonas ir savienotas ar īsu eju. Superstīgu teorija pieļauj ne tikai šo, bet arī attālu paralēlo pasauļu punktu savienojumu. Iespējama pat pāreja starp Visumiem ar dažādiem fizikas likumiem. Tomēr ir iespējams variants, kad gravitācijas kvantu teorija padarīs to pastāvēšanu neiespējamu.

Daudzi fiziķi uzskata, ka hologrāfiskais princips, kad visa informācija, kas atrodas telpas tilpumā, atbilst informācijai, kas ierakstīta uz tās virsmas, ļaus dziļāk izprast enerģijas pavedienu jēdzienu.

Daži ir ierosinājuši, ka superstīgu teorija pieļauj vairākas laika dimensijas, kas var izraisīt ceļošanu pa tām.

Turklāt hipotēzes ietvaros pastāv alternatīva lielā sprādziena modelim, saskaņā ar kuru mūsu Visums parādījās divu branu sadursmes rezultātā un iziet cauri atkārtotiem radīšanas un iznīcināšanas cikliem.

Visuma galīgais liktenis vienmēr ir nodarbinājis fiziķus, un stīgu teorijas galīgā versija palīdzēs noteikt matērijas blīvumu un kosmoloģisko konstanti. Zinot šīs vērtības, kosmologi varēs noteikt, vai Visums saruks līdz eksplozijai, lai viss sāktos no jauna.

Neviens nezina, pie kā tas novedīs, kamēr tas nav izstrādāts un pārbaudīts. Einšteins, rakstot vienādojumu E = mc 2, nepieņēma, ka tas novedīs pie kodolieroču rašanās. Kvantu fizikas veidotāji nezināja, ka tā kļūs par pamatu lāzera un tranzistora radīšanai. Un, lai gan vēl nav zināms, kur šāda tīri teorētiska koncepcija novedīs, vēsture liecina, ka kaut kas izcils noteikti izrādīsies.

Vairāk par šo hipotēzi varat lasīt Endrjū Cimmermana grāmatā Superstring Theory for Dummies.

Protams, Visuma stīgas diez vai ir līdzīgas tām, kuras mēs iedomājamies. Stīgu teorijā tās ir neticami mazas vibrējošas enerģijas šķipsnas. Šie pavedieni drīzāk ir kā mazas "gumijas lentes", kas var vērpties, stiept un sarukt visos veidos. Tas viss gan nenozīmē, ka uz tiem nav iespējams "uzspēlēt" Visuma simfoniju, jo, pēc stīgu teorētiķu domām, viss esošais sastāv no šiem "pavedieniem".

Fizikas pretruna

19. gadsimta otrajā pusē fiziķi domāja, ka nekas nopietns viņu zinātnē vairs nav atklājams. Klasiskā fizika uzskatīja, ka tajā nav palikušas nekādas nopietnas problēmas, un visa pasaules uzbūve izskatījās kā perfekti atkļūdota un paredzama mašīna. Nepatikšana, kā parasti, notika nejēdzību dēļ – viens no mazajiem "mākoņiem", kas joprojām saglabājās skaidrajās, saprotamās zinātnes debesīs. Proti, aprēķinot absolūti melna ķermeņa (hipotētiska ķermeņa, kas jebkurā temperatūrā pilnībā absorbē uz to krītošo starojumu neatkarīgi no viļņa garuma - NS) starojuma enerģiju.

Aprēķini parādīja, ka jebkura absolūti melna ķermeņa kopējai starojuma enerģijai jābūt bezgalīgi lielai. Lai izvairītos no tik acīmredzama absurda, vācu zinātnieks Makss Planks 1900. gadā ierosināja, ka redzamo gaismu, rentgenstarus un citus elektromagnētiskos viļņus var izstarot tikai atsevišķas enerģijas daļas, ko viņš sauca par kvantiem. Ar viņu palīdzību bija iespējams atrisināt konkrētu absolūti melna ķermeņa problēmu. Tomēr kvantu hipotēzes ietekme uz determinismu vēl nebija apzināta. Līdz brīdim, kad cits vācu zinātnieks Verners Heizenbergs 1926. gadā formulēja slaveno nenoteiktības principu.

Tās būtība ir saistīta ar faktu, ka pretēji visiem iepriekš valdošajiem apgalvojumiem daba ierobežo mūsu spēju paredzēt nākotni, pamatojoties uz fiziskiem likumiem. Mēs, protams, runājam par subatomisko daļiņu nākotni un tagadni. Izrādījās, ka viņi uzvedas pavisam savādāk nekā jebkuras lietas makrokosmosā mums visapkārt. Subatomiskā līmenī telpas audums kļūst nelīdzens un haotisks. Sīku daļiņu pasaule ir tik nemierīga un nesaprotama, ka tā ir pretrunā veselajam saprātam. Telpa un laiks tajā ir tik savīti un savīti, ka nav ierastu jēdzienu par kreiso un labo, augšējo un apakšējo un pat pirms un pēc.

Nav iespējams precīzi pateikt, kurā telpas punktā konkrētajā brīdī atrodas šī vai cita daļiņa un kāds ir tās impulsa moments. Pastāv tikai zināma varbūtība atrast daļiņu dažādos laika telpas reģionos. Šķiet, ka daļiņas subatomiskā līmenī ir "izsmērētas" telpā. Turklāt nav definēts arī daļiņu "statuss": dažos gadījumos tās uzvedas kā viļņi, citos tām piemīt daļiņu īpašības. Tas ir tas, ko fiziķi sauc par kvantu mehānikas viļņu-daļiņu dualitāti.

Pasaules uzbūves līmeņi: 1. Makroskopiskais līmenis - matērija 2. Molekulārais līmenis 3. Atomu līmenis - protoni, neitroni un elektroni 4. Subatomiskais līmenis - elektrons 5. Subatomiskais līmenis - kvarki 6. Stīgu līmenis /© Bruno P. Ramos

Vispārējā relativitātes teorijā it kā valstī ar pretējiem likumiem situācija ir principiāli atšķirīga. Šķiet, ka telpa ir kā batuts - gluds audums, ko masas priekšmeti var saliekt un izstiepties. Tie rada telpas-laika deformācijas – to, ko mēs piedzīvojam kā gravitāciju. Lieki piebilst, ka harmoniskā, pareizā un paredzamā Vispārējā relativitātes teorija ir neatrisināmā konfliktā ar "ekscentrisko huligānu" - kvantu mehāniku, un rezultātā makrokosmoss nevar "salīgt mieru" ar mikrokosmosu. Šeit parādās stīgu teorija.

2D Visums. Daudzskaldņu diagramma E8 /© Džons Stembridžs / Melu grupu projekta atlants

Visa teorija

Stīgu teorija iemieso visu fiziķu sapni apvienot divas principiāli pretrunīgas vispārējās relativitātes teorijas un kvantu mehānikas, sapni, kas līdz pat savu dienu beigām vajāja lielāko "čigānu un klaidoņu" Albertu Einšteinu.

Daudzi zinātnieki uzskata, ka visu, sākot no izsmalcinātajām galaktiku dejām līdz neprātīgajai subatomisko daļiņu dejai, galu galā var izskaidrot tikai ar vienu fizisko pamatprincipu. Varbūt – pat vienots likums, kas apvieno visus enerģijas veidus, daļiņas un mijiedarbības kādā elegantā formulā.

Vispārējā relativitāte apraksta vienu no slavenākajiem Visuma spēkiem - gravitāciju. Kvantu mehānika apraksta trīs citus spēkus: spēcīgu kodolspēku, kas savieno protonus un neitronus atomos, elektromagnētismu un vājo spēku, kas piedalās radioaktīvā sabrukšanā. Jebkuru notikumu Visumā, sākot no atoma jonizācijas līdz zvaigznes dzimšanai, apraksta matērijas mijiedarbība caur šiem četriem spēkiem.

Izmantojot vissarežģītāko matemātiku, bija iespējams parādīt, ka elektromagnētiskajai un vājajai mijiedarbībai ir kopīgs raksturs, apvienojot tās vienā elektrovājā. Pēc tam tiem tika pievienota spēcīga kodolenerģijas mijiedarbība, taču gravitācija tiem nekādā veidā nepievienojas. Stīgu teorija ir viens no nopietnākajiem kandidātiem visu četru spēku apvienošanai un tādējādi aptverot visas Visuma parādības - ne velti to sauc arī par "visa teoriju".

Sākumā bija mīts

Līdz šim ne visi fiziķi ir entuziastiski par stīgu teoriju. Un savas parādīšanās rītausmā viņa šķita bezgalīgi tālu no realitātes. Viņas dzimšana ir leģenda.

Sešdesmito gadu beigās jauns itāļu teorētiskais fiziķis Gabriele Veneziano meklēja vienādojumus, kas varētu izskaidrot spēcīgu kodola mijiedarbību – ārkārtīgi spēcīgu "līmi", kas satur kopā atomu kodolus, savienojot kopā protonus un neitronus. Saskaņā ar leģendu, viņš kaut kādā veidā uzdūrās putekļainai matemātikas vēstures grāmatai, kurā viņš pirms diviem simtiem gadiem atrada funkciju, kuru pirmo reizi uzrakstīja Šveices matemātiķis Leonards Eilers. Iedomājieties Veneciāno pārsteigumu, kad viņš atklāja, ka Eilera funkcija, kas ilgu laiku tika uzskatīta tikai par matemātisko zinātkāri, raksturo šo spēcīgo mijiedarbību.

Kā tad īsti bija? Formula, iespējams, bija Veneziano daudzu gadu darba rezultāts, un nejaušība tikai palīdzēja spert pirmo soli stīgu teorijas atklāšanā. Eilera funkcija, kas brīnumaini izskaidroja spēcīgo mijiedarbību, ieguva jaunu dzīvi.

Beigās viņa pievērsa uzmanību jaunajam amerikāņu teorētiskajam fiziķim Leonardam Saskindam, kurš redzēja, ka, pirmkārt, formula apraksta daļiņas, kurām nav iekšējās struktūras un kuras var vibrēt. Šīs daļiņas izturējās tā, ka tās nevarēja būt tikai punktveida daļiņas. Suskinds saprata, ka formula apraksta pavedienu, kas ir kā elastīga josla. Viņa varēja ne tikai izstiepties un sarauties, bet arī vilcināties, izlocīties. Pēc sava atklājuma aprakstīšanas Suskinds iepazīstināja ar revolucionāro ideju par stīgām.

Diemžēl pārliecinošs vairākums viņa kolēģu teoriju uztvēra diezgan vēsi.

Standarta modelis

Tajā laikā vispārējā zinātne daļiņas attēloja kā punktus, nevis virknes. Fiziķi gadiem ilgi ir pētījuši subatomisko daļiņu uzvedību, saduroties ar tām lielā ātrumā un pētot šo sadursmju sekas. Izrādījās, ka Visums ir daudz bagātāks, nekā varētu iedomāties. Tas bija īsts elementārdaļiņu "populācijas sprādziens". Fizikas augstskolu absolventi skraidīja pa gaiteņiem, kliedzot, ka ir atklājuši jaunu daļiņu – pietrūka pat burtu, lai tos apzīmētu. Bet, diemžēl, jauno daļiņu "dzemdību namā" zinātnieki nav spējuši rast atbildi uz jautājumu – kāpēc to ir tik daudz un no kurienes tās rodas?

Tas pamudināja fiziķus izteikt neparastu un pārsteidzošu pareģojumu – viņi saprata, ka dabā darbojošos spēkus var izskaidrot arī ar daļiņu palīdzību. Tas ir, ir matērijas daļiņas, un ir daļiņas, kas veic mijiedarbību. Tāds, piemēram, ir fotons – gaismas daļiņa. Jo vairāk šo nesējdaļiņu — tie paši fotoni, ar kuriem apmainās matērijas daļiņas —, jo spilgtāka ir gaisma. Zinātnieki prognozēja, ka šī īpašā nesējdaļiņu apmaiņa ir nekas vairāk kā tas, ko mēs uztveram kā spēku. Tas ir apstiprināts ar eksperimentiem. Tā fiziķiem izdevās pietuvoties Einšteina sapnim par spēku apvienošanu.

Mijiedarbība starp dažādām daļiņām standarta modelī /

Zinātnieki uzskata, ka, ja mēs ātri pavirzīsimies uz brīdi tūlīt pēc Lielā sprādziena, kad Visums bija par triljoniem grādu karstāks, elektromagnētisma un vājās mijiedarbības daļiņas kļūs neatšķiramas un apvienosies vienā spēkā, ko sauc par elektrovāju. Un, ja mēs atgrieztos laikā vēl tālāk, tad elektrovājā mijiedarbība ar spēcīgo apvienotos vienā kopējā “superspēkā”.

Kamēr tas viss joprojām gaida pierādījumus, kvantu mehānika pēkšņi ir izskaidrojusi, kā trīs no četriem spēkiem mijiedarbojas subatomiskā līmenī. Un viņa skaisti un konsekventi paskaidroja. Šis glītais mijiedarbības attēls galu galā kļuva pazīstams kā standarta modelis. Bet diemžēl šai ideālajai teorijai bija viena liela problēma – tajā nebija iekļauts visslavenākais makrolīmeņa spēks – gravitācija.

Gravitons

Stīgu teorijai, kurai nebija laika "uzplaukt", ir pienācis "rudens", tajā jau no dzimšanas bija pārāk daudz problēmu. Piemēram, teorijas aprēķini paredzēja daļiņu esamību, kuras, kā ātri tika konstatēts, nepastāvēja. Tas ir tā sauktais tahions - daļiņa, kas vakuumā pārvietojas ātrāk nekā gaisma. Cita starpā izrādījās, ka teorijai nepieciešami pat 10 mērījumi. Nav pārsteidzoši, ka tas bija ļoti mulsinoši fiziķiem, jo ​​tas acīmredzami ir vairāk nekā tas, ko mēs redzam.

Līdz 1973. gadam tikai daži jauni fiziķi joprojām cīnījās ar stīgu teorijas noslēpumainajiem aprēķiniem. Viens no viņiem bija amerikāņu teorētiskais fiziķis Džons Švarcs. Četrus gadus Švarcs mēģināja pieradināt nerātnos vienādojumus, taču nesekmīgi. Citu problēmu starpā viens no šiem vienādojumiem turpināja aprakstīt noslēpumainu daļiņu, kurai nebija masas un kura dabā netika novērota.

Zinātnieks jau bija nolēmis pamest savu slikto darbu, un tad viņam atausa – varbūt stīgu teorijas vienādojumi cita starpā apraksta arī gravitāciju? Tomēr tas nozīmēja teorijas galveno "varoņu" - stīgu - lieluma pārskatīšanu. Pieņemot, ka stīgas ir miljardiem un miljardiem reižu mazākas par atomu, stīgu meistari pārvērta teorijas trūkumu par tās nopelniem. Noslēpumainā daļiņa, no kuras Džons Švarcs tik neatlaidīgi centās atbrīvoties, tagad darbojās kā gravitons – daļiņa, kas tika meklēta jau sen un kas ļautu pārnest gravitāciju uz kvantu līmeni. Šādi stīgu teorija papildināja mīklu ar gravitāciju, kas nav atrodama Standarta modelī. Bet diemžēl zinātnieku aprindas nereaģēja pat uz šo atklājumu. Stīgu teorija palika uz izdzīvošanas robežas. Bet tas Švarcu neapturēja. Tikai viens zinātnieks, kurš bija gatavs riskēt ar savu karjeru noslēpumainu stīgu dēļ, vēlējās pievienoties viņa meklējumiem - Maikls Grīns.

Subatomiskās ligzdošanas lelles

Neskatoties uz visu, 80. gadu sākumā stīgu teorijā joprojām bija neatrisināmas pretrunas, ko zinātnē sauca par anomālijām. Švarcs un Grīns sāka strādāt, lai tos novērstu. Un viņu pūles nebija veltīgas: zinātnieki spēja novērst dažas teorijas pretrunas. Iedomājieties šo divu izbrīnu, kas jau bija pieraduši pie tā, ka viņu teorija tika ignorēta, kad zinātnieku aprindu reakcija uzspridzināja zinātnisko pasauli. Nepilna gada laikā stīgu teorētiķu skaits uzlēca līdz simtiem. Toreiz stīgu teorijai tika piešķirts visa teorijas nosaukums. Šķita, ka jaunā teorija spēj aprakstīt visas Visuma sastāvdaļas. Un šīs ir sastāvdaļas.

Katrs atoms, kā zināms, sastāv no vēl mazākām daļiņām – elektroniem, kas riņķo ap kodolu, kas sastāv no protoniem un neitroniem. Protoni un neitroni savukārt sastāv no vēl mazākām daļiņām – kvarkiem. Taču stīgu teorija saka, ka kvarki ar to nebeidzas. Kvarki sastāv no niecīgām vērpjošām enerģijas pavedieniem, kas atgādina stīgas. Katra no šīm stīgām ir neticami maza.

Pietiekami mazs, lai, ja atoms tiktu palielināts līdz Saules sistēmas izmēram, virkne būtu koka izmēra. Tāpat kā dažādas čella stīgas vibrācijas rada to, ko mēs dzirdam, piemēram, dažādas mūzikas notis, dažādi stīgas vibrācijas režīmi (režīmi) piešķir daļiņām to unikālās īpašības - masu, lādiņu utt. Vai jūs zināt, kā, nosacīti runājot, protoni jūsu naga galā atšķiras no vēl neatvērtā gravitona? Tikai sīko stīgu komplekts, kas tos veido, un veids, kā šīs stīgas vibrē.

Protams, tas viss ir vairāk nekā pārsteidzošs. Kopš Senās Grieķijas laikiem fiziķi ir pieraduši, ka viss šajā pasaulē sastāv no kaut kā bumbiņām, sīkām daļiņām. Un tagad, kam nav laika pierast pie šo bumbiņu neloģiskās uzvedības, kas izriet no kvantu mehānikas, viņi tiek aicināti pilnībā atteikties no paradigmas un darboties ar dažiem spageti lūžņiem ...

Piektā dimensija

Lai gan daudzi zinātnieki stīgu teoriju dēvē par matemātikas triumfu, tai tomēr ir zināmas problēmas – pirmkārt, nekādu iespēju trūkums to tuvākajā laikā pārbaudīt eksperimentāli. Neviens instruments pasaulē, ne esošs, ne spējīgs parādīties perspektīvā, nav spējīgs "redzēt" stīgas. Tāpēc daži zinātnieki, starp citu, pat uzdod jautājumu: vai stīgu teorija ir fizikas vai filozofijas teorija?.. Tiesa, stīgas nemaz nav nepieciešams redzēt "ar savām acīm". Stīgu teorijas pierādīšanai drīzāk ir vajadzīgs kaut kas cits – kas izklausās pēc zinātniskās fantastikas – apstiprinājums par kosmosa papildu dimensiju esamību.

Par ko tas ir? Mēs visi esam pieraduši pie trīs telpas dimensijām un vienas – laika. Taču stīgu teorija paredz arī citas – papildu – dimensijas. Bet sāksim pēc kārtas.

Patiesībā ideja par citu dimensiju esamību radās gandrīz pirms simts gadiem. Tā ienāca prātā tolaik nezināmajam vācu matemātiķim Teodoram Kalužam 1919. gadā. Viņš ierosināja citas dimensijas klātbūtni mūsu Visumā, kuru mēs neredzam. Alberts Einšteins uzzināja par šo ideju, un sākumā viņam tā ļoti iepatikās. Tomēr vēlāk viņš apšaubīja tās pareizību un aizkavēja Kalužas izdošanu veselus divus gadus. Galu galā raksts tomēr tika publicēts, un papildu dimensija kļuva par sava veida fizikas ģēnija hobiju.

Kā zināms, Einšteins parādīja, ka gravitācija ir nekas vairāk kā telpas-laika izmēru deformācija. Kaluza izvirzīja teoriju, ka elektromagnētisms varētu būt arī viļņi. Kāpēc mēs to neredzam? Kaluza atrada atbildi uz šo jautājumu - elektromagnētisma viļņi var pastāvēt papildu, slēptā dimensijā. Bet kur tas ir?

Atbildi uz šo jautājumu sniedza zviedru fiziķis Oskars Kleins, kurš ierosināja, ka Kaluzas piektā dimensija ir miljardos reižu spēcīgāka par viena atoma izmēriem, tāpēc mēs to nevaram redzēt. Stīgu teorijas pamatā ir ideja par šīs mazās dimensijas esamību, kas ir mums visapkārt.

Viens no ieteiktajiem papildu virpuļošanas dimensiju veidiem. Katrā no šīm formām iekšpusē vibrē un kustas virkne - galvenā Visuma sastāvdaļa. Katra forma ir sešdimensiju - atbilstoši sešu papildu dimensiju skaitam /

Desmit izmēri

Bet patiesībā stīgu teorijas vienādojumi prasa pat nevis vienu, bet sešas papildu dimensijas (kopā ar mums zināmajām četrām ir tieši 10). Visiem tiem ir ļoti izliekta un izliekta sarežģīta forma. Un visi ir neiedomājami mazi.

Kā šīs mazās dimensijas var ietekmēt mūsu lielo pasauli? Saskaņā ar stīgu teoriju, izšķirošais faktors ir tas, ka forma nosaka visu. Nospiežot dažādus saksofona taustiņus, jūs saņemat dažādas skaņas. Tas ir tāpēc, ka, nospiežot vienu vai otru taustiņu vai to kombināciju, tiek mainīta telpas forma mūzikas instrumentā, kurā cirkulē gaiss. Pateicoties tam, rodas dažādas skaņas.

Stīgu teorija uzskata, ka kosmosa papildu izliektie un savītie izmēri parādās līdzīgi. Šo papildu izmēru formas ir sarežģītas un daudzveidīgas, un katra liek virknei šādās dimensijās vibrēt dažādos veidos tieši savu formu dēļ. Galu galā, ja pieņemsim, piemēram, ka viena virkne vibrē krūzes iekšpusē, bet otra – izliektā staba ragā, tās būs pilnīgi atšķirīgas vibrācijas. Tomēr, ja ticēt stīgu teorijai, ārpusdimensiju formas patiesībā ir daudz sarežģītākas nekā krūze.

Kā pasaule darbojas

Mūsdienu zinātne zina skaitļu kopu, kas ir Visuma pamatkonstantes. Tie nosaka visa, kas mums apkārt, īpašības un īpašības. Starp šādām konstantēm, piemēram, elektrona lādiņš, gravitācijas konstante, gaismas ātrums vakuumā... Un, ja mēs mainīsim šos skaitļus kaut nelielu skaitu reižu, sekas būs katastrofālas. Pieņemsim, ka esam palielinājuši elektromagnētiskā spēka stiprumu. Kas notika? Mēs pēkšņi varam atklāt, ka joni ir kļuvuši vairāk atbaidīti viens no otra, un kodoltermiskā kodolsintēze, kas liek zvaigznēm spīdēt un izstarot siltumu, pēkšņi nedarbojas. Visas zvaigznes nodzisīs.

Bet kāds sakars stīgu teorijai ar tās papildu dimensijām? Fakts ir tāds, ka, pēc viņas teiktā, tieši papildu dimensijas nosaka precīzu pamata konstantu vērtību. Daži mērījumu veidi izraisa vienas virknes vibrāciju noteiktā veidā un ģenerē to, ko mēs redzam kā fotonu. Citās formās stīgas vibrē atšķirīgi un ģenerē elektronu. Patiešām, Dievs slēpjas "sīkumos" – tieši šīs sīkās formas nosaka visas šīs pasaules pamatkonstantes.

Superstīgu teorija

Astoņdesmito gadu vidū stīgu teorija ieguva majestātisku un slaidu izskatu, taču šajā piemineklī valdīja apjukums. Tikai dažu gadu laikā ir parādījušās pat piecas stīgu teorijas versijas. Un, lai gan katra no tām ir balstīta uz stīgām un papildu izmēriem (visas piecas versijas ir apvienotas vispārējā superstīgu teorijā - NS), šo versiju informācija ievērojami atšķīrās.

Tātad dažās versijās stīgām bija atvērti gali, citās tās atgādināja gredzenus. Un dažās versijās teorija pat prasīja nevis 10, bet pat 26 mērījumus. Paradokss ir tāds, ka šodien visas piecas versijas var saukt par vienlīdz patiesām. Bet kurš no tiem īsti raksturo mūsu Visumu? Šis ir vēl viens stīgu teorijas noslēpums. Tāpēc daudzi fiziķi atkal atteicās no "trakās" teorijas.

Taču galvenā problēma ar stīgām, kā jau minēts, ir neiespējamība (vismaz pagaidām) eksperimentāli pierādīt to esamību.

Tomēr daži zinātnieki joprojām apgalvo, ka nākamās paaudzes paātrinātājos ir ļoti minimāla, bet tomēr iespēja pārbaudīt papildu dimensiju hipotēzi. Lai gan lielākā daļa, protams, ir pārliecināti, ka, ja tas ir iespējams, tad diemžēl tam nevajadzētu notikt ļoti drīz - vismaz pēc gadu desmitiem, augstākais - pat pēc simts gadiem.