Húrelmélet egyszerű szavakkal. A húrelmélet és az univerzum rejtett dimenziói – a létezés bizonyítéka

A relativitáselmélet az univerzumot „laposként” mutatja be, de a kvantummechanika azt állítja, hogy mikroszinten végtelen mozgás van, amely meghajlítja a teret. A húrelmélet ezeket az elképzeléseket egyesíti, és a legvékonyabb egydimenziós húrok egyesülésének eredményeként mutatja be a mikrorészecskéket, amelyek pontszerű mikrorészecskéknek látszanak, ezért kísérletileg nem figyelhetők meg.

Ez a hipotézis lehetővé teszi számunkra, hogy elképzeljük azokat az elemi részecskéket, amelyek ultramikroszkópos szálakból, úgynevezett húrokból alkotnak atomot.

Az elemi részecskék minden tulajdonságát az őket alkotó szálak rezonanciarezgése magyarázza. Ezek a szálak végtelen sokféleképpen rezeghetnek. Ez az elmélet magában foglalja a kvantummechanika és a relativitáselmélet gondolatainak kombinálását. De a mögöttes gondolatok megerősítésével kapcsolatos számos probléma jelenléte miatt a legtöbb modern tudós úgy véli, hogy a javasolt ötletek nem mások, mint a leghétköznapibb megszentségtelenítés vagy más szóval a zsinórelmélet a dumák számára, vagyis olyan emberek számára, akik teljesen nem ismeri a tudományt és a környező világ szerkezetét.

Az ultramikroszkópos szálak tulajdonságai

Lényegük megértéséhez elképzelheti a hangszerek húrjait - rezeghetnek, hajlíthatnak, görbülhetnek. Ugyanez történik ezekkel a szálakkal, amelyek bizonyos rezgéseket kibocsátva kölcsönhatásba lépnek egymással, hurkokra gyűrődnek és nagyobb részecskéket (elektronokat, kvarkokat) képeznek, amelyek tömege a szálak rezgési frekvenciájától és feszültségüktől függ - ezek indikátorok határozzák meg a húrok energiáját. Minél nagyobb a kibocsátott energia, annál nagyobb az elemi részecske tömege.

Inflációs elmélet és húrok

Az inflációs hipotézis szerint az Univerzum a mikrotér tágulása miatt jött létre, egy húr méretű (Planck-hossz). Ennek a területnek a növekedésével az úgynevezett ultramikroszkópos szálak megnyúltak, és immár a hosszuk arányos az Univerzum méretével. Ugyanolyan kölcsönhatásba lépnek egymással, és ugyanazokat a rezgéseket és rezgéseket keltik. Úgy néz ki, mint a gravitációs lencsék által keltett hatás, amely torzítja a távoli galaxisokból érkező fénysugarakat. A hosszanti rezgések pedig gravitációs sugárzást generálnak.

Matematikai következetlenség és egyéb problémák

Az egyik probléma az elmélet matematikai következetlenségét jelenti – az elméletet tanulmányozó fizikusoknak hiányoznak a képletek a teljes formába öntéshez. A második pedig az, hogy ez az elmélet úgy véli, hogy 10 dimenzió létezik, de mi csak 4-et érzünk – magasságot, szélességet, hosszúságot és időt. A tudósok azt sugallják, hogy a fennmaradó 6 csavart állapotban van, amelynek jelenléte valós időben nem érezhető. A probléma nem az elmélet kísérleti megerősítésének lehetősége, de senki sem tudja megcáfolni.

Természetesen az univerzum húrjai aligha hasonlítanak az általunk elképzeltekhez. A húrelmélet szerint ezek hihetetlenül kicsi, vibráló energiaszálak. Ezek a szálak inkább apró „gumiszalagok”, amelyek mindenféle módon képesek csavarodni, nyúlni és összenyomódni. Mindez azonban nem jelenti azt, hogy ne lehetne „lejátszani” rajtuk az Univerzum szimfóniáját, mert a vonós teoretikusok szerint minden, ami létezik, ezekből a „szálakból” áll.

Fizikai ellentmondás

A számítások azt mutatták, hogy bármely teljesen fekete test teljes sugárzási energiájának végtelenül nagynak kell lennie. Hogy elkerülje ezt a nyilvánvaló abszurditást, Max Planck német tudós 1900-ban azt javasolta, hogy látható fényt, röntgensugarakat és más elektromágneses hullámokat csak az energia bizonyos diszkrét részei bocsáthatnak ki, amelyeket kvantumoknak nevezett. Segítségükkel sikerült megoldani az abszolút fekete test sajátos problémáját. A kvantumhipotézis determinizmusra gyakorolt következményei azonban még nem valósultak meg. Egészen addig, amíg 1926-ban egy másik német tudós, Werner Heisenberg megfogalmazta a híres bizonytalansági elvet.

Nem lehet biztosan megmondani, hogy egy adott részecske jelenleg a tér mely pontján található, és mekkora a szögimpulzusa. Csak bizonyos valószínűséggel találunk egy részecskét a téridő számos régiójában. Úgy tűnik, hogy a szubatomi szinten lévő részecskék „elkenődnek” az egész térben. Nem csak ez, hanem magának a részecskéknek a „státusza” sincs definiálva: egyes esetekben hullámszerűen viselkednek, máskor részecskék tulajdonságait mutatják. Ezt nevezik a fizikusok a kvantummechanika hullám-részecske kettősségének.

A világ szerkezetének szintjei: 1. Makroszkópos szint - anyag 2. Molekuláris szint 3. Atomszint - protonok, neutronok és elektronok 4. Szubatomi szint - elektron 5. Szubatomi szint - kvarkok 6. Húrszint /©Bruno P. Ramos

Az általános relativitáselméletben, mintha egy ellentétes törvényekkel rendelkező állapotban lenne, alapvetően más a helyzet. A tér olyan, mint egy trambulin – egy sima anyag, amelyet tömeges tárgyak hajlíthatnak és nyújthatnak. A téridőben vetemedéseket hoznak létre – amit gravitációként élünk meg. Mondanunk sem kell, hogy a harmonikus, helyes és kiszámítható Általános relativitáselmélet feloldhatatlan konfliktusban van a „különc huligánnal” – a kvantummechanikával, és ennek következtében a makrovilág nem tud „békét kötni” a mikrovilággal. Itt jön a húrelmélet a segítség.

2D Univerzum. Poliéder gráf E8 /©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project

Mindennek elmélete

A húrelmélet minden fizikus azon álmát testesíti meg, hogy egyesítsék a két alapvetően egymásnak ellentmondó általános relativitáselméletet és a kvantummechanikát, amely álom a legnagyobb „cigány és csavargó” Albert Einsteint élete végéig kísértette.

Sok tudós úgy véli, hogy a galaxisok csodálatos táncától a szubatomi részecskék őrült táncáig mindent meg lehet magyarázni egyetlen alapvető fizikai elvvel. Talán egyetlen törvény, amely egyesíti az összes energiatípust, részecskéket és kölcsönhatásokat valami elegáns képletben.

A legösszetettebb matematika segítségével sikerült kimutatni, hogy az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatások közös természetűek, egyetlen elektrogyenge kölcsönhatásba egyesítve őket. Ezt követően erős nukleáris kölcsönhatást is hozzáadtak hozzájuk - de a gravitáció semmilyen módon nem csatlakozik hozzájuk. A húrelmélet az egyik legkomolyabb jelölt mind a négy erő összekapcsolására, és ezért az Univerzum összes jelenségét felöleli - nem véletlenül nevezik „Minden elméletének” is.

Kezdetben volt egy mítosz

Eddig nem minden fizikus örül a húrelméletnek. És megjelenése hajnalán végtelenül távolinak tűnt a valóságtól. Már a születése is legenda.

Az 1960-as évek végén egy fiatal olasz elméleti fizikus, Gabriele Veneziano olyan egyenleteket keresett, amelyek megmagyarázhatják az erős nukleáris erőt – azt a rendkívül erős „ragasztót”, amely összetartja az atommagokat, összekapcsolva a protonokat és a neutronokat. A legenda szerint egy napon véletlenül belebotlott egy poros matematikatörténeti könyvbe, amelyben talált egy kétszáz éves függvényt, amelyet először Leonhard Euler svájci matematikus írt le. Képzeljük el Veneziano meglepetését, amikor felfedezte, hogy az Euler-függvény, amelyet sokáig csak matematikai érdekességnek tekintettek, leírja ezt az erős kölcsönhatást.

Milyen volt valójában? A képlet valószínűleg Veneziano sokéves munkájának eredménye, és a véletlen csak segített megtenni az első lépést a húrelmélet felfedezése felé. Az Euler-függvény, amely csodálatos módon megmagyarázta az erős erőt, új életre talált.

Végül felfigyelt a fiatal amerikai elméleti fizikusra, Leonard Susskindre, aki látta, hogy a képlet mindenekelőtt olyan részecskéket ír le, amelyeknek nincs belső szerkezetük, és képesek rezegni. Ezek a részecskék úgy viselkedtek, hogy nem lehettek csak pontszemcsék. Susskind megértette – a képlet olyan szálat ír le, amely olyan, mint egy rugalmas szalag. Nemcsak nyúlni és összehúzódni tudott, hanem oszcillálni és mocorogni is. Felfedezésének leírása után Susskind bemutatta a húrok forradalmi ötletét.

Sajnos kollégáinak túlnyomó többsége nagyon hűvösen fogadta az elméletet.

Szabványos modell

Abban az időben a hagyományos tudomány a részecskéket pontként, nem pedig húrként ábrázolta. A fizikusok évek óta tanulmányozták a szubatomi részecskék viselkedését nagy sebességgel ütköztetve, és tanulmányozták ezen ütközések következményeit. Kiderült, hogy az Univerzum sokkal gazdagabb, mint azt elképzelni lehetne. Az elemi részecskék valódi „népességrobbanása” volt. Fizikus végzős hallgatók rohangáltak a folyosókon, és azt kiabálták, hogy új részecskét fedeztek fel – még csak betű sem volt elég a jelölésükhöz. De sajnos az új részecskék „szülési kórházában” a tudósok soha nem tudták megtalálni a választ arra a kérdésre, hogy miért van belőlük olyan sok, és honnan származnak?

Ez szokatlan és megdöbbentő jóslatra késztette a fizikusokat – rájöttek, hogy a természetben működő erők részecskékkel is magyarázhatók. Vagyis vannak anyagrészecskék, és vannak kölcsönhatásokat hordozó részecskék. Például a foton egy fényrészecske. Minél több ilyen hordozórészecske – ugyanazok a fotonok, amelyeket az anyagrészecskék cserélnek –, annál világosabb a fény. A tudósok azt jósolták, hogy a hordozó részecskék e bizonyos cseréje nem más, mint amit mi erőként érzékelünk. Ezt kísérletek igazolták. A fizikusoknak így sikerült közelebb kerülniük Einstein álmához, az erők egyesítésére.

Kölcsönhatások a különböző részecskék között a standard modellben /

A tudósok úgy vélik, hogy ha az ősrobbanás után haladunk előre, amikor az Univerzum több billió fokkal melegebb volt, akkor az elektromágnesességet és a gyenge erőt hordozó részecskék megkülönböztethetetlenné válnak, és egyetlen erővé, az úgynevezett elektrogyenge erővé egyesülnek. És ha még messzebbre megyünk vissza az időben, az elektrogyenge kölcsönhatás és az erős kölcsönhatás egyetlen teljes „szupererővé” egyesülne.

Bár mindez még bizonyításra vár, a kvantummechanika hirtelen megmagyarázta, hogy a négy erő közül három hogyan hat egymásra szubatomi szinten. És szépen és következetesen elmagyarázta. Az interakciók ezen koherens képe végül Standard Modell néven vált ismertté. De sajnos ennek a tökéletes elméletnek volt egy nagy problémája – nem tartalmazta a leghíresebb makroszintű erőt – a gravitációt.

Graviton

A húrelmélet számára, amelynek még nem volt ideje „kivirágozni”, eljött az „ősz”, már születésétől fogva túl sok problémát tartalmazott. Például az elmélet számításai megjósolták a részecskék létezését, amelyek, mint hamarosan kiderült, nem léteznek. Ez az úgynevezett tachion – egy részecske, amely vákuumban gyorsabban mozog, mint a fény. Többek között kiderült, hogy az elmélethez akár 10 dimenzió is szükséges. Nem meglepő, hogy ez nagyon megzavarta a fizikusokat, mivel nyilvánvalóan nagyobb, mint amit látunk.

1973-ban még csak néhány fiatal fizikus küszködött a húrelmélet rejtelmeivel. Egyikük John Schwartz amerikai elméleti fizikus volt. Schwartz négy évig próbálta megszelídíteni a rakoncátlan egyenleteket, de hiába. Többek között ezen egyenletek egyike egy titokzatos részecskék leírásában volt, amelynek nem volt tömege, és amelyet a természetben nem figyeltek meg.

A tudós már akkor eldöntötte, hogy felhagy katasztrofális üzletével, és ekkor tudatosult benne – talán a húrelmélet egyenletei is leírják a gravitációt? Ez azonban magában foglalta az elmélet fő „hőseinek” - a húrok - dimenzióinak felülvizsgálatát. Feltételezve, hogy a húrok milliárdszor és milliárdszor kisebbek egy atomnál, a „húrok” az elmélet hátrányát az előnyére fordították. A titokzatos részecske, amelytől John Schwartz olyan kitartóan próbált megszabadulni, most gravitonként működött – egy olyan részecskeként, amelyet régóta kerestek, és amely lehetővé teszi a gravitáció kvantumszintre való átvitelét. Így tette teljessé a húrelmélet a gravitációval a rejtvényt, ami hiányzott a Standard Modellből. De sajnos még erre a felfedezésre sem reagált a tudományos közösség semmilyen módon. A húrelmélet a túlélés küszöbén maradt. De ez nem akadályozta meg Schwartzot. Csak egy tudós akart csatlakozni a kereséshez, aki készen állt kockára tenni karrierjét a titokzatos húrok érdekében - Michael Green.

Szubatomi fészkelő babák

Mindennek ellenére az 1980-as évek elején a húrelméletnek még voltak feloldhatatlan ellentmondásai, amelyeket a tudomány anomáliáinak neveztek. Schwartz és Green hozzáláttak ezek megszüntetéséhez. És erőfeszítéseik nem voltak hiábavalók: a tudósok képesek voltak kiküszöbölni az elmélet egyes ellentmondásait. Képzeld el e kettő csodálkozását, akik már megszokták, hogy elméletüket figyelmen kívül hagyták, amikor a tudományos közösség reakciója felrobbantotta a tudományos világot. Kevesebb, mint egy év alatt több száz főre ugrott a vonós teoretikusok száma. Ekkor kapta meg a húrelmélet a Mindenek elmélete címet. Az új elmélet alkalmasnak tűnt az univerzum összes összetevőjének leírására. És ezek az összetevők.

Olyan kicsi, hogy ha egy atomot a Naprendszer méretűre nagyítanának, a húr akkora lenne, mint egy fa. Ahogyan a csellóhúr különböző rezgései hozzák létre azt, amit hallunk, ahogy a különböző hangjegyek, a húr különböző rezgési módjai (módjai) adják a részecskéknek egyedi tulajdonságaikat - tömeget, töltést stb. Tudja-e, hogy viszonylagosan szólva, a köröm hegyén lévő protonok miben különböznek a még fel nem fedezett gravitontól? Csak az őket alkotó apró húrok gyűjteménye és a húrok rezgése miatt.

Mindez persze több mint meglepő. Az ókori Görögország óta a fizikusok megszokták, hogy ezen a világon minden golyókból, apró részecskékből áll. És így, miután nem volt idejük megszokni ezeknek a golyóknak a kvantummechanikából következő logikátlan viselkedését, arra kérik őket, hogy hagyják el teljesen a paradigmát, és operáljanak valamiféle spagetti törmelékkel...

Ötödik dimenzió

Bár sok tudós a húrelméletet a matematika diadalának nevezi, néhány probléma még mindig fennáll vele – leginkább az, hogy nincs lehetőség kísérletileg a közeljövőben tesztelni. A világon egyetlen, sem létező, sem a jövőben megjelenő hangszer nem képes „látni” a húrokat. Ezért a tudósok egy része egyébként fel is teszi a kérdést: a húrelmélet fizika- vagy filozófiaelmélet?... Igaz, a húrok „saját szemével” látása egyáltalán nem szükséges. A húrelmélet bizonyításához inkább valami másra van szükség – ami úgy hangzik, mint a sci-fi –, hogy megerősítsük a tér extra dimenzióinak létezését.

Miről szól? Mindannyian hozzászoktunk a tér három dimenziójához és egyhez – az időhöz. De a húrelmélet megjósolja más – extra – dimenziók jelenlétét. De kezdjük sorban.

Valójában csaknem száz évvel ezelőtt merült fel más dimenziók létezésének ötlete. Az akkor még ismeretlen német matematikus, Theodor Kaluza jutott eszébe 1919-ben. Felvetette egy másik dimenzió lehetőségét Univerzumunkban, amelyet nem látunk. Albert Einstein megismerte ezt az ötletet, és először nagyon tetszett neki. Később azonban kételkedett a helyességében, és két teljes évig halogatta a Kaluza megjelenését. Végül azonban a cikk megjelent, és a további dimenzió a fizika zsenijének egyfajta hobbija lett.

Mint tudják, Einstein megmutatta, hogy a gravitáció nem más, mint a tér-idő dimenziók deformációja. Kaluza azt javasolta, hogy az elektromágnesesség hullámzás is lehet. Miért nem látjuk? Kaluza megtalálta a választ erre a kérdésre - az elektromágnesesség hullámai egy további, rejtett dimenzióban is létezhetnek. De hol van?

Erre a kérdésre Oskar Klein svéd fizikus adta meg a választ, aki azt sugallta, hogy Kaluza ötödik dimenziója több milliárdszor erősebbre van gyűrve, mint egyetlen atom mérete, ezért nem látjuk. Ennek a körülöttünk lévő apró dimenziónak a gondolata a húrelmélet középpontjában áll.

A további csavart méretek javasolt formája. Ezen formák mindegyikében egy húr vibrál és mozog - az Univerzum fő alkotóeleme. Minden űrlap hatdimenziós - a további hat dimenzió számának megfelelően /

Tíz dimenzió

De valójában a húrelméleti egyenletek nem is egy, hanem hat további dimenziót igényelnek (összesen az általunk ismert négynél pontosan 10 van). Mindegyiknek nagyon csavart és ívelt összetett alakja van. És minden elképzelhetetlenül kicsi.

Hogyan befolyásolhatják ezek az apró mérések nagy világunkat? A húrelmélet szerint ez a döntő: számára az alak határoz meg mindent. Ha különböző billentyűket nyom meg egy szaxofonon, különböző hangokat kap. Ez azért történik, mert egy adott billentyű vagy billentyűkombináció megnyomásával megváltoztatja a hangszer azon terének alakját, ahol a levegő kering. Ennek köszönhetően különböző hangok születnek.

A húrelmélet azt sugallja, hogy a tér további ívelt és csavart dimenziói hasonló módon nyilvánulnak meg. Ezeknek az extra dimenzióknak a formái összetettek és változatosak, és mindegyik az ilyen dimenziókon belüli húrt pontosan az alakjuk miatt különbözőképpen rezegteti. Hiszen ha feltesszük például, hogy az egyik húr egy kancsóban, a másik pedig egy íves oszlopszarvban rezeg, akkor ezek teljesen más rezgések. Ha azonban hiszel a húrelméletben, a valóságban a további dimenziók formái sokkal bonyolultabbnak tűnnek, mint egy kancsó.

Hogyan működik a világ

A mai tudomány olyan számokat ismer, amelyek az Univerzum alapvető állandói. Ők azok, akik meghatározzák a körülöttünk lévő dolgok tulajdonságait és jellemzőit. Ilyen állandók közé tartozik például az elektron töltése, a gravitációs állandó, a fény sebessége vákuumban... És ha ezeket a számokat akár elenyészően sokszor megváltoztatjuk, a következmények katasztrofálisak lesznek. Tegyük fel, hogy növeltük az elektromágneses kölcsönhatás erősségét. Mi történt? Hirtelen azt tapasztalhatjuk, hogy az ionok erősebben kezdik taszítani egymást, és a magfúzió, amely a csillagokat ragyogást és hőt bocsát ki, hirtelen meghiúsul. Minden csillag kialszik.

De mi köze a húrelméletnek a plusz dimenzióival? A helyzet az, hogy eszerint a kiegészítő dimenziók határozzák meg az alapállandók pontos értékét. A mérés egyes formái egy húrt bizonyos módon rezegnek, és azt állítják elő, amit fotonnak látunk. Más formákban a húrok eltérően rezegnek, és elektront hoznak létre. Valójában Isten a „kis dolgokban” van – ezek az apró formák határozzák meg ennek a világnak az összes alapvető állandóját.

Szuperhúr elmélet

Az 1980-as évek közepén a húrelmélet nagyszerű és rendezett megjelenést kapott, de az emlékmű belsejében zűrzavar uralkodott. Alig néhány év alatt a húrelmélet öt változata jelent meg. És bár mindegyik húrokra és extra dimenziókra épül (mind az öt verziót a szupersztringek általános elméletébe - NS - egyesítik), ezek a verziók jelentősen eltértek a részletekben.

Így egyes változatokban a húrok nyitott végűek voltak, másokban gyűrűkre hasonlítottak. És egyes verziókban az elmélet nem 10, hanem akár 26 dimenziót is megkövetelt. A paradoxon az, hogy mind az öt mai változat egyformán igaznak nevezhető. De melyik jellemzi igazán az Univerzumunkat? Ez a húrelmélet másik rejtélye. Ezért sok fizikus ismét feladta az „őrült” elméletet.

De a húrok fő problémája, mint már említettük, hogy lehetetlen (legalábbis egyelőre) kísérletileg igazolni jelenlétüket.

Egyes tudósok azonban továbbra is azt mondják, hogy a gyorsítók következő generációja nagyon minimális, de még mindig lehetőséget kínál a további dimenziókra vonatkozó hipotézis tesztelésére. Bár a többség persze biztos abban, hogy ha ez lehetséges, akkor sajnos ez nem nagyon fog megtörténni - legalábbis évtizedek múlva, legfeljebb - még száz év múlva sem.

Kulcskérdések:

Melyek az Univerzum alapvető összetevői – az „anyag első téglája”? Vannak olyan elméletek, amelyek megmagyarázzák az összes alapvető fizikai jelenséget?

Kérdés: ez valódi?

Jelenleg és a belátható jövőben ilyen kis léptékű közvetlen megfigyelés nem lehetséges. A fizika keresés alatt áll, és a folyamatban lévő kísérletek, például szuperszimmetrikus részecskék felfedezése vagy extra dimenziók keresése a gyorsítókban, azt jelezhetik, hogy a húrelmélet jó úton halad.

Függetlenül attól, hogy a húrelmélet mindennek az elmélete, vagy sem, egyedülálló eszköztárat ad a valóság mélyebb struktúráiba való betekintéshez.

Húrelmélet

Makró és mikro

Az Univerzum leírásakor a fizika két, látszólag összeférhetetlen félre osztja - a kvantum-mikrovilágra és a makrovilágra, amelyben a gravitációt leírják.

A húrelmélet egy vitatott kísérlet arra, hogy ezeket a feleket „Minden elméletté” egyesítsék.

Részecskék és kölcsönhatások

A világ kétféle elemi részecskéből áll - fermionokból és bozonokból. A fermionok mind megfigyelhető anyagok, a bozonok pedig a négy ismert alapvető kölcsönhatás hordozói: gyenge, elektromágneses, erős és gravitációs. A Standard Modellnek nevezett elmélet segítségével a fizikusok elegánsan le tudták írni és tesztelni a három alapvető erőt, a leggyengébbek kivételével a gravitációs erőket. Ma a Standard Modell világunk legpontosabb és kísérletileg megerősített modellje.

Miért van szükségünk a húrelméletre?

A Standard Modell nem tartalmazza a gravitációt, nem írja le a fekete lyuk középpontját és az Ősrobbanást, és nem magyarázza meg egyes kísérletek eredményeit. A húrelmélet egy kísérlet arra, hogy megoldja ezeket a problémákat, és egyesítse az anyagot és a kölcsönhatásokat az elemi részecskék apró vibráló húrokkal való helyettesítésével.

A húrelmélet azon az elgondoláson alapul, hogy az összes elemi részecske egyetlen elemi „első téglaként” - egy húrként ábrázolható. A húrok rezeghetnek, és az ilyen rezgések különböző módjai nagy távolságban különböző elemi részecskéknek tűnnek számunkra. Az egyik rezgésmód a húrt fotonhoz, a másik pedig elektronhoz hasonlítja.

Még egy mód is létezik, amely leírja a gravitációs kölcsönhatás hordozóját - a gravitont! A húrelmélet változatai kétféle karakterláncot írnak le: nyitott (1) és zárt (2). A nyitott húroknak két vége (3) van a membránszerű struktúrákon, az úgynevezett D-bránokon, és dinamikájuk a négy alapvető erő közül hármat ír le – a gravitációs erők kivételével.

A zárt húrok hurokhoz hasonlítanak, nincsenek D-bránokhoz kötve - a zárt húrok rezgésmódjait egy tömeg nélküli graviton képviseli. A nyitott húr végei egyesülve zárt húrgá alakulhatnak, amely viszont elszakadhat és nyitott húrrá alakulhat, vagy összefolyhat és két zárt húrra szakad (5) - így a húrelméletben a gravitációs kölcsönhatás az összes többivel kombinálódik.

A húrok a legkisebb objektumok, amelyeken a fizika dolgozik. A fenti képen látható V objektumok mérettartománya 34 nagyságrendig terjed - ha egy atom akkora lenne, mint a Naprendszer, akkor a húr mérete valamivel nagyobb lehet, mint az atommag.

További méretek

Konzisztens húrelméletek csak a magasabb dimenziós térben lehetségesek, ahol az ismert 4. téridő dimenziókon kívül még 6 további szükséges. A teoretikusok úgy vélik, hogy ezek az extra dimenziók megfoghatatlanul kis formákká - Calabi-Yau terekké - hajtogathatók. A húrelmélet egyik problémája, hogy a Calabi-Yau konvolúciónak (tömörítésnek) szinte végtelen számú változata létezik, ami lehetővé teszi, hogy bármilyen világot leírjunk, és egyelőre nem sikerült megtalálni a tömörítésnek azt a változatát, lehetővé tenné, hogy leírjuk azt, amit körülöttünk látunk.

Szuperszimmetria

A húrelmélet legtöbb változata megköveteli a szuperszimmetria fogalmát, amely azon az elgondoláson alapul, hogy a fermionok (anyag) és bozonok (kölcsönhatások) ugyanannak az objektumnak a megnyilvánulásai, és egymásba fordulhatnak.

Mindennek az elmélete?

A szuperszimmetriát 5 különböző módon lehet beépíteni a húrelméletbe, ami 5 különböző típusú húrelméletet eredményez, ami azt jelenti, hogy maga a húrelmélet nem mondhatja magát „minden elméletének”. Mind az öt típus kettősségnek nevezett matematikai transzformációk révén kapcsolódik egymáshoz, és ez annak megértéséhez vezetett, hogy ezek a típusok mindegyike valami általánosabb aspektusa. Ezt az általánosabb elméletet M-elméletnek nevezik.

A húrelméletnek 5 különböző megfogalmazása létezik, de közelebbről megvizsgálva kiderül, hogy mindegyik egy általánosabb elmélet megnyilvánulása.

Végső soron minden elemi részecske mikroszkopikus többdimenziós húrként ábrázolható, amelyben különböző harmonikusok rezgései gerjesztődnek.

Figyelem, szorosan kapcsold be a biztonsági övet – és megpróbálom leírni neked a tudományos körökben ma komolyan tárgyalt elméletek közül az egyik legfurcsább elméletet, amely végre végső támpontot adhat az Univerzum felépítéséhez. Ez az elmélet annyira őrültnek tűnik, hogy nagyon valószínű, hogy igaz!

Manapság a húrelmélet különféle változatait tekintik vezető esélyesnek egy átfogó univerzális elmélet címére, amely megmagyarázza minden létező természetét. Ez pedig az elemi részecskék elméletével és a kozmológiával foglalkozó elméleti fizikusok egyfajta Szent Grálja. Univerzális elmélet (más néven elmélet mindenről) csak néhány egyenletet tartalmaz, amelyek egyesítik a kölcsönhatások természetéről és az anyag azon alapvető elemeinek tulajdonságairól szóló teljes emberi tudást, amelyekből az Univerzum épül. Ma a húrelméletet egyesítették a fogalommal szuperszimmetria, melynek eredményeként megszületett szuperhúr elmélet, és ez a maximum, amit eddig elértek mind a négy fő kölcsönhatás (természetben ható erők) elméletének egységesítése tekintetében. Maga a szuperszimmetria elmélete már egy a priori modern koncepció alapján épül fel, amely szerint minden távoli (mező) kölcsönhatás a kölcsönhatásban lévő részecskék közötti megfelelő típusú kölcsönhatáshordozó részecskék cseréjének köszönhető. cm. Standard modell). Az egyértelműség kedvéért a kölcsönhatásban lévő részecskéket tekinthetjük az univerzum „tégláinak”, a hordozó részecskéket pedig cementnek.

A standard modellen belül a kvarkok építőelemként, az interakcióhordozók pedig úgy működnek mérő bozonok, amit ezek a kvarkok cserélnek egymással. A szuperszimmetria elmélete még tovább megy, és kijelenti, hogy maguk a kvarkok és leptonok nem alapvetőek: mindegyikük még nehezebb és kísérletileg fel nem fedezett anyagszerkezetekből (építőkövekből) áll, amelyeket egy még erősebb szuperenergiás részecskék „cementje” tart össze. -kölcsönhatások hordozói, mint a hadronokból és bozonokból álló kvarkok. Természetesen a szuperszimmetria-elmélet egyik előrejelzését sem tesztelték még laboratóriumi körülmények között, de az anyagi világ feltételezett rejtett összetevőinek már van neve - pl. сelektron(az elektron szuperszimmetrikus partnere), squark stb. Ezeknek a részecskéknek a létezését azonban egyértelműen megjósolják az ilyen típusú elméletek.

Az Univerzumról alkotott kép, amelyet ezek az elméletek kínálnak, azonban meglehetősen könnyen megjeleníthető. Körülbelül 10-35 m-es skálán, azaz 20 nagyságrenddel kisebb, mint egy három kötött kvarkot tartalmazó proton átmérője, az anyag szerkezete még az elemi részecskék szintjén is eltér a megszokottól. . Ilyen kis távolságokon (és olyan nagy kölcsönhatási energiáknál, hogy ez elképzelhetetlen) az anyag térbeli állóhullámok sorozatává változik, hasonlóan a hangszerek húrjaiban gerjesztett hullámokhoz. A gitárhúrhoz hasonlóan egy ilyen húr a főhangon kívül sokakat izgathat felhangok vagy harmonikusok Minden harmonikusnak megvan a maga energiaállapota. Alapján relativitás elve (cm. A relativitáselmélet), az energia és a tömeg egyenértékűek, ami azt jelenti, hogy minél nagyobb a húr harmonikus hullám rezgésének frekvenciája, annál nagyobb az energiája, és annál nagyobb a megfigyelt részecske tömege.

Ha azonban egy gitárhúron meglehetősen könnyű egy állóhullámot vizualizálni, akkor a szuperhúrelmélet által javasolt állóhullámokat nehéz elképzelni - a helyzet az, hogy a szuperhúrok rezgései egy 11 dimenziós térben fordulnak elő. Megszoktuk a négydimenziós teret, amely három térbeli és egy időbeli dimenziót tartalmaz (bal-jobb, fel-le, előre-hátra, múlt-jövő). A szupersztring térben a dolgok sokkal bonyolultabbak (lásd a keretet). Az elméleti fizikusok megkerülik az „extra” térdimenziók csúszós problémáját azzal az érveléssel, hogy ezek „rejtettek” (vagy tudományos kifejezéssel „tömörödöttek”), és ezért nem figyelhetők meg hétköznapi energiákon.

Újabban a húrelméletet továbbfejlesztették a formában többdimenziós membránelmélet- lényegében ugyanazok a húrok, de laposak. Ahogy egyik szerzője véletlenül viccelődött, a membránok nagyjából ugyanúgy különböznek a húroktól, mint a tészta a cérnametéltektől.

Talán ennyit lehet röviden elmondani az egyik elméletről, amely ma nem ok nélkül vallja magát az összes erőkölcsönhatás Nagy Egyesülésének egyetemes elméletének. Sajnos ez az elmélet nem mentes a bűntől. Először is, még nem hozták szigorú matematikai formába a matematikai apparátus elégtelensége miatt ahhoz, hogy szigorú belső megfeleltetésbe hozza. 20 év telt el ennek az elméletnek a megszületése óta, és senkinek sem sikerült következetesen harmonizálnia egyes szempontjait és változatait másokkal. Ami még kellemetlen, hogy a húrelméletet (és különösen a szuperhúrokat) javasoló teoretikusok egyike sem javasolt még egyetlen olyan kísérletet sem, amelyben ezeket az elméleteket laboratóriumban tesztelni lehetne. Sajnos attól tartok, hogy amíg ezt meg nem teszik, addig minden munkájuk a fantázia bizarr játéka marad, és az ezoterikus tudás megértésének gyakorlata a természettudomány főáramán kívül.

Lásd még:

1972	Kvantumkromodinamika

Hány dimenzió van összesen?

Nekünk, hétköznapi embereknek a három dimenzió mindig is elég volt. Emberemlékezet óta megszoktuk, hogy a fizikai világot ilyen szerény szavakkal írjuk le (egy kardfogú tigris 40 méterrel előttem, 11 méterrel jobbra és 4 méterrel felettem – macskakő a harchoz!). A relativitáselmélet legtöbbünknek megtanította, hogy az idő a negyedik dimenzió (a kardfogú tigris nem csak itt van, hanem itt és most fenyeget minket!). Így hát a huszadik század közepétől kezdődően a teoretikusok arról kezdtek beszélni, hogy valójában még több dimenzió létezik - vagy 10, vagy 11, vagy akár 26. Természetesen magyarázat nélkül, mi, normális emberek miért nem figyeljük meg őket, itt nem lehetett megtenni. És akkor felmerült a „tömörítés” fogalma - a dimenziók összetapadása vagy összeomlása.

Képzeljünk el egy kerti öntözőtömlőt. Közelről normál háromdimenziós tárgyként érzékeljük. Ha azonban kellő távolságra eltávolodik a tömlőtől, egydimenziós lineáris objektumnak fog tűnni: egyszerűen nem érzékeljük a vastagságát. Pontosan ezt a hatást szokták a mérés tömörítésének nevezni: ebben az esetben a tömlő vastagsága „tömörödött” lett – a mérési skála léptéke túl kicsi.

A teoretikusok szerint pontosan így tűnnek el kísérleti érzékelésünk mezejéből az anyag szubatomi szintű tulajdonságainak megfelelő magyarázatához szükséges, valós életből származó járulékos dimenziók: tömörülnek, a stádium skálájából kiindulva. 10-35 m nagyságrendű, és a modern megfigyelési módszerek és mérőműszerek egyszerűen nem képesek ilyen kis léptékű szerkezetek észlelésére. Talán pontosan így van, vagy talán minden teljesen más. Amíg nincsenek ilyen eszközök és megfigyelési módszerek, a fenti érvek és ellenérvek a tétlen spekuláció szintjén maradnak.

Fizikai ellentmondás

A 19. század második felében a fizikusok úgy tűntek, hogy tudományukban már semmi komolyat nem lehet felfedezni. A klasszikus fizika úgy gondolta, hogy nem maradtak benne komolyabb problémák, és a világ teljes szerkezete tökéletesen szabályozott és kiszámítható gépezetnek tűnt. A baj, mint általában, értelmetlenség miatt történt - az egyik kis „felhő”, amely még mindig a tudomány tiszta, érthető egén maradt. Mégpedig egy abszolút fekete test sugárzási energiájának kiszámításakor (olyan hipotetikus test, amely bármilyen hőmérsékleten teljesen elnyeli a ráeső sugárzást, függetlenül a hullámhossztól - NS). A számítások azt mutatták, hogy bármely teljesen fekete test teljes sugárzási energiájának végtelenül nagynak kell lennie. Hogy elkerülje ezt a nyilvánvaló abszurditást, Max Planck német tudós 1900-ban azt javasolta, hogy látható fényt, röntgensugarakat és más elektromágneses hullámokat csak az energia bizonyos diszkrét részei bocsáthatnak ki, amelyeket kvantumoknak nevezett. Segítségükkel sikerült megoldani az abszolút fekete test sajátos problémáját. A kvantumhipotézis determinizmusra gyakorolt következményei azonban még nem valósultak meg. Egészen addig, amíg 1926-ban egy másik német tudós, Werner Heisenberg megfogalmazta a híres bizonytalansági elvet.

Lényege abban rejlik, hogy minden korábban uralkodó kijelentéssel ellentétben a természet korlátozza azt a képességünket, hogy a fizikai törvények alapján megjósoljuk a jövőt. Természetesen a szubatomi részecskék jövőjéről és jelenéről beszélünk. Kiderült, hogy teljesen másképp viselkednek, mint a körülöttünk lévő makrokozmoszban. Szubatomi szinten a tér szövete egyenetlenné és kaotikussá válik. Az apró részecskék világa annyira viharos és felfoghatatlan, hogy dacol a józan észlel. A tér és az idő annyira kicsavarodott és összefonódik benne, hogy nincsenek hétköznapi fogalmak a balról és a jobbról, a fel és le, sőt az előtte és utána. Nem lehet biztosan megmondani, hogy egy adott részecske jelenleg a tér mely pontján található, és mekkora a szögimpulzusa. Csak bizonyos valószínűséggel találunk egy részecskét a téridő számos régiójában. Úgy tűnik, hogy a szubatomi szinten lévő részecskék „elkenődnek” az egész térben. Nem csak ez, hanem magának a részecskéknek a „státusza” sincs definiálva: egyes esetekben hullámszerűen viselkednek, máskor részecskék tulajdonságait mutatják. Ezt nevezik a fizikusok a kvantummechanika hullám-részecske kettősségének.

Mindennek elmélete

Az általános relativitáselmélet leírja az Univerzum egyik leghíresebb erejét - a gravitációt. A kvantummechanika három másik erőt ír le: az erős magerőt, amely a protonokat és a neutronokat atomokban ragasztja össze, az elektromágnesességet és a gyenge erőt, amely a radioaktív bomlásban vesz részt. Az univerzum bármely eseményét, az atom ionizációjától a csillag születéséig, az anyag kölcsönhatásai írják le ezen a négy erőn keresztül. A legösszetettebb matematika segítségével sikerült kimutatni, hogy az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatások közös természetűek, egyetlen elektrogyenge kölcsönhatásba egyesítve őket. Ezt követően erős nukleáris kölcsönhatást is hozzáadtak hozzájuk - de a gravitáció semmilyen módon nem csatlakozik hozzájuk. A húrelmélet az egyik legkomolyabb jelölt mind a négy erő összekapcsolására, és ezért az Univerzum összes jelenségét felöleli - nem véletlenül nevezik „Minden elméletének” is.

Kezdetben volt egy mítosz

Eddig nem minden fizikus örül a húrelméletnek. És megjelenése hajnalán végtelenül távolinak tűnt a valóságtól. Már a születése is legenda.

Sajnos kollégáinak túlnyomó többsége nagyon hűvösen fogadta az elméletet.

Szabványos modell

De sajnos az új részecskék „szülési kórházában” a tudósok soha nem tudták megtalálni a választ arra a kérdésre, hogy miért van belőlük olyan sok, és honnan származnak?

Graviton

John Schwartz amerikai elméleti fizikus és Michael Green

Milyen okok indokolják azt gondolni, hogy a gravitáció engedelmeskedik a kvantummechanika törvényeinek? Ezen „alapok” felfedezéséért 2011-ben a fizikai Nobel-díjat ítélték oda. Abból állt, hogy az Univerzum tágulása nem lassul, ahogy azt valaha gondolták, hanem éppen ellenkezőleg, felgyorsul. Ez a gyorsulás egy speciális „antigravitáció” hatásával magyarázható, amely valahogy a tér vákuumának üres terére jellemző. Másrészt kvantum szinten semmi sem lehet teljesen „üres” - vákuumban a szubatomi részecskék folyamatosan megjelennek és azonnal eltűnnek. Úgy gondolják, hogy a részecskék „villogása” felelős az „antigravitációs” sötét energia létezéséért, amely kitölti az üres teret.

Egy időben Albert Einstein volt az, aki élete végéig soha nem fogadta el a kvantummechanika paradox alapelveit (amit ő maga is megjósolt), és javasolta ennek az energiaformának a létezését. A klasszikus görög filozófia hagyományát követve, Arisztotelész, a világ örökkévalóságába vetett hitével, Einstein nem volt hajlandó elhinni, amit saját elmélete megjósolt, nevezetesen, hogy a világegyetemnek van kezdete. Az univerzum „megörökítése” érdekében Einstein még egy bizonyos kozmológiai állandót is bevezetett elméletébe, és így írta le az üres tér energiáját. Szerencsére néhány év után kiderült, hogy az Univerzum egyáltalán nem fagyott forma, tágul. Aztán Einstein elhagyta a kozmológiai állandót, és „élete legnagyobb tévedésének” nevezte.

Ma a tudomány tudja, hogy a sötét energia még mindig létezik, bár a sűrűsége jóval alacsonyabb, mint amit Einstein feltételezett (a sötét energia sűrűségének problémája egyébként a modern fizika egyik legnagyobb rejtélye). De nem számít, milyen kicsi a kozmológiai állandó értéke, ez elég ahhoz, hogy igazoljuk, léteznek-e kvantumhatások a gravitációban.

Szubatomi fészkelő babák

Minden atom, mint tudjuk, még kisebb részecskékből – elektronokból – áll, amelyek egy protonokból és neutronokból álló mag körül örvénylődnek. A protonok és neutronok viszont még kisebb részecskékből – kvarkokból – állnak. De a húrelmélet szerint ez nem ér véget a kvarkokkal. A kvarkok apró, kavargó energiaszálakból állnak, amelyek húrokhoz hasonlítanak. Ezen húrok mindegyike elképzelhetetlenül kicsi. Olyan kicsi, hogy ha egy atomot a Naprendszer méretűre nagyítanának, a húr akkora lenne, mint egy fa. Ahogyan a csellóhúr különböző rezgései hozzák létre azt, amit hallunk, ahogy a különböző hangjegyek, a húr különböző rezgési módjai (módjai) adják a részecskéknek egyedi tulajdonságaikat - tömeget, töltést stb. Tudja-e, hogy viszonylagosan szólva, a köröm hegyén lévő protonok miben különböznek a még fel nem fedezett gravitontól? Csak az őket alkotó apró húrok gyűjteménye és a húrok rezgése miatt.

Ötödik dimenzió

Miről szól? Mindannyian hozzászoktunk a tér három dimenziójához és egyhez – az időhöz. De a húrelmélet megjósolja más – extra – dimenziók jelenlétét. De kezdjük sorban.

Tíz dimenzió

Hogyan működik a világ

Szuperhúr elmélet

De a húrok fő problémája, mint már említettük, hogy lehetetlen (legalábbis egyelőre) kísérletileg igazolni jelenlétüket.