Teória strún v jednoduchosti. Teória strún a skryté dimenzie vesmíru – dôkaz existencie

Teória relativity predstavuje vesmír ako „plochý“, ale kvantová mechanika tvrdí, že na mikroúrovni existuje nekonečný pohyb, ktorý ohýba priestor. Teória strún spája tieto myšlienky a prezentuje mikročastice ako dôsledok spojenia najtenších jednorozmerných strún, ktoré budú mať vzhľad bodových mikročastíc, a preto ich nemožno experimentálne pozorovať.

Táto hypotéza nám umožňuje predstaviť si elementárne častice, ktoré tvoria atóm z ultramikroskopických vlákien nazývaných struny.

Všetky vlastnosti elementárnych častíc sú vysvetlené rezonančnou vibráciou vlákien, ktoré ich tvoria. Tieto vlákna môžu vibrovať nekonečným množstvom spôsobov. Táto teória zahŕňa spojenie myšlienok kvantovej mechaniky a teórie relativity. Ale kvôli prítomnosti mnohých problémov pri potvrdzovaní myšlienok, na ktorých je založený, väčšina moderných vedcov verí, že navrhované myšlienky nie sú ničím iným ako najbežnejšou profanáciou alebo inými slovami teóriou strún pre figuríny, teda pre ľudí, ktorí sú úplne neznalý vedy a štruktúry okolitého sveta.

Vlastnosti ultramikroskopických vlákien

Aby ste pochopili ich podstatu, môžete si predstaviť struny hudobných nástrojov – môžu vibrovať, ohýbať sa, vlniť sa. To isté sa deje s týmito vláknami, ktoré emitujúc určité vibrácie, interagujú navzájom, skladajú sa do slučiek a vytvárajú väčšie častice (elektróny, kvarky), ktorých hmotnosť závisí od frekvencie vibrácií vlákien a ich napätia - tieto indikátory určujú energiu strún. Čím väčšia je emitovaná energia, tým vyššia je hmotnosť elementárnej častice.

Inflačná teória a struny

Podľa inflačnej hypotézy Vesmír vznikol vďaka expanzii mikropriestoru, veľkosti struny (Planckova dĺžka). Keď sa táto oblasť zväčšila, takzvané ultramikroskopické vlákna sa natiahli a teraz je ich dĺžka úmerná veľkosti vesmíru. Navzájom na seba pôsobia rovnakým spôsobom a vytvárajú rovnaké vibrácie a vibrácie. Vyzerá to ako efekt, ktorý vytvárajú gravitačné šošovky, skresľujúce lúče svetla zo vzdialených galaxií. A pozdĺžne vibrácie vytvárajú gravitačné žiarenie.

Matematická nekonzistentnosť a iné problémy

Za jeden z problémov sa považuje matematická nejednotnosť teórie – fyzikom, ktorí ju študujú, chýbajú vzorce, aby ju doviedli do ucelenej podoby. A druhá je, že táto teória verí, že existuje 10 dimenzií, no my cítime len 4 – výška, šírka, dĺžka a čas. Vedci naznačujú, že zvyšných 6 je v skrútenom stave, ktorého prítomnosť nie je cítiť v reálnom čase. Problémom tiež nie je možnosť experimentálneho potvrdenia tejto teórie, no ani ju nikto nemôže vyvrátiť.

Samozrejme, struny vesmíru sa sotva podobajú tým, ktoré si predstavujeme. V teórii strún sú to neuveriteľne malé vibrujúce vlákna energie. Tieto vlákna sú skôr ako malé „gumičky“, ktoré sa môžu krútiť, naťahovať a stláčať najrôznejšími spôsobmi. To všetko však neznamená, že na nich nemožno „zahrať“ symfóniu Vesmíru, pretože podľa teoretikov strún všetko, čo existuje, pozostáva z týchto „nití“.

Fyzikálny rozpor

Výpočty ukázali, že celková energia žiarenia akéhokoľvek absolútne čierneho telesa by mala byť nekonečne veľká. Aby sa dostal z takejto zjavnej absurdity, nemecký vedec Max Planck v roku 1900 navrhol, že viditeľné svetlo, röntgenové lúče a iné elektromagnetické vlny môžu byť emitované iba určitými diskrétnymi časťami energie, ktoré nazval kvantá. S ich pomocou bolo možné vyriešiť konkrétny problém absolútne čierneho tela. Dôsledky kvantovej hypotézy pre determinizmus však ešte neboli realizované. Až kým v roku 1926 ďalší nemecký vedec Werner Heisenberg nesformuloval slávny princíp neurčitosti.

Neexistuje spôsob, ako s istotou povedať, v ktorom bode priestoru sa konkrétna častica v danom okamihu nachádza a aký je jej moment hybnosti. Existuje len určitá pravdepodobnosť nájdenia častice v mnohých oblastiach časopriestoru. Zdá sa, že častice na subatomárnej úrovni sú „rozmazané“ po celom priestore. Nielen to, ale aj samotný „stav“ častíc nie je definovaný: v niektorých prípadoch sa správajú ako vlny, v iných vykazujú vlastnosti častíc. To je to, čo fyzici nazývajú vlnovo-časticová dualita kvantovej mechaniky.

Úrovne štruktúry sveta: 1. Makroskopická úroveň - hmota 2. Molekulárna úroveň 3. Atómová úroveň - protóny, neutróny a elektróny 4. Subatomárna úroveň - elektrón 5. Subatomárna úroveň - kvarky 6. Úroveň strún /©Bruno P. Ramos

Vo Všeobecnej teórii relativity, akoby v štáte s opačnými zákonmi, je situácia zásadne odlišná. Priestor sa javí ako trampolína - hladká tkanina, ktorú možno ohýbať a naťahovať hmotnými predmetmi. Vytvárajú deformácie v časopriestore – čo zažívame ako gravitáciu. Netreba dodávať, že harmonická, správna a predvídateľná Všeobecná teória relativity je v neriešiteľnom konflikte s „excentrickým chuligánom“ – kvantovou mechanikou, a v dôsledku toho sa makrosvet nemôže „zmieriť“ s mikrosvetom. Tu prichádza na pomoc teória strún.

2D vesmír. Polyhedron graf E8 /©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project

Teória všetkého

Teória strún je stelesnením sna všetkých fyzikov o zjednotení dvoch zásadne protichodných všeobecnej teórie relativity a kvantovej mechaniky, sna, ktorý prenasledoval najväčšieho „cigána a tuláka“ Alberta Einsteina až do konca jeho dní.

Mnoho vedcov verí, že všetko od nádherného tanca galaxií až po bláznivý tanec subatomárnych častíc možno v konečnom dôsledku vysvetliť len jedným základným fyzikálnym princípom. Možno dokonca jediný zákon, ktorý spája všetky druhy energie, častíc a interakcií do nejakého elegantného vzorca.

Pomocou najkomplexnejšej matematiky bolo možné ukázať, že elektromagnetické a slabé interakcie majú spoločnú povahu a spájajú ich do jedinej elektroslabej interakcie. Následne sa k nim pridala silná jadrová interakcia – gravitácia sa však k nim nijako nepripája. Teória strún je jedným z najvážnejších kandidátov na spojenie všetkých štyroch síl, a teda zahŕňa všetky javy vo vesmíre – nie nadarmo sa jej hovorí aj „teória všetkého“.

Na začiatku bol mýtus

Až doteraz nie všetci fyzici sú nadšení z teórie strún. A na úsvite jeho vzhľadu sa zdalo, že je nekonečne ďaleko od reality. Jej samotné narodenie je legendou.

Koncom 60-tych rokov hľadal mladý taliansky teoretický fyzik Gabriele Veneziano rovnice, ktoré by mohli vysvetliť silnú jadrovú silu – extrémne silné „lepidlo“, ktoré drží jadrá atómov pohromade a spája dohromady protóny a neutróny. Podľa legendy jedného dňa náhodou natrafil na zaprášenú knihu o dejinách matematiky, v ktorej našiel dvestoročnú funkciu, ktorú ako prvý zapísal švajčiarsky matematik Leonhard Euler. Predstavte si Venezianovo prekvapenie, keď zistil, že Eulerova funkcia, ktorá sa dlho nepovažovala za nič viac ako matematickú kuriozitu, opísala túto silnú interakciu.

Aké to bolo naozaj? Vzorec bol pravdepodobne výsledkom Venezianovej dlhoročnej práce a náhoda len pomohla urobiť prvý krok k objavu teórie strún. Eulerova funkcia, ktorá zázračne vysvetlila silnú silu, našla nový život.

Nakoniec to padlo do oka mladému americkému teoretickému fyzikovi Leonardovi Susskindovi, ktorý videl, že v prvom rade vzorec opisuje častice, ktoré nemajú žiadnu vnútornú štruktúru a môžu vibrovať. Tieto častice sa správali tak, že nemohli byť len bodovými časticami. Susskind pochopil - vzorec opisuje vlákno, ktoré je ako elastický pás. Vedela sa nielen naťahovať a sťahovať, ale aj kmitať a krútiť sa. Po opísaní svojho objavu Susskind predstavil revolučnú myšlienku strún.

Bohužiaľ, drvivá väčšina jeho kolegov privítala teóriu veľmi chladne.

Štandardný model

V tom čase konvenčná veda predstavovala častice skôr ako body než ako struny. Fyzici roky študovali správanie subatomárnych častíc ich zrážkou pri vysokých rýchlostiach a študovali dôsledky týchto zrážok. Ukázalo sa, že vesmír je oveľa bohatší, než si človek dokáže predstaviť. Bola to skutočná „populačná explózia“ elementárnych častíc. Postgraduálni študenti fyziky bežali po chodbách a kričali, že objavili novú časticu - nebolo tam ani dosť písmen na ich označenie. Ale, bohužiaľ, v „pôrodnici“ nových častíc vedci nikdy nedokázali nájsť odpoveď na otázku - prečo je ich toľko a odkiaľ pochádzajú?

To podnietilo fyzikov k nezvyčajnej a prekvapivej predpovedi – uvedomili si, že sily pôsobiace v prírode možno vysvetliť aj pomocou častíc. To znamená, že existujú častice hmoty a častice, ktoré nesú interakcie. Napríklad fotón je častica svetla. Čím viac týchto nosných častíc - rovnakých fotónov, ktoré si vymieňajú častice hmoty - tým je svetlo jasnejšie. Vedci predpovedali, že táto konkrétna výmena nosných častíc nie je nič iné ako to, čo vnímame ako silu. Potvrdili to experimenty. Takto sa fyzikom podarilo priblížiť Einsteinovmu snu o zjednotení síl.

Interakcie medzi rôznymi časticami v štandardnom modeli /

Vedci sa domnievajú, že ak sa rýchlo posunieme vpred tesne po veľkom tresku, keď bol vesmír o bilióny stupňov teplejší, častice, ktoré nesú elektromagnetizmus a slabú silu, sa stanú nerozoznateľnými a spoja sa do jedinej sily nazývanej elektroslabá sila. A ak sa vrátime ešte ďalej v čase, elektroslabá interakcia by sa spojila so silnou do jednej celkovej „supersily“.

Aj keď toto všetko stále čaká na preukázanie, kvantová mechanika zrazu vysvetlila, ako tri zo štyroch síl interagujú na subatomárnej úrovni. A krásne a dôsledne to vysvetlila. Tento koherentný obraz interakcií sa nakoniec stal známym ako štandardný model. Ale, bohužiaľ, táto dokonalá teória mala jeden veľký problém – nezahŕňala najznámejšiu silu na makroúrovni – gravitáciu.

Graviton

Pre teóriu strún, ktorá ešte nemala čas „rozkvitnúť“, prišla „jeseň“ už od svojho zrodu. Napríklad výpočty teórie predpovedali existenciu častíc, ktoré, ako sa čoskoro zistilo, neexistujú. Ide o takzvaný tachyón – časticu, ktorá sa vo vákuu pohybuje rýchlejšie ako svetlo. Okrem iného sa ukázalo, že teória vyžaduje až 10 dimenzií. Nie je žiadnym prekvapením, že to bolo pre fyzikov veľmi mätúce, pretože je zjavne väčšie ako to, čo vidíme.

V roku 1973 sa tajomstvám teórie strún potýkalo len niekoľko mladých fyzikov. Jedným z nich bol americký teoretický fyzik John Schwartz. Štyri roky sa Schwartz snažil skrotiť neposlušné rovnice, no neúspešne. Okrem iných problémov jedna z týchto rovníc pretrvávala pri opise záhadnej častice, ktorá nemala žiadnu hmotnosť a nebola pozorovaná v prírode.

Vedec sa už rozhodol zanechať svoj katastrofálny biznis a potom mu to došlo – možno rovnice teórie strún opisujú aj gravitáciu? To však znamenalo revíziu rozmerov hlavných „hrdinov“ teórie – strún. Predpokladom, že struny sú miliardy a miliardy krát menšie ako atóm, „struny“ premenili nevýhodu teórie na jej výhodu. Záhadná častica, ktorej sa John Schwartz tak vytrvalo snažil zbaviť, teraz pôsobila ako gravitón – častica, ktorá bola dlho hľadaná a ktorá by umožnila preniesť gravitáciu na kvantovú úroveň. Takto doplnila teória strún hádanku s gravitáciou, ktorá v Štandardnom modeli chýbala. Ale, bohužiaľ, ani na tento objav vedecká komunita nijako nereagovala. Teória strún zostala na hrane prežitia. To však Schwartza nezastavilo. Len jeden vedec sa chcel pripojiť k jeho pátraniu, pripravený riskovať svoju kariéru kvôli záhadným strunám - Michael Green.

Subatomárne hniezdiace bábiky

Napriek všetkému mala teória strún na začiatku 80. rokov stále neriešiteľné rozpory, nazývané anomálie vo vede. Schwartz a Green sa pustili do ich likvidácie. A ich úsilie nebolo márne: vedci dokázali odstrániť niektoré rozpory v teórii. Predstavte si úžas týchto dvoch, už zvyknutých na to, že ich teória bola ignorovaná, keď reakcia vedeckej komunity vyhodila do vzduchu vedecký svet. Za necelý rok sa počet strunových teoretikov vyšplhal na stovky ľudí. Práve vtedy bola teórii strún udelený titul Teória všetkého. Zdalo sa, že nová teória dokáže opísať všetky zložky vesmíru. A toto sú komponenty.

Tak malý, že ak by sa atóm zväčšil na veľkosť slnečnej sústavy, struna by mala veľkosť stromu. Tak ako rôzne vibrácie struny violončela vytvárajú to, čo počujeme, rôzne hudobné tóny, rôzne spôsoby vibrácie struny dávajú časticiam ich jedinečné vlastnosti – hmotnosť, náboj atď. Viete, ako sa relatívne vzaté líšia protóny na špičke vášho nechtu od zatiaľ neobjaveného gravitónu? Iba zhromaždením malých strún, ktoré ich tvoria, a spôsobom, akým tieto struny vibrujú.

To všetko je samozrejme viac než prekvapivé. Od čias starovekého Grécka si fyzici zvykli na to, že všetko na tomto svete pozostáva z niečoho ako guľôčky, maličké častice. A tak, keďže si nestihli zvyknúť na nelogické správanie týchto guľôčok, ktoré vyplýva z kvantovej mechaniky, sú vyzvaní, aby úplne opustili paradigmu a pracovali s nejakými kúskami špagiet...

Piata dimenzia

Hoci mnohí vedci nazývajú teóriu strún triumfom matematiky, niektoré problémy s ňou stále pretrvávajú - najmä nedostatok akejkoľvek možnosti experimentálneho testovania v blízkej budúcnosti. Ani jeden nástroj na svete, ani existujúci, ani schopný sa objaviť v budúcnosti, nie je schopný „vidieť“ struny. Preto si niektorí vedci, mimochodom, dokonca kladú otázku: je teória strún teóriou fyziky alebo filozofie?... Pravdaže, vidieť struny „na vlastné oči“ vôbec nie je potrebné. Dokázanie teórie strún vyžaduje skôr niečo iné – čo znie ako sci-fi – potvrdenie existencie ďalších dimenzií vesmíru.

o čom to hovoríme? Všetci sme zvyknutí na tri rozmery priestoru a jeden – čas. Ale teória strún predpovedá prítomnosť iných – extra – dimenzií. Ale začnime pekne po poriadku.

V skutočnosti myšlienka existencie iných dimenzií vznikla takmer pred sto rokmi. Napadlo to v roku 1919 vtedy neznámeho nemeckého matematika Theodora Kalužu. Navrhol možnosť ďalšej dimenzie v našom vesmíre, ktorú nevidíme. Albert Einstein sa o tomto nápade dozvedel a spočiatku sa mu veľmi páčil. Neskôr však zapochyboval o jej správnosti a vydanie Kalužu oddialil celé dva roky. Nakoniec však bol článok publikovaný a ďalší rozmer sa stal akýmsi koníčkom génia fyziky.

Ako viete, Einstein ukázal, že gravitácia nie je nič iné ako deformácia časopriestorových dimenzií. Kaluža naznačil, že elektromagnetizmus môže byť aj vlnenie. Prečo to nevidíme? Kaluza našiel odpoveď na túto otázku - vlnenie elektromagnetizmu môže existovať v dodatočnej, skrytej dimenzii. Ale kde to je?

Odpoveď na túto otázku dal švédsky fyzik Oskar Klein, ktorý navrhol, že Kalužova piata dimenzia je zložená miliardy krát silnejšia ako veľkosť jedného atómu, a preto ju nevidíme. Myšlienka tejto malej dimenzie, ktorá je všade okolo nás, je jadrom teórie strún.

Jedna z navrhovaných foriem dodatočných krútených rozmerov. Vo vnútri každej z týchto foriem vibruje a pohybuje sa struna – hlavná zložka Vesmíru. Každá forma je šesťrozmerná - podľa počtu šiestich dodatočných rozmerov /

Desať rozmerov

Ale v skutočnosti rovnice teórie strún nevyžadujú ani jednu, ale šesť dodatočných dimenzií (celkovo so štyrmi, ktoré poznáme, je ich presne 10). Všetky majú veľmi skrútený a zakrivený zložitý tvar. A všetko je nepredstaviteľne malé.

Ako môžu tieto drobné merania ovplyvniť náš veľký svet? Podľa teórie strún je to rozhodujúce: tvar pre ňu určuje všetko. Keď stlačíte rôzne klávesy na saxofóne, získate rôzne zvuky. Stáva sa to preto, že keď stlačíte konkrétny kláves alebo kombináciu kláves, zmeníte tvar priestoru v hudobnom nástroji, kde cirkuluje vzduch. Vďaka tomu sa rodia rôzne zvuky.

Teória strún naznačuje, že ďalšie zakrivené a skrútené rozmery priestoru sa prejavujú podobným spôsobom. Tvary týchto extra dimenzií sú zložité a rôznorodé a každá spôsobuje, že struna umiestnená v takýchto dimenziách vibruje odlišne práve kvôli ich tvarom. Ak totiž napríklad predpokladáme, že jedna struna vibruje vo vnútri džbánu a druhá vo vnútri zakriveného stĺpového rohu, budú to úplne iné vibrácie. Ak však veríte teórii strún, v skutočnosti vyzerajú formy dodatočných dimenzií oveľa zložitejšie ako džbán.

Ako funguje svet

Veda dnes pozná súbor čísel, ktoré sú základnými konštantami vesmíru. Sú to tí, ktorí určujú vlastnosti a charakteristiky všetkého okolo nás. Medzi takéto konštanty patrí napríklad náboj elektrónu, gravitačná konštanta, rýchlosť svetla vo vákuu... A ak tieto čísla zmeníme čo i len o nepodstatný počet krát, následky budú katastrofálne. Predpokladajme, že sme zvýšili silu elektromagnetickej interakcie. čo sa stalo? Zrazu môžeme zistiť, že ióny sa začnú silnejšie odpudzovať a jadrová fúzia, vďaka ktorej hviezdy svietia a vyžarujú teplo, zrazu zlyhá. Všetky hviezdy zhasnú.

Ale čo s tým má spoločné teória strún so svojimi extra rozmermi? Faktom je, že podľa nej sú to práve dodatočné dimenzie, ktoré určujú presnú hodnotu základných konštánt. Niektoré formy merania spôsobujú, že jedna struna vibruje určitým spôsobom a vytvára to, čo vidíme ako fotón. V iných formách struny vibrujú inak a produkujú elektrón. Skutočne, Boh je v „maličkostiach“ – sú to tieto drobné formy, ktoré určujú všetky základné konštanty tohto sveta.

Teória superstrun

V polovici 80. rokov 20. storočia nadobudla teória strún veľkolepý a usporiadaný vzhľad, no vo vnútri pamätníka bol zmätok. Len za pár rokov vzniklo až päť verzií teórie strún. A hoci je každá z nich postavená na strunách a extra dimenziách (všetkých päť verzií je spojených do všeobecnej teórie superstrun - NS), tieto verzie sa v detailoch výrazne rozchádzali.

Takže v niektorých verziách mali struny otvorené konce, v iných pripomínali krúžky. A v niektorých verziách teória dokonca vyžadovala nie 10, ale až 26 rozmerov. Paradoxom je, že všetkých päť verzií dnes možno nazvať rovnako pravdivými. Ale ktorý z nich skutočne opisuje náš vesmír? Toto je ďalšia záhada teórie strún. Preto sa mnohí fyzici opäť vzdali „bláznivej“ teórie.

No hlavným problémom strún, ako už bolo spomenuté, je nemožnosť (aspoň zatiaľ) experimentálne dokázať ich prítomnosť.

Niektorí vedci však stále tvrdia, že ďalšia generácia urýchľovačov má úplne minimálnu, no predsa len možnosť otestovať hypotézu dodatočných rozmerov. Aj keď si väčšina, samozrejme, je istá, že ak je to možné, tak sa to, žiaľ, nestane veľmi skoro – aspoň o desaťročia, maximálne – ani o sto rokov.

Kľúčové otázky:

Aké sú základné zložky vesmíru – „prvé tehly hmoty“? Existujú teórie, ktoré dokážu vysvetliť všetky základné fyzikálne javy?

Otázka: je to skutočné?

V súčasnosti a v dohľadnej dobe priame pozorovanie v takom malom rozsahu nie je možné. Fyzika sa hľadá a prebiehajúce experimenty, ako je objavovanie supersymetrických častíc alebo hľadanie extra dimenzií v urýchľovačoch, môžu naznačovať, že teória strún je na správnej ceste.

Či už je teória strún teóriou všetkého alebo nie, poskytuje nám jedinečný súbor nástrojov na nahliadnutie do hlbších štruktúr reality.

Teória strún

Makro a mikro

Pri opise Vesmíru ho fyzika delí na dve zdanlivo nezlučiteľné polovice – kvantový mikrosvet a makrosvet, v rámci ktorého sa opisuje gravitácia.

Teória strún je kontroverzným pokusom spojiť tieto polovice do „Teórie všetkého“.

Častice a interakcie

Svet sa skladá z dvoch typov elementárnych častíc – fermiónov a bozónov. Všetky fermióny sú pozorovateľnou hmotou a bozóny sú nositeľmi štyroch známych základných interakcií: slabej, elektromagnetickej, silnej a gravitačnej. Pomocou teórie zvanej Štandardný model sa fyzikom podarilo elegantne opísať a otestovať tri základné interakcie, všetky okrem najslabších - gravitačné sily. Dnes je Štandardný model najpresnejším a experimentálne potvrdeným modelom nášho sveta.

Prečo potrebujeme teóriu strún?

Štandardný model nezahŕňa gravitáciu, nedokáže opísať stred čiernej diery a Veľký tresk a nevysvetľuje výsledky niektorých experimentov. Teória strún je pokusom vyriešiť tieto problémy a zjednotiť hmotu a interakcie nahradením elementárnych častíc drobnými vibrujúcimi strunami.

Teória strún je založená na myšlienke, že všetky elementárne častice môžu byť reprezentované ako jedna elementárna „prvá tehla“ – struna. Struny môžu vibrovať a rôzne režimy takýchto vibrácií na veľkú vzdialenosť sa nám budú zdať ako rôzne elementárne častice. Jeden spôsob vibrácie spôsobí, že struna bude vyzerať ako fotón, iná spôsobí, že bude vyzerať ako elektrón.

Existuje dokonca režim, ktorý popisuje nositeľa gravitačnej interakcie – gravitón! Varianty teórie strún opisujú struny dvoch typov: otvorené (1) a uzavreté (2). Otvorené struny majú dva konce (3) umiestnené na membránových štruktúrach nazývaných D-brány a ich dynamika opisuje tri zo štyroch základných interakcií – všetky okrem gravitačných síl.

Uzavreté struny pripomínajú slučky, nie sú viazané na D-brány - práve vibračné režimy uzavretých strún reprezentuje bezhmotný gravitón. Konce otvorenej struny sa môžu spojiť a vytvoriť uzavretú strunu, ktorá sa zase môže zlomiť a stať sa otvorenou strunou, alebo sa zblížiť a rozdeliť na dve uzavreté struny (5) – teda v teórii strún je gravitačná interakcia kombinovaná so všetkými ostatnými

Struny sú najmenšie zo všetkých objektov, s ktorými fyzika pracuje. Rozsah veľkostí V objektov zobrazených na obrázku vyššie siaha až do 34 rádov - ak by mal atóm veľkosť slnečnej sústavy, potom by veľkosť struny mohla byť o niečo väčšia ako atómové jadro.

Ďalšie rozmery

Konzistentné strunové teórie sú možné len vo vyšších dimenziách, kde je okrem známych 4. časopriestorových dimenzií potrebných 6 ďalších. Teoretici veria, že tieto extra dimenzie sú poskladané do nepolapiteľne malých foriem - Calabi-Yauových priestorov. Jedným z problémov teórie strún je, že existuje takmer nekonečné množstvo variantov Calabi-Yauovej konvolúcie (kompaktifikácia), ktorá nám umožňuje opísať akýkoľvek svet, a zatiaľ neexistuje spôsob, ako nájsť tú verziu zhutnenia, ktorá by nám umožnilo opísať to, čo vidíme okolo seba.

Supersymetria

Väčšina verzií teórie strún vyžaduje koncept supersymetrie, ktorý je založený na myšlienke, že fermióny (hmota) a bozóny (interakcie) sú prejavmi toho istého objektu a môžu sa navzájom premeniť.

Teória všetkého?

Supersymetria môže byť začlenená do teórie strún 5 rôznymi spôsobmi, čo vedie k 5 rôznym druhom teórie strún, čo znamená, že samotná teória strún nemôže tvrdiť, že je „teóriou všetkého“. Všetkých päť týchto typov spolu súvisí matematickými transformáciami nazývanými duality, a to viedlo k pochopeniu, že všetky tieto typy sú aspektmi niečoho všeobecnejšieho. Táto všeobecnejšia teória sa nazýva M-Teória.

Existuje 5 rôznych formulácií teórie strún, ale pri bližšom skúmaní sa ukáže, že všetky sú prejavmi všeobecnejšej teórie

V konečnom dôsledku môžu byť všetky elementárne častice reprezentované ako mikroskopické viacrozmerné struny, v ktorých sú excitované vibrácie rôznych harmonických.

Pozor, pevne si zapnite bezpečnostné pásy – a ja sa vám pokúsim opísať jednu z najpodivnejších teórií spomedzi tých, o ktorých sa dnes vo vedeckých kruhoch vážne diskutuje, a ktorá môže konečne poskytnúť konečné vodítko k štruktúre vesmíru. Táto teória vyzerá tak šialene, že je celkom možné, že je správna!

Rôzne verzie teórie strún sa teraz považujú za popredných uchádzačov o titul komplexnej univerzálnej teórie, ktorá vysvetľuje podstatu všetkého. A to je akýsi svätý grál teoretických fyzikov zapojených do teórie elementárnych častíc a kozmológie. Univerzálna teória (aka teória všetkého) obsahuje len niekoľko rovníc, ktoré kombinujú celý súbor ľudských vedomostí o povahe interakcií a vlastnostiach základných prvkov hmoty, z ktorej je vesmír vybudovaný. Dnes sa teória strún spojila s konceptom supersymetria, v dôsledku čoho sa zrodilo teória superstrun, a to je k dnešnému dňu maximum, čo sa dosiahlo z hľadiska zjednotenia teórie všetkých štyroch hlavných interakcií (síl pôsobiacich v prírode). Samotná teória supersymetrie je už vybudovaná na základe apriórnej modernej koncepcie, podľa ktorej je akákoľvek vzdialená (poľná) interakcia spôsobená výmenou interakčných nosných častíc zodpovedajúceho druhu medzi interagujúcimi časticami ( cm.Štandardný model). Kvôli prehľadnosti možno interagujúce častice považovať za „tehly“ vesmíru a nosné častice možno považovať za cement.

V rámci štandardného modelu fungujú kvarky ako stavebné kamene a nosiče interakcie kalibračné bozóny, ktoré si tieto kvarky medzi sebou vymieňajú. Teória supersymetrie ide ešte ďalej a tvrdí, že kvarky a leptóny samotné nie sú fundamentálne: všetky pozostávajú z ešte ťažších a experimentálne neobjavených štruktúr (stavebných blokov) hmoty, ktoré drží pohromade ešte silnejší „cement“ častíc superenergie. -nosiče interakcií ako kvarky zložené z hadrónov a bozónov. Prirodzene, žiadna z predpovedí teórie supersymetrie ešte nebola testovaná v laboratórnych podmienkach, no hypotetické skryté zložky hmotného sveta už majú mená – napr. selektrón(supersymetrický partner elektrónu), squark atď. Existenciu týchto častíc však teórie tohto druhu jednoznačne predpovedajú.

Obraz vesmíru, ktorý ponúkajú tieto teórie, je však celkom ľahko vizualizovateľný. Na mierke asi 10 - 35 m, teda o 20 rádov menšej ako je priemer toho istého protónu, ktorý obsahuje tri viazané kvarky, sa štruktúra hmoty líši od toho, na čo sme zvyknutí už na úrovni elementárnych častíc. . V tak malých vzdialenostiach (a pri takých vysokých energiách interakcií, že je to nepredstaviteľné) sa hmota mení na sériu poľných stojatých vĺn, podobných tým, ktoré sú vybudené v strunách hudobných nástrojov. Tak ako struna na gitare, aj takáto struna dokáže vyburcovať okrem hlavného tónu mnohých podtóny alebo harmonické Každá harmonická má svoj vlastný energetický stav. Podľa princíp relativity (cm. Teória relativity), energia a hmotnosť sú ekvivalentné, čo znamená, že čím vyššia je frekvencia kmitania struny harmonickej vlny, tým vyššia je jej energia a tým vyššia je hmotnosť pozorovanej častice.

Ak je však celkom jednoduché vizualizovať stojaté vlnenie v gitarovej strune, stojaté vlny navrhované teóriou superstrun sú ťažko vizualizovateľné – faktom je, že vibrácie superstrun sa vyskytujú v priestore, ktorý má 11 rozmerov. Sme zvyknutí na štvorrozmerný priestor, ktorý obsahuje tri priestorové a jednu časovú dimenziu (vľavo-vpravo, hore-dole, dopredu-dozadu, minulosť-budúcnosť). V priestore superstrun sú veci oveľa komplikovanejšie (pozri rámček). Teoretickí fyzici obchádzajú klzký problém „extra“ priestorových rozmerov argumentom, že sú „skryté“ (alebo, vedecky povedané, „kompaktované“), a preto ich nemožno pozorovať pri bežných energiách.

Nedávno sa teória strún ďalej rozvíjala vo forme viacrozmerná membránová teória- v podstate ide o tie isté struny, ale ploché. Ako jeden z jej autorov nenútene zavtipkoval, blany sa líšia od šnúrok asi tak, ako sa líšia rezance od rezancov.

To je možno všetko, čo možno stručne povedať o jednej z teórií, ktoré sa dnes nie bezdôvodne vyhlasujú za univerzálnu teóriu Veľkého zjednotenia všetkých silových interakcií. Bohužiaľ, táto teória nie je bez hriechu. Predovšetkým to ešte nebolo dovedené do striktnej matematickej formy kvôli nedostatočnosti matematického aparátu, ktorý by ho priviedol do striktnej vnútornej korešpondencie. Od zrodu tejto teórie ubehlo 20 rokov a nikto nedokázal dôsledne zladiť niektoré jej aspekty a verzie s inými. Ešte nepríjemnejšie je, že žiadny z teoretikov navrhujúcich teóriu strún (a najmä superstrun) zatiaľ nenavrhol jediný experiment, v ktorom by sa tieto teórie dali testovať v laboratóriu. Bohužiaľ, obávam sa, že kým to neurobia, všetka ich práca zostane bizarnou hrou fantázie a cvičením v chápaní ezoterických vedomostí mimo hlavného prúdu prírodných vied.

Pozri tiež:

1972	Kvantová chromodynamika

Koľko rozmerov je celkovo?

Nám, obyčajným ľuďom, vždy stačili tri rozmery. Od nepamäti sme boli zvyknutí opisovať fyzický svet takými skromnými výrazmi (šabľozubý tiger 40 metrov vpredu, 11 metrov vpravo a 4 metre nado mnou - dlažobná kocka na boj!). Teória relativity väčšinu z nás naučila, že čas je štvrtá dimenzia (šabľozubý tiger nie je len tu - je tu a teraz nás ohrozuje!). A tak od polovice dvadsiateho storočia teoretici začali hovoriť, že v skutočnosti existuje ešte viac dimenzií - buď 10, alebo 11, alebo dokonca 26. Samozrejme, bez vysvetlenia, prečo ich my, normálni ľudia, nepozorujeme, tu nedalo sa to. A potom vznikol pojem „kompaktifikácia“ - zlepenie alebo zrútenie dimenzií.

Predstavme si záhradnú polievaciu hadicu. Zblízka je vnímaný ako bežný trojrozmerný objekt. Ak sa však od hadice vzdialite na dostatočnú vzdialenosť, bude sa nám javiť ako jednorozmerný lineárny objekt: jednoducho prestaneme vnímať jej hrúbku. Práve o tomto efekte sa zvyčajne hovorí ako o zhutnení merania: v tomto prípade sa ukázalo, že hrúbka hadice je „zhutnená“ – mierka meracej stupnice je príliš malá.

Presne takto sa podľa teoretikov z oblasti nášho experimentálneho vnímania vytrácajú reálne dodatočné dimenzie potrebné na adekvátne vysvetlenie vlastností hmoty na subatomárnej úrovni: sú zhutnené, vychádzajúc zo škály rádovo 10 -35 m a moderné pozorovacie metódy a meracie prístroje jednoducho nedokážu odhaliť štruktúry v takom malom rozsahu. Možno je to presne tak, alebo je možno všetko úplne inak. Pokiaľ takéto nástroje a metódy pozorovania nebudú, všetky vyššie uvedené argumenty a protiargumenty zostanú na úrovni planých špekulácií.

Fyzikálny rozpor

V druhej polovici 19. storočia sa fyzikom zdalo, že v ich vede sa už nedá nič vážne objaviť. Klasická fyzika verila, že v nej nezostali žiadne vážne problémy a celá štruktúra sveta vyzerala ako dokonale regulovaný a predvídateľný stroj. Problém, ako zvyčajne, sa vyskytol kvôli nezmyslom - jednému z malých „oblakov“, ktoré stále zostali na jasnom a pochopiteľnom nebi vedy. Totiž pri výpočte energie žiarenia absolútne čierneho telesa (hypotetického telesa, ktoré pri akejkoľvek teplote úplne pohltí naň dopadajúce žiarenie bez ohľadu na vlnovú dĺžku – NS). Výpočty ukázali, že celková energia žiarenia akéhokoľvek absolútne čierneho telesa by mala byť nekonečne veľká. Aby sa dostal z takejto zjavnej absurdity, nemecký vedec Max Planck v roku 1900 navrhol, že viditeľné svetlo, röntgenové lúče a iné elektromagnetické vlny môžu byť emitované iba určitými diskrétnymi časťami energie, ktoré nazval kvantá. S ich pomocou bolo možné vyriešiť konkrétny problém absolútne čierneho tela. Dôsledky kvantovej hypotézy pre determinizmus však ešte neboli realizované. Až kým v roku 1926 ďalší nemecký vedec Werner Heisenberg nesformuloval slávny princíp neurčitosti.

Jeho podstata spočíva v tom, že na rozdiel od všetkých predtým dominantných tvrdení príroda obmedzuje našu schopnosť predpovedať budúcnosť na základe fyzikálnych zákonov. Hovoríme samozrejme o budúcnosti a súčasnosti subatomárnych častíc. Ukázalo sa, že sa správajú úplne inak ako akékoľvek veci v makrokozme okolo nás. Na subatomárnej úrovni sa štruktúra priestoru stáva nerovnomernou a chaotickou. Svet drobných čiastočiek je taký turbulentný a nepochopiteľný, že sa vymyká zdravému rozumu. Priestor a čas sú v ňom tak pokrútené a prepletené, že neexistujú bežné pojmy vľavo a vpravo, hore a dole, dokonca ani predtým a potom. Neexistuje spôsob, ako s istotou povedať, v ktorom bode priestoru sa konkrétna častica v danom okamihu nachádza a aký je jej moment hybnosti. Existuje len určitá pravdepodobnosť nájdenia častice v mnohých oblastiach časopriestoru. Zdá sa, že častice na subatomárnej úrovni sú „rozmazané“ po celom priestore. Nielen to, ale aj samotný „stav“ častíc nie je definovaný: v niektorých prípadoch sa správajú ako vlny, v iných vykazujú vlastnosti častíc. To je to, čo fyzici nazývajú vlnovo-časticová dualita kvantovej mechaniky.

Teória všetkého

Všeobecná relativita popisuje jednu z najznámejších síl vesmíru - gravitáciu. Kvantová mechanika popisuje tri ďalšie sily: silnú jadrovú silu, ktorá spája protóny a neutróny dohromady v atómoch, elektromagnetizmus a slabú silu, ktorá sa podieľa na rádioaktívnom rozpade. Akákoľvek udalosť vo vesmíre, od ionizácie atómu až po zrod hviezdy, je opísaná interakciami hmoty prostredníctvom týchto štyroch síl. Pomocou najkomplexnejšej matematiky bolo možné ukázať, že elektromagnetické a slabé interakcie majú spoločnú povahu a spájajú ich do jedinej elektroslabej interakcie. Následne sa k nim pridala silná jadrová interakcia – gravitácia sa však k nim nijako nepripája. Teória strún je jedným z najvážnejších kandidátov na spojenie všetkých štyroch síl, a teda zahŕňa všetky javy vo vesmíre – nie nadarmo sa jej hovorí aj „teória všetkého“.

Na začiatku bol mýtus

Až doteraz nie všetci fyzici sú nadšení z teórie strún. A na úsvite jeho vzhľadu sa zdalo, že je nekonečne ďaleko od reality. Jej samotné narodenie je legendou.

Bohužiaľ, drvivá väčšina jeho kolegov privítala teóriu veľmi chladne.

Štandardný model

Ale, bohužiaľ, v „pôrodnici“ nových častíc vedci nikdy nedokázali nájsť odpoveď na otázku - prečo je ich toľko a odkiaľ pochádzajú?

Graviton

Americký teoretický fyzik John Schwartz a Michael Green

Aké sú dôvody domnievať sa, že gravitácia dodržiava zákony kvantovej mechaniky? Za objavenie týchto „základov“ bola v roku 2011 udelená Nobelova cena za fyziku. Spočíval v tom, že rozpínanie Vesmíru sa nespomaľuje, ako sa kedysi myslelo, ale naopak, zrýchľuje sa. Toto zrýchlenie sa vysvetľuje pôsobením špeciálnej „antigravitácie“, ktorá je nejakým spôsobom charakteristická pre prázdny priestor vákua vesmíru. Na druhej strane, na kvantovej úrovni nemôže byť nič absolútne „prázdne“ - vo vákuu sa subatomárne častice neustále objavujú a okamžite miznú. Predpokladá sa, že toto „blikanie“ častíc je zodpovedné za existenciu „antigravitačnej“ temnej energie, ktorá vypĺňa prázdny priestor.

Svojho času to bol Albert Einstein, ktorý až do konca svojho života nikdy neprijal paradoxné princípy kvantovej mechaniky (ktoré sám predpovedal), navrhol existenciu tejto formy energie. V súlade s tradíciou klasickej gréckej filozofie, Aristoteles, s jej vierou vo večnosť sveta, Einstein odmietol veriť tomu, čo predpovedala jeho vlastná teória, totiž že vesmír má počiatok. Aby „zvečnil“ vesmír, Einstein dokonca zaviedol do svojej teórie určitú kozmologickú konštantu a opísal tak energiu prázdneho priestoru. Našťastie, o pár rokov neskôr sa ukázalo, že vesmír vôbec nie je zamrznutá forma, že sa rozpína. Potom Einstein opustil kozmologickú konštantu a nazval ju „najväčším prepočtom svojho života“.

Dnes veda vie, že temná energia stále existuje, hoci jej hustota je oveľa nižšia, ako predpokladal Einstein (problém hustoty temnej energie je mimochodom jednou z najväčších záhad modernej fyziky). Ale bez ohľadu na to, aká malá je hodnota kozmologickej konštanty, úplne stačí na overenie existencie kvantových efektov v gravitácii.

Subatomárne hniezdiace bábiky

Každý atóm, ako vieme, pozostáva z ešte menších častíc – elektrónov, ktoré krúžia okolo jadra pozostávajúceho z protónov a neutrónov. Protóny a neutróny sa zase skladajú z ešte menších častíc – kvarkov. Ale teória strún hovorí, že kvarkom to nekončí. Kvarky sú vyrobené z malých, krútiacich sa prameňov energie, ktoré pripomínajú struny. Každá z týchto šnúrok je nepredstaviteľne malá. Tak malý, že ak by sa atóm zväčšil na veľkosť slnečnej sústavy, struna by mala veľkosť stromu. Tak ako rôzne vibrácie struny violončela vytvárajú to, čo počujeme, rôzne hudobné tóny, rôzne spôsoby vibrácie struny dávajú časticiam ich jedinečné vlastnosti – hmotnosť, náboj atď. Viete, ako sa relatívne vzaté líšia protóny na špičke vášho nechtu od zatiaľ neobjaveného gravitónu? Iba zhromaždením malých strún, ktoré ich tvoria, a spôsobom, akým tieto struny vibrujú.

Piata dimenzia

o čom to hovoríme? Všetci sme zvyknutí na tri rozmery priestoru a jeden – čas. Ale teória strún predpovedá prítomnosť iných – extra – dimenzií. Ale začnime pekne po poriadku.

Desať rozmerov

Ako funguje svet

Teória superstrun

No hlavným problémom strún, ako už bolo spomenuté, je nemožnosť (aspoň zatiaľ) experimentálne dokázať ich prítomnosť.