ทฤษฎีสตริงในรูปแบบง่ายๆ ทฤษฎีสตริงและมิติที่ซ่อนอยู่ของจักรวาล - ข้อพิสูจน์การดำรงอยู่

ทฤษฎีสัมพัทธภาพนำเสนอจักรวาลว่า "แบน" แต่กลศาสตร์ควอนตัมระบุว่าในระดับจุลภาค มีการเคลื่อนที่อย่างไม่มีที่สิ้นสุดที่ทำให้อวกาศโค้งงอ ทฤษฎีสตริงผสมผสานแนวคิดเหล่านี้และนำเสนออนุภาคขนาดเล็กอันเป็นผลมาจากการรวมกันของสตริงมิติเดียวที่บางที่สุด ซึ่งจะมีลักษณะเป็นอนุภาคขนาดเล็กแบบจุด ดังนั้นจึงไม่สามารถสังเกตได้จากการทดลอง

สมมติฐานนี้ช่วยให้เราจินตนาการถึงอนุภาคมูลฐานที่ประกอบเป็นอะตอมจากเส้นใยอัลตราไมโครสโคปิกที่เรียกว่าสตริง

คุณสมบัติทั้งหมดของอนุภาคมูลฐานอธิบายได้ด้วยการสั่นสะเทือนแบบเรโซแนนซ์ของเส้นใยที่ก่อตัวเป็นอนุภาคเหล่านั้น เส้นใยเหล่านี้สามารถสั่นสะเทือนได้ไม่จำกัดรูปแบบ ทฤษฎีนี้เกี่ยวข้องกับการรวมแนวคิดเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพ แต่เนื่องจากมีปัญหามากมายในการยืนยันความคิดที่อยู่เบื้องหลัง นักวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ส่วนใหญ่จึงเชื่อว่าแนวคิดที่เสนอนั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าการดูหมิ่นสามัญที่สุด หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ทฤษฎีสตริงสำหรับหุ่นจำลอง นั่นคือ สำหรับผู้ที่สมบูรณ์โดยสมบูรณ์ ไม่รู้วิทยาศาสตร์และโครงสร้างของโลกโดยรอบ

คุณสมบัติของเส้นใยอัลตราไมโครสโคปิก

เพื่อให้เข้าใจแก่นแท้ของพวกมัน คุณสามารถจินตนาการถึงสายของเครื่องดนตรี - พวกมันสามารถสั่นสะเทือน โค้งงอ และม้วนงอได้ สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับเธรดเหล่านี้ซึ่งปล่อยการสั่นสะเทือนบางอย่างโต้ตอบซึ่งกันและกันพับเป็นวงและสร้างอนุภาคขนาดใหญ่ขึ้น (อิเล็กตรอนควาร์ก) มวลซึ่งขึ้นอยู่กับความถี่ของการสั่นสะเทือนของเส้นใยและความตึงเครียด - สิ่งเหล่านี้ ตัวชี้วัดกำหนดพลังงานของสาย ยิ่งพลังงานที่ปล่อยออกมามากเท่าใด มวลของอนุภาคมูลฐานก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ทฤษฎีและเงื่อนไขเงินเฟ้อ

ตามสมมติฐานการพองตัว จักรวาลถูกสร้างขึ้นเนื่องจากการขยายตัวของไมโครสเปซซึ่งมีขนาดเท่ากับเส้นเชือก (ความยาวของพลังค์) เมื่อพื้นที่นี้เพิ่มขึ้น สิ่งที่เรียกว่าเส้นใยอัลตราไมโครสโคปก็ยืดออก และตอนนี้ความยาวของมันก็สมส่วนกับขนาดของจักรวาล พวกมันมีปฏิสัมพันธ์กันในลักษณะเดียวกันและทำให้เกิดการสั่นสะเทือนและการสั่นสะเทือนแบบเดียวกัน ดูเหมือนว่ามันสร้างผลกระทบจากเลนส์โน้มถ่วง ซึ่งบิดเบือนรังสีแสงจากกาแลคซีไกลโพ้น และการสั่นสะเทือนตามยาวก็ก่อให้เกิดรังสีความโน้มถ่วง

ความไม่สอดคล้องกันทางคณิตศาสตร์และปัญหาอื่นๆ

ปัญหาประการหนึ่งถือเป็นความไม่สอดคล้องกันทางคณิตศาสตร์ของทฤษฎี นักฟิสิกส์ที่ศึกษาทฤษฎีนี้ขาดสูตรในการทำให้ทฤษฎีมีรูปแบบที่สมบูรณ์ และประการที่สองก็คือ ทฤษฎีนี้เชื่อว่ามี 10 มิติ แต่เรารู้สึกได้เพียง 4 มิติเท่านั้น คือความสูง ความกว้าง ความยาว และเวลา นักวิทยาศาสตร์แนะนำว่าอีก 6 คนที่เหลืออยู่ในสภาพบิดเบี้ยว ซึ่งไม่รู้สึกได้แบบเรียลไทม์ นอกจากนี้ปัญหาไม่ใช่ความเป็นไปได้ที่จะยืนยันการทดลองของทฤษฎีนี้ แต่ก็ไม่มีใครสามารถหักล้างมันได้เช่นกัน

แน่นอนว่าเส้นสายของจักรวาลแทบจะไม่คล้ายคลึงกับเส้นที่เราจินตนาการไว้เลย ตามทฤษฎีสตริง พวกมันเป็นเกลียวพลังงานขนาดเล็กที่สั่นสะเทือนอย่างไม่น่าเชื่อ ด้ายเหล่านี้มีลักษณะเหมือน “หนังยาง” เล็กๆ ที่สามารถบิดตัว ยืด และบีบอัดได้ทุกประเภท อย่างไรก็ตามทั้งหมดนี้ไม่ได้หมายความว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะ "เล่น" ซิมโฟนีของจักรวาลกับพวกมันเพราะตามที่นักทฤษฎีสตริงกล่าวว่าทุกสิ่งที่มีอยู่ประกอบด้วย "เธรด" เหล่านี้

ความขัดแย้งทางฟิสิกส์

การคำนวณแสดงให้เห็นว่าพลังงานรังสีรวมของวัตถุสีดำสนิทควรมีขนาดใหญ่อย่างไม่สิ้นสุด เพื่อหลีกหนีจากความไร้สาระที่เห็นได้ชัดดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน แม็กซ์ พลังค์ ในปี 1900 เสนอว่าแสงที่มองเห็น รังสีเอกซ์ และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ สามารถปล่อยออกมาได้ด้วยพลังงานบางส่วนที่แยกจากกันเท่านั้น ซึ่งเขาเรียกว่าควอนต้า ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขาจึงสามารถแก้ไขปัญหาเฉพาะของร่างกายสีดำสนิทได้ อย่างไรก็ตาม ผลที่ตามมาของสมมติฐานควอนตัมสำหรับการกำหนดระดับยังไม่เกิดขึ้นจริง จนกระทั่งในปี 1926 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันอีกคนหนึ่ง แวร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก ได้สร้างหลักการความไม่แน่นอนอันโด่งดังขึ้นมา

ไม่มีทางที่จะบอกได้อย่างแน่นอนว่าอนุภาคใดอนุภาคหนึ่งตั้งอยู่ ณ จุดใดในอวกาศ และโมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาคนั้นมีค่าเท่าใด มีความน่าจะเป็นเพียงบางส่วนเท่านั้นที่จะค้นพบอนุภาคในหลายพื้นที่ของกาล-อวกาศ อนุภาคในระดับย่อยอะตอมดูเหมือนจะ "เปื้อน" ไปทั่วอวกาศ ไม่เพียงแค่นั้น แต่ไม่ได้กำหนด "สถานะ" ของอนุภาคไว้ ในบางกรณี อนุภาคมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น ในบางกรณี อนุภาคมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น นี่คือสิ่งที่นักฟิสิกส์เรียกว่าความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นของกลศาสตร์ควอนตัม

ระดับโครงสร้างของโลก: 1. ระดับมหภาค - สสาร 2. ระดับโมเลกุล 3. ระดับอะตอม - โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน 4. ระดับใต้อะตอม - อิเล็กตรอน 5. ระดับใต้อะตอม - ควาร์ก 6. ระดับสตริง /©บรูโน พี. รามอส

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป สถานการณ์จะแตกต่างออกไปโดยพื้นฐานแล้วราวกับว่าอยู่ในสภาวะที่มีกฎตรงกันข้าม อวกาศดูเหมือนแทรมโพลีน ซึ่งเป็นผ้าเรียบๆ ที่สามารถโค้งงอและยืดออกได้ด้วยวัตถุที่มีมวล พวกมันสร้างการบิดเบี้ยวในอวกาศ-เวลา ซึ่งเป็นสิ่งที่เราสัมผัสได้ว่าเป็นแรงโน้มถ่วง ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่กลมกลืน ถูกต้อง และคาดเดาได้นั้นขัดแย้งกับกลศาสตร์ควอนตัม "นักเลงพิสดาร" ที่ไม่สามารถแก้ไขได้ และเป็นผลให้มาโครเวิร์ลไม่สามารถ "สร้างสันติภาพ" กับไมโครเวิลด์ได้ นี่คือจุดที่ทฤษฎีสตริงเข้ามาช่วยเหลือ

จักรวาล 2 มิติ กราฟรูปทรงหลายเหลี่ยม E8 /©John Stembridge/โครงการ Atlas of Lie Groups

ทฤษฎีของทุกสิ่ง

ทฤษฎีสตริงรวบรวมความฝันของนักฟิสิกส์ทุกคนที่จะรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและกลศาสตร์ควอนตัมที่มีพื้นฐานขัดแย้งกันโดยพื้นฐานเข้าด้วยกัน ความฝันที่หลอกหลอนอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ “ชาวยิปซีและคนจรจัด” ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจนกระทั่งสิ้นยุคของเขา

นักวิทยาศาสตร์หลายคนเชื่อว่าทุกสิ่งทุกอย่างตั้งแต่การเต้นรำอันวิจิตรบรรจงของกาแลคซีไปจนถึงการเต้นรำอย่างบ้าคลั่งของอนุภาคย่อยของอะตอมสามารถอธิบายได้ด้วยหลักการทางกายภาพพื้นฐานเพียงข้อเดียว อาจเป็นกฎข้อเดียวที่รวมพลังงาน อนุภาค และปฏิสัมพันธ์ทุกประเภทเข้าไว้ในสูตรที่สวยงาม

ด้วยความช่วยเหลือของคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนที่สุด มันเป็นไปได้ที่จะแสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิกิริยาที่อ่อนแอนั้นมีลักษณะที่เหมือนกัน โดยรวมเข้าด้วยกันเป็นปฏิกิริยาทางไฟฟ้าที่อ่อนแอเพียงครั้งเดียว ต่อจากนั้น มีการเพิ่มปฏิสัมพันธ์ทางนิวเคลียร์ที่รุนแรงเข้าไป แต่แรงโน้มถ่วงไม่ได้เข้าร่วมกับพวกมันในทางใดทางหนึ่ง ทฤษฎีสตริงเป็นหนึ่งในผู้สมัครที่จริงจังที่สุดในการเชื่อมโยงกองกำลังทั้งสี่ดังนั้นการยอมรับปรากฏการณ์ทั้งหมดในจักรวาล - ไม่ใช่เพื่ออะไรเลยที่มันถูกเรียกว่า "ทฤษฎีของทุกสิ่ง"

ในการเริ่มต้นมีตำนาน

จนถึงขณะนี้ นักฟิสิกส์บางคนยังไม่พอใจกับทฤษฎีสตริง และเมื่อรุ่งเช้าของการปรากฏตัว มันดูเหมือนห่างไกลจากความเป็นจริงอย่างไม่มีสิ้นสุด การเกิดของเธอคือตำนาน

ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 Gabriele Veneziano นักฟิสิกส์ทฤษฎีหนุ่มชาวอิตาลี กำลังค้นหาสมการที่สามารถอธิบายแรงนิวเคลียร์ที่รุนแรงได้ ซึ่งเป็น "กาว" ที่ทรงพลังอย่างยิ่งซึ่งยึดนิวเคลียสของอะตอมไว้ด้วยกัน และจับโปรตอนและนิวตรอนเข้าด้วยกัน ตามตำนานเล่าว่า วันหนึ่งเขาบังเอิญไปสะดุดกับหนังสือที่เต็มไปด้วยฝุ่นเกี่ยวกับประวัติศาสตร์คณิตศาสตร์ ซึ่งเขาพบฟังก์ชันอายุสองร้อยปีซึ่งเขียนครั้งแรกโดยนักคณิตศาสตร์ชาวสวิส เลออนฮาร์ด ออยเลอร์ ลองนึกภาพความประหลาดใจของเวเนเซียโนเมื่อเขาค้นพบว่าฟังก์ชันออยเลอร์ซึ่งไม่ได้พิจารณามานานแล้วว่าเป็นเพียงแค่ความอยากรู้อยากเห็นทางคณิตศาสตร์ ได้บรรยายถึงปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงนี้

จริงๆ แล้วมันเป็นอย่างไรบ้าง? สูตรนี้อาจเป็นผลมาจากการทำงานหลายปีของ Veneziano และโอกาสช่วยให้ก้าวแรกสู่การค้นพบทฤษฎีสตริงเท่านั้น หน้าที่ของออยเลอร์ซึ่งอธิบายพลังอันแข็งแกร่งได้อย่างอัศจรรย์ ได้ค้นพบชีวิตใหม่แล้ว

ในที่สุดมันก็ดึงดูดสายตาของนักฟิสิกส์ทฤษฎีหนุ่มชาวอเมริกันชื่อ Leonard Susskind ซึ่งเห็นว่าอย่างแรกเลยคือสูตรนี้บรรยายถึงอนุภาคที่ไม่มีโครงสร้างภายในและสามารถสั่นสะเทือนได้ อนุภาคเหล่านี้มีพฤติกรรมในลักษณะที่ไม่สามารถเป็นเพียงอนุภาคจุดได้ Susskind เข้าใจ - สูตรนี้อธิบายด้ายที่มีลักษณะคล้ายยางยืด เธอไม่เพียงแต่ยืดและหดตัวเท่านั้น แต่ยังสั่นและดิ้นอีกด้วย หลังจากอธิบายการค้นพบของเขาแล้ว Susskind ได้แนะนำแนวคิดการปฏิวัติเรื่องเครื่องสาย

น่าเสียดายที่เพื่อนร่วมงานส่วนใหญ่ของเขาตอบรับทฤษฎีนี้อย่างเย็นชามาก

รุ่นมาตรฐาน

ในเวลานั้น วิทยาศาสตร์ทั่วไปแสดงอนุภาคเป็นจุดมากกว่าสตริง เป็นเวลาหลายปีที่นักฟิสิกส์ได้ศึกษาพฤติกรรมของอนุภาคมูลฐานโดยการชนพวกมันด้วยความเร็วสูงและศึกษาผลที่ตามมาของการชนเหล่านี้ ปรากฎว่าจักรวาลมีความสมบูรณ์มากกว่าที่ใครจะจินตนาการได้ มันเป็น "การระเบิดของประชากร" อย่างแท้จริงของอนุภาคมูลฐาน นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาสาขาฟิสิกส์วิ่งไปตามทางเดินและตะโกนว่าพวกเขาค้นพบอนุภาคใหม่แล้ว มีตัวอักษรไม่เพียงพอที่จะระบุอนุภาคเหล่านั้นด้วยซ้ำ แต่อนิจจาใน "โรงพยาบาลคลอดบุตร" ของอนุภาคใหม่นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถหาคำตอบสำหรับคำถามได้ - เหตุใดจึงมีอนุภาคจำนวนมากและมาจากไหน

สิ่งนี้กระตุ้นให้นักฟิสิกส์ทำการทำนายที่ผิดปกติและน่าตกใจ - พวกเขาตระหนักว่าแรงในธรรมชาติสามารถอธิบายได้ในรูปของอนุภาคเช่นกัน นั่นคือมีอนุภาคของสสารและมีอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์กัน ตัวอย่างเช่น โฟตอนเป็นอนุภาคของแสง ยิ่งอนุภาคพาหะเหล่านี้มีโฟตอนที่เหมือนกันซึ่งมีการแลกเปลี่ยนอนุภาคมากเท่าไร แสงก็จะยิ่งสว่างมากขึ้นเท่านั้น นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่าการแลกเปลี่ยนอนุภาคพาหะนี้ไม่มีอะไรมากไปกว่าสิ่งที่เรามองว่าเป็นพลัง สิ่งนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลอง นี่คือวิธีที่นักฟิสิกส์สามารถเข้าใกล้ความฝันของไอน์สไตน์ในการรวมพลังเข้าด้วยกัน

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคต่างๆ ในแบบจำลองมาตรฐาน /

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าถ้าเรากรอไปข้างหน้าหลังจากบิ๊กแบงไม่นาน เมื่อเอกภพร้อนขึ้นหลายล้านล้านองศา อนุภาคที่มีแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงอ่อนจะแยกไม่ออกและรวมกันเป็นแรงเดียวที่เรียกว่าแรงไฟฟ้าอ่อน และถ้าเราย้อนเวลากลับไปให้ไกลกว่านี้ ปฏิกิริยาที่อ่อนแอทางไฟฟ้าจะรวมเข้ากับพลังที่แข็งแกร่งให้เป็น "พลังพิเศษ" ที่เป็นหนึ่งเดียว

แม้ว่าทั้งหมดนี้ยังคงรอการพิสูจน์อยู่ แต่กลศาสตร์ควอนตัมก็อธิบายว่าแรงสามในสี่แรงมีปฏิสัมพันธ์กันในระดับใต้อะตอมอย่างไร และเธอก็อธิบายได้อย่างสวยงามและสม่ำเสมอ ภาพปฏิสัมพันธ์ที่สอดคล้องกันนี้ในที่สุดก็กลายเป็นที่รู้จักในชื่อแบบจำลองมาตรฐาน แต่อนิจจา ทฤษฎีที่สมบูรณ์แบบนี้มีปัญหาใหญ่อย่างหนึ่ง มันไม่รวมถึงแรงโน้มถ่วงระดับมหภาคที่มีชื่อเสียงที่สุดด้วย

กราวิตัน

สำหรับทฤษฎีสตริงซึ่งยังไม่มีเวลา "เบ่งบาน" "ฤดูใบไม้ร่วง" ได้มาถึงแล้ว มันมีปัญหามากเกินไปตั้งแต่แรกเกิด ตัวอย่างเช่น การคำนวณของทฤษฎีทำนายการมีอยู่ของอนุภาค ซึ่งตามที่ได้กำหนดขึ้นในไม่ช้านี้ ไม่มีอยู่จริง นี่คือสิ่งที่เรียกว่า tachyon ซึ่งเป็นอนุภาคที่เคลื่อนที่ในสุญญากาศเร็วกว่าแสง เหนือสิ่งอื่นใด ปรากฎว่าทฤษฎีนี้ต้องการมิติมากถึง 10 มิติ ไม่น่าแปลกใจเลยที่สิ่งนี้สร้างความสับสนให้กับนักฟิสิกส์ เพราะมันใหญ่กว่าที่เราเห็นอย่างเห็นได้ชัด

ภายในปี 1973 มีนักฟิสิกส์รุ่นเยาว์เพียงไม่กี่คนที่ยังคงต้องต่อสู้กับความลึกลับของทฤษฎีสตริง หนึ่งในนั้นคือ John Schwartz นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวอเมริกัน เป็นเวลาสี่ปีแล้วที่ชวาร์ตษ์พยายามควบคุมสมการที่ไม่เชื่อฟัง แต่ก็ไม่เกิดประโยชน์ ท่ามกลางปัญหาอื่นๆ สมการประการหนึ่งยังคงอธิบายอนุภาคลึกลับที่ไม่มีมวลและไม่ได้สังเกตพบในธรรมชาติ

นักวิทยาศาสตร์ได้ตัดสินใจละทิ้งธุรกิจที่หายนะของเขาแล้ว และจากนั้นก็เริ่มต้นขึ้น - บางทีสมการของทฤษฎีสตริงอาจอธิบายแรงโน้มถ่วงด้วย อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้บ่งบอกถึงการแก้ไขมิติของ "วีรบุรุษ" หลักของทฤษฎี นั่นคือสตริง ด้วยการสมมติว่าสตริงมีขนาดเล็กกว่าอะตอมหลายพันล้านเท่า "สตริงเกอร์" จึงเปลี่ยนข้อเสียของทฤษฎีให้เป็นข้อได้เปรียบ อนุภาคลึกลับที่จอห์น ชวาร์ตษ์พยายามกำจัดออกไปอย่างไม่ลดละ ตอนนี้ทำหน้าที่เป็นกราวิตัน ซึ่งเป็นอนุภาคที่ค้นหามานานและยอมให้แรงโน้มถ่วงถูกถ่ายโอนไปยังระดับควอนตัม นี่คือวิธีที่ทฤษฎีสตริงไขปริศนาด้วยแรงโน้มถ่วงซึ่งหายไปในแบบจำลองมาตรฐาน แต่อนิจจาแม้แต่การค้นพบนี้ชุมชนวิทยาศาสตร์ก็ไม่ได้โต้ตอบใด ๆ เลย ทฤษฎีสตริงยังคงจวนจะอยู่รอด แต่นั่นไม่ได้หยุดชวาร์ตษ์ นักวิทยาศาสตร์เพียงคนเดียวเท่านั้นที่ต้องการเข้าร่วมการค้นหาของเขา และพร้อมที่จะเสี่ยงอาชีพของเขาเพื่อประโยชน์ของสายลึกลับ - ไมเคิล กรีน

ตุ๊กตาทำรัง Subatomic

แม้จะมีทุกอย่างในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ทฤษฎีสตริงยังคงมีความขัดแย้งที่ไม่ละลายน้ำเรียกว่าความผิดปกติในทางวิทยาศาสตร์ ชวาร์ตษ์และกรีนเริ่มที่จะกำจัดพวกเขา และความพยายามของพวกเขาก็ไม่ไร้ประโยชน์: นักวิทยาศาสตร์สามารถกำจัดความขัดแย้งบางประการในทฤษฎีได้ ลองนึกภาพความประหลาดใจของทั้งสองซึ่งคุ้นเคยกับความจริงที่ว่าทฤษฎีของพวกเขาถูกเพิกเฉยเมื่อปฏิกิริยาของชุมชนวิทยาศาสตร์ทำให้โลกวิทยาศาสตร์ระเบิด ในเวลาไม่ถึงหนึ่งปี จำนวนนักทฤษฎีสตริงได้เพิ่มขึ้นเป็นหลายร้อยคน ตอนนั้นเองที่ทฤษฎีสตริงได้รับรางวัลทฤษฎีแห่งทุกสิ่ง ทฤษฎีใหม่ดูเหมือนสามารถอธิบายองค์ประกอบทั้งหมดของจักรวาลได้ และนี่คือส่วนประกอบต่างๆ

มีขนาดเล็กมากจนถ้าอะตอมถูกขยายให้มีขนาดเท่ากับระบบสุริยะ สตริงก็จะมีขนาดเท่าต้นไม้ เช่นเดียวกับการสั่นสะเทือนที่แตกต่างกันของสายเชลโลที่สร้างสิ่งที่เราได้ยิน โน้ตดนตรีที่แตกต่างกัน โหมด (โหมด) ของการสั่นของสายที่แตกต่างกัน ทำให้อนุภาคมีคุณสมบัติเฉพาะตัว เช่น มวล ประจุ ฯลฯ คุณรู้ไหมว่าโปรตอนที่ปลายเล็บของคุณแตกต่างจากกราวิตอนที่ยังไม่ถูกค้นพบอย่างไร มีเพียงการรวมตัวกันของสายเล็กๆ ที่ประกอบขึ้นเป็นสาย และวิธีที่สายเหล่านั้นสั่นสะเทือน

แน่นอนว่าทั้งหมดนี้เป็นเรื่องที่น่าแปลกใจมากกว่า ตั้งแต่สมัยกรีกโบราณ นักฟิสิกส์เริ่มคุ้นเคยกับความจริงที่ว่าทุกสิ่งในโลกนี้ประกอบด้วยบางสิ่งเช่นลูกบอล อนุภาคขนาดเล็ก ดังนั้น เมื่อไม่มีเวลาทำความคุ้นเคยกับพฤติกรรมที่ไร้เหตุผลของลูกบอลเหล่านี้ ซึ่งตามมาจากกลศาสตร์ควอนตัม พวกเขาจึงถูกขอให้ละทิ้งกระบวนทัศน์โดยสิ้นเชิงและดำเนินการโดยใช้เศษสปาเก็ตตี้บางชนิด...

มิติที่ห้า

แม้ว่านักวิทยาศาสตร์หลายคนเรียกทฤษฎีสตริงว่าเป็นชัยชนะของคณิตศาสตร์ แต่ปัญหาบางอย่างยังคงอยู่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การไม่มีความเป็นไปได้ในการทดสอบด้วยการทดลองในอนาคตอันใกล้นี้ ไม่ใช่เครื่องดนตรีชิ้นเดียวในโลกทั้งที่มีอยู่หรือไม่สามารถปรากฏได้ในอนาคตที่สามารถ "มองเห็น" สายอักขระได้ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์บางคนถึงกับถามคำถาม: ทฤษฎีสตริงเป็นทฤษฎีของฟิสิกส์หรือปรัชญาหรือไม่.. จริงอยู่ที่คุณไม่จำเป็นต้องเห็นสตริง "ด้วยตาของคุณเอง" เลย การพิสูจน์ทฤษฎีสตริงนั้นต้องการอย่างอื่น—ซึ่งฟังดูเหมือนนิยายวิทยาศาสตร์——เพื่อยืนยันการมีอยู่ของมิติพิเศษของอวกาศ

เรากำลังพูดถึงเรื่องอะไร? เราทุกคนคุ้นเคยกับสามมิติของอวกาศและครั้งเดียว แต่ทฤษฎีสตริงทำนายการมีอยู่ของมิติอื่นที่พิเศษกว่านั้นได้ แต่มาเริ่มกันตามลำดับ

ในความเป็นจริงความคิดเรื่องการมีอยู่ของมิติอื่นเกิดขึ้นเมื่อเกือบร้อยปีที่แล้ว สิ่งนี้เข้ามาในความคิดของธีโอดอร์ คาลูซา นักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมันผู้ไม่มีใครรู้จักในขณะนั้นในปี 1919 เขาบอกถึงความเป็นไปได้ของอีกมิติหนึ่งในจักรวาลของเราที่เรามองไม่เห็น Albert Einstein ได้เรียนรู้เกี่ยวกับแนวคิดนี้ และในตอนแรกเขาก็ชอบมันมาก อย่างไรก็ตามต่อมาเขาสงสัยในความถูกต้องและเลื่อนการตีพิมพ์ Kaluza ออกไปเป็นเวลาสองปีเต็ม อย่างไรก็ตาม ในท้ายที่สุด บทความนี้ก็ได้รับการตีพิมพ์ และมิติเพิ่มเติมก็กลายเป็นงานอดิเรกสำหรับอัจฉริยะทางฟิสิกส์

ดังที่คุณทราบ ไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่าแรงโน้มถ่วงเป็นเพียงการเปลี่ยนรูปของมิติกาล-อวกาศ คาลูซาแนะนำว่าแม่เหล็กไฟฟ้าอาจเป็นระลอกคลื่นได้เช่นกัน ทำไมเราไม่เห็นมัน? คาลูซาพบคำตอบสำหรับคำถามนี้ - คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอาจมีอยู่ในมิติเพิ่มเติมที่ซ่อนอยู่ แต่มันอยู่ที่ไหนล่ะ?

คำตอบสำหรับคำถามนี้ได้รับจากนักฟิสิกส์ชาวสวีเดน ออสการ์ ไคลน์ ซึ่งแนะนำว่ามิติที่ห้าของคาลูซานั้นแข็งแกร่งกว่าขนาดของอะตอมเดี่ยวหลายพันล้านเท่า ซึ่งเป็นสาเหตุที่เราไม่สามารถมองเห็นมันได้ แนวคิดเรื่องมิติเล็กๆ ที่อยู่รอบตัวเราเป็นหัวใจสำคัญของทฤษฎีสตริง

หนึ่งในรูปแบบที่เสนอของมิติบิดเบี้ยวเพิ่มเติม ภายในแต่ละรูปแบบเหล่านี้ เชือกจะสั่นและเคลื่อนไหว ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของจักรวาล แต่ละแบบฟอร์มมีหกมิติ - ตามจำนวนมิติเพิ่มเติมหกมิติ /

สิบมิติ

แต่ในความเป็นจริง สมการของทฤษฎีสตริงไม่จำเป็นต้องมีมิติเพิ่มเติมแม้แต่มิติเดียว แต่มีมิติเพิ่มเติมอีกหกมิติ (โดยรวมแล้วมีสี่มิติที่เรารู้ มีทั้งหมด 10 มิติพอดี) พวกเขาทั้งหมดมีรูปร่างที่ซับซ้อนบิดเบี้ยวและโค้งมาก และทุกสิ่งก็เล็กอย่างไม่น่าเชื่อ

การวัดเล็กๆ น้อยๆ เหล่านี้จะส่งผลต่อโลกใบใหญ่ของเราได้อย่างไร? ตามทฤษฎีสตริง มันเป็นสิ่งชี้ขาด เพราะรูปร่างเป็นตัวกำหนดทุกสิ่ง เมื่อคุณกดคีย์อื่นบนแซ็กโซโฟน คุณจะได้เสียงที่แตกต่างกัน สิ่งนี้เกิดขึ้นเพราะเมื่อคุณกดคีย์ใดคีย์หนึ่งหรือคีย์ผสม คุณจะเปลี่ยนรูปร่างของพื้นที่ในเครื่องดนตรีที่อากาศไหลเวียน ด้วยเหตุนี้ เสียงที่แตกต่างจึงเกิดขึ้น

ทฤษฎีสตริงชี้ให้เห็นว่ามิติที่โค้งและบิดเบี้ยวเพิ่มเติมของอวกาศปรากฏออกมาในลักษณะเดียวกัน รูปร่างของมิติพิเศษเหล่านี้มีความซับซ้อนและหลากหลาย และแต่ละส่วนทำให้สตริงที่อยู่ในมิติดังกล่าวสั่นสะเทือนอย่างแม่นยำแตกต่างกันเนื่องจากรูปร่างของมัน ท้ายที่สุดแล้ว ถ้าเราสมมุติว่าสายหนึ่งสั่นในเหยือก และอีกสายหนึ่งอยู่ในฮอร์นเสาโค้ง การสั่นสะเทือนเหล่านี้จะแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง อย่างไรก็ตาม หากคุณเชื่อทฤษฎีสตริง ในความเป็นจริง รูปแบบของมิติเพิ่มเติมจะดูซับซ้อนกว่าเหยือกมาก

โลกทำงานอย่างไร

วิทยาศาสตร์ในปัจจุบันรู้จักชุดตัวเลขที่เป็นค่าคงที่พื้นฐานของจักรวาล พวกเขาคือผู้กำหนดคุณสมบัติและลักษณะของทุกสิ่งรอบตัวเรา ในบรรดาค่าคงที่ดังกล่าวได้แก่ ประจุของอิเล็กตรอน ค่าคงที่แรงโน้มถ่วง ความเร็วแสงในสุญญากาศ... และถ้าเราเปลี่ยนตัวเลขเหล่านี้แม้จะเป็นจำนวนเล็กน้อยก็ตาม ผลที่ตามมาจะเป็นหายนะ สมมติว่าเราเพิ่มความแข็งแกร่งของปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า เกิดอะไรขึ้น เราอาจพบว่าไอออนเริ่มผลักกันแรงขึ้นอย่างกะทันหัน และนิวเคลียร์ฟิวชันซึ่งทำให้ดาวฤกษ์ส่องแสงและเปล่งความร้อนก็ล้มเหลวในทันที ดวงดาวทั้งหมดจะดับลง

แต่ทฤษฎีสตริงที่มีมิติพิเศษเกี่ยวข้องอะไรกับทฤษฎีนี้? ความจริงก็คือตามนั้นมันเป็นมิติเพิ่มเติมที่กำหนดค่าที่แน่นอนของค่าคงที่พื้นฐาน การวัดบางรูปแบบทำให้สายหนึ่งสั่นในลักษณะใดลักษณะหนึ่ง และทำให้เกิดสิ่งที่เราเห็นเป็นโฟตอน ในรูปแบบอื่น สายจะสั่นต่างกันและผลิตอิเล็กตรอน แท้จริงแล้วพระเจ้าทรงอยู่ใน "สิ่งเล็กๆ น้อยๆ" - เป็นรูปแบบเล็กๆ เหล่านี้ที่กำหนดความคงที่พื้นฐานทั้งหมดของโลกนี้

ทฤษฎีซูเปอร์สตริง

ในช่วงกลางทศวรรษ 1980 ทฤษฎีสตริงปรากฏอย่างยิ่งใหญ่และเป็นระเบียบเรียบร้อย แต่ภายในอนุสาวรีย์กลับเกิดความสับสน ในเวลาเพียงไม่กี่ปี ทฤษฎีสตริงมากถึงห้าเวอร์ชันก็ได้เกิดขึ้น และถึงแม้ว่าแต่ละเวอร์ชันจะถูกสร้างขึ้นบนสตริงและมิติพิเศษ (ทั้งห้าเวอร์ชันจะรวมกันเป็นทฤษฎีทั่วไปของ superstrings - NS) แต่เวอร์ชันเหล่านี้ก็มีรายละเอียดที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ

ดังนั้นในบางรุ่นสายจะมีปลายเปิด แต่บางรุ่นก็มีลักษณะคล้ายวงแหวน และในบางเวอร์ชัน ทฤษฎีนี้ไม่จำเป็นต้องมี 10 มิติ แต่มากถึง 26 มิติด้วยซ้ำ ความขัดแย้งก็คือทั้งห้าเวอร์ชันในปัจจุบันสามารถเรียกได้ว่าเป็นความจริงอย่างเท่าเทียมกัน แต่อันไหนที่อธิบายจักรวาลของเราได้จริงๆ? นี่เป็นความลึกลับอีกประการหนึ่งของทฤษฎีสตริง นั่นคือสาเหตุที่นักฟิสิกส์หลายคนเลิกใช้ทฤษฎี "บ้า" อีกครั้ง

แต่ปัญหาหลักของสตริงดังที่ได้กล่าวไปแล้วคือความเป็นไปไม่ได้ (อย่างน้อยก็ในตอนนี้) ที่จะพิสูจน์การมีอยู่ของสตริงโดยการทดลอง

อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์บางคนยังคงกล่าวว่าเครื่องเร่งความเร็วรุ่นต่อไปมีโอกาสน้อยมาก แต่ก็ยังมีโอกาสทดสอบสมมติฐานของมิติเพิ่มเติม แม้ว่าคนส่วนใหญ่จะแน่ใจว่าหากเป็นไปได้ แต่อนิจจามันจะไม่เกิดขึ้นในเร็วๆ นี้ - อย่างน้อยก็ในทศวรรษ หรือสูงสุด - แม้แต่ในร้อยปีก็ตาม

คำถามสำคัญ:

อะไรคือองค์ประกอบพื้นฐานของจักรวาล - "อิฐก้อนแรกของสสาร"? มีทฤษฎีที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพพื้นฐานทั้งหมดได้หรือไม่?

คำถาม: นี่เป็นเรื่องจริงเหรอ?

ในปัจจุบันและในอนาคตอันใกล้ การสังเกตโดยตรงในระดับเล็กๆ ดังกล่าวไม่สามารถทำได้ ฟิสิกส์อยู่ในการค้นหา และการทดลองที่กำลังดำเนินอยู่ เช่น การค้นพบอนุภาคสมมาตรยิ่งยวดหรือการค้นหามิติพิเศษในเครื่องเร่งความเร็ว อาจบ่งชี้ว่าทฤษฎีสตริงมาถูกทางแล้ว

ไม่ว่าทฤษฎีสตริงจะเป็นทฤษฎีของทุกสิ่งหรือไม่ก็ตาม ทฤษฎีนี้ทำให้เรามีชุดเครื่องมือที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวในการมองเข้าไปในโครงสร้างที่ลึกลงไปของความเป็นจริง

ทฤษฎีสตริง

มาโครและไมโคร

เมื่ออธิบายถึงจักรวาล ฟิสิกส์ได้แบ่งจักรวาลออกเป็นสองซีกที่ดูเหมือนจะเข้ากันไม่ได้ ได้แก่ โลกควอนตัมขนาดเล็ก และโลกมาโครซึ่งมีการอธิบายแรงโน้มถ่วงไว้ภายใน

ทฤษฎีสตริงเป็นความพยายามที่ก่อให้เกิดความขัดแย้งในการรวมครึ่งเหล่านี้เข้าเป็น "ทฤษฎีของทุกสิ่ง"

อนุภาคและอันตรกิริยา

โลกประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานสองประเภท ได้แก่ เฟอร์มิออนและโบซอน เฟอร์มิออนล้วนเป็นสสารที่สามารถสังเกตได้ และโบซอนเป็นพาหะของปฏิกิริยาพื้นฐานสี่ชนิดที่ทราบ ได้แก่ แบบอ่อน แม่เหล็กไฟฟ้า แรง และแรงโน้มถ่วง ด้วยการใช้ทฤษฎีที่เรียกว่าแบบจำลองมาตรฐาน นักฟิสิกส์สามารถอธิบายและทดสอบปฏิสัมพันธ์พื้นฐานทั้งสามได้อย่างงดงาม ยกเว้นแรงโน้มถ่วงที่อ่อนแอที่สุด ปัจจุบันแบบจำลองมาตรฐานเป็นแบบจำลองที่แม่นยำและได้รับการยืนยันจากการทดลองมากที่สุดในโลกของเรา

ทำไมเราต้องมีทฤษฎีสตริง?

แบบจำลองมาตรฐานไม่รวมแรงโน้มถ่วง ไม่สามารถอธิบายจุดศูนย์กลางของหลุมดำและบิ๊กแบงได้ และไม่ได้อธิบายผลลัพธ์ของการทดลองบางอย่าง ทฤษฎีสตริงเป็นความพยายามที่จะแก้ไขปัญหาเหล่านี้และรวมสสารและปฏิกิริยาเข้าด้วยกันโดยการแทนที่อนุภาคมูลฐานด้วยเส้นสั่นเล็กๆ

ทฤษฎีสตริงมีพื้นฐานมาจากแนวคิดที่ว่าอนุภาคมูลฐานทั้งหมดสามารถแสดงเป็น "อิฐก้อนแรก" เบื้องต้นได้ นั่นคือสตริง เชือกสามารถสั่นสะเทือนได้ และโหมดต่างๆ ของการสั่นสะเทือนดังกล่าวในระยะไกลจะดูเหมือนอนุภาคมูลฐานที่แตกต่างกันสำหรับเรา โหมดการสั่นสะเทือนโหมดหนึ่งจะทำให้สายดูเหมือนโฟตอน และอีกโหมดหนึ่งจะทำให้สายดูเหมือนอิเล็กตรอน

มีแม้กระทั่งโหมดที่อธิบายผู้ให้บริการของการปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วง - Graviton! ตัวแปรของทฤษฎีสตริงอธิบายสตริงได้สองประเภท: เปิด (1) และปิด (2) สายเปิดมีปลายสองด้าน (3) อยู่บนโครงสร้างคล้ายเมมเบรนที่เรียกว่า D-branes และไดนามิกของพวกมันอธิบายปฏิกิริยาพื้นฐานสามในสี่ประการ ทั้งหมดนี้ยกเว้นแรงโน้มถ่วง

สายปิดมีลักษณะคล้ายลูป แต่ไม่ได้ผูกติดกับ D-branes - มันเป็นโหมดการสั่นสะเทือนของสายปิดซึ่งแสดงด้วยกราวิตอนไร้มวล ปลายของสายเปิดสามารถต่อกันจนกลายเป็นสายปิด ซึ่งสามารถแยกออกจนกลายเป็นสายเปิด หรือมาบรรจบกันและแยกออกเป็นสายปิดสองสาย (5) ดังนั้นในทฤษฎีสตริง ปฏิกิริยาโน้มถ่วงจึงถูกรวมเข้ากับสายอื่นๆ ทั้งหมด

สตริงเป็นวัตถุที่เล็กที่สุดในบรรดาวัตถุทั้งหมดที่ฟิสิกส์ทำงาน ช่วงของขนาด V ของวัตถุที่แสดงในภาพด้านบนขยายได้ถึง 34 ลำดับความสำคัญ หากอะตอมมีขนาดเท่ากับระบบสุริยะ ขนาดของสตริงอาจมีขนาดใหญ่กว่านิวเคลียสของอะตอมเล็กน้อย

มิติข้อมูลเพิ่มเติม

ทฤษฎีสตริงที่สอดคล้องกันเป็นไปได้เฉพาะในปริภูมิมิติที่สูงกว่าเท่านั้น ซึ่งนอกเหนือจากมิติปริภูมิ-เวลาที่ 4 ที่คุ้นเคยแล้ว ยังจำเป็นต้องมีอีก 6 ทฤษฎีเพิ่มเติม นักทฤษฎีเชื่อว่ามิติพิเศษเหล่านี้ถูกพับให้อยู่ในรูปแบบที่เล็กจนยากจะเข้าใจ - ช่องว่าง Calabi-Yau ปัญหาประการหนึ่งของทฤษฎีสตริงก็คือ มีการแปรผันของการบิดงอแบบคาลาบี-เหยา (การอัดแน่น) มากมายจนแทบไม่มีที่สิ้นสุด ซึ่งช่วยให้เราสามารถอธิบายโลกใดๆ ก็ได้ และจนถึงขณะนี้ยังไม่มีวิธีใดที่จะพบการกระชับแบบดังกล่าวที่ จะทำให้เราสามารถบรรยายได้ว่าสิ่งที่เราเห็นรอบตัว

สมมาตรยิ่งยวด

ทฤษฎีสตริงเวอร์ชันส่วนใหญ่ต้องการแนวคิดเรื่องสมมาตรยิ่งยวด ซึ่งมีพื้นฐานมาจากแนวคิดที่ว่าเฟอร์มิออน (สสาร) และโบซอน (อันตรกิริยา) เป็นการปรากฏของวัตถุเดียวกัน และสามารถกลายเป็นกันและกันได้

ทฤษฎีของทุกสิ่ง?

สมมาตรยิ่งยวดสามารถรวมเข้ากับทฤษฎีสตริงได้ 5 วิธี ส่งผลให้เกิดทฤษฎีสตริง 5 แบบที่แตกต่างกัน ซึ่งหมายความว่าทฤษฎีสตริงไม่สามารถอ้างได้ว่าเป็น "ทฤษฎีของทุกสิ่ง" ทั้งห้าประเภทนี้มีความสัมพันธ์กันโดยการแปลงทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าความเป็นคู่ และสิ่งนี้นำไปสู่ความเข้าใจว่าประเภททั้งหมดเหล่านี้เป็นแง่มุมของบางสิ่งที่กว้างกว่า ทฤษฎีทั่วไปนี้เรียกว่าทฤษฎีเอ็ม

ทฤษฎีสตริงมีสูตรที่แตกต่างกัน 5 สูตร แต่เมื่อตรวจสอบอย่างใกล้ชิดปรากฎว่าทั้งหมดนี้ล้วนเป็นการแสดงให้เห็นของทฤษฎีทั่วไปที่มากกว่า

ท้ายที่สุดแล้ว อนุภาคมูลฐานทั้งหมดสามารถแสดงเป็นสตริงหลายมิติด้วยกล้องจุลทรรศน์ ซึ่งการสั่นสะเทือนของฮาร์โมนิกต่างๆ จะตื่นเต้น

โปรดทราบ รัดเข็มขัดนิรภัยให้แน่น - และฉันจะพยายามอธิบายให้คุณฟังหนึ่งในทฤษฎีที่แปลกประหลาดที่สุดในบรรดาทฤษฎีที่ถกเถียงกันอย่างจริงจังในแวดวงวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันซึ่งในที่สุดสามารถให้เบาะแสสุดท้ายเกี่ยวกับโครงสร้างของจักรวาลได้ ทฤษฎีนี้ดูบ้าบอมากจนเป็นไปได้ว่ามันถูกต้อง!

ในปัจจุบัน ทฤษฎีสตริงหลายเวอร์ชันถือเป็นคู่แข่งสำคัญสำหรับชื่อทฤษฎีสากลที่ครอบคลุมซึ่งอธิบายธรรมชาติของทุกสิ่ง และนี่คือจอกศักดิ์สิทธิ์ประเภทหนึ่งของนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎีอนุภาคมูลฐานและจักรวาลวิทยา ทฤษฎีสากล (อาคา ทฤษฎีของทุกสิ่ง) มีสมการเพียงไม่กี่สมการที่รวมความรู้ของมนุษย์ทั้งหมดเกี่ยวกับธรรมชาติของการโต้ตอบและคุณสมบัติขององค์ประกอบพื้นฐานของสสารที่จักรวาลถูกสร้างขึ้น ปัจจุบันมีการนำทฤษฎีสตริงมาผสมผสานกับแนวคิดนี้ สมมาตรยิ่งยวดอันเป็นผลให้เกิดมา ทฤษฎีสายเหนือและจนถึงขณะนี้ นี่คือจำนวนสูงสุดที่ได้รับในแง่ของการรวมทฤษฎีของการโต้ตอบหลักทั้งสี่เข้าด้วยกัน (แรงที่กระทำในธรรมชาติ) ทฤษฎีของสมมาตรยิ่งยวดนั้นถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของแนวคิดสมัยใหม่นิรนัยตามที่ปฏิสัมพันธ์ระยะไกล (ภาคสนาม) ใด ๆ เกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคพาหะที่มีปฏิสัมพันธ์ชนิดที่สอดคล้องกันระหว่างอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์ ( ซม.รุ่นมาตรฐาน) เพื่อความชัดเจน อนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์ถือได้ว่าเป็น "อิฐ" ของจักรวาล และอนุภาคพาหะถือได้ว่าเป็นซีเมนต์

ภายในโมเดลมาตรฐาน ควาร์กทำหน้าที่เป็นแบบเอกสารสำเร็จรูป และตัวพาปฏิสัมพันธ์ทำหน้าที่เป็น เกจโบซอนซึ่งควาร์กเหล่านี้แลกเปลี่ยนกัน ทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดไปไกลกว่านั้นและระบุว่าควาร์กและเลปตันนั้นไม่ใช่พื้นฐาน พวกมันทั้งหมดประกอบด้วยโครงสร้างสสาร (บล็อคก่อสร้าง) ที่หนักกว่าและไม่ได้ค้นพบจากการทดลอง ซึ่งยึดติดกันด้วย "ซีเมนต์" ที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้นของอนุภาคพลังงานมหาศาล - พาหะของปฏิกิริยามากกว่าควาร์กที่ประกอบด้วยแฮดรอนและโบซอน โดยธรรมชาติแล้วยังไม่มีการทดสอบการทำนายทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดในสภาพห้องปฏิบัติการ แต่องค์ประกอบที่ซ่อนอยู่ในสมมุติฐานของโลกวัตถุนั้นมีชื่ออยู่แล้ว - ตัวอย่างเช่น ตัวเลือก(หุ้นส่วนสมมาตรยิ่งยวดของอิเล็กตรอน) เสียงแหลมเป็นต้น อย่างไรก็ตาม การมีอยู่ของอนุภาคเหล่านี้ได้รับการทำนายอย่างคลุมเครือจากทฤษฎีประเภทนี้

อย่างไรก็ตาม ภาพของจักรวาลที่นำเสนอโดยทฤษฎีเหล่านี้นั้นค่อนข้างง่ายต่อการมองเห็น ในระดับประมาณ 10 -35 ม. นั่นคือขนาด 20 ลำดับความสำคัญที่เล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอนเดียวกันซึ่งรวมถึงควาร์กที่ถูกผูกไว้สามตัว โครงสร้างของสสารแตกต่างจากสิ่งที่เราคุ้นเคยแม้ในระดับอนุภาคมูลฐาน . ในระยะห่างที่น้อยเช่นนี้ (และที่ปฏิสัมพันธ์พลังงานสูงจนไม่อาจจินตนาการได้) สสารก็จะกลายเป็นคลื่นนิ่งชุดหนึ่ง คล้ายกับคลื่นที่ตื่นเต้นกับสายเครื่องดนตรี เช่นเดียวกับสายกีตาร์ สายดังกล่าวสามารถปลุกเร้าได้หลายอย่าง นอกเหนือจากโทนเสียงหลัก หวือหวาหรือ ฮาร์โมนิคฮาร์มอนิกแต่ละตัวมีสถานะพลังงานของตัวเอง ตาม หลักสัมพัทธภาพ (ซม.ทฤษฎีสัมพัทธภาพ) พลังงานและมวลมีความเท่าเทียมกัน ซึ่งหมายความว่า ยิ่งความถี่ของการสั่นของคลื่นฮาร์มอนิกของสตริงสูง พลังงานก็จะสูงขึ้น และมวลของอนุภาคที่สังเกตได้ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

อย่างไรก็ตาม ถ้ามันค่อนข้างง่ายที่จะแสดงภาพคลื่นนิ่งในสายกีตาร์ คลื่นนิ่งที่เสนอโดยทฤษฎีสายเหนือนั้นยากที่จะมองเห็น ความจริงก็คือการสั่นสะเทือนของสายเหนือเกิดขึ้นในอวกาศที่มี 11 มิติ เราคุ้นเคยกับอวกาศสี่มิติซึ่งประกอบด้วยมิติเชิงพื้นที่สามมิติและมิติชั่วคราวหนึ่งมิติ (ซ้าย-ขวา ขึ้น-ลง ไปข้างหน้า-ถอยหลัง อดีต-อนาคต) ในพื้นที่ซูเปอร์สตริง สิ่งต่างๆ จะซับซ้อนกว่ามาก (ดูกล่อง) นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีแก้ไขปัญหาลื่นของมิติเชิงพื้นที่ "พิเศษ" โดยการโต้แย้งว่ามิติเหล่านี้ "ถูกซ่อน" (หรือในแง่วิทยาศาสตร์ "กะทัดรัด") ดังนั้นจึงไม่ได้สังเกตด้วยพลังงานธรรมดา

ไม่นานมานี้ ทฤษฎีสตริงได้รับการพัฒนาเพิ่มเติมในรูปแบบนี้ ทฤษฎีเมมเบรนหลายมิติ- โดยพื้นฐานแล้วนี่คือสายเดียวกัน แต่แบน ดังที่ผู้เขียนคนหนึ่งล้อเล่นว่า เยื่อต่างจากเชือกในลักษณะเดียวกับที่บะหมี่แตกต่างจากวุ้นเส้น

บางที นี่อาจเป็นทั้งหมดที่สามารถบอกสั้น ๆ เกี่ยวกับทฤษฎีหนึ่งที่ในปัจจุบันอ้างว่าเป็นทฤษฎีสากลของการรวมกันอันยิ่งใหญ่ของปฏิกิริยาระหว่างกำลังทั้งหมด โดยไม่มีเหตุผล อนิจจา ทฤษฎีนี้ไม่ได้ปราศจากบาป ประการแรกยังไม่ได้ถูกนำเข้าสู่รูปแบบทางคณิตศาสตร์ที่เข้มงวดเนื่องจากอุปกรณ์ทางคณิตศาสตร์ไม่เพียงพอที่จะนำมาสู่การติดต่อภายในที่เข้มงวด เวลาผ่านไป 20 ปีแล้วนับตั้งแต่ทฤษฎีนี้ถือกำเนิดขึ้น และไม่มีใครสามารถประสานแง่มุมและเวอร์ชันบางอย่างของมันกับผู้อื่นได้อย่างสม่ำเสมอ สิ่งที่ไม่พึงประสงค์ยิ่งกว่านั้นคือไม่มีนักทฤษฎีคนใดที่เสนอทฤษฎีสตริง (และโดยเฉพาะอย่างยิ่งสตริงที่เหนือชั้น) ยังไม่ได้เสนอการทดลองเพียงครั้งเดียวซึ่งสามารถทดสอบทฤษฎีเหล่านี้ในห้องปฏิบัติการได้ อนิจจา ฉันเกรงว่าจนกว่าพวกเขาจะทำเช่นนี้ งานทั้งหมดของพวกเขาจะยังคงเป็นเกมแฟนตาซีที่แปลกประหลาดและแบบฝึกหัดในการทำความเข้าใจความรู้ลึกลับที่อยู่นอกกระแสหลักของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ

ดูเพิ่มเติมที่:

1972	โครโมไดนามิกส์ควอนตัม

มีทั้งหมดกี่มิติ?

สำหรับเรา คนธรรมดา สามมิติก็เพียงพอแล้ว ตั้งแต่สมัยโบราณ เราคุ้นเคยกับการอธิบายโลกทางกายภาพด้วยคำพูดที่เรียบง่าย (เสือเขี้ยวดาบอยู่ข้างหน้า 40 เมตร ไปทางขวา 11 เมตร และอยู่เหนือฉัน 4 เมตร - ก้อนหินปูถนนสำหรับการต่อสู้!) ทฤษฎีสัมพัทธภาพได้สอนพวกเราส่วนใหญ่ว่าเวลาเป็นมิติที่สี่ (เสือเขี้ยวดาบไม่ได้อยู่ที่นี่เท่านั้น แต่ยังอยู่ที่นี่และตอนนี้กำลังคุกคามเรา!) ดังนั้น ตั้งแต่กลางศตวรรษที่ 20 นักทฤษฎีเริ่มพูดถึงว่าอันที่จริงยังมีมิติมากกว่านั้นอีก ไม่ว่าจะเป็น 10 หรือ 11 หรือ 26 ก็ตาม แน่นอนว่า หากไม่มีคำอธิบายว่าทำไมเราซึ่งเป็นคนปกติจึงไม่สังเกตพวกมันที่นี่ มันไม่สามารถทำได้ จากนั้นแนวคิดเรื่อง "การกระชับ" ก็เกิดขึ้น - การเกาะติดกันหรือการล่มสลายของมิติ

ลองนึกภาพสายยางรดน้ำสวน เมื่อมองระยะใกล้จะมองว่าเป็นวัตถุสามมิติปกติ อย่างไรก็ตามหากคุณเคลื่อนห่างจากท่อเป็นระยะทางเพียงพอ มันจะปรากฏแก่เราเป็นวัตถุเชิงเส้นหนึ่งมิติ: เราจะหยุดรับรู้ความหนาของมัน ผลกระทบนี้เองที่มักเรียกกันว่าเป็นการกระชับการวัด ในกรณีนี้ ความหนาของสายยางกลายเป็น "กระชับ"—สเกลของสเกลการวัดเล็กเกินไป

ตามที่นักทฤษฎีกล่าวไว้ มิติเพิ่มเติมในชีวิตจริงที่จำเป็นสำหรับคำอธิบายที่เพียงพอเกี่ยวกับคุณสมบัติของสสารในระดับย่อยอะตอม จะหายไปจากขอบเขตการรับรู้เชิงทดลองของเราอย่างไร พวกมันถูกทำให้เล็กลง โดยเริ่มจากมาตราส่วนของ ลำดับที่ 10 -35 ม. และวิธีการสังเกตและเครื่องมือวัดสมัยใหม่ไม่สามารถตรวจจับโครงสร้างในขนาดเล็กเช่นนี้ได้ บางทีนี่อาจจะเป็นอย่างนั้นหรือบางทีทุกอย่างอาจแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ตราบใดที่ไม่มีเครื่องมือและวิธีการสังเกต ข้อโต้แย้งและการโต้แย้งข้างต้นทั้งหมดจะยังคงอยู่ในระดับของการเก็งกำไรที่ไม่ได้ใช้งาน

ความขัดแย้งทางฟิสิกส์

ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 19 สำหรับนักฟิสิกส์แล้ว ดูเหมือนว่าไม่มีอะไรร้ายแรงในทางวิทยาศาสตร์อีกต่อไป ฟิสิกส์คลาสสิกเชื่อว่าไม่มีปัญหาร้ายแรงเหลืออยู่ และโครงสร้างทั้งหมดของโลกดูเหมือนเครื่องจักรที่มีการควบคุมและคาดเดาได้อย่างสมบูรณ์แบบ ปัญหาตามปกติเกิดขึ้นเพราะเรื่องไร้สาระ - หนึ่งใน "เมฆ" เล็ก ๆ ที่ยังคงอยู่ในท้องฟ้าแห่งวิทยาศาสตร์ที่ชัดเจนและเข้าใจได้ กล่าวคือเมื่อคำนวณพลังงานรังสีของวัตถุสีดำสนิท (วัตถุสมมุติที่ดูดซับรังสีที่ตกกระทบไว้ที่อุณหภูมิใดก็ได้โดยไม่คำนึงถึงความยาวคลื่น - NS) การคำนวณแสดงให้เห็นว่าพลังงานรังสีรวมของวัตถุสีดำสนิทควรมีขนาดใหญ่อย่างไม่สิ้นสุด เพื่อหลีกหนีจากความไร้สาระที่เห็นได้ชัดดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน แม็กซ์ พลังค์ ในปี 1900 เสนอว่าแสงที่มองเห็น รังสีเอกซ์ และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ สามารถปล่อยออกมาได้ด้วยพลังงานบางส่วนที่แยกจากกันเท่านั้น ซึ่งเขาเรียกว่าควอนต้า ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขาจึงสามารถแก้ไขปัญหาเฉพาะของร่างกายสีดำสนิทได้ อย่างไรก็ตาม ผลที่ตามมาของสมมติฐานควอนตัมสำหรับการกำหนดระดับยังไม่เกิดขึ้นจริง จนกระทั่งในปี 1926 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันอีกคนหนึ่ง แวร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก ได้สร้างหลักการความไม่แน่นอนอันโด่งดังขึ้นมา

แก่นแท้ของมันอยู่ที่ความจริงที่ว่า ธรรมชาติจำกัดความสามารถของเราในการทำนายอนาคตตามกฎทางกายภาพ ซึ่งตรงกันข้ามกับข้อความที่โดดเด่นก่อนหน้านี้ทั้งหมด แน่นอนว่าเรากำลังพูดถึงอนาคตและปัจจุบันของอนุภาคมูลฐาน ปรากฎว่าพวกเขาประพฤติแตกต่างไปจากที่เคยทำในจักรวาลรอบตัวเราอย่างสิ้นเชิง ในระดับต่ำกว่าอะตอม โครงสร้างของอวกาศจะไม่สม่ำเสมอและวุ่นวาย โลกของอนุภาคเล็กๆ นั้นปั่นป่วนและไม่อาจเข้าใจได้จนขัดกับสามัญสำนึก อวกาศและเวลาบิดเบี้ยวและเกี่ยวพันกันจนไม่มีแนวคิดธรรมดาๆ เกี่ยวกับซ้ายและขวา ขึ้นและลง หรือแม้กระทั่งก่อนและหลัง ไม่มีทางที่จะบอกได้อย่างแน่นอนว่าอนุภาคใดอนุภาคหนึ่งตั้งอยู่ ณ จุดใดในอวกาศ และโมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาคนั้นมีค่าเท่าใด มีความน่าจะเป็นเพียงบางส่วนเท่านั้นที่จะค้นพบอนุภาคในหลายพื้นที่ของกาล-อวกาศ อนุภาคในระดับย่อยอะตอมดูเหมือนจะ "เปื้อน" ไปทั่วอวกาศ ไม่เพียงแค่นั้น แต่ไม่ได้กำหนด "สถานะ" ของอนุภาคไว้ ในบางกรณี อนุภาคมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น ในบางกรณี อนุภาคมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น นี่คือสิ่งที่นักฟิสิกส์เรียกว่าความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นของกลศาสตร์ควอนตัม

ทฤษฎีของทุกสิ่ง

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายหนึ่งในพลังที่มีชื่อเสียงที่สุดของจักรวาล - แรงโน้มถ่วง กลศาสตร์ควอนตัมอธิบายถึงแรงอีกสามแรง ได้แก่ แรงนิวเคลียร์อย่างแรงซึ่งยึดโปรตอนและนิวตรอนเข้าด้วยกันในอะตอม แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และแรงอ่อนซึ่งเกี่ยวข้องกับการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสี เหตุการณ์ใดๆ ในจักรวาล ตั้งแต่การแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมไปจนถึงการกำเนิดดาวฤกษ์ อธิบายได้จากปฏิกิริยาของสสารผ่านแรงทั้งสี่นี้ ด้วยความช่วยเหลือของคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนที่สุด มันเป็นไปได้ที่จะแสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิกิริยาที่อ่อนแอนั้นมีลักษณะที่เหมือนกัน โดยรวมเข้าด้วยกันเป็นปฏิกิริยาทางไฟฟ้าที่อ่อนแอเพียงครั้งเดียว ต่อจากนั้น มีการเพิ่มปฏิสัมพันธ์ทางนิวเคลียร์ที่รุนแรงเข้าไป แต่แรงโน้มถ่วงไม่ได้เข้าร่วมกับพวกมันในทางใดทางหนึ่ง ทฤษฎีสตริงเป็นหนึ่งในผู้สมัครที่จริงจังที่สุดในการเชื่อมโยงกองกำลังทั้งสี่ดังนั้นการยอมรับปรากฏการณ์ทั้งหมดในจักรวาล - ไม่ใช่เพื่ออะไรเลยที่มันถูกเรียกว่า "ทฤษฎีของทุกสิ่ง"

ในการเริ่มต้นมีตำนาน

รุ่นมาตรฐาน

แต่อนิจจาใน "โรงพยาบาลคลอดบุตร" ของอนุภาคใหม่นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถหาคำตอบสำหรับคำถามได้ - เหตุใดจึงมีอนุภาคจำนวนมากและมาจากไหน

กราวิตัน

นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวอเมริกัน John Schwartz และ Michael Green

มีเหตุผลอะไรที่ทำให้คิดว่าแรงโน้มถ่วงเป็นไปตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม สำหรับการค้นพบ "รากฐาน" เหล่านี้ จึงได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2554 ประกอบด้วยความจริงที่ว่าการขยายตัวของจักรวาลไม่ได้ชะลอตัวลงอย่างที่เคยคิดไว้ แต่ตรงกันข้ามกำลังเร่งความเร็ว ความเร่งนี้อธิบายได้ด้วยการกระทำของ "ต้านแรงโน้มถ่วง" พิเศษ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของพื้นที่ว่างในสุญญากาศของอวกาศ ในทางกลับกัน ในระดับควอนตัม ไม่มีสิ่งใดที่ "ว่างเปล่า" ได้อย่างแน่นอน - ในสุญญากาศ อนุภาคย่อยของอะตอมจะปรากฏขึ้นอย่างต่อเนื่องและหายไปในทันที เชื่อกันว่าอนุภาคที่ "กะพริบ" นี้เป็นสาเหตุของการมีอยู่ของพลังงานมืด "ต้านแรงโน้มถ่วง" ที่เติมเต็มพื้นที่ว่าง

ครั้งหนึ่งคืออัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ผู้ซึ่งไม่เคยยอมรับหลักการที่ขัดแย้งกันของกลศาสตร์ควอนตัม (ซึ่งเขาทำนายไว้เอง) จนกระทั่งบั้นปลายชีวิตไม่เคยยอมรับการดำรงอยู่ของพลังงานรูปแบบนี้ ตามประเพณีปรัชญากรีกคลาสสิก อริสโตเติล ซึ่งมีความเชื่อในเรื่องนิรันดร์ของโลก ไอน์สไตน์ปฏิเสธที่จะเชื่อสิ่งที่ทฤษฎีของเขาเองทำนายไว้ กล่าวคือ จักรวาลมีจุดเริ่มต้น เพื่อ "คงอยู่" จักรวาล ไอน์สไตน์ถึงกับแนะนำค่าคงที่ทางจักรวาลวิทยาบางอย่างในทฤษฎีของเขา และด้วยเหตุนี้จึงบรรยายถึงพลังงานของอวกาศว่าง โชคดีที่ไม่กี่ปีต่อมาก็เห็นได้ชัดว่าจักรวาลไม่ใช่รูปแบบที่เยือกแข็งเลย แต่กำลังขยายตัว จากนั้นไอน์สไตน์ก็ละทิ้งค่าคงที่ทางจักรวาลวิทยา โดยเรียกมันว่า "การคำนวณผิดที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในชีวิตของเขา"

วิทยาศาสตร์ในปัจจุบันรู้ดีว่าพลังงานมืดยังคงมีอยู่ แม้ว่าความหนาแน่นของมันจะต่ำกว่าที่ไอน์สไตน์คิดไว้มาก (ปัญหาความหนาแน่นของพลังงานมืดก็เป็นหนึ่งในความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของฟิสิกส์สมัยใหม่) แต่ไม่ว่าค่าคงที่ทางจักรวาลวิทยาจะเล็กน้อยเพียงใด ก็เพียงพอแล้วที่จะตรวจสอบได้ว่าผลกระทบทางควอนตัมในแรงโน้มถ่วงมีอยู่จริงหรือไม่

ตุ๊กตาทำรัง Subatomic

แม้จะมีทุกอย่างในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ทฤษฎีสตริงยังคงมีความขัดแย้งที่รักษาไม่หาย เรียกว่าความผิดปกติในทางวิทยาศาสตร์ ชวาร์ตษ์และกรีนเริ่มที่จะกำจัดพวกเขา และความพยายามของพวกเขาก็ไม่ไร้ประโยชน์: นักวิทยาศาสตร์สามารถกำจัดความขัดแย้งบางประการในทฤษฎีได้ ลองนึกภาพความประหลาดใจของทั้งสองซึ่งคุ้นเคยกับความจริงที่ว่าทฤษฎีของพวกเขาถูกเพิกเฉยเมื่อปฏิกิริยาของชุมชนวิทยาศาสตร์ทำให้โลกวิทยาศาสตร์ระเบิด ในเวลาไม่ถึงหนึ่งปี จำนวนนักทฤษฎีสตริงได้เพิ่มขึ้นเป็นหลายร้อยคน ตอนนั้นเองที่ทฤษฎีสตริงได้รับรางวัลทฤษฎีแห่งทุกสิ่ง ทฤษฎีใหม่ดูเหมือนสามารถอธิบายองค์ประกอบทั้งหมดของจักรวาลได้ และนี่คือส่วนประกอบต่างๆ

ดังที่เราทราบแต่ละอะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่า - อิเล็กตรอนซึ่งหมุนวนรอบนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ในทางกลับกัน โปรตอนและนิวตรอนก็ประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่า นั่นก็คือควาร์ก แต่ทฤษฎีสตริงบอกว่ามันไม่ได้จบลงด้วยควาร์ก ควาร์กประกอบด้วยพลังงานเส้นเล็กๆ ที่บิดตัวไปมาซึ่งมีลักษณะคล้ายเชือก แต่ละสายเหล่านี้มีขนาดเล็กอย่างไม่น่าเชื่อ มีขนาดเล็กมากจนถ้าอะตอมถูกขยายให้มีขนาดเท่ากับระบบสุริยะ สตริงก็จะมีขนาดเท่าต้นไม้ เช่นเดียวกับการสั่นสะเทือนที่แตกต่างกันของสายเชลโลที่สร้างสิ่งที่เราได้ยิน โน้ตดนตรีที่แตกต่างกัน โหมด (โหมด) ของการสั่นของสายที่แตกต่างกัน ทำให้อนุภาคมีคุณสมบัติเฉพาะตัว เช่น มวล ประจุ ฯลฯ คุณรู้ไหมว่าโปรตอนที่ปลายเล็บของคุณแตกต่างจากกราวิตอนที่ยังไม่ถูกค้นพบอย่างไร มีเพียงการรวมตัวกันของสายเล็กๆ ที่ประกอบขึ้นเป็นสาย และวิธีที่สายเหล่านั้นสั่นสะเทือน

มิติที่ห้า

หนึ่งในรูปแบบที่เสนอของมิติบิดเบี้ยวเพิ่มเติม ภายในแต่ละรูปแบบเหล่านี้ เชือกจะสั่นและเคลื่อนไหว ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของจักรวาล แต่ละแบบฟอร์มมีหกมิติ - ตามจำนวนหกมิติเพิ่มเติม / © Wikimedia Commons

สิบมิติ

โลกทำงานอย่างไร

ทฤษฎีซูเปอร์สตริง