Teória superstrun: existujú všetky veci v 11 dimenziách?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Pravdepodobne ste už počuli, že najpopulárnejšia vedecká teória našej doby, teória strún, zahŕňa oveľa viac dimenzií, ako naznačuje zdravý rozum.

Najväčší problém pre teoretických fyzikov je, ako spojiť všetky základné interakcie (gravitačné, elektromagnetické, slabé a silné) do jedinej teórie. Teória superstrún tvrdí, že je teóriou všetkého.

Ukázalo sa však, že najvhodnejší počet rozmerov potrebných na fungovanie tejto teórie je desať (z ktorých deväť je priestorových a jedna je dočasná)! Ak existuje viac alebo menej meraní, matematické rovnice dávajú iracionálne výsledky, ktoré idú do nekonečna - singularitu.

Ďalšia etapa vývoja teórie superstrun – M-teória – už počítala s jedenástimi dimenziami. A ešte jedna jeho verzia – F-teória – všetkých dvanásť. A to vôbec nie je komplikácia. F-teória popisuje 12-rozmerný priestor jednoduchšími rovnicami ako M-teória - 11-rozmerný.

Samozrejme, nie nadarmo sa teoretickej fyzike hovorí teoretická. Všetky jej doterajšie úspechy existujú len na papieri. Aby sa teda vysvetlilo, prečo sa môžeme pohybovať len v trojrozmernom priestore, vedci začali rozprávať o tom, ako sa tie nešťastné ostatné dimenzie museli na kvantovej úrovni zmenšiť do kompaktných gúľ. Presnejšie, nie do sfér, ale do Calabi-Yauových priestorov. Sú to také trojrozmerné postavy, vo vnútri ktorých je vlastný svet s vlastnou dimenziou. Dvojrozmerná projekcia takýchto potrubí vyzerá asi takto:

Známych je viac ako 470 miliónov takýchto figúrok. Ktorá z nich zodpovedá našej realite, sa momentálne počíta. Nie je ľahké byť teoretickým fyzikom.

Áno, zdá sa to trochu pritiahnuté za vlasy. Ale možno práve toto vysvetľuje, prečo je kvantový svet taký odlišný od toho, čo vnímame.

Poďme sa trochu ponoriť do histórie

V roku 1968 sa mladý teoretický fyzik Gabriele Veneziano zaoberal chápaním mnohých experimentálne pozorovaných charakteristík silnej jadrovej interakcie. Veneziano, ktorý v tom čase pracoval v CERN, Európskom laboratóriu urýchľovačov v Ženeve (Švajčiarsko), na tomto probléme pracoval niekoľko rokov, až ho jedného dňa napadol skvelý odhad. Na svoje veľké prekvapenie si uvedomil, že exotický matematický vzorec, vynájdený asi pred dvesto rokmi slávnym švajčiarskym matematikom Leonardom Eulerom na čisto matematické účely – takzvaná Eulerova beta funkcia – sa zdá byť schopný jedným ťahom popísať všetky početné vlastnosti častíc podieľajúcich sa na silnej jadrovej sile. Vlastnosť, ktorú poznamenal Veneziano, poskytla silný matematický popis mnohých vlastností silnej interakcie; vyvolalo to nával práce, pri ktorej sa beta funkcia a jej rôzne zovšeobecnenia použili na opis obrovského množstva údajov nahromadených pri štúdiu zrážok častíc po celom svete. V istom zmysle však bolo Venezianove pozorovanie neúplné. Ako naučený vzorec, ktorý používa študent, ktorý nerozumie jeho významu alebo významu, Eulerova beta funkcia fungovala, ale nikto nechápal prečo. Bol to vzorec, ktorý potreboval vysvetlenie.

Gabriele Veneziano

To sa zmenilo v roku 1970, keď Yohiro Nambu z University of Chicago, Holger Nielsen z Inštitútu Nielsa Bohra a Leonard Susskind zo Stanfordskej univerzity dokázali odhaliť fyzikálny význam Eulerovho vzorca. Títo fyzici ukázali, že keď sú elementárne častice reprezentované malými vibrujúcimi jednorozmernými strunami, silná interakcia týchto častíc je presne opísaná pomocou Eulerovej funkcie. Ak sú strunové segmenty dostatočne malé, uvažovali títo výskumníci, stále budú vyzerať ako bodové častice, a preto nebudú v rozpore s výsledkami experimentálnych pozorovaní. Hoci bola táto teória jednoduchá a intuitívne príťažlivá, čoskoro sa ukázalo, že popis silných interakcií pomocou reťazcov bol chybný. Začiatkom 70. rokov 20. storočia. fyzici vysokých energií dokázali nahliadnuť hlbšie do subatomárneho sveta a ukázali, že niektoré predpovede strunového modelu sú v priamom rozpore s pozorovaniami. Paralelne s tým prebiehal aj vývoj kvantovej teórie poľa - kvantovej chromodynamiky - v ktorej sa využíval bodový model častíc. Úspechy tejto teórie pri opise silnej interakcie viedli k opusteniu teórie strún.

Väčšina časticových fyzikov verila, že teória strún je navždy v odpadkovom koši, no mnohí výskumníci jej zostali verní. Schwartz sa napríklad domnieval, že „matematická štruktúra teórie strún je taká krásna a má toľko pozoruhodných vlastností, že by nepochybne mala poukazovať na niečo hlbšie“.²). Jedným z problémov, s ktorými sa fyzici stretávali pri teórii strún, bolo, že sa zdalo, že ponúka príliš veľa možností, čo bolo mätúce.

Niektoré z konfigurácií vibrujúcich strún v tejto teórii mali vlastnosti, ktoré sa podobali vlastnostiam gluónov, čo dávalo dôvod skutočne to považovať za teóriu silných interakcií. Okrem toho však obsahoval ďalšie častice-nosiče interakcie, ktoré nemali nič spoločné s experimentálnymi prejavmi silnej interakcie. V roku 1974 Schwartz a Joel Scherk z Francúzskej postgraduálnej technickej školy urobili odvážny predpoklad, ktorý zmenil túto vnímanú chybu na cnosť. Po štúdiu zvláštnych vibračných režimov strún, pripomínajúcich nosné častice, zistili, že tieto vlastnosti sa prekvapivo presne zhodujú s údajnými vlastnosťami hypotetickej nosnej častice gravitačnej interakcie - gravitónu. Hoci tieto „drobné častice“gravitačnej interakcie ešte neboli objavené, teoretici môžu s istotou predpovedať niektoré základné vlastnosti, ktoré by tieto častice mali mať. Scherk a Schwartz zistili, že tieto charakteristiky sú presne realizované pre niektoré vibračné režimy. Na základe toho vyslovili hypotézu, že prvý nástup teórie strún skončil neúspechom v dôsledku toho, že fyzici príliš zúžili jej rozsah. Sherk a Schwartz oznámili, že teória strún nie je len teóriou silnej sily, je to kvantová teória, ktorá okrem iného zahŕňa aj gravitáciu).

Fyzická komunita reagovala na tento predpoklad veľmi zdržanlivo. V skutočnosti, ako Schwartz pripomenul, "našu prácu všetci ignorovali."⁴). Cesty pokroku už boli dôkladne posiate mnohými neúspešnými pokusmi o spojenie gravitácie a kvantovej mechaniky. Teória strún zlyhala vo svojom počiatočnom pokuse opísať silné interakcie a mnohí považovali za zbytočné pokúšať sa ju použiť na dosiahnutie ešte väčších cieľov. Následné podrobnejšie štúdie z konca 70. a začiatku 80. rokov 20. storočia. ukázali, že medzi teóriou strún a kvantovou mechanikou vznikajú ich vlastné, hoci menšieho rozsahu, rozpory. Vznikol dojem, že gravitačná sila bola opäť schopná odolať pokusu zabudovať ju do opisu vesmíru na mikroskopickej úrovni.

Tak to bolo až do roku 1984. Vo svojom prelomovom dokumente, ktorý zhrnul viac ako desaťročie intenzívneho výskumu, ktorý väčšina fyzikov do značnej miery ignorovala alebo odmietala, Green a Schwartz zistili, že malý rozpor s kvantovou teóriou, ktorý sužuje teóriu strún, možno vyriešiť. Navyše ukázali, že výsledná teória je dostatočne široká na to, aby pokryla všetky štyri typy interakcií a všetky typy hmoty. Správy o tomto výsledku sa rozšírili po celej fyzikálnej komunite: stovky časticových fyzikov prestali pracovať na svojich projektoch, aby sa zúčastnili na niečom, čo vyzeralo ako posledná teoretická bitka v stáročnom útoku na najhlbšie základy vesmíru.

Správa o úspechu Greena a Schwartza sa nakoniec dostala aj k postgraduálnym študentom prvého ročníka štúdia a niekdajšiu skľúčenosť vystriedal vzrušujúci pocit zapojenia sa do zlomu v dejinách fyziky. Mnohí z nás sedeli hlboko po polnoci a študovali závažné zväzky teoretickej fyziky a abstraktnej matematiky, ktorých znalosť je nevyhnutná na pochopenie teórie strún.

Fyzici z teórie strún však na svojej ceste znovu a znovu narážali na vážne prekážky. V teoretickej fyzike sa často musíte zaoberať rovnicami, ktoré sú buď príliš zložité na pochopenie, alebo ťažko riešiteľné. Zvyčajne sa v takejto situácii fyzici nevzdávajú a snažia sa získať približné riešenie týchto rovníc. Situácia v teórii strún je oveľa komplikovanejšia. Aj odvodzovanie rovníc sa ukázalo byť také komplikované, že doteraz bolo možné získať len ich približný tvar. Fyzici pracujúci v teórii strún sa tak ocitajú v situácii, keď musia hľadať približné riešenia približných rovníc. Po niekoľkých rokoch ohromujúceho pokroku počas prvej revolúcie v teórii superstrun boli fyzici konfrontovaní so skutočnosťou, že použité približné rovnice nedokázali poskytnúť správnu odpoveď na množstvo dôležitých otázok, čím brzdili ďalší rozvoj výskumu. Mnohí strunoví fyzici, ktorým chýbali konkrétne nápady, ako ísť nad rámec týchto približných metód, zažívali rastúcu frustráciu a vrátili sa k svojmu predchádzajúcemu výskumu. Pre tých, ktorí zostali, koniec 80. a začiatok 90. rokov. boli skúšobné obdobie.

Krása a potenciálna sila teórie strún lákala výskumníkov ako zlatý poklad bezpečne zamknutý v trezore, viditeľný iba cez malé kukátko, ale nikto nemal kľúč na uvoľnenie týchto spiacich síl. Dlhé obdobie „sucha“z času na čas prerušili dôležité objavy, no každému bolo jasné, že sú potrebné nové metódy, ktoré umožnia ísť nad rámec už známych približných riešení.

Koniec stagnácie prišiel s dychberúcim prejavom Edwarda Wittena na konferencii teórie strún v roku 1995 na Univerzite v Južnej Kalifornii – prejav, ktorý ohromil publikum plné popredných svetových fyzikov. V ňom odhalil plán ďalšej fázy výskumu, čím inicioval „druhú revolúciu v teórii superstrun“. Teoretici strún teraz energicky pracujú na nových metódach, ktoré sľubujú prekonať prekážky, s ktorými sa stretávajú.

Pre širokú popularizáciu TS by ľudstvo malo postaviť pamätník profesorovi Columbia University Brianovi Greenovi. Jeho kniha z roku 1999 Elegantný vesmír. Superstruny, skryté dimenzie a pátranie po ultimátnej teórii “sa stali bestsellerom a získali Pulitzerovu cenu. Práca vedca vytvorila základ populárno-vedeckého miniseriálu so samotným autorom v úlohe hostiteľa – jeho fragment je možné vidieť na konci materiálu (foto Amy Sussman / Columbia University).

klikacia 1700 px

Skúsme teraz aspoň trochu pochopiť podstatu tejto teórie

Začať odznova. Nulový rozmer je bod. Nemá žiadne rozmery. Nie je sa kam posunúť, na označenie polohy v takejto dimenzii nie sú potrebné žiadne súradnice.

Položme druhý vedľa prvého bodu a nakreslíme cez ne čiaru. Tu je prvý rozmer. Jednorozmerný objekt má veľkosť – dĺžku – ale nemá šírku ani hĺbku. Pohyb v rámci jednorozmerného priestoru je veľmi obmedzený, pretože prekážke, ktorá na ceste vznikla, sa nedá vyhnúť. Na nájdenie na tejto čiare potrebujete iba jednu súradnicu.

Umiestnime bod vedľa segmentu. Aby sme obidva tieto objekty zmestili, potrebujeme dvojrozmerný priestor, ktorý má dĺžku a šírku, teda plochu, ale bez hĺbky, teda objemu. Umiestnenie akéhokoľvek bodu na tomto poli je určené dvoma súradnicami.

Tretí rozmer vzniká, keď do tohto systému pridáme tretiu súradnicovú os. Pre nás, obyvateľov trojrozmerného vesmíru, je veľmi ľahké si to predstaviť.

Skúsme si predstaviť, ako vidia svet obyvatelia dvojrozmerného priestoru. Tu sú napríklad títo dvaja ľudia:

Každý z nich uvidí svojho priateľa takto:

Ale v tejto situácii:

Naši hrdinovia sa navzájom uvidia takto:

Práve zmena uhla pohľadu umožňuje našim hrdinom posudzovať jeden druhého ako dvojrozmerné objekty, a nie jednorozmerné segmenty.

Teraz si predstavme, že určitý objemový objekt sa pohybuje v tretej dimenzii, ktorá pretína tento dvojrozmerný svet. Pre vonkajšieho pozorovateľa bude tento pohyb vyjadrený zmenou v dvojrozmernej projekcii objektu v rovine, ako je brokolica v prístroji MRI:

Ale pre obyvateľa našej roviny je takýto obraz nepochopiteľný! Nevie si ju ani len predstaviť. Pre neho bude každá z dvojrozmerných projekcií vnímaná ako jednorozmerný segment so záhadne premenlivou dĺžkou, vznikajúci na nepredvídateľnom mieste a tiež nepredvídateľne miznúci. Pokusy vypočítať dĺžku a miesto pôvodu takýchto objektov pomocou fyzikálnych zákonov dvojrozmerného priestoru sú odsúdené na neúspech.

My, obyvatelia trojrozmerného sveta, vidíme všetko ako dvojrozmerné. Iba pohyb objektu v priestore nám umožňuje cítiť jeho objem. Akýkoľvek viacrozmerný objekt tiež uvidíme ako dvojrozmerný, ale bude sa úžasne meniť v závislosti od nášho vzťahu k nemu alebo času.

Z tohto pohľadu je zaujímavé uvažovať napríklad o gravitácii. Každý pravdepodobne videl podobné obrázky:

Je zvykom zobrazovať na nich, ako gravitácia ohýba časopriestor. Ohyby … kde? Presne v žiadnom z rozmerov, ktoré poznáme. A čo kvantové tunelovanie, teda schopnosť častice zmiznúť na jednom mieste a objaviť sa na úplne inom mieste, navyše za prekážkou, cez ktorú by v našich realitách nemohla preniknúť bez toho, aby do nej neurobila dieru? A čo čierne diery? Ale čo ak sú všetky tieto a ďalšie záhady modernej vedy vysvetlené tým, že geometria priestoru vôbec nie je taká, ako sme ju kedysi vnímali?

Hodiny tikajú

Čas pridáva do nášho vesmíru ďalšiu súradnicu. Aby sa párty mohla konať, musíte vedieť nielen to, v ktorom bare sa bude konať, ale aj presný čas tejto udalosti.

Na základe nášho vnímania čas nie je ani tak priamka ako lúč. To znamená, že má východiskový bod a pohyb sa uskutočňuje iba jedným smerom - z minulosti do budúcnosti. A iba súčasnosť je skutočná. Ani minulosť, ani budúcnosť neexistuje, rovnako ako neexistujú raňajky a večere z pohľadu úradníčky v čase obeda.

Ale teória relativity s tým nesúhlasí. Čas je z jej pohľadu plnohodnotným rozmerom. Všetky udalosti, ktoré existovali, existujú a budú existovať, sú také skutočné, ako je skutočná morská pláž, bez ohľadu na to, kde nás sny o zvuku príboja prekvapili. Naše vnímanie je len niečo ako reflektor, ktorý osvetľuje nejaký segment na priamke času. Ľudstvo vo svojej štvrtej dimenzii vyzerá takto:

Ale vidíme len projekciu, kúsok tejto dimenzie v každom jednotlivom okamihu v čase. Áno, ako brokolica na MRI prístroji.

Všetky teórie doteraz pracovali s veľkým množstvom priestorových rozmerov a časová bola vždy jediná. Prečo však priestor umožňuje objavenie sa viacerých rozmerov priestoru, ale iba raz? Kým vedci nebudú vedieť odpovedať na túto otázku, hypotéza dvoch alebo viacerých časopriestorov sa bude zdať veľmi atraktívna pre všetkých filozofov a autorov sci-fi. Áno, a fyzici, čo tam naozaj je. Napríklad americký astrofyzik Yitzhak Bars vidí druhý časový rozmer ako koreň všetkých problémov s teóriou všetkého. Ako mentálne cvičenie si skúsme predstaviť svet s dvoma časmi.

Každá dimenzia existuje samostatne. To je vyjadrené tým, že ak zmeníme súradnice objektu v jednej dimenzii, súradnice v iných môžu zostať nezmenené. Takže, ak sa pohybujete pozdĺž jednej časovej osi, ktorá pretína druhú v pravom uhle, potom sa v bode priesečníka čas okolo zastaví. V praxi to bude vyzerať asi takto:

Jediné, čo Neo musel urobiť, bolo umiestniť svoju jednorozmernú časovú os kolmo na časovú os guliek. Čistá maličkosť, súhlas. V skutočnosti je všetko oveľa komplikovanejšie.

Presný čas vo vesmíre s dvoma časovými dimenziami bude určený dvoma hodnotami. Je ťažké predstaviť si dvojrozmernú udalosť? Teda taký, ktorý sa rozprestiera súčasne pozdĺž dvoch časových osí? Je pravdepodobné, že takýto svet si bude vyžadovať špecialistov na časové mapovanie, keďže kartografi mapujú dvojrozmerný povrch zemegule.

Čo ešte odlišuje dvojrozmerný priestor od jednorozmerného priestoru? Schopnosť obísť prekážku napr. Toto je už úplne za hranicami našej mysle. Obyvateľ jednorozmerného sveta si nevie predstaviť, aké to je zahnúť za roh. A čo je toto - roh v čase? Navyše v dvojrozmernom priestore sa dá cestovať vpred, vzad, no aspoň diagonálne. Netuším, aké to je kráčať diagonálne v čase. To ani nehovorím o tom, že čas je základom mnohých fyzikálnych zákonov a nemožno si predstaviť, ako sa zmení fyzika Vesmíru s objavením sa ďalšej časovej dimenzie. Ale premýšľať o tom je také vzrušujúce!

Veľmi veľká encyklopédia

Iné dimenzie ešte nie sú objavené a existujú len v matematických modeloch. Ale môžete si ich skúsiť predstaviť takto.

Ako sme už skôr zistili, vidíme trojrozmernú projekciu štvrtej (časovej) dimenzie Vesmíru. Inými slovami, každý okamih existencie nášho sveta je bodom (podobne ako nulová dimenzia) v časovom intervale od Veľkého tresku po Koniec sveta.

Tí z vás, ktorí čítali o cestovaní v čase, vedia, aké dôležité je v nich zakrivenie časopriestorového kontinua. Toto je piata dimenzia – práve v nej sa štvorrozmerný časopriestor „ohýba“, aby spojil nejaké dva body na tejto priamke. Bez toho by bola cesta medzi týmito bodmi príliš dlhá alebo dokonca nemožná. Zhruba povedané, piata dimenzia je podobná druhej – posúva „jednorozmernú“líniu časopriestoru do „dvojrozmernej“roviny so všetkými z toho vyplývajúcimi možnosťami zalomenia za roh.

Naši špeciálne filozoficky založení čitatelia o niečo skôr pravdepodobne uvažovali o možnosti slobodnej vôle v podmienkach, kde budúcnosť už existuje, ale ešte nie je známa. Veda na túto otázku odpovedá takto: pravdepodobnosti. Budúcnosť nie je palica, ale celá metla možných scenárov. Ktorá sa splní - zistíme, keď sa tam dostaneme.

Každá z pravdepodobností existuje ako „jednorozmerný“segment v „rovine“piatej dimenzie. Aký je najrýchlejší spôsob, ako preskočiť z jedného segmentu do druhého? To je pravda - ohnite túto rovinu ako list papiera. Kde sa zohnúť? A opäť je to správne – v šiestej dimenzii, ktorá dáva „objem“celej tejto komplexnej štruktúre. A tak z neho robí, podobne ako z trojrozmerného priestoru, „dokončený“, nový bod.

Siedmy rozmer je nová priamka, ktorá pozostáva zo šesťrozmerných „bodov“. Aký je ďalší bod na tomto riadku? Celý nekonečný súbor možností pre vývoj udalostí v inom vesmíre, ktorý nevznikol ako výsledok Veľkého tresku, ale v iných podmienkach a konajúci podľa rôznych zákonov. To znamená, že siedma dimenzia sú korálky z paralelných svetov. Ôsma dimenzia zhromažďuje tieto "čiary" do jednej "roviny". A deviata sa dá porovnať s knihou, do ktorej sa zmestia všetky „listy“ôsmej dimenzie. Je to zbierka všetkých dejín všetkých vesmírov so všetkými fyzikálnymi zákonmi a všetkými počiatočnými podmienkami. Bod znova.

Tu narážame na limit. Aby sme si predstavili desiaty rozmer, potrebujeme priamku. A aký ďalší bod môže byť na tomto riadku, ak deviata dimenzia už pokrýva všetko, čo si možno predstaviť, a dokonca aj to, čo si nemožno predstaviť? Ukazuje sa, že deviata dimenzia nie je ďalším východiskovým bodom, ale konečným – pre našu predstavivosť v každom prípade.

Teória strún tvrdí, že práve v desiatej dimenzii vibrujú struny – základné častice, ktoré tvoria všetko. Ak desiata dimenzia obsahuje všetky vesmíry a všetky možnosti, potom reťazce existujú všade a stále. Chcem tým povedať, že každá struna existuje v našom vesmíre a v každom inom. Kedykoľvek. Hneď. V pohode, čo?

V septembri 2013 pricestoval Brian Green do Moskvy na pozvanie Polytechnického múzea. Slávny fyzik, strunový teoretik, profesor na Kolumbijskej univerzite, je širokej verejnosti známy predovšetkým ako popularizátor vedy a autor knihy „Elegantný vesmír“. Lenta.ru hovoril s Brianom Greenom o teórii strún a nedávnych výzvach, ktorým čelila, ako aj o kvantovej gravitácii, amplitúde a sociálnej kontrole.