Теория на струните. Какво казва теорията на струните с прости думи?

В училище научихме, че материята се състои от атоми, а атомите са съставени от ядра, около които се въртят електрони. Планетите се въртят около слънцето по почти същия начин, така че ни е лесно да си го представим. Тогава атомът беше разделен на елементарни частици и стана по-трудно да си представим структурата на Вселената. В мащаба на частиците се прилагат различни закони и не винаги е възможно да се намери аналогия от живота. Физиката е станала абстрактна и объркваща.

Но следващата стъпка на теоретичната физика върна усещането за реалност. Теорията на струните описва света с термини, които отново могат да се измислят и следователно по-лесни за разбиране и запомняне.

Темата все още не е лесна, така че да вървим по ред. Първо, нека разберем каква е теорията, а след това нека се опитаме да разберем защо е измислена. И за десерт малко история; струнната теория има кратка история, но с две революции.

Вселената е изградена от вибриращи енергийни нишки

Преди теорията на струните елементарните частици се считаха за точки - безразмерни форми с определени свойства. Теорията на струните ги описва като нишки от енергия, които имат едно измерение - дължина. Тези едномерни нишки се наричат квантови струни.

Теоретична физика

Теоретична физика
описва света с помощта на математика, за разлика от експерименталната физика. Първият теоретичен физик е Исак Нютон (1642-1727)

Ядрото на атома с електрони, елементарни частици и квантови струни през погледа на художник. Фрагмент от документалния филм "Elegant Universe"

Квантовите струни са много малки, дължината им е около 10 -33 см. Това е сто милиона милиарда пъти по-малко от протоните, които се сблъскват в Големия адронен колайдер. Подобни експерименти със струни ще изискват изграждането на ускорител с размерите на галактика. Все още не сме открили начин за откриване на низове, но благодарение на математиката можем да познаем някои от техните свойства.

Квантовите струни са отворени и затворени. Отворените краища са свободни, докато затворените краища се затварят един към друг, образувайки бримки. Низовете постоянно се „отварят“ и „затварят“, свързват се с други струни и се разпадат на по-малки.

Квантовите струни са разтегнати. Напрежението в пространството възниква поради разликата в енергията: за затворени струни между затворените краища, за отворени струни - между краищата на струните и празнотата. Физиците наричат тази празнота двумерни дименсионални лица или брани - от думата мембрана.

сантиметри - най-малкият възможен размер на обект във Вселената. Нарича се дължина на Планк

Ние сме направени от квантови струни

Квантовите струни вибрират. Това са вибрации, подобни на вибрациите на струните на балалайка, с равномерни вълни и цял брой минимуми и максимуми. Когато вибрира, квантовата струна не произвежда звук; в мащаба на елементарните частици няма към какво да се предават звукови вибрации. Самата тя се превръща в частица: вибрира на една честота - кварк, на друга - глуон, на трета - фотон. Следователно квантовата струна е единичен градивен елемент, „тухла“ на Вселената.

Вселената обикновено се изобразява като пространство и звезди, но това е и нашата планета, и ти и аз, и текстът на екрана, и горски плодове в гората.

Диаграма на вибрациите на струните. При всяка честота всички вълни са еднакви, броят им е цяло число: едно, две и три

Московска област, 2016 г. Има много ягоди - само повече комари. Правят се и от струни.

А пространството е някъде там. Да се върнем в космоса

И така, в основата на Вселената са квантовите струни, едноизмерни нишки от енергия, които вибрират, променят размера и формата си и обменят енергия с други струни. Но това не е всичко.

Квантовите струни се движат през пространството. А пространството в скалата на струните е най-интересната част от теорията.

Квантовите струни се движат в 11 измерения

Теодор Калуза
(1885-1954)

Всичко започна с Алберт Айнщайн. Неговите открития показват, че времето е относително и го обединяват с пространството в единен пространствено-времеви континуум. Работата на Айнщайн обяснява гравитацията, движението на планетите и образуването на черни дупки. Освен това те вдъхновяват своите съвременници за нови открития.

Айнщайн публикува уравненията на Общата теория на относителността през 1915-16 г., а още през 1919 г. полският математик Теодор Калуца се опитва да приложи своите изчисления към теорията на електромагнитното поле. Но възникна въпросът: ако гравитацията на Айнщайн огъва четирите измерения на пространство-времето, какво огъват електромагнитните сили? Вярата в Айнщайн беше силна и Калуза не се съмняваше, че неговите уравнения ще опишат електромагнетизма. Вместо това той предположи, че електромагнитните сили огъват допълнително, пето измерение. Айнщайн харесва идеята, но теорията не е тествана с експерименти и е забравена до 60-те години на миналия век.

Алберт Айнщайн (1879-1955)

Теодор Калуза
(1885-1954)

Алберт Айнщайн
(1879-1955)

Първите уравнения на теорията на струните дават странни резултати. В тях се появяват тахиони – частици с отрицателна маса, които се движат по-бързо от скоростта на светлината. Тук идеята на Калуза за многоизмерността на Вселената беше полезна. Вярно, пет измерения не бяха достатъчни, както шест, седем или десет не бяха достатъчни. Математиката на първата струнна теория имаше смисъл само ако нашата вселена имаше 26 измерения! По-късните теории имаха достатъчно десет, но в съвременната те са единадесет - десет пространствени и времеви.

Но ако е така, защо не виждаме допълнителните седем измерения? Отговорът е прост - твърде малки са. От разстояние триизмерен обект ще изглежда плосък: водопроводна тръба ще изглежда като лента, а балон ще изглежда като кръг. Дори ако можехме да видим обекти в други измерения, не бихме взели под внимание тяхната многоизмерност. Учените наричат този ефект уплътняване.

Допълнителните измерения са сгънати в незабележимо малки форми на пространство-време - те се наричат пространства на Калаби-Яу. Отдалече изглежда плоско.

Можем да представим седем допълнителни измерения само под формата на математически модели. Това са фантазии, които са изградени върху познатите ни свойства на пространството и времето. Добавяйки трето измерение, светът става триизмерен и можем да заобиколим препятствието. Може би, използвайки същия принцип, е правилно да добавите останалите седем измерения - и след това с тях можете да обиколите пространство-времето и да стигнете до всяка точка във всяка вселена по всяко време.

измервания във Вселената според първата версия на струнната теория – бозоновата. Сега се смята за без значение

Една линия има само едно измерение - дължина

Балонът е триизмерен и има трето измерение - височина. Но за двуизмерния човек изглежда като линия

Както двуизмерният човек не може да си представи многоизмерността, така и ние не можем да си представим всички измерения на Вселената.

Според този модел квантовите струни пътуват винаги и навсякъде, което означава, че едни и същи струни кодират свойствата на всички възможни вселени от тяхното раждане до края на времето. За съжаление нашият балон е плосък. Нашият свят е само четириизмерна проекция на единадесетизмерна вселена върху видимите мащаби на пространство-времето и ние не можем да следваме струните.

Някой ден ще видим Големия взрив

Някой ден ще изчислим честотата на вибрациите на струните и организацията на допълнителните измерения в нашата вселена. Тогава ще научим абсолютно всичко за него и ще можем да видим Големия взрив или да летим до Алфа Кентавър. Но засега това е невъзможно - няма съвети на какво да разчитате в изчисленията и можете да намерите необходимите числа само с груба сила. Математиците са изчислили, че ще има 10 500 опции за сортиране. Теорията е стигнала до задънена улица.

И все пак теорията на струните все още е в състояние да обясни природата на Вселената. За да направи това, тя трябва да свърже всички други теории, да се превърне в теорията на всичко.

Струнната теория ще се превърне в теорията на всичко. Може би

През втората половина на 20 век физиците потвърждават редица фундаментални теории за природата на Вселената. Изглеждаше, че още малко и ще разберем всичко. Основният проблем обаче все още не е решен: теориите работят чудесно поотделно, но не дават цялостна картина.

Има две основни теории: теория на относителността и квантова теория на полето.

опции за организиране на 11 измерения в пространствата на Калаби-Яу - достатъчно за всички възможни вселени. За сравнение, броят на атомите в наблюдаваната част на Вселената е около 10 80

Има достатъчно възможности за организиране на пространства Калаби-Яу за всички възможни вселени. За сравнение, броят на атомите в наблюдаваната вселена е около 10 80

Теория на относителността
описва гравитационното взаимодействие между планетите и звездите и обяснява феномена на черните дупки. Това е физиката на един визуален и логичен свят.

Модел на гравитационно взаимодействие на Земята и Луната в Айнщайново пространство-време

Квантова теория на полето
определя видовете елементарни частици и описва 3 типа взаимодействие между тях: силно, слабо и електромагнитно. Това е физиката на хаоса.

Квантовият свят през погледа на един художник. Видео от уебсайта на MiShorts

Квантовата теория на полето с добавена маса за неутрино се нарича Стандартен модел. Това е основната теория за структурата на Вселената на квантово ниво. Повечето от прогнозите на теорията се потвърждават в експерименти.

Стандартният модел разделя всички частици на фермиони и бозони. Фермионите образуват материя - тази група включва всички видими частици като кварк и електрон. Бозоните са силите, които са отговорни за взаимодействието на фермиони, като фотона и глуона. Вече са известни две дузини частици и учените продължават да откриват нови.

Логично е да се предположи, че гравитационното взаимодействие се предава и от неговия бозон. Все още не са го намерили, но са описали свойствата му и са измислили име - гравитон.

Но е невъзможно да се обединят теориите. Според Стандартния модел елементарните частици са безразмерни точки, които взаимодействат на нулеви разстояния. Ако това правило се приложи към гравитон, уравненията дават безкрайни резултати, което ги обезсмисля. Това е само едно от противоречията, но добре илюстрира колко далеч е една физика от друга.

Затова учените търсят алтернативна теория, която да обедини всички теории в една. Тази теория се нарича Обединена теория на полето или теория на всичко.

Фермиони
образуват всички видове материя с изключение на тъмната материя

Бозони
пренос на енергия между фермиони

Теорията на струните може да обедини научния свят

Теорията на струните в тази роля изглежда по-привлекателна от другите, тъй като веднага разрешава основното противоречие. Квантовите струни вибрират така, че разстоянието между тях е по-голямо от нула и се избягват невъзможни резултати от изчисленията за гравитона. А самият гравитон се вписва добре в концепцията за струни.

Но теорията на струните не е доказана чрез експерименти; нейните постижения остават на хартия. Още по-изненадващ е фактът, че той не е бил изоставян от 40 години - толкова голям е потенциалът му. За да разберем защо се случва това, нека погледнем назад и да видим как се е развило.

Струнната теория е преминала през две революции

Габриеле Венециано
(роден през 1942 г.)

Първоначално теорията на струните изобщо не се смяташе за претендент за обединяване на физиката. Открито е случайно. През 1968 г. младият теоретичен физик Габриеле Венециано изследва силните взаимодействия вътре в атомното ядро. Неочаквано той открива, че те са описани добре от бета функцията на Ойлер, набор от уравнения, които швейцарският математик Леонхард Ойлер е съставил 200 години по-рано. Това беше странно: в онези дни атомът се смяташе за неделим и работата на Ойлер решаваше изключително математически проблеми. Никой не разбра защо уравненията работят, но те бяха активно използвани.

Физическото значение на бета функцията на Ойлер беше изяснено две години по-късно. Трима физици, Йоичиро Намбу, Холгер Нилсен и Леонард Съскинд, предполагат, че елементарните частици може да не са точки, а едноизмерни вибриращи струни. Силното взаимодействие за такива обекти се описва идеално от уравненията на Ойлер. Първата версия на теорията на струните беше наречена бозонична, тъй като тя описваше струнната природа на бозоните, отговорни за взаимодействията на материята, и не засягаше фермионите, от които се състои материята.

Теорията беше груба. Той включва тахиони и основните прогнози противоречат на експерименталните резултати. И въпреки че беше възможно да се отървем от тахионите с помощта на многоизмерността на Калуза, теорията на струните не пусна корени.

Габриеле Венециано
Йоичиро Намбу
Холгер Нилсен
Леонард Съскинд
Джон Шварц
Майкъл Грийн
Едуард Витен

Габриеле Венециано
Йоичиро Намбу
Холгер Нилсен
Леонард Съскинд
Джон Шварц
Майкъл Грийн
Едуард Витен

Но теорията все още има верни поддръжници. През 1971 г. Пиер Рамон добавя фермиони към струнната теория, намалявайки броя на измеренията от 26 на десет. Това постави началото теория на суперсиметрията.

Каза, че всеки фермион има свой бозон, което означава, че материята и енергията са симетрични. Няма значение, че наблюдаваната вселена е асиметрична, каза Рамон, има условия, при които все още се наблюдава симетрия. И ако според теорията на струните фермионите и бозоните са кодирани от едни и същи обекти, то при тези условия материята може да се преобразува в енергия и обратно. Това свойство на струните беше наречено суперсиметрия, а самата теория на струните беше наречена теория на суперструните.

През 1974 г. Джон Шварц и Джоел Шерк откриват, че някои от свойствата на струните съвпадат изключително близо със свойствата на предполагаемия носител на гравитацията, гравитона. От този момент нататък теорията започва сериозно да претендира за обобщаваща.

измеренията на пространство-времето са били в първата суперструнна теория

„Математическата структура на теорията на струните е толкова красива и има толкова много удивителни свойства, че със сигурност трябва да сочи към нещо по-дълбоко.“

Първата суперструнна революциясе случи през 1984 г. Джон Шварц и Майкъл Грийн представиха математически модел, който показа, че много от противоречията между теорията на струните и Стандартния модел могат да бъдат разрешени. Новите уравнения също свързват теорията с всички видове материя и енергия. Научният свят беше обхванат от треска - физиците изоставиха изследванията си и преминаха към изучаване на струни.

От 1984 до 1986 г. са написани повече от хиляда статии по теория на струните. Те показаха, че много от разпоредбите на Стандартния модел и теорията на гравитацията, които са били съставяни заедно през годините, следват естествено от физиката на струните. Изследването е убедило учените, че една обединяваща теория е точно зад ъгъла.

„Моментът, в който се запознаете със струнната теория и осъзнаете, че почти всички основни постижения във физиката от миналия век са произлезли – и са изтекли с такава елегантност – от такава проста отправна точка, ясно демонстрира невероятната сила на тази теория.“

Но теорията на струните не бързаше да разкрие своите тайни. На мястото на решените проблеми възникнаха нови. Учените са открили, че съществува не една, а пет теории за суперструните. Струните в тях имаха различни видове суперсиметрия и нямаше начин да се разбере коя теория е вярна.

Математическите методи имаха своите граници. Физиците са свикнали със сложни уравнения, които не дават точни резултати, но за теорията на струните не беше възможно да се напишат дори точни уравнения. И приблизителните резултати от приблизителните уравнения не дадоха отговори. Стана ясно, че е необходима нова математика за изучаване на теорията, но никой не знаеше каква ще бъде математиката. Пламът на учените утихна.

Втора суперструнна революциягръмна през 1995г. Безизходицата беше прекратена от речта на Едуард Витен на конференцията по теория на струните в Южна Калифорния. Витен показа, че всичките пет теории са специални случаи на една, по-обща теория за суперструните, в която няма десет измерения, а единадесет. Витен нарича обединяващата теория М-теория или Майката на всички теории от английската дума Mother.

Но нещо друго беше по-важно. М-теорията на Витен описва ефекта на гравитацията в теорията на суперструните толкова добре, че се нарича суперсиметрична теория на гравитацията, или теория на супергравитацията. Това насърчи учените и научните списания отново се напълниха с публикации за физиката на струните.

измервания на пространство-времето в съвременната теория на суперструните

„Теорията на струните е част от физиката на двадесет и първи век, която случайно се озова в двадесети век. Може да отнеме десетилетия или дори векове, преди да бъде напълно разработен и разбран."

Ехото от тази революция може да се чуе и днес. Но въпреки всички усилия на учените, струнната теория има повече въпроси, отколкото отговори. Съвременната наука се опитва да изгради модели на многоизмерна вселена и изучава измеренията като мембрани на пространството. Наричат се брани - помните ли празнотата с отворени струни, опънати през тях? Предполага се, че самите струни могат да се окажат дву- или триизмерни. Те дори говорят за нова 12-измерна фундаментална теория - F-теория, Бащата на всички теории, от думата Баща. Историята на теорията на струните далеч не е приключила.

Струнната теория все още не е доказана, но не е и опровергана.

Основният проблем на теорията е липсата на преки доказателства. Да, от това следват други теории, учените събират 2 и 2 и се оказва 4. Но това не означава, че четворката се състои от двойки. Експериментите в Големия адронен колайдер все още не са открили суперсиметрия, която би потвърдила единната структурна основа на Вселената и би изиграла в ръцете на привържениците на струнната физика. Но няма и откази. Ето защо елегантната математика на теорията на струните продължава да вълнува умовете на учените, обещавайки решения на всички мистерии на Вселената.

Когато говорим за теория на струните, няма как да не споменем Брайън Грийн, професор в Колумбийския университет и неуморен популяризатор на теорията. Грийн изнася лекции и се появява по телевизията. През 2000 г. излиза книгата му „Елегантна вселена. Суперструни, скрити измерения и търсенето на най-добрата теория“ беше финалист за наградата Пулицър. През 2011 г. той играе себе си в епизод 83 на The Big Bang Theory. През 2013 г. той посети Московския политехнически институт и даде интервю за Lenta-ru.

Ако не искате да станете експерт по теория на струните, но искате да разберете в какъв свят живеете, запомнете този измамен лист:

Вселената е изградена от енергийни нишки – квантови струни – които вибрират като струните на музикален инструмент. Различните честоти на вибрации превръщат струните в различни частици.
Краищата на струните могат да бъдат свободни или да се затварят един в друг, образувайки бримки. Струните непрекъснато се затварят, отварят и обменят енергия с други струни.
В 11-измерната вселена съществуват квантови струни. Допълнителните 7 измерения са сгънати в неуловими малки форми на пространство-време, така че ние не ги виждаме. Това се нарича компактификация на размерите.
Ако знаехме точно как са сгънати измеренията в нашата вселена, може би бихме могли да пътуваме във времето и до други звезди. Но това все още не е възможно - има твърде много опции, през които трябва да се премине. Ще има достатъчно от тях за всички възможни вселени.
Теорията на струните може да обедини всички физични теории и да ни разкрие тайните на Вселената – има всички предпоставки за това. Но все още няма доказателства.
Други открития на съвременната наука логично следват от струнната теория. За съжаление това не доказва нищо.
Струнната теория е преживяла две суперструнни революции и много години на забрава. Някои учени го смятат за научна фантастика, други смятат, че новите технологии ще помогнат за доказването му.
Най-важното: ако планирате да разкажете на приятелите си за струнната теория, уверете се, че сред тях няма физик - ще спестите време и нерви. И ще изглеждате като Брайън Грийн в Политехниката:

Теоретичната физика е неясна за мнозина, но в същото време е от първостепенно значение за изучаването на света около нас. Задачата на всеки теоретичен физик е да изгради математически модел, теория, способна да обясни определени процеси в природата.

Трябва

Както знаете, физическите закони на макрокосмоса, тоест света, в който съществуваме, се различават значително от законите на природата в микрокосмоса - в който живеят атоми, молекули и елементарни частици. Пример би бил един труден за разбиране принцип, наречен карпускулярно-вълнов дуализъм, според който микрообектите (електрон, протон и други) могат да бъдат както частици, така и вълни.

Подобно на нас, теоретичните физици искат да опишат света кратко и ясно, което е основната цел на струнната теория. С негова помощ е възможно да се обяснят някои физически процеси, както на ниво макросвят, така и на ниво микросвят, което го прави универсален, обединяващ други несвързани преди това теории (обща теория на относителността и квантова механика).

Същността

Според теорията на струните целият свят е изграден не от частици, както се смята днес, а от безкрайно тънки обекти с дължина 10-35 м, които имат способността да вибрират, което ни позволява да направим аналогия със струните. С помощта на сложен математически механизъм тези вибрации могат да бъдат свързани с енергията и следователно с масата; с други думи, всяка частица възниква в резултат на един или друг вид вибрация на квантова струна.

Проблеми и функции

Като всяка непотвърдена теория, теорията на струните има редица проблеми, които показват, че се нуждае от подобрение. Тези проблеми включват например следното: в резултат на изчисления, математически, имаше нов тип частици, които не могат да съществуват в природата - тахиони, квадратът на чиято маса е по-малък от нула, а скоростта на движение надвишава скоростта на светлината.

Друг важен проблем или по-скоро особеност е съществуването на струнната теория само в 10-измерното пространство. Защо възприемаме други измерения? „Учените стигнаха до извода, че в много малки мащаби тези пространства се сгъват и затварят в себе си, което прави невъзможно за нас да ги идентифицираме.

развитие

Има два вида частици: фермиони - частици материя, и бозони - носители на взаимодействие. Например, фотонът е бозон, който носи електромагнитно взаимодействие, гравитонът е гравитационен или същият бозон на Хигс, който осъществява взаимодействие с полето на Хигс. Така че, ако теорията на струните взе предвид само бозоните, тогава теорията на суперструните също взе предвид фермионите, което направи възможно да се отървем от тахионите.

Окончателната версия на принципа на суперструните е разработена от Едуард Витен и се нарича "m-теория", според която трябва да се въведе 11-то измерение, за да се обединят всички различни версии на теорията на суперструните.

Вероятно можем да приключим до тук. Работата по решаване на проблеми и усъвършенстване на съществуващия математически модел се извършва усърдно от теоретични физици от цял свят. Може би скоро най-накрая ще успеем да разберем структурата на света около нас, но като се обърнем назад към обхвата и сложността на горното, е очевидно, че полученото описание на света няма да бъде разбираемо без определена база от знания в областта на физиката и математиката.

В крайна сметка всички елементарни частици могат да бъдат представени като микроскопични многоизмерни струни, в които се възбуждат вибрации на различни хармоници.

Внимание, затегнете здраво коланите - и аз ще се опитам да ви опиша една от най-странните теории сред сериозно обсъжданите днес в научните среди, която най-накрая може да даде окончателна представа за структурата на Вселената. Тази теория изглежда толкова налудничава, че е напълно възможно да е вярна!

Различни версии на струнната теория сега се считат за водещите претенденти за титлата на всеобхватна универсална теория, която обяснява естеството на всичко. И това е един вид Светия Граал на физиците-теоретици, занимаващи се с теорията на елементарните частици и космологията. Универсалната теория (известна още като теория на всичко) съдържа само няколко уравнения, които комбинират цялото тяло на човешкото знание за природата на взаимодействията и свойствата на основните елементи на материята, от които е изградена Вселената. Днес теорията на струните е комбинирана с концепцията суперсиметрия, в резултат на което се роди теория на суперструните, като към днешна дата това е максимумът, който е постигнат по отношение на обединяването на теорията за четирите основни взаимодействия (сили, действащи в природата). Самата теория на суперсиметрията вече е изградена на базата на една априорна съвременна концепция, според която всяко дистанционно (полево) взаимодействие се дължи на обмена на частици носители на взаимодействие от съответния вид между взаимодействащи частици ( см.Стандартен модел). За по-голяма яснота, взаимодействащите частици могат да се считат за „тухлите“ на Вселената, а частиците носители могат да се считат за цимент.

В рамките на стандартния модел кварките действат като градивни елементи, а носителите на взаимодействие действат като калибровъчни бозони, които тези кварки обменят помежду си. Теорията на суперсиметрията отива дори по-далеч и заявява, че кварките и лептоните сами по себе си не са фундаментални: всички те се състоят от още по-тежки и не експериментално открити структури (градивни елементи) на материята, държани заедно от още по-силен „цимент“ от свръхенергийни частици -носители на взаимодействия от кварките, съставени от адрони и бозони. Естествено, нито едно от предсказанията на теорията за суперсиметрията все още не е проверено в лабораторни условия, но хипотетичните скрити компоненти на материалния свят вече имат имена - напр. селектрон(суперсиметричен партньор на електрона), скваркаи т.н. Съществуването на тези частици обаче е недвусмислено предсказано от теории от този вид.

Картината на Вселената, предлагана от тези теории обаче, е доста лесна за визуализиране. В мащаб от около 10 -35 m, тоест с 20 порядъка по-малък от диаметъра на същия протон, който включва три свързани кварка, структурата на материята се различава от това, с което сме свикнали дори на ниво елементарни частици . На толкова малки разстояния (и при толкова високи енергии на взаимодействие, че е невъобразимо) материята се превръща в поредица от полеви стоящи вълни, подобни на тези, които се възбуждат в струните на музикални инструменти. Подобно на китарна струна, такава струна може да възбуди, освен основния тон, мнозина обертоновеили хармонициВсеки хармоник има свое собствено енергийно състояние. Според принцип на относителността (см.Теорията на относителността), енергията и масата са еквивалентни, което означава, че колкото по-висока е честотата на хармоничната вълнова вибрация на струната, толкова по-висока е нейната енергия и толкова по-голяма е масата на наблюдаваната частица.

Въпреки това, ако е доста лесно да се визуализира стояща вълна в китарна струна, стоящите вълни, предложени от теорията за суперструните, са трудни за визуализиране - факт е, че вибрациите на суперструните възникват в пространство, което има 11 измерения. Ние сме свикнали с четириизмерното пространство, което съдържа три пространствени и едно времево измерение (ляво-дясно, горе-долу, напред-назад, минало-бъдеще). В суперструнното пространство нещата са много по-сложни (виж карето). Теоретичните физици заобикалят хлъзгавия проблем с „допълнителните“ пространствени измерения, като твърдят, че те са „скрити“ (или, казано научен термин, „компактифицирани“) и следователно не се наблюдават при обикновени енергии.

Съвсем наскоро теорията на струните беше доразвита във формата многомерна мембранна теория- по същество това са същите струни, но бемолни. Както небрежно се пошегува един от авторите му, мембраните се различават от струните приблизително по същия начин, по който юфката се различава от фидето.

Това може би е всичко, което може да се каже накратко за една от теориите, които не без основание днес претендират за универсалната теория за Великото обединение на всички силови взаимодействия. Уви, тази теория не е безгрешна. На първо място, той все още не е приведен в строга математическа форма поради недостатъчността на математическия апарат, за да го приведе в строго вътрешно съответствие. Изминаха 20 години от раждането на тази теория и никой не успя да хармонизира последователно някои от нейните аспекти и версии с други. Още по-неприятното е, че никой от теоретиците, предлагащи струнната теория (и особено суперструните), все още не е предложил нито един експеримент, в който тези теории да могат да бъдат тествани в лаборатория. Уви, опасявам се, че докато не направят това, цялата им работа ще остане странна игра на фантазия и упражнения за разбиране на езотерични знания извън основния поток на естествените науки.

Вижте също:

1972	Квантова хромодинамика

Колко измерения има общо?

За нас, обикновените хора, трите измерения винаги са били достатъчни. От незапомнени времена сме свикнали да описваме физическия свят с толкова скромни термини (саблезъб тигър 40 метра отпред, 11 метра вдясно и 4 метра над мен - калдъръм за битка!). Теорията на относителността е научила повечето от нас, че времето е четвъртото измерение (саблезъбият тигър не е просто тук - той е тук и сега и ни заплашва!). И така, като се започне от средата на ХХ век, теоретиците започнаха да говорят, че всъщност има дори повече измерения - или 10, или 11, или дори 26. Разбира се, без обяснение защо ние, нормалните хора, не ги спазваме, тук не можеше да се направи. И тогава възникна концепцията за „уплътняване“ - слепване или свиване на измеренията.

Нека си представим градински маркуч за поливане. Отблизо се възприема като нормален триизмерен обект. Ако обаче се отдалечите на достатъчно разстояние от маркуча, той ще ни се стори като едноизмерен линеен обект: просто ще спрем да възприемаме дебелината му. Точно за този ефект обикновено се говори като за уплътняване на измерването: в този случай дебелината на маркуча се оказа „уплътнена“ - мащабът на измервателната скала е твърде малък.

Точно по този начин, според теоретиците, реалните допълнителни измерения, необходими за адекватното обяснение на свойствата на материята на субатомно ниво, изчезват от полето на нашето експериментално възприятие: те се компактизират, започвайки от мащабна скала на от порядъка на 10 -35 m, а съвременните методи за наблюдение и измервателни уреди просто не могат да открият структури в такъв малък мащаб. Може би е точно така или може би всичко е съвсем различно. Докато няма такива инструменти и методи за наблюдение, всички горепосочени аргументи и контрааргументи ще останат на нивото на празни спекулации.

Теорията на относителността представя Вселената като „плоска“, но квантовата механика твърди, че на микро ниво има безкрайно движение, което огъва пространството. Теорията на струните съчетава тези идеи и представя микрочастиците като следствие от обединението на най-тънките едномерни струни, които ще имат вид на точкови микрочастици и следователно не могат да бъдат наблюдавани експериментално.

Тази хипотеза ни позволява да си представим елементарните частици, които изграждат атом от ултрамикроскопични влакна, наречени струни.

Всички свойства на елементарните частици се обясняват с резонансната вибрация на влакната, които ги образуват. Тези влакна могат да вибрират по безкраен брой начини. Тази теория включва комбиниране на идеите на квантовата механика и теорията на относителността. Но поради наличието на много проблеми при потвърждаването на мислите, които са в основата му, повечето съвременни учени смятат, че предложените идеи не са нищо повече от най-обикновена профанация или, с други думи, теория на струните за манекени, тоест за хора, които са напълно непознаващи науката и устройството на заобикалящия свят.

Свойства на ултрамикроскопичните влакна

За да разберете същността им, можете да си представите струните на музикалните инструменти - те могат да вибрират, да се огъват, да се извиват. Същото се случва и с тези нишки, които, излъчвайки определени вибрации, взаимодействат една с друга, сгъват се в бримки и образуват по-големи частици (електрони, кварки), чиято маса зависи от честотата на вибрациите на влакната и тяхното напрежение - тези индикатори определят енергията на струните. Колкото по-голяма е излъчваната енергия, толкова по-голяма е масата на елементарната частица.

Инфлационна теория и струни

Според инфлационната хипотеза Вселената е създадена поради разширяването на микропространството с размер на струна (дължина на Планк). С увеличаването на тази площ така наречените ултрамикроскопични влакна се разтягаха и сега тяхната дължина е съизмерима с размера на Вселената. Те взаимодействат помежду си по един и същи начин и произвеждат еднакви вибрации и вибрации. Изглежда ефектът, който те произвеждат от гравитационни лещи, изкривяващи лъчите на светлината от далечни галактики. А надлъжните вибрации генерират гравитационно излъчване.

Математическа непоследователност и други проблеми

За един от проблемите се смята математическата несъстоятелност на теорията - физиците, които я изучават, нямат формули, за да я доведат до завършен вид. И второто е, че тази теория вярва, че има 10 измерения, но ние усещаме само 4 - височина, ширина, дължина и време. Учените предполагат, че останалите 6 са в усукано състояние, чието присъствие не се усеща в реално време. Освен това проблемът не е във възможността за експериментално потвърждение на тази теория, но и никой не може да я опровергае.

Екология на знанието: Най-големият проблем за теоретичните физици е как да комбинират всички фундаментални взаимодействия (гравитационни, електромагнитни, слаби и силни) в една теория. Теорията за суперструните твърди, че е Теорията на всичко

Броене от три до десет

Най-големият проблем за теоретичните физици е как да комбинират всички фундаментални взаимодействия (гравитационни, електромагнитни, слаби и силни) в една теория. Теорията за суперструните твърди, че е Теорията на всичко.

Но се оказа, че най-удобният брой измерения, необходими, за да работи тази теория, е цели десет (девет от които са пространствени и едно е времево)! Ако има повече или по-малко измерения, математическите уравнения дават ирационални резултати, които отиват до безкрайност - сингулярност.

Следващият етап от развитието на теорията за суперструните - М-теорията - вече има единадесет измерения. И друга нейна версия - F-теория - всичките дванадесет. И това изобщо не е усложнение. F-теорията описва 12-измерно пространство с по-прости уравнения, отколкото М-теорията описва 11-измерно пространство.

Разбира се, теоретичната физика не напразно се нарича теоретична. Всички нейни постижения засега съществуват само на хартия. И така, за да обяснят защо можем да се движим само в триизмерното пространство, учените започнаха да говорят за това как нещастните останали измерения трябваше да се свият в компактни сфери на квантово ниво. По-точно, не в сфери, а в пространства Калаби-Яу. Това са триизмерни фигури, вътре в които има собствен свят със собствено измерение. Двуизмерна проекция на такъв колектор изглежда така:

Известни са повече от 470 милиона такива фигури. В момента се изчислява кое от тях отговаря на нашата реалност. Не е лесно да бъдеш физик теоретик.

Да, това изглежда малко пресилено. Но може би точно това обяснява защо квантовият свят е толкова различен от този, който възприемаме.

Точка, точка, запетая

Започни отначало. Нулевото измерение е точка. Тя няма размер. Няма къде да се движите, не са необходими координати, за да се посочи местоположението в такова измерение.

Нека поставим втора до първата точка и да начертаем права през тях. Ето първото измерение. Едномерният обект има размер - дължина, но няма ширина или дълбочина. Движението в рамките на едномерното пространство е много ограничено, тъй като препятствието, което възниква по пътя, не може да бъде избегнато. За да определите местоположението на този сегмент, имате нужда само от една координата.

Нека поставим точка до сегмента. За да поберем и двата обекта, ще ни трябва двуизмерно пространство с дължина и ширина, тоест площ, но без дълбочина, тоест обем. Местоположението на всяка точка от това поле се определя от две координати.

Третото измерение възниква, когато добавим трета координатна ос към тази система. За нас, жителите на триизмерната вселена, е много лесно да си представим това.

Нека се опитаме да си представим как обитателите на двумерното пространство виждат света. Например тези двама мъже:

Всеки от тях ще види своя другар така:

И в тази ситуация:

Нашите герои ще се видят така:

Именно промяната на гледната точка позволява на нашите герои да се преценяват като двуизмерни обекти, а не като едноизмерни сегменти.

Сега нека си представим, че определен обемен обект се движи в третото измерение, което пресича този двуизмерен свят. За външен наблюдател това движение ще се изрази в промяна на двуизмерните проекции на обекта върху равнината, като броколи в MRI машина:

Но за жител на нашата Равнина такава картина е непонятна! Той дори не може да си я представи. За него всяка от двуизмерните проекции ще се разглежда като едноизмерен сегмент с мистериозно променлива дължина, появяващ се на непредсказуемо място и също изчезващ непредсказуемо. Опитите да се изчисли дължината и мястото на произход на такива обекти с помощта на законите на физиката на двумерното пространство са обречени на провал.

Ние, жителите на триизмерния свят, виждаме всичко като двуизмерно. Само преместването на обект в пространството ни позволява да усетим неговия обем. Ние също ще видим всеки многоизмерен обект като двуизмерен, но той ще се промени по невероятни начини в зависимост от нашата връзка с него или времето.

От тази гледна точка е интересно да се мисли например за гравитацията. Вероятно всеки е виждал подобни снимки:

Те обикновено изобразяват как гравитацията огъва пространство-времето. Огъва се... къде? Точно не в някое от познатите ни измерения. А какво ще кажете за квантовото тунелиране, тоест способността на една частица да изчезне на едно място и да се появи на съвсем друго и зад препятствие, през което в нашите реалности тя не би могла да проникне, без да направи дупка в него? Ами черните дупки? Ами ако всички тези и други мистерии на съвременната наука се обясняват с факта, че геометрията на пространството изобщо не е същата, каквато сме свикнали да я възприемаме?

Часовникът тиктака

Времето добавя още една координата към нашата Вселена. За да се състои едно парти, трябва да знаете не само в кой бар ще се проведе, но и точния час на това събитие.

Въз основа на нашето възприятие времето не е толкова права линия, колкото лъч. Тоест има отправна точка и движението се извършва само в една посока - от миналото към бъдещето. Освен това само настоящето е истинско. Нито миналото, нито бъдещето съществуват, както не съществуват закуските и вечерите от гледна точка на един офис служител по време на обедната му почивка.

Но теорията на относителността не е съгласна с това. От нейна гледна точка времето е пълноценно измерение. Всички събития, които са съществували, съществуват и ще съществуват, са еднакво реални, както е реален морският бряг, независимо къде точно са ни изненадали сънищата от шума на прибоя. Нашето възприятие е просто нещо като прожектор, който осветява определен сегмент на права линия от време. Човечеството в своето четвърто измерение изглежда така:

Но ние виждаме само проекция, отрязък от това измерение във всеки отделен момент във времето. Да, да, като броколи в ядрено-магнитен резонанс.

Досега всички теории работеха с голям брой пространствени измерения, като времевото винаги беше единственото. Но защо пространството позволява множество измерения за пространство, но само един път? Докато учените не могат да отговорят на този въпрос, хипотезата за две или повече времеви пространства ще изглежда много привлекателна за всички философи и писатели на научна фантастика. И физиците също, какво от това? Например американският астрофизик Ицхак Барс вижда корена на всички проблеми с теорията на всичко като пренебрегваното второ времево измерение. Като умствено упражнение, нека се опитаме да си представим свят с две времена.

Всяко измерение съществува отделно. Това се изразява в това, че ако променим координатите на обект в едно измерение, координатите в други може да останат непроменени. Така че, ако се движите по една времева ос, която пресича друга под прав ъгъл, тогава в пресечната точка времето наоколо ще спре. На практика ще изглежда така:

Всичко, което Нео трябваше да направи, беше да постави своята едномерна времева ос перпендикулярно на времевата ос на куршумите. Една дреболия, ще се съгласите. В действителност всичко е много по-сложно.

Точното време във вселена с две времеви измерения ще се определя от две стойности. Трудно ли е да си представим двуизмерно събитие? Тоест такъв, който е удължен едновременно по две времеви оси? Вероятно такъв свят ще изисква специалисти по картографиране на времето, точно както картографите картографират двуизмерната повърхност на земното кълбо.

Какво друго отличава двумерното пространство от едномерното? Възможността за заобикаляне на препятствие, например. Това е напълно извън границите на нашия ум. Жител на едноизмерен свят не може да си представи какво е да завиеш зад ъгъл. И какво е това - ъгъл във времето? Освен това в двуизмерното пространство можете да пътувате напред, назад или дори диагонално. Нямам представа какво е да минаваш през времето по диагонал. Да не говорим за факта, че времето е в основата на много физически закони и е невъзможно да си представим как ще се промени физиката на Вселената с появата на друго времево измерение. Но е толкова вълнуващо да се мисли за това!

Много голяма енциклопедия

Други измерения все още не са открити и съществуват само в математически модели. Но можете да се опитате да си ги представите така.

Както разбрахме по-рано, виждаме триизмерна проекция на четвъртото (времево) измерение на Вселената. С други думи, всеки момент от съществуването на нашия свят е точка (подобно на нулевото измерение) в периода от Големия взрив до края на света.

Тези от вас, които са чели за пътуването във времето, знаят каква важна роля играе в него кривината на пространствено-времевия континуум. Това е петото измерение - именно в него четириизмерното пространство-време се "огъва", за да сближи две точки на тази линия. Без това пътуването между тези точки би било твърде дълго или дори невъзможно. Грубо казано, петото измерение е подобно на второто - то премества „едноизмерната“ линия на пространство-времето в „двуизмерна“ равнина с всичко, което предполага под формата на способността да се завие зад ъгъла.

Малко по-рано нашите особено философски настроени читатели вероятно са мислили за възможността за свободна воля в условия, когато бъдещето вече съществува, но все още не е известно. Науката отговаря на този въпрос по следния начин: вероятности. Бъдещето не е тояга, а цяла метла от възможни сценарии. Ще разберем коя ще се сбъдне, когато стигнем до там.

Всяка от вероятностите съществува под формата на „едномерен“ сегмент на „равнината“ на петото измерение. Кой е най-бързият начин за прескачане от един сегмент в друг? Точно така - огънете тази равнина като лист хартия. Къде да го огъна? И отново правилно - в шестото измерение, което придава на цялата тази сложна структура "обем". И по този начин го прави, подобно на триизмерното пространство, „завършен“, нова точка.

Седмото измерение е нова права линия, която се състои от шестизмерни „точки“. Коя е друга точка на тази линия? Целият безкраен набор от възможности за развитие на събитията в друга вселена, образувана не в резултат на Големия взрив, а при други условия и действаща по други закони. Тоест седмото измерение са мъниста от паралелни светове. Осмото измерение събира тези „прави линии“ в една „равнина“. А деветото може да се сравни с книга, която съдържа всички „листове“ на осмото измерение. Това е съвкупността от всички истории на всички вселени с всички закони на физиката и всички начални условия. Отново точка.

Тук достигнахме границата. За да си представим десетото измерение, имаме нужда от права линия. И каква друга точка може да има на тази линия, ако деветото измерение вече обхваща всичко, което може да се представи, и дори това, което е невъзможно да си представим? Оказва се, че деветото измерение не е просто поредната отправна точка, а крайната – поне за нашето въображение.

Теорията на струните твърди, че струните вибрират в десетото измерение - основните частици, които изграждат всичко. Ако десетото измерение съдържа всички вселени и всички възможности, тогава струните съществуват навсякъде и през цялото време. Искам да кажа, че всеки низ съществува както в нашата вселена, така и във всяка друга. По всяко време. Незабавно. Готино, нали?публикувани