Teorija superstruna: da li sve stvari postoje u 11 dimenzija?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Vjerovatno ste čuli da najpopularnija naučna teorija našeg vremena, teorija struna, uključuje mnogo više dimenzija nego što zdrav razum sugerira.

Najveći problem za teorijske fizičare je kako spojiti sve fundamentalne interakcije (gravitacijske, elektromagnetne, slabe i jake) u jednu teoriju. Teorija superstruna tvrdi da je teorija svega.

Ali pokazalo se da je najpogodniji broj dimenzija potrebnih da bi ova teorija funkcionirala deset (od kojih je devet prostornih, a jedna privremena)! Ako ima više ili manje mjerenja, matematičke jednačine daju iracionalne rezultate koji idu u beskonačnost – singularnost.

Sljedeća faza u razvoju teorije superstruna - M-teorija - već je brojala jedanaest dimenzija. I još jedna verzija toga - F-teorija - svih dvanaest. I to uopće nije komplikacija. F-teorija opisuje 12-dimenzionalni prostor jednostavnijim jednačinama od M-teorije - 11-dimenzionalni.

Naravno, ne uzalud se teorijska fizika naziva teorijskom. Sva njena dosadašnja dostignuća postoje samo na papiru. Dakle, kako bi objasnili zašto se možemo kretati samo u trodimenzionalnom prostoru, naučnici su počeli pričati o tome kako su nesretne druge dimenzije morale da se skupe u kompaktne sfere na kvantnom nivou. Tačnije, ne u sfere, već u Calabi-Yau prostore. To su takve trodimenzionalne figure, unutar kojih svoj svijet sa svojom dimenzijom. Dvodimenzionalna projekcija takvih mnogostrukosti izgleda otprilike ovako:

Poznato je više od 470 miliona takvih figurica. Koja od njih odgovara našoj realnosti, trenutno se izračunava. Nije lako biti teoretski fizičar.

Da, izgleda malo nategnuto. Ali možda je upravo to ono što objašnjava zašto je kvantni svijet toliko drugačiji od onoga što opažamo.

Uronimo malo u istoriju

Godine 1968., mladi teorijski fizičar Gabriele Veneziano proučio je razumijevanje brojnih eksperimentalno uočenih karakteristika snažne nuklearne interakcije. Veneziano, koji je u to vrijeme radio u CERN-u, Evropskoj akceleratorskoj laboratoriji u Ženevi (Švicarska), radio je na ovom problemu nekoliko godina, dok ga jednog dana nije pogodila sjajna pretpostavka. Na njegovo veliko iznenađenje, shvatio je da egzotična matematička formula, koju je oko dvije stotine godina ranije izmislio poznati švicarski matematičar Leonard Euler u čisto matematičke svrhe - takozvana Eulerova beta funkcija - izgleda kao da može opisati jednim potezom sve brojna svojstva čestica uključenih u snažnu nuklearnu silu. Svojstvo koje je Veneziano primetio dalo je moćan matematički opis mnogih karakteristika snažne interakcije; izazvao je nalet rada u kojem su beta funkcija i njene različite generalizacije korištene za opisivanje ogromne količine podataka akumuliranih u proučavanju sudara čestica širom svijeta. Međutim, na neki način, Veneziano je zapažanje bilo nepotpuno. Poput memorisane formule koju koristi učenik koji ne razumije njeno značenje ili značenje, Eulerova beta funkcija je radila, ali niko nije razumio zašto. Bila je to formula kojoj je bilo potrebno objašnjenje.

Gabriele Veneziano

Ovo se promijenilo 1970. godine kada su Yohiro Nambu sa Univerziteta u Čikagu, Holger Nielsen sa Niels Bohr instituta i Leonard Susskind sa Univerziteta Stanford uspjeli otkriti fizičko značenje Ojlerove formule. Ovi fizičari su pokazali da kada su elementarne čestice predstavljene malim vibrirajućim jednodimenzionalnim strunama, snažna interakcija ovih čestica je tačno opisana pomoću Eulerove funkcije. Ako su segmenti strune dovoljno mali, zaključili su ovi istraživači, oni će i dalje izgledati kao tačkaste čestice i stoga neće biti u suprotnosti s rezultatima eksperimentalnih opservacija. Iako je ova teorija bila jednostavna i intuitivno privlačna, ubrzo se pokazalo da je opis jakih interakcija korištenjem nizova pogrešan. Početkom 1970-ih. fizičari visokih energija uspjeli su da zavire dublje u subatomski svijet i pokazali su da su neka predviđanja modela struna u direktnom sukobu sa zapažanjima. Istovremeno, paralelno se odvijao i razvoj kvantne teorije polja – kvantne hromodinamike – u kojoj se koristio tačkasti model čestica. Uspjesi ove teorije u opisivanju snažne interakcije doveli su do napuštanja teorije struna.

Većina fizičara čestica vjerovala je da je teorija struna zauvijek u kanti za otpatke, ali su joj brojni istraživači ostali vjerni. Schwartz je, na primjer, smatrao da je "matematička struktura teorije struna tako lijepa i ima toliko upečatljivih svojstava da bi nesumnjivo trebalo da ukaže na nešto dublje."²). Jedan od problema sa kojima su se fizičari suočili sa teorijom struna bio je taj što se činilo da nudi previše izbora, što je bilo zbunjujuće.

Neke od konfiguracija vibrirajućih struna u ovoj teoriji imale su svojstva koja su ličila na svojstva gluona, što je dalo razlog da se zaista smatra teorijom jakih interakcija. Međutim, pored ovoga, sadržavao je i dodatne čestice-nosače interakcije, koje nisu imale nikakve veze s eksperimentalnim manifestacijama jake interakcije. Godine 1974., Schwartz i Joel Scherk sa Francuske diplomske škole tehnologije napravili su hrabru pretpostavku koja je ovu uočenu manu pretvorila u vrlinu. Proučavajući čudne modove vibracija struna, koje podsjećaju na čestice nosača, shvatili su da se ta svojstva iznenađujuće tačno poklapaju sa navodnim svojstvima hipotetičke čestice nosioca gravitacijske interakcije - gravitona. Iako ove "sićušne čestice" gravitacijske interakcije još nisu otkrivene, teoretičari mogu sa sigurnošću predvidjeti neka od osnovnih svojstava koja bi te čestice trebale imati. Scherk i Schwartz su otkrili da su ove karakteristike tačno realizovane za neke modove vibracija. Na osnovu toga, oni su pretpostavili da je prva pojava teorije struna završila neuspjehom zbog toga što su fizičari previše suzili njen opseg. Sherk i Schwartz objavili su da teorija struna nije samo teorija jake sile, to je kvantna teorija koja između ostalog uključuje i gravitaciju).

Fizička zajednica je na ovu pretpostavku reagovala vrlo suzdržano. U stvari, kako se priseća Švarc, „svi su ignorisali naš rad“.⁴). Putevi napretka već su bili u potpunosti posuti brojnim neuspjelim pokušajima kombiniranja gravitacije i kvantne mehanike. Teorija struna nije uspjela u svom početnom pokušaju da opiše snažne interakcije, a mnogi su smatrali da je besmisleno pokušavati je koristiti za postizanje još većih ciljeva. Naknadne, detaljnije studije kasnih 1970-ih i ranih 1980-ih. pokazao da između teorije struna i kvantne mehanike, nastaju njihove vlastite, iako manjeg obima, kontradikcije. Utisak je bio da je gravitaciona sila ponovo u stanju da se odupre pokušaju da se ona ugradi u opis univerzuma na mikroskopskom nivou.

Tako je bilo do 1984. U svom značajnom radu koji je sažeo više od decenije intenzivnog istraživanja koje je većina fizičara uglavnom ignorisala ili odbacila, Green i Schwartz su otkrili da se mala kontradikcija s kvantnom teorijom koja je mučila teoriju struna može riješiti. Štaviše, pokazali su da je rezultirajuća teorija dovoljno široka da pokrije sve četiri vrste interakcija i sve vrste materije. Vijest o ovom rezultatu proširila se cijelom fizikalnom zajednicom: stotine fizičara čestica prestale su raditi na svojim projektima kako bi učestvovale u nečemu što je izgledalo kao posljednja teoretska bitka u stoljetnom napadu na najdublje temelje svemira.

Vijest o uspjehu Greena i Schwartza na kraju je stigla čak i do diplomiranih studenata prve godine studija, a nekadašnju malodušnost zamijenio je uzbudljiv osjećaj uključenosti u prekretnicu u historiji fizike. Mnogi od nas sjedili su duboko iza ponoći, proučavajući teške tomove o teorijskoj fizici i apstraktnoj matematici, čije je poznavanje neophodno za razumijevanje teorije struna.

Međutim, fizičari teorije struna nailazili su na ozbiljne prepreke uvijek iznova na tom putu. U teorijskoj fizici često se morate baviti jednadžbama koje su ili previše složene za razumijevanje ili ih je teško riješiti. Obično u takvoj situaciji fizičari ne odustaju i pokušavaju dobiti približno rješenje ovih jednačina. Stanje u teoriji struna je mnogo komplikovanije. Čak se i izvođenje jednačina pokazalo toliko kompliciranim da je do sada bilo moguće dobiti samo njihov približni oblik. Tako se fizičari koji se bave teorijom struna nalaze u situaciji da moraju tražiti približna rješenja približnih jednačina. Nakon nekoliko godina zadivljujućeg napretka tokom prve revolucije u teoriji superstruna, fizičari su se suočili sa činjenicom da približne jednačine koje su korištene nisu mogle dati tačan odgovor na niz važnih pitanja, što je kočilo dalji razvoj istraživanja. U nedostatku konkretnih ideja za prevazilaženje ovih približnih metoda, mnogi fizičari struna su doživjeli rastuću frustraciju i vratili se svojim prethodnim istraživanjima. Za one koji su ostali, kasnih 1980-ih i ranih 1990-ih. bili testni period.

Ljepota i potencijalna moć teorije struna mamile su istraživače poput zlatnog blaga sigurno zaključanog u sefu, vidljivog samo kroz sićušnu špijunku, ali niko nije imao ključ da oslobodi ove uspavane sile. Dugi period "suše" s vremena na vrijeme bio je prekidan važnim otkrićima, ali je svima bilo jasno da su potrebne nove metode koje će omogućiti da se prevaziđe već poznata približna rješenja.

Kraj stagnacije došao je sa zadivljujućim govorom koji je održao Edward Witten na Konferenciji o teoriji struna 1995. na Univerzitetu Južne Kalifornije – govorom koji je zapanjio publiku prepunu vodećih svjetskih fizičara. U njemu je otkrio plan za narednu fazu istraživanja, čime je pokrenuo "drugu revoluciju u teoriji superstruna". Sada teoretičari struna energično rade na novim metodama koje obećavaju da će prevazići prepreke na koje nailaze.

Za široku popularizaciju TS-a, čovječanstvo bi trebalo da podigne spomenik profesoru Univerziteta Kolumbija Brianu Greeneu. Njegova knjiga Elegantni univerzum iz 1999. Superstrune, skrivene dimenzije i potraga za ultimativnom teorijom”postao je bestseler i dobio Pulitzerovu nagradu. Rad naučnika činio je osnovu popularne naučne mini serije sa samim autorom u ulozi voditelja - njegov fragment se može vidjeti na kraju materijala (fotografija Amy Sussman / Columbia University).

kliknuti 1700 px

Pokušajmo sada barem malo razumjeti suštinu ove teorije

Poceti ponovo. Nulta dimenzija je tačka. Ona nema dimenzije. Nema se kamo kretati, nisu potrebne koordinate da bi se označila lokacija u takvoj dimenziji.

Stavimo drugu pored prve tačke i povučemo liniju kroz njih. Evo prve dimenzije. Jednodimenzionalni objekat ima veličinu - dužinu - ali nema širinu ili dubinu. Kretanje u okviru jednodimenzionalnog prostora je vrlo ograničeno, jer se prepreka koja se pojavila na putu ne može izbjeći. Potrebna je samo jedna koordinata za lociranje na ovoj liniji.

Stavimo tačku pored segmenta. Da bismo uklopili oba ova objekta, potreban nam je dvodimenzionalni prostor koji ima dužinu i širinu, odnosno površinu, ali bez dubine, odnosno volumena. Lokacija bilo koje tačke na ovom polju je određena sa dvije koordinate.

Treća dimenzija nastaje kada ovom sistemu dodamo treću koordinatnu osu. Za nas, stanovnike trodimenzionalnog univerzuma, ovo je vrlo lako zamisliti.

Pokušajmo zamisliti kako stanovnici dvodimenzionalnog prostora vide svijet. Na primjer, evo ove dvije osobe:

Svako od njih će svog prijatelja videti ovako:

Ali u ovoj situaciji:

Naši heroji će se videti ovako:

Upravo promjena gledišta omogućava našim junacima da sude jedni o drugima kao o dvodimenzionalnim objektima, a ne kao jednodimenzionalnim segmentima.

Sada zamislimo da se određeni volumetrijski objekt kreće u trećoj dimenziji, koja prelazi ovaj dvodimenzionalni svijet. Za vanjskog posmatrača, ovo kretanje će se izraziti u promjeni dvodimenzionalnih projekcija objekta na ravni, poput brokule u MRI aparatu:

Ali za stanovnika naše ravnice takva je slika neshvatljiva! Nije u stanju ni da je zamisli. Za njega će svaka od dvodimenzionalnih projekcija biti viđena kao jednodimenzionalni segment misteriozno promjenjive dužine, koji nastaje na nepredvidivom mjestu i također nepredvidivo nestaje. Pokušaji izračunavanja dužine i mjesta nastanka takvih objekata korištenjem zakona fizike dvodimenzionalnog prostora osuđeni su na propast.

Mi, stanovnici trodimenzionalnog svijeta, sve vidimo kao dvodimenzionalno. Samo kretanje objekta u prostoru nam omogućava da osjetimo njegov volumen. Također ćemo vidjeti bilo koji višedimenzionalni objekt kao dvodimenzionalni, ali će se nevjerovatno promijeniti ovisno o našem odnosu s njim ili vremenu.

S ove tačke gledišta, zanimljivo je razmišljati o gravitaciji, na primjer. Verovatno su svi videli slične slike:

Uobičajeno je da se na njima prikazuje kako gravitacija savija prostor-vrijeme. Zavoji… gdje? Upravo u nijednoj od dimenzija koje su nam poznate. A šta je sa kvantnim tuneliranjem, odnosno sposobnošću čestice da nestane na jednom mjestu i pojavi se na sasvim drugom mjestu, štaviše, iza prepreke kroz koju u našim realnostima ne bi mogla prodrijeti a da u njoj ne napravi rupu? Šta je sa crnim rupama? Ali šta ako se sve ove i druge misterije moderne nauke objasne činjenicom da geometrija prostora uopšte nije ista onakva kakvom smo je nekada doživljavali?

Sat otkucava

Vrijeme dodaje još jednu koordinate našem Univerzumu. Da bi se zabava održala, morate znati ne samo u kojem lokalu će se održati, već i tačno vrijeme ovog događaja.

Na osnovu naše percepcije, vrijeme nije toliko ravna linija koliko zraka. Odnosno, ima početnu tačku, a kretanje se odvija samo u jednom pravcu - od prošlosti ka budućnosti. I samo je sadašnjost stvarna. Ne postoje ni prošlost ni budućnost, kao što nema doručka i večere sa stanovišta kancelarijskog službenika u vreme ručka.

Ali teorija relativnosti se ne slaže sa ovim. Sa njene tačke gledišta, vreme je puna dimenzija. Svi događaji koji su postojali, postoje i postojaće, stvarni su koliko je stvarna morska plaža, ma gdje nas iznenadili snovi o zvuku daska. Naša percepcija je samo nešto poput reflektora koji obasjava neki segment na pravoj liniji vremena. Čovječanstvo u svojoj četvrtoj dimenziji izgleda ovako:

Ali mi vidimo samo projekciju, isječak ove dimenzije u svakom posebnom trenutku u vremenu. Da, kao brokula na MR aparatu.

Do sada su sve teorije radile sa velikim brojem prostornih dimenzija, a vremenska je oduvek bila jedina. Ali zašto prostor dozvoljava pojavu više dimenzija za prostor, ali samo jednom? Dok naučnici ne budu mogli da odgovore na ovo pitanje, hipoteza o dva ili više vremenskih prostora će se činiti veoma privlačnom svim filozofima i piscima naučne fantastike. Da, i fizičari, šta je tu zapravo. Na primjer, američki astrofizičar Yitzhak Bars vidi drugu vremensku dimenziju kao korijen svih nevolja s Teorijom svega. Kao mentalnu vježbu, pokušajmo zamisliti svijet sa dva vremena.

Svaka dimenzija postoji zasebno. To se izražava u činjenici da ako promijenimo koordinate objekta u jednoj dimenziji, koordinate u drugim mogu ostati nepromijenjene. Dakle, ako se krećete duž jedne vremenske ose koja seče drugu pod pravim uglom, tada će se u tački preseka vreme okolo zaustaviti. U praksi će to izgledati otprilike ovako:

Sve što je Neo morao da uradi bilo je da postavi svoju jednodimenzionalnu vremensku osu okomito na vremensku osu metaka. Čista sitnica, slažete se. U stvari, sve je mnogo komplikovanije.

Tačno vrijeme u svemiru sa dvije vremenske dimenzije će biti određeno s dvije vrijednosti. Je li teško zamisliti dvodimenzionalni događaj? Odnosno, onaj koji se istovremeno proteže duž dvije vremenske ose? Vjerovatno će takav svijet zahtijevati stručnjake za vremensko mapiranje, jer kartografi mapiraju dvodimenzionalnu površinu globusa.

Šta još razlikuje dvodimenzionalni prostor od jednodimenzionalnog prostora? Sposobnost zaobilaženja prepreke, na primjer. Ovo je već potpuno izvan granica našeg uma. Stanovnik jednodimenzionalnog svijeta ne može zamisliti kako je skrenuti za ugao. A šta je ovo - kutak u vremenu? Osim toga, u dvodimenzionalnom prostoru možete putovati naprijed, nazad, ali barem dijagonalno. Nemam pojma kako je hodati dijagonalno kroz vrijeme. Ne govorim ni o tome da je vrijeme osnova mnogih fizičkih zakona i nemoguće je zamisliti kako će se fizika Univerzuma promijeniti pojavom druge vremenske dimenzije. Ali razmišljati o tome je tako uzbudljivo!

Veoma velika enciklopedija

Druge dimenzije još nisu otkrivene i postoje samo u matematičkim modelima. Ali možete pokušati da ih zamislite ovako.

Kao što smo ranije saznali, vidimo trodimenzionalnu projekciju četvrte (vremenske) dimenzije Univerzuma. Drugim riječima, svaki trenutak postojanja našeg svijeta je tačka (slična nultoj dimenziji) u vremenskom intervalu od Velikog praska do Smaka svijeta.

Oni od vas koji su čitali o putovanju kroz vrijeme znaju koliko je važna zakrivljenost prostorno-vremenskog kontinuuma u njima. Ovo je peta dimenzija - u njoj se "savija" četvorodimenzionalni prostor-vreme kako bi spojio neke dve tačke na ovoj pravoj liniji. Bez toga bi putovanje između ovih tačaka bilo predugo, ili čak nemoguće. Ugrubo govoreći, peta dimenzija je slična drugoj - pomiče "jednodimenzionalnu" liniju prostor-vremena u "dvodimenzionalnu" ravan sa svim mogućim mogućnostima da se zamota oko ugla.

Naši posebno filozofski nastrojeni čitaoci su nešto ranije, verovatno, razmišljali o mogućnosti slobodne volje u uslovima u kojima budućnost već postoji, ali još nije poznata. Nauka na ovo pitanje odgovara ovako: vjerovatnoće. Budućnost nije štap, već čitava metla mogućih scenarija. Koja će se ostvariti - saznaćemo kada stignemo.

Svaka od vjerovatnoća postoji kao "jednodimenzionalni" segment na "ravni" pete dimenzije. Koji je najbrži način za skok s jednog segmenta na drugi? Tako je - savijte ovu ravninu kao list papira. Gdje se savijati? I opet je tačno - u šestoj dimenziji, koja daje "volumen" čitavoj ovoj složenoj strukturi. I, na taj način, čini ga, poput trodimenzionalnog prostora, "završenim", novom tačkom.

Sedma dimenzija je nova ravna linija, koja se sastoji od šestodimenzionalnih "tačaka". Koja je druga tačka na ovoj liniji? Čitav beskonačan skup opcija za razvoj događaja u drugom univerzumu, nastao ne kao rezultat Velikog praska, već u različitim uvjetima i koji djeluje po različitim zakonima. Odnosno, sedma dimenzija su perle iz paralelnih svjetova. Osma dimenzija skuplja ove "linije" u jednu "ravninu". A deveta se može uporediti sa knjigom koja stane u sve "listove" osme dimenzije. To je zbirka svih istorija svih univerzuma sa svim zakonima fizike i svim početnim uslovima. Poentiraj ponovo.

Ovdje dolazimo do granice. Da bismo zamislili desetu dimenziju, potrebna nam je ravna linija. I koja druga tačka može biti na ovoj liniji, ako deveta dimenzija već pokriva sve što se može zamisliti, pa čak i ono što je nemoguće zamisliti? Ispostavilo se da deveta dimenzija nije još jedna polazna tačka, već konačna – za našu maštu, u svakom slučaju.

Teorija struna kaže da strune vibriraju u desetoj dimenziji - osnovne čestice koje čine sve. Ako deseta dimenzija sadrži sve svemire i sve mogućnosti, onda nizovi postoje svuda i cijelo vrijeme. Mislim, svaki niz postoji u našem univerzumu, i bilo koji drugi. U bilo kom trenutku. Odmah. Cool, ha?

U septembru 2013. Brian Green je stigao u Moskvu na poziv Politehničkog muzeja. Čuveni fizičar, teoretičar struna, profesor na Univerzitetu Kolumbija, široj javnosti je poznat prvenstveno kao popularizator nauke i autor knjige "Elegantni univerzum". Lenta.ru je razgovarao s Brianom Greenom o teoriji struna i nedavnim izazovima s kojima se suočava, kao i o kvantnoj gravitaciji, amplitudi i društvenoj kontroli.