Část 1
Jediným problémem je přijmout tuto teorii jako fyzickou, je příliš matematická. Proč?
Protože vděčí za svůj vzhled jedné jednoduché funkci - Eulerova beta funkce ve skutečnosti není tak složitá, jak se zdá na první pohled. Tato funkce je studována v průběhu matematické analýzy.
Tak proč právě tato funkce byla začátkem tak velké a matoucí teorie?
Eulerova beta funkce (Graf beta funkce se skutečnými argumenty).
V roce 1968 se mladý italský teoretický fyzik Gabriele Veneziano pokusil popsat, jak interagují částice atomového jádra: protony a neutrony. Vědec měl skvělý odhad. Uvědomil si, že všechny četné vlastnosti částic v atomu lze popsat jedním matematickým vzorcem (Eulerova beta funkce). Byl vynalezen před dvěma sty lety švýcarským matematikem Leonardem Eulerem a popsal integrály v matematické analýze.
Veneziano to použil ve svých výpočtech, ale nechápal, proč pracuje v této oblasti fyziky. Fyzický význam vzorce byl objeven v roce 1970 jak americkými vědci Yoichiro Nambu, Leonardem Susskindem, tak jejich dánským kolegou Holgerem Nielsenem. Navrhovali, že elementární částice jsou malé vibrační jednorozměrné řetězce, mikroskopické prameny energie. Pokud jsou tyto řetězce tak malé, vědci usoudili, že budou stále vypadat jako bodové částice, a proto neovlivní výsledky experimentů. Takto vznikla teorie strun.
Po dlouhou dobu se filozofové hádali o tom, zda má vesmír určitý původ nebo zda vždy existoval. Obecná relativita znamená konečnost „života“vesmíru - rozšiřující se vesmír by měl vzniknout v důsledku Velkého třesku.
Propagační video:
Teprve na začátku Velkého třesku však teorie relativity nefungovala, protože všechny procesy probíhající v tu chvíli byly kvantové povahy. V teorii strun, která prohlašuje, že je kvantová teorie gravitace, je zavedena nová základní fyzická konstanta - minimální kvantum délky (tj. V podstatě nejkratší délka). V důsledku toho se starý scénář vesmíru narozený ve Velkém třesku stane neudržitelným.
Prostor na kvantové úrovni.
Řetězce jsou nejmenší objekty ve vesmíru, velikost řetězců je srovnatelná s délkou Planck (10 ^ –33 cm). Podle teorie strun je to minimální délka, kterou může mít objekt ve vesmíru.
Velký třesk se stále konal, ale hustota hmoty v tu chvíli nebyla nekonečná a vesmír mohl existovat před ní. Symetrie teorie strun naznačuje, že čas nemá začátek ani konec. Vesmír mohl vzniknout téměř prázdný a vytvořený v době Velkého třesku, nebo projít několika cykly smrti a znovuzrození. V každém případě měla éra před Velkým třeskem obrovský dopad na moderní prostor.
V našem rozšiřujícím se vesmíru se galaxie rozptylují jako rozptylující dav. Pohybují se od sebe rychlostí úměrnou vzdálenosti mezi nimi: galaxie oddělené 500 miliony světelných let, rozptyl dvakrát rychleji než galaxie a 250 miliónů světelných let. Všechny galaxie, které pozorujeme, by tedy měly začít současně ze stejného místa v době Velkého třesku. To je pravda, i když kosmická expanze prochází obdobími zrychlení a zpomalení. V diagramech prostoru a času se galaxie pohybují po klikatých cestách do az pozorovatelné části vesmíru (žlutý klín). Zatím však není přesně známo, co se stalo ve chvíli, kdy se galaxie (nebo jejich předchůdci) začaly rozpadat.
Dějiny vesmíru.
Ve standardním modelu Velkého třesku (na obrázku vlevo) byla na základě obecné relativity vzdálenost mezi jakýmikoli dvěma galaxiemi v určitém bodě naší minulosti nulová. Do té doby nemá čas smysl.
A v modelech, které berou v úvahu kvantové efekty (na obrázku vpravo), byly v okamžiku vypuštění jakékoli dvě galaxie odděleny určitou minimální vzdáleností. Takové scénáře nevylučují možnost existence vesmíru před Velkým třeskem.
Část 2
A teď se pokusím říct, proč existuje tolik těchto teorií: strunová teorie, superstringy, M-teorie.
Více podrobností o každé z teorií:
Teorie strun:
Jak vy a já už víme, strunová teorie je ryze matematická teorie, která říká, že všechno v našem světě (a ne v našem) je důsledkem „vibrací“mikroskopických objektů řádu Planckovy délky.
Možná je celá záležitost tvořena strunami.
Vlastnosti řetězce se podobají houslovému řetězci. Každý řetězec může vytvořit obrovské (skutečně nekonečné) množství různých vibrací, známých jako rezonanční vibrace. Jedná se o vibrace, ve kterých je vzdálenost mezi maximami a minimy stejná a přesně celé číslo maxim a minima pasuje mezi pevné konce řetězce. Například lidské ucho vnímá rezonanční vibrace jako různé noty. Řetězce mají podobné vlastnosti v teorii řetězců. Mohou provádět rezonanční oscilace, ve kterých přesně celé číslo rovnoměrně rozložených maxim a minim zapadá po délce řetězců. Stejným způsobem, že různé režimy (soubor typů harmonických vibrací typických pro oscilační systém) rezonančních vibrací houslových strun, vedou k různým hudebním notám,různé vibrační režimy základních řetězců vedou ke vzniku různých hmot a vazebních konstant.
Podle zvláštní teorie relativity jsou energie a hmotnost (E je rovna em čtverci:) jsou dvě strany téže mince: čím více energie, tím více hmoty a naopak. A podle teorie strun je hmota elementární částice určena energií vibrací vnitřního řetězce této částice. Vnitřní řetězce těžších částic vibrují intenzivněji, zatímco řetězce lehkých částic vibrují méně intenzivně.
Nejdůležitější je, že vlastnosti jednoho z řetězcových režimů jsou přesně stejné jako vlastnosti gravitonu, což zajišťuje, že gravitace je nedílnou součástí teorie strun.
Nechci prozatím prozkoumávat podrobnosti o „geometrii“strun, pouze řeknu, že bezhmotné částice, kterými mohou být fotony, pocházejí z vibrací nebo otevřených nebo uzavřených strun. Gravitony pocházejí pouze z vibrací uzavřených řetězců nebo smyček. Řetězce vzájemně interagují a vytvářejí smyčky. Z těchto smyček vznikají větší částice (kvarky, elektrony). Hmotnost těchto částic závisí na energii uvolněné smyčkou, když vibruje.
V teorii strun mohou existovat pouze dvě základní konstanty (v jiných teoriích existuje mnohem více konstant, dokonce i těch nejzákladnějších. Například standardní model vyžaduje 26 konstant). Jeden, nazývaný napětí řetězce, popisuje, kolik energie je obsaženo na jednotku délky řetězce. Druhý, nazývaný konstanta spojující řetězec, je číslo označující pravděpodobnost, že se řetězec rozbije na dva řetězce, respektive způsobí síly; protože je to pravděpodobnost, je to jen číslo, žádné rozměrové jednotky.
Teorie superstrunu:
Z této fráze je třeba jen vědět, že tato teorie je zobecněná teorie strun. V této teorii je vše posuzováno z hlediska supersymetrie - … ALE!
Než přejdeme k diskuzi o supersymetrii, nezapomeňte si představit koncept rotace. Točení je vnitřní moment hybnosti vlastní každé částici. Měří se v jednotkách Planckovy konstanty a může být celý nebo napůl celý. Spin je výhradně kvantová mechanická vlastnost, kterou nelze z klasického hlediska reprezentovat. Naivní pokus interpretovat elementární částice jako malé „koule“a rotace - jako jejich rotace, je v rozporu se speciální teorií relativity, protože body na povrchu kuliček se pak musí pohybovat rychleji než světlo. Elektrony mají spin 1/2, fotony mají spin 1.
Supersymetrie je symetrie mezi částicemi s celočíselným a poločíselným spinem.
Stručně řečeno, spočívá v konstrukci teorií, jejichž rovnice se nezmění, když se pole s celočíselným spinem transformují na pole s poločíselným spinem a naopak. Od té doby byly napsány tisíce článků, všechny modely teorie kvantového pole byly podrobeny supersymetrizaci a byl vyvinut nový matematický aparát, který umožňuje budování supersymetrických teorií.
Částice známé v přírodě, podle jejich spinu, se dělí na bosony (celá spina) a fermiony (napůl celé číslo). První částice jsou nosiči interakcí, například foton, který nese elektromagnetické interakce, gluon, který nese silnou jadernou sílu, a graviton, který nese gravitační síly. Druhý je tvořen věcí, ze které jsme vyrobeni, jako je elektron nebo kvark.
Fermiony (částice, které se řídí statistikami Fermi-Diraca) a bosony (částice, které se řídí statistikami Bose-Einsteina) mohou koexistovat ve stejném fyzickém systému. Takový systém bude mít zvláštní druh symetrie - tzv. Supersymetrie, která mapuje bosony na fermiony a naopak. To samozřejmě vyžaduje stejný počet bosonů a fermionů, ale podmínky existence supersymetrie se na to neomezují. Supersymetrické systémy žijí v nadprostoru. Superspace se získá z obyčejného časoprostoru, když se do něj přidají fermionické souřadnice. V nadprostorové formulaci vypadají supersymetrické transformace jako rotace a translace v obyčejném prostoru. A částice a pole, které v něm žijí, jsou reprezentovány sadou částic nebo polí v obyčejném prostoru a takovou sadou,ve kterém je přísně stanoven kvantitativní poměr bosonů a fermionů, jakož i některé z jejich charakteristik (především spiny). Částice-pole zahrnutá v takové sadě se nazývají superpartners.
Konvenční teorie strun tedy popisovala pouze částice, které byly bosony, takže se tomu říkalo teorie bosonových strun. Ale nepopsala fermiony. Proto například kvarky a elektrony nebyly zahrnuty do teorie bosonových řetězců.
Ale přidáním supersymetrie k bosonické strunové teorii jsme dostali novou teorii, která popisuje síly i hmotu, která tvoří vesmír. Říká se tomu teorie superstringů.
Existují tři různé teorie superstrun, které dávají smysl, tj. bez matematických nesrovnalostí. Ve dvou z nich je základním objektem uzavřený řetězec, zatímco ve třetím je otevřený řetězec stavebním blokem. Navíc smícháním nejlepších aspektů teorie bosonických strun a teorie superstringů jsme získali konzistentní teorie strun - teorie heterotických strun.
Superstring je tedy supersymetrický řetězec, to znamená, že je to stále řetězec, ale nežije v našem obvyklém prostoru, ale v superspace.
M-THEORY:
V polovině osmdesátých let teoretici dospěli k závěru, že supersymetrie, která je ústřední pro teorii strun, do ní nemůže být začleněna nikoliv, ale pěti různými způsoby, což vede k pěti různým teoriím: typu I, typu IIA a IIB a dvěma heterotickým teorie řetězců. Z důvodů zdravého rozumu (2 verze téhož fyzického zákona nemohou fungovat současně), se věřilo, že pouze jedna z nich by si mohla nárokovat roli „teorie všeho“, navíc ta, která při nízkých energiích a zhutňována (tj. velikosti Planckových délek.
Ukázalo se, že jen sledujeme náš 4-dimenzionální vesmír bez těchto 6 rozměrů, což jednoduše nevidíme), šest dalších dimenzí by bylo v souladu se skutečnými pozorováními. Zůstaly otázky o tom, která teorie byla vhodnější a co dělat s ostatními čtyřmi teoriemi.
Vůně:
Pokud se v tomto případě velikost kompaktního rozměru ukáže být řádově velikosti řetězců (10 až -33 stupňů centimetru), pak z důvodu jeho maličkosti tento rozměr jednoduše neuvidíme přímo. Nakonec dostaneme náš (3 + 1) -dimenzionální prostor, ve kterém malý 6-dimenzionální prostor odpovídá každému bodu našeho 4-dimenzionálního vesmíru.
Výzkum ukázal, že tento naivní pohled je špatný. V polovině devadesátých let Edward Witten a další teoretičtí fyzici našli silné důkazy, že všech pět superstringových teorií spolu úzce souvisí, což jsou různé omezující případy jedenáctimenzionální základní teorie. Tato teorie se nazývá M-Teorie.
Když Witten dal jméno M-teorie, nespecifikoval, co M znamená, pravděpodobně proto, že necítil právo pojmenovat teorii, kterou nemohl plně popsat. Předpoklady o čem by M mohlo být, se staly hrou mezi teoretickými fyziky. Někteří říkají, že M znamená „mystický“, „magický“nebo „matka“. Vážnější předpoklady jsou „matice“a „membrána“. Někdo si všiml, že M může být obrácené W - první písmeno jména Witten (Witten). Jiní navrhnou, že M v M-teorie by měla znamenat chybějící nebo dokonce Murky.
Vývoj 11-dimenzionální M-teorie umožnil fyzikům podívat se za čas, před kterým se Velký třesk vyskytl.
Větve v 10-11 dimenzionálním prostoru se srazí a vytvoří Velký třesk na * povrchu * otrub …
Byla vytvořena teorie, podle níž je náš vesmír důsledkem kolize objektů v jiném vesmíru, což může být zase nespočet. Zveřejnění jedné otázky tedy vedlo ke vzniku ještě více otázek.
M-Teorie byla vědci považována za teorii všeho. To znamená, že tato teorie je vhodná pro vysvětlení všeho: jak se vesmír narodil, co bylo před narozením našeho vesmíru, odpovídá na otázku existence času před narozením vesmíru (čas existoval ještě před narozením vesmíru), odhaluje budoucnost vesmíru.
Část 3
Řetězové otvory:
Nyní obecně přijímaná teorie černých děr, přednesená před čtyřiceti lety fyzikem Johnem Wheelerem, říká, že poté, co je hvězda „vypálena“, její pozůstatky jsou stlačeny takovou silou, že přitažlivá síla převyšuje sílu odporu, a v důsledku toho zůstává singularita: bod v prostoru, kde se nachází hmota ve stavu „nekonečné hustoty“. Singularita je obklopena tzv. „Horizontem události“, hypotetickou hranicí, která není schopna překonat hmotu a energii uvnitř ní. Jsou „vtaženy“do černé díry a zůstanou navždy uvnitř.
Reprezentace černé díry.
To je „navždy“, které vyvolává otázky.
V roce 1975 největší teoretik černé díry Stephen Hawking z University of Cambridge založil (byť jen teoreticky), že černé díry se pomalu, ale nevyhnutelně vypařují. V souladu se zákony kvantové mechaniky se páry „virtuálních“částic a antičástic neustále vaří v prázdném prostoru. Hawking ukázal, že gravitační energie černých děr může být přenesena na „virtuální“částice v samém horizontu události. V tomto případě se „virtuální“částice stanou skutečnými a přesahují horizont spolu s pozitivní energií ve formě Hawkingova záření. V průběhu času se černá díra odpařuje.
Hawkingova radiační teplota (záření blízké horizontu události černé díry s tepelným spektrem):
Teplota záření černé díry
kde je Planckova konstanta, c je rychlost světla ve vakuu, k je Boltzmannova konstanta, G je gravitační konstanta a konečně M je hmotnost černé díry. Například je snadné vypočítat, že černá díra s hmotností 2 x 10 ^ 30 kg (hmota Slunce) bude mít teplotu záření rovnou 6,135 * 10 ^ (- 8) Kelvinů. To je velmi nízká teplota, i když ve srovnání s vyzařováním pozadí vesmíru s teplotou 2,7 kelvinů.
Teploty černých děr, které jsou astronomům známy, jsou však příliš nízké na to, aby z nich mohly vyzařovat záření - hmotnosti děr jsou příliš velké. Proto tento účinek nebyl dosud potvrzen pozorováním.
Tento pohled však vede k „paradoxu informací“. Ukazuje se, že podle teorie relativity se informace o hmotě padající do černé díry ztratí, zatímco kvantová mechanika tvrdí, že informace mohou nakonec uniknout ven.
Hawking poznamenal, že chaotická povaha Hawkingova záření znamená, že energie propukla, ale informace nikoli. V roce 2004 však změnil názor - a to je jen jeden z bodů moderní vědy, který reviduje všechny své pohledy na černé díry.
Skutečnost je taková, že teoretici se nyní pokoušejí „vyzkoušet“na černých dírách (a všechny s nimi spojené teoretické rozpory) teorii strun. Teorie strun je nyní nejlepším pokusem kombinovat obecnou relativitu a kvantovou mechaniku, protože samotné řetězce nesou gravitační sílu a jejich vibrace jsou náhodné, jak předpovídá kvantová mechanika.
V roce 1996 se Andrew Strominger a Kamran Wafa z Harvardské univerzity rozhodli přistoupit k informačnímu paradoxnímu problému tím, že definovali, jak může být zevnitř vytvořena černá díra.
Ukázalo se, že teorie strun umožňuje konstrukci extrémně hustých a malých struktur ze samotných řetězců a dalších objektů popsaných teorií, z nichž některé mají více než tři rozměry. A tyto struktury se chovaly stejně jako černé díry: jejich gravitační tah nevyvolává světlo ven.
Počet způsobů, jak uspořádat řetězce uvnitř černých děr, je ohromující. A co je obzvláště zajímavé, tato hodnota se zcela shoduje s hodnotou entropie černé díry, kterou Hawking a jeho kolega Bekenstein počítali v sedmdesátých letech.
Určení počtu možných kombinací řetězců však není vše. V roce 2004 se tým Ohirské státní univerzity Samir Matura rozhodl objasnit možné uspořádání řetězců uvnitř černé díry. Ukázalo se, že téměř vždy jsou řetězce spojeny tak, že tvoří jediný - velký a velmi flexibilní - řetězec, ale mnohem větší než bodová singularita.
Skupina Matura vypočítala fyzické rozměry několika „strunných“černých děr (které členové skupiny upřednostňují nazývat fuzzballs - „chmýří koule“nebo strunné hvězdy - „strunové hvězdy“). Byli překvapeni, když zjistili, že velikost těchto řetězcových formací se shodovala s velikostí „horizontu událostí“v tradiční teorii.
V tomto ohledu Mathur navrhl, že tzv. „Horizont událostí“je ve skutečnosti „pěnivá hmota řetězců“, nikoli rigidně vymezená hranice.
A že černá díra ve skutečnosti ničí informace z toho důvodu, že například v černých dírách prostě není singularita. Hmotnost řetězců je distribuována v celém objemu až do horizontu události a informace lze ukládat do řetězců a tisknout na odcházející Hawkingovo záření (a proto překračovat práh události).
Wafa i Mathur však připouštějí, že tento obrázek je velmi předběžný. Matura ještě musí vyzkoušet, jak jeho model zapadá do velkých černých děr, nebo pochopit, jak se černé díry vyvíjejí.
Další možnost navrhli Gary Horowitz z University of California v Santa Barbara a Juan Maldasena z Princeton Institute for Advanced Study. Podle těchto vědců singularita ve středu černé díry stále existuje, ale informace se do ní jednoduše nedostane: hmota jde do singularity a informace - prostřednictvím kvantové teleportace - jsou natištěny na Hawkingovo záření. Mnoho fyziků zpochybňuje tento názor a odmítá možnost okamžitého přenosu informací.
Extrémní černé díry:
Diverzita (Euklidovský prostor je nejjednodušší příklad rozmanitosti. Složitějším příkladem je povrch Země. Je možné vytvořit mapu jakékoli oblasti zemského povrchu, například mapu polokoule, ale je nemožné nakreslit jednu (bez přerušení) mapu celé její plochy), po které se může řetězec pohybovat se nazývá D-brane nebo Dp-brane (při použití druhého zápisu je 'p' celé číslo charakterizující počet prostorových rozměrů rozdělovače). Příkladem jsou dva řetězce, které mají jeden nebo oba konce připojené k 2-rozměrnému D-brane nebo D2-brane:
D-brany mohou mít řadu prostorových rozměrů od -1 do počtu prostorových rozměrů našeho časoprostoru. Samotné slovo „brane“pochází ze slova „membrána“, což je dvourozměrný povrch.
Proč jsem o tom psal tady, ale tady:
Branes umožnil popsat některé speciální černé díry v teorii strun. (Tento objev provedli Andrew Strominger a Kumrun Wafa v roce 1996 výše.)
Vztah mezi otrubami a černými dírami je nepřímý, ale přesvědčivý. Funguje to takto: Začnete vypnutím gravitační síly (to provedete nastavením konstanty spojování řetězců (číslo, které představuje pravděpodobnost, že se řetězec rozpadne na dva řetězce - jedna ze dvou základních konstant v teorii strun. Prvním je „napětí“struny) na nulu.). Může se zdát divné popsat černé díry, které nejsou ničím jiným než gravitací, ale uvidíme, co se stane dál. Když je gravitace vypnutá, můžeme se podívat na geometrie, ve kterých je mnoho omotávek omotáno kolem dalších rozměrů. Nyní používáme skutečnost, že otroky nesou elektrické a magnetické náboje. Ukazuje se, že existuje limit, kolik poplatku může brane mít, tento limit souvisí s hmotností brane. Konfigurace maximálního nabití jsou velmi specifické a nazývají se extrémní. Zahrnují jednu ze situací, kdy existují další symetrie, které umožňují přesnější výpočty. Zejména jsou takové situace charakterizovány přítomností několika různých supersymetrií, které spojují fermiony a bosony.
Existuje také maximální množství elektrického nebo magnetického náboje, které může mít černá díra a stále je stabilní. Říká se jim extrémní černé díry a mnoho let je studovali odborníci v obecné relativitě.
Navzdory skutečnosti, že gravitační síla byla vypnuta, extrémní brane systém sdílí některé vlastnosti s extrémními černými dírami. Zejména jsou termodynamické vlastnosti obou systémů totožné. Studiem termodynamiky extrémních omotávek omotaných kolem dalších rozměrů je tedy možné reprodukovat termodynamické vlastnosti extrémních černých děr.
Jedním z problémů ve fyzice černých děr bylo vysvětlení objevu Jacoba Bekensteina a Stephena Hawkinga, že černé díry mají entropii a teplotu. Nová myšlenka z teorie strun je (v případě extrémních černých děr), že můžete udělat pokrok ve zkoumání podobných systémů extrémních omotávek omotaných kolem dalších rozměrů. Ve skutečnosti je mnoho vlastností obou systémů naprosto stejné. Tato téměř nadpřirozená shoda nastává, protože v obou případech existuje několik různých supersymetrických transformací spojujících fermiony a bosony. Ukázalo se, že nám umožňují konstruovat přesvědčivou matematickou analogii, díky níž je termodynamika * dvou systémů identická.
***
* Termodynamika černé díry (vlastnosti):
- Gravitační síla je stejná na celém povrchu horizontu události
- Oblast horizontu události černé díry se v žádném klasickém procesu nemůže časem zmenšovat.
- V jakýchkoli nerovnovážných procesech zahrnujících černé díry (například při kolizi) se povrchová plocha zvětšuje.