Pravděpodobně jste slyšeli, že nejoblíbenější vědecká teorie naší doby - teorie strun - zahrnuje mnohem více dimenzí, než naznačuje zdravý rozum.
Největším problémem pro teoretické fyziky je to, jak kombinovat všechny základní interakce (gravitační, elektromagnetické, slabé a silné) do jediné teorie. Teorie superstringů tvrdí, že je teorií všeho.
Ukázalo se však, že nejpohodlnější počet rozměrů potřebných k fungování této teorie je deset (z nichž devět je prostorových a jeden je dočasný)! Pokud existuje více či méně dimenzí, matematické rovnice dávají iracionální výsledky, které jdou do nekonečna - jedinečnost.
Další fáze vývoje superstringové teorie - M-teorie - již počítá jedenáct dimenzí. A ještě jedna jeho verze - teorie F - všech dvanáct. A to vůbec není komplikace. F-teorie popisuje 12-dimenzionální prostor jednoduššími rovnicemi než M-teorie - 11-dimenzionální.
Teoretická fyzika se samozřejmě nic neříká teoreticky. Všechny její dosavadní úspěchy existují pouze na papíře. Abychom vysvětlili, proč se můžeme pohybovat pouze v trojrozměrném prostoru, začali vědci hovořit o tom, jak se nešťastní ostatní dimenze musely zmenšovat na kompaktní sféry na kvantové úrovni. Abych byl přesný, ne do sfér, ale do prostorů Calabi-Yau.
To jsou takové trojrozměrné postavy, v nichž je jejich vlastní svět se svou vlastní dimenzí. Dvourozměrná projekce takových rozdělovačů vypadá takto:
Propagační video:
Je známo více než 470 milionů takových figurek. Která z nich odpovídá naší realitě, se v současné době počítá. Není snadné být teoretickým fyzikem.
Ano, zdá se to trochu přitažlivé. Ale to je přesně to, co vysvětluje, proč je kvantový svět tak odlišný od toho, co vnímáme.
Pojďme se trochu ponořit do historie
V roce 1968 mladý teoretický fyzik Gabriele Veneziano porodil mnoho experimentálně pozorovaných charakteristik silné jaderné interakce. Veneziano, který v té době pracoval v CERN, Evropské laboratoři urychlovačů v Ženevě, ve Švýcarsku, pracoval na tomto problému několik let, až jednoho dne na něj zazářil geniální odhad. K jeho velkému překvapení si uvědomil, že exotický matematický vzorec, který vynalezl asi před dvěma sty lety slavný švýcarský matematik Leonard Euler pro čistě matematické účely - tzv. Eulerova beta funkce - se zdá, že v jednom pádu dokáže popsat všechny četné vlastnosti částic obsažených v silná jaderná síla.
Vlastnost poznamenaná Venezianem poskytla silný matematický popis mnoha rysů silné interakce; to vyvolalo závan práce, ve kterém byla beta funkce a její různé zobecnění použity k popisu obrovského množství dat nashromážděných při studiu kolizí částic po celém světě. Veneziánské pozorování však bylo v jistém smyslu neúplné. Eulerova beta funkce fungovala stejně jako zapamatovaný vzorec používaný studentem, který nerozumí jeho významu nebo významu, ale nikdo nerozuměl proč. Byl to vzorec, který potřeboval vysvětlení.
Gabriele Veneziano.
To se změnilo v roce 1970, když Yohiro Nambu z Chicagské univerzity, Holger Nielsen z institutu Niels Bohr a Leonard Susskind ze Stanfordské univerzity dokázali odhalit fyzický význam za Eulerovou formulí. Tito fyzici ukázali, že když jsou elementární částice představovány malými vibrujícími jednorozměrnými řetězci, je silná interakce těchto částic přesně popsána pomocí Eulerovy funkce. Pokud jsou segmenty strun dostatečně malé, uvažovali tito vědci, budou vypadat jako bodové částice, a proto nebudou v rozporu s výsledky experimentálních pozorování. Ačkoli byla teorie jednoduchá a intuitivně přitažlivá, brzy se ukázalo, že popis silných interakcí pomocí řetězců byl chybný. Na začátku 70. let.vysoce energetičtí fyzici byli schopni nahlédnout hlouběji do subatomického světa a ukázali, že řada předpovědí modelu založeného na řetězci je v přímém rozporu s pozorováním. Současně probíhal paralelně vývoj teorie kvantového pole - kvantové chromodynamiky - v níž byl použit bodový model částic. Úspěchy této teorie v popisu silné interakce vedly k opuštění strunné teorie.
Většina fyziků částic věřila, že strunová teorie byla navždy v koši, ale řada vědců jí zůstala věrná. Schwartz například cítil, že „matematická struktura teorie strun je tak krásná a má tolik pozoruhodných vlastností, že by měla bezpochyby ukazovat na něco hlubšího“2). Jedním z problémů, kterým fyzici čelili strunové teorii, bylo to, že se zdálo, že nabízejí příliš mnoho možností, což bylo matoucí.
Některé konfigurace vibračních řetězců v této teorii měly vlastnosti, které se podobaly vlastnostem gluonů, což dalo důvod k tomu, aby se skutečně považovaly za teorii silných interakcí. Kromě toho však obsahoval další částice-nosiče interakce, které neměly nic společného s experimentálními projevy silné interakce. V roce 1974 udělali Schwartz a Joel Scherk z Francouzské vysoké technické školy smělý předpoklad, který tuto vnímanou vadu změnil na ctnost. Po prostudování zvláštních vibračních režimů strun, připomínajících částice nosiče, si uvědomili, že tyto vlastnosti se překvapivě shodují přesně s předpokládanými vlastnostmi hypotetické nosné částice gravitační interakce - graviton. Ačkoli tyto „malé částečky“gravitační interakce ještě nebyly objeveny, teoretici mohou s jistotou předpovědět některé ze základních vlastností, které by tyto částice měly mít. Scherk a Schwartz zjistili, že tyto vlastnosti jsou přesně realizovány pro některé vibrační režimy. Na základě toho předpokládali, že první příchod teorie strun skončil neúspěchem kvůli tomu, že fyzici příliš zúžili její působnost. Sherk a Schwartz oznámili, že strunová teorie není jen teorií silné síly, je to kvantová teorie, která kromě jiného zahrnuje gravitaci). Na základě toho předpokládali, že první příchod teorie strun skončil neúspěchem kvůli tomu, že fyzici příliš zúžili její působnost. Sherk a Schwartz oznámili, že strunová teorie není jen teorií silné síly, je to kvantová teorie, která kromě jiného zahrnuje gravitaci). Na základě toho předpokládali, že první příchod teorie strun skončil neúspěchem kvůli tomu, že fyzici příliš zúžili její působnost. Sherk a Schwartz oznámili, že strunová teorie není jen teorií silné síly, je to kvantová teorie, která kromě jiného zahrnuje gravitaci).
Fyzická komunita na tento předpoklad reagovala velmi zdrženlivým přístupem. Podle vzpomínek Schwartze ve skutečnosti „naši práci všichni ignorovali“4). Cesty pokroku byly již důkladně poseté četnými neúspěšnými pokusy kombinovat gravitaci a kvantovou mechaniku. Teorie strun selhala ve svém původním pokusu popsat silné interakce a mnozí se domnívali, že je zbytečné pokusit se použít k dosažení ještě větších cílů. Další, podrobnější studie z konce 70. a počátku 80. let. ukázali, že mezi teorií strun a kvantovou mechanikou dochází k rozporům, i když v jejich vlastním měřítku. Dojem byl, že gravitační síla byla opět schopna odolat pokusu zabudovat ji do popisu vesmíru na mikroskopické úrovni.
To bylo až do roku 1984. V orientačním dokumentu, který shrnul více než deset let intenzivního výzkumu, který byl většinou fyziků ignorován nebo odmítnut, Green a Schwartz zjistili, že menší rozpor s kvantovou teorií, která trápí teorii strun, může smět. Navíc ukázali, že výsledná teorie byla dostatečně široká, aby pokryla všechny čtyři typy interakcí a všechny typy látek. Zprávy o tomto výsledku se šířily po celé fyzikální komunitě: stovky částicových fyziků přestaly pracovat na svých projektech, aby se účastnily toho, co vypadalo jako poslední teoretická bitva ve staletém útoku na nejhlubší základy vesmíru.
Zpráva o úspěchu Green a Schwartze nakonec zasáhla i postgraduální studenty prvního ročníku studia a dřívější odradění bylo nahrazeno vzrušujícím pocitem zapojení do zlomového bodu v historii fyziky. Mnozí z nás se posadili hluboko po půlnoci a studovali vážné tomes o teoretické fyzice a abstraktní matematice, jejichž znalost je nezbytná pro pochopení teorie strun.
Podle vědců jsme sami a všechno kolem nás tvořeno nekonečným počtem takových záhadných složených mikroobjektů.
Období od roku 1984 do roku 1986 nyní známý jako „první revoluce v teorii superstrunu“. Během tohoto období psali fyzici po celém světě přes tisíc článků o teorii strun. Tyto práce přesvědčivě prokázaly, že mnoho vlastností standardního modelu, objevených v průběhu desetiletí výzkumu, pečlivě vychází z majestátního systému teorie strun. Jak poznamenal Michael Green, „ve chvíli, kdy se seznámíte s teorií strun a uvědomíte si, že téměř všechny hlavní pokroky ve fyzice minulého století následují - a následují s takovou elegancí - z tak jednoduchého výchozího bodu, jasně vám ukazují neuvěřitelnou sílu této teorie.“5 Navíc pro mnoho z těchto vlastností, jak uvidíme níže, poskytuje strunová teorie mnohem úplnější a uspokojivější popis než standardní model. Tyto pokroky přesvědčily mnoho fyziků, že teorie strun může splnit své sliby a stát se konečnou sjednocující teorií.
Dvourozměrná projekce 3-různého potrubí Calabi-Yau. Tato projekce poskytuje představu o tom, jak složité jsou další dimenze.
Fyzikové strunové teorie se však stále znovu a znovu potýkají s vážnými překážkami. V teoretické fyzice se často musíte vypořádat s rovnicemi, které jsou buď příliš složité na pochopení, nebo je obtížné je vyřešit. Fyzikové se obvykle v takové situaci nevzdávají a snaží se získat přibližné řešení těchto rovnic. Situace v teorii strun je mnohem komplikovanější. Dokonce i odvození rovnic se ukázalo být tak komplikované, že dosud bylo možné získat pouze jejich přibližnou podobu. Fyzici pracující v teorii strun se tedy nacházejí v situaci, kdy musí hledat přibližná řešení přibližných rovnic. Po letech ohromujícího pokroku během první revoluce superstringů se fyzici potýkajíže bylo zjištěno, že použité přibližné rovnice nejsou schopny dát správnou odpověď na řadu důležitých otázek, což brání dalšímu rozvoji výzkumu. Mnoho konkrétních fyziků pracujících v oboru strunové teorie, postrádajících konkrétní myšlenky, jak překročit tyto přibližné metody, zažilo rostoucí pocit frustrace a vrátilo se ke svým předchozím studiím. Pro ty, kteří zůstali, koncem 80. a začátkem 90. let. byly testovací období.
Krása a potenciální síla teorie strun se váhala k vědcům jako zlatý poklad bezpečně uzamčený v trezoru, který lze vidět pouze pomocí malé kukátko, ale nikdo neměl klíč k uvolnění těchto spících sil. Dlouhá doba „sucha“byla čas od času přerušena důležitými objevy, ale každému bylo jasné, že jsou zapotřebí nové metody, které by umožnily překonat již známá přibližná řešení.
Konec stagnace přišel s dechberoucím projevem, který přednesl Edward Witten na konferenci The String Theory Conference na University of Southern California v roce 1995 - přednášku, která ohromila publikum plné předních světových fyziků. V něm odhalil plán pro další fázi výzkumu, čímž zahájil „druhou revoluci v teorii superstrunu“. Teoretici strun nyní nyní energicky pracují na nových metodách, které slibují překonání překonaných překážek.
Pro rozsáhlou popularizaci TS by mělo lidstvo postavit pomník profesorovi Columbia University Brian Greene. Jeho kniha z roku 1999 Elegantní vesmír. Superstrings, Hidden Dimensions a Quest for The Ultimate Theory “se stali bestsellerem a získali Pulitzerovu cenu. Vědecké dílo tvořilo základ populární vědecké minisérie s autorem samotným jako hostitelem - jeho fragment lze vidět na konci materiálu (foto Amy Sussman / Columbia University).
Nyní se pokusme alespoň trochu pochopit podstatu této teorie
Začít znovu. Nulová dimenze je bod. Nemá žádné rozměry. Není kam se pohybovat, pro označení místa v takové dimenzi nejsou potřeba žádné souřadnice.
Pojďme dát druhý vedle prvního bodu a nakreslit přes ně čáru. Tady je první dimenze. Jednorozměrný objekt má velikost - délku - ale žádnou šířku ani hloubku. Pohyb v jednorozměrném prostoru je velmi omezený, protože překážce, která se objevila na cestě, nelze zabránit. Nalezení této souřadnice vyžaduje pouze jednu souřadnici.
Položme bod vedle segmentu. Abychom vyhověli oběma těmto objektům, potřebujeme dvourozměrný prostor, který má délku a šířku, tj. Plochu, ale bez hloubky, tj. Objem. Umístění libovolného bodu v tomto poli je určeno dvěma souřadnicemi.
Třetí dimenze vzniká, když do tohoto systému přidáme třetí souřadnou osu. Pro nás, obyvatele trojrozměrného vesmíru, je velmi snadné si to představit.
Zkusme si představit, jak obyvatelé dvourozměrného prostoru vidí svět. Zde jsou například tito dva lidé:
Každý z nich uvidí svého přítele takto:
Ale v této situaci:
Naši hrdinové se uvidí takto takto:
Je to změna úhlu pohledu, která umožňuje našim hrdinům vzájemně se posuzovat jako dvourozměrné objekty, nikoli jednorozměrné segmenty.
Nyní si představme, že se určitý objemový objekt pohybuje ve třetí dimenzi, která protíná tento dvourozměrný svět. Pro vnějšího pozorovatele bude tento pohyb vyjádřen změnou dvourozměrných projekcí objektu v rovině, jako je brokolice v MRI stroji:
Ale pro obyvatele naší roviny je takový obrázek nepochopitelný! Nedokáže si ji ani představit. Pro něj bude každá z dvourozměrných projekcí považována za jednorozměrný segment se záhadně proměnlivou délkou, vznikající na nepředvídatelném místě a také nepředvídatelně mizející. Pokusy o výpočet délky a místa původu takových objektů pomocí zákonů fyziky dvourozměrného prostoru jsou odsouzeny k selhání.
My, obyvatelé trojrozměrného světa, vidíme všechno jako dvourozměrné. Pouze pohyb objektu v prostoru nám umožňuje cítit jeho objem. Uvidíme také jakýkoli vícerozměrný objekt jako dvourozměrný, ale změní se úžasným způsobem v závislosti na naší relativní poloze nebo čase.
Z tohoto hlediska je například zajímavé uvažovat o gravitaci. Každý pravděpodobně viděl podobné obrázky:
Na nich je obvyklé znázorňovat, jak gravitace ohýbá časoprostor. Ohyby … kde? Přesně v žádné z dimenzí, které známe. A co kvantové tunelování, to znamená, že částice mizí na jednom místě a objevuje se na úplně jiném místě, navíc za překážkou, skrze kterou v naší realitě nemohla proniknout, aniž by v ní vytvořila díru? A co černé díry? Ale co když všechna tato a další tajemství moderní vědy jsou vysvětlena skutečností, že geometrie prostoru není vůbec stejná, jak jsme ji zvykli vnímat?
Hodiny tikají
Čas přidá další souřadnici do našeho vesmíru. Aby se party konala, musíte vědět nejen, ve kterém baru se bude konat, ale také přesný čas této akce.
Na základě našeho vnímání není čas ani tak přímá jako paprsek. To znamená, že má výchozí bod a pohyb je prováděn pouze jedním směrem - od minulosti do budoucnosti. A pouze přítomnost je skutečná. Ani minulost, ani budoucnost neexistují, stejně jako neexistují snídaně a večeře z pohledu úředníka v době oběda.
Teorie relativity s tím však nesouhlasí. Z jejího pohledu je čas úplnou dimenzí. Všechny události, které existovaly, existují a budou existovat, jsou stejně skutečné jako mořská pláž, bez ohledu na to, kde nás sny o zvuku surfování překvapily. Naše vnímání je něco jako světlomet, který osvětluje určitý segment času na přímce. Lidstvo ve své čtvrté dimenzi vypadá takto:
Vidíme však pouze projekci, část této dimenze v každém jednotlivém okamžiku v čase. Ano, jako brokolice na MRI stroji.
Až dosud fungovaly všechny teorie s velkým počtem prostorových dimenzí a časový byl vždy jediný. Proč ale prostor umožňuje více rozměrů prostoru, ale pouze jednou? Dokud vědci nebudou moci odpovědět na tuto otázku, bude se hypotéza dvou nebo více časových prostorů zdát velmi přitažlivá pro všechny filozofy a autory science fiction. Ano, a fyzikové, co tam opravdu je. Například americký astrofyzik Yitzhak Bars vidí druhou dimenzi jako kořen všech problémů s teorií všeho. Jako mentální cvičení si zkusme představit svět dvakrát.
Každá dimenze existuje samostatně. To se projevuje tím, že pokud změníme souřadnice objektu v jedné dimenzi, souřadnice v ostatních mohou zůstat nezměněny. Pokud se tedy pohybujete podél jedné časové osy, která protíná druhou v pravém úhlu, pak se v bodě průniku zastaví čas. V praxi to bude vypadat takto:
Jediné, co musel Neo udělat, bylo umístění jeho jednorozměrné časové osy kolmo k časové ose kulek. Čistá maličkost, souhlasím. Ve skutečnosti je vše mnohem složitější.
Přesný čas ve vesmíru se dvěma časovými dimenzemi bude určen dvěma hodnotami. Je těžké si představit dvourozměrnou událost? To znamená, že se táhne současně podél dvou časových os? Je pravděpodobné, že takový svět bude vyžadovat specialisty na časové mapování, protože kartografové mapují dvourozměrný povrch zeměkoule.
Co jiného odlišuje dvourozměrný prostor od jednorozměrného prostoru? Například schopnost překonat překážku. To je již zcela za hranicemi naší mysli. Obyvatel jednorozměrného světa si neumí představit, jaké to je udělat z rohu. A co je tohle - roh v čase? Kromě toho můžete ve dvourozměrném prostoru cestovat dopředu, dozadu a dokonce i diagonálně. Nemám ponětí, jaké to je jít diagonálně časem. Nemluvím ani o tom, že čas je základem mnoha fyzikálních zákonů, a je nemožné si představit, jak se fyzika vesmíru změní s podobou jiné časové dimenze. Ale přemýšlet o tom je tak vzrušující!
Velmi velká encyklopedie
Jiné dimenze dosud nebyly objeveny a existují pouze v matematických modelech. Ale můžete je zkusit takto představit.
Jak jsme zjistili dříve, vidíme trojrozměrnou projekci čtvrté (časové) dimenze Vesmíru. Jinými slovy, každý okamžik existence našeho světa je bod (podobný nulové dimenzi) v časovém intervalu od Velkého třesku do konce světa.
Ti z vás, kteří četli o cestování časem, vědí, jak důležité v nich hraje zakřivení kontinua časoprostoru. Toto je pátá dimenze - v ní se čtyřdimenzionální „prostorový čas“„ohýbá“, aby přiblížil dva body na této linii. Bez tohoto by cesta mezi těmito body byla příliš dlouhá nebo dokonce nemožná. Zhruba řečeno, pátá dimenze je podobná druhé - posouvá „jednorozměrnou“linii časoprostoru do „dvourozměrné“roviny se všemi následujícími možnostmi omotání kolem rohu.
Naši obzvláště filozoficky smýšlející čtenáři o něco dříve, pravděpodobně, přemýšleli o možnosti svobodné vůle v podmínkách, kde budoucnost již existuje, ale dosud není známa. Věda odpovídá na tuto otázku následovně: pravděpodobnosti. Budoucnost není hůl, ale celá koště možných scénářů. Který z nich se splní - zjistíme, až se tam dostaneme.
Každá z pravděpodobností existuje jako „jednorozměrný“segment v „rovině“páté dimenze. Jaký je nejrychlejší způsob, jak skočit z jednoho segmentu do druhého? Správně - ohněte tuto rovinu jako list papíru. Kde se ohýbat? A opět je to správné - v šesté dimenzi, která dává celé složité struktuře „objem“. A tak z něj dělá, jako trojrozměrný prostor, „hotový“nový bod.
Sedmá dimenze je nová přímka, která se skládá ze šesti rozměrných „bodů“. Jaký je další bod v tomto řádku? Celý nekonečný soubor možností pro vývoj událostí v jiném vesmíru, nevznikl v důsledku Velkého třesku, ale v různých podmínkách a jednal podle různých zákonů. To znamená, že sedmá dimenze jsou korálky z paralelních světů. Osmá dimenze shromažďuje tyto „linie“do jedné „roviny“. A devátý lze srovnávat s knihou, která vyhovuje všem „listům“osmé dimenze. Je to sbírka všech dějin všech vesmírů se všemi fyzikálními zákony a všemi počátečními podmínkami. Ukaž znovu.
Zde se dostáváme do limitu. Abychom si představili desátou dimenzi, potřebujeme přímku. A jaký další bod na této linii může být, pokud devátá dimenze již zahrnuje vše, co si lze představit, a dokonce i to, co si nelze představit? Ukazuje se, že devátá dimenze není jen dalším výchozím bodem, ale konečným - v každém případě pro naši představivost.
Teorie strun tvrdí, že struny vibrují v desáté dimenzi - základní částice, které tvoří vše. Pokud desátá dimenze obsahuje všechny vesmíry a všechny možnosti, pak řetězce existují všude a po celou dobu. V jistém smyslu každý řetězec existuje v našem vesmíru a jakýkoli jiný. Kdykoliv. Ihned. Super, co?
Fyzik, odborník na teorii strun. Známý pro svou práci na zrcadlové symetrii související s topologií odpovídajících variet Calabi-Yau. Je známý široké veřejnosti jako autor populárních vědeckých knih. Jeho Elegantní vesmír byl nominován na Pulitzerovu cenu.
V září 2013 dorazil Brian Greene do Moskvy na pozvání Polytechnického muzea. Slavný fyzik, smyčcový teoretik, profesor na Columbia University, je známý široké veřejnosti především jako popularizátor vědy a autor knihy „Elegant Universe“. Lenta.ru hovořil s Brianem Greenem o teorii strun a nedávných výzvách, kterým čelí, stejně jako o kvantové gravitaci, amplituděedronu a sociální kontrole.