нищо

Теория на струните - Теория на всичко или нищо

След като завърши общата теория на относителността, Айнщайн започна да работи по така наречената теория на всичко. Теория, която би позволила да се опишат както най-големите космически обекти и структури, така и електрони с малки размери.

Повечето учени по това време възприемат усилията му като утопичното желание на стар гений. Следователно, когато Айнщайн умря, никой дълго не продължи по стъпките му. Единната теория се върна към работата на теоретичните физици едва през последните двадесет години. И най-добрият кандидат за него е теорията на струните.

Вечни врагове

Теорията на квантовата механика буквално е извън здравия разум. Определянето на точното положение на частиците е заменило определянето на вероятността от появата им на различни места. Той описва фотоните и атомите (но също така и някои молекули) веднъж като точки, понякога като вълни или и двете едновременно. Въпреки всички особености обаче неговите прогнози са в пълно съгласие с експериментални наблюдения и досега няма по-точно описание на обектите на атомно ниво.

Общата теория на относителността за промяна включва макросвета - галактики, звезди, Вселената като цяло. Тя позволява на учените да разберат гравитацията и всички ефекти, свързани с нея. Това е "класическа" теория в смисъл, че се справя без никакви вероятности и несигурности.

Основната цел на съвременната теоретична физика е да обедини тези две теории в една теория на всичко. Той би използвал общ квантово-механичен език за всичките четири основни природни сили, което му позволява да опише всеки обект във Вселената. 1

Но досега всички "обединяващи" усилия на физиците винаги са се проваляли. Всъщност те винаги са се появявали безкрайно в уравненията на теориите за надежда, което е физически глупост. Няма безкрайна вероятност обектът да се намира на дадено място. Следователно обединяването на квантовата механика с общата теория на относителността представлява най-сложният проблем, който теоретичната физика е срещала досега.

Какво мотивира учените изобщо да го опитат? Може би най-добрият пример е големият взрив. Ранната Вселена беше толкова изключително гъста, че нейното описание изисква теорията на относителността, но в същото време толкова малка, че не можем да направим без квантовата механика в нейното описание. По този начин обединяващата теория може да разкрие отговорите на някои от най-старите и фундаментални въпроси на човечеството: произхода на Вселената и фундаменталната природа на пространството и времето.

В момента най-добрият кандидат за теория на всичко често се счита за М-теория, която се основава на теорията на струните.

Нов отговор на стария въпрос

Концепцията за теорията на струните не може да се припише на един човек. Това беше дългосрочно усилие на няколко учени.

Той е положен от италианския физик Габриеле Венециано през 1968 г. Като служител на ЦЕРН той изучава сблъсъци на частици, за да разбере същността на силната ядрена енергия. При анализа на измерените данни той откри връзката между свойствата на тази сила и математическата нотация, известна като бета функция на Euler. Липсваше му обаче физическа представа за това, което всъщност описва тази математическа формула.

Около две години по-късно международен екип от учени, ръководен от американския физик Леонард Сускинд, го измисли. Изследователите показаха, че наблюдаваните резултати от сблъсъци на частици могат да бъдат обяснени като действието на малко и изключително тънко влакно, което може да бъде математически описано от бета функцията. По-късно влакното е наречено струна.

Но тази първа теория на струните не беше много успешна. По-точен анализ на по-нататъшните сблъсъци на частици разкри, че неговите прогнози не са съгласни с експеримента.

Въпреки очевидните пречки, нейното изследване започва да се изучава от теоретичния физик Джон Хенри Шварц. Той го математически модифицира във формата, която нарича теория на суперструните. Това вече даде възможност да се обяснят новите резултати, наблюдавани в ускорителите.

В същото време обаче теорията на суперструните предсказва, че сблъсъците на високоенергийни частици трябва да произведат много необичайни частици с нулева маса в стаята и спин. 2 Тъй като дотогава никой не ги е забелязал (и всъщност до днес), това изглеждаше като поредния провал на теорията на струните.

Упадък и по-нататъшно възкресение

Въпреки това, Шварц, в сравнение с други теории, установява, че тези необичайни частици могат да бъдат гравитони - квантът, през който гравитацията се разпространява. Подобни частици са например фотоните, предаващи светлина. Именно гравитонът представляваше кошмара на теоретичните физици. Никой не е успял да го включи в единно квантово-механично описание на останалите три основни сили, без да създава безсмислени безкрайни уравнения в уравненията.

Теорията на струните представлява не само квантово описание на силна ядрена сила, но и четирите. Това беше желана обединяваща теория. Дори това ново откритие обаче не само вдъхнови научната общност. Оригиналните уравнения на Шварц трябваше да бъдат математически модифицирани няколко пъти. Освен това стана ясно, че правилните резултати могат да бъдат постигнати само след отчитане на допълнителните шест пространствени измерения. 2 Това беше най-малкото странно, защото физиката винаги имаше три пространствени и едно времево измерение, за да опише света.

Не можем да си представим по-високи измерения. Те могат да бъдат описани само математически. Оказва се, че всички те достигат размер приблизително на нивото на дължината на Планк (стойността на дължината на Планк е приблизително 1,616 × 10 -35 м) и са увити в сложна формация, която според откривателите си се нарича Калаби - сорт Яу. Тези допълнителни измерения съществуват във всяка точка на триизмерния свят, който познаваме. Поради прекалено миниатюрните си размери обаче, настоящите научни инструменти не могат да ги уловят.


Приблизително представяне на сорта Calabi - Yau (източник: публично достояние)

Освен това до средата на 90-те години се появиха още четири последователни теории за струните, което е твърде много за обединяваща теория. Учените търсеха само едно "универсално уравнение".

Американският физик Едуард Витен обаче открива, че всичките пет теории за суперструните всъщност са само груби описания на една така наречена М-теория, която работи с единадесет измерения. М означава английска магия, мистерия или мембрана. Подробен математически анализ на М-теорията разкрива, че освен струни на най-малкото ниво, има и произволно големи структури, наречени порти. Те ограничават движението на краищата на отворените струни. (Има два вида струни - отворени, които приличат на парче конец със свободни краища, и затворени. И двата им края са свързани.)

Въпреки че М-теорията е най-важният кандидат за теорията на всичко, тя представя такива абстрактни идеи, че много учени се съмняват в нейната коректност и я смятат по-скоро за математическа играчка. Самата теория на струните също е на това. Тя също така описва такива малки обекти, че сегашните им устройства дори не могат косвено да ги открият и е под въпрос дали изобщо някога ще успее.

Липсва доказателство

От друга страна е възможно учените да успеят да разкрият поне някои от макроскопичните последици от теориите за суперструните. Изчисленията разкриха, че колкото повече енергия съдържа низът, толкова по-бързо той трепти. От определен момент обаче, по-нататъшното подаване на енергия няма да повлияе на метода на вибрация, но ще доведе до увеличаване на размерите (удължаването) на струната, докато няма ограничение за нейния растеж.

По този начин, чрез концентриране на достатъчно количество енергия върху една точка в пространството, експериментаторите могат да увеличат (разширят) струните в наблюдаема форма. Основната пречка отново са техническите възможности.

Привържениците на теориите за суперструните обаче твърдят, че дълги струни вече са се образували в изключително гореща вселена непосредствено след Големия взрив. И въпреки че днес те вероятно вече не съществуват, те може да са оставили леки следи, които бихме могли да открием в космическата реликтова радиация. Така че теорията за миниатюрните струни в крайна сметка може да бъде потвърдена от астрономически наблюдения.

Други изчисления, базирани на М-теория, дори предсказват, че струните могат да достигнат размери около 10 -18 m дори при нормални обстоятелства. Това е стойност около сто милиона милиарда пъти по-голяма от първоначално приетите размери, съответстващи на дължината на Планк. Това приблизително съответства на размера на кварките. 3 Въпреки че подобни размери може да изглеждат твърде малки, учените могат да наблюдават признаци на струни с такъв размер, например в ускорители на частици в продължение на няколко десетилетия.

Успяхме да ви донесем тази статия благодарение на поддръжката на Patreone. Символичен принос също ще ни помогне да публикуваме повече качествени статии.

Бележки
1. Основните природни сили включват силно и слабо ядрено взаимодействие, електромагнетизъм и гравитация.
2. Според теорията на струните свойствата на частиците възникват в резултат на различни начини за вибриране на струните. Трите измерения обаче не осигуряват достатъчно „пространство“, за да задоволят вибрационните модели, необходими за създаване на всички наблюдавани свойства на материята, и в същото време уравненията са математически правилни. Изчисленията показват, че необходимите условия могат да бъдат изпълнени само в допълнителни размери, поне в десет.
3. Тези резултати могат да бъдат получени при условие, че цялата ни Вселена е триизмерна порта.