Тэорыя суперструн папулярным мовай для чайнікаў

Тэорыя суперструн, папулярным мовай, уяўляе сусвет як сукупнасць вібруюць нітак энергіі - струн. Яны з'яўляюцца асновай прыроды. Гіпотэза апісвае і іншыя элементы - лаянку. Усе рэчывы ў нашым свеце складаюцца з ваганняў струн і вайну. Натуральным следствам тэорыі з'яўляецца апісанне гравітацыі. Менавіта таму навукоўцы лічаць, што ў ёй змяшчаецца ключ да аб'яднання сілы цяжару з іншымі ўзаемадзеяннямі.

канцэпцыя развіваецца

Тэорыя адзінага поля, тэорыя суперструн, - матэматычная. Як і ўсе фізічныя канцэпцыі, яна заснаваная на ўраўненнях, якія могуць быць пэўным чынам інтэрпрэтаваныя.

Сёння ніхто не ведае дакладна, якім будзе канчатковы варыянт гэтай тэорыі. Навукоўцы маюць даволі цьмянае ўяўленне пра яе агульных элементах, але ніхто яшчэ не прыдумаў канчатковага ўраўненні, які ахапіў бы ўсе тэорыі суперструн, а эксперыментальна да гэтага часу не ўдалося яе пацвердзіць (хоць і абвергнуць таксама). Фізікі стварылі спрошчаныя версіі ўраўненні, але пакуль што яно не цалкам апісвае нашу сусвет.

Тэорыя суперструн для пачаткоўцаў

У аснове гіпотэзы пакладзены пяць ключавых ідэй.

1. Тэорыя суперструн прадказвае, што ўсе аб'екты нашага свету складаюцца з вібруюць нітак і мембран энергіі.
2. Яна спрабуе сумясціць агульную тэорыю адноснасці (гравітацыі) з квантавай фізікай.
3. Тэорыя суперструн дазволіць аб'яднаць усе фундаментальныя сілы сусвету.
4. Гэтая гіпотэза прадказвае новую сувязь, Суперсіметрыя, паміж дзвюма прынцыпова рознымі тыпамі часціц, базон і фермионами.
5. Канцэпцыя апісвае шэраг дадатковых, звычайна ненаблюдаемых вымярэнняў Сусвету.

Струны і лаянку

Калі тэорыя паўстала ў 1970-я гады, ніткі энергіі ў ёй лічыліся 1-мернымі аб'ектамі - струнамі. Слова «аднамерны» кажа пра тое, што струна мае толькі 1 вымярэнне, даўжыню, у адрозненне ад, напрыклад, квадрата, які мае даўжыню і вышыню.

Гэтыя суперструн тэорыя дзеліць на два выгляду - замкнёныя і адкрытыя. Адкрытая струна мае канцы, якія не сутыкаюцца адзін з адным, у той час як замкнёная струна з'яўляецца пятлёй без адкрытых рэшт. У выніку было ўстаноўлена, што гэтыя струны, званыя струнамі першага тыпу, схільныя 5 асноўных тыпаў узаемадзеянняў.

Ўзаемадзеяння заснаваныя на здольнасці струны злучаць і падзяляць свае канцы. Паколькі канцы адкрытых струн могуць аб'яднацца, каб утвараць замкнёныя, нельга пабудаваць тэорыю суперструн, ня якая ўключае закольцованной струны.

Гэта аказалася важным, так як замкнёныя струны валодаюць ўласцівасцямі, як мяркуюць фізікі, якія маглі б апісаць гравітацыю. Іншымі словамі, навукоўцы зразумелі, што тэорыя суперструн замест тлумачэння часціц матэрыі можа апісваць іх паводзіны і сілу цяжару.

Праз многія гады было выяўлена, што, акрамя струн, тэорыі неабходныя і іншыя элементы. Іх можна разглядаць як лісты, або лаянку. Струны могуць мацавацца да іх адной або абодвум бакам.

квантавая гравітацыя

Сучасная фізіка мае два асноўных навуковых закона: агульную тэорыю адноснасці (АТА) і квантавую. Яны прадстаўляюць зусім розныя галіне навукі. Квантавая фізіка вывучае драбнюткія прыродныя часціцы, а АМАіК, як правіла, апісвае прыроду ў маштабах планет, галактык і сусвету ў цэлым. Гіпотэзы, якія спрабуюць аб'яднаць іх, называюцца тэорыямі квантавай гравітацыі. Найбольш перспектыўнай з іх сёння з'яўляецца струнная.

Замкнёныя ніткі адпавядаюць паводзінам сілы цяжару. У прыватнасці, яны валодаюць ўласцівасцямі гравитона, часціцы, пераносячы гравітацыю паміж аб'ектамі.

аб'яднанне сіл

Тэорыя струн спрабуе аб'яднаць чатыры сілы - электрамагнітную, моцныя і слабыя ядзерныя ўзаемадзеяння, і гравітацыю - у адну. У нашым свеце яны праяўляюць сябе як чатыры розныя з'явы, але струнныя тэарэтыкі лічаць, што ў ранняй Сусвету, калі былі неверагодна высокія ўзроўні энергіі, усе гэтыя сілы апісваюцца струнамі, якія ўзаемадзейнічаюць адзін з адным.

Суперсіметрыя

Усе часціцы ў сусвеце можна падзяліць на два тыпу: базоны і фермионы. Тэорыя струн прадказвае, што паміж імі існуе сувязь, званая Суперсіметрыя. Пры Суперсіметрыя для кожнага базона павінен існаваць фермион і для кожнага фермиона - базон. На жаль, эксперыментальна існаванне такіх часціц не пацьверджана.

Суперсіметрыя з'яўляецца матэматычнай залежнасцю паміж элементамі фізічных раўнанняў. Яна была знойдзена ў іншай вобласці фізікі, а яе прымяненне прывяло да перайменавання ў тэорыю суперсимметричных струн (або тэорыя суперструн, папулярным мовай) у сярэдзіне 1970 гадоў.

Адным з пераваг Суперсіметрыя з'яўляецца тое, што яна значна спрашчае ўраўненні, дазваляючы выключыць некаторыя зменныя. Без Суперсіметрыя ўраўненні прыводзяць да фізічных супярэчнасцям, такім як бясконцыя значэння і ўяўныя энергетычныя ўзроўні.

Паколькі навукоўцы не назіралі часціцы, прадказаныя Суперсіметрыя, яна ўсё яшчэ з'яўляецца гіпотэзай. Многія фізікі лічаць, што прычына гэтага - неабходнасць у значнай колькасці энергіі, якая звязаная з масай вядомым раўнаннем Эйнштэйна E = mc ^2. Гэтыя часціцы маглі існаваць у ранняй сусвету, але так як яна астыла, і пасля Вялікага выбуху энергія распаўсюдзілася, гэтыя часціцы перайшлі на нізкаэнергетычных ўзроўні.

Іншымі словамі, струны, вібраваць як высокаэнергетычныя часціцы, страцілі энергію, што ператварыла іх у элементы з больш нізкай вібрацыяй.

Навукоўцы спадзяюцца, што астранамічныя назіранні або эксперыменты з паскаральнікамі часціц пацвердзяць тэорыю, выявіўшы некаторыя з суперсимметричных элементаў з больш высокай энергіяй.

дадатковыя вымярэння

Іншым матэматычным следствам тэорыі струн з'яўляецца тое, што яна мае сэнс у свеце, лік вымярэнняў якога больш трох. У цяперашні час гэтаму існуе два тлумачэнні:

1. Дадатковыя вымярэння (шэсць з іх) згарнуліся, або, у тэрміналогіі тэорыі струн, компактифицировались да неверагодна малых памераў, ўспрыняць якія ніколі не атрымаецца.
2. Мы затрымаліся ў 3-мернай лаянку, а іншыя вымярэння распасціраюцца па-за яе і для нас недаступныя.

Важным напрамкам даследаванняў сярод тэарэтыкаў з'яўляецца матэматычнае мадэляванне таго, як гэтыя дадатковыя каардынаты могуць быць звязаныя з нашымі. Апошнія вынікі прадказваюць, што навукоўцы ў хуткім часе змогуць выявіць гэтыя дадатковыя вымярэння (калі яны існуюць) у маючых адбыцца эксперыментах, так як яны могуць быць больш, чым чакалася раней.

разуменне мэты

Мэта, да якой імкнуцца навукоўцы, даследуючы суперструн - «тэорыя ўсяго», т. Е. Адзіная фізічная гіпотэза, якая на фундаментальным узроўні апісвае ўсю фізічную рэальнасць. У выпадку поспеху яна магла б растлумачыць многія пытанні будовы нашай сусвету.

Тлумачэнне матэрыі і масы

Адна з асноўных задач сучасных даследаванняў - пошук рашэнні для рэальных часціц.

Тэорыя струн пачыналася як канцэпцыя, якая апісвае такія часціцы, як адроны, рознымі вышэйшымі вагальны станамі струны. У большасці сучасных фармулёвак, матэрыя, якая назіраецца ў нашай сусвету, з'яўляецца вынікам ваганняў струн і вайну з найменшай энергіяй. Вібрацыі з большай спараджаюць высокоэнергичные часціцы, якія ў цяперашні час у нашым свеце не існуюць.

Маса гэтых элементарных часціц з'яўляецца праявай таго, як струны і лаянку загорнуты ў компактифицированных дадатковых вымярэннях. Напрыклад, у спрошчаным выпадку, калі яны згорнутыя ў форме абаранка, званым матэматыкамі і фізікамі Торам, струна можа абгарнуць гэтую форму двума спосабамі:

• кароткая пятля праз сярэдзіну тора;
• доўгая пятля вакол усёй знешняй акружнасці тора.

Кароткая пятля будзе лёгкай часціцай, а вялікая - цяжкай. Пры пераварочванне струн вакол торообразный компактифицированных вымярэнняў ўтвараюцца новыя элементы з рознымі масамі.

Тэорыя суперструн коратка і зразумела, проста і элегантна тлумачыць пераход даўжыні ў масу. Згорнутыя вымярэння тут значна складаней тора, але ў прынцыпе яны працуюць таксама.

Магчыма нават, хоць гэта цяжка ўявіць, што струна абгортвае тор ў двух напрамках адначасова, вынікам чаго будзе іншая часціца з другога масай. Лаянку таксама могуць абгортваць дадатковыя вымярэння, ствараючы яшчэ больш магчымасцяў.

Вызначэнне прасторы і часу

У многіх версіях тэорыя суперструн вымярэння згортвае, робячы іх ненаблюдаемыми на сучасным узроўні развіцця тэхналогіі.

У цяперашні час не ясна, ці зможа тэорыя струн растлумачыць фундаментальную прыроду прасторы і часу больш, чым гэта зрабіў Эйнштэйн. У ёй вымярэння з'яўляюцца фонам для ўзаемадзеяння струн і самастойнага рэальнага сэнсу не маюць.

Прапаноўваліся тлумачэння, да канца не дапрацаваныя, якія датычылі прадстаўлення прасторы-часу як вытворнага агульнай сумы ўсіх струнных узаемадзеянняў.

Такі падыход не адказвае паданнях некаторых фізікаў, што прывяло да крытыкі гіпотэзы. Канкурэнтная тэорыя петлевой квантавай гравітацыі ў якасці адпраўной кропкі выкарыстоўвае квантавання прасторы і часу. Некаторыя лічаць, што ў канчатковым выніку яна стане толькі іншым падыходам да ўсё той жа базавай гіпотэзе.

Квантавання сілы цяжару

Галоўным дасягненнем дадзенай гіпотэзы, калі яна пацвердзіцца, будзе квантавая тэорыя гравітацыі. Бягучае апісанне сілы цяжару ў АМАіК не адпавядае з квантавай фізікай. Апошняя, накладваючы абмежаванні на паводзіны невялікіх часціц, пры спробе даследаваць Сусвет ў вельмі малых маштабах вядзе да ўзнікнення супярэчнасцяў.

уніфікацыя сіл

У цяперашні час фізікам вядомыя чатыры фундаментальныя сілы: гравітацыя, электрамагнітная, слабыя і моцныя ядзерныя ўзаемадзеяння. З тэорыі струн вынікае, што ўсе яны калісьці з'яўляліся праявамі адной.

Згодна з гэтай гіпотэзе, так як ранняя сусвет астыла пасля вялікага выбуху, гэта адзінае ўзаемадзеянне стала распадацца на розныя, якія дзейнічаюць сёння.

Эксперыменты з высокімі энергіямі калі-небудзь дазволяць нам выявіць аб'яднанне гэтых сіл, хаця такія досведы знаходзяцца далёка за межамі бягучага развіцця тэхналогіі.

Пяць варыянтаў

Пасля суперструн рэвалюцыі 1984 г., распрацоўкі вяліся з ліхаманкавай хуткасцю. У выніку замест адной канцэпцыі атрымалася пяць, названых тып I, IIA, IIB, HO, HE, кожная з якіх амаль цалкам апісвала наш свет, але не да канца.

Фізікі, перабіраючы версіі тэорыі струн у надзеі знайсці універсальную сапраўдную формулу, стварылі 5 розных самадастатковых варыянту. Нейкія іх ўласцівасці адлюстроўвалі фізічную рэальнасць свету, іншыя не адпавядалі рэчаіснасці.

М-тэорыя

На канферэнцыі ў 1995 годзе фізік Эдвард Віттэн прапанаваў адважнае рашэнне праблемы пяці гіпотэз. Грунтуючыся на нядаўна выяўленыя дуальнасць, усе яны сталі прыватнымі выпадкамі адзінай ўсёабдымнай канцэпцыі, названай Виттеном М-тэорыя суперструн. Адным з ключавых яе паняццяў сталі лаянцы (скарачэнне ад мембраны), фундаментальныя аб'екты, якія валодаюць больш чым 1 вымярэннем. Хоць аўтар не прапанаваў поўную версію, якой няма да гэтага часу, М-тэорыя суперструн коратка складаецца з такіх рыс:

• 11-мернасць (10 прасторавых плюс 1 часовае вымярэнне);
• дваістасці, якія прыводзяць да пяці тэорыям, якія тлумачаць тую ж фізічную рэальнасць;
• лаюцца - струны, з больш чым 1 вымярэннем.

следства

У выніку замест аднаго паўстала 10 ⁵⁰⁰ рашэнняў. Для некаторых фізікаў гэта стала прычынай крызісу, іншыя ж прынялі антрапічны прынцып, які тлумачыць ўласцівасці сусвету нашым прысутнасцю ў ёй. Застаецца чакаць, калі тэарэтыкі знойдуць іншы спосаб арыентавання ў тэорыі суперструн.

Некаторыя інтэрпрэтацыі кажуць пра тое, што наш свет не адзіны. Найбольш радыкальныя версіі дазваляюць існаванне бясконцага ліку сусветаў, некаторыя з якіх ўтрымліваюць дакладныя копіі нашай.

Тэорыя Эйнштэйна прадказвае існаванне згорнутага прасторы, якое называюць чарвяточынай або мостам Эйнштэйна-Розена. У гэтым выпадку два аддаленых ўчастка звязаны кароткім праходам. Тэорыя суперструн дазваляе не толькі гэта, але і злучэнне аддаленых кропак паралельных светаў. Магчымы нават пераход паміж сусветамі з рознымі законамі фізікі. Аднак верагодны варыянт, калі квантавая тэорыя гравітацыі зробіць іх існаванне немагчымым.

Многія фізікі лічаць, што галаграфічны прынцып, калі ўся інфармацыя, якая змяшчаецца ў аб'ёме прасторы, адпавядае інфармацыі, запісанай на яго паверхні, дазволіць глыбей зразумець канцэпцыю энергетычных нітак.

Некаторыя мяркуюць, што тэорыя суперструн дазваляе множнасць вымярэнняў часу, следствам чаго можа быць падарожжа праз іх.

Акрамя таго, у рамках гіпотэзы існуе альтэрнатыва мадэлі вялікага выбуху, паводле якога нашая сусвет з'явілася ў выніку сутыкнення двух лаянку і праходзіць праз паўтараюцца цыклы стварэння і разбурэння.

Канчатковая лёс светабудовы заўсёды займала фізікаў, і канчатковая версія тэорыі струн дапаможа вызначыць шчыльнасць матэрыі і касмалагічную канстанту. Ведаючы гэтыя значэння, касмалогія змогуць усталяваць, ці будзе сусвет сціскацца да таго часу, пакуль не выбухне, каб усе пачалося зноў.

Ніхто не ведае, да чаго можа прывесці навуковая тэорыя, пакуль яна не будзе распрацавана і праверана. Эйнштэйн, запісаўшы раўнанне E = mc ^2, не меркаваў, што яно прывядзе да з'яўлення ядзернай зброі. Стваральнікі квантавай фізікі не ведалі, што яна стане асновай для стварэння лазера і транзістара. І хоць цяпер яшчэ не вядома, да чаго прывядзе такая асабліва тэарэтычная канцэпцыя, гісторыя сведчыць пра тое, што, напэўна, атрымаецца нешта выбітнае.

Больш падрабязна аб гэтай гіпотэзе можна прачытаць у кнізе Эндру Цімермана "Тэорыя суперструн для чайнікаў».