Един от основните кандидати за теория на всичко е теорията на струните или нейната по-обобщена версия, M-теория. Но това прави едно предсказание, че едва ли някога ще успеем да проверим - скрити, уплътнени измерения.
Теорията на струните се опитва не само да комбинира квантовата механика с общата относителност, но и да обясни спектъра на частиците и силите, наблюдавани в природата. В най-новата формулировка на теорията - теория на матрицата - има 11 измерения. Привържениците му са изправени пред един от най-големите проблеми с теориите на струните - обясняват как допълнителните измерения се „уплътняват“, което ги прави невъзможни за наблюдение в нашия четириизмерен свят. Компактизацията изяснява и най-интересните свойства на теорията.
Теорията на струните гласи, че светът е съставен от невероятно малки вибриращи струни в десетмерно пространство-време. През 1995 г., по време на втората суперструнна революция, Едуард Витен предлага М-теория, която комбинира всички пет различни типа теория на струните. Това е 11-измерена теория, която включва супергравитация. Сред учените няма единен отговор какво означава „М“в името, но много теоретици са съгласни, че тази буква означава „мембрани“, тъй като теорията съдържа вибриращи повърхности с няколко различни измерения. В M-теорията липсват точни уравнения на движение, но през 1996 г. Том Бенкс от университета Рутгерс и неговите колеги предлагат описание на нея като „теория на матрицата“, чиито основни променливи са матрици.
Комплицирането на тази 11-мерна теория с четири промени в никакъв случай не беше лесно. Да се уплътни буквално означава да се „навият” допълнителните измерения на една теория до много малки размери. Например, за да сгънете две измерения, вземете поничка - или торус (това е двуизмерна повърхност) - и го компресирайте в кръг или контур с малко напречно сечение и след това компресирайте този контур до точка. Без достатъчно чувствителна сонда, която би могла да регистрира „изтласкани“измервания, този цикъл изглежда едномерен, докато точката е нулева. В теорията на М се приема, че говорим за размери от порядъка на 10-33 сантиметра, които от своя страна по никакъв начин не могат да бъдат регистрирани с модерно оборудване. Оказва се, че след уплътняване на седем измерения, светът около нас изглежда четириизмерен.
Edward Witten / списание Quanta / Jean Sweep.
Но какво е измерение само по себе си? Интуитивно може да изглежда, че всяко измерение е независима посока, в която ние (или всеки обект) можем да се движим. Така се оказва, че живеем в три пространствени измерения - "напред-назад", "наляво-надясно" и "нагоре-надолу" - и един път - "минало-бъдеще". Като цяло това са четири измерения. Но нашето възприятие за измерения е плътно обвързано с везни.
Представете си, че наблюдавате кораб, плаващ от разстояние до пристанището. В началото изглежда като нулева точка на хоризонта. След известно време разбирате, че има мачта, насочена към небето: сега изглежда като едномерна линия. Тогава забелязвате неговите платна - и обектът изглежда вече двуизмерен. Когато корабът се приближава до пристанището, най-накрая забелязвате, че той има дълга палуба - третото измерение.
В това няма нищо странно, както и във факта, че поничка, намалена до невероятен размер, изглежда като точка с нулеви измерения. Въпросът е, че не сме в състояние да определим измервания от големи разстояния. Това логично води до описаното по-горе: може да има други измерения, но те са толкова малки, че ние не ги възприемаме.
Промоционално видео:
Да се върнем към уплътняването на измерванията. Представете си, че сте катерица, която живее на безкрайно дълъг ствол на дърво. По един или друг начин стволът на дървото е цилиндър. Можете да се движите в две независими посоки - "по протежение" и "наоколо". След като се отегчите, се придвижвате до дърво с по-тънък ствол, чиято обиколка е много по-малка. Сега вашето "около" измерение е много по-малко от преди. Нужни са ви само две стъпки, за да заобиколите напълно цевта. Скачате на още по-тънко дърво. Сега с една стъпка увивате цевта сто пъти! Измерението „наоколо“стана твърде малко, за да го забележите. Колкото по-тънки стават стволовете на дърветата, толкова повече размерите на вашия свят се свеждат до едно.
Колкото по-малко дърво скача катерица, толкова по-малко е измерението "наоколо", в което може да се движи и което може да възприема / WhyStringTheory.com
Точно това се случва в теорията на струните с шест (седем за М-теория) допълнителни измерения. Всеки път, когато движите ръката си през пространството, въртите около скритите размери невероятен брой пъти.
Както бе споменато по-горе, размерите на уплътнените измервания са от порядъка на 10-33 сантиметра, което е сравнимо с дължината на Планк (1,6х10-33 сантиметра). Трябва да се отбележи, че е малко вероятно в близко бъдеще да имаме възможност директно да ги регистрираме експериментално. Въпреки това учените се надяват на някои тестове, резултатите от които обаче до голяма степен зависят от успешното съчетание на обстоятелствата.
Формата и размерите на струните са изключително важни за симулиране на техните вибрации и взаимодействия. Трябва да разберете как се усукват около шестте навити измерения. Прецизната структура на повърхността, образувана чрез уплътняване, променя физиката, задвижвана от струните.
Има няколко начина, по които допълнителните размери могат да се сгънат в толкова малко пространство. Все още обаче не е известно кой от тези методи в крайна сметка води до традиционната физика.
В миналото са правени много опити за уплътняване на теорията на матриците, използвайки шестмерен тороид, но нищо не се е получило от нея. Никой не мислеше, че предполагаемо по-трудният проблем с уплътняването с многообразията на Калаби-Яу ще осигури работещи решения за работеща теория. Съчетаването на размерите с многообразията на Калаби-Яу избягва някои от усложненията на теорията на матрицата.
Настоящите изследвания в теорията на струните са повече за многообразията на Калаби-Яу. Това със сигурност е обещаваща група от компактификации, но все още няма ясен отговор и броят на откритите многообразия вече се е увеличил до 10 (до мощността на 500), както наскоро посочи един от теоретиците на струните Брайън Грийн в подкаст на Шон Карол.
Шестимерни колектори Calabi - Яу / Вимео / Графен.
Теоретиците на струните все още са далеч от ясно и недвусмислено разбиране дали М-теорията всъщност описва света в най-малките мащаби. Както обаче отбеляза Едуард Витен: „Удивително е как можете да изградите теория, която включва гравитацията, но която първоначално се е основавала само на теорията на габаритите“.
Теорията на струните е сложен математически апарат. Както Клифърд Джонсън и Брайън Грийн посочиха в интервютата от нашето списание, е трудно да се каже, че тази теория всъщност описва реалността. Но дори и да се окаже, че тя няма нищо общо с реалността, тогава определено ще бъде важна стъпка към нещо по-голямо - към теория, която описва Вселената по-точно и по-елегантно от всичко, което познавахме преди.
Владимир Гилен
