Вероятно сте чували, че най-популярната научна теория на нашето време - теория на струните - включва много повече измерения, отколкото здравият разум предполага.
Най-големият проблем за теоретичните физици е как да комбинират всички основни взаимодействия (гравитационни, електромагнитни, слаби и силни) в една единствена теория. Теорията на суперструните твърди, че е теорията на всичко.
Но се оказа, че най-удобният брой измерения, необходими за тази теория, е десет (девет от които са пространствени, а едно е временно)! Ако има повече или по-малко измерения, математическите уравнения дават ирационални резултати, стигащи до безкрайност - сингулярност.
Следващият етап от развитието на теорията за суперструните - М-теорията - вече е отброил единадесет измерения. И още една негова версия - F-теория - всичките дванадесет. И това изобщо не е усложнение. F-теорията описва 12-измерното пространство чрез по-прости уравнения от М-теорията - 11-измерението.
Разбира се, теоретичната физика не се нарича теоретична за нищо. Всички нейни постижения досега съществуват само на хартия. И така, за да обяснят защо можем да се движим само в триизмерно пространство, учените започнаха да говорят за това как нещастните други измерения трябваше да се свият в компактни сфери на квантово ниво. По-точно, не в сфери, а в пространствата на Калаби-Яу.
Това са такива триизмерни фигури, вътре в които свой собствен свят със собствено измерение. Двумерна проекция на такива многообразие изглежда така:
Промоционално видео:
Известни са повече от 470 милиона такива фигурки. Кое от тях съответства на нашата реалност, в момента се изчислява. Не е лесно да си теоретичен физик.
Да, изглежда малко надут. Но може би точно това обяснява защо квантовият свят е толкова различен от този, който възприемаме.
Нека се потопим малко в историята
През 1968 г. младият теоретик-физик Габриеле Венециано преодоля многото експериментално наблюдавани характеристики на силното ядрено взаимодействие. Венециано, който по това време работеше в CERN, Европейската лаборатория за ускоряване в Женева, Швейцария, работи над този проблем няколко години, докато един ден блестящо предположение за него не се появи. За негова изненада той разбра, че една екзотична математическа формула, измислена около двеста години по-рано от известния швейцарски математик Леонард Ойлер за чисто математически цели - така наречената бета функция на Ойлер - изглежда може да опише с един кратък момент всички многобройни свойства на частиците, участващи в силна ядрена сила.
Свойството, отбелязано от Венециано, предостави мощно математическо описание на много характеристики на силното взаимодействие; тя предизвика буря на работата, в която бета функцията и различните й обобщения бяха използвани за описание на огромното количество данни, натрупани при изследването на сблъсъци с частици по целия свят. В известен смисъл, наблюдението на Венециано беше непълно. Подобно на запаметена формула, използвана от ученик, който не разбира нейното значение или значение, бета функцията на Ойлер работеше, но никой не разбра защо. Това беше формула, която се нуждаеше от обяснение.
Габриеле Венециано.
Това се промени през 1970 г., когато Йохиро Намбу от Чикагския университет, Холгер Нилсен от института Нилс Бор и Леонард Сускинд от Станфордския университет успяха да разкрият физическия смисъл зад формулата на Ойлер. Тези физици показаха, че когато елементарните частици са представени от малки вибриращи едномерни струни, силното взаимодействие на тези частици е точно описано с помощта на функцията на Ойлер. Ако низовите сегменти са достатъчно малки, аргументират тези изследователи, те все още ще изглеждат като точкови частици и следователно няма да противоречат на резултатите от експерименталните наблюдения. Въпреки че теорията беше проста и интуитивно привлекателна, скоро беше показано, че описанието на силните взаимодействия с помощта на низове е погрешно. В началото на 70-те години.високоенергийните физици успяха да погледнат по-дълбоко в субатомния свят и показаха, че редица прогнози на струнния модел са в пряк конфликт с наблюденията. В същото време, развитието на квантовата теория на полето - квантовата хромодинамика, в която е използван точковият модел на частиците, продължава паралелно. Успехите на тази теория при описанието на силното взаимодействие доведоха до изоставяне на теорията на струните.
Повечето физици на частици вярват, че теорията на струните е завинаги в кошчето, но редица изследователи остават верни на нея. Шварц например смята, че „математическата структура на теорията на струните е толкова красива и има толкова много поразителни свойства, че несъмнено би трябвало да сочи към нещо по-дълбоко“2). Един от проблемите, с които физиците се сблъскват с теорията на струните, е, че изглежда, че предлага твърде много възможности за избор, което е объркващо.
Някои от вибриращите струнни конфигурации в тази теория имаха свойства, наподобяващи тези на глуоните, което даде основание наистина да го считат за теория за силните взаимодействия. Но в допълнение към това, тя съдържа допълнителни частици-носители на взаимодействие, които нямат нищо общо с експерименталните прояви на силно взаимодействие. През 1974 г. Шварц и Джоел Шерк от Френското висше техническо училище направиха смело предположение, което превърна този възприет недостатък във добродетел. Проучвайки странните вибрационни режими на струните, напомнящи частици-носители, те разбраха, че тези свойства учудващо точно съвпадат с приетите свойства на хипотетична носеща частица на гравитационното взаимодействие - гравитона. Въпреки че тези „малки частици“от гравитационното взаимодействие все още не са открити, теоретиците могат с увереност да предскажат някои от основните свойства, които тези частици трябва да притежават. Scherk и Schwartz откриха, че тези характеристики са точно реализирани за някои режими на вибрации. Въз основа на това те предположиха, че първото появяване на теорията на струните завършва с неуспех поради физиците, които прекалено стесняват нейния обхват. Шерк и Шварц обявиха, че теорията на струните не е просто теория за силната сила, тя е квантова теория, която включва гравитацията, наред с други неща). Въз основа на това те предположиха, че първото появяване на теорията на струните завършва с неуспех поради физиците, които прекалено стесняват нейния обхват. Шерк и Шварц обявиха, че теорията на струните не е просто теория за силната сила, тя е квантова теория, която включва гравитацията, наред с други неща). Въз основа на това те предположиха, че първото появяване на теорията на струните завършва с неуспех поради физиците, които прекалено стесняват нейния обхват. Шерк и Шварц обявиха, че теорията на струните не е просто теория за силната сила, тя е квантова теория, която включва гравитацията, наред с други неща).
Физическата общност реагира на това предположение с много сдържано отношение. Всъщност, според спомените на Шварц, „нашата работа беше игнорирана от всички“4). Пътеките на прогреса вече бяха пълни с множество неуспешни опити за комбиниране на гравитацията и квантовата механика. Теорията на струните се провали в първоначалния си опит да опише силни взаимодействия и мнозина смятаха, че е безсмислено да се опитват да я използват за постигане на още по-големи цели. Последващи по-подробни проучвания от края на 70-те и началото на 80-те години. показа, че между теорията на струните и квантовата механика възникват собствени, макар и по-малки по мащаб, противоречия. Впечатлението направи, че гравитационната сила отново е в състояние да устои на опита да я вгради в описанието на Вселената на микроскопично ниво.
Това е до 1984 г. В забележителен документ, обобщаващ повече от десетилетие на интензивни изследвания, които до голяма степен бяха игнорирани или отхвърлени от повечето физици, Грийн и Шварц откриха, че незначителното противоречие с квантовата теория, която порази теорията на струните, може да да бъде позволено. Освен това те показаха, че получената теория е достатъчно широка, за да обхване и четирите типа взаимодействия и всички видове материя. Новините за този резултат се разпространиха из цялата физическа общност: стотици физици от частици спряха да работят по своите проекти, за да участват в нещо като последната теоретична битка във вековно нападение върху най-дълбоките основи на Вселената.
Новината за успеха на Грийн и Шварц в крайна сметка достигна дори до аспирантите на първата им година на обучение, а старата униние беше заменена от вълнуващо чувство за участие в повратна точка в историята на физиката. Много от нас седяха дълбоко след полунощ, изучавайки тежките томове по теоретична физика и абстрактна математика, познаването на които е необходимо за разбиране на теорията на струните.
Според учените ние самите и всичко около нас се състои от безкраен брой такива мистериозни сгънати микро-обекти.
Периодът от 1984 до 1986 година сега известна като "първата революция в теорията на суперструните". През този период физиците по света са написали над хиляда статии по теория на струните. Тези доклади категорично показаха, че многото свойства на Стандартния модел, открити през десетилетия старателни изследвания, естествено произтичат от величествената система на теорията на струните. Както отбеляза Майкъл Грийн, „в момента, в който се запознаете с теорията на струните и осъзнаете, че почти всички основни постижения на физиката от миналия век следват - и следвате с такава елегантност - от такава проста отправна точка, ясно ви демонстрира невероятната сила на тази теория.“5 Освен това, за много от тези свойства, както ще видим по-долу, теорията на струните осигурява много по-пълно и задоволително описание от стандартния модел. Този напредък убеди много физици, че теорията на струните може да изпълни своите обещания и да се превърне в върховната обединяваща теория.
Двумерна проекция на 3-колектор на Калаби-Яу Тази проекция дава представа колко сложни са допълнителните измерения.
Въпреки това, физиците по теория на струните се сблъскват със сериозни препятствия отново и отново по пътя. В теоретичната физика често се налага да се справяте с уравнения, които са или твърде сложни, за да се разберат, или са трудни за разрешаване. Обикновено в такава ситуация физиците не се отказват и се опитват да получат приблизително решение на тези уравнения. Състоянието на нещата в теорията на струните е много по-сложно. Дори извеждането на уравненията се оказа толкова сложно, че досега беше възможно да се получи само тяхната приблизителна форма. Така физиците, работещи в теорията на струните, се оказват в ситуация, в която трябва да търсят приблизителни решения за приблизителни уравнения. След години поразителен напредък по време на първата суперструнна революция, физиците са изправени предче използваните приблизителни уравнения не са в състояние да дадат верния отговор на редица важни въпроси, като по този начин възпрепятстват по-нататъшното развитие на изследванията. Липсвайки конкретни идеи за надхвърляне на тези приблизителни методи, много физици, работещи в областта на теорията на струните, изпитваха нарастващо чувство на неудовлетвореност и се връщаха към предишните си изследвания. За тези, които останаха, края на 80-те и началото на 90-те. бяха периодът на тестване.
Красотата и потенциалната сила на теорията на струните привличали изследователите като златно съкровище, затворено сигурно в сейф, което може да се види само през мъничко зърно, но никой не е имал ключ да освободи тези спящи сили. Дълъг период на „суша“от време на време беше прекъснат от важни открития, но на всички беше ясно, че са необходими нови методи, които ще позволят на човек да надхвърли вече известните приблизителни решения.
Краят на стагнацията дойде със спираща дъха беседа от Едуард Виттен на конференцията за теория на струните през 1995 г. в Университета в Южна Калифорния - беседа, която смая публиката, пълна с водещи световни физици. В него той разкри план за следващата фаза на изследване, като по този начин инициира "втората революция в теорията на суперструните". Сега теоретиците на струните работят енергично върху нови методи, които обещават да преодолеят срещаните препятствия.
За широкото популяризиране на ТС човечеството трябва да издигне паметник на професора от Колумбийския университет Брайън Грийн. Книгата му от 1999 г. Елегантна Вселена. Суперструни, скрити измерения и търсене на крайната теория”стана бестселър и получи награда Пулицър. Работата на учения е в основата на популярна научна мини-поредица със самия автор като домакин - фрагмент от нея може да се види в края на материала (снимка на Ейми Сусман / Колумбийския университет).
Сега нека се опитаме да разберем поне малко същността на тази теория
Започни отначало. Нулевото измерение е точка. Тя няма измерения. Няма къде да се премести, не са необходими координати, които да обозначават местоположение в такова измерение.
Нека поставим втората до първата точка и да начертаем линия през тях. Ето първото измерение. Едномерният обект има размер - дължина, но без ширина или дълбочина. Движението в едноизмерното пространство е много ограничено, тъй като възникналата по пътя пречка не може да бъде избегната. На тази линия е нужна само една координата.
Нека поставим точка до сегмента. За да поберем и двата обекта, се нуждаем от двуизмерно пространство, което има дължина и ширина, тоест площ, но без дълбочина, тоест обем. Местоположението на всяка точка от това поле се определя от две координати.
Третото измерение възниква, когато добавим трета координатна ос към тази система. За нас, жителите на триизмерната вселена, е много лесно да си представим това.
Нека се опитаме да си представим как обитателите на двуизмерното пространство виждат света. Например, ето тези двама души:
Всеки от тях ще види своя приятел така:
Но в тази ситуация:
Нашите герои ще се виждат така:
Именно промяната в гледната точка позволява на нашите герои да се преценят един друг като двуизмерни обекти, а не едномерни сегменти.
Сега нека си представим, че определен обемен обект се движи в третото измерение, което пресича този двуизмерен свят. За външен наблюдател това движение ще се изрази в промяна в двумерни проекции на обект върху равнина, като броколи в MRI машина:
Но за жител на нашата равнина такава картина е непонятна! Той дори не може да си я представи. За него всяка от двуизмерните проекции ще се разглежда като едноизмерен сегмент със загадъчно променлива дължина, възникващ на непредвидимо място и също непредвидимо изчезващ. Опитите да се изчисли дължината и мястото на произход на такива обекти, като се използват законите на физиката на двуизмерното пространство, са обречени на неуспех.
Ние, жителите на триизмерния свят, виждаме всичко като двуизмерно. Само движението на даден обект в пространството ни позволява да усетим неговия обем. Също така ще виждаме всеки многоизмерен обект като двуизмерен, но той ще се промени по невероятен начин в зависимост от нашето относително положение или време.
От тази гледна точка е интересно да се мисли за гравитацията например. Вероятно всеки е виждал подобни снимки:
Върху тях е обичайно да се изобразява как гравитацията огъва пространството-времето. Завои … къде? Точно в никое от измеренията, които познаваме. А какво да кажем за квантовото тунелиране, тоест способността на частица да изчезне на едно място и да се появи на съвсем различно място, освен това зад препятствие, през което в нашите реалности тя не би могла да проникне, без да направи дупка в нея? Ами черните дупки? Но какво ще стане, ако всички тези и други мистерии на съвременната наука се обяснят с факта, че геометрията на космоса изобщо не е същата, каквато сме го свикнали?
Часовникът тиктака
Времето добавя още една координата към нашата Вселена. За да се проведе парти, трябва да знаете не само в кой бар ще се проведе, но и точното време на това събитие.
Въз основа на възприятието ни времето не е толкова права линия, колкото лъч. Тоест, той има отправна точка и движението се осъществява само в една посока - от миналото към бъдещето. И само настоящето е истинско. Нито миналото, нито бъдещето, така както няма закуска и вечеря от гледна точка на офис чиновник в обедно време.
Но теорията на относителността не е съгласна с това. От нейна гледна точка времето е пълно измерение. Всички събития, които са съществували, съществуват и ще продължат да съществуват, са толкова реални, колкото е истинският морският плаж, без значение къде точно мечтите за звука на прибоя ни отведе изненадващо. Нашето възприятие е просто нещо като прожектор, който осветява някакъв сегмент от време по права линия. Човечеството в четвъртото си измерение изглежда така:
Но ние виждаме само проекция, резен от това измерение във всеки отделен момент от време. Да, като броколи на MRI машина.
Досега всички теории са работили с голям брой пространствени измерения, а времевите винаги са били единствени. Но защо пространството позволява множество измерения за пространството, но само един път? Докато учените не могат да отговорят на този въпрос, хипотезата за две или повече времеви пространства ще изглежда много привлекателна за всички философи и писатели на научна фантастика. Да, и физиците, какво наистина има. Например американският астрофизик Ицхак Барс вижда второто време измерение като корен на всички проблеми с Теорията на всичко. Като умствено упражнение, нека се опитаме да си представим свят с два пъти.
Всяко измерение съществува отделно. Това се изразява във факта, че ако променим координатите на даден обект в едно измерение, координатите в други могат да останат непроменени. Така че, ако се движите по една часова ос, която се пресича с друга под прав ъгъл, тогава в точката на пресичане времето наоколо ще спре. На практика ще изглежда така:
Всичко, което трябваше да направи Neo, беше да разположи едномерната си времева ос, перпендикулярна на часовата ос на куршумите. Чиста дреболия, съгласете се. Всъщност всичко е много по-сложно.
Точното време във вселена с две измерения във времето ще се определя от две стойности. Трудно ли е да си представим двуизмерно събитие? Тоест тази, която се простира едновременно по две времеви оси? Вероятно е такъв свят да изисква специалисти по картографиране на времето, тъй като картографите картографират двуизмерната повърхност на земното кълбо.
Какво още отличава двумерното пространство от едномерното пространство? Например способността да се заобиколи препятствие. Това вече е напълно извън границите на нашия ум. Жител на едноизмерен свят не може да си представи какво е да завиеш ъгъл. И какво е това - кът във времето? Освен това в двуизмерното пространство можете да пътувате напред, назад и дори по диагонал. Нямам представа какво е да вървим по диагонал през времето. Дори не говоря за факта, че времето е в основата на много физически закони и е невъзможно да си представим как физиката на Вселената ще се промени с появата на друго времево измерение. Но да мислиш за това е толкова вълнуващо!
Много голяма енциклопедия
Други измерения все още не са открити и съществуват само в математическите модели. Но можете да опитате да ги представите така.
Както разбрахме по-рано, виждаме триизмерна проекция на четвъртото (време) измерение на Вселената. С други думи, всеки момент от съществуването на нашия свят е точка (подобна на нулевото измерение) във времевия интервал от Големия взрив до края на света.
Тези от вас, които са чели за пътуването във времето, знаят колко важна е кривината на пространствено-времевия континуум в тях. Това е петото измерение - именно в него четиримерното пространство-време е „огънато“, за да се съберат някои две точки по тази права линия. Без това пътуването между тези точки би било твърде дълго или дори невъзможно. Грубо казано, петото измерение е подобно на второто - той премества "едномерната" линия от пространство-време в "двуизмерната" равнина с всички произтичащи от това възможности за увиване около ъгъл.
Нашите особено философски настроени читатели малко по-рано, вероятно, се замислиха за възможността за свободна воля в условия, когато бъдещето вече съществува, но все още не е известно. Науката отговаря на този въпрос по следния начин: вероятности. Бъдещето не е пръчка, а цяла метла от възможни сценарии. Кое ще се сбъдне - ще разберем, когато стигнем до там.
Всяка от вероятностите съществува като "едномерен" сегмент в "равнината" на петото измерение. Кой е най-бързият начин да прескочите от един сегмент в друг? Точно така - огънете тази равнина като лист хартия. Къде да се огъвам? И отново е правилно - в шестото измерение, което дава на цялата сложна структура „обем“. И по този начин го прави, като триизмерно пространство, „завършено“, нова точка.
Седмото измерение е нова права линия, която се състои от шестмерни "точки". Каква е всяка друга точка на тази линия? Целият безкраен набор от възможности за развитие на събития в друга вселена, формирани не в резултат на Големия взрив, а в различни условия и действащи според различни закони. Тоест, седмото измерение е мъниста от паралелни светове. Осмото измерение събира тези "линии" в една "равнина". И деветата може да се сравни с книга, която пасва на всички „листове“от осмо измерение. Това е сбор от всички истории на всички вселени с всички закони на физиката и всички първоначални условия. Посочете отново.
Тук се сблъскваме с ограничението. За да си представим десетото измерение, се нуждаем от права линия. И каква друга точка може да има на тази линия, ако деветото измерение вече обхваща всичко, което може да се представи, и дори това, което е невъзможно да си представим? Оказва се, че деветото измерение не е просто още една отправна точка, а финалната - за нашето въображение, във всеки случай.
Теорията на струните твърди, че именно в десетото измерение струните вибрират - основните частици, които изграждат всичко. Ако десетото измерение съдържа всички вселени и всички възможности, тогава струните съществуват навсякъде и през цялото време. В известен смисъл, всяка струна съществува във нашата Вселена и всяка друга. Във всеки даден момент. Веднага. Готино, а?
Физик, експерт по теория на струните. Известен с работата си върху огледална симетрия, свързана с топологията на съответните многообразие Калаби-Яу. Той е известен на широката аудитория като автор на научно-популярни книги. Елегантната му Вселена беше номинирана за награда „Пулицър“.
През септември 2013 г. Браян Грийн пристигна в Москва по покана на Политехническия музей. Известният физик, теоретик на струни, професор в Колумбийския университет, той е известен на широката общественост преди всичко като популяризатор на науката и автор на книгата "Елегантна Вселена". Lenta.ru разговаря с Брайън Грийн за теорията на струните и последните трудности, с които се сблъсква, както и за квантовата гравитация, амплитудхедъра и социалния контрол.