نظریه ریسمان. نظریه ریسمان چیست - به طور خلاصه و واضح برای آدمک ها

آیا تا به حال فکر کرده اید که جهان مانند یک ویولن سل است؟ درست است - او نیامد. چون کائنات مانند ویولن سل نیست. اما این بدان معنا نیست که رشته ای ندارد. البته، رشته های جهان به سختی شبیه به آن چیزی است که ما تصور می کنیم. در تئوری ریسمان، آنها رشته های ارتعاشی فوق العاده کوچکی از انرژی هستند. این نخ‌ها بیشتر شبیه نوارهای لاستیکی کوچکی هستند که می‌توانند به هر شکلی خم شوند، کشیده و فشرده شوند. اما همه اینها به این معنی نیست که نمی توان سمفونی کیهان را روی آنها "نواخت" کرد، زیرا به گفته نظریه پردازان ریسمان، هر چیزی که وجود دارد از این "رشته ها" تشکیل شده است.

©depositphotos.com

تناقض فیزیک

در نیمه دوم قرن نوزدهم، به نظر فیزیکدانان این بود که دیگر هیچ چیز جدی در علم آنها کشف نمی شود. فیزیک کلاسیک معتقد بود مشکلات جدیچیزی در آن باقی نمانده بود و کل ساختار جهان مانند یک ماشین کاملاً منظم و قابل پیش بینی به نظر می رسید. مشکل، طبق معمول، به دلیل مزخرفات اتفاق افتاد - یکی از "ابرهای" کوچک که هنوز در آسمان روشن و قابل درک علم باقی مانده است. یعنی هنگام محاسبه انرژی تابش یک جسم کاملا سیاه (جسمی فرضی که در هر دمایی، بدون توجه به طول موج، تابش وارد شده به آن را به طور کامل جذب می کند). محاسبات نشان داد که کل انرژی تابش هر جسم کاملا سیاه باید بی نهایت بزرگ باشد. دانشمند آلمانی ماکس پلانک در سال 1900 برای دور شدن از چنین پوچ آشکاری پیشنهاد کرد که نور مرئی، اشعه ایکس و دیگران امواج الکترومغناطیسیمی تواند تنها توسط بخش های گسسته خاصی از انرژی که او آن را کوانتا نامیده است منتشر شود. با کمک آنها موفق شدیم حل کنیم مشکل خصوصیبدنه کاملا مشکی با این حال، پیامدهای فرضیه کوانتومی برای جبرگرایی هنوز محقق نشده بود. تا اینکه در سال 1926 دانشمند آلمانی دیگری به نام ورنر هایزنبرگ اصل معروف عدم قطعیت را فرموله کرد.

ماهیت آن در این واقعیت خلاصه می شود که برخلاف همه اظهارات غالب قبلی، طبیعت توانایی ما را برای پیش بینی آینده بر اساس قوانین فیزیکی محدود می کند. ما البته در مورد آینده و حال ذرات زیراتمی صحبت می کنیم. معلوم شد که آنها کاملاً متفاوت از آنچه در جهان کلان اطراف ما انجام می دهند رفتار می کنند. در سطح زیراتمی، بافت فضا ناهموار و آشفته می شود. دنیای ذرات ریز آنقدر آشفته و غیرقابل درک است که عقل سلیم را به چالش می کشد. فضا و زمان در آن چنان در هم پیچیده و در هم تنیده شده اند که هیچ مفهوم معمولی چپ و راست، بالا و پایین و حتی قبل و بعد وجود ندارد. هیچ راهی برای گفتن دقیق اینکه یک نقطه در فضا دقیقاً در کجا قرار دارد وجود ندارد. این لحظهاین یا آن ذره و تکانه زاویه ای آن چقدر است. تنها احتمال مشخصی برای یافتن یک ذره در بسیاری از مناطق فضا-زمان وجود دارد. به نظر می رسد ذرات در سطح زیراتمی در سراسر فضا "لکه دار" شده اند. نه تنها این، بلکه "وضعیت" خود ذرات نیز تعریف نشده است: در برخی موارد آنها مانند امواج رفتار می کنند، در برخی دیگر آنها خواص ذرات را نشان می دهند. این همان چیزی است که فیزیکدانان آن را دوگانگی موج-ذره مکانیک کوانتومی می نامند.

سطوح ساختار جهان: 1. سطح ماکروسکوپی - ماده
2. سطح مولکولی 3. سطح اتمی - پروتون، نوترون و الکترون
4. سطح زیراتمی – الکترون 5. سطح زیراتمی – کوارک ها 6. سطح رشته
© برونو پی راموس

در نظریه نسبیت عام، گویی در حالتی با قوانین مخالف، وضعیت اساساً متفاوت است. به نظر می رسد فضا مانند یک ترامپولین است - پارچه ای صاف که می تواند توسط اجسام دارای جرم خم شده و کشیده شود. آنها تاب هایی را در فضا-زمان ایجاد می کنند - چیزی که ما به عنوان گرانش تجربه می کنیم. ناگفته نماند که نظریه نسبیت عام هماهنگ، صحیح و قابل پیش بینی در تضاد لاینحلی با "اغتشاش گریز" - مکانیک کوانتومی - است و در نتیجه، جهان کلان نمی تواند با جهان خرد "صلح کند". اینجاست که نظریه ریسمان به کمک می آید.

©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project

نظریه همه چیز

نظریه ریسمان مظهر رویای همه فیزیکدانان برای متحد کردن دو اساساً متناقض نسبیت عام و مکانیک کوانتومی است، رویایی که آلبرت انیشتین بزرگ‌ترین «کولی و ولگرد» را تا پایان روزگارش تعقیب کرد.

بسیاری از دانشمندان بر این باورند که همه چیز از رقص بدیع کهکشان ها تا رقص دیوانه کننده ذرات زیراتمی را می توان در نهایت تنها با یک اصل فیزیکی اساسی توضیح داد. شاید حتی یک قانون واحد که همه انواع انرژی، ذرات و فعل و انفعالات را در فرمولی زیبا متحد می کند.

نسبیت عام یکی از معروف ترین نیروهای جهان - گرانش را توصیف می کند. مکانیک کوانتومی سه نیروی دیگر را توصیف می‌کند: نیروی هسته‌ای قوی، که پروتون‌ها و نوترون‌ها را در اتم‌ها به هم می‌چسباند، الکترومغناطیس، و نیروی ضعیف که در واپاشی رادیواکتیو نقش دارد. هر رویدادی در جهان، از یونیزاسیون یک اتم تا تولد یک ستاره، با برهمکنش های ماده از طریق این چهار نیرو توصیف می شود. با کمک پیچیده ترین ریاضیات، می توان نشان داد که برهمکنش های الکترومغناطیسی و ضعیف ماهیت مشترکی دارند و آنها را در یک برهمکنش الکتروضعیف واحد ترکیب می کنیم. متعاقباً تعامل هسته ای قوی به آنها اضافه شد - اما گرانش به هیچ وجه به آنها نمی پیوندد. نظریه ریسمان یکی از جدی ترین نامزدها برای اتصال هر چهار نیرو است، و بنابراین، همه پدیده های جهان را در بر می گیرد - بی جهت نیست که آن را "نظریه همه چیز" نیز می نامند.

©Wikimedia Commons

در ابتدا یک اسطوره وجود داشت

تا به حال، همه فیزیکدانان از نظریه ریسمان خوشحال نشده اند. و در طلوع ظهورش، بی نهایت دور از واقعیت به نظر می رسید. تولد او یک افسانه است.

در اواخر دهه 1960، یک فیزیکدان نظری جوان ایتالیایی، گابریله ونزیانو، در جستجوی معادلاتی بود که بتواند نیروی هسته ای قوی را توضیح دهد - «چسب» بسیار قدرتمندی که هسته اتم ها را به هم متصل می کند و پروتون ها و نوترون ها را به هم متصل می کند. طبق افسانه، او یک بار به طور تصادفی به کتابی غبارآلود در مورد تاریخ ریاضیات برخورد کرد، که در آن معادله ای دویست ساله پیدا کرد که اولین بار توسط ریاضیدان سوئیسی، لئونارد اویلر نوشته شده بود. تعجب ونزیانو را تصور کنید وقتی کشف کرد که معادله اویلر، که مدتها چیزی بیش از یک کنجکاوی ریاضی در نظر گرفته نمی شد، این تعامل قوی را توصیف کرد.

واقعا چه شکلی بود؟ این معادله احتمالاً نتیجه تلاش چندین ساله ونزیانو بود و شانس تنها به برداشتن اولین گام به سمت کشف نظریه ریسمان کمک کرد. معادله اویلر که به طور معجزه آسایی نیروی قوی را توضیح می داد، جان تازه ای گرفت.

در پایان، چشم فیزیکدان نظری جوان آمریکایی، لئونارد ساسکیند را به خود جلب کرد، او متوجه شد که اول از همه، این فرمول ذراتی را توصیف می کند که ساختار داخلی ندارند و می توانند ارتعاش کنند. این ذرات به گونه ای رفتار می کردند که نمی توانستند فقط ذرات نقطه ای باشند. ساسکیند فهمید - فرمول یک نخ را توصیف می کند که مانند یک نوار الاستیک است. او نه تنها می‌توانست کشش و منقبض کند، بلکه می‌توانست نوسان کند و بپیچد. ساسکیند پس از توصیف کشف خود، ایده انقلابی تارها را معرفی کرد.

متأسفانه اکثریت قریب به اتفاق همکارانش با این نظریه بسیار خونسرد استقبال کردند.

مدل استاندارد

در آن زمان، علم متعارف ذرات را به‌عنوان نقطه نشان می‌داد تا رشته‌ها. برای سال‌ها، فیزیکدان‌ها رفتار ذرات زیراتمی را با کوبیدن آنها به یکدیگر مطالعه کرده‌اند. سرعت های بالاو بررسی پیامدهای این برخوردها. معلوم شد که جهان بسیار غنی تر از آن چیزی است که بتوان تصور کرد. این یک "انفجار جمعیت" واقعی ذرات بنیادی بود. دانشجویان فارغ التحصیل فیزیک در راهروها می دویدند و فریاد می زدند که ذره جدیدی کشف کرده اند - حتی حروف کافی برای تعیین آنها وجود نداشت.

اما، افسوس، در "بیمارستان زایمان" ذرات جدید، دانشمندان هرگز نتوانستند پاسخ این سوال را بیابند - چرا تعداد زیادی از آنها وجود دارد و از کجا می آیند؟

این امر فیزیکدانان را بر آن داشت تا یک پیش‌بینی غیرمعمول و شگفت‌انگیز انجام دهند - آنها متوجه شدند که نیروهایی که در طبیعت کار می‌کنند را می‌توان بر حسب ذرات نیز توضیح داد. یعنی ذرات ماده هستند و ذراتی هستند که برهم کنش دارند. برای مثال فوتون ذره ای از نور است. هر چه تعداد این ذرات حامل بیشتر باشد - همان فوتون هایی که ذرات ماده تبادل می کنند - نور روشن تر می شود. دانشمندان پیش بینی کردند که این تبادل خاص از ذرات حامل چیزی بیش از آن چیزی نیست که ما به عنوان نیرو درک می کنیم. این با آزمایشات تایید شد. اینگونه بود که فیزیکدانان توانستند به رویای انیشتین برای متحد کردن نیروها نزدیک شوند.

©Wikimedia Commons

دانشمندان بر این باورند که اگر بلافاصله پس از انفجار بزرگ، زمانی که کیهان تریلیون‌ها درجه داغ‌تر بود، حرکت کنیم، ذرات حامل الکترومغناطیس و نیروی ضعیف غیرقابل تشخیص خواهند شد و در یک نیروی واحد به نام نیروی الکتروضعیف ترکیب می‌شوند. و اگر در زمان حتی به عقب‌تر برگردیم، برهمکنش ضعیف الکترومغناطیسی با برهمکنش قوی ترکیب می‌شود و به یک «فوق‌نیروی» کلی تبدیل می‌شود.

اگرچه همه اینها هنوز در انتظار اثبات هستند، مکانیک کوانتومی به طور ناگهانی توضیح داد که چگونه سه نیرو از چهار نیرو در سطح زیراتمی برهم کنش می‌کنند. و او آن را به زیبایی و پیوستگی توضیح داد. این تصویر منسجم از تعاملات در نهایت به عنوان مدل استاندارد شناخته شد. اما افسوس که این نظریه کامل یک مشکل بزرگ داشت - معروف ترین نیروی سطح کلان - گرانش - را شامل نمی شد.

©Wikimedia Commons

گراویتون

برای تئوری ریسمان، که هنوز وقت «شکوفایی» نداشت، «پاییز» فرا رسیده است؛ این نظریه از همان بدو تولد مشکلات زیادی داشت. به عنوان مثال، محاسبات این تئوری وجود ذراتی را پیش‌بینی می‌کرد که، همانطور که به زودی مشخص شد، وجود ندارند. این به اصطلاح تاکیون است - ذره ای که در خلاء سریعتر از نور حرکت می کند. از جمله، معلوم شد که این نظریه به 10 بعد نیاز دارد. جای تعجب نیست که این برای فیزیکدانان بسیار گیج کننده بوده است، زیرا آشکارا بزرگتر از چیزی است که ما می بینیم.

تا سال 1973، تنها تعداد کمی از فیزیکدانان جوان هنوز با اسرار نظریه ریسمان دست و پنجه نرم می کردند. یکی از آنها جان شوارتز فیزیکدان نظری آمریکایی بود. به مدت چهار سال، شوارتز تلاش کرد معادلات سرکش را رام کند، اما فایده ای نداشت. در میان مشکلات دیگر، یکی از این معادلات در توصیف یک ذره مرموز که جرمی نداشت و در طبیعت مشاهده نشده بود، ادامه داشت.

دانشمند قبلاً تصمیم گرفته بود تجارت فاجعه بار خود را رها کند، و سپس به او رسید - شاید معادلات نظریه ریسمان نیز گرانش را توصیف می کند؟ با این حال، این مستلزم تجدید نظر در ابعاد "قهرمانان" اصلی نظریه - رشته ها است. با فرض اینکه ریسمان ها میلیاردها و میلیاردها بار کوچکتر از یک اتم هستند، «رشته ها» نقطه ضعف این نظریه را به مزیت آن تبدیل کردند. ذره اسرارآمیز که جان شوارتز به طور مداوم سعی کرده بود از شر آن خلاص شود، اکنون به عنوان یک گراویتون عمل می کند - ذره ای که مدت ها در جستجوی آن بود و اجازه می داد گرانش به سطح کوانتومی منتقل شود. اینگونه بود که نظریه ریسمان پازل را با گرانش تکمیل کرد که در مدل استاندارد وجود نداشت. اما، افسوس، حتی به این کشف، جامعه علمی به هیچ وجه واکنشی نشان نداد. نظریه ریسمان در آستانه بقا باقی ماند. اما این مانع شوارتز نشد. فقط یک دانشمند می خواست به جستجوی او بپیوندد، آماده به خطر انداختن شغل خود به خاطر رشته های مرموز - مایکل گرین.

فیزیکدان نظری آمریکایی جان شوارتز (بالا) و مایکل گرین
©موسسه فناوری کالیفرنیا/elementy.ru

چه دلایلی وجود دارد که فکر کنیم گرانش از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می کند؟ برای کشف این "بنیادها" در سال 2011، او جایزه گرفت جایزه نوبلدر فیزیک این شامل این واقعیت است که انبساط جهان، همانطور که قبلا تصور می شد، کند نمی شود، بلکه برعکس، شتاب می گیرد. این شتاب با عمل یک "ضد جاذبه" ویژه توضیح داده می شود که به نوعی مشخصه فضای خالی خلاء فضا است. از سوی دیگر، در سطح کوانتومی، هیچ چیز مطلقاً "خالی" نمی تواند باشد - در خلاء، ذرات زیر اتمی دائما ظاهر می شوند و بلافاصله ناپدید می شوند. اعتقاد بر این است که این "سوسو زدن" ذرات مسئول وجود انرژی تاریک "ضد گرانش" است که فضای خالی را پر می کند.

زمانی این آلبرت انیشتین بود که تا پایان عمرش هرگز اصول متناقض مکانیک کوانتومی را نپذیرفت (که خود او پیش‌بینی کرده بود) وجود این شکل از انرژی را مطرح کرد. با پیروی از سنت فلسفه کلاسیک یونان، ارسطو، با اعتقادش به ابدیت جهان، اینشتین از باور آنچه که نظریه خود او پیش‌بینی می‌کرد، یعنی اینکه جهان آغازی دارد، خودداری کرد. اینشتین برای «تداوم» جهان، حتی یک ثابت کیهان‌شناختی خاص را وارد نظریه خود کرد و بنابراین انرژی فضای خالی را توصیف کرد. خوشبختانه بعد از چند سال مشخص شد که کیهان اصلاً شکل منجمد نیست و در حال انبساط است. سپس انیشتین ثابت کیهانی را رها کرد و آن را "بزرگترین اشتباه محاسباتی زندگی خود" نامید.

امروزه علم می داند که انرژی تاریک هنوز وجود دارد، اگرچه چگالی آن بسیار کمتر از آن چیزی است که انیشتین فرض می کرد (به هر حال، مشکل چگالی انرژی تاریک یکی از بزرگترین اسرار فیزیک مدرن است). اما مهم نیست که مقدار ثابت کیهانی چقدر کوچک است، برای تأیید وجود اثرات کوانتومی در گرانش کاملاً کافی است.

عروسک های تودرتو زیر اتمی

علیرغم همه چیز، در اوایل دهه 1980، نظریه ریسمان همچنان دارای تناقضات حل نشدنی بود که به آن ناهنجاری در علم می گویند. شوارتز و گرین تصمیم گرفتند آنها را حذف کنند. و تلاش آنها بیهوده نبود: دانشمندان توانستند برخی از تناقضات موجود در نظریه را از بین ببرند. تعجب این دو را تصور کنید که قبلاً به این واقعیت عادت کرده بودند که نظریه آنها نادیده گرفته شد، زمانی که واکنش جامعه علمی منفجر شد. دنیای علمی. در کمتر از یک سال، تعداد نظریه پردازان ریسمان به صدها نفر افزایش یافته است. پس از آن بود که نظریه ریسمان عنوان نظریه همه چیز را به خود اختصاص داد. به نظر می رسید نظریه جدید قادر به توصیف همه اجزای جهان است. و اینها اجزا هستند.

همانطور که می دانیم هر اتم از ذرات حتی کوچکتر تشکیل شده است - الکترون ها که در اطراف هسته ای متشکل از پروتون ها و نوترون ها می چرخند. پروتون ها و نوترون ها به نوبه خود از ذرات حتی کوچکتر - کوارک ها تشکیل شده اند. اما تئوری ریسمان می گوید که به کوارک ها ختم نمی شود. کوارک‌ها از رشته‌های کوچک و متحرک انرژی که شبیه رشته‌ها هستند ساخته شده‌اند. هر یک از این رشته ها به طرز غیرقابل تصوری کوچک هستند. آنقدر کوچک که اگر اتم به اندازه آن بزرگ می شد منظومه شمسی، رشته به اندازه یک درخت خواهد بود. همانطور که ارتعاشات مختلف یک سیم ویولن سل آنچه را می شنویم ایجاد می کند، همانطور که نت های مختلف موسیقی، حالت های مختلف ارتعاش سیم به ذرات می دهد. خواص منحصر به فرد- جرم، شارژ و غیره آیا می دانید پروتون های نوک ناخن شما چگونه با گراویتون هنوز کشف نشده تفاوت دارند؟ فقط با مجموعه رشته های کوچکی که آنها را تشکیل می دهند و نحوه ارتعاش آن رشته ها.

البته همه اینها بیش از حد تعجب آور است. تا بحال یونان باستانفیزیکدانان به این واقعیت عادت کرده اند که همه چیز در این جهان از چیزی مانند توپ ها، ذرات ریز تشکیل شده است. و به این ترتیب که وقت نداشتند به رفتار غیرمنطقی این توپ ها که از مکانیک کوانتومی ناشی می شود عادت کنند، از آنها خواسته می شود که این پارادایم را کاملاً رها کرده و با نوعی ضایعات اسپاگتی کار کنند ...

بعد پنجم

اگرچه بسیاری از دانشمندان نظریه ریسمان را پیروزی ریاضیات می‌نامند، اما برخی از مشکلات همچنان با آن باقی می‌ماند - از جمله مهم‌ترین آنها عدم وجود هرگونه امکان آزمایش تجربی آن در آینده نزدیک. هیچ ساز در جهان، نه موجود و نه قادر به ظهور در آینده، قادر به «دیدن» تار نیست. بنابراین، اتفاقاً برخی از دانشمندان حتی این سؤال را مطرح می کنند: آیا نظریه ریسمان یک نظریه فیزیک است یا فلسفه؟ ... درست است که دیدن ریسمان "با چشمان خود" اصلاً ضروری نیست. اثبات نظریه ریسمان، به جای آن، مستلزم چیز دیگری است - چیزی که به نظر می رسد علمی تخیلی است - تأیید وجود ابعاد اضافی فضا.

در مورد چیست؟ همه ما به سه بعد فضا و یک زمان عادت کرده ایم. اما نظریه ریسمان وجود ابعاد دیگر - اضافی - را پیش بینی می کند. اما بیایید به ترتیب شروع کنیم.

در واقع، ایده وجود ابعاد دیگر تقریباً صد سال پیش به وجود آمد. این موضوع در سال 1919 به ذهن تئودور کالوزا، ریاضیدان آلمانی ناشناخته آن زمان رسید. او احتمال بعد دیگری را در جهان ما پیشنهاد کرد که ما آن را نمی بینیم. آلبرت انیشتین در مورد این ایده یاد گرفت و در ابتدا بسیار آن را دوست داشت. اما بعداً در صحت آن تردید کرد و انتشار کالوزا را دو سال تمام به تأخیر انداخت. اما در نهایت مقاله منتشر شد و بعد اضافی به نوعی سرگرمی برای نابغه فیزیک تبدیل شد.

همانطور که می دانید، انیشتین نشان داد که گرانش چیزی بیش از تغییر شکل ابعاد فضا-زمان نیست. کالوزا پیشنهاد کرد که الکترومغناطیس نیز می تواند موجی باشد. چرا ما آن را نمی بینیم؟ کالوزا پاسخ این سوال را یافت - امواج الکترومغناطیس ممکن است در یک بعد اضافی و پنهان وجود داشته باشد. اما کجاست؟

پاسخ به این سوال توسط فیزیکدان سوئدی اسکار کلاین داده شد، او پیشنهاد کرد که بعد پنجم کالوزا میلیاردها برابر قوی تر از اندازه یک اتم تا شده است، به همین دلیل است که ما نمی توانیم آن را ببینیم. ایده این بعد کوچک که در اطراف ما وجود دارد در قلب نظریه ریسمان قرار دارد.

در داخل هر یک از این اشکال، یک ریسمان می لرزد و حرکت می کند - جزء اصلی کیهان.
هر فرم شش بعدی است - با توجه به تعداد شش بعد اضافی
©Wikimedia Commons

ده بعد

اما در واقع، معادلات نظریه ریسمان، نه حتی یک، بلکه به شش بعد اضافی نیاز دارند (در مجموع، با چهار بعدی که می‌شناسیم، دقیقاً 10 مورد از آنها وجود دارد). همه آنها بسیار پیچ خورده و پیچ خورده دارند شکل پیچیده. و همه چیز به طرز غیرقابل تصوری کوچک است.

این اندازه گیری های کوچک چگونه می توانند بر دنیای بزرگ ما تأثیر بگذارند؟ طبق نظریه ریسمان، تعیین کننده است: برای آن، شکل همه چیز را تعیین می کند. وقتی کلیدهای مختلف ساکسیفون را فشار می دهید، می توانید و صداهای مختلف. این به این دلیل اتفاق می افتد که وقتی یک کلید خاص یا ترکیبی از کلیدها را فشار می دهید، شکل فضای آلت موسیقی را تغییر می دهید که هوا در آن جریان دارد. به لطف این، صداهای مختلفی متولد می شوند.

نظریه ریسمان نشان می دهد که ابعاد منحنی و پیچ خورده اضافی فضا به روشی مشابه خود را نشان می دهد. اشکال این ابعاد اضافی پیچیده و متنوع هستند و هر کدام باعث می شوند که رشته ای که در چنین ابعادی قرار دارد دقیقاً به دلیل شکل آنها ارتعاش متفاوتی داشته باشد. به هر حال، اگر مثلاً فرض کنیم که یک رشته در داخل یک کوزه و دیگری در داخل یک شیپور خمیده می‌لرزد، این ارتعاشات کاملاً متفاوت خواهند بود. با این حال، اگر به نظریه ریسمان اعتقاد دارید، در واقع اشکال ابعاد اضافی بسیار پیچیده تر از یک کوزه به نظر می رسند.

جهان چگونه کار می کند

علم امروز مجموعه ای از اعداد را می شناسد که ثابت های اساسی جهان هستند. آنها هستند که خصوصیات و ویژگی های هر چیزی را در اطراف ما تعیین می کنند. از جمله این ثابت ها می توان به عنوان مثال بار یک الکترون، ثابت گرانش، سرعت نور در خلاء... و اگر این اعداد را حتی به تعداد ناچیز تغییر دهیم، عواقب آن فاجعه بار خواهد بود. فرض کنید ما قدرت برهمکنش الکترومغناطیسی را افزایش دادیم. چی شد؟ ممکن است ناگهان متوجه شویم که یون‌ها شروع به دفع قوی‌تر یکدیگر می‌کنند و همجوشی هسته‌ای که باعث درخشش ستاره‌ها و انتشار گرما می‌شود، ناگهان از کار می‌افتد. همه ستاره ها خاموش خواهند شد.

اما نظریه ریسمان با ابعاد اضافی آن چه ربطی به آن دارد؟ واقعیت این است که به گفته او، این ابعاد اضافی است که تعیین می کند ارزش دقیقپایه های ثابت. برخی از اشکال اندازه گیری باعث می شوند که یک رشته به روش خاصی ارتعاش کند و چیزی را که ما به عنوان فوتون می بینیم تولید می کند. در اشکال دیگر، ریسمان ها به طور متفاوتی ارتعاش می کنند و یک الکترون تولید می کنند. به راستی که خدا در "چیزهای کوچک" است - این اشکال کوچک است که تمام ثابت های اساسی این جهان را تعیین می کند.

نظریه ابر ریسمان

در اواسط دهه 1980، نظریه ریسمان ظاهر بزرگ و منظمی به خود گرفت، اما در داخل بنا سردرگمی وجود داشت. تنها در عرض چند سال، پنج نسخه از نظریه ریسمان پدیدار شد. و اگرچه هر یک از آنها بر روی رشته ها و ابعاد اضافی ساخته شده اند (هر پنج نسخه در نظریه کلی ابر ریسمان متحد شده اند)، این نسخه ها به طور قابل توجهی در جزئیات متفاوت بودند.

بنابراین، در برخی از نسخه ها، رشته ها دارای انتهای باز بودند، در برخی دیگر آنها شبیه حلقه بودند. و در برخی از نسخه ها، این نظریه حتی به 10 بعد نیاز نداشت، بلکه به 26 بعد نیاز داشت. تناقض این است که هر پنج نسخه امروزی را می توان به یک اندازه درست نامید. اما کدام یک واقعاً جهان ما را توصیف می کند؟ این یکی دیگر از رازهای نظریه ریسمان است. به همین دلیل است که بسیاری از فیزیکدانان دوباره از نظریه "دیوانه" دست کشیدند.

اما مشکل اصلی تارها، همانطور که قبلا ذکر شد، عدم امکان (حداقل در حال حاضر) اثبات حضور آنها به صورت تجربی است.

با این حال، برخی از دانشمندان هنوز هم می گویند که نسل بعدی شتاب دهنده ها فرصت بسیار کم، اما هنوز هم برای آزمایش فرضیه ابعاد اضافی دارند. اگرچه اکثریت، البته، مطمئن هستند که اگر این امکان پذیر باشد، متأسفانه، این اتفاق خیلی زود - حداقل در چند دهه، حداکثر - حتی در صد سال آینده رخ نخواهد داد.

البته، رشته های جهان به سختی شبیه به آن چیزی است که ما تصور می کنیم. در تئوری ریسمان، آنها رشته های ارتعاشی فوق العاده کوچکی از انرژی هستند. این نخ‌ها بیشتر شبیه نوارهای لاستیکی کوچکی هستند که می‌توانند به هر شکلی خم شوند، کشیده و فشرده شوند. اما همه اینها به این معنی نیست که نمی توان سمفونی کیهان را روی آنها "نواخت" کرد، زیرا به گفته نظریه پردازان ریسمان، هر چیزی که وجود دارد از این "رشته ها" تشکیل شده است.

تناقض فیزیک

در نیمه دوم قرن نوزدهم، به نظر فیزیکدانان این بود که دیگر هیچ چیز جدی در علم آنها کشف نمی شود. فیزیک کلاسیک معتقد بود که هیچ مشکل جدی در آن باقی نمانده است و کل ساختار جهان مانند یک ماشین کاملاً تنظیم شده و قابل پیش بینی به نظر می رسد. مشکل، طبق معمول، به دلیل مزخرفات اتفاق افتاد - یکی از "ابرهای" کوچک که هنوز در آسمان روشن و قابل درک علم باقی مانده است. یعنی هنگام محاسبه انرژی تابش یک جسم کاملاً سیاه (جسمی فرضی که در هر دمایی ، بدون توجه به طول موج - NS ، تشعشعات وارده بر آن را کاملاً جذب می کند).

محاسبات نشان داد که کل انرژی تابش هر جسم کاملا سیاه باید بی نهایت بزرگ باشد. ماکس پلانک، دانشمند آلمانی در سال 1900، برای دور شدن از چنین پوچ آشکاری، پیشنهاد کرد که نور مرئی، اشعه ایکس و دیگر امواج الکترومغناطیسی تنها توسط بخش‌های گسسته خاصی از انرژی منتشر می‌شوند که او آن را کوانتا نامید. با کمک آنها، می توان مشکل خاص یک بدن کاملا سیاه را حل کرد. با این حال، پیامدهای فرضیه کوانتومی برای جبرگرایی هنوز محقق نشده بود. تا اینکه در سال 1926 دانشمند آلمانی دیگری به نام ورنر هایزنبرگ اصل معروف عدم قطعیت را فرموله کرد.

هیچ راهی وجود ندارد که بتوان با اطمینان گفت که در حال حاضر یک ذره خاص در چه نقطه ای از فضا قرار دارد و تکانه زاویه ای آن چقدر است. تنها احتمال مشخصی برای یافتن یک ذره در بسیاری از مناطق فضا-زمان وجود دارد. به نظر می رسد ذرات در سطح زیراتمی در سراسر فضا "لکه دار" شده اند. نه تنها این، بلکه "وضعیت" خود ذرات نیز تعریف نشده است: در برخی موارد آنها مانند امواج رفتار می کنند، در برخی دیگر آنها خواص ذرات را نشان می دهند. این همان چیزی است که فیزیکدانان آن را دوگانگی موج-ذره مکانیک کوانتومی می نامند.

سطوح ساختار جهان: 1. سطح ماکروسکوپی - ماده 2. سطح مولکولی 3. سطح اتمی - پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها 4. سطح زیر اتمی - الکترون 5. سطح زیر اتمی - کوارک ها 6. سطح رشته /© برونو پی راموس

جهان دوبعدی نمودار چند وجهی E8 /©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project

نظریه همه چیز

با کمک پیچیده ترین ریاضیات، می توان نشان داد که برهمکنش های الکترومغناطیسی و ضعیف ماهیت مشترکی دارند و آنها را در یک برهمکنش الکتروضعیف واحد ترکیب می کنیم. متعاقباً تعامل هسته ای قوی به آنها اضافه شد - اما گرانش به هیچ وجه به آنها نمی پیوندد. نظریه ریسمان یکی از جدی ترین نامزدها برای اتصال هر چهار نیرو است، و بنابراین، همه پدیده های جهان را در بر می گیرد - بی جهت نیست که آن را "نظریه همه چیز" نیز می نامند.

در ابتدا یک اسطوره وجود داشت

در اواخر دهه 1960، یک فیزیکدان نظری جوان ایتالیایی، گابریله ونزیانو، در جستجوی معادلاتی بود که بتواند نیروی هسته ای قوی را توضیح دهد - «چسب» بسیار قدرتمندی که هسته اتم ها را به هم متصل می کند و پروتون ها و نوترون ها را به هم متصل می کند. طبق افسانه، یک روز او به طور تصادفی به کتابی غبارآلود در مورد تاریخ ریاضیات برخورد کرد که در آن تابعی دویست ساله پیدا کرد که اولین بار توسط ریاضیدان سوئیسی، لئونارد اویلر نوشته شده بود. تعجب ونزیانو را تصور کنید وقتی متوجه شد که تابع اویلر، که مدت‌ها چیزی جز یک کنجکاوی ریاضی در نظر گرفته نمی‌شد، این تعامل قوی را توصیف کرد.

واقعا چه شکلی بود؟ این فرمول احتمالاً نتیجه تلاش چندین ساله ونزیانو بود و شانس تنها به برداشتن اولین گام به سمت کشف نظریه ریسمان کمک کرد. عملکرد اویلر، که به طور معجزه آسایی نیروی قوی را توضیح داد، حیات جدیدی پیدا کرده است.

در نهایت، چشم فیزیکدان نظری جوان آمریکایی، لئونارد ساسکیند را به خود جلب کرد، او متوجه شد که اول از همه، این فرمول ذراتی را توصیف می کند که هیچ ساختار داخلی ندارند و می توانند ارتعاش کنند. این ذرات به گونه ای رفتار می کردند که نمی توانستند فقط ذرات نقطه ای باشند. ساسکیند فهمید - فرمول یک نخ را توصیف می کند که مانند یک نوار الاستیک است. او نه تنها می‌توانست کشش و منقبض کند، بلکه می‌توانست نوسان کند و بپیچد. ساسکیند پس از توصیف کشف خود، ایده انقلابی تارها را معرفی کرد.

متأسفانه اکثریت قریب به اتفاق همکارانش با این نظریه بسیار خونسرد استقبال کردند.

مدل استاندارد

در آن زمان، علم متعارف ذرات را به‌عنوان نقطه نشان می‌داد تا رشته‌ها. سال هاست که فیزیکدانان رفتار ذرات زیراتمی را با برخورد با سرعت بالا و بررسی پیامدهای این برخوردها مورد مطالعه قرار داده اند. معلوم شد که جهان بسیار غنی تر از آن چیزی است که بتوان تصور کرد. این یک "انفجار جمعیت" واقعی ذرات بنیادی بود. دانشجویان فارغ التحصیل فیزیک در راهروها می دویدند و فریاد می زدند که ذره جدیدی کشف کرده اند - حتی حروف کافی برای تعیین آنها وجود نداشت. اما، افسوس، در "بیمارستان زایمان" ذرات جدید، دانشمندان هرگز نتوانستند پاسخ این سوال را بیابند - چرا تعداد زیادی از آنها وجود دارد و از کجا می آیند؟

برهمکنش بین ذرات مختلف در مدل استاندارد /

گراویتون

عروسک های تودرتو زیر اتمی

علیرغم همه چیز، در اوایل دهه 1980، نظریه ریسمان هنوز دارای تناقضات غیر قابل حلی بود که به آن ناهنجاری در علم می گویند. شوارتز و گرین تصمیم گرفتند آنها را حذف کنند. و تلاش آنها بیهوده نبود: دانشمندان توانستند برخی از تناقضات موجود در نظریه را از بین ببرند. تعجب این دو را تصور کنید که قبلاً به این واقعیت عادت کرده بودند که نظریه آنها نادیده گرفته شد، وقتی واکنش جامعه علمی دنیای علم را منفجر کرد. در کمتر از یک سال، تعداد نظریه پردازان ریسمان به صدها نفر افزایش یافته است. پس از آن بود که نظریه ریسمان عنوان نظریه همه چیز را به خود اختصاص داد. به نظر می رسید نظریه جدید قادر به توصیف همه اجزای جهان است. و اینها اجزا هستند.

آنقدر کوچک که اگر یک اتم به اندازه منظومه شمسی بزرگ می شد، ریسمان به اندازه یک درخت می شد. همانطور که ارتعاشات مختلف یک سیم ویولن سل چیزی را ایجاد می کند که ما می شنویم، همانطور که نت های مختلف موسیقی، روش های مختلف (حالت) ارتعاش یک سیم به ذرات ویژگی های منحصر به فرد خود را می دهد - جرم، بار و غیره. آیا می دانید پروتون های نوک ناخن شما چگونه با گراویتون هنوز کشف نشده تفاوت دارند؟ فقط با مجموعه رشته های کوچکی که آنها را تشکیل می دهند و نحوه ارتعاش آن رشته ها.

البته همه اینها بیش از حد تعجب آور است. از زمان یونان باستان، فیزیکدانان به این واقعیت عادت کرده اند که همه چیز در این جهان از چیزی شبیه توپ ها، ذرات ریز تشکیل شده است. و به این ترتیب که وقت نداشتند به رفتار غیرمنطقی این توپ ها که از مکانیک کوانتومی ناشی می شود عادت کنند، از آنها خواسته می شود که این پارادایم را کاملاً رها کرده و با نوعی ضایعات اسپاگتی کار کنند ...

بعد پنجم

یکی از اشکال پیشنهادی ابعاد پیچ خورده اضافی. در داخل هر یک از این اشکال، یک ریسمان می لرزد و حرکت می کند - جزء اصلی کیهان. هر فرم شش بعدی است - با توجه به تعداد شش بعد اضافی /

ده بعد

اما در واقع، معادلات نظریه ریسمان، نه حتی یک، بلکه به شش بعد اضافی نیاز دارند (در مجموع، با چهار بعدی که می‌شناسیم، دقیقاً 10 مورد از آنها وجود دارد). همه آنها شکل پیچیده ای بسیار پیچ خورده و منحنی دارند. و همه چیز به طرز غیرقابل تصوری کوچک است.

این اندازه گیری های کوچک چگونه می توانند بر دنیای بزرگ ما تأثیر بگذارند؟ طبق نظریه ریسمان، تعیین کننده است: برای آن، شکل همه چیز را تعیین می کند. وقتی کلیدهای مختلف را روی یک ساکسیفون فشار می دهید، صداهای متفاوتی دریافت می کنید. این به این دلیل اتفاق می افتد که وقتی یک کلید خاص یا ترکیبی از کلیدها را فشار می دهید، شکل فضای آلت موسیقی را تغییر می دهید که هوا در آن جریان دارد. به لطف این، صداهای مختلفی متولد می شوند.

جهان چگونه کار می کند

اما نظریه ریسمان با ابعاد اضافی آن چه ربطی به آن دارد؟ واقعیت این است که طبق آن، این ابعاد اضافی هستند که مقدار دقیق ثابت های اساسی را تعیین می کنند. برخی از اشکال اندازه گیری باعث می شوند که یک رشته به روش خاصی ارتعاش کند و چیزی را که ما به عنوان فوتون می بینیم تولید می کند. در اشکال دیگر، ریسمان ها به طور متفاوتی ارتعاش می کنند و یک الکترون تولید می کنند. به راستی که خدا در "چیزهای کوچک" است - این اشکال کوچک است که تمام ثابت های اساسی این جهان را تعیین می کند.

نظریه ابر ریسمان

در اواسط دهه 1980، نظریه ریسمان ظاهر بزرگ و منظمی به خود گرفت، اما در داخل بنا سردرگمی وجود داشت. تنها در عرض چند سال، پنج نسخه از نظریه ریسمان پدیدار شد. و اگرچه هر یک از آنها بر روی رشته ها و ابعاد اضافی ساخته شده اند (هر پنج نسخه در نظریه کلی ابررشته ها - NS ترکیب شده اند)، این نسخه ها به طور قابل توجهی در جزئیات متفاوت بودند.

اما مشکل اصلی تارها، همانطور که قبلا ذکر شد، عدم امکان (حداقل در حال حاضر) اثبات حضور آنها به صورت تجربی است.

نسخه های مختلف نظریه ریسمان اکنون به عنوان رقبای اصلی برای عنوان یک نظریه جامع و جهانی که ماهیت همه چیز را توضیح می دهد در نظر گرفته می شود. و این نوعی جام مقدس فیزیکدانان نظری است که در تئوری ذرات بنیادی و کیهان شناسی دخیل هستند. نظریه جهانی (همچنین نظریه هر چیزی که وجود دارد) فقط شامل چند معادله است که کل دانش بشر را در مورد ماهیت فعل و انفعالات و ویژگی های عناصر اساسی ماده که جهان از آنها ساخته شده است، ترکیب می کند.

امروزه نظریه ریسمان با مفهوم ابرتقارن ترکیب شده است و نتیجه آن تولد نظریه ابر ریسمان است و امروزه این حداکثر چیزی است که از نظر یکسان سازی نظریه هر چهار برهمکنش اساسی (نیروهای فعال در طبیعت) به دست آمده است. خود نظریه ابرتقارن بر اساس یک مفهوم مدرن پیشینی ساخته شده است که بر اساس آن هرگونه برهمکنش دور (میدان) به دلیل تبادل ذرات حامل برهمکنش از نوع متناظر بین ذرات برهم کنش است (به مدل استاندارد مراجعه کنید). برای وضوح، ذرات متقابل را می توان «آجر» جهان و ذرات حامل را سیمان در نظر گرفت.

نظریه ریسمان - جهت فیزیک ریاضی، که دینامیک ذرات نقطه ای را نه مانند اکثر شاخه های فیزیک، بلکه اجرام گسترش یافته یک بعدی را مطالعه می کند. رشته های
در مدل استاندارد، کوارک ها به عنوان بلوک های سازنده عمل می کنند و بوزون های گیج که این کوارک ها با یکدیگر مبادله می کنند، به عنوان حامل های برهمکنش عمل می کنند. تئوری ابر تقارن از این هم فراتر می رود و بیان می کند که کوارک ها و لپتون ها خود بنیادی نیستند: همه آنها از ساختارهای حتی سنگین تر و غیر تجربی کشف شده (بلوک های سازنده) ماده تشکیل شده اند که توسط یک "سیمان" قوی تر از ذرات فوق انرژی در کنار هم نگه داشته شده اند. - حامل برهمکنش ها نسبت به کوارک های متشکل از هادرون و بوزون.

به طور طبیعی، هیچ یک از پیش بینی های نظریه ابرتقارن هنوز در شرایط آزمایشگاهی آزمایش نشده است، با این حال، اجزای فرضی پنهان دنیای مادی قبلاً نام هایی دارند - به عنوان مثال، الکترون (شریک ابر متقارن الکترون)، اسکوارک و غیره. وجود این ذرات، با این حال، نوع تئوری است که بدون ابهام پیش بینی شده است.

با این حال، تصویری از کیهان ارائه شده توسط این نظریه ها، بسیار آسان است. در مقیاسی در حدود 10E-35 متر، یعنی 20 مرتبه قدر کوچکتر از قطر همان پروتون، که شامل سه کوارک محدود است، ساختار ماده با آنچه ما به آن عادت داریم حتی در سطح ذرات بنیادی متفاوت است. . در چنین فواصل کوچک (و در چنان انرژی‌های فعل و انفعال زیاد که غیرقابل تصور است) ماده به مجموعه‌ای از امواج ایستاده میدانی تبدیل می‌شود، شبیه به امواج هیجان‌زده در سیم‌های آلات موسیقی. مانند سیم گیتار، در چنین سیمی علاوه بر تون فاندامنتال، بسیاری از تون ها یا هارمونیک ها را می توان برانگیخت. هر هارمونیک حالت انرژی خود را دارد. بر اساس اصل نسبیت (به نظریه نسبیت مراجعه کنید)، انرژی و جرم معادل هستند، به این معنی که هر چه فرکانس ارتعاش موج هارمونیک ریسمان بیشتر باشد، انرژی آن بیشتر و جرم ذره مشاهده شده بیشتر است.

با این حال، اگر تجسم یک موج ایستاده در یک سیم گیتار کاملاً آسان باشد، تجسم امواج ایستاده ارائه شده توسط نظریه ابرسیم دشوار است - واقعیت این است که ارتعاشات ابرسیم ها در فضایی رخ می دهد که 11 بعد دارد. ما به فضای چهار بعدی عادت داریم که شامل سه بعد مکانی و یک بعد زمانی (چپ-راست، بالا-پایین، جلو-عقب، گذشته-آینده) است. در فضای ابر ریسمان، همه چیز بسیار پیچیده تر است (به کادر مراجعه کنید). فیزیکدانان نظری مشکل لغزنده ابعاد فضایی "اضافی" را با این استدلال که "پنهان" (یا به عبارت علمی "فشرده") هستند و بنابراین در انرژی های معمولی مشاهده نمی شوند، حل می کنند.

اخیراً، نظریه ریسمان دریافت شده است پیشرفتهای بعدیدر قالب یک نظریه غشاهای چند بعدی - در اصل، اینها همان رشته ها هستند، اما مسطح. همانطور که یکی از نویسندگان آن به طور معمولی به شوخی گفت، غشاها با رشته ها به همان شکلی متفاوت هستند که نودل با ورمیشل متفاوت است.

شاید این تمام آن چیزی است که می توان به طور خلاصه در مورد یکی از نظریه هایی گفت که بدون دلیل، امروز ادعا می کنند که نظریه جهانی اتحاد بزرگ همه تعاملات نیرو است. افسوس که این نظریه خالی از گناه نیست. اول از همه، به دلیل ناکافی بودن دستگاه ریاضی برای وارد کردن آن به مکاتبات داخلی دقیق، هنوز به شکل ریاضی دقیقی نیامده است. 20 سال از تولد این نظریه می گذرد و هیچ کس نتوانسته است به طور مداوم برخی از جنبه ها و نسخه های آن را با برخی دیگر هماهنگ کند. آنچه حتی ناخوشایندتر است این است که هیچ یک از نظریه پردازانی که نظریه ریسمان را پیشنهاد می کنند (و به ویژه ابر ریسمان) هنوز آزمایش واحدی را پیشنهاد نکرده اند که در آن این نظریه ها در آزمایشگاه آزمایش شوند. افسوس، می ترسم تا زمانی که آنها این کار را انجام ندهند، همه کارهایشان مانند یک بازی عجیب خیال پردازی و تمرین برای درک دانش باطنی خارج از جریان اصلی علوم طبیعی باقی بماند.

بررسی خواص سیاهچاله ها

در سال 1996، نظریه‌پردازان ریسمان، اندرو استرومینگر و کومرون وفا، بر اساس نتایج قبلی ساسکیند و سن، «ماهیت میکروسکوپی بکنشتاین و آنتروپی هاوکینگ» را منتشر کردند. در این کار، استرومینگر و وفا توانستند از نظریه ریسمان برای یافتن اجزای میکروسکوپی کلاس خاصی از سیاهچاله‌ها و محاسبه دقیق سهم آنتروپی این اجزا استفاده کنند. این کار بر اساس روش جدیدی بود که تا حدی فراتر از نظریه اغتشاش بود که در دهه 1980 و اوایل دهه 1990 استفاده شد. نتیجه کار دقیقاً با پیش‌بینی‌های بکنشتاین و هاوکینگ که بیش از بیست سال قبل انجام شده بود، مطابقت داشت.

استرومینگر و وفا با رویکردی سازنده با فرآیندهای واقعی تشکیل سیاهچاله مخالفت کردند. آنها دیدگاه تشکیل سیاهچاله ها را تغییر دادند و نشان دادند که می توان آن ها را با جمع آوری دقیق مجموعه ای از بران های کشف شده در جریان انقلاب ابررشته دوم در یک مکانیسم ساخت.

با در دست داشتن تمام کنترل‌های ساختار میکروسکوپی سیاه‌چاله، استرومینگر و وفا توانستند تعداد جایگشت‌های اجزای میکروسکوپی سیاه‌چاله را محاسبه کنند که ویژگی‌های قابل مشاهده کلی مانند جرم و بار را بدون تغییر باقی می‌گذارند. سپس عدد حاصل را با مساحت افق رویداد سیاهچاله - آنتروپی پیش بینی شده توسط بکنشتاین و هاوکینگ - مقایسه کردند و به توافق کامل رسیدند. حداقل برای کلاس سیاهچاله های شدید، استرومینگر و وفا توانستند کاربرد تئوری ریسمان را برای تجزیه و تحلیل اجزای میکروسکوپی و محاسبه دقیق آنتروپی مربوطه بیابند. مشکلی که ربع قرن با فیزیکدانان مواجه بود حل شده بود.

برای بسیاری از نظریه پردازان، این کشف یک استدلال مهم و قانع کننده در حمایت از نظریه ریسمان بود. توسعه نظریه ریسمان هنوز برای مقایسه مستقیم و دقیق با نتایج تجربی، به عنوان مثال، با اندازه گیری جرم کوارک یا الکترون، بسیار خام است. با این حال، نظریه ریسمان، اولین توضیح اساسی را برای ویژگی طولانی مدت کشف شده سیاهچاله ها ارائه می دهد، که عدم امکان توضیح آن، تحقیقات فیزیکدانانی که با نظریه های سنتی کار می کنند را برای سال ها متوقف کرده است. حتی شلدون گلاشو، برنده جایزه نوبل فیزیک و از مخالفان سرسخت نظریه ریسمان در دهه 1980، در مصاحبه ای در سال 1997 اعتراف کرد که "وقتی نظریه پردازان ریسمان در مورد سیاهچاله ها صحبت می کنند، تقریباً در مورد پدیده های قابل مشاهده صحبت می کنند و این قابل توجه است."

کیهان شناسی ریسمان

سه راه اصلی وجود دارد که در آن نظریه ریسمان مدل استاندارد کیهان‌شناسی را اصلاح می‌کند. اولاً از نظر روحی تحقیقات مدرنبا روشن تر شدن وضعیت، از نظریه ریسمان نتیجه می گیرد که جهان باید حداقل داشته باشد اندازه مجاز. این نتیجه‌گیری درک ساختار جهان را بلافاصله در لحظه انفجار بزرگ تغییر می‌دهد، که برای آن مدل استاندارد اندازه‌ی صفر جهان را به دست می‌دهد. ثانیاً مفهوم T-duality، یعنی دوگانگی شعاع های کوچک و بزرگ (در خود اتصال نزدیکبا وجود حداقل اندازه) در نظریه ریسمان نیز در کیهان شناسی مهم است. ثالثاً، تعداد ابعاد فضا-زمان در نظریه ریسمان بیش از چهار است، بنابراین کیهان‌شناسی باید تکامل همه این ابعاد را توصیف کند.

مدل برندنبرگ و وفا

در پایان دهه 1980. رابرت براندنبرگر و کومرون وفا اولین را ساختند مراحل مهمبرای درک اینکه چه تغییراتی در پیامدهای مدل استاندارد کیهان شناسی ناشی از استفاده از نظریه ریسمان خواهد بود. آنها به دو نتیجه مهم رسیدند. اول، وقتی به بیگ بنگ برمی گردیم، دما همچنان به افزایش می یابد تا اینکه اندازه کیهان در همه جهات برابر با طول پلانک شود. در این مرحله دما به حداکثر خود می رسد و شروع به کاهش می کند. در سطح شهودی، درک دلیل این پدیده دشوار نیست. اجازه دهید برای سادگی (به پیروی از براندنبرگر و وفا) فرض کنیم که تمام ابعاد فضایی جهان چرخه ای هستند. با حرکت به عقب در زمان، شعاع هر دایره کوچک می شود و دمای جهان افزایش می یابد. از نظریه ریسمان، می دانیم که انقباض شعاع ها ابتدا به طول پلانک و سپس زیر آن از نظر فیزیکی معادل کاهش شعاع ها به طول پلانک و به دنبال آن افزایش بعدی آنها است. از آنجایی که دما در طول انبساط کیهان کاهش می یابد، تلاش های ناموفق برای فشرده سازی جهان به اندازه های کوچکتر از طول پلانک منجر به توقف رشد دما و کاهش بیشتر آن می شود.

در نتیجه، براندنبرگر و وفا به تصویر کیهان‌شناختی زیر رسیدند: اول، تمام ابعاد فضایی در نظریه ریسمان به‌طور محکم تا اندازه‌ای به اندازه طول پلانک جمع می‌شوند. دما و انرژی بالا هستند، اما بی نهایت نیستند: پارادوکس های نقطه شروع اندازه صفر در نظریه ریسمان حل می شوند. که در لحظه شروعوجود جهان، تمام ابعاد فضایی نظریه ریسمان کاملاً برابر و کاملاً متقارن هستند: همه آنها در یک توده چند بعدی از ابعاد پلانک جمع شده اند. علاوه بر این، طبق نظر براندنبرگر و وفا، جهان اولین مرحله کاهش تقارن را طی می‌کند، زمانی که در لحظه پلانک، سه بعد فضایی برای انبساط بعدی انتخاب می‌شوند و بقیه اندازه پلانک اولیه خود را حفظ می‌کنند. سپس این سه بعد با ابعاد موجود در سناریوی کیهان‌شناسی تورمی شناسایی می‌شوند و از طریق فرآیند تکامل، شکلی را به خود می‌گیرند که اکنون مشاهده می‌شود.

مدل ونزیانو و گاسپرینی

از زمان کار براندنبرگر و وفا، فیزیکدانان در جهت درک کیهان شناسی ریسمان پیشرفت مستمری داشته اند. از جمله کسانی که این تحقیق را هدایت می کنند، گابریله ونزیانو و همکارش مائوریتزیو گاسپرینی از دانشگاه تورین هستند. این دانشمندان نسخه مخصوص به خود را از کیهان شناسی ریسمان ارائه کردند که در برخی جاها مشابه سناریویی است که در بالا توضیح داده شد، اما در جاهای دیگر تفاوت اساسی با آن دارد. مانند براندنبرگر و وفا، برای رد دما و چگالی انرژی نامحدود که در مدل‌های استاندارد و تورمی ایجاد می‌شوند، بر وجود حداقل طول در نظریه ریسمان تکیه کردند. با این حال، گاسپرینی و ونزیانو به جای اینکه به این نتیجه برسند که به دلیل این خاصیت، کیهان از توده‌ای با ابعاد پلانک متولد شده است، پیشنهاد کردند که یک جهان ماقبل تاریخ وجود داشته است که مدت‌ها قبل از لحظه‌ای به نام نقطه صفر پدید آمده است و این را به وجود آورده است. "جنین" کیهانی با ابعاد پلانک.

وضعیت اولیه کیهان در این سناریو و در مدل بیگ بنگ بسیار متفاوت است. به عقیده گاسپرینی و ونزیانو، کیهان یک توپ گرم و محکم در ابعاد نبود، بلکه سرد بود و وسعت بی‌نهایتی داشت. سپس، همانطور که از معادلات نظریه ریسمان برمی‌آید، بی‌ثباتی به جهان هجوم آورد و تمام نقاط آن، مانند دوران تورم به گفته گوث، به سرعت به طرفین پراکنده شدند.

گاسپرینی و ونزیانو نشان دادند که به همین دلیل فضا به طور فزاینده ای منحنی می شود و در نتیجه پرش ناگهانیدما و چگالی انرژی اندکی گذشت و ناحیه سه بعدی با ابعاد میلیمتری درون این گستره های بی پایان به نقطه ای گرم و متراکم تبدیل شد، مشابه نقطه ای که به گفته گوث در حین انبساط تورمی شکل می گیرد. سپس همه چیز طبق سناریوی استاندارد کیهان شناسی بیگ بنگ پیش رفت و نقطه در حال انبساط به جهان قابل مشاهده تبدیل شد.

از آنجایی که دوران پیش از بیگ بنگ در حال انبساط تورمی خاص خود بود، راه حل گوث برای پارادوکس افق به طور خودکار در این سناریوی کیهانی گنجانده شده است. همانطور که ونزیانو (در مصاحبه ای در سال 1998) بیان کرد، "نظریه ریسمان نسخه ای از کیهان شناسی تورمی را در یک بشقاب نقره ای به ما می دهد."

مطالعه کیهان شناسی ریسمان به سرعت در حال تبدیل شدن به یک حوزه تحقیقات فعال و سازنده است. به عنوان مثال، سناریوی تکامل قبل از انفجار بزرگ بیش از یک بار موضوع بحث های داغ بوده است و جایگاه آن در فرمول بندی کیهان شناسی آینده چندان آشکار نیست. با این حال، شکی وجود ندارد که این فرمول کیهانی کاملاً مبتنی بر درک فیزیکدانان از نتایج کشف شده در جریان انقلاب دوم ابررشته خواهد بود. به عنوان مثال، پیامدهای کیهانی وجود غشاهای چند بعدی هنوز نامشخص است. به عبارت دیگر، ایده اولین لحظات وجود جهان در نتیجه تجزیه و تحلیل تئوری M کامل چگونه تغییر خواهد کرد؟ این موضوع به شدت در حال بررسی است.

سؤال مشابهی قبلاً در اینجا مطرح شده است:

اما من سعی می کنم در مورد آن به سبک امضای خود به شما بگویم؛)

ما یک گفتگوی طولانی در پیش داریم، اما امیدوارم برای شما جالب باشد، برادر. به طور کلی، گوش کنید که موضوع اینجا چیست. ایده اصلی از قبل در خود نام قابل مشاهده است: به جای ذرات بنیادی نقطه ای (مانند الکترون ها، فوتون ها و غیره)، این نظریه رشته هایی را پیشنهاد می کند - نوعی رشته های تک بعدی ارتعاشی میکروسکوپی انرژی که آنقدر کوچک هستند که نمی توانند با هر تجهیزات مدرن شناسایی می شود (به طور خاص آنها در طول پلانک هستند، اما نکته این نیست). نه اینکه بگوییم ذرات تشکیل شده است ازساخته شده از رشته، آنها و وجود داردرشته ها، صرفاً به دلیل ناقص بودن تجهیزات ما، آنها را به صورت ذرات می بینیم. و اگر تجهیزات ما بتوانند به طول پلانک برسند، همانطور که انتظار می رود، رشته هایی را در آنجا پیدا خواهیم کرد. و همانطور که یک سیم ویولن برای تولید نت های مختلف به ارتعاش در می آید، یک سیم کوانتومی نیز برای تولید خواص ذرات مختلف (مانند بار یا جرم) به ارتعاش در می آید. این، به طور کلی، ایده اصلی است.

با این حال، در اینجا ذکر این نکته حائز اهمیت است که نظریه ریسمان جاه طلبی های بسیار بزرگی دارد و ادعای چیزی کمتر از وضعیت "نظریه همه چیز"، ترکیبی از گرانش (نظریه نسبیت) و مکانیک کوانتومی (یعنی دنیای ماکرو جهان) را ندارد. دنیای اجسام بزرگ که برای ما آشنا هستند، و دنیای خرد - دنیای ذرات بنیادی). گرانش به خودی خود در نظریه ریسمان به زیبایی ظاهر می شود، و دلیل آن در اینجا آمده است. در ابتدا، نظریه ریسمان به طور کلی تنها به عنوان یک نظریه نیروی هسته ای قوی (برهمکنشی که به دلیل آن پروتون ها و نوترون ها در هسته یک اتم با هم نگه داشته می شوند) تلقی می شد، نه بیشتر، زیرا برخی از انواع رشته های ارتعاشی شبیه خواص گلوئون ها هستند. (ذراتی که حامل نیروی قوی هستند). با این حال، علاوه بر گلوئون، انواع دیگری از نوسانات رشته ای در آن وجود داشت که یادآور ذرات دیگری بود که نوعی برهمکنش را انجام می دادند، که هیچ ربطی به گلوئون ها نداشت. پس از مطالعه خواص این ذرات، دانشمندان دریافتند که این ارتعاشات دقیقاً با خواص یک ذره فرضی - گراویتون - ذره ای که برهمکنش گرانشی را حمل می کند، منطبق است. اینگونه بود که گرانش در نظریه ریسمان ظاهر شد.

اما در اینجا دوباره (چه می خواهید بکنید!) مشکلی به نام "نوسانات کوانتومی" بوجود می آید. نترسید، این اصطلاح فقط در ظاهر ترسناک است. بنابراین، نوسانات کوانتومی با تولد و نابودی مداوم ذرات مجازی (آنهایی که به دلیل ظهور و ناپدید شدن مداوم آنها نمی توانند مستقیماً دیده شوند) همراه است. مهمترین فرآیند از این نظر نابودی است - برخورد یک ذره و یک پاد ذره با تشکیل فوتون (ذره نور) که متعاقباً یک ذره و پادذره دیگر تولید می کند. اساسا گرانش چیست؟ این یک پارچه هندسی منحنی صاف از فضا-زمان است. کلمه کلیدی در اینجا هموار است. و در دنیای کوانتومی، به دلیل همین نوسانات، فضا اصلاً صاف و هموار نیست، چنان هرج و مرج در آنجا در جریان است که حتی تصورش هم ترسناک است. همانطور که احتمالاً قبلاً متوجه شده اید، هندسه صاف فضا در نظریه نسبیت کاملاً با نوسانات کوانتومی ناسازگار است. سردرگمی است، اما فیزیکدانان راه حلی پیدا کرده اند و می گویند که برهم کنش رشته ها این نوسانات را هموار می کند. میپرسی چطور؟ اما دو رشته بسته را تصور کنید (زیرا رشته‌های باز نیز وجود دارند که نوعی نخ کوچک با دو سر باز هستند؛ رشته‌های بسته، بر این اساس، نوعی حلقه هستند). این دو رشته بسته در مسیر برخورد هستند و در نقطه‌ای با هم برخورد می‌کنند و به یکی تبدیل می‌شوند اندازه بزرگتررشته این رشته برای مدتی به حرکت خود ادامه می دهد و پس از آن به دو رشته کوچکتر تقسیم می شود. حالا مرحله بعدی بیایید کل این روند را در فیلم‌های فیلم‌برداری شده تصور کنیم: خواهیم دید که این فرآیند حجم سه بعدی خاصی به دست آورده است. این حجم را «سطح جهان» می نامند. حالا بیایید تصور کنیم که من و شما به کل این فرآیند از زوایای مختلف نگاه می کنیم: من مستقیم نگاه می کنم و شما از زاویه کمی نگاه می کنید. خواهیم دید که از دیدگاه شما و از دیدگاه من، رشته ها با هم برخورد خواهند کرد جاهای مختلفاز آنجایی که برای شما این «حلقه‌ها» رشته‌ای (بیایید آنها را اینطور بنامیم) کمی با زاویه حرکت می‌کنند، اما برای من مستقیم. با این حال، این همان فرآیند است، همان دو رشته در حال برخورد، تفاوت فقط در دو دیدگاه است. این بدان معنی است که "لکه گیری" خاصی از تعامل رشته ها وجود دارد: از موقعیت ناظران مختلف، آنها در مکان های مختلف تعامل دارند. با این حال، با وجود این دیدگاه‌های متفاوت، روند یکسان است و نقطه تعامل یکسان است. بنابراین، ناظران مختلف مکان یکسانی از برهمکنش دو ذره نقطه ای را ثبت می کنند. همینطوری! می فهمی چه اتفاقی می افتد؟ ما نوسانات کوانتومی را هموار کرده ایم و بنابراین گرانش و مکانیک کوانتومی را با هم متحد کرده ایم! نگاه کن

باشه بریم جلو هنوز خسته شدی؟ خوب گوش کن اکنون در مورد چیزی صحبت خواهم کرد که شخصاً در مورد نظریه ریسمان دوست ندارم. و به این "ریاضی سازی" می گویند. به نوعی نظریه پردازان بیش از حد در ریاضیات غافل شدند... اما نکته در اینجا ساده است: چند بعد فضا را می دانید؟ درست است، سه: طول، عرض و ارتفاع (زمان بعد چهارم است). بنابراین، ریاضیات نظریه ریسمان با این چهار بعد بسیار ضعیف است. و با پنج نیز. و با ده. اما او با یازده به خوبی کنار می آید. و نظریه پردازان تصمیم گرفتند: خوب، از آنجایی که ریاضیات به آن نیاز دارد، بگذارید یازده بعد وجود داشته باشد. ببینید، ریاضیات نیاز دارد! ریاضیات نه واقعیت! (تعجب به کنار: اگر اشتباه می کنم، یکی مرا قانع کند! می خواهم نظرم را عوض کنم!) خوب، ممکن است یکی بپرسد، آیا این هفت بعد دیگر کجا رفته است؟ این تئوری به این سوال پاسخ می دهد که آنها "فشرده" شده اند، به شکل ساختارهای میکروسکوپی در طول پلانک (یعنی در مقیاسی که ما قادر به مشاهده آن نیستیم) پیچیده شده اند. این تشکیلات "منیفولد Calabi-Yau" (براساس نام دو فیزیکدان برجسته) نامیده می شوند.

همچنین جالب است که نظریه ریسمان ما را به چندجهان هدایت می کند، یعنی به ایده وجود بی نهایت جهان موازی. نکته اصلی اینجاست که در نظریه ریسمان نه تنها ریسمان، بلکه بران (از کلمه "غشاء") نیز وجود دارد. بران ها می توانند ابعاد مختلفی داشته باشند، تا نه. قرار است ما روی یک بران 3 زندگی کنیم، اما ممکن است دیگران در نزدیکی این برن باشند و ممکن است به صورت دوره ای با هم برخورد کنند. اما ما آنها را نمی بینیم زیرا رشته های باز در هر دو انتها به شدت به بران چسبیده اند. این رشته ها با انتهای خود می توانند در امتداد بران حرکت کنند، اما نمی توانند آن را ترک کنند (از قلاب خارج شوند). و اگر به نظریه ریسمان اعتقاد دارید، پس همه مواد و همه ما از ذراتی تشکیل شده‌اند که در طول پلانک شبیه به ریسمان هستند. در نتیجه، از آنجایی که رشته های باز نمی توانند برن را ترک کنند، پس ما نمی توانیم به هیچ وجه با برن دیگر (بخوانید: یک جهان موازی) تعامل داشته باشیم یا به نحوی آن را ببینیم. تنها ذره ای که اصولاً به این محدودیت اهمیت نمی دهد و می تواند این کار را انجام دهد، گراویتون فرضی است که یک رشته بسته است. با این حال، هنوز کسی نتوانسته است گراویتون را تشخیص دهد. چنین مولتی‌جهانی، «چند جهان بران» یا «سناریوی دنیای بران» نامیده می‌شود.

به هر حال، با توجه به این واقعیت که نه تنها ریسمان ها، بلکه بران ها نیز در نظریه ریسمان کشف شدند، نظریه پردازان شروع به نامیدن آن را "نظریه M" کردند، اما هیچ کس واقعاً نمی داند این "M" به چه معناست؛)

همینطور. این داستان است. امیدوارم براتون جالب بوده باشه داداش اگر چیزی مبهم باقی ماند، در نظرات بپرسید و من توضیح خواهم داد.

این در حال حاضر موضوع چهارم است. همچنین از داوطلبان خواسته می شود فراموش نکنند که چه موضوعاتی تمایل به پوشش دادن دارند، یا شاید هم اکنون شخصی موضوعی را از لیست انتخاب کرده است. من مسئول بازنشر و تبلیغ در شبکه های اجتماعی هستم. و اکنون موضوع ما: "نظریه ریسمان"

احتمالاً شنیده اید که محبوب ترین نظریه علمی عصر ما، نظریه ریسمان، دلالت بر وجود ابعاد بسیار بیشتری از آن چیزی است که عقل سلیم به ما می گوید.

بزرگترین مشکل برای فیزیکدانان نظری این است که چگونه همه برهمکنش های اساسی (گرانشی، الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی) را در یک نظریه واحد ترکیب کنند. نظریه ابر ریسمان ادعا می کند که نظریه همه چیز است.

اما معلوم شد که راحت‌ترین ابعاد مورد نیاز برای کارکرد این تئوری به اندازه 10 ابعاد است (که 9 مورد آن مکانی و یکی زمانی است)! اگر ابعاد کم و بیش وجود داشته باشد، معادلات ریاضی نتایج غیرمنطقی می دهد که تا بی نهایت می رود - یک تکینگی.

مرحله بعدی در توسعه نظریه ابر ریسمان - نظریه M - قبلاً یازده بعد را شمارش کرده است. و نسخه دیگری از آن - نظریه F - همه دوازده. و این اصلاً عارضه ای نیست. نظریه F یک فضای 12 بعدی بیش از معادلات سادهنسبت به نظریه M - 11 بعدی.

البته فیزیک نظری را بی دلیل نمی گویند نظری. تمام دستاوردهای او تاکنون فقط روی کاغذ وجود دارد. بنابراین، برای توضیح اینکه چرا ما فقط می‌توانیم در فضای سه‌بعدی حرکت کنیم، دانشمندان شروع به صحبت در مورد اینکه چگونه ابعاد ناگوار باقی‌مانده باید به کره‌های فشرده در سطح کوانتومی منقبض شوند، شروع کردند. به طور دقیق، نه در کره، بلکه در فضاهای Calabi-Yau. اینها فیگورهای سه بعدی هستند که در داخل آنها دنیای خاص خود با ابعاد خاص خود وجود دارد. یک طرح دو بعدی از چنین منیفولد چیزی شبیه به این است:

بیش از 470 میلیون چنین ارقامی شناخته شده است. کدام یک از آنها با واقعیت ما مطابقت دارد در حال حاضر در حال محاسبه است. فیزیکدان نظری بودن آسان نیست.

بله، این کمی دور از ذهن به نظر می رسد. اما شاید این دقیقاً همان چیزی است که توضیح می دهد که چرا جهان کوانتومی با دنیایی که ما درک می کنیم بسیار متفاوت است.

بیایید کمی به تاریخ برگردیم

در سال 1968، یک فیزیکدان نظری جوان، گابریل ونزیانو، در حال بررسی بسیاری از ویژگی‌های آزمایشی نیروی هسته‌ای قوی بود. ونزیانو که در آن زمان در CERN، آزمایشگاه شتاب دهنده اروپا در ژنو، سوئیس کار می کرد، چندین سال روی این مشکل کار کرد تا اینکه روزی بینش درخشانی به دست آورد. با کمال تعجب او متوجه شد که عجیب و غریب است فرمول ریاضیکه حدود دویست سال قبل توسط ریاضیدان معروف سوئیسی لئونارد اویلر برای اهداف کاملاً ریاضی اختراع شد - به اصطلاح تابع بتای اویلر - به نظر می رسد قادر به توصیف یکباره تمام خواص متعدد ذرات شرکت کننده در نیروی هسته ای قوی باشد. ویژگی که توسط Veneziano مورد توجه قرار گرفت، توصیف ریاضی قدرتمندی از بسیاری از ویژگی‌های تعامل قوی ارائه کرد. این جرقه‌ای از کار را برانگیخت که در آن تابع بتا و تعمیم‌های مختلف آن برای توصیف حجم وسیعی از داده‌های انباشته‌شده از مطالعه برخورد ذرات در سراسر جهان استفاده شد. با این حال، به یک معنا، مشاهده ونزیانو ناقص بود. تابع بتای اویلر مانند فرمول روت که توسط دانش‌آموزی استفاده می‌شود که معنی یا معنی آن را نمی‌فهمد، کار می‌کرد، اما هیچ‌کس دلیل آن را متوجه نشد. این فرمولی بود که نیاز به توضیح داشت.

گابریل ونزیانو

این در سال 1970 تغییر کرد، زمانی که یوچیرو نامبو از دانشگاه شیکاگو، هولگر نیلسن از موسسه نیلز بور و لئونارد ساسکیند از دانشگاه استنفورد توانستند معنای فیزیکی فرمول اویلر را کشف کنند. این فیزیکدانان نشان دادند که وقتی ذرات بنیادی با رشته های تک بعدی ارتعاشی کوچک نشان داده می شوند، برهمکنش قوی این ذرات دقیقاً با تابع اویلر توصیف می شود. این محققان استدلال می‌کنند که اگر بخش‌های ریسمان به اندازه کافی کوچک بودند، همچنان مانند ذرات نقطه‌ای ظاهر می‌شدند و بنابراین با مشاهدات تجربی در تضاد نبودند. اگرچه این نظریه ساده و به طور شهودی جذاب بود، اما به زودی نشان داده شد که توصیف رشته ای از نیروی قوی ناقص است. در اوایل دهه 1970. فیزیکدانان پرانرژی توانسته اند عمیق تر به دنیای زیراتمی نگاه کنند و نشان داده اند که تعدادی از پیش بینی های مدل مبتنی بر رشته در تضاد مستقیم با نتایج رصدی هستند. در همان زمان، توسعه موازی نظریه میدان کوانتومی - کرومودینامیک کوانتومی - وجود داشت که از مدل نقطه ای ذرات استفاده می کرد. موفقیت این نظریه در توصیف تعامل قوی منجر به کنار گذاشتن نظریه ریسمان شد.
اکثر فیزیکدانان ذرات معتقد بودند که نظریه ریسمان برای همیشه به سطل زباله منتقل شده است، اما تعدادی از محققان به آن وفادار ماندند. برای مثال، شوارتز احساس می‌کرد که «ساختار ریاضی نظریه ریسمان آنقدر زیبا است و دارای خواص شگفت‌انگیز بسیاری است که مطمئناً باید به چیزی عمیق‌تر اشاره کند» (2). یکی از مشکلاتی که فیزیکدانان در رابطه با نظریه ریسمان داشتند این بود که به نظر می رسید انتخاب های زیادی ارائه می دهد که گیج کننده بود. برخی از پیکربندی‌های رشته‌های ارتعاشی در این نظریه دارای ویژگی‌هایی شبیه به خواص گلوئون‌ها بودند، که دلیلی برای در نظر گرفتن آن واقعاً یک نظریه برهم‌کنش قوی بود. با این حال، علاوه بر این، حاوی ذرات حامل برهمکنش اضافی بود که هیچ ارتباطی با تظاهرات تجربی برهمکنش قوی نداشت. در سال 1974، شوارتز و جوئل شرک از École Technique Supérieure فرانسه پیشنهادی جسورانه ارائه کردند که این نقطه ضعف ظاهری را به یک مزیت تبدیل کرد. پس از مطالعه حالت‌های ارتعاش عجیب ریسمان‌ها، که یادآور ذرات حامل است، متوجه شدند که این ویژگی‌ها به‌طور شگفت‌انگیزی با ویژگی‌های فرضی حامل ذره‌ای فرضی برهمکنش گرانشی - گراویتون، مطابقت دارد. اگرچه این "ذرات ریز" برهمکنش گرانشی هنوز شناسایی نشده اند، نظریه پردازان می توانند با اطمینان برخی از خواص اساسی را که این ذرات باید داشته باشند، پیش بینی کنند. شرک و شوارتز دریافتند که این ویژگی‌ها دقیقاً برای برخی از حالت‌های ارتعاشی مشخص می‌شوند. بر این اساس، آنها پیشنهاد کردند که اولین ظهور نظریه ریسمان شکست خورد زیرا فیزیکدانان دامنه آن را بیش از حد محدود کردند. شرک و شوارتز اعلام کردند که نظریه ریسمان فقط یک نظریه نیروی قوی نیست، یک نظریه کوانتومی است که در میان چیزهای دیگر، گرانش را نیز شامل می شود.

جامعه فیزیک به این پیشنهاد با احتیاط زیادی واکنش نشان داد. در واقع، با توجه به خاطرات شوارتز، "کار ما توسط همه نادیده گرفته شد" 4). مسیرهای پیشرفت قبلاً با تلاش‌های ناموفق متعدد برای ترکیب گرانش و مکانیک کوانتومی کاملاً در هم ریخته بود. نظریه ریسمان در تلاش اولیه خود برای توصیف نیروی قوی شکست خورده بود و برای بسیاری تلاش برای استفاده از آن برای دستیابی به اهداف بزرگتر بیهوده به نظر می رسید. مطالعات دقیق‌تر بعدی در اواخر دهه 1970 و اوایل دهه 1980. نشان داد که نظریه ریسمان و مکانیک کوانتومی تضادهای خاص خود را دارند، هرچند کوچکتر. به نظر می رسید که نیروی گرانش دوباره می تواند در برابر تلاش برای ادغام آن در توصیف جهان در سطح میکروسکوپی مقاومت کند.
این تا سال 1984 بود. گرین و شوارتز در مقاله‌ای برجسته که بیش از یک دهه تحقیقات فشرده را که عمدتاً توسط اکثر فیزیکدانان نادیده گرفته یا رد شده بود، خلاصه می‌کرد، نشان دادند که ناسازگاری جزئی با نظریه کوانتومی که نظریه ریسمان را آزار می‌دهد می‌تواند مجاز باشد. علاوه بر این، آنها نشان دادند که نظریه به دست آمده به اندازه کافی گسترده است که بتواند هر چهار نوع نیرو و همه انواع ماده را پوشش دهد. خبر این نتیجه در سراسر جامعه فیزیک پخش شد و صدها فیزیکدان ذرات کار بر روی پروژه های خود را متوقف کردند تا در حمله ای شرکت کنند که به نظر می رسید نبرد نظری نهایی در یک حمله قرن ها به عمیق ترین پایه های جهان باشد.
کلمه موفقیت گرین و شوارتز در نهایت حتی به دانش‌آموزان سال اول تحصیلات تکمیلی هم رسید و حس مهیج مشارکت در نقطه عطفی در تاریخ فیزیک جایگزین تاریکی قبلی شد. بسیاری از ما تا پاسی از شب بیدار ماندیم و به مباحث سنگین فیزیک نظری و ریاضیات انتزاعی که برای درک نظریه ریسمان ضروری هستند، فکر می‌کردیم.

اگر دانشمندان را باور دارید، پس ما خودمان و هر چیزی که در اطرافمان است از تعداد بی نهایت چنین ریز اجرام مرموز تا شده تشکیل شده است.
دوره از 1984 تا 1986 اکنون به عنوان "اولین انقلاب در نظریه ابر ریسمان" شناخته می شود. در این دوره بیش از هزار مقاله در مورد نظریه ریسمان توسط فیزیکدانان سراسر جهان نوشته شد. این کارها به طور قطعی نشان دادند که بسیاری از ویژگی های مدل استاندارد که طی دهه ها تحقیق پر زحمت کشف شده اند، به طور طبیعی از سیستم باشکوه نظریه ریسمان سرچشمه می گیرند. همانطور که مایکل گرین خاطرنشان کرد، «لحظه ای که با نظریه ریسمان آشنا می شوید و متوجه می شوید که تقریباً تمام پیشرفت های عمده در فیزیک قرن گذشته از یک نقطه شروع ساده سرچشمه گرفته اند - و با چنین ظرافتی جریان داشته اند، به وضوح قدرت باورنکردنی را نشان می دهد. این نظریه.»5 علاوه بر این، برای بسیاری از این ویژگی‌ها، همانطور که در زیر خواهیم دید، نظریه ریسمان توضیحات بسیار کامل‌تر و رضایت‌بخش‌تری نسبت به مدل استاندارد ارائه می‌دهد. این دستاوردها بسیاری از فیزیکدانان را متقاعد کرد که نظریه ریسمان می تواند به وعده های خود عمل کند و به نظریه وحدت کننده نهایی تبدیل شود.

طرح ریزی دو بعدی یک منیفولد سه بعدی Calabi-Yau. این طرح ایده ای از پیچیدگی ابعاد اضافی می دهد.

با این حال، در طول این مسیر، فیزیکدانانی که بر روی نظریه ریسمان کار می کردند، بارها و بارها با موانع جدی مواجه شدند. در فیزیک نظری، ما اغلب باید با معادلاتی سر و کار داشته باشیم که یا بسیار پیچیده برای درک هستند یا حل آنها دشوار است. معمولاً در چنین شرایطی، فیزیکدانان تسلیم نمی شوند و سعی می کنند به یک راه حل تقریبی برای این معادلات دست یابند. وضعیت در نظریه ریسمان بسیار پیچیده تر است. حتی استخراج خود معادلات به قدری پیچیده بود که تاکنون فقط یک شکل تقریبی از آنها به دست آمده است. بنابراین، فیزیکدانانی که در نظریه ریسمان کار می کنند، در موقعیتی قرار می گیرند که باید به دنبال راه حل های تقریبی برای معادلات تقریبی باشند. پس از چندین سال پیشرفت شگفت انگیزی که در طول اولین انقلاب ابر ریسمان انجام شد، فیزیکدانان با این واقعیت مواجه شدند که معادلات تقریبی مورد استفاده قادر به پاسخ صحیح به تعدادی از سؤالات مهم نبودند و در نتیجه مانع از توسعه بیشتر تحقیقات شدند. بسیاری از فیزیکدانانی که در زمینه نظریه ریسمان کار می کنند، بدون ایده های مشخص برای حرکت فراتر از این روش های تقریبی، احساس ناامیدی فزاینده ای را تجربه کردند و به تحقیقات قبلی خود بازگشتند. برای کسانی که ماندند، اواخر دهه 1980 و اوایل دهه 1990. دوره آزمایش بود

زیبایی و قدرت بالقوه نظریه ریسمان مانند یک گنج طلایی که به طور ایمن در یک گاوصندوق قفل شده بود، به محققان اشاره کرد و تنها از طریق یک سوراخ کوچک قابل مشاهده بود، اما هیچ کس کلیدی را نداشت که بتواند این نیروهای خفته را آزاد کند. زمان طولانی"خشکسالی" هر از گاهی با اکتشافات مهم قطع می شد، اما برای همه روشن بود که روش های جدیدی مورد نیاز است که به ما امکان می دهد از راه حل های تقریبی قبلاً شناخته شده فراتر برویم.

این بن بست با سخنرانی نفس گیر ادوارد ویتن در سال 1995 در یک کنفرانس تئوری ریسمان در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی پایان یافت - سخنرانی که اتاقی پر از ظرفیت با فیزیکدانان برجسته جهان را مبهوت کرد. در آن، او از طرحی برای مرحله بعدی تحقیق پرده برداری کرد و بدین ترتیب «انقلاب دوم در نظریه ابر ریسمان» را آغاز کرد. نظریه پردازان ریسمان اکنون با انرژی روی روش های جدیدی کار می کنند که نویدبخش غلبه بر موانعی است که با آن مواجه می شوند.

برای عمومیت گسترده TS، بشریت باید بنای یادبودی برای استاد دانشگاه کلمبیا برایان گرین برپا کند. کتاب او در سال 1999 "جهان زیبا. ابررشته‌ها، ابعاد پنهان و جست‌وجوی نظریه نهایی» به یکی از پرفروش‌ترین کتاب‌ها تبدیل شد و برنده جایزه پولیتزر شد. کار این دانشمند اساس یک مینی سریال علمی پرطرفدار با خود نویسنده به عنوان میزبان بود - بخشی از آن را می توان در انتهای مطالب مشاهده کرد (عکس امی ساسمن / دانشگاه کلمبیا).

قابل کلیک 1700 پیکسل

حال بیایید سعی کنیم حداقل کمی ماهیت این نظریه را درک کنیم.

از نو شروع کن بعد صفر یک نقطه است. سایز نداره جایی برای حرکت وجود ندارد، هیچ مختصاتی برای نشان دادن مکان در چنین ابعادی لازم نیست.

بیایید یک مورد دوم را در کنار نقطه اول قرار دهیم و از بین آنها خط بکشیم. در اینجا بعد اول است. یک جسم تک بعدی دارای اندازه است - طول، اما عرض یا عمق ندارد. حرکت در فضای یک بعدی بسیار محدود است، زیرا مانعی که در مسیر ایجاد می شود قابل اجتناب نیست. برای تعیین مکان در این بخش، فقط به یک مختصات نیاز دارید.

بیایید یک نقطه در کنار بخش قرار دهیم. برای جا دادن هر دوی این اشیا به فضایی دو بعدی با طول و عرض یعنی مساحت اما بدون عمق یعنی حجم نیاز خواهیم داشت. محل هر نقطه در این میدان با دو مختصات تعیین می شود.

بعد سوم زمانی بوجود می آید که یک محور مختصات سوم را به این سیستم اضافه کنیم. تصور این موضوع برای ما ساکنان جهان سه بعدی بسیار آسان است.

بیایید سعی کنیم تصور کنیم که ساکنان فضای دو بعدی جهان را چگونه می بینند. مثلا این دو مرد:

هر یک از آنها رفیق خود را اینگونه خواهند دید:

و در این شرایط:

قهرمانان ما یکدیگر را اینگونه خواهند دید:

این تغییر دیدگاه است که به قهرمانان ما اجازه می دهد تا یکدیگر را به عنوان اشیاء دو بعدی قضاوت کنند و نه بخش های یک بعدی.

حالا بیایید تصور کنیم که یک جسم حجمی خاص در بعد سوم حرکت می کند که این جهان دو بعدی را قطع می کند. برای یک ناظر خارجی، این حرکت با تغییر در برآمدگی های دو بعدی جسم در هواپیما، مانند کلم بروکلی در دستگاه MRI بیان می شود:

اما برای یک ساکن سرزمین ما چنین تصویری غیرقابل درک است! او حتی نمی تواند او را تصور کند. برای او، هر یک از برجستگی های دو بعدی به عنوان یک بخش یک بعدی با طول متغیر اسرارآمیز دیده می شود که در مکانی غیرقابل پیش بینی ظاهر می شود و همچنین به طور غیرقابل پیش بینی ناپدید می شود. تلاش برای محاسبه طول و مکان مبدا چنین اجسامی با استفاده از قوانین فیزیک فضای دو بعدی محکوم به شکست است.

ما ساکنان دنیای سه بعدی همه چیز را دو بعدی می بینیم. فقط حرکت یک جسم در فضا به ما اجازه می دهد تا حجم آن را احساس کنیم. ما همچنین هر شی چند بعدی را به صورت دو بعدی خواهیم دید، اما بسته به رابطه ما با آن یا زمان به روش های شگفت انگیزی تغییر می کند.

از این منظر جالب است که مثلاً در مورد جاذبه فکر کنیم. احتمالاً همه تصاویری مانند این را دیده اند:

معمولاً نشان می‌دهند که جاذبه چگونه فضا-زمان را خم می‌کند. خم میشه...کجا؟ دقیقاً در هیچ یک از ابعاد آشنا برای ما نیست. و در مورد تونل کوانتومی، یعنی توانایی یک ذره برای ناپدید شدن در یک مکان و ظاهر شدن در مکانی کاملاً متفاوت، و در پشت مانعی که در واقعیت های ما نمی تواند بدون ایجاد سوراخ در آن نفوذ کند، چطور؟ در مورد سیاهچاله ها چطور؟ چه می شود اگر همه این ها و اسرار دیگر علم مدرنآیا آنها با این واقعیت توضیح می دهند که هندسه فضا به هیچ وجه با آن چیزی که ما به درک آن عادت داریم یکسان نیست؟

تیک تاک ساعت است

زمان مختصات دیگری به جهان ما اضافه می کند. برای اینکه یک مهمانی برگزار شود، نه تنها باید بدانید که در کدام نوار برگزار می شود، بلکه باید بدانید زمان دقیقاین رخداد.

بر اساس ادراک ما، زمان به اندازه یک پرتو یک خط مستقیم نیست. یعنی یک نقطه شروع دارد و حرکت فقط در یک جهت انجام می شود - از گذشته به آینده. علاوه بر این، تنها زمان حال واقعی است. نه گذشته وجود دارد و نه آینده، همانطور که صبحانه و شام از دید یک کارمند اداری در زمان استراحت ناهار وجود ندارد.

اما نظریه نسبیت با این موضوع موافق نیست. از دیدگاه او، زمان یک بعد تمام عیار است. تمام رویدادهایی که وجود داشته اند، وجود دارند و خواهند بود به همان اندازه واقعی هستند، درست مانند ساحل دریا واقعی است، صرف نظر از اینکه رویاهای صدای موج سواری دقیقاً کجا ما را غافلگیر کرده است. ادراک ما فقط چیزی شبیه نورافکن است که بخش خاصی را در یک خط مستقیم از زمان روشن می کند. بشریت در بعد چهارم خود چیزی شبیه به این است:

اما ما فقط یک فرافکنی می بینیم، برشی از این بعد در هر لحظه از زمان. بله، بله، مانند کلم بروکلی در دستگاه MRI.

تا به حال، همه نظریه ها با تعداد زیادی از ابعاد فضایی کار می کردند و نظریه زمانی همیشه تنها یکی بود. اما چرا فضا چند بعد را برای فضا اجازه می دهد، اما فقط یک زمان؟ تا زمانی که دانشمندان نتوانند به این سوال پاسخ دهند، فرضیه دو یا چند فضای زمانی برای همه فیلسوفان و نویسندگان علمی تخیلی بسیار جذاب به نظر می رسد. و فیزیکدانان نیز، پس چه؟ به عنوان مثال، اخترفیزیکدان آمریکایی، ایتزاک بارز، ریشه همه مشکلات را در نظریه همه چیز به عنوان بعد زمان دوم نادیده گرفته می داند. به عنوان یک تمرین ذهنی، بیایید سعی کنیم دنیایی را با دو زمان تصور کنیم.

هر بعد جداگانه وجود دارد. این در این واقعیت بیان می شود که اگر مختصات یک شی را در یک بعد تغییر دهیم، مختصات در بقیه ممکن است بدون تغییر باقی بماند. بنابراین، اگر در امتداد یک محور زمانی حرکت کنید که محور دیگری را با زاویه قائمه قطع می کند، آنگاه در نقطه تقاطع زمان اطراف متوقف می شود. در عمل چیزی شبیه به این خواهد بود:

تنها کاری که نئو باید انجام می داد این بود که محور زمانی یک بعدی خود را عمود بر محور زمانی گلوله ها قرار می داد. یک چیز جزئی، شما موافق خواهید بود. در واقعیت، همه چیز بسیار پیچیده تر است.

زمان دقیق در یک جهان با دو بعد زمانی با دو مقدار تعیین می شود. آیا تصور یک رویداد دو بعدی دشوار است؟ یعنی یکی که به طور همزمان در دو محور زمانی امتداد یافته است؟ این احتمال وجود دارد که چنین جهانی به متخصصانی در زمان نقشه برداری نیاز داشته باشد، همانطور که نقشه نگاران سطح دو بعدی کره زمین را ترسیم می کنند.

چه چیز دیگری فضای دو بعدی را از فضای یک بعدی متمایز می کند؟ مثلاً توانایی دور زدن مانع. این کاملاً فراتر از مرزهای ذهن ماست. ساکن یک دنیای تک بعدی نمی تواند تصور کند که پیچیدن به گوشه ای چگونه است. و این چیست - زاویه ای در زمان؟ علاوه بر این، در فضای دو بعدی می توانید به جلو، عقب و یا حتی مورب سفر کنید. من نمی دانم گذر از زمان به صورت مورب چگونه است. ناگفته نماند که زمان زیربنای بسیاری از قوانین فیزیکی است و نمی توان تصور کرد که چگونه فیزیک جهان با ظهور بعد زمانی دیگر تغییر خواهد کرد. اما فکر کردن به آن بسیار هیجان انگیز است!

دایره المعارف بسیار بزرگ

ابعاد دیگر هنوز کشف نشده اند و فقط در مدل های ریاضی وجود دارند. اما می توانید سعی کنید آنها را اینگونه تصور کنید.

همانطور که قبلا متوجه شدیم، ما یک طرح سه بعدی از بعد چهارم (زمان) کیهان را می بینیم. به عبارت دیگر، هر لحظه از وجود جهان ما یک نقطه (مشابه بعد صفر) در بازه زمانی از انفجار بزرگ تا پایان جهان است.

کسانی از شما که در مورد سفر در زمان خوانده اید، می دانید چه چیزی نقش مهمانحنای پیوستار فضا-زمان در آنها نقش دارد. این بعد پنجم است - در آن است که فضا-زمان چهار بعدی "خم می شود" تا دو نقطه در این خط را به هم نزدیکتر کند. بدون این، سفر بین این نقاط بسیار طولانی یا حتی غیرممکن خواهد بود. به طور کلی، بعد پنجم شبیه به دوم است - خط "یک بعدی" فضا-زمان را با تمام آنچه که در قالب توانایی چرخاندن یک گوشه نشان می دهد به یک صفحه "دو بعدی" منتقل می کند.

اندکی پیشتر، خوانندگان ما که دارای تفکر خاص فلسفی هستند احتمالاً در مورد امکان اراده آزاد در شرایطی فکر می کردند که آینده از قبل وجود دارد، اما هنوز مشخص نیست. علم به این سوال اینگونه پاسخ می دهد: احتمالات. آینده یک چوب نیست، بلکه یک جارو کامل است گزینه های ممکنتحولات رویدادها وقتی به آنجا رسیدیم متوجه خواهیم شد که کدام یک محقق خواهد شد.

هر یک از احتمالات به شکل یک بخش "یک بعدی" در "صفحه" بعد پنجم وجود دارد. سریعترین راه برای پرش از یک بخش به بخش دیگر چیست؟ درست است - این هواپیما را مانند یک ورق کاغذ خم کنید. کجا خمش کنم؟ و دوباره به درستی - در بعد ششم، که همه اینها را می دهد ساختار پیچیده"جلد". و بنابراین، آن را، مانند فضای سه بعدی، "تمام"، یک نقطه جدید می کند.

بعد هفتم یک خط مستقیم جدید است که از "نقاط" شش بعدی تشکیل شده است. نقطه دیگری در این خط چیست؟ کل مجموعه نامتناهی از گزینه ها برای توسعه رویدادها در جهان دیگر، نه در نتیجه انفجار بزرگ، بلکه در شرایط دیگر شکل گرفته و بر اساس قوانین دیگر عمل می کند. یعنی بعد هفتم مهره هایی از جهان های موازی. بعد هشتم این "خطوط مستقیم" را در یک "صفحه" جمع می کند. و نهم را می توان با کتابی تشبیه کرد که شامل تمام "ورق های" بعد هشتم است. این کلیت تمام تاریخ های همه جهان ها با تمام قوانین فیزیک و همه چیز است. شرایط اولیه. دوباره پریود

در اینجا ما به حد مجاز رسیدیم. برای تصور بعد دهم، به یک خط مستقیم نیاز داریم. و چه نکته دیگری در این خط وجود دارد اگر بعد نهم از قبل هر چیزی را که می توان تصور کرد و حتی چیزی که تصورش غیرممکن است را پوشش می دهد؟ به نظر می رسد که بعد نهم فقط یک نقطه شروع دیگر نیست، بلکه آخرین آن است - حداقل برای تخیل ما.

نظریه ریسمان بیان می کند که در بعد دهم است که ریسمان ها ارتعاش می کنند - ذرات اساسی که همه چیز را می سازند. اگر بعد دهم شامل همه جهان ها و همه احتمالات باشد، رشته ها در همه جا و همیشه وجود دارند. منظورم این است که هر رشته ای هم در جهان ما و هم در هر رشته دیگری وجود دارد. هروقت. فورا. باحال، ها؟

فیزیکدان، متخصص نظریه ریسمان. او به دلیل کارش در مورد تقارن آینه ای، مربوط به توپولوژی منیفولدهای Calabi-Yau مربوطه شناخته شده است. برای مخاطبان گسترده ای به عنوان نویسنده کتاب های علمی عامه پسند شناخته می شود. دنیای زیبای او نامزد جایزه پولیتزر شد.

در سپتامبر 2013، برایان گرین به دعوت موزه پلی تکنیک به مسکو آمد. فیزیکدان مشهور، نظریه پرداز ریسمان، و استاد دانشگاه کلمبیا، در بین عموم مردم عمدتاً به عنوان یک محبوب کننده علم و نویسنده کتاب «جهان زیبا» شناخته می شود. Lenta.ru با برایان گرین در مورد نظریه ریسمان و مشکلات اخیری که این نظریه با آن روبرو شده است، و همچنین گرانش کوانتومی، آمپلی هدرون و کنترل اجتماعی صحبت کرد.

ادبیات به زبان روسی:کاکو ام.، تامپسون جی.تی. «فراتر از اینشتین: ابر ریسمان ها و تلاش برای نظریه نهایی» و آنچه بود اصل مقاله در سایت موجود است InfoGlaz.rfپیوند به مقاله ای که این کپی از آن ساخته شده است -