Mūsdienās pasaules zinātniskais attēls veidojas tādā veidā, ka mūsu Visumu pārvalda divi likumu komplekti - vispārējā relativitāte, kas izskaidro brīnišķīgo gravitācijas darbu, un kvantu mehānika, kas apraksta pārējās trīs Visuma mijiedarbības (spēcīgu kodolu, vāju kodolu un elektromagnētismu). Jūs varat pieņemt šos likumus un tos piemērot lietām plašā mērogā - planētām, galaktikām un pēc tam mazākajiem mērogiem - protoniem un neitroniem. Bet kāpēc daba sastādīja Visumam divus atsevišķus likumu kopumus?
Superstringa teorija ir mēģinājums atbildēt uz diviem jautājumiem: Vai ir veids, kā apvienot vispārējo relativitāti un kvantu mehāniku, lai izveidotu “visa teoriju”? No kā tas viss sastāv?
Superstringa teorija
Mēs kādreiz domājām, ka dzīves pamatelementi ir atomi, matērijas mazākās sastāvdaļas. Bet tad mēs trāpījām atomus un atradām elementāras daļiņas, kas ir tik mazas, ka mēs tos pat neredzam, nemainoties noteiktā veidā. Lai kaut ko redzētu, mums vispirms ir nepieciešama gaisma, lai atlektu no objekta un atsittu acis, veidojot attēlu. Gaisma sastāv no elektromagnētiskiem viļņiem, kas brīvi iziet cauri elementārdaļiņām. Mēs varam padarīt šos viļņus blīvākus, pievienot tiem enerģiju, lai tie trāpītu daļiņās un mēs tos varētu redzēt, bet, tiklīdz kaut kas nonāk pie daļiņas, tas mainās, tāpēc mēs to sākotnējā stāvoklī nevaram redzēt. Mums nav ne jausmas, kā izskatās elementārdaļiņas. Tāpat kā tumšā enerģija, tumšā matērija, mēs nevaram šīs parādības novērot tieši, bet mums ir iemesls ticētka viņi eksistē.
Mēs šīs daļiņas uzskatām par punktiem telpā, kaut arī patiesībā tās nav. Par visiem trūkumiem šī metode - kvantu mehānikas ideja, ka spēkus pārnēsā daļiņas - sniedz mums diezgan labu priekšstatu par Visumu un noved pie izrāvieniem, piemēram, kvantu šķīdinātājiem un magnētiskās levitācijas vilcieniem. Arī pati vispārējā relativitāte ir izturējusi labu laika pārbaudi, izskaidrojot neitronu zvaigznes un Merkūra orbītas anomālijas, prognozējot melnos caurumus un liekto gaismu. Bet vispārējās relativitātes vienādojumi diemžēl pārstāj darboties melnā cauruma centrā un Lielā sprādziena priekšvakarā. Problēma ir tā, ka tos nav iespējams apvienot, jo gravitācija ir saistīta ar telpas un laika ģeometriju, kad attālumi tiek mērīti precīzi, bet kvantu pasaulē nav iespējas kaut ko izmērīt.
Kad zinātnieki mēģināja izgudrot jaunu daļiņu, kas savienotu gravitāciju ar kvantu mehāniku, viņu matemātika vienkārši neizdevās.
Savā ziņā man vajadzēja atgriezties pie tāfeles. Tāpēc zinātnieki ir ierosinājuši, ka visuma mazākās sastāvdaļas nav punktiņi, bet stīgas. Atšķirīgas virkņu vibrācijas rada dažādas elementāras daļiņas, piemēram, kvarkus. Vibrējošās stīgas varētu veidot visu matēriju un visus četrus Visuma spēkus, ieskaitot smagumu.
Reklāmas video:
Lielāki izmēri
Superstringa teorijai ir problēma. Tas nedarbosies, ja pieņemsim, ka mēs dzīvojam tikai trīs telpiskās dimensijas un viena laika dimensija. Stīgu teorija prasa, lai jūs spēlētu vismaz desmit dimensijas.
Kad GR pirmo reizi tika ieņemts, gravitācija izkropļoja vietu un laiku, lai aprakstītu šo spēku. Tāpēc, ja kāds vēlējās aprakstīt citu spēku, piemēram, elektromagnētismu, viņam vajadzēs pievienot jaunu dimensiju. Zinātnieki uzrakstīja vienādojumus, aprakstot Visuma līknes un defektus ar papildu dimensiju, un ieguva sākotnējo elektromagnētisma vienādojumu. Apbrīnojams atklājums.
Stīgu teorijas papildu dimensijas var mums palīdzēt izskaidrot, kāpēc skaitļi mūsu Visumā ir tik kalibrēti, ka tie ļauj visam pastāvēt. Piemēram, kāpēc gaismas ātrums ir 299 792 458 metri sekundē? Viņi arī mēģina atbildēt uz jautājumu par smagumu - kāpēc šis spēks ir tik vājš? Tā ir vājākā no četrām pamata mijiedarbībām: 1040 reizes vājāka nekā elektromagnētiskais spēks. Pietiks, ja vienkārši noliecos un paceltu grāmatu no grīdas, lai tai pretotos. Teorētiski tas notiek tāpēc, ka gravitācija nokļūst augstākās dimensijās. Smagumu veido slēgtas cilpas šķipsnas, kas ļauj tai atstāt mūsu dimensiju, pretstatā atvērtām dzīslām, kuras ir labāk iezemētas.
Kāpēc mēs nevaram redzēt visas šīs dimensijas?
Tā kā tie pastāv tik mazā līmenī, ka tie mums ir neredzami un neļauj atklāt. Tie ir kompakti, aprīkoti tā, lai reproducētu mūsu pasaules fiziku, salocot interesantās Calabi-Yau formās. Dažādas Calabi Yau formas pieļauj dažādas virkņu vibrācijas un ļoti atšķirīgus Visumus.
Mēs pat varam pārbaudīt iespējamos vairākus Visumus. Tā kā mēs pieņemam, ka gravitācija nokļūst lielākās dimensijās, pēc divu daļiņu sadursmes vajadzētu būt mazāk laika nekā pirms sadursmes. Bet pat vislabvēlīgākajos apstākļos kaut ko līdzīgu pārbaudīt būtu neticami grūti, grūti izpildāms.
Stīgu teorijas aprēķini tiek veikti imitētos Visumos ar 10 vai 11 dimensijām, kur darbojas matemātika. Pēc tam zinātnieki mēģina izdzēst papildu dimensijas, taču līdz šim nevienam nav izdevies aprakstīt mūsu Visumu vai izveidot eksperimentu teorijas pierādīšanai. Tomēr tas nenozīmē, ka mums nav nevienas lietojumprogrammas stīgu teorijai.
Matemātiskais rīks, kas tiek izstrādāts kā virknes teorijas pētījumu daļa, palīdz mums izprast mūsu Visuma daļas. Mēs to varam izmantot, lai labāk izskaidrotu informācijas paradoksu, kvantu smagumu un dažas problēmas tīrā matemātikā. Daži zinātnieki izmanto teoriju saviem aprēķiniem daļiņu fizikā vai novērojot eksotiskos matērijas stāvokļus.
Stīgu teorija var nebūt teorija par visu, bet vismaz tā ir kaut kā teorija.
Iļja Khel