Partea 1
Singura problemă este să accepți această teorie ca fizică, este prea matematică. De ce?
Deoarece își datorează aspectul unei singure funcții - funcția beta a lui Euler nu este de fapt atât de complexă pe cât pare la prima vedere. Această funcție este studiată în cursul analizei matematice.
Deci de ce tocmai această funcție a fost începutul unei teorii atât de mari și confuze?
Funcția beta a lui Euler (Graficul funcției beta cu argumente reale).
În 1968, o tânără fiziciană teoretică italiană Gabriele Veneziano a încercat să descrie modul în care interacționează particulele unui nucleu atomic: protoni și neutroni. Omul de știință a avut o bănuială strălucitoare. El și-a dat seama că toate numeroasele proprietăți ale particulelor dintr-un atom pot fi descrise printr-o formulă matematică (funcția beta a lui Euler). Acesta a fost inventat acum două sute de ani de matematicianul elvețian Leonard Euler și a descris integrale în analiza matematică.
Veneziano a folosit-o în calculele sale, dar nu a înțeles de ce lucra în acest domeniu al fizicii. Sensul fizic al formulei a fost descoperit în 1970 de oamenii de știință americani Yoichiro Nambu, Leonard Susskind, precum și de colegul lor danez Holger Nielsen. Ei au sugerat că particulele elementare sunt mici șiruri vibrante unidimensionale, cabluri microscopice de energie. Dacă aceste șiruri sunt atât de minuscule, au argumentat cercetătorii, vor arăta în continuare ca particule punctuale și, prin urmare, nu vor afecta rezultatele experimentelor. Așa a apărut teoria șirurilor.
Multă vreme, filozofii au argumentat dacă universul are o anumită origine sau dacă a existat întotdeauna. Relativitatea generală implică finețea „vieții” Universului - Universul în expansiune ar fi trebuit să apară ca urmare a Big Bang-ului.
Video promotional:
Cu toate acestea, la începutul Big Bang-ului, teoria relativității nu a funcționat, deoarece toate procesele care au loc în acel moment au o natură cuantică. În teoria șirurilor, care se pretinde a fi teoria cuantică a gravitației, este introdusă o nouă constantă fizică fundamentală - cantitatea minimă de lungime (adică, cea mai scurtă lungime în esență). Drept urmare, vechiul scenariu al Universului născut în Big Bang devine de neatins.
Spațiu la nivel cuantic.
Șirurile sunt cele mai mici obiecte din univers. Mărimea șirurilor este comparabilă cu lungimea Planck (10 ^ –33 cm). Conform teoriei șirurilor, aceasta este lungimea minimă pe care o poate avea un obiect din univers.
Big Bang-ul a avut loc totuși, dar densitatea materiei în acel moment nu a fost infinită și este posibil ca universul să fi existat înainte. Simetria teoriei șirurilor sugerează că timpul nu are început sau sfârșit. Universul ar fi putut să apară aproape gol și format până la momentul Big Bang-ului sau să treacă prin mai multe cicluri de moarte și renaștere. În orice caz, era anterioară Big Bang-ului a avut un impact uriaș asupra spațiului modern.
În universul nostru în expansiune, galaxiile se împrăștie ca o mulțime împrăștiată. Se îndepărtează unul de celălalt, cu o viteză proporțională cu distanța dintre ele: galaxiile separate cu 500 de milioane de ani-lumină se împrăștie de două ori mai repede decât galaxiile, separate de 250 de milioane de ani-lumină. Astfel, toate galaxiile pe care le observăm ar fi trebuit să înceapă simultan din același loc în momentul Big Bang-ului. Acest lucru este adevărat chiar dacă expansiunea cosmică trece prin perioade de accelerare și decelerare. În diagramele de spațiu și timp, galaxiile se deplasează pe căile înfășurate spre și dinspre porțiunea observabilă a spațiului (pană galbenă). Cu toate acestea, nu se știe încă exact ce s-a întâmplat în momentul în care galaxiile (sau predecesorii lor) au început să zboare.
Istoria Universului.
În modelul standard Big Bang (foto stânga), bazat pe relativitatea generală, distanța dintre oricare două galaxii la un moment dat în trecutul nostru a fost zero. Până atunci, timpul nu are sens.
Și la modelele care iau în considerare efectele cuantice (în figura din dreapta), la momentul lansării, orice două galaxii erau separate printr-o anumită distanță minimă. Astfel de scenarii nu exclud posibilitatea existenței Universului înainte de Big Bang.
Partea 2
Și acum voi încerca să vă spun de ce există atât de multe dintre aceste teorii: teoria corzilor, superstrings, teoria M.
Mai multe detalii despre fiecare dintre teorii:
Teoria corzilor:
După cum știm și noi, teoria șirurilor este o teorie pur matematică, care spune că tot ceea ce în lumea noastră (și nu și în a noastră) este o consecință a „vibrațiilor” obiectelor microscopice de ordinul lungimii Planck.
Poate că toată materia este făcută din coarde.
Proprietățile șirului seamănă cu un șir de vioară. Fiecare șir poate face un număr uriaș (de fapt infinit) de vibrații diferite, cunoscute sub numele de vibrații rezonante. Acestea sunt vibrații în care distanța dintre maxime și minime este aceeași și exact un număr întreg de maxime și minime se potrivesc între capetele fixe ale șirului. De exemplu, urechea umană percepe vibrații rezonante ca note muzicale diferite. Șirurile au proprietăți similare în teoria corzilor. Ele pot efectua oscilații rezonante, în care un număr întreg de maxime și minime distribuite uniform se potrivesc de-a lungul lungimii șirurilor. În același mod în care diferite moduri (un set de tipuri de vibrații armonice tipice pentru un sistem oscilator) de vibrații rezonante ale corzilor de vioară dau naștere la note muzicale diferite,diferite moduri de vibrație ale șirurilor fundamentale dau naștere la diferite mase și constante de cuplare.
Conform teoriei speciale a relativității, energia și masa (E este egală cu pătratul em:) sunt două părți ale aceleiași monede: cu cât este mai multă energie, cu atât mai multă masă și invers. Și conform teoriei șirurilor, masa unei particule elementare este determinată de energia de vibrație a șirului interior al acestei particule. Șirurile interioare ale particulelor mai grele vibrează mai intens, în timp ce șirurile de particule ușoare vibrează mai puțin intens.
Cel mai important, caracteristicile unuia dintre modurile de șir sunt exact aceleași cu cele ale gravitonului, asigurând că gravitația este o parte integrantă a teoriei șirurilor.
Nu vreau să intru în detalii despre „geometria” corzilor deocamdată, voi spune doar că particulele fără masă, care pot fi fotoni, provin din vibrații sau șiruri deschise sau închise. Gravitonii provin numai din vibrațiile șirurilor închise sau ale buclelor. Șirurile interacționează între ele pentru a forma bucle. Particule mai mari (quarkuri, electroni) apar din aceste bucle. Masa acestor particule depinde de energia eliberată de buclă atunci când vibrează.
În teoria șirurilor, pot exista doar două constante fundamentale (în alte teorii există multe mai multe constante, chiar și cele mai fundamentale. De exemplu, modelul standard necesită 26 de constante). Unul, numit tensiune de șir, descrie câtă energie este conținută pe lungimea unității a șirului. Cealaltă, numită constantă de cuplare a șirului, este un număr care indică probabilitatea ca o șir de rupere în două șiruri, respectiv să provoace forțe; deoarece este o probabilitate, este doar un număr, nu există unități dimensionale.
Teoria superstringului:
Tot ce trebuie să știm și să înțelegem din această frază este că această teorie este o teorie generalizată a șirurilor. În această teorie, totul este considerat din punctul de vedere al supersimetriei - … DAR!
Înainte de a trece la discutarea supersimetriei, să ne amintim de conceptul de spin. Spinul este momentul unghiular intrinsec inerent fiecărei particule. Se măsoară în unități ale constantei lui Planck și pot fi întregi sau pe jumătate întregi. Spinul este o proprietate mecanică exclusiv cuantică, ea nu poate fi reprezentată din punct de vedere clasic. O încercare naivă de a interpreta particulele elementare drept „bile” mici și de rotire - ca rotație a acestora, contrazice teoria specială a relativității, deoarece punctele de pe suprafața bilelor trebuie să se miște mai repede decât lumina. Electronii au spin 1/2, fotonii au spin 1.
Supersimetria este simetria dintre particule cu rotiri întregi și jumătate întregi.
Pe scurt, constă în construirea teoriilor ale căror ecuații nu s-ar schimba atunci când câmpurile cu rotire întreagă sunt transformate în câmpuri cu rotiri semiderare și invers. De atunci, s-au scris mii de articole, toate modelele teoriei cuantice a câmpurilor au fost supuse suprasimetriei și a fost dezvoltat un nou aparat matematic care permite construirea teoriilor supersimetrice.
Particulele cunoscute în natură, în funcție de spinul lor, sunt subdivizate în bosoni (spin întreg) și fermioni (spin-jumătate întreg). Primele particule sunt purtătoare de interacțiuni, de exemplu, un foton, care poartă interacțiuni electromagnetice, un gluon, care poartă forțe nucleare puternice și un graviton, care poartă forțe gravitaționale. Al doilea este format din materia din care suntem făcuți, cum ar fi un electron sau un quark.
Fermionii (particule care se supun statisticilor Fermi-Dirac) și bosonii (particule care se supun statisticilor Bose-Einstein) pot coexista în același sistem fizic. Un astfel de sistem va avea un fel de simetrie specială - așa-numita supersimetrie, care mapează bosonii către fermioni și invers. Acest lucru necesită, desigur, un număr egal de bosoni și fermioni, dar condițiile pentru existența supersimetriei nu sunt limitate la aceasta. Sistemele suprasimetrice trăiesc în spațiul suprapersonal. Suprafata este obtinuta din spacetime obisnuite cand i se adauga coordonate fermionice. Într-o formulare super-spațială, transformările de supersimetrie arată ca rotirile și traducerile în spațiul obișnuit. Și particulele și câmpurile care trăiesc în ea sunt reprezentate de un set de particule sau câmpuri în spațiul obișnuit și un astfel de set,în care raportul cantitativ dintre bosoni și fermioni este strict fixat, precum și unele dintre caracteristicile lor (în primul rând rotiri). Particule-câmpuri incluse într-un astfel de set se numesc superparteneri.
Deci teoria convențională a șirurilor a descris doar particule care erau bosoane, așa că s-a numit teoria șirurilor bosonice. Dar ea nu a descris fermionii. Prin urmare, quark-urile și electronii, de exemplu, nu au fost incluse în teoria șirurilor bosonice.
Dar adăugând supersimetrie la teoria cordelor bosonice, am obținut o nouă teorie care descrie atât forțele, cât și materia care formează universul. Se numește teoria superstringului.
Există trei teorii diferite de superstring, care au sens, adică. fără inconsistențe matematice. În două dintre acestea, obiectul fundamental este șirul închis, în timp ce în al treilea, șirul deschis este blocul de construcție. Mai mult decât atât, amestecând cele mai bune aspecte ale teoriei șirurilor bosonice și ale teoriei superstringurilor, am obținut teorii de șiruri consistente - teorii cu șiruri heterotice.
Astfel, o superstring este un șir supersimetric, adică este încă o șir, dar nu trăiește în spațiul nostru obișnuit, ci în spațiul suprapersonal.
M-TEORIE:
La mijlocul anilor '80, teoreticienii au ajuns la concluzia că supersimetria, care este piesa centrală a teoriei șirurilor, ar putea fi încorporată în ea nu într-una, ci în cinci feluri diferite, ceea ce duce la cinci teorii diferite: tipul I, tipurile IIA și IIB și două heterotice. teorii de coarde. Din motive de bun-simț (2 versiuni ale aceleiași legi fizice nu pot funcționa simultan), s-a crezut că doar unul dintre ei poate revendica rolul unei „teorii a tot”, mai mult, cea care la energii reduse și compactificată (adică. dimensiuni lungimi Planck.
Se dovedește că doar observăm Universul nostru 4 dimensiuni fără aceste 6 dimensiuni, pe care pur și simplu nu le vedem), șase dimensiuni suplimentare ar fi în concordanță cu observații reale. Au rămas întrebări despre ce teorie era mai adecvată și ce să faci cu celelalte patru teorii.
Esenta:
Dacă, în acest caz, dimensiunea compactă se dovedește a fi de ordinul dimensiunii șirurilor (10 până la -33 grade de centimetru), atunci datorită mărimii acestei dimensiuni, pur și simplu nu o putem vedea direct. În cele din urmă, vom obține spațiul nostru (3 + 1) dimensional, în care un spațiu minuscul 6-dimensional corespunde fiecărui punct al Universului nostru 4-dimensional.
Cercetările au arătat că această viziune naivă este greșită. La mijlocul anilor 1990, Edward Witten și alți fizicieni teoretici au găsit dovezi puternice că toate cele cinci teorii superstring sunt strâns legate între ele, fiind diferite cazuri limitante ale unei singure teorii fundamentale cu 11 dimensiuni. Această teorie se numește M-Teorie.
Când Witten a dat numele M-teorie, el nu a specificat pentru ce stătea M, probabil pentru că nu simțea dreptul să numească o teorie pe care nu putea să o descrie complet. Ipotezele despre ceea ce ar putea reprezenta M a devenit un joc în rândul fizicienilor teoretici. Unii spun că M înseamnă „Mistică”, „Magică” sau „Mama”. Ipoteze mai grave sunt „Matricea” și „Membrana”. Cineva a observat că M poate fi o W inversată - prima literă a numelui Witten (Witten). Alții sugerează că M în teoria M ar trebui să însemne lipsă sau chiar Murky.
Dezvoltarea teoriei M în 11 dimensiuni le-a permis fizicienilor să privească dincolo de perioada în care a avut loc Big Bang-ul.
Ramurile din spațiul dimensional 10-11 se ciocnesc și creează un Big Bang pe * suprafața * ramurilor …
A fost creată o teorie conform căreia universul nostru este o consecință a coliziunii de obiecte într-un alt univers, care, la rândul său, poate fi nenumărat. Astfel, dezvăluirea unei întrebări a dus la apariția și mai multor întrebări.
Teoria M a fost luată de oamenii de știință ca teoria a tot. Adică, această teorie este potrivită pentru a explica totul: modul în care s-a născut Universul, ce a fost înainte de nașterea Universului nostru, răspunde la întrebarea existenței timpului înainte de nașterea Universului (timpul a existat chiar înainte de nașterea Universului), dezvăluie viitorul Universului.
Partea a 3-a
Guri de șir:
Teoria acum acceptată în general despre găurile negre, prezentată în urmă cu patruzeci de ani de către fizicianul John Wheeler, spune că după ce o stea este „arsă”, rămășițele ei sunt comprimate cu o astfel de forță încât forța atracției depășește forța repulsiei și, ca urmare, rămâne o singularitate: un punct în spațiul în care se află materia. într-o stare de „densitate infinită”. Singularitatea este înconjurată de așa-numitul „orizont de eveniment”, o graniță ipotetică pe care materia și energia din interiorul acesteia nu o pot depăși. Sunt „atrași” în gaura neagră și rămân în interior pentru totdeauna.
Reprezentarea unei găuri negre.
Acest „veșnic” este cel care ridică întrebări.
În 1975, cel mai mare teoretician al găurilor negre, Stephen Hawking, de la Universitatea din Cambridge, a stabilit (deși numai teoretic) că găurile negre se evaporă încet, dar inevitabil. În conformitate cu legile mecanicii cuantice, perechi de particule „virtuale” și antiparticule se fierb constant în spațiul gol. Hawking a arătat că energia gravitațională a găurilor negre poate fi transferată la particule „virtuale” chiar la orizontul evenimentului. În acest caz, particulele „virtuale” devin reale și depășesc orizontul împreună cu energia pozitivă sub formă de radiație Hawking. Astfel, în timp, gaura neagră se evaporă.
Temperatura radiației neplăcute (radiația din apropierea orizontului evenimentului cu gaura neagră cu spectru termic):
Temperatura radiației găurilor negre
unde este constanta lui Planck, c este viteza luminii în vid, k este constanta lui Boltzmann, G este constanta gravitațională și, în sfârșit, M este masa găului negru. De exemplu, este ușor de calculat că o gaură neagră cu o masă de 2 * 10 ^ 30 kg (masa Soarelui) va avea o temperatură de radiație egală cu 6.135 * 10 ^ (- 8) Kelvin. Aceasta este o temperatură foarte scăzută, chiar și în comparație cu radiația de fundal a Universului cu o temperatură de 2,7 Kelvin.
Dar temperaturile găurilor negre cunoscute de astronomi sunt prea mici pentru a detecta radiații din ele - masele găurilor sunt prea mari. Prin urmare, efectul nu a fost încă confirmat prin observații.
Cu toate acestea, această părere duce la un "paradox informațional". Se dovedește că, conform teoriei relativității, informațiile despre materia care se încadrează într-o gaură neagră se pierd, în timp ce mecanica cuantică susține că informația poate scăpa în cele din urmă.
Hawking a remarcat că natura haotică a radiațiilor Hawking înseamnă că energia este explozivă, dar informațiile nu sunt. Cu toate acestea, în 2004, s-a răzgândit - și acesta este doar unul dintre punctele științei moderne care își revizuiește toate punctele de vedere despre găurile negre.
Cert este că acum teoreticienii încearcă să „încerce” pe găurile negre (și toate discrepanțele teoretice asociate acestora) teoria șirurilor. Teoria șirurilor este acum cea mai bună încercare de a combina relativitatea generală și mecanica cuantică, deoarece șirurile ele însele poartă o forță gravitațională, iar vibrația lor este aleatorie, așa cum prevede mecanica cuantică.
În 1996, Andrew Strominger și Kamran Wafa de la Universitatea Harvard au decis să abordeze problema paradoxului informațional prin definirea modului în care se poate construi o gaură neagră din interior.
S-a dovedit că teoria șirurilor permite construirea unor structuri extrem de dense și de mică scară din șirurile în sine și alte obiecte descrise de teorie, unele dintre ele având mai mult de trei dimensiuni. Și aceste structuri s-au comportat la fel ca găurile negre: tracțiunea lor gravitațională nu eliberează lumina afară.
Numărul de modalități de organizare a șirurilor în găurile negre este copleșitor. Și, ceea ce este deosebit de interesant, această valoare coincide complet cu valoarea entropiei găurii negre, pe care Hawking și colegul său Bekenstein le-au calculat încă din anii șaptezeci.
Cu toate acestea, determinarea numărului de combinații de șiruri posibile nu este totul. În 2004, echipa Universității de Stat din Ohio, Samir Matura și-a propus să clarifice posibila dispunere a șirurilor în interiorul unei găuri negre. S-a dovedit că aproape întotdeauna șirurile sunt conectate astfel încât să formeze un singur șir - mare și foarte flexibil -, dar mult mai mare decât singularitatea punctului.
Grupul matur a calculat dimensiunile fizice ale mai multor găuri negre „cu șnur” (pe care membrii grupului preferă să le numească fuzzballs - „bile pufoase” sau stele stringy - „stele cu coarde”). Au fost surprinși să constate că dimensiunea acestor formațiuni de coarde a coincis cu dimensiunea „orizontului evenimentului” din teoria tradițională.
În acest sens, Mathur a sugerat ca așa-numitul. „Orizontul evenimentului” este de fapt o „masă spumoasă a șirurilor”, nu o delimitare rigidă.
Și că o gaură neagră nu distruge de fapt informații din motivul, de exemplu, că pur și simplu nu există singularitate în găurile negre. Masa șirurilor este distribuită pe întregul volum până la orizontul evenimentului, iar informațiile pot fi stocate în șiruri și imprimate pe radiația de ieșire Hawking (și, prin urmare, depășesc pragul evenimentului).
Cu toate acestea, atât Wafa, cât și Mathur recunosc că această imagine este foarte preliminară. Matura încă trebuie să testeze modul în care modelul său se încadrează în găurile negre mari sau să înțeleagă cum evoluează găurile negre.
O altă opțiune a fost sugerată de Gary Horowitz de la Universitatea California din Santa Barbara și Juan Maldasena de la Institutul de Studii Avansate Princeton. Conform acestor cercetători, singularitatea din centrul găurii negre există încă, dar informația pur și simplu nu intră în ea: materia intră în singularitate, iar informația - prin teleportarea cuantică - este imprimată radiației Hawking. Mulți fizicieni contestă acest punct de vedere, respingând posibilitatea unui transfer instantaneu de informații.
Gauri negre extreme:
Diversitate (spațiul euclidian este cel mai simplu exemplu de diversitate. Un exemplu mai complex este suprafața Pământului. Este posibilă realizarea unei hărți a oricărei zone a suprafeței pământului, de exemplu, o hartă a emisferei, dar este imposibil să se facă o singură (fără pauze) hartă a întregii sale suprafețe) de-a lungul căreia o șiră se poate mișca. se numește D-brane sau Dp-brane (atunci când se utilizează cea de-a doua notație, „p” este un număr întreg care caracterizează numărul de dimensiuni spațiale al galeriei). Un exemplu este două șiruri care au unul sau ambele capete atașate la o ramă D 2-dimensională sau ramă D2:
D-ramele pot avea un număr de dimensiuni spațiale de la -1 la numărul de dimensiuni spațiale ale spațiului nostru. Cuvântul „ramă” însuși provine de la cuvântul „membrană”, care este o suprafață bidimensională.
De ce am scris despre asta aici, dar aici:
Branes a făcut posibilă descrierea unor găuri negre speciale din teoria corzilor (această descoperire a fost făcută de Andrew Strominger și Kumrun Wafa în 1996, mai sus.)
Relația dintre ramuri și găurile negre este indirectă, dar convingătoare. Iată cum funcționează: Începeți prin a opri forța gravitațională (faceți acest lucru prin setarea constantei de cuplare a șirului (numărul care reprezintă probabilitatea ca o șir de rupere în două șiruri - una dintre cele două constante fundamentale din teoria șirurilor. Prima este „tensiunea” șirului) la zero). Poate părea ciudat să descrie găurile negre, care nu sunt altceva decât gravitație, totuși, să vedem ce se întâmplă în continuare. Cu gravitația oprită, putem privi geometriile în care multe ramuri sunt înfășurate în jurul unor dimensiuni suplimentare. Acum folosim faptul că ramele poartă sarcini electrice și magnetice. Se dovedește că există o limită la cât de multă încărcare poate avea o ramă, această limită este legată de masa ramului. Configurațiile de încărcare maximă sunt foarte specifice și se numesc extreme. Acestea includ una dintre situațiile în care există simetrii suplimentare care permit calcule mai precise. În special, astfel de situații se caracterizează prin prezența mai multor supersimetrii diferite care leagă fermioni și bosoni.
Există, de asemenea, cantitatea maximă de sarcină electrică sau magnetică pe care o găură neagră o poate avea și încă este stabilă. Se numesc găuri negre extreme și au fost studiați de specialiști în relativitate generală de mai mulți ani.
În ciuda faptului că forța gravitațională a fost oprită, sistemul extrem de ramă împarte unele proprietăți cu găuri negre extreme. În special, proprietățile termodinamice ale celor două sisteme sunt identice. Astfel, prin studierea termodinamicii ramurilor extreme înfășurate în jurul unor dimensiuni suplimentare, se poate reproduce proprietățile termodinamice ale găurilor negre extreme.
Una dintre problemele fizicii găurilor negre a fost să explice descoperirea lui Jacob Bekenstein și Stephen Hawking că găurile negre au entropie și temperatură. Noua idee din teoria coardelor este (în cazul găurilor negre extreme) pe care o puteți avansa în explorarea sistemelor similare de ramuri extreme înfășurate în jurul unor dimensiuni suplimentare. De fapt, multe dintre proprietățile celor două sisteme sunt exact aceleași. Această coincidență aproape supranaturală apare pentru că în ambele cazuri există mai multe transformări supersimetrice diferite care leagă fermioni și bosoni. Se dovedește că ne permit să construim o analogie matematică convingătoare care face ca termodinamica * a două sisteme să fie identică.
***
* Termodinamica unei găuri negre (proprietăți):
- Forța gravitației este aceeași pe întreaga suprafață a orizontului evenimentului
- Zona orizontului evenimentului unei găuri negre nu poate scădea cu timpul în niciun proces clasic.
- În orice procese de non-echilibru care implică găuri negre (de exemplu, atunci când se ciocnesc), suprafața crește.
