Theorie van snaren en supersnaren. Wat snaartheorie zegt in eenvoudige bewoordingen

Aan het begin van de 20e eeuw, twee dragende pilaren van de moderne wetenschappelijke kennis. Een daarvan is de algemene relativiteitstheorie van Einstein, die het fenomeen zwaartekracht en de structuur van ruimte-tijd verklaart. De andere is de kwantummechanica, die fysieke processen beschrijft door het prisma van waarschijnlijkheid. Snaartheorie wordt opgeroepen om deze twee benaderingen te combineren. Het kan kort en duidelijk worden uitgelegd aan de hand van analogieën in het dagelijks leven.

Snaartheorie in gewone taal

De belangrijkste bepalingen van een van de beroemdste "theorieën van alles" zijn als volgt:

1. De basis van het universum zijn uitgestrekte objecten die qua vorm op touwtjes lijken;
2. Deze objecten hebben de neiging om verschillende trillingen te maken, als op een muziekinstrument;
3. Als gevolg van deze trillingen worden verschillende elementaire deeltjes (quarks, elektronen, etc.) gevormd.
4. De massa van het resulterende object is recht evenredig met de amplitude van de perfecte oscillatie;
5. De theorie helpt om met een frisse blik naar zwarte gaten te kijken;
6. Ook was het met behulp van de nieuwe leer mogelijk om de zwaartekracht in de interacties tussen fundamentele deeltjes te onthullen;
7. In tegenstelling tot de huidige heersende ideeën over de vierdimensionale wereld worden in de nieuwe theorie extra dimensies geïntroduceerd;
8. Op dit moment is het concept nog niet officieel geaccepteerd door de brede wetenschappelijke gemeenschap. Er is geen enkel experiment bekend dat deze harmonieuze en geverifieerde theorie op papier zou bevestigen.

Geschiedenis referentie

De geschiedenis van dit paradigma omvat tientallen jaren van intensief onderzoek. Dankzij de gezamenlijke inspanningen van natuurkundigen over de hele wereld is een coherente theorie ontwikkeld, inclusief de concepten gecondenseerde materie, kosmologie en theoretische wiskunde.

De belangrijkste stadia van zijn ontwikkeling:

1. 1943-1959 De doctrine van Werner Heisenberg over de s-matrix verscheen, in het kader waarvan werd voorgesteld om de concepten van ruimte en tijd voor kwantumverschijnselen te verwerpen. Heisenberg ontdekte voor het eerst dat de deelnemers aan sterke interacties uitgebreide objecten zijn, geen punten;
2. 1959-1968 Er zijn deeltjes met hoge spins (koppels) gevonden. De Italiaanse natuurkundige Tullio Regge stelt voor om kwantumtoestanden te groeperen in banen (die naar hem zijn genoemd);
3. 1968-1974 Garibrele Veneziano stelde een dubbel resonantiemodel voor om sterke interacties te beschrijven. Yoshiro Nambu ontwikkelde dit idee en beschreef kernkrachten als vibrerende eendimensionale snaren;
4. 1974-1994 De ontdekking van supersnaren, grotendeels te danken aan het werk van de Russische wetenschapper Alexander Polyakov;
5. 1994-2003 De komst van de M-theorie maakte meer dan 11 dimensies mogelijk;
6. 2003 - heden in. Michael Douglas ontwikkelde de landschapssnaartheorie met het idee: vals vacuüm.

Kwantumsnaartheorie

De belangrijkste objecten in het nieuwe wetenschappelijke paradigma zijn: de dunste objecten, die door hun oscillerende bewegingen elk elementair deeltje massa en lading geven.

De belangrijkste eigenschappen van snaren volgens moderne concepten:

• Hun lengte is extreem klein - ongeveer 10-35 meter. Op zo'n schaal worden kwantuminteracties waarneembaar;
• Onder gewone laboratoriumomstandigheden, die niet met zulke kleine objecten omgaan, is een string echter absoluut niet te onderscheiden van een dimensieloos puntobject;
• Oriëntatie is een belangrijk kenmerk van een stringobject. Strings die het hebben, hebben een paar met de tegenovergestelde richting. Er zijn ook ongerichte gevallen.

Strings kunnen zowel in de vorm van een aan beide uiteinden begrensd segment als in de vorm van een gesloten lus bestaan. Bovendien zijn de volgende transformaties mogelijk:

• Een segment of een lus kan "vermenigvuldigen" door aanleiding te geven tot een paar corresponderende objecten;
• Het segment geeft aanleiding tot een lus als een deel ervan "loopt";
• De lus breekt en wordt een open string;
• De twee segmenten wisselen segmenten uit.

Andere fundamentele objecten

In 1995 bleek dat niet alleen eendimensionale objecten de bouwstenen zijn van ons universum. Het bestaan ​​van ongebruikelijke formaties werd voorspeld - branen- in de vorm van een cilinder of een driedimensionale ring, die de volgende kenmerken heeft:

• Ze zijn een paar miljard keer kleiner dan atomen;
• Ze kunnen zich voortplanten door ruimte en tijd, hebben massa en lading;
• In ons universum zijn het driedimensionale objecten. Er wordt echter gesuggereerd dat hun vorm veel mysterieuzer is, omdat een aanzienlijk deel ervan zich kan uitstrekken tot andere dimensies;
• De hoogdimensionale ruimte die onder de branen ligt, is hyperruimte;
• Deze structuren worden geassocieerd met het bestaan ​​van deeltjes die dragers zijn van zwaartekracht - gravitonen. Ze kunnen vrij van de branen worden gescheiden en vloeien soepel over in andere dimensies;
• Op gelokaliseerde branen zijn er ook elektromagnetische, nucleaire en zwakke interacties;
• De belangrijkste variëteit zijn D-branen. De eindpunten van een open touwtje zitten vast aan hun oppervlak op het moment dat het door de ruimte gaat.

kritieken

Zoals elke wetenschappelijke revolutie doorbreekt deze de doornen van misverstanden en kritiek van aanhangers van traditionele opvattingen.

Een van de meest voorkomende opmerkingen:

• De introductie van extra dimensies van ruimte-tijd creëert de hypothetische mogelijkheid van het bestaan ​​van een groot aantal universums. Volgens wiskundige Peter Volt leidt dit tot de onmogelijkheid om processen of verschijnselen te voorspellen. Elk experiment voert een groot aantal verschillende scenario's uit, die op verschillende manieren kunnen worden geïnterpreteerd;
• Er is geen bevestigingsmogelijkheid. Het huidige technologische ontwikkelingsniveau laat geen experimentele bevestiging of weerlegging van deskresearch toe;
• De laatste waarnemingen van astronomische objecten passen niet in de theorie, wat wetenschappers dwingt om sommige van hun conclusies te heroverwegen;
• Een aantal natuurkundigen is van mening dat het concept speculatief is en de ontwikkeling van andere fundamentele concepten belemmert.

Het is misschien gemakkelijker om de stelling van Fermat te bewijzen dan in eenvoudige woorden snaartheorie uitleggen. Zijn wiskundige apparaat is zo uitgebreid dat alleen eerbiedwaardige wetenschappers van de grootste onderzoeksinstituten het kunnen begrijpen.

Het is nog steeds niet duidelijk of de ontdekkingen die de afgelopen decennia op de punt van een pen zijn gedaan, echt worden toegepast. Als dat zo is, staan ​​we voor een dappere nieuwe wereld met anti-zwaartekracht, meerdere universums en een aanwijzing voor de aard van zwarte gaten.

Video: snaartheorie in het kort en toegankelijk

In deze video vertelt natuurkundige Stanislav Efremov je in eenvoudige bewoordingen wat snaartheorie is:

Een soortgelijke vraag is hier al gesteld:

Maar ik zal proberen er in mijn huisstijl over te vertellen ;)

We hebben een heel lang gesprek, maar ik hoop dat je geïnteresseerd bent, maat. Luister in het algemeen, wat is hier het punt. Het hoofdidee is al te zien in de naam zelf: in plaats van elementaire puntdeeltjes (zoals elektronen, fotonen, enz.), biedt deze theorie snaren - een soort microscopisch vibrerende eendimensionale energiedraden die zo klein zijn dat ze kunnen niet worden gedetecteerd door moderne apparatuur (met name op de Planck-lengte, maar daar gaat het niet om). Zeg geen deeltjes bestaan ​​uit van snaren, zij en eet snaren, alleen vanwege de imperfectie van onze apparatuur, zien we ze als deeltjes. En als onze apparatuur in staat is om de Planck-lengte te bereiken, dan zouden we daar snaren moeten vinden. En net zoals een vioolsnaar trilt om verschillende noten te produceren, trilt een kwantumsnaar om te produceren verschillende eigenschappen deeltjes (bijvoorbeeld ladingen of massa's). Dit is in het algemeen de hoofdgedachte.

Het is echter belangrijk hier op te merken dat de snaartheorie zeer grote ambities heeft en niets minder claimt dan de status van een "theorie van alles" die zwaartekracht (de relativiteitstheorie) en kwantummechanica (dat wil zeggen, de macrokosmos - de wereld van grote objecten die ons bekend zijn, en de microkosmos - de wereld van elementaire deeltjes). Zwaartekracht in de snaartheorie verschijnt elegant op zichzelf, en dit is waarom. Aanvankelijk werd de snaartheorie over het algemeen alleen gezien als een theorie van de sterke kernkracht (de kracht waarmee protonen en neutronen bij elkaar worden gehouden in de kern van een atoom), niet meer, omdat sommige soorten trillende snaren op de eigenschappen van gluonen leken ( dragerdeeltjes van de sterke kracht). Er waren echter, naast gluonen, andere soorten snaartrillingen, die deden denken aan andere deeltjesdragers van een soort interactie, die niets met gluonen te maken hadden. Na de eigenschappen van deze deeltjes te hebben bestudeerd, ontdekten wetenschappers dat deze oscillaties precies samenvallen met de eigenschappen van een hypothetisch deeltje - een graviton - een deeltjesdrager van zwaartekrachtinteractie. Dit is hoe zwaartekracht verscheen in de snaartheorie.

Maar ook hier (wat ga je doen!) is er een probleem dat "kwantumfluctuaties" wordt genoemd. Ja, wees niet bang, deze term is alleen qua uiterlijk verschrikkelijk. Dus kwantumfluctuaties worden geassocieerd met de constante geboorte en vernietiging van virtuele (die niet direct kunnen worden gezien vanwege hun voortdurende verschijnen en verdwijnen) deeltjes. Het meest indicatieve proces in deze zin is annihilatie - de botsing van een deeltje en een antideeltje met de vorming van een foton (lichtdeeltje), dat vervolgens een ander deeltje en een antideeltje genereert. En zwaartekracht is in wezen wat? Het is een soepel gebogen geometrisch weefsel van ruimte-tijd. Het sleutelwoord is hier glad. En in de kwantumwereld is de ruimte juist vanwege deze fluctuaties niet glad en glad, er is zo'n chaos dat het zelfs eng is om je voor te stellen. Zoals je waarschijnlijk al begrijpt, is de gladde geometrie van de ruimte van de relativiteitstheorie volledig onverenigbaar met kwantumfluctuaties. Maar uit schaamte hebben natuurkundigen een oplossing gevonden door te stellen dat de interactie van snaren deze fluctuaties gladstrijkt. Hoe, vraag je? Maar stel je twee gesloten touwtjes voor (want er zijn ook open, een soort draadje met twee open uiteinden; gesloten touwtjes zijn respectievelijk een soort lusjes). Deze twee gesloten snaren liggen op ramkoers en op een gegeven moment botsen ze en veranderen in één grotere snaar. Deze snaar beweegt nog enige tijd, waarna hij zich splitst in twee kleinere snaartjes. Nu de volgende stap. Laten we ons dit hele proces eens in een filmopname voorstellen: we zullen zien dat dit proces een zeker driedimensionaal volume heeft gekregen. Dit volume wordt het "wereldoppervlak" genoemd. Laten we ons nu voorstellen dat jij en ik dit hele proces vanuit verschillende hoeken bekijken: ik kijk recht vooruit en jij kijkt vanuit een kleine hoek. We zullen zien dat vanuit jouw oogpunt en vanuit het mijne, de snaren op verschillende plaatsen zullen botsen, omdat voor jou deze snaarlussen (laten we ze zo noemen) een beetje schuin bewegen, maar voor mij recht. Het is echter hetzelfde proces, dezelfde twee snaren die botsen, het verschil is slechts in twee gezichtspunten. Dit betekent dat er een soort "smering" is van de interactie van snaren: vanuit de positie van verschillende waarnemers interageren ze op verschillende plaatsen. Ondanks deze verschillende gezichtspunten is het proces echter nog steeds hetzelfde en is het punt van interactie hetzelfde. Zo zullen verschillende waarnemers dezelfde plaats van interactie van twee puntdeeltjes bepalen. Dat is het! Begrijp je wat er aan de hand is? We hebben kwantumfluctuaties gladgestreken en zo zwaartekracht en kwantummecha gecombineerd! Kijk!

Oké, laten we verder gaan. Nog niet moe? Nou, luister. Nu zal ik het hebben over wat ik persoonlijk niet zo leuk vind aan snaartheorie. En dit wordt "mathematisering" genoemd. Op de een of andere manier lieten theoretici zich te veel meeslepen door wiskunde ... maar het punt hier is simpel: hier, hoeveel dimensies van de ruimte ken je? Dat klopt, drie: lengte, breedte en hoogte (tijd is de vierde dimensie). Nu past de wiskunde van de snaartheorie niet goed bij deze vier dimensies. En vijf ook. En tien. Maar met elf komt het goed overeen. En de theoretici besloten: nou, aangezien wiskunde vereist, laat er elf dimensies zijn. Zie je, wiskunde vereist! Wiskunde, geen realiteit! (Uitroep aan de zijkant: als ik het mis heb, zal iemand me overtuigen! Ik wil van gedachten veranderen!) Wel, waar, vraag je je af, zijn de andere zeven dimensies gebleven? Op deze vraag antwoordt de theorie ons dat ze "gecompacteerd" zijn, gevouwen tot microscopisch kleine formaties op de Planck-lengte (dat wil zeggen, op een schaal die we niet kunnen waarnemen). Deze formaties worden het "Calabi-Yau-spruitstuk" genoemd (naar de namen van twee vooraanstaande natuurkundigen).

Het is ook interessant dat de snaartheorie ons bij het Multiversum brengt, dat wil zeggen, bij het idee van het bestaan ​​van een oneindig aantal parallelle universums. Het hele punt hier is dat er in de snaartheorie niet alleen snaren zijn, maar ook branen (van het woord "membraan"). Branen kunnen verschillende afmetingen hebben, tot negen. Er wordt aangenomen dat we op een 3-braan leven, maar er kunnen anderen in de buurt van deze braan zijn en ze kunnen periodiek botsen. En we zien ze niet omdat open snaren aan beide uiteinden stevig vastzitten aan de braan. Deze snaren kunnen met hun uiteinden langs de braan bewegen, maar ze kunnen er niet uit (loshaken). En als we de snaartheorie moeten geloven, dan bestaat alle materie en wij allemaal uit deeltjes die eruitzien als snaren met de Planck-lengte. Daarom, aangezien de open snaren de braan niet kunnen verlaten, kunnen we op geen enkele manier interageren met een andere braan (lees: parallel universum) of het op de een of andere manier zien. Het enige deeltje dat niet echt om deze beperking geeft en het kan, is het hypothetische graviton, wat een gesloten reeks is. Niemand heeft het graviton echter nog kunnen detecteren. Zo'n multiversum wordt het "brane-multiversum" of "braneworld-scenario" genoemd.

Trouwens, vanwege het feit dat niet alleen snaren, maar ook branen werden gevonden in de snaartheorie, begonnen theoretici het "M-theorie" te noemen, maar niemand weet echt wat deze "M" betekent;)

Dat is het. Zo is het verhaal. Ik hoop dat je ervan genoten hebt broer. Als er iets onduidelijk blijft, vraag het dan in de comments - ik zal het uitleggen.

supersnaartheorie

Kort over supersnaartheorie

Deze theorie ziet er zo wild uit dat het heel goed mogelijk is!

Verschillende versies van de snaartheorie worden tegenwoordig beschouwd als de belangrijkste kanshebbers voor de titel van een alomvattende universele theorie die de aard van alles wat bestaat verklaart. En dit is een soort heilige graal van theoretische natuurkundigen die betrokken zijn bij de theorie van elementaire deeltjes en kosmologie. Universele theorie (ook bekend als theorie van alles) bevat slechts een paar vergelijkingen die de totaliteit van menselijke kennis combineren over de aard van interacties en eigenschappen van de fundamentele elementen van materie waaruit het universum is opgebouwd. Tegenwoordig is snaartheorie gecombineerd met het concept supersymmetrie, resulterend in de geboorte supersnaartheorie, en vandaag is dit het maximum dat is bereikt in termen van het verenigen van de theorie van alle vier de belangrijkste interacties (krachten die in de natuur werken). De theorie van supersymmetrie zelf is al gebouwd op basis van een a priori modern concept, volgens welke elke verre (veld)interactie het gevolg is van de uitwisseling van deeltjesdragers van een overeenkomstige soort interactie tussen interagerende deeltjes (de Standaard Model). Voor de duidelijkheid: deeltjes die op elkaar inwerken, kunnen worden beschouwd als de "stenen" van het universum, en dragerdeeltjes - cement.

Binnen het kader van het standaardmodel fungeren quarks als bouwstenen en zijn interactiedragers ijkbosonen, die deze quarks met elkaar uitwisselen. De theorie van supersymmetrie gaat nog verder en stelt dat de quarks en leptonen zelf niet fundamenteel zijn: ze bestaan ​​allemaal uit nog zwaardere en experimenteel onontdekte structuren (bakstenen) van materie, bijeengehouden door een nog sterker “cement” van superenergetische deeltjes-dragers van interacties dan quarks in hadronen en bosonen. Natuurlijk is in laboratoriumomstandigheden nog geen van de voorspellingen van de theorie van supersymmetrie geverifieerd, maar de hypothetische verborgen componenten van de materiële wereld hebben al namen - bijvoorbeeld, zieelektron(supersymmetrische partner van een elektron), squark enz. Het bestaan ​​van deze deeltjes wordt echter ondubbelzinnig voorspeld door dit soort theorieën.

Het beeld van het heelal dat door deze theorieën wordt geboden, is echter vrij eenvoudig te visualiseren. Op schalen in de orde van 10-35 m, dat wil zeggen 20 orden van grootte kleiner dan de diameter van hetzelfde proton, dat drie gebonden quarks omvat, verschilt de structuur van materie van wat we gewend zijn, zelfs op het niveau van elementaire deeltjes. Op zulke kleine afstanden (en bij zulke hoge interactie-energieën dat het ondenkbaar is) verandert materie in een reeks staande veldgolven, vergelijkbaar met die worden opgewekt in de snaren van muziekinstrumenten. Zoals een gitaarsnaar, in zo'n snaar, naast de grondtoon, veel boventonen of harmonischen. Elke harmonische heeft zijn eigen energietoestand. Volgens relativiteitsbeginsel(Relativiteitstheorie), energie en massa zijn equivalent, wat betekent dat hoe hoger de frequentie van de harmonische golftrilling van een snaar, hoe hoger de energie en hoe hoger de massa van het waargenomen deeltje.

Als een staande golf in een gitaarsnaar echter heel eenvoudig wordt gevisualiseerd, zijn de door de supersnaartheorie voorgestelde staande golven moeilijk te visualiseren - het feit is dat supersnaren trillen in een ruimte die 11 dimensies heeft. We zijn gewend aan een vierdimensionale ruimte, die drie ruimtelijke en één temporele dimensies bevat (links-rechts, omhoog-omlaag, vooruit-achteruit, verleden-toekomst). In de ruimte van superstrings ligt het veel gecompliceerder (zie inzet). Theoretische natuurkundigen omzeilen het glibberige probleem van 'overbodige' ruimtelijke dimensies door te stellen dat ze 'verborgen' (of, in wetenschappelijke termen, 'gecompacteerd') zijn en daarom niet worden waargenomen bij gewone energieën.

Meer recentelijk is de snaartheorie verder ontwikkeld in de vorm theorie van multidimensionale membranen- in feite zijn dit dezelfde snaren, maar dan plat. Zoals een van de auteurs terloops grapte, verschillen membranen van snaren op vrijwel dezelfde manier als noedels van vermicelli.

Dat is misschien alles wat er in het kort over een van de theorieën kan worden verteld, niet zonder reden die vandaag de dag de titel van de universele theorie van de Grote Eenwording van alle krachtinteracties claimt. Helaas, deze theorie is niet zonder zonde. Allereerst is het nog niet in een rigoureuze wiskundige vorm gebracht vanwege de ontoereikendheid van het wiskundige apparaat om het in strikte interne overeenstemming te brengen. Het is 20 jaar geleden dat deze theorie werd geboren en niemand is erin geslaagd om sommige aspecten en versies ervan consequent met andere te harmoniseren. Nog onaangenamer is het feit dat geen van de theoretici die de theorie van snaren (en vooral supersnaren) voorstelden, tot dusverre een enkel experiment heeft voorgesteld waarop deze theorieën in het laboratorium zouden kunnen worden getest. Helaas, ik ben bang dat totdat ze dit doen, al hun werk een bizar fantasiespel zal blijven en een oefening in het begrijpen van esoterische kennis buiten de hoofdstroom van de natuurwetenschap.

Inleiding tot supersnaren

vertaling door Sergey Pavlyuchenko

Snaartheorie is een van de meest opwindende en diepgaande theorieën in de moderne theoretische natuurkunde. Helaas is dit nog steeds een nogal moeilijk iets om te begrijpen, wat alleen kan worden begrepen vanuit het standpunt van de kwantumveldentheorie. Kennis van wiskunde zoals groepentheorie, differentiaalmeetkunde, enz. zal het begrip niet schaden. Voor de meerderheid blijft het dus een 'ding op zich'.

Deze inleiding is bedoeld als een "leesbare" korte inleiding tot de basisbegrippen van de snaartheorie voor geïnteresseerden. Helaas zullen we streng en volledig moeten betalen voor de beschikbaarheid van de expositie. We hopen dat het je antwoorden zal geven op de eenvoudigste vragen over snaartheorie, en dat je de schoonheid van dit wetenschapsgebied zult voelen.

Snaartheorie is tot op de dag van vandaag een dynamisch ontwikkelend kennisgebied; elke dag brengt iets nieuws over haar. Tot nu toe weten we niet precies of de snaartheorie ons heelal beschrijft en in welke mate. Maar ze kan het heel goed beschrijven, zoals blijkt uit deze recensie.

De originele versie is te vinden op http://www.sukidog.com/jpierre/strings/index.html .

Waarom precies snaartheorie?

Hoewel het standaardmodel de meeste verschijnselen beschrijft die we kunnen waarnemen met moderne versnellers, blijven er nog steeds veel vragen over de natuur onbeantwoord. Het doel van de moderne theoretische fysica is juist om de beschrijvingen van het universum te verenigen. Historisch gezien is dit pad behoorlijk succesvol. De speciale relativiteitstheorie van Einstein bijvoorbeeld, combineerde elektriciteit en magnetisme tot een elektromagnetische kracht. Het in 1979 bekroonde werk van Glashow, Weinberg en Salam laat zien dat de elektromagnetische en zwakke krachten kunnen worden gecombineerd tot de elektrozwakke. Verder is er alle reden om aan te nemen dat alle krachten binnen het Standaardmodel uiteindelijk samenkomen. Als we de sterke en de elektrozwakke interacties beginnen te vergelijken, dan zullen we naar gebieden met steeds hogere energieën moeten gaan totdat ze even sterk worden in het gebied van GeV. Zwaartekracht zal samenkomen bij energieën in de orde van grootte van .

Het doel van de snaartheorie is juist om het teken te verklaren " ? " in het schema hierboven.

De karakteristieke energieschaal voor kwantumzwaartekracht heet Planck-massa en wordt als volgt uitgedrukt in termen van de constante van Planck, de lichtsnelheid en de zwaartekrachtconstante:

Aangenomen mag worden dat de snaartheorie in zijn uiteindelijke vorm antwoord zal geven op de volgende vragen:

• Wat is de oorsprong van de 4 ons bekende natuurkrachten?
• Waarom zijn de massa's en ladingen van deeltjes precies zoals ze zijn?
• Waarom leven we in een ruimte met 4 ruimtelijke dimensies?
• Wat is de aard van ruimte-tijd en zwaartekracht?

  Grondbeginselen van de snaartheorie

  We zijn gewend om elementaire deeltjes (zoals een elektron) te zien als punt 0-dimensionale objecten. Iets algemener is het begrip fundamentele snaren als 1-dimensionale objecten. Ze zijn oneindig dun en hun lengte is in de orde van grootte van . Maar dit is gewoon te verwaarlozen in vergelijking met de lengtes waar we normaal mee te maken hebben, dus we kunnen aannemen dat ze bijna puntig zijn. Maar zoals we zullen zien, is hun snaarkarakter behoorlijk belangrijk.

  Snaren zijn open En gesloten. Terwijl ze door de ruimte-tijd bewegen, bedekken ze een oppervlak genaamd wereldblad.

  

  Deze snaren hebben bepaalde trillingsmodi die de kwantumgetallen bepalen die inherent zijn aan het deeltje, zoals massa, spin, enz. Het basisidee is dat elke modus een reeks kwantumgetallen heeft die overeenkomen met een bepaald type deeltje. Dit is de laatste eenwording - alle deeltjes kunnen worden beschreven door één object - een string!

  Beschouw als voorbeeld een gesloten string die er als volgt uitziet:

  Zo'n string komt overeen met de massaloze zwaartekracht met spin 2 - naar een deeltje dat zwaartekrachtinteractie draagt. Trouwens, dit is een van de kenmerken van de snaartheorie - het omvat natuurlijk en onvermijdelijk zwaartekracht als een van de fundamentele interacties.

  Strings werken samen door te delen en samen te voegen. De vernietiging van twee gesloten strings in één gesloten string ziet er bijvoorbeeld als volgt uit:

  
  

  Merk op dat het oppervlak van het wereldblad een glad oppervlak is. Hieruit volgt nog een "goede" eigenschap van de snaartheorie - het bevat geen reeks divergenties die inherent zijn aan de kwantumveldentheorie met puntdeeltjes. Feynman-diagram voor hetzelfde proces

  

  bevat een topologische singulariteit op het interactiepunt.

  Als we twee eenvoudigste string-interacties aan elkaar "lijmen", krijgen we een proces waarbij twee gesloten strings via unie op elkaar inwerken in een tussenliggende gesloten string, die dan weer in tweeën splitst:
  

  Deze belangrijkste bijdrage aan het interactieproces heet boom benadering. Om de kwantummechanische amplituden van processen te berekenen met behulp van verstoring theorie, bijdragen van kwantumprocessen van hogere orde toe te voegen. Storingstheorie geeft mooie resultaten, omdat de bijdragen steeds kleiner worden naarmate we hogere en hogere orden gebruiken. Zelfs als u alleen de eerste paar diagrammen berekent, kunt u redelijk nauwkeurige resultaten krijgen. In de snaartheorie komen hogere orden overeen met meer gaten (of "handvatten") op de wereldbladen.
  
  

  Het goede van deze benadering is dat elke orde van verstoringstheorie overeenkomt met slechts één diagram (bijvoorbeeld in de veldentheorie met puntdeeltjes groeit het aantal diagrammen exponentieel in hogere ordes). Het slechte nieuws is dat de exacte berekeningen van diagrammen met meer dan twee gaten erg moeilijk zijn vanwege de complexiteit van het wiskundige apparaat dat wordt gebruikt bij het werken met dergelijke oppervlakken. Perturbatietheorie is zeer nuttig bij het bestuderen van processen met zwakke koppeling, en de meeste ontdekkingen op het gebied van elementaire deeltjesfysica en snaartheorie zijn ermee verbonden. Dit alles is echter nog lang niet voorbij. De antwoorden op de diepste vragen van de theorie kunnen pas worden verkregen nadat de exacte beschrijving van deze theorie is voltooid.

  D-branen

  Strings kunnen volledig willekeurige randvoorwaarden hebben. Een gesloten string heeft bijvoorbeeld periodieke randvoorwaarden (de string "gaat in zichzelf"). Open strings kunnen twee soorten randvoorwaarden hebben - de voorwaarden Neumann en voorwaarden Dirichlet. In het eerste geval kan het uiteinde van de snaar echter vrij bewegen zonder het momentum weg te nemen. In het tweede geval kan het uiteinde van de snaar langs een verdeelstuk bewegen. Deze variëteit heet D-braan of Dp-brane(bij gebruik van de tweede notatie is "p" een geheel getal dat het aantal ruimtelijke dimensies van het verdeelstuk karakteriseert). Een voorbeeld is twee strings met een of beide uiteinden bevestigd aan een 2-dimensionale D-braan of D2-brane:

  

  D-branen kunnen een aantal ruimtelijke dimensies hebben van -1 tot het aantal ruimtelijke dimensies van onze ruimtetijd. In de theorie van superstrings zijn er bijvoorbeeld 10 dimensies - 9 ruimtelijk en één tijdelijk. Dus in superstrings is het maximum dat kan bestaan ​​een D9-braan. Merk op dat in dit geval de uiteinden van de snaren zijn bevestigd op een verdeelstuk dat alle ruimte bedekt, zodat ze overal kunnen bewegen, dus de Neumann-conditie wordt daadwerkelijk opgelegd! In het geval van p=-1 zijn alle ruimtelijke en temporele coördinaten vast, en zo'n configuratie heet direct aan of D-instanton. Als p=0, dan zijn alle ruimtelijke coördinaten vast, en het einde van de string kan maar op één punt in de ruimte bestaan, dus D0-branen worden vaak genoemd D-deeltjes. Op dezelfde manier worden D1-branen D-strings genoemd. Trouwens, het woord "brane" zelf komt van het woord "membraan", dat 2-dimensionale branen of 2-branen wordt genoemd.

  In werkelijkheid zijn D-branen dynamisch, ze kunnen fluctueren en bewegen. Ze werken bijvoorbeeld door zwaartekracht op elkaar in. In het onderstaande diagram kun je zien hoe een gesloten snaar (in ons geval een graviton) interageert met een D2-braan. Van bijzonder belang is het feit dat bij interactie een gesloten snaar opengaat met beide uiteinden op de D-braan.
  
  
  Snaartheorie is dus meer dan alleen snaartheorie!

  Aanvullende metingen

  Superstrings bestaan ​​in 10-dimensionale ruimte-tijd, terwijl wij in 4-dimensionaal leven. En als superstrings ons universum beschrijven, moeten we deze twee ruimtes op de een of andere manier met elkaar verbinden. Om dit te doen, reduceren we 6 dimensies tot zeer kleine maat. Als in dit geval de grootte van de compacte afmeting in de orde van grootte van de snaren blijkt te zijn (), dan kunnen we deze vanwege de kleinheid van deze afmeting eenvoudigweg op geen enkele manier direct zien. Uiteindelijk zullen we onze (3 + 1)-dimensionale ruimte krijgen, waarin elk punt van ons 4-dimensionale universum overeenkomt met een kleine 6-dimensionale ruimte. In onderstaande afbeelding is dit zeer schematisch weergegeven:

  

  Dit is eigenlijk een vrij oud idee dat teruggaat tot het werk van Kaluza en Klein in de jaren twintig. Het hierboven beschreven mechanisme heet Kaluza-Klein theorie of verdichting. Kaluza's werk zelf laat zien dat als we de relativiteit in 5-dimensionale ruimtetijd nemen, en dan één dimensie in een cirkel wikkelen, we 4-dimensionale ruimtetijd krijgen met relativiteit plus elektromagnetisme! En dit gebeurt vanwege het feit dat elektromagnetisme is U(1) ijktheorie. U(1) is de groep rotaties rond een punt in het vlak. Het Kaluza-Klein-mechanisme geeft een eenvoudige geometrische interpretatie van deze cirkel - dit is dezelfde gevouwen vijfde dimensie. Hoewel gevouwen metingen klein zijn voor directe detectie, kunnen ze toch een diepe fysieke betekenis hebben. [Volledig per ongeluk gelekt naar de pers, het werk van Kaluza en Klein zorgde voor veel gepraat over de vijfde dimensie.]

  Hoe kunnen we weten of er echt extra dimensies zijn en hoe kunnen we ze "voelen" met versnellers met voldoende hoge energieën? Uit de kwantummechanica is bekend dat als de ruimte periodiek is, het momentum wordt gekwantiseerd: , terwijl als de ruimte onbegrensd is, het bereik van momentumwaarden continu is. Als de verdichtingsradius (de grootte van extra afmetingen) wordt verkleind, neemt het bereik van toegestane momentumwaarden toe. Dit is hoe je de toren van momentum krijgt - de toren van Kaluza Klein.

  

  En als de straal van de cirkel erg groot wordt genomen ("we decompacteren" de meting), dan zal het bereik van mogelijke momentumwaarden vrij smal zijn, maar "bijna continu". Een dergelijk spectrum zal vergelijkbaar zijn met het massaspectrum van de wereld zonder compactificaties. Staten die bijvoorbeeld massaloos zijn in een groter aantal dimensies in een kleiner aantal dimensies, zullen er precies zo uitzien als de hierboven beschreven toren van toestanden. Dan moet een "set" van deeltjes met massa's op gelijke afstand van elkaar worden waargenomen. Toegegeven, om de meest massieve deeltjes te "zien", zijn versnellers nodig die veel beter zijn dan de versnellers die we momenteel hebben.

  Snaren hebben nog een opmerkelijke eigenschap - ze kunnen rond een compacte dimensie "winden", wat leidt tot het uiterlijk draaiende mods in het massaspectrum. Een gesloten string kan een geheel aantal keren rond een gecompacteerde dimensie wikkelen. Net als het geval Kaluza-Klein dragen ze bij aan het momentum als . Het wezenlijke verschil zit hem juist in een ander verband met de verdichtingsradius. In dit geval, voor kleine extra dimensies, worden omkeermodi heel gemakkelijk!
  
  

  Nu moeten we verder met onze 4-dimensionale ruimte. Hiervoor hebben we een 10-dimensionale supersnaartheorie nodig op een 6-dimensionaal compact spruitstuk. Uiteraard wordt in dit geval het hierboven beschreven beeld complexer. De gemakkelijkste manier is om aan te nemen dat al deze 6 dimensies 6 cirkels zijn, dus ze zijn allemaal een 6-dimensionale torus. Bovendien maakt een dergelijk schema het mogelijk om supersymmetrie te behouden. Er wordt aangenomen dat er in onze 4-dimensionale ruimte ook enige supersymmetrie bestaat op energieschalen in de orde van grootte van 1 TeV (het is bij deze energieën dat recentelijk is gezocht naar supersymmetrie bij moderne versnellers). Om de minimale supersymmetrie, N=1 in 4 dimensies, te behouden, moet men verdichten op een speciaal 6-spruitstuk genaamd Calabi-Yau spruitstuk.

  De eigenschappen van Calabi-Yo-variëteiten kunnen belangrijke toepassingen hebben in de lage-energiefysica - voor de deeltjes die we waarnemen, hun massa's en kwantumaantallen, en voor het aantal deeltjesgeneraties. Het probleem hier is dat er over het algemeen een enorme variëteit aan Calabi-Yo-variëteiten is en we niet weten welke we moeten gebruiken. In die zin, met in feite één 10-dimensionale snaartheorie, begrijpen we dat een 4-dimensionale theorie zeker niet de enige mogelijke wordt, althans op ons (nog steeds onvolledige) begripsniveau. De "snaarmensen" (wetenschappers die werkzaam zijn op het gebied van snaartheorieën) hopen dat we met een complete niet-perturbatieve snaartheorie (een theorie die NIET gebaseerd is op de hierboven beschreven verstoringen) kunnen verklaren hoe het universum van 10-dimensionale fysica is gegaan , die mogelijk plaatsvond tijdens de hoge-energieperiode direct na de oerknal, tot 4-dimensionale fysica, waar we nu mee te maken hebben. [Met andere woorden, we zullen een enkele Calabi-Yo-variëteit vinden.] Andrew Strominger toonde aan dat Calabi-Yo-variëteiten continu met elkaar in verband kunnen worden gebracht door conifold overgangen en dus is het mogelijk om tussen verschillende Calabi-Yo-variëteiten te bewegen door de parameters van de theorie te veranderen. Maar dit suggereert de mogelijkheid dat verschillende 4D-theorieën die voortkomen uit verschillende Calabi-Yo-variëteiten verschillende fasen van dezelfde theorie zijn.

  dualiteit

  De vijf hierboven beschreven supersnaartheorieën blijken heel verschillend te zijn vanuit het gezichtspunt van de zwak gekoppelde perturbatieve theorie (de hierboven ontwikkelde perturbatietheorie). Maar in feite, zoals de afgelopen jaren bleek, zijn ze allemaal verbonden door verschillende snaardualiteiten. Laten we de theorie noemen dubbel als ze beschrijven dezelfde natuurkunde.

  Het eerste type dualiteit dat we hier zullen bespreken, is: T-dualiteit. Dit type dualiteit verbindt een theorie gecompacteerd op een cirkel met een straal, met een theorie gecompacteerd op een cirkel met een straal. Dus als in de ene theorie de ruimte wordt gevouwen tot een cirkel met een kleine straal, dan zal deze in een andere worden gevouwen tot een cirkel met een grote straal, maar beide zullen dezelfde fysica beschrijven! Superstring-theorieën van type IIA en type IIB zijn verbonden via T-dualiteit, SO (32) en E8 x E8 heterotische theorieën zijn er ook doorheen verbonden.

  Een andere dualiteit die we zullen overwegen - S-dualiteit. Simpel gezegd, deze dualiteit relateert de sterke koppelingslimiet van de ene theorie aan de zwakke koppelingslimiet van een andere theorie. (Merk op dat de losjes gekoppelde beschrijvingen van de twee theorieën dan heel verschillend kunnen zijn.) SO(32) Heterotische snaartheorie en Type I-theorie zijn bijvoorbeeld S-dual in 10 dimensies. Dit betekent dat in de SO(32) sterke koppelingslimiet, de heterotische theorie transformeert in Type I theorie in de zwakke koppelingslimiet en vice versa. Het vinden van bewijs van een dualiteit tussen de sterke en zwakke limieten kan worden gedaan door de spectra van de lichttoestanden in elk van de patronen te vergelijken en te ontdekken dat ze met elkaar overeenkomen. Type I-snaartheorie heeft bijvoorbeeld een D-snaar die zwaar is als hij zwak gebonden is en licht als hij sterk is. Deze D-snaar draagt ​​dezelfde lichtvelden als het SO(32) Heterotic String-wereldblad, dus wanneer de Type I-theorie zeer sterk gekoppeld is, wordt de D-snaar heel licht, en we zullen eenvoudig zien dat de beschrijving net zo goed wordt als door een zwak gekoppelde heterotische snaar. Een andere S-dualiteit in 10 dimensies is de zelf-dualiteit van IIB-snaren: de sterk gekoppelde IIB-snaarlimiet is gewoon een andere IIB-theorie, maar losjes gekoppeld. De IIB-theorie heeft ook een D-snaar (zij het supersymmetrisch dan de Type I D-snaren, dus de fysica is hier anders) die licht wordt wanneer sterk gekoppeld, maar deze D-snaar is ook de andere fundamentele snaar van de theorie. en Type IIB.

  

  De dualiteiten tussen de verschillende snaartheorieën zijn het bewijs dat ze allemaal gewoon verschillende grenzen van dezelfde theorie zijn. Elk van de limieten heeft zijn toepasselijkheid, en verschillende limieten van verschillende beschrijvingen overlappen elkaar. Wat is dit M-theorie getoond op de foto? Lees verder!

  M-theorie

  Bij lage energieën wordt de M-theorie beschreven door een theorie genaamd 11-dimensionale superzwaartekracht. Deze theorie heeft een membraan en een vijf-braan als solitonen, maar geen strings. Hoe kunnen we de snaren krijgen waar we hier al van houden? Het is mogelijk om een ​​11-dimensionale M-theorie te comprimeren op een cirkel met een kleine straal om een ​​10-dimensionale theorie te verkrijgen. Als ons membraan dan de topologie van een torus had, dan krijgen we door een van deze cirkels te vouwen een gesloten string! In de limiet waar de straal erg klein is, krijgen we een Type IIA superstring.

  

  Maar hoe weten we dat de M-theorie op een cirkel een Type IIA-superstring zal produceren en geen IIB of heterotische superstrings? Het antwoord op deze vraag kan worden verkregen na een grondige analyse van de massaloze velden die we verkrijgen als gevolg van de verdichting van 11-dimensionale superzwaartekracht op een cirkel. Een andere eenvoudige test zou kunnen zijn om te ontdekken dat de D-braan uit de M-theorie uniek is voor de IIA-theorie. Bedenk dat de IIA-theorie D0, D2, D4, D6, D8-branen en een NS vijfbranen bevat. De volgende tabel vat al het bovenstaande samen:
  

  D6- en D8-branen zijn hier weggelaten. De D6-braan kan worden geïnterpreteerd als een "Kaluza-Klein-monopool", wat een speciale oplossing is voor 11-dimensionale superzwaartekracht wanneer deze wordt samengeperst tot een cirkel. De D8-braan heeft geen duidelijke interpretatie in termen van M-theorie, en dit is nog een open vraag.

  Een andere manier om een ​​consistente 10-dimensionale theorie van u te verkrijgen, is de verdichting van de M-theorie van u tot een klein segment. Dit betekent dat we aannemen dat een van de dimensies (11e) een eindige lengte heeft. In dit geval definiëren de uiteinden van het segment de grenzen van 9 ruimtelijke dimensies. Bij deze grenzen is het mogelijk om een ​​open membraan te construeren. Aangezien het snijpunt van het membraan met de grens een string is, is te zien dat het (9+1)-dimensionale "wereldvolume" (wereldvolume) strings kan bevatten die "uitsteken" uit het membraan. Om anomalieën te voorkomen, is het immers noodzakelijk dat elk van de grenzen een E8-maatgroep draagt. Daarom, als we de ruimte tussen de grenzen erg klein maken, krijgen we een 10-dimensionale theorie met strings en een E8 x E8 ijkgroep. En dit is de E8 x E8 heterotische snaar!

  

  Dus, overwegende verschillende omstandigheden en verschillende dualiteiten tussen snaartheorieën, zullen we tot de conclusie komen dat de basis van dit alles één theorie is - M-theorie. Tegelijkertijd zijn vijf supersnaartheorieën en 11-dimensionale superzwaartekracht de klassieke limieten. Aanvankelijk probeerden we de overeenkomstige kwantumtheorieën te verkrijgen door de klassieke limieten te "verruimen" met behulp van perturbatieve theorie (perturbatietheorie). De perturbatieve theorie heeft echter zijn grenzen van toepasbaarheid, dus door de niet-perturbatieve aspecten van deze theorieën te bestuderen, met behulp van dualiteiten, supersymmetrie, enz. we komen tot de conclusie dat ze allemaal verenigd zijn door één enkele kwantumtheorie. Deze uniciteit is zeer aantrekkelijk, zodat het werk aan de constructie van een complete quantum M-theorie in volle gang is.
  
  

  Zwarte gaten

  De klassieke beschrijving van zwaartekracht - de Algemene Relativiteitstheorie (GR) - bevat oplossingen die 'zwarte gaten' (BH's) worden genoemd. Er zijn nogal wat soorten zwarte gaten, maar ze vertonen allemaal vergelijkbare algemene eigenschappen. De waarnemingshorizon is een oppervlak in ruimtetijd dat, in eenvoudige bewoordingen, het gebied binnen een zwart gat scheidt van het gebied erbuiten. De aantrekkingskracht van zwarte gaten is zo sterk dat niets, zelfs licht dat onder de horizon is doorgedrongen, kan ontsnappen. Klassieke zwarte gaten kunnen dus alleen worden beschreven met parameters zoals massa, lading en impulsmoment.

  (uitleg van het Penrose-diagram a)

  Zwarte gaten zijn goede laboratoria voor het bestuderen van snaartheorieën, aangezien de effecten van kwantumzwaartekracht zelfs voor vrij grote zwarte gaten belangrijk zijn. Zwarte gaten zijn eigenlijk niet "zwart" omdat ze stralen! Met semi-klassieke argumenten toonde Stephen Hawking aan dat zwarte gaten vanaf hun horizon thermische straling uitstralen. Omdat de snaartheorie onder andere ook een theorie van de kwantumzwaartekracht is, is ze in staat om consequent zwarte gaten te beschrijven. En dan zijn er nog zwarte gaten die voldoen aan de bewegingsvergelijking voor snaren. Deze vergelijkingen zijn vergelijkbaar met die van GR, maar ze hebben enkele extra velden die daar uit de strings kwamen. In supersnaartheorieën zijn er speciale oplossingen van het BH-type, die op zichzelf ook supersymmetrisch zijn.

  Een van de meest dramatische resultaten in de snaartheorie was de afleiding van een formule voor: bekenstein-hawking entropie Een zwart gat afgeleid van het beschouwen van de microscopische snaartoestanden die een zwart gat vormen. Bekenstein merkte op dat zwarte gaten zich houden aan de "gebiedswet", dM = K dA, waarbij "A" het gebied van de horizon is en "K" een evenredigheidsconstante is. Aangezien de totale massa van een zwart gat zijn rustenergie is, lijkt de situatie erg op de thermodynamica: dE = T dS, zoals aangetoond door Bekenstein. Hawking toonde later in een semiklassieke benadering aan dat de temperatuur van een zwart gat T = 4k is, waarbij "k" een constante is die "oppervlaktezwaartekracht" wordt genoemd. De entropie van het zwarte gat kan dus worden herschreven als . Bovendien hebben Strominger en Vafa onlangs aangetoond dat deze formule voor entropie microscopisch kan worden verkregen (tot een factor 1/4) met behulp van de degeneratie van de kwantumtoestanden van snaren en D-branen die overeenkomen met bepaalde supersymmetrische BH's in snaartheorie ii. Overigens geven D-branen een beschrijving op kleine afstanden zoals bij een zwakke verbinding. De BH's die door Strominger en Vafa worden overwogen, worden bijvoorbeeld beschreven door 5-branen, 1-branen en open snaren die "leven" op een 1-brane, allemaal gevouwen tot een 5-dimensionale torus, waardoor in feite een 1-dimensionaal object ontstaat, het zwarte gat.

  

  In dit geval kan Hawking-straling worden beschreven binnen het kader van dezelfde structuur, maar als open snaren in beide richtingen kunnen "reizen". Open snaren interageren met elkaar en straling wordt uitgezonden in de vorm van gesloten snaren.

  

  Nauwkeurige berekeningen tonen aan dat de snaartheorie voor dezelfde typen zwarte gaten dezelfde voorspellingen geeft als semiklassieke superzwaartekracht, inclusief een niet-triviale frequentieafhankelijke correctie die de "grijsheidsparameter" wordt genoemd ( grijslichaamfactor).

  Kwantumzwaartekracht ontdekt op aarde?
  

  << Вчера

  Morgen >>

  
  Uitleg: Zijn er afzonderlijke delen van de zwaartekracht? De theorie die bekend staat als de kwantummechanica beschrijft de wetten die het universum op kleine afstanden beheersen, terwijl de algemene relativiteitstheorie van Einstein de aard van de zwaartekracht en het universum op grote schaal verklaart. Tot nu toe is er geen theorie ontwikkeld die ze kan combineren. Onderzoek dat onlangs in Frankrijk is gedaan, heeft mogelijk aangetoond dat zwaartekracht een kwantumveld is. Er wordt beweerd dat Het zwaartekrachtveld van de aarde toonde zijn kwantumkarakter. In een experiment uitgevoerd door Valery Nezvizhevsky en collega's bij , werd aangetoond dat superkoude neutronen die in een zwaartekrachtveld bewegen alleen op discrete hoogten worden gedetecteerd. Wetenschappers over de hele wereld wachten op onafhankelijke bevestiging van deze resultaten. De figuur toont, in valse kleuren, het oppervlak dat zich kan vormen tijdens de evolutie van een eendimensionale string. Door elementaire deeltjes te beschrijven als kleine touwtjes, werken veel natuurkundigen aan een echte kwantumtheorie van de zwaartekracht.

  (red. opmerking: De experimenten van Franse en Russische natuurkundigen beschreven in deze notitie, gepubliceerd in natuur, 415 , 297 (2002) heeft niks te maken met kwantumzwaartekracht. hun uitleg(beide gegeven door de auteurs van de experimenten, evenals gepubliceerd in New Scientist en Physicsweb.org) totaal verschillend.

  Experimenteerders zoeken naar nieuwe krachten die worden voorspeld door supersnaartheorieën

  Onderzoekers van de Universiteit van Colorado in Boulder zijn erin geslaagd om het meest gevoelige experiment tot nu toe uit te voeren, waarbij ze de zwaartekrachtsinteractie tussen massa's die slechts twee keer zo dik zijn als een mensenhaar van elkaar zijn geëvalueerd, maar ze hebben geen van de voorspelde nieuwe krachten waargenomen.

  De verkregen resultaten maken het mogelijk om enkele versies van de supersnaartheorie uit te sluiten, waarin de overeenkomstige parameter van de werking van nieuwe krachten van "gevouwen" metingen in het bereik van 0,1 tot 0,01 mm ligt.

  In de snaartheorie of supersnaren, de snaartheorie, beschouwd als de meest veelbelovende benadering van de langverwachte grootse eenwording - een enkele beschrijving van alle bekende krachten en materie, wordt aangenomen dat alles in het universum bestaat uit minuscule lusjes van trillende snaren. Volgens verschillende versies van de supersnaartheorie moeten er minstens zes of zeven extra ruimtelijke dimensies zijn naast de drie die voor ons beschikbaar zijn, en theoretici geloven dat deze extra dimensies in kleine ruimtes worden opgevouwen. Deze "verdichting" geeft aanleiding tot zogenaamde modulevelden, die de grootte en vorm van de gevouwen dimensies op elk punt in de ruimte-tijd beschrijven.

  De moduli-gebieden hebben effecten die qua sterkte vergelijkbaar zijn met gewone zwaartekracht, en volgens recente voorspellingen kunnen ze al worden gedetecteerd op afstanden in de orde van grootte van 0,1 mm. De gevoeligheidslimiet die in eerdere experimenten werd bereikt, maakte het mogelijk om de aantrekkingskracht te testen tussen twee massa's die slechts 0,2 mm van elkaar verwijderd waren, dus de vraag bleef open. Het blijft echter tot op de dag van vandaag open.

  "Als deze krachten echt bestaan, weten we nu dat ze zich op kleinere afstanden zouden moeten manifesteren dan we hebben getest", legt het hoofd van het laboratorium, professor John Price van de Universiteit van Colorado (John Price), uit. "Deze resultaten in zelf weerleggen de theorie niet ii. Het is alleen nodig om in gedachten te houden dat het effect op kortere afstanden zal moeten worden gezocht en instellingen met een hogere gevoeligheid zullen gebruiken. " Bovendien beweren de onderzoekers dat dergelijke experimenten op zich niet bedoeld zijn om de theorie van superstrings te bevestigen of te weerleggen. "De ideeën die we aan het testen zijn, zijn slechts enkele van de mogelijke op snaar geïnspireerde scenario's, geen nauwkeurige voorspellingen van de theorie zelf", vertelde John Price aan Space.com. "Er is nog geen manier voor de snaartheorie om nauwkeurige voorspellingen van dit soort te doen. en ik zou zeggen dat niemand weet of snaartheorie dat ooit zal kunnen doen." Experimenten op kortere afstanden kunnen echter nog steeds "meer patches toevoegen aan de quilt van de natuurkunde", en het is daarom erg belangrijk om dit soort onderzoek voort te zetten, omdat "er iets nieuws en 'heel fundamenteels' kan worden ontdekt".

  De experimentele opstelling van onderzoekers van de Universiteit van Colorado, een hoogfrequente resonator (hoogfrequente resonator) genoemd, bestond uit twee dunne wolfraamplaten (20 mm lang en 0,3 mm dik). Een van deze platen is gemaakt om te oscilleren met een frequentie van 1000 Hz. De bewegingen van de tweede plaat, veroorzaakt door de impact van de eerste, werden gemeten door zeer gevoelige elektronica. We hebben het over krachten gemeten in femtonewtons (10–15 N), of ongeveer een miljoenste van het gewicht van een zandkorrel. De zwaartekracht die op zulke kleine afstanden werkte, bleek vrij traditioneel te zijn, beschreven door de bekende wet van Newton.

  Professor Price stelt voor om door te gaan met experimenten om krachten op nog kortere afstanden te meten. Om nog een stap verder te gaan, verwijderen de Colorado-onderzoekers het vergulde saffierenschild tussen de wolfraamstrips die elektromagnetische krachten blokkeerden en vervangen door een dunnere beryllium-koperfolie, waardoor de massa's dichter bij elkaar konden komen. Ze zijn ook van plan om de experimentele opstelling te koelen om interferentie door thermische fluctuaties te verminderen.

  Ongeacht het lot van de supersnaartheorie, worden de ideeën van extra dimensies, bijna honderd jaar geleden geïntroduceerd (toen lachten veel natuurkundigen ze uit), extreem populair vanwege de crisis van standaard fysieke modellen die nieuwe waarnemingen niet kunnen verklaren . Een van de meest flagrante feiten is de versnelde uitdijing van het heelal, die veel bevestigingen heeft. Een mysterieuze nieuwe kracht, tot dusver donkere energie genoemd, duwt onze kosmos uit elkaar en gedraagt ​​zich als een soort anti-zwaartekracht. Niemand weet welk fysiek fenomeen hieraan ten grondslag ligt. Wat kosmologen wel weten, is dat, hoewel de zwaartekracht sterrenstelsels op 'lokaal' niveau bij elkaar houdt, mysterieuze krachten duw ze uit elkaar over grotere schaal.

  Donkere energie kan worden verklaard door interacties tussen dimensies, de dimensies die we zien en de dimensies die nog steeds voor ons verborgen zijn, menen sommige theoretici. Op de jaarlijkse bijeenkomst van de AAAS (American Association for the Advancement of Science) die eerder deze maand in Denver werd gehouden, spraken de meest gerespecteerde kosmologen en natuurkundigen zich hierover voorzichtig optimistisch uit.

  "Er is een vage hoop dat de nieuwe aanpak de hele reeks problemen in één keer zal oplossen", zegt natuurkundige Sean Carroll, een assistent-professor aan de Universiteit van Chicago.

  Al deze problemen zijn onvermijdelijk gegroepeerd rond de zwaartekracht, waarvan de kracht meer dan drie eeuwen geleden door Newton werd berekend. Zwaartekracht was de eerste van de fundamentele krachten die wiskundig werd beschreven, maar het is nog steeds de slechtst begrepen. De kwantummechanica, ontwikkeld in de jaren 20 van de vorige eeuw, beschrijft goed het gedrag van objecten op atomair niveau, maar is niet erg vriendelijk voor zwaartekracht. Het feit is dat hoewel de zwaartekracht op grote afstanden werkt, ze nog steeds erg zwak is in vergelijking met de andere drie fundamentele krachten (elektromagnetische, sterke en zwakke interacties die de microkosmos domineren). Het begrijpen van zwaartekracht op kwantumniveau zal naar verwachting de kwantummechanica koppelen aan een volledige beschrijving van andere krachten.

  Met name konden wetenschappers lange tijd niet vaststellen of de wet van Newton (de omgekeerde evenredigheid van kracht aan het kwadraat van de afstand) geldig is op zeer kleine afstanden, in de zogenaamde kwantumwereld. Newton ontwikkelde zijn theorie voor astronomische afstanden, zoals de interacties van de zon met de planeten, maar nu blijkt dat hij ook geldig is in de microkosmos.

  "Wat er nu gebeurt in deeltjesfysica, zwaartekrachtfysica en kosmologie doet sterk denken aan de tijd dat de kwantummechanica begon te verenigen", zegt Maria Spiropulu, onderzoeker aan de Universiteit van Chicago, organisator van de AAAS-workshop over extra-dimensionale fysica (natuurkunde van extra afmetingen).

  Voor het eerst was het mogelijk om de zwaartekracht te meten

  

  De Russische natuurkundige Sergei Kopeikin, die aan de Universiteit van Missouri in Columbia werkt, en de Amerikaan Edward Fomalont van het National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville, Virginia, zeiden dat ze voor het eerst de snelheid van de zwaartekracht met acceptabele nauwkeurigheid konden meten. Hun experiment bevestigt de mening van de meeste natuurkundigen: de snelheid van de zwaartekracht is gelijk aan de lichtsnelheid. Dit idee ligt ten grondslag aan moderne theorieën, waaronder Einsteins algemene relativiteitstheorie, maar tot nu toe is niemand in staat geweest om deze hoeveelheid rechtstreeks in een experiment te meten. De studie werd dinsdag vrijgegeven tijdens de 201e bijeenkomst van de American Astronomical Society in Seattle. De resultaten werden eerder ingediend voor publicatie in een wetenschappelijk tijdschrift, maar kregen kritiek van enkele experts. Kopeikin zelf vindt de kritiek ongegrond.

  De zwaartekrachttheorie van Newton gaat ervan uit dat de zwaartekracht ogenblikkelijk wordt overgedragen, maar Einstein suggereerde dat zwaartekracht met de lichtsnelheid reist. Dit postulaat werd in 1915 een van de fundamenten van zijn relativiteitstheorie.

  De gelijkheid van de snelheid van de zwaartekracht en de lichtsnelheid betekent dat als de zon plotseling uit het centrum van het zonnestelsel zou verdwijnen, de aarde nog ongeveer 8,3 minuten in haar baan zou blijven - de tijd die het licht nodig heeft om van de Zon naar de aarde. Na deze paar minuten voelt de aarde zich bevrijd van zonne zwaartekracht, zou zijn baan verlaten en in een rechte lijn de ruimte in vliegen.

  Hoe kun je de "snelheid van de zwaartekracht" meten? Een manier om dit probleem op te lossen is om zwaartekrachtgolven te detecteren - kleine "rimpelingen" in het ruimte-tijd continuüm, die afwijken van eventuele versnelde massa's. In vele zijn al verschillende installaties gebouwd voor het opvangen van zwaartekrachtsgolven, maar geen van hen heeft een dergelijk effect tot nu toe kunnen registreren vanwege de uitzonderlijke zwakte.

  Kopeikin ging de andere kant op. Hij herschreef de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie op zo'n manier dat het zwaartekrachtsveld van een bewegend lichaam wordt uitgedrukt in termen van massa, snelheid en zwaartekracht. Er werd besloten om Jupiter als een massief lichaam te gebruiken. Een vrij zeldzaam geval deed zich voor in september 2002, toen Jupiter voor een quasar passeerde (dergelijke gebeurtenissen vinden ongeveer eens in de 10 jaar plaats), die intense radiogolven uitzendt. Kopeikin en Fomalont combineerden de resultaten van waarnemingen van een tiental radiotelescopen in verschillende delen de wereldbol, van Hawaï tot Duitsland (met zowel de 25-meter radiotelescopen van het National Radio Astronomy Observatory als het 100-meter Duitse instrument in Effelsberg) om de kleinste schijnbare verandering in de positie van een quasar te meten die wordt veroorzaakt door het buigen van radiogolven van deze bron in het zwaartekrachtveld van Jupiter. Door de aard van de impact van het zwaartekrachtsveld van Jupiter op passerende radiogolven te onderzoeken en de massa en snelheid ervan te kennen, is het mogelijk om de snelheid van de zwaartekracht te berekenen.

  Het gezamenlijke werk van terrestrische radiotelescopen heeft het mogelijk gemaakt om een ​​nauwkeurigheid te bereiken die 100 keer groter is dan haalbaar is met de Hubble-ruimtetelescoop. De in het experiment gemeten verplaatsingen waren erg klein - veranderingen in de positie van de quasar (de hoekafstand tussen de quasar en de standaard quasar werd gemeten) waren binnen 50 miljoenste van een boogseconde. Het equivalent van dergelijke metingen zou de grootte van een zilveren dollar op de maan kunnen zijn of de dikte van een mensenhaar op een afstand van 250 mijl, zeggen astronomen (westerse bronnen dachten er blijkbaar niet aan aandacht te schenken aan de betekenis van de Russische achternaam van een van de auteurs van de onderzoeken, anders zouden ze de maten niet vergelijken met een dollar, maar met onze munteenheid ...).

  Het verkregen resultaat: de zwaartekracht wordt overgedragen vanaf 0,95 van de lichtsnelheid, de mogelijke fout van het experiment is plus of min 0,25. "We weten nu dat de snelheid van de zwaartekracht waarschijnlijk gelijk is aan de snelheid van het licht. En we kunnen veilig elk resultaat uitsluiten dat twee keer die waarde is."

  Steven Carlip, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Californië, zegt dat het experiment een "goede demonstratie" is van het principe van Einstein. Hij zegt dat het experiment werd voorafgegaan door metingen van de afbuiging van het licht door de zon, maar die waren veel minder nauwkeurig. Bovendien zullen in de zeer nabije toekomst nieuwe metingen van de gravitatiesnelheid ook deze waarde moeten ophelderen. De afgelopen maanden zijn er veel gravitatiegolfinterferometers in gebruik genomen, een ervan zou gravitatiegolven eindelijk direct moeten detecteren en zo hun snelheid kunnen meten - een belangrijke fundamentele constante van ons heelal.

  Er moet echter worden opgemerkt dat het experiment zelf geen ondubbelzinnige bevestiging is van Einsteins zwaartekrachttheorie. Met hetzelfde succes kan het worden beschouwd als een bevestiging van bestaande alternatieve theorieën. Zo wijkt de relativistische theorie van de zwaartekracht van academicus Logunov (RTG), die ongeveer tien jaar geleden bij het grote publiek bekend werd, in dit opzicht niet af van de algemene relativiteitstheorie. Er zijn ook zwaartekrachtsgolven in RTG, hoewel er, zoals bekend, geen zwarte gaten zijn. En een andere "weerlegging" van Newtons theorie van de zwaartekracht is van geen bijzondere waarde. Desalniettemin is het resultaat belangrijk in termen van het "afsluiten" van sommige varianten van moderne theorieën en het ondersteunen van andere - het wordt geassocieerd met kosmologische theorieën van meerdere universums en de zogenaamde snaar- of supersnaartheorie, maar het is te vroeg om definitieve conclusies te trekken, zeggen de onderzoekers. In de nieuwste zogenaamde unified M-theorie, die de ontwikkeling is van de supersnaartheorie, zijn naast "strings" ("strings" - strings), nieuwe multidimensionale objecten - branen (brane) verschenen. Superstring-theorieën omvatten inherent zwaartekracht omdat hun berekeningen steevast het bestaan ​​voorspellen van het graviton, een gewichtloos hypothetisch deeltje met spin 2. Er wordt aangenomen dat er extra ruimtelijke dimensies zijn, alleen "opgerold". En de zwaartekracht zou een "snelkoppeling" kunnen zijn door deze extra dimensies, schijnbaar sneller dan de lichtsnelheid, maar zonder de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie te schenden.

  Twee relativistische natuurkundigen presenteren hun visie op het heelal,
  zijn evolutie en de rol van de kwantumtheorie

  IN Wetenschappelijke Amerikaan deze lezingen zijn gepubliceerd met afkortingen, de corresponderende plaatsen in de tekst zijn gemarkeerd met stippen

  Invoering

  In 1994 gaven Stephen Hawking en Roger Penrose een reeks openbare lezingen over de algemene relativiteitstheorie aan het Isaac Newton Institute of Mathematical Sciences van de Universiteit van Cambridge. Ons tijdschrift presenteert u fragmenten uit deze lezingen, dit jaar gepubliceerd door Princeton University Press onder de titel "The Nature of Space and Time", waarmee u de standpunten van deze twee wetenschappers kunt vergelijken. Hoewel ze allebei tot dezelfde natuurkundeschool behoren (Penrose assisteerde bij het proefschrift van Hawking in Cambridge), verschillen hun opvattingen over de rol van de kwantummechanica in de evolutie van het universum sterk van elkaar. Vooral Hawking en Penrose hebben verschillende ideeën over wat er gebeurt met de informatie die in een zwart gat is opgeslagen en waarom het begin van het universum anders is dan het einde.

  Een van de belangrijkste ontdekkingen van Hawking, gedaan in 1973, was de voorspelling dat zwarte gaten door kwantumeffecten deeltjes zouden kunnen uitzenden. Als gevolg van zo'n proces verdampt het zwarte gat en is het mogelijk dat er uiteindelijk niets van zijn oorspronkelijke massa overblijft. Maar tijdens hun vorming absorberen zwarte gaten veel deeltjes die erop vallen met verschillende soorten, eigenschappen en configuraties. Hoewel de kwantumtheorie vereist dat dergelijke informatie wordt opgeslagen, blijven de details van wat er vervolgens mee gebeurt een onderwerp van verhit debat. Hawking en Penrose geloven allebei dat een zwart gat tijdens straling de informatie verliest die het in zichzelf had. Maar Hawking houdt vol dat dit verlies onvervangbaar is, terwijl Penrose stelt dat het wordt gecompenseerd door spontane metingen van kwantumtoestanden die informatie terugvoeren naar het zwarte gat.

  Beide wetenschappers zijn het erover eens dat een toekomstige theorie van kwantumzwaartekracht nodig is om de natuur te beschrijven. Maar hun opvattingen verschillen op sommige aspecten van deze theorie. Penrose is van mening dat zelfs als de fundamentele interacties van elementaire deeltjes symmetrisch zijn met betrekking tot tijdomkering, de kwantumzwaartekracht een dergelijke symmetrie moet doorbreken. De temporele asymmetrie zou dan moeten verklaren waarom het heelal in het begin zo homogeen was (zoals blijkt uit de microgolfachtergrondstraling van de oerknal), terwijl het heelal aan het einde heterogeen moet zijn.

  Penrose probeert een dergelijke asymmetrie op te nemen in zijn Weyl-krommingshypothese. Ruimte-tijd wordt volgens Albert Einstein gekromd door de aanwezigheid van materie. Maar ruimtetijd kan ook enige inherente vervorming hebben, de zogenaamde Weyl-kromming. Zwaartekrachtgolven en zwarte gaten laten bijvoorbeeld ruimtetijd krommen, zelfs in lege gebieden. In het vroege heelal was de Weyl-kromming waarschijnlijk nul, maar in een stervend heelal, zoals Penrose stelt, zal een groot aantal zwarte gaten leiden tot een toename van de Weyl-kromming. Dit zal het verschil zijn tussen het begin en het einde van het universum.

  Hawking is het ermee eens dat de oerknal en de uiteindelijke ineenstorting ("Big crunch") anders zullen zijn, maar hij beschouwt tijdasymmetrie niet als een natuurwet. De belangrijkste reden voor dit verschil is volgens hem de manier waarop de ontwikkeling van het heelal is geprogrammeerd. Hij postuleert een soort democratie en stelt dat er geen enkel ruimtelijk punt in het universum kan zijn; en daarom kan het universum geen grens hebben. Het is dit onbeperkte voorstel dat volgens Hawking de homogeniteit van de microgolfachtergrondstraling verklaart.

  De opvattingen van beide natuurkundigen over de interpretatie van de kwantummechanica zijn ook radicaal verschillend. Hawking gelooft dat het enige doel van AI-theorie is om voorspellingen te doen die consistent zijn met experimentele gegevens. Penrose daarentegen is van mening dat een simpele vergelijking van voorspellingen met experimenten niet voldoende is om de werkelijkheid te verklaren. Hij wijst erop dat een kwantumtheorie die een superpositie van golffuncties vereist, een concept is dat tot absurditeiten kan leiden. Daarmee tillen deze wetenschappers de bekende discussie tussen Einstein en Bohr over de bizarre gevolgen van de kwantumtheorie naar een nieuw niveau.

  Stephen Hawking over kwantumzwarte gaten:

  De kwantumtheorie van zwarte gaten... lijkt te leiden tot een nieuw niveau van onvoorspelbaarheid in de natuurkunde, voorbij de gebruikelijke kwantummechanische onzekerheid. Dit komt omdat zwarte gaten interne entropie lijken te hebben en informatie uit onze regio van het universum verliezen. Ik moet zeggen dat deze beweringen zeer controversieel zijn: veel wetenschappers die werkzaam zijn op het gebied van kwantumzwaartekracht, inclusief bijna iedereen die ernaartoe is gekomen vanuit de deeltjesfysica, verwerpen instinctief het idee dat informatie over de toestand van een kwantumsysteem verloren kan gaan. Deze visie heeft echter niet geleid tot veel succes bij het uitleggen hoe informatie een zwart gat kan verlaten. Uiteindelijk geloof ik dat ze zullen worden gedwongen om mijn suggestie te accepteren dat informatie onherstelbaar verloren is, net zoals ze werden gedwongen te accepteren dat zwarte gaten uitstralen, wat indruist tegen al hun vooroordelen...

  Het feit dat zwaartekracht aantrekkelijk is, betekent dat er een neiging is in het universum om materie op één plaats samen te trekken, een neiging voor objecten zoals sterren en sterrenstelsels om zich te vormen. Verdere samentrekking van deze objecten kan enige tijd worden tegengehouden door thermische druk in het geval van sterren, of door rotatie en interne bewegingen in het geval van sterrenstelsels. Uiteindelijk zal de warmte of het impulsmoment echter worden weggevoerd en zal het object opnieuw beginnen samen te trekken. Als de massa kleiner is dan ongeveer anderhalve zonsmassa, kan de samentrekking worden gestopt door de druk van het gedegenereerde gas van elektronen of neutronen. Het object stabiliseert om respectievelijk een witte dwerg of een neutronenster te worden. Als de massa echter groter is dan deze limiet, is er niets dat de gestage samentrekking kan stoppen. Zodra de samentrekking van een object een bepaalde kritische grootte nadert, zal het zwaartekrachtsveld op het oppervlak zo sterk zijn dat de lichtkegels naar binnen worden gekanteld... We kunnen zien dat zelfs uitgaande lichtstralen naar elkaar toe worden gebogen, dus ze naderen in plaats van uiteen te lopen. Dit betekent dat er een gesloten oppervlak is....

  Er moet dus een gebied van ruimte-tijd zijn waaruit het onmogelijk is om naar een oneindige afstand te ontsnappen. Dit gebied wordt een zwart gat genoemd. De grens wordt de gebeurtenishorizon genoemd, het is een oppervlak gevormd door lichtstralen die niet tot in het oneindige kunnen ontsnappen....

  Een grote hoeveelheid informatie gaat verloren wanneer het ruimtelichaam instort en een zwart gat vormt. Een instortend object wordt beschreven door een zeer groot aantal parameters. Zijn toestand wordt bepaald door de soorten materie en de multipoolmomenten van de verdeling van hun massa's. Desondanks is het opkomende zwarte gat volledig onafhankelijk van het soort materie en verliest het snel alle multipoolmomenten behalve de eerste twee: monopool, wat de massa is, en dipool, wat het impulsmoment is.

  Dit verlies aan informatie deed er in de klassieke theorie niet echt toe. We kunnen zeggen dat alle informatie over het instortende object zich in het zwarte gat bevindt. Voor een waarnemer buiten het zwarte gat zou het heel moeilijk zijn om te bepalen hoe een instortend object eruitziet. In de klassieke theorie was het echter in principe nog mogelijk. De waarnemer zou het instortende object nooit uit het oog verliezen. In plaats daarvan lijkt het hem dat het object langzamer samentrekt en steeds zwakker wordt naarmate het de waarnemingshorizon nadert. Deze waarnemer kon nog steeds zien waar het instortende object van gemaakt was en hoe de massa erin werd verdeeld.

  Vanuit het oogpunt van de kwantumtheorie verandert alles echter volledig. Tijdens de ineenstorting zou het object slechts een beperkt aantal fotonen uitzenden voordat het de waarnemingshorizon zou overschrijden. Deze fotonen zouden absoluut niet genoeg zijn om ons alle informatie over het instortende object te geven. Dit betekent dat er in de kwantumtheorie geen manier is waarop een externe waarnemer de toestand van een dergelijk object kan bepalen. Je zou kunnen denken dat het niet veel uitmaakt, omdat de informatie nog steeds in het zwarte gat zou zijn, zelfs als het niet van buitenaf gemeten zou kunnen worden. Maar dit is precies het geval waar het tweede effect van de kwantumtheorie van zwarte gaten zich manifesteert....

  De kwantumtheorie zorgt ervoor dat zwarte gaten uitstralen en massa verliezen. En blijkbaar verdwijnen ze uiteindelijk volledig - samen met de informatie die erin zit. Ik wil een argument aanvoeren dat deze informatie inderdaad verloren gaat en in geen enkele vorm wordt teruggegeven. Zoals ik later zal laten zien, komt er met dit verlies van informatie meer onzekerheid in de natuurkunde. hoog niveau dan de gebruikelijke onzekerheid in verband met de kwantumtheorie. Helaas zal dit nieuwe niveau van onzekerheid, in tegenstelling tot de onzekerheidsrelatie van Heisenberg, nogal moeilijk experimenteel te bevestigen zijn in het geval van zwarte gaten.

  Roger Penrose over kwantumtheorie en ruimtetijd:

  Kwantumtheorie, speciale relativiteitstheorie, algemene relativiteitstheorie en kwantumveldentheorie zijn de grootste natuurkundige theorieën van de 20e eeuw. Deze theorieën zijn niet onafhankelijk van elkaar: de algemene relativiteitstheorie is gebouwd op de speciale relativiteit, en de kwantumveldentheorie heeft de speciale relativiteit en kwantumtheorie als basis.

  Er wordt vaak gezegd dat de kwantumveldentheorie de meest nauwkeurige is van alle fysische theorieën die ooit hebben bestaan, met een nauwkeurigheid tot 11 decimalen. Ik wil er echter op wijzen dat de algemene relativiteitstheorie nu is getest tot op 14 decimalen (en deze nauwkeurigheid wordt blijkbaar alleen beperkt door de nauwkeurigheid van klokken die op aarde lopen). Ik bedoel de binaire pulsar Hulse-Taylor PSR 1913+16, een paar neutronensterren die ten opzichte van elkaar roteren, waarvan er één een pulsar is. De algemene relativiteitstheorie voorspelt dat zo'n baan langzaam samentrekt (en de periode afneemt) omdat energie verloren gaat door de emissie van zwaartekrachtsgolven. Dit proces is inderdaad experimenteel vastgelegd en de volledige beschrijving van zijn beweging die gedurende 20 jaar is waargenomen ... is in overeenstemming met de algemene relativiteitstheorie (waaronder de theorie van Newton) met de opmerkelijke nauwkeurigheid die hierboven is vermeld. De onderzoekers van dit sterrenstelsel hebben terecht Nobelprijzen ontvangen voor hun werk. Kwantumtheoretici hebben altijd betoogd, daarbij verwijzend naar de nauwkeurigheid van hun theorie, dat de algemene relativiteitstheorie daaruit zou moeten volgen, maar ik denk nu dat de kwantumveldentheorie haar voorbeeld zou moeten zijn.

  Hoewel deze vier theorieën hebben bereikt groot succes, maar ze zijn niet vrij van problemen.... De algemene relativiteitstheorie voorspelt het bestaan ​​van ruimte-tijd singulariteiten. Er is een "meetprobleem" in de kwantumtheorie, dat ik later zal beschrijven. Het kan blijken dat de oplossing voor de problemen van deze theorieën ligt in de erkenning van het feit dat het onvolledige theorieën zijn. Veel mensen verwachten bijvoorbeeld dat de kwantumveldentheorie op de een of andere manier de singulariteiten van de algemene relativiteitstheorie zou kunnen "smeren".

  En nu wil ik iets zeggen over het verlies van informatie in zwarte gaten, wat volgens mij relevant is voor de laatste stelling. Ik ben het eens met bijna alles wat Stephen hierover heeft gezegd. Maar terwijl Steven het verlies van informatie in zwarte gaten beschouwt als een nieuwe onzekerheid in de natuurkunde, een hoger niveau dan kwantummechanische onzekerheid, zie ik het als slechts een "extra" onzekerheid.... Het is mogelijk dat een kleine hoeveelheid informatie verloren in de verdampingstijd van het zwarte gat... maar dit effect zal veel kleiner zijn dan het verlies van informatie tijdens de ineenstorting (waarvoor ik elk redelijk beeld van de uiteindelijke verdwijning van het zwarte gat accepteer).

  Beschouw als gedachte-experiment een gesloten systeem in een grote doos en beschouw de beweging van materie in de doos in faseruimte. In regio's van faseruimte die overeenkomen met locaties van zwarte gaten, zullen de banen die de fysieke evolutie van het systeem beschrijven convergeren, en de fasevolumes die door deze banen worden gevuld, zullen kleiner worden. Dit gebeurt als gevolg van het verlies van informatie bij de singulariteit van het zwarte gat. Deze reductie is in direct conflict met de wet van de klassieke mechanica, bekend als de stelling van Liouville, die stelt dat de fasevolumes gedragen door fasetrajecten constant blijven... Dus de ruimte-tijd van een zwart gat schendt het behoud van dergelijke volumes. In mijn foto wordt dit verlies van faseruimtevolume gecompenseerd door een proces van spontane kwantummetingen dat resulteert in informatieherstel en een toename van het faseruimtevolume. Zoals ik het begrijp, gebeurt dit omdat de onzekerheid die gepaard gaat met het verlies van informatie in zwarte gaten als het ware "aanvullend" is op de kwantummechanische onzekerheid: elk van hen is slechts één kant van dezelfde medaille ....

  Laten we nu eens kijken naar het gedachte-experiment met de kat van Schrödinger. Het beschrijft de niet benijdenswaardige positie van een kat in een doos, waarin een uitgezonden foton op een semitransparante spiegel valt en het uitgezonden deel van zijn golffunctie wordt geregistreerd door een sensor. Als de sensor een foton detecteert, gaat het pistool af en doodt de kat. Als de sensor geen foton detecteert, blijft de kat levend en wel. (Ik weet dat Steven het mishandelen van katten afkeurt, zelfs in gedachte-experimenten!) De golffunctie van zo'n systeem is een superpositie van deze twee mogelijkheden... Maar waarom kunnen we alleen de macroscopische alternatieven "kattendood" en "waarnemen" waarnemen? cat alive"? in plaats van macroscopische superposities van dergelijke toestanden? ...

  Ik veronderstel dat met de betrokkenheid van de algemene relativiteitstheorie, het gebruik van superposities van alternatieve ruimte-tijd geometrieën ernstige problemen ondervindt. Het is mogelijk dat de superpositie van twee verschillende geometrieën onstabiel is en uiteenvalt in een van deze twee alternatieven. Dergelijke geometrieën kunnen bijvoorbeeld de ruimte en tijd van een levende of dode kat zijn. Om te verwijzen naar deze ineenstorting van de superpositie in een van de alternatieve toestanden, gebruik ik de term objectieve reductie, wat ik leuk vind omdat het een mooi acroniem (OR) heeft. Wat heeft de Planck-lengte van 10-33 centimeter hiermee te maken? Deze lengte is een natuurlijk criterium om te bepalen of de geometrieën inderdaad verschillende werelden zijn. De Planckschaal bepaalt ook de tijdschaal waarop de reductie naar verschillende alternatieven plaatsvindt.

  Hawking over kwantumkosmologie:

  Ik eindig deze lezing met het bespreken van een punt waarover Roger en ik verschillende opvattingen hebben - de pijl van de tijd. Er is een heel duidelijk onderscheid tussen de voorwaartse en achterwaartse richtingen van de tijd in ons deel van het universum. Het is voldoende om een ​​film terug te scrollen om dit verschil te zien. In plaats van kopjes die van de tafel vallen en in kleine stukjes uiteenspatten, zouden we deze stukjes weer bij elkaar zien komen en terugkaatsen op de tafel. Is echte leven lijkt nergens op?.

  De lokale wetten van fysieke velden voldoen aan de eis van symmetrie in de tijd, of beter gezegd, CPT-invariantie (Charge-Parity-Time - Charge-Parity-Time). Het waargenomen verschil tussen verleden en toekomst komt dus voort uit de randvoorwaarden van het universum. Beschouw een model waarin een ruimtelijk gesloten heelal uitzet tot zijn maximale grootte, waarna het weer instort. Zoals Roger benadrukte, zal het universum aan het eind van dit verhaal heel anders zijn. In het begin zal het universum, zoals we nu denken, redelijk glad en regelmatig zijn. Wanneer het echter weer begint in te storten, verwachten we dat het extreem grillig en onregelmatig zal zijn. Aangezien er veel meer ongeordende configuraties zijn dan geordende, betekent dit dat de beginvoorwaarden uiterst nauwkeurig moeten worden gekozen.

  Hierdoor moeten de randvoorwaarden op deze tijdstippen anders zijn. Roger's suggestie is dat de Weyl-tensor pas aan een van de einden der tijden zou verdwijnen. De Weyl-tensor is dat deel van de kromming van ruimte-tijd dat niet wordt bepaald door de lokale verdeling van materie via de Einstein-vergelijkingen. Deze kromming is extreem klein in een geordend vroeg stadium en erg groot in een instortend universum. Dit voorstel zou ons dus in staat stellen om beide uiteinden van de tijd van elkaar te onderscheiden en het bestaan ​​van de pijl van de tijd te verklaren.

  Ik denk dat Rogers voorstel in twee betekenissen van het woord van Weyl is. Ten eerste is het niet CPT-invariant. Roger ziet deze eigenschap als een deugd, maar ik vind dat symmetrieën niet zonder goede reden opgegeven mogen worden. Ten tweede, als de Weyl-tensor precies nul was geweest in het vroege stadium van het heelal, dan zou hij in de daaropvolgende tijd homogeen en isotroop zijn gebleven. De Weyl-hypothese van Roger kan noch de fluctuaties in de microgolfachtergrond verklaren, noch de verstoringen veroorzaakt door sterrenstelsels en lichamen zoals wij.

  Ondanks dit alles denk ik dat Roger op een heel belangrijk verschil tussen deze twee tijdslimieten heeft gewezen. Maar het feit dat de kleinheid van de Weyl-tensor in een van de grenzen door ons niet ad hoc moet worden geaccepteerd, maar moet worden afgeleid van het meer fundamentele principe van "geen grenzen" ....

  Hoe kunnen twee termijnen verschillen? Waarom zouden verstoringen klein zijn in een van hen, maar niet in de andere? De reden hiervoor is dat de veldvergelijkingen twee mogelijke complexe oplossingen hebben.... Het is duidelijk dat de ene oplossing overeenkomt met de ene tijdsgrens en de andere met de andere.... Aan het ene einde van de tijd was het heelal erg glad en de Weyl tensor is klein. Het kan echter zeker niet gelijk zijn aan nul, aangezien dit leidt tot een schending van de onzekerheidsrelatie. In plaats daarvan zouden er kleine fluctuaties moeten plaatsvinden, die later kunnen veranderen in sterrenstelsels en lichamen, zoals wij. In tegenstelling tot het begin zou het eindheelal zeer onregelmatig en chaotisch moeten zijn en de Weyl-tensor zeer groot. Dit zou verklaren waarom er een pijl van de tijd is en waarom kopjes van de tafel vallen en veel gemakkelijker breken dan dat ze herstellen en weer omhoog springen.

  Penrose over kwantumkosmologie:

  Uit wat ik begreep in het concept van Steven, concludeer ik dat onze onenigheid over deze kwestie (de Weyl-hypothese een kromming) extreem groot is ... Voor de initiële singulariteit is de Weyl-kromming ongeveer nul... Stephen betoogde dat in de eerste staat dat er kleine kwantumfluctuaties moeten zijn, en daarom is de hypothese a van nul Weyl-kromming klassiek en onaanvaardbaar. Maar ik denk dat er enige vrijheid is met betrekking tot de precieze formulering van deze hypothese. Kleine verstoringen zijn vanuit mijn oogpunt zeker acceptabel in de kwantummodus. We hoeven deze fluctuaties alleen maar aanzienlijk te beperken rond nul ....

  Het is mogelijk dat het James-Hartley-Hawking-principe van "geen grenzen" een goede kandidaat is om de structuur van de begintoestand te beschrijven. Het lijkt me echter dat er iets anders nodig is om de uiteindelijke toestand te verklaren. In het bijzonder zou een theorie die de structuur van singulariteiten verklaart, schending van CPT en andere symmetrieën moeten bevatten om compatibel te zijn met de Weyl-krommingshypothese. Zo'n breuk in de tijdsymmetrie kan vrij klein zijn; en zou impliciet vervat kunnen zijn in een nieuwe theorie die verder gaat dan de kwantummechanica.

  Hawking over de fysieke realiteit:

  Deze lezingen maakten het verschil tussen Roger en mij heel duidelijk. Hij is een platonist en ik ben een positivist. Hij maakt zich ernstig zorgen dat de kat van Schrödinger zich in een kwantumtoestand bevindt waarin hij half levend en half dood is. Hij voorziet deze inconsistentie met de werkelijkheid. Maar die dingen boeien me niet. Ik eis niet dat de theorie in overeenstemming is met de werkelijkheid, omdat ik niet weet wat de werkelijkheid is. De werkelijkheid is geen kwaliteit die je kunt testen met lakmoespapier. Het enige waar ik om geef is dat de theorie de resultaten van metingen voorspelt. De kwantumtheorie doet dit heel goed....

  Roger voelt dat... de ineenstorting van de golffunctie CPT-symmetrie introduceert in de natuurkunde. Hij ziet dergelijke verstoringen in ten minste twee gebieden van de natuurkunde: kosmologie en zwarte gaten. Ik ben het ermee eens dat we tijdasymmetrie kunnen gebruiken bij het stellen van vragen over waarnemingen. Maar ik verwerp volledig het idee dat er enkele fysieke processen zijn die leiden tot de vermindering van de golffunctie, of dat dit iets te maken heeft met kwantumzwaartekracht of bewustzijn. Dit heeft allemaal te maken met magie en tovenaars en, maar niet met wetenschap.

  Penrose over de fysieke realiteit:

  Kwantummechanica bestaat pas 75 jaar. Dat is niet veel, zeker niet als je het bijvoorbeeld vergelijkt met de zwaartekrachttheorie van Newton. Het zou me daarom niet verbazen als de kwantummechanica wordt aangepast voor zeer grote objecten.

  Aan het begin van dit debat suggereerde Stephen dat hij een positivist was en dat ik een platonist was. Ik ben blij dat hij een positivist is, maar wat mezelf betreft kan ik zeggen dat ik nogal een realist ben. En als je dit debat vergelijkt met het beroemde Bohr-Einstein-debat, zo'n 70 jaar geleden, denk ik dat Steven Bohr speelt en ik ben Einstein! Voor Einstein was het noodzakelijk dat er iets zou zijn dat lijkt op de echte wereld, niet noodzakelijkerwijs beschreven door een golffunctie, terwijl Bohr benadrukte dat de golffunctie niet de echte wereld beschrijft, maar alleen de kennis die nodig is om de resultaten van een experiment.

  Men gelooft nu dat de argumenten van Bohr zwaarder bleken te zijn, en dat Einstein (volgens zijn biografie geschreven door Abraham Pais) sinds 1925 zou kunnen vissen. Hij heeft inderdaad niet veel bijgedragen aan de kwantummechanica, hoewel zijn inzichtelijke kritiek zeer nuttig was voor de laatste. Ik geloof dat de reden hiervoor was dat enkele belangrijke componenten ontbraken in de kwantumtheorie. Een van die componenten was de straling van zwarte gaten die Stephen 50 jaar later ontdekte. Het lekken van informatie in verband met de straling van een zwart gat is het fenomeen dat de kwantumtheorie mogelijk naar een nieuw niveau zal tillen.

  Stephen Hawking gelooft dat de laatste theorie van het universum misschien niet bestaat

  Een televisielezing, gehouden door de beroemde natuurkundige Stephen Hawking uit Engeland voor verschillende toehoorders van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), beschreef de voortdurende zoektocht van wetenschappers naar een complete theorie van het universum. Ten slotte suggereerde de auteur van de wetenschappelijke bestsellers A Brief History of Time en The Theory of Everything, een professor in de wiskunde aan de Universiteit van Cambridge, dat "misschien [zo'n theorie] niet mogelijk is".

  "Sommige mensen zullen erg teleurgesteld zijn om te horen dat er geen definitieve theorie is. Ik behoorde ook tot dit kamp, ​​maar nu ben ik van gedachten veranderd. We zullen altijd de uitdaging van nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen aangaan. Zonder dit ,,de beschaving zal stagneren.'' De zoektocht kan nog heel lang worden voortgezet."

  Het tv-programma, waarbij er wat technische problemen waren met beeld en geluid, werd ook via internet uitgezonden. Het werd georganiseerd door het Cambridge-MIT Institute (CMI) - een driejarige strategische alliantie tussen de Universiteit van Cambridge in Engeland en het Massachusetts Institute of Technology.

  Hawking vatte in wezen de geschiedenis van de deeltjesfysica samen, met de nadruk op de sleutelfiguren en theorieën in het veld, van Aristoteles tot Stephen Weinberg (Nobelprijswinnaar geboren in 1933).

  De vergelijkingen van Maxwell en Dirac 'regelen bijvoorbeeld bijna alle natuurkunde en alle scheikunde en biologie', redeneerde Hawking. 'Dus, als we deze vergelijkingen kennen, zouden we in principe menselijk gedrag kunnen voorspellen, hoewel ik niet kan beweren dat ik in deze geval groot succes’, besloot hij onder gelach van het publiek.

  Het menselijk brein bevat te veel deeltjes om alle vergelijkingen op te lossen die nodig zijn om iemands gedrag te voorspellen. We zullen alleen binnen afzienbare tijd leren om het gedrag van de aaltjesworm te voorspellen.

  Alle theorieën die tot nu toe zijn ontwikkeld om het universum te verklaren "zijn ofwel inconsistent of onvolledig", zei Hawking. En hij suggereerde, door welke omstandigheden het in principe onmogelijk is om één volledige theorie van het heelal te ontwikkelen. Hij baseerde zijn redenering op het werk van Kurt Gödel, de Tsjechische wiskundige, auteur van de beroemde stelling, volgens welke, binnen elk gebied van de wiskunde, bepaalde stellingen niet kunnen worden bewezen of weerlegd.

  Door ons universum uitgebreid te bestuderen, bepalen wetenschappers een aantal patronen, feiten, die later wetten worden, bewezen hypothesen. Op basis daarvan blijven andere studies bijdragen aan een uitgebreide studie van de wereld in cijfers.

  De snaartheorie van het heelal is een manier om de ruimte van het heelal weer te geven, bestaande uit bepaalde draden, die snaren en branen worden genoemd. Simpel gezegd (voor dummies), de basis van de wereld zijn niet deeltjes (zoals we weten), maar vibrerende energie-elementen die snaren en branen worden genoemd. De snaarmaat is heel erg klein - ongeveer 10-33 cm.

  Waar is het voor en is het nuttig? De theorie diende als aanzet voor de beschrijving van het begrip "zwaartekracht".

  Snaartheorie is wiskundig fysieke aard beschreven door vergelijkingen. Er zijn er veel, maar er is geen enkele en echte. experimenteel verborgen afmetingen universum is nog niet bepaald.

  De theorie is gebaseerd op 5 concepten:

  1. De wereld bestaat uit draden die in vibrerende toestand zijn en energiemembranen.
  2. In theorie is de basis de theorie van de zwaartekracht en de kwantumfysica.
  3. De theorie verenigt alle grote krachten van het universum.
  4. Bosondeeltjes en fermionen hebben de nieuwe soort bindingen - supersymmetrie.
  5. De theorie beschrijft dimensies in het heelal die niet met het menselijk oog waarneembaar zijn.

  

  Een vergelijking met een gitaar zal je helpen om de snaartheorie beter te begrijpen.

  In de jaren zeventig van de twintigste eeuw hoorde de wereld voor het eerst over deze theorie. Namen van wetenschappers bij de ontwikkeling van deze hypothese:

  • Witten;
  • Venetië;
  • Groente;
  • Goor;
  • Kaku;
  • Maldacena;
  • Polyakov;
  • Susskind;
  • Schwartz.

  Energiedraden werden als eendimensionaal beschouwd - strings. Dit betekent dat de string 1 dimensie heeft - lengte (geen hoogte). Er zijn 2 soorten:

  • open, waarbij de uiteinden elkaar niet raken;
  • gesloten kring.

  Het bleek dat ze kunnen communiceren en er zijn dergelijke opties 5. Dit is gebaseerd op de mogelijkheid om verbinding te maken, de uiteinden los te koppelen. De afwezigheid van ringsnaren is onmogelijk, vanwege de mogelijkheid om open snaren te combineren.

  Als gevolg hiervan geloven wetenschappers dat de theorie niet in staat is om de associatie van deeltjes te beschrijven, maar het gedrag, de zwaartekracht. Branen of platen worden beschouwd als elementen waaraan touwtjes zijn bevestigd.

  Geïnteresseerd in

  

  kwantumzwaartekracht

  In de natuurkunde is er een kwantumwet en de algemene relativiteitstheorie. Kwantumfysica bestudeert deeltjes op de schaal van het heelal. De hypothesen daarin worden theorieën van kwantumzwaartekracht genoemd, waarvan de belangrijkste de string is.

  Gesloten draden erin werken volgens de zwaartekracht en hebben de eigenschappen van een graviton - een deeltje dat eigenschappen overdraagt ​​tussen deeltjes.

  Krachten bundelen. De theorie omvat de gecombineerde krachten in één - elektromagnetisch, nucleair, zwaartekracht. Wetenschappers geloven dat dit precies is wat er eerder gebeurde, voordat de krachten werden verdeeld.

  supersymmetrie. Volgens het concept van supersymmetrie is er een verband tussen bosonen en fermionen (structurele eenheden van het universum). Voor elk van de bosonen is er een fermion, en het tegenovergestelde is waar: voor het fermion is er een boson. Dit is berekend op basis van vergelijkingen, maar niet experimenteel bevestigd. Het voordeel van supersymmetrie is de mogelijkheid om sommige variabelen (oneindig, denkbeeldige energieniveaus) te elimineren.

  Volgens natuurkundigen is de reden voor het onvermogen om supersymmetrie te bewijzen de reden voor de behoefte aan grote energie geassocieerd met massa. Het was eerder, vóór de periode van temperatuurdaling in het heelal. Na de oerknal was er een dissipatie van energie en de overgang van deeltjes naar lagere energieniveaus.

  Simpel gezegd, snaren die konden trillen met de eigenschappen van deeltjes met hoge energie, die ze verloren hadden, werden lage trilling.

  Door deeltjesversnellers te maken, willen wetenschappers supersymmetrische elementen identificeren met het vereiste energieniveau.

  Extra dimensies van snaartheorie

  Een gevolg van de snaartheorie is de wiskundige voorstelling dat er meer dan 3 dimensies moeten zijn. De eerste verklaring hiervoor is dat extra dimensies compact, klein zijn geworden, waardoor ze niet gezien of waargenomen kunnen worden.

  We bestaan ​​in een 3D-braan, afgesneden van andere dimensies. Alleen de mogelijkheid om wiskundige modellering te gebruiken gaf hoop op het verkrijgen van coördinaten die hen zouden verbinden. Recente studies op dit gebied maken het mogelijk om de opkomst van nieuwe optimistische gegevens aan te nemen.

  Een eenvoudig begrip van het doel

  Wetenschappers over de hele wereld, die superstrings onderzoeken, proberen de theorie over de hele fysieke realiteit te onderbouwen. Een enkele hypothese zou alles op een fundamenteel niveau kunnen karakteriseren en de problemen met de structuur van de planeet kunnen verklaren.

  Snaartheorie verscheen in de beschrijving van hadronen, deeltjes met hogere trillingstoestanden van een snaar. Kortom, het verklaart gemakkelijk de overgang van lengte naar massa.

  Er zijn veel supersnaartheorieën. Tegenwoordig is het niet zeker of het mogelijk is om met behulp hiervan de theorie van de ruimte-tijd nauwkeuriger uit te leggen dan Einstein. De uitgevoerde metingen geven geen nauwkeurige gegevens. Sommigen van hen, met betrekking tot ruimte-tijd, waren een gevolg van de interacties van snaren, maar waren uiteindelijk onderhevig aan kritiek.

  De theorie van de zwaartekracht wordt de belangrijkste consequentie van de beschreven theorie als deze wordt bevestigd.

  Snaren en branen hebben geleid tot meer dan 10.000 manieren om over het universum na te denken. Boeken over snaartheorie zijn openbaar beschikbaar op internet, gedetailleerd en duidelijk beschreven door de auteurs:

  • Yau Shintan;
  • Steve Nadis "Snaartheorie en de verborgen dimensies van het heelal";
  • Brian Green vertelt hierover ook in The Elegant Universe.

  
  Meningen, bewijzen, redeneringen en alle kleinste details zijn te vinden door in een van de vele boeken te kijken die op een toegankelijke en interessante manier informatie over de wereld geven. Natuurkundigen verklaren het bestaande universum door onze aanwezigheid, het bestaan ​​van andere universums (zelfs die vergelijkbaar zijn met de onze). Volgens Einstein is er een opgevouwen versie van de ruimte.

  In de supersnaartheorie kunnen stippen van parallelle werelden verbinding maken. De gevestigde wetten in de natuurkunde geven hoop voor de mogelijkheid van overgang tussen de universa. Tegelijkertijd, Kwantum theorie de zwaartekracht heft het op.

  Natuurkundigen praten ook over de holografische fixatie van gegevens wanneer ze op het oppervlak worden vastgelegd. Dit zal in de toekomst een impuls geven aan het begrip van het oordeel over energiedraden. Er zijn oordelen over de veelheid van dimensies van tijd en de mogelijkheid om daarin te bewegen. De oerknalhypothese vanwege de botsing van 2 branen suggereert de mogelijkheid van herhalende cycli.

  Het universum, de opkomst van alles en de geleidelijke transformatie van alles hebben altijd de buitengewone geest van de mensheid beziggehouden. Nieuwe ontdekkingen waren, zijn en zullen zijn. De uiteindelijke interpretatie van de snaartheorie zal het mogelijk maken om de dichtheid van materie, de kosmologische constante, te bepalen.

  Hierdoor zal het vermogen van het universum om te krimpen tot het volgende moment van explosie en een nieuw begin van alles worden bepaald. Theorieën worden ontwikkeld, bewezen en leiden tot iets. Zo werd de vergelijking van Einstein, die de afhankelijkheid van energie van massa en het kwadraat van de lichtsnelheid E = mc ^ 2 beschrijft, vervolgens de aanzet voor de opkomst van kernwapens. Daarna werden ook de laser en de transistor uitgevonden. Vandaag is niet bekend wat te verwachten, maar het zal zeker tot iets leiden.

  Ecologie van kennis: de meeste een groot probleem theoretische natuurkundigen - hoe alle fundamentele interacties (zwaartekracht, elektromagnetisch, zwak en sterk) te combineren in één enkele theorie. Superstring-theorie beweert gewoon de Theory of Everything te zijn

  Tellen van drie tot tien

  Het grootste probleem voor theoretisch natuurkundigen is hoe alle fundamentele interacties (zwaartekracht, elektromagnetisch, zwak en sterk) in één theorie kunnen worden gecombineerd. Superstring-theorie beweert gewoon de Theory of Everything te zijn.

  Maar het bleek dat het meest geschikte aantal dimensies dat nodig is om deze theorie te laten werken wel tien is (waarvan negen ruimtelijk en één tijdelijk)! Als er meer of minder dimensies zijn, geven wiskundige vergelijkingen irrationele resultaten die naar oneindig gaan - een singulariteit.

  De volgende fase in de ontwikkeling van de supersnaartheorie - M-theorie - heeft al elf dimensies geteld. En een andere versie ervan - F-theorie - alle twaalf. En het is helemaal geen complicatie. F-theorie beschrijft de 12-dimensionale ruimte meer eenvoudige vergelijkingen dan M-theorie - 11-dimensionaal.

  Natuurlijk wordt theoretische natuurkunde niet voor niets theoretisch genoemd. Al haar prestaties tot nu toe bestaan ​​alleen op papier. Dus, om uit te leggen waarom we alleen in de driedimensionale ruimte kunnen bewegen, begonnen wetenschappers te praten over hoe de ongelukkige andere dimensies moesten krimpen tot compacte bollen op kwantumniveau. Om precies te zijn, niet in sferen, maar in Calabi-Yau-ruimten. Dit zijn zulke driedimensionale figuren, waarbinnen zich een eigen wereld met een eigen dimensie bevindt. Een tweedimensionale projectie van soortgelijke variëteiten ziet er ongeveer zo uit:

  Er zijn meer dan 470 miljoen van dergelijke beeldjes bekend. Welke van hen overeenkomt met onze realiteit wordt momenteel berekend. Het is niet gemakkelijk om een ​​theoretisch natuurkundige te zijn.

  Ja, het lijkt een beetje vergezocht. Maar misschien verklaart dit waarom de kwantumwereld zo verschilt van wat we waarnemen.

  Punt, punt, komma

  Begin opnieuw. Nuldimensie is een punt. Ze heeft geen maat. Er is nergens om te bewegen, er zijn geen coördinaten nodig om de locatie in zo'n dimensie aan te geven.

  Laten we een tweede punt naast het eerste plaatsen en er een lijn doorheen trekken. Hier is de eerste dimensie. Een eendimensionaal object heeft een grootte - lengte, maar geen breedte of diepte. Beweging binnen het kader van eendimensionale ruimte is zeer beperkt, omdat het obstakel dat onderweg is ontstaan ​​niet kan worden omzeild. Om de locatie op dit segment te bepalen, heeft u slechts één coördinaat nodig.

  Laten we een punt naast het segment plaatsen. Om op beide objecten te passen, hebben we al een tweedimensionale ruimte nodig die lengte en breedte heeft, dat wil zeggen oppervlakte, maar zonder diepte, dat wil zeggen volume. De locatie van elk punt op dit veld wordt bepaald door twee coördinaten.

  De derde dimensie ontstaat wanneer we een derde coördinatenas aan dit systeem toevoegen. Het is heel gemakkelijk voor ons, de bewoners van het driedimensionale universum, om dit voor te stellen.

  Laten we ons eens voorstellen hoe de bewoners van de tweedimensionale ruimte de wereld zien. Dit zijn bijvoorbeeld deze twee mensen:

  Elk van hen zal zijn vriend zo zien:

  En met deze indeling:

  

  Onze helden zullen elkaar zo zien:

  
  

  Het is de verandering van gezichtspunt waardoor onze helden elkaar kunnen beoordelen als tweedimensionale objecten in plaats van eendimensionale segmenten.

  En laten we ons nu voorstellen dat een bepaald driedimensionaal object in de derde dimensie beweegt, die deze tweedimensionale wereld doorkruist. Voor omstander, zal deze beweging tot uiting komen in de verandering van tweedimensionale projecties van het object op het vliegtuig, zoals broccoli in de MRI-machine:

  Maar voor de bewoner van ons Flatland is zo'n foto onbegrijpelijk! Hij kan zich haar niet eens voorstellen. Voor hem zal elk van de tweedimensionale projecties worden gezien als een eendimensionaal segment met een mysterieus variabele lengte, verschijnend op een onvoorspelbare plaats en ook onvoorspelbaar verdwijnend. Pogingen om de lengte en plaats van voorkomen van dergelijke objecten te berekenen met behulp van de wetten van de fysica van de tweedimensionale ruimte zijn gedoemd te mislukken.

  Wij, de bewoners van de driedimensionale wereld, zien alles in twee dimensies. Alleen de beweging van een object in de ruimte laat ons het volume ervan voelen. We zullen elk multidimensionaal object ook als tweedimensionaal zien, maar het zal op een verbazingwekkende manier veranderen, afhankelijk van onze relatieve positie of tijd ermee.

  Vanuit dit oogpunt is het interessant om bijvoorbeeld na te denken over zwaartekracht. Iedereen heeft vast wel eens zulke foto's gezien:

  
  

  Het is gebruikelijk om uit te beelden hoe de zwaartekracht ruimte-tijd buigt. Bochten... waar? Precies niet in een van de voor ons bekende afmetingen. En hoe zit het met kwantumtunneling, dat wil zeggen, het vermogen van een deeltje om op de ene plaats te verdwijnen en op een heel andere plaats te verschijnen, bovendien achter een obstakel waardoor het in onze realiteit niet zou kunnen doordringen zonder er een gat in te maken? Hoe zit het met zwarte gaten? Maar wat als al deze en andere mysteries van de moderne wetenschap worden verklaard door het feit dat de geometrie van de ruimte helemaal niet hetzelfde is als we gewend zijn om haar waar te nemen?

  De klok tikt

  Tijd voegt nog een coördinaat toe aan ons universum. Om het feest te laten plaatsvinden, moet je niet alleen weten in welke bar het zal plaatsvinden, maar ook: exacte tijd deze gebeurtenis.

  Gebaseerd op onze waarneming is tijd niet zozeer een rechte lijn als wel een straal. Dat wil zeggen, het heeft een startpunt en de beweging wordt slechts in één richting uitgevoerd - van het verleden naar de toekomst. En alleen het heden is echt. Noch het verleden, noch de toekomst bestaan, net zoals ontbijten en diners niet bestaan ​​vanuit het oogpunt van een kantoorklerk tijdens de lunch.

  Maar de relativiteitstheorie is het daar niet mee eens. Tijd is voor haar een waardevolle dimensie. Alle gebeurtenissen die hebben bestaan, bestaan ​​en zullen blijven bestaan, zijn even echt, zo echt als een zeestrand is, ongeacht waar precies de dromen van het geluid van de branding ons verrasten. Onze waarneming is net zoiets als een zoeklicht dat een bepaald segment op de tijdlijn verlicht. De mensheid in zijn vierde dimensie ziet er ongeveer zo uit:

  
  

  Maar we zien slechts een projectie, een stukje van deze dimensie op elk individueel moment. Ja, ja, zoals broccoli in een MRI-machine.

  Tot nu toe hebben alle theorieën gewerkt met een groot aantal ruimtelijke dimensies en is tijd altijd de enige geweest. Maar waarom staat ruimte meerdere dimensies toe voor ruimte, maar slechts één keer? Totdat wetenschappers deze vraag kunnen beantwoorden, zal de hypothese van twee of meer tijdruimten alle filosofen en sciencefictionschrijvers erg aantrekkelijk lijken. Ja, en natuurkundigen, wat is er al. Zo ziet de Amerikaanse astrofysicus Itzhak Bars de wortel van alle problemen met de Theory of Everything als de tweede tijdsdimensie, die over het hoofd is gezien. Laten we ons, als mentale oefening, een wereld voorstellen met twee tijden.

  Elke dimensie bestaat afzonderlijk. Dit komt tot uiting in het feit dat als we de coördinaten van een object in één dimensie veranderen, de coördinaten in andere onveranderd kunnen blijven. Dus als je langs een tijdas beweegt die een andere haaks snijdt, dan stopt de tijd op het snijpunt. In de praktijk zal het er ongeveer zo uitzien:

  
  

  Het enige wat Neo hoefde te doen, was zijn eendimensionale tijdas loodrecht op de tijdas van de kogels plaatsen. Echt een kleinigheid, mee eens. In feite is alles veel gecompliceerder.

  De exacte tijd in een universum met twee tijdsdimensies wordt bepaald door twee waarden. Is het moeilijk om je een tweedimensionale gebeurtenis voor te stellen? Dat wil zeggen, een die tegelijkertijd langs twee tijdassen wordt verlengd? Het is waarschijnlijk dat voor zo'n wereld specialisten in het in kaart brengen van de tijd nodig zijn, net zoals cartografen het tweedimensionale oppervlak van de wereld in kaart brengen.

  Wat onderscheidt een tweedimensionale ruimte nog meer van een eendimensionale? Bijvoorbeeld de mogelijkheid om een ​​obstakel te omzeilen. Dit gaat volledig buiten de grenzen van onze geest. Een bewoner van een eendimensionale wereld kan zich niet voorstellen hoe het is om een ​​hoek om te slaan. En wat is dit - een hoek in de tijd? Bovendien kun je in de tweedimensionale ruimte vooruit, achteruit of zelfs diagonaal reizen. Ik heb geen idee hoe het is om diagonaal door de tijd te gaan. Ik heb het niet over het feit dat tijd aan veel natuurkundige wetten ten grondslag ligt, en het is onmogelijk voor te stellen hoe de fysica van het heelal zal veranderen met de komst van een andere tijdsdimensie. Maar het is zo spannend om erover na te denken!

  Zeer grote encyclopedie

  Andere dimensies zijn nog niet ontdekt en bestaan ​​alleen in wiskundige modellen. Maar je kunt proberen je ze zo voor te stellen.

  Zoals we eerder ontdekten, zien we een driedimensionale projectie van de vierde (tijdelijke) dimensie van het heelal. Met andere woorden, elk moment van het bestaan ​​van onze wereld is een punt (vergelijkbaar met de nuldimensie) in het tijdsinterval van de oerknal tot het einde van de wereld.

  Degenen onder jullie die over tijdreizen hebben gelezen, weten hoe belangrijk de kromming van het ruimte-tijd continuüm is. Dit is de vijfde dimensie - daarin "buigt" de vierdimensionale ruimte-tijd om twee punten op deze rechte lijn dichter bij elkaar te brengen. Zonder dit zou de reis tussen deze punten te lang of zelfs onmogelijk zijn. Grofweg is de vijfde dimensie vergelijkbaar met de tweede - het verplaatst de "eendimensionale" lijn van ruimte-tijd naar het "tweedimensionale" vlak met alle gevolgen van dien in de vorm van het vermogen om de hoek om te gaan.

  Iets eerder hebben onze vooral filosofisch ingestelde lezers waarschijnlijk nagedacht over de mogelijkheid van vrije wil in omstandigheden waarin de toekomst al bestaat, maar nog niet bekend is. De wetenschap beantwoordt deze vraag als volgt: waarschijnlijkheden. De toekomst is geen stok, maar een hele bezem opties ontwikkeling van evenementen. Welke van hen zal uitkomen - we zullen ontdekken wanneer we daar zijn.

  Elk van de probabiliteiten bestaat als een "eendimensionaal" segment op het "vlak" van de vijfde dimensie. Wat is de snelste manier om van het ene segment naar het andere te springen? Dat klopt - buig dit vliegtuig als een vel papier. Waar buigen? En nogmaals, correct - in de zesde dimensie, die de hele complexe structuur "volume" geeft. En zo maakt het, net als de driedimensionale ruimte, "voltooid", een nieuw punt.

  De zevende dimensie is een nieuwe rechte lijn, die bestaat uit zesdimensionale "punten". Wat is een ander punt op deze lijn? De hele oneindige reeks opties voor de ontwikkeling van gebeurtenissen in een ander universum, gevormd niet als gevolg van de oerknal, maar onder andere omstandigheden, en handelend volgens andere wetten. Dat wil zeggen, de zevende dimensie is kralen uit parallelle werelden. De achtste dimensie verzamelt deze "rechte lijnen" in één "vlak". En de negende kan worden vergeleken met een boek dat alle "bladen" van de achtste dimensie bevat. Het is de totaliteit van alle geschiedenissen van alle universa met alle wetten van de fysica en alles begincondities. Punt opnieuw.

  Hier hebben we de limiet bereikt. Om ons de tiende dimensie voor te stellen, hebben we een rechte lijn nodig. En wat zou een ander punt op deze rechte lijn kunnen zijn, als de negende dimensie al alles omvat wat kan worden voorgesteld, en zelfs wat niet kan worden voorgesteld? Het blijkt dat de negende dimensie niet een ander startpunt is, maar het laatste - in ieder geval voor onze verbeelding.

  De snaartheorie beweert dat het in de tiende dimensie is dat snaren, de basisdeeltjes waaruit alles bestaat, hun trillingen maken. Als de tiende dimensie alle universums en alle mogelijkheden bevat, dan bestaan ​​er overal en altijd strings. Ik bedoel, elke string bestaat in ons universum, en elke andere. Op elk moment. Direct. Cool, ja? gepubliceerd

  keer bekeken