1. dio
Jedini je problem prihvatiti ovu teoriju kao fizičku, previše je matematička. Zašto?
Budući da svoj izgled duguje jednoj jednostavnoj funkciji - Eulerova beta funkcija zapravo nije tako složena kao što se čini na prvi pogled. Ova se funkcija proučava tijekom matematičke analize.
Pa zašto je upravo ta funkcija bila početak tako velike i zbunjujuće teorije?
Eulerova beta funkcija (Grafikon beta funkcije s stvarnim argumentima).
1968. mladi talijanski fizičar-teoretičar Gabriele Veneziano pokušao je opisati kako međusobno djeluju čestice atomskog jezgra: protoni i neutroni. Znanstvenica je imala sjajno nagađanje. Shvatio je da se sva brojna svojstva čestica u atomu mogu opisati jednom matematičkom formulom (Eulerova beta funkcija). Izumio ga je prije dvjesto godina švicarski matematičar Leonard Euler i opisao integrale u matematičkoj analizi.
Veneziano je to koristio u svojim proračunima, ali nije shvatio zašto ona radi na ovom području fizike. Fizičko značenje formule otkrili su 1970. američki znanstvenici Yoichiro Nambu, Leonard Susskind, kao i njihov danski kolega Holger Nielsen. Predložili su da su elementarne čestice male vibracijske jednodimenzionalne žice, mikroskopske struje. Ako su ovi nizovi tako sitni, zaključili su istraživači, oni će i dalje izgledati poput točkastih čestica i, stoga, neće utjecati na rezultate eksperimenata. Tako je nastala teorija struna.
Dugo su se filozofi raspravljali o tome ima li svemir određeno podrijetlo ili postoji li oduvijek. Opća relativnost podrazumijeva konačnost "života" Univerzuma - svemir koji se širi trebao je nastati kao rezultat Velikog praska.
Promotivni video:
Međutim, na samom početku Velikog praska, teorija relativnosti nije funkcionirala, jer su svi procesi koji se odvijaju u tom trenutku bili kvantne prirode. U teoriji struna, za koju se tvrdi da je kvantna teorija gravitacije, uvodi se nova temeljna fizička konstanta - minimalni kvant dužine (tj. U biti najkraća duljina). Kao rezultat toga, stari scenarij svemira rođenog u Velikom prasku postaje neodrživ.
Prostor na kvantnoj razini.
Žice su najmanji predmeti u svemiru, a veličina žice je usporediva s Planckovom duljinom (10 ^ –33 cm). Prema teoriji struna, ovo je minimalna duljina koju objekt u svemiru može imati.
Veliki prasak se još uvijek odvijao, ali gustoća materije u tom trenutku nije bila beskonačna, a svemir je možda postojao i prije njega. Simetrija teorije struna sugerira da vrijeme nema početka ni kraja. Svemir je mogao nastati gotovo prazan i nastao u vrijeme Velikog praska, ili proći kroz nekoliko ciklusa smrti i ponovnog rođenja. U svakom slučaju, doba prije Velikog praska imalo je ogroman utjecaj na moderni prostor.
U našem svemiru koji se širi, galaksije se raspršuju poput raspršene gomile. Oni se odmiču jedni od drugih brzinom proporcionalnom udaljenosti između njih: galaksije razdvojene na 500 milijuna svjetlosnih godina raspršuju se dvostruko brže od galaksija, razdvojenih sa 250 milijuna svjetlosnih godina. Dakle, sve galaksije koje promatramo trebale su istodobno započeti s istog mjesta u vrijeme Velikog praska. To je istina čak i ako kozmička ekspanzija prolazi kroz razdoblja ubrzanja i usporavanja. U prostornim i vremenskim dijagramima, galaksije putuju zavojitim stazama do i iz promatranog dijela prostora (žuti klin). Međutim, još nije poznato što se točno dogodilo u trenutku kada su galaksije (ili njihovi prethodnici) počele letjeti.
Povijest svemira.
U standardnom modelu Velikog praska (na slici s lijeve strane), utemeljenom na općoj relativnosti, udaljenost između bilo koje dvije galaksije u nekom trenutku naše prošlosti bila je nula. Do tada vrijeme je besmisleno.
A u modelima koji uzimaju u obzir kvantne efekte (na slici desno), u trenutku lansiranja bilo koje dvije galaksije bile su razdvojene određenom minimalnom udaljenošću. Takvi scenariji ne isključuju mogućnost postojanja Svemira prije Velikog praska.
2. dio
A sada ću vam pokušati reći zašto postoji toliko mnogo ovih teorija: teorija struna, superstrings, M-teorija.
Više detalja o svakoj od teorija:
Teorija struna:
Kao što vi i ja već znamo, teorija struna je čisto matematička teorija, koja kaže da je sve u našem svijetu (a ne u našem također) posljedica "vibracija" mikroskopskih objekata reda Planckove duljine.
Možda je sva materija napravljena od žica.
Svojstva niza nalikuju nizu violine. Svaki niz može stvoriti ogroman (zapravo beskonačan) broj različitih vibracija, poznatih kao rezonantne vibracije. To su vibracije u kojima je udaljenost između maksima i minima jednaka, a točno cijeli broj maksima i minima odgovara između fiksnih krajeva niza. Na primjer, ljudsko uho rezonantne vibracije doživljava kao različite glazbene note. Nizovi imaju slična svojstva u teoriji struna. Mogu provesti rezonantne oscilacije u kojima se točno cijeli broj jednoliko raspoređenih maksima i minima smješta duž duljine žice. Na isti način na koji različiti modusi (skup vrsta harmoničkih vibracija tipičnih za oscilatorni sustav) rezonantnih vibracija struna violine rađaju različite glazbene note,različiti načini vibracija osnovnih žica uzrokuju različite mase i konstante spajanja.
Prema posebnoj teoriji relativnosti, energija i masa (E jednak je kvadratu:) su dvije strane istog novčića: što je više energije, to je veća masa i obrnuto. A prema teoriji struna, masa elementarne čestice određena je energijom vibracija unutarnjeg niza ove čestice. Unutarnji niz težih čestica vibrira intenzivnije, dok žice svjetlosnih čestica vibriraju manje intenzivno.
Najvažnije je da su karakteristike jednog od načina žica potpuno jednake karakteristikama gravitona, osiguravajući da je gravitacija sastavni dio teorije struna.
Za sada ne želim ulaziti u detalje o "geometriji" žice, samo ću reći da čestice bez masi, koje mogu biti fotoni, potječu od vibracija bilo otvorenih, bilo zatvorenih žica. Gravitoni potječu samo iz vibracija zatvorenih žica ili petlji. Žice djeluju međusobno i tvore petlje. Iz tih petlji nastaju veće čestice (kvarkovi, elektroni). Masa ovih čestica ovisi o energiji koju petlja oslobađa kada vibrira.
U teoriji struna mogu postojati samo dvije temeljne konstante (u drugim teorijama postoji mnogo više konstanti, čak i najosnovnijih. Na primjer, standardni model zahtijeva 26 konstanti). Jedan, nazvan napetost žice, opisuje koliko energije sadrži po jedinici duljine niza. Druga, koja se naziva konstanta spajanja žica, je broj koji pokazuje vjerojatnost razbijanja niza u dvije žice, odnosno izazivajući sile; budući da je vjerojatnost, to je samo broj, bez dimenzijskih jedinica.
Teorija superstringa:
Sve što treba znati i shvatiti iz ove fraze je da je ova teorija generalizirana teorija struna. U ovoj teoriji sve se posmatra s gledišta super-simetrije - … ALI!
Prije nego što pređemo na raspravu o supersimetriji, sjetimo se koncepta spin. Spin je intrinzični ugaoni moment svojstven svakoj čestici. Mjeri se u jedinicama Planckove konstante i može biti cijela ili polu-cjelina. Okretanje je isključivo kvantno mehaničko svojstvo koje se ne može predstaviti s klasičnog stajališta. Naivan pokušaj da se elementarne čestice protumače kao male "kuglice", a spinovanje - kao njihova rotacija, proturječi posebnoj teoriji relativnosti, budući da se točke na površini kuglice tada moraju kretati brže od svjetlosti. Elektroni imaju spin 1/2, fotoni imaju spin 1.
Supersimetrija je simetrija između čestica s cjelobrojnim i polu-cijelim vrtnjama.
Ukratko, ona se sastoji u konstrukciji teorija čije se jednadžbe ne bi promijenile kada se polja s cjelobrojnim spin-om transformiraju u polja s polovinom cijelog spina i obrnuto. Od tada su napisane tisuće članaka, svi modeli teorije kvantnih polja podvrgnuti su supersimetrizaciji, a razvijen je novi matematički aparat koji omogućava izgradnju super-simetričnih teorija.
Čestice poznate u prirodi, prema svitanju, dijele se na bozone (cijeli spin) i fermions (polu-cijeli broj). Prve čestice su nosioci interakcija, na primjer, foton, koji vrši elektromagnetske interakcije, gluon koji nosi jake nuklearne sile i graviton, koji nosi gravitacijske sile. Drugi je sastavljen od materije od koje smo mi napravljeni, poput elektrona ili kvarka.
Fermioni (čestice koje se pridržavaju Fermi-Dirac-ove statistike) i bozoni (čestice koje se pridržavaju Bose-Einsteinove statistike) mogu koegzistirati u istom fizičkom sustavu. Takav sustav imat će posebnu vrstu simetrije - takozvanu supersimetriju, koja bozone preslikava u fermione i obrnuto. To, naravno, zahtijeva jednak broj bozona i fermiona, ali uvjeti za postojanje supersimetrije nisu ograničeni na to. Supersimetrični sustavi žive u nadprostoru. Nadprostor se dobiva iz običnog svemirskog vremena kada mu se dodaju fermionske koordinate. U formulaciji o nadprostoru, transformacije nad-simetrije izgledaju kao rotacije i prijevodi u običnom prostoru. A čestice i polja koja žive u njemu predstavljena su skupom čestica ili polja u običnom prostoru, a takav skup,u kojem je kvantitativni omjer bozona i fermiona strogo fiksiran, kao i neke njihove karakteristike (prije svega spinovi). Čestice-polja uključena u takav skup nazivaju se superpartneri.
Tako je konvencionalna teorija struna opisivala samo čestice koje su bili bozoni, pa se tako nazvala teorija bozonskih nizova. Ali ona nije opisala fermione. Stoga, na primjer, kvarkovi i elektroni nisu bili uključeni u teoriju bozonskih nizova.
No dodavanjem supersimetrije teoriji bozonskih niza dobili smo novu teoriju koja opisuje i sile i materiju koja čini svemir. Zove se teorija superstringa.
Postoje tri različite teorije superstringa koje imaju smisla, tj. bez matematičkih nedosljednosti. U dva od njih temeljni je objekt zatvoreni niz, dok je u trećem, otvoreni niz građevni blok. Nadalje, miješanjem najboljih aspekata teorije bozonskih nizova i teorije supernamenskih vrhova, dobili smo konzistentne teorije niza - heterotične teorije niza.
Dakle, superstring je supersimetrični niz, to jest, to je još uvijek niz, ali ne živi u našem uobičajenom prostoru, već u nadprostoru.
M-TEORIJA:
Sredinom osamdesetih teoretičari su zaključili da se supersimetrija, koja je središte teorije struna, u nju može ugraditi ne na jedan, već na pet različitih načina, što je dovelo do pet različitih teorija: tip I, tipovi IIA i IIB i dvije heterotičke teorije struna. Iz zdravog razuma (dvije verzije istog fizičkog zakona ne mogu djelovati istovremeno), vjerovalo se da samo jedna od njih može zahtijevati ulogu „teorije svega“, štoviše one koja ima male energije i zbijena (tj. veličine Planckove duljine.
Ispada da samo promatramo naš četverodimenzionalni svemir bez ovih 6 dimenzija, koje jednostavno ne vidimo) šest dodatnih dimenzija bilo bi u skladu s stvarnim opažanjima. Ostala su pitanja koja je teorija bila adekvatnija i što učiniti s ostale četiri teorije.
Bit:
Ako se u ovom slučaju pokaže da je kompaktna dimenzija jednaka veličini žice (10 do -33 stupnja centimetra), onda zbog malenosti ove dimenzije jednostavno ne možemo izravno vidjeti. Konačno, dobit ćemo naš (3 + 1) -dimenzionalni prostor, u kojem malen 6-dimenzionalni prostor odgovara svakoj točki našeg 4-dimenzionalnog svemira.
Istraživanja su pokazala da je ovo naivno gledište pogrešno. Sredinom 1990-ih, Edward Witten i drugi teorijski fizičari otkrili su snažne dokaze da je svih pet superstring teorija međusobno usko povezano, što su različiti ograničavajući slučajevi jedinstvene temeljne teorije s 11 dimenzija. Ta se teorija naziva M-teorija.
Kad je Witten dao ime M-teorija, nije precizirao za što se zalagao M, vjerojatno zato što nije osjećao pravo imenovati teoriju koju nije mogao u potpunosti opisati. Pretpostavke za što bi se M mogao zalagati postale su igra među teorijskim fizičarima. Neki kažu da M znači "mistično", "čarobno" ili "majka". Ozbiljnije pretpostavke su "Matrica" i "Membrana". Netko je primijetio da M može biti obrnuto W - prvo slovo imena Witten (Witten). Drugi sugeriraju da bi M u M-teoriji trebao značiti Nedostaje ili čak Murky.
Razvoj 11-dimenzionalne M-teorije omogućio je fizičarima da vide izvan vremena prije kojeg se dogodio Veliki prasak.
Brane se u prostorima 10-11 dimenzija sudaraju i stvaraju Veliki prasak na * površini * brane …
Stvorena je teorija prema kojoj je naš svemir posljedica sudara objekata u drugom svemiru, što zauzvrat može biti bezbroj. Otkrivanje jednog pitanja dovelo je do pojave još više pitanja.
M-teoriju su znanstvenici uzeli kao teoriju svega. Odnosno, ova je teorija pogodna za objašnjenje svega: kako je Svemir nastao, što je bilo prije rođenja našeg Svemira, odgovara na pitanje postojanja vremena prije rođenja Svemira (vrijeme je postojalo i prije rođenja Svemira), otkriva budućnost Svemira.
3. dio
Rupe za žice:
Sada već općeprihvaćena teorija crnih rupa koju je prije četrdeset godina iznio fizičar John Wheeler kaže da nakon što zvijezda "izgori" njeni se ostaci stisnu s tolikom silom da sila privlačenja premašuje silu odbojnosti, a kao rezultat toga ostaje jedinstvenost: točka u prostoru u kojem se nalazi materija u stanju "beskonačne gustoće". Pojedinačnost je okružena takozvanim "horizontom događaja", hipotetičkom granicom koja nije u stanju nadvladati materiju i energiju unutar nje. Oni su "uvučeni" u crnu rupu i ostanu unutra zauvijek.
Prikaz crne rupe.
Upravo ovo "zauvijek" postavlja pitanja.
Godine 1975., najveći teoretičar crne rupe Stephen Hawking sa Sveučilišta u Cambridgeu utvrdio je (iako samo teoretski) da crne rupe polako, ali neizbježno isparavaju. U skladu sa zakonima kvantne mehanike, parovi "virtualnih" čestica i antičestica neprestano vreju u praznom prostoru. Hawking je pokazao da se gravitaciona energija crnih rupa može prenijeti na "virtualne" čestice na samom horizontu događaja. U ovom slučaju, "virtualne" čestice postaju stvarne i odlaze izvan horizonta zajedno s pozitivnom energijom u obliku Hawkingova zračenja. Dakle, s vremenom crna rupa isparava.
Temperatura Hawking zračenja (zračenje u blizini horizonta crne rupe s termičkim spektrom):
Temperatura zračenja crne rupe
gdje je Planckova konstanta, c je brzina svjetlosti u vakuumu, k je Boltzmannova konstanta, G je gravitaciona konstanta i, na kraju, M je masa crne rupe. Na primjer, lako je izračunati da će crna rupa s masom 2 * 10 ^ 30 kg (masa Sunca) imati temperaturu zračenja jednaku 6,135 * 10 ^ (- 8) Kelvina. Ovo je vrlo niska temperatura, čak i u usporedbi s pozadinskim zračenjem svemira s temperaturom od 2,7 Kelvina.
Ali temperature crnih rupa poznate astronomima preniske su da bi otkrile zračenje iz njih - mase rupa su prevelike. Stoga efekt još nije potvrđen opažanjima.
Međutim, ovo gledište dovodi do "informacijskog paradoksa". Ispada da se prema teoriji relativnosti informacije o materiji koja pada u crnu rupu gube, dok kvantna mehanika tvrdi da informacije mogu na kraju pobjeći prema van.
Hawking je napomenuo da kaotična priroda Hawkingova zračenja znači da se energija rasprsne, ali informacije nisu. Međutim, 2004. godine se predomislio - i to je samo jedna od točaka moderne znanosti koja je revidirala sve svoje poglede na crne rupe.
Činjenica je da sada teoretičari pokušavaju "isprobati" crne rupe (i sve teorijske razlike koje su s njima povezane) teoriju struna. Teorija struna sada je najbolji pokušaj kombiniranja opće relativnosti i kvantne mehanike, budući da sami žice nose gravitacijsku silu, a njihove su vibracije slučajne, kako predviđaju kvantna mehanika.
Andrew Strominger i Kamran Wafa sa Sveučilišta Harvard 1996. godine odlučili su pristupiti problemu informacijskog paradoksa definirajući kako se iznutra može izgraditi crna rupa.
Pokazalo se da teorija struna dopušta izgradnju izuzetno gustih i sitnih građevina od samih žica i drugih predmeta opisanih u teoriji, od kojih neki imaju više od tri dimenzije. I ove su se strukture ponašale poput crnih rupa: njihovo gravitacijsko povlačenje ne ispušta svjetlost.
Broj načina na koji možete organizirati žice unutar crnih rupa je neodoljiv. Ono što je posebno zanimljivo, ta se vrijednost u potpunosti podudara s vrijednošću entropije crne rupe koju su Hawking i njegov kolega Bekenstein izračunali još sedamdesetih godina.
No, određivanje broja mogućih kombinacija niza nije sve. 2004. godine tim Sveučilišta Ohio Samir Matura krenuo je razjasniti mogući raspored žica unutar crne rupe. Pokazalo se da su gotovo uvijek žice povezane tako da tvore jedan - veliki i vrlo fleksibilan - niz, ali mnogo veći od singularnosti u točki.
Matura grupa je izračunala fizičke dimenzije nekoliko "string" crnih rupa (koje članovi grupe radije nazivaju fuzzballs - "pahuljaste kuglice" ili stroge zvijezde - "zvijezde niza"). Iznenađeni su otkrili da se veličina ovih nizova formata podudarala s veličinom "horizonta događaja" u tradicionalnoj teoriji.
U vezi s tim, Mathur je predložio da tzv. "Horizont događaja" zapravo je "pjenasta masa žica", a ne strogo ocrtana granica.
I da crna rupa zapravo ne uništava informacije iz razloga, na primjer, što u crnim rupama jednostavno nema jedinstvenosti. Masa žice raspoređena je po cijelom volumenu sve do horizonta događaja, a informacije se mogu pohraniti u žice i utisnuti u odlazeće Hawkingovo zračenje (i stoga premašiti prag događaja).
Međutim, i Wafa i Mathur priznaju da je ta slika vrlo preliminarna. Matura tek treba testirati kako se njegov model uklapa u velike crne rupe ili razumjeti kako se razvijaju crne rupe.
Još jednu opciju predložili su Gary Horowitz sa kalifornijskog sveučilišta u Santa Barbari i Juan Maldasena s Princetonskog instituta za napredni studij. Prema tim istraživačima, singularnost u središtu crne rupe i dalje postoji, ali informacija jednostavno ne ulazi u nju: materija prelazi u singularnost, a informacije - kvantnom teleportacijom - utisnute su na Hawkingovo zračenje. Mnogi fizičari osporavaju ovo gledište, odbacujući mogućnost trenutnog prijenosa informacija.
Ekstremne crne rupe:
Raznolikost (euklidski prostor je najjednostavniji primjer raznolikosti. Složeniji primjer je površina Zemlje. Moguće je napraviti kartu bilo kojeg područja zemljine površine, na primjer, kartu polutke, ali nemoguće je nacrtati jednu (bez prijeloma) kartu cijele njegove površine) duž koje se niz može kretati naziva se D-brana ili Dp-brana (kada se koristi drugi zapis, 'p' je cijeli broj koji karakterizira broj prostornih dimenzija razdjelnika). Primjer su dvije žice s jednim ili oba kraja pričvršćenim na dvodimenzionalnu D-oštricu ili D2-oštricu:
D-brane mogu imati niz prostornih dimenzija od -1 do broja prostornih dimenzija našeg prostornog vremena. Sama riječ 'brane' dolazi od riječi 'membrana', koja je dvodimenzionalna površina.
Zašto sam pisao o tome ovdje, ali ovdje:
Branes je omogućio opisati neke posebne crne rupe u teoriji struna (ovo otkriće su napravili Andrew Strominger i Kumrun Wafa 1996, gore.)
Odnos brane i crnih rupa je neizravan, ali uvjerljiv. Evo kako to djeluje: Počinjete isključivanjem gravitacione sile (to radite postavljanjem konstante spajanja struna (broj koji predstavlja vjerojatnost razbijanja niza u dva niza jedna je od dvije osnovne konstante u teoriji struna. Prva je "napetost" niza) na nuli). Možda se čini čudnim opisati crne rupe, koje nisu ništa drugo do gravitacije, međutim, da vidimo što će se dalje dogoditi. Sa isključenom gravitacijom možemo gledati geometrije u kojima su mnoge brane omotane dodatnim dimenzijama. Sada koristimo činjenicu da brane nose električni i magnetski naboj. Ispada da postoji ograničenje koliko naboja može imati oštrica, ta je granica povezana s masom brane. Konfiguracije maksimalnog naboja vrlo su specifične i nazivaju se ekstremne. Oni uključuju jednu od situacija u kojoj postoje dodatne simetrije koje omogućuju preciznije izračune. Posebno su takve situacije karakterizirane prisutnošću nekoliko različitih supersimetrija koje povezuju fermione i bozone.
Tu je i maksimalna količina električnog ili magnetskog naboja koja crna rupa može imati i još uvijek je stabilna. Nazivaju se ekstremnim crnim rupama i proučavali su ih stručnjaci opće relativnosti dugi niz godina.
Unatoč činjenici da je gravitacijska sila isključena, ekstremni sustav brane dijeli neka svojstva s ekstremnim crnim rupama. Konkretno, termodinamička svojstva oba sustava su identična. Dakle, proučavanjem termodinamike ekstremnih brana omotanih dodatnim dimenzijama, moguće je reproducirati termodinamička svojstva ekstremnih crnih rupa.
Jedan od problema u fizici crnih rupa bilo je objašnjenje otkrića Jacoba Bekensteina i Stephena Hawkinga da crne rupe imaju entropiju i temperaturu. Nova ideja teorije struna je (u slučaju ekstremnih crnih rupa) koju možete zaobići u istraživanju sličnih sustava ekstremnih brana omotanih oko dodatnih dimenzija. Zapravo su mnoga svojstva dvaju sustava potpuno jednaka. Ova gotovo natprirodna slučajnost nastaje jer u oba slučaja postoji nekoliko različitih supersimetričnih transformacija koje povezuju fermione i bozone. Ispada da nam dopuštaju da izgradimo uvjerljivu matematičku analogiju koja termodinamiku * dvaju sustava čini identičnom.
***
* Termodinamika crne rupe (svojstva):
- Snaga gravitacije jednaka je na cijeloj površini horizonta događaja
- Područje horizonta crne rupe događaja ne može se vremenom smanjivati niti u jednom klasičnom procesu.
- U bilo kojem procesu neravnoteže koji uključuju crne rupe (na primjer, kada se sudaraju), povećava se površina površine.