Jednym z głównych kandydatów do teorii wszystkiego jest teoria strun lub jej bardziej uogólniona wersja, M-teoria. Ale zawiera jedną prognozę, której prawie nigdy nie będziemy w stanie zweryfikować - ukryte, zwarte wymiary.
Teoria strun próbuje nie tylko połączyć mechanikę kwantową z ogólną teorią względności, ale także wyjaśnić spektrum cząstek i sił obserwowanych w przyrodzie. W najnowszym sformułowaniu teorii - teorii macierzy - istnieje 11 wymiarów. Jej zwolennicy mają do czynienia z jednym z największych problemów teorii strun - wyjaśniającym dokładnie, w jaki sposób dodatkowe wymiary są „zagęszczane”, co uniemożliwia ich obserwację w naszym czterowymiarowym świecie. Zagęszczanie wyjaśnia również najciekawsze właściwości teorii.
Teoria strun stwierdza, że świat składa się z niewiarygodnie małych wibrujących strun w dziesięciowymiarowej czasoprzestrzeni. W 1995 roku, podczas drugiej rewolucji superstrun, Edward Witten zaproponował M-teorię, która łączyła wszystkie pięć różnych typów teorii strun. Jest to 11-wymiarowa teoria, która obejmuje supergrawitację. Wśród naukowców nie ma jednej odpowiedzi, co oznacza „M” w nazwie, ale wielu teoretyków zgadza się, że ta litera oznacza „membrany”, ponieważ teoria zawiera wibrujące powierzchnie o kilku różnych wymiarach. M-teorii brakuje dokładnych równań ruchu, ale w 1996 roku Tom Banks z Rutgers University i jego koledzy zaproponowali jej opis jako „teorię macierzy”, której podstawowymi zmiennymi są macierze.
Kompaktowanie tej 11-wymiarowej teorii do czterech zmian wcale nie było łatwe. Dosłowne kompaktowanie oznacza „zwinięcie” dodatkowych wymiarów teorii do bardzo małych wymiarów. Na przykład, aby złożyć dwa wymiary, weź pączek - lub torus (to dwuwymiarowa powierzchnia) - i ściśnij go w okrąg lub pętlę o małym przekroju, a następnie ściśnij tę pętlę do punktu. Bez dostatecznie czułej sondy, która mogłaby rejestrować „ściśnięte” pomiary, pętla ta wygląda na jednowymiarową, podczas gdy punkt jest zerowymiarowy. W teorii M przyjmuje się, że mówimy o rozmiarach rzędu 10-33 centymetrów, których z kolei w żaden sposób nie można zarejestrować za pomocą nowoczesnego sprzętu. Okazuje się, że po zagęszczeniu siedmiu wymiarów otaczający nas świat wygląda czterowymiarowo.
Edward Witten / Quanta Magazine / Jean Sweep.
Ale czym jest sam w sobie wymiar? Intuicyjnie może się wydawać, że każdy wymiar jest niezależnym kierunkiem, w którym możemy (lub jakikolwiek obiekt) się poruszać. Okazuje się więc, że żyjemy w trzech wymiarach przestrzennych - „naprzód-wstecz”, „lewo-prawo” i „góra-dół” - i jeden raz - „przeszłość-przyszłość”. Ogólnie są to cztery wymiary. Ale nasze postrzeganie wymiarów jest ściśle powiązane ze skalą.
Wyobraź sobie, że obserwujesz statek płynący z daleka do portu. Na początku wygląda jak punkt zerowy na horyzoncie. Po chwili zdajesz sobie sprawę, że ma maszt skierowany w niebo: teraz wygląda jak jednowymiarowa linia. Wtedy zauważasz jego żagle - a obiekt wygląda już dwuwymiarowo. Gdy statek zbliża się do doku, w końcu zauważasz, że ma długi pokład - trzeci wymiar.
Nie ma w tym nic dziwnego, podobnie jak fakt, że pączek zredukowany do niewiarygodnych rozmiarów wydaje się być punktem zerowymiarowym. Chodzi o to, że nie jesteśmy w stanie określić pomiarów z dużych odległości. To logicznie prowadzi do tego, co opisano powyżej: mogą istnieć inne wymiary, ale są one tak małe, że ich nie dostrzegamy.
Film promocyjny:
Wróćmy do kompaktowania pomiarów. Wyobraź sobie, że jesteś wiewiórką żyjącą na nieskończenie długim pniu drzewa. W taki czy inny sposób pień drzewa jest walcem. Możesz poruszać się w dwóch niezależnych kierunkach - „wzdłuż” i „dookoła”. Gdy się znudzisz, przenosisz się do drzewa z cieńszym pniem, którego obwód jest znacznie mniejszy. Teraz twój wymiar „wokół” jest znacznie mniejszy niż wcześniej. Potrzebujesz tylko dwóch kroków, aby całkowicie ominąć beczkę. Wskakujesz do jeszcze cieńszego drzewa. Teraz w jednym kroku owijasz beczkę sto razy! Wymiar „wokół” stał się zbyt mały, abyś mógł to zauważyć. Im cieńsze stają się pnie drzew, tym bardziej wymiary twojego świata są zredukowane do jednego.
Im mniejsze drzewo, na które wiewiórka skacze, tym mniejszy wymiar „dookoła”, w którym może się poruszać i który może dostrzec / WhyStringTheory.com
Dokładnie to dzieje się w teorii strun z sześcioma (siedem w przypadku teorii M) dodatkowymi wymiarami. Za każdym razem, gdy poruszasz ręką w przestrzeni, obracasz się wokół ukrytych wymiarów niesamowitą liczbę razy.
Jak wspomniano powyżej, wymiary zagęszczonych pomiarów są rzędu 10-33 centymetrów, co jest porównywalne z długością Plancka (1,6x10-33 centymetrów). Należy zaznaczyć, że jest mało prawdopodobne, aby w najbliższej przyszłości będziemy mieli możliwość ich bezpośredniej rejestracji eksperymentalnej. Niemniej naukowcy liczą na pewne testy, których wyniki jednak w dużej mierze zależą od pomyślnej kombinacji okoliczności.
Kształt i rozmiar strun jest niezwykle ważny dla symulacji ich wibracji i interakcji. Musisz zrozumieć, jak skręcają się wokół sześciu zwiniętych wymiarów. Dokładna struktura powierzchni utworzona przez zagęszczenie zmienia fizykę napędzaną przez struny.
Istnieje kilka sposobów, w jakie dodatkowe wymiary można złożyć na tak małej przestrzeni. Jednak nie wiadomo jeszcze, która z tych metod ostatecznie prowadzi do tradycyjnej fizyki.
W przeszłości podjęto wiele prób ujednolicenia teorii macierzy za pomocą sześciowymiarowego toroidu, ale nic z tego nie wyszło. Nikt nie pomyślał, że rzekomo trudniejszy problem zagęszczania z rozmaitościami Calabiego-Yau dostarczy wykonalnych rozwiązań dla teorii roboczej. Zagęszczenie wymiarów za pomocą rozmaitości Calabiego-Yau pozwala uniknąć niektórych komplikacji teorii macierzy.
Aktualne badania w teorii strun dotyczą bardziej rozmaitości Calabiego-Yau. Jest to z pewnością obiecująca grupa zwartości, ale nadal nie ma jasnej odpowiedzi, a liczba odkrytych rozmaitości wzrosła już do 10 (do potęgi 500), jak wskazał niedawno jeden z teoretyków strun Brian Green w podcastie autorstwa Seana Carrolla.
Sześciowymiarowe rozmaitości Calabiego - Yau / Vimeo / Graphene.
Teoretycy strun wciąż są dalecy od jasnego i jednoznacznego zrozumienia, czy teoria M faktycznie opisuje świat w najmniejszej skali. Jednak, jak zauważył Edward Witten: „To niesamowite, jak można zbudować teorię, która zawiera grawitację, ale która pierwotnie była oparta tylko na teorii cechowania”.
Teoria strun jest złożonym aparatem matematycznym. Jak wskazywali Clifford Johnson i Brian Greene w wywiadach w naszym magazynie, trudno powiedzieć, że ta teoria faktycznie opisuje rzeczywistość. Ale nawet jeśli okaże się, że nie ma to nic wspólnego z rzeczywistością, to z pewnością będzie to ważny krok w kierunku czegoś większego - w kierunku teorii opisującej wszechświat dokładniej i bardziej elegancko niż wszystko, co znaliśmy wcześniej.
Vladimir Guillen