Już dawno temu wielki włoski Galileo Galilei pokazał, że za pomocą wzorów matematycznych można rzetelnie opisać nawet te procesy, których nie jesteśmy w stanie dostrzec. Od tego czasu naukowcy starają się stworzyć swego rodzaju fizyczną i matematyczną „teorię wszystkiego”, która elegancko opisywałaby Wszechświat, uwzględniając znane interakcje.
WYMIAR PIĄTY
Izaak Newton otworzył nową erę w historii nauki, formułując swoje trzy słynne prawa mechaniki w 1684 roku. Ale jednocześnie w ogóle nie myślał o tym, jak działają opisane przez niego siły i jaka jest ich natura.
Prawa Newtona miały ograniczone zastosowanie. Nie można ich było w żaden sposób wykorzystać do opisania takich zjawisk jak elektryczność, magnetyzm i efekty optyczne. Pod koniec XIX wieku wszystkie te trzy zjawiska zostały z powodzeniem połączone za pomocą równań Jamesa Maxwella w spójną naukę elektrodynamiki, a naukowcy mieli poważną nadzieję, że są blisko stworzenia „teorii wszystkiego”. Wkrótce tę kwestię podjął Albert Einstein, który sformułował specjalne (1905) i ogólne (1916) teorie względności, które wymagały rewizji fizyki newtonowskiej. Odkąd odkrycie Einsteina zostało potwierdzone prostymi obserwacjami wizualnymi, społeczność naukowa przyjęła je bez sprzeciwu. Einstein uważał, że aby sformułować „teorię wszystkiego” wystarczy ustalić związek między elektromagnetyzmem a grawitacją. Ale szybko wyciągnął wnioski.
W 1921 roku niemiecki fizyk Theodor Kaluzei był w stanie formalnie połączyć równania ogólnej teorii względności z klasycznymi równaniami Maxwella, ale w tym celu musiał wprowadzić dodatkowy piąty wymiar oprócz czterech znanych (trzy wymiary przestrzeni i jeden czas). Początkowo ten pomysł wydawał się szalony, ale pięć lat później uzasadnienie „nieobserwowalności” piątego wymiaru zaproponował Szwed Oskar Klein.
Wydawało się, że wszystko zaczęło się zbiegać, a tu nowe odkrycia w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych i pojawienie się mechaniki kwantowej podważały tak proste podejście.
Film promocyjny:
WIELOWYMIAROWY ŚWIAT
Współczesna fizyka wymaga hipotetycznej „teorii wszystkiego”, aby połączyć cztery podstawowe oddziaływania, które są obecnie znane: oddziaływanie grawitacyjne, oddziaływanie elektromagnetyczne, silne oddziaływanie jądrowe i słabe oddziaływanie jądrowe. Ponadto musi wyjaśniać istnienie wszystkich cząstek elementarnych i różnice między nimi.
Próby połączenia wielu interpretacji obserwowanych interakcji trwały przez cały XX wiek. W połowie lat 70. okazało się nawet, że łączy w sobie trzy interakcje, oprócz najważniejszej i danej nam w doznaniach - grawitacji. Ale nawet ta „okrojona” teoria nie otrzymała potwierdzenia eksperymentalnego.
Kolejne próby zrozumienia układu Wszechświata na podstawowym poziomie doprowadziły do tego, że fizycy musieli przypomnieć sobie zapomnianą teorię Kaluzei-Kleina i wprowadzić dodatkowe wymiary do swoich wzorów. Okazało się, że wszystko jest zbieżne, jeśli przyjmiemy hipotezę, że Wszechświat ma nie cztery lub nie pięć, ale dziesięć wymiarów. Później powstała teoria M, działająca w jedenastu wymiarach, a następnie teoria F, w której pojawia się dwanaście wymiarów. Można by pomyśleć, że wprowadzenie dodatkowych wymiarów, których nawet sobie nie wyobrażamy, komplikuje sprawę, ale na poziomie czystej matematyki okazuje się, że wręcz przeciwnie, upraszcza. A problem percepcji wiąże się tylko z przyzwyczajeniem: były czasy, kiedy ludzie nie wiedzieli nic o próżni i nieważkości, a teraz każdy uczeń, który marzy o zostaniu astronautą, ma o tym pojęcie.
Czy w praktyce można w jakiś sposób ujawnić fundamentalną relację w wielowymiarowej przestrzeni? Okazuje się, że możesz. Dokładnie to robią zwolennicy tak zwanej teorii strun.
GWINT KWANTOWY
Struny jako fundamentalne formacje zostały wprowadzone do fizyki cząstek elementarnych, aby wyjaśnić budowę mezonów pi - cząstek, których silne oddziaływanie sprawia, że jądra atomowe stanowią jedną całość. Przewidywano istnienie takich cząstek, a one same zostały odkryte w 1947 roku podczas badania promieni kosmicznych. Efekty zaobserwowane w zderzeniach mezonów pi pozwoliły wysunąć ideę, że są one połączone „nieskończenie cienką wibrującą nicią”. Pomysł mi się spodobał i od razu pojawiły się modele matematyczne, w których wszystkie cząstki elementarne są opisane jako jednowymiarowe struny wibrujące z określonymi częstotliwościami.
Zaczęła się rozwijać teoria strun i bardzo szybko stało się jasne, że „strunowość” realizuje się tylko w przestrzeniach, w których liczba wymiarów a priori jest większa niż cztery. Próbowali zastosować teorię do różnych hipotetycznych konstrukcji, takich jak tachion (cząstka, której prędkość przekracza prędkość światła), grawiton (kwant pola grawitacyjnego) i bozon (cząstka masy), ale bez większego sukcesu.
Jednak w latach osiemdziesiątych, po wielu dyskusjach, fizycy doszli do wniosku, że teoria strun może opisać wszystkie cząstki elementarne i interakcje między nimi. Pracują nad nim setki naukowców. Wkrótce wykazano, że różne wersje teorii strun są możliwe do zastosowania, jeśli reprezentują ograniczające przypadki teorii M, działającej w jedenastu wymiarach. I chociaż praca wciąż jest daleka od ukończenia, fizycy są skłonni wierzyć, że są na dobrej drodze.
Tutaj konieczne jest wyjaśnienie, jak wielowymiarowość wszechświata wygląda w teorii strun.
Pierwsza opcja to „zagęszczenie” dodatkowych wymiarów, co oznacza, że są one zamknięte na sobie na tak małych odległościach, że nie można ich wykryć eksperymentalnie. Fizycy mówią o tym w ten sposób. Jeśli z dostatecznie daleka zobaczysz wąż ogrodowy na trawie, będzie on miał tylko jeden wymiar - długość. Ale jeśli do niego pójdziesz, znajdziesz jeszcze dwóch. Podobnie dodatkowe wymiary przestrzeni można wykryć tylko z bardzo bliskiej odległości i jest to poza możliwościami instrumentów.
Drugą opcją jest „zlokalizowanie” pomiarów. Nie są tak małe jak w pierwszym przypadku, ale z jakiegoś powodu wszystkie cząsteczki naszego świata są zlokalizowane na czterowymiarowej warstwie (brane) w wielowymiarowym Wszechświecie i nie mogą go opuścić. Ponieważ my i wszystkie nasze urządzenia składamy się ze zwykłych cząstek, w zasadzie nie mamy możliwości zobaczenia, co jest na zewnątrz. Jedynym sposobem na wykrycie obecności dodatkowych wymiarów jest grawitacja, która nie jest zlokalizowana na branach, więc grawitony i mikroskopijne czarne dziury mogą wyjść na zewnątrz. W znanym nam świecie taki proces będzie wyglądał jak nagły zanik energii niesionej przez te obiekty.
Chociaż uważa się, że teoria strun nigdy nie zostanie potwierdzona eksperymentalnie, fizycy opracowali kilka eksperymentów, które mogą pośrednio wskazywać, że jest ona poprawna. Wśród nich jest wyznaczanie odchyleń w prawie powszechnej grawitacji na odległościach rzędu setnych części milimetra. Innym sposobem jest naprawienie grawitonów i mikroskopijnych czarnych dziur w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Trzeci to obserwacja „kosmicznych strun” rozciągniętych do wymiarów międzygalaktycznych i posiadających najsilniejsze pole grawitacyjne. Być może jeden z tych eksperymentów przyniesie pozytywne rezultaty w najbliższej przyszłości.
CENTRUM WSZECHŚWIATA
W 2003 roku fizycy odkryli, że istnieje wiele sposobów na zredukowanie dziesięciowymiarowych teorii strun do czterech wymiarów. Co więcej, sama teoria nie zawiera kryterium preferowania możliwej ścieżki. Każda z opcji generuje swój własny czterowymiarowy świat, który może przypominać lub znacznie różnić się od obserwowanego Wszechświata. Okazuje się, że liczba takich opcji jest prawie nieskończona: około 10500 (dziesięć do pięciuset potęgi). Co sprawia, że nasz świat jest taki, jaki jest?
Wkrótce zasugerowano, że odpowiedź można uzyskać jedynie poprzez włączenie osoby na tym zdjęciu - istniejemy właśnie we Wszechświecie, w którym nasze istnienie jest możliwe. W każdym innym przypadku po prostu nie czytałbyś tych wierszy.
Anton Pervushin