Del 1
Det enda problemet är att acceptera denna teori som fysisk, den är för matematisk. Varför?
Eftersom den är skyldig en enkel funktion - Eulers betafunktion är faktiskt inte så komplex som den verkar vid första anblicken. Denna funktion studeras under matematisk analys.
Så varför exakt denna funktion var början på en så stor och förvirrande teori?
Eulers betafunktion (Graf över betafunktionen med verkliga argument).
1968 försökte en ung italiensk teoretisk fysiker Gabriele Veneziano att beskriva hur partiklar i en atomkärna interagerar: protoner och neutroner. Forskaren hade en lysande gissning. Han insåg att alla de många egenskaperna hos partiklarna i en atom kan beskrivas med en matematisk formel (Eulers betafunktion). Det uppfanns för tvåhundra år sedan av den schweiziska matematikern Leonard Euler och beskrev integraler i matematisk analys.
Veneziano använde det i sina beräkningar, men förstod inte varför hon arbetade inom detta fysikområde. Den fysiska betydelsen av formeln upptäcktes 1970 av de amerikanska forskarna Yoichiro Nambu, Leonard Susskind, samt deras danska kollega Holger Nielsen. De föreslog att elementära partiklar är små vibrerande endimensionella strängar, mikroskopiska energistrådar. Om dessa strängar är så små, resonerade forskarna, kommer de fortfarande att se ut som punktpartiklar och kommer därför inte att påverka resultaten från experimenten. Så här kom strängteorin.
Under lång tid har filosofer diskuterat om universum har ett visst ursprung eller om det alltid har existerat. Allmän relativitet innebär att universumets "liv" är ändligt - det expanderande universum borde ha uppstått som ett resultat av Big Bang.
Kampanjvideo:
I början av Big Bang fungerade emellertid relativitetsteorin inte, eftersom alla processer som ägde rum i det ögonblicket var av en kvant karaktär. I strängteorin, som påstår sig vara tyngdkraftteorin, introduceras en ny grundläggande fysisk konstant - minimikvantumet för längd (dvs den kortaste längden i huvudsak). Som ett resultat blir det gamla scenariot för universum som föddes i Big Bang ohållbart.
Utrymme på kvantnivå.
Strängar är de minsta föremålen i universumet. Strängarnas storlek är jämförbar med Planck-längden (10 ^ –33 cm). Enligt strängteori är detta den minsta längden som ett objekt i universum kan ha.
Big Bang ägde fortfarande rum, men materialets täthet i det ögonblicket var inte oändligt, och universum kan ha funnits innan den. Strängteoriens symmetri antyder att tiden inte har någon början eller slut. Universum kunde ha uppstått nästan tomt och bildats vid tidpunkten för Big Bang, eller gå igenom flera cykler av död och återfödelse. I vilket fall som helst, epoken före Big Bang hade en enorm inverkan på det moderna rymden.
I vårt expanderande universum sprids galaxer som en spridande folkmassa. De rör sig bort från varandra med en hastighet som är proportionell mot avståndet mellan dem: galaxer, åtskilda med 500 miljoner ljusår, sprids dubbelt så snabbt som galaxer, separerade med 250 miljoner ljusår. Således borde alla galaxer vi observerar ha börjat samtidigt från samma plats vid Big Bang. Detta gäller även om den kosmiska expansionen går igenom perioder med acceleration och retardation. I rymd- och tidsdiagram reser galaxer längs slingrande stigar till och från den observerbara delen av rymden (gul kil). Men det är ännu inte känt exakt vad som hände just nu när galaxer (eller deras föregångare) började flyga isär.
Universums historia.
I den stora Big Bang-modellen (bilden till vänster), baserad på allmän relativitet, var avståndet mellan två galaxer någon gång i vårt förflutna noll. Fram till dess är tiden meningslös.
Och i modeller som tar hänsyn till kvanteffekter (i figuren till höger), vid lanseringens ögonblick, separerades två galaxer med ett visst minimiavstånd. Sådana scenarier utesluter inte möjligheten att det finns universum före Big Bang.
Del 2
Och nu ska jag försöka berätta varför det finns så många av dessa teorier: strängteori, superstringar, M-teori.
Mer information om var och en av teorierna:
Strängteorin:
Som du och jag redan vet är strängteori en rent matematisk teori, som säger att allt i vår värld (och inte i vår också) är en följd av "vibrationer" av mikroskopiska objekt i plancklängdens ordning.
Kanske är all materia gjord av strängar.
Strängens egenskaper liknar en fiolsträng. Varje sträng kan göra ett enormt (faktiskt oändligt) antal olika vibrationer, kända som resonansvibrationer. Det här är vibrationer där avståndet mellan maxima och minima är detsamma, och exakt ett heltal av maxima och minima passar mellan strängens fasta ändar. Till exempel uppfattar det mänskliga örat resonansvibrationer som olika musiknoter. Strängar har liknande egenskaper i strängteorin. De kan utföra resonansvängningar, där exakt ett heltal av jämnt fördelade maxima och minima passar längs strängarnas längd. På samma sätt som olika lägen (en uppsättning typer av harmoniska vibrationer som är typiska för ett svängande system) av resonansvibrationer av fiolsträngar ger upphov till olika musikaliska noter,olika vibrationslägen för de grundläggande strängarna ger upphov till olika massor och kopplingskonstanter.
Enligt den speciella relativitetsteorin är energi och massa (E är lika med em kvadrat:) två sidor av samma mynt: desto mer energi, desto mer massa och vice versa. Och enligt strängteori bestäms massan hos en elementär partikel av vibrationsenergin hos den inre strängen i denna partikel. De inre strängarna hos tyngre partiklar vibrerar mer intensivt, medan strängarna av ljuspartiklar vibrerar mindre intensivt.
Viktigast är att egenskaperna hos ett av stränglägena är exakt samma som gravitonens egenskaper, vilket säkerställer att tyngdkraften är en integrerad del av strängteorin.
Jag vill inte gå in på detaljer om "geometri" för strängar för tillfället, jag vill bara säga att masslösa partiklar, som kan vara fotoner, kommer från vibrationer av antingen öppna eller stängda strängar. Gravitoner kommer endast från vibrationer från stängda strängar eller slingor. Strängarna interagerar med varandra för att bilda slingor. Större partiklar (kvarkar, elektroner) uppstår från dessa slingor. Massan hos dessa partiklar beror på energin som släpps ut av slingan när den vibrerar.
I strängteori kan det bara finnas två grundläggande konstanter (i andra teorier finns det många fler konstanter, till och med de mest grundläggande. Till exempel kräver standardmodellen 26 konstanter). En, kallad strängspänning, beskriver hur mycket energi som finns per enhetens längd. Den andra, kallad strängkopplingskonstanten, är ett tal som indikerar sannolikheten för att en sträng bryter i två strängar, respektive orsakar krafter; eftersom det är en sannolikhet är det bara ett antal, inga dimensionella enheter.
Superstring teori:
Allt som finns att veta och förstå från denna fras är att denna teori är en generaliserad strängteori. I denna teori betraktas allt med tanke på supersymmetri - … MEN!
Innan vi går vidare till diskussion om supersymmetri, låt oss komma ihåg begreppet spin. Spin är den inneboende vinkelmoment som ingår i varje partikel. Det mäts i enheter av Plancks konstant och kan vara hel eller halvhel. Spin är en uteslutande kvantmekanisk egenskap, den kan inte representeras ur klassisk synvinkel. Ett naivt försök att tolka elementära partiklar som små "bollar" och snurra - som deras rotation strider mot den relativa relativitetsteorin, eftersom punkter på bollarnas yta då måste röra sig snabbare än ljus. Elektroner har snurra 1/2, fotoner har snurr 1.
Supersymmetry är symmetri mellan partiklar med heltal och halvheltalsspinn.
Kort sagt, det består i att konstruera teorier vars ekvationer inte skulle förändras när fält med heltalspinn förvandlas till fält med halva heltalspinn och vice versa. Sedan dess har tusentals artiklar skrivits, alla modeller av kvantfältteori har utsatts för supersymmetrizering, och en ny matematisk apparat har utvecklats som möjliggör byggande av supersymmetriska teorier.
Partiklar som är kända i naturen, enligt deras snurr, är uppdelade i bosoner (hela snurret) och fermioner (halvheltalsspinn). De första partiklarna är bärare av interaktioner, till exempel en foton, som bär elektromagnetiska interaktioner, en gluon, som bär en stark kärnkraft, och en graviton, som bär gravitationskrafter. Den andra består av frågan som vi är gjorda av, till exempel en elektron eller en kvark.
Fermions (partiklar som följer Fermi-Dirac-statistik) och bosoner (partiklar som följer Bose-Einstein-statistik) kan samexistera i samma fysiska system. Ett sådant system kommer att ha en speciell typ av symmetri - den så kallade supersymmetri, som kartlägger bosoner till fermioner och vice versa. Detta kräver naturligtvis ett lika antal bosoner och fermioner, men förutsättningarna för att det finns supersymmetri är inte begränsade till detta. Supersymmetriska system lever i superspace. Superspace erhålls från vanlig rymdtid när fermioniska koordinater läggs till. I en superspace-formulering ser supersymmetri-transformationer ut som rotationer och översättningar i vanligt rymd. Och partiklarna och fälten som lever i det representeras av en uppsättning partiklar eller fält i det vanliga rymden, och en sådan uppsättning,där det kvantitativa förhållandet mellan bosoner och fermioner är strikt fixerat, liksom några av deras egenskaper (främst snurrar). Partikelfält som ingår i en sådan uppsättning kallas superpartners.
Så konventionell strängteori beskrev bara partiklar som var bosoner, så den kallades bosonic strängteori. Men hon beskrev inte fermioner. Därför inkluderades till exempel inte kvarkar och elektroner i bosoniska strängteorier.
Men genom att lägga till supersymmetri till bosoniska strängteorin fick vi en ny teori som beskriver både krafterna och materien som utgör universum. Det kallas superstring teori.
Det finns tre olika superstringsteorier som är vettiga, dvs. utan matematiska inkonsekvenser. I två av dessa är det grundläggande objektet den stängda strängen, medan i den tredje är den öppna strängen byggstenen. Genom att blanda de bästa aspekterna av bosonisk strängteori och superstringsteori har vi dessutom fått konsekventa stränsteorier - heterotiska stränsteorier.
Således är en superstring en supersymmetrisk sträng, det vill säga den är fortfarande en sträng, men den lever inte i vårt vanliga utrymme, utan i superspace.
M-TEORI:
I mitten av 1980-talet drog teoristerna slutsatsen att supersymmetri, som är strängteorins centrum, inte kan införlivas i den, inte på ett, utan på fem olika sätt, vilket leder till fem olika teorier: typ I, typ IIA och IIB, och två heterotiska strängteorier. På grund av sunt förnuft (två versioner av samma fysiska lag kan inte fungera samtidigt) trodde man att endast en av dem kunde hävda rollen som en "teori om allt", dessutom en som vid låga energier och komprimeras (d.v.s. storlekar på Planck-längder.
Det visar sig att vi bara observerar vårt 4-dimensionella universum utan dessa 6 dimensioner, som vi helt enkelt inte ser) sex ytterligare dimensioner skulle vara förenliga med verkliga observationer. Frågor återstod om vilken teori som var mer adekvat och vad man skulle göra med de fyra andra teorierna.
Kärnan:
Om storleken på den kompakta dimensionen i detta fall visar sig vara i storleksordningen storleken på strängarna (10 till -33 grader av en centimeter), så kan vi helt enkelt inte se den direkt på grund av denna dimension. I slutändan får vi vårt (3 + 1) -dimensionella utrymme, där ett litet 6-dimensionellt utrymme motsvarar varje punkt i vårt 4-dimensionella universum.
Forskning har visat att denna naiva åsikt är fel. I mitten av 1990-talet fann Edward Witten och andra teoretiska fysiker starka bevis på att alla fem superstringsteorierna är nära besläktade med varandra, var olika begränsande fall av en enda 11-dimensionell grundteori. Denna teori kallas M-teori.
När Witten gav namnet M-teori specificerade han inte vad M stod för, förmodligen för att han inte kände rätten att namnge en teori som han inte helt kunde beskriva. Antaganden om vad M kan stå för har blivit ett spel bland teoretiska fysiker. Vissa säger att M betyder "Mystisk", "Magisk" eller "Moder". Mer allvarliga antaganden är "Matrix" och "Membrane". Någon märkte att M kan vara en inverterad W - den första bokstaven med namnet Witten (Witten). Andra föreslår att M i M-teori bör betyda saknas eller till och med dumt.
Utvecklingen av 11-dimensionell M-teori gjorde det möjligt för fysiker att se bortom tiden innan Big Bang inträffade.
Klossar i 10-11 dimensionellt rymd kolliderar och skapar en Big Bang på * ytan * av klossarna …
En teori skapades enligt vilken vårt universum är en konsekvens av kollisionen av föremål i ett annat universum, som i sin tur kan vara otaliga. Således ledde avslöjandet av en fråga till uppkomsten av ännu fler frågor.
M-teorin togs av forskare som teorin om allt. Det vill säga, denna teori är lämplig för att förklara allt: hur universum föddes, vad som var före vårt universums födelse, svarar på frågan om tidens existens före universumets födelse (tiden fanns redan före universumets födelse), avslöjar universumets framtid.
Del 3
Stränghål:
Den nu allmänt accepterade teorin om svarta hål, lagt fram för fyrtio år sedan av fysikern John Wheeler, säger att efter att en stjärna "bränns ut" komprimeras dess rester med en sådan kraft att attraktionskraften överstiger repulsionskraften, och som ett resultat kvarstår en singularitet: punkten i rymden där materien är belägen i ett tillstånd av "oändlig densitet". Singulariteten omges av den så kallade "händelseshorisonten", en hypotetisk gräns som inte kan övervinna materien och energin i den. De "dras" in i det svarta hålet och förblir inuti för alltid.
Representation av ett svart hål.
Det är denna "för alltid" som väcker frågor.
1975 etablerade den största svarthålteoretiker Stephen Hawking från University of Cambridge (om än bara teoretiskt) att svarta hål långsamt men oundvikligen avdunstar. I enlighet med kvantmekanikens lagar kokar par av "virtuella" partiklar och antipartiklar ständigt i tomt utrymme. Hawking visade att gravitationsenergin från svarta hål kan överföras till "virtuella" partiklar vid just händelseformen. I detta fall blir de "virtuella" partiklarna verkliga och går utanför horisonten tillsammans med positiv energi i form av Hawking-strålning. Med tiden förångas det svarta hålet.
Hawking strålningstemperatur (strålning nära händelshorisonten för svart hål med ett termiskt spektrum):
Strålningstemperatur för svart hål
var är Plancks konstant, c är ljusets hastighet i vakuum, k är Boltzmanns konstant, G är gravitationskonstanten och slutligen är M massan på det svarta hålet. Till exempel är det lätt att beräkna att ett svart hål med en massa av 2 * 10 ^ 30 kg (solens massa) har en strålningstemperatur lika med 6,35 * 10 ^ (- 8) Kelvin. Detta är en mycket låg temperatur, även jämfört med universums bakgrundstrålning med en temperatur på 2,7 Kelvin.
Men temperaturen i de svarta hålen som astronomer känner är för låga för att detektera strålning från dem - massorna på hålen är för stora. Därför har effekten ännu inte bekräftats av observationer.
Men denna åsikt leder till en "informationsparadox". Det visar sig att enligt relativitetsteorin förloras information om materia som faller i ett svart hål, medan kvantmekanik hävdar att information så småningom kan fly utåt.
Hawking noterade att den kaotiska karaktären av Hawkings strålning innebär att energi spricker ut, men information är det inte. 2004 ändrade han emellertid mening - och detta är bara en av punkterna i modern vetenskap som reviderade alla dess åsikter om svarta hål.
Faktum är att nu teoretiker försöker "prova" på svarta hål (och alla teoretiska avvikelser i samband med dem) strängteori. Stringteorin är nu det bästa försöket att kombinera allmän relativitet och kvantmekanik, eftersom strängarna själva bär en gravitationskraft, och deras vibration är slumpmässig, som förutses av kvantmekanik.
1996 beslutade Andrew Strominger och Kamran Wafa från Harvard University att närma sig problemet med informationsparadox genom att definiera hur ett svart hål kan byggas inifrån.
Det visade sig att strängteori möjliggör konstruktion av extremt täta och småskaliga strukturer från själva strängarna och andra föremål som beskrivs av teorin, av vilka vissa har mer än tre dimensioner. Och dessa strukturer uppförde sig precis som svarta hål: deras gravitationella drag släpper inte ut ljus.
Antalet sätt att organisera strängar i svarta hål är överväldigande. Och vad som är särskilt intressant, det här värdet sammanfaller helt med värdet på svarthålets entropi, som Hawking och hans kollega Bekenstein beräknade tillbaka på sjuttiotalet.
Att bestämma antalet möjliga strängkombinationer är dock inte allt. 2004 planerade Ohio State Universitys team Samir Matura att klargöra det möjliga arrangemanget av strängar i ett svart hål. Det visade sig att strängarna nästan alltid är anslutna så att de bildar en enda - stor och mycket flexibel - sträng, men mycket större än punkten singularitet.
Matura-gruppen har beräknat de fysiska måtten på flera "sträng" svarta hål (som gruppmedlemmarna föredrar att kalla fuzzballs - "fluffbollar", eller strängiga stjärnor - "strängstjärnor"). De blev förvånade över att storleken på dessa strängformationer sammanföll med storleken på "händelshorisonten" i den traditionella teorin.
I detta avseende föreslog Mathur att den så kallade. "Händelseshorisonten" är faktiskt en "skummande massa av strängar", inte en starkt avgränsad gräns.
Och att ett svart hål faktiskt inte förstör information av anledningen, till exempel att det helt enkelt inte finns någon singularitet i svarta hål. Strängarnas massa är fördelad över hela volymen fram till händelseshorisonten, och information kan lagras i strängar och tryckas på den utgående Hawking-strålningen (och går därför över händelsens tröskel).
Både Wafa och Mathur medger dock att denna bild är mycket preliminär. Matura har ännu inte testat hur hans modell passar in i stora svarta hål, eller förstå hur svarta hål utvecklas.
Ett annat alternativ föreslogs av Gary Horowitz från University of California i Santa Barbara och Juan Maldasena från Princeton Institute for Advanced Study. Enligt dessa forskare finns singulariteten i mitten av det svarta hålet fortfarande, men information kommer helt enkelt inte in i det: materien går in i singulariteten, och information - genom kvantteleportering - är intryckt på Hawking-strålning. Många fysiker bestrider denna synvinkel och avvisar möjligheten till en omedelbar överföring av information.
Extrema svarta hål:
Mångfald (Euklidiska rymden är det enklaste exemplet på mångfald. Ett mer komplext exempel är jordens yta. Det är möjligt att göra en karta över alla områden på jordytan, till exempel en karta över halvklotet, men det är omöjligt att göra en enda (utan paus) karta över hela ytan) längs vilken en sträng kan röra sig kallas en D-brane eller Dp-brane (när man använder den andra notationen är 'p' ett heltal som karakteriserar antalet rumsliga dimensioner på grenröret). Ett exempel är två strängar som har en eller båda ändarna fästa vid en tvådimensionell D-brane eller D2-brane:
D-branes kan ha ett antal rumsliga dimensioner från -1 till antalet rumsliga dimensioner för vår rymdtid. Ordet "kli" i sig kommer från ordet "membran", som är en tvådimensionell yta.
Varför jag skrev om det här, men här:
Branes gjorde det möjligt att beskriva några speciella svarta hål i strängteorin. (Denna upptäckt gjordes av Andrew Strominger och Kumrun Wafa 1996, ovan.)
Förhållandet mellan klossar och svarta hål är indirekt men övertygande. Så här fungerar det: Du börjar med att stänga av gravitationskraften (du gör detta genom att ställa in strängkopplingskonstanten (antalet som representerar sannolikheten för att en sträng bryter i två strängar är en av de två grundläggande konstanterna i strängteorin. Den första är strängen "spänning") vid noll). Det kan tyckas konstigt att beskriva svarta hål, som inte är annat än allvar, men låt oss se vad som händer nu. När tyngdkraften är avstängd kan vi titta på geometrier där många klossar är lindade runt extra dimensioner. Vi använder nu det faktum att braner har elektriska och magnetiska laddningar. Det visar sig att det finns en gräns för hur mycket laddning en kli kan ha, denna gräns är relaterad till massan på klanen. Maximala laddningskonfigurationer är mycket specifika och kallas extrem. De inkluderar en av de situationer där det finns ytterligare symmetrier som möjliggör mer exakta beräkningar. I synnerhet kännetecknas sådana situationer av närvaron av flera olika supersymmetrier som förbinder fermioner och bosoner.
Det finns också den maximala mängden elektrisk eller magnetisk laddning som ett svart hål kan ha och fortfarande är stabilt. De kallas extrema svarta hål och har studerats av specialister i allmän relativitet i många år.
Trots att gravitationskraften har stängts av delar det extrema klyssystemet vissa egenskaper med extrema svarta hål. I synnerhet är de termodynamiska egenskaperna hos de två systemen identiska. Genom att studera termodynamiken hos extrema kliner som är lindade kring extra dimensioner kan man reproducera de termodynamiska egenskaperna hos extrema svarta hål.
Ett av problemen i fysik av svarta hål var förklaringen till upptäckten av Jacob Bekenstein och Stephen Hawking att svarta hål har entropi och temperatur. Den nya idén från strängteorin är (när det gäller extrema svarta hål) att du kan ta dig framåt i att utforska liknande system för extrema kliner som är lindade runt extra dimensioner. Faktum är att många av de två systemens egenskaper är exakt desamma. Detta nästan övernaturliga sammanfall uppstår eftersom det i båda fallen finns flera olika supersymmetriska transformationer som länkar fermioner och bosoner. Det visar sig att de tillåter oss att konstruera en övertygande matematisk analogi som gör termodynamiken i två system att vara identiska.
***
* Termodynamik för ett svart hål (egenskaper):
- Tyngdkraften är densamma över hela ytan på händelseshorisonten
- Området för händelseshorisonten för ett svart hål kan inte minska med tiden i någon klassisk process.
- I alla icke-jämviktsprocesser som involverar svarta hål (till exempel när de kolliderar) ökar ytan.