För länge sedan visade den stora italienska Galileo Galilei att med hjälp av matematiska formler är det möjligt att tillförlitligt beskriva även de processer som ligger utanför vår uppfattning. Sedan dess har forskare försökt skapa en slags fysisk och matematisk "teori om allt" som elegant skulle beskriva universumet med hänsyn till de kända interaktionerna.
FEMT DIMENSION
Isaac Newton öppnade en ny era i vetenskapens historia och formulerade sina tre berömda mekaniklagar 1684. Men samtidigt tänkte han inte alls på hur de krafter som beskrivs av honom agerar och vad deras natur är.
Newtons lagar var av begränsad användning. De kunde inte användas på något sätt för att beskriva sådana fenomen som elektricitet, magnetism och optiska effekter. I slutet av 1800-talet kombinerades alla dessa tre fenomen framgångsrikt genom att använda ekvationerna från James Maxwell till en sammanhängande vetenskap om elektrodynamik, och forskare hoppades på allvar att de var nära att skapa en "teori om allt." Snart togs denna fråga upp av Albert Einstein, som formulerade de speciella (1905) och allmänna (1916) relativitetsteorierna, som krävde en revidering av den Newtonska fysiken. Eftersom Einsteins upptäckt bekräftades av enkla visuella observationer, accepterade det vetenskapliga samfundet det utan någon invändning. Einstein trodde att för att formulera en "teori om allt" skulle det räcka för att upprätta en koppling mellan elektromagnetism och gravitation. Men han var snabb med att dra slutsatser.
1921 kunde den tyska fysikern Theodor Kaluzei formellt kombinera ekvationerna om allmän relativitet med de klassiska Maxwell-ekvationerna, men för detta var han tvungen att införa en ytterligare femte dimension utöver de fyra kända (tre dimensioner av rymden och en gång). Till att börja med verkade den här idén galen, men fem år senare föreslogs svensken Oskar Klein skälen för "oobservabiliteten" i den femte dimensionen.
Det verkade som om allt började konvergeras, och här ifrågasatte nya upptäckter inom området elementär partikelfysik och framväxten av kvantmekanik ifrågasätter en sådan enkel strategi.
Kampanjvideo:
MULTI-DIMENSIONELL VÄRLD
Modern fysik kräver en hypotetisk "teori om allt" för att kombinera de fyra grundläggande interaktioner som för närvarande är kända: gravitationsinteraktion, elektromagnetisk interaktion, stark kärnkraftsinteraktion, svag kärnkraftsinteraktion. Dessutom måste det förklara existensen av alla elementära partiklar och deras skillnader från varandra.
Försöken att kombinera flera tolkningar av de observerade interaktionerna fortsatte under 1900-talet. I mitten av 1970-talet visade det sig till och med kombinera tre interaktioner, utöver det viktigaste och givet oss i sensationer - allvar. Men även denna "trunkerade" teori har inte fått någon experimentell bekräftelse.
Nästa försök att förstå hur universum är arrangerat på grundnivå ledde till att fysiker måste återkalla den glömda Kaluzei-Klein-teorin och införa ytterligare dimensioner i sina formler. Det visade sig att allt går samman om vi accepterar hypotesen att universum inte har fyra eller inte fem, utan tio dimensioner. Senare uppstod M-teorin, som arbetade i elva dimensioner, följt av F-teori, där tolv dimensioner förekommer. Man kan tro att införandet av ytterligare dimensioner, som vi inte ens kan föreställa oss, komplicerar frågan, men på nivån av ren matematik visar det sig att tvärtom förenklar. Och uppfattningsproblemet är bara kopplat till vana: det fanns tillfällen då människor inte visste något om vakuum och viktlöshet, och nu har alla skolbarn som drömmer om att bli astronaut en idé om detta.
Är det möjligt att på något sätt avslöja den grundläggande relationen i ett flerdimensionellt utrymme i praktiken? Det visar sig att du kan. Detta är exakt vad förespråkarna för den så kallade strängteorin gör.
KVANTUMTRÄNNINGAR
"Strängar" som grundläggande formationer infördes i fysik av elementära partiklar för att förklara strukturen hos pi-mesoner - partiklar, vars starka växelverkan gör atomkärnorna till en enda helhet. Förekomsten av sådana partiklar förutses, och de upptäcktes själva 1947 i studiet av kosmiska strålar. Effekterna som observerades vid kollisioner av pi-mesoner gjorde det möjligt att ta fram idén att de är förbundna med en "oändligt tunn vibrerande tråd." Jag gillade idén, och omedelbart fanns det matematiska modeller där alla elementära partiklar beskrivs som endimensionella strängar som vibrerar vid vissa frekvenser.
Stringteorin började utvecklas och det blev mycket snabbt klart att "stringness" förverkligas endast i utrymmen där antalet dimensioner a priori är mer än fyra. De försökte tillämpa teorin på olika hypotetiska konstruktioner som tachyon (en partikel vars hastighet överstiger ljusets hastighet), graviton (gravitationsfältets kvantitet) och boson (masspartikel), men utan mycket framgång.
Ändå på 1980-talet, efter mycket debatt, kom fysiker till slutsatsen att strängteori kan beskriva alla elementära partiklar och interaktioner mellan dem. Hundratals forskare har börjat arbeta med det. Det visades snart att olika versioner av strängteori är användbara om de representerar de begränsande fallen av M-teori, som fungerar i elva dimensioner. Och även om arbetet fortfarande är långt ifrån slutfört, är fysiker benägna att tro att de är på rätt väg.
Här är det nödvändigt att förklara hur universums multidimensionalitet ser ut i strängteorin.
Det första alternativet är "komprimering" av extra dimensioner, vilket innebär att de är stängda på sig själva på så små avstånd att de inte kan upptäckas experimentellt. Fysiker talar om det på detta sätt. Om du observerar en trädgårdsslang på gräset från tillräckligt långt bort, verkar den bara ha en dimension - längd. Men om du går till honom hittar du två till. På liknande sätt kan ytterligare dimensioner av rymden endast detekteras på ett extremt nära avstånd, och det är utanför instrumentens kapacitet.
Det andra alternativet är att "lokalisera" mätningarna. De är inte så små som i första fallet, men av någon anledning är alla våra partiklar lokaliserade på ett fyrdimensionellt ark (kli) i ett multidimensionellt universum och kan inte lämna den. Eftersom vi och alla våra enheter består av vanliga partiklar, har vi i princip inget sätt att se vad som finns utanför. Det enda sättet att upptäcka närvaron av extra dimensioner är tyngdkraften, som inte är lokaliserad på klänningen, så gravitationer och mikroskopiska svarta hål kan gå utanför. I den kända världen kommer en sådan process att se ut som ett plötsligt försvinnande av den energi som dessa föremål har försvunnit.
Även om det tros att strängteori aldrig kommer att bekräftas experimentellt har fysiker utvecklat flera experiment som indirekt kan indikera att det är korrekt. Bland dem är bestämningen av avvikelser i lagen om universell gravitation på avstånd av storleksordningen hundratals millimeter. Ett annat sätt är att fixa gravitationer och mikroskopiska svarta hål på Large Hadron Collider. Den tredje är observationen av "kosmiska strängar" sträckta till intergalaktiska dimensioner och som har det starkaste tyngdfältet. Kanske kommer ett av dessa experiment att ge positiva resultat inom en snar framtid.
UNIVERSES CENTRUM
År 2003 konstaterade fysiker att det finns många sätt att reducera tio-dimensionella strängteorier till fyra dimensioner. Teorin i sig innehåller inte heller ett kriterium för att föredra en möjlig väg. Var och en av alternativen genererar sin egen fyrdimensionella värld, som kan likna eller kan skilja sig väsentligt från det observerade universum. Det visar sig att antalet sådana alternativ är nästan oändligt: cirka 10 500 (tio till femhundradels makten). Vad gör vår värld som den är?
Snart föreslogs att svaret bara kan erhållas genom att inkludera en person i den här bilden - vi existerar exakt i universumet där vår existens är möjlig. I alla andra fall skulle du helt enkelt inte läsa dessa rader.
Anton Pervushin