(!LANG:תורת המיתרים הגדולים. מה שתורת המיתרים אומרת במונחים פשוטים

תורת היחסות מייצגת את היקום כ"שטוח", אבל מכניקת הקוונטים אומרת שברמת המיקרו יש תנועה אינסופית שמכופפת את החלל. תורת המיתרים משלבת את הרעיונות הללו ומציגה מיקרו-חלקיקים כתוצאה מאיחוד המיתרים החד-ממדיים הדקים ביותר, אשר ייראו כמו מיקרו-חלקיקים נקודתיים, לכן, לא ניתן לצפות בניסוי.

השערה זו מאפשרת לנו לדמיין את החלקיקים היסודיים המרכיבים את האטום מסיבים אולטרה-מיקרוסקופיים הנקראים מיתרים.

כל המאפיינים של חלקיקים אלמנטריים מוסברים על ידי רטט התהודה של הסיבים היוצרים אותם. סיבים אלו יכולים ליצור אינסוף תנודות. תיאוריה זו כוללת איחוד בין רעיונות מכניקת הקוונטים לבין תורת היחסות. אך בשל נוכחותן של בעיות רבות באישור המחשבות העומדות בבסיסה, רוב המדענים המודרניים מאמינים כי הרעיונות המוצעים אינם אלא לשון הרע הנפוצה ביותר, או במילים אחרות, תורת המיתרים עבור בובות, כלומר לאנשים שהם לחלוטין בורים במדע ובמבנה הסביבה.

תכונות של סיבים מיקרוסקופיים

כדי להבין את המהות שלהם, אתה יכול לדמיין את המיתרים של כלי נגינה - הם יכולים לרטוט, להתכופף, להתקפל. אותו דבר קורה עם החוטים האלה, שפולטים רעידות מסוימות, מתקשרים זה עם זה, מתקפלים ללולאות ויוצרים חלקיקים גדולים יותר (אלקטרונים, קווארקים), שמסתם תלויה בתדירות הרטט של הסיבים ובמתח שלהם - אינדיקטורים אלה קובעים. האנרגיה של המיתרים. ככל שהאנרגיה המוקרנת גדולה יותר, המסה של החלקיק היסודי גבוהה יותר.

תורת האינפלציה ומיתרים

על פי ההשערה האינפלציונית, היקום נוצר עקב התרחבות המיקרו מרחב, בגודל של מיתר (אורך פלאנק). ככל שהאזור הזה גדל, נמתחו גם החוטים האולטרה-מיקרוסקופיים, וכעת אורכם תואם את גודל היקום. הם מקיימים אינטראקציה זה עם זה באותו אופן ומייצרים את אותם רעידות ורעידות. זה נראה כמו ההשפעה של עדשות כבידה המיוצרות על ידם, ומעוותות את קרני האור מגלקסיות רחוקות. ורעידות אורך יוצרות קרינת כבידה.

כשל מתמטי ובעיות אחרות

אחת הבעיות היא חוסר העקביות המתמטית של התיאוריה – לפיזיקאים הלומדים אותה אין מספיק נוסחאות כדי להביא אותה לצורה מלאה. והשנייה היא שהתיאוריה הזו מאמינה שיש 10 ממדים, אבל אנחנו מרגישים רק 4 - גובה, רוחב, אורך וזמן. מדענים מציעים כי 6 הנותרים נמצאים במצב מעוות, שנוכחותו אינה מורגשת בזמן אמת. כמו כן, הבעיה אינה האפשרות של אישור ניסוי של התיאוריה הזו, אבל אף אחד לא יכול להפריך אותה.

הפיזיקה התיאורטית מעורפלת לרבים, אך יחד עם זאת היא בעלת חשיבות עליונה בחקר העולם הסובב אותנו. המשימה של כל פיזיקאי תיאורטי היא לבנות מודל מתמטי, תיאוריה המסוגלת להסביר תהליכים מסוימים בטבע.

צוֹרֶך

כידוע, החוקים הפיזיקליים של המאקרוקוסמוס, כלומר העולם בו אנו קיימים, שונים באופן משמעותי מחוקי הטבע במיקרוקוסמוס, שבתוכו חיים אטומים, מולקולות וחלקיקים יסודיים. דוגמה לכך תהיה עקרון קשה להבנה הנקרא דואליזם של גל קרפוסקולרי, לפיו מיקרו-אובייקטים (אלקטרון, פרוטון ואחרים) יכולים להיות גם חלקיקים וגם גלים.

כמונו, פיזיקאים תיאורטיים רוצים לתאר את העולם בצורה תמציתית ומובנת, וזה הייעוד העיקרי של תורת המיתרים. בעזרתו ניתן להסביר כמה תהליכים פיזיקליים, הן ברמת המאקרוקוסמוס והן ברמת המיקרוקוסמוס, מה שהופך אותו לאוניברסלי, המאחד תיאוריות אחרות שלא קשורות בעבר (תורת היחסות הכללית ומכניקת הקוונטים).

מַהוּת

לפי תורת המיתרים, העולם כולו בנוי לא מחלקיקים, כפי שמאמינים היום, אלא מעצמים דקים לאין שיעור באורך 10–35 מ', בעלי יכולת תנודה, מה שמאפשר לנו לשרטט אנלוגיה למיתרים. בעזרת מנגנון מתמטי מורכב ניתן לשייך את הרטטים הללו לאנרגיה, ומכאן למסה, במילים אחרות, כל חלקיק נוצר כתוצאה מרטט כזה או אחר של מיתר קוונטי.

בעיות ותכונות

כמו כל תיאוריה לא מאומתת, לתורת המיתרים יש מספר בעיות שמצביעות על כך שצריך לשפר אותה. בעיות אלו כוללות, למשל, אחת - כתוצאה מחישובים, מתמטית סוג חדשחלקיקים שאינם יכולים להתקיים בטבע - טכיונים שריבוע המסה שלהם קטן מאפס ומהירות התנועה עולה על מהירות האור.

בעיה חשובה נוספת, או יותר נכון תכונה, היא קיומה של תורת המיתרים רק במרחב 10 מימדי. מדוע אנו תופסים מימדים אחרים? "מדענים הגיעו למסקנה שבקנה מידה קטן מאוד, החללים הללו קורסים ונסגרים מעצמם, וכתוצאה מכך איננו יכולים לקבוע אותם.

התפתחות

ישנם שני סוגים של חלקיקים: פרמיונים - חלקיקי חומר, ובוזונים - נושאי אינטראקציה. לדוגמה, פוטון הוא בוזון הנושא אינטראקציה אלקטרומגנטית, גרביטון הוא כבידה, או אותו בוזון היגס שמפיץ אינטראקציה עם שדה היגס. אז אם תורת המיתרים לקחה בחשבון רק בוזונים, אז גם תורת המיתרים לקחה בחשבון פרמיונים, מה שאיפשר להיפטר מטכיונים.

הגרסה הסופית של עקרון מיתרי העל שפותח על ידי אדוארד וויטן נקראת "תורת-העל", לפיה יש להציג ממד 11 כדי לאחד את כל הגרסאות השונות של תורת-העל.

על זה, אולי, נוכל לסיים. העבודה על פתרון בעיות ושיפור המודל המתמטי הקיים מתבצעת בשקידה על ידי פיזיקאים תיאורטיים מדינות שונותשָׁלוֹם. אולי בקרוב נוכל סוף סוף להבין את מבנה העולם הסובב אותנו, אבל במבט לאחור על הנפח והמורכבות של האמור לעיל, ברור שתיאור העולם המתקבל לא יהיה מובן ללא בסיס ידע מסוים ב- תחום הפיזיקה והמתמטיקה.

בתחילת המאה ה-20 שני עמודים נושאים של המודרני ידע מדעי. אחד מהם הוא תיאוריה כלליתתורת היחסות של איינשטיין, מסבירה את תופעת הכבידה ואת מבנה המרחב-זמן. השני הוא מכניקת הקוונטים, המתארת ​​תהליכים פיזיקליים דרך פריזמת ההסתברות. תורת המיתרים נקראת לשלב את שתי הגישות הללו. ניתן להסביר זאת בקצרה וברורה באמצעות אנלוגיות בחיי היומיום.

תורת המיתרים בשפה פשוטה

ההוראות העיקריות של אחת ה"תיאוריות של הכל" המפורסמות ביותר הן כדלקמן:

1. הבסיס של היקום הוא עצמים מורחבים הדומים למיתרים בצורתם;
2. חפצים אלה נוטים ליצור תנודות שונות, כאילו על כלי נגינה;
3. כתוצאה מתנודות אלו נוצרים חלקיקים אלמנטריים שונים (קווארקים, אלקטרונים וכו').
4. המסה של האובייקט המתקבל עומדת ביחס ישר למשרעת של התנודה המושלמת;
5. התיאוריה עוזרת להסתכל מחדש על חורים שחורים;
6. כמו כן, בעזרת ההוראה החדשה, ניתן היה לחשוף את כוח הכבידה באינטראקציות בין חלקיקי יסוד;
7. בניגוד לרעיונות הרווחים כיום על העולם הארבע-מימדי, מימדים נוספים מוצגים בתיאוריה החדשה;
8. נכון לעכשיו, הרעיון עדיין לא התקבל רשמית על ידי הקהילה המדעית הרחבה. לא ידוע על ניסוי אחד שיאשר את התיאוריה ההרמונית והמאומתת הזו על הנייר.

התייחסות להיסטוריה

ההיסטוריה של פרדיגמה זו משתרעת על פני כמה עשורים של מחקר אינטנסיבי. הודות למאמצים המשותפים של פיזיקאים ברחבי העולם, פותחה תיאוריה קוהרנטית, הכוללת את המושגים של חומר מעובה, קוסמולוגיה ומתמטיקה תיאורטית.

השלבים העיקריים בהתפתחותו:

1. 1943-1959 הופיעה משנת ה-s-מטריקס של ורנר הייזנברג, שבמסגרתה הוצע להשליך את מושגי המרחב והזמן עבור תופעות קוונטיות. הייזנברג גילה לראשונה שהמשתתפים באינטראקציות חזקות הם אובייקטים מורחבים, לא נקודות;
2. 1959-1968 נמצאו חלקיקים בעלי ספינים גבוהים (מומנטים). הפיזיקאי האיטלקי Tullio Regge מציע לקבץ מצבים קוונטיים למסלולים (שנקראו על שמו);
3. 1968-1974 Garibrele Veneziano הציע מודל תהודה כפולה לתיאור אינטראקציות חזקות. יושירו נאמבו פיתח רעיון זה ותיאר כוחות גרעיניים כמיתרים חד-ממדיים רוטטים;
4. 1974-1994 גילוי מיתרי העל, בעיקר בשל עבודתו של המדען הרוסי אלכסנדר פוליאקוב;
5. 1994-2003 הופעתה של תיאוריית M אפשרה יותר מ-11 מימדים;
6. 2003 - היום ב. מייקל דאגלס פיתח את תורת מיתרי הנוף עם הרעיון ואקום שווא.

תורת המיתרים הקוונטים

האובייקטים המרכזיים בפרדיגמה המדעית החדשה הם החפצים הדקים ביותר, אשר על ידי תנועותיהם התנודות, מעניקים מסה ומטען לכל חלקיק יסודי.

המאפיינים העיקריים של מחרוזות על פי מושגים מודרניים:

• אורכם קטן במיוחד - כ-10 -35 מטרים. בקנה מידה כזה, ניתן להבחין באינטראקציות קוונטיות;
• עם זאת, בתנאי מעבדה רגילים, שאינם עוסקים בחפצים קטנים כל כך, אין להבחין במחרוזת לחלוטין מעצם נקודתי חסר מימד;
• כיוון הוא מאפיין חשוב של אובייקט מחרוזת. למחרוזות שיש את זה יש זוג עם הכיוון ההפוך. יש גם מקרים לא מכוונים.

מחרוזות יכולות להתקיים הן בצורה של קטע התחום בשני הקצוות, והן בצורה של לולאה סגורה. יתר על כן, השינויים הבאים אפשריים:

• קטע או לולאה יכולים "להתרבות" על ידי יצירת זוג עצמים תואמים;
• הקטע מוליד לולאה אם ​​חלק ממנו "לולאה";
• הלולאה נשברת והופכת למיתר פתוח;
• שני הקטעים מחליפים קטעים.

חפצים בסיסיים אחרים

ב-1995 התברר שלא רק עצמים חד-ממדיים הם אבני הבניין של היקום שלנו. נחזה קיומן של תצורות יוצאות דופן - בריינים- בצורת גליל או טבעת תלת מימדית, בעלי התכונות הבאות:

• הם קטנים פי כמה מיליארדים מאטומים;
• הם יכולים להתפשט במרחב ובזמן, בעלי מסה ומטען;
• ביקום שלנו, הם אובייקטים תלת מימדיים. עם זאת, מוצע כי צורתם מסתורית הרבה יותר, שכן חלק ניכר מהם יכול להתרחב לממדים אחרים;
• המרחב הממדים הגבוה שנמצא מתחת לבריינים הוא היפר-חלל;
• מבנים אלו קשורים לקיומם של חלקיקים שהם נושאי כבידה – גרביטונים. הם חופשיים להיפרד מהברינים וזורמים בצורה חלקה למימדים אחרים;
• בברינים מקומיים יש גם אינטראקציות אלקטרומגנטיות, גרעיניות וחלשות;
• הזן החשוב ביותר הוא D-branes. מחוברים למשטח שלהם נקודות קצהמיתר פתוח כשהוא עובר בחלל.

ביקורת

כמו כל מהפכה מדעית, גם זו פורצת את קוצי אי ההבנה והביקורת מצד חסידי השקפות מסורתיות.

בין ההערות הנפוצות ביותר:

• הכנסת מימדים נוספים של מרחב-זמן יוצרת אפשרות היפותטית לקיומם של מספר עצום של יקומים. לדברי המתמטיקאי פיטר וולט, זה מוביל לחוסר האפשרות לחזות תהליכים או תופעות כלשהן. כל ניסוי מתחיל מספר גדול שלתרחישים שונים שניתן לפרש בדרכים שונות;
• אין אפשרות אישור. רמת הפיתוח הנוכחית של הטכנולוגיה אינה מאפשרת אישור או הפרכה ניסיוניים של מחקר שולחני;
• התצפיות האחרונות על עצמים אסטרונומיים אינן מתאימות לתיאוריה, מה שמאלץ את המדענים לשקול מחדש כמה ממסקנותיהם;
• מספר פיזיקאים מביעים את הדעה שהמושג הוא ספקולטיבי ומפריע להתפתחותם של רעיונות יסוד אחרים.

אולי קל יותר להוכיח את משפט פרמה מאשר במילים פשוטותלהסביר את תורת המיתרים. המנגנון המתמטי שלה כל כך נרחב שרק מדענים מכובדים ממכוני המחקר הגדולים יכולים להבין אותו.

עדיין לא ברור אם התגליות שהתגלו בעשורים האחרונים בקצה העט ימצאו יישום אמיתי. אם כן, אז אנחנו מחכים להפליא עולם חדשעם אנטי כבידה, יקומים מרובים, ופירום טבעם של חורים שחורים.

וידאו: תורת המיתרים בקצרה ונגישה

בסרטון זה, הפיזיקאי סטניסלב אפרמוב יספר לכם במילים פשוטות מהי תורת המיתרים:

בבית הספר לימדנו שחומר מורכב מאטומים, ואטומים עשויים מגרעינים שסביבם מסתובבים אלקטרונים. בערך באותו אופן, כוכבי הלכת מסתובבים סביב השמש, כך שקל לנו לדמיין. ואז האטום פוצל לחלקיקים יסודיים, והיה קשה יותר לדמיין את מבנה היקום. בסולם החלקיקים חלים חוקים אחרים, ולא תמיד ניתן למצוא אנלוגיה מהחיים. הפיזיקה הפכה למופשטת ומבלבלת.

אבל השלב הבא בפיזיקה התיאורטית החזיר את תחושת המציאות. תורת המיתרים תיארה את העולם במונחים שניתן לדמיין שוב, ולכן קל יותר להבין ולזכור.

הנושא עדיין קשה, אז בואו נלך לפי הסדר. ראשית, ננתח מהי התיאוריה, לאחר מכן ננסה להבין מדוע היא הומצאה. ולקינוח - קצת היסטוריה, לתורת המיתרים יש היסטוריה קצרה, אבל עם שתי מהפכות.

היקום מורכב מגדילי אנרגיה רוטטים

לפני תורת המיתרים, חלקיקים יסודיים נחשבו לנקודות, צורות חסרות מימד בעלות תכונות מסוימות. תורת המיתרים מתארת ​​אותם כחוטים של אנרגיה, שעדיין יש להם גודל אחד - אורך. חוטים חד מימדיים אלו נקראים מחרוזות קוונטיות.

פיזיקה תיאורטית

פיזיקה תיאורטית
מתאר את העולם באמצעות מתמטיקה, בניגוד לפיזיקה ניסיונית. הפיזיקאי התיאורטי הראשון היה אייזק ניוטון (1642-1727)

גרעין של אטום עם אלקטרונים, חלקיקים יסודיים ומיתרים קוונטיים דרך עיניו של אמן. קטע של הסרט התיעודי "יקום אלגנטי"

מיתרים קוונטיים קטנים מאוד, באורך של כ-10 -33 ס"מ. זה קטן פי מאה מיליון מיליארד מהפרוטונים שמתנגשים במאיץ ההדרונים הגדול. עבור ניסויים כאלה עם מיתרים, יהיה צורך לבנות מאיץ בגודל של גלקסיה. עדיין לא מצאנו דרך לזהות מחרוזות, אבל הודות למתמטיקה, נוכל לנחש כמה מהתכונות שלהן.

מחרוזות קוונטיות פתוחות וסגורות. הקצוות הפתוחים חופשיים, הקצוות הסגורים קרובים זה לזה, יוצרים לולאות. המיתרים כל הזמן "נפתחים" ו"נסגרים", מתחברים למיתרים אחרים ומתפרקים לקטנים יותר.

מיתרים קוונטיים מתוחים. מתח בחלל נוצר עקב ההבדל באנרגיה: למיתרים סגורים בין קצוות סגורים, למיתרים פתוחים - בין קצוות המיתרים לריק. פיזיקאים קוראים לריק הזה קצוות דו-ממדיים, או ברינים, מהמילה קרום.

סנטימטרים הוא הגודל הקטן ביותר האפשרי של עצם ביקום. זה נקרא אורך פלאנק.

אנחנו עשויים ממיתרים קוונטיים

מיתרים קוונטיים רוטטים. אלו תנודות הדומות לתנודות של מיתרי בלליקה, עם גלים אחידים ומספר שלם של מינימה ומקסימום. בעת רטט, מיתר קוונטי אינו פולט צליל; בקנה מידה של חלקיקים יסודיים, אין מה להעביר רעידות קול. הוא עצמו הופך לחלקיק: הוא רוטט בתדר אחד - קווארק, עם אחר - גלואון, עם שלישי - פוטון. לכן, מחרוזת קוונטית היא אלמנט בנייה יחיד, "לבנה" של היקום.

נהוג לתאר את היקום כחלל וכוכבים, אבל זה גם הפלנטה שלנו, ואנחנו איתך, וטקסט על המסך, ופירות יער ביער.

ערכת תנודות מיתר. בכל תדר, כל הגלים זהים, מספרם הוא מספר שלם: אחד, שניים ושלוש

אזור מוסקבה, 2016. יש הרבה תותים - רק יתושים הם יותר. הם גם עשויים מחוטים.

יש מקום איפשהו בחוץ. חזרה לחלל

אז, בלב היקום נמצאים מיתרים קוונטיים, גדילי אנרגיה חד-ממדיים הרוטטים, משנים גודל וצורה ומחליפים אנרגיה עם מיתרים אחרים. אבל זה לא הכל.

מיתרים קוונטיים נעים בחלל. ומרחב בקנה מידה מיתר הוא החלק המוזר ביותר בתיאוריה.

מיתרים קוונטיים נעים ב-11 ממדים

תיאודור קאלוזה
(1885-1954)

הכל התחיל עם אלברט איינשטיין. תגליותיו הראו שהזמן הוא יחסי ואיחדו אותו עם המרחב לרצף מרחב-זמן אחד. עבודתו של איינשטיין הסבירה את כוח המשיכה, תנועת כוכבי לכת ומקורם של חורים שחורים. בנוסף, הם העניקו השראה לבני זמננו לגילויים חדשים.

איינשטיין פרסם את משוואות תורת היחסות הכללית בשנים 1915-1916, וכבר ב-1919 ניסה המתמטיקאי הפולני תיאודור קאלוזה ליישם את חישוביו על התיאוריה שדה אלקרומגנטי. אבל עלתה השאלה: אם כוח המשיכה של איינשטיין מכופף את ארבעת ממדי המרחב-זמן, מה מכופף הכוח האלקטרומגנטי? האמונה באיינשטיין הייתה חזקה, ולקלוזה לא היה ספק שהמשוואות שלו יתארו אלקטרומגנטיות. במקום זאת, הוא הציע שכוחות אלקטרומגנטיים מעוותים מימד חמישי נוסף. איינשטיין אהב את הרעיון, אבל התיאוריה לא עמדה במבחן הניסויים ונשכחה עד שנות ה-60.

אלברט איינשטיין (1879-1955)

תיאודור קאלוזה
(1885-1954)

תיאודור קאלוזה
(1885-1954)

אלברט איינשטיין
(1879-1955)

המשוואות הראשונות של תורת המיתרים נתנו תוצאות מוזרות. הופיעו בהם טכיונים - חלקיקים בעלי מסה שלילית שנעו מהירות מהירה יותרסווטה. כאן הגיע שימושי הרעיון של קלוזה לגבי רב-ממדיות היקום. נכון, חמש ממדים לא הספיקו, בדיוק כמו שש, שבע או עשר לא הספיקו. המתמטיקה של תורת המיתרים הראשונה הייתה הגיונית רק אם ליקום שלנו היו 26 ממדים! תיאוריות מאוחרות יותר הספיקו לעשר, ובמודרנית יש אחת עשרה מהן - עשר מרחבי וזמן.

אבל אם כן, מדוע איננו רואים את שבעת הממדים הנוספים? התשובה פשוטה - הם קטנים מדי. מרחוק אובייקט תלת מימדי ייראה שטוח: צינור מים יופיע כסרט, ובלון יופיע כעיגול. גם אם היינו יכולים לראות עצמים בממדים אחרים, לא היינו מתייחסים לרב-ממדיות שלהם. מדענים קוראים להשפעה הזו דחיסות.

מימדים נוספים מקופלים לצורות קטנות בלתי מורגשות של מרחב-זמן - הם נקראים מרחבי Calabi-Yau. מרחוק זה נראה שטוח.

אנו יכולים לייצג שבעה ממדים נוספים רק בצורה של מודלים מתמטיים. אלו פנטזיות שבנויות על תכונות החלל והזמן המוכרות לנו. כשמוסיפים מימד שלישי, העולם הופך לתלת מימדי, ונוכל לעקוף את המכשול. אולי, לפי אותו עיקרון, נכון להוסיף את שבעת הממדים הנותרים - ואז אפשר להסתובב לאורכם ולהגיע לכל נקודה בכל יקום בכל זמן.

מדידות ביקום לפי הגרסה הראשונה של תורת המיתרים - בוזוני. עכשיו נחשב לא רלוונטי

לקו יש רק מימד אחד, אורכו.

בלון הוא נפח, יש לו מימד שלישי - גובה. אבל עבור גבר דו מימדי, זה נראה כמו קו

כשם שאדם דו-ממדי אינו יכול לייצג רב-ממדיות, כך איננו יכולים לייצג את כל ממדי היקום.

לפי מודל זה, מחרוזות קוונטיות נעות תמיד ולכל מקום, מה שאומר שאותן מחרוזות מקודדות את התכונות של כל היקומים האפשריים מלידתם ועד סוף הזמן. למרבה הצער, הבלון שלנו שטוח. העולם שלנו הוא רק השלכה ארבע-ממדית של היקום האחד-עשר ממדי על הסולמות הגלויים של מרחב-זמן, ואיננו יכולים לעקוב אחר המיתרים.

מתישהו נראה את המפץ הגדול

מתישהו נחשב את תדירות הרטט של מיתרים ואת ארגון הממדים הנוספים ביקום שלנו. אז נלמד עליו הכל ונוכל לראות את המפץ הגדול או לטוס לאלפא קנטאורי. אבל עד כה זה בלתי אפשרי - אין רמזים על מה להסתמך בחישובים, ואת המספרים הדרושים אתה יכול למצוא רק בכוח גס. מתמטיקאים חישבו שצריך למיין 10,500 אפשרויות. התיאוריה נמצאת במבוי סתום.

עם זאת, תורת המיתרים עדיין מסוגלת להסביר את טבעו של היקום. כדי לעשות זאת, עליה לאגד את כל התיאוריות האחרות, להפוך לתיאוריה של הכל.

תורת המיתרים תהפוך לתיאוריה של הכל. אולי

במחצית השנייה של המאה ה-20, פיסיקאים אישרו מספר תיאוריות יסוד לגבי טבע היקום. זה נראה קצת יותר - ונבין הכל. עם זאת, הבעיה העיקרית טרם נפתרה: תיאוריות עובדות מצוין בנפרד, אך הן אינן נותנות תמונה כללית.

ישנן שתי תיאוריות עיקריות: תורת היחסות ותורת השדות הקוונטיים.

אפשרויות לארגון 11 מימדים במרחבי Calabi-Yau - מספיק לכל היקומים האפשריים. לשם השוואה, מספר האטומים בחלק הנצפה של היקום הוא בערך 10 80

אפשרויות לארגון חללי Calabi-Yau - מספיק לכל היקומים האפשריים. לשם השוואה, מספר האטומים ביקום הנצפה הוא בערך 10 80

תורת היחסות
תיאר את האינטראקציה הגרביטציונית בין כוכבי לכת וכוכבים והסביר את תופעת החורים השחורים. זוהי הפיזיקה של עולם חזותי והגיוני.

דגם של האינטראקציה הגרביטציונית של כדור הארץ והירח במרחב-זמן איינשטיין

תורת השדות הקוונטיים
קבע את סוגי החלקיקים האלמנטריים ותאר 3 סוגי אינטראקציה ביניהם: חזק, חלש ואלקטרומגנטי. זו הפיזיקה של הכאוס.

העולם הקוונטי דרך עיניו של אמן. סרטון מאתר MiShorts

תורת השדות הקוונטיים בתוספת מסה עבור ניטרינו נקראת דגם סטנדרטי. זוהי התיאוריה הבסיסית של מבנה היקום ברמה הקוונטית. רוב התחזיות של התיאוריה מאוששות בניסויים.

המודל הסטנדרטי מחלק את כל החלקיקים לפרמיונים ובוזונים. פרמיונים יוצרים חומר - קבוצה זו כוללת את כל החלקיקים הניתנים לצפייה, כמו הקווארק והאלקטרון. בוזונים הם כוחות שאחראים לאינטראקציה של פרמיונים, כמו פוטון וגלואון. כבר ידוע על שני תריסר חלקיקים, ומדענים ממשיכים לגלות חלקיקים חדשים.

הגיוני להניח שהאינטראקציה הגרביטציונית מועברת גם על ידי הבוזון שלה. זה עדיין לא נמצא, עם זאת, הם תיארו את הנכסים ומצאו שם - גרביטון.

אבל איחוד תיאוריות נכשל. על פי המודל הסטנדרטי, חלקיקים אלמנטריים הם נקודות חסרות מימד המקיימות אינטראקציה במרחק אפס. אם הכלל הזה מיושם על הגרביטון, המשוואות נותנות תוצאות אינסופיות, מה שהופך אותן לחסרות משמעות. זו רק אחת מהסתירות, אבל היא ממחישה היטב עד כמה פיזיקה אחת רחוקה מאחרת.

לכן, מדענים מחפשים תיאוריה אלטרנטיביתמסוגל לשלב את כל התיאוריות לאחת. תיאוריה כזו נקראת תיאוריית שדה מאוחדת, או תיאוריה של הכל.

פרמיונים
יוצרים את כל סוגי החומר מלבד כהה

בוזונים
להעביר אנרגיה בין פרמיונים

תורת המיתרים יכולה לאחד את העולם המדעי

תורת המיתרים בתפקיד זה נראית אטרקטיבית יותר מאחרות, מכיוון שהיא פותרת מיד את הסתירה העיקרית. מיתרים קוונטיים רוטטים, כך שהמרחק ביניהם גדול מאפס, ונמנעים חישובים בלתי אפשריים עבור הגרביטון. והגרביטון עצמו משתלב היטב במושג המיתרים.

אבל תורת המיתרים אינה מוכחת על ידי ניסויים, הישגיה נשארים על הנייר. המפתיעה יותר היא העובדה שבמשך 40 שנה הוא לא נטוש - הפוטנציאל שלו כל כך גדול. כדי להבין מדוע זה כך, בואו נסתכל אחורה ונראה איך זה התפתח.

תורת המיתרים חוותה שתי מהפכות

גבריאל ונציאנו
(יליד 1942)

בתחילה, תורת המיתרים כלל לא נחשבה למתחרה על איחוד הפיזיקה. זה התגלה במקרה. בשנת 1968, פיזיקאי תיאורטי צעיר, גבריאל ונציאנו, חקר את האינטראקציות החזקות בתוך גרעין האטום. לפתע, הוא גילה שהם מתוארים היטב על ידי פונקציית הבטא של אוילר, קבוצת משוואות שהורכבה 200 שנה קודם לכן על ידי המתמטיקאי השוויצרי לאונרד אוילר. זה היה מוזר: באותם ימים, האטום נחשב לבלתי ניתן לחלוקה, ועבודתו של אוילר נפתרה רק בעיות חשבון. אף אחד לא הבין למה המשוואות עובדות, אבל נעשה בהן שימוש פעיל.

המשמעות הפיזית של פונקציית הבטא של אוילר הובהרה שנתיים לאחר מכן. שלושה פיזיקאים, יוכירו נמבו, הולגר נילסן וליאונרד סוסקינד, הציעו שחלקיקים יסודיים אולי אינם נקודות, אלא מיתרים רוטטים חד-ממדיים. האינטראקציה החזקה של עצמים כאלה תוארה על ידי משוואות אוילר באופן אידיאלי. הגרסה הראשונה של תורת המיתרים נקראה בוזונית, מכיוון שהיא תיארה את אופי המיתרים של בוזונים האחראים על האינטראקציות של החומר, ולא נגעה בפרמיונים החשובים.

התיאוריה הייתה גסה. טכיונים הופיעו בו, והתחזיות העיקריות סתרו את תוצאות הניסויים. ולמרות שהרב-ממדיות של קלוזה הצליחה להיפטר מהטכיונים, תורת המיתרים לא השתרשה.

• גבריאל ונציאנו
• יואצ'ירו נאמבו
• הולגר נילסן
• לאונרד סוסקינד
• ג'ון שוורץ
• מייקל גרין
• אדוארד ויטן

• גבריאל ונציאנו
• יואצ'ירו נאמבו
• הולגר נילסן
• לאונרד סוסקינד
• ג'ון שוורץ
• מייקל גרין
• אדוארד ויטן

אבל התומכים האמיתיים של התיאוריה נשארו. בשנת 1971, פייר רמון הוסיף פרמיונים לתורת המיתרים, והפחית את מספר הממדים מ-26 לעשר. זה התחיל תורת העל-סימטריה.

הוא אמר שלכל פרמיון יש בוזון משלו, מה שאומר שחומר ואנרגיה הם סימטריים. זה לא משנה שהיקום הנצפה אינו סימטרי, אמר רמון, ישנם תנאים שבהם עדיין נצפית סימטריה. ואם, לפי תורת המיתרים, פרמיונים ובוזונים מקודדים על ידי אותם עצמים, אז בתנאים אלה, החומר יכול להפוך לאנרגיה, ולהיפך. תכונה זו של מיתרים נקראה סופרסימטריה, ותורת המיתרים עצמה נקראה תורת מיתרים.

בשנת 1974, ג'ון שוורץ וג'ואל שרק גילו שחלק מהתכונות של מיתרים תואמות להפליא את אלו של נושא הכבידה כביכול, הגרביטון. מאותו רגע, התיאוריה התחילה לטעון ברצינות שהיא מכללה.

מימדים של מרחב-זמן היו בתורת מיתרי העל הראשונה

"המבנה המתמטי של תורת המיתרים הוא כל כך יפה ויש לו כל כך הרבה תכונות מדהימות שהוא בוודאי מצביע על משהו עמוק יותר."

מהפכת מיתרי העל הראשונהקרה ב-1984. ג'ון שוורץ ומייקל גרין הציגו מודל מתמטי שהראה שניתן לפתור רבות מהסתירות בין תורת המיתרים למודל הסטנדרטי. המשוואות החדשות גם קישרו את התיאוריה לכל סוגי החומר והאנרגיה. העולם המדעי היה בקדחת - פיזיקאים נטשו את המחקר שלהם ועברו לחקר המיתרים.

מ-1984 עד 1986 נכתבו יותר מאלף מאמרים על תורת המיתרים. הם הראו שרבים מההוראות של המודל הסטנדרטי ותורת הכבידה, שנאספו טיפין טיפין במשך שנים, נובעים באופן טבעי מפיזיקת המיתרים. מחקר שכנע מדענים שתיאוריה מאחדת נמצאת ממש מעבר לפינה.

"הרגע שבו אתה מתוודע לתורת המיתרים ומבין שכמעט כל ההישגים העיקריים של הפיזיקה של המאה הקודמת נובעים - ועוקבים באלגנטיות כזו - מסיפור כה פשוט נקודת התחלה, מדגים לך בבירור את הכוח המדהים של התיאוריה הזו"

אבל תורת המיתרים לא מיהרה לחשוף את סודותיה. במקום הבעיות שנפתרו, צצו חדשות. מדענים גילו שאין תיאוריות אחת, אלא חמש תיאוריות מיתרים. בהם, המיתרים היו סוגים שוניםסופרסימטריה, ולא הייתה דרך לדעת איזו תיאוריה נכונה.

שיטות מתמטיותהיה הגבול שלהם. פיזיקאים רגילים למשוואות מורכבות שאינן נותנות תוצאות מדויקות, אך עבור תורת המיתרים אי אפשר היה לכתוב אפילו משוואות מדויקות. והתוצאות המשוערות של המשוואות המשוערות לא נתנו תשובות. התברר כי נדרשת מתמטיקה חדשה כדי ללמוד את התיאוריה, אך איש לא ידע איזו. להיט המדענים שככה.

מהפכת העל השנייהרעם ב-1995. הקיפאון הופסק בדו"ח של אדוארד וויטן בכנס על תורת המיתרים בדרום קליפורניה. ויטן הראה שכל חמש התיאוריות הן מקרים מיוחדים של תיאוריית מיתרי-על אחת, כללית יותר, שיש לה אחד-עשר ממדים במקום עשרה. ויטן כינה את התיאוריה המאחדת M-Theory, או אם כל התיאוריות מילה אנגליתאִמָא.

אבל משהו אחר היה חשוב יותר. תיאוריית ה-M של וויטן תיארה את השפעת הכבידה בתורת מיתרי העל כל כך טוב שהיא נקראה תיאוריית הכבידה העל-סימטרית, או תורת הכבידה העל. זה נתן השראה למדענים, וכתבי עת מדעיים שוב מלאים בפרסומים על פיזיקת המיתרים.

מדידות של מרחב-זמן ב תיאוריה מודרניתמיתרי על

"תורת המיתרים היא חלק מהפיסיקה של המאה ה-21 שנכנסה בטעות למאה ה-20. ייתכן שיחלפו עשרות שנים, או אפילו מאות שנים, עד שהוא יתפתח ויובנה במלואו.

הדי מהפכה זו נשמעים עד היום. אבל למרות המאמצים הטובים ביותר של מדענים, יש יותר שאלות בתורת המיתרים מאשר תשובות. המדע המודרני מנסה לבנות מודלים של היקום הרב-ממדי ולומד ממדים כממברנות של חלל. הם נקראים בריינים - זוכרים את הריק, שעליו מותחים מיתרים פתוחים? ההנחה היא שהמיתרים עצמם עשויים להתברר כדו או תלת מימדיים. הם אפילו מדברים על תיאוריה יסודית חדשה של 12 מימדים - תורת ה-F, האבא של כל התיאוריות, מהמילה אב. ההיסטוריה של תורת המיתרים רחוקה מלהסתיים.

תורת המיתרים עדיין לא הוכחה, אבל גם היא לא הופרכה.

הבעיה העיקרית של התיאוריה היא היעדר ראיות ישירות. כן, נובעות ממנו תיאוריות אחרות, מדענים מוסיפים 2 ו-2, ומתברר 4. אבל זה לא אומר שהארבעה מורכבים משניים. ניסויים במאיץ ההדרונים הגדול עדיין לא גילו על-סימטריה, שתאשר את הבסיס המבני המאוחד של היקום ותשחק לידיהם של תומכי הפיזיקה של המיתרים. אבל גם אין הפרכות. זו הסיבה שהמתמטיקה האלגנטית של תורת המיתרים ממשיכה לרגש את מוחותיהם של מדענים, ומבטיחה לפענח את כל מסתורי היקום.

אם כבר מדברים על תורת המיתרים, אי אפשר שלא להזכיר את בריאן גרין, פרופסור באוניברסיטת קולומביה ופופולארי בלתי נלאה של התיאוריה. ירוק מרצה ומופיע בטלוויזיה. בשנת 2000, ספרו "היקום האלגנטי". מיתרי על, מימדים נסתרים והחיפוש אחר התיאוריה האולטימטיבית" הפכו לגמר בפרס פוליצר. בשנת 2011, הוא שיחק את עצמו בפרק 83 של The Big Bang Theory. בשנת 2013, הוא ביקר במכון הפוליטכני במוסקבה ונתן ראיון ל-Lenta-ru

אם אתה לא רוצה להיות מומחה בתורת המיתרים, אבל רוצה להבין באיזה עולם אתה חי, זכור את דף הצ'יטים:

1. היקום מורכב מגדילי אנרגיה - מיתרים קוונטיים - הרוטטים כמו מיתרים של כלי נגינה. תדירות שונה של רטט הופכת את המיתרים לחלקיקים שונים.
2. הקצוות של המיתרים יכולים להיות חופשיים, או שהם יכולים להיות סגורים זה לזה, ויוצרים לולאות. המיתרים נסגרים כל הזמן, נפתחים ומחליפים אנרגיה עם מיתרים אחרים.
3. מיתרים קוונטיים קיימים ביקום בעל 11 ממדים. 7 הממדים הנוספים מקופלים לצורות קטנות בלתי מורגשות של מרחב-זמן כך שאיננו יכולים לראות אותם. זה נקרא קומפקציית ממדים.
4. אם היינו יודעים בדיוק איך הממדים ביקום שלנו מקופלים, אז אולי נוכל לנסוע בזמן לכוכבים אחרים. אבל למרות שזה לא אפשרי - צריך למיין יותר מדי אפשרויות. הם יספיקו לכל היקומים האפשריים.
5. תורת המיתרים יכולה לאחד את כל התיאוריות הפיזיקליות ולגלות לנו את סודות היקום – יש את כל התנאים המוקדמים לכך. אבל עדיין אין ראיות.
6. תגליות אחרות נובעות באופן הגיוני מתורת המיתרים מדע מודרני. לצערי, זה לא מוכיח כלום.
7. תורת המיתרים שרדה שתי מהפכות מיתרים ושנים רבות של הזנחה. יש מדענים הרואים בכך מדע בדיוני, אחרים מאמינים שטכנולוגיות חדשות יעזרו להוכיח זאת.
8. והכי חשוב, אם אתם מתכננים לספר לחברים שלכם על תורת המיתרים, ודאו שאין ביניהם פיזיקאי - תחסכו זמן ועצבים. ואתה תיראה כמו בריאן גרין במכון הפוליטכני:

במחקר מקיף של היקום שלנו, מדענים קובעים מספר דפוסים, עובדות, שהופכות מאוחר יותר לחוקים, השערות מוכחות. על בסיסם, מחקרים נוספים ממשיכים לתרום למחקר מקיף של העולם במספרים.

תורת המיתרים של היקום היא דרך לייצוג מרחב היקום, המורכבת מחוטים מסוימים, הנקראים מיתרים וברינים. במילים פשוטות (עבור בובות), הבסיס של העולם אינו חלקיקים (כידוע), אלא יסודות אנרגיה רוטטים הנקראים מיתרים וברינים. גודל המיתר הוא מאוד מאוד קטן - בערך 10 -33 ס"מ.

למה זה מיועד והאם זה שימושי? התיאוריה שימשה דחף לתיאור המושג "כוח המשיכה".

תורת המיתרים היא מתמטית טבע פיזימתואר על ידי משוואות. יש הרבה כאלה, אבל אין אחד ואמיתי. מימדים נסתרים ניסיוניים של היקום עדיין לא נקבעו.

התיאוריה מבוססת על 5 מושגים:

1. העולם מורכב מחוטים שנמצאים במצב רוטט וממברנות אנרגיה.
2. בתיאוריה, הבסיס הוא תורת הכבידה והפיזיקה הקוונטית.
3. התיאוריה מאחדת את כל הכוחות העיקריים של היקום.
4. לחלקיקי בוזון ולפרמיונים יש מהסוג החדשקשרים - סופרסימטריה.
5. התיאוריה מתארת ​​את הבלתי ניתן לצפייה עין אנושיתמדידות ביקום.

השוואה עם גיטרה תעזור לך להבין טוב יותר את תורת המיתרים.

לראשונה, העולם שמע על תיאוריה זו בשנות השבעים של המאה העשרים. שמות של מדענים בפיתוח השערה זו:

• ויטן;
• ונציאנו;
• ירוק;
• דוחה;
• קאקו;
• Maldacena;
• פוליאקוב;
• סוסקינד;
• שוורץ.

חוטי אנרגיה נחשבו לחד מימדיים - מיתרים. זה אומר שלמחרוזת יש מימד אחד - אורך (ללא גובה). ישנם 2 סוגים:

• פתוח, שבו הקצוות אינם נוגעים זה בזה;
• לופ סגור.

נמצא שהם יכולים לקיים אינטראקציה ויש 5 אפשרויות כאלה.זה מבוסס על היכולת להתחבר, לנתק את הקצוות. היעדר מיתרי טבעת בלתי אפשרי, בשל האפשרות לשלב מיתרים פתוחים.

כתוצאה מכך, מדענים מאמינים שהתאוריה מסוגלת לתאר לא את האסוציאציה של חלקיקים, אלא את ההתנהגות, את כוח הכבידה. בריינים או יריעות נחשבים כאלמנטים שאליהם מחוברים חוטים.

מעוניין ב

כבידה קוונטית

בפיזיקה יש חוק קוונטי ותורת היחסות הכללית. הפיזיקה הקוונטיתחוקר חלקיקים בקנה מידה של היקום. ההשערות שבו נקראות תיאוריות של כוח הכבידה הקוונטית בין החשובות ביותר הן המיתר.

חוטים סגורים בו פועלים לפי כוחות הכבידה, בעלי תכונות של גרביטון - חלקיק המעביר תכונות בין חלקיקים.

איחוד כוחות. התיאוריה כוללת את הכוחות המשולבים לאחד - אלקטרומגנטי, גרעיני, כבידה. מדענים מאמינים שזה בדיוק מה שקרה לפני כן, לפני חלוקת הכוחות.

סופר סימטריה. לפי מושג העל סימטריה, יש קשר בין בוזונים לפרמיונים (יחידות מבניות של היקום). לכל אחד מהבוסונים יש פרמיון, וההפך הוא הנכון: לפרמיון יש בוזון. זה מחושב על בסיס משוואות, אך לא מאושר בניסוי. היתרון בסופרסימטריה הוא האפשרות לבטל כמה משתנים (רמות אנרגיה אינסופיות, דמיוניות).

לפי פיסיקאים, הסיבה לחוסר היכולת להוכיח סופרסימטריה היא הסיבה לצורך באנרגיה גדולה הקשורה במסה. זה היה מוקדם יותר, לפני תקופת הירידה בטמפרטורה ביקום. לאחר המפץ הגדול, חל פיזור אנרגיה ומעבר של חלקיקים לרמות אנרגיה נמוכות יותר.

במילים פשוטות, מיתרים שיכלו לרטוט עם תכונותיהם של חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה, לאחר שאיבדו אותה, הפכו לרטט נמוך.

על ידי יצירת מאיצי חלקיקים, מדענים רוצים לזהות אלמנטים סופר סימטריים עם רמת האנרגיה הנדרשת.

מימדים נוספים של תורת המיתרים

תוצאה של תורת המיתרים היא הייצוג המתמטי שחייבים להיות יותר מ-3 ממדים. ההסבר הראשון לכך הוא שמידות נוספות הפכו קומפקטיות, קטנות, וכתוצאה מכך לא ניתן לראותן או לתפוס אותן.

אנו קיימים בבריין תלת מימדי, מנותק מממדים אחרים. רק את היכולת להשתמש דוגמנות במתמטיקהנתן תקווה להשיג קואורדינטות שיקשרו ביניהם. מחקרים עדכניים בתחום זה מאפשרים להניח את הופעתם של נתונים אופטימיים חדשים.

הבנה פשוטה של ​​מטרה

מדענים ברחבי העולם, בוחנים את מיתרי העל, מנסים לבסס את התיאוריה לגבי המציאות הפיזית כולה. השערה אחת יכולה לאפיין הכל ברמה בסיסית, להסביר את הבעיות של מבנה הפלנטה.

תורת המיתרים הופיעה בתיאור של האדרונים, חלקיקים בעלי מצבי רטט גבוהים יותר של מיתר. בקיצור, זה מסביר בקלות את המעבר של אורך למסה.

יש הרבה תיאוריות על מיתר. כיום לא ידוע בוודאות אם ניתן בעזרתו להסביר את תורת המרחב-זמן בצורה מדויקת יותר מאיינשטיין. המדידות שנלקחו אינן מספקות נתונים מדויקים. חלקם, הנוגעים למרחב-זמן, היו תוצאה של אינטראקציות של מיתרים, אך בסופו של דבר היו נתונים לביקורת.

תורת הכבידה תהפוך לתוצאה העיקרית של התיאוריה המתוארת אם היא תאושר.

מיתרים וברינים הולידו יותר מ-10,000 דרכים לחשוב על היקום. ספרים על תורת המיתרים זמינים לציבור באינטרנט, מתוארים בפירוט וברור על ידי המחברים:

• יאו שינטאן;
• סטיב נאדיס "תורת המיתרים והממדים הנסתרים של היקום";
• בריאן גרין גם מדבר על זה ב-The Elegant Universe.

דעות, הוכחות, נימוקים וכל הפרטים הקטנים ביותר ניתן למצוא על ידי עיון באחד מהספרים הרבים המספקים מידע על העולם בצורה נגישה ומעניינת. פיזיקאים מסבירים את היקום הקיים בנוכחותנו, בקיומם של יקומים אחרים (אפילו אלו הדומים לשלנו). לפי איינשטיין, יש גרסה מקופלת של חלל.

נקודות יכולות להתחבר בתורת מיתרי העל עולמות מקבילים. החוקים שנקבעו בפיזיקה נותנים תקווה לאפשרות של מעבר בין היקומים. יחד עם זאת, תורת הקוונטים של כוח הכבידה מבטלת זאת.

פיזיקאים מדברים גם על קיבוע הולוגרפי של נתונים כאשר הם מתועדים על פני השטח. בעתיד, זה ייתן תנופה להבנת השיפוט לגבי חוטי אנרגיה. ישנם שיפוטים לגבי ריבוי ממדי הזמן והאפשרות לנוע בו. השערת המפץ הגדול עקב התנגשות של 2 ברינים מציעה אפשרות לחזור על מחזורים.

היקום, הופעתו של הכל והשינוי ההדרגתי של הכל תמיד העסיקו את המוחות הבולטים של האנושות. תגליות חדשות היו, קיימות ויהיו. הפרשנות הסופית של תורת המיתרים תאפשר לקבוע את צפיפות החומר, הקבוע הקוסמולוגי.

הודות לכך, תיקבע יכולתו של היקום להתכווץ עד לרגע הבא של הפיצוץ והתחלה חדשה של הכל. תיאוריות מפותחות, מוכחות, והן מובילות למשהו. לכן, המשוואה של איינשטיין, המתארת ​​את תלות האנרגיה במסה ובריבוע של מהירות האור E = mc ^ 2, הפכה לאחר מכן לדחף להופעה נשקים גרעיניים. לאחר מכן, הומצאו גם הלייזר והטרנזיסטור. היום לא ידוע למה לצפות, אבל זה בהחלט יוביל למשהו.