نظرية الأوتار والأبعاد الخفية للكون هي دليل على الوجود. نظرية الأوتار بعبارات بسيطة

نظرية الأوتار هي خيط رفيع يربط بين النظرية النسبية (أو النظرية النسبية العامة - GTR) وفيزياء الكم. ظهر كلا هذين المجالين مؤخرًا على المستوى العلمي، لذلك لا يوجد حتى الآن الكثير من المؤلفات العلمية حول هذه المجالات. وإذا كانت النظرية النسبية لا تزال تتمتع بنوع من الأساس الذي تم اختباره عبر الزمن، فإن فرع الفيزياء الكمومية لا يزال صغيرًا جدًا في هذا الصدد. دعونا أولا نفهم هاتين الصناعتين.

من المؤكد أن الكثير منكم قد سمع عن النظرية النسبية، بل إنه على دراية ببعض مسلماتها، ولكن السؤال هو: لماذا لا يمكن ربطها بفيزياء الكم، التي تعمل على المستوى الجزئي؟

إنهم يفصلون بين النظريات النسبية العامة والخاصة (المختصرة بـ GTR وSRT، ومن الآن فصاعدا سيتم استخدامها كاختصارات). باختصار، يفترض GTR حول الفضاء الخارجي وانحناءه، وSTR حول نسبية الزمكان من الجانب البشري. عندما نتحدث عن نظرية الأوتار، فإننا نتحدث بشكل خاص عن النسبية العامة. تقول النظرية النسبية العامة أنه في الفضاء، تحت تأثير الأجسام الضخمة، ينحني الفضاء حوله (ومع الوقت، لأن المكان والزمان مفهومان لا ينفصلان تمامًا). سيساعدك مثال من حياة العلماء على فهم كيفية حدوث ذلك. وقد تم تسجيل حالة مماثلة مؤخرًا، لذلك يمكن اعتبار كل ما رواه "مبنيًا على أحداث حقيقية". عالمة تنظر من خلال التلسكوب فترى نجمين: أحدهما أمامها والآخر خلفها. كيف تمكنا من فهم هذا؟ الأمر بسيط للغاية، لأن النجم الذي لا نرى مركزه، ولكن تظهر حوافه فقط، هو الأكبر بين هذين النجمين، والنجم الآخر، الذي يظهر بشكله الكامل، هو الأصغر. ومع ذلك، وبفضل النسبية العامة، قد يكون النجم الموجود أمامنا أكبر من النجم الموجود خلفنا. ولكن هل هذا ممكن؟

اتضح نعم. إذا تبين أن النجم الأمامي عبارة عن جسم فائق الكتلة سوف يؤدي إلى انحناء الفضاء حوله بقوة كبيرة، فإن صورة النجم الذي هو خلفه ستدور ببساطة حول النجم فائق الكتلة في شكل منحني وسنرى الصورة التي تم ذكرها عند بداية جدا. يمكنك رؤية ما قيل بمزيد من التفصيل في الشكل. 1.

فيزياء الكم أصعب بكثير بالنسبة للشخص العادي من TO. وإذا عممنا جميع أحكامه حصلنا على ما يلي: الأجسام الدقيقة لا توجد إلا عندما ننظر إليها. بالإضافة إلى ذلك، تقول فيزياء الكم أيضًا أنه إذا تم تقسيم الجسيمات الدقيقة إلى جزأين، فإن هذين الجزأين سيستمران في الدوران على طول محورهما في نفس الاتجاه. وأي تأثيرات على الجسيم الأول ستنتقل بلا شك إلى الثاني، بشكل فوري وكامل، بغض النظر عن مسافة هذه الجسيمات.

فما هي صعوبة الجمع بين مفهومي هاتين النظريتين؟ الحقيقة هي أن GTR تعتبر كائنات في العالم الكبير، وعندما نتحدث عن تشويه/انحناء الفضاء، فإننا نعني مساحة ناعمة بشكل مثالي، وهو ما يتعارض تمامًا مع أحكام العالم الصغير. وفقًا لنظرية فيزياء الكم، فإن العالم الصغير غير متساوٍ تمامًا وله خشونة منتشرة في كل مكان. هذا يتحدث بلغة الحياة اليومية. وقام علماء الرياضيات والفيزياء بترجمة نظرياتهم إلى صيغ. وهكذا، عندما حاولوا الجمع بين صيغ فيزياء الكم والنسبية العامة، تبين أن الإجابة هي اللانهاية. إن اللانهاية في الفيزياء هي بمثابة القول بأن المعادلة مبنية بشكل غير صحيح. تمت إعادة فحص المساواة الناتجة عدة مرات، لكن الجواب كان لا يزال هو اللانهاية.

لقد أحدثت نظرية الأوتار تغييرات جوهرية في عالم العلوم اليومي. إنه يمثل مرسومًا بأن جميع الجسيمات الدقيقة ليست كروية الشكل، بل على شكل خيوط ممدودة تتخلل عالمنا بأكمله. يتم تحديد كميات مثل الكتلة وسرعة الجسيمات وما إلى ذلك من خلال اهتزازات هذه الأوتار. تقع كل سلسلة من هذه السلسلة نظريًا في مشعب كالابي-ياو. تمثل هذه المتشعبات مساحة منحنية للغاية. وفقا لنظرية التنوع، فهي غير مرتبطة بأي شيء في الفضاء وتوجد بشكل منفصل في كرات صغيرة. تمحو نظرية الأوتار حرفيًا الحدود الواضحة لعملية ربط جسيمتين صغيرتين. عندما يتم تمثيل الجسيمات الدقيقة بالكرات، يمكننا أن نتتبع بوضوح الحدود في الزمكان عندما تتصل. ومع ذلك، إذا كانت سلسلتان متصلتان، فيمكن رؤية المكان الذي "يلتصقان فيه" من زوايا مختلفة. وفي زوايا مختلفة، سنحصل على نتائج مختلفة تماما لحدود اتصالهم، أي أنه ببساطة لا يوجد مفهوم دقيق لمثل هذه الحدود!

حتى في المرحلة الأولى من دراسة نظرية الأوتار بكلمات بسيطةيبدو الأمر غامضًا وغريبًا وحتى خياليًا، لكنه لا يدعمه كلام لا أساس له من الصحة، بل من خلال الأبحاث التي تؤكد، باستخدام العديد من المعادلات والمعلمات، احتمالية وجود الجسيمات الوترية.

وأخيرًا فيديو آخر يشرح نظرية الأوتار بلغة بسيطةمن مجلة الإنترنت QWRT.

الفيزياء النظرية غامضة بالنسبة للكثيرين، ولكنها في الوقت نفسه ذات أهمية قصوى في دراسة العالم من حولنا. مهمة أي عالم فيزياء نظرية هي بناء نموذج رياضي، نظرية قادرة على شرح عمليات معينة في الطبيعة.

يحتاج

كما تعلمون، فإن القوانين الفيزيائية للعالم الكبير، أي العالم الذي نعيش فيه، تختلف بشكل كبير عن قوانين الطبيعة في العالم المصغر - الذي توجد فيه الذرات والجزيئات والجزيئات. الجسيمات الأولية. ومن الأمثلة على ذلك مبدأ يصعب فهمه يسمى ازدواجية الموجة الكربونية، والذي بموجبه يمكن للأجسام الدقيقة (الإلكترون والبروتون وغيرها) أن تكون جسيمات وموجات.

مثلنا، يريد علماء الفيزياء النظرية وصف العالم بإيجاز ووضوح، وهذا هو الغرض الرئيسي لنظرية الأوتار. بمساعدتها، من الممكن تفسير بعض العمليات الفيزيائية، سواء على مستوى العالم الكبير أو على مستوى العالم الصغير، مما يجعلها عالمية، وتوحد نظريات أخرى لم تكن ذات صلة سابقًا (النسبية العامة وميكانيكا الكم).

الجوهر

وفقا لنظرية الأوتار، فإن العالم كله ليس مبنيا من الجسيمات، كما يعتقد اليوم، ولكن من أجسام رقيقة بلا حدود يتراوح طولها بين 10 و 35 مترا ولها القدرة على الاهتزاز، مما يسمح لنا برسم تشبيه بالأوتار. بمساعدة معقدة آلية رياضيةيمكن أن ترتبط هذه الاهتزازات بالطاقة، وبالتالي بالكتلة، بمعنى آخر، ينشأ أي جسيم نتيجة لنوع أو آخر من اهتزازات السلسلة الكمومية.

القضايا والميزات

مثل أي نظرية غير مؤكدة، تعاني نظرية الأوتار من عدد من المشاكل التي تشير إلى أنها تحتاج إلى تحسين. وتشمل هذه المشاكل، على سبيل المثال، ما يلي: نتيجة للحسابات، كان هناك رياضيا نوع جديدالجسيمات التي لا يمكن أن توجد في الطبيعة - التاكيونات التي يكون مربع كتلتها أقل من الصفر، وسرعة حركتها تتجاوز سرعة الضوء.

الآخر امر هامأو بالأحرى، تكمن الخصوصية في وجود نظرية الأوتار فقط في الفضاء ذي الأبعاد العشرة. لماذا ندرك أبعادا أخرى؟ "لقد استنتج العلماء أنه على المقاييس الصغيرة جدًا، تطوى هذه المساحات وتنغلق على نفسها، مما يجعل من المستحيل بالنسبة لنا التعرف عليها.

تطوير

هناك نوعان من الجسيمات: الفرميونات - جسيمات المادة، والبوزونات - ناقلات التفاعل. على سبيل المثال، الفوتون هو بوزون يحمل التفاعل الكهرومغناطيسي، والجرافيتون هو الجاذبية، أو نفس بوزون هيغز الذي يحمل التفاعل مع مجال هيغز. لذلك، إذا أخذت نظرية الأوتار في الاعتبار البوزونات فقط، فإن نظرية الأوتار الفائقة أخذت في الاعتبار أيضًا الفرميونات، مما جعل من الممكن التخلص من التاكيونات.

النسخة النهائية من مبدأ الأوتار الفائقة تم تطويرها بواسطة إدوارد ويتن وتسمى "نظرية إم"، والتي بموجبها يتم توحيد جميع إصدارات مختلفةيجب أن تقدم نظرية الأوتار الفائقة البعد الحادي عشر.

ربما يمكننا أن ننتهي هنا. يعمل علماء الفيزياء النظرية بجد على حل المشكلات وتحسين النموذج الرياضي الحالي دول مختلفةسلام. ربما سنتمكن أخيرًا قريبًا من فهم بنية العالم من حولنا، ولكن بالنظر إلى نطاق ما سبق وتعقيده، فمن الواضح أن الوصف الناتج للعالم لن يكون مفهومًا بدون قاعدة معينة من المعرفة في مجال الفيزياء والرياضيات.

العلم مجال هائل ويتم إجراء قدر هائل من الأبحاث والاكتشافات كل يوم، ومن الجدير بالذكر أن بعض النظريات تبدو مثيرة للاهتمام، ولكن في الوقت نفسه ليس لديها تأكيد حقيقي ويبدو أنها "معلقة في هواء."

ما هي نظرية الأوتار؟

النظرية الفيزيائية التي تمثل الجسيمات على شكل اهتزاز تسمى نظرية الأوتار. هذه الموجات لها معلمة واحدة فقط - خط الطول، وليس لها ارتفاع أو عرض. لمعرفة ما هي نظرية الأوتار، نحتاج إلى النظر إلى الفرضيات الرئيسية التي تصفها.

1. من المفترض أن كل شيء حولنا يتكون من خيوط تهتز وأغشية من الطاقة.
2. يحاول الجمع بين النسبية العامة وفيزياء الكم.
3. توفر نظرية الأوتار فرصة لتوحيد جميع القوى الأساسية للكون.
4. يتنبأ بوجود علاقة متناظرة بين أنواع مختلفةالجسيمات: البوزونات والفرميونات.
5. يوفر فرصة لوصف وتخيل أبعاد الكون التي لم يتم ملاحظتها من قبل.

نظرية الأوتار - من اكتشفها؟

1. تم إنشاء نظرية الأوتار الكمومية لأول مرة في عام 1960 لشرح الظواهر في الفيزياء الهادرونية. في هذا الوقت تم تطويره بواسطة: G. Veneziano، L. Susskind، T. Goto وآخرون.
2. أخبر العالم D. Schwartz، J. Scherk و T. Enet ما هي نظرية الأوتار، لأنهم طوروا فرضية الأوتار البوزونية، وقد حدث هذا بعد 10 سنوات.
3. في عام 1980، حدد عالمان: إم جرين ود. شوارتز نظرية الأوتار الفائقة، التي لها تماثلات فريدة.
4. ولا تزال الأبحاث حول الفرضية المقترحة مستمرة، لكن لم يتم إثباتها بعد.

نظرية الأوتار - الفلسفة

هناك اتجاه فلسفي له علاقة بنظرية الأوتار، ويسمى الموناد. أنه ينطوي على استخدام الرموز من أجل ضغط أي قدر من المعلومات. تستفيد نظرية الموناد والأوتار من الأضداد والثنائيات في الفلسفة. الرمز الأحادي البسيط الأكثر شيوعًا هو Yin-Yang. اقترح الخبراء تصوير نظرية الأوتار على شكل أحادي حجمي، وليس على شكل مسطح، ومن ثم ستصبح الأوتار حقيقة، على الرغم من أن طولها سيكون ضئيلًا.

إذا تم استخدام أحادي حجمي، فسيكون الخط الذي يقسم Yin-Yang مستويًا، وعند استخدام أحادي متعدد الأبعاد، يتم الحصول على حجم ملتوي في دوامة. لا يوجد عمل حتى الآن على الفلسفة المتعلقة بالمونادات متعددة الأبعاد - وهذا مجال للدراسة المستقبلية. يعتقد الفلاسفة أن الإدراك عملية لا نهاية لها، وعند محاولة إنشاء نموذج موحد للكون، سيتفاجأ الإنسان أكثر من مرة ويغير مفاهيمه الأساسية.

عيوب نظرية الأوتار

وبما أن الفرضية التي اقترحها عدد من العلماء غير مؤكدة، فمن المفهوم تماما أن هناك عددا من المشاكل التي تشير إلى الحاجة إلى تنقيحها.

1. نظرية الأوتار بها أخطاء، على سبيل المثال، أثناء الحسابات تم اكتشاف نوع جديد من الجسيمات - التاكيونات، لكنها لا يمكن أن توجد في الطبيعة، لأن مربع كتلتها أقل من الصفر، وسرعة حركتها أكبر من سرعة حركتها. ضوء.
2. لا يمكن لنظرية الأوتار أن توجد إلا في الفضاء ذي الأبعاد العشرة، ولكن السؤال ذو الصلة هو: لماذا لا يدرك الشخص الأبعاد الأخرى؟

نظرية الأوتار - برهان

الاتفاقيتان الفيزيائيتان الرئيسيتان اللتان تعتمد عليهما دليل علميفي الواقع، يتعارضون مع بعضهم البعض، لأنهم يمثلون بنية الكون على المستوى الجزئي بطرق مختلفة. لتجربتها، تم اقتراح نظرية الأوتار الكونية. في كثير من النواحي، يبدو موثوقا، ليس فقط بالكلمات، ولكن أيضا في الحسابات الرياضية، ولكن اليوم ليس لدى الشخص الفرصة لإثبات ذلك عمليا. إذا كانت الأوتار موجودة، فهي على المستوى المجهري، ولا توجد قدرة تقنية حتى الآن للتعرف عليها.

نظرية الأوتار والله

اقترح عالم الفيزياء النظرية الشهير م.كاكو نظرية يستخدم فيها فرضية الأوتار لإثبات وجود الله. لقد توصل إلى استنتاج مفاده أن كل شيء في العالم يعمل وفقًا لقوانين وقواعد معينة وضعها عقل واحد. ووفقا لكاكو، فإن نظرية الأوتار والأبعاد الخفية للكون ستساعد في خلق معادلة توحد كل قوى الطبيعة وتسمح لنا بفهم عقل الله. ويركز فرضيته على جزيئات التاكيون، التي تتحرك بشكل أسرع من الضوء. وقال أينشتاين أيضًا أنه إذا تم اكتشاف مثل هذه الأجزاء، فسيكون من الممكن إرجاع الزمن إلى الوراء.

وبعد إجراء سلسلة من التجارب، توصل كاكو إلى أن حياة الإنسان تحكمها قوانين مستقرة ولا تتفاعل مع الحوادث الكونية. نظرية الأوتار للحياة موجودة وهي مرتبطة بقوة مجهولة تتحكم في الحياة وتجعلها كاملة. في رأيه، هذا هو ما هو عليه. كاكو متأكد من أن الكون عبارة عن أوتار تهتز تنبثق من عقل القدير.

هذا هو بالفعل الموضوع الرابع. يُطلب من المتطوعين أيضًا ألا ينسوا الموضوعات التي عبروا عن رغبتهم في تغطيتها، أو ربما قام شخص ما للتو باختيار موضوع من القائمة. أنا مسؤول عن إعادة النشر والترويج على شبكات التواصل الاجتماعي. والآن موضوعنا: "نظرية الأوتار"

ربما سمعت أن الأكثر شعبية نظرية علميةفي عصرنا هذا - نظرية الأوتار - تعني وجود أبعاد أكثر بكثير مما يخبرنا به المنطق السليم.

أكثر مشكلة كبيرةللفيزيائيين النظريين - كيفية الجمع بين جميع التفاعلات الأساسية (الجاذبية والكهرومغناطيسية والضعيفة والقوية) في نظرية واحدة. تدعي نظرية الأوتار الفائقة أنها نظرية كل شيء.

لكن اتضح أن العدد الأكثر ملائمة للأبعاد المطلوبة لكي تعمل هذه النظرية هو ما يصل إلى عشرة (تسعة منها مكانية وواحدة زمانية)! إذا كانت هناك أبعاد أكثر أو أقل، فإن المعادلات الرياضية تعطي نتائج غير عقلانية تصل إلى ما لا نهاية - التفرد.

المرحلة التالية في تطور نظرية الأوتار الفائقة - نظرية M - قد أحصت بالفعل أحد عشر بعدًا. ونسخة أخرى منها - نظرية F - كلها اثني عشر. وهذا ليس تعقيدًا على الإطلاق. تصف نظرية F مساحة ذات 12 بعدًا تزيد عن معادلات بسيطةمن نظرية M - 11 الأبعاد.

بالطبع، لا تسمى الفيزياء النظرية نظرية من أجل لا شيء. كل إنجازاتها موجودة حتى الآن على الورق فقط. لذا، لشرح سبب عدم قدرتنا على التحرك إلا في الفضاء ثلاثي الأبعاد، بدأ العلماء يتحدثون عن كيفية تقلص الأبعاد المتبقية المؤسفة إلى مجالات مدمجة على المستوى الكمي. على وجه الدقة، ليس في المجالات، ولكن في مساحات كالابي ياو. هذه شخصيات ثلاثية الأبعاد يوجد بداخلها عالمها الخاص بأبعاده الخاصة. يبدو الإسقاط ثنائي الأبعاد لمثل هذا المشعب كما يلي:

أكثر من 470 مليون من هذه الأرقام معروفة. أي منهم يتوافق مع واقعنا يجري حسابه حاليًا. ليس من السهل أن تكون فيزيائيًا نظريًا.

نعم، يبدو هذا بعيد المنال بعض الشيء. ولكن ربما هذا هو بالضبط ما يفسر سبب اختلاف العالم الكمي عن العالم الذي ندركه.

دعونا نعود قليلا إلى التاريخ

في عام 1968، كان عالم الفيزياء النظرية الشاب، غابرييل فينيزيانو، يدرس الخصائص العديدة التي تمت ملاحظتها تجريبيًا للقوة النووية القوية. عمل فينيزيانو، الذي كان يعمل آنذاك في CERN، مختبر التسريع الأوروبي في جنيف بسويسرا، على هذه المشكلة لعدة سنوات حتى حصل ذات يوم على رؤية رائعة. ولدهشته، أدرك أن الأمر غريب معادلة رياضية، التي اخترعها قبل حوالي مائتي عام عالم الرياضيات السويسري الشهير ليونارد أويلر لأغراض رياضية بحتة - ما يسمى بوظيفة أويلر بيتا - تبدو قادرة على وصف جميع الخصائص العديدة للجسيمات المشاركة في القوة النووية القوية في ضربة واحدة. الخاصية التي لاحظها فينيزيانو قدمت وصفًا رياضيًا قويًا للعديد من سمات التفاعل القوي؛ لقد أثار موجة من العمل الذي استخدمت فيه وظيفة بيتا وتعميماتها المختلفة لوصف الكميات الهائلة من البيانات المتراكمة من دراسة تصادمات الجسيمات حول العالم. ومع ذلك، إلى حد ما، كانت ملاحظة فينيزيانو غير مكتملة. مثل الصيغة الروتينية التي يستخدمها الطالب الذي لا يفهم معناها أو معناها، نجحت دالة أويلر التجريبية، لكن لم يفهم أحد السبب. لقد كانت صيغة تتطلب تفسيرا.

غابرييل فينيزيانو

تغير هذا في عام 1970، عندما تمكن يوشيرو نامبو من جامعة شيكاغو، وهولجر نيلسن من معهد نيلز بور، وليونارد سسكيند من جامعة ستانفورد من اكتشاف المعنى المادي وراء صيغة أويلر. أظهر هؤلاء الفيزيائيون أنه عندما يتم تمثيل الجسيمات الأولية بأوتار صغيرة تهتز أحادية البعد، فإن التفاعل القوي لهذه الجسيمات يوصف بدقة بواسطة دالة أويلر. ورأى هؤلاء الباحثون أنه إذا كانت أجزاء السلسلة صغيرة بما فيه الكفاية، فإنها ستظل تبدو وكأنها جسيمات نقطية، وبالتالي لن تتعارض مع الملاحظات التجريبية. على الرغم من أن هذه النظرية كانت بسيطة وجذابة بشكل بديهي، إلا أنه سرعان ما تبين أن الوصف الخيطي للقوة الشديدة معيب. في أوائل السبعينيات. لقد تمكن علماء فيزياء الطاقة العالية من التعمق أكثر في العالم دون الذري، وأظهروا أن عددًا من تنبؤات النماذج القائمة على الأوتار تتعارض بشكل مباشر مع نتائج المراقبة. في الوقت نفسه، كان هناك تطور موازٍ لنظرية المجال الكمي — الديناميكا اللونية الكمومية — التي استخدمت النموذج النقطي للجسيمات. وأدى نجاح هذه النظرية في وصف التفاعل القوي إلى التخلي عن نظرية الأوتار.
اعتقد معظم علماء فيزياء الجسيمات أن نظرية الأوتار قد أُلقيت في سلة المهملات إلى الأبد، لكن عددًا من الباحثين ظلوا مخلصين لها. على سبيل المثال، رأى شوارتز أن "البنية الرياضية لنظرية الأوتار جميلة جدًا ولها العديد من الخصائص المذهلة التي يجب أن تشير بالتأكيد إلى شيء أعمق" 2 ). إحدى المشكلات التي واجهها الفيزيائيون فيما يتعلق بنظرية الأوتار هي أنها بدت وكأنها تقدم الكثير من الاختيارات، الأمر الذي كان مربكًا. بعض تكوينات الأوتار المهتزة في هذه النظرية لها خصائص تشبه خصائص الغلوونات، مما أعطى سببًا لاعتبارها حقًا نظرية للتفاعل القوي. إلا أنها بالإضافة إلى ذلك احتوت على جزيئات حاملة للتفاعل إضافية لا علاقة لها بالمظاهر التجريبية للتفاعل القوي. في عام 1974، قدم شوارتز وجويل شيرك من المدرسة التقنية العليا في فرنسا اقتراحًا جريئًا حول هذا العيب الواضح إلى ميزة. بعد دراسة أنماط الاهتزاز الغريبة للأوتار، التي تذكرنا بالجسيمات الحاملة، أدركوا أن هذه الخصائص تتطابق بشكل مدهش مع الخصائص المفترضة لحامل الجسيمات الافتراضية لتفاعل الجاذبية - الجرافيتون. على الرغم من أن هذه "الجزيئات الصغيرة" من تفاعل الجاذبية لم يتم اكتشافها بعد، إلا أن المنظرين يمكنهم التنبؤ بثقة ببعض الخصائص الأساسية التي يجب أن تمتلكها هذه الجسيمات. وجد شيرك وشوارتز أن هذه الخصائص تتحقق تمامًا في بعض أوضاع الاهتزاز. وبناءً على ذلك، اقترحوا أن أول ظهور لنظرية الأوتار قد فشل لأن الفيزيائيين قاموا بتضييق نطاقها بشكل مفرط. أعلن شيرك وشوارتز أن نظرية الأوتار ليست مجرد نظرية القوة الشديدة، بل هي نظرية الكم، والتي تشمل، من بين أمور أخرى، الجاذبية).

كان رد فعل مجتمع الفيزياء على هذا الاقتراح بتحفظ كبير. في الواقع، وفقا لمذكرات شوارتز، "لقد تم تجاهل عملنا من قبل الجميع" 4). كانت مسارات التقدم مزدحمة بالفعل بالعديد من المحاولات الفاشلة للجمع بين الجاذبية وميكانيكا الكم. لقد فشلت نظرية الأوتار في محاولتها الأولية لوصف القوة الشديدة، وبدا للكثيرين أنه من غير المجدي محاولة استخدامها لتحقيق أهداف أكبر. دراسات لاحقة أكثر تفصيلاً في أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينات. أظهر أنه بين نظرية الأوتار و ميكانيكا الكمهناك تناقضات خاصة بهم، وإن كانت أصغر حجما. وبدا أن قوة الجاذبية تمكنت مرة أخرى من مقاومة محاولة دمجها في وصف الكون على المستوى المجهري.
كان ذلك حتى عام 1984. في ورقة بحثية تاريخية لخصت أكثر من عقد من الأبحاث المكثفة التي تم تجاهلها أو رفضها إلى حد كبير من قبل معظم علماء الفيزياء، أثبت جرين وشوارتز أن التناقض البسيط مع نظرية الكم الذي ابتليت به نظرية الأوتار يمكن السماح به. علاوة على ذلك، أظهروا أن النظرية الناتجة كانت واسعة بما يكفي لتغطية جميع أنواع القوى الأربعة وجميع أنواع المادة. انتشر خبر هذه النتيجة في جميع أنحاء مجتمع الفيزياء، حيث توقف المئات من علماء فيزياء الجسيمات عن العمل في مشاريعهم للمشاركة في هجوم بدا وكأنه المعركة النظرية الأخيرة في هجوم دام قرونًا على أعمق أسس الكون.
وصل نجاح "كلمة جرين" و"شوارتز" في النهاية حتى إلى طلاب الدراسات العليا في السنة الأولى، وتم استبدال الكآبة السابقة بإحساس مثير بالمشاركة في نقطة تحول في تاريخ الفيزياء. بقي العديد منا مستيقظين حتى وقت متأخر من الليل، منشغلين في قراءة الكتب الضخمة من الفيزياء النظرية والرياضيات المجردة التي تعتبر ضرورية لفهم نظرية الأوتار.

إذا كنت تعتقد العلماء، فنحن أنفسنا وكل شيء من حولنا يتكون من عدد لا حصر له من هذه الكائنات الدقيقة المطوية الغامضة.
الفترة من 1984 إلى 1986 تُعرف الآن باسم "الثورة الأولى في نظرية الأوتار الفائقة". خلال هذه الفترة، كتب الفيزيائيون حول العالم أكثر من ألف بحث حول نظرية الأوتار. أثبتت هذه الأعمال بشكل قاطع أن الخصائص العديدة للنموذج القياسي، التي تم اكتشافها خلال عقود من البحث المضني، تتدفق بشكل طبيعي من النظام الرائع لنظرية الأوتار. كما لاحظ مايكل جرين، "في اللحظة التي تتعرف فيها على نظرية الأوتار وتدرك أن معظم التطورات الرئيسية في الفيزياء في القرن الماضي قد تدفقت - وتدفقت بهذه الأناقة - من نقطة البداية البسيطة هذه، يظهر بوضوح القوة المذهلة لـ هذه النظرية." 5 علاوة على ذلك، بالنسبة للعديد من هذه الخصائص، كما سنرى أدناه، توفر نظرية الأوتار وصفًا أكثر اكتمالًا وإرضاءً بكثير من النموذج القياسي. أقنعت هذه الإنجازات العديد من علماء الفيزياء بأن نظرية الأوتار يمكن أن تفي بوعودها وتصبح النظرية الموحدة النهائية.

إسقاط ثنائي الأبعاد لمشعب كالابي-ياو ثلاثي الأبعاد. يعطي هذا الإسقاط فكرة عن مدى تعقيد الأبعاد الإضافية.

ومع ذلك، في هذا المسار، واجه الفيزيائيون الذين يعملون على نظرية الأوتار مرارًا وتكرارًا عقبات خطيرة. في الفيزياء النظرية، يتعين علينا في كثير من الأحيان التعامل مع المعادلات التي تكون إما معقدة للغاية بحيث لا يمكن فهمها أو يصعب حلها. عادة في مثل هذه الحالة، لا يستسلم الفيزيائيون ويحاولون الحصول على حل تقريبي لهذه المعادلات. الوضع في نظرية الأوتار أكثر تعقيدًا. حتى أن اشتقاق المعادلات نفسها كان معقدًا للغاية لدرجة أنه لم يتم الحصول على سوى شكل تقريبي منها حتى الآن. وهكذا، يجد الفيزيائيون الذين يعملون في نظرية الأوتار أنفسهم في موقف يتعين عليهم فيه البحث عن حلول تقريبية للمعادلات التقريبية. بعد عدة سنوات من التقدم المذهل الذي تم إحرازه خلال ثورة الأوتار الفائقة الأولى، واجه الفيزيائيون حقيقة أن المعادلات التقريبية التي كانوا يستخدمونها لم تكن قادرة على الإجابة بشكل صحيح على المتسلسلة موضوعات هامة، وبالتالي تباطؤ مزيد من التطويربحث. وبدون أفكار ملموسة لتجاوز هذه الأساليب التقريبية، شعر العديد من الفيزيائيين العاملين في مجال نظرية الأوتار بإحساس متزايد بالإحباط وعادوا إلى أبحاثهم السابقة. بالنسبة لأولئك الذين بقوا، أواخر الثمانينات وأوائل التسعينات. كانت فترة اختبار.

إن جمال نظرية الأوتار وقوتها المحتملة قد أغرت الباحثين مثل كنز ذهبي محبوس بشكل آمن في خزنة، لا يمكن رؤيته إلا من خلال ثقب صغير، ولكن لم يكن لدى أحد المفتاح الذي من شأنه أن يطلق العنان لهذه القوى الخاملة. كانت فترة "الجفاف" الطويلة تنقطع من وقت لآخر باكتشافات مهمة، ولكن كان من الواضح للجميع أن هناك حاجة إلى أساليب جديدة تتجاوز الحلول التقريبية المعروفة بالفعل.

انتهت حالة الجمود بمحاضرة مثيرة ألقاها إدوارد ويتن عام 1995 في مؤتمر نظرية الأوتار في جامعة جنوب كاليفورنيا، وهي محاضرة أذهلت قاعة مليئة بكبار الفيزيائيين في العالم. وفيه، كشف النقاب عن خطة للمرحلة التالية من البحث، وبالتالي إيذانا ببدء "الثورة الثانية في نظرية الأوتار الفائقة". يعمل منظرو الأوتار الآن بكل نشاط على أساليب جديدة تَعِد بالتغلب على العقبات التي يواجهونها.

من أجل تعميم TS على نطاق واسع، يجب على البشرية إقامة نصب تذكاري لأستاذ جامعة كولومبيا بريان جرين. كتابه عام 1999 "الكون الأنيق". أصبح كتاب "الأوتار الفائقة والأبعاد المخفية والبحث عن النظرية المطلقة" من أكثر الكتب مبيعًا وفاز بجائزة بوليتزر. شكل عمل العالم أساسًا لسلسلة قصيرة علمية شعبية، حيث كان المؤلف نفسه هو المضيف - ويمكن رؤية جزء منه في نهاية المادة (صورة إيمي سوسمان/جامعة كولومبيا).

قابلة للنقر 1700 بكسل

الآن دعونا نحاول فهم جوهر هذه النظرية قليلاً على الأقل.

ابدأ من جديد. البعد الصفري هو نقطة. ليس لها حجم. لا يوجد مكان للتحرك، ولا حاجة إلى إحداثيات للإشارة إلى الموقع في هذا البعد.

لنضع نقطة ثانية بجوار النقطة الأولى ونرسم خطًا من خلالها. وهنا البعد الأول. الكائن أحادي البعد له حجم - طول، ولكن ليس له عرض أو عمق. الحركة داخل الفضاء أحادي البعد محدودة للغاية، لأنه لا يمكن تجنب العوائق التي تظهر في الطريق. لتحديد الموقع على هذا الجزء، تحتاج إلى إحداثي واحد فقط.

دعونا نضع نقطة بجانب هذا الجزء. لملاءمة هذين الجسمين، سنحتاج إلى مساحة ثنائية الأبعاد بطول وعرض، أي مساحة، ولكن بدون عمق، أي حجم. يتم تحديد موقع أي نقطة في هذا المجال بإحداثيتين.

وينشأ البعد الثالث عندما نضيف محور إحداثي ثالث لهذا النظام. من السهل جدًا علينا، نحن سكان الكون ثلاثي الأبعاد، أن نتخيل ذلك.

دعونا نحاول أن نتخيل كيف يرى سكان الفضاء ثنائي الأبعاد العالم. على سبيل المثال هذين الشخصين:

سيرى كل واحد منهم رفيقه هكذا:

وفي هذه الحالة:

سوف يرى أبطالنا بعضهم البعض مثل هذا:

إن تغيير وجهة النظر هو الذي يسمح لأبطالنا بالحكم على بعضهم البعض ككائنات ثنائية الأبعاد، وليس شرائح ذات بعد واحد.

والآن لنتخيل أن جسمًا حجميًا معينًا يتحرك في البعد الثالث، وهو ما يتقاطع مع هذا العالم ثنائي الأبعاد. بالنسبة لمراقب خارجي، سيتم التعبير عن هذه الحركة في تغيير في الإسقاطات ثنائية الأبعاد للجسم الموجود على المستوى، مثل القرنبيط في جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي:

لكن بالنسبة لساكن أرضنا المسطحة فإن مثل هذه الصورة غير مفهومة! لا يستطيع حتى أن يتخيلها. بالنسبة له، سيتم النظر إلى كل من الإسقاطات ثنائية الأبعاد على أنها قطعة أحادية البعد ذات طول متغير بشكل غامض، تظهر في مكان غير متوقع وتختفي أيضًا بشكل غير متوقع. إن محاولات حساب طول ومكان أصل هذه الأجسام باستخدام قوانين فيزياء الفضاء ثنائي الأبعاد محكوم عليها بالفشل.

نحن، سكان العالم ثلاثي الأبعاد، نرى كل شيء ثنائي الأبعاد. فقط تحريك الجسم في الفضاء يسمح لنا بالشعور بحجمه. سنرى أيضًا أي كائن متعدد الأبعاد باعتباره ثنائي الأبعاد، لكنه سيتغير بطرق مدهشة اعتمادًا على علاقتنا به أو بالوقت.

من وجهة النظر هذه، من المثير للاهتمام التفكير، على سبيل المثال، في الجاذبية. ربما رأى الجميع صورًا مثل هذه:

وهي عادة ما تصور كيف تنحني الجاذبية الزمكان. ينحني... أين؟ بالضبط ليس في أي من الأبعاد المألوفة لدينا. وماذا عن النفق الكمي، أي قدرة الجسيم على الاختفاء في مكان والظهور في مكان مختلف تماما، وخلف عائق لا يستطيع من خلاله في واقعنا أن يخترق دون إحداث ثقب فيه؟ ماذا عن الثقوب السوداء؟ ماذا لو كانت كل هذه الألغاز وغيرها العلم الحديثهل يتم تفسيرها بحقيقة أن هندسة الفضاء ليست على الإطلاق كما اعتدنا على إدراكها؟

الساعة تدق

يضيف الوقت إحداثيًا آخر إلى كوننا. لكي تقام الحفلة، لا تحتاج إلى معرفة المكان الذي ستقام فيه الحفلة فحسب، بل تحتاج أيضًا إلى معرفة الوقت المحدد لهذا الحدث.

بناءً على تصورنا، فإن الوقت ليس خطًا مستقيمًا بقدر ما هو شعاع. أي أن لها نقطة انطلاق، والحركة تتم في اتجاه واحد فقط - من الماضي إلى المستقبل. علاوة على ذلك، فإن الحاضر وحده هو الحقيقي. لا الماضي ولا المستقبل موجودان، كما أن وجبات الإفطار والعشاء غير موجودة من وجهة نظر موظف المكتب أثناء استراحة الغداء.

لكن النظرية النسبية لا تتفق مع هذا. من وجهة نظرها، الوقت هو بعد كامل. كل الأحداث التي كانت، وتوجد، وستوجد، هي حقيقية بنفس القدر، تمامًا كما يكون شاطئ البحر حقيقيًا، بغض النظر عن المكان الذي فاجأتنا فيه أحلام صوت الأمواج. إن إدراكنا هو مجرد شيء يشبه الضوء الذي ينير جزءًا معينًا على خط مستقيم من الزمن. تبدو الإنسانية في بعدها الرابع كما يلي:

لكننا نرى فقط إسقاطًا، شريحة من هذا البعد في كل لحظة من الزمن. نعم، نعم، مثل البروكلي في جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي.

حتى الآن، عملت جميع النظريات مع عدد كبير من الأبعاد المكانية، وكان البعد الزمني هو الوحيد دائمًا. ولكن لماذا يسمح الفضاء بأبعاد متعددة للمكان ولكن مرة واحدة فقط؟ وإلى أن يتمكن العلماء من الإجابة على هذا السؤال، فإن فرضية وجود مكانين زمنيين أو أكثر ستبدو جذابة للغاية لجميع الفلاسفة وكتاب الخيال العلمي. والفيزيائيون أيضًا، فماذا في ذلك؟ على سبيل المثال، يرى عالم الفيزياء الفلكية الأمريكي إسحق بارز أن أصل كل المشاكل المتعلقة بنظرية كل شيء هو البعد الزمني الثاني الذي تم تجاهله. كتمرين عقلي، دعونا نحاول تخيل عالم ذو زمنين.

كل البعد موجود بشكل منفصل. يتم التعبير عن ذلك في حقيقة أنه إذا قمنا بتغيير إحداثيات كائن ما في أحد الأبعاد، فقد تظل الإحداثيات في الأبعاد الأخرى دون تغيير. لذا، إذا تحركت على طول محور زمني يتقاطع مع محور زمني آخر بزاوية قائمة، فسيتوقف الزمن المحيط عند نقطة التقاطع. من الناحية العملية سيبدو الأمر كالتالي:

كل ما كان على نيو فعله هو وضع محوره الزمني أحادي البعد بشكل متعامد مع المحور الزمني للرصاص. مجرد تافه، وسوف توافق. في الواقع، كل شيء أكثر تعقيدا بكثير.

سيتم تحديد الوقت المحدد في الكون ذو بعدين زمنيين بقيمتين. هل من الصعب تخيل حدث ثنائي الأبعاد؟ أي أنه ممتد في وقت واحد على طول محورين زمنيين؟ ومن المرجح أن مثل هذا العالم سيتطلب متخصصين في رسم خرائط الزمن، تمامًا كما يرسم رسامي الخرائط سطح الكرة الأرضية ثنائي الأبعاد.

ما الذي يميز الفضاء ثنائي الأبعاد عن الفضاء أحادي البعد؟ القدرة على تجاوز عقبة، على سبيل المثال. وهذا خارج حدود عقولنا تمامًا. لا يمكن للمقيم في عالم أحادي البعد أن يتخيل كيف يكون الأمر عند المنعطف. وما هذه الزاوية في الزمن؟ بالإضافة إلى ذلك، في الفضاء ثنائي الأبعاد، يمكنك السفر للأمام أو للخلف أو حتى بشكل قطري. ليس لدي أي فكرة عما يعنيه المرور عبر الزمن بشكل قطري. ناهيك عن حقيقة أن الوقت يكمن وراء العديد من القوانين الفيزيائية، ومن المستحيل تخيل كيف ستتغير فيزياء الكون مع ظهور بُعد زمني آخر. لكن من المثير جدًا التفكير في الأمر!

موسوعة كبيرة جدا

ولم يتم اكتشاف أبعاد أخرى بعد وهي موجودة فقط في النماذج الرياضية. لكن يمكنك محاولة تخيلهم بهذه الطريقة.

وكما اكتشفنا سابقاً، فإننا نرى إسقاطاً ثلاثي الأبعاد للبعد الرابع (الزمني) للكون. بمعنى آخر، كل لحظة من وجود عالمنا هي نقطة (شبيهة بالبعد الصفري) في الفترة الزمنية من الانفجار الكبير إلى نهاية العالم.

أولئك منكم الذين قرأوا عن السفر عبر الزمن يعرفون الدور المهم الذي يلعبه انحناء استمرارية الزمان والمكان فيه. هذا هو البعد الخامس - حيث "ينحني" الزمكان رباعي الأبعاد من أجل تقريب نقطتين على هذا الخط من بعضهما البعض. وبدون ذلك، سيكون السفر بين هذه النقاط طويلاً للغاية، أو حتى مستحيلاً. بشكل تقريبي، البعد الخامس مشابه للبعد الثاني - فهو ينقل خط الزمكان "أحادي البعد" إلى مستوى "ثنائي الأبعاد" مع كل ما يتضمنه في شكل القدرة على الانعطاف من زاوية.

في وقت سابق قليلا، ربما فكر قرائنا ذوي التفكير الفلسفي بشكل خاص في إمكانية الإرادة الحرة في الظروف التي يوجد فيها المستقبل بالفعل، لكنه غير معروف بعد. يجيب العلم على هذا السؤال بهذه الطريقة: الاحتمالات. المستقبل ليس عصا، بل مكنسة كاملة الخيارات الممكنةتطورات الأحداث. سنكتشف أي واحد سيتحقق عندما نصل إلى هناك.

وكل احتمال من هذه الاحتمالات موجود على شكل قطعة "أحادية البعد" على "مستوى" البعد الخامس. ما هي أسرع طريقة للانتقال من قطعة إلى أخرى؟ هذا صحيح - قم بثني هذه الطائرة مثل ورقة. أين يجب أن ثنيها؟ ومرة أخرى بشكل صحيح - في البعد السادس، الذي يعطي كل هذا بنية معقدة"مقدار". وبالتالي، فإنه، مثل الفضاء ثلاثي الأبعاد، "انتهى"، نقطة جديدة.

البعد السابع هو خط مستقيم جديد يتكون من "نقاط" سداسية الأبعاد. ما هي أي نقطة أخرى على هذا الخط؟ لم تتشكل المجموعة اللانهائية من الخيارات لتطور الأحداث في عالم آخر نتيجة لذلك الانفجار العظيم، وفي ظروف أخرى، وتعمل بموجب قوانين أخرى. أي أن البعد السابع عبارة عن خرزات من عوالم متوازية. يجمع البعد الثامن هذه "الخطوط المستقيمة" في "مستوى" واحد. ويمكن تشبيه التاسع بكتاب يحتوي على كل «أوراق» البعد الثامن. هذا هو مجمل تواريخ جميع الأكوان مع جميع قوانين الفيزياء وجميع الشروط الأولية. الفترة مرة أخرى.

هنا وصلنا إلى الحد الأقصى. لتخيل البعد العاشر، نحتاج إلى خط مستقيم. وما هي النقطة الأخرى التي يمكن أن تكون على هذا الخط إذا كان البعد التاسع يغطي بالفعل كل ما يمكن تخيله، وحتى ما لا يمكن تخيله؟ اتضح أن البعد التاسع ليس مجرد نقطة بداية أخرى، بل هو النقطة النهائية - لخيالنا، على الأقل.

تنص نظرية الأوتار على أن الأوتار تهتز في البعد العاشر، وهي الجسيمات الأساسية التي تشكل كل شيء. إذا كان البعد العاشر يحتوي على كل الأكوان وكل الاحتمالات، فإن الأوتار موجودة في كل مكان وفي كل وقت. أعني أن كل وتر موجود في عالمنا وفي أي عالم آخر. في أي وقت. حالا. رائع. صحيح؟

فيزيائي، متخصص في نظرية الأوتار. وهو معروف بعمله على تناظر المرآة، المتعلق بطوبولوجيا مشعبات كالابي-ياو المقابلة. معروف لدى جمهور واسع بأنه مؤلف كتب العلوم الشعبية. تم ترشيح كتابه "الكون الأنيق" لجائزة بوليتزر.

في سبتمبر 2013، جاء برايان جرين إلى موسكو بدعوة من متحف البوليتكنيك. وهو عالم فيزياء مشهور، ومنظر الأوتار، وأستاذ في جامعة كولومبيا، وهو معروف لدى عامة الناس في المقام الأول باعتباره مروجًا للعلم ومؤلف كتاب "الكون الأنيق". تحدث موقع Lenta.ru مع بريان جرين حول نظرية الأوتار والصعوبات الأخيرة التي واجهتها النظرية، بالإضافة إلى الجاذبية الكمومية والسعة والتحكم الاجتماعي.

الأدب باللغة الروسية:كاكو م.، طومسون ج.ت. "ما وراء أينشتاين: الأوتار الفائقة والبحث عن النظرية النهائية" وما كانت عليه المقال الأصلي موجود على الموقع InfoGlaz.rfرابط المقال الذي أخذت منه هذه النسخة -

تعلمنا في المدرسة أن المادة تتكون من ذرات، والذرات تتكون من نوى تدور حولها الإلكترونات. تدور الكواكب حول الشمس بنفس الطريقة تقريبًا، لذلك من السهل علينا أن نتخيل ذلك. ثم انقسمت الذرة إلى جسيمات أولية، وأصبح من الصعب تصور بنية الكون. على نطاق الجسيمات، تنطبق قوانين مختلفة، وليس من الممكن دائما العثور على تشبيه من الحياة. أصبحت الفيزياء مجردة ومربكة.

لكن الخطوة التالية للفيزياء النظرية أعادت الإحساس بالواقع. وصفت نظرية الأوتار العالم بمصطلحات يمكن تخيلها مرة أخرى، وبالتالي أسهل في الفهم والتذكر.

الموضوع لا يزال ليس سهلا، لذلك دعونا نذهب بالترتيب. أولا، دعونا نفهم ما هي النظرية، ثم دعونا نحاول أن نفهم سبب اختراعها. وللحلوى، قليل من التاريخ؛ فنظرية الأوتار لها تاريخ قصير، ولكن مع ثورتين.

يتكون الكون من خيوط تهتز من الطاقة

قبل نظرية الأوتار، كانت الجسيمات الأولية تعتبر نقاطًا، وهي أشكال بلا أبعاد لها خصائص معينة. تصفها نظرية الأوتار بأنها خيوط من الطاقة لها بعد واحد وهو الطول. تسمى هذه الخيوط أحادية البعد سلاسل الكم.

الفيزياء النظرية

الفيزياء النظرية
يصف العالم باستخدام الرياضيات، بدلا من الفيزياء التجريبية. أول عالم فيزياء نظرية هو إسحاق نيوتن (1642-1727)

نواة الذرة مع الإلكترونات والجسيمات الأولية والأوتار الكمومية من خلال عيون الفنان. جزء من الفيلم الوثائقي "الكون الأنيق"

الأوتار الكمومية صغيرة جدًا، يبلغ طولها حوالي 10 -33 سم، وهذا أصغر بمئة مليون مليار مرة من البروتونات التي تصطدم في مصادم الهادرونات الكبير. تتطلب مثل هذه التجارب مع الأوتار بناء مسرع بحجم مجرة. لم نجد طريقة لاكتشاف الأوتار بعد، لكن بفضل الرياضيات أصبح بإمكاننا تخمين بعض خصائصها.

الأوتار الكمومية مفتوحة ومغلقة. تكون الأطراف المفتوحة حرة، بينما الأطراف المغلقة تتقارب مع بعضها البعض لتشكل حلقات. الأوتار "تفتح" و"تغلق" بشكل مستمر، وتتصل مع أوتار أخرى وتنقسم إلى أوتار أصغر.

الأوتار الكمومية ممتدة. يحدث التوتر في الفضاء بسبب اختلاف الطاقة: بالنسبة للأوتار المغلقة بين الأطراف المغلقة، بالنسبة للأوتار المفتوحة - بين أطراف الأوتار والفراغ. يسمي الفيزيائيون هذه الوجوه الفراغية ثنائية الأبعاد، أو الأغشية، من كلمة غشاء.

سم - الحد الأدنى حجم ممكنكائن في الكون. ويسمى طول بلانك

نحن مصنوعون من أوتار كمومية

تهتز الأوتار الكمومية. وهي اهتزازات مشابهة لاهتزازات أوتار آلة البالاليكا، ذات موجات موحدة وعدد صحيح من الحد الأدنى والحد الأقصى. عند الاهتزاز، لا يصدر الوتر الكمي صوتًا، وعلى مقياس الجسيمات الأولية لا يوجد شيء لنقل اهتزازات الصوت إليه. يصبح هو نفسه جسيمًا: فهو يهتز بتردد واحد - كوارك، وعلى تردد آخر - غلوون، وعلى تردد ثالث - فوتون. ولذلك، فإن السلسلة الكمومية هي عنصر بناء واحد، "لبنة" الكون.

يتم تصوير الكون عادةً على أنه فضاء ونجوم، ولكنه أيضًا كوكبنا، وأنا وأنت، والنص الذي يظهر على الشاشة، والتوت في الغابة.

رسم تخطيطي لاهتزازات السلسلة. عند أي تردد، تكون جميع الموجات متماثلة، وعددها صحيح: واحد واثنان وثلاثة

منطقة موسكو، 2016. هناك الكثير من الفراولة - فقط المزيد من البعوض. كما أنها مصنوعة من الخيوط.

والفضاء موجود في مكان ما. دعونا نعود إلى الفضاء

لذا، في قلب الكون توجد أوتار كمية، وهي خيوط ذات بعد واحد من الطاقة تهتز، وتغير حجمها وشكلها، وتتبادل الطاقة مع أوتار أخرى. ولكن هذا ليس كل شيء.

الأوتار الكمومية تتحرك عبر الفضاء. والفضاء على مقياس الأوتار هو الجزء الأكثر إثارة للاهتمام في النظرية.

تتحرك الأوتار الكمومية في 11 بعدًا

ثيودور كالوزا
(1885-1954)

بدأ كل شيء مع ألبرت أينشتاين. أظهرت اكتشافاته أن الزمن نسبي ووحدته مع المكان في سلسلة زمنية زمانية واحدة. أوضحت أعمال أينشتاين الجاذبية وحركة الكواكب وتكوين الثقوب السوداء. وبالإضافة إلى ذلك، فقد ألهموا معاصريهم للقيام باكتشافات جديدة.

نشر أينشتاين معادلات النظرية النسبية العامة في 1915-1916، وفي عام 1919، حاول عالم الرياضيات البولندي تيودور كالوزا تطبيق حساباته على نظرية المجال الكهرومغناطيسي. لكن السؤال الذي يطرح نفسه: إذا كانت جاذبية أينشتاين تحني الأبعاد الأربعة للزمكان، فما الذي تحنيه القوى الكهرومغناطيسية؟ كان الإيمان بأينشتاين قويا، ولم يكن لدى كالوزا أدنى شك في أن معادلاته ستصف الكهرومغناطيسية. وبدلاً من ذلك، اقترح أن القوى الكهرومغناطيسية تعمل على ثني بُعد خامس إضافي. أعجب أينشتاين بالفكرة، لكن النظرية لم يتم اختبارها بالتجارب ونسيت حتى الستينيات.

ألبرت أينشتاين (1879-1955)

ثيودور كالوزا
(1885-1954)

ثيودور كالوزا
(1885-1954)

البرت اينشتاين
(1879-1955)

أنتجت معادلات نظرية الأوتار الأولى نتائج غريبة. ظهرت فيها Tachyons - جزيئات ذات كتلة سلبية تتحرك بشكل أسرع من سرعة الضوء. وهنا جاءت فكرة كالوزا عن تعدد أبعاد الكون في متناول اليد. صحيح أن خمسة أبعاد لم تكن كافية، كما أن ستة أو سبعة أو عشرة أبعاد لم تكن كافية. إن رياضيات نظرية الأوتار الأولى لم تكن منطقية إلا إذا كان لكوننا 26 بعدًا! كانت النظريات اللاحقة كافية لعشرة نظريات، ولكن في النظريات الحديثة هناك أحد عشر منها - عشرة مكانية وزمانية.

لكن إذا كان الأمر كذلك، فلماذا لا نرى الأبعاد السبعة الإضافية؟ الجواب بسيط - إنهم صغيرون جدًا. من مسافة بعيدة، سيبدو الجسم ثلاثي الأبعاد مسطحًا: انبوب ماءسوف يبدو وكأنه الشريط، ولكن بالون- في كل مكان. حتى لو تمكنا من رؤية الأشياء في أبعاد أخرى، فإننا لن نأخذ في الاعتبار تعدد أبعادها. يسمي العلماء هذا التأثير الضغط.

يتم طي الأبعاد الإضافية إلى أشكال صغيرة بشكل غير محسوس من الزمكان - تسمى مساحات كالابي ياو. من بعيد تبدو مسطحة.

ولا يمكننا تمثيل سبعة أبعاد إضافية إلا في شكل نماذج رياضية. هذه تخيلات مبنية على خصائص المكان والزمان المعروفة لنا. وبإضافة بعد ثالث، يصبح العالم ثلاثي الأبعاد ونستطيع تجاوز العائق. ربما، باستخدام نفس المبدأ، من الصحيح إضافة الأبعاد السبعة المتبقية - ومن ثم باستخدامها، يمكنك التجول في الزمكان والوصول إلى أي نقطة في أي كون في أي وقت.

القياسات في الكون حسب النسخة الأولى من نظرية الأوتار - البوسونية. الآن يعتبر غير ذي صلة

الخط له بعد واحد فقط وهو الطول

البالون ثلاثي الأبعاد وله بعد ثالث وهو الارتفاع. ولكن بالنسبة لرجل ثنائي الأبعاد يبدو وكأنه خط

فكما أن الإنسان ثنائي الأبعاد لا يستطيع أن يتخيل تعدد الأبعاد، كذلك لا نستطيع أن نتصور كل أبعاد الكون.

وفقًا لهذا النموذج، تنتقل الأوتار الكمومية دائمًا وفي كل مكان، مما يعني أن نفس الأوتار تشفر خصائص جميع الأكوان الممكنة منذ ولادتها وحتى نهاية الزمن. لسوء الحظ، بالوننا مسطح. إن عالمنا ليس سوى إسقاط رباعي الأبعاد لكون ذي أحد عشر بعدًا على المقاييس المرئية للزمكان، ولا يمكننا اتباع الخيوط.

يوما ما سوف نرى الانفجار الكبير

يومًا ما سنحسب تردد الاهتزازات الوترية وتنظيم الأبعاد الإضافية في كوننا. ثم سنتعلم كل شيء عنه وسنكون قادرين على رؤية الانفجار الكبير أو السفر إلى Alpha Centauri. لكن هذا مستحيل في الوقت الحالي - لا توجد تلميحات لما يمكن الاعتماد عليه في الحسابات، ولا يمكنك العثور على الأرقام الضرورية إلا بالقوة الغاشمة. لقد حسب علماء الرياضيات أنه سيكون هناك 10500 خيار للفرز. لقد وصلت النظرية إلى طريق مسدود.

ومع ذلك، لا تزال نظرية الأوتار قادرة على تفسير طبيعة الكون. للقيام بذلك، يجب أن تربط جميع النظريات الأخرى، وتصبح نظرية كل شيء.

سوف تصبح نظرية الأوتار نظرية كل شيء. ربما

في النصف الثاني من القرن العشرين، أكد الفيزيائيون عددًا من النظريات الأساسية حول طبيعة الكون. يبدو أنه أكثر من ذلك بقليل وسوف نفهم كل شيء. ومع ذلك، فإن المشكلة الرئيسية لم يتم حلها بعد: فالنظريات تعمل بشكل جيد بشكل فردي، ولكنها لا تقدم صورة شاملة.

هناك نظريتان رئيسيتان: النظرية النسبية ونظرية المجال الكمي.

خيارات لتنظيم 11 بُعدًا في مساحات كالابي-ياو - كافية لجميع الأكوان الممكنة. وعلى سبيل المقارنة، فإن عدد الذرات في الجزء المرئي من الكون يبلغ حوالي 1080 ذرة

هناك خيارات كافية لتنظيم مساحات Calabi-Yau لجميع الأكوان الممكنة. وللمقارنة فإن عدد الذرات في الكون المرئي يبلغ حوالي 1080 ذرة

نظرية النسبية
الموصوفة تفاعل الجاذبيةبين الكواكب والنجوم وشرح ظاهرة الثقوب السوداء. هذه هي فيزياء العالم البصري والمنطقي.

نموذج التفاعل الجاذبي للأرض والقمر في الزمكان لأينشتاين

نظرية المجال الكمي
حدد أنواع الجسيمات الأولية ووصف ثلاثة أنواع من التفاعل بينها: القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية. هذه هي فيزياء الفوضى.

العالم الكمي من خلال عيون الفنان. الفيديو من موقع MiShorts

تسمى نظرية المجال الكمي مع الكتلة المضافة للنيوترينوات النموذج القياسي. هذه هي النظرية الأساسية لبنية الكون على المستوى الكمي. يتم تأكيد معظم تنبؤات النظرية من خلال التجارب.

يقسم النموذج القياسي جميع الجسيمات إلى فرميونات وبوزونات. تشكل الفرميونات المادة - وتشمل هذه المجموعة جميع الجسيمات التي يمكن ملاحظتها مثل الكوارك والإلكترون. البوزونات هي القوى المسؤولة عن تفاعل الفرميونات، مثل الفوتون والغلوون. هناك أكثر من عشرين جسيمًا معروفًا بالفعل، ويواصل العلماء اكتشاف جسيمات جديدة.

ومن المنطقي أن نفترض أن تفاعل الجاذبية ينتقل أيضًا عن طريق البوزون. لم يعثروا عليه بعد، لكنهم وصفوا خصائصه وتوصلوا إلى اسم - جرافيتون.

لكن من المستحيل توحيد النظريات. وفقًا للنموذج القياسي، فإن الجسيمات الأولية هي نقاط لا أبعاد لها وتتفاعل على مسافات صفرية. إذا تم تطبيق هذه القاعدة على الجرافيتون، فإن المعادلات تعطي نتائج لا نهائية، مما يجعلها بلا معنى. وهذا مجرد واحد من التناقضات، لكنه يوضح جيدًا مدى بُعد فيزياء ما عن أخرى.

ولذلك يبحث العلماء عن نظرية بديلة يمكنها دمج كل النظريات في نظرية واحدة. وقد سميت هذه النظرية بنظرية المجال الموحد أو نظرية كل شيء.

فرميونات
تشكل جميع أنواع المادة باستثناء المادة المظلمة

البوزونات
نقل الطاقة بين الفرميونات

نظرية الأوتار يمكن أن توحد العالم العلمي

تبدو نظرية الأوتار في هذا الدور أكثر جاذبية من غيرها، لأنها تحل على الفور التناقض الرئيسي. تهتز الأوتار الكمومية بحيث تصبح المسافة بينها أكبر من الصفر، ويتم تجنب نتائج الحسابات المستحيلة للجرافيتون. والغرافيتون نفسه يتناسب جيدًا مع مفهوم الأوتار.

لكن نظرية الأوتار لم يتم إثباتها بالتجارب، وتبقى إنجازاتها حبرا على ورق. والأمر الأكثر إثارة للدهشة هو حقيقة أنه لم يتم التخلي عنها منذ 40 عامًا - فإمكانياتها كبيرة جدًا. لفهم سبب حدوث ذلك، دعونا ننظر إلى الوراء ونرى كيف تطورت.

لقد مرت نظرية الأوتار بثورتين

غابرييل فينيزيانو
(مواليد 1942)

في البداية، لم تعتبر نظرية الأوتار على الإطلاق منافسا لتوحيد الفيزياء. تم اكتشافه بالصدفة. في عام 1968، درس عالم الفيزياء النظرية الشاب غابرييل فينيزيانو التفاعلات القوية داخل النواة الذرية. وبشكل غير متوقع، اكتشف أنه تم وصفها بشكل جيد من خلال دالة بيتا لأويلر، وهي مجموعة من المعادلات التي جمعها عالم الرياضيات السويسري ليونارد أويلر قبل 200 عام. كان هذا غريبًا: في تلك الأيام كانت الذرة تُعتبر غير قابلة للتجزئة، وكان عمل أويلر يحل المسائل الرياضية حصريًا. لم يفهم أحد سبب نجاح المعادلات، لكن تم استخدامها بنشاط.

تم توضيح المعنى المادي لوظيفة أويلر التجريبية بعد عامين. اقترح ثلاثة فيزيائيين، يوشيرو نامبو، وهولجر نيلسن، وليونارد سسكيند، أن الجسيمات الأولية قد لا تكون نقاطًا، ولكنها أوتار تهتز أحادية البعد. تم وصف التفاعل القوي لمثل هذه الأجسام بشكل مثالي بواسطة معادلات أويلر. النسخة الأولى من نظرية الأوتار كانت تسمى البوزونية، لأنها وصفت الطبيعة الوترية للبوزونات المسؤولة عن تفاعلات المادة، ولم تهتم بالفرميونات التي تتكون منها المادة.

وكانت النظرية الخام. لقد تضمنت التاكيونات، وتناقضت التوقعات الرئيسية مع النتائج التجريبية. وعلى الرغم من أنه كان من الممكن التخلص من التاكيونات باستخدام كالوزا متعددة الأبعاد، إلا أن نظرية الأوتار لم تتجذر.

• غابرييل فينيزيانو
• يويتشيرو نامبو
• هولجر نيلسن
• ليونارد سوسكيند
• جون شوارتز
• مايكل جرين
• إدوارد ويتن

• غابرييل فينيزيانو
• يويتشيرو نامبو
• هولجر نيلسن
• ليونارد سوسكيند
• جون شوارتز
• مايكل جرين
• إدوارد ويتن

لكن النظرية لا تزال تحظى بمؤيدين مخلصين. في عام 1971، أضاف بيير رامون الفرميونات إلى نظرية الأوتار، مما أدى إلى تقليل عدد الأبعاد من 26 إلى عشرة. كان هذا بمثابة البداية نظرية التناظر الفائق.

وقال إن كل فيرميون لديه بوزون خاص به، مما يعني أن المادة والطاقة متماثلان. وقال رامون إنه لا يهم أن الكون المرصود غير متماثل، فهناك ظروف لا يزال يتم فيها ملاحظة التناظر. وإذا تم تشفير الفرميونات والبوزونات، وفقًا لنظرية الأوتار، بواسطة نفس الكائنات، ففي ظل هذه الظروف يمكن تحويل المادة إلى طاقة، والعكس صحيح. سميت خاصية الأوتار هذه بالتناظر الفائق، وسميت نظرية الأوتار نفسها بنظرية الأوتار الفائقة.

في عام 1974، اكتشف جون شوارتز وجويل شيرك أن بعض خصائص الأوتار تتطابق بشكل ملحوظ مع خصائص الناقل المفترض للجاذبية، وهو الجرافيتون. ومنذ تلك اللحظة، بدأت النظرية تدعي جدياً أنها معممة.

أبعاد الزمكان كانت في نظرية الأوتار الفائقة الأولى

"إن البنية الرياضية لنظرية الأوتار جميلة جدًا ولها العديد من الخصائص المذهلة التي يجب أن تشير بالتأكيد إلى شيء أعمق."

أول ثورة في الأوتار الفائقةحدث في عام 1984. قدم جون شوارتز ومايكل جرين نموذجًا رياضيًا أظهر إمكانية حل العديد من التناقضات بين نظرية الأوتار والنموذج القياسي. كما ربطت المعادلات الجديدة النظرية بجميع أنواع المادة والطاقة. لقد استحوذت الحمى على العالم العلمي - فقد تخلى الفيزيائيون عن أبحاثهم وتحولوا إلى دراسة الأوتار.

ومن عام 1984 إلى عام 1986، تمت كتابة أكثر من ألف بحث حول نظرية الأوتار. لقد أظهروا أن العديد من أحكام النموذج القياسي ونظرية الجاذبية، التي تم تجميعها معًا على مر السنين، تتبع بشكل طبيعي فيزياء الأوتار. لقد أقنع البحث العلماء بأن النظرية الموحدة أصبحت قاب قوسين أو أدنى.

"في اللحظة التي تتعرف فيها على نظرية الأوتار وتدرك أن معظم التطورات الرئيسية في الفيزياء في القرن الماضي قد تدفقت - وتدفقت بمثل هذه الأناقة - من نقطة البداية البسيطة هذه تظهر بوضوح القوة المذهلة لهذه النظرية."

لكن نظرية الأوتار لم تكن في عجلة من أمرها للكشف عن أسرارها. وبدلا من المشاكل التي تم حلها، ظهرت مشاكل جديدة. لقد اكتشف العلماء أنه لا توجد نظرية واحدة، بل خمس نظريات حول الأوتار الفائقة. تحتوي الأوتار الموجودة فيها على أنواع مختلفة من التناظر الفائق، ولم تكن هناك طريقة لفهم النظرية الصحيحة.

الأساليب الرياضية لها حدودها. اعتاد الفيزيائيون على ذلك معادلات معقدة، والتي لا تعطي نتائج دقيقة، ولكن بالنسبة لنظرية الأوتار لم يكن من الممكن كتابة حتى معادلات دقيقة. والنتائج التقريبية للمعادلات التقريبية لم تقدم إجابات. وأصبح من الواضح أن هناك حاجة إلى رياضيات جديدة لدراسة النظرية، ولكن لم يكن أحد يعرف أي نوع من الرياضيات سيكون. لقد هدأت حماسة العلماء.

ثورة الأوتار الفائقة الثانيةرعد في عام 1995. تم إنهاء هذا المأزق من خلال حديث إدوارد ويتن في مؤتمر نظرية الأوتار في جنوب كاليفورنيا. أظهر ويتن أن النظريات الخمس جميعها هي حالات خاصة لنظرية واحدة أكثر عمومية للأوتار الفائقة، والتي لا يوجد فيها عشرة أبعاد، بل أحد عشر بعدًا. أطلق ويتن على النظرية الموحدة اسم M-theory، أو أم كل النظريات، من الكلمة الإنجليزية Mother.

ولكن هناك شيء آخر كان أكثر أهمية. وصفت نظرية ويتن M تأثير الجاذبية في نظرية الأوتار الفائقة بشكل جيد لدرجة أنها سميت بنظرية الجاذبية الفائقة التناظر، أو نظرية الجاذبية الفائقة. وقد شجع هذا العلماء، وامتلأت المجلات العلمية مرة أخرى بالمنشورات حول فيزياء الأوتار.

قياسات الزمكان في النظرية الحديثةالأوتار الفائقة

"نظرية الأوتار هي جزء من فيزياء القرن الحادي والعشرين والتي انتهت بالصدفة إلى القرن العشرين. وقد يستغرق الأمر عقودًا، أو حتى قرونًا، قبل أن يتم تطويره وفهمه بشكل كامل".

ولا يزال من الممكن سماع أصداء هذه الثورة حتى اليوم. ولكن على الرغم من كل الجهود التي يبذلها العلماء، فإن نظرية الأوتار لديها أسئلة أكثر من الإجابات. يحاول العلم الحديث بناء نماذج للكون متعدد الأبعاد ويدرس الأبعاد كأغشية للفضاء. يطلق عليها اسم الأغشية، هل تتذكر الفراغ ذي الخيوط المفتوحة الممتدة عبرها؟ من المفترض أن تكون الأوتار نفسها ثنائية أو ثلاثية الأبعاد. إنهم يتحدثون حتى عن 12 بُعدًا جديدًا النظرية الأساسية- نظريات F، أبو النظريات كلها، من كلمة أب. إن تاريخ نظرية الأوتار لم ينته بعد.

لم يتم إثبات نظرية الأوتار بعد، ولكن لم يتم دحضها أيضًا.

المشكلة الرئيسية في النظرية هي عدم وجود أدلة مباشرة. نعم، تترتب عليه نظريات أخرى، يضيف العلماء 2 و 2، فينتج 4. لكن هذا لا يعني أن الأربعة تتكون من اثنين. لم تكتشف التجارب التي أجريت في مصادم الهادرونات الكبير بعد التناظر الفائق، الذي من شأنه أن يؤكد الأساس الهيكلي الموحد للكون وسيصب في مصلحة مؤيدي فيزياء الأوتار. لكن لا يوجد إنكار أيضًا. ولذلك، فإن الرياضيات الأنيقة لنظرية الأوتار لا تزال تثير عقول العلماء، واعدة بحلول لجميع أسرار الكون.

عند الحديث عن نظرية الأوتار، لا يسع المرء إلا أن يذكر بريان جرين، الأستاذ في جامعة كولومبيا والمروج الدؤوب للنظرية. يلقي جرين محاضرات ويظهر على شاشة التلفزيون. في عام 2000 صدر كتابه "الكون الأنيق". "الأوتار الفائقة والأبعاد الخفية والبحث عن النظرية النهائية" كان أحد المرشحين النهائيين لجائزة بوليتزر. في عام 2011، لعب دوره في الحلقة 83 من The Big Bang Theory. في عام 2013، زار معهد موسكو للفنون التطبيقية وأجرى مقابلة مع Lenta-ru.

إذا كنت لا تريد أن تصبح خبيرًا في نظرية الأوتار، ولكنك تريد أن تفهم نوع العالم الذي تعيش فيه، فتذكر ورقة الغش هذه:

1. يتكون الكون من خيوط من الطاقة – أوتار كمومية – تهتز مثل الأوتار الات موسيقية. تعمل ترددات الاهتزاز المختلفة على تحويل الأوتار إلى جزيئات مختلفة.
2. يمكن أن تكون نهايات الأوتار حرة، أو يمكن أن تغلق على بعضها البعض، وتشكل حلقات. الأوتار تنغلق وتفتح وتتبادل الطاقة مع أوتار أخرى بشكل مستمر.
3. توجد الأوتار الكمومية في الكون ذي الـ 11 بُعدًا. يتم طي الأبعاد السبعة الإضافية في أشكال صغيرة مراوغة من الزمكان، لذلك لا نراها. وهذا ما يسمى ضغط الأبعاد.
4. إذا عرفنا بالضبط كيف يتم طي الأبعاد في عالمنا، فقد نتمكن من السفر عبر الزمن وإلى النجوم الأخرى. لكن هذا غير ممكن حتى الآن - فهناك الكثير من الخيارات التي يتعين عليك اتباعها. سيكون هناك ما يكفي منهم لجميع الأكوان الممكنة.
5. يمكن لنظرية الأوتار أن توحد جميع النظريات الفيزيائية وتكشف لنا أسرار الكون - وهناك كل المتطلبات الأساسية لذلك. لكن لا يوجد دليل حتى الآن.
6. ومن المنطقي أن تنبع اكتشافات العلم الحديث الأخرى من نظرية الأوتار. لسوء الحظ، هذا لا يثبت أي شيء.
7. لقد نجت نظرية الأوتار من ثورتين للأوتار الفائقة وسنوات عديدة من النسيان. يعتبره بعض العلماء خيالًا علميًا، بينما يعتقد البعض الآخر أن التقنيات الجديدة ستساعد في إثبات ذلك.
8. الشيء الأكثر أهمية: إذا كنت تخطط لإخبار أصدقائك عن نظرية الأوتار، فتأكد من عدم وجود فيزيائي بينهم - ستوفر الوقت والأعصاب. وستبدو مثل بريان جرين في كلية الفنون التطبيقية: