Del 1
Det eneste problem er at acceptere denne teori som fysisk, den er for matematisk. Hvorfor?
Fordi det skylder sit udseende til en enkel funktion - Eulers betafunktion er faktisk ikke så kompleks, som den ser ud ved første øjekast. Denne funktion studeres i løbet af matematisk analyse.
Så hvorfor netop denne funktion var begyndelsen på en så stor og forvirrende teori?
Eulers beta-funktion (Graf over beta-funktionen med ægte argumenter).
I 1968 forsøgte en ung italiensk teoretisk fysiker Gabriele Veneziano at beskrive, hvordan partikler i en atomkerne interagerer: protoner og neutroner. Forskeren havde et strålende gæt. Han indså, at alle de mange egenskaber ved partikler i et atom kan beskrives med en matematisk formel (Eulers beta-funktion). Det blev opfundet for to hundrede år siden af den schweiziske matematiker Leonard Euler og beskrev integraler i matematisk analyse.
Veneziano brugte det i sine beregninger, men forstod ikke, hvorfor hun arbejdede inden for dette fysiske område. Den fysiske betydning af formlen blev opdaget i 1970 af de amerikanske forskere Yoichiro Nambu, Leonard Susskind, samt deres danske kollega Holger Nielsen. De antydede, at elementære partikler er små vibrerende endimensionelle strenge, mikroskopiske energistrenge. Hvis disse strenge er så små, forklarede forskerne, vil de stadig ligne punktpartikler og vil derfor ikke påvirke resultaterne af eksperimenterne. Sådan kom strengteori.
I lang tid har filosofer diskuteret, om universet har en bestemt oprindelse, eller om det altid har eksisteret. Generel relativitet indebærer endeligheden af universets "liv" - det ekspanderende univers burde have opstået som et resultat af Big Bang.
Salgsfremmende video:
I begyndelsen af Big Bang virkede imidlertid relativitetsteorien ikke, da alle processer, der fandt sted på det tidspunkt var af kvante karakter. I strengteori, der hævder at være kvanteteorien om tyngdekraften, introduceres en ny grundlæggende fysisk konstant - det minimale kvante af længde (dvs. den korteste længde i essensen). Som et resultat bliver det gamle scenarie af universet født i Big Bang uholdbart.
Rum på kvanteniveau.
Strenge er de mindste objekter i universet. Strengernes størrelse kan sammenlignes med Planck-længden (10 ^ –33 cm). I henhold til strengteori er dette den minimale længde, som et objekt i universet kan have.
Big Bang fandt stadig sted, men stoffets tæthed i det øjeblik var ikke uendelig, og universet kan have eksisteret før det. Strengteoriens symmetri antyder, at tiden ikke har nogen begyndelse eller slutning. Universet kunne have opstået næsten tomt og dannet på tidspunktet for Big Bang eller gå gennem flere cykler af død og genfødelse. Under alle omstændigheder havde æraen før Big Bang en enorm indflydelse på det moderne rum.
I vores ekspanderende univers spredes galakser som en spredt skare. De bevæger sig væk fra hinanden med en hastighed, der er proportional med afstanden mellem dem: galakser, der er adskilt med 500 millioner lysår, spreder sig dobbelt så hurtigt som galakser, adskilt med 250 millioner lysår. Således burde alle de galakser, vi observerer, være startet samtidig fra det samme sted på Big Bang-tidspunktet. Dette er sandt, selvom den kosmiske ekspansion gennemgår perioder med acceleration og deceleration. I rum- og tidsdiagrammer kører galakser langs svingete stier til og fra den observerbare del af rummet (gul kil). Det vides imidlertid endnu ikke nøjagtigt, hvad der skete i det øjeblik, hvor galakser (eller deres forgængere) begyndte at flyve fra hinanden.
Universets historie.
I standard Big Bang-modellen (vist til venstre), baseret på generel relativitet, var afstanden mellem to galakser på et tidspunkt i vores fortid nul. Indtil da er tiden meningsløs.
Og i modeller, der tager højde for kvanteeffekter (i figuren til højre), blev i øjeblikket lanceringen adskilt to galakser med en bestemt minimumsafstand. Sådanne scenarier udelukker ikke muligheden for, at universet eksisterer før Big Bang.
Del 2
Og nu vil jeg prøve at fortælle dig, hvorfor der er så mange af disse teorier: strengteori, superstringer, M-teori.
Flere detaljer om hver af teorierne:
Stringteori:
Som du og jeg allerede ved, er strengteori en rent matematisk teori, der siger, at alt i vores verden (og ikke også i vores) er en konsekvens af "vibrationerne" af mikroskopiske objekter i Planck-længdenes rækkefølge.
Måske er al stof lavet af strenge.
Strengens egenskaber ligner en violinstreng. Hver streng kan lave et enormt (faktisk uendeligt) antal forskellige vibrationer, kendt som resonansvibrationer. Dette er vibrationer, hvor afstanden mellem maksima og minima er den samme, og nøjagtigt et heltal af maksima og minima passer mellem strengens faste ender. For eksempel opfatter det menneskelige øre resonansvibrationer som forskellige musiknoter. Strenge har lignende egenskaber i strengteori. De kan udføre resonansvibrationer, hvor nøjagtigt et heltal antal jævnt fordelt maksima og minima passer langs strengene. På samme måde som forskellige tilstande (et sæt typer af harmoniske vibrationer typisk for et svingende system) af resonansvibrationer af violinstrenge giver anledning til forskellige musiknoterforskellige vibrationsformer for de grundlæggende strenge giver anledning til forskellige masser og koblingskonstanter.
I henhold til den specielle relativitetsteori er energi og masse (E er lig med em kvadrat:) to sider af den samme mønt: jo mere energi, jo mere masse og vice versa. Og ifølge strengteori bestemmes massen af en elementær partikel af vibrationsenergien i den indre streng i denne partikel. De indvendige strenge af tungere partikler vibrerer mere intenst, mens strengene af lette partikler vibrerer mindre intenst.
Vigtigst er, at egenskaberne for en af strengtilstande er nøjagtigt de samme som gravitonets egenskaber, hvilket sikrer, at tyngdekraften er en integreret del af strengteorien.
Jeg vil ikke gå nærmere på detaljer om strengernes "geometri", jeg vil bare sige, at masseløse partikler, som kan være fotoner, kommer fra vibrationer eller åbne eller lukkede strenge. Gravitoner kommer kun fra vibrationer fra lukkede strenge eller løkker. Strengene interagerer med hinanden for at danne sløjfer. Større partikler (kvarker, elektroner) opstår fra disse løkker. Massen af disse partikler afhænger af energien, der frigøres af løkken, når den vibrerer.
I strengteori kan der kun være to grundlæggende konstanter (i andre teorier er der mange flere konstanter, selv de mest grundlæggende. For eksempel kræver standardmodellen 26 konstanter). En, kaldet strengspænding, beskriver hvor meget energi der er pr. Enhedens længde på strengen. Den anden, kaldet strengkoblingskonstanten, er et tal, der angiver sandsynligheden for, at en streng bryder i to strenge, henholdsvis forårsager kræfter; da det er en sandsynlighed, er det bare et tal, ingen dimensionelle enheder.
Superstring teori:
Alt, hvad der er at vide og forstå fra denne sætning, er, at denne teori er en generaliseret strengteori. I denne teori betragtes alt ud fra supersymmetri - … MEN!
Inden vi går videre til at diskutere supersymmetri, lad os huske begrebet spin. Spin er det iboende vinkelmomentum, der er iboende i hver partikel. Det måles i enheder med Plancks konstante og kan være hele eller halvt hele. Spin er en udelukkende kvantemekanisk egenskab, den kan ikke repræsenteres ud fra det klassiske synspunkt. Et naivt forsøg på at fortolke elementære partikler som små "kugler" og dreje - som deres rotation er i modstrid med den specielle relativitetsteori, da punkter på kuglernes overflade derefter skal bevæge sig hurtigere end lys. Elektroner har spin 1/2, fotoner har spin 1.
Supersymmetri er symmetrien mellem partikler med heltal og halv-heltal spin.
Kort sagt består det i at konstruere teorier, hvis ligninger ikke ville ændre sig, når felter med heltalspind omdannes til felter med halvtalsspind og vice versa. Siden da er tusinder af artikler skrevet, alle modeller af kvantefeltteori er blevet underkastet supersymmetrizering, og et nyt matematisk apparat er blevet udviklet, der tillader opbygning af supersymmetriske teorier.
Partikler, der er kendte i naturen, er i henhold til deres spin underopdelt i bosoner (hele spin) og fermions (halvtals-spin). De første partikler er bærere af interaktioner, for eksempel en foton, der bærer elektromagnetiske interaktioner, en gluon, der bærer stærke atomkraft, og en graviton, der bærer gravitationskræfter. Den anden består af det spørgsmål, som vi er lavet af, som f.eks. En elektron eller en kvark.
Fermioner (partikler, der overholder Fermi-Dirac-statistik) og bosoner (partikler, der adlyder Bose-Einstein-statistikker) kan eksistere sameksistent i det samme fysiske system. Et sådant system vil have en speciel slags symmetri - den såkaldte supersymmetri, der kortlægger bosoner til fermioner og vice versa. Dette kræver naturligvis et lige så stort antal bosoner og fermioner, men betingelserne for eksistensen af supersymmetri er ikke begrænset til dette. Supersymmetriske systemer lever i superspace. Superspace opnås fra almindelig rumtid, når fermioniske koordinater føjes til det. I en superspace-formulering ligner supersymmetri-transformationer som rotationer og oversættelser i almindeligt rum. Og partiklerne og felterne, der lever i det, er repræsenteret af et sæt partikler eller felter i det almindelige rum, og et sådant sæt,hvor det kvantitative forhold mellem bosoner og fermioner er strengt fastlagt, såvel som nogle af deres egenskaber (primært spins). Partikelfelter inkluderet i et sådant sæt kaldes superpartnere.
Så konventionel strengteori beskrev kun partikler, der var bosoner, så den blev kaldt bosonisk strengteori. Men hun beskrev ikke fermioner. Derfor var kvarker og elektroner for eksempel ikke inkluderet i bosonisk strengteori.
Men ved at tilføje supersymmetri til bosonisk strengteori, fik vi en ny teori, der beskriver både kræfter og det stof, der udgør universet. Det kaldes superstring teori.
Der er tre forskellige superstringsteorier, der giver mening, dvs. uden matematiske uoverensstemmelser. I to af disse er det grundlæggende objekt den lukkede streng, mens den tredje streng er den tredje byggesten. Ved at blande de bedste aspekter af bosonisk strengteori og superstringsteori har vi desuden fået ensartede strengteorier - heterotiske strengteorier.
Således er en superstring en supersymmetrisk streng, det vil sige, den er stadig en streng, men den lever ikke i vores sædvanlige rum, men i superspace.
M-teori:
I midten af 1980'erne kom teoretikere til den konklusion, at supersymmetri, som er central i strengteorien, ikke kan integreres i den ikke på én, men på fem forskellige måder, hvilket fører til fem forskellige teorier: type I, type IIA og IIB og to heterotiske streng teorier. Af grunde af sund fornuft (to versioner af den samme fysiske lov kan ikke fungere samtidig), blev det antaget, at kun en af dem kunne påstå rollen som en "teori om alting", desuden den, der ved lave energier og komprimeres (dvs. størrelser af Planck-længder.
Det viser sig, at vi bare observerer vores 4-dimensionelle univers uden disse 6 dimensioner, som vi simpelthen ikke ser) seks yderligere dimensioner ville være i overensstemmelse med reelle observationer. Der blev stadig spørgsmål om, hvilken teori der var mere passende, og hvad man skulle gøre med de fire andre teorier.
Essensen:
Hvis størrelsen på den kompakte dimension i dette tilfælde viser sig at være i størrelsesordenen på strengenes størrelse (10 til -33 grader af en centimeter), kan vi på grund af denne dimensioner simpelthen ikke se den direkte. I sidste ende vil vi få vores (3 + 1) -dimensionelle rum, hvor et lille 6-dimensionelt rum svarer til hvert punkt i vores 4-dimensionelle univers.
Forskning har vist, at dette naive synspunkt er forkert. I midten af 1990'erne fandt Edward Witten og andre teoretiske fysikere stærke beviser for, at alle fem superstringsteorier er tæt knyttet til hinanden, hvilket er forskellige begrænsende tilfælde af en enkelt 11-dimensionel grundlæggende teori. Denne teori kaldes M-teori.
Da Witten gav navnet M-teori, specificerede han ikke, hvad M stod for, formodentlig fordi han ikke følte sig ret til at navngive en teori, som han ikke fuldt ud kunne beskrive. Antagelser om, hvad M måtte stå for, er blevet et spil blandt teoretiske fysikere. Nogle siger, at M betyder "Mystisk", "Magisk" eller "Mor". Mere alvorlige antagelser er "Matrix" og "Membrane". Nogen bemærkede, at M kan være et inverteret W - det første bogstav i navnet Witten (Witten). Andre antyder, at M i M-teori skulle betyde Manglende eller endda grumt.
Udviklingen af 11-dimensionel M-teori gjorde det muligt for fysikere at se ud over det tidspunkt, før Big Bang fandt sted.
Braner i 10-11 dimensionelt rum kolliderer og skaber en Big Bang på * overfladen * af klodrene …
Der blev skabt en teori, hvorefter vores univers er en konsekvens af kollisionen mellem objekter i et andet univers, som igen kan være utallige. Videregivelsen af et spørgsmål førte således til endnu flere spørgsmål.
M-teori blev taget af forskere som teorien om alt. Det vil sige, denne teori er velegnet til at forklare alt: hvordan universet blev født, hvad der var før universets fødsel, svarer på spørgsmålet om tidens eksistens før universets fødsel (tid eksisterede allerede før universets fødsel) afslører universets fremtid.
Del 3
Strengehuller:
Den nu almindeligt accepterede teori om sorte huller, fremsat for 40 år siden af fysikeren John Wheeler, siger, at efter en stjerne "brænder ud", komprimeres dens rester med en sådan kraft, at tiltrækningskraften overstiger repulsionens kraft, og som et resultat forbliver en singularitet: punktet i rummet, hvor materien er placeret i en tilstand af "uendelig tæthed". Singulariteten er omgivet af den såkaldte "begivenhedshorisont", en hypotetisk grænse, der ikke er i stand til at overvinde sagen og energien deri. De "trækkes" ind i det sorte hul og forbliver inde for evigt.
Repræsentation af et sort hul.
Det er denne "evigt", der rejser spørgsmål.
I 1975 etablerede den største sorte hulteoretiker Stephen Hawking fra University of Cambridge (omend kun teoretisk), at sorte huller langsomt men uundgåeligt fordamper. I overensstemmelse med kvantemekanikens love koges konstant par af "virtuelle" partikler og antipartikler i tomt rum. Hawking viste, at tyngdenergien fra sorte huller kan overføres til "virtuelle" partikler lige i begivenhedshorisonten. I dette tilfælde bliver de "virtuelle" partikler virkelige og går ud over horisonten sammen med positiv energi i form af Hawking-stråling. Med tiden fordamper det sorte hul.
Hawking strålingstemperatur (stråling nær begivenhedshorisonten med sort hul med et termisk spektrum):
Sort hul strålingstemperatur
hvor er Plancks konstante, c er lysets hastighed i vakuum, k er Boltzmanns konstante, G er gravitationskonstanten, og til sidst er M massen af det sorte hul. For eksempel er det let at beregne, at et sort hul med en masse på 2 * 10 ^ 30 kg (solens masse) vil have en strålingstemperatur lig med 6,35 * 10 ^ (- 8) Kelvin. Dette er en meget lav temperatur, også sammenlignet med universets baggrundsstråling med en temperatur på 2,7 Kelvin.
Men temperaturerne i de sorte huller, som astronomerne kender, er for lave til at detektere stråling fra dem - masserne af huller er for store. Derfor er effekten endnu ikke bekræftet af observationer.
Denne opfattelse fører imidlertid til et "informationsparadoks". Det viser sig, at ifølge relativitetsteorien går information om stof, der falder ned i et sort hul, tabt, mens kvantemekanik hævder, at information i sidste ende kan undslippe udad.
Hawking bemærkede, at den kaotiske karakter af Hawkings stråling betyder, at energi sprænger ud, men information er det ikke. I 2004 skiftede han imidlertid mening - og dette er kun et af punkterne i moderne videnskab, der reviderede alle dens synspunkter på sorte huller.
Faktum er, at nu teoretikere forsøger at "prøve" på sorte huller (og alle teoretiske uoverensstemmelser forbundet med dem) strengteori. Stringteori er nu det bedste forsøg på at kombinere generel relativitet og kvantemekanik, da strengene i sig selv bærer en tyngdekraft, og deres vibration er tilfældig, som forudsagt af kvantemekanikken.
I 1996 besluttede Andrew Strominger og Kamran Wafa fra Harvard University at nærme sig informationsparadoksproblemet ved at definere, hvordan et sort hul kunne bygges indefra.
Det viste sig, at strengteori tillader konstruktion af ekstremt tætte og småskalige strukturer fra selve strengene og andre genstande beskrevet af teorien, hvoraf nogle har mere end tre dimensioner. Og disse strukturer opførte sig ligesom sorte huller: Deres gravitationstryk frigiver ikke lys ud.
Antallet af måder at organisere strenge på i sorte huller er overvældende. Og det mest interessante er, at denne værdi helt falder sammen med værdien af det sorte hul-entropi, som Hawking og hans kollega Bekenstein beregnet tilbage i 70'erne.
At bestemme antallet af mulige strengkombinationer er imidlertid ikke alt. I 2004 begyndte Ohio State University's team Samir Matura at afklare det mulige arrangement af strenge inde i et sort hul. Det viste sig, at strengene næsten altid er forbundet, så de danner en enkelt - stor og meget fleksibel - streng, men meget større end point-singulariteten.
Matura-gruppen har beregnet de fysiske dimensioner af flere "streng" sorte huller (som gruppemedlemmerne foretrækker at kalde fuzzballs - "fluff bolde" eller stringede stjerner - "strengstjerner"). De blev overrasket over at finde ud af, at størrelsen på disse strengformationer faldt sammen med størrelsen på "begivenhedshorisonten" i den traditionelle teori.
I denne forbindelse foreslog Mathur, at den såkaldte. "Begivenhedshorisonten" er faktisk en "skummende masse af strenge", ikke en stift afgrænset grænse.
Og at et sort hul ikke rent faktisk ødelægger information af grunden, for eksempel at der simpelthen ikke er nogen entydighed i sorte huller. Massen af strengene er fordelt over hele volumen op til begivenhedshorisonten, og information kan gemmes i strenge og præciseres på den udgående Hawking-stråling (og derfor gå ud over begivenhedsgrænsen).
Både Wafa og Mathur indrømmer imidlertid, at dette billede er meget foreløbigt. Matura har endnu ikke testet, hvordan hans model passer ind i store sorte huller, eller forstår, hvordan sorte huller udvikler sig.
En anden mulighed blev foreslået af Gary Horowitz fra University of California i Santa Barbara og Juan Maldasena fra Princeton Institute for Advanced Study. Ifølge disse forskere eksisterer singulariteten i midten af det sorte hul stadig, men information kommer simpelthen ikke ind i det: materie går ind i singulariteten, og information - gennem kvanteteleportering - er præget af Hawking-stråling. Mange fysikere bestrider dette synspunkt og afviser muligheden for øjeblikkelig overførsel af information.
Ekstreme sorte huller:
Diversitet (Euklidisk rum er det enkleste eksempel på mangfoldighed. Et mere komplekst eksempel er jordoverfladen. Det er muligt at lave et kort over ethvert område af jordoverfladen, for eksempel et kort over halvkuglen, men det er umuligt at tegne et enkelt (uden pauser) kort over hele dens overflade) langs hvilken en streng kan bevæge sig kaldes en D-brane eller Dp-brane (når man bruger den anden notation, er 'p' et heltal, der karakteriserer antallet af rumlige dimensioner af manifolden). Et eksempel er to strenge, der har en eller begge ender fastgjort til en 2-dimensionel D-brane eller D2-brane:
D-branes kan have et antal rumlige dimensioner fra -1 til antallet af rumlige dimensioner i vores rumtid. Selve ordet 'klid' kommer fra ordet 'membran', som er en to-dimensionel overflade.
Hvorfor jeg skrev om det her, men her:
Branes gjorde det muligt at beskrive nogle specielle sorte huller i strengteori.
Forholdet mellem braner og sorte huller er indirekte, men overbevisende. Sådan fungerer det: Du starter med at slukke tyngdekraften (du gør dette ved at indstille strengkoblingen konstant (antallet, der repræsenterer sandsynligheden for, at en streng går i to strenge - en af de to grundlæggende konstanter i strengteori. Den første er strengets "spænding") på nul). Det kan virke mærkeligt at beskrive sorte huller, som ikke er andet end tyngdekraften, lad os se, hvad der sker dernæst. Når tyngdekraften er slukket, kan vi se på geometrier, hvor mange braner er indpakket omkring ekstra dimensioner. Vi bruger nu det faktum, at braner bærer elektriske og magnetiske opladninger. Det viser sig, at der er en grænse for, hvor meget ladning en brane kan have, denne grænse er relateret til branens masse. Maksimale ladekonfigurationer er meget specifikke og kaldes ekstreme. De inkluderer en af de situationer, hvor der er yderligere symmetrier, der tillader mere nøjagtige beregninger. Især er sådanne situationer kendetegnet ved tilstedeværelsen af adskillige supersymmetrier, der forbinder fermioner og bosoner.
Der er også den maksimale mængde elektrisk eller magnetisk ladning, et sort hul kan have og stadig er stabil. De kaldes ekstreme sorte huller og er blevet undersøgt af specialister i generel relativitet i mange år.
På trods af at tyngdekraften er slukket, deler det ekstreme bran-system nogle egenskaber med ekstreme sorte huller. Især er de termodynamiske egenskaber for de to systemer identiske. Ved at studere termodynamikken i ekstreme klodser, der er indpakket omkring ekstra dimensioner, kan man gengive de termodynamiske egenskaber ved ekstreme sorte huller.
Et af problemerne i fysik med sorte huller var forklaringen på opdagelsen af Jacob Bekenstein og Stephen Hawking om, at sorte huller har entropi og temperatur. Den nye idé fra strengteori er (i tilfælde af ekstreme sorte huller), at du kan gå foran i at udforske lignende systemer med ekstreme klodser, der er indpakket omkring ekstra dimensioner. Faktisk er mange af egenskaberne for de to systemer nøjagtig de samme. Denne næsten overnaturlige sammenfald opstår, fordi der i begge tilfælde er flere forskellige supersymmetriske transformationer, der forbinder fermioner og bosoner. Det viser sig, at de tillader os at konstruere en overbevisende matematisk analogi, der gør termodynamikken i to systemer til at være identiske.
***
* Termodynamik af et sort hul (egenskaber):
- Tyngdekraften er den samme over hele overfladen af begivenhedshorisonten
- Området med begivenhedshorisonten for et sort hul kan ikke aftage med tiden i nogen klassisk proces.
- I alle processer, der ikke er ligevægt, involverer sorte huller (for eksempel når de kolliderer), øges overfladearealet.