نظرية الأوتار بعبارات بسيطة. ما هي نظرية الأوتار بعبارات بسيطة

هل فكرت يومًا أن الكون يشبه التشيلو؟ هذا صحيح - لم تأت. لأن الكون ليس مثل التشيلو. لكن هذا لا يعني أنها بلا قيود. لنتحدث اليوم عن نظرية الأوتار.

بالطبع ، أوتار الكون لا تكاد تشبه تلك التي نتخيلها. في نظرية الأوتار ، هذه خيوط طاقة متذبذبة صغيرة بشكل لا يصدق. هذه الخيوط تشبه إلى حد ما "الأربطة المطاطية" الصغيرة التي يمكن أن تلتوي وتمتد وتتقلص بكل الطرق. كل هذا ، مع ذلك ، لا يعني أنه من المستحيل "عزف" سيمفونية الكون عليها ، لأنه ، وفقًا لمنظري الأوتار ، كل ما هو موجود يتكون من هذه "الخيوط".

تناقض فيزيائي

في النصف الثاني من القرن التاسع عشر ، اعتقد الفيزيائيون أنه لم يعد بالإمكان اكتشاف أي شيء جاد في علمهم. اعتقدت الفيزياء الكلاسيكية أنه لا توجد مشاكل خطيرة متبقية فيها ، وبدا هيكل العالم بأكمله وكأنه آلة تم تصحيحها تمامًا ويمكن التنبؤ بها. كالمعتاد ، حدثت المشكلة بسبب الهراء - إحدى "الغيوم" الصغيرة التي لا تزال في سماء العلم الصافية والمفهومة. وبالتحديد ، عند حساب الطاقة الإشعاعية لجسم أسود تمامًا (جسم افتراضي يمتص تمامًا الإشعاع الساقط عليه عند أي درجة حرارة ، بغض النظر عن الطول الموجي - NS).

أظهرت الحسابات أن إجمالي الطاقة الإشعاعية لأي جسم أسود تمامًا يجب أن يكون كبيرًا بشكل لا نهائي. للابتعاد عن مثل هذه العبثية الواضحة ، اقترح العالم الألماني ماكس بلانك في عام 1900 أن الضوء المرئي والأشعة السينية وغيرها من الموجات الكهرومغناطيسية يمكن أن تنبعث فقط من بعض الأجزاء المنفصلة من الطاقة ، والتي أطلق عليها الكوانتا. بمساعدتهم ، كان من الممكن حل مشكلة معينة تتعلق بجسم أسود تمامًا. ومع ذلك ، فإن الآثار المترتبة على فرضية الكم على الحتمية لم تتحقق بعد. حتى وضع عالم ألماني آخر ، فيرنر هايزنبرغ ، مبدأ عدم اليقين الشهير في عام 1926.

يتلخص جوهرها في حقيقة أنه ، على عكس كل التأكيدات السائدة من قبل ، فإن الطبيعة تحد من قدرتنا على التنبؤ بالمستقبل على أساس القوانين الفيزيائية. نحن نتحدث بالطبع عن مستقبل وحاضر الجسيمات دون الذرية. اتضح أنهم يتصرفون بشكل مختلف تمامًا عن الطريقة التي تعمل بها الأشياء في الكون الكبير من حولنا. على المستوى دون الذري ، يصبح نسيج الفضاء متفاوتًا وفوضويًا. عالم الجسيمات الدقيقة مضطرب للغاية وغير مفهوم لدرجة أنه يتحدى الفطرة السليمة. المكان والزمان فيه ملتويان ومتشابكان لدرجة أنه لا توجد مفاهيم معتادة لليسار واليمين ، أعلى وأسفل ، وحتى قبل وبعد.

لا توجد طريقة للقول على وجه اليقين في أي نقطة في الفضاء يكون هذا الجسيم أو ذاك في لحظة معينة ، وما هي لحظة زخمه. لا يوجد سوى احتمال معين للعثور على جسيم في مجموعة متنوعة من مناطق الزمكان. يبدو أن الجسيمات على المستوى دون الذري "ملطخة" في الفضاء. علاوة على ذلك ، لم يتم تعريف "حالة" الجسيمات أيضًا: في بعض الحالات تتصرف مثل الموجات ، وفي حالات أخرى تظهر خصائص الجسيمات. هذا ما يسميه الفيزيائيون ثنائية الموجة والجسيم لميكانيكا الكم.

مستويات بنية العالم: 1. المستوى الماكروي - المادة 2. المستوى الجزيئي 3. المستوى الذري - البروتونات والنيوترونات والإلكترونات 4. المستوى دون الذري - الإلكترون 5. المستوى دون الذري - الكواركات 6. مستوى السلسلة

في النظرية العامة للنسبية ، كما لو كان الوضع في حالة مع قوانين معاكسة ، يختلف الوضع اختلافًا جوهريًا. يبدو أن الفضاء يشبه الترامبولين - وهو نسيج أملس يمكن للأشياء ذات الكتلة أن تنحني وتمتد. إنها تخلق تشوهات للزمكان - ما نختبره بالجاذبية. وغني عن القول أن النظرية العامة المتناغمة والصحيحة والمتوقعة للنسبية هي في صراع غير قابل للحل مع "المشاغبين غريب الأطوار" - ميكانيكا الكم ، ونتيجة لذلك ، لا يمكن للعالم الكبير أن "يصنع السلام" مع العالم المصغر. هذا هو المكان الذي تأتي فيه نظرية الأوتار.

2D الكون. مجمل نظرية E8 رسم بياني متعدد السطوح

تجسد نظرية الأوتار حلم جميع الفيزيائيين بتوحيد النسبية العامة المتناقضة بشكل أساسي وميكانيكا الكم ، وهو الحلم الذي ظل حتى نهاية أيامه يطارد أعظم "الغجر والمتشرد" ألبرت أينشتاين.

يعتقد العديد من العلماء أن كل شيء من الرقص الرائع للمجرات إلى الرقص المجنون للجسيمات دون الذرية يمكن تفسيره في النهاية من خلال مبدأ فيزيائي أساسي واحد فقط. ربما - حتى قانون واحد يوحد كل أنواع الطاقة والجسيمات والتفاعلات في صيغة ما أنيقة.

تصف النسبية العامة إحدى أشهر قوى الكون - الجاذبية. تصف ميكانيكا الكم ثلاث قوى أخرى: القوة النووية الشديدة ، التي تلتصق بالبروتونات والنيوترونات معًا في الذرات ، والقوة الكهرومغناطيسية ، والقوة الضعيفة ، التي تشارك في الانحلال الإشعاعي. أي حدث في الكون ، من تأين الذرة إلى ولادة نجم ، يوصف بتفاعلات المادة من خلال هذه القوى الأربع.

باستخدام الرياضيات الأكثر تعقيدًا ، كان من الممكن إظهار أن التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة لها طبيعة مشتركة ، وتجمعها في واحدة كهروضعيفة واحدة. بعد ذلك ، تمت إضافة تفاعل نووي قوي إليهم - لكن الجاذبية لا تربطهم بأي شكل من الأشكال. تعتبر نظرية الأوتار من أخطر المرشحين للجمع بين جميع القوى الأربع ، وبالتالي احتضان جميع الظواهر في الكون - فليس من دون سبب أن يطلق عليها أيضًا "نظرية كل شيء".

في البداية كانت هناك أسطورة

حتى الآن ، ليس كل الفيزيائيين متحمسين لنظرية الأوتار. وفي فجر ظهورها ، بدت بعيدة كل البعد عن الواقع. ولادتها أسطورة.

مؤامرة دالة أويلر بيتا مع الحجج الحقيقية

في أواخر الستينيات من القرن الماضي ، كان عالم الفيزياء النظرية الإيطالي الشاب غابرييل فينيزيانو يبحث عن معادلات يمكن أن تفسر التفاعلات النووية القوية - "غراء" قوي للغاية يربط نوى الذرات معًا ، ويربط معًا البروتونات والنيوترونات. وفقًا للأسطورة ، عثر بطريق الخطأ على كتاب مغبر عن تاريخ الرياضيات ، وجد فيه وظيفة منذ مائتي عام ، كتبها عالم الرياضيات السويسري ليونارد أويلر. تخيل مفاجأة فينيزيانو عندما اكتشف أن وظيفة أويلر ، والتي لوقت طويللا يعتبر أكثر من فضول رياضي ، يصف هذا التفاعل القوي.

كيف كانت حقا؟ ربما كانت الصيغة نتيجة سنوات عديدة من العمل من قبل فينيزيانو ، وساعدت الصدفة فقط في اتخاذ الخطوة الأولى نحو اكتشاف نظرية الأوتار. أخذت وظيفة أويلر ، التي فسرت بأعجوبة التفاعل القوي ، حياة جديدة.

في النهاية ، لفت انتباه الفيزيائي الأمريكي الشاب ليونارد سسكيند ، الذي رأى أن الصيغة وصفت أولاً وقبل كل شيء الجسيمات التي ليس لها بنية داخلية ويمكن أن تهتز. تصرفت هذه الجسيمات بطريقة لا يمكن أن تكون مجرد جسيمات نقطية. أدرك ساسكيند أن الصيغة تصف خيطًا يشبه الشريط المطاطي. لم تستطع فقط التمدد والانكماش ، ولكن أيضًا التردد والتلوي. بعد وصف اكتشافه ، قدم ساسكيند الفكرة الثورية للأوتار.

لسوء الحظ ، استقبلت الغالبية العظمى من زملائه النظرية ببرود إلى حد ما.

النموذج القياسي

في ذلك الوقت ، كان العلم السائد يمثل الجسيمات كنقاط وليس سلاسل. لسنوات ، درس الفيزيائيون سلوك الجسيمات دون الذرية ، واصطدامها بسرعات عالية ودراسة عواقب هذه الاصطدامات. اتضح أن الكون أغنى بكثير مما يمكن تخيله. لقد كان "انفجارًا سكانيًا" حقيقيًا للجسيمات الأولية. ركض طلاب الدراسات العليا في جامعات الفيزياء على طول الممرات وهم يصرخون بأنهم اكتشفوا جسيمًا جديدًا - لم يكن هناك ما يكفي من الأحرف لتعيينهم. لكن ، للأسف ، في "مستشفى الولادة" للجسيمات الجديدة ، لم يتمكن العلماء من العثور على إجابة للسؤال - لماذا يوجد الكثير منهم ومن أين أتوا؟

دفع هذا علماء الفيزياء إلى وضع تنبؤ غير عادي ومذهل - فقد أدركوا أن القوى المؤثرة في الطبيعة يمكن أيضًا تفسيرها باستخدام الجسيمات. أي أن هناك جسيمات من المادة ، وهناك جسيمات تحمل تفاعلات. هذا ، على سبيل المثال ، هو الفوتون - جسيم من الضوء. وكلما زاد عدد هذه الجسيمات الحاملة - نفس الفوتونات التي تتبادلها الجسيمات - زاد سطوع الضوء. تنبأ العلماء بأن هذا التبادل الخاص للجسيمات الحاملة ليس أكثر مما نعتبره قوة. تم تأكيد ذلك من خلال التجارب. هكذا تمكن الفيزيائيون من الاقتراب من حلم أينشتاين بتوحيد القوى.

يعتقد العلماء أننا إذا تقدمنا ​​سريعًا إلى اللحظة التي أعقبت الانفجار العظيم مباشرة ، عندما كان الكون أسخن بتريليونات درجات ، فإن الجسيمات الحاملة للكهرومغناطيسية والتفاعل الضعيف ستصبح غير قابلة للتمييز وستتحد في قوة واحدة تسمى الكهروضعيفة. وإذا عدنا إلى أبعد من ذلك في الوقت المناسب ، فإن التفاعل الكهروضعيف سوف يتحد مع التفاعل القوي في "قوة عظمى" واحدة.

بينما لا يزال كل هذا في انتظار الدليل ، أوضحت ميكانيكا الكم فجأة كيف تتفاعل ثلاث من القوى الأربع على المستوى دون الذري. وشرحت بشكل جميل ومتسق. أصبحت هذه الصورة الأنيقة للتفاعلات تُعرف في النهاية بالنموذج القياسي. لكن ، للأسف ، واجهت هذه النظرية المثالية مشكلة واحدة كبيرة - لم تتضمن القوة الأكثر شهرة على المستوى الكلي - الجاذبية.

التفاعلات بين الجسيمات المختلفة في النموذج القياسي
جرافيتون

بالنسبة لنظرية الأوتار ، التي لم يكن لديها وقت "لتزدهر" ، جاء "الخريف" ، واحتوت على الكثير من المشاكل منذ ولادتها. على سبيل المثال ، تنبأت حسابات النظرية بوجود جسيمات ، والتي ، كما تم تأسيسها بسرعة ، لم تكن موجودة. هذا هو ما يسمى بالتشيون - وهو جسيم يتحرك في فراغ أسرع من الضوء. من بين أمور أخرى ، اتضح أن النظرية تتطلب ما يصل إلى 10 قياسات. مما لا يثير الدهشة ، كان هذا محيرًا جدًا للفيزيائيين ، لأنه من الواضح أنه أكثر مما نراه.

بحلول عام 1973 ، كان عدد قليل من الفيزيائيين الشباب فقط ما زالوا يكافحون مع الحسابات المشفرة لنظرية الأوتار. كان أحدهم الفيزيائي النظري الأمريكي جون شوارتز. لمدة أربع سنوات ، حاول شوارتز ترويض المعادلات الشقية ، لكن دون جدوى. من بين المشاكل الأخرى ، استمرت إحدى هذه المعادلات في وصف جسيم غامض ليس له كتلة ولم يتم ملاحظته في الطبيعة.

قرر العالم بالفعل التخلي عن وظيفته السيئة ، ثم اتضح له - ربما تصف معادلات نظرية الأوتار ، من بين أمور أخرى ، الجاذبية؟ ومع ذلك ، فإن هذا يعني مراجعة حجم "الأبطال" الرئيسيين للنظرية - الأوتار. وبافتراض أن الأوتار أصغر بمليارات ومليارات المرات من الذرة ، فقد حوّل صانعو الأوتار عيب النظرية إلى مزاياها. الجسيم الغامض الذي حاول جون شوارتز بإصرار التخلص منه ، أصبح الآن بمثابة الجرافيتون - وهو الجسيم الذي تم البحث عنه لفترة طويلة والذي سيسمح بنقل الجاذبية إلى المستوى الكمي. هذه هي الطريقة التي استكملت بها نظرية الأوتار اللغز بالجاذبية غير الموجودة في النموذج القياسي. لكن ، للأسف ، لم يتفاعل المجتمع العلمي حتى مع هذا الاكتشاف. ظلت نظرية الأوتار على وشك البقاء. لكن هذا لم يمنع شوارتز. عالم واحد فقط على استعداد للمخاطرة بحياته المهنية من أجل سلاسل غامضة أراد الانضمام إلى بحثه - مايكل جرين.

دمى التعشيش دون الذرية

على الرغم من كل شيء ، في أوائل الثمانينيات ، كانت نظرية الأوتار لا تزال تحتوي على تناقضات غير قابلة للحل ، تسمى الحالات الشاذة في العلم. قام شوارتز وجرين بالعمل على القضاء عليها. ولم تذهب جهودهم عبثًا: فقد تمكن العلماء من إزالة بعض تناقضات النظرية. تخيل دهشة هذين ، المعتادين بالفعل على حقيقة أن نظريتهم تم تجاهلها ، عندما فجرت ردة فعل المجتمع العلمي العالم العلمي. في أقل من عام ، قفز عدد منظري الأوتار إلى المئات. عندها مُنحت نظرية الأوتار لقب نظرية كل شيء. نظرية جديدةبدا قادرًا على وصف جميع مكونات الكون. وهذه هي المكونات.

كل ذرة ، كما تعلم ، تتكون من جسيمات أصغر - إلكترونات ، تدور حول النواة ، والتي تتكون من البروتونات والنيوترونات. تتكون البروتونات والنيوترونات بدورها من جسيمات أصغر - كواركات. لكن نظرية الأوتار تقول أن الكواركات لا تنتهي عند هذا الحد. تتكون الكواركات من خيوط طاقة صغيرة ملتوية تشبه الأوتار. كل من هذه الأوتار صغيرة بشكل لا يصدق.

صغيرة بما يكفي لدرجة أنه إذا تم تكبير الذرة إلى حجم النظام الشمسي ، فإن الخيط سيكون بحجم الشجرة. مثلما تخلق الاهتزازات المختلفة لأوتار التشيلو ما نسمعه ، مثل النوتات الموسيقية المختلفة ، فإن أوضاع (أوضاع) اهتزاز الوتر المختلفة تعطي للجسيمات خصائصها الفريدة - الكتلة والشحنة وما إلى ذلك. هل تعرف كيف تختلف البروتونات الموجودة في طرف ظفرك نسبيًا عن الجرافيتون الذي لا يزال غير مفتوح؟ مجرد مجموعة من الأوتار الصغيرة التي تتكون منها والطريقة التي تهتز بها تلك الأوتار.

بالطبع ، كل هذا أكثر من مدهش. منذ العصور اليونان القديمةاعتاد علماء الفيزياء على حقيقة أن كل شيء في هذا العالم يتكون من شيء مثل الكرات والجسيمات الدقيقة. والآن ، نظرًا لعدم توفر الوقت الكافي للتعود على السلوك غير المنطقي لهذه الكرات ، الناشئة عن ميكانيكا الكم ، فقد تمت دعوتهم للتخلي تمامًا عن النموذج والعمل مع بعض قصاصات السباغيتي ...

البعد الخامس

على الرغم من أن العديد من العلماء يصفون نظرية الأوتار بأنها انتصار للرياضيات ، إلا أنها لا تزال تواجه بعض المشكلات - أولاً وقبل كل شيء ، عدم وجود أي فرصة لاختبارها تجريبيًا في المستقبل القريب. لا توجد أداة واحدة في العالم ، لا توجد ولا قادرة على الظهور في المنظور ، قادرة على "رؤية" الأوتار. لذلك ، بالمناسبة ، يطرح بعض العلماء السؤال التالي: هل نظرية الأوتار هي نظرية فيزياء أم فلسفة؟ .. صحيح ، ليس من الضروري على الإطلاق رؤية الأوتار "بأم عينيك". بدلاً من ذلك ، يتطلب إثبات نظرية الأوتار شيئًا آخر - ما يبدو مثل الخيال العلمي - تأكيدًا لوجود أبعاد إضافية للفضاء.

عن ماذا يتكلم؟ لقد اعتدنا جميعًا على ثلاثة أبعاد للفضاء ووقت واحد. لكن نظرية الأوتار تتنبأ بأبعاد أخرى - إضافية - أيضًا. لكن لنبدأ بالترتيب.

في الواقع ، نشأت فكرة وجود أبعاد أخرى منذ ما يقرب من مائة عام. حدث ذلك لعالم الرياضيات الألماني غير المعروف آنذاك تيودور كالوزا في عام 1919. اقترح إمكانية وجود بعد آخر في كوننا لا نراه. اكتشف ألبرت أينشتاين هذه الفكرة ، وفي البداية أحبها كثيرًا. لكن لاحقًا ، شكك في صحتها ، وأخر نشر كلوزة لمدة عامين كاملين. في النهاية ، ومع ذلك ، لا يزال المقال يُنشر ، وأصبح البعد الإضافي نوعًا من هواية عبقرية الفيزياء.

كما تعلم ، أظهر أينشتاين أن الجاذبية ليست أكثر من تشوه لأبعاد الزمكان. افترض كلوزة أن الكهرومغناطيسية يمكن أن تكون أيضًا تموجات. لماذا لا نراه؟ وجد كلوزة الإجابة على هذا السؤال - يمكن أن توجد تموجات الكهرومغناطيسية في بُعد إضافي مخفي. ولكن أين هو؟

قدم الفيزيائي السويدي أوسكار كلاين الإجابة على هذا السؤال ، الذي اقترح أن البعد الخامس لكلوزا أقوى بمليارات المرات من أبعاد ذرة واحدة ، لذلك لا يمكننا رؤيته. إن فكرة وجود هذا البعد الصغير الذي يحيط بنا هي في صميم نظرية الأوتار.

أحد الأشكال المقترحة لأبعاد الدوامات الإضافية. داخل كل من هذه الأشكال ، يهتز الوتر ويتحرك - المكون الرئيسي للكون. كل شكل سداسي الأبعاد - حسب عدد ستة أبعاد إضافية

عشرة أبعاد

لكن في الواقع ، لا تتطلب معادلات نظرية الأوتار واحدًا ، بل ستة أبعاد إضافية (في المجموع ، مع الأربعة التي نعرفها ، هناك بالضبط 10 منها). كل منهم لديه شكل معقد منحني ومنحني للغاية. وكلها صغيرة بشكل لا يمكن تصوره.

كيف يمكن لهذه الأبعاد الصغيرة أن تؤثر على عالمنا الكبير؟ وفقًا لنظرية الأوتار ، فإن العامل الحاسم هو أن الشكل يحدد كل شيء. عندما تضغط على مفاتيح مختلفة على الساكسفون ، تحصل على أصوات مختلفة. هذا لأنه عندما تضغط على مفتاح أو آخر أو مجموعة منهم ، فإنك تغير شكل الفراغ في آلة موسيقية حيث يدور الهواء. بفضل هذا ، تولد أصوات مختلفة.

تعتقد نظرية الأوتار أن الأبعاد المنحنية والملتوية الإضافية للفضاء تظهر بطريقة مماثلة. إن أشكال هذه الأبعاد الإضافية معقدة ومتنوعة ، وكل منها يجعل الخيط الموجود داخل هذه الأبعاد يهتز بطرق مختلفة على وجه التحديد بسبب أشكاله. بعد كل شيء ، إذا افترضنا ، على سبيل المثال ، أن أحد الوترين يهتز داخل إبريق ، والآخر داخل بوق عمود منحني ، فستكون هذه اهتزازات مختلفة تمامًا. ومع ذلك ، إذا تم تصديق نظرية الأوتار ، فإن الأشكال ذات الأبعاد الإضافية هي في الواقع أكثر تعقيدًا من الإبريق.

كيف يعمل العالم

يعرف العلم اليوم مجموعة من الأرقام التي تعتبر ثوابت أساسية للكون. إنهم يحددون خصائص وخصائص كل شيء من حولنا. من بين هذه الثوابت ، على سبيل المثال ، شحنة الإلكترون ، وثابت الجاذبية ، وسرعة الضوء في الفراغ ... وإذا قمنا بتغيير هذه الأرقام حتى ولو لمرات قليلة ، فإن العواقب ستكون كارثية. لنفترض أننا قمنا بزيادة قوة القوة الكهرومغناطيسية. ماذا حدث؟ قد نجد فجأة أن الأيونات أصبحت أكثر تنافرًا من بعضها البعض ، وأن الاندماج الحراري النووي ، الذي يجعل النجوم تتألق وتشع الحرارة ، قد تعطل فجأة. كل النجوم ستخرج.

ولكن ما علاقة نظرية الأوتار بأبعادها الإضافية بها؟ الحقيقة هي ، حسب رأيها ، أن الأبعاد الإضافية هي التي تحدد القيمة الدقيقة للثوابت الأساسية. تتسبب بعض أشكال القياس في اهتزاز خيط واحد بطريقة معينة ، وتوليد ما نراه كفوتون. في أشكال أخرى ، تهتز الأوتار بشكل مختلف وتولد إلكترونًا. حقًا ، الله مختبئ في "الأشياء الصغيرة" - هذه الأشكال الصغيرة هي التي تحدد جميع الثوابت الأساسية لهذا العالم.

نظرية الأوتار الفائقة

في منتصف الثمانينيات ، اتخذت نظرية الأوتار مظهرًا مهيبًا ونحيلًا ، ولكن ساد الارتباك داخل هذا النصب التذكاري. في غضون سنوات قليلة فقط ، ظهرت ما يصل إلى خمسة إصدارات من نظرية الأوتار. وعلى الرغم من أن كل منها مبني على سلاسل وأبعاد إضافية (تم دمج جميع الإصدارات الخمسة في نظرية الأوتار الفائقة العامة - NS) ، فقد تباينت تفاصيل هذه الإصدارات بشكل كبير.

لذلك ، في بعض الإصدارات ، كانت الأوتار لها نهايات مفتوحة ، وفي إصدارات أخرى كانت تشبه الحلقات. وفي بعض الإصدارات ، لم تتطلب النظرية 10 قياسات ، بل تتطلب 26 قياسًا. المفارقة هي أن جميع النسخ الخمسة اليوم يمكن وصفها بنفس القدر من الصحة. لكن أي واحد يصف كوننا حقًا؟ هذا لغز آخر في نظرية الأوتار. لهذا السبب تخلى العديد من الفيزيائيين مرة أخرى عن نظرية "الجنون".

لكن أكثر المشكلة الأساسيةالخيوط ، كما سبق ذكره ، في استحالة (على الأقل في الوقت الحالي) لإثبات وجودها تجريبيًا.

ومع ذلك ، لا يزال بعض العلماء يقولون أنه في الجيل القادم من المسرعات ، هناك فرصة ضئيلة للغاية ، ولكن لا تزال ، لاختبار فرضية الأبعاد الإضافية. على الرغم من أن الغالبية ، بالطبع ، على يقين من أنه إذا كان هذا ممكنًا ، فلن يحدث ذلك ، للأسف ، قريبًا جدًا - على الأقل خلال عقود ، على الأكثر - حتى بعد مائة عام.

بدراسة شاملة لكوننا ، يحدد العلماء عددًا من الانتظامات والحقائق ، والتي أصبحت فيما بعد قوانين مثبتة بالفرضيات. على أساسها ، تواصل دراسات أخرى المساهمة في دراسة شاملة للعالم بالأرقام.

إن نظرية الأوتار في الكون هي طريقة لتمثيل فضاء الكون ، الذي يتكون من خيوط معينة تسمى الأوتار والأغشية. ببساطة (بالنسبة للدمى) ، أساس العالم ليس الجسيمات (كما نعلم) ، بل عناصر الطاقة المهتزة التي تسمى الأوتار والأغشية. حجم الخيط صغير جدًا جدًا - حوالي 10-33 سم.

ما هو الغرض منه وهل كان مفيدًا؟ كانت النظرية بمثابة حافز لوصف مفهوم "الجاذبية".

نظرية الأوتار رياضية ، أي أن الطبيعة الفيزيائية موصوفة بالمعادلات. يوجد الكثير منهم ، لكن لا يوجد واحد حقيقي. لم يتم بعد تحديد الأبعاد المخفية تجريبيا للكون.

تعتمد النظرية على 5 مفاهيم:

1. يتكون العالم من خيوط مهتزة وأغشية طاقة.
2. من الناحية النظرية ، الأساس هو نظرية الجاذبية و فيزياء الكم.
3. توحد النظرية جميع القوى الرئيسية للكون.
4. تمتلك بوزونات الجسيمات والفرميونات نوعًا جديدًا من الاتصال - التناظر الفائق.
5. تصف النظرية قياسات في الكون لا يمكن ملاحظتها بالعين البشرية.

يمكن أن تساعدك المقارنة مع الجيتار على فهم نظرية الأوتار بشكل أفضل.

لأول مرة سمع العالم عن هذه النظرية في سبعينيات القرن العشرين. أسماء العلماء في تطوير هذه الفرضية:

• ويتن.
• فينيزيانو.
• لون أخضر؛
• أزداد؛
• كاكو.
• مالداسينا.
• بولياكوف.
• سسكيند.
• شوارتز.

اعتبرت خيوط الطاقة ذات بعد واحد - سلاسل. هذا يعني أن السلسلة لها بعد واحد - الطول (ليس هناك ارتفاع). هناك نوعان:

• مفتوحة ، حيث لا تلمس النهايات بعضها البعض ؛
• حلقة مغلقة.

تم العثور على أنهما قادران على التفاعل وهذه الخيارات 5. هذا يعتمد على القدرة على الاتصال وفصل النهايات. عدم وجود أوتار حلقية أمر مستحيل بسبب إمكانية الجمع بين الأوتار المفتوحة.

نتيجة لذلك ، يعتقد العلماء أن النظرية قادرة على وصف ليس اتحاد الجسيمات ، ولكن السلوك ، قوة الجاذبية. تعتبر الفروع أو الأوراق بمثابة العناصر التي ترتبط بها السلاسل.

سوف تكون مهتمًا بـ

الجاذبية الكمومية

في الفيزياء ، يوجد قانون الكم والنسبية العامة. فيزياء الكم تدرس الجسيمات على مقياس الكون. تسمى الفرضيات الموجودة فيه نظريات الجاذبية الكمية ، ومن أهمها فرضيات الأوتار.

تعمل الخيوط المغلقة فيه وفقًا لقوى الجاذبية ، وتمتلك خصائص الجرافيتون - وهو جسيم ينقل الخصائص بين الجسيمات.

توحيد القوات... تتضمن النظرية القوى المجمعة في واحدة - الكهرومغناطيسية والنووية والجاذبية. يعتقد العلماء أن هذا كان الحال من قبل ، قبل انقسام القوات.

التناظر الفائق... وفقًا لمفهوم التناظر الفائق ، هناك علاقة بين البوزونات والفرميونات (الوحدات الهيكلية للكون). لكل من البوزونات فرميون ، والعكس صحيح: للفرميون هناك بوزون. يتم حساب ذلك بناءً على المعادلات ، ولكن لم يتم تأكيده تجريبياً. تتمثل ميزة التناظر الفائق في القدرة على استبعاد بعض المتغيرات (مستويات الطاقة التخيلية اللانهائية).

وفقًا لعلماء الفيزياء ، فإن سبب عدم القدرة على إثبات التناظر الفائق هو سبب الحاجة إلى طاقة كبيرة مرتبطة بالكتلة. كان ذلك قبل فترة انخفاض درجة الحرارة في الكون. بعد الانفجار العظيم ، كان هناك تبديد للطاقة وانتقال الجسيمات إلى مستويات طاقة أقل.

ببساطة ، الأوتار التي يمكن أن تهتز بخصائص الجسيمات عالية الطاقة ، بعد أن فقدت ذلك ، أصبحت منخفضة الاهتزاز.

من خلال إنشاء مسرعات الجسيمات ، يريد العلماء تحديد العناصر فائقة التناظر بمستوى الطاقة المطلوب.

أبعاد إضافية لنظرية الأوتار

النتيجة الطبيعية لنظرية الأوتار هي التمثيل الرياضي الذي يجب أن يكون هناك أكثر من 3 أبعاد. التفسير الأول لذلك هو أن الأبعاد الإضافية أصبحت مضغوطة ، ونتيجة لذلك لا يمكن رؤيتها وإدراكها.

نحن موجودون في غشاء ثلاثي الأبعاد ، معزول عن الأبعاد الأخرى. فقط القدرة على استخدام النمذجة الرياضية أعطت الأمل في الحصول على الإحداثيات التي تربطهم. تشير الأبحاث الحديثة في هذا المجال إلى ظهور بيانات متفائلة جديدة.

فهم بسيط للهدف

يحاول العلماء في جميع أنحاء العالم ، الذين يستكشفون الأوتار الفائقة ، إثبات نظرية تتعلق بالواقع المادي بالكامل. يمكن لفرضية واحدة أن تميز كل شيء على المستوى الأساسي ، وتشرح قضايا بنية الكوكب.

نشأت نظرية الأوتار من وصف الهادرونات ، وهي جسيمات ذات حالات اهتزازية أعلى لسلسلة. باختصار ، تشرح بسهولة الانتقال من الطول إلى الكتلة.

هناك العديد من نظريات الأوتار الفائقة. اليوم ليس معروفًا على وجه اليقين ما إذا كان من الممكن بمساعدة منه شرح نظرية الزمكان بشكل أكثر دقة من أينشتاين. القياسات التي تم إجراؤها لا توفر بيانات دقيقة. كان بعضها ، الذي يتعامل مع الزمكان ، نتيجة لتفاعلات السلسلة ، لكن تم انتقادها في النهاية.

ستصبح نظرية الجاذبية النتيجة الرئيسية للنظرية الموصوفة إذا تم تأكيدها.

أصبحت الأوتار والأغشية الدافع لظهور أكثر من 10 آلاف خيار للحكم على الكون. الكتب حول نظرية الأوتار متاحة للجمهور على الإنترنت ، موصوفة بالتفصيل وبوضوح من قبل المؤلفين:

• ياو الشنتان
• ستيف ناديس ، نظرية الأوتار والأبعاد الخفية للكون ؛
• يتحدث بريان جرين عن هذا في "الكون الأنيق".

يمكن العثور على الآراء والبراهين والاستدلال وجميع أصغر التفاصيل من خلال النظر في أحد الكتب العديدة التي يمكن الوصول إليها والمثيرة للاهتمام لفهم المعلومات حول العالم. يشرح الفيزيائيون الكون الحالي من خلال اكتشافنا ، وجود أكوان أخرى (حتى تلك التي تشبهنا). وفقًا لأينشتاين ، هناك نسخة منهارة من الفضاء.

في نظرية الأوتار الفائقة ، يمكن أن تتصل نقاط العوالم المتوازية. تعطي القوانين الراسخة في الفيزياء الأمل في إمكانية الانتقال بين الأكوان. في نفس الوقت ، نظرية الكم للجاذبية تحيد هذا.

يتحدث الفيزيائيون أيضًا عن تثبيت البيانات الثلاثية الأبعاد عند تسجيلها على السطح. سيعطي هذا دفعة في المستقبل لفهم الحكم على خيوط الطاقة. هناك أحكام حول تعدد أبعاد الزمن وإمكانية الحركة فيه. تتحدث فرضية الانفجار الأعظم بسبب اصطدام غشاءين عن إمكانية تكرار الدورات.

احتل الكون وظهور كل شيء والتحول التدريجي لكل شيء دائمًا العقول البارزة للبشرية. الاكتشافات الجديدة كانت وستظل كذلك. سيجعل التفسير النهائي لنظرية الأوتار من الممكن تحديد كثافة المادة ، الثابت الكوني.

بفضل هذا ، سيحددون قدرة الكون على الانكماش حتى اللحظة التالية للانفجار وبداية جديدة لكل شيء. يتم تطوير النظريات وإثباتها ، وهي تؤدي إلى شيء ما. لذا ، فإن معادلة أينشتاين ، التي تصف اعتماد الطاقة على الكتلة ومربع سرعة الضوء E = mc ^ 2 ، أصبحت فيما بعد الدافع لظهور الأسلحة النووية. بعد ذلك ، تم اختراع الليزر والترانزستور أيضًا. اليوم ليس من المعروف ما يمكن توقعه ، لكنه سيؤدي بالتأكيد إلى شيء ما.

في النهاية ، يمكن تمثيل جميع الجسيمات الأولية كسلاسل مجهرية متعددة الأبعاد يتم فيها إثارة اهتزازات التوافقيات المختلفة.

انتبه ، اربط أحزمة المقاعد بإحكام - وسأحاول أن أصف لك واحدة من أغرب النظريات من بين النظريات التي نوقشت بجدية اليوم في الأوساط العلمية ، والتي يمكن أن تعطي في النهاية الدليل الأخير على بنية الكون. تبدو هذه النظرية جامحة لدرجة أنها ربما تكون صحيحة!

تعتبر الإصدارات المختلفة من نظرية الأوتار اليوم المنافسين الرئيسيين للحصول على عنوان نظرية شاملة وعالمية تشرح طبيعة كل شيء. وهذا نوع من الكأس المقدسة للفيزيائيين النظريين الذين يتعاملون مع نظرية الجسيمات الأولية وعلم الكونيات. النظرية العالمية (الملقب نظرية كل شيء) يحتوي فقط على عدد قليل من المعادلات التي تجمع بين كامل جسم المعرفة البشرية حول طبيعة التفاعلات وخصائص العناصر الأساسية للمادة التي تم بناء الكون منها. تم دمج نظرية الأوتار اليوم مع هذا المفهوم التناظر الفائق، الذي ولد نتيجة لذلك نظرية الأوتار الفائقة، واليوم هذا هو الحد الأقصى الذي تم تحقيقه من حيث الجمع بين نظرية جميع التفاعلات الأساسية الأربعة (القوى المؤثرة في الطبيعة). لقد تم بالفعل بناء نظرية التناظر الفائق على أساس مفهوم حديث مسبق ، والذي بموجبه يكون أي تفاعل عن بعد (مجال) ناتجًا عن تبادل حاملات الجسيمات لتفاعل من النوع المقابل بين الجسيمات المتفاعلة ( سم.النموذج القياسي). من أجل الوضوح ، يمكن اعتبار الجسيمات المتفاعلة "لبنات" الكون ، وحاملات الجسيمات - الأسمنت.

في إطار النموذج القياسي ، تعمل الكواركات كطوب ، وحاملات التفاعل هي قياس البوزوناتالتي تتبادلها هذه الكواركات مع بعضها البعض. تذهب نظرية التناظر الفائق إلى أبعد من ذلك وتؤكد أن الكواركات واللبتونات نفسها ليست أساسية: فهي تتكون جميعها من هياكل (طوب) من المادة أثقل ولم يتم اكتشافها تجريبياً ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة "أسمنت" أقوى من الجسيمات فائقة الطاقة. - حاملات تفاعلات من الكواركات المكونة من الهادرونات والبوزونات. بطبيعة الحال ، في الظروف المختبرية ، لم يتم اختبار أي من تنبؤات نظرية التناظر الفائق حتى الآن ، ومع ذلك ، فإن المكونات الافتراضية المخفية للعالم المادي لها بالفعل أسماء - على سبيل المثال ، سيليترون(شريك التناظر الفائق للإلكترون) ، سكواركالخ. وجود هذه الجسيمات ، ومع ذلك ، تنبأ بشكل لا لبس فيه من قبل نظريات من هذا النوع.

ومع ذلك ، من السهل تصور صورة الكون التي تقدمها هذه النظريات. على مقياس من 10 إلى 35 مترًا ، أي 20 مرة أقل من قطر نفس البروتون ، والذي يتضمن ثلاثة كواركات مرتبطة ، يختلف هيكل المادة عن الهيكل الذي اعتدنا عليه حتى على المستوى من الجسيمات الأولية. في مثل هذه المسافات الصغيرة (وفي مثل هذه الطاقات العالية من التفاعلات التي لا يمكن تصورها) تتحول المادة إلى سلسلة من موجات المجال الواقفة ، على غرار الموجات المتحمسة في أوتار الآلات الموسيقية. مثل وتر الغيتار ، في مثل هذا الوتر ، بالإضافة إلى النغمة الأساسية ، كثير النغماتأو التوافقيات.كل متناسق له حالة الطاقة الخاصة به. وفق مبدأ النسبية (سم.نظرية النسبية) والطاقة والكتلة متكافئة ، مما يعني أنه كلما زاد تردد اهتزاز الموجة التوافقية للوتر ، زادت طاقته ، وزادت كتلة الجسيم المرصود.

ومع ذلك ، إذا تم تصور موجة واقفة في وتر الغيتار بكل بساطة ، فإن الموجات الواقفة التي اقترحتها نظرية الأوتار الفائقة يصعب تصورها - والحقيقة هي أن الأوتار الفائقة تهتز في مساحة 11 بعدًا. لقد اعتدنا على الفضاء رباعي الأبعاد ، الذي يحتوي على ثلاثة أبعاد مكانية وأخرى زمانية (يسار يمين ، أعلى لأسفل ، للأمام - للخلف ، ماضي - مستقبلي). في مساحة الأوتار الفائقة ، تكون الأمور أكثر تعقيدًا (انظر الشكل الداخلي). يتجاوز الفيزيائيون النظريون المشكلة الزلقة للأبعاد المكانية "الإضافية" ، مدعين أنها "مخفية" (أو ، من الناحية العلمية ، "مدمجة") وبالتالي لا يتم ملاحظتها في الطاقات العادية.

في الآونة الأخيرة ، تم تطوير نظرية الأوتار بشكل أكبر نظرية الغشاء متعدد الأبعاد- في الواقع ، هذه هي نفس الأوتار ، لكنها مسطحة. كما قال أحد مؤلفيها مازحا ، فإن الأغشية تختلف عن الأوتار بنفس الطريقة التي تختلف بها المعكرونة عن الشعرية.

ربما يكون هذا هو كل ما يمكن إخباره بإيجاز عن إحدى النظريات التي تدعي اليوم ، وليس بدون سبب ، أنها النظرية العالمية للتوحيد العظيم لجميع تفاعلات القوة. للأسف ، هذه النظرية ليست معصومة من الخطأ أيضًا. بادئ ذي بدء ، لم يتم اختزالها إلى شكل رياضي صارم بسبب عدم كفاية الأجهزة الرياضية لإدخالها في المراسلات الداخلية الصارمة. لقد مرت 20 عامًا على ولادة هذه النظرية ، لكن لم يتمكن أحد من الاتفاق باستمرار على بعض جوانبها وإصداراتها مع الآخرين. الأمر الأكثر سوءًا هو حقيقة أن أيا من المنظرين الذين اقترحوا نظرية الأوتار (علاوة على ذلك ، الأوتار الفائقة) لم يقترحوا بعد تجربة واحدة يمكن من خلالها اختبار هذه النظريات في المختبر. للأسف ، أخشى أنه حتى يفعلوا ذلك ، ستظل جميع أعمالهم لعبة خيالية غريبة وتمارين في فهم المعرفة الباطنية خارج التيار الرئيسي للعلوم الطبيعية.

أنظر أيضا:

كم عدد الأبعاد الموجودة؟

نحن ، الناس العاديين ، لدينا دائمًا ما يكفي من ثلاثة أبعاد. منذ العصور السحيقة ، اعتدنا على الوصف العالم الماديفي مثل هذا الإطار المتواضع (نمر ذو أسنان صابر 40 مترًا في المقدمة ، 11 مترًا جهة اليمين و 4 أمتار فوقي - حصاة كبيرة للمعركة!). علمت نظرية النسبية معظمنا أن الوقت هو جوهر البعد الرابع (النمر ذو الأسنان الحادة ليس هنا فقط - إنه هنا ويهددنا الآن!). وهكذا ، بدءًا من منتصف القرن العشرين ، بدأ المنظرون يتحدثون عن وجود المزيد من القياسات في الواقع - إما 10 أو 11 أو حتى 26. بالطبع ، دون توضيح سبب عدم ملاحظتنا نحن الأشخاص العاديين ، هنا لا يمكن أن تفعل. ثم نشأ مفهوم "الدمج" - التصاق أو انهيار القياسات.

دعونا نتخيل خرطوم سقي الحديقة. عن قرب ، يُنظر إليه على أنه كائن عادي ثلاثي الأبعاد. ومع ذلك ، فإن الأمر يستحق الابتعاد عن الخرطوم مسافة كافية - وسيظهر لنا ككائن خطي أحادي البعد: نتوقف ببساطة عن إدراك سمكه. من المعتاد التحدث عن هذا التأثير باعتباره ضغطًا للقياس: في هذه الحالة ، تبين أن سمك الخرطوم "مضغوط" - مقياس القياس صغير جدًا.

هذا هو بالضبط كيف ، وفقًا للمنظرين ، الأبعاد الإضافية الموجودة بالفعل ، والضرورية لتفسير مناسب لخصائص المادة على المستوى دون الذري ، تختفي من مجال إدراكنا التجريبي: يتم دمجها بدءًا من مقياس ترتيب 10 - 35 م و الأساليب الحديثةالملاحظات وأدوات القياس ببساطة غير قادرة على اكتشاف الهياكل على هذا النطاق الصغير. ربما هذا هو بالضبط ما هو عليه ، وربما كل شيء مختلف تمامًا. إلى أن توجد مثل هذه الأجهزة وطرق المراقبة ، ستظل جميع الحجج والحجج المضادة المذكورة أعلاه في مستوى التكهنات الخاملة.

هذا هو الموضوع الرابع على التوالي. يُطلب من المتطوعين أيضًا عدم نسيان الموضوعات التي أعربوا عن رغبتهم في تغطيتها ، أو ربما اختار شخص ما الآن موضوعًا من القائمة. مني إعادة النشر والترويج على الشبكات الاجتماعية. والآن موضوعنا: "نظرية الأوتار"

ربما سمعت أن النظرية العلمية الأكثر شيوعًا في عصرنا ، نظرية الأوتار ، تتضمن أبعادًا أكثر بكثير مما يقترحه الفطرة السليمة.

أكبر مشكلة لعلماء الفيزياء النظرية هي كيفية الجمع بين جميع التفاعلات الأساسية (الجاذبية ، الكهرومغناطيسية ، الضعيفة والقوية) في نظرية واحدة. تدعي نظرية الأوتار الفائقة أنها نظرية كل شيء.

ولكن اتضح أن أنسب عدد من الأبعاد المطلوبة لعمل هذه النظرية هو عشرة (تسعة منها مكانية وواحدة مؤقتة)! إذا كانت هناك قياسات أكثر أو أقل ، فإن المعادلات الرياضية تعطي نتائج غير منطقية تذهب إلى اللانهاية - التفرد.

المرحلة التالية في تطوير نظرية الأوتار الفائقة - نظرية إم - قد أحصت بالفعل أحد عشر بعدًا. ونسخة أخرى منه - نظرية F - الاثني عشر. وهذا ليس تعقيدًا على الإطلاق. تصف نظرية F الفضاء ذي 12 بعدًا بمعادلات أبسط من نظرية M - 11 بعدًا.

بالطبع ، ليس من قبيل الصدفة أن يطلق على الفيزياء النظرية اسم نظرية. كل إنجازاتها حتى الآن موجودة على الورق فقط. لذا ، لشرح سبب عدم قدرتنا على التحرك إلا في الفضاء ثلاثي الأبعاد ، بدأ العلماء يتحدثون عن كيفية تقلص الأبعاد المؤسفة الأخرى إلى كرات مضغوطة على المستوى الكمي. على وجه الدقة ، ليس في المجالات ، ولكن في مساحات كالابي-ياو. هذه شخصيات ثلاثية الأبعاد ، داخلها عالمهم الخاص بأبعاده الخاصة. يبدو الإسقاط ثنائي الأبعاد لمثل هذه الفتحات كما يلي:

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

دعونا نتعمق قليلا في التاريخ

في عام 1968 ، عكف عالم الفيزياء النظرية الشاب غابرييل فينيزيانو على العديد من الخصائص التي تمت ملاحظتها تجريبياً للتفاعل النووي القوي. عمل فينيزيانو ، الذي كان يعمل في ذلك الوقت في CERN ، معمل التسريع الأوروبي في جنيف ، سويسرا ، على هذه المشكلة لعدة سنوات ، إلى أن صدمه يومًا ما بتخمين رائع. ولدهشته كثيرًا ، أدرك أن صيغة رياضية غريبة ، اخترعها عالم الرياضيات السويسري الشهير ليونارد أويلر قبل مائتي عام تقريبًا لأغراض رياضية بحتة - ما يسمى بوظيفة أويلر بيتا - يبدو أنها قادرة على وصف كل شيء بضربة واحدة. الخصائص العديدة للجسيمات المشاركة في القوة النووية الشديدة. قدمت الخاصية التي أشار إليها Veneziano وصفًا رياضيًا قويًا للعديد من ميزات التفاعل القوي ؛ أثار موجة من العمل حيث تم استخدام وظيفة بيتا وتعميماتها المختلفة لوصف الكميات الهائلة من البيانات المتراكمة في دراسة تصادمات الجسيمات حول العالم. ومع ذلك ، بطريقة ما ، كانت ملاحظة فينيزيانو غير كاملة. مثل الصيغة المحفوظة التي يستخدمها طالب لا يفهم معناها أو معناها ، نجحت وظيفة بيتا أويلر ، لكن لم يفهم أحد السبب. كانت صيغة تحتاج إلى تفسير.

غابرييل فينيزيانو

تغير هذا في عام 1970 عندما تمكن يوهيرو نامبو من جامعة شيكاغو وهولجر نيلسن من معهد نيلز بور وليونارد سسكيند من جامعة ستانفورد من الكشف عن المعنى المادي وراء صيغة أويلر. أظهر هؤلاء الفيزيائيون أنه عندما يتم تمثيل الجسيمات الأولية بسلاسل صغيرة أحادية البعد مهتزة ، فإن التفاعل القوي لهذه الجسيمات يوصف بالضبط باستخدام وظيفة أويلر. يعتقد هؤلاء الباحثون أنه إذا كانت الأجزاء الخيطية صغيرة بما يكفي ، فإنها ستظل تبدو مثل الجسيمات النقطية ، وبالتالي لن تتعارض مع نتائج الملاحظات التجريبية. على الرغم من أن هذه النظرية كانت بسيطة وجذابة بشكل حدسي ، إلا أنه سرعان ما تبين أن وصف التفاعلات القوية باستخدام الأوتار كان معيبًا. في أوائل السبعينيات. تمكن علماء الفيزياء عالية الطاقة من النظر بشكل أعمق في العالم دون الذري وأظهروا أن بعض تنبؤات نموذج الأوتار تتعارض بشكل مباشر مع الملاحظات. في الوقت نفسه ، كان تطوير نظرية المجال الكمي - الديناميكا اللونية الكمومية - التي تم فيها استخدام نموذج النقاط للجسيمات ، مستمرًا بالتوازي. أدت نجاحات هذه النظرية في وصف التفاعل القوي إلى التخلي عن نظرية الأوتار.
يعتقد معظم علماء فيزياء الجسيمات أن نظرية الأوتار كانت إلى الأبد في سلة المهملات ، لكن عددًا من الباحثين ظلوا صادقين معها. شوارتز ، على سبيل المثال ، شعر أن "التركيب الرياضي لنظرية الأوتار جميل جدًا وله العديد من الخصائص المذهلة التي يجب أن تشير بلا شك إلى شيء أعمق." كانت إحدى المشكلات التي واجهها علماء الفيزياء مع نظرية الأوتار هي أنها بدت وكأنها تقدم الكثير من الخيارات ، وهو أمر محير. بعض تكوينات الأوتار المهتزة في هذه النظرية لها خصائص تشبه تلك الموجودة في الغلوونات ، مما أعطى سببًا لاعتبارها حقًا نظرية للتفاعلات القوية. ومع ذلك ، بالإضافة إلى ذلك ، فقد احتوت على جزيئات حاملة إضافية للتفاعل ، والتي لا علاقة لها بالمظاهر التجريبية للتفاعل القوي. في عام 1974 ، قام شوارتز وجويل شيرك من كلية الدراسات العليا الفرنسية للتكنولوجيا بافتراض جريء حول هذا الخلل الملحوظ إلى فضيلة. بعد دراسة أنماط الاهتزاز الغريبة للخيوط ، التي تذكرنا بالجسيمات الحاملة ، أدركوا أن هذه الخصائص تتطابق تمامًا مع الخصائص المزعومة للجسيم الحامل الافتراضي للتفاعل الثقالي - الجرافيتون. على الرغم من أن هذه "الجسيمات الدقيقة" للتفاعل الثقالي لم يتم اكتشافها بعد ، يمكن للمنظرين أن يتنبأوا بثقة ببعض الخصائص الأساسية التي يجب أن تمتلكها هذه الجسيمات. وجد Scherk و Schwartz أن هذه الخصائص تتحقق تمامًا لبعض أوضاع الاهتزاز. بناءً على ذلك ، افترضوا أن ظهور نظرية الأوتار الأول انتهى بالفشل بسبب قيام الفيزيائيين بتضييق نطاقها بشكل مفرط. أعلن شيرك وشوارتز أن نظرية الأوتار ليست مجرد نظرية للقوة القوية ، إنها نظرية كمومية تشمل الجاذبية ، من بين أشياء أخرى).

كان رد فعل المجتمع المادي على هذا الافتراض بموقف منضبط للغاية. في الواقع ، وفقًا لمذكرات شوارتز ، "تجاهل الجميع عملنا" 4). لقد كانت مسارات التقدم مليئة بالفعل بالعديد من المحاولات الفاشلة للجمع بين الجاذبية وميكانيكا الكم. فشلت نظرية الأوتار في محاولتها الأولية لوصف التفاعلات القوية ، وشعر الكثير أنه من غير المجدي محاولة استخدامها لتحقيق أهداف أكبر. دراسات لاحقة أكثر تفصيلاً في أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات. أظهر أنه بين نظرية الأوتار وميكانيكا الكم ، فإن التناقضات الخاصة بهما ، وإن كانت أصغر في الحجم ، تنشأ. كان الانطباع أن قوة الجاذبيةمرة أخرى كان قادرًا على مقاومة محاولة بنائه في وصف الكون على المستوى المجهري.
كان ذلك حتى عام 1984. في ورقة تاريخية لخصت أكثر من عقد من البحث المكثف الذي تم تجاهله أو رفضه إلى حد كبير من قبل معظم الفيزيائيين ، وجد جرين وشوارتز أنه يمكن السماح بالتناقض الطفيف مع نظرية الكم التي ابتليت بنظرية الأوتار. علاوة على ذلك ، أظهروا أن النظرية الناتجة واسعة بما يكفي لتغطية جميع أنواع التفاعلات الأربعة وجميع أنواع المادة. انتشرت أخبار هذه النتيجة في جميع أنحاء مجتمع الفيزياء: توقف المئات من علماء فيزياء الجسيمات عن العمل في مشاريعهم للمشاركة في ما بدا وكأنه آخر معركة نظرية في هجوم استمر لقرون على أعمق أسس الكون.
وصلت أخبار نجاح جرين وشوارتز في النهاية حتى إلى طلاب الدراسات العليا في السنة الأولى من دراستهم ، وتم استبدال الإحباط السابق بإحساس مثير بالمشاركة في نقطة تحول في تاريخ الفيزياء. جلس الكثير منا بعيدًا بعد منتصف الليل ، ودرسوا المجلدات ذات الثقل في الفيزياء النظرية والرياضيات المجردة ، والتي تعد معرفتها ضرورية لفهم نظرية الأوتار.

وفقًا للعلماء ، نحن أنفسنا وكل شيء من حولنا يتكون من عدد لا حصر له من هذه الأجسام الدقيقة الغامضة المطوية.
الفترة من 1984 إلى 1986 تُعرف الآن باسم "الثورة الأولى في نظرية الأوتار الفائقة." خلال هذه الفترة ، كتب الفيزيائيون حول العالم أكثر من ألف مقال حول نظرية الأوتار. أثبتت هذه الدراسات بشكل قاطع أن الخصائص العديدة للنموذج القياسي ، التي تم اكتشافها خلال عقود من البحث المضني ، بطبيعة الحالتنبع من النظام المهيب لنظرية الأوتار. كما لاحظ مايكل جرين ، "في اللحظة التي تصبح فيها على دراية بنظرية الأوتار وتدرك أن جميع التطورات الرئيسية تقريبًا في الفيزياء في القرن الماضي تتبع - وتتبع بمثل هذه الأناقة - من نقطة البداية البسيطة هذه ، توضح لك بوضوح ما لا يصدق قوة هذه النظرية ". 5 علاوة على ذلك ، بالنسبة للعديد من هذه الخصائص ، كما سنرى أدناه ، توفر نظرية الأوتار وصفًا أكثر اكتمالاً وإرضاءً من النموذج القياسي. لقد أقنعت هذه التطورات العديد من الفيزيائيين بأن نظرية الأوتار يمكن أن تفي بوعودها وتصبح النظرية الموحدة النهائية.

إسقاط ثنائي الأبعاد لمشعب كالابي-ياو 3. يعطي هذا الإسقاط فكرة عن مدى تعقيد الأبعاد الإضافية.

ومع ذلك ، واجه علماء فيزياء نظرية الأوتار عقبات خطيرة مرارًا وتكرارًا على طول الطريق. في الفيزياء النظرية ، غالبًا ما يتعين عليك التعامل مع المعادلات التي تكون إما معقدة للغاية بحيث يصعب 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 اشتقاق المعادلات اتضح أنه معقد للغاية لدرجة أنه حتى الآن كان من الممكن الحصول على شكلها التقريبي فقط. وهكذا ، يجد الفيزيائيون العاملون في نظرية الأوتار أنفسهم في موقف يتعين عليهم فيه البحث عن حلول تقريبية لمعادلات تقريبية. بعد عدة سنوات من التقدم المذهل خلال الثورة الأولى في نظرية الأوتار الفائقة ، واجه الفيزيائيون حقيقة أن المعادلات التقريبية المستخدمة لم تكن قادرة على إعطاء الإجابة الصحيحة للسلسلة موضوعات هامة، مما يعيق مواصلة تطوير البحث. بسبب نقص الأفكار الملموسة لتجاوز هذه الأساليب التقريبية ، عانى العديد من علماء فيزياء الأوتار من إحباط متزايد وعادوا إلى أبحاثهم السابقة. بالنسبة لأولئك الذين بقوا في أواخر الثمانينيات وأوائل التسعينيات. كانت فترة الاختبار.

جذب الجمال والقوة الكامنة لنظرية الأوتار للباحثين مثل كنز من الذهب مغلق بشكل آمن في خزنة ، ولا يمكن رؤيته إلا من خلال ثقب صغير ، لكن لم يكن لدى أي شخص مفتاح لإطلاق هذه القوى الخاملة. كانت فترة طويلة من "الجفاف" من وقت لآخر قد قطعت بسبب الاكتشافات المهمة ، ولكن كان من الواضح للجميع أن هناك حاجة إلى طرق جديدة من شأنها أن تسمح للمرء بتجاوز الحلول التقريبية المعروفة بالفعل.

جاءت نهاية الركود مع حديث مذهل ألقاه إدوارد ويتن في مؤتمر نظرية الأوتار عام 1995 في جامعة جنوب كاليفورنيا - وهو حديث أذهل جمهورًا مليئًا بالفيزيائيين البارزين في العالم. في ذلك ، كشف النقاب عن خطة المرحلة التالية من البحث ، وبذلك بدأ "الثورة الثانية في نظرية الأوتار الفائقة". الآن يعمل منظرو الأوتار بنشاط على طرق جديدة تعد بالتغلب على العقبات التي يواجهونها.

من أجل تعميم TS على نطاق واسع ، يجب على البشرية إقامة نصب تذكاري للأستاذ بجامعة كولومبيا براين غرين. كتابه 1999 الكون الأنيق. أصبحت الأوتار الفائقة والأبعاد المخفية والبحث عن النظرية المطلقة من أكثر الكتب مبيعًا وحصلت على جائزة بوليتسر. شكل عمل العالم الأساس لسلسلة مصغرة علمية شهيرة مع المؤلف نفسه في دور المضيف - يمكن رؤية جزء منه في نهاية المادة (الصورة بواسطة إيمي سوسمان / جامعة كولومبيا).

قابل للنقر 1700 بكسل

الآن دعونا نحاول فهم جوهر هذه النظرية قليلاً على الأقل.

ابدأ من جديد. البعد الصفري هو نقطة. ليس لها أبعاد. لا يوجد مكان للتحرك ، ولا توجد إحداثيات مطلوبة للإشارة إلى موقع بهذا البعد.

دعنا نضع الثانية بجوار النقطة الأولى ونرسم خطًا خلالها. هنا هو البعد الأول. كائن أحادي البعد له حجم - طول - لكن ليس له عرض أو عمق. الحركة في إطار الفضاء أحادي البعد محدودة للغاية ، لأن العائق الذي نشأ في الطريق لا يمكن تجاوزه. لا يتطلب الأمر سوى إحداثيات واحدة لتحديد موقعها على هذا الخط.

دعنا نضع نقطة بجانب المقطع. لملائمة هذين الكائنين ، نحتاج إلى مساحة ثنائية الأبعاد لها الطول والعرض ، أي مساحة ، ولكن بدون عمق ، أي الحجم. يتم تحديد موقع أي نقطة في هذا المجال من خلال إحداثيات.

ينشأ البعد الثالث عندما نضيف محور إحداثيات ثالثًا إلى هذا النظام. بالنسبة لنا ، سكان الكون ثلاثي الأبعاد ، من السهل جدًا تخيل ذلك.

دعونا نحاول أن نتخيل كيف يرى سكان الفضاء ثنائي الأبعاد العالم. على سبيل المثال ، هذان الشخصان:

سيرى كل منهم صديقه مثل هذا:

لكن في هذه الحالة:

سيرى أبطالنا بعضهم البعض هكذا:

إن تغيير وجهة النظر هو الذي يسمح لأبطالنا بالحكم على بعضهم البعض على أنهم كائنات ثنائية الأبعاد ، وليس مقاطع أحادية البعد.

الآن دعونا نتخيل أن جسمًا حجميًا يتحرك في البعد الثالث ، والذي يعبر هذا العالم ثنائي الأبعاد. بالنسبة لمراقب خارجي ، سيتم التعبير عن هذه الحركة في تغيير في الإسقاطات ثنائية الأبعاد لجسم ما على مستوى ، مثل البروكلي في جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي:

لكن بالنسبة لسكان أرضنا المسطحة ، فإن هذه الصورة غير مفهومة! إنه غير قادر حتى على تخيلها. بالنسبة له ، سيُنظر إلى كل من الإسقاطات ثنائية الأبعاد على أنها مقطع أحادي البعد بطول متغير بشكل غامض ، ينشأ في مكان لا يمكن التنبؤ به ويختفي أيضًا بشكل غير متوقع. محاولات حساب طول ومكان منشأ مثل هذه الأشياء باستخدام قوانين فيزياء الفضاء ثنائي الأبعاد محكوم عليها بالفشل.

نحن ، سكان العالم ثلاثي الأبعاد ، نرى كل شيء ثنائي الأبعاد. فقط حركة الجسم في الفضاء تسمح لنا أن نشعر بحجمه. سنرى أيضًا أي كائن متعدد الأبعاد ثنائي الأبعاد ، لكنه سيتغير بشكل مثير للدهشة اعتمادًا على علاقتنا به أو الوقت.

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

من المعتاد أن نصور عليهم كيف تنحني الجاذبية الزمكان. الانحناءات ... أين؟ ليس بالضبط في أي من الأبعاد المألوفة لدينا. وماذا عن النفق الكمومي ، أي قدرة الجسيم على الاختفاء في مكان واحد والظهور في مكان مختلف تمامًا ، علاوة على ذلك ، خلف عائق لا يستطيع اختراقه في واقعنا دون إحداث ثقب فيه؟ ماذا عن الثقوب السوداء؟ ماذا لو كل هذه الألغاز وغيرها العلم الحديثيفسرها حقيقة أن هندسة الفضاء ليست هي نفسها التي اعتدنا على إدراكها؟

الساعة تدق

يضيف الوقت إحداثيًا آخر إلى كوننا. من أجل إقامة الحفلة ، لا تحتاج فقط إلى معرفة الشريط الذي سيقام فيه ، ولكن أيضًا معرفة الوقت المحدد لهذا الحدث.

بناءً على تصورنا ، فإن الوقت ليس خطاً مستقيماً بقدر ما هو شعاع. أي أن لديها نقطة انطلاق ، ويتم تنفيذ الحركة في اتجاه واحد فقط - من الماضي إلى المستقبل. والحاضر فقط هو الحقيقي. لا الماضي ولا المستقبل موجودان ، مثلما لا توجد وجبات إفطار وعشاء من وجهة نظر موظف في المكتب وقت الغداء.

لكن نظرية النسبية لا تتفق مع هذا. من وجهة نظرها ، الوقت بُعد كامل. كل الأحداث التي كانت موجودة وستوجد وستكون حقيقية مثل شاطئ البحر الحقيقي ، بغض النظر عن المكان الذي فاجأتنا فيه أحلام صوت الأمواج. إن تصورنا هو مجرد شيء مثل الكشاف الذي ينير جزءًا من خط مستقيم من الزمن. تبدو الإنسانية في بعدها الرابع كما يلي:

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

حتى الآن ، عملت جميع النظريات مع عدد كبير من الأبعاد المكانية ، وكان الزماني دائمًا هو الوحيد. ولكن لماذا يسمح الفضاء بظهور أبعاد متعددة للفضاء ، ولكن لمرة واحدة فقط؟ إلى أن يتمكن العلماء من الإجابة على هذا السؤال ، فإن فرضية وجود فضاءين أو أكثر ستبدو جذابة للغاية لجميع الفلاسفة وكتاب الخيال العلمي. نعم ، والفيزيائيون ، ما هو موجود بالفعل. على سبيل المثال ، يرى عالم الفيزياء الفلكية الأمريكي يتسحاق بارس أن البعد الزمني الثاني هو أصل كل المشاكل المتعلقة بنظرية كل شيء. كتمرين عقلي ، دعونا نحاول تخيل عالم مرتين.

كل بُعد موجود بشكل منفصل. يتم التعبير عن هذا في حقيقة أنه إذا قمنا بتغيير إحداثيات كائن في بعد واحد ، يمكن أن تظل الإحداثيات في أبعاد أخرى دون تغيير. لذلك ، إذا تحركت على طول محور زمني يتقاطع مع الآخر بزاوية قائمة ، فعند نقطة التقاطع سيتوقف الوقت حولك. في الممارسة العملية ، سيبدو مثل هذا:

كل ما كان على Neo فعله هو وضع محور الوقت أحادي البعد بشكل عمودي على المحور الزمني للرصاص. مجرد تافه ، توافق. في الواقع ، كل شيء أكثر تعقيدًا.

سيتم تحديد الوقت الدقيق في كون ذي بُعدين زمنيين من خلال قيمتين. هل من الصعب تخيل حدث ثنائي الأبعاد؟ بمعنى ، واحد يمتد في وقت واحد على محورين زمنيين؟ من المحتمل أن يتطلب هذا العالم متخصصين في رسم خرائط الوقت ، حيث يقوم رسامو الخرائط بتخطيط سطح الكرة الأرضية ثنائي الأبعاد.

ما الذي يميز الفضاء ثنائي الأبعاد عن الفضاء أحادي البعد؟ القدرة على تجاوز عقبة ، على سبيل المثال. هذا بالفعل خارج حدود أذهاننا تمامًا. لا يستطيع ساكن عالم أحادي البعد أن يتخيل كيف يكون الحال عند الانعطاف. وما هذا - ركن في الوقت المناسب؟ بالإضافة إلى ذلك ، في الفضاء ثنائي الأبعاد ، يمكنك السفر للأمام والخلف ، ولكن على الأقل بشكل مائل. ليس لدي أي فكرة عما يشبه المشي بشكل قطري عبر الزمن. أنا لا أتحدث حتى عن حقيقة أن الوقت هو أساس العديد من القوانين الفيزيائية ، ومن المستحيل تخيل كيف ستتغير فيزياء الكون مع ظهور بُعد زمني آخر. لكن التفكير في الأمر مثير للغاية!

موسوعة كبيرة جدا

لم يتم اكتشاف الأبعاد الأخرى بعد ولا توجد إلا في النماذج الرياضية. لكن يمكنك محاولة تخيلهم هكذا.

كما اكتشفنا سابقًا ، نرى إسقاطًا ثلاثي الأبعاد للبعد الرابع (الزمني) للكون. بعبارة أخرى ، كل لحظة في وجود عالمنا هي نقطة (على غرار البعد الصفري) في الفترة الزمنية من الانفجار العظيم إلى نهاية العالم.

أولئك الذين قرأوا عن السفر عبر الزمن يعرفون مدى أهمية تأثير انحناء استمرارية الزمان والمكان فيهم. هذا هو البعد الخامس - حيث أن الزمكان رباعي الأبعاد "منحني" من أجل الجمع بين نقطتين على هذا الخط المستقيم. بدون ذلك ، ستكون الرحلة بين هذه النقاط طويلة جدًا ، أو حتى مستحيلة. بشكل تقريبي ، البعد الخامس مشابه للبعد الثاني - إنه ينقل الخط "أحادي البعد" للزمكان إلى المستوى "ثنائي الأبعاد" مع كل الفرص اللاحقة للالتفاف حول الزاوية.

ربما فكر قرائنا ذوو العقلية الفلسفية قبل ذلك بقليل ، على الأرجح ، في إمكانية الإرادة الحرة في ظروف يكون فيها المستقبل موجودًا بالفعل ، ولكن لم يُعرف بعد. يجيب العلم على هذا السؤال مثل هذا: الاحتمالات. المستقبل ليس عصا ، ولكنه مكنسة كاملة من السيناريوهات المحتملة. أيهما سيتحقق - سنكتشف عندما نصل إلى هناك.

يوجد كل من الاحتمالات كقطعة "أحادية البعد" على "مستوى" البعد الخامس. ما هي أسرع طريقة للقفز من جزء إلى آخر؟ هذا صحيح - ثني هذه الطائرة مثل ورقة. أين الانحناء؟ ومرة أخرى ، هذا صحيح - في البعد السادس ، الذي يعطي "الحجم" لهذا الهيكل المعقد بأكمله. وبالتالي ، يجعلها ، مثل الفضاء ثلاثي الأبعاد ، "منتهية" ، نقطة جديدة.

البعد السابع هو خط مستقيم جديد يتكون من "نقاط" سداسية الأبعاد. ما هي أي نقطة أخرى على هذا الخط؟ مجموعة الخيارات اللانهائية الكاملة لتطور الأحداث في كون آخر ، لم تتشكل نتيجة الانفجار العظيم ، ولكن في ظروف مختلفة ، وتتصرف وفقًا لقوانين مختلفة. وهذا يعني أن البعد السابع عبارة عن خرز من عوالم متوازية. يجمع البعد الثامن هذه "الخطوط" في "مستوى" واحد. ويمكن مقارنة التاسع بكتاب يناسب جميع "أوراق" البعد الثامن. إنها مجموعة من جميع تواريخ جميع الأكوان مع كل قوانين الفيزياء وجميع الشروط الأولية. أشر مرة أخرى.

هنا نصل إلى الحد الأقصى. لتخيل البعد العاشر ، نحتاج إلى خط مستقيم. وما هي النقطة الأخرى التي يمكن أن تكون موجودة في هذا الخط ، إذا كان البعد التاسع يغطي بالفعل كل ما يمكن تخيله ، وحتى ما هو مستحيل تخيله؟ اتضح أن البعد التاسع ليس نقطة انطلاق أخرى ، ولكنه البعد الأخير - لخيالنا ، على أي حال.

تنص نظرية الأوتار على أن الأوتار تهتز في البعد العاشر - 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 ، كل وتر موجود في كوننا وأي خيط آخر. في أي وقت. على الفور. رائع. صحيح؟

فيزيائي خبير في نظرية الأوتار. معروف بعمله على تناظر المرآة المرتبط بطوبولوجيا مشعبات كالابي-ياو المقابلة. وهو معروف لجمهور عريض بأنه مؤلف كتب علمية مشهورة. تم ترشيح عالمه الأنيق لجائزة بوليتسر.

في سبتمبر 2013 ، وصل بريان جرين إلى موسكو بدعوة من متحف البوليتكنيك. الفيزيائي الشهير ومنظر الأوتار والأستاذ في جامعة كولومبيا ، وهو معروف لعامة الناس في المقام الأول باعتباره من رواد العلم ومؤلف كتاب "الكون الأنيق". تحدثت Lenta.ru مع Brian Greene حول نظرية الأوتار والتحديات الأخيرة التي واجهتها ، بالإضافة إلى الجاذبية الكمية ، وسطح السعة ، والتحكم الاجتماعي.

الأدب باللغة الروسية:كاكو م ، طومسون ج. "ما وراء أينشتاين: الأوتار الفائقة والبحث عن النظرية النهائية" وماذا كان المقال الأصلي موجود على الموقع InfoGlaz.rfرابط المقال الذي صنعت منه هذه النسخة هو

نظرية الأوتار الفائقة لغة شعبية، يمثل الكون كمجموعة من خيوط الطاقة المتذبذبة - الأوتار. هم أساس الطبيعة. تصف الفرضية أيضًا العناصر الأخرى - الأغشية. تتكون جميع المواد في عالمنا من اهتزازات أوتار وأغشية. النتيجة الطبيعية للنظرية هي وصف الجاذبية. لهذا يعتقد العلماء أنه يحمل مفتاح توحيد الجاذبية مع التفاعلات الأخرى.

المفهوم يتطور

نظرية المجال الموحد ، نظرية الأوتار الفائقة ، هي نظرية رياضية بحتة. مثل كل المفاهيم الفيزيائية ، فإنه يقوم على معادلات يمكن تفسيرها بطريقة معينة.

اليوم ، لا أحد يعرف بالضبط ما ستكون عليه النسخة النهائية من هذه النظرية. لدى العلماء فكرة غامضة إلى حد ما عن عناصرها المشتركة ، لكن لم يتوصل أحد بعد إلى معادلة نهائية تغطي جميع نظريات الأوتار الفائقة ، ولم يتم تأكيدها تجريبيًا (على الرغم من عدم دحضها أيضًا). ابتكر الفيزيائيون نسخًا مبسطة من المعادلة ، لكنها حتى الآن لا تصف كوننا تمامًا.

نظرية الأوتار الفائقة للمبتدئين

تستند الفرضية على خمسة أفكار رئيسية.

1. تتنبأ نظرية الأوتار الفائقة بأن جميع الكائنات في عالمنا تتكون من خيوط وأغشية طاقة مهتزة.
2. تحاول الجمع بين النسبية العامة (الجاذبية) والفيزياء الكمومية.
3. ستجمع نظرية الأوتار الفائقة كل القوى الأساسية للكون معًا.
4. تتنبأ هذه الفرضية باتصال جديد ، تناظر فائق ، بين اثنين بشكل أساسي أنواع مختلفةالجسيمات والبوزونات والفرميونات.
5. يصف المفهوم عددًا من أبعاد الكون الإضافية التي لا يمكن ملاحظتها عادةً.

الأوتار والأغشية

عندما ظهرت النظرية في السبعينيات ، كانت خيوط الطاقة فيها تعتبر كائنات ذات بعد واحد - سلاسل. تعني كلمة "أحادية البعد" أن السلسلة لها بعد واحد فقط ، وطول ، على عكس ، على سبيل المثال ، مربع ، له الطول والارتفاع.

تقسم النظرية هذه الأوتار الفائقة إلى نوعين - مغلق ومفتوح. الخيط المفتوح له نهايات لا تلامس بعضها البعض ، بينما الخيط المغلق عبارة عن حلقة بدون نهايات مفتوحة. نتيجة لذلك ، وجد أن هذه السلاسل ، التي تسمى سلاسل النوع 1 ، تخضع لخمسة أنواع رئيسية من التفاعلات.

تعتمد التفاعلات على قدرة الأوتار على الاتصال وفصل نهاياتها. نظرًا لأن نهايات الأوتار المفتوحة يمكن أن تتحد معًا لتشكل سلاسل مغلقة ، فلا يمكنك بناء نظرية الأوتار الفائقة التي لا تتضمن سلاسل حلقية.

اتضح أن هذا مهم ، لأن الأوتار المغلقة لها خصائص ، كما يعتقد علماء الفيزياء ، يمكن أن تصف الجاذبية. بمعنى آخر ، أدرك العلماء أن نظرية الأوتار الفائقة ، بدلاً من شرح جزيئات المادة ، يمكن أن تصف سلوكها وجاذبيتها.

على مر السنين ، تم اكتشاف أن هناك حاجة إلى عناصر أخرى إلى جانب الأوتار للنظرية. يمكن اعتبارها على أنها صفائح أو أغشية. يمكن ربط الأوتار بأحد أو كلا الجانبين من الأوتار.

الجاذبية الكمومية

الفيزياء الحديثة لها قانونان علميان أساسيان: النظرية العامة للنسبية (GR) ونظرية الكم. إنهم يمثلون مجالات علمية مختلفة تمامًا. تدرس فيزياء الكم أصغر الجسيمات الطبيعية ، وتصف النسبية العامة ، كقاعدة عامة ، الطبيعة على مقياس الكواكب والمجرات والكون ككل. تسمى الفرضيات التي تحاول توحيدها بنظريات الجاذبية الكمية. أكثرهم واعدًا اليوم هو الوتر.

الخيوط المغلقة تتوافق مع سلوك الجاذبية. على وجه الخصوص ، لديهم خصائص الجرافيتون ، وهو الجسيم الذي ينقل الجاذبية بين الأجسام.

توحيد القوات

تحاول نظرية الأوتار الجمع بين أربع قوى - الكهرومغناطيسية ، والقوى النووية القوية والضعيفة ، والجاذبية - في قوة واحدة. في عالمنا ، يظهرون أنفسهم على شكل أربع ظواهر مختلفة ، لكن منظري الأوتار يعتقدون أنه في الكون المبكر ، عندما كانت هناك مستويات طاقة عالية بشكل لا يصدق ، يتم وصف كل هذه القوى بواسطة أوتار تتفاعل مع بعضها البعض.

التناظر الفائق

يمكن تقسيم جميع الجسيمات في الكون إلى نوعين: البوزونات والفرميونات. تتنبأ نظرية الأوتار بوجود علاقة بين الاثنين تسمى التناظر الفائق. مع التناظر الفائق ، يجب أن يوجد فرميون لكل بوزون ولكل فرميون بوزون. لسوء الحظ ، لم يتم تأكيد وجود مثل هذه الجسيمات تجريبياً.

التناظر الفائق هو علاقة رياضية بين عناصر المعادلات الفيزيائية. تم اكتشافه في مجال آخر من الفيزياء ، وأدى تطبيقه إلى إعادة تسميته إلى نظرية الأوتار فائقة التناظر (أو نظرية الأوتار الفائقة ، في اللغة الشعبية) في منتصف السبعينيات.

تتمثل إحدى مزايا التناظر الفائق في أنه يبسط المعادلات بشكل كبير من خلال السماح لك بإزالة متغيرات معينة. بدون التناظر الفائق ، تؤدي المعادلات إلى تناقضات فيزيائية مثل القيم اللانهائية والخيالية

نظرًا لأن العلماء لم يلاحظوا الجسيمات التي تنبأ بها التناظر الفائق ، فإنها لا تزال فرضية. يعتقد العديد من الفيزيائيين أن السبب في ذلك هو الحاجة إلى كمية كبيرة من الطاقة ، والتي ترتبط بالكتلة بواسطة معادلة أينشتاين الشهيرة E = mc 2. قد تكون هذه الجسيمات موجودة في الكون المبكر ، ولكن عندما تبرد وانتشرت الطاقة بعد الانفجار العظيم ، انتقلت هذه الجسيمات إلى مستويات منخفضة الطاقة.

بعبارة أخرى ، تفقد الأوتار التي تهتز مثل الجسيمات عالية الطاقة الطاقة ، مما حولها إلى عناصر ذات اهتزاز أقل.

يأمل العلماء أن الملاحظات الفلكية أو التجارب باستخدام مسرعات الجسيمات ستؤكد النظرية من خلال تحديد بعض العناصر فائقة التماثل ذات الطاقة العالية.

قياسات إضافية

من الآثار الرياضية الأخرى لنظرية الأوتار أنها منطقية في عالم به أكثر من ثلاثة أبعاد. يوجد حاليًا تفسيران لهذا:

1. لقد انهارت الأبعاد الإضافية (ستة منها) ، أو ، في مصطلحات نظرية الأوتار ، اندمجت إلى أبعاد صغيرة بشكل لا يُصدق لا يمكن تصورها أبدًا.
2. نحن عالقون في غشاء ثلاثي الأبعاد ، وتمتد أبعاد أخرى إلى ما وراءه ولا يمكننا الوصول إليها.

من المجالات المهمة للبحث بين المنظرين النمذجة الرياضية لكيفية ارتباط هذه الإحداثيات الإضافية بإحداثياتنا. تتوقع أحدث النتائج أن العلماء سيتمكنون قريبًا من اكتشاف هذه الأبعاد الإضافية (إن وجدت) في التجارب القادمة ، لأنها قد تكون أكبر مما كان متوقعًا في السابق.

فهم الغرض

الهدف الذي يسعى إليه العلماء عند دراسة الأوتار الفائقة هو "نظرية كل شيء" ، أي فرضية فيزيائية موحدة تصف كل الواقع المادي على مستوى أساسي. إذا نجحت ، يمكن أن توضح العديد من الأسئلة حول بنية كوننا.

شرح المادة والكتلة

تتمثل إحدى المهام الرئيسية للبحث الحديث في إيجاد حلول للجسيمات الحقيقية.

بدأت نظرية الأوتار كمفهوم يصف جسيمات مثل الهادرونات مع حالات اهتزازية أعلى مختلفة لسلسلة. في معظم الصيغ الحديثة ، المادة التي نراها في كوننا هي نتيجة اهتزازات السلاسل والأغشية الأقل طاقة. من المرجح أن تولد الاهتزازات جزيئات عالية الطاقة ، والتي لا توجد في عالمنا في الوقت الحاضر.

كتلة هذه هي مظهر من مظاهر كيفية التفاف الخيوط والأغشية في أبعاد إضافية مضغوطة. على سبيل المثال ، في الحالة المبسطة حيث يتم طيها في شكل دائري ، يسمى الطارة من قبل علماء الرياضيات والفيزيائيين ، يمكن لسلسلة أن تلف هذا الشكل بطريقتين:

• حلقة قصيرة من خلال منتصف الطارة ؛
• حلقة طويلة حول المحيط الخارجي للحلقة بالكامل.

ستكون الحلقة القصيرة جسيمًا خفيفًا ، وستكون الحلقة الكبيرة ثقيلة. عندما يتم لف الخيوط حول أبعاد حلقية مضغوطة ، يتم تشكيل عناصر جديدة بكتل مختلفة.

تشرح نظرية الأوتار الفائقة شرحًا موجزًا ​​وواضحًا وبسيطًا وأنيقًا للانتقال من الطول إلى الكتلة. الأبعاد الملتفة هنا أكثر تعقيدًا بكثير من الحلقة ، لكنها تعمل بنفس الطريقة من حيث المبدأ.

بل إنه من الممكن ، على الرغم من صعوبة تخيله ، أن يلتف الخيط حول الحلقة في اتجاهين في نفس الوقت ، مما ينتج عنه جسيم مختلف بكتلة مختلفة. يمكن للأغشية أيضًا أن تلف أبعادًا إضافية ، مما يخلق المزيد من الاحتمالات.

تعريف المكان والزمان

في العديد من إصدارات نظرية الأوتار الفائقة ، تنهار الأبعاد ، مما يجعلها غير قابلة للرصد في الحالة الحالية للتكنولوجيا.

ليس من الواضح حاليًا ما إذا كانت نظرية الأوتار يمكنها تفسير الطبيعة الأساسية للمكان والزمان أكثر مما فعل أينشتاين. في ذلك ، القياسات هي الخلفية لتفاعل الأوتار وليس لها معنى حقيقي مستقل.

تم تقديم تفسيرات ، لم يتم الانتهاء منها بشكل كامل ، فيما يتعلق بتمثيل الزمكان كمشتق من المجموع الكلي لجميع تفاعلات السلسلة.

هذا النهج لا يتوافق مع أفكار بعض الفيزيائيين مما أدى إلى انتقاد الفرضية. تستخدم النظرية التنافسية تكميم المكان والزمان كنقطة انطلاق. يعتقد البعض أنه في النهاية سيتحول إلى مجرد نهج مختلف لنفس الفرضية الأساسية.

تكميم الجاذبية

سيكون الإنجاز الرئيسي لهذه الفرضية ، إذا تم تأكيدها ، هو نظرية الجاذبية الكمية. الوصف الحالي في النسبية العامة غير متوافق مع فيزياء الكم. هذا الأخير ، الذي يفرض قيودًا على سلوك الجسيمات الصغيرة ، عند محاولة استكشاف الكون على نطاق صغير للغاية ، يؤدي إلى تناقضات.

توحيد القوات

يعرف الفيزيائيون حاليًا أربع قوى أساسية: الجاذبية ، والتفاعلات الكهرومغناطيسية ، والتفاعلات النووية الضعيفة والقوية. ويترتب على نظرية الأوتار أنها كانت كلها مظاهر لواحد في مرحلة ما.

وفقًا لهذه الفرضية ، منذ أن هدأ الكون المبكر بعد الانفجار العظيم ، بدأ هذا التفاعل الفردي في التفكك إلى تفاعلات مختلفة سارية اليوم.

ستسمح لنا التجارب ذات الطاقات العالية يومًا ما باكتشاف توحيد هذه القوى ، على الرغم من أن مثل هذه التجارب تتجاوز بكثير التطور الحالي للتكنولوجيا.

خمسة خيارات

بعد ثورة الأوتار الفائقة عام 1984 ، استمر التطور بوتيرة محمومة. نتيجة لذلك ، بدلاً من مفهوم واحد ، ظهر خمسة ، تسمى النوع الأول ، IIA ، IIB ، HO ، HE ، كل منها وصف عالمنا بالكامل تقريبًا ، ولكن ليس تمامًا.

قام الفيزيائيون بفرز نسخ من نظرية الأوتار على أمل إيجاد صيغة حقيقية عالمية ، وقد ابتكروا 5 إصدارات مختلفة مكتفية ذاتيًا. تعكس بعض خصائصها الواقع المادي للعالم ، والبعض الآخر لا يتوافق مع الواقع.

نظرية إم

في مؤتمر عام 1995 ، اقترح الفيزيائي إدوارد ويتن حلاً جريئًا لمشكلة الفرضيات الخمس. بناءً على الازدواجية المكتشفة مؤخرًا ، أصبحت جميعها حالات خاصة لمفهوم شامل واحد يسمى نظرية M-superstring بواسطة Witten. أصبحت الأغشية (اختصارًا للغشاء) ، وهي أشياء أساسية لها أكثر من بُعد واحد ، أحد مفاهيمها الرئيسية. على الرغم من أن المؤلف لم يقدم نسخة كاملة ، والتي لا تزال غير موجودة ، فإن نظرية الأوتار الفائقة M تلخص الميزات التالية:

• 11 بعدًا (10 مكاني زائد 1 بعد زمني) ؛
• الازدواجية ، والتي أدت إلى خمس نظريات تشرح نفس الواقع المادي ؛
• الأغشية هي سلاسل ذات بُعد واحد.

عواقب

نتيجة لذلك ، ظهر 10500 حل بدلاً من حل واحد. بالنسبة لبعض الفيزيائيين ، أصبح هذا سبب الأزمة ، بينما تبنى البعض الآخر المبدأ الأنثروبي ، موضحًا خصائص الكون من خلال وجودنا فيه. يبقى أن نتوقع متى سيجد المنظرون طريقة أخرى للتنقل في نظرية الأوتار الفائقة.

تشير بعض التفسيرات إلى أن عالمنا ليس العالم الوحيد. تسمح الإصدارات الأكثر تطرفاً بوجود عدد لا نهائي من الأكوان ، بعضها يحتوي على نسخ طبق الأصل من أكواننا.

تتنبأ نظرية أينشتاين بوجود فضاء منهار يسمى ثقب دودي أو جسر أينشتاين روزن. في هذه الحالة ، ترتبط المنطقتان البعيدتان بممر قصير. لا تسمح نظرية الأوتار الفائقة بهذا فحسب ، بل تسمح أيضًا بالاتصال بالنقاط البعيدة للعوالم المتوازية. حتى الانتقال بين الأكوان بقوانين الفيزياء المختلفة ممكن. ومع ذلك ، من المرجح أن يكون هناك متغير عندما تجعل نظرية الكم للجاذبية وجودها مستحيلاً.

يعتقد العديد من الفيزيائيين أن مبدأ الهولوغرام ، عندما تتوافق جميع المعلومات الموجودة في حجم الفضاء مع المعلومات المسجلة على سطحه ، سيسمح بفهم أعمق لمفهوم خيوط الطاقة.

اقترح البعض أن نظرية الأوتار الفائقة تسمح بأبعاد متعددة من الوقت ، والتي يمكن أن تؤدي إلى السفر خلالها.

بالإضافة إلى ذلك ، في إطار الفرضية ، هناك بديل لنموذج الانفجار العظيم ، والذي بموجبه ظهر كوننا نتيجة تصادم غشاءين ويمر عبر دورات متكررة من الخلق والدمار.

لطالما شغل المصير النهائي للكون علماء الفيزياء ، وستساعد النسخة النهائية من نظرية الأوتار في تحديد كثافة المادة والثابت الكوني. بمعرفة هذه القيم ، سيتمكن علماء الكونيات من تحديد ما إذا كان الكون سينكمش حتى ينفجر ، بحيث يبدأ كل شيء من جديد.

لا أحد يعرف ما الذي ستؤدي إليه حتى يتم تطويرها واختبارها. لم يفترض أينشتاين ، الذي كتب المعادلة E = mc 2 ، أنها ستؤدي إلى ظهور أسلحة نووية. لم يعرف مبتكرو فيزياء الكم أنها ستصبح أساسًا لإنشاء الليزر والترانزستور. وعلى الرغم من أنه لم يُعرف بعد إلى أين سيقود مثل هذا المفهوم النظري البحت ، فإن التاريخ يشير إلى أن شيئًا رائعًا سيظهر بالتأكيد.

يمكنك قراءة المزيد عن هذه الفرضية في كتاب Andrew Zimmerman's Superstring Theory for Dummies.