نظرية الأوتار بلغة بسيطة لفترة وجيزة. باختصار عن نظرية الأوتار

تقدم النظرية النسبية الكون على أنه "مسطح"، لكن ميكانيكا الكم تنص على أنه على المستوى الجزئي هناك حركة لا نهائية تؤدي إلى انحناء الفضاء. تجمع نظرية الأوتار بين هذه الأفكار وتقدم الجسيمات الدقيقة كنتيجة لاتحاد أنحف الأوتار أحادية البعد، والتي سيكون لها مظهر الجسيمات الدقيقة النقطية، وبالتالي لا يمكن ملاحظتها تجريبيًا.

هذه الفرضية تسمح لنا بالتخيل الجسيمات الأولية، مكونة ذرة من ألياف متناهية الصغر تسمى الأوتار.

يتم تفسير جميع خصائص الجسيمات الأولية من خلال الاهتزاز الرنان للألياف التي تشكلها. يمكن لهذه الألياف أن تهتز بعدد لا حصر له من الطرق. تتضمن هذه النظرية الجمع بين أفكار ميكانيكا الكم والنظرية النسبية. ولكن بسبب وجود مشاكل كثيرة في تأكيد الأفكار الكامنة وراءه معظميعتقد العلماء المعاصرون أن الأفكار المقترحة ليست أكثر من مجرد تدنيس عادي أو، بمعنى آخر، نظرية الأوتار للدمى، أي للأشخاص الذين يجهلون تمامًا العلم وبنية العالم من حولهم.

خصائص الألياف فائقة المجهر

لفهم جوهرها، يمكنك أن تتخيل أوتار الآلات الموسيقية - يمكنها أن تهتز، تنحني، حليقة. يحدث الشيء نفسه مع هذه الخيوط التي تنبعث منها اهتزازات معينة وتتفاعل مع بعضها البعض وتطوى في حلقات وتشكل جزيئات أكبر (الإلكترونات والكواركات) تعتمد كتلتها على تردد اهتزاز الألياف وتوترها - هذه تحدد المؤشرات طاقة الأوتار. كلما زادت الطاقة المنبعثة، زادت كتلة الجسيم الأولي.

النظرية التضخمية وخيوطها

وفقا لفرضية التضخم، تم إنشاء الكون نتيجة لتوسع الفضاء الميكروي، وهو حجم الوتر (طول بلانك). ومع زيادة هذه المنطقة، امتدت ما يسمى بالألياف فائقة المجهر، والآن يتناسب طولها مع حجم الكون. تتفاعل مع بعضها البعض بنفس الطريقة وتنتج نفس الاهتزازات والاهتزازات. ويبدو أن التأثير الذي تنتجه عدسات الجاذبية يشوه أشعة الضوء القادمة من المجرات البعيدة. والاهتزازات الطولية تولد إشعاع الجاذبية.

عدم الاتساق الرياضي ومشاكل أخرى

تعتبر إحدى المشاكل هي التناقض الرياضي للنظرية - حيث يفتقر الفيزيائيون الذين يدرسونها إلى الصيغ اللازمة لإيصالها إلى شكلها الكامل. والثاني أن هذه النظرية تعتقد أن هناك 10 أبعاد لكننا نشعر بأربعة فقط - الارتفاع والعرض والطول والزمن. يقترح العلماء أن الستة الباقين في حالة ملتوية، ولا يمكن الشعور بوجودهم في الوقت الفعلي. كما أن المشكلة ليست في إمكانية التأكيد التجريبي لهذه النظرية، ولكن لا يمكن لأحد أن يدحضها أيضًا.

تعتبر الإصدارات المختلفة من نظرية الأوتار الآن هي المتنافسين الرئيسيين على لقب نظرية عالمية شاملة تشرح طبيعة كل شيء. وهذا نوع من الكأس المقدسة لعلماء الفيزياء النظرية المشاركين في نظرية الجسيمات الأولية وعلم الكونيات. تحتوي النظرية العالمية (أيضًا نظرية كل شيء موجود) على عدد قليل من المعادلات التي تجمع كامل المعرفة الإنسانية حول طبيعة التفاعلات وخصائص العناصر الأساسية للمادة التي بني منها الكون.

اليوم تم دمج نظرية الأوتار مع مفهوم التناظر الفائق، مما أدى إلى ولادة نظرية الأوتار الفائقة، واليوم هذا هو أقصى ما تم تحقيقه من حيث توحيد نظرية التفاعلات الأربعة الأساسية (القوى المؤثرة في الطبيعة). إن نظرية التناظر الفائق نفسها مبنية بالفعل على أساس مفهوم حديث بديهي، والذي بموجبه أي تفاعل (مجالي) بعيد يرجع إلى تبادل الجسيمات الحاملة للتفاعل من النوع المقابل بين الجسيمات المتفاعلة (انظر النموذج القياسي). وللتوضيح، يمكن اعتبار الجسيمات المتفاعلة "طوبًا" للكون، ويمكن اعتبار الجسيمات الحاملة إسمنتًا.

نظرية الأوتار هي فرع من الفيزياء الرياضية التي لا تدرس ديناميكيات الجسيمات النقطية، مثل معظم فروع الفيزياء، ولكن تدرس ديناميكيات الأجسام الممتدة أحادية البعد، أي. سلاسل
في النموذج القياسي، تعمل الكواركات كوحدات بناء، وتعمل البوزونات القياس، التي تتبادلها هذه الكواركات مع بعضها البعض، كحاملات للتفاعل. تذهب نظرية التناظر الفائق إلى أبعد من ذلك، حيث تنص على أن الكواركات واللبتونات نفسها ليست أساسية: فهي تتكون جميعًا من هياكل (لبنات بناء) أثقل من المادة ولم يتم اكتشافها تجريبيًا، ويتم ربطها معًا بواسطة "أسمنت" أقوى من جسيمات الطاقة الفائقة. -حاملات التفاعلات من الكواركات المكونة من الهادرونات والبوزونات.

وبطبيعة الحال، لم يتم حتى الآن اختبار أي من تنبؤات نظرية التناظر الفائق في الظروف المعملية، ومع ذلك، فإن المكونات الافتراضية الخفية للعالم المادي لها بالفعل أسماء - على سبيل المثال، الإلكترون (الشريك الفائق التماثل للإلكترون)، والكوارك، وما إلى ذلك ومع ذلك فإن وجود هذه الجسيمات هو نوع نظري يتم التنبؤ به بشكل لا لبس فيه.

ومع ذلك، من السهل جدًا تصور صورة الكون التي تقدمها هذه النظريات. على مقياس حوالي 10E–35 م، أي أصغر بـ 20 مرة من قطر نفس البروتون، الذي يتضمن ثلاثة كواركات مرتبطة، تختلف بنية المادة عما اعتدنا عليه حتى على مستوى الجسيمات الأولية . وفي مثل هذه المسافات الصغيرة (وعند هذه الطاقات العالية من التفاعلات التي لا يمكن تصورها) تتحول المادة إلى سلسلة من الموجات الدائمة الميدانية، تشبه تلك المثارة في أوتار الآلات الموسيقية. مثل سلسلة الغيتار، في مثل هذه السلسلة، بالإضافة إلى النغمة الأساسية، يمكن إثارة العديد من النغمات أو التوافقيات. كل توافقي له حالة الطاقة الخاصة به. وفقًا لمبدأ النسبية (انظر النظرية النسبية)، فإن الطاقة والكتلة متكافئتان، مما يعني أنه كلما زاد تردد اهتزاز الموجة التوافقية للوتر، زادت طاقتها، وارتفعت كتلة الجسيم المرصود.

ومع ذلك، إذا كان من السهل جدًا تصور موجة واقفة في أوتار الجيتار، فمن الصعب تصور الموجات الدائمة التي تقترحها نظرية الأوتار الفائقة - والحقيقة هي أن اهتزازات الأوتار الفائقة تحدث في مساحة لها 11 بُعدًا. لقد اعتدنا على الفضاء رباعي الأبعاد، الذي يحتوي على ثلاثة أبعاد مكانية وواحدة زمانية (يسار يمين، أعلى أسفل، للأمام والخلف، الماضي والمستقبل). في فضاء الأوتار الفائقة، تكون الأمور أكثر تعقيدًا (انظر الإطار). يتغلب الفيزيائيون النظريون على المشكلة الزلقة المتمثلة في الأبعاد المكانية "الإضافية" من خلال القول بأنها "مخفية" (أو، من الناحية العلمية، "مضغوطة")، وبالتالي لا يمكن ملاحظتها في الطاقات العادية.

في الآونة الأخيرة، تلقت نظرية الأوتار مزيد من التطويرفي شكل نظرية الأغشية متعددة الأبعاد - وهي في الأساس نفس الأوتار، ولكنها مسطحة. وكما قال أحد مؤلفيها مازحاً، فإن الأغشية تختلف عن الخيوط بنفس الطريقة التي تختلف بها المعكرونة عن الشعيرية.

ربما هذا هو كل ما يمكن قوله باختصار عن إحدى النظريات التي تدعي اليوم، وليس بدون سبب، أنها النظرية العالمية للتوحيد العظيم لجميع تفاعلات القوى. للأسف، هذه النظرية لا تخلو من الخطيئة. بادئ ذي بدء، لم يتم تقديمه بعد إلى صارمة شكل رياضيبسبب عدم كفاية الجهاز الرياضي لإدخاله في المراسلات الداخلية الصارمة. لقد مرت 20 عامًا على ولادة هذه النظرية، ولم يتمكن أحد من التوفيق المستمر بين بعض جوانبها وإصداراتها مع البعض الآخر. الأمر الأكثر إزعاجًا هو أن أيًا من المنظرين الذين يقترحون نظرية الأوتار (وخاصة الأوتار الفائقة) لم يقترح بعد تجربة واحدة يمكن من خلالها اختبار هذه النظريات في المختبر. للأسف، أخشى أنه إلى أن يفعلوا ذلك، ستظل جميع أعمالهم مجرد لعبة غريبة من الخيال وتدريبات على فهم المعرفة الباطنية خارج نطاق العلوم الطبيعية.

دراسة خصائص الثقوب السوداء

في عام 1996، اعتمد مُنظِّرا الأوتار أندرو سترومينجر وكومرون فافا على نتائج سابقة لساسكيند وسين لنشر كتاب "الطبيعة المجهرية لبيكنشتاين وأنتروبيا هوكينج". في هذا العمل، تمكن سترومينجر وفافا من استخدام نظرية الأوتار للعثور على المكونات المجهرية لفئة معينة من الثقوب السوداء، ولحساب مساهمات الإنتروبيا لهذه المكونات بدقة. اعتمد العمل على طريقة جديدة تجاوزت جزئيًا نظرية الاضطراب المستخدمة في الثمانينيات وأوائل التسعينيات. تزامنت نتيجة العمل تمامًا مع تنبؤات بيكنشتاين وهوكينج التي تم إجراؤها قبل أكثر من عشرين عامًا.

عارض سترومينجر وفافا العمليات الحقيقية لتكوين الثقب الأسود بنهج بناء. لقد غيروا وجهة نظرهم حول تكوين الثقب الأسود، وأظهروا أنه يمكن بناؤه عن طريق تجميع مجموعة الأغشية الدقيقة التي تم اكتشافها خلال ثورة الأوتار الفائقة الثانية في آلية واحدة.

وجود في يديك جميع أدوات التحكم في البنية المجهرية الثقب الأسودتمكن سترومينجر وفافا من حساب عدد التباديل للمكونات المجهرية للثقب الأسود، حيث تظل الخصائص الإجمالية التي يمكن ملاحظتها، مثل الكتلة والشحنة، دون تغيير. ثم قارنوا الرقم الناتج بمساحة أفق الحدث للثقب الأسود - الإنتروبيا التي تنبأ بها بيكنشتاين وهوكينج - ووجدوا اتفاقًا تامًا. على الأقل بالنسبة لفئة الثقوب السوداء المتطرفة، تمكن سترومينجر وفافا من العثور على تطبيق لنظرية الأوتار لتحليل المكونات المجهرية وحساب الإنتروبيا المقابلة بدقة. لقد تم حل المشكلة التي واجهت الفيزيائيين لمدة ربع قرن.

بالنسبة للعديد من المنظرين، كان هذا الاكتشاف حجة مهمة ومقنعة لدعم نظرية الأوتار. لا يزال تطوير نظرية الأوتار بدائيًا للغاية بحيث لا يمكن مقارنتها مباشرة ودقيقة مع النتائج التجريبية، على سبيل المثال، مع قياسات كتلة الكوارك أو الإلكترون. ومع ذلك، توفر نظرية الأوتار أول تفسير أساسي لخاصية الثقوب السوداء المكتشفة منذ فترة طويلة، وهي استحالة التفسير التي أوقفت أبحاث الفيزيائيين الذين يعملون مع النظريات التقليدية لسنوات عديدة. حتى شيلدون جلاشو حائز على جائزة نوبلاعترف في مقابلة أجريت معه عام 1997 بأنه "عندما يتحدث منظرو الأوتار عن الثقوب السوداء، فإنهم يتحدثون تقريبًا عن ظواهر يمكن ملاحظتها، وهذا أمر مثير للإعجاب".

علم الكونيات السلسلة

هناك ثلاث طرق رئيسية تقوم بها نظرية الأوتار بتعديل النموذج الكوني القياسي. أولاً، بالروح البحوث الحديثةمما يوضح الموقف بشكل متزايد، يستنتج من نظرية الأوتار أن الكون يجب أن يكون له حد أدنى مقبول من الحجم. يغير هذا الاستنتاج فهم بنية الكون فورًا في لحظة الانفجار الكبير، حيث ينتج النموذج القياسي حجمًا للكون صفرًا. ثانيًا، إن مفهوم ازدواجية T، أي ازدواجية نصف القطر الصغير والكبير (في ارتباطها الوثيق بوجود الحد الأدنى للحجم) في نظرية الأوتار، مهم أيضًا في علم الكون. ثالثًا، عدد أبعاد الزمكان في نظرية الأوتار أكثر من أربعة، لذلك يجب على علم الكونيات أن يصف تطور كل هذه الأبعاد.

نموذج براندنبرغ وفافا

في نهاية الثمانينات. قام روبرت براندنبرجر وكومرون فافا بالأولى خطوات مهمةلفهم التغييرات في عواقب النموذج الكوني القياسي التي ستنتج عن استخدام نظرية الأوتار. لقد توصلوا إلى نتيجتين مهمتين. أولاً، عندما نعود إلى الانفجار الكبير، تستمر درجة الحرارة في الارتفاع حتى يصبح حجم الكون في جميع الاتجاهات مساويًا لطول بلانك. في هذه المرحلة ستصل درجة الحرارة إلى الحد الأقصى وتبدأ في الانخفاض. على المستوى البديهي، ليس من الصعب فهم سبب هذه الظاهرة. لنفترض من باب البساطة (بعد براندنبرجر وفافا) أن جميع الأبعاد المكانية للكون هي أبعاد دورية. ومع رجوعنا بالزمن إلى الوراء، يتقلص نصف قطر كل دائرة وترتفع درجة حرارة الكون. من نظرية الأوتار، نعلم أن تقليص نصف القطر أولًا إلى طول بلانك ثم أسفله يعادل فيزيائيًا تقليل نصف القطر إلى طول بلانك، يليه زيادته لاحقًا. نظرًا لأن درجة الحرارة تنخفض أثناء تمدد الكون، فإن المحاولات الفاشلة لضغط الكون إلى أحجام أصغر من طول بلانك ستؤدي إلى توقف نمو درجة الحرارة ومزيد من الانخفاض.

ونتيجة لذلك، توصل براندنبرجر وفافا إلى الصورة الكونية التالية: في البداية، كانت جميع الأبعاد المكانية في نظرية الأوتار ملتفة بإحكام إلى الحد الأدنى من الأحجاممن ترتيب طول بلانك. درجة الحرارة والطاقة مرتفعتان، لكن ليسا لا نهائيتين: تم حل مفارقات نقطة البداية ذات الحجم الصفري في نظرية الأوتار. في اللحظة الأولى لوجود الكون، كانت جميع الأبعاد المكانية لنظرية الأوتار متساوية تمامًا ومتماثلة تمامًا: جميعها ملتفة في كتلة متعددة الأبعاد من أبعاد بلانك. علاوة على ذلك، وفقًا لبراندنبرجر وفافا، يمر الكون بالمرحلة الأولى من تقليل التناظر، عندما يتم في لحظة بلانك اختيار ثلاثة أبعاد مكانية للتوسع اللاحق، ويحتفظ الباقي بحجم بلانك الأصلي. يتم بعد ذلك تحديد هذه الأبعاد الثلاثة مع الأبعاد الموجودة في سيناريو علم الكونيات التضخمي، ومن خلال عملية التطور، تأخذ الشكل الملاحظ الآن.

نموذج فينيزيانو و جاسبريني

منذ عمل براندنبرجر وفافا، حقق الفيزيائيون تقدمًا مستمرًا نحو فهم علم الكونيات الوترية. ومن بين الذين يقودون هذا البحث غابرييل فينيزيانو وزميله ماوريتسيو جاسبريني من جامعة تورينو. قدم هؤلاء العلماء نسختهم الخاصة من علم الكونيات الخيطية، والتي تشبه في بعض الأماكن السيناريو الموصوف أعلاه، ولكنها تختلف عنه بشكل أساسي في أماكن أخرى. مثل براندنبرجر وفافا، لاستبعاد درجة الحرارة اللانهائية وكثافة الطاقة التي تنشأ في النماذج القياسية والتضخمية، اعتمدوا على وجود حد أدنى للطول في نظرية الأوتار. ومع ذلك، بدلًا من استنتاج أنه بسبب هذه الخاصية، وُلد الكون من كتلة من أبعاد بلانك، اقترح جاسبريني وفينيزيانو أن هناك كونًا ما قبل التاريخ نشأ قبل وقت طويل من اللحظة التي تسمى نقطة الصفر، والتي ولدت هذه النقطة. "الجنين" الكوني بأبعاد بلانك.

تختلف الحالة الأولية للكون في هذا السيناريو وفي نموذج الانفجار الكبير اختلافًا كبيرًا. وفقًا لجاسبريني وفينيزيانو، لم يكن الكون كرةً ساخنةً وملتويةً بإحكام ذات أبعاد، بل كان باردًا وله مدى لا نهائي. ثم، كما يلي من معادلات نظرية الأوتار، اجتاح عدم الاستقرار الكون، وبدأت جميع نقاطه، كما في عصر التضخم حسب جوث، تتشتت بسرعة إلى الجوانب.

أظهر جاسبريني وفينيزيانو أنه بسبب هذا، أصبح الفضاء منحنيًا بشكل متزايد ونتيجة لذلك كان هناك قفزة مفاجئةدرجة الحرارة وكثافة الطاقة. وبعد مرور القليل من الوقت، تحولت المنطقة ثلاثية الأبعاد ذات الأبعاد المليمترية داخل هذه المساحات اللامتناهية إلى بقعة ساخنة وكثيفة، مطابقة للبقعة التي تتشكل أثناء التمدد التضخمي بحسب جوث. ثم سار كل شيء وفقًا للسيناريو القياسي لعلم الكونيات الخاص بالانفجار الكبير، وتحولت البقعة المتوسعة إلى الكون المرئي.

وبما أن عصر ما قبل الانفجار الكبير كان يمر بتوسع تضخمي خاص به، فإن حل جوث لمفارقة الأفق مدمج تلقائيًا في هذا السيناريو الكوني. وعلى حد تعبير فينيزيانو (في مقابلة عام 1998)، فإن «نظرية الأوتار تقدم لنا نسخة من علم الكونيات التضخمي على طبق من فضة».

سرعان ما أصبحت دراسة علم الكونيات الخيطية مجالًا للبحث النشط والمثمر. على سبيل المثال، كان سيناريو التطور قبل الانفجار الكبير موضوع نقاش ساخن أكثر من مرة، ومكانه في الصياغة الكونية المستقبلية أبعد ما يكون عن الوضوح. ومع ذلك، ليس هناك شك في أن هذه الصيغة الكونية ستعتمد بقوة على فهم الفيزيائيين للنتائج المكتشفة خلال ثورة الأوتار الفائقة الثانية. على سبيل المثال، لا تزال العواقب الكونية لوجود الأغشية متعددة الأبعاد غير واضحة. بمعنى آخر، كيف ستتغير فكرة اللحظات الأولى لوجود الكون نتيجة تحليل نظرية إم المكتملة؟ يتم بحث هذه القضية بشكل مكثف.

اعتاد الفيزيائيون على العمل مع الجسيمات: لقد تم وضع النظرية، وتتقارب التجارب. المفاعلات النووية و قنابل ذريةتحسب باستخدام الجزيئات. مع تحذير واحد - لا تؤخذ الجاذبية في الاعتبار في جميع الحسابات.

الجاذبية هي جاذبية الأجسام. عندما نتحدث عن الجاذبية، فإننا نتخيل الجاذبية. يسقط الهاتف من يديك على الأسفلت تحت تأثير الجاذبية. في الفضاء، ينجذب القمر إلى الأرض، والأرض إلى الشمس. كل شيء في العالم ينجذب لبعضه البعض، ولكن لتشعر بذلك، فأنت بحاجة إلى أشياء ثقيلة جدًا. نشعر بجاذبية الأرض وهي أثقل من الإنسان بـ 7.5 × 10 22 مرة، ولا نلاحظ جاذبية ناطحة سحاب وهي أثقل بـ 4 × 10 6 مرات.

7.5×10 22 = 75,000,000,000,000,000,000,000

4×10 6 = 4,000,000

يتم وصف الجاذبية من خلال النظرية النسبية العامة لأينشتاين. من الناحية النظرية، الأجسام الضخمة تحني الفضاء. لفهم ذلك، انتقل إلى حديقة الأطفال ووضع حجر ثقيل على الترامبولين. ستظهر حفرة على مطاط الترامبولين. إذا وضعت كرة صغيرة على الترامبولين، فسوف تتدحرج عبر القمع باتجاه الحجر. هذه هي الطريقة التقريبية التي تشكل بها الكواكب قمعًا في الفضاء، ونحن، مثل الكرات، نسقط عليها.

الكواكب ضخمة جدًا لدرجة أنها تحني الفضاء

من أجل وصف كل شيء على مستوى الجسيمات الأولية، ليست هناك حاجة للجاذبية. بالمقارنة مع القوى الأخرى، الجاذبية صغيرة جدًا لدرجة أنه تم استبعادها ببساطة من الحسابات الكمومية. إن قوة الجاذبية الأرضية أقل من القوة التي تربط الجزيئات معًا النواة الذرية، 10 38 مرة. وهذا صحيح بالنسبة للكون كله تقريبا.

10 38 = 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

المكان الوحيد الذي تكون فيه الجاذبية قوية مثل القوى الأخرى هو داخل الثقب الأسود. هذا هو القمع العملاق الذي تطوي فيه الجاذبية الفضاء نفسه وتجذب كل شيء قريب منه. حتى الضوء يطير إلى الثقب الأسود ولا يعود أبدًا.

للعمل مع الجاذبية كما هو الحال مع الجسيمات الأخرى، توصل الفيزيائيون إلى كم الجاذبية - الجرافيتون. لقد أجرينا الحسابات، لكنها لم تكتمل. أظهرت الحسابات أن طاقة الجرافيتون تنمو إلى ما لا نهاية. ولكن هذا لا ينبغي أن يحدث.

الفيزيائيون يخترعون أولا، ثم يبحثون. تم اختراع بوزون هيغز قبل 50 عامًا من اكتشافه.

اختفت مشاكل الاختلافات في الحسابات عندما لم يتم اعتبار الجرافيتون جسيمًا، بل كسلسلة. الأوتار لها طول وطاقة محدودان، لذا فإن طاقة الجرافيتون لا يمكن أن تنمو إلا إلى حد معين. لذلك أصبح لدى العلماء أداة عمل يدرسون بها الثقوب السوداء.

يساعدنا التقدم في دراسة الثقوب السوداء على فهم كيفية نشوء الكون. وفقا لنظرية الانفجار الكبير، فإن العالم نما من نقطة مجهرية. في اللحظات الأولى من الحياة، كان الكون كثيفا للغاية - كل النجوم والكواكب الحديثة تجمعت في حجم صغير. كانت الجاذبية قوية مثل القوى الأخرى، لذا فإن معرفة تأثيرات الجاذبية أمر مهم لفهم الكون المبكر.

النجاح في وصف الجاذبية الكمومية هو خطوة نحو إنشاء نظرية تصف كل شيء في العالم. مثل هذه النظرية سوف تشرح كيف ولد الكون، وماذا يحدث فيه الآن، وماذا ستكون نهايته.

هل فكرت يومًا أن الكون يشبه آلة التشيلو؟ هذا صحيح - إنها لم تأت. لأن الكون ليس مثل التشيلو. لكن هذا لا يعني أنه ليس لديه خيوط.

وبطبيعة الحال، فإن أوتار الكون لا تكاد تشبه تلك التي نتخيلها. في نظرية الأوتار، فهي عبارة عن خيوط طاقة صغيرة تهتز بشكل لا يصدق. تشبه هذه الخيوط "الأشرطة المرنة" الصغيرة، القادرة على التلوى والتمدد والضغط بشتى الطرق.
. لكن كل هذا لا يعني أنه من المستحيل "عزف" سيمفونية الكون عليها، لأنه وفقا لمنظري الأوتار، كل شيء موجود يتكون من هذه "الخيوط".

تناقض في الفيزياء.
في النصف الثاني من القرن التاسع عشر، بدا للفيزيائيين أنه لم يعد من الممكن اكتشاف أي شيء خطير في علمهم. الفيزياء الكلاسيكية تعتقد ذلك مشاكل خطيرةلم يبق فيه شيء، وبدا هيكل العالم بأكمله وكأنه آلة منظمة تمامًا ويمكن التنبؤ بها. حدثت المشكلة كالعادة بسبب الهراء - إحدى "السحب" الصغيرة التي لا تزال في سماء العلم الواضحة والواضحة. وهي 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 أن تكون كبيرة إلى ما لا نهاية. وللهروب من مثل هذه السخافة الواضحة، اقترح العالم الألماني ماكس بلانك في عام 1900 أن ضوء مرئيلا يمكن أن تنبعث الأشعة السينية والموجات الكهرومغناطيسية الأخرى إلا من خلال أجزاء معينة منفصلة من الطاقة، والتي أطلق عليها اسم الكوانتا. وبمساعدتهم، كان من الممكن حل المشكلة الخاصة المتمثلة في جسم أسود تمامًا. ومع ذلك، فإن عواقب فرضية الكم على الحتمية لم تتحقق بعد. حتى عام 1926، قام عالم ألماني آخر، فيرنر هايزنبرغ، بصياغة مبدأ عدم اليقين الشهير.

يتلخص جوهرها في حقيقة أنه، على عكس جميع البيانات السائدة سابقًا، 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 أي شيء في العالم الكبير من حولنا. على المستوى دون الذري، يصبح نسيج الفضاء غير متساوٍ وفوضويًا. إن عالم الجزيئات الصغيرة مضطرب للغاية وغير مفهوم لدرجة أنه يتحدى المنطق السليم. المكان والزمان ملتويان ومتشابكان للغاية بحيث لا توجد مفاهيم عادية لليسار واليمين، لأعلى ولأسفل، أو حتى قبل وبعد. لا توجد وسيلة للقول على وجه اليقين أين تقع بالضبط نقطة في الفضاء. هذه اللحظةهذا الجسيم أو ذاك، وما هو زخمه الزاوي. لا يوجد سوى احتمال معين للعثور على جسيم في العديد من مناطق الزمان والمكان. يبدو أن الجسيمات على المستوى دون الذري "تنتشر" في جميع أنحاء الفضاء. ليس هذا فحسب، بل لم يتم تحديد "حالة" الجسيمات نفسها: في بعض الحالات تتصرف مثل الموجات، وفي حالات أخرى تظهر خصائص الجسيمات. وهذا ما يسميه الفيزيائيون ازدواجية الموجة والجسيم في ميكانيكا الكم.

في النظرية العامةالنسبية، كما لو كان في دولة ذات قوانين معاكسة، فإن الوضع مختلف بشكل أساسي. يبدو أن الفضاء يشبه الترامبولين - وهو نسيج ناعم يمكن ثنيه وتمديده بواسطة الأجسام ذات الكتلة. إنها تخلق اعوجاجات في الزمكان، وهو ما نختبره بالجاذبية. وغني عن القول أن النظرية النسبية العامة المتناغمة والصحيحة والتي يمكن التنبؤ بها في صراع غير قابل للحل مع "المشاغب المجنون" - ميكانيكا الكم، ونتيجة لذلك، لا يستطيع العالم الكبير "صنع السلام" مع العالم الصغير. وهنا تأتي نظرية الأوتار للإنقاذ.

نظرية كل شيء.
تجسد نظرية الأوتار حلم جميع علماء الفيزياء في توحيد النظريتين المتناقضتين بشكل أساسي، ميكانيكا الكم وميكانيكا الكم، وهو الحلم الذي ظل يطارد أعظم «الغجر والصعلوك» ألبرت أينشتاين حتى نهاية أيامه.

يعتقد العديد من العلماء أن كل شيء بدءًا من الرقص الرائع للمجرات وحتى الرقص المجنون للجسيمات دون الذرية يمكن تفسيره في النهاية من خلال مبدأ فيزيائي أساسي واحد فقط. وربما قانون واحد يوحد جميع أنواع الطاقة والجسيمات والتفاعلات في صيغة أنيقة.

يصف أوتو إحدى أشهر قوى الكون - الجاذبية. تصف ميكانيكا الكم ثلاث قوى أخرى: القوة النووية القوية، التي تلصق البروتونات والنيوترونات معًا في الذرات، والكهرومغناطيسية، والقوة الضعيفة، التي تشارك في التحلل الإشعاعي. إن أي حدث في الكون، بدءًا من تأين الذرة وحتى ولادة النجم، يتم وصفه من خلال تفاعلات المادة من خلال هذه القوى الأربع. وبمساعدة الرياضيات الأكثر تعقيدا، كان من الممكن إظهار أن التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة لها طبيعة مشتركة، ودمجها في تفاعل كهروضعيف واحد. بعد ذلك، تمت إضافة تفاعل نووي قوي إليهم - لكن الجاذبية لا تنضم إليهم بأي شكل من الأشكال. تعد نظرية الأوتار واحدة من أخطر المرشحين لربط القوى الأربع، وبالتالي احتضان جميع الظواهر في الكون - فليس من قبيل الصدفة أن يطلق عليها أيضًا "نظرية كل شيء".

في البداية كانت هناك أسطورة.
حتى الآن، ليس كل الفيزيائيين سعداء بنظرية الأوتار. وفي فجر ظهورها، بدت بعيدة كل البعد عن الواقع. ولادتها هي أسطورة.

في أواخر الستينيات، بحث عالم الفيزياء النظرية الإيطالي الشاب غابرييلي فينيزيانو عن معادلات يمكن أن تفسر القوة النووية الشديدة - "الغراء" القوي للغاية الذي يربط نوى الذرات معًا، ويربط البروتونات والنيوترونات معًا. وفقًا للأسطورة، فقد عثر ذات مرة على كتاب مترب عن تاريخ الرياضيات، حيث وجد معادلة عمرها مائتي عام كتبها لأول مرة عالم الرياضيات السويسري ليونارد أويلر. تخيل مفاجأة فينيزيانو عندما اكتشف معادلة أويلر، والتي لفترة طويلةلا يعتبر أكثر من مجرد فضول رياضي، ويصف هذا التفاعل القوي.

كيف كان الأمر حقا؟ ربما كانت المعادلة نتيجة لسنوات عديدة من العمل الذي قام به فينيزيانو، ولم تساعد الصدفة إلا في اتخاذ الخطوة الأولى نحو اكتشاف نظرية الأوتار. معادلة أويلر، التي فسرت القوة الشديدة بأعجوبة، أخذت حياة جديدة.

وفي النهاية، لفتت انتباه الفيزيائي والمنظر الأمريكي الشاب ليونارد سسكيند، الذي رأى أن الصيغة تصف في المقام الأول جسيمات ليس لها بنية داخلية ويمكن أن تهتز. تتصرف هذه الجسيمات بطريقة لا يمكن أن تكون مجرد جسيمات نقطية. لقد فهم سسكيند أن الصيغة تصف خيطًا يشبه الشريط المطاطي. لم تكن قادرة على التمدد والتقلص فحسب، بل كانت أيضًا قادرة على التأرجح والتشنج. بعد وصف اكتشافه، قدم سسكيند الفكرة الثورية للأوتار.

ولسوء الحظ، استقبلت الغالبية العظمى من زملائه النظرية ببرود شديد.

النموذج القياسي.
في ذلك الوقت، كان العلم التقليدي يمثل الجسيمات كنقاط وليس كأوتار. لسنوات عديدة، درس الفيزيائيون سلوك الجسيمات دون الذرية عن طريق تحطيمها معًا. سرعات عاليةودراسة النتائج المترتبة على هذه الاصطدامات. اتضح أن الكون أغنى بكثير مما يمكن أن يتخيله المرء. لقد كان "انفجارًا سكانيًا" حقيقيًا للجسيمات الأولية. ركض طلاب الدراسات العليا من جامعات الفيزياء عبر الممرات وهم يصرخون بأنهم اكتشفوا جسيمًا جديدًا - ولم يكن هناك ما يكفي من الحروف لتعيينهم.

لكن، للأسف، في "مستشفى الولادة" للجزيئات الجديدة، لم يتمكن العلماء أبدًا من العثور على إجابة للسؤال - لماذا يوجد الكثير منهم ومن أين أتوا؟

دفع هذا علماء الفيزياء إلى تقديم تنبؤ غير عادي ومذهل، حيث أدركوا أن القوى العاملة في الطبيعة يمكن تفسيرها أيضًا من خلال الجسيمات. أي أن هناك جسيمات من المادة، وهناك جسيمات حاملة للتفاعلات. هذا، على سبيل المثال، هو الفوتون - جسيم الضوء. وكلما زادت هذه الجسيمات - الحاملة - من نفس الفوتونات التي تتبادلها جسيمات المادة ضوء أكثر إشراقا. توقع العلماء أن تبادل الجزيئات - الناقلات - ليس أكثر من ما نعتبره قوة. وهذا ما أكدته التجارب. هكذا تمكن الفيزيائيون من الاقتراب من حلم أينشتاين في توحيد القوى.

يعتقد العلماء أننا إذا عدنا إلى ما بعد الانفجار الكبير مباشرة، عندما كان الكون أكثر حرارة بتريليونات الدرجات، فإن الجسيمات التي تحمل الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة سيصبح من الصعب تمييزها وتتحد في قوة واحدة تسمى القوة الكهروضعيفة. وإذا عدنا بالزمن إلى أبعد من ذلك، فإن التفاعل الكهروضعيف سوف يتحد مع التفاعل القوي في "قوة خارقة" واحدة.

على الرغم من أن كل هذا لا يزال في انتظار إثباته، فقد أوضحت ميكانيكا الكم فجأة كيف تتفاعل ثلاث من القوى الأربع على المستوى دون الذري. وشرحت ذلك بشكل جميل ومتسق. أصبحت هذه الصورة المتماسكة للتفاعلات تُعرف في النهاية بالنموذج القياسي. ولكن، للأسف، حتى في هذه النظرية المثالية كان هناك واحدة مشكلة كبيرة- لم تشمل القوة الأكثر شهرة على المستوى الكلي - الجاذبية.

جرافيتون.
بالنسبة لنظرية الأوتار، التي لم يكن لديها الوقت الكافي "للازدهار"، فقد جاء "الخريف"؛ فقد كانت تحتوي على الكثير من المشاكل منذ ولادتها. على سبيل المثال، تنبأت حسابات النظرية بوجود الجسيمات، والتي سرعان ما ثبت أنها غير موجودة. هذا هو ما يسمى بالتاكيون - وهو جسيم يتحرك في الفراغ أسرع من الضوء. ومن بين أمور أخرى، اتضح أن النظرية تتطلب ما يصل إلى 10 أبعاد. ليس من المستغرب أن يكون هذا مربكًا جدًا للفيزيائيين، لأنه من الواضح أنه أكبر مما نراه.

بحلول عام 1973، لم يكن هناك سوى عدد قليل من الفيزيائيين الشباب الذين ما زالوا يتصارعون مع أسرار نظرية الأوتار. وكان أحدهم عالم الفيزياء النظرية الأمريكي جون شوارتز. لمدة أربع سنوات، حاول شوارتز ترويض المعادلات الجامحة، ولكن دون جدوى. ومن بين المشاكل الأخرى، استمرت إحدى هذه المعادلات في وصف جسيم غامض ليس له كتلة ولم يتم ملاحظته في الطبيعة.

لقد قرر العالم بالفعل التخلي عن أعماله الكارثية، ثم بزغ فجرًا عليه - ربما تصف معادلات نظرية الأوتار الجاذبية أيضًا؟ ومع ذلك، فإن هذا يعني مراجعة أبعاد "الأبطال" الرئيسيين للنظرية - الأوتار. من خلال الإشارة إلى أن الأوتار أصغر بمليارات ومليارات المرات من الذرة، حوّل السترينجرون عيب النظرية إلى ميزة. إن الجسيم الغامض الذي حاول جون شوارتز التخلص منه بإصرار أصبح الآن بمثابة جرافيتون - وهو جسيم تم البحث عنه منذ فترة طويلة ومن شأنه أن يسمح بنقل الجاذبية إلى المستوى الكمي. وهكذا أكملت نظرية الأوتار اللغز بالجاذبية، وهو ما كان مفقودًا في النموذج القياسي. لكن، للأسف، حتى هذا الاكتشاف لم يتفاعل المجتمع العلمي بأي شكل من الأشكال. ظلت نظرية الأوتار على حافة البقاء. لكن هذا لم يمنع شوارتز. أراد عالم واحد فقط الانضمام إلى بحثه، وكان على استعداد للمخاطرة بحياته المهنية من أجل خيوط غامضة - مايكل جرين.

دمى التعشيش دون الذرية.
على الرغم من كل شيء، في أوائل الثمانينيات، كانت نظرية الأوتار لا تزال تعاني من تناقضات مستعصية، تسمى الشذوذ في العلوم. شرع شوارتز وجرين في القضاء عليهما. ولم تذهب جهودهم سدى: فقد تمكن العلماء من إزالة بعض التناقضات في النظرية. تخيل دهشة هذين الاثنين، اللذين اعتادا بالفعل على تجاهل نظريتهما، عندما فجر رد فعل المجتمع العلمي العالم العلمي. وفي أقل من عام، قفز عدد علماء الأوتار إلى مئات الأشخاص. عندها مُنحت نظرية الأوتار لقب نظرية كل شيء. وبدت النظرية الجديدة قادرة على وصف جميع مكونات الكون. وهذه هي المكونات.

كل ذرة، كما نعلم، تتكون من جزيئات أصغر - إلكترونات، تدور حول نواة تتكون من البروتونات والنيوترونات. تتكون البروتونات والنيوترونات بدورها من جزيئات أصغر - الكواركات. لكن نظرية الأوتار تقول أن الأمر لا ينتهي بالكواركات. تتكون الكواركات من خيوط طاقة صغيرة متلوية تشبه الأوتار. كل من هذه السلاسل صغيرة بشكل لا يمكن تصوره. صغيرة جدًا لدرجة أنه إذا تم تكبير حجم الذرة إلى الحجم النظام الشمسي، سيكون الخيط بحجم شجرة. مثلما تخلق الاهتزازات المختلفة لوتر التشيلو ما نسمعه كنوتات موسيقية مختلفة، طرق مختلفة(أوضاع) اهتزازات الوتر تعطي الجسيمات خصائصها الفريدة - الكتلة، والشحنة، وما إلى ذلك. هل تعرف، نسبيًا، كيف تختلف البروتونات الموجودة عند طرف ظفرك عن الجرافيتون غير المكتشف بعد؟ فقط من خلال مجموعة الأوتار الصغيرة التي تتكون منها، والطريقة التي تهتز بها تلك الأوتار.

وبطبيعة الحال، كل هذا أكثر من مفاجئ. منذ ذلك الحين اليونان القديمةلقد اعتاد الفيزيائيون على حقيقة أن كل شيء في هذا العالم يتكون من شيء يشبه الكرات، جزيئات صغيرة. وهكذا، ليس لديهم وقت للتعود على السلوك غير المنطقي لهذه الكرات، والذي يتبع من ميكانيكا الكم، يطلب منهم التخلي تماما عن النموذج والعمل مع بعض قصاصات السباغيتي.

كيف يعمل العالم.
يعرف العلم اليوم مجموعة من الأرقام التي هي الثوابت الأساسية للكون. وهم الذين يحددون خصائص وخصائص كل شيء حولنا. ومن بين هذه الثوابت، على سبيل المثال، شحنة الإلكترون، وثابت الجاذبية، وسرعة الضوء في الفراغ. وإذا قمنا بتغيير هذه الأرقام ولو لعدد قليل من المرات، فإن العواقب ستكون كارثية. لنفترض أننا قمنا بزيادة قوة التفاعل الكهرومغناطيسي. ماذا حدث؟ وقد نجد فجأة أن الأيونات تبدأ في صد بعضها البعض بقوة أكبر، ويفشل فجأة الاندماج النووي، الذي يجعل النجوم تتألق وتبعث الحرارة. كل النجوم سوف تخرج.

لكن ما علاقة نظرية الأوتار بأبعادها الإضافية؟ والحقيقة هي أن الأبعاد الإضافية هي التي تحدد القيمة الدقيقة للثوابت الأساسية. تتسبب بعض أشكال القياس في اهتزاز وتر واحد بطريقة معينة، وإنتاج ما نراه على أنه فوتون. وفي أشكال أخرى، تهتز الأوتار بشكل مختلف وتنتج إلكترونًا. حقًا، إن الله مخفي في "الأشياء الصغيرة" - فهذه الأشكال الصغيرة هي التي تحدد كل الثوابت الأساسية لهذا العالم.

نظرية الأوتار الفائقة.
في منتصف الثمانينيات، اتخذت نظرية الأوتار مظهرًا رائعًا ومنظمًا، ولكن داخل النصب التذكاري كان هناك ارتباك. وفي غضون سنوات قليلة فقط، ظهر ما يصل إلى خمس نسخ من نظرية الأوتار. وعلى الرغم من أن كل واحد منهم مبني على سلاسل وأبعاد إضافية (يتم دمج جميع الإصدارات الخمسة في النظرية العامة للأوتار الفائقة - NS)، فقد تباعدت هذه الإصدارات بشكل كبير في التفاصيل.

لذلك، في بعض الإصدارات كانت الأوتار ذات نهايات مفتوحة، وفي حالات أخرى كانت تشبه الحلقات. وفي بعض الإصدارات، لم تتطلب النظرية 10 أبعاد، بل ما يصل إلى 26 بُعدًا. المفارقة هي أن جميع الإصدارات الخمسة اليوم يمكن وصفها بنفس القدر من الصحة. ولكن أي واحد يصف عالمنا حقًا؟ وهذا لغز آخر لنظرية الأوتار. ولهذا السبب تخلى العديد من الفيزيائيين مرة أخرى عن النظرية "المجنونة".

لكن المشكلة الأساسية للأوتار، كما ذكرنا سابقًا، هي استحالة (على الأقل حتى الآن) إثبات وجودها تجريبيًا.

ومع ذلك، لا يزال بعض العلماء يقولون إن الجيل القادم من المسرعات لديه فرصة ضئيلة للغاية، لكنها لا تزال لاختبار فرضية الأبعاد الإضافية. على الرغم من أن الأغلبية، بالطبع، على يقين من أنه إذا كان ذلك ممكنا، إلا أنه، للأسف، لن يحدث ذلك قريبًا جدًا - على الأقل خلال عقود، كحد أقصى - حتى بعد مائة عام.

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 باستخدام الأوتار بناء مسرع بحجم مجرة. لم نجد طريقة لاكتشاف الأوتار بعد، لكن بفضل الرياضيات أصبح بإمكاننا تخمين بعض خصائصها.

الأوتار الكمومية مفتوحة ومغلقة. ش نهايات مفتوحةالحرة، والمغلقة، قريبة من بعضها البعض، وتشكيل الحلقات. 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، سيظهر جسم ثلاثي الأبعاد مسطحًا: سيظهر أنبوب الماء على شكل شريط، و 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
وصف تفاعل الجاذبية بين 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

نظرية الكمتسمى الحقول ذات 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. وفقا للنموذج القياسي، الجسيمات الأولية هي نقاط بلا أبعادوالتي تتفاعل على مسافات صفر. 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. لقد اعتاد الفيزيائيون على المعادلات المعقدة التي لا تعطي نتائج دقيقة، ولكن بالنسبة لنظرية الأوتار لم يكن من الممكن كتابة حتى معادلات دقيقة. والنتائج التقريبية للمعادلات التقريبية لم تقدم إجابات. أصبح من الواضح أن هناك حاجة إلى رياضيات جديدة لدراسة النظرية، لكن لم يكن أحد يعرف أي نوع من الرياضيات ستكون. 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 كلمة انجليزيةالأم.

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. هذا ألهم العلماء، و المجلات العلميةنشر منشورات عن فيزياء الأوتار مرة أخرى.

قياسات الزمكان في نظرية الأوتار الفائقة الحديثة

"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. حتى أنهم يتحدثون عن نظرية أساسية جديدة ذات 12 بعدًا - نظرية F، أب كل النظريات، من كلمة الأب. إن تاريخ نظرية الأوتار لم ينته بعد.

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

المشكلة الأساسيةالنظريات - في غياب الأدلة المباشرة. 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 كمية – تهتز مثل أوتار الآلة الموسيقية. 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 تجمع كل شيء معًا النظريات الفيزيائيةواكشف لنا أسرار الكون - فهناك كل المتطلبات الأساسية لذلك. لكن لا يوجد دليل حتى الآن.
6. الاكتشافات الأخرى تتبع منطقيا نظرية الأوتار العلم الحديث. 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: