სუპერსიმების თეორია, პოპულარული ენით, წარმოადგენს სამყაროს, როგორც ენერგიის ვიბრაციული ძაფების - სიმების კრებულს. ისინი ბუნების საფუძველია. ჰიპოთეზა აღწერს სხვა ელემენტებსაც - ბრენებს. ჩვენს სამყაროში მთელი მატერია შედგება სიმების და ბრანების ვიბრაციებისგან. თეორიის ბუნებრივი შედეგია გრავიტაციის აღწერა. ამიტომ მეცნიერებს მიაჩნიათ, რომ მას აქვს გრავიტაციის სხვა ძალებთან გაერთიანების გასაღები.
კონცეფცია ვითარდება
ერთიანი ველის თეორია, სუპერსიმების თეორია, არის წმინდა მათემატიკური. როგორც ყველა ფიზიკური კონცეფცია, ის დაფუძნებულია განტოლებებზე, რომელთა ინტერპრეტაცია შესაძლებელია გარკვეული გზებით.
დღეს არავინ იცის ზუსტად რა იქნება ამ თეორიის საბოლოო ვერსია. მეცნიერებს საკმაოდ ბუნდოვანი წარმოდგენა აქვთ მის ზოგად ელემენტებზე, მაგრამ ჯერ არავის მოუვიდა საბოლოო განტოლება, რომელიც მოიცვას ყველა სუპერსიმების თეორიას და ექსპერიმენტულად ჯერ ვერ შეძლო მისი დადასტურება (თუმცა არც უარყოს). ფიზიკოსებმა შექმნეს განტოლების გამარტივებული ვერსიები, მაგრამ ჯერჯერობით ის ბოლომდე არ აღწერს ჩვენს სამყაროს.
სუპერსიმების თეორია დამწყებთათვის
ჰიპოთეზა ემყარება ხუთ ძირითად იდეას.
- სუპერსიმების თეორია პროგნოზირებს, რომ ჩვენს სამყაროში ყველა ობიექტი შედგება ვიბრაციული ძაფებისა და ენერგიის გარსებისგან.
- ის ცდილობს დააკავშიროს ზოგადი ფარდობითობა (გრავიტაცია) კვანტურ ფიზიკასთან.
- სუპერსიმების თეორია გააერთიანებს სამყაროს ყველა ფუნდამენტურ ძალას.
- ეს ჰიპოთეზა პროგნოზირებს ახალ კავშირს, სუპერსიმეტრიას ორ ფუნდამენტურად განსხვავებულ ნაწილაკებს შორის, ბოზონებსა და ფერმიონებს შორის.
- კონცეფცია აღწერს სამყაროს დამატებით, ჩვეულებრივ დაუკვირვებად განზომილებებს.
სიმები და ბრანები
როდესაც თეორია გაჩნდა 1970-იან წლებში, მასში არსებული ენერგიის ძაფები განიხილებოდა 1 განზომილებიანი ობიექტები - სიმები. სიტყვა "ერთგანზომილებიანი" ნიშნავს, რომ სტრიქონს აქვს მხოლოდ 1 განზომილება, სიგრძე, განსხვავებით, მაგალითად, კვადრატისგან, რომელსაც აქვს სიგრძეც და სიმაღლეც.
თეორია ყოფს ამ სუპერსიმებს ორ ტიპად - დახურულ და ღიად. ღია სტრიქონს აქვს ბოლოები, რომლებიც არ ეხება ერთმანეთს, ხოლო დახურულ სტრიქონს არის მარყუჟი ღია ბოლოების გარეშე. შედეგად, გაირკვა, რომ ეს სტრიქონები, რომლებსაც უწოდებენ პირველი ტიპის სტრიქონებს, ექვემდებარება ურთიერთქმედების 5 ძირითად ტიპს.
ურთიერთქმედება ეფუძნება სტრიქონის უნარს დააკავშიროს და გამოყოს მისი ბოლოები. იმის გამო, რომ ღია სტრიქონების ბოლოები შეიძლება გაერთიანდეს დახურული სიმების შესაქმნელად, შეუძლებელია სუპერსიმების თეორიის აგება, რომელიც არ მოიცავს მარყუჟის სიმებს.
ეს მნიშვნელოვანი აღმოჩნდა, რადგან დახურულ სიმებს აქვთ თვისებები, ფიზიკოსების აზრით, რომელიც შეიძლება აღწეროს გრავიტაციას. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, მეცნიერებიგააცნობიერა, რომ ზესიმების თეორიას, მატერიის ნაწილაკების ახსნის ნაცვლად, შეუძლია აღწეროს მათი ქცევა და გრავიტაცია.
ბევრი წლის შემდეგ გაირკვა, რომ თეორიისთვის სიმების გარდა სხვა ელემენტებია საჭირო. ისინი შეიძლება ჩაითვალოს, როგორც ფურცლები, ან ბრანები. სიმები შეიძლება დამაგრდეს ერთ მხარეს ან ორივე მხარეს.
კვანტური გრავიტაცია
თანამედროვე ფიზიკას აქვს ორი ძირითადი სამეცნიერო კანონი: ფარდობითობის ზოგადი თეორია (GR) და კვანტური. ისინი წარმოადგენენ მეცნიერების სრულიად განსხვავებულ დარგებს. კვანტური ფიზიკა სწავლობს უმცირეს ბუნებრივ ნაწილაკებს და GR, როგორც წესი, აღწერს ბუნებას პლანეტების, გალაქტიკების და მთლიანად სამყაროს მასშტაბით. ჰიპოთეზებს, რომლებიც მათ გაერთიანებას ცდილობენ, კვანტური გრავიტაციის თეორიებს უწოდებენ. მათგან ყველაზე პერსპექტიული დღეს არის სტრიქონი.
დახურული ძაფები შეესაბამება გრავიტაციის ქცევას. კერძოდ, მათ აქვთ გრავიტონის თვისებები, ნაწილაკი, რომელიც ატარებს გრავიტაციას ობიექტებს შორის.
შეერთების ძალები
სიმების თეორია ცდილობს გააერთიანოს ოთხი ძალა - ელექტრომაგნიტური, ძლიერი და სუსტი ბირთვული ძალები და გრავიტაცია - ერთში. ჩვენს სამყაროში ისინი თავს იჩენენ, როგორც ოთხ განსხვავებულ ფენომენს, მაგრამ სიმების თეორეტიკოსებს მიაჩნიათ, რომ ადრეულ სამყაროში, როდესაც იყო წარმოუდგენლად მაღალი დონის ენერგია, ყველა ეს ძალები აღწერილია ერთმანეთთან ურთიერთქმედების სიმებით.
სუპერსიმეტრია
სამყაროს ყველა ნაწილაკი შეიძლება დაიყოს ორ ტიპად: ბოზონებად და ფერმიონებად. სიმების თეორიაპროგნოზირებს, რომ მათ შორის არის კავშირი, რომელსაც სუპერსიმეტრია ეწოდება. სუპერსიმეტრიაში უნდა არსებობდეს ფერმიონი ყველა ბოზონისთვის და ბოზონი ყველა ფერმიონისთვის. სამწუხაროდ, ასეთი ნაწილაკების არსებობა ექსპერიმენტულად არ დადასტურებულა.
სუპერსიმეტრია არის მათემატიკური ურთიერთობა ფიზიკური განტოლებების ელემენტებს შორის. ის აღმოაჩინეს ფიზიკის სხვა სფეროში და მისმა გამოყენებამ გამოიწვია 1970-იანი წლების შუა რიცხვებში სიმების სუპერსიმეტრიული თეორიის (ან სუპერ სიმების თეორიის) სახელის გადარქმევა.
სუპერსიმეტრიის ერთ-ერთი უპირატესობა ის არის, რომ ის მნიშვნელოვნად ამარტივებს განტოლებებს ზოგიერთი ცვლადის აღმოფხვრის საშუალებით. სუპერსიმეტრიის გარეშე, განტოლებები იწვევს ფიზიკურ წინააღმდეგობებს, როგორიცაა უსასრულო მნიშვნელობები და წარმოსახვითი ენერგიის დონეები.
რადგან მეცნიერებმა არ დააკვირდნენ სუპერსიმეტრიით ნაწინასწარმეტყველ ნაწილაკებს, ეს ჯერ კიდევ ჰიპოთეზაა. ბევრი ფიზიკოსი თვლის, რომ ამის მიზეზი არის მნიშვნელოვანი რაოდენობის ენერგიის საჭიროება, რომელიც დაკავშირებულია მასასთან ცნობილი აინშტაინის განტოლებით E=mc2. ეს ნაწილაკები შეიძლებოდა არსებობდეს ადრეულ სამყაროში, მაგრამ როდესაც ის გაცივდა და ენერგია გავრცელდა დიდი აფეთქების შემდეგ, ეს ნაწილაკები გადავიდა დაბალ ენერგეტიკულ დონეზე.
სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, სიმები, რომლებიც ვიბრირებდნენ მაღალი ენერგიის ნაწილაკების სახით, დაკარგეს ენერგია, აქცევდნენ მათ ქვედა ვიბრაციის ელემენტებად.
მეცნიერები იმედოვნებენ, რომ ასტრონომიული დაკვირვებები ან ექსპერიმენტები ნაწილაკების ამაჩქარებლებთან დაადასტურებს თეორიას ზოგიერთი სუპერსიმეტრიული ელემენტის უფრო მაღალი დონის გამოვლენით.ენერგია.
დამატებითი გაზომვები
სიმების თეორიის კიდევ ერთი მათემატიკური შედეგი არის ის, რომ მას აქვს აზრი სამზე მეტი განზომილების მქონე სამყაროში. ამჟამად ამის ორი ახსნა არსებობს:
- დამატებითი ზომები (მათგან ექვსი) დაიშალა, ან, სიმების თეორიის ტერმინოლოგიით, დატკეპნა წარმოუდგენლად მცირე ზომებამდე, რომელიც არასოდეს იქნება აღქმული.
- ჩვენ ჩარჩენილი ვართ 3D ბრენში, ხოლო სხვა განზომილებები მის ფარგლებს გარეთ ვრცელდება და ჩვენთვის მიუწვდომელია.
თეორეტიკოსებს შორის კვლევის მნიშვნელოვანი ხაზია მათემატიკური მოდელირება იმის შესახებ, თუ როგორ შეიძლება იყოს ეს დამატებითი კოორდინატების დაკავშირებული ჩვენთან. უახლესი შედეგები ვარაუდობს, რომ მეცნიერები მალე შეძლებენ ამ დამატებითი განზომილებების აღმოჩენას (თუ ისინი არსებობენ) მომავალ ექსპერიმენტებში, რადგან ისინი შეიძლება იყოს უფრო დიდი ვიდრე ადრე მოსალოდნელი იყო.
მიზნის გაგება
მიზანი, რომლისკენაც მეცნიერები ისწრაფვიან სუპერსიმების შესწავლისას არის „ყველაფრის თეორია“, ანუ ერთი ფიზიკური ჰიპოთეზა, რომელიც აღწერს მთელ ფიზიკურ რეალობას ფუნდამენტურ დონეზე. წარმატების შემთხვევაში, მას შეუძლია ახსნას მრავალი კითხვა ჩვენი სამყაროს სტრუქტურის შესახებ.
მატერიისა და მასის ახსნა
თანამედროვე კვლევის ერთ-ერთი მთავარი ამოცანაა რეალური ნაწილაკების ამოხსნის პოვნა.
სიმების თეორია დაიწყო, როგორც კონცეფცია, რომელიც აღწერს ნაწილაკებს, როგორიცაა ჰადრონები სიმის სხვადასხვა მაღალ ვიბრაციულ მდგომარეობაში. თანამედროვე ფორმულირებების უმეტესობაში, ეს საკითხი შეიმჩნევა ჩვენსსამყარო, არის ყველაზე დაბალი ენერგიის მქონე სიმების და ბრანების ვიბრაციის შედეგი. უმაღლესი ვიბრაციები წარმოქმნის მაღალი ენერგიის ნაწილაკებს, რომლებიც ამჟამად არ არსებობს ჩვენს სამყაროში.
ამ ელემენტარული ნაწილაკების მასა არის მანიფესტაცია იმისა, თუ როგორ იკვრება სიმები და ბრანები კომპაქტურ დამატებით ზომებში. მაგალითად, გამარტივებულ შემთხვევაში, როდესაც ისინი იკეცება დონატის ფორმაში, რომელსაც მათემატიკოსები და ფიზიკოსები უწოდებენ ტორუსს, სიმს შეუძლია ამ ფორმის შეფუთვა ორი გზით:
- მოკლე მარყუჟი ტორუსის შუაში;
- გრძელი მარყუჟი ტორუსის მთელ გარე წრეზე.
მოკლე მარყუჟი იქნება მსუბუქი ნაწილაკი, ხოლო დიდი მარყუჟი იქნება მძიმე. სიმების შემოხვევა ტოროიდულ კომპაქტურ ზომებზე წარმოქმნის ახალ ელემენტებს სხვადასხვა მასით.
სუპერსიმების თეორია მოკლედ და ნათლად, მარტივად და ელეგანტურად ხსნის სიგრძის მასაზე გადასვლას. დაკეცილი ზომები აქ ბევრად უფრო რთულია ვიდრე ტორუსი, მაგრამ პრინციპში ისინი ერთნაირად მუშაობენ.
შესაძლებელია, თუმცა ძნელი წარმოსადგენია, რომ სიმები ტორუსს ერთდროულად ორი მიმართულებით ეხვევა, რის შედეგადაც წარმოიქმნება განსხვავებული ნაწილაკი განსხვავებული მასით. ბრანებს ასევე შეუძლიათ დამატებითი ზომების შეფუთვა, რაც კიდევ უფრო მეტ შესაძლებლობებს ქმნის.
სივრცისა და დროის განსაზღვრა
სუპერ სიმების თეორიის ბევრ ვერსიაში, ზომები იშლება, რაც მათ შეუმჩნეველს ხდის ტექნოლოგიების განვითარების ამჟამინდელ დონეზე.
ამჟამად უცნობია შეუძლია თუ არა სიმების თეორიას ახსნას სივრცისა და დროის ფუნდამენტური ბუნებაიმაზე მეტი ვიდრე აინშტაინი აკეთებდა. მასში გაზომვები წარმოადგენს სტრიქონების ურთიერთქმედების ფონს და არ გააჩნია დამოუკიდებელი რეალური მნიშვნელობა.
შეთავაზებული იქნა ახსნა-განმარტებები, რომლებიც ბოლომდე არ არის შემუშავებული, სივრცე-დროის წარმოდგენის შესახებ, როგორც ყველა სიმებიანი ურთიერთქმედების ჯამის წარმოებული.
ეს მიდგომა არ შეესაბამება ზოგიერთი ფიზიკოსის იდეებს, რამაც გამოიწვია ჰიპოთეზის კრიტიკა. მარყუჟის კვანტური გრავიტაციის კონკურენტული თეორია საწყის წერტილად იყენებს სივრცისა და დროის კვანტიზაციას. ზოგიერთი თვლის, რომ ეს იქნება მხოლოდ განსხვავებული მიდგომა ერთი და იგივე ძირითადი ჰიპოთეზის მიმართ.
გრავიტაციის კვანტიზაცია
ამ ჰიპოთეზის მთავარი მიღწევა, თუ ის დადასტურდება, იქნება გრავიტაციის კვანტური თეორია. სიმძიმის ამჟამინდელი აღწერა ზოგად ფარდობითობაში არ შეესაბამება კვანტურ ფიზიკას. ეს უკანასკნელი, მცირე ნაწილაკების ქცევაზე შეზღუდვების დაწესებით, იწვევს წინააღმდეგობებს სამყაროს უკიდურესად მცირე მასშტაბით შესწავლის მცდელობისას.
ძალების გაერთიანება
ამჟამად, ფიზიკოსებმა იციან ოთხი ფუნდამენტური ძალა: გრავიტაცია, ელექტრომაგნიტური, სუსტი და ძლიერი ბირთვული ურთიერთქმედება. სიმების თეორიიდან გამომდინარეობს, რომ ისინი ოდესღაც ერთის გამოვლინება იყო.
ამ ჰიპოთეზის თანახმად, რადგან ადრეული სამყარო გაცივდა დიდი აფეთქების შემდეგ, ამ ერთმა ურთიერთქმედებამ დაიწყო დაშლა სხვადასხვა აქტიურ ნაწილებად.
მაღალი ენერგიის ექსპერიმენტები ერთ მშვენიერ დღეს მოგვცემს საშუალებას აღმოვაჩინოთ ამ ძალების გაერთიანება, თუმცა ასეთი ექსპერიმენტები ბევრად სცილდება ტექნოლოგიების ამჟამინდელ განვითარებას.
ხუთი არჩევანი
1984 წელს სუპერ სიმებიანი რევოლუციის შემდეგ განვითარება ცხელებული ტემპით მიმდინარეობდა. შედეგად, ერთი კონცეფციის ნაცვლად, იყო ხუთი, სახელწოდებით ტიპი I, IIA, IIB, HO, HE, რომელთაგან თითოეული თითქმის სრულად აღწერდა ჩვენს სამყაროს, მაგრამ არა მთლიანად.
ფიზიკოსებმა, სიმებიანი თეორიის ვერსიების დახარისხებით, უნივერსალური ჭეშმარიტი ფორმულის პოვნის იმედით, შექმნეს 5 განსხვავებული თვითკმარი ვერსია. მათი ზოგიერთი თვისება ასახავდა სამყაროს ფიზიკურ რეალობას, ზოგი კი არ შეესაბამებოდა რეალობას.
M-თეორია
1995 წელს გამართულ კონფერენციაზე ფიზიკოსმა ედვარდ ვიტენმა შემოგვთავაზა ხუთი ჰიპოთეზის პრობლემის თამამი გადაწყვეტა. ახლად აღმოჩენილ ორმაგობაზე დაფუძნებული, ისინი ყველა გახდა ერთი ყოვლისმომცველი კონცეფციის განსაკუთრებული შემთხვევა, რომელსაც უწოდებს ვიტენის სუპერ სიმების M-თეორიას. მისი ერთ-ერთი მთავარი კონცეფცია იყო ბრანები (მემბრანის შემოკლება), ფუნდამენტური ობიექტები 1-ზე მეტი განზომილებით. მიუხედავად იმისა, რომ ავტორს არ შესთავაზა სრული ვერსია, რომელიც ჯერ არ არის ხელმისაწვდომი, სუპერსიმების M-თეორია მოკლედ შედგება შემდეგი მახასიათებლებისგან:
- 11-განზომილება (10 სივრცითი პლუს 1 დროითი განზომილება);
- ორმაგობა, რომელიც იწვევს ხუთ თეორიას, რომლებიც ხსნიან ერთსა და იმავე ფიზიკურ რეალობას;
- ბრანები არის სიმები 1-ზე მეტი განზომილებით.
შედეგები
შედეგად, ერთის ნაცვლად, იყო 10500 გადაწყვეტა. ზოგიერთი ფიზიკოსისთვის ამან გამოიწვია კრიზისი, ზოგმა კი მიიღო ანთროპული პრინციპი, რომელიც სამყაროს თვისებებს ხსნის მასში ჩვენი ყოფნით. ჯერ კიდევ გასარკვევია, როდის იპოვიან თეორეტიკოსები სხვასორიენტაციის გზა სუპერსიმების თეორიაში.
ზოგიერთი ინტერპრეტაცია ვარაუდობს, რომ ჩვენი სამყარო ერთადერთი არ არის. ყველაზე რადიკალური ვერსიები იძლევა უსასრულო რაოდენობის სამყაროს არსებობას, რომელთაგან ზოგიერთი შეიცავს ჩვენს ზუსტ ასლებს.
აინშტაინის თეორია პროგნოზირებს დახვეული სივრცის არსებობას, რომელსაც ჭიის ხვრელი ან აინშტაინ-როზენის ხიდს უწოდებენ. ამ შემთხვევაში, ორი შორეული ადგილი დაკავშირებულია მოკლე გადასასვლელით. სუპერსიმების თეორია არა მხოლოდ ამის საშუალებას იძლევა, არამედ პარალელური სამყაროების შორეული წერტილების დაკავშირებას. შესაძლებელია სამყაროებს შორის გადასვლა ფიზიკის სხვადასხვა კანონებით. თუმცა, სავარაუდოა, რომ გრავიტაციის კვანტური თეორია მათ არსებობას შეუძლებელს გახდის.
ბევრი ფიზიკოსი თვლის, რომ ჰოლოგრაფიული პრინციპი, როდესაც სივრცის მოცულობაში არსებული მთელი ინფორმაცია შეესაბამება მის ზედაპირზე დაფიქსირებულ ინფორმაციას, საშუალებას მოგცემთ უფრო ღრმად გავიგოთ ენერგეტიკული ძაფების ცნება.
ზოგი თვლის, რომ სუპერსიმების თეორია იძლევა დროის მრავალ განზომილებას, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს მათში მოგზაურობა.
გარდა ამისა, ჰიპოთეზის ფარგლებში არსებობს დიდი აფეთქების მოდელის ალტერნატივა, რომლის მიხედვითაც ჩვენი სამყარო გაჩნდა ორი ბრანის შეჯახების შედეგად და გადის შექმნისა და განადგურების განმეორებით ციკლებს.
სამყაროს საბოლოო ბედი ყოველთვის იკავებდა ფიზიკოსებს და სიმების თეორიის საბოლოო ვერსია დაგეხმარებათ მატერიის სიმკვრივისა და კოსმოლოგიური მუდმივის დადგენაში. ამ ღირებულებების ცოდნით, კოსმოლოგებს შეუძლიათ განსაზღვრონ, იქნება თუ არა სამყაროიკუმშება მანამ, სანამ არ აფეთქდება, რომ ყველაფერი თავიდან დაიწყოს.
არავინ იცის, სად შეიძლება მიგვიყვანოს მეცნიერულმა თეორიამ, სანამ ის არ განვითარდება და არ გამოცდება. აინშტაინი, რომელიც წერდა განტოლებას E=mc2, არ ელოდა, რომ ეს გამოიწვევდა ბირთვული იარაღის გამოჩენას. კვანტური ფიზიკის შემქმნელებმა არ იცოდნენ, რომ ის ლაზერისა და ტრანზისტორის შექმნის საფუძველი გახდებოდა. და მიუხედავად იმისა, რომ ჯერ არ არის ცნობილი, რას გამოიწვევს ასეთი წმინდა თეორიული კონცეფცია, ისტორია გვიჩვენებს, რომ რაღაც გამორჩეული ნამდვილად გამოვა.
დაწვრილებით ამ ვარაუდის შესახებ იხილეთ ენდრიუ ზიმერმანის სუპერსიმების თეორია დუმებისთვის.
