Lang geleden heeft de grote Italiaan Galileo Galilei aangetoond dat het met behulp van wiskundige formules mogelijk is om zelfs die processen die buiten onze perceptie vallen, betrouwbaar te beschrijven. Sindsdien hebben wetenschappers geprobeerd een soort fysieke en wiskundige "theorie van alles" te creëren die het heelal op een elegante manier zou beschrijven, rekening houdend met de bekende interacties.
VIJFDE DIMENSIE
Isaac Newton luidde een nieuw tijdperk in de geschiedenis van de wetenschap in en formuleerde in 1684 zijn drie beroemde wetten van de mechanica. Maar tegelijkertijd dacht hij helemaal niet na over hoe de door hem beschreven krachten werken en wat hun aard is.
De wetten van Newton waren van beperkt nut. Ze konden op geen enkele manier worden gebruikt om fenomenen als elektriciteit, magnetisme en optische effecten te beschrijven. Aan het einde van de 19e eeuw werden al deze drie fenomenen met succes gecombineerd met behulp van de vergelijkingen van James Maxwell tot een samenhangende wetenschap van elektrodynamica, en wetenschappers hoopten serieus dat ze bijna een 'theorie van alles' zouden creëren. Al snel pakte Albert Einstein deze kwestie aan en formuleerde de speciale (1905) en algemene (1916) relativiteitstheorieën, die een herziening van de Newtoniaanse fysica vereisten. Omdat de ontdekking van Einstein werd bevestigd door eenvoudige visuele waarnemingen, accepteerde de wetenschappelijke gemeenschap deze zonder enig bezwaar. Einstein geloofde dat het, om een "theorie van alles" te formuleren, voldoende zou zijn om een verband te leggen tussen elektromagnetisme en zwaartekracht. Maar hij trok snel conclusies.
In 1921 was de Duitse natuurkundige Theodor Kaluzei in staat om de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie formeel te combineren met de klassieke Maxwell-vergelijkingen, maar hiervoor moest hij naast de vier bekende dimensies (drie dimensies van ruimte en één tijd) een extra vijfde dimensie introduceren. In eerste instantie leek dit idee idioot, maar vijf jaar later werd de grondgedachte voor de ‘niet-waarneembaarheid’ van de vijfde dimensie voorgesteld door de Zweed Oskar Klein.
Het leek erop dat alles begon te convergeren, en hier deden nieuwe ontdekkingen op het gebied van elementaire deeltjesfysica en de opkomst van kwantummechanica twijfels rijzen over een dergelijke eenvoudige benadering.
Promotie video:
MULTI-DIMENSIONELE WERELD
De moderne fysica vereist een hypothetische "theorie van alles" om de vier fundamentele interacties die momenteel bekend zijn, te combineren: gravitatie-interactie, elektromagnetische interactie, sterke nucleaire interactie, zwakke nucleaire interactie. Bovendien moet het het bestaan van alle elementaire deeltjes en hun onderlinge verschillen verklaren.
Pogingen om meerdere interpretaties van de waargenomen interacties te combineren, gingen door in de 20e eeuw. Halverwege de jaren zeventig bleek het zelfs drie interacties te combineren, naast de belangrijkste en ons gegeven in sensaties - zwaartekracht. Maar zelfs deze "ingekorte" theorie heeft geen experimentele bevestiging gekregen.
Verdere pogingen om te begrijpen hoe het universum op een basisniveau is gerangschikt, leidden ertoe dat natuurkundigen zich de vergeten Kaluzei-Klein-theorie moesten herinneren en extra dimensies in hun formules moesten introduceren. Het bleek dat alles convergeert als we de hypothese accepteren dat het heelal niet vier of geen vijf, maar tien dimensies heeft. Later ontstond de M-theorie, opererend in elf dimensies, gevolgd door de F-theorie, waarin twaalf dimensies voorkomen. Je zou kunnen denken dat de introductie van extra dimensies, die we ons niet eens kunnen voorstellen, de kwestie ingewikkeld maakt, maar op het niveau van zuivere wiskunde blijkt dat integendeel juist te vereenvoudigen. En het probleem van waarneming houdt alleen verband met gewoonte: er waren tijden dat mensen niets wisten van vacuüm en gewichtloosheid, en nu heeft elk schoolkind dat ervan droomt astronaut te worden hier een idee van.
Is het mogelijk om op de een of andere manier de fundamentele relatie in de multidimensionale ruimte in de praktijk bloot te leggen? Het blijkt dat je het kunt. Dit is precies wat de voorstanders van de zogenaamde snaartheorie doen.
QUANTUM DRADEN
"Strings" als fundamentele formaties werden geïntroduceerd in de fysica van elementaire deeltjes om de structuur van pi-mesonen te verklaren - deeltjes, waarvan de sterke interactie de atoomkernen tot één geheel maakt. Het bestaan van dergelijke deeltjes werd voorspeld, en ze werden zelf in 1947 ontdekt in de studie van kosmische straling. De effecten die werden waargenomen bij botsingen van pi mesonen maakten het mogelijk om het idee naar voren te brengen dat ze verbonden waren door een "oneindig dunne oscillerende draad". Ik vond het een leuk idee, en er waren meteen wiskundige modellen waarin alle elementaire deeltjes worden beschreven in de vorm van eendimensionale snaren die op bepaalde frequenties trillen.
De snaartheorie begon zich te ontwikkelen en het werd al snel duidelijk dat "stringness" alleen wordt gerealiseerd in ruimtes waarin het aantal dimensies a priori groter is dan vier. Ze probeerden de theorie toe te passen op verschillende hypothetische constructies zoals tachyon (een deeltje waarvan de snelheid de lichtsnelheid overschrijdt), graviton (kwantum van het gravitatieveld) en boson (deeltje met massa), maar zonder veel succes.
Toch kwamen natuurkundigen in de jaren tachtig, na veel discussie, tot de conclusie dat de snaartheorie alle elementaire deeltjes en de interacties daartussen kan beschrijven. Honderden wetenschappers zijn eraan begonnen. Al snel werd aangetoond dat verschillende versies van de snaartheorie werkbaar zijn als ze de beperkende gevallen van de M-theorie vertegenwoordigen, werkend in elf dimensies. En hoewel het werk nog lang niet voltooid is, zijn natuurkundigen geneigd te geloven dat ze op de goede weg zijn.
Hier is het nodig om uit te leggen hoe de multidimensionaliteit van het universum er in de snaartheorie uitziet.
De eerste optie is het "verdichten" van extra dimensies, wat inhoudt dat ze op zulke kleine afstanden op zichzelf gesloten zijn dat ze niet experimenteel kunnen worden gedetecteerd. Natuurkundigen praten er op deze manier over. Als je een tuinslang van ver genoeg op het gras ziet zitten, lijkt het alsof hij maar één afmeting heeft: lengte. Maar als je naar hem toe gaat, zul je er nog twee vinden. Evenzo kunnen extra dimensies van de ruimte alleen van zeer korte afstand worden gedetecteerd, en het valt buiten de mogelijkheden van instrumenten.
De tweede optie is om de metingen te “lokaliseren”. Ze zijn niet zo klein als in het eerste geval, maar om de een of andere reden zijn alle deeltjes van onze wereld gelokaliseerd op een vierdimensionaal blad (braan) in het multidimensionale universum en kunnen ze het niet verlaten. Omdat wij en al onze apparaten uit gewone deeltjes bestaan, kunnen we in principe niet zien wat er buiten is. De enige manier om de aanwezigheid van extra dimensies te detecteren, is de zwaartekracht, die niet op de braan is gelokaliseerd, dus gravitonen en microscopisch kleine zwarte gaten kunnen naar buiten gaan. In de ons bekende wereld zal een dergelijk proces eruitzien als een plotselinge verdwijning van de energie die door deze objecten wordt meegevoerd.
Hoewel wordt aangenomen dat de snaartheorie nooit experimenteel zal worden bevestigd, hebben natuurkundigen verschillende experimenten ontwikkeld die er indirect op kunnen duiden dat het juist is. Onder hen is de bepaling van afwijkingen in de wet van de universele zwaartekracht op afstanden in de orde van honderdsten van een millimeter. Een andere manier is om gravitonen en microscopisch kleine zwarte gaten te fixeren bij de Large Hadron Collider. De derde is de waarneming van "kosmische snaren" die zijn uitgerekt tot intergalactische dimensies en die het sterkste zwaartekrachtveld bezitten. Wellicht zal een van deze experimenten in de nabije toekomst positieve resultaten opleveren.
HET CENTRUM VAN HET UNIVERSUM
In 2003 kwamen natuurkundigen erachter dat er veel manieren zijn om tiendimensionale snaartheorieën terug te brengen tot vier dimensies. Bovendien bevat de theorie zelf geen criterium voor de voorkeur van een mogelijk pad. Elk van de opties genereert zijn eigen vierdimensionale wereld, die kan lijken op, of aanzienlijk kan verschillen van het waargenomen universum. Het aantal van dergelijke opties blijkt bijna oneindig te zijn: ongeveer 10.500 (tien tot de vijfhonderdste macht). Wat maakt onze wereld zoals hij is?
Al snel werd gesuggereerd dat het antwoord alleen kan worden verkregen door een persoon op deze foto op te nemen - we bestaan precies in het universum waarin ons bestaan mogelijk is. In elk ander geval zou u deze regels gewoon niet lezen.
Anton Pervushin
