في بداية القرن العشرين، تم تشكيل ركيزتين داعمتين للمعرفة العلمية الحديثة. إحداها هي النظرية النسبية العامة لأينشتاين، والتي تشرح ظاهرة الجاذبية وبنية الزمكان. والآخر هو ميكانيكا الكم، الذي يصف العمليات الفيزيائية من خلال منظور الاحتمال. وتهدف نظرية الأوتار إلى الجمع بين هذين النهجين. يمكن شرحه بإيجاز ووضوح باستخدام القياسات في الحياة اليومية.

نظرية الأوتار بعبارات بسيطة

الأحكام الرئيسية لإحدى "نظريات كل شيء" الأكثر شهرة هي كما يلي:

1. يتكون أساس الكون من أجسام ممتدة على شكل أوتار؛
2. تميل هذه الأشياء إلى أداء اهتزازات مختلفة، كما لو كانت على آلة موسيقية؛
3. ونتيجة لهذه الاهتزازات، تتشكل جسيمات أولية مختلفة (الكواركات، والإلكترونات، وما إلى ذلك).
4. تتناسب كتلة الجسم الناتج بشكل مباشر مع سعة الاهتزاز المثالي؛
5. تساعد هذه النظرية في تقديم رؤية جديدة للثقوب السوداء؛
6. أيضًا، بمساعدة التدريس الجديد، كان من الممكن الكشف عن قوة الجاذبية في التفاعلات بين الجسيمات الأساسية؛
7. وعلى النقيض من الأفكار السائدة حاليًا حول العالم رباعي الأبعاد، تقدم النظرية الجديدة أبعادًا إضافية؛
8. في الوقت الحالي، لم يتم قبول هذا المفهوم رسميًا من قبل المجتمع العلمي الأوسع. لا توجد تجربة واحدة معروفة من شأنها أن تؤكد هذه النظرية المتناغمة والمثبتة على الورق.

مرجع تاريخي

يمتد تاريخ هذا النموذج لعدة عقود من البحث المكثف. وبفضل الجهود المشتركة للفيزيائيين في جميع أنحاء العالم، تم تطوير نظرية متماسكة شملت مفاهيم المادة المكثفة وعلم الكونيات والرياضيات النظرية.

المراحل الرئيسية لتطورها:

1. 1943-1959 ظهرت عقيدة فيرنر هايزنبرغ حول المصفوفة s، والتي اقترح من خلالها تجاهل مفاهيم المكان والزمان للظواهر الكمومية. كان هايزنبرج أول من اكتشف أن المشاركين في التفاعلات القوية هم كائنات ممتدة، وليسوا نقاطًا؛
2. 1959-1968 تم اكتشاف جسيمات ذات دوران عالي (عزوم الدوران). سيقترح الفيزيائي الإيطالي توليو ريج تجميع الحالات الكمومية في مسارات (التي سميت باسمه)؛
3. 1968-1974 اقترح غاريبرال فينيزيانو نموذج الرنين المزدوج لوصف التفاعلات القوية. طور يوشيرو نامبو هذه الفكرة ووصف القوى النووية بأنها أوتار تهتز أحادية البعد؛
4. 1974-1994 يعود الفضل في اكتشاف الأوتار الفائقة إلى حد كبير إلى أعمال العالم الروسي ألكسندر بولياكوف؛
5. 1994-2003 سمح ظهور نظرية M بأكثر من 11 بُعدًا؛
6. 2003 – الحاضر الخامس. طور مايكل دوغلاس نظرية الأوتار الطبيعية بهذا المفهوم فراغ كاذب.

نظرية الأوتار الكمومية

الأشياء الرئيسية في النموذج العلمي الجديد هي أرقى الكائنات، والتي بحركاتها التذبذبية تنقل الكتلة والشحنة إلى أي جسيم أولي.

الخصائص الرئيسية للأوتار حسب الأفكار الحديثة:

• طولها صغير للغاية - حوالي 10 -35 مترًا. وعلى هذا المقياس، تصبح التفاعلات الكمومية واضحة؛
• ومع ذلك، في ظل ظروف المختبر العادية، التي لا تتعامل مع مثل هذه الأشياء الصغيرة، لا يمكن تمييز السلسلة تمامًا عن كائن نقطي بلا أبعاد؛
• السمة المهمة لكائن السلسلة هي الاتجاه. السلاسل التي تحتوي على زوج ذو اتجاه معاكس. هناك أيضًا حالات غير موجهة.

يمكن أن توجد الأوتار إما على شكل قطعة محدودة عند كلا الطرفين، أو على شكل حلقة مغلقة. علاوة على ذلك، فإن التحولات التالية ممكنة:

• يمكن للقطعة أو الحلقة أن "تتضاعف" لتؤدي إلى ظهور زوج من الكائنات المتناظرة؛
• يؤدي المقطع إلى ظهور حلقة إذا كان جزء منه "يتكرر"؛
• تنكسر الحلقة وتصبح سلسلة مفتوحة؛
• جزأين تبادل قطاعات.

كائنات أساسية أخرى

في عام 1995، اتضح أن الأجسام أحادية البعد ليست فقط هي اللبنات الأساسية لكوننا. تم التنبؤ بوجود تشكيلات غير عادية - الأغشية- على شكل اسطوانة أو حلقة حجمية وتتميز بالخصائص التالية:

• فهي أصغر بعدة مليارات المرات من الذرات؛
• يمكن أن تنتشر عبر المكان والزمان، ولها كتلة وشحنة؛
• في عالمنا هي كائنات ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك، يقترح أن شكلها أكثر غموضًا، حيث أن جزءًا كبيرًا منها يمكن أن يمتد إلى أبعاد أخرى؛
• الفضاء متعدد الأبعاد الذي يقع تحت الأغشية هو الفضاء الزائد؛
• وترتبط هذه الهياكل بوجود جزيئات تحمل الجاذبية - الجرافيتونات. إنها تنفصل بحرية عن الأغشية وتتدفق بسلاسة إلى أبعاد أخرى؛
• يتم أيضًا توطين التفاعلات الكهرومغناطيسية والنووية والضعيفة على الأغشية؛
• النوع الأكثر أهمية هو D-branes. ترتبط نقاط النهاية للسلسلة المفتوحة بسطحها في اللحظة التي تمر فيها عبر الفضاء.

انتقادات

مثل أي ثورة علمية، فإن هذه الثورة تشق طريقها عبر أشواك سوء الفهم والانتقادات من أتباع وجهات النظر التقليدية.

ومن التعليقات الأكثر تداولا:

• إن إدخال أبعاد إضافية للزمكان يخلق احتمالًا افتراضيًا لوجود عدد كبير من الأكوان. وبحسب عالم الرياضيات بيتر فولت، فإن ذلك يؤدي إلى استحالة التنبؤ بأي عمليات أو ظواهر. تؤدي كل تجربة إلى إطلاق عدد كبير من السيناريوهات المختلفة التي يمكن تفسيرها بطرق مختلفة؛
• لا يوجد خيار التأكيد. إن المستوى الحالي للتطور التكنولوجي لا يسمح بتأكيد أو دحض الأبحاث المكتبية تجريبياً؛
• الملاحظات الأخيرة للأجرام الفلكية لا تتناسب مع النظرية، مما يجبر العلماء على إعادة النظر في بعض استنتاجاتهم؛
• ويرى عدد من علماء الفيزياء أن هذا المفهوم تأملي ويمنع تطور المفاهيم الأساسية الأخرى.

ربما يكون إثبات نظرية فيرما أسهل من إثباتها بكلمات بسيطةشرح أحكام نظرية الأوتار. إن أجهزتها الرياضية واسعة النطاق لدرجة أن العلماء المتمرسين من أكبر معاهد البحوث هم فقط من يمكنهم فهمها.

لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت الاكتشافات التي تم إجراؤها على رأس القلم خلال العقود الماضية ستجد تطبيقًا حقيقيًا. إذا كانت الإجابة بنعم، فإن شيئا رائعا ينتظرنا. عالم جديدمع الجاذبية المضادة والأكوان المتعددة وأدلة على طبيعة الثقوب السوداء.

فيديو: ملخص نظرية الأوتار ويمكن الوصول إليه

في هذا الفيديو، سيخبرك الفيزيائي ستانيسلاف إفريموف بكلمات بسيطة عن نظرية الأوتار:

هل فكرت يوما أن الكون يشبه آلة التشيلو؟ هذا صحيح - إنها لم تأت. لأن الكون ليس مثل آلة 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 المطاطية" الصغيرة التي يمكن أن تتلوى وتمتد وتضغط بكل أنواع الطرق. لكن كل هذا لا يعني أنه من المستحيل "عزف" سيمفونية الكون عليها، لأنه وفقا لمنظري الأوتار، كل شيء موجود يتكون من هذه "الخيوط".

©depositphotos.com

تناقض الفيزياء

في النصف الثاني من القرن التاسع عشر، بدا للفيزيائيين أنه لم يعد من الممكن اكتشاف أي شيء خطير في علمهم. اعتقدت الفيزياء الكلاسيكية أنه لم يعد هناك أي مشاكل خطيرة، وأن بنية العالم بأكملها تبدو وكأنها آلة منظمة ويمكن التنبؤ بها بشكل مثالي. حدثت المشكلة، كالعادة، بسبب الهراء - إحدى "السحب" الصغيرة التي لا تزال باقية في سماء العلم الواضحة والواضحة. وهي عند حساب الطاقة الإشعاعية لجسم أسود تمامًا (جسم افتراضي يمتص الإشعاع الواقع عليه تمامًا عند أي درجة حرارة، بغض النظر عن الطول الموجي). أظهرت الحسابات أن إجمالي الطاقة الإشعاعية لأي جسم أسود تمامًا يجب أن يكون كبيرًا بلا حدود. وللهروب من هذا السخافة الواضحة، اقترح العالم الألماني ماكس بلانك في عام 1900 أن الضوء المرئي والأشعة السينية والموجات الكهرومغناطيسية الأخرى لا يمكن أن تنبعث 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 يتناقض الفطرة السليمة. 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 الزمكان. يبدو أن الجسيمات على المستوى دون الذري "ملطخة" 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.

مستويات بنية العالم: 1. المستوى العياني – المادة
2. المستوى الجزيئي 3. المستوى الذري - البروتونات والنيوترونات والإلكترونات
4. المستوى دون الذري – الإلكترون 5. المستوى دون الذري – الكواركات 6. المستوى الأوتار
© برونو بي راموس

في النظرية النسبية العامة، كما لو كان في دولة ذات قوانين معاكسة، فإن الوضع مختلف جذريًا. 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 هي في صراع غير قابل للحل مع "المشاغبين غريب الأطوار" - ميكانيكا الكم، ونتيجة لذلك، لا يستطيع العالم الكبير "صنع السلام" مع العالم الصغير. وهنا تأتي نظرية الأوتار للإنقاذ.

©جون ستيمبريدج/أطلس مشروع مجموعات الكذب

نظرية كل شيء

تجسد نظرية الأوتار حلم جميع علماء الفيزياء في توحيد النسبية العامة وميكانيكا الكم المتناقضتين بشكل أساسي، وهو الحلم الذي ظل يطارد أعظم "الغجر والمتشرد" 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.

تصف النسبية العامة إحدى القوى الأكثر شهرة في 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".

© ويكيميديا ​​​​كومنز

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، كان عالم الفيزياء النظرية الإيطالي الشاب، غابرييلي فينيزيانو، يبحث 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 أن معادلة أويلر، التي لم تعد تعتبر لفترة طويلة أكثر من مجرد فضول رياضي، تصف 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 عالم الفيزياء النظرية الأمريكي الشاب ليونارد سسكيند، الذي رأى أن الصيغة تصف في المقام الأول جسيمات لا تحتوي على الهيكل الداخليويمكن أن يهتز. 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 اصطدامها بسرعات عالية ودراسة عواقب هذه الاصطدامات. اتضح أن الكون أغنى بكثير مما يمكن أن يتخيله المرء. لقد كان حقيقياً" الإنفجار السكاني" الجسيمات الأولية. ركض طلاب الدراسات العليا في 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 المؤثرة في الطبيعة يمكن تفسيرها أيضًا من خلال الجسيمات. أي أن هناك جسيمات المادة، وهناك جسيمات تحمل التفاعلات. على سبيل المثال، الفوتون هو جسيم من الضوء. وكلما زاد عدد هذه الجسيمات الحاملة - وهي نفس الفوتونات التي تتبادلها جزيئات المادة - كلما كان الضوء أكثر سطوعًا. توقع العلماء أن هذا التبادل المحدد للجسيمات الحاملة ليس أكثر من ما نعتبره قوة. وهذا ما أكدته التجارب. هكذا تمكن الفيزيائيون من الاقتراب من حلم أينشتاين في توحيد القوى.

© ويكيميديا ​​​​كومنز

يعتقد العلماء أنه إذا تقدمنا ​​سريعًا إلى ما بعد الانفجار الكبير مباشرة، عندما كان الكون أكثر حرارة بتريليونات الدرجات، فإن الجسيمات التي تحمل الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة ستصبح غير قابلة للتمييز وتتحد في قوة واحدة تسمى القوة الكهروضعيفة. وإذا عدنا بالزمن إلى أبعد من ذلك، فإن التفاعل الكهروضعيف سوف يتحد مع التفاعل القوي في "قوة عظمى" واحدة كاملة.

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 باسم النموذج القياسي. ولكن، للأسف، كانت هذه النظرية المثالية تعاني من مشكلة واحدة كبيرة - فهي لم تتضمن القوة الأكثر شهرة على المستوى الكلي - الجاذبية.

© ويكيميديا ​​​​كومنز

جرافيتون

بالنسبة لنظرية الأوتار، التي لم يكن لديها الوقت الكافي "للازدهار"، 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 بشكل 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 ضمنا مراجعة أبعاد "الأبطال" الرئيسيين للنظرية - الأوتار. ومن خلال افتراض أن الأوتار أصغر بمليارات ومليارات المرات من الذرة، فقد حول "الأوتار" مساوئ النظرية إلى مصلحتها. 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. هكذا 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.

الفيزيائي النظري الأمريكي جون شوارتز (في الأعلى) ومايكل جرين
© معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا/elementy.ru

ما الأسباب التي تدفعنا إلى الاعتقاد بأن الجاذبية تخضع لقوانين ميكانيكا الكم؟ لاكتشاف هذه "الأسس" مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2011. كان يتألف من حقيقة أن توسع الكون لا يتباطأ، كما كان يعتقد في السابق، ولكن على العكس من ذلك، يتسارع. يتم تفسير هذا التسارع من خلال عمل "مضاد للجاذبية" خاص، وهو ما يميز الفضاء الفارغ لفراغ الفضاء. من ناحية أخرى، على المستوى الكمي، لا يمكن أن يكون أي شيء "فارغًا" تمامًا - في الفراغ، تظهر الجسيمات دون الذرية باستمرار وتختفي على الفور. ويُعتقد أن هذا "الوميض" للجسيمات هو المسؤول عن وجود طاقة مظلمة "مضادة للجاذبية" تملأ الفضاء الفارغ.

في وقت ما، كان ألبرت أينشتاين هو الذي لم يقبل أبدًا المبادئ المتناقضة لميكانيكا الكم (التي تنبأ بها هو نفسه) حتى نهاية حياته، واقترح وجود هذا الشكل من الطاقة. واتباعاً لتقليد الفلسفة اليونانية الكلاسيكية، أرسطو، في إيمانها بخلود العالم، رفض أينشتاين تصديق ما تنبأت به نظريته، وهو أن الكون له بداية. ومن أجل "إدامة" الكون، أدخل أينشتاين ثابتًا كونيًا معينًا في نظريته، وبالتالي وصف طاقة الفضاء الفارغ. لحسن الحظ، بعد بضع سنوات، أصبح من الواضح أن الكون ليس شكلا متجمدا على الإطلاق، وهو يتوسع. ثم تخلى أينشتاين عن الثابت الكوني، ووصفه بأنه "أكبر خطأ في الحسابات في حياته".

يعرف العلم اليوم أن الطاقة المظلمة لا تزال موجودة، على الرغم من أن كثافتها أقل بكثير مما افترضه أينشتاين (ومشكلة كثافة الطاقة المظلمة، بالمناسبة، هي واحدة من أعظم ألغاز الفيزياء الحديثة). لكن بغض النظر عن مدى صغر قيمة الثابت الكوني، فإنه يكفي للتحقق من وجود التأثيرات الكمومية في الجاذبية.

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 أدى رد فعل المجتمع العلمي إلى تفجير العالم العلمي. وفي أقل من عام، قفز عدد علماء الأوتار إلى مئات الأشخاص. في ذلك الوقت 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 الشجرة. تمامًا كما تخلق الاهتزازات المختلفة لوتر التشيلو ما نسمعه، تمامًا كما النوتات الموسيقية المختلفة، فإن أنماط اهتزاز الوتر المختلفة تعطي الجزيئات خصائصها. خصائص فريدة من نوعها- 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، لعدم وجود وقت للتعود على السلوك غير المنطقي لهذه الكرات، والذي يتبع من ميكانيكا الكم، يطلب منهم التخلي تماما عن النموذج والعمل مع بعض قصاصات السباغيتي...

البعد الخامس

على الرغم من أن العديد من العلماء يطلقون على نظرية الأوتار انتصارًا للرياضيات، إلا أن بعض المشكلات لا تزال قائمة - أبرزها عدم وجود أي إمكانية لاختبارها تجريبيًا في المستقبل القريب. لا توجد آلة واحدة في العالم، لا موجودة ولا قادرة على الظهور في المستقبل، قادرة على "رؤية" الأوتار. لذلك، بالمناسبة، يطرح بعض العلماء السؤال: هل نظرية الأوتار هي نظرية فيزياء أم فلسفة؟.. صحيح أن رؤية الأوتار "بعينيك" ليست ضرورية على الإطلاق. إن إثبات نظرية الأوتار يتطلب شيئًا آخر – وهو ما يبدو وكأنه خيال علمي – وهو تأكيد وجود أبعاد إضافية للفضاء.

عن ماذا يتكلم؟ لقد اعتدنا جميعًا على الأبعاد الثلاثة للمكان والزمان الواحد. لكن نظرية الأوتار تتنبأ بوجود أبعاد أخرى إضافية. لكن لنبدأ بالترتيب.

وفي الواقع، فإن فكرة وجود أبعاد أخرى نشأت منذ ما يقرب من مائة عام. خطرت هذه الفكرة في ذهن عالم الرياضيات الألماني غير المعروف آنذاك تيودور كالوزا في عام 1919. واقترح إمكانية وجود بعد آخر في كوننا لا نراه. تعلم ألبرت أينشتاين عن هذه الفكرة، وفي البداية أعجبه حقًا. لكنه شكك فيما بعد في صحته، وأجل نشر كالوزا لمدة عامين كاملين. لكن في النهاية نُشر المقال، وأصبح البعد الإضافي بمثابة هواية لعبقرية الفيزياء.

كما تعلمون، أظهر أينشتاين أن الجاذبية ليست أكثر من تشوه في أبعاد الزمكان. اقترح كالوزا أن الكهرومغناطيسية يمكن أن تكون تموجات أيضًا. لماذا لا نراها؟ وقد وجد كالوزا إجابة هذا السؤال، وهي أن التموجات الكهرومغناطيسية قد توجد في بعد إضافي مخفي. ولكن أين هو؟

الإجابة على هذا السؤال قدمها الفيزيائي السويدي أوسكار كلاين، الذي اقترح أن البعد الخامس لكالوزا مطوي أقوى بمليارات المرات من حجم الذرة الواحدة، ولهذا السبب لا نستطيع رؤيته. إن فكرة هذا البعد الصغير الذي يحيط بنا في كل مكان هي في قلب نظرية الأوتار.

داخل كل من هذه الأشكال، يهتز ويتحرك وتر، وهو المكون الرئيسي للكون.
وكل شكل هو سداسي الأبعاد – بحسب عدد الأبعاد الستة الإضافية
© ويكيميديا ​​​​كومنز

عشرة أبعاد

لكن في الواقع، لا تتطلب معادلات نظرية الأوتار حتى بُعدًا واحدًا، بل ستة أبعاد إضافية (في المجموع، مع الأربعة التي نعرفها، يوجد بالضبط 10 أبعاد). لديهم جميعًا شكل معقد ملتوي ومنحني للغاية. وكل شيء صغير بشكل لا يمكن تصوره.

كيف يمكن لهذه القياسات الصغيرة أن تؤثر على عالمنا الكبير؟ وفقًا لنظرية الأوتار، فهو أمر حاسم: بالنسبة لها، الشكل يحدد كل شيء. عند الضغط على مفاتيح مختلفة على الساكسفون، تحصل على أصوات مختلفة. يحدث هذا لأنه عندما تضغط على مفتاح معين أو مجموعة مفاتيح معينة، فإنك تغير شكل المساحة في الآلة الموسيقية حيث يدور الهواء. بفضل هذا، تولد أصوات مختلفة.

تشير نظرية الأوتار إلى أن الأبعاد الإضافية المنحنية والملتوية للفضاء تعبر عن نفسها بطريقة مماثلة. وأشكال هذه الأبعاد الإضافية معقدة ومتنوعة، وكل منها يتسبب في اهتزاز الوتر الموجود ضمن هذه الأبعاد بشكل مختلف على وجه التحديد بسبب أشكالها. بعد كل شيء، إذا افترضنا، على سبيل المثال، أن أحد السلاسل يهتز داخل إبريق، والآخر داخل قرن منحني، فستكون هذه اهتزازات مختلفة تمامًا. ومع ذلك، إذا كنت تؤمن بنظرية الأوتار، فإن أشكال الأبعاد الإضافية تبدو في الواقع أكثر تعقيدًا من الإبريق.

كيف يعمل العالم

يعرف العلم اليوم مجموعة من الأرقام التي تمثل 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 غيرنا هذه الأرقام ولو بعدد ضئيل 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 أنه وفقا لها، فإن الأبعاد الإضافية هي التي تحدد القيمة الدقيقة الثوابت 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، الله موجود في "الأشياء الصغيرة" - وهذه الأشكال الصغيرة هي التي تحدد جميع 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 أوتار وأبعاد إضافية (جميع الإصدارات الخمسة متحدة في النظرية العامة للأوتار الفائقة)، إلا أن هذه الإصدارات تباينت 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.

لقد تم بالفعل طرح سؤال مماثل هنا:

لكن سأحاول أن أخبركم عنها بأسلوبي المميز;)

أمامنا محادثة طويلة جدًا، ولكنني آمل أن تجدها مثيرة للاهتمام يا أخي. بشكل عام، والاستماع إلى ما هي النقطة هنا. الفكرة الرئيسيةمرئية بالفعل في الاسم نفسه: بدلاً من الجسيمات الأولية النقطية (مثل الإلكترونات والفوتونات وما إلى ذلك)، تقترح هذه النظرية الأوتار - نوع من خيوط الطاقة المجهرية أحادية البعد التي تهتز والتي تكون صغيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها بواسطة أي معدات حديثة (تحديدًا طولها في بلانك، لكن هذا ليس الهدف). كي لا نقول أن الجسيمات تتكونمصنوعة من خيوط، فهي وهناكالأوتار، ببساطة بسبب عيوب معداتنا، نراها كجزيئات. وإذا كانت أجهزتنا قادرة على الوصول إلى طول بلانك، فسنجد، كما هو متوقع، خيوطًا هناك. وكما يهتز وتر الكمان ليصدر نغمات مختلفة، يهتز وتر كمي ليصدر نغمات مختلفة خصائص مختلفةالجسيمات (على سبيل المثال، الشحنات أو الكتل). هذه، بشكل عام، هي الفكرة الرئيسية.

ومع ذلك، من المهم أن نلاحظ هنا أن نظرية الأوتار لها طموحات كبيرة جدًا ولا تدعي أقل من وضع "نظرية كل شيء"، حيث تجمع بين الجاذبية (النظرية النسبية) وميكانيكا الكم (أي العالم الكبير - العالم الكبير). عالم الأشياء الكبيرة المألوفة لدينا، والعالم الصغير - عالم الجزيئات الأولية). تظهر الجاذبية بشكل أنيق من تلقاء نفسها في نظرية الأوتار، وهذا هو السبب. في البداية، كان يُنظر إلى نظرية الأوتار بشكل عام فقط على أنها نظرية القوة النووية القوية (التفاعل الذي بسببه تتماسك البروتونات والنيوترونات معًا في نواة الذرة)، لا أكثر، لأن بعض أنواع الأوتار المهتزة تشبه خصائص الغلوونات (الجزيئات التي تحمل القوة الشديدة). ومع ذلك، بالإضافة إلى الغلوونات، كانت هناك أنواع أخرى من تذبذبات السلسلة، تذكرنا بالجسيمات الأخرى التي تحمل نوعا من التفاعل، والذي لا علاقة له بالغلوونات. وبعد دراسة خصائص هذه الجسيمات، اكتشف العلماء أن هذه الاهتزازات تتطابق تمامًا مع خصائص جسيم افتراضي -الجرافيتون- وهو جسيم يحمل تفاعل الجاذبية. هكذا ظهرت الجاذبية في نظرية الأوتار.

ولكن هنا مرة أخرى (ماذا ستفعل!) تنشأ مشكلة تسمى " التقلبات الكمومية" لا تخف، هذا المصطلح مخيف في المظهر فقط. لذلك، ترتبط التقلبات الكمومية بالولادة المستمرة وتدمير الجسيمات الافتراضية (تلك التي لا يمكن رؤيتها مباشرة بسبب ظهورها المستمر واختفائها). العملية الأكثر أهمية في هذا المعنى هي الإبادة - اصطدام الجسيم والجسيم المضاد بتكوين فوتون (جسيم الضوء)، والذي يولد فيما بعد جسيمًا وجسيمًا مضادًا آخر. ما هي الجاذبية بالأساس؟ إنه نسيج هندسي منحني بسلاسة للزمكان. الكلمة الأساسية هنا هي بسلاسة. وفي عالم الكم، بسبب هذه التقلبات ذاتها، فإن الفضاء ليس سلسًا وسلسًا على الإطلاق، فهناك مثل هذه الفوضى التي من المخيف تخيلها. كما تعلمون بالفعل، فإن الهندسة السلسة للفضاء في النظرية النسبية غير متوافقة تماما مع التقلبات الكمومية. لقد كان الأمر محيرًا، لكن علماء الفيزياء وجدوا الحل، قائلين إن تفاعل الأوتار يخفف من هذه التقلبات. كيف تسأل؟ لكن تخيل سلسلتين مغلقتين (لأن هناك أيضًا أوتارًا مفتوحة، وهي نوع من الخيوط الصغيرة ذات طرفين مفتوحين؛ وبالتالي فإن الأوتار المغلقة هي نوع من الحلقات). هذان الخيطان المغلقان يسيران في مسار تصادمي وفي مرحلة ما يتصادمان ويتحولان إلى وتر واحد أكبر. تستمر هذه السلسلة في التحرك لبعض الوقت، وبعد ذلك تنقسم إلى سلسلتين أصغر. الآن الخطوة التالية. لنتخيل هذه العملية برمتها في لقطات تم تصويرها: سنرى أن هذه العملية قد اكتسبت حجمًا معينًا ثلاثي الأبعاد. يُطلق على هذا المجلد اسم "سطح العالم". الآن دعونا نتخيل أنني وأنت ننظر إلى هذه العملية برمتها من زوايا مختلفة: أنا أنظر بشكل مستقيم، وأنت تنظر إلى زاوية طفيفة. سنرى أنه من وجهة نظرك ومن وجهة نظري، فإن الأوتار سوف تصطدم في أماكن مختلفة، لأنه بالنسبة لك فإن هذه "حلقات" الأوتار (دعنا نسميها كذلك) سوف تتحرك قليلاً بزاوية، ولكن بالنسبة لي سوف تتحرك تحرك بشكل مستقيم. ومع ذلك، هذه هي نفس العملية، نفس السلسلتين المتصادمتين، والفرق يكمن فقط في وجهتي نظر. وهذا يعني أن هناك "تلطيخ" معين لتفاعل الأوتار: من موقع المراقبين المختلفين، يتفاعلون في أماكن مختلفة. ومع ذلك، على الرغم من وجهات النظر المختلفة هذه، فإن العملية هي نفسها، ونقطة التفاعل هي نفسها. وبالتالي، سيسجل مراقبون مختلفون نفس مكان تفاعل جسيمين نقطيين. مثل هذا تماما! هل تفهم ما يحدث؟ لقد نجحنا في تلطيف التقلبات الكمومية وبالتالي وحدنا الجاذبية وميكانيكا الكم! ينظر!

حسنا، دعونا نمضي قدما. هل أنت متعب بعد؟ حسنا، استمع. الآن سأتحدث عن شيء لا أحبه شخصيًا في نظرية الأوتار. وهذا ما يسمى "الرياضيات". بطريقة ما، انجرف المنظرون كثيرًا في الرياضيات... لكن النقطة هنا بسيطة: كم عدد أبعاد الفضاء التي تعرفها؟ هذا صحيح، ثلاثة: الطول والعرض والارتفاع (الزمن هو البعد الرابع). لذا، فإن رياضيات نظرية الأوتار لا تتوافق بشكل جيد مع هذه الأبعاد الأربعة. ومع خمسة أيضا. ومع عشرة. لكنه يتماشى بشكل جيد مع أحد عشر. وقرر المنظرون: حسنًا، بما أن الرياضيات تتطلب ذلك، فليكن هناك أحد عشر بُعدًا. كما ترى، الرياضيات تتطلب! الرياضيات، وليس الواقع! (علامة تعجب جانبًا: إذا كنت مخطئًا، فليقنعني أحد! أريد أن أغير رأيي!) حسنًا، قد يتساءل المرء، أين ذهبت الأبعاد السبعة الأخرى؟ تجيب النظرية على هذا السؤال بالقول إنها "مضغوطة"، وملتفة إلى تكوينات مجهرية بطول بلانك (أي على نطاق لا نستطيع ملاحظته). تسمى هذه التكوينات "مشعب كالابي-ياو" (على اسم اثنين من علماء الفيزياء البارزين).

ومن المثير للاهتمام أيضًا أن نظرية الأوتار تقودنا إلى الكون المتعدد، أي إلى فكرة وجود عدد لا نهائي من الأكوان المتوازية. بيت القصيد هنا هو أنه في نظرية الأوتار لا توجد أوتار فقط، ولكن أيضًا أغشية (من كلمة "غشاء"). يمكن أن يكون للأغشية أبعاد مختلفة، تصل إلى تسعة. من المفترض أن نعيش على غشاء ثلاثي، ولكن قد يكون هناك آخرون بالقرب من هذا الغشاء، وقد يصطدمون بشكل دوري. لكننا لا نراها لأن الأوتار المفتوحة مرتبطة بإحكام بالغشاء عند كلا الطرفين. يمكن لهذه الأوتار مع نهاياتها أن تتحرك على طول الغشاء، لكنها لا تستطيع تركه (الانفصال). وإذا كنت تؤمن بنظرية الأوتار، فإن كل المادة وجميعنا يتكونون من جسيمات تبدو على طول بلانك مثل الأوتار. وبالتالي، بما أن الأوتار المفتوحة لا يمكنها مغادرة الغشاء، فلا يمكننا التفاعل بأي شكل من الأشكال مع غشاء آخر (اقرأ: الكون الموازي) أو رؤيته بطريقة أو بأخرى. الجسيم الوحيد الذي، من حيث المبدأ، لا يهتم بهذا القيد ويستطيع القيام بذلك هو الجرافيتون الافتراضي، وهو وتر مغلق. ومع ذلك، لم يتمكن أحد حتى الآن من اكتشاف الجرافيتون. يُطلق على مثل هذا الكون المتعدد اسم "الأكوان المتعددة الغشائية" أو "سيناريو العالم الغشائي".

بالمناسبة، نظرًا لحقيقة أنه لم يتم اكتشاف الأوتار فحسب، بل أيضًا الأغشية في نظرية الأوتار، بدأ المنظرون في تسميتها "نظرية M"، لكن لا أحد يعرف حقًا ما يعنيه هذا "M"؛)

مثل هذا تماما. هذه هي القصة. أتمنى أن تكون قد وجدت الأمر مثيرًا للاهتمام يا أخي. إذا ظل هناك شيء غير واضح، اسأل في التعليقات وسأشرحه.

نظرية الأوتار الفائقة

باختصار عن نظرية الأوتار الفائقة

تبدو هذه النظرية مجنونة جدًا لدرجة أنه من الممكن أن تكون صحيحة!

تعتبر الإصدارات المختلفة من نظرية الأوتار الآن المتنافسين الرئيسيين على لقب نظرية عالمية شاملة تشرح طبيعة كل شيء موجود. وهذا نوع من الكأس المقدسة لعلماء الفيزياء النظرية المشاركين في نظرية الجسيمات الأولية وعلم الكونيات. النظرية العالمية (ويعرف أيضا باسم نظرية كل شيء) يحتوي فقط 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 هذا المفهوم التناظر الفائقونتيجة لذلك ولدت نظرية الأوتار الفائقةوحتى الآن هذا هو الحد الأقصى الذي تم تحقيقه من حيث توحيد نظرية التفاعلات الأربعة الرئيسية (القوى المؤثرة في الطبيعة). إن نظرية التناظر الفائق نفسها مبنية بالفعل على أساس مفهوم حديث مسبق، والذي بموجبه أي تفاعل (مجالي) عن بعد يحدث بسبب تبادل الجسيمات الحاملة للتفاعل من النوع المقابل بين الجسيمات المتفاعلة (النموذج القياسي). وللتوضيح، يمكن اعتبار الجسيمات المتفاعلة "طوبًا" للكون، ويمكن اعتبار الجسيمات الحاملة إسمنتًا.

في النموذج القياسي، تعمل الكواركات كوحدات بناء، وتعمل ناقلات التفاعل أيضًا قياس البوزوناتوالتي تتبادلها هذه الكواركات مع بعضها البعض. 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 وزنًا ولم يتم اكتشافها تجريبيًا، ويتم ربطها معًا بواسطة "أسمنت" أقوى من جسيمات الطاقة الفائقة. -حاملات التفاعلات من الكواركات في تكوين الهادرونات والبوزونات. وبطبيعة الحال، لم يتم حتى الآن اختبار أي من تنبؤات نظرية التناظر الفائق في الظروف المختبرية، ولكن المكونات الافتراضية المخفية للعالم المادي لها أسماء بالفعل - على سبيل المثال، سيليكترون(شريك فائق التناظر للإلكترون)، كواركإلخ. ومع ذلك، فإن وجود هذه الجسيمات يتم التنبؤ به بشكل لا لبس فيه من خلال نظريات من هذا النوع.

ومع ذلك، من السهل جدًا تصور صورة الكون التي تقدمها هذه النظريات. على مقياس من حوالي 10 إلى 35 مترًا، 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، يمكن أن تثير هذه السلسلة، بالإضافة إلى النغمة الرئيسية، الكثير إيحاءاتأو التوافقياتكل توافقي له حالة الطاقة الخاصة به. وفق مبدأ النسبية(النظرية النسبية)، الطاقة والكتلة متكافئتان، مما يعني أنه كلما زاد تردد اهتزاز الموجة التوافقية للوتر، زادت طاقته، 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، تم تطوير نظرية الأوتار بشكل أكبر نظرية الأغشية متعددة الأبعاد- في جوهرها، هذه هي نفس السلاسل، ولكن 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 شكل رياضي صارم بسبب عدم كفاية الجهاز الرياضي لإحضاره إلى المراسلات الداخلية الصارمة. لقد مرت 20 سنة على ولادة هذه النظرية، ولم يتمكن أحد من التوفيق المستمر بين بعض جوانبها ونسخها مع البعض الآخر. الأمر الأكثر إزعاجًا هو أن أيًا من المنظرين الذين يقترحون نظرية الأوتار (وخاصة الأوتار الفائقة) لم يقترح حتى الآن 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.

مقدمة إلى الأوتار الفائقة

ترجمة سيرجي بافليوتشينكو

تعتبر نظرية الأوتار واحدة من أكثر النظريات إثارة وعمقا في الفيزياء النظرية الحديثة. لسوء الحظ، لا يزال هذا أمرًا صعب الفهم، ولا يمكن فهمه إلا من وجهة نظر نظرية المجال الكمي. إن معرفة الرياضيات مثل نظرية المجموعة والهندسة التفاضلية وما إلى ذلك لن تضر بالفهم. وبالتالي، فإنه يظل بالنسبة لمعظم الناس "شيئا في حد ذاته".

تهدف هذه المقدمة إلى أن تكون مقدمة موجزة "قابلة للقراءة" للمفاهيم الأساسية لنظرية الأوتار للمهتمين. لسوء الحظ، سيتعين علينا أن ندفع الدقة والاكتمال من أجل إمكانية الوصول إلى العرض التقديمي. نأمل أن يقدم لك إجابات على أبسط الأسئلة حول نظرية الأوتار، وأن تتشبع بجمال هذا المجال من العلوم.

تعتبر نظرية الأوتار مجالًا معرفيًا يتطور ديناميكيًا حتى يومنا هذا؛ كل يوم يجلب شيئا جديدا عنها. لا نعرف حتى الآن على وجه اليقين ما إذا كانت نظرية الأوتار تصف كوننا وإلى أي مدى. لكنها تستطيع أن تصف ذلك جيدًا، كما يتبين من هذه المراجعة.

النسخة الأصلية موجودة على http://www.sukidog.com/jpierre/strings/index.html.

لماذا نظرية الأوتار؟

على الرغم من أن النموذج القياسي يصف معظم الظواهر التي يمكننا ملاحظتها باستخدام المسرعات الحديثة، إلا أن العديد من الأسئلة المتعلقة بالطبيعة تظل دون إجابة. إن هدف الفيزياء النظرية الحديثة هو على وجه التحديد توحيد أوصاف الكون. تاريخيا، كان هذا المسار ناجحا للغاية. على سبيل المثال، جمعت النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين بين الكهرباء والمغناطيسية في القوة الكهرومغناطيسية. أظهر عمل جلاشو وواينبرج وسلام الحائز على جائزة نوبل عام 1979 أنه يمكن دمج القوى الكهرومغناطيسية والقوى الضعيفة في القوة الكهروضعيفة. علاوة على ذلك، هناك كل الأسباب التي تجعلنا نعتقد أن جميع القوى داخل النموذج القياسي سوف تتحد في نهاية المطاف. إذا بدأنا بمقارنة التفاعلات القوية والكهروضعيفة، فسيتعين علينا الذهاب إلى مناطق ذات طاقات أعلى بشكل متزايد حتى تصبح متساوية في القوة في منطقة GeV. سوف تنضم الجاذبية إلى طاقات من ترتيب .

الغرض من نظرية الأوتار هو بالتحديد شرح الإشارة " ? "في الرسم البياني أعلاه.

يسمى مقياس الطاقة المميز للجاذبية الكمومية كتلة بلانكويتم التعبير عنها من خلال ثابت بلانك وسرعة الضوء وثابت الجاذبية كما يلي:

يمكن الافتراض أن نظرية الأوتار في شكلها النهائي ستقدم إجابات على الأسئلة التالية:

• ما هو أصل قوى الطبيعة الأربع المعروفة لنا؟
• لماذا تكون كتل وشحنات الجسيمات كما هي؟
• لماذا نعيش في مكان ذو 4 أبعاد مكانية؟
• ما هي طبيعة الزمكان والجاذبية؟

  أساسيات نظرية الأوتار

  لقد اعتدنا على التفكير في الجسيمات الأولية (مثل الإلكترونات) كأجسام نقطية ذات بعد صفري. وهناك مفهوم أكثر عمومية إلى حد ما السلاسل الأساسيةككائنات ذات بعد واحد. إنها رقيقة بشكل لا نهائي، وطولها في حدود . لكن هذا ببساطة لا يكاد يذكر مقارنة بالأطوال التي نتعامل معها عادةً، لذا يمكننا اعتبارها عمليًا شبه نقطية. ولكن كما سنرى، فإن طبيعتها الخيطية مهمة جدًا.

  هناك سلاسل يفتحو مغلق. أثناء تحركها عبر الزمكان، فإنها تغطي سطحًا يسمى ورقة العالم.

  

  تحتوي هذه الأوتار على أوضاع اهتزازية محددة تحدد الأعداد الكمومية المتأصلة في الجسيم، مثل الكتلة، واللف المغزلي، وما إلى ذلك. والفكرة الأساسية هي أن كل وضع يحمل مجموعة من الأعداد الكمومية المقابلة لنوع معين من الجسيمات. هذا هو التوحيد النهائي - يمكن وصف جميع الجزيئات من خلال كائن واحد - سلسلة!

  على سبيل المثال، فكر في سلسلة مغلقة تبدو كما يلي:

  مثل هذه السلسلة تتوافق مع عديم الكتلة جرافيتونمع الدوران 2 - جسيم ينقل تفاعل الجاذبية. بالمناسبة، هذه إحدى سمات نظرية الأوتار - فهي تتضمن بشكل طبيعي وحتمي الجاذبية كأحد التفاعلات الأساسية.

  تتفاعل الأوتار عن طريق الانشطار والاندماج. على سبيل المثال، إبادة سلسلتين مغلقتين في سلسلة مغلقة واحدة تبدو كما يلي:

  
  

  لاحظ أن سطح ورقة العالم سطح أملس. وهذا يعني خاصية "جيدة" أخرى لنظرية الأوتار - فهي لا تحتوي على عدد من الاختلافات المتأصلة في نظرية المجال الكمي مع الجسيمات النقطية. مخطط فاينمان لنفس العملية

  

  يحتوي على تفرد طوبولوجي عند نقطة التفاعل.

  إذا "ألصقنا" تفاعلين بسيطين من السلسلة معًا، فسنحصل على عملية تتفاعل فيها سلسلتان مغلقتان من خلال الاتحاد في سلسلة مغلقة متوسطة، والتي تنقسم بعد ذلك مرة أخرى إلى سلسلتين:
  

  تسمى هذه المساهمة الرئيسية في عملية التفاعل النهج الشجري. من أجل حساب السعات الميكانيكية الكمومية للعمليات باستخدام نظرية الاضطراب، إضافة مساهمات من العمليات الكمومية ذات الترتيب الأعلى. تعطي نظرية الاضطراب نتائج جيدة لأن المساهمات تصبح أصغر فأصغر كلما استخدمنا أوامر أعلى وأعلى. حتى لو قمت بحساب المخططات القليلة الأولى فقط، يمكنك الحصول على نتائج دقيقة إلى حد ما. في نظرية الأوتار، تتوافق الطلبات الأعلى مع عدد أكبر من الثقوب (أو "المقابض") على أوراق العالم.
  
  

  والشيء الجيد في هذا النهج هو أن كل ترتيب من نظرية الاضطراب يتوافق مع مخطط واحد فقط (على سبيل المثال، في نظرية المجال مع الجسيمات النقطية، عدد المخططات ينمو بشكل كبير في الطلبات الأعلى). الخبر السيئ هو أن الحسابات الدقيقة للمخططات التي تحتوي على أكثر من ثقبين صعبة للغاية بسبب تعقيد الجهاز الرياضي المستخدم عند العمل مع مثل هذه الأسطح. تعتبر نظرية الاضطراب مفيدة جدًا في دراسة العمليات ضعيفة الاقتران، وتأتي منها معظم الاكتشافات في فيزياء الجسيمات ونظرية الأوتار. ومع ذلك، كل هذا لا يزال بعيدا عن النهاية. لا يمكن الحصول على إجابات لأعمق أسئلة النظرية إلا بعد الانتهاء من الوصف الدقيق لهذه النظرية.

  أغشية D

  يمكن أن تحتوي السلاسل على شروط حدود تعسفية تمامًا. على سبيل المثال، تحتوي السلسلة المغلقة على شروط حدود دورية (السلسلة "تتحول إلى نفسها"). يمكن أن تحتوي السلاسل المفتوحة على نوعين من الشروط الحدودية - الشروط نيومانوالشروط ديريشليت. في الحالة الأولى، يمكن أن تتحرك نهاية الخيط بحرية، على الرغم من عدم تحمل أي زخم. في الحالة الثانية، نهاية السلسلة يمكن أن تتحرك على طول بعض المشعب. ويسمى هذا التنوع D-غشاءأو غشاء موانئ دبي(عند استخدام الترميز الثاني، "p" هو عدد صحيح يميز عدد الأبعاد المكانية للمشعب). مثال على ذلك هو سلسلتان متصلان بأحد طرفيهما أو كليهما بغشاء D ثنائي الأبعاد أو غشاء D2:

  

  يمكن أن تحتوي الأغشية D على عدد من الأبعاد المكانية بدءًا من -1 إلى عدد الأبعاد المكانية للزمكان الخاص بنا. على سبيل المثال، في نظرية الأوتار الفائقة هناك 10 أبعاد - 9 مكانية وزمنية واحدة. وبالتالي، الحد الأقصى الذي يمكن أن يوجد في الأوتار الفائقة هو غشاء D9. لاحظ أنه في هذه الحالة يتم تثبيت نهايات الأوتار على مشعب يغطي كل المساحة، حتى تتمكن من التحرك في كل مكان، وبالتالي يتم فرض شرط نيومان! في الحالة p=-1، تكون جميع الإحداثيات المكانية والزمانية ثابتة، ويسمى هذا التكوين إنستانتونأو د-إنستانتون. إذا كانت p = 0، فإن جميع الإحداثيات المكانية ثابتة، ولا يمكن أن توجد نهاية السلسلة إلا عند نقطة واحدة في الفضاء، لذلك تسمى غالبًا أغشية D0 جسيمات د. بنفس الطريقة تمامًا، تسمى الأغشية D1 بالسلاسل D. بالمناسبة، كلمة "غشاء" نفسها تأتي من كلمة "غشاء"، والتي تشير إلى أغشية ثنائية الأبعاد، أو أغشية ثنائية.

  في الواقع، الأغشية D ديناميكية، يمكنها التقلب والتحرك. على سبيل المثال، فإنها تتفاعل بالجاذبية. في الرسم البياني أدناه يمكنك أن ترى كيف يتفاعل سلسلة مغلقة واحدة (في حالتنا الجرافيتون) مع غشاء D2. تجدر الإشارة بشكل خاص إلى حقيقة أنه عند التفاعل، تصبح السلسلة المغلقة مفتوحة بكلا طرفيها على الغشاء D.
  
  
  إذن، نظرية الأوتار هي أكثر من مجرد نظرية الأوتار!

  أبعاد إضافية

  توجد الأوتار الفائقة في الزمكان ذي العشرة أبعاد، بينما نعيش في الزمكان رباعي الأبعاد. وإذا كانت الأوتار الفائقة تصف كوننا، فنحن بحاجة إلى ربط هذين الفضاءين بطريقة ما. للقيام بذلك، دعونا طي 6 أبعاد إلى غاية حجم صغير. إذا تبين أن حجم البعد المضغوط هو في حدود حجم الأوتار ()، فنظرًا لصغر هذا البعد فإننا ببساطة لن نتمكن من رؤيته مباشرة. في النهاية، سوف نحصل على الفضاء (3+1) ذو الأبعاد، حيث كل نقطة من كوننا رباعي الأبعاد تتوافق مع مساحة صغيرة ذات ستة أبعاد. يظهر هذا بشكل تخطيطي للغاية في الصورة أدناه:

  

  انها في الواقع تماما فكرة قديمةوالذي يعود تاريخه إلى أعمال كالوزا وكلاين في عشرينيات القرن الماضي. في هذه الحالة، يتم استدعاء الآلية الموضحة أعلاه نظرية كالوزا كلاينأو الضغط. يُظهر عمل كالوزا نفسه أنه إذا أخذنا النسبية في زمكان خماسي الأبعاد، ثم قمنا بطي بُعد واحد في دائرة، فسنحصل على زمكان رباعي الأبعاد مع النسبية بالإضافة إلى الكهرومغناطيسية! ويحدث هذا بسبب وجود الكهرومغناطيسية U(1) نظرية القياس. U(1) هي مجموعة من الدورات حول نقطة في المستوى. تعطي آلية كالوزا كلاين تفسيرًا هندسيًا بسيطًا لهذه الدائرة - وهذا هو البعد الخامس المطوي للغاية. على الرغم من أن القياسات المطوية صغيرة للكشف المباشر، إلا أنها يمكن أن يكون لها معنى فيزيائي عميق. [تسربت أعمال كالوزا وكلاين عن طريق الخطأ إلى الصحافة، وأثارت الكثير من التكهنات حول البعد الخامس.]

  كيف يمكننا معرفة ما إذا كانت هناك بالفعل أبعاد إضافية وكيف يمكننا "الشعور بها" إذا كان لدينا مسرعات ذات طاقات عالية بما فيه الكفاية؟ ومن المعروف من ميكانيكا الكم أنه إذا كان الفضاء دوريا، فإن الزخم يكون مكمما: أما إذا كان الفضاء غير محدود، فإن طيف قيم الزخم مستمر. إذا قمت بتقليل نصف قطر الضغط (حجم الأبعاد الإضافية)، فسيزداد نطاق قيم الزخم المسموح بها. هذه هي الطريقة التي يتم بها الحصول على برج حالات الزخم - برج كالوزا كلاين.

  

  وإذا اعتبرنا أن نصف قطر الدائرة كبير جدًا (نقوم "بفك ضغط" القياس)، فإن نطاق القيم المحتملة للزخم سيكون ضيقًا جدًا، ولكنه سيكون "مستمرًا تقريبًا". سيكون مثل هذا الطيف مشابهًا للطيف الكتلي للعالم دون ضغط. على سبيل المثال، الحالات التي لا كتلة لها في عدد أكبر من الأبعاد في عدد أصغر من الأبعاد ستبدو تمامًا مثل برج الحالات الموصوف أعلاه. ثم يجب ملاحظة "مجموعة" من الجسيمات ذات الكتل المتباعدة بشكل متساوٍ عن بعضها البعض. صحيح، من أجل "رؤية" الجسيمات الأكثر ضخامة، هناك حاجة إلى مسرعات أفضل بكثير من تلك الموجودة لدينا حاليًا.

  تتمتع الأوتار بخاصية رائعة أخرى - فهي يمكنها "الالتفاف" حول بُعد مضغوط، مما يؤدي إلى المظهر تعديلات قابلة للتفاوضفي الطيف الكتلي. يمكن أن تلتف السلسلة المغلقة حول بُعد مضغوط عددًا صحيحًا من المرات. وعلى غرار قضية كالوزا كلاين، فإنهما يساهمان في الزخم . يكمن الاختلاف الكبير على وجه التحديد في الاتصال المختلف بنصف قطر الضغط. في هذه الحالة، بالنسبة للأحجام الصغيرة ذات الأبعاد الإضافية، تصبح أوضاع الانعكاس سهلة للغاية!
  
  

  الآن نحن بحاجة إلى الانتقال إلى مساحتنا رباعية الأبعاد. للقيام بذلك، نحن بحاجة إلى نظرية الأوتار الفائقة ذات 10 أبعاد على مشعب مدمج سداسي الأبعاد. وبطبيعة الحال، تصبح الصورة الموضحة أعلاه أكثر تعقيدا. أسهل طريقة هي أن نفترض أن كل هذه الأبعاد الستة هي 6 دوائر، لذا فهي تمثل طارة سداسية الأبعاد. علاوة على ذلك، يسمح هذا المخطط بالحفاظ على التناظر الفائق. من المعتقد أن بعض التناظر الفائق موجود أيضًا في فضاءنا رباعي الأبعاد على مقاييس طاقة تصل إلى 1 تيرا إلكترون فولت (في هذه الطاقات تم البحث عن التناظر الفائق مؤخرًا في المسرعات الحديثة). من أجل الحفاظ على الحد الأدنى من التناظر الفائق، N = 1 في الأبعاد الأربعة، من الضروري الضغط على مشعب خاص سداسي الأبعاد يسمى مشعب كالابي ياو.

  يمكن أن يكون لخصائص متشعبات كالابي-يو تطبيقات مهمة في فيزياء الطاقة المنخفضة - على الجسيمات التي نلاحظها، وكتلتها وقيمتها. عدد الكميةوكذلك عدد أجيال الجسيمات. المشكلة هنا هي أنه، بشكل عام، هناك عدد كبير من أصناف Calabi-Yo، ونحن لا نعرف أي منها سنستخدم. هذا هو المعنى، بوجود نظرية أوتار ذات عشرة أبعاد، نحصل على أن النظرية رباعية الأبعاد لا تصبح النظرية الوحيدة الممكنة، على الأقل في مستوى فهمنا (الذي لا يزال غير مكتمل). يأمل "شعب الأوتار" (العلماء العاملون في مجال نظريات الأوتار) أنه من خلال نظرية الأوتار غير المضطربة الكاملة (وهي نظرية غير مبنية على الاضطرابات الموصوفة أعلاه قليلًا)، سنكون قادرين على شرح كيفية حدوث الأوتار انتقل الكون من الفيزياء العشرية الأبعاد، والتي ربما حدثت خلال فترة الطاقة العالية مباشرة بعد الانفجار الكبير، إلى الفيزياء رباعية الأبعاد التي نتعامل معها الآن. [بمعنى آخر، سوف نجد متشعب كالابي-يو فريدًا.] أظهر أندرو سترومينجر أن متشعبات كالابي-يو يمكن أن ترتبط بشكل مستمر ببعضها البعض عن طريق التحولات المخروطيةوبالتالي يمكن للمرء التنقل بين متشعبات Calabi-Yo المختلفة عن طريق تغيير معلمات النظرية. لكن هذا يشير إلى احتمال أن تكون النظريات رباعية الأبعاد المختلفة الناشئة عن متشعبات كالابي-يو المختلفة مراحل مختلفة من نفس النظرية.

  الازدواجية

  تبين أن نظريات الأوتار الفائقة الخمسة الموصوفة أعلاه مختلفة تمامًا عن وجهة نظر نظرية الاضطراب الضعيفة الاقتران (نظرية الاضطراب التي تم تطويرها أعلاه). ولكن في الواقع، كما أصبح واضحًا في السنوات القليلة الماضية، فإنهم جميعًا مرتبطون بثنائيات خيطية مختلفة. دعونا نسمي النظرية مزدوجإذا وصفوا نفس الفيزياء.

  النوع الأول من الازدواجية الذي سنناقشه هنا هو ازدواجية T. يربط هذا النوع من الازدواجية بين نظرية مضغوطة على دائرة نصف قطرها ونظرية مدمجة على دائرة نصف قطرها. وبالتالي، إذا تم طي الفضاء في إحدى النظريات إلى دائرة نصف قطرها صغير، فسيتم لفه في الأخرى إلى دائرة نصف قطرها كبير، لكن كلاهما سيصفان نفس الفيزياء! ترتبط نظريات الأوتار الفائقة من النوع IIA والنوع IIB من خلال ازدواجية T، كما ترتبط النظريات الهجينة SO(32) وE8 x E8 من خلالها.

  ازدواجية أخرى سننظر إليها هي ازدواجية S. ببساطة، تربط هذه الازدواجية حد الاقتران القوي لنظرية ما مع حد الاقتران الضعيف لنظرية أخرى. (لاحظ أن الأوصاف المترابطة بشكل فضفاض لكلتا النظريتين يمكن أن تكون مختلفة تمامًا.) على سبيل المثال، SO(32) نظرية الأوتار غير المتجانسة ونظرية النوع الأول هما S-dual في 10 بعد. وهذا يعني أنه في حد الاقتران القوي SO(32) تصبح النظرية الهجينة نظرية من النوع الأول في حد الاقتران الضعيف والعكس صحيح. يمكنك العثور على دليل على الازدواجية بين الحدود القوية والضعيفة من خلال مقارنة أطياف الحالات الضوئية في كل صورة من الصور والعثور على أنها متسقة مع بعضها البعض. على سبيل المثال، في نظرية الأوتار من النوع الأول، يوجد وتر D يكون ثقيلًا عند اقترانه بشكل ضعيف وخفيف عند اقترانه بقوة. تحمل هذه السلسلة D نفس الحقول الضوئية مثل ورقة عالم السلسلة المتجانسة SO(32)، لذلك عندما تقترن نظرية النوع الأول بقوة شديدة، تصبح السلسلة D خفيفة جدًا، وسنرى ببساطة أن الوصف يصبح هو نفسه، كما وكذلك من خلال سلسلة متجانسة مترابطة بشكل فضفاض. ازدواجية S أخرى في البعد العاشر هي الازدواجية الذاتية لسلاسل IIB: حد الاقتران القوي لسلسلة IIB هو ببساطة نظرية IIB أخرى، ولكنه مقترن بشكل ضعيف. تحتوي نظرية IIB أيضًا على سلسلة D (على الرغم من أنها أكثر تناظرًا فائقًا من سلاسل D في نظرية النوع الأول، وبالتالي فإن الفيزياء مختلفة) تصبح خفيفة عندما تقترن بقوة، ولكن هذه السلسلة D هي أيضًا السلسلة الأساسية الأخرى من النظرية الثانية النوع IIB.

  

  إن الثنائيات بين نظريات الأوتار المختلفة هي دليل على أنها كلها مجرد حدود مختلفة لنفس النظرية. ولكل حد من هذه الحدود قابلية تطبيقه الخاصة، وحدود مختلفة أوصاف مختلفةتتقاطع. ما هذا نظرية Mيظهر في الصورة؟ واصل القراءة!

  نظرية M

  في الطاقات المنخفضة، يتم وصف نظرية M بنظرية تسمى الجاذبية الفائقة ذات 11 بعدًا. تحتوي هذه النظرية على غشاء وخمسة أغشية على شكل سوليتونات، ولكن بدون خيوط. كيف يمكننا الحصول على الأوتار التي نحبها بالفعل هنا؟ من الممكن دمج نظرية M ذات 11 بعدًا على دائرة نصف قطرها صغير للحصول على نظرية 10 أبعاد. ثم إذا كان غشائنا يحتوي على طوبولوجيا الطارة، فعند طي إحدى هذه الدوائر، سنحصل على خيط مغلق! في الحد الذي يكون فيه نصف القطر صغيرًا جدًا، نحصل على سلسلة فائقة من النوع IIA.

  

  ولكن كيف نعرف أن نظرية M على الدائرة ستنتج أوتارًا فائقة من النوع IIA، وليس IIB أو أوتارًا فائقة متجانسة؟ يمكن الحصول على إجابة هذا السؤال بعد تحليل دقيق للمجالات عديمة الكتلة التي نحصل عليها نتيجة ضغط الجاذبية الفائقة ذات 11 بُعدًا على شكل دائرة. وهناك اختبار بسيط آخر يتمثل في اكتشاف أن غشاء D لنظرية M فريد من نوعه بالنسبة لنظرية IIA. تذكر أن نظرية IIA تحتوي على أغشية D0 وD2 وD4 وD6 وD8 وأغشية NS خماسية. ويلخص الجدول التالي ما سبق:
  

  هنا تم حذف الأغشية D6 وD8. يمكن تفسير غشاء D6 على أنه "أحادي القطب كالوتزا-كلاين"، وهو حل خاص للجاذبية الفائقة ذات 11 بُعدًا عند ضغطه على شكل دائرة. لا يوجد تفسير واضح للغشاء D8 من حيث نظرية M، فهو لا يزال سؤالًا مفتوحًا.

  هناك طريقة أخرى للحصول على نظرية متسقة للعشرة أبعاد وهي ضغط النظرية M في جزء صغير. وهذا يعني أننا نفترض أن أحد الأبعاد (الحادي عشر) له طول محدود. في هذه الحالة، تحدد نهايات المقطع حدود 9 أبعاد مكانية. يمكن بناء غشاء مفتوح عند هذه الحدود. وبما أن تقاطع الغشاء مع الحد عبارة عن سلسلة، فيمكننا أن نرى أن "الحجم العالمي" ذي الأبعاد (9+1) يمكن أن يحتوي على أوتار "تبرز" من الغشاء. بعد كل هذا، لتجنب الحالات الشاذة، من الضروري أن تحمل كل حدود مجموعة قياس E8. لذلك، إذا جعلنا المسافة بين الحدود صغيرة جدًا، فسنحصل على نظرية ذات 10 أبعاد مع الأوتار ومجموعة قياس E8 x E8. وهذه سلسلة متجانسة E8 x E8!

  

  وهكذا، وبالنظر إلى الظروف المختلفة والثنائيات المختلفة بين نظريات الأوتار، سوف نتوصل إلى استنتاج مفاده أن أساس كل هذا يكمن في نظرية واحدة - نظرية M. علاوة على ذلك، فإن خمس نظريات للأوتار الفائقة والجاذبية الفائقة ذات الـ 11 بعدًا هي حدودها الكلاسيكية. في البداية، حاولنا الحصول على نظريات الكم المقابلة عن طريق "توسيع" الحدود الكلاسيكية باستخدام النظرية الاضطرابية (نظرية الاضطراب). ومع ذلك، فإن النظرية الاضطرابية لها حدودها في التطبيق، لذلك من خلال دراسة الجوانب غير الاضطرابية لهذه النظريات، باستخدام الثنائيات، والتناظر الفائق، وما إلى ذلك. لقد توصلنا إلى نتيجة مفادها أنهم جميعًا متحدون بنظرية كم واحدة. هذا التفرد جذاب للغاية، لذا فإن العمل على بناء نظرية M الكمومية الكاملة يجري على قدم وساق.
  
  

  الثقوب السوداء

  يحتوي الوصف الكلاسيكي للجاذبية - النظرية النسبية العامة (GTR) - على حلول تسمى "الثقوب السوداء" (BH). هناك عدد لا بأس به من أنواع الثقوب السوداء، لكنها جميعها متشابهة الخصائص العامة. أفق الحدث هو سطح في الزمكان يفصل المنطقة داخل الثقب الأسود عن المنطقة خارجه. الجاذبيةالثقب الأسود كبير جدًا بحيث لا يمكن لأي شيء، ولا حتى الضوء، الذي اخترق الأفق أن يفلت منه. وبالتالي، لا يمكن وصف الثقوب السوداء الكلاسيكية إلا باستخدام عوامل مثل الكتلة والشحنة والزخم الزاوي.

  (شرح مخطط بنروز أ)

  تعتبر الثقوب السوداء مختبرات جيدة لدراسة نظريات الأوتار، نظرًا لأن تأثيرات الجاذبية الكمومية مهمة حتى بالنسبة للثقوب السوداء الكبيرة إلى حد ما. الثقوب السوداء ليست "سوداء" حقًا لأنها تشع! باستخدام الحجج شبه الكلاسيكية، أظهر ستيفن هوكينج أن الثقوب السوداء تبعث إشعاعًا حراريًا من أفقها. وبما أن نظرية الأوتار، من بين أمور أخرى، هي أيضًا نظرية الجاذبية الكمومية، فهي قادرة على وصف الثقوب السوداء بشكل متسق. ثم هناك الثقوب السوداء التي تحقق معادلة حركة الأوتار. تشبه هذه المعادلات معادلات النسبية العامة، لكنها تحتوي على بعض الحقول الإضافية التي جاءت من الأوتار. في نظريات الأوتار الفائقة هناك حلول خاصة مثل الثقوب السوداء، والتي هي في حد ذاتها فائقة التناظر.

  إحدى النتائج الأكثر دراماتيكية في نظرية الأوتار كانت اشتقاق صيغة إنتروبيا بيكنشتاين-هوكينغثقب أسود تم الحصول عليه من النظر في حالات السلسلة المجهرية التي تشكل الثقب الأسود. وأشار بيكنشتاين إلى أن الثقوب السوداء تخضع لـ "قانون المساحات"، dM = K dA، حيث "A" هي مساحة الأفق و"K" هو ثابت التناسب. لأن كتلة كاملةالثقب الأسود هو طاقته الساكنة، والوضع مشابه جدًا للديناميكا الحرارية: dE = T dS، كما أوضح بيكنشتاين. أظهر هوكينج لاحقًا في تقريب شبه كلاسيكي أن درجة حرارة الثقب الأسود هي T = 4k، حيث "k" هو ثابت يسمى "الجاذبية السطحية". وبالتالي، يمكن إعادة كتابة إنتروبيا الثقب الأسود على النحو التالي: علاوة على ذلك، أظهر سترومينجر وفافا مؤخرًا أنه يمكن الحصول على صيغة الإنتروبيا مجهرية (وصولاً إلى عامل 1/4) باستخدام انحطاط الحالات الكمومية للأوتار والأغشية D المقابلة لبعض BHs فائقة التناظر في نظرية الأوتار. بالمناسبة، تعطي الأغشية D وصفًا على مسافات صغيرة كما لو كانت مقترنة بشكل ضعيف. على سبيل المثال، تم وصف BHs التي تناولها سترومينجر وفافا بواسطة 5 أغشية، و1-غشاء، وأوتار مفتوحة "حية" على الغشاء 1، وكلها مطوية في طارة ذات 5 أبعاد، مما ينتج عنه بشكل فعال كائن ذو بعد واحد - البوسنة والهرسك.

  

  وفي هذه الحالة، يمكن وصف إشعاع هوكينج ضمن إطار البنية نفسها، ولكن إذا كانت الأوتار المفتوحة يمكنها "السفر" في كلا الاتجاهين. تتفاعل الأوتار المفتوحة مع بعضها البعض وينبعث الإشعاع على شكل أوتار مغلقة.

  

  تظهر الحسابات الدقيقة أنه بالنسبة لنفس أنواع الثقوب السوداء، فإن نظرية الأوتار تقدم نفس التنبؤات مثل الجاذبية الفائقة شبه الكلاسيكية، بما في ذلك تصحيح غير تافه يعتمد على التردد يسمى "المعلمة الرمادية" ( عامل الجسم الرمادي).

  اكتشاف الجاذبية الكمومية على الأرض؟
  

  << Вчера

  غدا >>

  
  توضيح:هل هناك أجزاء منفصلة من الجاذبية؟ تصف النظرية المعروفة باسم ميكانيكا الكم القوانين التي تحكم الكون على مسافات صغيرة، بينما تشرح النظرية النسبية العامة لأينشتاين طبيعة الجاذبية والكون على نطاقات كبيرة. حتى الآن، لم يتم إنشاء أي نظرية يمكن أن توحدهم. ربما أظهرت الأبحاث التي أجريت مؤخرًا في فرنسا أن الجاذبية هي مجال كمي. وذكر أن مجال الجاذبية الأرضيةوأظهرت طبيعتها الكمومية. في تجربة أجراها فاليري نيزفيزيفسكي وزملاؤه، تبين أن النيوترونات فائقة البرودة التي تتحرك في مجال الجاذبية لا يتم اكتشافها إلا على ارتفاعات منفصلة. وينتظر العلماء في جميع أنحاء العالم تأكيدا مستقلا لهذه النتائج. يوضح الشكل بلون زائف السطح الذي يمكن أن يتشكل أثناء تطور سلسلة أحادية البعد. ومن خلال وصف الجسيمات الأولية بأنها أوتار صغيرة، يعمل العديد من الفيزيائيين على تطوير نظرية كمومية حقيقية للجاذبية.

  (ملحوظة المحرر: تجارب الفيزيائيين الفرنسيين والروس الموصوفة في هذه المذكرة، المنشورة فيطبيعة 415 , 297 (2002) لا علاقة لها الجاذبية الكمومية. تفسيرهم(كلاهما مقدم من قبل مؤلفي التجارب ومقدم في مجلة New Scientist وعلى موقع Physicsweb.org) مختلف تماما.

  يبحث المجربون عن قوى جديدة تنبأت بها نظريات الأوتار الفائقة

  تمكن الباحثون في جامعة كولورادو في بولدر من إجراء التجربة الأكثر حساسية حتى الآن لتقييم تفاعل الجاذبية بين الكتل التي تفصل بينها مسافة تبلغ ضعف سمك شعرة الإنسان فقط، لكنهم لم يلاحظوا أيًا من القوى الجديدة المتوقعة .

  تتيح النتائج التي تم الحصول عليها استبعاد بعض المتغيرات من نظرية الأوتار الفائقة، حيث تتراوح المعلمة المقابلة لتأثير القوى الجديدة من القياسات "المنهارة" من 0.1 إلى 0.01 ملم.

  نظرية الأوتار، التي تعتبر النهج الأكثر واعدة للتوحيد الكبير الذي طال انتظاره - حساب واحد لجميع القوى والمادة المعروفة - تعتقد أن كل شيء في الكون يتكون من حلقات صغيرة من الأوتار المهتزة. وفق خيارات مختلفةوفقا لنظرية الأوتار الفائقة، يجب أن يكون هناك على الأقل ستة أو سبعة أبعاد مكانية إضافية تتجاوز الثلاثة المتاحة لنا، ويعتقد المنظرون أن هذه الأبعاد الإضافية تنهار في مساحات صغيرة. يؤدي هذا "الضغط" إلى ظهور ما يسمى بالحقول المعيارية، والتي تصف حجم وشكل الأبعاد المطوية عند كل نقطة في الزمكان.

  تمارس مناطق المعامل قوى مماثلة في قوتها للجاذبية العادية، ووفقًا للتنبؤات الحديثة، يمكن اكتشافها على مسافات صغيرة تصل إلى 0.1 ملم. إن حد الحساسية الذي تم تحقيقه في التجارب السابقة مكّن من اختبار قوة التجاذب بين كتلتين يفصل بينهما مسافة 0.2 ملم فقط، فبقي السؤال مفتوحا. ومع ذلك، فإنه لا يزال مفتوحا الآن.

  "إذا كانت هذه القوى موجودة بالفعل، فإننا نعلم الآن أنها يجب أن تظهر على مسافات أقصر مما اختبرناه"، يوضح رئيس المختبر، الأستاذ في جامعة كولورادو جون برايس. "ومع ذلك، فإن هذه النتائج في حد ذاتها لا تدحض النظرية "عليك فقط أن تضع في اعتبارك أنه يجب البحث عن التأثير على مسافات أقصر واستخدام إعدادات ذات حساسية أعلى." بالإضافة إلى ذلك، يدعي الباحثون أن مثل هذه التجارب في حد ذاتها لا تهدف إلى تأكيد أو دحض نظرية الأوتار الفائقة. قال جون برايس لموقع Space.com: "إن الأفكار التي نختبرها هي مجرد بعض السيناريوهات المحتملة المستوحاة من الأوتار، وليست تنبؤات دقيقة للنظرية نفسها. لا توجد طريقة حتى الآن لنظرية الأوتار لتقديم هذا النوع من التنبؤات الدقيقة. "، وأود أن أقول إنه لا أحد يعرف ما إذا كانت نظرية الأوتار قادرة على تحقيق ذلك على الإطلاق." ومع ذلك، فإن التجارب على مسافات أصغر قد "تضيف المزيد من التصحيحات إلى لحاف الفيزياء"، ولذا فمن المهم مواصلة هذا النوع من الأبحاث لأنه "قد يتم اكتشاف شيء جديد و"أساسي للغاية".

  يتكون الإعداد التجريبي الذي أجراه باحثون من جامعة كولورادو، والذي يُطلق عليه اسم مرنان عالي التردد، من لوحين رفيعين من التنغستن (طولهما 20 ملم وسمكهما 0.3 ملم). إحدى هذه الصفائح صُنعت لكي تهتز بتردد 1000 هرتز. تم قياس حركات اللوحة الثانية الناتجة عن تأثير اللوحة الأولى بواسطة إلكترونيات حساسة للغاية. نحن نتحدث هنا عن قوى تقاس بالفيمتون نيوتن (10–15 ن)، أو جزء من المليون من وزن حبة الرمل. وتبين أن قوة الجاذبية المؤثرة على مثل هذه المسافات القصيرة تقليدية تمامًا، كما وصفها قانون نيوتن الشهير.

  ويتوقع البروفيسور برايس مواصلة التجارب لمحاولة قياس القوى على مسافات أقصر. لاتخاذ الخطوة التالية، قام الباحثون في كولورادو بإزالة درع الياقوت المطلي بالذهب بين شرائح التنغستن التي تمنع القوى الكهرومغناطيسية واستبدالها برقائق النحاس والبريليوم الرقيقة، مما يسمح للكتل بالاقتراب من بعضها البعض. ويخططون أيضًا لتبريد الإعداد التجريبي لتقليل التداخل الناتج عن التقلبات الحرارية.

  وبغض النظر عن مصير نظرية الأوتار الفائقة، فإن أفكار الأبعاد الإضافية، التي تم تقديمها منذ ما يقرب من مائة عام (في ذلك الوقت سخر منها العديد من الفيزيائيين)، أصبحت ذات شعبية غير عادية بسبب أزمة النماذج الفيزيائية القياسية غير القادرة على تفسير الكون. ملاحظات جديدة. ومن بين الحقائق الأكثر وضوحا التوسع المتسارع للكون، والذي له العديد من التأكيدات. هناك قوة جديدة غامضة، تُسمى حاليًا الطاقة المظلمة، تدفع الفضاء بعيدًا عنا، وتعمل كنوع من الجاذبية المضادة. لا أحد يعرف أي نوع من الظاهرة الفيزيائية تكمن وراء هذا. ما يعرفه علماء الكونيات هو أنه بينما تعمل الجاذبية على إبقاء المجرات معًا على المستوى "المحلي"، فإن القوى الغامضة تدفعها بعيدًا. يا على نطاق أوسع.

  ويعتقد بعض المنظرين أن الطاقة المظلمة يمكن تفسيرها من خلال التفاعلات بين الأبعاد، تلك التي نراها وتلك التي لا تزال مخفية عنا. وفي الاجتماع السنوي للجمعية الأمريكية لتقدم العلوم (AAAS) الذي عقد في دنفر في وقت سابق من هذا الشهر، أعرب كبار علماء الكون والفيزياء عن تفاؤل حذر بشأن هذا الأمر.

  "هناك أمل غامض في ذلك نهج جديديقول الفيزيائي شون كارول، الأستاذ المساعد في جامعة شيكاغو: "سوف يحل مجموعة المشاكل المعقدة بأكملها مرة واحدة".

  كل هذه المشاكل تتجمع حتمًا حول الجاذبية، التي حسب نيوتن قوتها منذ أكثر من ثلاثة قرون. كانت الجاذبية أول القوى الأساسية التي تم وصفها رياضيًا، لكنها لا تزال الأكثر سوءًا في الفهم. تصف ميكانيكا الكم، التي تم تطويرها في العشرينيات من القرن الماضي، جيدًا سلوك الأجسام على المستوى الذري، ولكنها ليست "صديقة" جدًا للجاذبية. والحقيقة هي أنه على الرغم من أن الجاذبية تعمل على مسافات كبيرة، إلا أنها لا تزال ضعيفة جدًا مقارنة بالقوى الأساسية الثلاثة الأخرى (التفاعلات الكهرومغناطيسية والقوية والضعيفة التي تهيمن على العالم المصغر). ومن المتوقع أن يؤدي فهم الجاذبية على المستوى الكمي إلى ربط ميكانيكا الكم بالوصف الكامل للقوى الأخرى.

  على وجه الخصوص، لم يتمكن العلماء لفترة طويلة من تحديد ما إذا كان قانون نيوتن (التناسب العكسي للقوة مع مربع المسافة) صالحًا على مسافات صغيرة جدًا، في ما يسمى بالعالم الكمي. طور نيوتن نظريته للمسافات الفلكية، مثل تفاعلات الشمس مع الكواكب، ولكن الآن تبين أنها صالحة أيضًا في العالم المصغر.

  تقول ماريا سبيروبولو، الباحثة في جامعة شيكاغو ومنظم ورشة عمل AAAS حول الفيزياء ذات الأبعاد الإضافية: "ما يحدث الآن في فيزياء الجسيمات وفيزياء الجاذبية وعلم الكونيات يذكرنا بالوقت الذي بدأت فيه ميكانيكا الكم تجتمع معًا". ذات أبعاد إضافية).

  لأول مرة أصبح من الممكن قياس سرعة الجاذبية

  

  وقال عالم الفيزياء الروسي سيرجي كوبيكين، الذي يعمل في جامعة ميسوري في كولومبيا، والأمريكي إدوارد فومالونت من المرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي في شارلوتسفيل بولاية فرجينيا، إنهما أول من قاما بقياس سرعة الجاذبية بدقة مقبولة. وتؤكد تجربتهم رأي معظم علماء الفيزياء: سرعة الجاذبية تساوي سرعة الضوء. وهذه الفكرة تكمن وراء النظريات الحديثة، بما في ذلك النظرية النسبية العامة لأينشتاين، ولكن حتى الآن لم يتمكن أحد من قياس هذه الكمية مباشرة في التجربة. وصدر البحث يوم الثلاثاء في الاجتماع رقم 201 للجمعية الفلكية الأمريكية في سياتل. وسبق أن قدمت النتائج للنشر في إحدى المجلات العلمية، إلا أنها تعرضت لانتقادات من بعض الخبراء. كوبيكين نفسه يعتبر الانتقادات لا أساس لها من الصحة.

  تفترض نظرية نيوتن في الجاذبية أن تأثيرات الجاذبية لحظية، لكن أينشتاين اقترح أن الجاذبية تنتقل بسرعة الضوء. أصبحت هذه الفرضية أحد أسس نظريته النسبية في عام 1915.

  إن تساوي سرعة الجاذبية وسرعة الضوء يعني أنه إذا اختفت الشمس فجأة من مركز المجموعة الشمسية، فإن الأرض ستبقى في مدارها لمدة 8.3 دقيقة تقريبًا، وهو الوقت الذي يستغرقه الضوء للانتقال من مركز المجموعة الشمسية. الشمس إلى الأرض. وبعد هذه الدقائق القليلة، تشعر الأرض بالتحرر من جاذبية الشمس، وتترك مدارها وتطير بعيدًا في الفضاء في خط مستقيم.

  كيف يمكنك قياس "سرعة الجاذبية"؟ إحدى طرق حل هذه المشكلة هي محاولة اكتشاف موجات الجاذبية - وهي "تموجات" صغيرة في استمرارية الزمكان والتي تبتعد عن أي كتل متسارعة. وقد تم بالفعل بناء منشآت مختلفة لالتقاط موجات الجاذبية بأعداد كبيرة، لكن لم يتمكن أي منها حتى الآن من تسجيل مثل هذا التأثير بسبب ضعفه الاستثنائي.

  ذهب Kopeikin طريقا مختلفا. أعاد كتابة معادلات النسبية العامة للتعبير عن مجال الجاذبية لجسم متحرك من حيث كتلته وسرعته وسرعة الجاذبية. تقرر استخدام كوكب المشتري كجسم ضخم. كافٍ حالة نادرةتم تقديم نفسه في سبتمبر 2002، عندما مر كوكب المشتري أمام نجم زائف (تحدث مثل هذه الأحداث مرة كل 10 سنوات تقريبًا)، مما أدى إلى انبعاث موجات الراديو بشكل مكثف. قام كوبيكين وفومالونت بدمج نتائج الملاحظات من عشرات التلسكوبات الراديوية في اجزاء مختلفةالكرة الأرضية، من هاواي إلى ألمانيا (باستخدام كل من التلسكوبات الراديوية التي يبلغ قطرها 25 مترًا التابعة للمرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي والأداة الألمانية التي يبلغ قطرها 100 متر في إيفلسبيرج) لقياس التغير المرئي الدقيق في موضع الكوازار الناتج عن انحناء موجات الراديو من هذا المصدر في مجال الجاذبية لكوكب المشتري. ومن خلال دراسة طبيعة تأثير مجال جاذبية المشتري على موجات الراديو المارة، ومعرفة كتلتها وسرعة حركتها، يمكن حساب سرعة الجاذبية.

  لقد أتاح العمل المشترك للتلسكوبات الراديوية الأرضية تحقيق دقة أكبر 100 مرة من تلك التي يمكن تحقيقها باستخدام تلسكوب هابل الفضائي. كانت الإزاحات التي تم قياسها في التجربة صغيرة جدًا، حيث كانت التغيرات في موضع الكوازار (تم قياس المسافة الزاوية بينه وبين الكوازار المرجعي) في حدود 50 جزءًا من المليون من الثانية القوسية. ويقول علماء الفلك إن ما يعادل مثل هذه القياسات يمكن أن يكون حجم دولار فضي على القمر أو سمك شعرة الإنسان من مسافة 250 ميلا (على ما يبدو أن المصادر الغربية لم تفكر في الالتفات إلى معنى الكلمة الروسية). لقب أحد مؤلفي الدراسات، وإلا لما قارنوا الأحجام بالدولار، وبوحدتنا النقدية...).

  النتيجة التي تم الحصول عليها: تنتقل الجاذبية بسرعة 0.95 من سرعة الضوء، والخطأ التجريبي المحتمل هو زائد أو ناقص 0.25. وقال فومالونت: "نحن نعلم الآن أن سرعة الجاذبية ربما تساوي سرعة الضوء. ويمكننا بثقة استبعاد أي نتيجة تساوي ضعف ذلك".

  وقال ستيفن كارليب، أستاذ الفيزياء بجامعة كاليفورنيا، إن التجربة كانت "إظهارًا جيدًا" لمبدأ أينشتاين. ويقول إن التجربة سبقتها قياسات لانحراف الضوء بواسطة الشمس، لكنها كانت أقل دقة بكثير. علاوة على ذلك، فإن القياسات الجديدة لسرعة الجاذبية في المستقبل القريب جدًا يجب أن توضح هذه القيمة. تم تشغيل عدد من أجهزة قياس تداخل موجات الجاذبية في الأشهر الأخيرة، ومن المفترض أن يكتشف أحدها أخيرًا موجات الجاذبية مباشرةً وبالتالي يقيس سرعتها، وهو ثابت أساسي مهم في كوننا.

  ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن التجربة نفسها ليست تأكيدًا لا لبس فيه لنظرية أينشتاين في الجاذبية. وبنفس النجاح يمكن اعتباره تأكيدًا للنظريات البديلة الموجودة. على سبيل المثال، فإن النظرية النسبية للجاذبية (RTG) التي وضعها الأكاديمي لوجونوف، والتي أصبحت معروفة لعامة الناس منذ حوالي عشر سنوات، لا تختلف عن النسبية العامة في هذا الصدد. هناك أيضًا موجات جاذبية في RTGs، على الرغم من عدم وجود ثقوب سوداء، كما هو معروف. وهناك "دحض" آخر لنظرية نيوتن في الجاذبية ليس له قيمة خاصة. ومع ذلك، فإن النتيجة مهمة من وجهة نظر "إغلاق" بعض إصدارات النظريات الحديثة ودعم البعض الآخر - فهي مرتبطة بالنظريات الكونية للأكوان المتعددة وما يسمى بنظرية الأوتار أو الأوتار الفائقة، ولكن من السابق لأوانه استخلاصها الاستنتاجات النهائية، كما يقول الباحثون. في أحدث ما يسمى بنظرية M الموحدة، والتي تعد تطورًا لنظرية الأوتار الفائقة، بالإضافة إلى "الأوتار"، ظهرت كائنات جديدة متعددة الأبعاد - الأغشية. تتضمن نظريات الأوتار الفائقة بطبيعتها الجاذبية، حيث أن الحسابات المبنية عليها تتنبأ دائمًا بوجود الجرافتون، وهو جسيم افتراضي عديم الوزن مع دوران قدره 2. ومن المفترض أن هناك أبعاد مكانية إضافية، فقط "منهارة". ويمكن للجاذبية أن تتخذ "طريقًا مختصرًا" عبر هذه الأبعاد الإضافية، ويبدو أنها تسير بسرعة أكبر من سرعة الضوء، ولكن دون انتهاك معادلات النسبية العامة.

  اثنان من علماء الفيزياء النسبية يقدمان وجهات نظرهما حول الكون،
  تطورها ودور نظرية الكم

  في العلمية الأمريكيةنُشرت هذه المحاضرات باختصارات، وتم تمييز الأماكن المقابلة في النص بعلامات حذف

  مقدمة

  في عام 1994، ألقى ستيفن هوكينج وروجر بنروز سلسلة من المحاضرات العامة حول النسبية العامة في معهد إسحاق نيوتن للعلوم الرياضية بجامعة كامبريدج. وتعرض مجلتنا مقتطفات من هذه المحاضرات، التي نشرتها هذا العام مطبعة جامعة برينستون تحت عنوان "طبيعة المكان والزمان"، والتي تقارن بين آراء هذين العالمين. على الرغم من أن كلاهما ينتمي إلى نفس مدرسة الفيزياء (ساعد بنروز هوكينج في أطروحة الدكتوراه في كامبريدج)، إلا أن وجهات نظرهما حول دور ميكانيكا الكم في تطور الكون تختلف تمامًا عن بعضها البعض. على وجه الخصوص، لدى هوكينج وبنروز أفكار مختلفة حول ما يحدث للمعلومات المخزنة في الثقب الأسود ولماذا تختلف بداية الكون عن نهايته.

  أحد اكتشافات هوكينج الرئيسية، التي تم إجراؤها في عام 1973، كان التنبؤ بأنه بسبب التأثيرات الكمومية، يمكن للثقوب السوداء أن تبعث جسيمات. ونتيجة لهذه العملية يتبخر الثقب الأسود، وفي النهاية من الممكن ألا يبقى شيء من كتلته الأصلية. لكن الثقوب السوداء تمتص أثناء تشكلها الكثير من الجزيئات التي تسقط عليها بأنواعها وخصائصها وتكويناتها المختلفة. وعلى الرغم من أن نظرية الكم تتطلب تخزين مثل هذه المعلومات، إلا أن تفاصيل ما يحدث لها بعد ذلك تظل موضوعًا لنقاش حاد. يعتقد كل من هوكينج وبنروز أنه عندما ينبعث الثقب الأسود، فإنه يفقد المعلومات التي يحتوي عليها. لكن هوكينج يصر على أن هذه الخسارة لا يمكن تعويضها، بينما يرى بنروز أنها تتم موازنتها من خلال قياسات عفوية للحالات الكمومية التي تغذي المعلومات مرة أخرى إلى الثقب الأسود.

  ويتفق كلا العالمين على أن هناك حاجة إلى نظرية مستقبلية للجاذبية الكمية لوصف الطبيعة. لكن وجهات نظرهم تختلف حول بعض جوانب هذه النظرية. ويعتقد بنروز أنه حتى لو كانت التفاعلات الأساسية للجسيمات الأولية متماثلة فيما يتعلق بانعكاس الزمن، فإن الجاذبية الكمومية يجب أن تكسر هذا التناظر. ومن ثم فإن عدم التماثل الزمني سيفسر سبب بداية الكون بشكل موحد (كما هو موضح في إشعاع الخلفية الميكروي الذي ينتج عن الانفجار الأعظم)، بينما في النهاية يجب أن يكون الكون غير متجانس.

  يحاول بنروز تضمين عدم تناسق مماثل في فرضيته حول انحناء فايل. الزمكان، وفقا لألبرت أينشتاين، منحني بسبب وجود المادة. ولكن يمكن أن يكون للزمكان أيضًا بعض التشوهات المتأصلة، والتي يشار إليها باسم انحناء ويل. على سبيل المثال، تسمح موجات الجاذبية والثقوب السوداء للزمكان بالانحناء حتى في المناطق الفارغة. في بداية الكون، ربما كان انحناء ويل صفرًا، ولكن في الكون المحتضر، كما يقول بنروز، سيؤدي عدد كبير من الثقوب السوداء إلى زيادة انحناء ويل. وهذا سيكون الفرق بين بداية الكون ونهايته.

  يوافق هوكينج على أن الانفجار الأعظم والانهيار النهائي ("الانهيار الكبير") سيكونان مختلفين، لكنه لا يعتبر عدم التماثل الزمني بمثابة قانون من قوانين الطبيعة. ويعتقد أن السبب الرئيسي لهذا الاختلاف هو المسار الذي تمت برمجة تطور الكون عليه. فهو يفترض نوعًا من الديمقراطية، معلنًا أنه لا يمكن أن تكون هناك نقطة واحدة في الفضاء في الكون؛ وبالتالي، لا يمكن أن يكون للكون حدود. إن هذا الاقتراح الذي لا حدود له هو الذي يدعي هوكينج أنه يفسر تجانس إشعاع الخلفية الميكروي.

  لدى الفيزيائيين أيضًا وجهات نظر مختلفة بشكل أساسي حول تفسير ميكانيكا الكم. يعتقد هوكينج أن الغرض الوحيد للنظرية هو تقديم تنبؤات تتوافق مع البيانات التجريبية. يعتقد بنروز أن المقارنة البسيطة بين التوقعات والتجارب ليست كافية لتفسير الواقع. ويشير إلى أن نظرية الكم، التي تتطلب تراكب الدوال الموجية، هي مفهوم يمكن أن يؤدي إلى السخافات. ومن ثم فإن هؤلاء العلماء يأخذون إلى مستوى جديد الجدل المعروف بين أينشتاين وبور حول العواقب الغريبة لنظرية الكم.

  ستيفن هوكينج يتحدث عن الثقوب السوداء الكمومية:

  يبدو أن نظرية الكم للثقوب السوداء تقدم مستوى جديدًا من عدم القدرة على التنبؤ في الفيزياء يتجاوز عدم اليقين في ميكانيكا الكم المعتاد. وذلك لأن الثقوب السوداء يبدو أنها تمتلك إنتروبيا داخلية وتفقد المعلومات من منطقتنا في الكون. يجب أن أقول إن هذه الادعاءات مثيرة للجدل إلى حد كبير: العديد من العلماء العاملين في مجال الجاذبية الكمية، بما في ذلك جميع أولئك الذين أتوا إليها تقريبًا من فيزياء الجسيمات، يرفضون غريزيًا فكرة إمكانية فقدان المعلومات حول حالة النظام الكمي. ومع ذلك، لم يحقق هذا الرأي نجاحًا كبيرًا في شرح كيفية هروب المعلومات من الثقب الأسود. في النهاية، أعتقد أنهم سيضطرون إلى قبول اقتراحي بأن المعلومات ستضيع إلى الأبد، تمامًا كما أجبروا على قبول انبعاث الثقوب السوداء، وهو ما يتناقض مع كل تصوراتهم المسبقة...

  وحقيقة أن الجاذبية جذابة تعني أنه يوجد في الكون ميل للمادة إلى التجمع في مكان واحد، وميل لتشكل أجسام مثل النجوم والمجرات. يمكن تقييد المزيد من الضغط على هذه الأجسام لبعض الوقت عن طريق الضغط الحراري، في حالة النجوم، أو عن طريق الدوران والحركات الداخلية، في حالة المجرات. ومع ذلك، في النهاية سيتم التخلص من الحرارة أو الزخم الزاوي وسيبدأ الجسم في الانكماش مرة أخرى. إذا كانت الكتلة أقل من حوالي واحد ونصف كتلة شمسية، فيمكن إيقاف الضغط عن طريق ضغط الغاز المتحلل من الإلكترونات أو النيوترونات. سوف يستقر الجسم ليصبح قزمًا أبيض أو نجمًا نيوترونيًا، على التوالي. ومع ذلك، إذا كانت الكتلة أكبر من هذا الحد، فلا يوجد شيء يمكن أن يوقف الضغط المستمر. بمجرد أن يقترب ضغط جسم ما من حجم حرج معين، سيكون مجال الجاذبية على سطحه قويًا جدًا بحيث تميل المخاريط الضوئية إلى الداخل.... يمكننا أن نرى أنه حتى أشعة الضوء الخارجة تكون منحنية تجاه بعضها البعض، بحيث يقتربون من بعضهم البعض بدلاً من أن يفترقوا. وهذا يعني أن هناك بعض السطح المغلق.

  وبالتالي، لا بد من وجود منطقة من الزمكان لا يمكن الهروب منها إلى مسافة لا نهائية. وتسمى هذه المنطقة بالثقب الأسود. وتسمى حدوده بأفق الحدث، وهو سطح يتكون من أشعة ضوئية غير قادرة على الهروب إلى ما لا نهاية....

  يتم فقدان كمية كبيرة من المعلومات عندما ينهار جسم كوني ليشكل ثقبًا أسود. يتم وصف الكائن المنهار بعدد كبير جدًا من المعلمات. يتم تحديد حالتها من خلال أنواع المادة والعزوم المتعددة الأقطاب لتوزيع كتلتها. على الرغم من ذلك، فإن الثقب الأسود المتشكل مستقل تمامًا عن نوع المادة وسرعان ما يفقد جميع العزوم المتعددة الأقطاب باستثناء العزمين الأولين: أحادي القطب، وهو الكتلة، وثنائي القطب، وهو الزخم الزاوي.

  إن فقدان المعلومات هذا لم يكن له أي أهمية في النظرية الكلاسيكية. يمكننا القول أن جميع المعلومات المتعلقة بالجسم المنهار تنتهي داخل الثقب الأسود. بالنسبة لمراقب خارج الثقب الأسود، سيكون من الصعب جدًا تحديد شكل الجسم المنهار. ومع ذلك، في النظرية الكلاسيكية كان هذا لا يزال ممكنا من حيث المبدأ. لن يغيب عن بالنا للمراقب أبدًا الجسم المنهار. وبدلاً من ذلك، بدا له أن الجسم يتباطأ في انكماشه ويصبح أكثر خفوتًا مع اقترابه من أفق الحدث. لا يزال هذا الراصد قادرًا على رؤية المادة التي يتكون منها الجسم المنهار وكيف تم توزيع كتلته.

  ومع ذلك، من وجهة نظر نظرية الكم، كل شيء يتغير تماما. أثناء الانهيار، سيصدر الجسم عددًا محدودًا فقط من الفوتونات قبل عبور أفق الحدث. لن تكون هذه الفوتونات كافية تمامًا لإيصال جميع المعلومات المتعلقة بالجسم المنهار إلينا. وهذا يعني أنه في نظرية الكم لا توجد طريقة يمكن لمراقب خارجي أن يحدد حالة مثل هذا الجسم. قد يعتقد المرء أن هذا لن يهم كثيرا ذو اهمية قصوىلأن المعلومات ستظل موجودة داخل الثقب الأسود، حتى لو لم يكن من الممكن قياسها من الخارج. ولكن هذا هو الحال بالضبط حيث يتجلى التأثير الثاني لنظرية الكم الخاصة بالثقوب السوداء....

  تجبر نظرية الكم الثقوب السوداء على إصدار كتلة وفقدانها. ويبدو أنها تختفي تمامًا في النهاية - مع المعلومات الموجودة بداخلها. أريد أن أؤكد أن هذه المعلومات قد فقدت بالفعل ولم يتم إعادتها بأي شكل من الأشكال. وكما سأبين لاحقًا، مع فقدان المعلومات هذا، يدخل عدم اليقين إلى الفيزياء بمستوى أعلى من عدم اليقين المعتاد المرتبط بنظرية الكم. لسوء الحظ، على عكس علاقة عدم اليقين لهايزنبرج، سيكون من الصعب جدًا تأكيد هذا المستوى الجديد من عدم اليقين تجريبيًا في حالة الثقوب السوداء.

  روجر بنروز حول نظرية الكم والزمكان:

  تعد نظرية الكم والنسبية الخاصة والنسبية العامة ونظرية المجال الكمي من أعظم النظريات الفيزيائية في القرن العشرين. هذه النظريات ليست مستقلة عن بعضها البعض: فقد بنيت النسبية العامة على أساس النسبية الخاصة، ونظرية المجال الكمومي تعتمد على النسبية الخاصة ونظرية الكم.

  لقد قيل بشكل شائع أن نظرية المجال الكمي هي النظرية الفيزيائية الأكثر دقة على الإطلاق، حيث تصل دقتها إلى 11 منزلة عشرية. ومع ذلك، أود أن أشير إلى أن النسبية العامة قد تم اختبارها الآن ضمن 14 منزلة عشرية (ومن الواضح أن هذه الدقة محدودة فقط بدقة الساعات التي تعمل على الأرض). أنا أتحدث عن النجم النابض الثنائي Hulse-Taylor PSR 1913+16، وهو زوج من النجوم النيوترونية يدوران بالنسبة لبعضهما البعض، أحدهما عبارة عن نجم نابض. وتتنبأ النسبية العامة بأن مثل هذا المدار ينكمش ببطء (وتتناقص دورته) بسبب فقدان الطاقة بسبب انبعاث موجات الجاذبية. لقد تمت بالفعل ملاحظة هذه العملية تجريبيًا، والوصف الكامل لحركتها، التي تمت ملاحظتها لمدة 20 عامًا... يتوافق مع النظرية النسبية العامة (التي تتضمن نظرية نيوتن) مع الدقة الملحوظة المذكورة أعلاه. تلقى الباحثون في هذا النظام النجمي بحق جوائز نوبللأجل عملك. لقد جادل منظرو الكم دائمًا، مشيرين إلى دقة نظريتهم، بأن النسبية العامة يجب أن تأخذ مثالها، لكنني أعتقد الآن أن نظرية المجال الكمي يجب أن تأخذ مثالها.

  وعلى الرغم من أن هذه النظريات الأربع حققت نجاحًا كبيرًا، إلا أنها ليست خالية من المشاكل.... وتتنبأ النسبية العامة بوجود المتفردات في الزمكان. هناك "مشكلة قياس" في نظرية الكم، والتي سأصفها لاحقا. وقد يتبين أن حل مشاكل هذه النظريات هو الاعتراف بحقيقة أنها نظريات غير مكتملة. على سبيل المثال، يتوقع الكثيرون أن نظرية المجال الكمي يمكنها بطريقة أو بأخرى "تشويه" تفردات النظرية النسبية العامة...

  الآن أود أن أقول بضع كلمات فيما يتعلق بفقدان المعلومات في الثقوب السوداء، والتي أعتقد أنها مرتبطة بالعبارة الأخيرة. وأنا أتفق مع كل ما قاله ستيفن تقريبًا بخصوص هذا. لكن بينما يعتبر ستيفن فقدان المعلومات في الثقوب السوداء بمثابة حالة عدم يقين جديدة في الفيزياء، عند مستوى أعلى من عدم اليقين في ميكانيكا الكم، فإنني أعتبرها مجرد حالة عدم يقين "إضافية".... من الممكن أن تكون هناك كمية صغيرة من المعلومات. ضائعة في زمن تبخر الثقب الأسود... لكن هذا التأثير سيكون أقل بكثير من فقدان المعلومات أثناء الانهيار (الذي أقبل وصفه بأي صورة معقولة للاختفاء النهائي للثقب الأسود).

  كتجربة فكرية، فكر في نظام مغلق في صندوق كبير وفكر في حركة المادة داخل الصندوق في فضاء الطور. في مناطق فضاء الطور المقابلة لمواقع الثقب الأسود، سوف تتقارب المسارات التي تصف التطور الفيزيائي للنظام، وسوف تتقلص أحجام الطور المملوءة بهذه المسارات. يحدث هذا نتيجة فقدان المعلومات عند تفرد الثقب الأسود. يتناقض هذا التخفيض بشكل مباشر مع قانون الميكانيكا الكلاسيكية، المعروف بنظرية ليوفيل، والذي ينص على أن أحجام الطور التي تحملها مسارات الطور تظل ثابتة.... وبالتالي، فإن الزمكان للثقب الأسود ينتهك حفظ هذه الأحجام. . ومع ذلك، في صورتي، يتم موازنة هذا الفقد في حجم فضاء الطور من خلال عملية قياسات كمية عفوية، مما يؤدي إلى استعادة المعلومات وزيادة في الحجم في فضاء الطور. كما أفهمها، يحدث هذا لأن عدم اليقين المرتبط بفقدان المعلومات في الثقوب السوداء هو، كما كان، "إضافي" إلى عدم اليقين في ميكانيكا الكم: كل واحد منهم ليس سوى وجه واحد من نفس العملة....

  الآن دعونا نلقي نظرة تجربة فكريةمع قطة شرودنغر. ويصف الوضع الذي لا يحسد عليه لقطة في صندوق، حيث يسقط الفوتون المنبعث على مرآة شفافة، ويتم تسجيل الجزء المرسل من وظيفتها الموجية بواسطة جهاز استشعار. إذا اكتشف المستشعر فوتونًا، ينطلق المسدس ويقتل القطة. إذا لم يكتشف المستشعر الفوتون، فستظل القطة على قيد الحياة وبصحة جيدة. (أعلم أن ستيفن لا يوافق على إساءة معاملة القطط، حتى في التجارب الفكرية!) إن الدالة الموجية لمثل هذا النظام هي تراكب لهذين الاحتمالين.... ولكن لماذا تكون البدائل العيانية فقط "ميتة" و"قطة ميتة"؟ "قطة حية" متاحة لإدراكنا؟وليست تراكبات عيانية لمثل هذه الحالات؟ ...

  أقترح أنه مع استخدام النسبية العامة، فإن استخدام تراكبات الأشكال الهندسية البديلة للزمكان يواجه صعوبات خطيرة. من الممكن أن يكون تراكب شكلين هندسيين مختلفين غير مستقر ويتحلل إلى أحد هذين البديلين. يمكن أن تكون هذه الأشكال الهندسية، على سبيل المثال، مساحة ووقت المعيشة أو قطة ميتة. للإشارة إلى هذا الاضمحلال للتراكب إلى إحدى الحالات البديلة، أستخدم مصطلح التخفيض الموضوعي، الذي أحبه لأنه يحتوي على اختصار جيد (OR). ما علاقة طول بلانك الذي يبلغ 10-33 سنتيمترًا بهذا؟ يعد هذا الطول معيارًا طبيعيًا لتحديد ما إذا كانت الأشكال الهندسية هي عوالم مختلفة حقًا. ويحدد مقياس بلانك أيضًا النطاق الزمني الذي يحدث فيه الاختزال إلى بدائل مختلفة.

  هوكينج في علم الكون الكمي:

  أختتم هذه المحاضرة بمناقشة سؤال طرحناه أنا وروجر وجهات نظر مختلفة- هذا هو سهم الزمن. هناك تمييز واضح جدًا بين الاتجاهين الأمامي والخلفي للزمن في الجزء الذي نعيش فيه من الكون. ما عليك سوى إرجاع أي فيلم لرؤية هذا الاختلاف. فبدلاً من سقوط الأكواب من على الطاولة وتكسرها إلى قطع صغيرة، سنرى هذه الشظايا تعود معًا وتقفز مرة أخرى على الطاولة. أليس كذلك الحياه الحقيقيهمماثل ليس شيئا من هذا القبيل؟

  تلبي القوانين المحلية للمجالات الفيزيائية متطلبات التناظر في الوقت المناسب، أو لنكون أكثر دقة، ثبات CPT (الشحن-التكافؤ-الوقت). وبالتالي، فإن الفرق الملحوظ بين الماضي والمستقبل يأتي من الظروف الحدودية للكون. دعونا نفكر في نموذج يتوسع فيه الكون المغلق مكانيًا إلى أقصى حجم له ثم ينهار مرة أخرى. وكما أشار روجر، فإن الكون سيكون مختلفًا تمامًا عند نهاية هذه القصة. في بدايته، نعتقد الآن أن الكون سيكون سلسًا ومنتظمًا تمامًا. ومع ذلك، عندما يبدأ في الانهيار مرة أخرى، نتوقع أن يكون مضطربًا وغير منتظم للغاية. نظرًا لوجود تكوينات غير منظمة أكثر بكثير من التكوينات المرتبة، فهذا يعني أنه يجب اختيار الشروط الأولية بدقة شديدة.

  ونتيجة لذلك، يجب أن تكون شروط الحدود مختلفة في هذه الأوقات. افتراض روجر هو أن موتر فايل يجب أن يختفي فقط عند نهاية الزمن. موتر فايل هو ذلك الجزء من انحناء الزمكان الذي لا يتحدد بالتوزيع المحلي للمادة من خلال معادلات أينشتاين. هذا الانحناء صغير للغاية في المرحلة المبكرة المنظمة، وكبير جدًا في الكون المنهار. وبالتالي فإن هذا الاقتراح سيسمح لنا بتمييز طرفي الزمن عن بعضهما البعض وشرح وجود سهم الزمن.

  أعتقد أن اقتراح روجر هو ويليان بمعنيين للكلمة. أولاً، أنها ليست ثابتة CPT. يرى روجر هذه الخاصية كميزة، لكنني أشعر أنه لا ينبغي التخلي عن التماثلات دون أسباب وجيهة. ثانيًا، إذا كان موتر ويل يساوي الصفر تمامًا في مرحلة مبكرة من عمر الكون، فإنه سيظل متجانسًا ومتناحيًا طوال الوقت اللاحق. لا يمكن لفرضية روجر ويل أن تفسر تقلبات خلفية الموجات الميكروية أو الاضطرابات التي تسببها المجرات والأجسام مثلنا.

  على الرغم من كل هذا، أعتقد أن روجر قد أشار إلى اختلاف مهم جدًا بين هذين الحدين الزمنيين. لكن حقيقة أن صغر موتر فايل في أحد الحدود لا ينبغي أن نقبله بشكل خاص، بل ينبغي الحصول عليه من المبدأ الأكثر جوهرية وهو "لا حدود"....

  كيف يمكن أن يكون الحدان الزمنيان مختلفين؟ لماذا يجب أن تكون الاضطرابات صغيرة في أحدهما ولا تكون في الآخر؟ والسبب في ذلك هو أن معادلات المجال لها حلان معقدان محتملان.... ومن الواضح أن أحد الحلول يتوافق مع أحد طرفي الزمن، والآخر يتوافق مع الآخر.... في أحد طرفي الزمن، كان الكون سلسًا للغاية وكان موتر فايل صغيرا . ومع ذلك، لا يمكن أن يساوي الصفر بالضبط، لأن هذا يؤدي إلى انتهاك علاقة عدم اليقين. وبدلاً من ذلك، لا بد أن تكون هناك تقلبات صغيرة يمكن أن تتطور فيما بعد إلى مجرات وأجسام مثلنا. وعلى النقيض من البداية، يجب أن تكون نهاية الكون غير منتظمة وفوضوية للغاية، وأن يكون موتر ويل كبيرًا جدًا. وهذا من شأنه أن يفسر سبب حدوث سهم الزمن ولماذا تسقط الأكواب من على الطاولة وتنكسر بسهولة أكبر بكثير من استعادتها وترتد مرة أخرى.

  بنروز في علم الكون الكمي:

  ومن ما أفهمه عن مفهوم ستيفن، أستنتج أن خلافاتنا قائمة هذه المسألة(فرضية انحناء فايل أ) كبيرة للغاية...بالنسبة للتفرد الأولي، يكون انحناء فايل صفرًا تقريبًا.... جادل ستيفن بأنه يجب أن تكون هناك تقلبات كمية صغيرة في الحالة الأولية، وبالتالي فإن فرضية انحناء فايل الصفرية أ كلاسيكي وغير مقبول. لكنني أعتقد أن هناك بعض الحرية فيما يتعلق بالصياغة الدقيقة لهذه الفرضية. الاضطرابات الصغيرة مقبولة بالطبع من وجهة نظري في النظام الكمي. نحتاج فقط إلى الحد بشكل كبير من هذه التقلبات حول الصفر....

  من الممكن أن يكون مبدأ جيمس-هارتلي-هوكينج "بلا حدود" مرشحًا جيدًا لوصف بنية الحالة الأولية. ومع ذلك، يبدو لي أن هناك حاجة إلى شيء آخر لشرح الحالة النهائية. على وجه الخصوص، يجب أن تتضمن النظرية التي تشرح بنية المتفردات كسر CPT والتماثلات الأخرى حتى تكون متوافقة مع فرضية انحناء ويل. قد يكون مثل هذا الانتهاك للتناظر الزمني صغيرًا جدًا؛ ويمكن تضمينها ضمنيًا في نظرية جديدة تتجاوز حدود ميكانيكا الكم.

  هوكينج على الواقع المادي:

  لقد جعلت هذه المحاضرات الفرق بيني وبين روجر واضحًا جدًا. إنه أفلاطوني، وأنا وضعي. إنه يشعر بقلق بالغ من أن قطة شرودنغر في حالة كمومية يكون فيها نصف حي ونصف ميت. إنه يشعر بالتناقض مع الواقع في هذا. لكن مثل هذه الأمور لا تزعجني. أنا لا أطالب بأن تكون النظرية متوافقة مع الواقع، لأنني لا أعرف ما هو الواقع. الواقع ليس صفة يمكنك اختبارها بورقة عباد الشمس. كل ما يهمني هو أن النظرية تتنبأ بنتائج القياسات. نظرية الكم تفعل ذلك بنجاح كبير....

  يشعر روجر أن... انهيار الدالة الموجية يقدم تناظر CPT ليقتحم الفيزياء. يرى أن مثل هذه الاضطرابات تحدث في مجالين على الأقل من الفيزياء: علم الكونيات والثقوب السوداء. أوافق على أنه يمكننا استخدام عدم التماثل الزمني عند طرح أسئلة حول الملاحظات. لكنني أرفض تمامًا فكرة وجود بعض العمليات الفيزيائية التي تؤدي إلى انخفاض في الدالة الموجية، أو أن هذا له علاقة بالجاذبية الكمومية أو الوعي. كل هذا له علاقة بالسحر والسحر، ولكن ليس بالعلم.

  بنروز عن الواقع المادي:

  ميكانيكا الكم موجودة منذ 75 عامًا فقط. وهذا ليس كثيرًا، خاصة عند مقارنته، على سبيل المثال، بنظرية نيوتن في الجاذبية. لذلك لن أتفاجأ إذا تم تعديل ميكانيكا الكم لتناسب الأجسام الكبيرة جدًا.

  في بداية هذه المناقشة، أشار ستيفن إلى أنه كان وضعيًا وأنني كنت أفلاطونيًا. أنا سعيد لأنه وضعي، لكن يمكنني أن أقول بنفسي إنني واقعي إلى حد ما. وأيضاً إذا قارنت هذه المناظرة بمناظرة بوهر-أينشتاين الشهيرة قبل حوالي 70 عاماً، أعتقد أن ستيفن يلعب دور بور وأنا ألعب دور أينشتاين! بالنسبة لأينشتاين، كان من الضروري أن يكون هناك شيء مشابه للعالم الحقيقي، والذي لا يوصف بالضرورة بالدالة الموجية، بينما أكد بور على أن الدالة الموجية لا تصف العالم الحقيقي، بل فقط المعرفة اللازمة للتنبؤ بنتائج تجربة.

  ويُعتقد الآن أن حجج بور كانت أكثر قوة، وأن أينشتاين (وفقًا لسيرته الذاتية التي كتبها أبراهام بايس) ربما كان يمارس الصيد منذ عام 1925. في الواقع، لم يقدم إسهامًا كبيرًا في ميكانيكا الكم، على الرغم من أن انتقاداته الثاقبة كانت مفيدة جدًا لهذه الأخيرة. وأعتقد أن السبب في ذلك هو أن نظرية الكم كانت تفتقد بعض العناصر المهمة. وكان أحد هذه المكونات هو إشعاع الثقوب السوداء التي اكتشفها ستيفن بعد 50 عامًا. إن تسرب المعلومات المرتبط بإشعاع الثقب الأسود هو ظاهرة قد تأخذ نظرية الكم إلى مستوى جديد.

  يعتقد ستيفن هوكينج أنه قد لا تكون هناك نظرية محددة للكون

  وصفت محاضرة تلفزيونية ألقاها عالم الفيزياء الشهير ستيفن هوكينج من إنجلترا أمام العديد من الجماهير في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، بحث العلماء عن نظرية كاملة للكون. وفي الختام، أشار مؤلف الكتابين العلميين الأكثر مبيعا "تاريخ موجز للزمن ونظرية كل شيء"، أستاذ الرياضيات في جامعة كامبريدج، إلى أنه "من الممكن أن تكون [مثل هذه النظرية] مستحيلة".

  قال هوكينج: "سيشعر بعض الناس بخيبة أمل كبيرة عندما يعلمون أنه لا توجد نظرية محددة. كنت في هذا المعسكر أيضًا، لكنني الآن غيرت رأيي. سنواجه دائمًا تحديات الاكتشافات العلمية الجديدة. بدونها، سوف تتعرض الحضارة للركود." "يمكن أن يستمر البحث لفترة طويلة جدًا."

  كما تم بث البرنامج التلفزيوني، الذي ظهرت خلاله بعض الصعوبات الفنية في الصورة والصوت، عبر الإنترنت. تم تنظيمه من قبل معهد كامبريدج-MIT (CMI) - وهو تحالف استراتيجي مدته ثلاث سنوات بين جامعة كامبريدج في إنجلترا ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

  لخص هوكينج بشكل أساسي تاريخ فيزياء الجسيمات، مع التركيز على الشخصيات والنظريات الرئيسية في هذا المجال، من أرسطو إلى ستيفن واينبرج، الحائز على جائزة نوبل والمولود عام 1933.

  يقول هوكينج: "إن معادلات ماكسويل وديراك، على سبيل المثال، "تحكم تقريبًا كل الفيزياء وكل الكيمياء والأحياء. لذا، بمعرفة هذه المعادلات، يمكننا من حيث المبدأ التنبؤ". السلوك البشري، على الرغم من أنني لا أستطيع أن أدعي أنني كنت في هذا الشأن بنفسي نجاح كبير"، واختتم حديثه وسط ضحكات الجمهور.

  يحتوي الدماغ البشري على عدد كبير جدًا من الجزيئات التي لا يمكنها حل جميع المعادلات اللازمة للتنبؤ بسلوك شخص ما. ربما في يوم من الأيام في المستقبل المنظور سوف نتعلم التنبؤ بسلوك الدودة الخيطية.

  وقال هوكينج إن جميع النظريات التي تم تطويرها حتى الآن لتفسير الكون "إما متناقضة أو غير كاملة". واقترح لماذا من المستحيل من حيث المبدأ تطوير نظرية واحدة كاملة عن الكون. لقد بنى حجته على عمل كورت جودل، عالم الرياضيات التشيكي الذي كتب النظرية الشهيرة التي تقول إنه في أي فرع من فروع الرياضيات، لا يمكن أبدًا إثبات أو دحض بعض الافتراضات.

  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. الأطراف المفتوحة حرة، بينما الأطراف المغلقة تتقارب مع بعضها البعض، وتشكل حلقات. 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.

  سنتيمترات - أصغر حجم ممكن لجسم ما 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 النظرية. حقل كهرومغناطيسي. 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، سيبدو الجسم ثلاثي الأبعاد مسطحًا: انبوب ماءسيظهر على شكل شريط، وسيظهر البالون على شكل دائرة. 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 لا تزال غير قابلة للحل: النظريات تعمل بشكل جيد بشكل منفصل، ولكن الصورة الكبيرةلا تعطي.

  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. وفقًا للنموذج القياسي، فإن الجسيمات الأولية هي نقاط لا أبعاد لها وتتفاعل على مسافات صفرية. 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.

  المعنى الجسديتم اكتشاف وظائف بيتا لأويلر 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. وكانت الخيوط فيها أنواع مختلفةالتناظر الفائق، ولم تكن هناك طريقة لمعرفة النظرية الصحيحة.

  الأساليب الرياضية لها حدودها. اعتاد الفيزيائيون على ذلك معادلات معقدة، والتي 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 لواحدة أو أكثر النظرية العامةالأوتار الفائقة، التي لا يوجد فيها عشرة أبعاد، بل أحد عشر. 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. وقد شجع هذا العلماء، وامتلأت المجلات العلمية مرة أخرى بالمنشورات حول فيزياء الأوتار.

  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. بل إنهم يتحدثون عن نظرية أساسية جديدة ذات 12 بُعدًا - 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 الرئيسية في النظرية هي عدم وجود أدلة مباشرة. 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 توحد جميع النظريات الفيزيائية وتكشف لنا أسرار الكون - وهناك 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. ويعتبره بعض العلماء الخيال العلميويعتقد آخرون 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: