📼 👨‍🌾 🈶 تطور نظرية الأوتار إلى نظرية M 🧔🏻 🙆🏿 🌟

يوم جيد يا حب العبادة. بعد غيابي الطويل ، قررت مرة أخرى تناول لوحة مفاتيح ~~القلم~~ . اليوم سنحاول تتبع تطور نظرية الأوتار إلى نظرية M ، وإيجاد أجوبة على الأسئلة: ما الذي دفع العلماء إلى تطوير هذه النظرية ، وما هي المشاكل التي واجهوها ، وما هي أفضل عقول البشرية التي تكسر رؤوسهم الآن.

نظرية الأوتار

في حبري كان هناك بالفعل مقال عن نظرية الأوتار. إذا كان باختصار في عام 1968 ، لاحظ العلماء أن وظيفة رياضية تسمى دالة أويلر بيتا تصف بشكل مثالي خصائص الجسيمات التي تشارك في ما يسمى بالتفاعل القوي - أحد التفاعلات الأساسية الأربعة في الكون.

خلال عمليات التحقق الإضافية ، تم تأكيد هذه الحقيقة ، كان من المثير للاهتمام أنه تم استخدام هذه الوظيفة في وقت سابق بشكل رئيسي في وصف اهتزازات الأوتار المشدودة.

عند رؤية كل هذا ، سأل الباحثون سؤالًا معقولًا: "ولكن ماذا لو كانت الجسيمات الأولية ليست جزيئات على الإطلاق ، ولكن أفضل الخيوط المجهرية ، وما نلاحظه في الواقع ليس مسار حركة الجسيم ، ولكن مسار الاهتزاز يمر على طول هذه السلسلة؟ ". علاوة على ذلك ، تشير طبيعة الاهتزاز أيضًا إلى أي جسيم أمامنا: نوع من الاهتزاز ( الوضع الاهتزازي ) هو جسيم واحد ، نوع آخر هو آخر.

أظهرت الدراسات الأولى أن نظرية الأوتار قد حققت نجاحًا كبيرًا في وصف الظواهر المرصودة. يمكن تحديد أحد أوضاع اهتزازات الأوتار على أنه جاذبية. تظهر أنماط اهتزازية أخرى خصائص الفوتونات والغلوونات.

لسبب وجيه ، يبدو أن نظرية الأوتار قادرة على تقليل جميع التفاعلات الأساسية الأربعة للكون إلى واحد - اهتزاز سلسلة أحادية البعد مع نقل الطاقة المقابل. علاوة على ذلك ، تسمح لنا نظرية الأوتار أيضًا بشرح الثوابت الأساسية للعالم الصغير من وجهة نظر رياضية. أصبح من الواضح ، على سبيل المثال ، أن كتل الجسيمات الأولية هي بالضبط ما هي عليه.

بالإضافة إلى ذلك ، أعطت نظرية الأوتار الأمل في الجمع بين النسبية العامة (النظرية النسبية العامة) وميكانيكا الكم في إطار نظرية واحدة. في الحسابات ، اتضح أن الاهتزازات الطبيعية للأوتار قادرة على إخماد وتقلبات التقلبات الكمية وبالتالي القضاء على الاضطرابات على المستوى المجهري ، والتي لا يمكن أن تكون صداقات GR و ميكانيكا الكم.

ومع ذلك ، في البحث الأعمق والتحقق من النظرية ، تم الكشف عن تناقضات خطيرة للعواقب مع البيانات التجريبية. على سبيل المثال ، في نظرية الأوتار ، كان الجسيم موجودًا بالضرورة - tachyon (الذي يكون مربع كتلته أقل من الصفر ، ويتحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء) - كواحد من الأوضاع الاهتزازية للسلسلة ، مما يدل على حالة غير مستقرة للسلسلة وأظهرت بوضوح أن نظرية الأوتار تتطلب التعديل.

نظرية الأوتار الفائقة

في عام 1971 ، تم إنشاء نظرية الأوتار المعدلة تسمى " نظرية الأوتار الفائقة ".

لفهم التعديلات ، دعنا نحاول التعامل مع خاصية مثل الدوران. هناك نسخة شائعة من شرح جوهر الدوران "على الأصابع": الدوران هو عدد الثورات حول محوره الذي يحتاج الجسيم إلى صنعه ليبدو بنفس الشكل في البداية. بالنسبة للدوران داخل الوحدة ، يبدو كل شيء واضحًا (يمكن تعيين أي "جسم" غير منتظم يساوي واحدًا) ، ومحاولة تخيل شكل كائن يحتاج إلى التمرير حول المحور مرتين بحيث يبدو كما هو في البداية ، يمكنك إلقاء نظرة على التوضيح إلى اليمين. يصور محركًا رباعي الأشواط ، والذي يعود إلى حالته الأصلية عندما يتم تدوير العمود المرفقي 720 درجة ، وهو نوع من التناظرية لدوران نصف صحيح.

في الوقت الحالي ، يعتقد أن الجسيمات الأولية يمكن أن يكون لها نصف عدد صحيح أو عدد صحيح يدور. البوزونات هي تلك الجسيمات التي لها دوران صحيح. الفرميونات هي جزيئات يكون فيها الدوران نصف متكامل. وبناءً على ذلك ، وصفت النسخة الأولى من نظرية الأوتار البوزونات فقط ، وهذا هو السبب في أنها سميت أيضًا " نظرية الأوتار البوزونية ". تضمنت نظرية الأوتار الفائقة الفرميونات - مع هذا النهج ، تم حل مشكلة وجود tachyons ، بالإضافة إلى العديد من التناقضات الأخرى في النظرية!

ولكن كانت هناك بعض المشاكل الجديدة. في نظرية الأوتار الفائقة ، اتضح أنه لكل بوزون يجب أن يكون هناك فرميون مناظر ، أي يجب أن يوجد تناظر معين بين البوزونات والفرميونات. تم توقع هذا النوع من التناظر من قبل - تحت اسم " التناظر الفائق "". ولكن من الناحية التجريبية ، لم يتم تأكيد وجود الفرميونات غير المتماثلة. وقد تم تفسير ذلك من خلال حقيقة أنه وفقًا للحسابات ، يجب أن يكون للفرميونات غير المتماثلة كتلة ضخمة للعالم الصغير ، وبالتالي ، في ظل الظروف العادية ، لا يمكن الحصول عليها. من أجل تسجيلها ، هناك حاجة لطاقات ضخمة ، والتي تتحقق عندما تصطدم جزيئات الضوء بسرعات ضوئية تقريبًا.

حتى الآن يحاولون تسجيل الفرميونات غير المتماثلة في التجارب في مصادم الهادرون الكبير ، لكن دون جدوى حتى الآن.

الكون متعدد الأبعاد

في الوقت نفسه ، لم تكن معادلات نظرية الأوتار الفائقة تريد أن تكون متسقة مع نظرية الكم ، مما يعطي وحدات سلبية أو أكبر للاحتمال.

من أجل فهم المتطلبات الأساسية لمواصلة تطوير النظرية ، نقوم برحلة قصيرة في التاريخ. في عام 1919 ، أرسل عالم الرياضيات الألماني كالوزا إلى أينشتاين رسالة تفيد نظريته التي افترض فيها أنه في الواقع يمكن للكون أن يكون رباعي الأبعاد في الفضاء ، وفي دليل على كلماته ، استشهد بحساباته ، والتي اتضح منها أنه في مثل هذه الحالة ، فإن GTR رائع بما يتفق مع نظرية المجال الكهرومغناطيسي ماكسويل ، والتي من المستحيل تحقيقها في الكون العادي ثلاثي الأبعاد. سخر المعاصرون من النظرية ، وسرعان ما شعر آينشتاين ، المهتم بالنظرية ، بخيبة أمل معها.

في عام 1926 ، اهتم الفيزيائي أوسكار كلاين أيضًا بعمل كالوزا وقام بتحسين نموذجه. وبحسب كلاين ، اتضح أن بعدًا إضافيًا قد يكون موجودًا بالفعل ، ولكنه في شكل "مقلص" ومركب على شكله نفسه. علاوة على ذلك ، ينهار البعد الرابع بإحكام شديد - بحجم الجسيمات الأولية ، لذلك لا نلاحظه. سميت النظرية بعالم كالوزا كلاين ذي الأبعاد الخمسة (أربعة أبعاد في الفضاء + الزمان) ، لكنها ظلت أيضًا في طي النسيان حتى الثمانينيات من القرن العشرين.

اقترح العلماء في محاولة لشرح التناقضات في نظرية الأوتار مع ميكانيكا الكم أن المشاكل في الحسابات ترجع إلى حقيقة أن السلاسل في نظريتنا يمكن أن تتقلب في ثلاثة اتجاهات فقط لها كوننا. الآن ، إذا كانت السلاسل يمكن أن تتذبذب في أربعة أبعاد ...

فقد أظهرت الحسابات أنه في هذه الحالة تبقى المشاكل ، ولكن عدد التناقضات في المعادلات ينخفض. استمر الباحثون في زيادة عدد القياسات حتى أدخلوا ما يصل إلى 9 قياسات في الفضاء ، وأخيرًا ، نظرية الأوتار الفائقة المتقاربة مع ميكانيكا الكم و GR. دخلت هذه اللحظة في التاريخ باعتبارها " الثورة الأولى في نظرية الأوتار". منذ تلك اللحظة بالضبط ، بدأ سماع علامات التعجب أننا نعيش بالفعل في عالم بعشر أبعاد - بعد واحد في الوقت ، يتم نشر ثلاثة أبعاد مألوفة لنا في الأبعاد الكونية ، ويتم تصغير الستة المتبقية على نطاق مجهري وبالتالي غير مرئية.

من وجهة نظر عملية ، لا يمكن في الوقت الحالي تأكيد أو دحض تجريبيًا ، لأننا نتحدث عن مثل هذه المقاييس الصغيرة من الأوتار والقياسات المطوية غير المتوفرة للتثبيت بالمعدات الحديثة.

مع مزيد من التطوير ، تمكن العلماء نظريًا من إنشاء نظرة عامة على ستة أبعاد منهارة ، ظل فيها عالمنا كما هو. يتوافق هذا الرأي مع أشياء رياضية من مجموعة تسمى " مشعبات كالابي ياو"(على اليمين.). لكن هذا لم يؤد إلى أي نتائج واعدة ، على الرغم من أن الشكل العام لهذه الأشياء تم حسابه ، ولكن الشكل الدقيق ، كما اتضح ، لا يمكن تحديده بدون تجربة. وبدون العثور على الشكل الدقيق لمساحة Calabi-Yau في عالمنا ، تم تقليص نظرية الأوتار الفائقة بالكامل إلى التنجيم على أساس القهوة.

ومع ذلك ، استمر العمل ، وتمكن العلماء تدريجياً من عزل خمس نظريات معقولة إلى حد ما من الكتلة الكلية للفرضيات التي يمكن أن تصف كوننا. هذه 5 نظريات سلسلة فائقة معروفة ، بينما ادعت جميعها بالتساوي عنوان النظرية الحقيقية الوحيدة وفي نفس الوقت بدت غير متوافقة مع بعضها البعض ، مما تسبب في قلق كبير بين العلماء.

نظرية م

فقط في منتصف التسعينات من القرن الماضي حدثت ما يسمى " الثورة الثانية في نظرية الأوتار ". افترض إدوارد ويتن أن نظريات الأوتار الفائقة المختلفة هي حالات محدودة مختلفة لنظرية M ذات الأبعاد 11 غير المتطورة.

إن إدخال بُعد آخر ككل لا ينتهك العلاقة بين نظرية الكم والنسبية العامة ، علاوة على ذلك ، فإنه يزيل العديد من المشاكل المتراكمة في نظرية الأوتار الفائقة. بما في ذلك بنجاح عبر جميع نظريات الأوتار الفائقة الخمسة في نظرية M واحدة ، والتي هي اليوم ، دون مبالغة ، أعلى إنجاز للفيزيائيين في معرفة الكون.

وفقًا لنظرية M ، اتضح أن أساس الكون ليس فقط سلاسل أحادية البعد. قد يكون هناك نظائر ثنائية الأبعاد للسلاسل - الأغشية ، وثلاثية الأبعاد ، وأربعية الأبعاد ... وقد سميت هذه الإنشاءات بالنخالة (سلسلة - 1 - غشاء - غشاء - 2 - غشاء وما إلى ذلك). تعمل نظرية M على الأغشية ثنائية الأبعاد وخماسية الأبعاد ، ولكن حتى النظرية الأساسية للنخالة لا تزال قيد التطوير. لم يتم التأكد من وجود الأغشية تجريبيا - في هذه المرحلة من تطور النظرية ، يعتقد أن الأغشية غير ملحوظة بشكل أساسي.

لكل هذا ، يتم تقريب نظرية M في الطاقات المنخفضة من الجاذبية الفائقة في أحد عشر أبعادًا. إن العلاقة مع الجاذبية تجعل من نظرية M منافسًا لتصبح نظرية ربط بين جميع التفاعلات الأساسية في الكون ، أو بعبارة أخرى - "النظرية الموحدة لكل شيء".

ومع ذلك ، فإن المشكلة مع الشكل النهائي لمساحة كالابي ياو في نظرية M لا تزال دون حل - على نطاق ماكروسكوبي ، يجب تقليل النظرية إلى فيزياء الجسيمات الأولية المعروفة والمختبرة جيدًا. ولكن ، كما اتضح ، هناك ما لا يقل عن ^10،100 ، أو حتى ^10،500 ، أو حتى طرق لا نهائية لهذا التخفيض . علاوة على ذلك ، تصف كل من النظريات الأربعة الأبعاد الناتجة عالمها الخاص ، والذي قد يكون مشابهًا للواقع ، أو قد يختلف عنه اختلافًا جوهريًا عنه.

كل هذا يرجع إلى حقيقة أن خصائص الجسيمات تعتبر طريقة لاهتزاز الأوتار ، وتعتمد الطرق المحتملة لأوتار الاهتزاز على الهندسة الدقيقة للقياسات الإضافية. المعادلات التقريبية الحالية ترضي عددًا كبيرًا من الأشكال الهندسية المختلفة. أي أن هذه المعادلات ستكون صالحة ليس فقط في عالمنا ، ولكن أيضًا في عدد كبير من العوالم الأخرى ، وربما في أي عالم. إذا كانت هذه المعادلات التقريبية نهائية ، يمكن اعتبار النظرية غير قابلة للتزوير وفقًا لـ Popper ، أي نظرية غير علمية. وهكذا ، فإن إيجاد المعادلات الدقيقة قد يضعها في مكانها.

في الوقت الحالي ، فإن تطور نظرية M معقد بسبب حقيقة أن المعادلات التي تصفها معقدة للغاية بحيث لا يعمل العلماء في الغالب إلا بأشكالها التقريبية ، مما لا يؤدي إلى زيادة في دقة النتائج. علاوة على ذلك ، غالبًا ما ينشأ مثل هذا الموقف حتى أنه لم يتم إنشاء الطرق الرياضية المقابلة لحل هذه المعادلات ، مما يخلق أيضًا مشاكل كبيرة. في الآونة الأخيرة ، عندما يصل الفيزياء إلى طريق مسدود ، في الواقع ، غالبًا ما تأتي الرياضيات إلى طريق مسدود. يقول بعض العلماء أن نظرية M لن تحصل على تطور ملحوظ إلا إذا حدث "اختراق رياضي".

تعتبر نظرية الأوتار ، وعلى وجه الخصوص ، نظرية M ، اليوم واحدة من أكثر المجالات تطورًا ديناميكيًا في الفيزياء الحديثة. وعلى الرغم من أن بعض العلماء ، بسبب المشاكل الأساسية ، يشككون في أن هذه النظرية ستؤدي في النهاية إلى نظرية فيزيائية تصف عالمنا الحقيقي. لا يتخلى جزء كبير من الباحثين عن آمالهم ويعتقدون أن نظرية M سوف تتشكل في يوم ما في نظرية موحدة أنيقة وأنيقة رياضية لكل شيء.

آمل ألا تتركك هذه المقالة غير مبالية ، وسأكون سعيدًا جدًا إذا قررت أنك لم تضيع وقتك في القراءة.

تطور نظرية الأوتار إلى نظرية M

نظرية الأوتار

نظرية الأوتار الفائقة

الكون متعدد الأبعاد

نظرية م

More articles: